JPH05268533A - Image sensor - Google Patents
Image sensorInfo
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- JPH05268533A JPH05268533A JP4065617A JP6561792A JPH05268533A JP H05268533 A JPH05268533 A JP H05268533A JP 4065617 A JP4065617 A JP 4065617A JP 6561792 A JP6561792 A JP 6561792A JP H05268533 A JPH05268533 A JP H05268533A
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- switch
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【目的】 高速、高感度、高S/Nのイメージセンサを
実現する。
【構成】 水平ブランキング期間に選択行の増幅画素の
明時出力電圧及び暗時出力電圧を各々大きい電流駆動能
力を有した水平増幅トランジスタ32,33のゲート端
子に接続されている各蓄積容量30,31に充電し、次
いで水平走査期間内に、水平シフトレジスタ22により
水平スイッチトランジスタ36,37を順次オンさせ
て、各蓄積容量の明時出力電圧及び暗時出力電圧を各水
平増幅トランジスタによって増幅して各水平スイッチト
ランジスタを介して各水平信号線38,39に接続す
る。また明時出力読み出し経路となる水平増幅トランジ
スタ及び水平スイッチトランジスタの素子パラメータ
は、暗時出力読み出し経路となる水平増幅トランジスタ
及び水平スイッチトランジスタの素子パラメータに各々
同一列内で整合させる構成とする。
(57) [Summary] (Modified) [Purpose] To realize a high-speed, high-sensitivity, high S / N image sensor. A storage capacitor 30 connected to the gate terminals of horizontal amplification transistors 32 and 33, each of which has a large current driving capability for the bright output voltage and the dark output voltage of an amplification pixel in a selected row during a horizontal blanking period. , 31 and then, during the horizontal scanning period, the horizontal shift transistors 22 sequentially turn on the horizontal switch transistors 36 and 37 to amplify the bright output voltage and the dark output voltage of each storage capacitor by each horizontal amplification transistor. Then, it is connected to each horizontal signal line 38, 39 through each horizontal switch transistor. Further, the device parameters of the horizontal amplification transistor and the horizontal switch transistor, which are the bright output read paths, are matched with the device parameters of the horizontal amplification transistor and the horizontal switch transistor, which are the dark output read path, in the same column.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はアレイ状をなした光電変
換素子の光情報を増幅して、高速、高S/Nに信号読み
出しを行うイメージセンサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor that amplifies optical information of an array of photoelectric conversion elements and reads signals at high speed and high S / N.
【0002】[0002]
【従来の技術】イメージセンサの高感度化、高S/N化
を満たすための方法が特開平1−243675号公報に
おいて論じられている。上記の従来例のイメージセンサ
の構成図として図5を用いて述べる。各画素はフォトダ
イオード1、フォトダイオード1から与えられる電圧を
増幅するための画素増幅トランジスタ2、フォトダイオ
ード1と画素増幅トランジスタ2のゲートとの間に存在
して垂直シフトレジスタ10からフォトゲート線25を
介して走査されるフォトゲートトランジスタ26、フォ
トダイオード1をリセットするためのリセットトランジ
スタ4を各々有する。画素増幅トランジスタ2のゲート
及びリセットトランジスタ4のソースはフォトゲートト
ランジスタ26を介してフォトダイオード1に、画素増
幅トランジスタ2のドレインとリセットトランジスタ4
のドレインは垂直ドレイン線12に各々接続されてい
る。フォトゲートトランジスタ26のゲートはフォトゲ
ート線25に、画素増幅トランジスタ2のソースは垂直
信号線14に接続されている。ここでリセットトランジ
スタ4のゲートに接続する垂直ゲート線13と垂直ドレ
イン線12とフォトゲート線25は、共に垂直シフトレ
ジスタ10により選択走査される。垂直信号線14は信
号リセットゲート線16がゲートを制御している信号リ
セットスイッチトランジスタ15によって信号リセット
線3に落とされており、また蓄積容量ゲート線18、2
8がゲートを制御している蓄積容量スイッチトランジス
タ17、27を介して蓄積容量19、29にも接続され
ている。蓄積容量19、29は水平シフトレジスタ22
から水平ゲート線21を介して選択走査される水平スイ
ッチトランジスタ20により、水平信号線23、24に
接続されている。2. Description of the Related Art A method for satisfying high sensitivity and high S / N of an image sensor is discussed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-243675. As a configuration diagram of the above-mentioned conventional image sensor, it will be described with reference to FIG. Each pixel exists between the photodiode 1, the pixel amplification transistor 2 for amplifying the voltage applied from the photodiode 1, and the gates of the photodiode 1 and the pixel amplification transistor 2 and the vertical shift register 10 to the photogate line 25. It has a photogate transistor 26 that is scanned through the reset gate 4 and a reset transistor 4 for resetting the photodiode 1. The gate of the pixel amplification transistor 2 and the source of the reset transistor 4 are connected to the photodiode 1 via the photogate transistor 26, the drain of the pixel amplification transistor 2 and the reset transistor 4 are connected.
The drains of are connected to the vertical drain lines 12, respectively. The gate of the photogate transistor 26 is connected to the photogate line 25, and the source of the pixel amplification transistor 2 is connected to the vertical signal line 14. Here, the vertical gate line 13, the vertical drain line 12, and the photogate line 25 connected to the gate of the reset transistor 4 are selectively scanned by the vertical shift register 10. The vertical signal line 14 is dropped to the signal reset line 3 by the signal reset switch transistor 15 whose gate is controlled by the signal reset gate line 16, and also the storage capacitor gate lines 18 and 2.
8 is also connected to storage capacitors 19 and 29 via storage capacitor switch transistors 17 and 27 whose gates are controlled. The storage capacitors 19 and 29 are horizontal shift registers 22.
Is connected to the horizontal signal lines 23 and 24 by the horizontal switch transistor 20 which is selectively scanned through the horizontal gate line 21.
【0003】次に従来例の動作は以下の如く説明されて
いる。光の入射によりフォトダイオード1内には信号電
荷が生じて蓄えられる。水平ブランキング期間内に、ま
ず垂直シフトレジスタ10によって選択した行の垂直ド
レイン線12及び垂直ゲート線13を”H”レベルに設
定し、同時に信号リセットゲート線16及び信号リセッ
ト線3を”H”レベルに設定することにより上記選択行
の画素増幅トランジスタ2のゲートをリセットする。こ
の後、ゲートをリセットした画素増幅トランジスタ2の
ソース端子出力の蓄積容量19への充電を、蓄積容量ゲ
ート線18で蓄積容量スイッチトランジスタ17を一定
期間オン状態とすることにより行う。さらにその後、フ
ォトゲート線25を”H”レベルにすることによりフォ
トゲートトランジスタ26をオンしてフォトダイオード
1に蓄積されていた信号電荷を画素増幅トランジスタ2
のゲートへ読み出して画素増幅トランジスタ2のソース
端子出力の蓄積容量29への充電を、蓄積容量ゲート線
28で蓄積容量スイッチトランジスタ27を一定期間オ
ン状態とすることにより行う。次いで水平走査期間内
に、水平シフトレジスタ22が水平ゲート線21を介し
て水平スイッチトランジスタ20を順次オンさせると、
各蓄積容量19、29は水平スイッチトランジスタ20
を介して水平信号線23、24に接続されることにな
り、蓄積容量19、29に蓄積されていた増幅信号電荷
による明時出力と暗時出力が画素毎に同時に、図示して
いない後段での差動用出力として得られる。Next, the operation of the conventional example is described as follows. Signal charges are generated and stored in the photodiode 1 by the incidence of light. Within the horizontal blanking period, first, the vertical drain line 12 and the vertical gate line 13 of the row selected by the vertical shift register 10 are set to the “H” level, and at the same time, the signal reset gate line 16 and the signal reset line 3 are set to the “H” level. Setting the level resets the gate of the pixel amplification transistor 2 in the selected row. After that, the storage capacitor 19 of the source terminal output of the pixel amplification transistor 2 whose gate is reset is charged by turning on the storage capacitor switch transistor 17 for a certain period by the storage capacitor gate line 18. After that, the photogate line 26 is turned on to turn on the photogate transistor 26 so that the signal charge accumulated in the photodiode 1 is transferred to the pixel amplification transistor 2
The gate of the pixel amplification transistor 2 is read out to charge the storage capacitor 29 of the output of the source terminal of the pixel amplification transistor 2 by turning on the storage capacitor switch transistor 27 for a certain period by the storage capacitor gate line 28. Next, during the horizontal scanning period, when the horizontal shift register 22 sequentially turns on the horizontal switch transistors 20 via the horizontal gate lines 21,
Each storage capacitor 19, 29 is a horizontal switch transistor 20.
