(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子に入射した光信号を電気信号に変換して得られる第１の信号電圧と、前記光電変換素子を初期化した後に得られる電気信号からなる第２の信号電圧とを逐次入力する可変利得アンプの入力端子と、
前記第１の信号電圧と第２の信号電圧との差信号を出力する可変利得アンプの出力端子と、
参照電圧が入力される正入力端子、前記可変利得アンプの入力端子と信号経路を介して接続される負入力端子及び前記可変利得アンプの出力端子と接続される出力端子を有する演算増幅器と、
前記可変利得アンプの入力端子から前記演算増幅器の負入力端子に至る信号経路に設けられ、一端が前記信号経路を介して前記可変利得アンプの入力端子と接続され、他端が前記信号経路を介して前記演算増幅器の負入力端子と接続される入力容量と、
前記演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間に設けられた容量値可変の帰還容量と、
前記可変利得アンプの入力端子から前記入力容量の一端に至る信号経路を接続し、或いは開放する第１のスイッチ素子と、
前記入力容量の一端への前記参照電圧の入力端子を接続し、或いは開放する第２のスイッチ素子と、
前記演算増幅器の負入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間を接続し、或いは開放する第３のスイッチ素子とを有してなることを特徴とする可変利得アンプ。
【請求項２】
前記帰還容量は、複数の素子からなり、１以上のスイッチ素子により前記複数の容量素子のうちから前記帰還容量の容量値の設定に必要な容量素子を選択可能としたことを特徴とする請求項１記載の可変利得アンプ。
【請求項３】
前記第1の信号電圧と前記第２の信号電圧とを逐次入力し、前記第１の信号電圧及び第２の信号電圧を電荷に変換して前記第１の信号電圧と第２の信号電圧との差信号を生成し、該差信号の大きさに応じて利得調整して、出力レベルが調整された差信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の可変利得アンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変利得アンプに関し、より詳しくは、入力信号レベルに応じて利得調整が可能な可変利得アンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ型イメージセンサやＭＯＳ型イメージセンサなどの半導体イメージセンサは量産性に優れているため、パターンの微細化技術の進展に伴い、多くの画像入力デバイス装置に適用されている。
【０００３】
特に、近年、ＣＣＤ型イメージセンサと比べて、消費電力が小さく、かつセンサ素子と周辺回路素子とを同じＣＭＯＳ技術によって作成できるという利点を有することから、ＣＭＯＳ型イメージセンサが注目されている。
【０００４】
そのようなＣＭＯＳ型イメージセンサが米国特許6,128,039に記載されている。この米国特許6,128,039のＣＭＯＳ型イメージセンサは、所謂アクティブピクセルセンサと呼ばれている。米国特許6,128,039から転記した図１０に示すように、定電流源Ｍ４等の能動負荷との組み合わせで、ソースフォロアにより信号電圧を出力させている。
【０００５】
米国特許6,128,039のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、信号電荷蓄積用の負荷容量Ｃ１及び読み出しトランジスタＭ２のゲート−ソース間容量ＣｇｓがＭ２のゲートに直列に接続される。これらの容量は、電荷／電圧変換の固定容量に並列に入ったことになり、見かけ上の電荷／電圧変換の固定容量を変化させる。また、Ｍ２のソースに接続されたＣ１が充電されることで信号読み出しの間にＭ２のソース電位は大きく変化し、この電位変化はＭ２のＣｇｓを通してＭ２のゲートに帰還されるので、入力電位も変化し、伝達特性の線形性を著しく損なう。このために、このＣＭＯＳ型イメージセンサでは読み出しトランジスタＭ２の負荷としての定電流源Ｍ４は不可避であった。
【０００６】
また、近年、イメージセンサには積分方式コラム型アナログ／デジタル変換器（以下、コラム型ＡＤＣと称する。）が搭載されるようになっている。そのコラム型ＡＤＣにおいては、コンパレータによりアナログ信号である光電気信号を所定の勾配を有する比較ランプ電圧と比較し、パルスカウンタにより光電気信号の大きさに対応するパルス計数値に変換する。
【０００７】
その場合、アナログ信号が小さいときには比較ランプ電圧の勾配も小さくしてダイナミックレンジを確保している。
【０００８】
さらに、多数の単位画素を水平方向及び垂直方向に配列した固体撮像装置では、動画再生時にサンプリング画素を間引きして残りの画素の検出信号のみを出力させ、フレームレートを増加させるようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、列毎に定電流源Ｍ４を備えたイメージセンサでは、定電流源Ｍ４が個々に特性のばらつきを持つため、列毎に利得のばらつきを生じる。そのばらつきが列単位のオフセット差として現れ、画面で見たときに所謂縦の固定パターンノイズとなって現れる。
【００１０】
また、従来のイメージセンサから出力した信号電圧をコラム型ＡＤＣに入力させる場合、小さいアナログ信号に対応して比較ランプ電圧の勾配を小さくすると、ランプ信号の線形性やコンパレータの比較精度により、及び光電変換素子等に生じるオフセット電圧の影響により、ＳＮ比が制限される。
