JP4455660B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
Voutは走査パルスPSR1がオンしている期間の演算増幅器11の出力端子電圧である。
暗時電圧(変動前)=1V
基準電圧=1V
上記条件の場合を考えると、
Vout=−1.5×(1−1)+1=1V
であるが、保持容量Ct上の電圧が1Vから1.2Vにずれたとすると、
Vout=−1.5×(1.2−1)+1=0.7V
と、アンプ出力で−0.3Vの変動が生じてしまう。仮に光照射時のCt上の電圧が1.6Vであったとすると、Vout =0.1Vとなるが、暗時電圧が上述のように0.2Vずれたとすると光照射時のCt上の電圧も平行して1.8Vにシフトし、結果としてVout <0Vとなる。そのためグラウンド電圧もしくはアンプ出力の出力可能下限値に律速されて正常な出力が得られなくなってしまう。結果として飽和電圧が低下する、信号の直線性が損なわれる、といった問題が生じていた。またCt上の電圧がグラウンド側にずれた場合、暗時電圧がVoutで電源電圧もしくはアンプ出力の出力可能上限値に律速されておなじく正常な出力が得られず結果として信号直線性が損なわれるといった問題が生じていた。
該光電変換素子からの信号を受ける第1のソースフォロワアンプと、
該第1のソースフォロワアンプと接続した第1の転送トランジスタと、
該第1の転送トランジスタと接続した第1の保持容量と、
該第1の保持容量と接続した第2の転送トランジスタと、
基準電圧を供給する基準電圧回路と、
前記第1のソースフォロワアンプから出力された信号を受ける、前記第2の転送トランジスタと接続した第1の入力端子と、前記基準電圧を入力する第2の入力端子とを備えた信号増幅アンプと、
を有する固体撮像装置において、
前記第1のソースフォロワアンプは一導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなり、
前記基準電圧回路は前記第1のソースフォロワアンプと同じ導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなる第2のソースフォロワアンプを含み、
前記基準電圧回路と前記第2の入力端子との間にゲインアンプを有することを特徴とする。
該光電変換素子からの信号を受ける第1のソースフォロワアンプと、
該第1のソースフォロワアンプから出力された信号を第1の転送トランジスタを介して受ける第1の保持容量と、
該第1の保持容量に入力端子が接続した第2のソースフォロワアンプと、
該第2のソースフォロワアンプから出力される信号を第2の転送トランジスタを介して受ける第2の保持容量と、
前記第2の保持容量から信号を転送する第3の転送トランジスタと、
前記第2のソースフォロワアンプから出力される信号を前記第3の転送トランジスタを介して受ける第3の保持容量と、
前記第3の保持容量から信号を転送する第5の転送トランジスタと、
基準電圧を供給する基準電圧回路と、
前記第2保持容量に保持された信号を受ける、前記第3の転送トランジスタと接続した第1の入力端子と前記基準電圧を入力する第2の入力端子とを有する第1の信号増幅アンプと、
前記第3保持容量に保持された信号を受ける、前記第5の転送トランジスタと接続した第3の入力端子と前記基準電圧を入力する第4の入力端子とを有する第2の信号増幅アンプと、
を有する固体撮像装置において、
前記第1及び第2のソースフォロワアンプの少なくとも一方は一導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなり、
前記基準電圧回路は前記第1及び第2のソースフォロワアンプの少なくとも一方と同じ導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなる第3のソースフォロワアンプを含み、
前記基準電圧回路と前記第2及び第4の入力端子との間にゲインアンプを有することを特徴とする。
該光電変換素子からの信号を受ける第1の信号増幅手段と、
該第1の信号増幅手段から出力された信号を第1の転送トランジスタを介して受ける第1の保持容量と、
該第1の保持容量に入力端子が接続した第2の信号増幅手段と、
該第2の信号増幅手段から出力される信号を第2の転送トランジスタを介して受ける第2の保持容量と、
該第2の保持容量の信号を転送する第3の転送トランジスタと、
基準電圧を供給する基準電圧回路と、
前記第2保持容量に保持された信号を受ける、前記第3の転送トランジスタと接続した第1の入力端子と前記基準電圧を入力する第2の入力端子とを有する第1の信号増幅アンプと、
