JP2001251555A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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Abstract
述の固体撮像装置の高速読み出し可能な回路を提供する
ことを課題とする。 【解決手段】 2次元状の撮像領域と、この撮像領域の
読み出し行を選択する垂直選択手段と、選択された行に
相当する前記フォトダイオードの検出信号を読み出す列
方向に配置された複数の垂直信号線と、該垂直信号線か
ら行方向に配置された水平信号線に検出信号を順次読み
出す水平選択トランジスタとを備え、前記垂直信号線と
前記水平選択トランジスタとの間に、容量手段を用い
た、前記垂直信号線に現れる雑音を抑圧する雑音除去回
路を設けた固体撮像装置において、前記垂直信号線と前
記雑音除去回路内の容量手段との間にインピーダンス変
換手段を設け、このインピーダンス変換手段に、バイア
ス電流を供給する定電流素子と、その定電流素子の出力
電流をスイッチングするスイッチ手段を設けたことを特
徴とする。
Description
し、特にインピーダンス変換手段のバイアス信号の供給
方法に関するものである。
発生したそれぞれの信号電荷をそのまま読み出さず、こ
れらの信号電荷を各画素において電圧もしくは電流に変
換して増幅した後、各信号電圧もしくは信号電流を該各
画素から走査回路を介して読み出すというものが提案さ
れており、これを増幅型固体撮像装置と称している。図
6にこの従来の増幅型固体撮像装置である増幅型MOS
センサーセルの構成を示す。
ダイオード1に蓄積された信号電荷は、増幅トランジス
タ2によって電圧として垂直信号線8に読み出される。
この時、増幅トランジスタ2と定電流源としての負荷ト
ランジスタ9により、ソースフォロワー回路が形成され
ているので、フォトダイオード1の信号電荷量に対応し
た電圧が垂直信号線8から読み出される。ここで、MO
S型固体撮像素子としては、フォトダイオード1をリセ
ットするリセットトランジスタ4と、垂直信号線8に読
み出す固体撮像素子を選択する選択MOSトランジスタ
3とから構成される。
2次元的に配列した固体撮像装置では、増幅トランジス
タ2のしきい値バラツキに対応した固定パターン雑音が
発生し、画質が劣化してしまうため、種々のノイズキャ
ンセル回路が提案されている。ノイズキャンセル回路の
構成と動作を、図7のタイミング図を交えて説明する。
垂直レジスタ5からの選択信号線6−1に、パルス10
1を印加することによって、選択MOSトランジスタ3
の導通によって、増幅トランジスタ2−1−1,2−1
−2,…の行を活性化させる。このとき、フォトダイオ
ード1−1−1,1−1−2,…に蓄積された信号電荷
に対応した出力信号電圧が垂直信号線8(8−1,8−
2,…)に読み出される。当該固体撮像素子の各セルを
活性化しているパルスが“H”レベル(パルス101)
の間に、クランプトランジスタ11(11−1,11−
2,…)のゲートに、“H”電圧(パルス102)を印
加し、クランプトランジスタをONさせ、垂直信号線1
5(15−1,15−2,…)をクランプ電圧24にク
ランプする。
2,…)に、“H”の電圧(パルス104)を印加する
ことで、フォトダイオード1(1−1−1,1−1−
2,…)の電圧をリセットする。このリセット電圧は垂
直信号線8(8−1,8−2,…)に現れるので、この
電圧をクランプ容量10(10−1,10−2,…)で
垂直信号線15(15−1,15−2,…)に伝達す
る。このクランプ電圧に画素毎の基底電圧を揃えること
で、MOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきを抑
えることができる。次いで、サンプル−ホールドトラン
ジスタ12(12−1,12−2,…)をONすること
により、垂直信号線16(16−1,16−2,…)に
信号を伝達する。そして、水平シフトレジスタ19から
の選択パルス105,106,…が水平選択トランジス
