JP2001157114A - イメージセンサおよびイメージセンサユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路面積を削減し、出力ラインを流れる電流
を低下させてノイズを低減すると共に、高速読み出しが
可能なイメージセンサを提供することを目的とする。 【解決手段】 複数の画素Ｖ１〜Ｖｎと、画素から画素
信号が出力される信号出力ライン２１とを有するイメー
ジセンサであって、画素はそれぞれ、被写体からの光信
号を検出するフォトダイオード１と、フォトダイオード
１で発生した電圧を増幅する増幅回路３と、増幅回路３
の出力電圧のうち第１の期間における出力電圧を保持す
る第１信号保持部６と、増幅回路３の出力電圧のうち第
２の期間における出力電圧を保持する第２信号保持部７
と、第１信号保持部６で保持している出力電圧と第２信
号保持部７で保持している出力電圧との差分電圧を信号
出力ライン２１に差分電流に変換して出力する差動出力
部８、９、１２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、文書、画像等の読
み取りに使用するイメージセンサおよびそのイメージセ
ンサを用いたイメージセンサユニットに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】複数のフォトダイオードを有するイメー
ジセンサは近年、フォトダイオード部と回路部を同一半
導体チップ上に形成するモノリシック型が主流となって
いる。中でも低消費電力をねらったＭＯＳイメージセン
サが有望視され、特開平８−１３９８５１号公報に開示
のものが知られている。

【０００３】図５は、従来のＭＯＳイメージセンサの回
路図であり、上記公報記載のＭＯＳイメージセンサと同
様の動作を行うイメージセンサを示す。図５に示す回路
は通常一つの半導体チップ上に形成される。

【０００４】図５において、１０１はフォトダイオー
ド、１０２はリセットスイッチ、１０３は増幅回路、１
０４および１０５はそれぞれ第１信号および第２信号の
伝達スイッチ、１０６および１０７はそれぞれ第１信号
および第２信号の電圧保持コンデンサ、１０８および１
０９はそれぞれ第１信号および第２信号の増幅ＭＯＳＦ
ＥＴ、１１０および１１１はそれぞれ第１信号および第
２信号の読み出しスイッチであり、符号１０１より１１
１までの要素が一つの画素を構成している。また、１２
１は第１信号出力ライン、１２２は第２信号出力ライ
ン、１２３はパルス発生回路、１２４は走査回路、１２
５および１２６はそれぞれ第１信号および第２信号の電
流電圧変換アンプ、１２７および１２８はそれぞれ第１
信号および第２信号の外部出力スイッチ、Ｖ１、Ｖ２、
Ｖ３、Ｖｎは第１画素、第２画素、第３画素、最終画素
である。

【０００５】以下、図５を用いて従来のイメージセンサ
の回路の動作について説明する。リセットスイッチ１０
２がフォトダイオード１０１の蓄積電荷放電のため短時
間信号の間オン動作した直後から、入射光量に応じて発
生した電荷を蓄積してフォトダイオード１０１のアノー
ド電位は上昇していく。増幅回路１０３は２つのＭＯＳ
ＦＥＴにより構成されており、フォトダイオード１０１
のアノード電位を増幅する。光情報蓄積期間経過後の増
幅回路１０３の出力電位が第１信号伝達スイッチ１０４
を介して第１信号電圧保持コンデンサ１０６に保持さ
れ、再度のリセットスイッチのオン動作ののち、増幅回
路１０３の出力電位が第２信号伝達スイッチ１０５を介
して第２信号電圧保持コンデンサ１０７に保持される。
第１信号電圧保持コンデンサ１０６に保持された電位は
第２信号電圧保持コンデンサ１０７に保持された電位よ
りも低く、その電位差は画素に入射した光の量に比例す
る。リセットスイッチ１０２、第１信号伝達スイッチ１
０４および第２信号伝達スイッチ１０５のゲートに加え
られるパルスはパルス発生回路１２３により全画素同時
に与えられることから以上の動作までは全画素同時であ
る。

【０００６】走査回路１２４より各画素の第１信号読み
出しスイッチ１１０および第２信号出力スイッチ１１１
に加えられる読み出しパルスは画素毎に第１画素Ｖ１よ
り最終画素Ｖｎに向かって順次加えられる。読み出しパ
ルスが加えられた画素の第１信号電圧保持コンデンサ１
０６および第２信号電圧保持コンデンサ１０７の電圧は
それぞれ第１信号増幅ＭＯＳＦＥＴ１０８および第２信
号増幅ＭＯＳＦＥＴ１０９によって電圧電流変換され、
同時にそれぞれ第１信号出力ライン１２１および第２信
号出力ライン１２２に出力される。走査回路１２４はた
だ一つの画素からの出力を読み出すように読み出しパル
スを各画素に与えながら、次々と読み出し画素を切り換
えていく。