【００１１】
更に、従来のイメージセンサでサンプリング画素を間引きすると、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function：解像力）が劣化し、モアレの多い画像になる。また、サンプリングを間引きしたため、サンプリング画素間隔の逆数に比例するサンプリング周波数の２倍以下に低下すると、そのため折り返しノイズが発生する虞がある。さらに、画素数に応じて高速にイメージセンサを動作させる必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて発明されたものであり、光電気信号をデジタル化するに際して、ダイナミックレンジの向上を図りつつ、ＳＮ比の向上を図ることができる可変利得アンプを提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の可変利得アンプは、図１に示すように、光電変換素子に入射した光信号を電気信号に変換して得られる第１の信号電圧と、前記光電変換素子を初期化した後に得られる電気信号からなる第２の信号電圧とを逐次入力することにより、第１の信号電圧及び第２の信号電圧を電荷に変換して、第１の信号電圧と第２の信号電圧との差信号を生成し、かつ差信号がデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲内に入るような利得で差信号を増幅して出力することを特徴としている。
【００１４】
可変利得アンプ１０５ａは、所謂チョッパ型スイッチトキャパシタ型積分回路からなる。チョッパ型スイッチトキャパシタ型積分回路は、例えば、図１に示すように、参照電圧Ｖref が印加される正入力端子（＋）、負入力端子（−）及び出力端子を有する演算増幅器３１と、可変利得アンプ１０５ａの入力端子から演算増幅器３１の負入力端子（−）に至る信号経路に設けられた入力容量Ｃｉ（Ｃ１）と、演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力端子との間に設けられた複数の容量素子からなる帰還容量Ｃｆ（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、・・等）と、可変利得アンプ１０５ａの入力端子から入力容量Ｃｉの他端に至る信号経路を短絡し、或いは開放する第１のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２と、入力容量Ｃｉの他端への参照電圧Ｖrefの入力をオンし、或いはオフする第２のスイッチ素子ＳＷ３と、演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力端子との間を短絡し、或いは開放する第３のスイッチ素子ＳＷ４とを有してなる。
【００１５】
演算増幅器３１の増幅利得の調整は以下のように行なうことができる。
【００１６】
即ち、帰還容量Ｃｆを構成するＣ２、Ｃ３、Ｃ４、・・等の容量素子は、各容量素子の演算増幅器３１の入出力間への接続及び非接続を制御するスイッチ素子（ＳＷ５、ＳＷ６・・等）に接続されているので、スイッチ素子（ＳＷ５、ＳＷ６・・等）を選択的にオン、オフして適当な容量素子を選択して演算増幅器３１の入出力間に接続することができる。これにより、帰還容量Ｃｆの容量値を加減して、帰還容量Ｃｆに対する入力容量Ｃｉの比（Ｃｉ／Ｃｆ）を調整する。これにより、演算増幅器３１の増幅利得の調整が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
（ｉ）可変利得アンプの構成
図１を参照して、この発明の第１の実施の形態である可変利得アンプ１０５ａの詳細な構成について説明する。この可変利得アンプ１０５ａは２つの信号についての差信号を生成することができる増幅回路であり、特に差信号の大きさに応じて増幅率を変化させることができるという特徴を有する。
【００２６】
可変利得アンプ１０５ａは、図１に示すように、正入力端子（＋）、負入力端子（−）及び出力端子を有する演算増幅器３１を備えている。正入力端子（＋）には参照電圧（Vref）が入力され、負入力端子（−）には、例えば、光センサアレイ１００の光電変換素子１０１の出力である第１の信号電圧Ｖｔ及び第２の信号電圧Ｖｎが入力される。出力端子からは、第２の信号電圧Ｖｎを第１の信号電圧Ｖｔから除いた差信号Ｖｓ（＝Ｖｔ−Ｖｎ）が出力される。
【００２７】
また、可変利得アンプ１０５ａの入力端子から演算増幅器３１の負入力端子に至る信号経路にスイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２と、コンデンサＣ１からなる入力容量Ｃｉとが直列接続されている。入力容量Ｃｉの一端がスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を介して可変利得アンプ１０５ａの入力端子と接続され、入力容量Ｃｉの他端が演算増幅器３１の負入力端子と接続されている。スイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２が第１のスイッチ素子を構成する。
【００２８】
スイッチ素子ＳＷ１は単体のｎチャネルＭＯＳトランジスタからなり、スイッチ素子ＳＷ２は１以上のＭＯＳトランジスタで構成された伝達ゲートからなる。ともに入力容量Ｃｉの一端への入力信号の入力をオン／オフする。可変利得アンプ１０５ａの入力端子に、例えば光電変換素子１０１の出力端が接続され、光電変換素子１０１を初期化するためにその出力端を通して大きな正の電圧を印加する場合に、第１のスイッチ素子のうちスイッチ素子ＳＷ１が有効に働き、可変利得アンプ１０５ａへの高電圧の入力を阻止する。