Will be connected to the horizontal signal lines 23 and 24 via the, and the bright output and the dark output due to the amplified signal charge accumulated in the storage capacitors 19 and 29 will be simultaneously output for each pixel at a later stage (not shown). It is obtained as the differential output of.
【0004】上記の図5を用いて説明した回路構成図
を、その増幅部も含んだ画素部を一般化して描き直した
のが図6であり、この従来例と以後説明する本発明との
比較と議論のために本質的に必要な箇所を分かり易くし
たものである。図6において図5と同一番号の構成要素
は図5におけるものに等しいので説明を省略する。図6
において5は増幅トランジスタ、リセットトランジスタ
そしてスイッチとして働くゲートトランジスタ等の、1
つの光電変換素子毎に付随する画素部構成要素を一括り
にしたもので以下において増幅画素5と呼ぶことにす
る。図5における垂直ドレイン線12、垂直ゲート線1
3、フォトゲート線25等を代表して図6において6、
7という垂直シフトレジスタ10からの2種類の駆動線
で描き直している。即ち増幅画素5はその中身を図5に
おけるその相当部分だけに限らず、垂直シフトレジスタ
10からの駆動によって光電変換素子自体若しくは光電
変換素子出力を増幅したものを、フォロワ出力を介する
介さないに拘らず、垂直出力線14に同一行毎に順次に
出力するものであれば如何なるものでも、以下の議論は
成り立つものである。各増幅画素部5を駆動するために
必要な垂直シフトレジスタ10からの駆動線は当然図6
において表わした6、7の2種類だけに限るものでな
く、1種類または3種類以上でもよい。FIG. 6 is a generalized redrawing of the pixel section including the amplifier section of the circuit configuration diagram described with reference to FIG. 5, and a comparison between this conventional example and the present invention described below. And makes it easy to understand the parts that are essentially necessary for the discussion. In FIG. 6, the components having the same numbers as those in FIG. 5 are the same as those in FIG. Figure 6
5 is a transistor such as an amplification transistor, a reset transistor and a gate transistor acting as a switch.
The constituent elements of the pixel portion associated with each one photoelectric conversion element are collectively referred to as an amplification pixel 5 in the following. Vertical drain line 12 and vertical gate line 1 in FIG.
6, the photogate line 25 and the like are represented by 6 in FIG.
It is redrawn by two types of drive lines from the vertical shift register 10 designated by 7. That is, the content of the amplification pixel 5 is not limited to the corresponding portion in FIG. 5, but the photoelectric conversion element itself or the one obtained by amplifying the photoelectric conversion element output by the drive from the vertical shift register 10 is not passed through the follower output. However, the following argument is valid regardless of what is sequentially output to the vertical output line 14 for each same row. The drive line from the vertical shift register 10 necessary for driving each amplification pixel unit 5 is naturally shown in FIG.
The number is not limited to the two types 6 and 7 shown in the above, and may be one type or three or more types.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記の従来例は、明時
及び暗時相当時の差動用出力を得てこれの差動出力を得
ることによって、画素増幅トランジスタのゲートのリセ
ットノイズや、画素増幅トランジスタのノイズの低周波
成分を抑圧できて高S/N出力を最終的に達成するため
に、各列毎にある垂直信号線の電位を蓄積容量に充電
し、これを水平信号線の有する容量と分圧して信号出力
を取り出している。即ち、フォトダイオードの端子電位
の光情報による電位変動が、比較的大きな容量値を有す
る画素増幅トランジスタのゲート容量によって減衰を受
け、更にその減衰した電位変動量のフォロワ出力が水平
信号線の容量によって再び減衰を受けることになる。こ
のことはイメージセンサが多画素化すると共にフォトダ
イオードの得る光電荷が減少することで一層深刻にな
る。In the above-mentioned conventional example, the reset noise of the gate of the pixel amplification transistor and the differential output at the time of light and dark are obtained to obtain the differential output. In order to suppress the low frequency component of the noise of the pixel amplification transistor and finally achieve a high S / N output, the potential of the vertical signal line in each column is charged to the storage capacitor, and this is charged to the horizontal signal line. The signal output is extracted by dividing the voltage with the capacity that it has. That is, the potential variation due to the optical information of the terminal potential of the photodiode is attenuated by the gate capacitance of the pixel amplification transistor having a relatively large capacitance value, and the attenuated follower output of the potential variation is determined by the capacitance of the horizontal signal line. It will be attenuated again. This becomes more serious as the number of pixels of the image sensor increases and the photocharge obtained by the photodiode decreases.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題の原因は、増幅
素子毎に生じるパラメータのばらつきから生じる固定パ
ターンノイズを避けるために同一画素に関する明時出力
及び暗時出力とを唯一の増幅経路を介して出力しようと
して、蓄積容量への電圧情報の蓄積という形で明時出力
と暗時出力とで経路が分かれた後での信号形態は電荷の
形態かその電荷に基づく電圧値という形態でしか読み出
さないことにある。本発明は上記の課題を解決するため
に、出力ライン容量の影響による出力低下を避ける目的
で、明時出力電圧及び暗時出力電圧をフォロワ段を介し
てインピーダンス変換してから各々蓄積容量に蓄積し各
々に対して独立した増幅トランジスタ及びその読み出し
スイッチを設けると共に、固定パターンノイズを抑制す
る目的で、同一列に帰属する明時出力用の増幅トランジ
スタ更には読み出しスイッチと暗時出力用の増幅トラン
ジスタ更には読み出しスイッチとが対を成して互いにそ
のチップ内レイアウトとしての幾何学的重心を一致させ
るような、分割された基本素子からなる複合素子を増幅
トランジスタ及び読み出しスイッチとしている。The cause of the above problem is that the bright output and the dark output of the same pixel are routed through a single amplification path in order to avoid fixed pattern noise caused by the variation of the parameters generated for each amplification element. The signal form after the path is divided between the bright output and the dark output in the form of storing voltage information in the storage capacitor is read out only in the form of charge or the voltage value based on the charge. There is nothing. In order to solve the above problems, the present invention performs impedance conversion of a bright output voltage and a dark output voltage through a follower stage and then stores them in respective storage capacitors in order to avoid output reduction due to the influence of output line capacitance. A separate amplification transistor and its readout switch are provided for each, and for the purpose of suppressing fixed pattern noise, an amplification transistor for light output that belongs to the same column, and a readout switch and an amplification transistor for dark output. Further, a composite element composed of divided basic elements is used as an amplification transistor and a read switch so as to form a pair with a read switch so as to match the geometrical centers of gravity of their in-chip layouts.
【0007】[0007]
【作用】上記の課題解決のための手段を用いることによ
り、明時出力と暗時出力を出力の減衰を招かぬよう増幅
を行い感度向上を実現できると共に、同一画素に関する
明時出力の増幅段の素子と暗時出力の増幅段の素子との
素子パラメータの整合をとることが可能になる。即ち増
幅段の素子の素子パラメータを、対を成したものに関し
て互いに一致させたことにより、明時出力と暗時出力と
を各々異なる増幅経路を介して増幅出力を得て高感度化
を達成し、且つ固定パターンノイズの抑制も達成され、
その差動出力をとれば極めて高感度、高S/Nなる映像
信号出力が得られるイメージセンサを実現できる。By using the means for solving the above problems, the bright output and the dark output can be amplified so that the output is not attenuated to improve the sensitivity, and the bright output for the same pixel can be amplified. It is possible to match the element parameters of the element of the stage and the element of the amplification stage of the dark output. That is, by matching the element parameters of the elements of the amplification stage with respect to the paired elements, the bright output and the dark output are amplified through different amplification paths to achieve high sensitivity. Also, suppression of fixed pattern noise is achieved,
By taking the differential output, it is possible to realize an image sensor that can obtain a video signal output with extremely high sensitivity and high S / N.