を有する固体撮像装置において、
前記基準電圧回路は、少なくとも前記第1の信号増幅手段あるいは前記第2の信号増幅手段と同等の回路構成を有し、
前記基準電圧回路と、前記第2の入力端子との間にゲインアンプを有することを特徴とする。
図1は本発明の第1の実施形態を示した模式図である。図13と同一部材は同一番号を記載し、詳細な説明を省略する。
保持容量Ct上の電圧=1V
第2のソースフォロワ501の出力電圧 =1V
Vref=1V
第2の基準電圧源502で設定する電圧は第2のソースフォロワ501の出力電圧が上記電圧になるように選ぶものである。このとき演算増幅器11の基準電圧は上式より
(1.5/(1+1.5))×(1−1)+1=1V
となる。
保持容量Ct上の電圧=1.2V
ゲインアンプの入力電圧=1.2V
となる。そこから上記式より
(1.5/(1+1.5))×(1.2−1)+1=1.12V
となる。この電圧が演算増幅器11の基準電圧となるので、演算増幅器11の出力電圧は
Vout=−1.5×(1.2−1.12)+1.12=1V
となる。上記のように、信号を増幅するアンプのゲインを
−Ct/Cf
とした時に、電圧源として信号読み出し用のソースフォロワ回路5とおおよそ同じオフセット電圧変化を示すソースフォロワ回路501を有し、そのオフセット電圧の変化量を(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))倍にして演算増幅器11の基準電圧シフトさせることで、製造プロセス上ソースフォロワ回路のオフセット電圧が変化しても演算増幅器11の出力電圧変動を十分に抑えることができる。結果として製造プロセス条件に変動があっても安定した飽和電圧、信号直線性を有する固体撮像装置を実現できる。
図3は本発明の第2の実施形態を示した模式図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。図3において、701はソースフォロワの入力MOSトランジスタ、702は抵抗素子、入力MOSトランジスタ701と抵抗素子702を合わせて抵抗負荷型のソースフォロワアンプ703を形成している。入力MOSトランジスタ701のON抵抗値をRon、抵抗素子702の抵抗値をRとすると、ソースフォロワアンプ703のゲインは
R/(Ron+R)となる。
となるように入力MOSトランジスタ701のサイズおよび抵抗素子702の抵抗値を選ぶことで、本実施形態でも実施形態1と同様の効果が得られる。
R/(Ron+R)=Gsf×{(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))}
となるように入力MOSトランジスタ701のサイズおよび抵抗素子702の抵抗値を選ぶことで、同様の効果を得ることができる。
図4は本発明の第3の実施形態を示した模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。図4において、801はソースフォロワの入力MOSトランジスタ、802は負荷MOSトランジスタ、入力MOSトランジスタ801と負荷MOSトランジスタ802を合わせてMOS負荷型ソースフォロワアンプ803を形成している。入力MOSトランジスタ801のON抵抗値をRon1、負荷MOSトランジスタ802のON抵抗値をRon2とするとソースフォロワアンプのゲインは
Ron2/(Ron1+Ron2)
となる。
となるように入力MOSトランジスタ801のサイズおよび負荷MOSトランジスタ802のサイズを選ぶことで実施形態1と同様の効果が得られる。一般にMOSトランジスタを用いた抵抗は半導体拡散層を用いた抵抗素子よりも小さな占有面積で同じ抵抗値を実現できるのでより小型な固体撮像装置が実現できる。
図5は本発明の第4の実施形態を示した模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。図5において、901,902は第2、第3の演算増幅器、903〜906は抵抗素子である。演算増幅器901と抵抗素子903,904で第1の反転増幅器を構成している。また演算増幅器902と抵抗素子905,906で第2の反転増幅器を構成している。907は第1の反転増幅器の基準電圧源、908は第2の反転増幅器の基準電圧源である。同図において、抵抗素子903〜906の抵抗値をそれぞれR1〜R4、基準電圧源907、908の基準電圧をそれぞれVref3、Vref4とし、第1の反転増幅器の入力をVin、第2の反転増幅器の出力をVoutとすると、その入出力特性は下記の式のようになる。