【００２９】
入力容量Ｃｉの一端には、スイッチ素子（第２のスイッチ素子）ＳＷ３を介して参照電圧（Vref）が接続されている。また、演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力端子との間には、帰還容量Ｃｆと、スイッチ素子（第３のスイッチ素子）ＳＷ４とが並列接続されている。
【００３０】
帰還容量Ｃｆは複数のコンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４から構成されている。さらに、コンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４のうちコンデンサＣ３、Ｃ４を任意に選択して帰還容量Ｃｆの容量値を調整可能なように、各コンデンサＣ３、Ｃ４を演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力端子の間に接続し、或いは非接続とする第５及び第６のスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６が設けられている。
【００３１】
なお、帰還容量Ｃｆを、接続が固定されたコンデンサＣ２のほかに、接続／非接続が選択可能な３つ以上のコンデンサから構成して、接続／非接続が選択可能な各コンデンサＣ３、Ｃ４、・・を演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力端子の間に接続し、或いは非接続とする３つ以上の対応するスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６、・・を設けることも可能である。
【００３２】
演算増幅器３１の出力端子は、列毎にコラム型ＡＤＣ１０６の入力に接続される。このとき、演算増幅器３１から出力された差信号が次段のコラム型ＡＤＣ１０６へのデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲から外れている場合に、差信号がアナログ入力レベルの範囲内に入るように増幅利得を調整する必要がある。このため、外部から自動的に或いは手動で、第５及び第６のスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６のうち少なくとも何れか一を選択し、それらのオン／オフを制御する信号（Gsel1，Gsel2）を供給する。即ち、演算増幅器３１の増幅利得の調整は、演算増幅器３１の負入力端子（−）と出力端子との間に接続された帰還容量Ｃｆに対する入力容量Ｃｉの比（Ｃｉ／Ｃｆ）を調整することにより行なうことができる。この実施の形態では、帰還容量ＣｆはコンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４の複数の容量素子から構成され、スイッチ素子（ＳＷ５、ＳＷ６）をオン、オフして適当な容量素子を任意選択できるようにしている。
【００３３】
なお、図面では、上記のスイッチ素子ＳＷ１乃至ＳＷ６を模式的に記載しているが、上で説明したスイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２と同様に実際には１つ以上のトランジスタなどを用いて同じ機能を得ることができる。
【００３４】
（ｉｉ）固体撮像装置の構成
次に、図１の可変利得アンプ１０５ａを適用した固体撮像装置について説明する。
【００３５】
図２は、この発明の第１の実施の形態である固体撮像装置の回路構成図である。この固体撮像装置は、図２に示すように、光センサアレイ１００と、信号出力回路１０７とを備えている。信号出力回路１０７は、図１の可変利得アンプ１０５ａを列毎に配置した差信号生成回路１０５と、コラム型アナログ／デジタル変換器（以下、コラム型ＡＤＣと称する。）１０６とを備えている。行に並ぶ画素（光電変換素子）１０１のＭＯＳトランジスタを駆動して光の入射量に比例し、第２の信号電圧Ｖｎ成分を含まないデジタル化された映像信号（Ｖout1、・・・Ｖoutn）が行毎に信号出力回路１０７から出力される。
【００３６】
まず、光センサアレイ１００について説明する。この光センサアレイ１００は、２次元の構成を採っており、画素１０１が行方向及び列方向にマトリクス状に配列されている。
【００３７】
次いで、画素１０１内の素子構造について説明する。図８は、画素１０１内における素子レイアウトについて示す平面図である。また、図９は、図８のＩ−Ｉ線に沿う断面図に相当する、画素内の素子断面の構造について示す断面図である。
【００３８】
画素１０１は、受光ダイオード１１１と光信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２とが隣接して設けられている。
【００３９】
これら受光ダイオード１１１とＭＯＳトランジスタ１１２は、それぞれ異なるウエル領域、即ち第１のウエル領域１５ａと第２のウエル領域１５ｂに形成され、それらのウエル領域１５ａ、１５ｂは互いに接続されている。受光ダイオード１１１が形成された第１のウエル領域１５ａは光照射による電荷の発生領域の一部を構成している。ＭＯＳトランジスタ１１２が形成された第２のウエル領域１５ｂはこの領域１５ｂに付与するポテンシャルによってチャネルの閾値電圧を変化させることができるゲート領域を構成している。
【００４０】