タ14(14−1,14−2,…)を順次選択すること
で、選択行の信号電圧が読み出される。
トした後の垂直信号線8の電圧変化のみを、垂直信号線
16に取り出せるので、増幅トランジスタ2のしきい値
バラツキの影響を抑圧できる。特に、しきい値電圧のば
らつきの影響をなくす各固体撮像素子の出力電圧をノイ
ズ成分を除去することで、ばらつきを排除した信号成分
だけの出力を水平出力線に得られることになる。
図6の定電流源としての負荷トランジスタ9に、カレン
トミラー構成とした例が示されている。即ち、固体撮像
装置において、光電変換された電荷をそれぞれ信号線に
読み出すための複数の読み出しトランジスタと、該読み
出しトランジスタの読み出し動作時以外に定電流源に流
れる電流を制限する電流制御手段とを有し、電流制御手
段に定電流源としての負荷トランジスタにカレントミラ
ー回路を構成し、負荷トランジスタによる電力消費を低
減したことが記載されている。しかし、この公報には、
読み出し回路の高速化については、特に記載されていな
い。
で、各センサーセルの信号を高速に読み出そうとした場
合、各センサーセルの増幅トランジスタ2がクランプ容
量を高速に駆動する必要があり、また、高速化のため
に、増幅トランジスタ2と負荷トランジスタ9とで構成
されるソースフォロワー回路の出力インピーダンスをそ
れなりに小さくする必要がある。
ト幅(W)とゲート長(L)の比(W/L)を大きく
し、また負荷トランジスタ9によるバイアスドレイン電
流を大きくする必要が生じる。増幅トランジスタ2は各
画素に存在するため、そのゲート幅の増加は、固体撮像
装置のチップ面積増大につながるため、好ましくない。
また負荷トランジスタ9によるバイアスドレイン電流の
増加も、当然消費電力の増大になるので問題となる。
記問題を発生させず、高速駆動が可能となるが、該クラ
ンプ容量の容量値を小さくすると、センサーセルとクラ
ンプ容量を含む読み出し回路とで発生するランダムノイ
ズが、√1/C(Cはクランプ容量の容量値)に比例す
る(ここでは説明を省略する)ため、ランダムノイズの
増大という問題が発生する。さらにクランプ容量を小さ
くするほど、チップ内のレイアウトに依存する寄生容量
の影響を受けやすくなるため、センサー信号のバラツキ
の増大にもつながる。
手段の対応とは異なり、上述の固体撮像装置の高速読み
出し可能な回路を提供することを課題とする。
決するもので、光電変換部を含む複数の単位セルと、前
記単位セルからの信号の処理を行う処理手段と、前記処
理手段から信号を転送するための転送手段と、前記単位
セルと前記処理手段との間に設けられたインピーダンス
変換手段と、前記インピーダンス変換手段にバイアス信
号を供給するためのバイアス供給手段と、前記バイアス
供給手段と、前記転送手段とを連動させて動作させる連
動手段と、を有することを特徴とする。
ルを2次元状に配置した撮像領域と、前記撮像領域から
の信号を読み出す列方向に配列された複数の垂直出力線
と、前記垂直出力線毎に設けられた、前記単位セルから
出力された信号の処理を行う処理手段と、前記処理手段
から信号を転送するための転送手段と、前記単位セルと
前記処理手段との間に設けられたインピーダンス変換手
段と、前記インピーダンス変換手段にバイアス信号を供
給するためのバイアス供給手段と、前記バイアス供給手
段と前記転送手段とを連動して動作させる連動手段と、
を有することを特徴とする。
単位セルと、前記複数の単位セルからの信号を蓄積する
複数の蓄積手段と、前記複数の蓄積手段に蓄積された信
号を順次読み出す共通出力線と、前記単位セルからの信
号を前記蓄積手段に転送するための転送手段と、前記単
位セルと前記転送手段の間に設けられたインピーダンス
変換手段と、前記インピーダンス変換手段にバイアス信
号を供給するためのバイアス供給手段と、前記バイアス
供給手段と前記転送手段とを連動して動作させる連動手
段とを有することを特徴とする。
を参照しつつ詳細に説明する。
実施形態であり、増幅型MOSセンサーを用いた固体撮