【０００７】第１信号電流電圧変換アンプ１２５および
第２信号電流電圧変換アンプ１２６は、それぞれ第１信
号出力ライン１２１および第２信号出力ライン１２２を
流れる電流を電圧に変換する。第１信号外部出力スイッ
チ１２７および第２信号外部出力スイッチ１２８は走査
回路よりイメージセンサ内のいずれかの画素へパルスが
供給されている間は導通し、第１信号電流電圧変換アン
プ１２５および第２信号電流電圧変換アンプ１２６の出
力電圧をイメージセンサの外部へ供給する。

【０００８】前記従来のイメージセンサを用いたイメー
ジセンサユニットにおいては、複数のイメージセンサの
第１信号電流電圧変換アンプ１２５の出力および電流電
圧変換アンプ１２６の出力をそれぞれ結合してそれぞれ
差動増幅器の正負入力に接続し、その差分出力電圧をイ
メージセンサユニット外部に出力していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のイメージセンサにおいては、第１信号出力ライン１
２１および第２信号出力ライン１２２の２本のラインを
用いて第１信号と第２信号をそれぞれ独立して各画素よ
り出力しており、この２本のラインは十分な信号電流を
流すために線幅を細くすることはできず、回路面積の増
加を招くという問題点を有していた。また、増幅回路１
０３の増幅電位をそのまま電圧電流変換しているため
に、本来の信号成分よりも高い電流が２本の出力ライン
に流れるという問題点を有していた。さらに、第１信号
出力ライン１２１および第２信号出力ライン１２２は画
素の切り替えによる電流のスイッチングが２本の出力ラ
インに同時に発生し、電磁ノイズを発生するという問題
点を有していた。しかも２本の出力ラインは全画素の配
列方向に平行に配置されるためにライン長が長くなって
おり、発生した電磁ノイズを容易に画素内のフォトダイ
オードへ誘導してＳ／Ｎ比を劣化させる要因となってい
た。

【００１０】加えて、第１信号出力ライン１２１および
第２信号出力ライン１２２が持つ配線静電容量と、接続
された全ての画素の第１信号伝達スイッチ１０４または
第２信号伝達スイッチ１０５が持つソース静電容量とが
加わって大きな静電容量成分が生じていた。これによ
り、読み出し中の画素の切り換えによって第１信号出力
ライン１２１および第２信号出力ライン１２２の電位変
動が生じ、静電容量成分の充放電が行われて信号成分に
加わり、応答特性が劣化し、高速読み出しが困難になる
という問題点を有していた。さらに、電流電圧変換アン
プ１２５および１２６の入力インピーダンスが低い場合
には、静電容量成分によって電流電圧変換アンプ１２５
および１２６の出力が発振するなど不安定動作の原因に
なっていた。ここで動作を安定させるためには電流電圧
変換アンプ１２５および１２６の出力の応答性を下げて
安定性を確保する必要があり、このことも高速読み出し
を困難にする一因となっていた。

【００１１】このイメージセンサおよびイメージセンサ
ユニットでは、回路面積を削減し、出力ラインを流れる
電流を低下させてノイズを低減すると共に、高速読み出
しが可能であることが要求されている。

【００１２】本発明は、この要求を満たすため、回路面
積を削減し、出力ラインを流れる電流を低下させてノイ
ズを低減すると共に、高速読み出しが可能なイメージセ
ンサ、および、そのイメージセンサを用いて高速読み出
しが可能なイメージセンサユニットを提供することを目
的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のイメージセンサは、複数の画素と、画素から
画素信号が出力される信号出力ラインとを有するイメー
ジセンサであって、画素はそれぞれ、被写体からの光信
号を検出するフォトダイオードと、フォトダイオードで
発生した電圧を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力電
圧のうち第１の期間における出力電圧を保持する第１信
号保持部と、増幅回路の出力電圧のうち第２の期間にお
ける出力電圧を保持する第２信号保持部と、第１信号保
持部で保持している出力電圧と第２信号保持部で保持し
ている出力電圧との差分電圧を信号出力ラインに差分電
流に変換して出力する差動出力部とを有する構成を備え
ている。

【００１４】これにより、回路面積を削減し、出力ライ
ンを流れる電流を低下させてノイズを低減すると共に、
高速読み出しが可能なイメージセンサが得られる。

【００１５】また、上記課題を解決するために本発明の
イメージセンサユニットは、上記イメージセンサの複数
個から成るイメージセンサ群と、イメージセンサからの
外部出力電流が出力されるセンサ出力ラインと、センサ
出力ラインにソース端子が接続されたユニット用ＭＯＳ
ＦＥＴと、センサ出力ラインの電圧を反転増幅してユニ
ット用ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力するユニット用
反転増幅回路と、ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端
子に接続された電流電圧変換器とを有する。

