JP2002247451A - 撮像装置 - Google Patents
撮像装置Info
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- JP2002247451A JP2002247451A JP2001045338A JP2001045338A JP2002247451A JP 2002247451 A JP2002247451 A JP 2002247451A JP 2001045338 A JP2001045338 A JP 2001045338A JP 2001045338 A JP2001045338 A JP 2001045338A JP 2002247451 A JP2002247451 A JP 2002247451A
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Abstract
もに、ノイズ成分の少ない信号を得ることを課題とす
る。 【解決手段】 光電変換部と、前記光電変換部からの信
号を処理するインピ−ダンス変換手段と、前記インピ−
ダンス変換手段にバイアスを供給する第1のスイッチ手
段と、バイアス源と前記インピ−ダンス変換手段の間に
接続された第2のスイッチ手段と、前記第1のスイッチ
手段と前記第2のスイッチ手段の駆動を同期する同期手
段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供する。
Description
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素子と称している。図
8にこの従来の増幅型固体撮像素子である増幅型MOS
センサー構成を示す。
たフォトダイオード1に蓄積された信号電荷は、増幅ト
ランジスタ4によって電圧として垂直出力線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出力線8から読み出される。ここ
で、光電変換セルとしては、上記の他、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3と、垂直出
力線8に読み出すセルを選択する選択MOSトランジス
タ5とを含む。
に配列した固体撮像素子では、増幅トランジスタ4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9のタイミング図を交えて説明する。
10−1に、パルス101を印加することによって、選
択MOSトランジスタ5の導通によって、増幅トランジ
スタ4−1−1、4−1−2、・・・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
圧が垂直出力線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14(14−1、14−2、・・・)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、垂直出力線15(15−
1、15−2、・・・)をクランプ電圧22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
圧は垂直出力線8(8−1、8−2、・・・)に現れる
ので、この電圧をクランプ容量13(13−1、13−
2、・・・)で垂直出力線15(15−1、15−2、
・・・)に伝達する。このクランプ電圧に光電変換セル
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。
92(92−1、92−2、・・・)をONすることに
より、垂直出力線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99か
らの選択パルス105、106、・・・が水平選択トラ
ンジスタ17(17−1、17−2、・・・)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。
トした後の垂直出力線8の電圧変化のみを、垂直出力線
16に取り出せるので、増幅トランジスタ4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。
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、各光電変換セルの増幅トランジスタ4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4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4は各
光電変換セルに存在するため、そのゲート幅の増加は、
固体撮像素子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。
めに、一手段として、光電変換部と、前記光電変換部か
らの信号を処理するインピ−ダンス変換手段と、前記イ
ンピ−ダンス変換手段にバイアスを供給する第1のスイ
ッチ手段と、バイアス源と前記インピ−ダンス変換手段
の間に接続された第2のスイッチ手段と、前記第1のス
イッチ手段と前記第2のスイッチ手段の駆動を同期する
同期手段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供
する。
記光電変換部からの信号を処理するインピ−ダンス変換