ＭＯＳトランジスタ１１２のドレイン領域１７ａはリング状のゲート電極１９の外周部を取り囲むように形成され、ソース領域１６はリング状のゲート電極１９の内周に囲まれるように形成されている。
【００４１】
ドレイン領域１７ａが延在して受光ダイオード１１１の不純物領域１７が形成されている。即ち、不純物領域１７と低濃度のドレイン領域１７ａとは互いに接続した第１及び第２のウエル領域１５ａ，１５ｂの表層に大部分の領域がかかるように一体的に形成されている。
【００４２】
さらに、この固体撮像素子の特徴であるキャリアポケット（高濃度埋込層）２５は、ゲート電極１９下の第２のウエル領域１５ｂ内であって、ソース領域１６の周辺部に、ソース領域１６を取り囲むように形成されている。
【００４３】
ドレイン領域１７ａはコンタクト領域１７ｂを通してドレイン電圧（ＶＤＤ）供給線（又はドレイン電極）２２と接続され、ゲート電極１９は垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）供給線２１に接続され、ソース領域１６は垂直出力線（又はソース電極）２０に接続されている。
【００４４】
また、上記画素１０１の構成要素は光透過性の絶縁膜により被覆されており、受光ダイオード１１１の受光窓２４以外の領域は絶縁膜の上に形成された金属層（遮光膜）２３により遮光されている。
【００４５】
次に、図１、図２、図８、図９を参照して行と列に配列された画素１０１を駆動する周辺回路について説明する。図示していないが、センサアレイ１００の周辺には画素１０１を走査する信号を供給する、垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）の駆動走査回路及びドレイン電圧（ＶＤＤ）の駆動走査回路が配置されている。
【００４６】
垂直走査信号（ＶＳＣＡＮ）の駆動走査回路から垂直走査信号供給線２１が行毎に一つずつ接続され、各垂直走査信号供給線２１は行方向に並ぶ全ての画素１０１内のＭＯＳトランジスタ１１２のゲート１９に接続されている。
【００４７】
また、ドレイン電圧供給線（ＶＤＤ供給線）２２はドレイン電圧（ＶＤＤ）の駆動走査回路から行毎に一つずつ接続され、各ドレイン電圧供給線（ＶＤＤ供給線）２２は、行方向に並ぶ全ての画素１０１内のＭＯＳトランジスタ１１２のドレイン１７ａに接続されている。
【００４８】
また、列毎に異なる垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎが設けられて、各垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎは列方向に並ぶ全ての画素１０１内のＭＯＳトランジスタ１１２のソース１６にそれぞれ接続されている。また、各垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎには画素１０１を初期化するための大きな正の電圧を供給する図示しない昇圧回路が接続されている。即ち、列毎に各画素１０１のＭＯＳトランジスタ１１２のソース１６に昇圧された電圧が印加される。昇圧された電圧はさらにＭＯＳトランジスタ１１２のゲート−ソース間の容量を通して結果的にゲート１９にかかる。これにより、ウエル領域１５ａ、１５ｂにかかる電界強度を増して、キャリアの掃き出しを促進することができる。
【００４９】
さらに、ＭＯＳトランジスタ１１２のソース１６は垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎを通して信号出力回路１０７の入力端と接続している。言い換えれば、ソース１６は列毎に上記の差信号生成回路１０５内の可変利得アンプ１０５ａの入力端に接続し、信号読み出しのとき図１に示す入力容量Ｃｉに直結することになる。なお、図２では省略しているが、実際には垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎの途中にはスイッチ素子等が設けられて信号の流れを制御している。
【００５０】
差信号生成回路１０５の入力端に第１の信号電圧Ｖｔ及び第２の信号電圧Ｖｎが入力され、差信号生成回路１０５の出力端子からは、画素１０１を初期化したときに発生する第２の信号電圧Ｖｎを第１の信号電圧Ｖｔから除いた差信号Ｖｓ（＝Ｖｔ−Ｖｎ）が出力される。さらに、差信号生成回路１０５の出力は列毎にコラム型ＡＤＣ１０６の入力端に接続している。
【００５１】
差信号生成回路１０５においては、外部からの信号Gsel1，Gsel2により帰還容量Ｃｆの容量値を選択して差信号Ｖｓの大きさがデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲内に適合するように利得調整することができ、出力端子からはアナログ出力レベルが調整された差信号Ｖｓ又はＶｓampが出力される。
【００５２】
コラム型ＡＤＣ１０６は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、不図示のコンパレータによりアナログ信号である差信号Ｖｓ又はＶｓampを所定の勾配を有する比較ランプ電圧ＶＬと比較し、不図示のパルスカウンタにより差信号Ｖｓ又はＶｓampの大きさに対応するパルス計数値Ｎｃ又はＮcaに変換する。なお、パルス計数値Ｎcaは、増幅利得を考慮した係数を乗じて実際の差信号Ｖｓに対応するパルス計数値Ｎｃに変換される。
【００５３】
デジタル化された映像信号は、行毎の画素並びに対応して、コラム型ＡＤＣ１０６の出力端子から出力される。
【００５４】
以上のように、この発明の実施の形態の固体撮像装置によれば、光信号に対応する差信号をデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲内に適合するような利得で増幅することができる。
