JP2008060708A - 固体撮像装置及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度時に画素に最も近いコラム部において信号を増幅することができ、構成素子数及び当該構成素子間の配線数の少ないコラムアンプを備える固体撮像装置を提供する。
【解決手段】コラムアンプ５は、電流源となるＭＯＳトランジスタＴ１と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに並列に接続される第１の増幅部Ａ＿１及び第２の増幅部Ａ＿２とを備える。第１の増幅部Ａ＿１は、増幅トランジスタＴ５と、カスコードトランジスタＴ２とを含む。一方、第２の増幅部Ａ＿２は、増幅トランジスタＴ５とは利得が異なる増幅トランジスタＴ６と、カスコードトランジスタＴ３を含む。制御電圧Ｖｂ１及びＶｂ２に応じて、第１の増幅部Ａ＿１及び第２の増幅部Ａ＿２の一方または両方が選択されるので、少ない素子数でコラムアンプ５のゲインを切り替えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置及びこれを用いた撮像装置に関し、より特定的には、画素列毎にアンプが設けられる固体撮像装置と、当該固体撮像装置を備える撮像装置とに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサから信号を読み出すための様々な方式が提案されている。一般的には、画素アレイの複数の行から１行ずつ順に選択し、選択された１行に整列する画素の各々から同時に信号を読み出す列並列出力方式が採用される。

この列並列出力方式が採用されたＣＭＯＳイメージセンサは、信号出力回路として、例えば、画素の出力をスイッチドキャパシタでサンプリングして読み出す回路、または、列毎に設けられる複数のＡＤコンバータを有する回路、または、列毎に設けられる複数のアンプ（例えば、シングルエンドアンプ）を有する回路等を備える（特許文献１及び２参照）。

例えば、特許文献１には、電流源として機能するＭＯＳトランジスタと、増幅用ＭＯＳトランジスタとから構成されるシングルエンドアンプについて記載されている。特許文献１に記載されているように、画素列毎にアンプが設けられた固体撮像装置においては、画素のオフセット電圧を除去して信号成分だけを容易に取り出すこと、また、読み出し時のゲインを容量素子の比によって任意に設定することが可能である。
特開平５−２０７２２０号公報 特開２００５−１７５５１７号公報（図１４）

従来、イメージセンサの画素列毎に設けられるコラムアンプのゲインは一定に固定されているので、イメージセンサの出力信号レベルは、照度に応じて低下する。したがって、従来のイメージセンサを低照度下で使用した場合には、十分なダイナミックレンジを得ることができない。そこで、従来のイメージセンサでは、所望のダイナミックレンジを確保するために、イメージセンサとＡＤコンバータとの間に可変ゲインアンプ等を設け、当該可変ゲインアンプ等において、イメージセンサの出力が増幅される。

しかしながら、このような構成では、イメージセンサから可変ゲインアンプ等に至るまでの信号経路上で信号に混入したノイズや、電源ノイズ、アンプノイズ等も同様に増幅されるため、Ｓ／Ｎの低下を免れることができない。

したがって、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎの向上の観点では、イメージセンサの使用時の光量に応じて、画素から読み出された信号を可能な限り画素の近い部分でゲインアップできることが望ましい。

ただし、近年、チップサイズの縮小や画素数の増加に対する要請から、イメージセンサの画素アレイピッチの微細化が急速に進んでいる。画素アレイピッチが微細化されたイメージセンサにおいて、画素列毎にコラムアンプがレイアウトされる場合、コラムアンプの構成素子数の増加は、レイアウト面積の増大を招く。また、構成素子数の増加に伴って構成素子間の配線数が多くなると、微細な画素アレイピッチに配線を形成することが困難となるので、配線を多層化する必要性が新たに生じる。イメージセンサにおける配線数増加は、感度低下や入射角特性の劣化を招き、画質面での致命的なデメリットに繋がる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、低照度時に画素に最も近いコラム部において信号を増幅することができ、構成素子数及び当該構成素子間の配線数の少ないコラムアンプを備える固体撮像装置を提供することを目的とする。

更に、本発明は、このような固体撮像装置を備える撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、行方向及び列方向に配列される複数の画素と、同一列に整列する画素の各々に接続される複数の垂直信号線と、垂直信号線の各々に接続され、かつ、外部から供給される利得切替信号に基づいて選択され利得が異なる第１及び第２の増幅部を含む複数のコラムアンプとを備える。

このような構成によれば、コラムアンプの利得が可変であるので、撮像時の光量が少ない場合でも、画素から出力される信号をコラムアンプでゲインアップすることによって、ダイナミックレンジとＳ／Ｎとの両方を向上することができる。

