JP4665544B2 - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラ等に用いられる増幅型固体撮像装置に関する。

光電変換素子を配列した固体撮像装置は小型・軽量でありしかも信頼性が高く、消費電力が低い等の特徴を有するため急速に発展している。しかし、画素の高密度化が進むに従い一画素から取り出し得る信号電荷量は小さくなりＳ／Ｎ比の低減化は避けにくくなってくる。

このような問題を解決するための手段の一つとして、増幅型固体撮像装置が提案されており、近年、その需要の要求が高まっている。

図９は、従来のＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路を搭載した増幅型固体撮像装置の概要図である（例えば特許文献１参照）。

まず、全体の構成について説明する。図９ではチップ１２０の構成全体を示しており、単位画素１２１を２次元状に配列し、受光部１２２を構成している。受光部１２２は垂直シフトレジスタ１２９によって選択された行ごとにＣＤＳ回路側へ出力する。一方、ＣＤＳ回路は、クランプ容量１２４、サンプリング容量１２５などで構成し、信号成分とノイズ成分の差分処理を実施する。

ＣＤＳ回路で差分処理した信号は、水平シフトレジスタ１２８で選択された列の列選択スイッチ１２６をＯＮすることによって水平信号線１２７へ出力される。水平信号線１２７の信号は、出力アンプ１３０などを介して出力される。

図１０、１１を用いて、このＣＤＳ回路の詳細を説明する。これらの構成はクランプ型ＣＤＳ回路として特許文献１にその概要が記載されている。

図１０は、図９におけるＢ部の拡大図である。ＣＤＳ回路は、単位画素１２１とＣＤＳ回路を接続、分離制御するサンプリングスイッチ１３１、単位画素からの信号をクランプするためのクランプ容量１２４、クランプ容量の端子電圧を基準電位に設定するためのクランプ電源１３２とクランプスイッチ１３３、基準電位との差分電圧を保持するためのサンプリング容量１２５からなる。

図１１は上記のクランプ型ＣＤＳ回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。ＣＤＳ動作は水平ブランキング期間と呼ばれる、画素のみの動作期間で実施される。まずサンプリングスイッチ１３１をＯＮし、単位画素からの信号を転送可能な状態にする。この際、画素にはすでに露光が完了している状態である。よって、その際クランプスイッチ１３３をＯＮし、サンプリング容量１２５にクランプ電圧を基準電圧として保持する。次にクランプスイッチ１３３をＯＦＦすると同時に、単位画素内のリセットトランジスタ１３５をＯＮし、露光しない状態の画素信号（ノイズ成分）を読み出す。これによって、サンプリング容量１２５の電圧はクランプ電圧からノイズ成分だけ変化した出力が保持される。これによってノイズを除去した差分出力が完了する。その後、列選択スイッチ１２６を時系列で順次ＯＮすることによって、水平信号線１２７に露光した状態の画素信号（蓄積信号）を読み出す。

このクランプ型ＣＤＳ回路のメリットは、以下に示すように
（１）一列内で回路を完結することができるため、信号成分とノイズ成分の信号経路を同一にできる。

（２）列方向のレイアウトがコンパクトである。

（３）動作がシンプルである。
という点であるが、デメリットとして、クランプ容量−サンプリング容量の容量分割によって信号電圧が低下し、ＣＤＳ回路後、特に水平信号線でノイズが加わりやすいという課題がある。

一方、信号振幅をあげるため、列ごとに増幅アンプ（以下、列アンプという）を設ける技術が近年開発されてきており、例えば特許文献２に開示されている。
特許第２７９１０７３号公報 特開２００１−２４５２２１号公報

しかしながら、クランプ型ＣＤＳ回路に対して列アンプを挿入した場合、後述するように、その挿入位置によっては、列アンプからの出力信号の振幅が、その後に接続されるサンプリングスイッチ１３１の動作幅よりも大きくなってしまい、信号のすべてを利用できず、信号伝播ロスが発生してしまうという課題が生じることがわかった。