【００５５】
また、上記した固体撮像装置は、画素１０１の出力端であるソース１６に定電流源などの能動負荷を接続しなくても光信号を読み出し得ることを特徴としている。これは、信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２がチャネル下、ソース領域１６を囲むように光発生電荷（ホール）を蓄積する高濃度埋込層２５を備えていることによる。この理由は、以下の通りである。
【００５６】
ｐ型の高濃度埋込層２５のポテンシャル井戸に光発生ホールを蓄積して、空乏化したウエル領域１５ｂ内の負の空間電荷を変化させることにより、閾値が変調されて、ＭＯＳトランジスタ１１２の表面電位が決定される。このとき、外部電源によりゲート電位は一定電位に保たれているので、表面電位はポテンシャル井戸に蓄積された光発生ホールにより一意的に決まる。高濃度埋込層２５に蓄積された光発生ホールの状態はソース電位の影響を受けないので、信号電荷蓄積容量を負荷とするソースフォロワを形成して信号を読み出す場合、たとえ信号読み出しの間にソース電位が変化しても高濃度埋込層２５に不要な帰還作用を及ぼさない。従って、ＭＯＳトランジスタ１１２のソース領域１６に定電流源を接続してソース−ゲート間の電位差を一定に保つ必要がないため、特性を揃えることが容易な容量のみをソースフォロワの負荷としても表面電位をソースに伝えることができる。
【００５７】
これにより、固定パターンノイズを抑制しつつ信号読み出しが可能となる。
【００５８】
（ｉｖ）光信号の検出動作及び読み出し動作
次に、図３乃至図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る光信号の検出動作及び読み出し動作を説明する。
【００５９】
図３（ａ）、（ｂ）は、コラム型ＡＤＣ１０６の動作を示す図である。
図４は、画素１０１に着目して、光信号の検出動作及び読み出し動作を説明するタイミングチャートである。上記した光信号検出用ＭＯＳトランジスタがｎＭＯＳの場合に適用する。
【００６０】
図５は差信号生成回路１０５を動作させるためのタイミングチャートを示す。Ｖout1、・・・、Ｖoutnは信号出力回路１０７から出力されるデジタル化された映像信号を示す。
【００６１】
光信号の検出動作及び読み出し動作は、図４に示すように、蓄積期間−読出期間−掃出期間（初期化期間）−ノイズ読出期間からなる一連の過程を繰り返し行う。
【００６２】
まず、図４を参照して一連の動作を説明する。都合上、蓄積期間から説明を始める。また、必要により、図１、図２、図８及び図９も適宜参照する。
【００６３】
蓄積期間では、受光ダイオード１１１に光照射を行って光発生ホールを発生させ、ＭＯＳトランジスタ１１２のチャネル領域下に転送し、高濃度埋込層２５に蓄積させる。これにより、ＭＯＳトランジスタ１１２の閾値電圧が変化するので、次の読出期間においてその閾値電圧の変化をソース電圧Ｖｐｓとして出力させる。
【００６４】
読出期間では、ＭＯＳトランジスタ１１２を動作させて光発生ホールの蓄積量に比例した光信号としてソース電圧Ｖｐｓを出力し、入力容量Ｃｉに記憶させる。このソース電圧Ｖｐｓは光信号より電気信号に変換した信号電圧Ｖｔを構成し、光の強度に応じた真の信号電圧成分Ｖｓの他に第２の信号電圧成分Ｖｎを含んでいる。
【００６５】
初期化期間では、スイッチ素子ＳＷ１を開放し、ＭＯＳトランジスタ１１２のソース領域１６を通してゲート電極１９及びドレイン領域１７ａに高電圧を印加し、受光ダイオード１１１及び光信号検出用ＭＯＳトランジスタ１１２から蓄積ホールを排出して画素１０１を初期化する。
【００６６】
ノイズ読出期間では、初期化された状態でのソース電圧Ｖｐｓを第２の信号電圧Ｖｎとして画素１０１から出力し、信号出力回路１０７に入力させて第２の信号電圧Ｖｎを除去した差信号Ｖｓ（＝Ｖｔ−Ｖｎ）を取り出す。
【００６７】
ノイズ読出期間終了後に再び上記した蓄積期間に戻る。
【００６８】
次に、図５を参照し、差信号生成回路１０５、特に図１の可変利得アンプ１０５ａに着目して、蓄積期間−読出期間−掃出期間（初期化期間）−ノイズ読出期間からなる一連の過程に対応させながら、デジタル化された差信号Ｖｓの生成動作について詳細に説明する。
【００６９】
蓄積期間では、信号ＳＣＭ，ＣＬＭをいずれもHighレベル（以下、Ｈレベルと称する。）として、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ４をオン状態とし、かつ信号Load，ＲＳＭをいずれもLowレベル(以下、Ｌレベルと称する。)として、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３をオフ状態とする。
【００７０】
蓄積期間の終了時の期間（入力容量初期化期間）に、信号Load，ＳＣＭ，ＲＳＭ，ＣＬＭ，Ｇsel1，Ｇsel2をいずれもＨレベルとして、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６をオン状態とし、入力容量ＣｉであるコンデンサＣ１、帰還容量ＣｆであるコンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４の電荷を初期化する。
【００７１】