好ましくは、第１の増幅部は、第１の利得を有する第１の増幅トランジスタと、第１の増幅トランジスタと電流源との間にカスコード接続される第１のカスコードトランジスタとを含み、第２の増幅部は、第１の利得とは異なる第２の利得を有する第２の増幅トランジスタと、第２の増幅トランジスタと電流源との間にカスコード接続される第２のカスコードトランジスタとを含む。この場合、コラムアンプの各々に含まれる複数の第１のカスコードトランジスタのゲートは、共通接続され、コラムアンプの各々に含まれる複数の第２のカスコードトランジスタのゲートは、共通接続されることが更に好ましい。

このような構成によれば、コラムアンプの構成素子数及び構成素子間の配線数の増加が抑えられるので、素子サイズ及び素子配置ピッチの微細化が可能となる。

本発明に係る固体撮像装置は、第１及び第２のカスコードトランジスタのゲートに接続され、利得切替信号に従って、第１及び第２のカスコードトランジスタの一方または両方を選択する選択回路を更に備えていても良い。

本発明に係る固体撮像装置によれば、互いに利得の異なる増幅部の一方または両方を選択することによって、コラムアンプの利得を切り替えることができるので、光量が少ない場合でも、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎを向上することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。

図１に示される固体撮像装置１００は、（ｎ×ｍ）の行列状に配列される複数の画素ＧＳを有する画素アレイ１と、同一列に整列する画素ＧＳの各々に接続される複数の垂直信号線ＶＬ１〜ＶＬｍと、垂直信号線ＶＬ１〜ＶＬｍの各々に接続され、互いに異なる２以上の増幅率を切り替え自在の複数のコラムアンプ５と、コラムアンプ５の増幅率を切り替えるために、コラムアンプ５の各々に制御電圧（Ｖｂ１、Ｖｂ２）を出力する電流制御用バイアス回路１０とを備える。

また、固体撮像装置１００は、複数の信号線Ｌ１〜Ｌｎを介して画素ＧＳの各々に接続される垂直走査回路３と、コラムアンプ５の各々に接続されるノイズキャンセル部６と、ノイズキャンセル部６に接続される水平読出部７と、水平読出部７を行方向に走査する水平走査回路８と、水平読出部７から後段の回路等に画像出力信号を出力する出力回路４とを備える。

尚、固体撮像装置１００の駆動時には、垂直走査回路３と、出力回路４と、水平走査回路８とのそれぞれには、タイミングジェネレータ２から制御パルスが供給される。また、コラムアンプ５のゲインを切り替えるため、電流制御用バイアス回路１０には、タイミングジェネレータ２からゲイン切り替え信号Ｇａｉｎｓｗが供給される。

尚、コラムアンプ５と、電流制御用バイアス回路１０以外の各要素の構成には、あらゆる構成が適用可能である。

図２は、図１に示されるコラムアンプの回路図である。図２には、ｋ列目に設けられる垂直信号線ＶＬｋに接続されるコラムアンプのみが示されている（ただし、ｋは、ｍ以下の自然数である）。

コラムアンプ５は、電流源となるＭＯＳトランジスタＴ１と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに接続され、互いに異なる利得を有する第１の増幅部Ａ＿１及び第２の増幅部Ａ＿２とを含む。電流源のＭＯＳトランジスタＴ１のゲートには、ソース−ドレイン間に所望の電流が流れるように設定されたバイアス電圧Ｖｂ１が供給されている。

また、図２に示されるように、コラムアンプ５は、ＭＯＳトランジスタＴ１と、第１の増幅部Ａ＿１及び第２の増幅部Ａ＿２との接続点において、ＭＯＳトランジスタＴ４とキャパシタＣ１とを介して、垂直信号線ＶＬｋに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ４は、コラムアンプ５の入出力端子をリセットするために設けられている。また、キャパシタＣ１は、垂直信号線ＶＬｋ上に出力された画素信号のオフセットをカットして、画素信号の振幅のみを後段のノードＶｉｎに伝達する。

第１の増幅部Ａ＿１は、垂直信号線ＶＬｋからノードＶｉｎに出力された画素信号を第１の利得で増幅する増幅トランジスタＴ５と、増幅トランジスタＴ５とＭＯＳトランジスタＴ１との間にカスコード接続されるカスコードトランジスタＴ２とを含む。

第２の増幅部Ａ＿２は、同様に、垂直信号線ＶＬｋからノードＶｉｎに出力された画素信号を、第２の利得で増幅する増幅トランジスタＴ６と、増幅トランジスタＴ６とＭＯＳトランジスタＴ１との間にカスコード接続されるカスコードトランジスタＴ３とを含む。ただし、増幅トランジスタＴ６の第２の利得は、増幅トランジスタＴ５の第１の利得とは異なっている。