【0008】[0008]
【実施例】本発明の実施例1のイメージセンサの構成図
を図1に示す。図6において同番号で示したものと同様
に、本図において5は増幅画素、10は垂直シフトレジ
スタ、6及び7は共に垂直シフトレジスタ10からの駆
動線、14は垂直信号線、22は水平シフトレジスタで
ある。各々の増幅画素5は行毎に垂直シフトレジスタ1
0によって共通の駆動線6及び7を介して駆動されると
共に列毎には共通の垂直信号線14に接続されている。
垂直信号線14は蓄積容量ゲート線42及び43により
駆動される蓄積容量スイッチトランジスタ8及び9を介
して蓄積容量30及び31に列毎に接続されると共に信
号リセットゲート線41により駆動される垂直信号線リ
セットスイッチトランジスタ11を介して接地されてい
る。蓄積容量30及び31は各々水平増幅トランジスタ
32及び33のゲートに接続されていると共に、また蓄
積容量クリヤゲート線44により駆動される蓄積容量ク
リヤトランジスタ34及び35を介して接地されてい
る。ここで蓄積容量30及び31は水平スイッチトラン
ジスタ32及び33のゲート容量や蓄積容量スイッチト
ランジスタ8及び9のソース拡散接合容量や蓄積容量ク
リヤトランジスタ34及び35のドレイン拡散接合容量
等の寄生容量のみから構成されていても、更に新たに容
量を構成してこれに付加したものでもよい。水平増幅ト
ランジスタ32及び33は各々水平シフトレジスタ22
からの水平ゲート線40により駆動される水平スイッチ
トランジスタ36及び37を介して水平信号線38及び
39に接続されている。1 is a block diagram of an image sensor according to a first embodiment of the present invention. Similar to those shown by the same numbers in FIG. 6, in this figure, 5 is an amplification pixel, 10 is a vertical shift register, 6 and 7 are both drive lines from the vertical shift register 10, 14 is a vertical signal line, and 22 is a horizontal line. It is a shift register. Each amplification pixel 5 has a vertical shift register 1 for each row.
0 are driven via common drive lines 6 and 7 and are connected to a common vertical signal line 14 for each column.
The vertical signal line 14 is connected to the storage capacitors 30 and 31 column by column via the storage capacitor switch transistors 8 and 9 driven by the storage capacitor gate lines 42 and 43, and the vertical signal driven by the signal reset gate line 41. It is grounded via the line reset switch transistor 11. The storage capacitors 30 and 31 are connected to the gates of the horizontal amplification transistors 32 and 33, respectively, and are also grounded via the storage capacitor clear transistors 34 and 35 driven by the storage capacitor clear gate line 44. Here, the storage capacitors 30 and 31 are composed only of parasitic capacitances such as the gate capacitors of the horizontal switch transistors 32 and 33, the source diffusion junction capacitors of the storage capacitor switch transistors 8 and 9, and the drain diffusion junction capacitors of the storage capacitor clear transistors 34 and 35. Alternatively, a capacity may be newly formed and added to the capacity. The horizontal amplification transistors 32 and 33 are respectively the horizontal shift register 22.
To horizontal signal lines 38 and 39 via horizontal switch transistors 36 and 37 driven by horizontal gate lines 40 from.
【0009】次に図1に示した実施例1の動作を説明す
る。増幅画素5の中では光の入射によりフォトダイオー
ドやフォトトランジスタに生じた信号電荷が蓄えられ
る。水平ブランキング期間内に、まず、以下の明時出力
電圧の蓄積容量への充電に先だって、信号リセットゲー
ト線41により駆動される垂直信号線リセットスイッチ
トランジスタ11によって垂直信号線14のリセットを
行うと共に、蓄積容量クリヤゲート線44により駆動さ
れる蓄積容量クリヤトランジスタ34及び35によって
蓄積容量30及び31のリセットを行う。次に、垂直シ
フトレジスタ10によって選択した行の駆動線6及び7
によって上記選択行の増幅画素5の光情報を担った出力
即ち明時出力を垂直信号線14に出力すると共に蓄積容
量ゲート線42の駆動により蓄積容量スイッチトランジ
スタ8が一定期間オン状態となって、選択行の増幅画素
5の明時出力電圧が蓄積容量30に列毎に蓄積される。
この後、信号リセットゲート線41により駆動される垂
直信号線リセットスイッチトランジスタ11によって垂
直信号線14のリセットを再び行って後に、上記選択行
の増幅画素5が駆動線6及び7によりリセットされ垂直
信号線14に対して今度は暗時出力に相当するリセット
直後の出力電圧が出力されると共に蓄積容量ゲート線4
3の駆動により蓄積容量スイッチトランジスタ9が一定
期間オン状態となって、上記選択行の増幅画素5の暗時
出力電圧が蓄積容量31に列毎に蓄積される。以上のよ
うに明時出力電圧及び暗時出力電圧が蓄積された蓄積容
量30及び31は大きい電流駆動能力を有した水平増幅
トランジスタ32及び33のゲート端子に接続されてい
る。次いで水平走査期間内に、水平シフトレジスタ22
が水平ゲート線40を介して水平スイッチトランジスタ
36及び37を順次オンさせると、各蓄積容量30及び
31に蓄積された明時出力電圧及び暗時出力電圧は水平
増幅トランジスタ32及び33によって増幅されて、そ
の出力が水平スイッチトランジスタ36及び37を介し
て水平信号線38及び39に接続されることになり、蓄
積容量30及び31に蓄積されていた増幅信号電荷によ
る明時出力と暗時出力が増幅された形で画素毎に同時に
出力される。この2種の出力信号を、図示していない
が、後段において差動増幅すればスパイクノイズを削減
できS/Nの向上が可能になる。Next, the operation of the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. In the amplification pixel 5, the signal charge generated in the photodiode or the phototransistor due to the incidence of light is stored. In the horizontal blanking period, first, before charging the storage capacitor of the bright output voltage described below, the vertical signal line reset switch transistor 11 driven by the signal reset gate line 41 resets the vertical signal line 14, and The storage capacitors 30 and 31 are reset by the storage capacitor clear transistors 34 and 35 driven by the storage capacitor clear gate line 44. Next, the drive lines 6 and 7 of the row selected by the vertical shift register 10
The output carrying the light information of the amplification pixel 5 of the selected row, that is, the bright output is output to the vertical signal line 14, and the storage capacitor gate line 42 is driven to turn on the storage capacitor switch transistor 8 for a certain period. The bright output voltage of the amplification pixel 5 in the selected row is stored in the storage capacitor 30 for each column.
After that, the vertical signal line reset switch transistor 11 driven by the signal reset gate line 41 resets the vertical signal line 14 again, and then the amplified pixels 5 in the selected row are reset by the drive lines 6 and 7 and the vertical signal is reset. The output voltage immediately after reset corresponding to the dark output is output to the line 14 and the storage capacitor gate line 4 is output.
The storage capacitor switch transistor 9 is turned on for a certain period by driving 3 and the dark output voltage of the amplification pixel 5 in the selected row is stored in the storage capacitor 31 for each column. As described above, the storage capacitors 30 and 31 in which the bright output voltage and the dark output voltage are stored are connected to the gate terminals of the horizontal amplification transistors 32 and 33 having a large current driving capability. Next, within the horizontal scanning period, the horizontal shift register 22
When the horizontal switch transistors 36 and 37 are sequentially turned on via the horizontal gate line 40, the bright output voltage and the dark output voltage stored in the storage capacitors 30 and 31 are amplified by the horizontal amplification transistors 32 and 33. , Its output is connected to the horizontal signal lines 38 and 39 through the horizontal switch transistors 36 and 37, and the bright output and the dark output due to the amplified signal charges accumulated in the storage capacitors 30 and 31 are amplified. It is simultaneously output for each pixel in the formed form. Although not shown in the figure, differential amplification of these two types of output signals can reduce spike noise and improve S / N.
【0010】本実施例によれば、水平増幅トランジスタ
32及び33と水平スイッチトランジスタ36及び37
を電流駆動能力が大きくなるように設計してある。従っ
て蓄積容量30及び31に蓄えられた明時及び暗時出力
電圧を電圧出力として水平信号線38及び39に出力す
る場合には、蓄積容量30及び31に蓄積された電圧値
のフォロワ出力が、高速に且つ電圧値の減衰が殆どなく
水平信号線38及び39に出力される。即ち高速、高感
度のイメージセンサが実現される。また蓄積容量30及
び31に蓄えられた明時及び暗時出力電圧を電流出力と
して水平信号線38及び39に出力する場合には、蓄積
容量30及び31に蓄積された電圧が水平増幅トランジ
スタ32及び33と水平スイッチトランジスタ36及び
37とを介して電流増幅出力が、高速に水平信号線38
及び39に出力され、高速、高感度のイメージセンサが
実現される。According to this embodiment, the horizontal amplification transistors 32 and 33 and the horizontal switch transistors 36 and 37 are provided.