その後、センサ信号読込み期間（読出期間）では、信号ＲＳＭをＬレベルとして、スイッチ素子ＳＷ３をオフ状態とする。他のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４は前の状態のまま保持する。これにより、可変利得アンプ１０５ａの入力容量Ｃｉに、それぞれ画素１０１からの第１の信号電圧Ｖｔが供給される。但し、この第１の信号電圧Ｖｔには、光信号成分Ｖｓと第２の信号電圧成分Ｖｎが含まれている。
【００７２】
このとき、可変利得アンプ１０５ａの入力容量Ｃｉの両側の電位差はＶｔ−Ｖrefとなる。そして、スイッチ素子ＳＷ４がオン状態であるので、可変利得アンプ１０５ａの演算増幅器３１の出力はＶref となる。
【００７３】
画素初期化期間（初期化期間）では、信号Load，ＳＣＭをＬレベルとして、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をオフ状態とする。他のスイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４は前の状態のまま保持する。この間に、画素１０１の出力端に高い電圧を供給し、画素を初期化する。即ち、受光ダイオード１１１及びＭＯＳトランジスタ１１２内の蓄積電荷を空にする。
【００７４】
その後、ノイズ読出期間では、立ち上がり時の期間（信号線初期化期間）に、図示しないスイッチ素子を介して垂直出力線２０ａ，・・，２０ｎを接地電位とし、信号ＳＣＭをＬレベルとして、スイッチ素子ＳＷ２をオフ状態のまま保持する。さらに、信号ＣＬＭをＬレベルとして、スイッチ素子ＳＷ４をオフ状態にするとともに、信号Ｇsel1をＨレベルとして、スイッチ素子ＳＷ５をオン状態にして容量素子Ｃ３を選択し、帰還容量Ｃｆを入力容量Ｃｉと等しくなるように設定する。ここでは、入力容量Ｃｉの容量値と等しい容量値をＣ２＋Ｃ３とする。さらに、信号Load，ＲＳＭをＨレベルとして、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３をオンにする。これにより、可変利得アンプ１０５ａ内の信号線に蓄積されている電荷を初期化する。また、入力容量Ｃｉの一端側がＶrefとなるため入力容量Ｃｉに蓄積されていた電荷Ｃｉ・（Ｖｔ−Ｖref）が帰還容量Ｃｆ（＝Ｃ２＋Ｃ３）に転送される。入力容量Ｃｉの両端の電位差は０となる。
【００７５】
信号線初期化期間の経過後、信号ＳＣＭをＨレベルとして、スイッチＳＷ２をオン状態にするとともに、信号ＲＳＭ，ＣＬＭをＬレベルとして、スイッチＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態にする。また、信号Ｇsel1をＨレベルとして、ＳＷ５をオン状態にして容量素子Ｃ３を選択する。これにより、可変利得アンプ１０５ａの入力容量Ｃｉの両端の電位差が０からＶｎ−Ｖrefに変化する。これに対応する電荷Ｃｉ・（Ｖｔ−Ｖｎ）／Ｃｆ（＝Ｖｓ）が帰還容量Ｃｆにも蓄積され、演算増幅器３１の出力は差信号Ｖｓを含む信号電圧（Ｖref−Ｖｓ）となる。
【００７６】
次いで、差信号Ｖｓとデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲と比較する。差信号Ｖｓの大きさがデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲のときには、コラム型ＡＤＣ１０６にそのまま出力する。
【００７７】
一方、差信号Ｖｓの大きさが、例えばデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲の下限値よりも小さいときには、外部からの信号により、差信号Ｖｓの大きさがその下限値よりも大きくなるような利得で差信号Ｖｓが増幅されるように、帰還容量Ｃｆの容量値を選択する。ここでは、必要な増幅利得が得られる容量値をＣ２＋Ｃ４（＜Ｃ２＋Ｃ３）とすると、Ｇsel1をＬレベルとしてＳＷ５をオフ状態にするとともに、Ｇsel2をＨレベルとしてＳＷ６をオン状態にし、帰還容量Ｃｆとして容量素子Ｃ２＋Ｃ４を選択する。
【００７８】
そして、入力容量Ｃｉ及び帰還容量Ｃｆを初期化した後、新たに第１の信号電圧Ｖｔを入力容量Ｃｉに入力して電荷に変換し、続いて、帰還容量Ｃｆに転送する。続いて、第２の信号電圧Ｖｎを入力容量Ｃｉ及び帰還容量Ｃｆに入力して電荷に変換する。即ち、可変利得アンプ１０５ａの入力容量Ｃｉである容量素子Ｃ１の両側の電位差がＶｔ−Ｖrefから０を経てＶｎ−Ｖrefに変化する。これに対応する電荷Ｃｉ・（Ｖｔ−Ｖｎ）／Ｃｆ（＝Ｖｓamp）が帰還容量Ｃｆである容量素子（Ｃ２＋Ｃ４）にも蓄積され、演算増幅器３１の出力から増幅された差信号Ｖｓampを含む信号電圧（Ｖref−Ｖｓamp） が出力される。
【００７９】
そして、差信号Ｖｓ又はＶｓampを図２に示すコラム型ＡＤＣ１０６に入力させて、デジタル信号に変換させる。さらに、このデジタル信号を映像信号としてコラム型ＡＤＣ１０６の出力端子から出力する。
【００８０】
ここで、本発明においては、各列毎にアンプを有することから、このアンプ毎に固有のオフセット値を持ち、このためコラム型ＡＤＣ１０６出力が各列毎にオフセット成分を含むことが予想されるが、このオフセット成分は予めデジタル化してメモリしておき、帰線消去期間におけるオプチカルブラック信号検出において補正信号として加算し、差信号のデジタル信号との間でデジタル演算することにより容易に除去することができる。
【００８１】
以上、第１の実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００８２】
また、差信号を比較する基準として、デジタル符号化アナログ入力レベルの範囲を用いているが、これに限られない。
（第２の実施の形態）