また、各列のコラムアンプ５に含まれている各増幅トランジスタＴ５のゲートは、電流制御用バイアス回路１０の電圧供給点Ｖｂ１に共通接続されている。同様に、各列のコラムアンプ５に含まれている各増幅トランジスタＴ５のゲートは、電流制御用バイアス回路１０の電圧供給点Ｖｂ２に共通接続されている。

図３は、図１に示される電流制御用バイアス回路の一例を示す回路図である。

電流制御用バイアス回路１０は、インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３と、ＭＯＳトランジスタＴ７〜Ｔ１２とから構成され、タイミングジェネレータ２から出力されるゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗのレベルに応じて、電圧供給点Ｖｂ１及びＶｂ２の一方を所定の電源に接続し、他方を接地する。

ここで、図２及び３を併せて参照して、電流制御用バイアス回路１０がタイミングジェネレータ２から出力されるゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗのレベルに応じて、電圧供給点Ｖｂ１またはＶｂ２のいずれか一方にカスコード電圧を供給すると、コラムアンプ５において、互いに利得が異なる第１の増幅部Ａ＿１及び第２の増幅部Ａ＿２のうち一方が選択される。この結果、コラムアンプ５は、垂直信号線ＶＬｋ上に出力された画素信号を、選択された増幅部の利得で増幅し、増幅された信号をＶｏｕｔ１から出力する。

例えば、ゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗがハイレベルの場合には、電流制御用バイアス回路１０は、電圧供給点Ｖｂ１及びＶｂ２に所定のカスコード電圧とＧＮＤ電圧とをそれぞれ供給して、コラムアンプ５の第１の増幅部Ａ＿１を選択する。逆に、ゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗがローレベルの場合には、コラムアンプ５の第２の増幅部Ａ＿２が選択される。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るコラムアンプの変形例を示す回路図である。

図４に示されるコラムアンプ５は、電流源となるＭＯＳトランジスタＴ１に並列接続される第１〜第Ｎの増幅部Ａ＿１〜Ａ＿Ｎを備える。第１〜第Ｎの増幅部Ａ＿１〜Ａ＿Ｎの各々に含まれるカスコードトランジスタのゲートには、少なくともＮ通りの制御電圧Ｖｂ１〜ＶｂＮを出力する電流制御用バイアス回路に接続されていれば良い。図４に示されるコラムアンプによれば、設定可能なゲインのレベル数が増えるので、固体撮像装置の使用状況に対応して、コラムアンプ５のゲインをより細やかに調整することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、互いに利得の異なる複数の増幅部Ａ＿１〜Ａ＿Ｎを含むコラムアンプ５を備える。コラムアンプ５の利得は、タイミングジェネレータ２から供給されるゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗに基づいて、電流制御用バイアス回路１０によって切り替えることができる。

したがって、例えば、通常照度下において撮像された画素信号と、低照度下において撮像された画素信号とをそれぞれ必要なレベルにまで増幅できるように、コラムアンプ５に含まれる増幅トランジスタＴ５及びＴ６を用意しておけば、画素に近いコラム部において、画素信号をゲインアップすることが可能となる。したがって、固体撮像装置１００の出力のみで、十分なダイナミックレンジを確保し、かつ、良好なＳ／Ｎを得ることが可能となる。

また、従来のインバータアンプにカスコードトランジスタＴ２及びＴ３を挿入することによって、小面積でコラムアンプのオープンループゲインを大きくすることができると共に、増幅トランジスタＴ５及びＴ６のトランジスタ特性を安定化させることができるので、コラムアンプ５同士のゲインのバラツキが抑制される。

更に、本実施形態に係るコラムアンプ５は、構成素子数が少なく、また、フィードバック容量も必要としないので、コラムアンプ５を構成するために必要な配線数が低減される。したがって、画素の構成素子及びその配置ピッチが微細化される場合でも、画素列毎にコラムアンプ５をレイアウトすることが容易となる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。尚、図５においては、固体撮像装置１００が備える構成要素のうち、一部のみが示されている。

撮像装置１１０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と、固体撮像装置１００から出力されたアナログ信号に対してノイズ低減処理や増幅処理を施す前置処理回路１０１と、処理済みのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０２と、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１０３と、画像データを表示装置等に表示する画像出力部１０４と、タイミングジェネレータ２と、コラムアンプ５のゲインを切り替えるための操作部として、ゲイン切替スイッチ（図示せず）とを備える。

本実施形態においては、ＤＳＰ１０３は、Ａ／Ｄ変換器１０２から出力されるディジタル信号に様々な画像処理を施すと共に、固体撮像装置１００を駆動するために必要な駆動信号を生成して、タイミングジェネレータ２に供給する。また、ＤＳＰ１０３は、ユーザによるゲイン切替スイッチ（図示せず）の操作に応答して、ゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗの生成をタイミングジェネレータ２に指示する。