特に、サンプリングスイッチ１３１の駆動能力を、他のスイッチ、トランジスタと同程度に設定し、かつ信号増幅率を所望の値以上に上げようとすると、この問題が顕著となる。

サンプリングスイッチ１３１の駆動能力を向上させれば、ある程度問題は解決できるが、サンプリングスイッチ１３１と他のスイッチ等を構成するトランジスタとを作り分ける工程が追加されるため、製造コストの上昇、スループットの低下を招くという新たな課題が生じてしまう。

そこで、本発明は、列アンプを使用しつつ、その増幅信号をＣＤＳ回路に完全に伝播させて、信号を全て利用できる回路構成を有する固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の増幅型固体撮像装置は、２次元状に配列され、入射光を光電変換し得られた信号電荷を蓄積するフォトダイオードを含む単位画素と、前記単位画素の信号を列毎に読み出す垂直信号線と、前記垂直信号線の出力を増幅する列信号増幅手段と、前記列信号増幅手段の出力のノイズ除去を行うノイズ除去回路と、前記ノイズ除去回路からの出力を水平信号線および出力アンプを通じて出力する構成を有した増幅型固体撮像装置であって、前記列信号増幅手段の出力をクランプするためのクランプ容量が前記列信号増幅手段の出力に直接接続されていることを特徴とする。

前記クランプ容量の出力に、前記単位画素と前記ノイズ除去回路とを接続、分離制御するためのサンプリングスイッチが直接接続されていることが好ましい。

前記単位画素には、前記フォトダイオードで発生した信号電荷を増幅するための画素ドライバトランジスタと、前記画素ドライバトランジスタの入力電位を設定するためのリセットトランジスタとをさらに含んでいることが好ましい。

少なくとも前記画素ドライバトランジスタはＭＯＳトランジスタであることが好ましい。

前記サンプリングスイッチがＭＯＳトランジスタからなり、前記画素ドライバトランジスタと前記サンプリングスイッチの閾値が同程度であることが好ましい。

本発明では、列アンプ出力のバイアス成分（信号のＤＣ成分）がクランプ容量によって除去できるため、クランプ容量なしの時に対して、サンプリングスイッチを全振幅させることができる。

（実施の形態）
（回路構成）
図１は、本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置の概要図であり、図２は、図１におけるＡ部の拡大図である。

このＭＯＳ型固体撮像装置は、アクティブ型の最小トランジスタ構成としてフォトダイオード５０、画素ドライバトランジスタ３６、リセットトランジスタ３５、画素電源３７で単位画素２１を構成している。また、各列に共通して画素ソースフォロア負荷トランジスタ３４を具備しており、画素ドライバトランジスタ３６と共にソースフォロアを成している。このソースフォロア出力が信号として使用され、さらに列アンプ２３によって増幅される。

この列アンプ２３の出力はクランプ容量２４へ直接接続し、そのクランプ容量２４のもう一方の端子をサンプリングスイッチ３１に接続する。サンプリングスイッチ３１の出力は、従来のＣＤＳ回路と同様、サンプリング容量２５とクランプスイッチ３３を介しクランプ電源３２に接続する。サンプリング容量２５には、信号とノイズ成分の差分信号が保持され、水平シフトレジスタ２８によって選択された列の列選択スイッチ２６をＯＮすることによって、水平信号線２７へ差分信号が出力される。列アンプ以降の動作の原理は従来例と同様であるため省略する。

図３は本発明の実施の形態における列アンプ回路の一例である。ここでは、一般的に使用されるＥＤ型増幅回路を例にとって示しており、列アンプ負荷トランジスタ４０を電源側負荷として、単位画素２１の出力を、列アンプ結合容量４３を介して列アンプドライブトランジスタ４１に入力する。また動作点フィードバックトランジスタ４２をＥＤ増幅回路出力と列アンプ結合容量４３後の入に挿入する。動作点フィードバックトランジスタ４２をＯＮすることによって、ＥＤ型増幅回路の動作点中心バイアスが入力側にフィードバックできる。

本実施の形態では、ＥＤ型増幅回路で形成する一例を示したが、回路方式には全く制約は設けない。また増幅率の制約もない。

（従来回路の動作と本発明の回路の動作の対比１）
以下、図４、５を用いて、列アンプ２３の出力にクランプ容量２４を直接接続することで、本発明の課題が解決できるメカニズムについて説明する。