（ｉ）固体撮像装置の構成
図６を参照して本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の構成について説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図である。
【００８３】
この固体撮像装置において、第１の実施の形態と異なるところは、図６に示すように、差信号生成回路１０５内に列毎に設けられた可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂ、・・のうち、一つの列の可変利得アンプ１０５ａの演算増幅器３１の負入力端子（−）と、隣の列の可変利得アンプ１０５ｂの演算増幅器３１の負入力端子（−）とが、スイッチ素子（画素混合スイッチ素子）ＳＭを介して接続されていることである。
【００８４】
この実施の形態の光センサアレイ１００の画素１０１の配列は、ベイヤ方式の基本形の色フィルタアレイ配列となっている。この色フィルタアレイ配列では、隣接する４つの領域にＲ，Ｇ，Ｂが配列され、かつ同一色のＧが斜めに配列されている。上記した可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂにはこれらのＧの画素１０１の垂直出力線２０ａ、２０ｂが接続されている。
【００８５】
この回路構成では、スイッチ素子ＳＭを非接続状態にすることで第１の実施の形態と同じ回路構成となり、その回路を第１の実施の形態と同じように動作させることができる。また、切り替え信号MODEによりスイッチ素子ＳＭを接続することで、２つの列の隣接する前記Ｇの差信号を混合し、それらの列の出力に平均化された映像信号を出力させることができる。
【００８６】
なお、上記では、画素１０１から出力された信号電圧のアンプとして可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂを用いているが、利得調整が不要な場合には可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂから容量素子Ｃ３、Ｃ４、及びスイッチ素子ＳＷ５、ＳＷ６を取り除いたものを用いることができる。
【００８７】
（ｉｉ）光検出動作
次に、図面を参照して第２の実施の形態である固体撮像装置の光検出動作を説明する。
【００８８】
この実施の形態の固体撮像装置においては、第１の実施の形態と同じ通常の動作と間引き動作における画素混合とを行うことが可能である。通常の動作を行うには、上記したように、スイッチ素子ＳＭを非接続状態として、第１の実施の形態の回路構成と同じにし、第１の実施の形態と同様に動作させる。これにより、レベル調整された映像信号を出力させることができる。
【００８９】
次に、画素混合の動作について説明する。図７は図６の差信号生成回路１０５を用いて画素混合を行なうためのタイミングチャートを示す。説明においては、必要により、図６も参照する。この場合、帰還容量Ｃｆとして容量素子Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のうちＣ２のみを用いるものする。
【００９０】
この実施の形態の画素混合の動作を含む光信号読出し動作においては、光発生ホールの蓄積動作、入力容量Ｃｉの初期化動作、センサ信号（第１の信号電圧）Ｖta、Ｖtbの読込み動作、画素のリセット動作、信号線の初期化動作及びノイズ読出し動作を順に繰り返し行う。画素混合の動作はノイズ読出し動作のときに同時に行う。
【００９１】
まず、光発生ホールの蓄積動作から信号線の初期化動作までは、画素混合スイッチ素子ＳＭが非接続とされて、第１の実施の形態の図５で説明した動作と同様な動作を行う。これにより、可変利得アンプ１０５ａの帰還容量Ｃｆに電荷Ｃｉ・（Ｖta−Ｖref）が蓄積され、可変利得アンプ１０５ｂの帰還容量Ｃｆに電荷Ｃｉ・（Ｖtb−Ｖref）が蓄積されるとともに、入力容量Ｃｉを含む信号線が初期化された状態となる。
【００９２】
次いで、ノイズ読出し動作に移行し、信号ＭＯＤＥをＨレベルとしてスイッチ素子ＳＭを接続し、２つの列の可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂに係る演算増幅器３１の負入力端子同士を接続する。これにより、画素混合が可能な状態となる。このとき、同時に、スイッチ素子ＳＷ１を接続し、かつスイッチ素子ＳＷ４を開放状態に保持したまま、信号ＳＣＭをＨレベルとしてスイッチ素子ＳＷ２を接続し、信号ＲＳＭをＬレベルとしてスイッチ素子ＳＷ３を開放する。これにより、画素１０１からの第２の信号電圧Ｖna、Ｖnbが入力可能な状態となる。
【００９３】
可変利得アンプ１０５ａにおいては、画素１０１からの第２の信号電圧Ｖnaの入力により、コンデンサＣ１の両端の電位差が０からＶna−Ｖrefに変化し、Ｃ２の両端の電位差がＣ１・（Ｖta−Ｖna）／Ｃ２に変化するはずである。また、可変利得アンプ１０５ｂにおいては、画素１０１からの第２の信号電圧Ｖnbの入力により、コンデンサＣ１の両端の電位差が０からＶnb−Ｖrefに変化し、Ｃ２の両端の電位差がＣ１・（Ｖtb−Ｖnb）／Ｃ２に変化するはずである。この場合、スイッチ素子ＳＭにより可変利得アンプ１０５ａ、１０５ｂ相互のＣ２の入力端が接続されているので、各々のＣ２に別々に蓄積されるはずの電荷が混合され、平均化されるので、各々のＣ２の両端の電位差ΔＶ０は略Ｃ１／Ｃ２・（（Ｖta−Ｖna）＋（Ｖtb−Ｖnb））／２となる。また、各演算増幅器３１の出力はＶref−ΔＶ０となる。この後、適宜信号処理してＧの映像信号を映像信号出力端子から出力する。