Is designed to have a large current drive capability. Therefore, when the bright and dark output voltages stored in the storage capacitors 30 and 31 are output to the horizontal signal lines 38 and 39 as voltage outputs, the follower outputs of the voltage values stored in the storage capacitors 30 and 31 are It is output to the horizontal signal lines 38 and 39 at high speed with almost no voltage value attenuation. That is, a high speed and high sensitivity image sensor is realized. When the bright and dark output voltages stored in the storage capacitors 30 and 31 are output as current outputs to the horizontal signal lines 38 and 39, the voltages stored in the storage capacitors 30 and 31 are applied to the horizontal amplification transistors 32 and 31. 33 and the horizontal switch transistors 36 and 37, the current amplification output is sent to the horizontal signal line 38 at high speed.
And 39, and a high-speed, high-sensitivity image sensor is realized.
【0011】なお、以上の説明において明時出力電圧の
蓄積容量への蓄積を暗時出力電圧の蓄積容量への蓄積に
先だって行うと説明したが、逆の順番で蓄積作用を行っ
ても同様な効果を得られること、また垂直信号線14の
リセット時の電位及び蓄積容量30、31のクリヤ時の
電位は共にウェル接地電位として図示、説明を行ってき
たが、特定の一定電圧値に設定してもよいこと、は言う
までもない。高い駆動能力を与えるためにそのゲート面
積が十分大きくすれば、水平増幅トランジスタ32及び
33のゲートの寄生容量は大きくなり特に蓄積容量のた
めに容量素子を作り込まなくてもよい。図1では2行2
列のエリアセンサとして図示、説明を行ってきたが、よ
り多数行多数列のエリアセンサ及び1行N列のリニアセ
ンサに容易に拡張できるものである。In the above description, it was explained that the bright output voltage was stored in the storage capacitor prior to the dark output voltage being stored in the storage capacitor, but the same effect can be obtained by performing the storage operation in the reverse order. Although it has been illustrated and described that the effect can be obtained, and the potential at the time of resetting the vertical signal line 14 and the potential at the time of clearing the storage capacitors 30 and 31 are well ground potentials, they are set to a specific constant voltage value. Needless to say, it is okay. If the gate area is made large enough to provide high driving capability, the parasitic capacitance of the gates of the horizontal amplification transistors 32 and 33 becomes large, and it is not necessary to build a capacitive element especially for the storage capacitance. 2 lines 2 in Figure 1
Although it has been illustrated and described as a column area sensor, it can be easily extended to a larger number of rows and a larger number of columns and a linear sensor of 1 row and N columns.
【0012】ところで上記発明例において、水平信号線
38及び39への出力形態が電圧出み力の場合には各列
毎において対をなしている水平増幅トランジスタ32と
33との素子パラメータの整合性がよいことが必要条件
であり、水平信号線38及び39への出力形態が電流出
力の場合には各列毎において対をなしている水平増幅ト
ランジスタ32と33との素子パラメータの整合性と水
平スイッチトランジスタ36と37との素子パラメータ
の整合性がよいことが必要条件である。これらの対をな
す素子のパラメータの整合性不良は固定パターンノイズ
になる。そこで素子パラメータの整合性の向上のため
に、各素子を複数個の単位素子に分割して、対となるべ
き素子の単位素子を互いにマスクレイアウトに関して交
差配置することで上記対をなすべき素子同士の幾何学的
重心を一致させる。そのような例を図2(a)、
(b)、(c)、(d)に示す。図2(a)は単純な回
路表記であり、ここに図示された2つのトランジスタが
対となっていてその素子パラメータの整合性が求められ
るとき、各々の素子を例えば2分割して図2(b)に示
すように4つの単位素子からなる構成とする。図2
(a)と(b)において等しい記号の端子が互いに対応
する。図2(b)における各単位素子の回路図配置はほ
ぼチップ内レイアウトにおける幾何学的配置に対応させ
ている。現実の半導体プロセスはプロセス勾配を持ち、
チップやウェーハ内での位置に依存して変化しているの
で、素子パラメータは素子自体が形成されている半導体
基板内における局所的な位置に依存する。従って互いに
隣接した2つの素子間においても素子パラメータは充分
には整合していない。P.R.Gray and R.
G.Meyer共著”Analysis and De
sign of AnalogIntegrated
Circuits,2nd ed.”,John Wi
ley & Sons,Inc.393頁及び709頁
によれば、プロセス勾配の悪影響を排除して2つの素子
間での素子パラメータをとる方法が提示されている。即
ち図2(b)のように各端子が全く共通接続された素子
を対角配置し、即ち対となって素子パラメータを整合さ
せるべき素子の幾何学的重心を互いに一致させる配置と
する。各端子が共通接続された複合素子の素子パラメー
タが依存する等価座標が、それを構成する単位素子群の
座標の重心座標と見なせ、且つ複合素子の素子パラメー
タが上記等価座標に依存すると見なし得るので、この等
価座標に対して他の複合素子の等価座標を一致させれ
ば、この両方の複合素子間の素子パラメータの整合性を
よく向上させることができる。複合素子の素子パラメー
タはそれを構成する単位素子の素子パラメータの平均値
となる。図2(b)では各素子が2つの基本素子に分割
された場合について示したが複雑さが設計上許容されれ
ば更に多分割された基本素子からなる構成とすれば整合
性は更に向上する。図2(c)は丁度図1において対と
なる水平増幅トランジスタ32及び33と水平スイッチ
トランジスタ36及び37とを抜きだして描いたものに
相当する。これを水平増幅トランジスタに関しても水平
スイッチトランジスタに関しても対となるべき素子同士
の素子パラメータを整合させるべく各素子を2分割した
基本素子から構成した図を図2(d)に示している。図
2(c)と(d)において等しい記号の端子が互いに対
応する。図2(d)における各単位素子の回路図配置も
ほぼチップ内レイアウトにおける幾何学的配置に対応さ
せている。図2(d)においても各水平増幅トランジス
タを構成する基本素子が対角配置させて即ち対となるべ
き水平増幅トランジスタの幾何学的重心を互いに一致さ
せて素子パラメータの整合を図っている。また各水平ス
イッチトランジスタについても同様に素子パラメータの
整合を図っている。図2(d)では各素子が2つの基本
素子に分割された場合について示したが複雑さが許容さ
れれば更に多分割された基本素子からなる構成とすれば
更に整合性は向上する。明時出力用の水平増幅トランジ
スタ及び水平スイッチトランジスタと、その同一列に帰
属して対になっている暗時出力用の水平増幅トランジス
タ及び水平スイッチトランジスタについてのみ、よい整
合性が要求されるので、図2(b)、(d)に例示した
如く素子の基本素子への分割とそのレイアウトを行えば
対となっている素子の素子パラメータの整合性という要
求を容易に満足して、高速、高感度で高S/Nなイメー
ジセンサを容易に実現できる。By the way, in the above-mentioned invention example, when the output form to the horizontal signal lines 38 and 39 is the voltage output force, the matching of the element parameters of the horizontal amplification transistors 32 and 33 forming a pair in each column. Is required, and when the output form to the horizontal signal lines 38 and 39 is current output, the element parameter matching between the horizontal amplification transistors 32 and 33 forming a pair in each column and the horizontal It is a necessary condition that the device parameters of the switch transistors 36 and 37 are well matched. Poor matching of the parameters of these paired elements results in fixed pattern noise. Therefore, in order to improve the matching of the element parameters, each element is divided into a plurality of unit elements, and the unit elements of the elements to be paired are arranged to intersect with each other with respect to the mask layout. Match the geometric centroids of. Such an example is shown in FIG.
Shown in (b), (c) and (d). FIG. 2A is a simple circuit notation. When the two transistors illustrated here form a pair and the matching of the element parameters is required, each element is divided into, for example, two, and the two elements shown in FIG. As shown in b), it is composed of four unit elements. Figure 2
Terminals having the same symbol in (a) and (b) correspond to each other. The circuit diagram layout of each unit element in FIG. 2B almost corresponds to the geometrical layout in the in-chip layout. The actual semiconductor process has a process gradient,
Since the device parameter changes depending on the position within the chip or wafer, the device parameter depends on the local position within the semiconductor substrate on which the device itself is formed. Therefore, the device parameters are not sufficiently matched even between two devices adjacent to each other. P. R. Gray and R.G.
