JP2006018663A - 電流安定化回路、電流安定化方法、及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、電源電圧変動、動作温度変化、トランジスタ閾値電圧のばらつき等があっても安定して精度良く所望の電流量を供給可能な電流安定化回路、電流安定化方法、及びそのような電流安定化回路を用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 電流安定化回路は、一定の電圧を供給する定電圧供給回路と、定電圧供給回路に結合され、一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と所定の電圧とを比較することで、フィードバック制御により電流の電流量を所定量に制御する電流生成回路を含むことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に電流安定化回路、電流安定化方法、及び固体撮像装置に関し、詳しくはトランジスタの閾値電圧、電源電圧、及び動作温度に依存することなく安定した電流を供給可能な電流安定化回路、電流安定化方法、及びそのような電流安定化回路を用いた固体撮像装置に関する。

図１は、従来の電流増幅回路の構成の一例を示す回路図である。図１の電流増幅回路１０は、トランジスタ１１乃至１５及び抵抗１６を含む。トランジスタ１１及び抵抗１６は直列に接続され、トランジスタ１１及び抵抗１６間の接続点がトランジスタ１１及びトランジスタ１２のゲートに共通に接続される。これによりトランジスタ１１及び１２はカレントミラー回路を構成する。またトランジスタ１２及びトランジスタ１３は直列に接続され、トランジスタ１２及びトランジスタ１３間の接続点がトランジスタ１３のゲートに接続される。図１の例ではトランジスタ１２及び１３はトランジスタ１１と同一のサイズとなっており、トランジスタ１２及び１３にはトランジスタ１１に流れる電流ｉ１と同量の電流ｉ２が流れる。

トランジスタ１３のゲートはトランジスタ１４及びトランジスタ１５のゲートに共通に接続され、これによりトランジスタ１３乃至１５はカレントミラー回路を構成する。図１の例ではトランジスタ１４はトランジスタ１３の２倍のサイズ（２倍のゲート幅）となっており、トランジスタ１４にはトランジスタ１３に流れる電流ｉ２の２倍の電流ｉ３が流れる。またトランジスタ１５はトランジスタ１３の４倍のサイズ（４倍のゲート幅）となっており、トランジスタ１５にはトランジスタ１３に流れる電流ｉ２の４倍の電流ｉ４が流れる。

このようにして図１の電流増幅回路では、基本となる電流ｉ１に対して、同量の電流ｉ２、２倍の量の電流ｉ３、及び４倍の量の電流ｉ４を生成することができる。これらの電流ｉ２乃至ｉ４を用いることで、３ビット値に対応する８つの異なる電流量を生成することができる。同様に、例えば１倍、２倍、４倍、８倍、・・・、１２８倍の８つの電流を生成することで、８ビット値に対応する２５６個の異なる電流量を生成することができる。このようにして生成された電流は、例えば固体撮像装置におけるアナログ・デジタル変換器の積分回路部分において使用される。この積分回路においては、図１のような回路により所望の電流量を生成し、容量から所望の電流量で放電させることにより所望の傾きを有するランプ電圧（一定の割合で減少する電圧）を生成する。このランプ電圧と固体撮像素子から読み出した電圧値とを比較して、両電圧が一致するまでの時間をカウンタにより計時することで、アナログ電圧値をデジタル値に変換することが可能となる。
特開平１１−１６１３５３号公報 特開２００２−７４９９７号公報

図１の回路では、動作条件や回路条件が変化すると、それに応じて生成される電流量も変動してしまう。例えば電源電圧が変動すると、各トランジスタのゲート・ソース間電圧が変化し、トランジスタに流れる電流量が変動してしまう。またプロセスばらつきにより各トランジスタの閾値電圧がばらつくと、トランジスタのゲート・ソース間電圧が所望の電圧値であっても、閾値電圧に応じてトランジスタに流れる電流量が変動してしまう。また更には温度が変化すると、ゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係には温度依存性があるので、これによりトランジスタを流れる電流量が変動してしまう。

従って、動作条件や回路条件等の変動がある場合には、図１のような回路では安定した電流を精度良く供給することが困難である。例えば図１の回路を固体撮像装置に用いた場合には、アナログ・デジタル変換器の変換精度が落ちることになる。

以上を鑑みて、本発明は、電源電圧変動、動作温度変化、トランジスタ閾値電圧のばらつき等があっても安定して精度良く所望の電流量を供給可能な電流安定化回路、電流安定化方法、及びそのような電流安定化回路を用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明による電流安定化回路は、一定の電圧を供給する定電圧供給回路と、該定電圧供給回路に結合され、該一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、該電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを比較することで、フィードバック制御により該電流の電流量を所定量に制御する電流生成回路を含むことを特徴とする。