【００９４】
ところで、従来の一般的な固体撮像装置では、サンプリング画素を間引きするため、ＭＴＦが劣化してモアレの多い画像になったり、折り返しノイズが発生したりする。また、イメージセンサを高速で動作させる必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。
【００９５】
これに対して、本実施の形態では、スイッチ素子ＳＭを接続することにより、少なくとも２つの列の同一色の画素信号を混合し、平均化して間引きに係る映像信号を生成している。従って、間引きを行なっても、サンプリングに伴うＭＴＦの劣化を防ぐことができる。また、走査上間引きされた画素１０１位置における平均化された映像信号が出力されるので、サンプリング周波数は低下しない。これにより、折り返しノイズの発生を防止することができる。
【００９６】
また、間引きに応じて信号処理回数が減るので、消費電力の増大が回避される。
【００９７】
さらに、内部スイッチ素子ＳＭの切り替えのみで通常の動作と間引き動作を行うことができるというように、簡単な手段で信号出力回路の多機能化を図ることができる。
【００９８】
以上、第２の実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００９９】
例えば、上記の第２の実施の形態では、画素の色配列としてベイヤ方式の基本形の色フィルタアレイ配列を用いているが、他の方式の色フィルタアレイ配列を用いることも可能である。
【０１００】
また、この発明が適用される固体撮像装置に用いる光電変換素子として種々の変形例を適用可能である。これは、第１の実施の形態でも同様である。それらの実施の形態では、特に、特許（特許登録番号２９３５４９２号）に記載の光電変換素子と同じ構造の光電変換素子を用いているが、出力に容量を直結しても正確な信号電圧が得られるような他の構造の光電変換素子を用いることができる。
【０１０１】
また、ｐ型の基板１１上のｎ型のエピタキシャル層１２内に第１及び第２のウエル領域１５ａ、１５ｂを形成しているが、ｎ型のエピタキシャル層１２の代わりに、ｐ型のエピタキシャル層にｎ型不純物を導入してｎ型ウエル層を形成し、このｎ型ウエル層内に第１及び第２のウエル領域１５ａ、１５ｂを形成してもよい。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アナログ差信号の振幅が適度なデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲よりも小さいときでも、アナログ差信号を増幅してデジタル符号化アナログ入力レベルの範囲に適合させることができる。
【０１０３】
これにより、アナログ差信号のデジタル化に際して、ダイナミックレンジを確保し、かつＳＮ比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る可変利得アンプを示す回路図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態に係る可変利得アンプを備えた固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【図３】図２の固体撮像装置の回路構成のうち信号処理回路（コラム型ＡＤＣ）の動作を示す図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態の固体撮像装置を動作させる際のタイミングチャートである。
【図５】この発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の差信号生成動作のタイミングチャートである。
【図６】この発明の第２の実施の形態に係る信号出力回路を備えた固体撮像装置の回路の構成を示す図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の画素混合動作のタイミングチャートである。
【図８】この発明の第１及び第２の実施の形態に係る固体撮像装置を構成する光センサアレイの画素内の素子構造を示す平面図である。
【図９】同じく、図８のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図１０】従来例に係る固体撮像装置の回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
２０ａ、・・・２０ｎ  垂直出力線
３１  演算増幅器
１００  光センサアレイ
１０１  単位画素
１０５  差信号生成回路
１０５ａ、１０５ｂ  可変利得アンプ
１０６  コラム型ＡＤＣ
１０７  信号出力回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４  容量素子
Ｃｉ  入力容量
Ｃｆ  帰還容量
ＳＭ  画素混合スイッチ素子
ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチ素子（第１のスイッチ素子）
ＳＷ３  スイッチ素子（第２のスイッチ素子）
ＳＷ４  スイッチ素子（第３のスイッチ素子）
ＳＷ５、ＳＷ６  スイッチ素子
Ｖｔ  信号電圧（第１の信号電圧）
Ｖｎ  第２の信号電圧（第２の信号電圧）
Ｖout1、・・・Ｖoutn  デジタル化された映像信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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