像装置の構成を示す平面図である。説明の簡略化のた
め、センサーセルを3行3列で、2次元的に配置した場
合を示している。センサーセルの構成は従来例である図
6の場合と同様になっている。
ダイオード1(1−1−1,1−1−2,…)に蓄積さ
れた電荷は、増幅トランジスタ2(2−1−1,2−1
−2,…)、と負荷トランジスタ9(9−1,9−2,
9−3)で形成されたソースフォロワー回路によって、
電圧として増幅され、垂直信号線8(8−1,8−2,
8−3)に読み出される。負荷トランジスタ9のソース
はGNDへ、ゲートは端子26に与えられる所定電圧に
よってバイアスされ、定電流回路を構成している。
路を構成するトランジスタ10のゲートに接続され、水
平シフトレジスタ19からの選択信号線18(18−
1,18−2,18−3)が“H”レベルのとき、トラ
ンジスタ12がONし、定電流源29とトランジスタ2
8とによってカレントミラー回路構成として、ゲートが
バイアスされた定電流トランジスタ11(11−1,1
1−2,11−3)が活性となるので、垂直信号線15
(15−1,15−2,15−3)には垂直信号線8の
電位に応じた電位が現われ、クランプ容量13(13−
1,13−2,13−3)と、水平転送スイッチ14
(14−1,14−2,14−3)を介して共通水平信
号線17へ信号が伝えられ、出力アンプ20の入出力端
子間に接続された帰還容量25によって、前記伝達され
た電荷信号を電圧に変換することで、出力端子21から
出力する。
スイッチ24がONした場合、出力アンプ20は、入出
力端子にコンデンサ25を接続した電圧フォロワー構成
となり、出力端子21からは、前記基準電圧VR にアン
プ20のオフセット電圧を加算した電圧が出力される。
イミングチャートの図2を参照しつつ説明する。図2に
は、図1の各構成要素の符号とともにそのタイミングチ
ャートを示している。
印加することにより、選択スイッチ3(3−1−1,3
−1−2,3−1−3)をオンし、増幅トランジスタ2
(2−1−1,2−1−2,2−1−3)を活性化させ
る。このときフォトダイオード1(1−1−1,1−1
−2,1−1−3)のカソードに蓄積された信号電荷に
対応した出力信号電圧が、垂直信号線8(8−1,8−
2,8−3)に読み出される。このとき、また端子23
に“H”レベルの電圧を印加(パルス102)し、出力
アンプ20を電圧フォロワー構成とすることで、水平信
号線17には、端子22に印加されている基準電圧VR
が、アンプ20によって与えられる。
(18−1,18−2,18−3)が、“H”レベルと
なり(パルス111,112,113)、水平選択トラ
ンジスタ14(14−1,14−2,14−3)がON
するとともに、トランジスタ12(12−1,12−
2,12−3)がONすることで、垂直信号線8に接続
されたソースフォロワーを形成するバイアス電流源トラ
ンジスタ11(11−1,11−2,11−3)が活性
化し、トランジスタ10(10−1,10−2,10−
3)のソース端子に接続された垂直信号線15(15−
1,15−2,15−3)には、垂直信号線8の電位に
応じた電位(以降これをVS と言う)が現われ、垂直信
号線16(16−1,16−2,16−3)には、水平
選択トランジスタ14を介して、基準電圧VR が印加さ
れるので、クランプ容量13(13−1,13−2,1
3−3)には、端子間電圧(VS −VR )が印加され
る。
ート長(L)の比(W/L)や、定電流トランジスタ1
1のバイアス電流の値、さらにスイッチ24,14のO
N抵抗はクランプ容量13を、パルス102,111,
112,113の時間幅以内に充分充放電できるような
値に設定しておく。
1,10−2,10−3)の出力インピーダンスは、
のゲート幅Wとゲート長L、ID はトランジスタ10の
ドレイン電流、である、と表わされる。
2,7−3)に、“H”電圧を印加(パルス103)し
て、フォトダイオード1をリセットする。このリセット
時の電圧は垂直信号線8に現われ、その電圧に応じた電
圧がトランジスタ10によるソースフォロワーを介して
