JP2000228100A - アレ―構成の読み出し用装置 - Google Patents

アレ―構成の読み出し用装置

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JP2000228100A JP2000024328A JP2000024328A JP2000228100A JP 2000228100 A JP2000228100 A JP 2000228100A JP 2000024328 A JP2000024328 A JP 2000024328A JP 2000024328 A JP2000024328 A JP 2000024328A JP 2000228100 A JP2000228100 A JP 2000228100A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 能動回路を含むセンサー列を改良するする
ことである。 【解決手段】本発明の列構成の読み出し用装置は、アナ
ログ値を表す素子のアドレス可能な列１０１と、前記共
通ラインに接続される回路１０５，１０７，１０９，１
１１と、からなり、前記アドレス可能な列の各素子は、
少なくとも１つの能動素子１１５，１１７と、共通ライ
ン１１９に接続される前記アレイの素子の各々の出力と
を有し、前記共通ラインに接続される回路が、前記アド
レス可能な列の素子のアドレスされた１つに接続された
ときに、前記アドレス可能な列の素子のうちのアドレス
された少なくとも１つの能動素子と共に差分増幅器を構
成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体イメージセ
ンサー内のピクセルの値のアレーを読み出す装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体画像センサーあるいは他のセンサ
ーのピクセルアレーから値を読み出す際には、アレーの
カラムの要素が１本のラインに多重化され、そしてこれ
らのカラムラインがその後さらに１本の直列の読み出し
線に多重化され、そしてＡ／Ｄコンバータに接続されて
いる。この多重化は、カラムラインおよび／または読み
出しラインへのアクセスを制御するためにアドレス可能
な切り換えトランジスタを用いて行われる。
【０００３】シリコンデバイスの特徴サイズが小さくな
るにつれて、各センサーアレーの要素内に能動回路（例
えば増幅器またはバッファ）を含めることが可能とな
り、そしてこのような能動回路を含むセンサーアレーは
能動回路アレーとして公知である。このような能動回路
を用いる利点は、従来のアレー要素内に能動回路アレー
を含まないいわゆる受動回路アレーに比較して、低ノイ
ズで遙かに少ない減衰率でもって出力ラインにセンサー
からの信号を伝送できることである。このような各アレ
ー要素内の回路は、ソースフォロワーとして構成され、
このソースフォロワーはアレー要素の外部にあり、カラ
ム内の全てのアレー要素が共有する電流ソースを用いて
いる。
【０００４】本発明者等は、ＣＭＯＳで実現したソース
フォロワーは、このＣＭＯＳ（製造コストの観点から、
センサーアレーの現在好ましい技術と考えられている）
のボディー効果（いわゆるＭＯＳトランジスタのしきい
値電圧がそのソース電圧と共に変動する効果）の結果と
して生成される電圧ゲインよりも大幅に低い電圧ゲイン
しか得られない欠点があると認識している。その結果セ
ンサー要素からの信号が減衰してしまう。この減衰を保
証するためにさらに増幅器が必要とされる。
【０００５】しかし、このような余分の増幅器を使用す
ることにより、センサー出力のＳＮ比が劣化してしま
う。またボディ効果の変動およびゲインの決定に寄与す
る他のトランジスタの特性のために、ゲインの変動がピ
クセル毎に生じてしまう。このような変動は、固定パタ
ーンノイズ（fixed pattern noise=ＦＰＮ）と称する。
各トランジスタは、ボディ効果を取り除くために、各ト
ランジスタは基板内の拡散ウェル内に配置されてはいる
が、しかしこのようにするとセンサーアレーの実装密度
が低下してしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、能動回路を含むセンサーアレーを改良するするこ
とである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】能動アレーで採用される
ソースフォロワーの問題点は、本発明によれば各要素に
対し差動増幅器を採用することにより解決できる。しか
し、各要素内に差動増幅器全体を含める代わりに、差動
増幅器構造の一部を特定のカラムに接続される各センサ
ー要素間で共有してもよい。例えば本発明の一実施例に
おいては、差動増幅器は、フィードバック構成に接続さ
れた差分対（differential pair）の演算トランスコン
ダクタンス増幅器（operational transconductance amp
lifier＝ＯＴＡ）である。
【０００８】しかし、ＯＴＡをアレーの各センサーアレ
ー内に配置する代わりに、ＯＴＡ構造の一部を特定のカ
ラムに接続された各センサー要素間で共有する。かくし
