JP2004007781A - Image pickup device and image pickup system using it - Google Patents
Image pickup device and image pickup system using it Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004007781A JP2004007781A JP2003274084A JP2003274084A JP2004007781A JP 2004007781 A JP2004007781 A JP 2004007781A JP 2003274084 A JP2003274084 A JP 2003274084A JP 2003274084 A JP2003274084 A JP 2003274084A JP 2004007781 A JP2004007781 A JP 2004007781A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal processing
- voltage
- signal
- block
- sensor block
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、光電変換機能を有するセンサブロックと、画素部からの信号を処理する信号処理ブロックとを有する撮像装置およびそれを用いた撮像システムに関するものである。 The present invention relates to an imaging device having a sensor block having a photoelectric conversion function and a signal processing block for processing a signal from a pixel portion, and an imaging system using the same.
フォトダイオード等の受光素子を画素毎に有する複数の画素からなる画素部、該画素部の画素を選択するための走査部を有するセンサブロックと、該センサブロックから出力された信号を処理するためのアンプ等を有する信号処理ブロックとを同一半導体基板内に集積化した撮像装置がある。なお画素部がCMOS製造プロセスで形成されるセンサはCMOSセンサと呼ばれる。 A pixel unit including a plurality of pixels each having a light receiving element such as a photodiode, a sensor block having a scanning unit for selecting a pixel in the pixel unit, and a signal processing unit for processing a signal output from the sensor block. There is an imaging device in which a signal processing block having an amplifier and the like are integrated on the same semiconductor substrate. Note that a sensor in which a pixel portion is formed by a CMOS manufacturing process is called a CMOS sensor.
近年、デジタルカメラなどの要求から、ダイナミックレンジが広く、S/N比が高く、消費電力の低い撮像装置が要求されている。 In recent years, imaging devices with a wide dynamic range, a high S / N ratio, and low power consumption have been demanded due to the demand for digital cameras and the like.
画素部と画素を選択するための走査部を有するセンサブロックと、このセンサブロックから出力された信号を処理するための信号処理ブロックとを有する撮像装置において、従来は、単一電源が利用され、信号処理ブロックが重視される場合は、この信号処理ブロックに合わせてセンサブロックの電源電圧を下げており、この結果、ダイナミックレンジを犠牲にすることになる。 Conventionally, a single power supply is used in an imaging device having a pixel block and a sensor block having a scanning unit for selecting a pixel, and a signal processing block for processing a signal output from the sensor block. When importance is placed on the signal processing block, the power supply voltage of the sensor block is lowered in accordance with the signal processing block, and as a result, the dynamic range is sacrificed.
一方、CCD等に用いられる埋め込み型のフォトダイオードは、S/N比の高い信号を得ることが可能であるが、一般に電源電圧が高く、信号処理ブロックのクロックノイズの増大を引き起こす。また、電源電圧が高くなると信号処理ブロックの各MOSトランジスタに代表される絶縁ゲート型トランジスタにかかる電界が高くなり、インパクトイオン化現象が生じやすくなり、この現象によるノイズ電荷がセンサブロックにまでおよび、特に画素部を埋め込み型のフォトダイオードとした場合に、電源電圧が高いのでこのノイズが生じやすい。 On the other hand, a buried photodiode used for a CCD or the like can obtain a signal having a high S / N ratio, but generally has a high power supply voltage and causes an increase in clock noise of a signal processing block. In addition, when the power supply voltage increases, the electric field applied to the insulated gate transistor represented by each MOS transistor in the signal processing block increases, and the impact ionization phenomenon easily occurs. When the pixel portion is a buried photodiode, this noise is likely to occur because the power supply voltage is high.
また、信号処理ブロックに対してもセンサブロックと等しい電源電圧を用いた場合、高い電源電圧を信号処理ブロックに利用することで、消費電力を高くする要因となる。 In addition, when the same power supply voltage as that of the sensor block is used for the signal processing block, the use of a high power supply voltage for the signal processing block causes an increase in power consumption.
本発明の目的は、消費電力の軽減を可能とする撮像装置及び撮像システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide an imaging device and an imaging system that can reduce power consumption.
上記の目的を達成するために、本発明は、受光素子を画素毎に有する複数の画素からなる画素部、該画素部の画素を選択するための走査部を有するセンサブロックと、該センサブロックから出力された信号を処理するための信号処理ブロックと、前記センサブロックで使用される電源電圧もしくはクロック信号の振幅もしくはハイレベルを前記信号処理ブロックの電源電圧より高くするための手段と、を有する同一半導体基板に集積化された撮像装置およびそれを用いた撮像システムを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a pixel unit including a plurality of pixels each having a light receiving element for each pixel, a sensor block including a scanning unit for selecting a pixel of the pixel unit, and a sensor block. A signal processing block for processing the output signal; and a unit for setting the amplitude or high level of a power supply voltage or a clock signal used in the sensor block to be higher than the power supply voltage of the signal processing block. An imaging device integrated on a semiconductor substrate and an imaging system using the same are provided.
以上説明したように、本発明によれば、低消費電力な撮像装置及び撮像システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, an imaging device and an imaging system with low power consumption can be provided.