手段と、前記インピ−ダンス変換手段にバイアスを供給
する第1のスイッチ手段と、前記インピ−ダンス変換手
段の入力部に設けられた、前記光電変換部からの信号を
サンプル・ホ−ルドする第2のスイッチ手段と、前記第
2のスイッチ手段をオンにする前に、前記第1のスイッ
チ手段をオンにする駆動手段と、を有することを特徴と
する撮像装置を提供する。
記光電変換部からの信号を処理する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を供給
する第1のスイッチ手段と、前記インピーダンス変換手
段の入力部に設けられた前記光電変換部からの信号をサ
ンプル・ホールドする第2のスイッチ手段と、前記第2
のスイッチ手段をオフにする前に、前記第1のスイッチ
手段をオン状態にしておく駆動手段と、を有することを
特徴とする撮像装置を提供する。
及び垂直方向に2次元に配置された固体撮像素子であ
る。
2は転送スイッチ、3はリセットスイッチ、4は増幅ト
ランジスタ、5は選択スイッチ、6は垂直シフトレジス
タから駆動されるリセット信号線、7は転送信号線、9
は増幅トランジスタ4のバイアス電流を与える定電流ト
ランジスタ、10は選択信号線である。
サー信号のインピーダンス変換を行い、クランプ容量1
3を駆動するインピ−ダンス変換手段であるソースフォ
ロワー回路、11は、センサ信号をゲートに受け、ソー
スより出力するソースフォロワトランジスタ(駆動トラ
ンジスタ)、28はソースフォロワートランジスタ11
にバイアス電流を供給する定電流トランジスタ(負荷素
子)、12はその定電流トランジスタ28の電流のON
/OFF制御を行うスイッチ、14はクランプ容量13
に、端子22に印可される基準電圧を供給するクランプ
スイッチ、17は水平転送スイッチ、18は共通水平出
力線、19は、共通水平出力線18に送られてくる信号
電荷を電圧に変換するための帰還容量、20は出力アン
プ、21は出力端子、23、24は定電流トランジスタ
28に電圧を供給する定電流回路、25、26も同様に
9の定電流トランジスタに基準となる電圧を供給する回
路、27は定電流トランジスタが供給するバイアス電流
をスイッチングするスイッチ12を駆動するためのパル
ス電圧入力端子である。
1、28がクランプ容量13を駆動する必要のある時の
みONとなり、定電流回路23、24の電流をソースフ
ォロワー回路11に供給することで、常時定電流回路2
3、24の電流を供給する場合に比べ、ここで消費され
る電力を大幅に削減できる。
1が容量13を駆動するタイミングで、スイッチ12を
ONさせる場合、該スイッチ12がONからOFFにな
った後の、ノード15の電位の変化を図2に示す。時間
t0はスイッチ12がON→OFFとなった時で、ソー
スフォロワートランジスタ11はそのドレインが電源に
接続されているので、そのゲート端子に印加されている
信号電圧に応じて、ソースフォロワトランジスタ11の
sub−threshold領域特性によって決まる時
定数でノード15を充電し、電位が上昇していく。
が接続されている水平転送スイッチがONするまでハイ
インピーダンス状態にあるので該容量の電荷は保存さ
れ、したがってノード16もノード15と同じ電位変動
となり、上昇する。
プ20における仮想接地が成り立っているので、端子2
2に与えられている基準電圧に保たれている。
における17−1)がONした時であり、t2は別の水
平転送スイッチ(例えば17−2)がONした時を示し
ており、前記t0から同じ時定数でノード15−1、15
−2の電位は上昇するが、転送スイッチ17−1と17
−2はそのONするタイミングが異なる為、水平転送ス
イッチ17がONし、ノード16の電位が前記基準電圧
に遷移する時の電圧の変化分はノード16−1と16−
2で異なり、その電位変化分の差はノード15にも現
れ、さらに図3に示したソースフォロワートランジスタ
11のゲートーソース間の寄生容量Cgsによる結合
で、垂直出力線8(8−1、8−2)に現れる信号電位
の変化分も異なる結果となる。
力線8−1、8−2に印可されていても、光電変換セル
内の増幅トランジスタ4の出力インピーダンスは低くな
いので前記水平転送スイッチのON/OFF時に生じる
電位変化分を抑えられず、出力される信号電位が変動
し、固定パターンノイズと呼ばれるノイズが発生する。
構成を示しており、光電変換セルと垂直出力線ソースフ
ォロワー11の間にサンプル/ホールド回路を挿入して
いる。
送スイッチON時に生じる電位変化は、前記ソースフォ
ロワー11のゲートーソース間寄生容量Cgsと前記サ
ンプル/ホールド回路のホールド容量との電荷分割で決
まる値だけホールド容量に保存されていた信号電位が変
化してしまう。
信号線ソースフォロワーとの間にサンプル/ホールド回
路を挿入した場合、ソースフォロワートランジスタのゲ
ートーソース間寄生容量Cgsは前記S/H回路のホー
ルド容量の一部として付加され、そのCgsはMOSト
ランジスタの動作領域で異なり、該ソースフォロワーの
バイアス電流供給スイッチ12のONするタイミング
を、前記S/HスイッチがOFFする後となるように設
定すると、該Cgsの動作領域による変動分だけバイア
ス電流スイッチON時に該ソースフォロワーのゲート電
位が変動する。このCgsはゲート酸化膜工程における
製造バラツキの影響で変動するため、該ゲート電位には
固定パターンノイズが発生するということがある。
トランジスタ11のドレイン端子と電源との間にスイッ