また本発明による固体撮像装置は、一定の電圧を供給する定電圧供給回路と、該定電圧供給回路に結合され、該一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、該電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを比較することで、フィードバック制御により該電流の電流量を所定量に制御する電流生成回路と、該電流生成回路に結合される容量と、固体撮像素子と、該電流生成回路が生成する電流により放電して電圧が減少する該容量の電圧値を該固体撮像素子から読み出した画素電圧と比較することで該画素電圧をアナログ・デジタル変換するアナログ・デジタル変換回路を含むことを特徴とする。

また本発明による電流安定化方法は、定電圧供給回路から一定の電圧を供給し、該一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、該電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを比較することでフィードバック制御により該電流の電流量を所定量に制御する各段階を含むことを特徴とする。

本発明の少なくとも１つの実施例によれば、定電圧供給回路から供給される安定した一定の電圧を使用して、その一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流生成回路により電流を生成し、電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と所定の電圧とを比較することで、フィードバック制御により電流の電流量を所定量に制御する。このようにして生成された電流をカレントミラー回路の入力とすれば、電源電圧変動、動作温度変化、トランジスタ閾値電圧のばらつき等があっても、電流量を常に一定とすることができる。

また本発明の少なくとも１つの実施例によれば、定電圧供給回路はバンドギャップリファレンス回路である。バンドギャップリファレンス回路が生成する電圧は理論的にはシリコンのバンドギャップ電圧に等しく、電源電圧の変動、温度変化、プロセスばらつきによる閾値電圧の変動による影響等を殆ど受けることがない。従って、上記電流生成回路において使用する所定の電圧を、安定した一定の電圧値に保持することが可能となる。

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。

図２は、本発明による電流安定化回路の構成例を示す回路図である。図２に示す電流安定化回路２０は、トランジスタ２１乃至２５、抵抗２６、定電圧供給回路２７、抵抗２８及び２９、差動増幅器３０、及びトランジスタ３１を含む。

直列に接続されるトランジスタ２１及びトランジスタ３１間の接続点がトランジスタ２１及びトランジスタ２２のゲートに共通に接続される。これによりトランジスタ２１及び２２はカレントミラー回路を構成する。またトランジスタ２２及びトランジスタ２３は直列に接続され、トランジスタ２２及びトランジスタ２３間の接続点がトランジスタ２３のゲートに接続される。図２の例ではトランジスタ２２及び２３はトランジスタ２１と同一のサイズとなっており、トランジスタ２２及び２３にはトランジスタ２１に流れる電流ｉ１と同量の電流ｉ２が流れる。

トランジスタ２３のゲートはトランジスタ２４及びトランジスタ２５のゲートに共通に接続され、これによりトランジスタ２３乃至２５はカレントミラー回路を構成する。図１の例ではトランジスタ２４はトランジスタ２３の２倍のサイズ（２倍のゲート幅）となっており、トランジスタ２４にはトランジスタ２３に流れる電流ｉ２の２倍の電流ｉ３が流れる。またトランジスタ２５はトランジスタ２３の４倍のサイズ（４倍のゲート幅）となっており、トランジスタ２５にはトランジスタ２３に流れる電流ｉ２の４倍の電流ｉ４が流れる。

図２に示す本発明による電流安定化回路では、定電圧供給回路２７から一定の電圧を供給する。定電圧供給回路２７は、例えば安定した一定の電源電圧が得られるのであれば、この一定の電源電圧をそのまま供給する構成でよい。また安定した一定の電源電圧が得られずに、電源電圧が変動するような場合であれば、電源電圧の変動に依存せずに安定した一定の電圧を供給できる回路であればよい。例えばそのような回路の一例としては、バンドギャップリファレンス回路（ＢＧＲ回路）が挙げられる。バンドギャップリファレンス回路は、温度の上昇に伴い減少する負の温度依存性を有するｐｎ接合の順方向電圧Ｖｂｅと、Ｖｂｅの差分により生成した温度の上昇に伴い増加する正の温度依存性を有する電圧とを加算することにより、正方向の温度依存性と負方向の温度依存性とを相殺してシリコンのバンドギャップ電圧（約１．２Ｖ）に等しい電圧を生成する。このようにバンドギャップリファレンス回路が生成する電圧は理論的にはシリコンのバンドギャップ電圧に等しく、電源電圧の変動、温度変化、プロセスばらつきによる閾値電圧の変動による影響等を殆ど受けることのない一定の電圧を生成することが可能となる。