(R2・R4)/(R1・R3)=(Ct/Cf)/(1+(Ct/Cf))
となるように抵抗素子の値を選ぶことで、同様な効果が得られるものである。
図6は本発明の第5の実施形態を示した模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。本実施形態は信号読み出し用の出力アンプ回路を演算増幅器と抵抗素子を用いて構成した例である。
なお、信号増幅アンプのゲインGaは―R6/R5である。
R6/(R5+R6)
に設定することで、出力アンプが演算増幅器と抵抗素子で構成する反転増幅器の場合でも同様の効果が得られる。
図7は本発明の第6の実施形態を示した模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。図7において、1101はリセットMOSトランジスタ2とおおよそ同じ大きさのドレイン容量を有する第2のリセットMOSトランジスタ、1102は光電変換素子1と同様の第2の光電変換素子である。前述したように、光電変換素子1の一端はリセットMOSトランジスタ2をオンすることにより光電変換素子1をリセット電圧源15で定まる電圧にリセットされる。しかし詳細には光電変換素子1とソースフォロワ入力MOSトランジスタ3の接続された部分とリセットMOSトランジスタ2のゲートとの間には、図示していないがカップリング容量が存在する。このカップリング容量はリセットMOSトランジスタ2のゲート・ドレイン間の重なり容量が主因である。そのためリセットMOSトランジスタ2がオフする時に上記カップリング容量に起因するふられにより上記接続部分に電位変動が生じていた。この電位変動量はカップリング容量と前述した上記接続点に存在する容量の比、およびリセットパルスPRESの振幅で変化するものである。
図8は本発明の第7の実施形態を示す模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。同図において、1201(1201−1〜1201−4)は第2の保持容量への転送MOSトランジスタ、1202(1202−1〜1202−4)は第2の保持容量、1203(1203−1〜1203−4)、1206、1208はソースフォロワの入力MOSトランジスタ、1204(1204−1〜1204−4)、1207、1209はソースフォロワの定電流源、入力MOSトランジスタ1203と定電流源1204をあわせて第2のソースフォロワアンプ1205(1205−1〜1205−4)を形成する。入力MOSトランジスタ1206と定電流源1207をあわせて第3のソースフォロワアンプ1210を形成する。入力MOSトランジスタ1208と定電流源1209をあわせて第4のソースフォロワアンプ1211を形成する。6−11〜6−14は保持容量7−11〜7−14に暗時信号を転送するための転送トランジスタ、6−21〜6−24は保持容量7−21〜7−24に光信号を転送するための転送トランジスタである。1212は差動増幅器、503はゲインアンプ、10−1,10−2は共通出力線、11−1,11−2は演算増幅器(アンプ)、13−1,13−2はアンプの帰還容量、14−1,14−2はスイッチである。
図10は本発明の第8の実施形態を示す模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。図10において、1401,1402,1405,1406は抵抗素子、1403は第2の演算増幅器、1404は第2の基準電圧源である。演算増幅器11と抵抗素子1401、1402とで第1の正転増幅器を構成している。演算増幅器1403と抵抗素子1405、1406とで第2の正転増幅器を構成している。第1の正転増幅器の正転入力には共通出力線10が接続され、反転入力には抵抗素子1402を介して第2の正転増幅器の出力が接続される。第2の正転増幅器の正転入力には第2のソースフォロワ回路501の出力が接続され、反転入力には抵抗素子1405を介して第3の基準電源1404が接続する。 抵抗素子1401、1402、1405、1406の抵抗値をそれぞれR1〜R4とすると、第1の正転増幅器の入出力特性は下記のようになる。
ここでVrefは第2の正転増幅器の出力電圧である。
ここでVin2は第2のソースフォロワ回路501の出力電圧、Vref2は第二の基準電源1404の基準電圧である。上式を整理すると以下のようになる。
図11は本発明の第9の実施形態を示す模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。本実施形態は第1実施形態のゲインアンプ503を用いずに直接ソースフォロワ回路501の出力を演算増幅器11の基準電圧としたものである。再度示すが図13の従来例の出力アンプの入出力特性は下記の式になる。