G. Co-authored by Meyer "Analysis and De"
sign of AnalogIntegrated
Circuits, 2nd ed. ", John Wi
ley & Sons, Inc. Pages 393 and 709 provide a method of eliminating the adverse effects of process gradients and taking device parameters between two devices. That is, as shown in FIG. 2B, elements whose terminals are completely connected in common are diagonally arranged, that is, geometric geometric centers of the elements which form a pair and whose element parameters are to be matched are arranged to be coincident with each other. The equivalent coordinates on which the element parameters of the composite element to which each terminal is commonly connected can be regarded as the barycentric coordinates of the coordinates of the unit element group forming the terminal, and the element parameters of the composite element can be considered to depend on the equivalent coordinates. Therefore, by matching the equivalent coordinates of the other composite elements with the equivalent coordinates, it is possible to improve the matching of the element parameters between the two composite elements. The element parameter of the composite element is the average value of the element parameters of the unit elements that compose it. FIG. 2B shows the case where each element is divided into two basic elements, but if the complexity is allowed in the design, if the configuration is made up of more divided basic elements, the consistency is further improved. .. FIG. 2 (c) corresponds to what is drawn by extracting the horizontal amplification transistors 32 and 33 and the horizontal switch transistors 36 and 37 which are paired in FIG. FIG. 2 (d) shows a diagram in which each element is divided into two in order to match the element parameters of the elements to be paired with respect to the horizontal amplification transistor and the horizontal switch transistor, respectively. 2C and 2D, terminals having the same symbol correspond to each other. The circuit diagram layout of each unit element in FIG. 2D substantially corresponds to the geometrical layout in the chip layout. Also in FIG. 2D, the basic elements forming each horizontal amplification transistor are diagonally arranged, that is, the geometrical centers of gravity of the horizontal amplification transistors to be paired with each other are aligned with each other to match the element parameters. Similarly, the device parameters of each horizontal switch transistor are also matched. In FIG. 2D, the case where each element is divided into two basic elements is shown, but if the complexity is allowed, if the configuration is made up of more divided basic elements, the matching is further improved. Since only the horizontal amplification transistor and the horizontal switch transistor for the light output and the horizontal amplification transistor and the horizontal switch transistor for the dark output that belong to the same column and make a pair, good matching is required. If the elements are divided into basic elements and the layout is performed as illustrated in FIGS. 2B and 2D, the requirement of matching the element parameters of the paired elements can be easily satisfied, and high speed and high speed can be achieved. An image sensor with high sensitivity and high S / N can be easily realized.
【0013】次に図1における実施例1の増幅画素5を
具体的に明示したイメージセンサを図3に示す。図3に
おいて45はフォトダイオードでありそのアノードが画
素増幅トランジスタ49のゲート端子及びリセットトラ
ンジスタ50に接続され、リセットトランジスタ50の
もう一方の端子は各画素共通の信号リセット線48に接
続されている。画素増幅トランジスタ49のソースは増
幅画素出力リセットトランジスタ51を介して接地され
ると共に、垂直スイッチトランジスタ52を介して垂直
信号線14に接続されている。その他、図1と同一番号
の部分は既に明したものと等しいので説明を省略する。Next, FIG. 3 shows an image sensor in which the amplification pixel 5 of the first embodiment shown in FIG. 1 is specifically shown. In FIG. 3, reference numeral 45 denotes a photodiode, the anode of which is connected to the gate terminal of the pixel amplification transistor 49 and the reset transistor 50, and the other terminal of the reset transistor 50 is connected to the signal reset line 48 common to each pixel. The source of the pixel amplification transistor 49 is grounded via the amplification pixel output reset transistor 51, and is connected to the vertical signal line 14 via the vertical switch transistor 52. The other parts having the same numbers as those in FIG. 1 are the same as those already described, and thus the description thereof will be omitted.
【0014】続いて図3のイメージセンサの動作につい
て説明する。光の入射によりフォトダイオード45のア
ノード電位がリセット時の電位から上昇する。水平ブラ
ンキング期間内に、垂直信号線14のリセットを信号リ
セットゲート線41により駆動される垂直信号線リセッ
トスイッチトランジスタ11によって行うと共に、蓄積
容量30及び31のリセットを蓄積容量クリヤゲート線
44により駆動される蓄積容量クリヤトランジスタ34
及び35によって行う。次に明時出力電圧の蓄積容量へ
の充電を行う、即ち垂直シフトレジスタ10によって選
択した行の垂直ゲート線46を一定期間”H”レベルに
して垂直スイッチトランジスタ52を介してフォトダイ
オード45の光情報を担った電位即ち明時出力電圧の画
素増幅トランジスタ49を介したフォロワ出力を垂直信
号線14に出力すると共に、この間蓄積容量スイッチト
ランジスタ8を蓄積容量ゲート線42を介して一定期間
オン状態とすることにより上記選択行の光情報を担うフ
ォロワ出力を蓄積容量30に列毎に蓄積する。そして上
記選択行の垂直リセットゲート線47を介してリセット
トランジスタ50及び増幅画素出力リセットトランジス
タ51を一定期間オン状態としてフォトダイオード45
のアノード及び画素増幅トランジスタ49の出力端をリ
セットすると共に、再び垂直信号線14のリセットを信
号リセットゲート線41により駆動される垂直信号線リ
セットスイッチトランジスタ11によって行った後で再
度、上記選択行の垂直ゲート線46を一定期間オン状態
とすることで垂直スイッチトランジスタ52を介してリ
セット直後のフォトダイオード45のアノード電位即ち
暗時出力に相当する出力電圧を画素増幅トランジスタ4
9を介して垂直信号線14に出力すると共に、この間蓄
積容量スイッチトランジスタ9を蓄積容量ゲート線43
を介して一定期間オン状態とすることにより上記選択行
の暗時出力を担うフォロワ出力を蓄積容量31に列毎に
蓄積する。以下、図1における動作説明と等しいので説
明を省略するが、電圧出力か電流出力かの出力形態に依
らず、結果的に高速、高感度のイメージセンサを実現で
きる。Next, the operation of the image sensor of FIG. 3 will be described. The incidence of light causes the anode potential of the photodiode 45 to rise from the reset potential. Within the horizontal blanking period, the vertical signal line 14 is reset by the vertical signal line reset switch transistor 11 driven by the signal reset gate line 41, and the storage capacitors 30 and 31 are reset by the storage capacitor clear gate line 44. Storage capacitor clear transistor 34
And 35. Next, the storage capacitor of the bright output voltage is charged, that is, the vertical gate line 46 of the row selected by the vertical shift register 10 is set to the “H” level for a certain period of time, and the light of the photodiode 45 passes through the vertical switch transistor 52. The potential carrying information, that is, the follower output of the bright output voltage via the pixel amplification transistor 49 is output to the vertical signal line 14, and the storage capacitor switch transistor 8 is turned on for a certain period of time via the storage capacitor gate line 42 during this period. By doing so, the follower output that carries the optical information of the selected row is stored in the storage capacitor 30 for each column. Then, the reset transistor 50 and the amplified pixel output reset transistor 51 are turned on for a certain period of time through the vertical reset gate line 47 of the selected row, and the photodiode 45 is turned on.
And the output terminal of the pixel amplification transistor 49 are reset, and the vertical signal line 14 is reset again by the vertical signal line reset switch transistor 11 driven by the signal reset gate line 41. By turning on the vertical gate line 46 for a certain period of time, the output voltage corresponding to the anode potential of the photodiode 45 immediately after resetting, that is, the output at dark time is output via the vertical switch transistor 52.
9 to the vertical signal line 14 and, during this period, the storage capacitor switch transistor 9 is connected to the storage capacitor gate line 43.
The follower output, which is responsible for the dark output of the selected row, is stored in the storage capacitor 31 for each column by being turned on for a certain period via. Hereinafter, although the description is omitted because it is the same as the operation description in FIG. 1, a high-speed, high-sensitivity image sensor can be realized regardless of the output form of voltage output or current output.