【００１６】これにより、上記イメージセンサを用いて
高速読み出しが可能なイメージセンサユニットが得られ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、複数の画素と、画素から画素信号が出力される信号
出力ラインとを有するイメージセンサであって、画素は
それぞれ、被写体からの光信号を検出するフォトダイオ
ードと、フォトダイオードで発生した電圧を増幅する増
幅回路と、増幅回路の出力電圧のうち第１の期間におけ
る出力電圧を保持する第１信号保持部と、増幅回路の出
力電圧のうち第２の期間における出力電圧を保持する第
２信号保持部と、第１信号保持部で保持している出力電
圧と第２信号保持部で保持している出力電圧との差分電
圧を信号出力ラインに差分電流に変換して出力する差動
出力部とを有することとしたものである。

【００１８】この構成により、差動出力部が第１信号と
第２信号の差分のみを差分電流として１本の信号出力ラ
インに出力するので、信号出力ライン上の電流値が従来
よりも大幅に減少し、信号出力ラインに必要な回路面積
が大幅に減少するという作用を有するものである。

【００１９】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載のイメージセンサにおいて、差動出力部は、第
１信号保持部で保持している出力電圧を電流に変換する
第１信号電圧電流変換部と、第２信号保持部で保持して
いる出力電圧を電流に変換する第２信号電圧電流変換部
と、第１信号電圧電流変換部の出力電流の極性を反転す
る電流ミラー回路とを有し、第２信号電圧電流変換部と
電流ミラー回路との接続部より差分電流を出力すること
としたものである。

【００２０】この構成により、従来のような２出力電流
でなく差分電流のみを画素の外部に出力するため、ノイ
ズが低減されるという作用を有するものである。

【００２１】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
１又は２に記載のイメージセンサにおいて、信号出力ラ
インにソース端子が接続されたＭＯＳＦＥＴと、信号出
力ラインの電圧を反転増幅してＭＯＳＦＥＴのゲート端
子に入力する反転増幅回路とを備えることとしたもので
ある。

【００２２】この構成により、ＭＯＳＦＥＴと反転増幅
器とが信号出力ラインの電源変動を防止するため、信号
出力ラインの静電容量の影響による周波数特性劣化が防
止され、イメージセンサの高速読み出しが可能になると
いう作用を有するものである。

【００２３】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項
３に記載のイメージセンサにおいて、ＭＯＳＦＥＴのド
レイン端子に入力端子が接続された信号出力ライン電流
ミラー回路を有し、信号出力ライン電流ミラー回路の出
力端子から出力される電流をイメージセンサの外部出力
電流とすることとしたものである。

【００２４】この構成により、イメージセンサの出力電
圧範囲が電源電圧近くまで高められるという作用を有す
るものである。

【００２５】本発明の請求項５に記載の発明は、請求項
１乃至４のいずれか１に記載のイメージセンサの複数個
から成るイメージセンサ群と、イメージセンサからの外
部出力電流が出力されるセンサ出力ラインと、センサ出
力ラインにソース端子が接続されたユニット用ＭＯＳＦ
ＥＴと、センサ出力ラインの電圧を反転増幅してユニッ
ト用ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力するユニット用反
転増幅回路と、ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子
に接続された電流電圧変換器とを有することとしたもの
である。

【００２６】この構成により、ユニット用ＭＯＳＦＥＴ
とユニット用反転増幅器とが、センサ出力ラインの電圧
変動を防止し、センサ出力ラインに寄生する静電容量の
影響による周波数特性劣化を防止し、イメージセンサユ
ニットの高速読み出しが可能になるという作用を有する
ものである。

【００２７】本発明の請求項６に記載の発明は、請求項
５に記載のイメージセンサユニットにおいて、ユニット
用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と電流電圧変換器との間
に、ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に入力端子
が接続され電流電圧変換回路の入力端子に出力端子が接
続されたユニット用電流ミラー回路を備えることとした
ものである。

【００２８】この構成により、ユニット用電流ミラー回
路によって、センサ出力ラインに寄生する静電容量成分
と電流電圧変換器の入力とを分離して電流電圧変換器の
出力発振が防止され、また電流電圧変換器の出力電圧範
囲を広くとることが可能になるという作用を有するもの
である。

【００２９】以下、本発明の実施の形態について、図１
〜図４を用いて説明する。

【００３０】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１によるイメージセンサを示す回路図である。図１の
イメージセンサは第１画素Ｖ１より最終画素Ｖｎまで一
列に配置されたものである。すべての画素は同一の構成
であるが、図１では第１画素のみ内部構成を示してあ
る。