図３は、バンドギャップリファレンス回路の電源電圧変動に対する特性を模式的に示す図である。図３に示すように、バンドギャップリファレンス回路においては、電源電圧が所定値以上であれば、その出力電圧は約１．２Ｖ（シリコンのバンドギャップ電圧）に固定される。このようにして、電源電圧が変動しても、バンドギャップリファレンス回路の出力電圧は安定した一定の電圧となる。

また温度変動に対しては、例えば−２５℃〜８５℃の範囲の温度変化に対して、出力電圧が１．４ｍＶ程度の変動しか示さないようにバンドキャップ回路を構成することができる。即ち出力電圧約１．２Ｖに対して１／１０００程度の変動である。例えば固体撮像装置への応用を考えた場合等は、通常の回路設計上、数十ｍＶ程度以下の変動に抑えれば十分であり、バンドギャップリファレンス回路の使用によりこの目標値よりも十分に小さい変動を達成することができる。

図２の電流安定化回路２０では、定電圧供給回路２７から供給される一定電圧を抵抗２８及び２９からなる抵抗分圧器により分圧して、ノードＢに現れる分圧された電位を差動増幅器３０の一方の入力に印加する。差動増幅器３０の出力はトランジスタ３１のゲートに印加される。トランジスタ３１と抵抗２６とは直列に接続されており、トランジスタ３１と抵抗２６との間の接続ノードＡが差動増幅器３０の他方の入力に結合される。このようにフィードバック制御により、ノードＡの電圧とノードＢの電圧とが等しくなるように、トランジスタ３１の抵抗値を調整する。この結果、ノードＡの電位はノードＢの電位と等しい電位（例えば０．６Ｖ）に設定される。

定電圧供給回路２７の供給する電位が安定した一定電位であれば、ノードＡの電位も安定した所定の電位となる。例えば定電圧供給回路２７としてバンドギャップリファレンス回路を用いれば、電源電圧の変動、温度変化、プロセスばらつきによる閾値電圧の変動による影響等を殆ど受けることのない所定の電圧を、ノードＡに生成することが可能となる。

ノードＡの電圧が常に所定値となるので、抵抗２６に流れる電流ｉ１は、ノードＡの電位と抵抗２６の抵抗値に応じた所定の安定した電流量となる。

ここで差動増幅器３０及びトランジスタ３１からなる回路部分は、フィードバック制御によりノードＡに安定した所定の電位を生成して所定の電流量の電流ｉ１を生成する役割を有するものである。即ちこの回路部分は、定電圧供給回路２７から供給される一定電位に基づいて所定の電流量を生成する機能、即ち一定電位を所定の電流量に変換する機能を有する。

トランジスタ２１及び２２に供給される電源電圧ＶＤＤが変動し、トランジスタのゲート・ソース間電圧が変化しても、上記回路部分により電流ｉ１が所定量となるようにトランジスタ３１の抵抗値が調整されるので、トランジスタ２１及び２２にそれぞれ流れる電流ｉ１及びｉ２は一定となる。またプロセスばらつきによりトランジスタ２１及び２２の閾値電圧がばらついて、閾値電圧とゲート・ソース間電圧との差が変化しても、上記回路部分により電流ｉ１が所定量となるようにトランジスタ３１の抵抗値が調整されるので、トランジスタ２１及び２２にそれぞれ流れる電流ｉ１及びｉ２は一定となる。また温度が変化して、ゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係が変化しても、上記回路部分により電流ｉ１が所定量となるようにトランジスタ３１の抵抗値が調整されるので、トランジスタ２１及び２２にそれぞれ流れる電流ｉ１及びｉ２は一定である。このようにして電流ｉ２は一定の電流量に固定されるので、カレントミラー回路により生成される電流ｉ３及びｉ４についても一定の安定した電流量となる。

このようにして図２に示す電流安定化回路２０においては、定電圧供給回路２７により供給される安定した一定電圧に基づいて、フィードバック制御により安定した所定の電流量を生成する。更に、この安定した所定の電流量に基づいて、カレントミラー回路により種々の大きさの安定した電流を生成することができる。

図４は、本発明による電流安定化回路を適用した固体撮像装置の構成の一例を示す図である。図４の固体撮像装置４０は、ピクセルアレイ４１、Ｖ＿ＳＣＡＮ回路４２、コラムＣＤＳ回路４３、コラムＡＤＣ回路４４、ラッチ回路４５、Ｈ＿ＳＣＡＮ回路４６、積分回路４７、及びカラープロセッサ４８を含む。なおカラープロセッサ４８は固体撮像装置４０の一部として同一のチップに構成されてよく、或いは固体撮像装置４０とは別の装置として別個のチップに構成されてもよい。