図４は、従来の固体撮像装置での課題を説明するための図であり、図４（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示した回路における動作時の各ノード及びトランジスタ下での電位変化を示した図である。また、図５は、列アンプをクランプ容量の前段に挿入した場合の固体撮像装置での課題を説明するための図であり、図５（ａ）は回路図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示した回路における動作時の各ノード及びトランジスタ下での電位変化を示した図である。

なお、いずれもクランプ容量２４以降の回路は省略して図示している。

まず、図４（ａ）、（ｂ）について説明する。この例では、３．０Ｖ電源、３．０Ｖｐ−ｐパルス振幅を前提としている。

画素ドライバトランジスタ３６から出力された単位画素２１からの電圧信号がノード１に伝達され、ノード１の電位がサンプリングスイッチ３１の入力信号となる。

ここで、サンプリングスイッチ３１を通して次段に伝達される最も高い電圧Ｖｍａｘは、画素ドライバトランジスタ３６とサンプリングスイッチ３１の閾値が同程度、例えば０．６Ｖであり、サンプリングスイッチ３１の変調度を０．７とすると、
Ｖｍａｘ＝（３−０．６）×０．７〜１．７Ｖで与えられる。

一方、画素信号のＡＣ成分である出力振幅Ｖｐｉｘは、画素の電子数をＥｐｉｘ、画素部の変換係数をＴｐｉｘとすると、
Ｖｐｉｘ〜Ｅｐｉｘ×Ｔｐｉｘ （式１）
で与えられ、各パラメータに実際の値、Ｅｐｉｘ〜３０００（電子）、Ｔｐｉｘ〜１００（μＶ／電子数）を代入すると、Ｖｐｉｘ〜０．３Ｖとなる。また、電源電圧３．０Ｖを同性能、同サイズのトランジスタである画素ドライバトランジスタ３６と負荷トランジスタ３４とで分割しているため、ノード１のＤＣ電位は１．５Ｖ程度である。

よって、画素信号の最大電位は、１．５＋０．３／２〜１．６５Ｖとなり、Ｖｍａｘより必ず低い電圧となるため、サンプリングスイッチ３１を３．０ＶでＯＮし、最大電位が１．７Ｖとなるようにしておけば、信号はすべてノード２へ伝播することが可能である。

しかし、上述したようにクランプ容量２４とサンプリング容量２５とで電圧が容量分割されるため、その比によっては信号電圧が大きく低下し、ＣＤＳ回路後、特に水平信号線でノイズが加わりやすい。

次に、図５（ａ）、（ｂ）について説明する。この例では、３．０Ｖ電源、３．０Ｖｐ−ｐパルス振幅、列アンプ増幅率５倍を前提としている。ノード３は単位画素２１の出力であり、従来回路の動作と同一である。ノード４には列アンプ２３が出力されるが、増幅率５倍であるから、上記のＶｍａｘ×５〜１．４Ｖ程度となる。

ノード４の最大電位は、列アンプのＤＣ成分と上記Ｖｍａｘの振幅が加算されるため、２．２Ｖに達すし、ノイズには強くなる。

しかし、従来と同じ閾値のサンプリングスイッチ３１を使用すれば、上述したように最大電位が１．７Ｖであるから、信号の振幅すべてをノード５に伝播することができない。

そこで、本発明者等は、列アンプとクランプ容量、さらにサンプリングスイッチとの配置関係に着目し、列アンプ２３の出力に直接クランプ容量２４を接続することにより、上記の課題が解決できることを見い出した。

以下、本発明の効果について説明する。

図６は、本実施の形態における固体撮像装置での効果を説明するための図であり、図６（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示した回路における動作時の各ノード及びトランジスタ下での電位変化を示した図である。