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施例)
図1は、同一半導体基板内に集積化された撮像装置の概略的な構成を示すブロック図である。同図に示すように、撮像装置はセンサブロック1と信号処理ブロック2とを有する。センサブロック1は、画素部1a、画素部1aを垂直方向に走査する垂直走査部1b、画素部1aを水平方向に走査する水平走査部1cから構成されている。また、信号処理ブロック2は、オートゲインコントロール等を含むアンプ部2a、A/D(アナログ/デジタル)変換回路2b、A/D変換回路2bからの信号を信号処理する信号処理部2cから構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an imaging device integrated in the same semiconductor substrate. As shown in FIG. 1, the imaging apparatus has a
図2は、画素部の一画素の構成を示す概略的構成図である。また図7は画素部の一画素の他の構成を示す概略的構成図である。図1において、PDは埋め込み型フォトダイオード、TXは埋め込み型フォトダイオードPDからの信号電荷を転送する転送用MOSトランジスタ、FDは転送された信号電荷が保持されるフローティングディフュージョン(電荷電圧変換部となる。)、SFはFDとゲートが接続される増幅用MOSトランジスタ、SELは選択用MOSトランジスタ、RESはFD及び増幅用MOSトランジスタSFをリセットするリセット用MOSトランジスタである。選択用MOSトランジスタSELは定電流源を構成するMOSトランジスタMとの間でソースフォロア回路を構成する。図7は選択用MOSトランジスタSELと増幅用MOSトランジスタSFとの配置を変えた場合の構成例を示している。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a configuration of one pixel of the pixel unit. FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing another configuration of one pixel of the pixel portion. In FIG. 1, PD is a buried photodiode, TX is a transfer MOS transistor that transfers signal charges from the buried photodiode PD, and FD is a floating diffusion (charge-to-voltage converter) that holds the transferred signal charges. .), SF is an amplification MOS transistor whose gate is connected to the FD, SEL is a selection MOS transistor, and RES is a reset MOS transistor for resetting the FD and the amplification MOS transistor SF. The selection MOS transistor SEL forms a source follower circuit with the MOS transistor M forming a constant current source. FIG. 7 shows a configuration example when the arrangement of the selection MOS transistor SEL and the amplification MOS transistor SF is changed.
画素部の受光素子として、埋め込み型フォトダイオードを用いた場合には、埋め込み型フォトダイオードを空乏化させて、蓄積された電荷を画素内のFD(フローティングディフュージョン)に転送させるために、画素内のFDを空乏化電圧以上に設定することが求められ、この結果、電源電圧が5V(ボルト)もしくはそれ以上にする必要がある。 When a buried photodiode is used as the light receiving element in the pixel portion, the buried photodiode is depleted and the accumulated charge is transferred to the FD (floating diffusion) in the pixel. It is required to set the FD to be equal to or higher than the depletion voltage. As a result, the power supply voltage needs to be 5 V (volt) or more.
本実施例では、センサブロック1の電源電圧を5V、信号処理ブロック2の電源電圧を4Vとした。
In this example, the power supply voltage of the
以下、埋め込み型フォトダイオードについて図3を用いて説明する。 Hereinafter, the embedded photodiode will be described with reference to FIG.
図3に示すように、埋め込み型フォトダイオードは、pウェル11にn型領域12が形成され、n型領域12の基板面にはp+ 型領域14が形成されて構成される。
As shown in FIG. 3, the buried photodiode includes an n-
n型領域12に蓄積された電荷はゲート電極15に電圧が印加されると、フローティングディフュージョン領域(n+ 型領域)13に転送可能となる。埋め込み型フォトダイオードは、p+ 型領域14とn型領域12との接合部及びpウェル11とn型領域12との接合部に逆バイアスがかかると、n型領域12において、p+ 型領域14とn型領域12との接合部から空乏層(図中点線部分)が広がり、pウェル11とn型領域12との接合部から空乏層(図中点線部分)が広がり、上下から広がった空乏層どうしが接するようになり、そのときの空乏化電圧(Vdep )よりもフローティングディフュージョン領域13の電圧(VFD)を高くすることで(VFD>Vdep )、n型領域12に蓄積された電荷をすべてフローティングディフュージョン領域(n+ 型領域)13に転送することができる。
The charges accumulated in the n-
信号処理部2cは、図4に示すように、Y/C分離回路112a、輝度信号処理回路112b、色信号処理回路112c、色抑圧回路112d、デジタル出力変換回路112e及びマイクロコンピュータ115から構成される。
As shown in FIG. 4, the
マイクロコンピュータは、Y/C分離回路112a等を制御するとともに、輝度信号、色信号を受信し、その受信した信号に基づいて焦点調整、露光制御等を行う。 The microcomputer controls the Y / C separation circuit 112a and the like, receives a luminance signal and a chrominance signal, and performs focus adjustment, exposure control, and the like based on the received signals.
なお、センサブロックの電源電圧を5Vにし、信号処理ブロックの電源電圧を5Vから4Vに下げた場合、クロックノイズはその振幅に比例することから4/5になる。また、デジタル回路の消費電力は、1/2・f・C・V2 で表されることから、電源電圧が4/5になることで、消費電力は64%まで減少する。一方、アンプに代表されるアナログ回路の消費電力は、I・Vで表され、形式を変えない限り貫通電流Iは変化しないので、消費電力は電源電圧の低下分に対応して4/5に減少する。 When the power supply voltage of the sensor block is set to 5 V and the power supply voltage of the signal processing block is reduced from 5 V to 4 V, the clock noise becomes 4/5 because it is proportional to the amplitude. In addition, since the power consumption of the digital circuit is represented by ・ · f · C · V 2 , when the power supply voltage becomes 4/5, the power consumption is reduced to 64%. On the other hand, the power consumption of an analog circuit represented by an amplifier is represented by I · V, and the through current I does not change unless the form is changed. Therefore, the power consumption is reduced to 4/5 according to the decrease in the power supply voltage. Decrease.