垂直信号線15に現われる。この電圧を以降VN とす
る。この時、再び水平選択線18を順次“H”レベルに
する(パルス104,105,106)ことで、信号を
水平信号線17へ伝達する。
力端子に接続され、同正極入力端子は端子22を介して
基準電圧VR が印加されているので、アンプ20の負帰
還効果により、水平信号線17の電位もほぼVR に保た
れる。クランプ容量13に保存される電荷Q1は、垂直
信号線15の電位がVSであった時、 Q1=C13×(VS −VR ) ……(2) ただし、C13はクランプ容量13の容量値となる。
転送スイッチ14がONした時のクランプ容量13の電
荷Q2は、 Q2=C13×(VN −VR ) ……(3) となる。
容量25へ移動し、その端子間電圧は、 Vin={C13×(VS −VR )−C13×(VN −VR )}/C25 =C13/C25・(VS −VN ) ……(4) ただし、C25;負帰還容量25の容量値となり、出力端
子21の電圧は、出力アンプの負極端子電圧がVR であ
るので、 Vout=VR +C13/C25・(VS −VN ) となる。
ンジスタ14との間に、容量手段13を用いて、垂直信
号線8に現れる雑音を抑圧する雑音除去回路のクランプ
回路を設けた固体撮像装置であって、垂直信号線8とク
ランプ回路内の容量手段13との間にインピーダンス変
換手段に、バイアス電流を供給する定電流素子11と、
その定電流素子の出力電流をスイッチングするスイッチ
12を設けたことにより、各センサーセル内の増幅MO
SトランジスタのW/Lを大きくする場合に比べ、かな
りチップ面積は小さく抑えられ、またこの垂直信号線8
に接続されたソースフォロワーのバイアス電流は、クラ
ンプ容量13のリセット時以外では、同じ時間内には1
つしか流れないので、消費電流の増大は、非常に小さく
抑えることができる。
第2の実施形態のブロック回路図であり、第1の実施形
態である図1の一部を変更したものとなっている。
同一の番号を付してあるが、違いはソースフォロワーを
形成するトランジスタ10,11,12の接続である。
図1では、定電流トランジスタとして機能するトランジ
スタ11は、スイッチとなるトランジスタ12と、ソー
スフォロワートランジスタ10の間に配置されていた
が、図3では、定電流トランジスタ11は、GNDライ
ン側へ移動させ、スイッチトランジスタ12が定電流ト
ランジスタ11とソースフォロワートランジスタ10の
間に配置されている。
表われ、垂直信号線8やクランプ容13の入力側電位1
5は、各センサーセルのバラツキやセンサーに入射した
光の強度などで大きく変動する場合があり、図3のよう
に接続した場合、スイッチトランジスタ12のゲート−
ドレイン間電圧も、それに従って変動する。スイッチ1
1がOFFする瞬間に、トランジスタ12のゲート下に
あった電荷が、ドレインとソースに分配される割合が、
このゲート−ドレイン間電圧に依存するため、スイッチ
12がOFFした後のクランプ容量に保存されている電
荷量が、多少ではあるが、変動してしまい、垂直信号線
8,15の電位が、異なる時の水平信号線17へ伝達さ
れる電荷量も変動し、ノイズとなってしまうという欠点
が生じる。
動作については、第1の実施形態と同様であり、読み出
し回路の読み出しの高速化には十分な効果がある。
3の実施形態による固体撮像装置の回路図であり、従来
例である図6における垂直信号線8(8−1,8−2,
…)以降、水平信号線17までの部分を抜粋している。
スタ30(30−1,30−2,…)、トランジスタ3
1(31−1,31−2,…)、トランジスタ32(3
2−1,32−2,…)から構成されるソースフォロワ
ーが接続されている。トランジスタ31とトランジスタ
35はカレントミラーの構成となっており、定電流源3
6の電流とほぼ等しい電流を、スイッチ32がONした
場合に、トランジスタ30に供給する。また、タイミン
グパルスの供給端子22〜24には、図6にで説明した
ように、垂直信号線15に接続されたクランプ容量10