て各センサー要素は、ソースフォロワーが採用される場
合には従来技術と同一の構成要素を含み、残りの素子は
ＯＴＡがカラムの全てのセンサー要素間で共有されるよ
うにする必要がある。導入される固定パターンノイズを
回避する為に、１を超えるゲインがフィードバック接続
の差分増幅器を採用することにより達成できるが、殆ど
１のゲイン（即ち１よりも若干小さいゲイン）が好まし
い。
【０００９】本発明の一態様によれば、アレー読み出し
の共有差動増幅器のモデルは、能動アレー読み出しのア
プリケーションに採用できる。（例えば、その列自体が
本質的にセンサー列であるような列(per se sensor arr
ay)ではないアプリケーションに採用できる。本質的に
センサーアレーであるようなアレーとは、共有差動増幅
器を構成するために必要な構造をアレーの要素内に含む
ようなアレーである。）
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明によるセンサーアレ
ーの単一カラムからのアナログ値を読み出す装置を示
す。同図の装置は、ａ）要素１０１−１から１０１−Ｎ
を含む能動センサーアレーの要素１０１と、ｂ）電流ソ
ース１０３，１０５と、ｃ）トランジスタ１０７，１０
９と、ｅ）選択事項としてフィードバックネットワーク
１１１を含む。
【００１１】能動センサーアレーの要素１０１は、カラ
ム状に配列されている。本明細書において「カラム
（列）」の語を用いるが、これはセンサーアレー要素の
「ロー（行）」の語と同義である。
【００１２】各能動センサーアレーの要素１０１は、セ
ンサー１１３とトランジスタ１１５と１１７を有する。
センサー１１３はある特性を検出しこの検出された特性
を表すアナログ値をトランジスタ１１５に送る。例え
ば、センサー１１３は画像センサのピクセルであり、検
出された特性はある時間内におけるセンサー１１３上に
入射した光である。トランジスタ１１５は、センサー１
１３の出力をカラムライン１１９にスイッチ（トランジ
スタ）１１７を介して接続する駆動トランジスタとして
構成されている。
【００１３】入力１２１によりスイッチ１１７がアドレ
スされる、即ち選択される即ちイネーブルされると論理
１となる。電流ソース１０３は、カラムライン１１９に
接続され、トランジスタ１１５と１１７にバイアス電流
を供給して、それらを動作させる。能動センサーアレー
の要素１０１のようなセンサー要素を読み出し用のカラ
ムに配列することは従来公知である。
【００１４】トランジスタ１０７，１０９と電流ソース
１０３，１０５とフィードバックネットワーク１１１と
は、能動センサーアレーの要素１０１の選択された１つ
のセンサー１１３のトランジスタ１１５，１１７を具備
する差分対の演算トランスコンダクタンス増幅器（ＯＴ
Ａ）を構成するよう配列されている。このような構成に
おいは、トランジスタ１０７は、常閉（オン）状態の切
り換えトランジスタとして、そしてトランジスタ１０９
はフィードバック構成でカラムの全体出力を入力に戻す
機能をする。差分対の演算トランスコンダクタンス増幅
器は、従来公知のものである。トランジスタ１０７はマ
ッチングの目的からトランジスタ１１７の複製が採用さ
れる。しかし、オフセットが問題とならない場合には、
トランジスタ１０７を取り除くことができる。
【００１５】本発明の態様によれば、各能動センサーア
レーの要素１０１が次に選択されると、新たなＯＴＡが
トランジスタ１０７と１０９と電流ソース１０３，１０
５，フィードバックネットワーク１１１と能動センサー
アレーの要素１０１の選択された１つのトランジスタ１
１５，１１７から構成される。トランジスタ１０７，１
０９、電流ソース１０３，１０５、フィードバックネッ
トワーク１１１は、カラムを構成する能動センサーアレ
ーの要素１０１の全てで共有できる。このようにするこ
とにより実装密度を減らすことなくセンサーアレーの製
造コストを下げることができる。
【００１６】このようにして構成されたＯＴＡのゲイン
は、フィードバックネットワーク１１１の関数である。
例えば、フィードバックネットワーク１１１は入力から
その出力への単なる短絡回路でもよい。そのような場
合、かくして形成されたＯＴＡは、ほぼ１に等しいゲイ
ンを有する。別のタイプのネットワーク、例えば抵抗分
割ネットワークが採用された場合には、フィードバック
ネットワーク１１１は１未満のゲインを有し、かくして
形成されたＯＴＡの全体ゲインは、１を超える。このよ
うなフィードバックネットワークは、能動ネットワーク
で、例えばバッファあるいは他の能動素子を含む。
【００１７】図１の構成のゲインは、従来構成のような
ＭＯＳボディ効果の依存性による影響を受けない。その
理由は、トランジスタ１０９はトランジスタ１１５と同
一のゲート−ソース電圧を有し、その結果ボディ効果の
逆の作用が得られ、互いに打ち消しあうからである。こ
のことを概念化する別の方法としては、差分増幅器は高
い開ループゲインを有し、そのためフィードバックによ
りボディ効果に起因する開ループゲインの変動を閉ルー
プゲインの中で打ち消させることがある。
【００１８】抵抗で電流ソース１０３，１０５の一方あ
るいはその両方を増幅器の動作を変更することなく置換