センサ出力のみを出力する撮像装置ではロジック回路の消費電力がごくわずかで、そのほとんどがアナログ回路なので、消費電力は80%程度にとどまるが、大規模なデジタル信号処理を搭載した撮像装置ではデジタル回路の消費電力が大きな割合を占めるので消費電力の減少はより大きなものとなる。 In an imaging device that outputs only a sensor output, the power consumption of a logic circuit is very small, and since most of the circuit is an analog circuit, the power consumption is only about 80%. However, in an imaging device equipped with a large-scale digital signal processing, a digital circuit is used. Power consumption occupies a large proportion, so the reduction in power consumption is greater.
また、上記に説明した実施例において示した図3のような埋め込み型のフォトダイオードを有する画素を持つ撮像装置の場合に、本実施例は従来のものと比べて特にS/N比の向上、消費電力の低減等の効果を有するが、画素の構成はこれに限るものではなく、光信号を電荷に変換して出力できる機能を有する他の画素構造のものでもよい。 Further, in the case of an image pickup apparatus having a pixel having a buried photodiode as shown in FIG. 3 shown in the above-described embodiment, the present embodiment particularly improves the S / N ratio as compared with the conventional one, This has an effect of reducing power consumption and the like, but the configuration of the pixel is not limited to this, and another pixel structure having a function of converting an optical signal into electric charge and outputting the electric charge may be used.
次に、図5を用いてセンサブロックと、信号処理ブロックの電源電圧を異ならせるための具体的回路構成を説明する。 Next, a specific circuit configuration for making the power supply voltage of the sensor block different from that of the signal processing block will be described with reference to FIG.
図5において、図1及び図2と同じ構成部については、同じ番号を付してある。100は、センサブロック1と、信号処理ブロック2を同一半導体基板に集積した撮像装置であり、センサブロック、信号処理ブロックに異なる電圧値の電源電圧を加えるための電圧供給用端子5a,5bを設けている。垂直走査部1bは、垂直シフトレジスタ1f、AND回路、パルス供給線1h〜1jを含む構成であり、AND回路1gは、垂直シフトレジスタ及び、パルス供給線からパルスが入力された場合に、トランジスタをONにするためのパルスが出力される。水平走査部1cは、水平シフトレジスタ1k、AND回路1g、パルス供給線1lを含む構成であり、AND回路1gは、水平シフトレジスタ及び、パルス供給線からパルスが入力された場合に、トランジスタをONにするためのパルスが出力される。
5 In FIG. 5, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
電圧供給部3からの電圧は、降圧回路4a、降圧回路4bによって、それぞれ5V,4Vに設定される。そして、電圧供給端子5aに印加された電圧は、電圧供給線6aによって伝えられ、電圧供給端子5bに印加された電圧は、電圧供給線6bによって伝えられる。
(4) The voltage from the voltage supply unit 3 is set to 5V and 4V by the step-down
本実施例では、電圧供給線6aの電圧が、それぞれの画素の増幅用MOSトランジスタのドレインから電源電圧として供給されるとともに、リセット用MOSトランジスタからリセット電圧として供給する構成となっている。さらに、電圧供給線6aの電圧は、AND回路1gの駆動電圧となる構成となっており、AND回路からは、電圧供給線6aの電圧である5Vのパルスが出力される。
In this embodiment, the voltage of the voltage supply line 6a is supplied as the power supply voltage from the drain of the amplification MOS transistor of each pixel, and is supplied as the reset voltage from the reset MOS transistor. Further, the voltage of the voltage supply line 6a is configured to be a driving voltage of the AND
また、電圧供給線6bの電圧は、信号処理ブロック内のアンプ部2a、A/D変換回路2b、信号処理部2cの電源電圧として供給される構成となっている。
(4) The voltage of the
(第2実施例)
図6は、センサブロックと、信号処理ブロックの電源電圧を異ならせるための具体的回路構成である。
(Second embodiment)
FIG. 6 shows a specific circuit configuration for making the power supply voltages of the sensor block and the signal processing block different.
第2の実施例が第1の実施例と異なるのは、電圧を供給するための電圧供給用端子5cを1つとして、降圧回路4dを撮像装置100内に設けることによって、電圧供給線6cから供給される電圧の値を下げ、信号処理部に含まれるアンプ部等の電源電圧としている点である。それ以外の点は、第1の実施例と同じである。
The second embodiment is different from the first embodiment in that a
電圧供給部からの電圧は、降圧回路4cによって5Vに設定され、電圧供給線6cによって5Vの電圧がセンサブロックに加えられる。また、電圧供給線6cの5Vの電圧値は、降圧回路4dによって4Vに設定され、信号処理ブロックに加えられる。
(5) The voltage from the voltage supply unit is set to 5 V by the step-down
また、以上の実施例1及び実施例2では、信号処理ブロック内のそれぞれの回路部には、同じ電圧値の電源電圧としているが、例えば、センサブロックの電源電圧を6.5V、信号処理ブロックのアンプ部は5V、信号処理ブロックのA/D変換部、信号処理部は、3.3Vとする構成でもよい。 In the first and second embodiments described above, the power supply voltage of the same voltage value is used for each circuit unit in the signal processing block. For example, the power supply voltage of the sensor block is 6.5 V, and the signal processing block is , The A / D converter of the signal processing block and the signal processing unit may have a configuration of 3.3V.