ピクセルアレイ４１は、受光部として縦横にマトリクス状に配列された複数のホトダイオードであり、これらのホトダイオードが撮像用の各画素（ピクセル）を構成する。この画素単位で入射光が光電変換され、光電変換された電荷が電荷蓄積部分に蓄積され読み出される。Ｖ＿ＳＣＡＮ回路４２は、各画素の電荷を読み出すために、マトリクス状の画素配列を垂直方向（コラム方向）に順次走査する。コラムＣＤＳ回路４３は、例えば相関２重サンプリング（Correlated Double Sampling）により、ノイズを軽減しつつ画素配列から画像信号を読み出す。読み出された画像信号は、コラムＡＤＣ回路４４によりアナログ信号からデジタル信号に変換される。

ラッチ回路４５は、コラムＡＤＣ回路４４により変換されたデジタル画像信号を記憶する。Ｈ＿ＳＣＡＮ回路４６は、ラッチ回路４５に格納された水平方向のデジタル画像データを順次読み出すための走査信号を生成する。これによりラッチ回路４５からデジタル画像データを読み出して、カラープロセッサ４８に供給する。

カラープロセッサ４８は、供給される画像データに対して種々の信号処理を適用し、画面出力用のデジタル画像データを出力する。この信号処理としては、画像信号中の欠陥画素のデータを処理して欠陥を補正する欠陥画素補正、ＲＧＢベイヤ配列の色情報に基づいて各画素に対する色データを求める色補間、色データをもとにレンズのひずみを補正するシェーディング補正、自動ホワイトバランス処理、ガンマ補正処理、エッジ処理等が実行される。

コラムＡＤＣ回路４４は、コラムＣＤＳ回路４３からのアナログ信号の電圧と積分回路４７からのランプ信号（一定の割合で減少する信号）の電圧とを比較して、両電圧が一致するまでの時間をカウンタにより計時することで、アナログ電圧値をデジタル値に変換する。このランプ信号を生成する積分回路４７において、本発明の電流安定化回路２０が使用される。

図５は、コラムＡＤＣ回路４４の概略構成の一例を説明するための回路図である。図５において、コラムＡＤＣ回路４４は比較器５１とラッチ回路５２を含む。ラッチ回路５２は、比較器５１の出力信号をトリガとして、カウンタ５３のカウント値を読み込む構成となっている。カウンタ５３は、スタート信号に応答してカウントアップ動作を行い、そのカウント値をカウントアップ信号としてラッチ回路５２に供給する。

比較器５１は、コラムＣＤＳ回路４３からの画素値を示すアナログ信号電圧ａと、積分回路４７からのランプ信号電圧ｂとを比較して、両電圧が一致するとその出力をアサートする。比較器５１の出力のアサートに応答して、ラッチ回路５２がカウンタ５３からのカウントアップ信号で示されるカウント値をラッチする。

図６は、コラムＡＤＣ回路４４の動作を説明するための図である。図６の横軸は時間であり縦軸は電圧を示す。コラムＣＤＳ回路４３からのアナログ信号電圧ａは、図示されるように画素値を示す一定の電圧値を保持する。また積分回路４７からのランプ信号電圧ｂは、図示されるように時間と共に一定の割合で直線的に減少する電圧値である。所定のタイミングＴ１でカウンタ５３のカウント動作をスタートし、アナログ信号電圧ａとランプ信号電圧ｂとが一致したタイミングＴ２でカウンタ値をラッチする。ランプ信号電圧ｂが時間と共に減少する割合は予め分かっているので、この計時結果のデジタル値により、アナログ信号電圧ａの電圧値をデジタル値で表現することができる。

図７は、積分回路４７の概略構成の一例を示す回路図である。図７の積分回路４７は、スイッチ６１、容量６２、スイッチ６４、及び定電流源６３を含む。まずスイッチ６１を短絡、スイッチ６４を開放にして、電源電圧から容量６２に電荷を蓄積してランプ信号電圧ｂを所定の電圧値に設定する。その後、スイッチ６１を開放、スイッチ６４を短絡状態にして、容量６２から定電流源６３を介してグラウンドに放電する。この際、定電流源６３を流れる電流は一定であるので、ランプ信号電圧ｂは時間と共に所定の割合で直線的に減少する電圧値となる。