なお、サンプリングスイッチ３１以降の回路は省略して図示している。

図６（ａ）では、図２に示したのと同じく、列アンプ２３の出力にクランプ容量２４が接続され、さらにクランプ容量２４の出力にサンプリングスイッチ３１が接続されている。

また、図６（ｂ）において、ノード７までは図５（ｂ）に示した各ノード振幅と同様である。

ノード７からノード８の間にクランプ容量２４があるためＤＣ成分が除去され、ＡＣ成分である振幅のみが伝播される。上述したように列アンプ増幅後の振幅が１．４Ｖ程度であるため、ノード８の最大電位は信号振幅と同じ１．４Ｖ程度となり、サンプリングスイッチの最大電位１．７Ｖ以下となるため、十分振幅をノード９に伝播することが可能となる。

このように、列アンプ２３の後に直接クランプ容量２４を接続しその後にサンプリングスイッチ３１を接続することによって、増幅後の振幅をロスすることはなく、信号伝播ロスを無くすことができる。

なお、本実施の形態において、列アンプ２３の出力に直接クランプ容量２４を接続し、更にクランプ容量２４の出力に直接サンプリングスイッチ３１を接続する例を示したが、その他の回路の形態によっては、サンプリングスイッチ３１は無くてもよい。

（従来回路の動作と本発明の回路の動作の対比２）
図２に示したように、クランプ容量２４の出力に直接サンプリングスイッチ３１が接続されている場合、従来の構成に対して高速化が図れる。

以下、その点について図７、図８を用いて説明する。

図７は列アンプをクランプ容量の前段に挿入した場合の固体撮像装置の構成および動作を示した図であり、図７（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、図７（ｂ）はこのＣＤＳ回路の動作を説明するためのタイミングチャート、図７（ｃ）は信号読み出し時のＣＤＳ回路の等価回路図である。

図７（ａ）に示すように、列アンプ２３にサンプリングスイッチ３１が接続され、その後にクランプ容量２４が接続されており、クランプ容量２４の出力ノードにはさらにサンプリング容量２５も接続されている。

また、その動作は図１１を用いて説明したとおりであり、図７（ｂ）に示したタイミングチャートも図１１に示したのと同様である。

ここで、例えば、図４に示したように列アンプ２３を有しない構成では、クランプ容量２４よりも先では、列選択スイッチ２６を介してサンプリング容量２５のみが接続された構成（図４には図示していない）となり、このサンプリング容量２５を負荷として信号が伝播されるが、列アンプ２３を図７（ａ）に示した位置に配置した場合、サンプリング容量２５と同じノードにクランプ容量２４が接続されているため、クランプ容量２４の対基板容量が寄生容量として接続された回路となる。特にＭＯＳ容量を使用した場合、クランプ容量２４の１０％程度対基板容量となるため無視できなくなる。これによって、高い周波数（２５ＭＨｚ以上）で水平信号線に読み出す必要がある場合、悪影響がある。

一方、図８は本実施の形態の固体撮像装置の構成および動作を示した図であり、図８（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、図８（ｂ）はこのＣＤＳ回路の動作を説明するためのタイミングチャート、図８（ｃ）は信号読み出し時のＣＤＳ回路の等価回路図である。

本実施の形態によれば、サンプリング容量２５が接続されたノードにクランプ容量２４ではなくサンプリングスイッチ３１が接続されることになるため、サンプリング容量２５から列選択スイッチ２６を介して水平信号線２７へ読み出す際にはサンプリングスイッチ３１が閉じている。よって、信号読み出し時には、クランプ容量２４における対基板容量が信号線から切り離されることとなり、負荷が低減されるため、サンプリング容量２５から水平信号線２７への信号読み出しを高速化することができる。

以上のように、本発明の増幅型固体撮像装置によれば、従来の増幅型固体撮像装置に対して大幅なノイズ改善が可能であるため、信号振幅が低くても高Ｓ／Ｎ比の画像を得ることができる。

このため、本発明の固体撮像装置を搭載したカメラは、低照度時の高Ｓ／Ｎ画質を要求される高性能の静止画撮影用途やハイビジョン動画撮影用途に好適である。

また、サンプリングスイッチ３１と、例えば画素ドライバトランジスタ３６等とを作り分ける必要がなく、製造コストの上昇を抑制でき、またスループットも向上できる。

なお、本発明の増幅型固体撮像装置は、各画素の回路形式については限定するものではなく、光電変換が可能で、その信号成分とリセット後の信号成分を出力できる回路を備えていればよい。また、信号電荷が浮遊拡散容量によって変換された電圧を増幅する増幅器を備えたアンプ回路で出力するアクティブ型、および増幅器を備えていないパッシブ型のいずれの増幅型固体撮像装置であっても良い。また、各スイッチとして使用されるＭＯＳトランジスタの導電型も特に限定しない。