の出力側のMOSトランジスタ11と蓄積容量90と、
サンプル−ホールドスイッチMOSトランジスタ12
と、サンプル−ホールド容量16と、水平出力線に逐次
出力する水平シフトレジスタ19により駆動される水平
転送トランジスタ14とがそれぞれ接続され、タイミン
グパルスを供給されると共に、供給端子22、23から
のタイミングパルスの論理和をとるOR回路33の出力
がスイッチ32のゲートに接続されている。
スフォロワーとなるトランジスタ30は活性化し、垂直
信号線8の電位に応じた電位を垂直信号線15(15−
1,15−2,…)に出力し、サンプル−ホールドスイ
ッチ12(12−1,12−2,…)、水平転送スイッ
チ14(14−1,14−2,…)を介して、従来例の
図6の場合と同様に、水平信号線17へ信号を伝達す
る。
…)を駆動する必要がある端子23または22が、
“H”レベルになる場合に、OR回路33(33−1,
33−2,…)の出力が、“H”レベルになり、スイッ
チ32がONすることで、ソースフォロワー30がクラ
ンプ容量10を高速に駆動する。
0の素子サイズ(ゲート幅Wとゲート長Lの比W/L)
や、定電流トランジスタ31のドレイン電流の値は、ク
ランプ容量10を端子22,23が、“H”レベルにな
るパルス幅にて充分駆動できるように設定する。このこ
とから、読み出し回路の高速化に対応できるようにな
る。
4の実施形態の固体撮像装置のブロック回路図であり、
第1、第3の実施形態とは異なり、垂直信号線8から駆
動されるのは、クランプ容量ではなく、サンプル−ホー
ルド容量17の場合である。センサーセル内の動作、構
成は、上述した第1、第3の実施形態と同様であるが、
センサーセルから信号電圧が垂直信号線8に読み出され
た時、端子32が、“H”レベルに印加され、ORゲー
ト15によって、スイッチ12(12−1,12−2,
12−3)がONすることで、ソースフォロワー10
(10−1,10−2,10−3)が活性化し、垂直信
号線8の電位に応じた電位を、垂直信号線20(20−
1,20−2,20−3)に出力し、またスイッチ13
(13−1,13−2,13−3)がONすることで垂
直信号線20の電位が、ホールド容量14(14−1,
14−2,14−3)に取り込まれる。
によって、センサーセルがリセット状態になると、垂直
信号線8にリセット電位が読み出され、その時、端子3
3に、“H”レベルのパルスが印加され、ORゲート1
5により、スイッチ12がONし、ソースフォロワー1
0が活性化し、垂直信号線8のリセット電位に応じた電
位が、垂直信号線20に現われ、同時にスイッチ16
(16−1,16−2,16−3)がONすることで、
垂直信号線20の電位がサンプル−ホールド容量17
(17−1,17−2,17−3)に取り込まれる。そ
の後水平シフトレジスタからの水平転送信号27,28
が順次“H”レベルになることでホールド容量14の電
位は第一の水平信号線24へ読み出され、ホールド容量
17の電位は第二の水平信号線25へそれぞれ読み出さ
れる。
ンプ26によって減算され、信号電位とリセット電位の
差分に応じた電位が、出力端子34から出力される。
ように、本発明によれば、センサーセルが接続された垂
直信号線と、その垂直信号線にスイッチ等を介して接続
された容量負荷となるクランプ容量や、サンプル−ホー
ルド容量との間に、インピーダンス変換機能を有するソ
ースフォロワー回路を挿入し、そのソースフォロワーの
バイアス電流を供給するトランジスタに、直列にスイッ
チを挿入し、そのスイッチを、前記クランプ容量やサン
プル−ホールド容量を充・放電する必要がある場合の
み、ONさせることで、前記容量負荷を高速に駆動する
場合に、各センサーセル内にある増幅トランジスタの出
力インピーダンスを下げるために、そのゲート幅(W)
とゲート長(L)の比(W/L)を大きくしたり、バイ
アス電流を増す必要がなくなり、その結果、チップ面積
や消費電力の増大を最小限に抑えられる。
費電力の軽減を達成することが可能となる。
ーセルを2次元的に3行3列配置した例である。