できる。差分増幅器の他のタイプは、差分電圧増幅器で
ある。本発明のセンサーアレーは、さらに別のカラムを
含み、そしてそのカラムは図１の装置と同一構成を有し
てもよい。
【００１９】
【発明の効果】本発明の一態様によれば、アレー読み出
しの共有差動増幅器のモデルは、能動アレー読み出しの
アプリケーション（例えば、それ自体の中にはそれ自体
ではセンサーアレーとはならないようなアレーを含み、
例えばアレーの要素内に含まれる共有差動増幅器を構成
するために必要な構造）に採用できる。例えばアレー
は、サンプルアンドホールドアプリケーション内で使用
されるキャパシタアレーに接続される信号ソースから構
成でき、さらに処理されるべき値を保持し、あるいはＡ
／Ｄ表示から変換する。このような信号ソースとキャパ
シタでセンサー１１３を置換できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサーアレーの単一カラムから
アナログ値を読み出す装置を表す図
【符号の説明】
１０１ 能動センサーアレーの要素 １０３，１０５ 電流ソース １０７，１０９ トランジスタ １１１ フィードバックネットワーク １１３ センサー １１５，１１７ トランジスタ １１９ カラムライン １２１ 入力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 アンドリュー ジョン ブランクスビー アメリカ合衆国、07754 ニュージャージ ー、ネプチューン、エバーグリーン アベ ニュー 14 (72)発明者 マーク ジェイ．ロイナッツ アメリカ合衆国、07090 ニュージャージ ー、ウエストフィールド、キャンターベリ ー ロード 281

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アナログ値を表す素子のアドレス可能な
    アレー（１０１）と、 前記共通ラインに接続される回路（１０５，１０７，１
    ０９，１１１）と、からなり、 前記アドレス可能なアレーの各素子は、少なくとも１つ
    の能動素子（１１５，１１７）と、共通ライン（１１
    ９）に接続される前記アレーの素子の各々の出力とを有
    し、 前記共通ラインに接続される回路が、前記アドレス可能
    なアレーの素子のアドレスされた１つに接続されたとき
    に、前記アドレス可能なアレーの素子のうちのアドレス
    された少なくとも１つの能動素子と共に差分増幅器を構
    成することを特徴とするアレー構成の読み出し用装置。
  2. 【請求項２】 前記差分増幅器は、差分対の動作トラン
    スコンダクタンス増幅器であることを特徴とする請求項
    １記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記アナログ値を表す素子のアレーは、
    センサー（１１３）アレーであることを特徴とする請求
    項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記アナログ値を表す素子のアレーは、
    そのままではセンサーアレーではないことを特徴とする
    請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記差分増幅器は、ほぼ１のゲインを生
    成するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の
    装置。
  6. 【請求項６】 前記少なくとも１つの能動素子は、切り
    換えトランジスタ（１１７）と直列に接続された駆動ト
    ランジスタ（１１５）を含むことを特徴とする請求項１
    記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記共通ラインに接続された回路は、少
    なくとも１つの電流ソース（１０３，１０５）を含むこ
    とを特徴とする請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記共通ラインに接続された回路は、第
    １と第２の電流ソース（１０５，１０３）と、第１トラ
    ンジスタ（１０９，１０７）とを有し、前記第１電流ソ
    ース（１０５）は、前記第１トランジスタ（１０９）に
    接続され、前記第１トランジスタ（１０９）は前記第２
    電流ソース（１０３）に接続され駆動トランジスタを構
    成することを特徴とする請求項１記載の装置。
  9. 【請求項９】 第２トランジスタ（１０７）をさらに有
    し、 前記第２トランジスタ（１０７）は、常閉スイッチとし
    て構成され、前記第１トランジスタ（１０９）を第２電
    流ソース（１０３）に接続することを特徴とする請求項
    ８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記駆動トランジスタ（１０９）は、
    前記装置の出力から前記トランジスタの入力にフィード
    バックネットワーク（１１１）を介して接続され、これ
    により１ではないゲインが達成されることを特徴とする