【００３１】図１において、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖｎは
第１画素、第２画素、第３画素、最終画素、１は被写体
からの光信号を検出するフォトダイオード、２はリセッ
トスイッチ、３は増幅回路、４は第１信号伝達スイッ
チ、５は第２信号伝達スイッチ、６は第１信号保持部と
しての第１信号電圧保持コンデンサ、７は第２信号保持
部としての第２信号電圧保持コンデンサ、８および９は
それぞれ第１信号および第２信号の電圧電流変換部とし
ての電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ、１０および１１はそれ
ぞれ第１信号および第２信号の読み出しスイッチ、１２
は電流ミラー回路、Ｎは接続点である。電流ミラー回路
１２は本実施の形態では２つのＰＭＯＳＦＥＴにて構成
している。第１信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８、第２
信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９および電流ミラー回路
１２により差動出力部を構成する。ここでは符号２より
符号１２までの要素により画素信号出力回路を構成す
る。また、符号１より１２までの要素が一つの画素を構
成している。２１は信号出力ライン、２３はパルス発生
回路、２４は走査回路、２５は電圧安定化ＭＯＳＦＥ
Ｔ、２６は反転増幅器、２７は信号出力ライン電流ミラ
ー回路である。

【００３２】このように構成されたイメージセンサにつ
いて、その動作を図２を用いて説明する。図２は本実施
の形態によるイメージセンサの動作を示すタイミング図
であり、図２（ａ）はフォトダイオード１のアノード電
位ａを示すタイミング図、図２（ｂ）は増幅回路３の出
力電位ｂを示すタイミング図、図２（ｃ）は第１信号保
持パルスｃを示すタイミング図、図２（ｄ）はリセット
パルスｒを示すタイミング図、図２（ｅ）は第２信号保
持パルスｄを示すタイミング図、図２（ｆ）は第１画素
Ｖ１に加えられる読み出しパルスｐ１を示すタイミング
図、図２（ｇ）は第２画素Ｖ２に加えられる読み出しパ
ルスｐ２を示すタイミング図、図２（ｈ）は第３画素Ｖ
３に加えられる読み出しパルスｐ３を示すタイミング図
である。図２（ａ）の期間Ｔは例えば１水平走査期間で
あり、図２（ｄ）のリセットパルスｒのオン期間は第２
の期間、図２（ｄ）においてリセットパルスｒの立下が
りから次のリセットパルスｒの立上がりまでの期間は第
１の期間である。

【００３３】リセットパルスｒによりリセットスイッチ
２が短時間信号の間（第２の期間）オンした直後から、
入射光量に応じて発生した電荷を蓄積してフォトダイオ
ード１のアノード電位ａは上昇していく。増幅回路３は
２つのＭＯＳＦＥＴにより構成されており、フォトダイ
オード１のアノード電位ａを増幅する。光情報蓄積期間
（第１の期間）経過後の増幅回路３の出力電位ｂが第１
信号伝達スイッチ４を介して第１信号電圧保持コンデン
サ６に保持され、再度のリセットスイッチ２のオン動作
の後、増幅回路３の出力電位ｂが第２信号伝達スイッチ
５を介して第２信号電圧保持コンデンサ７に保持され
る。第１信号電圧保持コンデンサ６に保持された電位は
第２信号電圧保持コンデンサ７に保持された電位よりも
低く、その電位差は画素に入射した光の量に比例する。
リセットパルスｒ、第１信号保持パルスｃおよび第２信
号保持パルスｄはパルス発生回路２３により全画素同時
に与えられることから以上の動作までは全画素同時であ
る。

【００３４】第２信号電圧保持コンデンサ７による保持
動作完了の以後、走査回路２４より読み出しパルスが画
素毎に第１画素より最終画素に向かってｐ１、ｐ２、ｐ
３という順に順次加えられていく。読み出しパルスが加
えられたことにより第１信号読み出しスイッチ１０およ
び第２信号読み出しスイッチ１１はオンになり、第１信
号電圧保持コンデンサ６および第２信号電圧保持コンデ
ンサ７の電圧はそれぞれ第１信号電圧電流変換ＭＯＳＦ
ＥＴ８および第２信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９によ
って電圧電流変換される。第１信号電圧電流変換ＭＯＳ
ＦＥＴ８を流れる電流は電流ミラー回路１２によって極
性反転される。また、電流ミラー回路１２の出力端子は
第２信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９と接続点Ｎで接続
されている。この接続点Ｎが画素の出力端子として信号
出力ライン２１に接続されている。第２信号電圧電流変
換ＭＯＳＦＥＴ９を流れる電流は、第１信号電圧電流変
換ＭＯＳＦＥＴ８を流れる電流すなわち電流ミラー回路
１２の出力電流よりも大きく、その差分電流が信号出力
ライン２１より吸い込まれ、その大きさは画素に入射し
た光の量にほぼ比例する。