【0015】また図3に示した構成図では、フォトダイ
オード45、画素増幅トランジスタ49、リセットトラ
ンジスタ50、増幅画素出力リセットトランジスタ5
1、垂直スイッチトランジスタ52からなる画素構成
を、図1で示すところの増幅画素5に相当する具体的回
路として例示したが、図5に示したフォトダイオード
1、画素増幅トランジスタ2、リセットトランジスタ
4、フォトゲートトランジスタ26で構成される回路構
成であってもよく、この他にも種々のものが考えられる
がいづれの場合にも本発明が適用できると共にその高
速、高感度読み出しにおける有効性は同様に大きい。図
3においても図1の説明におけるように同一列に帰属し
て明時出力と暗時出力を増幅出力するための対をなした
水平増幅トランジスタ32及び33更には同じく対をな
した水平スイッチトランジスタ36及び37が図2にお
いて既に示した如く複数個の単位素子からなりそのチッ
プ内レイアウト上の幾何学的重心が一致した配置を行っ
て、上記の対をなしたトランジスタの素子パラメータの
整合性をよくして、一層高S/Nのイメージセンサを実
現できることはいうまでもない。また図3は2行2列の
エリアセンサとして図示及び説明を行ってきたが、より
多数行多数列のエリアセンサまたは1行N列のリニアセ
ンサに容易に拡張できるものである。リニアセンサとす
る場合には垂直スイッチトランジスタ52と更には垂直
信号線リセットスイッチトランジスタ11も省略可能と
なる。In the configuration diagram shown in FIG. 3, the photodiode 45, the pixel amplification transistor 49, the reset transistor 50, and the amplified pixel output reset transistor 5 are used.
1. The pixel configuration including the vertical switch transistor 52 is illustrated as a specific circuit corresponding to the amplification pixel 5 illustrated in FIG. 1. However, the photodiode 1, the pixel amplification transistor 2, the reset transistor 4, and the photodiode 1 illustrated in FIG. The circuit configuration may be constituted by the photogate transistor 26, and various other configurations are conceivable. However, the present invention can be applied to any of them, and its effectiveness in high-speed and high-sensitivity reading is the same. large. Also in FIG. 3, as in the description of FIG. 1, paired horizontal amplification transistors 32 and 33 for amplifying and outputting a bright output and a dark output belonging to the same column, and a pair of horizontal switch transistors similarly paired. 36 and 37 are composed of a plurality of unit elements as already shown in FIG. 2 and are arranged such that the geometrical centers of gravity of the in-chip layouts coincide with each other, so that the element parameters of the paired transistors are matched. Needless to say, an image sensor with a higher S / N can be realized. Although FIG. 3 has been shown and described as an area sensor having two rows and two columns, it can be easily expanded to an area sensor having a larger number of rows and a larger number of columns or a linear sensor having a single row and N columns. When the linear sensor is used, the vertical switch transistor 52 and the vertical signal line reset switch transistor 11 can be omitted.
【0016】次に実施例2について図4を用いて説明す
る。実施例2はリニアイメージセンサを示している。図
4においてフォトダイオード53及び光が入射しないよ
うに遮光された光遮蔽フォトダイオード54のカソード
は共通にフォトダイオード電圧線57に接続される一
方、フォトダイオード53のアノードは水平増幅トラン
ジスタ59a及び59bに接続されると共に水平シフト
レジスタ66により選択される水平ゲート線58により
オンオフ制御されるリセットトランジスタ55を介して
信号リセット電圧線56に接続され、光遮蔽フォトダイ
オード54のアノードは水平増幅トランジスタ60a及
び60bに接続されると共にフォトダイオード53と同
様に水平シフトレジスタ66に選択される水平ゲート線
58によりオンオフ制御されるリセットトランジスタ5
5を介して信号リセット電圧線56に接続されている。
水平増幅トランジスタ59aと59bまた水平増幅トラ
ンジスタ60aと60bは互いにその端子を共通接続し
ている。また水平スイッチトランジスタ61aと61b
また水平スイッチトランジスタ62aと62bもまた互
いにその端子を共通接続している。水平増幅トランジス
タ59a、59b、60a、60bの一方の端子はすべ
て増幅トランジスタ電圧源63に、他方の端子は水平ス
イッチトランジスタ61a、61b、62a、62bの
一方の端子に各々接続され、水平スイッチトランジスタ
61aと61b、62aと62bの他方の端子は各々水
平信号線64、65に接続されている。水平スイッチト
ランジスタ61a、61b、62a、62bのゲートは
水平シフトレジスタ66から出力される水平ゲート線5
8に共通接続される。ここで水平増幅トランジスタ59
a、59b、60a、60bと水平スイッチトランジス
タ61a、61b、62a、62bに関しては図4に描
いた配置がセンサチップ内素子レイアウトにおける幾何
学的配置に対応しており、同一列の水平増幅トランジス
タ59aと59bの幾何学的重心はやはり同一列の水平
増幅トランジスタ60aと60bの幾何学的重心に一致
させると共に、更に同一列の水平スイッチトランジスタ
61aと61bの幾何学的重心はやはり同一列の水平ス
イッチトランジスタ62aと62bの幾何学的重心に一
致させている。従って同一列内の対をなして明時出力及
び暗時出力を与える水平増幅トランジスタ同士、水平ス
イッチトランジスタ同士の素子パラメータの整合性はよ
い。Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. Example 2 shows a linear image sensor. In FIG. 4, the cathode of the photodiode 53 and the light-shielding photodiode 54 that is shielded so that light does not enter are commonly connected to the photodiode voltage line 57, while the anode of the photodiode 53 is connected to the horizontal amplification transistors 59a and 59b. It is connected to a signal reset voltage line 56 via a reset transistor 55 which is connected to and controlled to be turned on and off by a horizontal gate line 58 selected by a horizontal shift register 66, and the anode of the light shielding photodiode 54 is connected to horizontal amplification transistors 60a and 60b. And a reset transistor 5 which is connected to and is controlled to be turned on and off by a horizontal gate line 58 selected by a horizontal shift register 66 like the photodiode 53.
5 to the signal reset voltage line 56.
The terminals of the horizontal amplification transistors 59a and 59b and the horizontal amplification transistors 60a and 60b are commonly connected to each other. Also, horizontal switch transistors 61a and 61b
The horizontal switch transistors 62a and 62b also have their terminals commonly connected. One terminal of each of the horizontal amplification transistors 59a, 59b, 60a, 60b is connected to the amplification transistor voltage source 63, and the other terminal is connected to one terminal of each of the horizontal switch transistors 61a, 61b, 62a, 62b. And 61b, and the other terminals of 62a and 62b are connected to horizontal signal lines 64 and 65, respectively. The gates of the horizontal switch transistors 61a, 61b, 62a, and 62b are the horizontal gate lines 5 output from the horizontal shift register 66.
8 are commonly connected. Here, the horizontal amplification transistor 59
With respect to a, 59b, 60a, 60b and the horizontal switch transistors 61a, 61b, 62a, 62b, the arrangement shown in FIG. 4 corresponds to the geometrical arrangement in the element layout in the sensor chip, and the horizontal amplification transistors 59a in the same column. The geometric center of gravity of 59b and that of 59b are the same as those of the horizontal amplifying transistors 60a and 60b in the same column, and the geometric center of gravity of horizontal switch transistors 61a and 61b in the same column is also the horizontal switch in the same column. The geometric center of gravity of the transistors 62a and 62b is matched. Therefore, the element parameters of the horizontal amplification transistors and the horizontal switch transistors that form a pair of bright and dark outputs in the same column are well matched.
【0017】この実施例2の動作を説明する。水平シフ
トレジスタ66が水平ゲート線58のをオンオフ制御し
て選択列のフォトダイオード53及び光遮蔽フォトダイ
オード54のアノードをリセットトランジスタ55を介
してリセットした後、光入射に伴ってフォトダイオード
53のアノード電位は上昇してくる。光情報の蓄積時間
に相当する時間経過後に水平スイッチトランジスタ61
a、61b、62a、62bが水平ゲート線58を介し
てオンされると上記選択列のフォトダイオード53及び
光遮蔽フォトダイオード54のアノード電圧の増幅出力
が水平信号線64及び65に明時出力及び暗時出力とし
て出力され、この両出力の差動出力をとれば高S/Nの
センサ出力を取り出すことができる。水平シフトレジス
タ66の読み出し選択列が次の列にシフトした際に読み
出し終了したフォトダイオード53及び光遮蔽フォトダ
イオード54のアノード電位は再びリセットされて新た
な光情報蓄積時間に入る。The operation of the second embodiment will be described. The horizontal shift register 66 controls on / off of the horizontal gate line 58 to reset the anodes of the photodiode 53 and the light-shielding photodiode 54 in the selected column via the reset transistor 55, and then the anode of the photodiode 53 is incident with light incidence. The potential rises. After a lapse of time corresponding to the storage time of the optical information, the horizontal switch transistor 61
When a, 61b, 62a, and 62b are turned on via the horizontal gate line 58, the amplified output of the anode voltage of the photodiode 53 and the light-shielding photodiode 54 of the selected column is output to the horizontal signal lines 64 and 65 at the bright time and It is output as a dark output, and a high S / N sensor output can be taken out by taking a differential output of both outputs. The anode potentials of the photodiode 53 and the light-shielding photodiode 54, which have been read when the read-selected column of the horizontal shift register 66 is shifted to the next column, are reset again to start a new optical information storage time.