具体的回路構成としては、電圧供給端子を3つ設け、それぞれの端子から異なる電圧を加える構成でもよいし、電圧供給端子は、1つとして、撮像装置内に降圧回路を2つ設けることによって、3つの異なる電圧を形成する構成としてもよい。 As a specific circuit configuration, three voltage supply terminals may be provided, and different voltages may be applied from the respective terminals. Alternatively, by providing one voltage supply terminal and providing two step-down circuits in the imaging device, A configuration in which three different voltages are formed may be employed.
ダイオードを有する画素を持つ撮像装置の場合に、本実施例は従来のものと比べて特にS/N比の向上、消費電力の低減等の効果を有するが、画素の構成はこれに限るものではなく、光信号を電荷に変換して出力できる機能を有する他の画素構造のものでもよい。 In the case of an image pickup apparatus having a pixel having a diode, the present embodiment has an effect of improving the S / N ratio and reducing the power consumption as compared with the conventional apparatus, but the configuration of the pixel is not limited to this. Instead, another pixel structure having a function of converting an optical signal into a charge and outputting the charge may be used.
(第3実施例)
実施例1及び実施例2では、センサブロック全体に電源電圧5Vを供給したが、本実施例では図2に示すセンサブロックの画素部のリセット信号線と行選択信号線のみに高い電圧6.5Vを供給し、センサブロックのその他の構成部材には電源電圧5.0Vを供給した。本実施例では選択用トランジスタSELとリセット用トランジスタRESのゲートに高電圧6.5Vを印加することでダイナミックレンジを拡大することができる。なお、図7の画素構成でも同様な効果を得ることができる。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, the power supply voltage of 5 V is supplied to the entire sensor block. In the present embodiment, a high voltage of 6.5 V is applied only to the reset signal line and the row selection signal line of the pixel portion of the sensor block shown in FIG. And a power supply voltage of 5.0 V was supplied to the other components of the sensor block. In this embodiment, the dynamic range can be expanded by applying a high voltage of 6.5 V to the gates of the selection transistor SEL and the reset transistor RES. Note that a similar effect can be obtained with the pixel configuration of FIG.
センサブロックの読み出し回路が例えば図7に示すようなソースフォロア回路で構成される場合、センサのダイナミックレンジを決定する一つの要因にソースフォロア回路の上限がある。この上限は一般に電源電圧Vddとなるが、選択用トランジスタSELのゲートに同じ電圧Vddが印加される場合、電源電圧Vddから更に選択用トランジスタSELの閾値電圧分下がった電圧になる。選択用トランジスタSELのゲート電圧に電源電圧Vddよりも高い電圧を印加することで、ソースフォロア回路の上限は電源電圧Vddまで引き上げることができる。このため、本実施例では、選択用トランジスタSELのゲートに接続される、センサブロックの画素部の行選択信号線に電圧6.5Vを供給した。 (4) When the readout circuit of the sensor block is constituted by, for example, a source follower circuit as shown in FIG. 7, one factor for determining the dynamic range of the sensor is the upper limit of the source follower circuit. The upper limit is generally the power supply voltage Vdd, but when the same voltage Vdd is applied to the gate of the selection transistor SEL, the upper limit is a voltage further lower than the power supply voltage Vdd by the threshold voltage of the selection transistor SEL. By applying a voltage higher than the power supply voltage Vdd to the gate voltage of the selection transistor SEL, the upper limit of the source follower circuit can be raised to the power supply voltage Vdd. For this reason, in the present embodiment, a voltage of 6.5 V was supplied to the row selection signal line of the pixel portion of the sensor block connected to the gate of the selection transistor SEL.
またダイナミックレンジを抑制するもう一つの要因にリセット電圧の上限がある。ソースフォロア回路の入力レンジは、リセット電圧からGNDまでとなる。従って、リセット電圧を上げることでダイナミックレンジを広げることができる。選択用トランジスタSELと同様にリセット電圧と同じ電圧がリセット用トランジスタRESのゲートに印加された場合、リセット電圧はリセット電源から閾値電圧分低い電圧でしかリセットすることができない。これを改善するには、リセット用トランジスタRESのゲート電圧に充分高い電圧を入力することで、リセット電圧とほぼ等しい電圧でリセットすることができる。このため、本実施例では、リセット用トランジスタRESのゲートに接続される、センサブロックの画素部のリセット信号線に電圧6.5Vを供給した。 Another factor that suppresses the dynamic range is the upper limit of the reset voltage. The input range of the source follower circuit ranges from the reset voltage to GND. Therefore, the dynamic range can be expanded by increasing the reset voltage. When the same voltage as the reset voltage is applied to the gate of the reset transistor RES similarly to the selection transistor SEL, the reset voltage can be reset only by a voltage lower than the reset power supply by the threshold voltage. In order to improve this, by inputting a sufficiently high voltage to the gate voltage of the reset transistor RES, the reset can be performed at a voltage substantially equal to the reset voltage. For this reason, in the present embodiment, a voltage of 6.5 V was supplied to the reset signal line of the pixel portion of the sensor block connected to the gate of the reset transistor RES.
上記のような、リセット信号線と行選択信号線のみに、6.5Vの電圧を供給し、センサブロックのその他の構成部に5.0Vの電圧を供給する具体的回路構成図を図8に示す。 FIG. 8 is a specific circuit configuration diagram in which a voltage of 6.5 V is supplied only to the reset signal line and the row selection signal line and a voltage of 5.0 V is supplied to other components of the sensor block. Show.