タイミングジェネレータ２は、ＤＳＰ１０３からの指示に応答して、ゲイン切替スイッチの操作に対応したレベルのゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗを電流制御用バイアス回路１０に出力する。

上述したように、電流制御用バイアス回路１０は、タイミングジェネレータ２から出力されるゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗのレベルに応じて、コラムアンプ５のゲインを切り替える。したがって、本実施形態に係る撮像装置１１０は、ユーザ操作に応答して、コラムアンプ５のゲインを自在に切り替えることが可能となる。

例えば、ゲイン切替スイッチがＯＦＦの場合に、コラムアンプ５が第１のゲインで画素信号を増幅し、ゲイン切替スイッチがＯＮの場合に、コラムアンプ５が第１のゲインより大きな第２のゲインで画素信号を増幅する。この場合、ユーザは、通常の照度下では、ゲイン切替スイッチがＯＦＦの状態で撮像装置１１０を使用し、低照度下では、ゲイン切替スイッチをＯＮに切り替えた状態で撮像装置１１０を使用すれば良い。

以上のように、本実施形態に係る撮像装置１１０は、タイミングジェネレータ２から供給されるゲイン切替信号Ｇａｉｎｓｗに基づいて、コラムアンプ５のゲインを切り替えることによって、撮影感度を増減することができる。それ故に、本実施形態によれば、撮像時の光量が少ない場合においても、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎに優れた画像を撮影できる撮像装置を実現することができる。

尚、上記の第１の実施形態においては、電流制御用バイアス回路は、複数の増幅部から１つを選択するように構成されているが、２以上の増幅部を同時に選択するように構成されていても良い。

また、上記の第１の実施形態においては、電流制御用バイアス回路の回路構成が特定されているが、電流制御用バイアス回路の構成は特に限定されるものではない。

更に、上記の第２の実施形態においては、ゲインを切り替えるためのユーザ操作をＤＳＰが受け付けているが、ゲインを切り替えるためのユーザ操作を受け付ける受付部を更に備えていても良い。また、タイミングジェネレータがゲインを切り替えるためのユーザ操作を直接受け付けても良い。

更に、上記の第２の実施形態においては、前置処理回路１０１及びＡ／Ｄ変換器１０２が固体撮像装置１００に内蔵されていないが、内蔵されていても良い。

本発明は、低照度下における固体撮像装置のＳ／Ｎ改善に有効であるので、例えば、ディジタルカメラや携帯電話機等に内蔵される固体撮像装置等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図 図１に示されるコラムアンプの回路図 図１に示される電流制御用バイアス回路の一例を示す回路図 本発明の第１の実施形態に係るコラムアンプの変形例を示す回路図 本発明の第２の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図

符号の説明

１ 画素アレイ
２ タイミングジェネレータ
３ 垂直操作回路
４ 出力回路（アンプ）
５ コラムアンプ
６ ノイズキャンセル部
７ 水平読出部
８ 水平走査回路
１０ 電流制御用バイアス回路
１００ 固体撮像装置
１１０ 撮像装置

Claims (4)

1. 固体撮像装置であって、
   行方向及び列方向に配列される複数の画素と、
   同一列に整列する前記画素の各々に接続される複数の垂直信号線と、
   前記垂直信号線の各々に接続され、かつ、外部から供給される利得切替信号に基づいて選択され利得が異なる第１及び第２の増幅部を含む複数のコラムアンプとを備える、固体撮像装置。
2. 前記第１の増幅部は、
   第１の利得を有する第１の増幅トランジスタと、
   前記第１の増幅トランジスタと電流源との間にカスコード接続される第１のカスコードトランジスタとを含み、
   前記第２の増幅部は、
   第１の利得とは異なる第２の利得を有する第２の増幅トランジスタと、
   前記第２の増幅トランジスタと電流源との間にカスコード接続される第２のカスコードトランジスタとを含み、
   前記コラムアンプの各々に含まれる複数の第１のカスコードトランジスタのゲートは、共通接続され、
   前記コラムアンプの各々に含まれる複数の第２のカスコードトランジスタのゲートは、共通接続されることを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１及び第２のカスコードトランジスタのゲートに接続され、前記利得切替信号に従って、前記第１及び第２のカスコードトランジスタの一方または両方を選択する選択回路を更に備える、請求項３に記載の固体撮像装置。
4. 撮像装置であって、
   行方向及び列方向に配列される複数の画素と、同一列に整列する前記画素の各々に接続される複数の垂直信号線と、前記垂直信号線の各々に接続され、かつ、外部から供給される利得切替信号に基づいて切替自在で利得が異なる第１及び第２の増幅部を含む複数のコラムアンプとを有する固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置に前記利得切替信号を出力する利得切替指示部とを備える、撮像装置。
   
   

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