【００３５】図３は本実施の形態１によるイメージセン
サの第１信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８および第２信
号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９の電圧電流特性を示すグ
ラフであり、横軸は電圧、縦軸は電流を示す。図３で明
らかなように、電圧電流変換特性は非線形であるが、入
力電圧の範囲を制限することによって線形に近い変換動
作をさせることが可能になる。図３において、ｖ９およ
びｉ９は第２信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９のそれぞ
れ入力電圧と出力電流であり、光量によらずほぼ一定で
ある。ｖ８およびｉ８は第１信号電圧電流変換ＭＯＳＦ
ＥＴ８のそれぞれ入力電圧と出力電流であり、光量によ
って変化する。ｉ９とｉ８の差分に相当するｉ２１は信
号出力ライン２１に流れる電流であり、ｉ９やｉ８に比
べても小さい電流値であることがわかる。従来の技術に
比べて、信号出力ライン２１を流れる電流の信号成分は
同じであっても電流の絶対値が小さければ、画素の切り
替えによって発生するスイッチングノイズも当然小さく
なり、従来の技術に比べてＳＮ比を改善することができ
る。また、電流値が小さくなったことにより信号出力ラ
イン２１の線幅を従来に比べて細くでき、しかも出力ラ
イン本数が従来の２本から１本になるので、イメージセ
ンサを形成する半導体チップの面積を縮小することがで
き、コスト低減を図ることができる。

【００３６】また、本実施の形態によるイメージセンサ
においても、信号出力ライン２１は、自分自身の配線静
電容量と、接続された全ての画素の出力端子の静電容量
との大きな静電容量を接地電位との間に持っている。信
号出力ライン２１の電位変動を防ぐために、信号出力ラ
イン２１に電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のソース端子を
接続し、ソース端子電圧に反転増幅器２６を接続し、反
転増幅器２６の出力を電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のゲ
ート端子に接続している。仮に信号出力ライン２１の電
位がわずかに低下した場合、反転増幅器２６の出力は急
速に上昇し、電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のゲート電位
を上昇させ、そのとき電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のソ
ース電位も引き上げられて信号出力ライン２１の電位低
下をキャンセルする。逆に、仮に信号出力ライン２１の
電位が上昇した場合には電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５の
ゲート電位およびソース電位は引き下げられる動きを示
して信号出力ライン２１の電位上昇をキャンセルするた
め、結果として信号出力ライン２１の電位はほぼ一定値
に安定する。本実施の形態においては、ＣＭＯＳ構成の
反転増幅器２６を使用しているため、信号出力ライン２
１の電位は電源電圧の約半分の値に安定する。その場
合、信号出力ラインの静電容量成分に対する充放電電流
はほとんど流れないため、本来の信号電流の応答特性が
確保される。電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のドレイン端
子からは応答特性の良好な電流が流れる。

【００３７】ここで、電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５はソ
ース電位をすでに電源電圧の約半分に設定しているた
め、ドレイン端子の出力端子の出力電圧範囲は信号出力
ライン２１の安定電位から電源電圧までしか動作できな
い。このため、イメージセンサの外部に直接電流電圧変
換器を接続しても電流電圧変換器の十分な動作範囲を得
ることができない。それに対し、信号出力ライン電流ミ
ラー回路２７を電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のドレイン
端子に接続することによって出力電圧範囲を電源電圧近
くまで高めることができる。このためイメージセンサの
出力端子に接続される後段回路の自由度を高めている。
イメージセンサの出力端子に接続される後段回路として
は、直接接続する電流電圧変換器や、電圧安定化回路を
経由して電流電圧変換器を接続する場合があるが、いず
れの場合も電流電圧変換器の出力電圧の範囲を広くとる
ことができるという利点を有する。

【００３８】以上のように本実施の形態では、画素Ｖ１
〜Ｖｎはそれぞれ、被写体からの光信号を検出するフォ
トダイオード１と、フォトダイオード１で発生した電圧
を増幅する増幅回路３と、増幅回路３の出力電圧のうち
第１の期間における出力電圧を保持する第１信号保持部
６と、増幅回路の出力電圧のうち第２の期間における出
力電圧を保持する第２信号保持部７と、第１信号保持部
６で保持している出力電圧と第２信号保持部７で保持し
ている出力電圧との差分電圧を信号出力ライン２１に差
分電流に変換して出力する差動出力部８、９、１２とを
有するようにしたことにより、差動出力部が第１信号と
第２信号の差分のみを差分電流として１本の信号出力ラ
イン２１に出力するので、信号出力ライン上の電流値を
従来よりも大幅に減少することができ、信号出力ライン
２１に必要な回路面積を大幅に減少させることができ、
これにより出力の応答特性が良好となるために高速読み
出しが可能で、外部回路との接続が容易になる。

【００３９】また、差動出力部８、９、１２は、第１信
号保持部６で保持している出力電圧を電流に変換する第
１信号電圧電流変換部８と、第２信号保持部７で保持し
ている出力電圧を電流に変換する第２信号電圧電流変換
部９と、第１信号電圧電流変換部の出力電流の極性を反
転する電流ミラー回路１２とを有し、第２信号電圧電流
変換部９と電流ミラー回路１２との接続部Ｎより差分電
流を出力するようにしたことにより、従来のような２出
力電流でなく差分電流のみを画素の外部に出力すればよ
いので、ノイズを低減することができる。