    請求項８記載の装置。
  11. 【請求項１１】 第２トランジスタ（１０７）をさらに
    有し、 前記第２トランジスタ（１０７）は、常閉スイッチとし
    て構成され、前記第１トランジスタ（１０９）を第２電
    流ソース（１０３）に接続し、 前記駆動トランジスタ（１０９）は、前記装置の出力か
    ら前記トランジスタの入力にフィードバックネットワー
    ク（１１１）を介して接続され、 前記アレー素子の各々の出力に対し、１ではないゲイン
    が達成できることを特徴とする請求項８記載の装置。
  12. 【請求項１２】 アナログ値を表す素子のアドレス可能
    なアレーと共に使用する方法において、 前記アドレス可能なアレーの各素子は、能動素子と共通
    ラインに接続される前記アレーの素子の各々の出力とを
    有し、 前記方法は、前記能動素子と前記アドレス可能なアレー
    の素子の全てに対し能動外部回路を用いて第１の差分増
    幅器を構成するよう前記アドレス可能な素子のアレーの
    うちの第１素子を選択するステップを含むことを特徴と
    する方法。
  13. 【請求項１３】 前記第１差分増幅器は、ほぼ１のゲイ
    ンを有することを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記第１差分増幅器は、差分対の演算
    トランスコンダクタンス増幅器であることを特徴とする
    請求項１２記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記能動素子と前記アドレス可能なア
    レーの素子の全てに対し能動外部回路を用いて第２の差
    分増幅器を構成するよう前記アドレス可能な素子のアレ
    ーのうちの第２素子を選択するステップをさらに有する
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記第１差分増幅器と第２差分増幅器
    は、ほぼ同一のゲインを有することを特徴とする請求項
    １５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記第２差分増幅器は、１のゲインを
    有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記第１差分増幅器と第２差分増幅器
    は、異なるゲインを有することを特徴とする請求項１５
    記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記第２差分増幅器は、差分対の演算
    トランスコンダクタンス増幅器であることを特徴とする
    請求項１５記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記第１差分増幅器と第２差分増幅器
    とは、前記第１の選択された素子と第２の選択され素子
    の能動素子の差に起因して異なる構造を有することを特
    徴とする請求項１５記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記第１差分増幅器と第２差分増幅器
    とは、前記第１の選択された素子と第２の選択され素子
    の能動素子の差に起因して異なるゲインを有することを
    特徴とする請求項１５記載の方法。
  22. 【請求項２２】 選択された能動素子のアレーのうちの
    能動素子を用いることにより能動素子のアレーを選択し
    たときに、完全な差分増幅器を構成するために前記能動
    素子アレーにより使用される増幅器回路の一部を時分割
    多重化するステップを含むことを特徴とする方法。
  23. 【請求項２３】 前記の完全差分増幅器は、差分対の演
    算トランスコンダクタンス増幅器であることを特徴とす
    る請求項２２記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記能動素子アレーは、選択的に共通
    ラインに接続されることを特徴とする請求項２２記載の
    方法。
  25. 【請求項２５】 アナログ値を表す手段のアレーと、 前記手段のアレーは、能動素子手段と共通ラインに接続
    された表示手段の出力とを有し、 前記共通ラインに接続された手段と、 前記表示手段のアドレスされた１つに接続されたとき
    に、前記表示手段のアドレスされた１つの能動素子手段
    と共に差分増幅器手段を構成することを特徴とする装
    置。
  26. 【請求項２６】 前記アナログ表示手段は、検出手段の
    アレーであることを特徴とする請求項２５記載の装置。
  27. 【請求項２７】 前記差分増幅器手段は、差分対の演算
    トランスコンダクタンス増幅器であることを特徴とする
    請求項２５記載の装置。
  28. 【請求項２８】 前記差分増幅器手段は、ほぼ１のゲイ
    ン有することを特徴とする請求項２５記載の装置。
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