チを挿入し、前記バイアス電流供給スイッチのON/O
FFタイミングと同期した駆動をすることにより、該バ
イアス電流供給スイッチがOFFした時にノード15を
充電する電流供給源がなくなり、前記、水平転送スイッ
チONのタイミングまでノード15、16の電位が上昇
することがなく、よりノイズ成分の少ない信号が得られ
る。
イミングを、図4における、光電変換セルと垂直出力線
ソースフォロワーの間に設けられたS/H回路のONの
タイミングの前になるよう設定することで、該垂直線ソ
ースフォロワーのON時のCgsが該S/H回路のホー
ルド容量に付加されることになり、よりノイズ成分の少
ない信号が得られる。
る。
共通水平出力線までの部分のみを示したもので、特に垂
直出力線8とソースフォロワートランジスタ11との間
にサンプル・ホールド回路(サンプル・ホ−ルドスイッ
チ31、サンプル・ホ−ルド容量32)が挿入されてい
る。
電源ライン32との間に、スイッチ29を挿入してい
る。そして、スイッチ29とバイアス電流供給スイッチ
の駆動が同期するように、バイアス電流供給スイッチ1
2を駆動するのと同じクロック線27'(同期手段)で
スイッチ29を駆動する。
トランジスタ11のバイアス電流の供給を停止した時、
同時に該ソースフォロワー11のドレインは電源ライン
32から切り離され、ノード15を充電する電流経路は
なくなる。
OFFタイミングの、他のスイッチのタイミングに対す
る関係を示している。
ルスを示し、27はスイッチ12、29を駆動する端子
27に印可されるパルスを、31は水平転送スイッチ1
7を駆動するパルスを表している。
HIになる前にパルス102を端子27に印可し、スイ
ッチ12、29をONさせ、ソースフォロワー11のC
gsをそのトランジスタON時の値に確定させておく。
前記S/HスイッチがOFFした後、スイッチ12、2
9もOFFさせ、次に水平転送スイッチ17がONする
前に再びパルス103によってスイッチ12、29をO
Nさせ、スイッチ17がパルス104でONした時にク
ランプ容量13を駆動できるようにする。
がNMOSの場合を示しているが、PMOSの場合は該
スイッチ29はそのドレイン端子−GND(もしくはあ
る低電位電源ライン)間に挿入されることは容易に考え
られるものである。
ロワートランジスタの場合は、そのドレイン端子と高電
位電圧源との間に、PMOSソースフォロワートランジ
スタの場合はそのドレイン端子と低電位電圧源との間に
スイッチを挿入し、該ソースフォロワーへのバイアス電
流の供給を制御するスイッチとほぼ同期させてON/O
FF制御することで、前記スイッチをOFFさせてバイ
アス電流の供給を停止した時のソースフォロワー出力端
子電位の、寄生容量充電などによる上昇をなくし、それ
による固定パターンノイズの変動を抑えた。
との間にS/H回路を挿入した場合の、S/Hスイッチ
のOFF→ONのタイミングを、前記バイアス電流供給
制御スイッチのOFF→ONのタイミングに対して遅ら
せ、S/HスイッチのON→OFFのタイミングはバイ
アス電流スイッチのOFF→ONに対し早くするように
することで、固定パターンノイズの発生を抑えた。
素子を用いた撮像装置について説明する。
トとメインスイッチを兼ねるバリア、102は被写体の
光学像を固体撮像素子104に結像させるレンズ、10
3はレンズ102を通った光量を可変するための絞り、
104はレンズ102で結像された被写体を画像信号と
して取り込むための固体撮像素子、105は、固体撮像
素子104から出力される画像信号を増幅するゲイン可
変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回
路部等を含む撮像信号処理回路、106は固体撮像素子
104より出力される画像信号のアナログーディジタル
変換を行うA/D変換器、107はA/D変換器106
より出力された画像データに各種の補正を行ったりデー
タを圧縮する信号処理部、108は固体撮像素子10
4、撮像信号処理回路105、A/D変換器106、信
号処理部107に、各種タイミング信号を出力するタイ
ミング発生部、109は各種演算とスチルビデオカメラ
全体を制御する全体制御・演算部、110は画像データ
を一時的に記憶する為のメモリ部、111は記録媒体に
記録または読み出しを行うためのインターフェース部、
112は画像データの記録または読み出しを行う為の半
導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、113は外部コン
ピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
ビデオカメラの動作について説明する。
源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更
にA/D変換器6などの撮像系回路の電源がオンされ
る。
御・演算部109は絞り103を開放にし、固体撮像素
子4から出力された信号はA/D変換器106で変換さ
れた後、信号処理部107に入力される。
演算部109で行う。
し、その結果に応じて全体制御・演算部109は絞りを
制御する。
信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離
の演算を全体制御・演算部109で行う。その後、レン
ズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判