本実施例では、電圧供給部3からの電圧は、降圧回路4cによって5Vに設定され、電圧供給端子5cに印加される。5Vに設定された電圧供給線6cのそのままの電圧が電源電圧として、選択用MOSトランジスタのドレインに供給されるとともに、AND回路1gの駆動電圧として供給される。そして、昇圧回路4eによって6.5Vになった電圧は、AND回路1g′に供給され、降圧回路4dによって、3.3Vにされた電圧は、信号処理ブロック内のそれぞれの構成部に電源電圧として供給される。
In the present embodiment, the voltage from the voltage supply unit 3 is set to 5 V by the step-down
(第4実施例)
実施例1〜3では、センサブロックの電源電圧を信号処理ブロックの電源電圧よりも高くした構成であるが、本実施例では、センサブロックと信号処理ブロックの電源電圧を同じにし、センサブロックで使用されるクロック信号のハイレベルを信号処理ブロックの電源電圧よりも高くした構成である。
(Fourth embodiment)
In the first to third embodiments, the power supply voltage of the sensor block is set higher than the power supply voltage of the signal processing block. However, in the present embodiment, the power supply voltage of the sensor block and the signal processing block is set to be the same and used in the sensor block. In this configuration, the high level of the clock signal is higher than the power supply voltage of the signal processing block.
具体的回路構成図を図9を用いて説明する。 (4) A specific circuit configuration diagram will be described with reference to FIG.
電圧供給部3からの電圧は、降圧回路4cによって3.3Vに設定され、電圧供給端子5cから供給される。3.3Vに設定された電圧供給線の電圧は、電源電圧として増幅用MOSトランジスタのドレインに供給されるとともに、リセット電圧として、リセット用MOSトランジスタのドレインに供給される。また、信号処理ブロックのそれぞれの構成部の電源電圧としても供給される。
(4) The voltage from the voltage supply unit 3 is set to 3.3 V by the step-down
本実施例では、撮像装置内に昇圧回路を設けている。それによって、電圧供給線の電圧は、昇圧回路4eによって5Vに設定され、その電圧をAND回路1gの駆動電圧としている。
In this embodiment, a booster circuit is provided in the imaging device. Thus, the voltage of the voltage supply line is set to 5 V by the
以上のような構成とすることによって、AND回路1gから出力されるクロック信号は、クロック信号のハイレベルが5Vとなり、信号処理ブロックの電源電圧よりも高くなる。
With the above configuration, the clock signal output from the AND
(第5実施例)
実施例1〜3では、センサブロックの電源電圧を信号処理ブロックの電源電圧よりも高くした構成であるが、本実施例では、センサブロックと信号処理ブロックの電源電圧を同じにし、センサブロックで使用されるクロック信号の振幅を信号処理ブロックの電源電圧よりも高くした構成である。
(Fifth embodiment)
In the first to third embodiments, the power supply voltage of the sensor block is set higher than the power supply voltage of the signal processing block. However, in the present embodiment, the power supply voltage of the sensor block and the signal processing block is set to be the same and used in the sensor block. In this configuration, the amplitude of the clock signal is higher than the power supply voltage of the signal processing block.
具体的回路構成図を図10を用いて説明する。 (4) A specific circuit configuration diagram will be described with reference to FIG.
電圧供給部3からの電圧は、降圧回路4cによって3.3Vに設定され、電圧供給端子5cから供給される。3.3Vに設定された電圧供給線の電圧は、電源電圧として増幅用MOSトランジスタのドレインに供給されるとともに、リセット電圧として、リセット用MOSトランジスタのドレインに供給される。また、信号処理ブロックのそれぞれの構成部の電源電圧としても供給される。
(4) The voltage from the voltage supply unit 3 is set to 3.3 V by the step-down
本実施例では、撮像装置内に降圧回路を2つ設けている。それによって、電圧供給線の電圧は、降圧回路4fによって−2Vに設定され、その電圧をAND回路1gの駆動電圧としている。また、電圧供給線の電圧は、降圧回路4gによって3Vに設定され、その電圧をAND回路1gの駆動電圧としている。
In this embodiment, two step-down circuits are provided in the imaging device. Thereby, the voltage of the voltage supply line is set to -2 V by the step-down circuit 4f, and this voltage is used as the drive voltage of the AND
以上のような構成とすることによって、AND回路1gから出力されるクロック信号は、クロック信号の振幅が5Vとなり、信号処理ブロックの電源電圧よりも高くなる。
With the above configuration, the amplitude of the clock signal output from the AND
(第6実施例)
センサブロック1の電源電圧を6.5V、信号処理ブロック2の電源電圧を3.3Vとした。本実施例では、センサブロック1と信号処理ブロック2との間に電源電圧に差があるため、図11に示すように、水平走査部1cからの信号をレベルシフトするレベルシフト回路1dを設け、レベルシフト回路1dの出力をアンプ部2aに接続した。なお、レベルシフト回路は必ずしもセンサブロック1内に設ける必要はなく、センサブロック1と信号処理ブロック2との間又は信号処理ブロック2内に設けてもよい。ただし、電源電圧が高く入力レンジ、出力レンジが広いセンサブロックに入っている方が設計の自由度が高い。
(Sixth embodiment)
The power supply voltage of the
レベルシフト回路としては、簡単な構成例として、例えば図12に示すようにMOSトランジスタと定電流源とで構成されるソースフォロア回路で構成することができる。センサブロックの電源電圧を信号処理ブロックの電源電圧よりも高くするための具体的構成は、実施例1〜3のように構成することによって達成できる。又、センサブロックで使用するクロック信号のハイレベル又は振幅を信号処理ブロックの電源電圧よりも高くするのは実施例4,5のように構成することによって達成できる。 As a simple configuration example, the level shift circuit can be configured by a source follower circuit including a MOS transistor and a constant current source as shown in FIG. 12, for example. A specific configuration for making the power supply voltage of the sensor block higher than the power supply voltage of the signal processing block can be achieved by configuring as in the first to third embodiments. The high level or the amplitude of the clock signal used in the sensor block can be made higher than the power supply voltage of the signal processing block by configuring as in the fourth and fifth embodiments.