【００４０】さらに、信号出力ライン２１にソース端子
が接続されたＭＯＳＦＥＴ２５と、信号出力ライン２１
の電圧を反転増幅してＭＯＳＦＥＴ２５のゲート端子に
入力する反転増幅器２６とを備えたことにより、ＭＯＳ
ＦＥＴ２５と反転増幅器２６とが信号出力ライン２１の
電源変動を防止するため、信号出力ライン２１の静電容
量の影響による周波数特性劣化を防止することができ、
イメージセンサの高速読み出しを可能にする。

【００４１】さらに、ＭＯＳＦＥＴ２５のドレイン端子
に入力端子が接続された信号出力ライン電流ミラー回路
２７を有し、信号出力ライン電流ミラー回路２７の出力
端子から出力される電流をイメージセンサの外部出力電
流とするようにしたことにより、イメージセンサの出力
電圧範囲を電源電圧近くまで高めることができる。

【００４２】（実施の形態２）図４は本発明の実施の形
態２によるイメージセンサユニットを示す回路図であ
る。本実施の形態においては、半導体チップ上に形成さ
れた実施の形態１に示したイメージセンサを複数個用い
てイメージセンサユニットを構成している。

【００４３】図４において、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、
Ｔ５、Ｔｎは実施の形態１に記載したようなイメージセ
ンサが形成された第１チップ、第２チップ、第３チッ
プ、第４チップ、第５チップ、最終チップ、４１は複数
個のイメージセンサ（すなわち複数個のチップ）から成
るイメージセンサ群、４２はセンサ出力ライン、４３は
ユニット用ＭＯＳＦＥＴとしての電圧安定化ＭＯＳＦＥ
Ｔ、４４はユニット用反転増幅器、４５はユニット用電
流ミラー回路、４６は電流電圧変換器、４７は基準電圧
発生器である。

【００４４】このように構成されたイメージセンサユニ
ットの動作について説明する。各イメージセンサの出力
端子からは、各画素に入射した光の量に比例した電流値
が出力される。全てのイメージセンサの出力端子が接続
されたセンサ出力ライン４２に流れる電流は、選択され
た一つのイメージセンサからの電流のみが流れている。
センサ出力ライン４２は半導体チップ外に形成されたイ
メージセンサ内のパターンに比べて幅、長さともに大き
く、接地電位との間に大きな静電容量成分を持ってい
る。さらに、センサ出力ライン４２は、接続されたイメ
ージセンサの出力端子において広い面積を有するワイヤ
ーボンドパッドを持っており、その静電容量成分がイメ
ージセンサの数と同数つながっている。このため、セン
サ出力ライン４２の電位が変動すると、静電容量成分に
対する充放電電流が流れ、応答特性を劣化させる。そこ
で、電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ４３をセンサ出力ライン４
２に接続し、その接続点の電位を反転増幅器４４の入力
として、反転増幅器４４の出力を電圧安定化ＭＯＳＦＥ
Ｔ４３のゲート端子に入力する事で、実施の形態１に示
した電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５および反転増幅器２６
の働きとまったく同様にセンサ出力ライン４２の電圧を
安定化させて、センサ出力ライン４２から電圧安定化Ｍ
ＯＳＦＥＴ４３へと流れる信号電流の応答特性を良好に
している。

【００４５】電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ４３のドレイン端
子にユニット用電流ミラー回路４５を接続して電流極性
を反転させる。ユニット用電流ミラー回路４５の出力端
子にはオペアンプと抵抗にて構成された電流電圧変換器
４６が接続される。電流電圧変換器４６の出力端子に
は、入力電流に比例した電圧を基準電圧発生器４７の電
圧に加えた電位が現れ、イメージセンサユニットの外部
へ取り出され、外部の処理回路へ接続される。電流電圧
変換器４６の最大出力電圧範囲を広くとるためには、基
準電圧発生器４７の電圧を下げておく必要がある。この
とき、電流電圧変換器４６の入力端子の電位は、基準電
圧発生器４７の電圧に等しい。つまり、電流電圧変換器
４６の入力端子の電位も低いほうが望ましい。このた
め、出力端子の電圧が低くても正常に動作するユニット
用電流ミラー回路４５の挿入が、極性の反転だけでな
く、必要不可欠である。加えて、ユニット用電流ミラー
回路４５がセンサ出力ライン４２に寄生する静電容量成
分と、電流電圧変換器４６の入力端子とを分離してお
り、電流電圧変換器４６の出力の異常な発振を防止する
ことができる。

【００４６】以上のように本実施の形態では、実施の形
態１に記載のイメージセンサの複数個から成るイメージ
センサ群４１と、イメージセンサからの外部出力電流が
出力されるセンサ出力ライン４２と、センサ出力ライン
４２にソース端子が接続されたユニット用ＭＯＳＦＥＴ
４３と、センサ出力ライン４２の電圧を反転増幅してユ
ニット用ＭＯＳＦＥＴ４３のゲート端子に入力するユニ
ット用反転増幅器４４と、ユニット用ＭＯＳＦＥＴ４３
のドレイン端子に接続された電流電圧変換器４６とを設
けたことにより、ユニット用ＭＯＳＦＥＴ４３とユニッ
ト用反転増幅器４４とが、センサ出力ライン４２の電圧
変動を防止し、センサ出力ライン４２に寄生する静電容
量の影響による周波数特性劣化を防止することができる
ので、イメージセンサユニットの高速読み出しが可能に
なる。