固体撮像装置４０においては、画像のフレームレート等を変化させる必要がある場合等に、コラムＡＤＣ回路４４におけるアナログ・デジタル変換に要する時間を制御可能であることが望ましい。カウンタ値によるデジタル表現はカウンタ値の大きさに応じて精度が左右されるので、一般にはある程度の時間をかけて容量６２からゆっくり放電させて、大きなカウンタ値をラッチしたほうがよい。しかし時間的な制限がある場合には、短い時間で容量６２から放電させてカウンタ値をラッチする必要がある。このような場合、定電流源６３を流れる電流量を所望の値に精度よく設定することが必要になるが、この目的のために図２に示す電流安定化回路２０のような回路が用いられる。

前述したように、電流ｉ２乃至ｉ４を用いることで、３ビット値に対応する８つの異なる電流量を生成することができる。同様に、例えば１倍、２倍、４倍、８倍、・・・、１２８倍の８つの電流を生成することで、８ビット値に対応する２５６個の異なる電流量を生成することができる。このようにして所望の電流量を精度よく生成することにより、容量６２からの放電によるランプ信号電圧ｂの減少の割合を調整し、精度のよいアナログ・デジタル変換を達成することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

従来の電流増幅回路の構成の一例を示す回路図である。 本発明による電流安定化回路の構成例を示す回路図である。 バンドギャップリファレンス回路の電源電圧変動に対する特性を模式的に示す図である。 本発明による電流安定化回路を適用した固体撮像装置の構成の一例を示す図である。 コラムＡＤＣ回路の概略構成の一例を説明するための回路図である。 コラムＡＤＣ回路の動作を説明するための図である。 積分回路の概略構成の一例を示す回路図である。

符号の説明

２０ 電流安定化回路
２１乃至２５ トランジスタ
２６ 抵抗
２７ 定電圧供給回路
２８、２９ 抵抗
３０ 差動増幅器
３１ トランジスタ
４０ 固体撮像装置
４１ ピクセルアレイ
４２ Ｖ＿ＳＣＡＮ回路
４３ コラムＣＤＳ回路
４４ コラムＡＤＣ回路
４５ ラッチ回路
４６ Ｈ＿ＳＣＡＮ回路
４７ 積分回路
４８ カラープロセッサ

Claims (10)

1. 一定の電圧を供給する定電圧供給回路と、
   該定電圧供給回路に結合され、該一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、該電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを比較することで、フィードバック制御により該電流の電流量を所定量に制御する電流生成回路
   を含むことを特徴とする電流安定化回路。
2. 該電流生成回路は、
   該所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを入力とする差動増幅器と、
   該差動増幅器の出力にゲート端が接続されたトランジスタ
   を含み、該トランジスタと該所定の抵抗とは直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電流安定化回路。
3. 該定電圧供給回路は、外部から受け取る安定した電源電圧を該一定の電圧として供給することを特徴とする請求項１記載の電流安定化回路。
4. 該定電圧供給回路は、バンドギャップリファレンス回路であることを特徴とする請求項１記載の電流安定化回路。
5. 該所定量の電流に基づいて該所定量の定倍の電流量の電流を生成するカレントミラー回路を更に含むことを特徴とする請求項１記載の電流安定化回路。
6. 一定の電圧を供給する定電圧供給回路と、
   該定電圧供給回路に結合され、該一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、該電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを比較することで、フィードバック制御により該電流の電流量を所定量に制御する電流生成回路と、
   該電流生成回路に結合される容量と、
   固体撮像素子と、
   該電流生成回路が生成する電流により放電して電圧が減少する該容量の電圧値を該固体撮像素子から読み出した画素電圧と比較することで該画素電圧をアナログ・デジタル変換するアナログ・デジタル変換回路
   を含むことを特徴とする固体撮像装置。
7. 該定電圧供給回路は、バンドギャップリファレンス回路であることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 該電流生成回路は該所定量の電流に基づいて該所定量の定倍の電流量の電流を生成するカレントミラー回路を更に含み、該容量から放電する電流は該カレントミラー回路が生成した電流であることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
9. 定電圧供給回路の電圧値を抵抗に与えることにより定まる定電流を生成する定電流回路において、
   前記定電圧供給回路が、
   定電圧源と、
   前記抵抗に与える電圧値をフィードバックし、該定電圧源に基づく定電圧値と等しくなるように、該抵抗に与える電圧値を制御する電圧制御手段と
   を有することを特徴とする定電流回路。
10. 定電圧供給回路から一定の電圧を供給し、
    該一定の電圧に応じた所定の電圧に基づいて電流を生成し、
    該電流に応じて所定の抵抗に発生する電圧と該所定の電圧とを比較することでフィードバック制御により該電流の電流量を所定量に制御する
    各段階を含むことを特徴とする電流安定化方法。
    

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