(第7実施例)
実施例6において、センサブロックの電源電圧を6.5Vとし、信号処理ブロックの電源電圧を3.3Vとしたが、この場合センサブロックに用いられるMOSトランジスタの耐圧をあげるために、信号処理ブロックに用いられるMOSトランジスタよりも、MOSトランジスタのゲート酸化膜厚を厚く又はウェル濃度を低下させた。なお、ゲート酸化膜厚とウェル濃度との両方を制御することも可能である。ゲート酸化膜厚が厚いセンサブロックに用いられるMOSトランジスタの閾値電圧が信号処理ブロックに用いられるMOSトランジスタの閾値電圧に比し高くなる。
(Seventh embodiment)
In the sixth embodiment, the power supply voltage of the sensor block is set to 6.5 V, and the power supply voltage of the signal processing block is set to 3.3 V. In this case, in order to increase the withstand voltage of the MOS transistor used in the sensor block, the power supply voltage of the signal processing block is increased. The thickness of the gate oxide film of the MOS transistor was made thicker or the well concentration was lowered as compared with the MOS transistor used. It is also possible to control both the gate oxide film thickness and the well concentration. The threshold voltage of the MOS transistor used in the sensor block having a thick gate oxide film becomes higher than the threshold voltage of the MOS transistor used in the signal processing block.
具体的には、センサブロックに用いられるMOSトランジスタの酸化膜厚を20nm、信号処理ブロックに用いられるMOSトランジスタの酸化膜厚を8nmとすることで、センサブロックに用いられるMOSトランジスタの耐圧をあげた。 Specifically, the breakdown voltage of the MOS transistor used in the sensor block was increased by setting the oxide film thickness of the MOS transistor used in the sensor block to 20 nm and the oxide film thickness of the MOS transistor used in the signal processing block to 8 nm. .
また、センサブロックに用いられるMOSトランジスタのウェル濃度を4×1016/cm3 、信号処理ブロックに用いられるMOSトランジスタのウェル濃度を8×1016/cm3 とすることで、同様にセンサブロックに用いられるMOSトランジスタの耐圧をあげることができた。 Also, by setting the well concentration of the MOS transistor used in the sensor block to 4 × 10 16 / cm 3 and the well concentration of the MOS transistor used in the signal processing block to 8 × 10 16 / cm 3 , the sensor block is similarly formed. The breakdown voltage of the MOS transistor used could be increased.
又、実施例1〜3においても、同様にセンサブロックに用いられるMOSトランジスタの耐圧をあげるようにしてもよい。 Also, in the first to third embodiments, the breakdown voltage of the MOS transistor used in the sensor block may be increased.
なお、本発明に係わるセンサブロック、信号処理ブロックの構成は上述した各実施例のものに特に限定されるものでない。 The configurations of the sensor block and the signal processing block according to the present invention are not particularly limited to those of the above-described embodiments.
例えば、信号処理ブロックの構成は図13に示すように、アンプ部2aのみから構成されるようにしてもよく、センサブロックは以下に説明するように、ノイズ信号を読み出して、センサ信号に含まれるノイズ成分を減算処理する手段を設けてもよい。 For example, as shown in FIG. 13, the configuration of the signal processing block may include only the amplifier unit 2a, and the sensor block reads a noise signal and includes the noise signal in the sensor signal as described below. Means for subtracting noise components may be provided.
図14は各画素からのセンサ信号からノイズ成分を除去する回路構成を示すものである。図14に示す一画素の構成は図2に示したものと同じである。 FIG. 14 shows a circuit configuration for removing a noise component from a sensor signal from each pixel. The configuration of one pixel shown in FIG. 14 is the same as that shown in FIG.
図14に示すように、複数の画素が接続された垂直出力線には、ノイズ信号転送用のMOSトランジスタMN 、及びセンサ信号転送用のMOSトランジスタMS が接続され、ノイズ信号、センサ信号をそれぞれ蓄積容量CN ,CS に蓄積するようになっている。蓄積容量CN ,CS に蓄積されたノイズ信号、センサ信号は減算器Aにより差分処理されてノイズ成分が除去されたセンサ信号が出力される。なお、画素がマトリクス状に配されたエリアセンサでは、MOSトランジスタMN ,MS 、蓄積容量CN ,CS は各垂直出力線ごとに設けられ、水平走査部により一行分の画素のそれぞれのノイズ信号、センサ信号を各垂直出力線ごとに順次減算器Aに転送することで差分処理を行っていく。 As shown in FIG. 14, a MOS transistor MN for transferring a noise signal and a MOS transistor MS for transferring a sensor signal are connected to a vertical output line to which a plurality of pixels are connected, and accumulate the noise signal and the sensor signal, respectively. The data is stored in the capacitors CN and CS. The noise signal and the sensor signal stored in the storage capacitors CN and CS are subjected to the difference processing by the subtracter A to output a sensor signal from which the noise component has been removed. In an area sensor in which pixels are arranged in a matrix, MOS transistors MN and MS and storage capacitors CN and CS are provided for each vertical output line. The difference processing is performed by sequentially transmitting the signal to the subtracter A for each vertical output line.