【0018】なお図4の実施例では簡単のためフォトダ
イオード及び光遮蔽フォトダイオードのアノード電位を
そのまま水平増幅トランジスタのゲートに受けているが
水平増幅トランジスタのゲート容量の存在によるアノー
ド電位の減衰を避けるためにフォトダイオードと光遮蔽
フォトダイオードとの各々に関して途中に、図3におけ
る画素増幅トランジスタ49と増幅画素出力リセットト
ランジスタ51からなるような、フォロワ段を挿入して
もよい。このフォロワ段は同一列のフォトダイオードと
光遮蔽フォトダイオードについて対をなして図2の如く
互いの幾何学的重心が一致するような基本素子配置であ
ることが望ましい。In the embodiment of FIG. 4, the anode potentials of the photodiode and the light-shielding photodiode are directly received by the gate of the horizontal amplification transistor for simplicity, but the attenuation of the anode potential due to the presence of the gate capacitance of the horizontal amplification transistor is avoided. Therefore, a follower stage such as the pixel amplification transistor 49 and the amplification pixel output reset transistor 51 in FIG. 3 may be inserted in the middle of each of the photodiode and the light shielding photodiode. It is desirable that the follower stages have a basic element arrangement in which the photodiodes in the same row and the light-shielding photodiodes are paired so that the geometric centers of gravity of the photodiodes and the light-shielding photodiodes coincide with each other as shown in FIG.
【0019】[0019]
【発明の効果】以上の説明で明かなように、本発明によ
れば光情報を電圧出力として出力する場合には、蓄積容
量に蓄積された電圧値のフォロワ出力を高速に且つ電圧
値の減衰が殆どなくまた増幅して低い固定パターンノイ
ズで出力できるので、高速、高感度、高S/Nのイメー
ジセンサが実現される。また光情報を電流出力として出
力する場合には、蓄積容量に蓄積された電圧を電流増幅
出力したものが、高速、高感度に低固定パターンノイズ
で出力され、高速、高感度、高S/Nのイメージセンサ
が実現される。以上本発明の産業上の効果は極めて大で
ある。As is apparent from the above description, according to the present invention, when the optical information is output as the voltage output, the follower output of the voltage value accumulated in the storage capacitor is rapidly attenuated. Since it can be amplified and output with a low fixed pattern noise, a high-speed, high-sensitivity, high S / N image sensor can be realized. Further, in the case of outputting the optical information as a current output, a current amplified output of the voltage accumulated in the storage capacitor is output at a high speed and a high sensitivity with a low fixed pattern noise, and a high speed, a high sensitivity and a high S / N ratio. The image sensor of is realized. As described above, the industrial effect of the present invention is extremely large.
【図1】本発明のイメージセンサの実施例1の構成図FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of an image sensor of the present invention.
【図2】本発明において用いられる対をなす素子の幾何
学的配置図FIG. 2 is a geometrical layout diagram of paired elements used in the present invention.
【図3】本発明のイメージセンサの実施例1のより具体
的な構成図FIG. 3 is a more specific configuration diagram of Embodiment 1 of the image sensor of the present invention.
【図4】本発明のイメージセンサの実施例2の構成図FIG. 4 is a configuration diagram of a second embodiment of the image sensor of the present invention.
【図5】従来例のイメージセンサの構成図FIG. 5 is a block diagram of a conventional image sensor.
【図6】図5の従来例のイメージセンサをより一般化し
た構成図6 is a more generalized configuration diagram of the conventional image sensor of FIG.
1、45、53 フォトダイオード 5 増幅画素 8、9 蓄積容量スイッチトランジスタ 10 垂直シフトレジスタ 14 垂直出力線 22、66 水平シフトレジスタ 32、33、59、60 水平増幅トランジスタ 20、36、37、61、62 水平スイッチトランジ
スタ 23、24、38、39、64、65 水平信号線 40、58 水平ゲート線1, 45, 53 Photodiode 5 Amplifying pixel 8, 9 Storage capacitance switch transistor 10 Vertical shift register 14 Vertical output line 22, 66 Horizontal shift register 32, 33, 59, 60 Horizontal amplifying transistor 20, 36, 37, 61, 62 Horizontal switch transistors 23, 24, 38, 39, 64, 65 Horizontal signal lines 40, 58 Horizontal gate lines
Claims (6)
じた信号電荷を蓄積する複数個の光電変換素子と、上記
の各々の光電変換素子に蓄積された信号電荷を増幅する
ための、光電変換素子毎の増幅段と、上記の光電変換素
子状態を露光前の状態にリセットするための、光電変換
素子毎のリセット手段とを具備するイメージセンサにお
いて、 上記アレイ状の光電変換素子の列毎に、 上記光電変換素子毎の増幅段の光情報を担った出力を蓄
積するための明時信号蓄積容量と、その伝達スイッチ
と、上記明時信号蓄積容量電圧値を増幅するための列毎
の明時信号増幅段と、上記列毎の明時信号増幅段出力を
読み出すための列毎の読み出しスイッチと、上記明時信
号蓄積容量の電位をリセットするためのリセットスイッ
チと、 上記光電変換素子毎の増幅段のリセット後の光情報を担
わない時の出力を蓄積するための暗時信号蓄積容量と、
その伝達スイッチと、上記暗時信号蓄積容量電圧値を増
幅するための列毎の暗時信号増幅段と、上記列毎の暗時
信号増幅段出力を読み出すための列毎の読み出しスイッ
チと、上記暗時信号蓄積容量の電位をリセットするため
のリセットスイッチと、 上記光電変換素子毎の増幅段の信号出力線をリセットす
るためのリセットスイッチとからなり、 上記の列毎の明時信号増幅段出力を読み出すための列毎
の読み出しスイッチの駆動と、上記の列毎の暗時信号増
幅段出力を読み出すための列毎の読み出しスイッチの駆
動とが、列毎に同時に行われて、同一列の明時出力と暗
時出力とが同時に差動用出力として独立して得られるこ
とを特徴とするイメージセンサ。1. A plurality of photoelectric conversion elements, which are arranged in an array and accumulate signal charges corresponding to an amount of incident light information, and a plurality of photoelectric conversion elements for amplifying the signal charges accumulated in each photoelectric conversion element. An image sensor comprising an amplification stage for each photoelectric conversion element and a reset unit for each photoelectric conversion element for resetting the photoelectric conversion element state to a state before exposure, For each column, a bright signal storage capacitor for accumulating the output carrying the optical information of the amplification stage for each photoelectric conversion element, its transfer switch, and a column for amplifying the bright signal storage capacitor voltage value. A bright signal amplification stage for each column, a read switch for each column for reading the output of the bright signal amplification stage for each column, a reset switch for resetting the potential of the bright signal storage capacitor, and the photoelectric conversion For each element A dark signal storage capacitor for storing output when carry no optical information after the reset of the amplifier stage,
A transfer switch, a dark signal amplification stage for each column for amplifying the dark signal storage capacitance voltage value, a read switch for each column for reading the dark signal amplification stage output for each column, It consists of a reset switch for resetting the potential of the dark signal storage capacitor and a reset switch for resetting the signal output line of the amplification stage for each photoelectric conversion element. The reading switch for each column for reading the same and the reading switch for each column for reading the dark signal amplification stage output for each column described above are simultaneously driven for each column, and the light for the same column is read. An image sensor characterized in that a time output and a dark output are independently obtained at the same time as differential outputs.