号線〜水平信号線における図である。
ル−ホールド容量を併せもつ場合の実施形態である。
プ容量をもたずサンプル−ホールド容量のみ有する場合
の実施形態である。
る。
ある。
Claims (10)
- 【請求項1】 光電変換部を含む複数の単位セルと、 前記単位セルからの信号の処理を行う処理手段と、 前記処理手段から信号を転送するための転送手段と、 前記単位セルと前記処理手段との間に設けられたインピ
ーダンス変換手段と、 前記インピーダンス変換手段にバイアス信号を供給する
ためのバイアス供給手段と、 前記バイアス供給手段と前記転送手段とを連動させて動
作させる連動手段と、を有することを特徴とする固体撮
像装置。 - 【請求項2】 光電変換部を含む単位セルを2次元状に
配置した撮像領域と、 前記撮像領域からの信号を読み出す列方向に配列された
複数の垂直出力線と、 前記垂直出力線毎に設けられた、前記単位セルから出力
された信号の処理を行う処理手段と、 前記処理手段から信号を転送するための転送手段と、 前記単位セルと前記処理手段との間に設けられたインピ
ーダンス変換手段と、 前記インピーダンス変換手段にバイアス信号を供給する
ためのバイアス供給手段と、 前記バイアス供給手段と前記転送手段とを連動して動作
させる連動手段と、を有することを特徴とする固体撮像
装置。 - 【請求項3】 光電変換部を含む複数の単位セルと、 前記複数の単位セルからの信号を蓄積する複数の蓄積手
段と、 前記複数の蓄積手段に蓄積された信号を順次読み出す共
通出力線と、 前記単位セルからの信号を前記蓄積手段に転送するため
の転送手段と、 前記単位セルと前記転送手段の間に設けられたインピー
ダンス変換手段と、 前記インピーダンス変換手段にバイアス信号を供給する
ためのバイアス供給手段と、 前記バイアス供給手段と前記転送手段とを連動して動作
させる連動手段とを有することを特徴とする固体撮像装
置。 - 【請求項4】 請求項1又は請求項2に記載の固体撮像
装置において、前記処理手段は、前記単位セルからの信
号に含まれる雑音成分を除去するための雑音除去手段を
含むことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項5】 請求項4に記載の固体撮像装置におい
て、前記雑音除去手段は、容量手段を含むことを特徴と
する固体撮像装置。 - 【請求項6】 請求項5に記載の固体撮像装置におい
て、前記バイアス供給手段は、前記容量手段が雑音除去
動作のために充・放電する場合に動作することを特徴と
する固体撮像装置。 - 【請求項7】請求項1又は請求項2において、前記処理
手段は、前記単位セルからの信号を所定の信号レベルに
クランプするクランプ回路を含むことを特徴とする固体
撮像装置。 - 【請求項8】 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の
固体撮像装置において、前記インピーダンス変換手段を
MOSトランジスタを用いたソースフォロワー回路で形
成し、前記ソースフォロワー回路として動作するMOS
トランジスタの出力端子となるソース端子にバイアス電
流を供給する定電流トランジスタを接続し、該定電流ト
ランジスタのもう一方の出力端子に前記バイアス供給手
段を接続したことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項9】 請求項8に記載の固体撮像装置におい
て、前記ソースフォロワー回路に、ソースフォロワーと
して動作するMOSトランジスタの出力端子となるソー
ス端子に前記バイアス供給手段を接続し、該スイッチ手
段のもう一方の出力端子に前記バイアス電流を供給する
定電流トランジスタを接続したことを特徴とする固体撮
像装置。 - 【請求項10】 請求項1乃至9のいずれか1項に記載
の固体撮像装置において、前記インピーダンス変換手段
はソースフォロワー回路であることを特徴とする固体撮
像装置。
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