本発明のＭＯＳ型固体撮像装置は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置に対して大幅なノイズ改善が可能であり、低照度時の高Ｓ／Ｎ画質を要求される、高級一眼レフタイプデジタルスチルカメラを始め、民生用、プロ用デジタルスチルカメラ用ＭＯＳ型固体撮像装置、ハイビジョン動画撮像を主体とする放送用ＭＯＳ型固体撮像装置、天体観測用カメラなどに特に有用である。

本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置の概要図 本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置におけるＡ部の拡大図 本発明の実施の形態における列アンプ回路の一例を示した図 従来の固体撮像装置での課題を説明するための図であり、（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、（ｂ）は（ａ）に示した回路における動作時の各ノード及びトランジスタ下での電位変化を示した図 列アンプをクランプ容量の前段に挿入した場合の固体撮像装置での課題を説明するための図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は（ａ）に示した回路における動作時の各ノード及びトランジスタ下での電位変化を示した図 本発明の実施の形態における固体撮像装置での効果を説明するための図であり、（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、（ｂ）は（ａ）に示した回路における動作時の各ノード及びトランジスタ下での電位変化を示した図 列アンプをクランプ容量の前段に挿入した場合の固体撮像装置の構成および動作を示した図であり、（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、（ｂ）はこのＣＤＳ回路の動作を説明するためのタイミングチャート、（ｃ）は信号読み出し時のＣＤＳ回路の等価回路図 本実施の形態の固体撮像装置の構成および動作を示した図であり、（ａ）はＣＤＳ回路を含む部分の回路図、（ｂ）はこのＣＤＳ回路の動作を説明するためのタイミングチャート、（ｃ）は信号読み出し時のＣＤＳ回路の等価回路図 従来のＣＤＳ回路を搭載した増幅型固体撮像装置の概要図 従来の増幅型固体撮像装置におけるＢ部の拡大図 従来のクランプ型ＣＤＳ回路の動作を説明するためのタイミングチャート

符号の説明

２０、１２０ 半導体チップ
２１、１２１ 単位画素
２２、１２２ 受光部
２３ 列アンプ
２４、１２４ クランプ容量
２５、１２５ サンプリング容量
２６、１２６ 列選択スイッチ
２７、１２７ 水平信号線
２８、１２８ 水平シフトレジスタ
２９、１２９ 垂直シフトレジスタ
３０、１３０ 出力アンプ
３１、１３１ サンプリングスイッチ
３２、１３２ クランプ電源
３３、１３３ クランプスイッチ
３４、１３４ 画素ソースフォロア負荷トランジスタ
３５、１３５ リセットトランジスタ
３６ 画素ドライバトランジスタ
４０ 列アンプ負荷トランジスタ
４１ 列アンプドライブトランジスタ
４２ 動作点フィードバックトランジスタ
４３ 列アンプ結合容量

Claims (1)

1. ２次元状に配列され、入射光を光電変換し得られた信号電荷を蓄積するフォトダイオードを含む単位画素と、
   前記単位画素の信号を列毎に読み出す垂直信号線と、
   前記垂直信号線の出力を増幅する列信号増幅手段と、
   前記列信号増幅手段の出力のノイズ除去を行うＣＤＳ回路と、
   前記ＣＤＳ回路からの出力を水平信号線および出力アンプを通じて出力する構成を有
   した増幅型固体撮像装置であって、
   前記ＣＤＳ回路は、前記列信号増幅手段の出力に直接出力されたクランプ容量と、
   前記クランプ容量の出力に直接接続された、前記単位画素とサンプリング容量とを接続、分離制御するためのサンプリングスイッチと、
   前記サンプリングスイッチの出力にクランプスイッチを介して接続されたクランプ電源とを有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。

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