なお、φTX,φRES ,φSEL ,φN ,φS はそれぞれ、転送用MOSトランジスタTXを制御するパルス信号、リセット用MOSトランジスタRESを制御するパルス信号、選択用MOSトランジスタSELを制御するパルス信号、ノイズ信号転送用MOSトランジスタMN を制御するパルス信号、センサ信号転送MOSトランジスタMS を制御するパルス信号である。 Note that φTX, φRES, φSEL, φN, and φS are respectively a pulse signal for controlling the transfer MOS transistor TX, a pulse signal for controlling the reset MOS transistor RES, a pulse signal for controlling the selection MOS transistor SEL, and a noise signal transfer. A pulse signal for controlling the use MOS transistor MN and a pulse signal for controlling the sensor signal transfer MOS transistor MS.
図15は図14の回路の動作を説明するタイミングチャートである。まず、φRES をハイレベルとして、フローティングディフュージョン領域(FD)をリセットし、その後φN をハイレベルとしてノイズ信号を蓄積容量CN に転送する。次にφTXをハイレベルとして、フローティングディフュージョン領域にフォトダイオードPDから信号電荷を転送し、φS をハイレベルとして、センサ信号(ノイズ成分を含む)を蓄積容量CS に転送する。こうして、蓄積容量CN ,CS に蓄積されたノイズ信号、センサ信号を減算器Aにより差分処理し、ノイズ成分が除去されたセンサ信号を出力する。 FIG. 15 is a timing chart illustrating the operation of the circuit of FIG. First, φRES is set to a high level to reset the floating diffusion region (FD). Thereafter, φN is set to a high level to transfer a noise signal to the storage capacitor CN. Next, the signal charge is transferred from the photodiode PD to the floating diffusion region by setting φTX to the high level, and the sensor signal (including noise component) is transferred to the storage capacitor CS by setting φS to the high level. Thus, the noise signal and the sensor signal stored in the storage capacitors CN and CS are subjected to the difference processing by the subtractor A, and the sensor signal from which the noise component has been removed is output.
(第8実施例)
図16は上記で説明した撮像装置100を用いた撮像システムを示すブロック図である。
(Eighth embodiment)
FIG. 16 is a block diagram illustrating an imaging system using the
図16において、101はレンズ系であり、102は絞り、103,105,107はモータ、104はモータ103を制御する変倍レンズ駆動手段、106はモータ105を制御して絞り102を駆動する絞り機構駆動手段、108はモータ107を制御するフォーカスコンペレンズ駆動手段である。また、100はレンズ系101から入射した光信号を光電変換し、所定の信号処理を行う撮像装置である。
16,
変倍レンズ駆動手段104、絞り機構駆動手段106、フォーカスコンペレンズ駆動手段108は、撮像装置内のマイクロコンピュータ115によって制御される。
The variable magnification
又、撮像装置100からの出力はデジタルデコーダ、DA変換器113を通してモニター手段114に送られ画像表示され、またVTRに送られる。
The output from the
(第9実施例)
図17は、上記で説明した信号処理ブロックがアンプ部のみで構成される撮像装置100を用いた撮像システムを示すブロック図である。
(Ninth embodiment)
FIG. 17 is a block diagram illustrating an imaging system using the
図17において、101はレンズ系であり、102は絞り、103,105,107はモータ、104はモータ103を制御する変倍レンズ駆動手段、106はモータ105を制御して絞り102を駆動する絞り機構駆動手段、108はモータ107を制御するフォーカスコンペレンズ駆動手段である。また、100はレンズ系101から入射した光信号を光電変換し、増幅して出力する撮像装置である。111はAD変換器である。
17,
また、112はカメラ信号処理回路であり本実施例における信号処理部2cであり、112aはY/C分離回路、112bは輝度信号処理回路、112cは色信号処理回路、112dは色抑圧回路、112eはデジタル出力変換回路である。輝度信号及び色信号はマイクロコンピュータ115に入力され、マイクロコンピュータ115はこの信号に基づいて、変倍レンズ駆動手段104、絞り機構駆動手段106、フォーカスコンペレンズ駆動手段108を制御する。
カメラ信号処理回路112からの出力はデジタルデコーダ、DA変換器113を通してモニター手段114に送られ画像表示され、またVTRに送られる。
(4) The output from the camera
以上の実施例においてはエリアセンサについて述べたが、ラインセンサにも用いることができる。ラインセンサの場合は、画素において選択スイッチが省かれることを除いて画素構成は同じである。 In the above embodiment, the area sensor has been described, but the present invention can be applied to a line sensor. In the case of a line sensor, the pixel configuration is the same except that the selection switch is omitted in the pixel.
以上説明したように、本実施例によればダイナミックレンジが拡大するとともに、ノイズを低減することができ、また消費電力を低減することができる。 As described above, according to this embodiment, the dynamic range can be increased, noise can be reduced, and power consumption can be reduced.