【００４７】さらに、ユニット用ＭＯＳＦＥＴ４３のド
レイン端子と電流電圧変換器４６との間に、ユニット用
ＭＯＳＦＥＴ４３のドレイン端子に入力端子が接続され
電流電圧変換回路４６の入力端子に出力端子が接続され
たユニット用電流ミラー回路４５を備えたことにより、
センサ出力ライン４２に寄生する静電容量成分と電流電
圧変換器４６の入力とを分離して電流電圧変換器４６の
出力発振を防止することができ、また電流電圧変換器４
６の出力電圧範囲を広くとることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
記載のイメージセンサによれば、複数の画素と、画素か
ら画素信号が出力される信号出力ラインとを有するイメ
ージセンサであって、画素はそれぞれ、被写体からの光
信号を検出するフォトダイオードと、フォトダイオード
で発生した電圧を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力
電圧のうち第１の期間における出力電圧を保持する第１
信号保持部と、増幅回路の出力電圧のうち第２の期間に
おける出力電圧を保持する第２信号保持部と、第１信号
保持部で保持している出力電圧と第２信号保持部で保持
している出力電圧との差分電圧を信号出力ラインに差分
電流に変換して出力する差動出力部とを有することによ
り、差動出力部が第１信号と第２信号の差分のみを差分
電流として１本の信号出力ラインに出力するので、信号
出力ライン上の電流値が従来よりも大幅に減少し、信号
出力ラインに必要な回路面積を大幅に減少することがで
きるという有利な効果が得られる。

【００４９】請求項２に記載のイメージセンサによれ
ば、請求項１に記載のイメージセンサにおいて、差動出
力部は、第１信号保持部で保持している出力電圧を電流
に変換する第１信号電圧電流変換部と、第２信号保持部
で保持している出力電圧を電流に変換する第２信号電圧
電流変換部と、第１信号電圧電流変換部の出力電流の極
性を反転する電流ミラー回路とを有し、第２信号電圧電
流変換部と電流ミラー回路との接続部より差分電流を出
力することにより、従来のような２出力電流でなく差分
電流のみを画素の外部に出力するため、ノイズを低減す
ることができるという有利な効果が得られる。

【００５０】請求項３に記載のイメージセンサによれ
ば、請求項１又は２に記載のイメージセンサにおいて、
信号出力ラインにソース端子が接続されたＭＯＳＦＥＴ
と、信号出力ラインの電圧を反転増幅してＭＯＳＦＥＴ
のゲート端子に入力する反転増幅回路とを備えたことに
より、ＭＯＳＦＥＴと反転増幅器とが信号出力ラインの
電源変動を防止するため、信号出力ラインの静電容量の
影響による周波数特性劣化を防止することができ、イメ
ージセンサの高速読み出しが可能になるという有利な効
果が得られる。

【００５１】請求項４に記載のイメージセンサによれ
ば、請求項３に記載のイメージセンサにおいて、ＭＯＳ
ＦＥＴのドレイン端子に入力端子が接続された信号出力
ライン電流ミラー回路を有し、信号出力ライン電流ミラ
ー回路の出力端子から出力される電流をイメージセンサ
の外部出力電流とすることにより、イメージセンサの出
力電圧範囲を電源電圧近くまで高めることができるとい
う有利な効果が得られる。

【００５２】請求項５に記載のイメージセンサユニット
によれば、請求項１乃至４のいずれか１に記載のイメー
ジセンサの複数個から成るイメージセンサ群と、イメー
ジセンサからの外部出力電流が出力されるセンサ出力ラ
インと、センサ出力ラインにソース端子が接続されたユ
ニット用ＭＯＳＦＥＴと、センサ出力ラインの電圧を反
転増幅してユニット用ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力
するユニット用反転増幅回路と、ユニット用ＭＯＳＦＥ
Ｔのドレイン端子に接続された電流電圧変換器とを有す
ることにより、ユニット用ＭＯＳＦＥＴとユニット用反
転増幅器とが、センサ出力ラインの電圧変動を防止し、
センサ出力ラインに寄生する静電容量の影響による周波
数特性劣化を防止するので、イメージセンサユニットの
高速読み出しが可能になるという有利な効果が得られ
る。

【００５３】請求項６に記載のイメージセンサユニット
によれば、請求項５に記載のイメージセンサユニットに
おいて、ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と電流
電圧変換器との間に、ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイ
ン端子に入力端子が接続され電流電圧変換回路の入力端
子に出力端子が接続されたユニット用電流ミラー回路を
備えたことにより、ユニット用電流ミラー回路によっ
て、センサ出力ラインに寄生する静電容量成分と電流電
圧変換器の入力とを分離して電流電圧変換器の出力発振
を防止することができ、また電流電圧変換器の出力電圧
範囲を広くとることができるという有利な効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるイメージセンサを
示す回路図