基準電圧Vref1が一定値の場合、Vinの変動に対するVoutの変動は
図12は本発明の第10の実施形態を示す模式説明図である。図13、図1と同一部材は同一番号を記載している。同図において、1601〜1604は抵抗素子、1605は容量素子である。抵抗素子1603と1604とで電源電圧を抵抗分割することでリセット電圧源15を構成している。抵抗素子1601と1602とで電源電圧を抵抗分割することで第2のソースフォロワ回路501の第2の基準電圧源502を構成している。リセット電圧源15を抵抗分割で構成すると電源電圧の変動により光電変換素子のリセット電圧が変動し、実効的に上述の従来例と同じように保持容量Ct上の暗時電圧変動が生じるが、このように第2の基準電圧源502も電源電圧の変動に連動して変化するように構成し、その電圧に対して本実施形態よりなる所定のゲインをかけた信号を出力アンプの基準電圧にすることにより、電源電圧の変動に対しても同様の効果が得られる。
2−1〜2−4 リセットMOSトランジスタ
3−1〜3−4 ソースフォロワの入力MOSトランジスタ
4−1〜4−4 ソースフォロワの定電流源
5−1〜5−4 ソースフォロワアンプ
6−1〜6−4 第1の信号転送トランジスタ
7−1〜7−4 保持容量
8 走査回路
9−1〜9−4 第2の信号転送トランジスタ
10,10−1,10−2 共通出力線
11,11−1,11−2 演算増幅器
13,13−1,13−2 帰還容量
14,14−1,14−2 スイッチトランジスタ
15 リセット電源
501 第2のソースフォロワアンプ
502 第2の基準電圧源
503 ゲインアンプ
Claims (14)
- 光電変換素子と、
該光電変換素子からの信号を受ける第1のソースフォロワアンプと、
該第1のソースフォロワアンプと接続した第1の転送トランジスタと、
該第1の転送トランジスタと接続した第1の保持容量と、
該第1の保持容量と接続した第2の転送トランジスタと、
基準電圧を供給する基準電圧回路と、
前記第1のソースフォロワアンプから出力された信号を受ける、前記第2の転送トランジスタと接続した第1の入力端子と、前記基準電圧を入力する第2の入力端子とを備えた信号増幅アンプと、
を有する固体撮像装置において、
前記第1のソースフォロワアンプは一導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなり、
前記基準電圧回路は前記第1のソースフォロワアンプと同じ導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなる第2のソースフォロワアンプを含み、
前記基準電圧回路と前記第2の入力端子との間にゲインアンプを有することを特徴とする固体撮像装置。 - 光電変換素子と、
該光電変換素子からの信号を受ける第1のソースフォロワアンプと、
該第1のソースフォロワアンプから出力された信号を第1の転送トランジスタを介して受ける第1の保持容量と、
該第1の保持容量に入力端子が接続した第2のソースフォロワアンプと、
該第2のソースフォロワアンプから出力される信号を第2の転送トランジスタを介して受ける第2の保持容量と、
前記第2の保持容量から信号を転送する第3の転送トランジスタと、
前記第2のソースフォロワアンプから出力される信号を前記第3の転送トランジスタを介して受ける第3の保持容量と、
前記第3の保持容量から信号を転送する第5の転送トランジスタと、
基準電圧を供給する基準電圧回路と、
前記第2保持容量に保持された信号を受ける、前記第3の転送トランジスタと接続した第1の入力端子と前記基準電圧を入力する第2の入力端子とを有する第1の信号増幅アンプと、
前記第3保持容量に保持された信号を受ける、前記第5の転送トランジスタと接続した第3の入力端子と前記基準電圧を入力する第4の入力端子とを有する第2の信号増幅アンプと、
を有する固体撮像装置において、
前記第1及び第2のソースフォロワアンプの少なくとも一方は一導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなり、
前記基準電圧回路は前記第1及び第2のソースフォロワアンプの少なくとも一方と同じ導電型の入力トランジスタと負荷手段とからなる第3のソースフォロワアンプを含み、