断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
まる。
ら出力された画像信号はA/D変換器106でA/D変
換され、信号処理部107を通り全体制御・演算部10
9によりメモリ部に書き込まれる。
タは、全体制御・演算部109の制御により記録媒体制
御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体
112に記録される。また、外部I/F部113を通り
直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよ
い。
速に読み出されるとともに、ノイズ成分の少ない信号を
得ることが可能となる。
る。
−トを表す図である。
ングチャ−トを表す図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 光電変換部と、 前記光電変換部からの信号を処理するインピ−ダンス変
換手段と、 前記インピ−ダンス変換手段にバイアスを供給する第1
のスイッチ手段と、 バイアス源と前記インピ−ダンス変換手段の間に接続さ
れた第2のスイッチ手段と、 前記第1のスイッチ手段と前記第2のスイッチ手段の駆
動を同期する同期手段と、を有することを特徴とする撮
像装置。 - 【請求項2】 前記インピ−ダンス変換手段は、前記光
電変換部からの信号を制御電極領域に受け、主電極領域
より出力する駆動トランジスタと、前記トランジスタの
負荷となる負荷素子を含むことを特徴とする請求項1に
記載の撮像装置。 - 【請求項3】 前記同期手段は、前記第1のスイッチ手
段と前記第2のスイッチ手段に共通のパルスを供給する
ための信号線を含むことを特徴とする請求項1又は2に
記載の撮像装置。 - 【請求項4】 前記光電変換部は、水平方向及び垂直方
向に配列され、前記インピ−ダンス変換手段、前記第1
のスイッチ手段、前記第2のスイッチ手段、及び前記同
期手段は、垂直方向の一列の光電変換部毎に設けられて
いることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に
記載の撮像装置。 - 【請求項5】 前記インピ−ダンス変換手段の出力部に
クランプ容量を設けたことを特徴とする請求項1乃至4
のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 【請求項6】 前記光電変換部に光を結像するレンズ
と、 前記インピ−ダンス変換手段からの信号をディジタル信
号に変換するアナログ・ディジタル変換回路と、 前記アナログ・ディジタル変換回路からの信号の信号処
理を行う信号処理回路と、 を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1
項に記載の撮像装置。 - 【請求項7】 光電変換部と、 前記光電変換部からの信号を処理するインピ−ダンス変
換手段と、 前記インピ−ダンス変換手段にバイアスを供給する第1
のスイッチ手段と、 前記インピ−ダンス変換手段の入力部に設けられた、前
記光電変換部からの信号をサンプル・ホ−ルドする第2
のスイッチ手段と、 前記第2のスイッチ手段をオンにする前に、前記第1の
スイッチ手段をオンにする駆動手段と、を有することを
特徴とする撮像装置。 - 【請求項8】 前記駆動手段は、前記第1のスイッチ手
段をオフにする前に、前記第2のスイッチ手段をオフに
することを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。 - 【請求項9】 光電変換部と、前記光電変換部からの信
号を処理する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を供給する第1のスイッチ手
段と、前記インピーダンス変換手段の入力部に設けられ
た前記光電変換部からの信号をサンプル・ホールドする
第2のスイッチ手段と、前記第2のスイッチ手段をオフ
にする前に、前記第1のスイッチ手段をオン状態にして
おく駆動手段と、を有することを特徴とする撮像装置。 - 【請求項10】 前記インピ−ダンス変換手段は、前記
光電変換部からの信号を制御電極領域に受け、主電極領
域より出力する駆動トランジスタと、前記トランジスタ
の負荷となる負荷素子を含むことを特徴とする請求項7
又は8に記載の撮像装置。 - 【請求項11】 前記光電変換部は、水平方向及び垂直
方向に配列され、前記インピ−ダンス変換手段、前記第
1のスイッチ手段、及び前記第2のスイッチ手段は、垂
直方向の一列の光電変換部毎に設けられていることを特
徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の撮像
装置。 - 【請求項12】 前記インピ−ダンス変換手段の出力部
にクランプ容量を設けたことを特徴とする請求項7乃至
11のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 【請求項13】 前記光電変換部に光を結像するレンズ
と、 前記インピ−ダンス変換手段からの信号をディジタル信
号に変換するアナログ・ディジタル変換回路と、 前記アナログ・ディジタル変換回路からの信号の信号処
理を行う信号処理回路と、を有することを特徴とする請
求項7乃至12のいずれか1項に記載の撮像装置。
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