上記列毎の明時信号増幅段の増幅トランジスタ及び上記
列毎の暗時信号増幅段の増幅トランジスタの各々が、並
列接続された複数個の基本増幅トランジスタからなる複
合トランジスタであり、上記の複数個の基本増幅トラン
ジスタで形成された明時信号増幅トランジスタのセンサ
チップ内レイアウト上の幾何学的重心と、その同一列に
属する上記の同様に複数個の基本増幅トランジスタで形
成された暗時信号増幅トランジスタのセンサチップ内レ
イアウト上の幾何学的重心とを各列において一致させ
た、ことを特徴とするイメージセンサ。2. The image sensor according to claim 1, wherein
Each of the bright signal amplification stage amplification transistor of each column and the dark signal amplification stage amplification transistor of each column is a composite transistor including a plurality of basic amplification transistors connected in parallel. Geometrical center of gravity in the sensor chip layout of the bright signal amplifying transistor formed by the basic amplifying transistor and the dark signal amplifying transistor formed by a plurality of similar basic amplifying transistors belonging to the same column The image sensor, wherein the geometric center of gravity on the sensor chip layout is matched in each column.
上記列毎の明時信号増幅段出力を読み出すための列毎の
読み出しスイッチ及び上記列毎の暗時信号増幅段出力を
読み出すための列毎の読み出しスイッチの各々が、並列
接続された複数個の基本スイッチトランジスタからなる
複合トランジスタであり、上記の複数個の基本スイッチ
トランジスタで形成された明時信号増幅段出力読み出し
スイッチのセンサチップ内レイアウト上の幾何学的重心
と、その同一列に属する上記の同様に複数個の基本スイ
ッチトランジスタで形成された暗時信号増幅段出力読み
出しスイッチのセンサチップ内レイアウト上の幾何学的
重心とを各列において一致させたこと、を特徴とするイ
メージセンサ。3. The image sensor according to claim 2, wherein
A read switch for each column for reading the output of the bright signal amplification stage for each column and a read switch for each column for reading the output of the dark signal amplification stage for each column are each connected in parallel. It is a composite transistor composed of basic switch transistors, and the geometric center of gravity in the sensor chip layout of the bright signal amplification stage output read switch formed by the above plurality of basic switch transistors and the above-mentioned belonging to the same column Similarly, the image sensor characterized in that the geometrical center of gravity in the sensor chip layout of the dark signal amplification stage output read switch formed by a plurality of basic switch transistors is matched in each column.
じた信号電荷を蓄積する複数個の光電変換素子及び光遮
蔽されて暗時相当状態にあるダミー光電変換素子と、上
記の各々の光電変換素子及びダミー光電変換素子に蓄積
された信号電荷を増幅するための増幅段と、上記の各々
の光電変換素子及びダミー光電変換素子の状態を露光前
の状態にリセットするためのリセット手段とを具備する
イメージセンサにおいて、 上記光電変換素子とダミー光電変換素子毎の増幅段の光
情報を担った出力電圧値を増幅するための列毎の信号増
幅段と、上記列毎の信号増幅段出力を読み出すための列
毎の読み出しスイッチと、上記信号電位をリセットする
ためのリセットスイッチと、 上記光電変換素子毎の増幅段の信号出力線をリセットす
るためのリセットスイッチとからなり、 上記の列毎の信号増幅段出力を読み出すための読み出し
スイッチの駆動が、列毎に光電変換素子及びダミー光電
変換素子に関して同時に行われて、同一列の明時出力と
暗時出力とが同時に差動用出力として独立して得られる
ことを特徴とするイメージセンサ。4. A plurality of photoelectric conversion elements arranged in an array and accumulating signal charges according to an amount of incident light information, and dummy photoelectric conversion elements which are shielded from light and are in a dark equivalent state. Amplification stage for amplifying the signal charges accumulated in the photoelectric conversion element and the dummy photoelectric conversion element, and reset means for resetting the state of each of the photoelectric conversion element and the dummy photoelectric conversion element to the state before exposure. And a signal amplification stage for each column for amplifying an output voltage value carrying optical information of the amplification stage for each of the photoelectric conversion element and the dummy photoelectric conversion element, and a signal amplification stage for each column. A read switch for each column for reading the output, a reset switch for resetting the signal potential, and a reset switch for resetting the signal output line of the amplification stage for each photoelectric conversion element. The read switch for reading the signal amplification stage output for each column is driven simultaneously for the photoelectric conversion element and the dummy photoelectric conversion element for each column, and the bright output and the dark An image sensor characterized in that the output and the output are simultaneously obtained independently as differential outputs.
上記列毎の光電変換素子及びダミー光電変換素子各々に
関する信号増幅段の増幅トランジスタの各々が、並列接
続された複数個の基本増幅トランジスタからなる複合ト
ランジスタであり、上記の複数個の基本増幅トランジス
タで形成された光電変換素子信号増幅段を形成する複合
増幅トランジスタのセンサチップ内レイアウト上の幾何
学的重心と、その同一列に属する上記の同様に複数個の
基本増幅トランジスタで形成されたダミー光電変換素子
信号増幅段を形成する複合増幅トランジスタのセンサチ
ップ内レイアウト上の幾何学的重心とを各列において一
致させたこと、を特徴とするイメージセンサ。5. The image sensor according to claim 4,
Each of the amplification transistors of the signal amplification stage relating to each photoelectric conversion element and each dummy photoelectric conversion element of each column is a composite transistor composed of a plurality of basic amplification transistors connected in parallel, The formed photoelectric conversion element Geometric center of gravity in the sensor chip layout of the composite amplification transistor forming the signal amplification stage and the dummy photoelectric conversion formed by the same plurality of basic amplification transistors belonging to the same column An image sensor, characterized in that the geometric center of gravity of a composite amplifying transistor forming an element signal amplifying stage on the layout in the sensor chip is matched in each column.
上記列毎の信号増幅段出力を読み出すための列毎の読み
出しスイッチの各々が並列接続された複数個の基本スイ
ッチトランジスタからなる複合トランジスタであり、上
記の複数個の基本スイッチトランジスタで形成された光
電変換素子信号増幅段出力読み出しスイッチを形成する
複合スイッチトランジスタのセンサチップ内レイアウト
上の幾何学的重心と、その同一列に属する上記の同様に
複数個の基本スイッチトランジスタで形成されたダミー
光電変換素子信号増幅段出力読み出しスイッチを形成す
る複合スイッチトランジスタのセンサチップ内レイアウ
ト上の幾何学的重心とを各列において一致させたこと、
を特徴とするイメージセンサ。6. The image sensor according to claim 5, wherein
A composite transistor composed of a plurality of basic switch transistors, each of which is connected in parallel with each of the readout switches for each column for reading out the signal amplification stage output for each column, and is a photoelectric transistor formed by the plurality of basic switch transistors. Conversion element Signal amplification stage output Geometric center of gravity in the sensor chip layout of the composite switch transistor forming the read switch and a dummy photoelectric conversion element formed by a plurality of basic switch transistors similar to the above belonging to the same column Matching the geometric center of gravity of the composite switch transistor forming the signal amplification stage output read switch in the sensor chip layout in each column,
Image sensor characterized by.
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|---|---|---|---|
| JP4065617A JP3018721B2 (en) | 1992-03-24 | 1992-03-24 | Image sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4065617A JP3018721B2 (en) | 1992-03-24 | 1992-03-24 | Image sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05268533A true JPH05268533A (en) | 1993-10-15 |
| JP3018721B2 JP3018721B2 (en) | 2000-03-13 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP (1) | JP3018721B2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009105957A (en) * | 2009-01-30 | 2009-05-14 | Sony Corp | Solid imaging apparatus, and driving method of solid imaging apparatus |
| WO2011148535A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | パナソニック株式会社 | Solid-state image capturing element and method for driving solid-state image capturing element |
| WO2016129410A1 (en) * | 2015-02-13 | 2016-08-18 | ソニー株式会社 | Image capturing element, driving method, and electronic device |
-
1992
- 1992-03-24 JP JP4065617A patent/JP3018721B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPWO2016129410A1 (en) * | 2015-02-13 | 2017-11-24 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging device, driving method, and electronic apparatus |
| US10264197B2 (en) | 2015-02-13 | 2019-04-16 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device, driving method, and electronic apparatus |
| US10674100B2 (en) | 2015-02-13 | 2020-06-02 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device, driving method, and electronic apparatus |
| US11006059B2 (en) | 2015-02-13 | 2021-05-11 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device, driving method, and electronic apparatus |
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