前記基準電圧回路と前記第2及び第4の入力端子との間にゲインアンプを有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第2のソースフォロワアンプの入力端子に定電圧源が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換素子をリセットするための、前記第1のソースフォロワアンプの入力端子に接続する第1のリセットトランジスタと、該第1のリセットトランジスタのソースあるいはドレインに接続する第1のリセット電源とを有し、
前記第2のソースフォロワアンプの入力端子に接続する、前記第1のリセットトランジスタと同一導電型の第2のリセットトランジスタと、該第2のリセットトランジスタのソースあるいはドレインに接続する第2のリセット電源とを有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第3のソースフォロワアンプの入力端子に定電圧源が接続されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換素子をリセットするための、第1のリセットトランジスタと、該第1のリセットトランジスタのソースあるいはドレインに接続された第1のリセット電源とを有し、
前記第3のソースフォロワアンプの入力端子に接続する、前記第1のリセットトランジスタと同一導電型の第2のリセットトランジスタと、該第2のリセットトランジスタのソースあるいはドレインに接続する第2のリセット電源とを有することを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のリセット電源と前記第2のリセット電源を共に電源電圧を抵抗分割することで形成したことを特徴とする請求項4又は6に記載の固体撮像装置。
- 光電変換素子と、
該光電変換素子からの信号を受ける第1の信号増幅手段と、
該第1の信号増幅手段から出力された信号を第1の転送トランジスタを介して受ける第1の保持容量と、
該第1の保持容量に入力端子が接続した第2の信号増幅手段と、
該第2の信号増幅手段から出力される信号を第2の転送トランジスタを介して受ける第2の保持容量と、
該第2の保持容量の信号を転送する第3の転送トランジスタと、
基準電圧を供給する基準電圧回路と、
前記第2保持容量に保持された信号を受ける、前記第3の転送トランジスタと接続した第1の入力端子と前記基準電圧を入力する第2の入力端子とを有する第1の信号増幅アンプと、
を有する固体撮像装置において、
前記基準電圧回路は、少なくとも前記第1の信号増幅手段あるいは前記第2の信号増幅手段と同等の回路構成を有し、
前記基準電圧回路と、前記第2の入力端子との間にゲインアンプを有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第2の信号増幅手段から出力される信号を第4の転送トランジスタを介して受ける第3の保持容量と、
該第3の保持容量の信号を転送する第5の転送トランジスタと、
前記第3保持容量に保持された信号を受ける、前記第5の転送トランジスタと接続された第3の入力端子と前記基準電圧を入力する第4の入力端子とを有する第2の信号増幅アンプと、を有し、
前記ゲインアンプは、前記基準電圧回路と前記第4の入力端子との間に配されることを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。 - 前記ゲインアンプが演算増幅器を含むことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記信号増幅アンプのゲインをGaとした時に前記ゲインアンプのゲインがGa/(Ga−1)となることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記ゲインアンプのゲインが0より大きく1未満であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 請求項4に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第2のリセットトランジスタを前記第2のソースフォロワアンプから前記信号増幅アンプに信号を読み出す前に開閉する固体撮像装置の駆動方法。 - 請求項6に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第2のリセットトランジスタを前記第3のソースフォロワアンプから前記信号増幅アンプに信号を読み出す前に開閉する固体撮像装置の駆動方法。
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