【図２】（ａ）フォトダイオードのアノード電位を示す
タイミング図 （ｂ）増幅回路の出力電位を示すタイミング図 （ｃ）第１信号保持パルスを示すタイミング図 （ｄ）リセットパルスを示すタイミング図 （ｅ）第２信号保持パルスを示すタイミング図 （ｆ）第１画素に加えられる読み出しパルスを示すタイ
ミング図 （ｇ）第２画素に加えられる読み出しパルスを示すタイ
ミング図 （ｈ）第３画素に加えられる読み出しパルスを示すタイ
ミング図

【図３】本発明の実施の形態１によるイメージセンサの
第１信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴおよび第２信号電圧
電流変換ＭＯＳＦＥＴの電圧電流特性を示すグラフ

【図４】本発明の実施の形態２によるイメージセンサユ
ニットを示す回路図

【図５】従来のＭＯＳイメージセンサの回路図

【符号の説明】

１ フォトダイオード ２ リセットスイッチ ３ 増幅回路 ４ 第１信号伝達スイッチ ５ 第２信号伝達スイッチ ６ 第１信号電圧保持コンデンサ ７ 第２信号電圧保持コンデンサ ８ 第１信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ ９ 第２信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ １０ 第１信号読み出しスイッチ １１ 第２信号読み出しスイッチ １２ 電流ミラー回路 ２１ 信号出力ライン ２３ パルス発生回路 ２４ 走査回路 ２５ 電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ ２６ 反転増幅器 ２７ 信号出力ライン電流ミラー回路 ４１ イメージセンサ群 ４２ センサ出力ライン ４３ 電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ（ユニット用ＭＯＳＦＥ
Ｔ） ４４ ユニット用反転増幅器 ４５ ユニット用電流ミラー回路 ４６ 電流電圧変換器 ４７ 基準電圧発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AA10 AB10 BA14 CA02 DD02 DD10 FA08 5C024 AA18 BA00 CA05 DA05 FA02 GA01 GA31 HA18 5C051 AA01 BA03 DA03 DB01 DB08 DB15 DB18 DE01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の画素と、前記画素から画素信号が出
   力される信号出力ラインとを有するイメージセンサであ
   って、前記画素はそれぞれ、被写体からの光信号を検出
   するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで発生
   した電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力電
   圧のうち第１の期間における出力電圧を保持する第１信
   号保持部と、前記増幅回路の出力電圧のうち第２の期間
   における出力電圧を保持する第２信号保持部と、前記第
   １信号保持部で保持している出力電圧と前記第２信号保
   持部で保持している出力電圧との差分電圧を前記信号出
   力ラインに差分電流に変換して出力する差動出力部とを
   有することを特徴とするイメージセンサ。
2. 【請求項２】差動出力部は、第１信号保持部で保持して
   いる出力電圧を電流に変換する第１信号電圧電流変換部
   と、第２信号保持部で保持している出力電圧を電流に変
   換する第２信号電圧電流変換部と、前記第１信号電圧電
   流変換部の出力電流の極性を反転する電流ミラー回路と
   を有し、前記第２信号電圧電流変換部と前記電流ミラー
   回路との接続部より前記差分電流を出力することを特徴
   とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 【請求項３】前記信号出力ラインにソース端子が接続さ
   れたＭＯＳＦＥＴと、前記信号出力ラインの電圧を反転
   増幅して前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力する反転
   増幅回路とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に
   記載のイメージセンサ。
4. 【請求項４】前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に入力端
   子が接続された信号出力ライン電流ミラー回路を有し、
   前記信号出力ライン電流ミラー回路の出力端子から出力
   される電流をイメージセンサの外部出力電流とすること
   を特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１に記載のイメ
   ージセンサの複数個から成るイメージセンサ群と、前記
   イメージセンサからの外部出力電流が出力されるセンサ
   出力ラインと、前記センサ出力ラインにソース端子が接
   続されたユニット用ＭＯＳＦＥＴと、前記センサ出力ラ
   インの電圧を反転増幅して前記ユニット用ＭＯＳＦＥＴ
   のゲート端子に入力するユニット用反転増幅回路と、前
   記ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に接続された
   電流電圧変換器とを有することを特徴とするイメージセ
   ンサユニット。
6. 【請求項６】前記ユニット用ＭＯＳＦＥＴのドレイン端
   子と前記電流電圧変換器との間に、前記ユニット用ＭＯ
   ＳＦＥＴのドレイン端子に入力端子が接続され前記電流
   電圧変換回路の入力端子に出力端子が接続されたユニッ
   ト用電流ミラー回路を備えたことを特徴とする請求項５
   に記載のイメージセンサユニット。