以上の実施例1〜8において、CMOSプロセスによって同一半導体基板内にセンサブロックと信号処理ブロックとを集積化することによって特に低消費電力化が図れる。 In the first to eighth embodiments, the power consumption can be particularly reduced by integrating the sensor block and the signal processing block in the same semiconductor substrate by the CMOS process.
1 センサブロック
2 信号処理ブロック
1a 画素部
1b 垂直走査部
1c 水平走査部
1d レベルシフト回路
1f 垂直シフトレジスタ
1g AND回路
1h〜1j パルス供給線
1k 水平シフトレジスタ
1l パルス供給線
2a アンプ部
2b A/D(アナログ/デジタル)変換回路
2c 信号処理部
3 電圧供給部
4a〜d、4f、4g 降圧回路
4e 昇圧回路
5a,5b,5c 電圧供給用端子
6a,6b,6c 電圧供給線
100 撮像装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記センサブロックから出力された信号を処理するための信号処理ブロックと、
前記センサブロックで使用される電源電圧もしくはクロック信号の振幅もしくはハイレベルを前記信号処理ブロックの電源電圧より高くするための手段と、を同一半導体基板内に集積化した撮像装置。 A pixel unit including a plurality of pixels having a light receiving element for each pixel, a sensor block including a scanning unit for selecting a pixel of the pixel unit,
A signal processing block for processing a signal output from the sensor block,
Means for making the power supply voltage or the amplitude or the high level of the clock signal used in the sensor block higher than the power supply voltage of the signal processing block, integrated in the same semiconductor substrate.
An imaging system, comprising: the imaging device according to claim 1; and an optical system that forms light on a sensor block of the imaging device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003274084A JP4464087B2 (en) | 1998-11-24 | 2003-07-14 | Imaging apparatus and imaging system using the same |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33312698 | 1998-11-24 | ||
JP2003274084A JP4464087B2 (en) | 1998-11-24 | 2003-07-14 | Imaging apparatus and imaging system using the same |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11332980A Division JP2000224495A (en) | 1998-11-24 | 1999-11-24 | Image pickup device and image pickup system using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004007781A true JP2004007781A (en) | 2004-01-08 |
JP4464087B2 JP4464087B2 (en) | 2010-05-19 |
Family
ID=30445553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003274084A Expired - Fee Related JP4464087B2 (en) | 1998-11-24 | 2003-07-14 | Imaging apparatus and imaging system using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4464087B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008017155A (en) * | 2006-07-05 | 2008-01-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Solid-state imaging device and imaging apparatus |
JP2008306289A (en) * | 2007-06-05 | 2008-12-18 | Sony Corp | Solid imaging apparatus and imaging apparatus |
JP2009059811A (en) * | 2007-08-30 | 2009-03-19 | Sharp Corp | Solid-state image pick-up apparatus, and electronic information appliance |
JP2009253559A (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-29 | Sharp Corp | Solid-state imaging device and electronics information device |
-
2003
- 2003-07-14 JP JP2003274084A patent/JP4464087B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008017155A (en) * | 2006-07-05 | 2008-01-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Solid-state imaging device and imaging apparatus |
JP2008306289A (en) * | 2007-06-05 | 2008-12-18 | Sony Corp | Solid imaging apparatus and imaging apparatus |
JP2009059811A (en) * | 2007-08-30 | 2009-03-19 | Sharp Corp | Solid-state image pick-up apparatus, and electronic information appliance |
JP2009253559A (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-29 | Sharp Corp | Solid-state imaging device and electronics information device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4464087B2 (en) | 2010-05-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10136092B2 (en) | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device | |
JP2000224495A (en) | Image pickup device and image pickup system using the same | |
KR101201269B1 (en) | Solid-state imaging device, optical sensor, and solid-state imaging device operation method | |
US20080237446A1 (en) | Solid-state image pickup device and method | |
JP3592107B2 (en) | Solid-state imaging device and camera | |
US8624308B2 (en) | Image sensor five transistor pixel element with four control signals | |
US10368019B2 (en) | Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
US7705379B2 (en) | Field effect transistor and solid state image pickup device | |
KR102015900B1 (en) | Solid-state imaging element, and imaging device | |
JP6126666B2 (en) | Solid-state imaging device and electronic apparatus | |
US11050966B2 (en) | Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
US20020051229A1 (en) | Image pickup apparatus | |
JP2008021925A (en) | Solid-state imaging apparatus, and its driving method | |
JP2006262387A (en) | Solid-state imaging apparatus and camera | |
JP2016015680A (en) | Solid-state image sensor and imaging apparatus | |
JP2007068099A (en) | Solid imaging apparatus, and driving method and imaging apparatus for solid imaging apparatus | |
JP4746962B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging system | |
JP4464087B2 (en) | Imaging apparatus and imaging system using the same | |
US20100002121A1 (en) | Solid-state imaging device and electronic apparatus | |
JP2005198001A (en) | Solid state image pickup device | |
JP2008079001A (en) | Solid state imaging apparatus | |
JP2007088309A (en) | Solid-state image pickup device | |
Miyatake et al. | Transversal-readout architecture for CMOS active pixel image sensors | |
JP2024009651A (en) | Photoelectric conversion device, imaging system, and apparatus | |
JP2021100289A (en) | Imaging element and imaging device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061124 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20080207 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20090326 |
|
RD05 | Notification of revocation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425 Effective date: 20090427 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091009 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091208 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100212 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100218 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130226 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140226 Year of fee payment: 4 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |