JP2008085479A - Solid-state imaging apparatus and digital camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を入射して光電変換する単位セルが、半導体基板上に1次元又は2次元に配置してなる固体撮像装置及び当該固体撮像装置を備えるデジタルカメラに関し、特に、ゲインのばらつきを抑制するための技術に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which unit cells for photoelectric conversion upon incidence of light are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, and a digital camera including the solid-state imaging device, in particular, gain variation. It is related with the technique for suppressing.
近年、デジタルカメラ付き携帯電話等の撮像機器が一般に普及している。
これらの撮像機器は、軽量化及び連続使用時間を延ばす為に消費電力を抑えることが必須であるので、CCD型撮像素子と比べ消費電力が著しく低いMOS型撮像素子を搭載しているものが多い。
ここで、CMOSイメージセンサの信号読み出し方式は、画素アレイの中のある一行を選択しそれらを同時に列方向へと読み出す列並列出力型が一般的である。
In recent years, imaging devices such as mobile phones with digital cameras have been widely used.
Since these image pickup devices are required to reduce power consumption in order to reduce weight and extend continuous use time, many of them are equipped with MOS type image pickup devices that consume significantly less power than CCD type image pickup devices. .
Here, the signal readout method of the CMOS image sensor is generally a column parallel output type in which one row in the pixel array is selected and simultaneously read in the column direction.
上記列並列出力型の信号出力回路は、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方式のもの、列毎にアンプを搭載して読み出す方式のもの、及びADコンバータを列毎に設ける方式のもの等がある。
上記列毎にアンプを搭載して読み出す方式のものは、例えばシングルエンドアンプを用いたものであり、特許文献1及び特許文献2にその詳細が開示されている。
The column parallel output type signal output circuit includes a method of reading out pixel output by sampling with a switched capacitor, a method of reading by mounting an amplifier for each column, and a method of providing an AD converter for each column. There are things.
For example, a single-ended amplifier is used for reading by mounting an amplifier for each column, and details thereof are disclosed in
特許文献1では、電流源のMOSトランジスタ及び増幅用のMOSトランジスタで構成されるシングルエンドアンプについて記載されており、このような構成においては、画素毎にオフセット電圧を除去して信号成分だけを取り出すことが可能であり、また読み出しのゲインを容量素子の比で任意に設定可能であることが記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載されているようなソース接地型のアンプの回路構成では、ゲインが低いという短所がある。
However, the circuit configuration of the common source amplifier as described in
また特許文献2には、ソース接地型のアンプの回路構成にカスコード接続のトランジスタを付加することで、特許文献1のようなソース接地型のアンプの回路構成におけるゲインが低いという短所を克服した固体撮像装置が記載されている。
しかしながらカスコード接続のトランジスタを制御するためのトランジスタや電流源が付加されることで、回路を構成する素子数および素子間の配線数が増加するという短所がある。
However, the addition of a transistor or a current source for controlling a cascode-connected transistor increases the number of elements constituting the circuit and the number of wirings between the elements.
近年のCMOSイメージセンサは、高画素化やチップサイズの縮小化が急速に進んでいるため、各画素のサイズが微細化している。1画素あたりのサイズが微細化すると、受光量が減少するので感度が低下する傾向があり、出力段のアンプのゲインを従来よりもさらに高める必要がある。
しかしながら、アンプのゲインを高めるほどゲインのばらつきが顕著になる。
In recent CMOS image sensors, the number of pixels is miniaturized because the number of pixels and the chip size are rapidly decreasing. If the size per pixel is miniaturized, the amount of received light decreases, so that the sensitivity tends to decrease, and it is necessary to further increase the gain of the amplifier in the output stage.
However, the gain variation becomes more significant as the gain of the amplifier is increased.
また、同形式のアンプを複数用いると、入力電圧の増加に対するゲインの変動が重複し、トータルゲインの変動が相乗的に大きくなり、画素信号の全般にわたって良好な感度を得ることができない。
本発明は、高ゲインを実現しつつ、ゲインのばらつきを抑制することができる固体撮像装置を提供することを第1の目的とし、また、トータルゲインの変動をフラットに近づけることを第2の目的とする。
In addition, when a plurality of amplifiers of the same type are used, gain fluctuations with respect to an increase in input voltage overlap, and the total gain fluctuations increase synergistically, and good sensitivity cannot be obtained over the entire pixel signal.
The first object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing gain variation while realizing a high gain, and a second object of bringing the fluctuation of the total gain close to flat. And
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を出力する単位セルが複数個配列された画素アレイ部と、1列の単位セルに共通に接続され、列毎に、該当列中のいずれかの単位セルから出力される画素信号を増幅して出力するカラムアンプ部と、前記カラムアンプに1対1で接続され、列毎に、単位セル毎に画素信号からオフセット電圧を除去して出力するノイズキャンセル部と、前記ノイズキャンセル部に接続され、前記ノイズキャンセル部から出力された各列毎の画素信号を順次選択して出力する水平読出部と、前記水平読出部に接続され、前記水平読出部から出力された画素信号を増幅して出力する出力アンプとを備える固体撮像装置であって、前記カラムアンプは、列毎に、電流源となる電流源トランジスタと、前記画素信号を増幅する第1増幅トランジスタとを含み、前記出力アンプは、負荷となる負荷トランジスタと、水平読出部から出力される画素信号を増幅する第2増幅トランジスタとを含み、前記電流源トランジスタ、前記第1増幅トランジスタ、前記負荷トランジスタ、及び前記第2増幅トランジスタの全てが、同一プロセスにおいて形成されるMOSトランジスタにより構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention is connected in common to a pixel array unit in which a plurality of unit cells that output pixel signals corresponding to the amount of received light are arranged, and one column of unit cells. A column amplifier unit that amplifies and outputs a pixel signal output from one of the unit cells in the corresponding column for each column, and is connected to the column amplifier on a one-to-one basis. A noise canceling unit for removing the offset voltage from the pixel signal and outputting the output, a horizontal reading unit connected to the noise canceling unit and sequentially selecting and outputting the pixel signal for each column output from the noise canceling unit; A solid-state imaging device including an output amplifier connected to the horizontal readout unit and configured to amplify and output a pixel signal output from the horizontal readout unit, wherein the column amplifier is a current that is a current source for each column. source A first amplifying transistor for amplifying the pixel signal; and the output amplifier includes a load transistor as a load and a second amplifying transistor for amplifying the pixel signal output from a horizontal readout unit, The current source transistor, the first amplifying transistor, the load transistor, and the second amplifying transistor are all configured by MOS transistors formed in the same process.
課題を解決するための手段に記載した構成により、製造ばらつきに拠るゲインのばらつきを抑制することができる。
従って、高ゲインを実現しつつ、ゲインのばらつきを抑制することができる。
ここで、固体撮像装置において、前記電流源トランジスタ、前記第1増幅トランジスタ、前記負荷トランジスタ、及び前記第2増幅トランジスタの全てが、NチャネルMOSであることを特徴とすることもできる。
With the configuration described in the means for solving the problem, it is possible to suppress gain variation due to manufacturing variation.
Therefore, gain variation can be suppressed while realizing a high gain.
Here, in the solid-state imaging device, all of the current source transistor, the first amplification transistor, the load transistor, and the second amplification transistor may be N-channel MOS.
これにより、増幅にかかるMOSトランジスタをNチャネルMOSに統一することができる。
ここで、固体撮像装置において、前記電流源トランジスタ、前記第1増幅トランジスタ、前記負荷トランジスタ、及び前記第2増幅トランジスタの全てが、エンハンスメント型であることを特徴とすることもできる。
As a result, the MOS transistors for amplification can be unified to N-channel MOS.
Here, in the solid-state imaging device, all of the current source transistor, the first amplification transistor, the load transistor, and the second amplification transistor may be an enhancement type.
これにより、増幅にかかるMOSトランジスタをエンハンスメント型に統一することができる。
ここで、固体撮像装置において、前記出力アンプにおいて、前記負荷トランジスタのゲート端子には、前記負荷トランジスタのソース端子に印加されている電源電圧よりも高い電圧が印加されていることを特徴とすることもできる。
Thereby, the MOS transistors for amplification can be unified into the enhancement type.
Here, in the solid-state imaging device, in the output amplifier, a voltage higher than a power supply voltage applied to a source terminal of the load transistor is applied to a gate terminal of the load transistor. You can also.
これにより、負荷トランジスタによる電圧のドロップ分を抑制することができるので、特に有用である。
ここで、固体撮像装置において、前記カラムアンプにおいては、前記第1増幅トランジスタによる出力電位が、前記画素信号が大きくなるとともに増加し、かつ前記出力アンプにおいては、前記第2増幅トランジスタによる出力電位が、前記画素信号が大きくなるとともに減少することを特徴とすることもできる。
This is particularly useful because the voltage drop caused by the load transistor can be suppressed.
Here, in the solid-state imaging device, in the column amplifier, the output potential of the first amplification transistor increases as the pixel signal increases, and in the output amplifier, the output potential of the second amplification transistor increases. The pixel signal may be reduced as it increases.
これにより、カラムアンプの極性と出力アンプの極性が反対なので、カラムアンプと出力アンプとのゲイン特性の弱点を補い合うことができる。
ここで、固体撮像装置において、前記出力アンプは、さらに、前記第2増幅トランジスタの前段に接続されたレベルシフトトランジスタを含み、前記出力アンプの入出力特性は、前記レベルシフトトランジスタによって、前記カラムアンプの入出力特性に比べて、入力電位の高い側へシフトしていることを特徴とすることもできる。
Thereby, since the polarity of the column amplifier and the polarity of the output amplifier are opposite, the weak point of the gain characteristic between the column amplifier and the output amplifier can be compensated.
Here, in the solid-state imaging device, the output amplifier further includes a level shift transistor connected in front of the second amplification transistor, and the input / output characteristics of the output amplifier are determined by the level shift transistor and the column amplifier. Compared to the input / output characteristics, the shift to the higher input potential side is also possible.
これにより、一方のアンプを、画素信号に対して、ゲインの高いところからゲインが下がる方向に使用し、もう一方のアンプを、画素信号に対して、ゲインの低いところからゲインが上がる方向に使用することができるので、トータルゲインの変動をフラットに近づけることができる。
ここで、固体撮像装置において、前記カラムアンプにおいては、前記第1増幅トランジスタによる出力電位が、前記画素信号が大きくなるとともに減少し、かつ前記出力アンプにおいては、前記第2増幅トランジスタによる出力電位が、前記画素信号が大きくなるとともに増加することを特徴とすることもできる。
As a result, one amplifier is used in a direction where the gain decreases from a high gain to the pixel signal, and the other amplifier is used in a direction where the gain increases from a low gain to the pixel signal. Therefore, the fluctuation of the total gain can be made close to flat.
Here, in the solid-state imaging device, in the column amplifier, the output potential of the first amplification transistor decreases as the pixel signal increases, and in the output amplifier, the output potential of the second amplification transistor decreases. The pixel signal increases as the pixel signal increases.
これにより、カラムアンプの極性と出力アンプの極性が反対なので、カラムアンプと出力アンプとのゲイン特性の弱点を補い合うことができる。
ここで、固体撮像装置において、前記カラムアンプは、さらに、前記第1増幅トランジスタの前段に接続されたレベルシフトトランジスタを含み、前記カラムアンプの入出力特性は、前記レベルシフトトランジスタによって、前記出力アンプの入出力特性に比べて、入力電位の高い側へシフトしていることを特徴とすることもできる。
Thereby, since the polarity of the column amplifier and the polarity of the output amplifier are opposite, the weak point of the gain characteristic between the column amplifier and the output amplifier can be compensated.
Here, in the solid-state imaging device, the column amplifier further includes a level shift transistor connected in front of the first amplification transistor, and the input / output characteristics of the column amplifier are determined by the level shift transistor and the output amplifier. Compared to the input / output characteristics, the shift to the higher input potential side is also possible.
これにより、一方のアンプを、画素信号に対して、ゲインの高いところからゲインが下がる方向に使用し、もう一方のアンプを、画素信号に対して、ゲインの低いところからゲインが上がる方向に使用することができるので、トータルゲインの変動をフラットに近づけることができる。 As a result, one amplifier is used in a direction where the gain decreases from a high gain to the pixel signal, and the other amplifier is used in a direction where the gain increases from a low gain to the pixel signal. Therefore, the fluctuation of the total gain can be made close to flat.
(実施の形態1)
<構成>
図1は、本発明の実施の形態1における撮像装置100の概要を示す図である。
図1に示すように、本発明の実施の形態1における撮像装置100は、画素アレイ1、タイミングジェネレータ2、垂直走査回路3、負荷回路4、カラムアンプ5、ノイズキャンセル部6、水平読み出し部7、水平走査回路8、出力アンプ9から構成される。
(Embodiment 1)
<Configuration>
FIG. 1 is a diagram showing an overview of an imaging apparatus 100 according to
As shown in FIG. 1, the imaging apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention includes a
なお、タイミングジェネレータ2、カラムアンプ5、ノイズキャンセル部6を除く他の構成要素の詳細は特許文献2と同様である。
画素アレイ1は、初期化時の電圧であるリセット電圧及び読み出し時の電圧であるリード電圧を、列毎にそれぞれ垂直信号線VLA1〜VLAmに出力する単位セルが1次元又は2次元上に配列された撮像領域であり、ここでは記載を簡略化しているが、実際の画素数は、1次元で数千個、2次元で数十万〜数百万個程度である。
The details of the other components except for the
In the
タイミングジェネレータ2は、垂直走査回路3、カラムアンプ5、ノイズキャンセル部6、水平走査回路8、及び出力アンプ9に制御信号を供給して駆動及び制御する周辺回路であり、外部から撮影指示が入力されるのを待ち、撮影指示が入力されると、適切な露光時間の経過後に全ての単位セルから順次輝度情報を読み出させる。
ここで、タイミングジェネレータ2からは、垂直走査回路3へリセットパルス(初期化信号:RESET)、及び、リードパルス(読み出しパルス:READ)が、ノイズキャンセル部6へサンプリングパルス(SP)、及び、クランプパルス(CP)が決められたタイミングで供給され、これら各制御パルスにそれぞれ対応するトランジスタが開閉(OFF/ON)される。
The
Here, from the
垂直走査回路3は、横1行毎に、“RESET”、“READ1”、“READ2”の3本の制御線(L1〜Ln)を備え、画素アレイ1の画素に対して、行単位で、リセット(初期化)、リード(読み出し)を制御する。
負荷回路4は、縦1列毎に同一の回路が1個接続されており、出力電位を読み出す為に、列単位で画素アレイ1の各画素に負荷をかける回路である。
The vertical scanning circuit 3 includes three control lines (L1 to Ln) of “RESET”, “READ1”, and “READ2” for each horizontal row, and for each pixel of the
The load circuit 4 is connected to one identical circuit for each vertical column, and applies a load to each pixel of the
カラムアンプ5は、列毎に同一の回路が1個接続されており、画素アレイ1からの列単位のリセット電圧及びリード電圧を増幅して順次、列毎に垂直信号線VLB1〜VLBmに出力する。
図2は、本発明の実施の形態1におけるカラムアンプ5の回路構成を示す図である。
図2に示すように、カラムアンプ5は、画素信号が大きくなるとともに出力電位が増加する負極のアンプであり、電源電圧VDDと出力端子との間に接続され電流源となる電流源トランジスタT1、画素信号を増幅する増幅トランジスタT2、増幅トランジスタT2のゲート端子と出力端子とを一定時間閉じてリセットをかけるリセットトランジスタT3、及び、輝度情報を蓄積するコンデンサC1を含む。ここで、電流源トランジスタT1のゲートには電源電圧よりも高い電圧Vb1が印加され、リセットトランジスタT3のゲートにはリセット信号線が接続され、コンデンサC1には入力信号線が接続され、電流源トランジスタT1と増幅トランジスタT2の間には出力信号線が接続されている。
The
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the
As shown in FIG. 2, the
図3は、カラムアンプ5の入出力特性(Vin1−Vout1特性)を示す図である。
図3に示すように、カラムアンプ5の入出力特性は入力に対して一様ではなく、入力電位(Vin1)が中間のあたりでは、出力電位(Vout1)は入力電位(Vin)に応じて十分に変化するが、入力電位(Vin1)が低い場合及び高い場合には、入力電位(Vin1)に対する出力電位(Vout1)の変化量が小さい。
FIG. 3 is a diagram showing input / output characteristics (Vin1-Vout1 characteristics) of the
As shown in FIG. 3, the input / output characteristics of the
本実施の形態では、入力電位(Vin1)が図3中のVA1の状態において、図2におけるリセットトランジスタT3のゲートを一定時間閉じてリセットをかけ、その後増幅トランジスタT2のベース電位の変動量(ΔVin1)に応じた出力電位の変動量(ΔVout1)を得ることとし、図3中のVA1からVB1までの間が動作領域となる(図3中の太線矢印)。 In this embodiment, in the state where the input potential (Vin1) is VA1 in FIG. 3, the gate of the reset transistor T3 in FIG. 2 is closed for a predetermined time to be reset, and then the amount of change in the base potential of the amplification transistor T2 (ΔVin1 ) To obtain an amount of fluctuation (ΔVout1) of the output potential, and an operation region is from VA1 to VB1 in FIG. 3 (thick arrow in FIG. 3).
ここでカラムアンプ5は負極のアンプなので、リセット後、時間tが経過するにつれて、入力電圧Vin1は負方向へ向かう。
図4は、カラムアンプ5のゲイン特性(Vin1−G1特性:G1=ΔVout1/ΔVin1)を示す図である。
図4に示すように、カラムアンプ5のゲインは入力に対して一定ではなく、ゲインG1は図3に示したVin1−Vout1特性の傾きに相当するので、入力電位(Vin1)が中間のあたりでゲインG1が高く、入力電位(Vin1)が低い場合及び高い場合にはゲインG1は低い。
Here, since the
FIG. 4 is a diagram illustrating the gain characteristics (Vin1-G1 characteristics: G1 = ΔVout1 / ΔVin1) of the
As shown in FIG. 4, the gain of the
本実施の形態では、Vin1−Vout1特性の傾きが最も大きいVA1(図3)の時の入力電圧Vin1aにおいて最高のゲインGA1が得られ、カラムアンプ5は負極のアンプなので、リセット後、入力電圧Vin1が負方向へ向かうにつれてゲインG1は下がり、VB1(図3)の時の入力電圧Vin1bにおいて最も低いゲインGB1が得られる(図4中の太線矢印)。
In the present embodiment, the highest gain GA1 is obtained in the input voltage Vin1a at the time of VA1 (FIG. 3) having the largest slope of the Vin1-Vout1 characteristic, and the
ノイズキャンセル部6は、カラムアンプ5より列毎に出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す輝度情報を、それぞれ列毎の垂直信号線VLC1〜VLCmに出力する。
水平読み出し部7は、水平信号線HLと、当該水平信号線HLと垂直信号線VLC1〜VLCmのそれぞれとの接続を水平走査回路8の制御に基づいて切り替えるスイッチSW1〜SWmを備え、ノイズキャンセル部6より出力される列毎の輝度情報を、選択的に水平信号線HLに出力する。
The
The
水平走査回路8は、水平読み出し部7のスイッチSW1〜SWmを順次切り替えて、各垂直信号線を順番に水平信号線HLと接続して、列毎の輝度情報の読み出しを制御する。
出力アンプ9は、水平信号線HLと接続されており、水平読み出し部7からの輝度情報を増幅して、撮像画像信号を外部に出力する。
図5は、本発明の実施の形態1における出力アンプ9の回路構成を示す図である。
The
The output amplifier 9 is connected to the horizontal signal line HL, amplifies the luminance information from the
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of the output amplifier 9 according to the first embodiment of the present invention.
図5に示すように、出力アンプ9は、画素信号が大きくなるとともに出力電位が減少する正極のアンプであり、入力信号の電圧レベルを変動させ、出力アンプ9の入出力特性を、カラムアンプ5の入出力特性に比べて、入力電位の高い側へシフトさせるレベルシフトトランジスタT4、T5、電源電圧VDDと出力端子との間に接続され負荷となる負荷トランジスタT6、電圧が変動された入力信号を増幅する増幅トランジスタT7、レベルシフトトランジスタT5のゲート端子と出力端子とを一定時間閉じてリセットをかけるリセットトランジスタT8、及び、輝度情報を蓄積するコンデンサC2を含む。ここで、負荷トランジスタT6のゲートはソースに接続されて電源電圧VDDが印加され、リセットトランジスタT8のゲートにはリセット信号線が接続され、コンデンサC2には入力信号線が接続され、負荷トランジスタT6と増幅トランジスタT7の間には出力信号線が接続されている。 As shown in FIG. 5, the output amplifier 9 is a positive amplifier in which the output potential decreases as the pixel signal increases, and the input signal characteristics of the output amplifier 9 are changed by changing the voltage level of the input signal. Level shift transistors T4 and T5 that shift to a higher input potential side, load transistor T6 that is connected between the power supply voltage VDD and the output terminal, and an input signal whose voltage has been changed. It includes an amplifying transistor T7 for amplifying, a reset transistor T8 for closing and resetting the gate terminal and output terminal of the level shift transistor T5 for a certain period of time, and a capacitor C2 for storing luminance information. Here, the gate of the load transistor T6 is connected to the source and the power supply voltage VDD is applied, the reset signal line is connected to the gate of the reset transistor T8, the input signal line is connected to the capacitor C2, and the load transistor T6 An output signal line is connected between the amplification transistors T7.
また、カラムアンプ5と出力アンプ9とに用いられるトランジスタの種類を、例えば、NチャネルMOSやエンハンスメントMOS等の同一種類のトランジスタに統一したり、同一プロセスにおいて形成されるMOSトランジスタにより構成すると、製造ばらつきが揃うので特性上望ましい。
特に、従来は、製造プロセスや出力電位の優位性等の理由から、カラムアンプの電流源トランジスタと増幅トランジスタ、及び出力アンプの増幅トランジスタは、エンハンスメント型のNチャネルMOSで構成し、出力アンプの負荷トランジスタはデプレッションMOSで構成することが一般的であったので、同様の構成のままでアンプのゲインを高めると、種類の異なるそれぞれのトランジスタによる製造ばらつきが無秩序に影響しあい、トータルゲインのばらつきが顕著になってしまうという問題が生じるが、本実施の形態においては、少なくとも出力アンプ9の負荷トランジスタT6と増幅トランジスタT7の2つ、もしくは、カラムアンプ5の電流源トランジスタT1と増幅トランジスタT2、及び出力アンプ9の負荷トランジスタT6と増幅トランジスタT7の4つを、NチャネルMOSやエンハンスメントMOS等の同一種類のトランジスタに統一したり、同一プロセスにおいて形成されるMOSトランジスタにより構成するものとし、製造ばらつきに拠るゲインのばらつきを抑制する。
Further, if the types of transistors used in the
In particular, for reasons such as the manufacturing process and the superiority of the output potential, the current source transistor and the amplification transistor of the column amplifier, and the amplification transistor of the output amplifier are configured with an enhancement type N-channel MOS and the load of the output amplifier Since transistors are generally composed of depletion MOS, if the gain of the amplifier is increased with the same configuration, manufacturing variations due to different types of transistors affect the disorder and the total gain variation is significant. In this embodiment, at least two of the load transistor T6 and the amplification transistor T7 of the output amplifier 9, or the current source transistor T1 and the amplification transistor T2 of the
図6は、出力アンプ9の入出力特性(Vin2−Vout2特性)を示す図である。
図6に示すように、出力アンプ9の入出力特性は入力に対して一様ではなく、入力電位(Vin2)が中間のあたりでは、出力電位(Vout2)は入力電位(Vin2)に応じて十分に変化するが、入力電位(Vin2)が低い場合及び高い場合には、入力電位(Vin2)に対する出力電位(Vout2)の変化量が小さい。
FIG. 6 is a diagram showing input / output characteristics (Vin2-Vout2 characteristics) of the output amplifier 9. In FIG.
As shown in FIG. 6, the input / output characteristics of the output amplifier 9 are not uniform with respect to the input, and the output potential (Vout2) is sufficient according to the input potential (Vin2) when the input potential (Vin2) is in the middle. However, when the input potential (Vin2) is low and high, the change amount of the output potential (Vout2) with respect to the input potential (Vin2) is small.
また、出力アンプ9の入出力特性は、図6中の左方に点線で示したカラムアンプ5の入出力特性(Vin1−Vout1特性)に比べて、レベルシフトトランジスタT4による電圧変動(Vth)に相当する分だけ、入力電圧の高い側へシフトする。
本実施の形態では、入力電位(Vin2)が図6中のVA2の状態において、図5におけるリセットトランジスタT8のゲートを一定時間開いてリセットをかけ、その後レベルシフトトランジスタT4のベース電位の変動量(ΔVin2)に応じた出力電位の変動量(ΔVout2)を得ることとし、図6中のVA2からVB2までの間が動作領域となる(図6中の太線矢印)。
Further, the input / output characteristics of the output amplifier 9 are caused by voltage fluctuation (Vth) due to the level shift transistor T4, compared with the input / output characteristics (Vin1-Vout1 characteristics) of the
In the present embodiment, in a state where the input potential (Vin2) is VA2 in FIG. 6, the reset transistor T8 in FIG. 5 is reset by opening the gate of the reset transistor T8 for a certain period of time, and then the amount of change in base potential of the level shift transistor T4 ( The amount of change in output potential (ΔVout2) corresponding to ΔVin2) is obtained, and the region from VA2 to VB2 in FIG. 6 is the operation region (thick arrow in FIG. 6).
ここで出力アンプ9は正極のアンプなので、リセット後、時間tが経過するにつれて、入力電圧Vin2は正方向へ向かう。
図7は、出力アンプ9のゲイン特性(Vin2−G2特性:G2=ΔVout2/ΔVin2)を示す図である。
図7に示すように、出力アンプ9のゲインは入力に対して一定ではなく、ゲインG2は図6に示したVin2−Vout2特性の傾きに相当するので、入力電位(Vin2)が中間のあたりでゲインG2が高く、入力電位(Vin2)が低い場合及び高い場合にはゲインG2は低い。
Here, since the output amplifier 9 is a positive amplifier, the input voltage Vin2 goes in the positive direction as time t elapses after reset.
FIG. 7 is a diagram illustrating a gain characteristic (Vin2-G2 characteristic: G2 = ΔVout2 / ΔVin2) of the output amplifier 9.
As shown in FIG. 7, the gain of the output amplifier 9 is not constant with respect to the input, and the gain G2 corresponds to the slope of the Vin2-Vout2 characteristic shown in FIG. 6, so the input potential (Vin2) is around the middle. When the gain G2 is high and the input potential (Vin2) is low and high, the gain G2 is low.
本実施の形態では、Vin2−Vout2特性の傾きが小さいVA2(図6)の時の入力電圧Vin2aにおいて最も高いゲインGA2が得られ、出力アンプ9は正極のアンプなので、リセット後、入力電圧Vin2が正方向へ向かうにつれてゲインG2は上がり、Vin2−Vout2特性の傾きが最も大きいVB2(図6)の時の入力電圧Vin2bにおいて最高のゲインGB2が得られる(図6中の太線矢印)。 In the present embodiment, the highest gain GA2 is obtained in the input voltage Vin2a when the slope of the Vin2-Vout2 characteristic is small VA2 (FIG. 6), and the output amplifier 9 is a positive amplifier. The gain G2 increases toward the positive direction, and the highest gain GB2 is obtained at the input voltage Vin2b at the time of VB2 (FIG. 6) where the slope of the Vin2-Vout2 characteristic is the largest (thick arrow in FIG. 6).
図8は、トータルゲイン特性(Vin1−Gt特性:Gt=G1×G2)を示す図である。
図8に示すトータルゲインGtは、図4に示すカラムアンプ5のゲインG1と、図7に示す出力アンプ9のゲインG2とを掛け合わせたものであって、カラムアンプ5のゲインは画素信号の増加にともない下がる特性があり、出力アンプ9のゲインは画素信号の増加にともない上がる特性があるので、お互いの特性をキャンセルすることになり、トータルゲインGtを全般にわたってフラットに近づけることができる。
FIG. 8 is a diagram illustrating the total gain characteristic (Vin1-Gt characteristic: Gt = G1 × G2).
The total gain Gt shown in FIG. 8 is a product of the gain G1 of the
なお、本実施の形態では、カラムアンプ5を負極のアンプとし、出力アンプ9を正極のアンプとして、トータルゲインを全般にわたってフラットに近づけることができたが、カラムアンプ5の特性と出力アンプ9の特性とが反対であればよいので、カラムアンプ5を正極のアンプとし、出力アンプ9を負極のアンプとしてもよい。
<変形例1>
図9は、本発明の変形例1における出力アンプ10の回路構成を示す図である。
In the present embodiment, the
<
FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration of the
図9に示す出力アンプ10は、実施の形態1の出力アンプ9の一部を変更したものであり、負荷トランジスタT6のゲートに、電源電圧VDDよりも高い電圧Vb2を印加する点のみが異なり、その他の部分は実施の形態1とまったく同じである。
このようにすることで、出力アンプ10の出力信号の上限値を上げることができ、ダイナミックレンジを広げることができる。
The
By doing so, the upper limit value of the output signal of the
なお、負荷トランジスタT6、及び増幅トランジスタT7をエンハンスメントMOSで構成した場合には、負荷トランジスタT6における電圧のドロップ分を抑制することができるので、特に有用である。
<まとめ>
以上のように、本発明の実施の形態1、及び変形例1によれば、カラムアンプや出力アンプにおいて増幅にかかるトランジスタの種類を統一するか、当該トランジスタを同一プロセスにおいて形成するので、製造ばらつきに拠るゲインのばらつきを抑制することができる。
Note that when the load transistor T6 and the amplification transistor T7 are formed of enhancement MOSs, the voltage drop in the load transistor T6 can be suppressed, which is particularly useful.
<Summary>
As described above, according to
また、カラムアンプと出力アンプとの極性を反対にして、お互いのゲイン特性の弱点を補い合うことができるので、トータルゲインを全般にわたってフラットに近づけることができる。 In addition, since the polarities of the column amplifier and the output amplifier can be reversed to compensate for each other's gain characteristics, the total gain can be made almost flat in general.
本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器に適用することができる。本発明によって、当該撮像機器に使用する固体撮像装置において、高ゲインを実現しつつ製品毎の出力のばらつきを抑制したり、トータルゲインを全般にわたってフラットに近づけることができ、撮像機器の画質の向上に寄与することができるので、その産業的利用価値は極めて高い。 The present invention can be applied to imaging devices such as a video camera and a digital still camera. According to the present invention, in a solid-state imaging device used for the imaging device, it is possible to suppress variations in output for each product while realizing a high gain, and to make the total gain almost flat throughout, thereby improving the image quality of the imaging device. Therefore, its industrial utility value is extremely high.
1 画素アレイ
2 タイミングジェネレータ
3 垂直走査回路
4 負荷回路
5 カラムアンプ
6 ノイズキャンセル部
7 水平読出部
8 水平走査回路
9 出力アンプ
10 出力アンプ
100 撮像装置
T1 電流源トランジスタ
T2 増幅トランジスタ
T3 リセットトランジスタ
T4 レベルシフトトランジスタ
T5 レベルシフトトランジスタ
T6 負荷トランジスタ
T7 増幅トランジスタ
T8 リセットトランジスタ
C1 コンデンサ
C2 コンデンサ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
1列の単位セルに共通に接続され、列毎に、該当列中のいずれかの単位セルから出力される画素信号を増幅して出力するカラムアンプ部と、
前記カラムアンプに1対1で接続され、列毎に、単位セル毎に画素信号からオフセット電圧を除去して出力するノイズキャンセル部と、
前記ノイズキャンセル部に接続され、前記ノイズキャンセル部から出力された各列毎の画素信号を順次選択して出力する水平読出部と、
前記水平読出部に接続され、前記水平読出部から出力された画素信号を増幅して出力する出力アンプとを備える固体撮像装置であって、
前記カラムアンプは、列毎に、電流源となる電流源トランジスタと、前記画素信号を増幅する第1増幅トランジスタとを含み、
前記出力アンプは、負荷となる負荷トランジスタと、水平読出部から出力される画素信号を増幅する第2増幅トランジスタとを含み、
前記電流源トランジスタ、前記第1増幅トランジスタ、前記負荷トランジスタ、及び前記第2増幅トランジスタの全てが、同一プロセスにおいて形成されるMOSトランジスタにより構成されていること
を特徴とする固体撮像装置。 A pixel array unit in which a plurality of unit cells that output pixel signals according to the amount of received light are arranged;
A column amplifier unit commonly connected to one column of unit cells and amplifying and outputting a pixel signal output from any of the unit cells in the corresponding column for each column;
A noise canceling unit that is connected to the column amplifier on a one-to-one basis and that outputs an offset voltage from a pixel signal for each column and unit cell;
A horizontal readout unit connected to the noise cancellation unit and sequentially selecting and outputting pixel signals for each column output from the noise cancellation unit;
A solid-state imaging device including an output amplifier connected to the horizontal readout unit and amplifying and outputting a pixel signal output from the horizontal readout unit;
The column amplifier includes, for each column, a current source transistor that becomes a current source and a first amplification transistor that amplifies the pixel signal,
The output amplifier includes a load transistor serving as a load, and a second amplification transistor for amplifying a pixel signal output from the horizontal readout unit,
The solid-state imaging device, wherein all of the current source transistor, the first amplification transistor, the load transistor, and the second amplification transistor are formed by MOS transistors formed in the same process.
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein all of the current source transistor, the first amplification transistor, the load transistor, and the second amplification transistor are N-channel MOSs.
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein all of the current source transistor, the first amplification transistor, the load transistor, and the second amplification transistor are of an enhancement type.
前記負荷トランジスタのゲート端子には、前記負荷トランジスタのソース端子に印加されている電源電圧よりも高い電圧が印加されていること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 In the output amplifier,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a voltage higher than a power supply voltage applied to a source terminal of the load transistor is applied to a gate terminal of the load transistor.
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 In the column amplifier, the output potential of the first amplification transistor increases as the pixel signal increases, and in the output amplifier, the output potential of the second amplification transistor increases as the pixel signal increases. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is reduced.
さらに、前記第2増幅トランジスタの前段に接続されたレベルシフトトランジスタを含み、
前記出力アンプの入出力特性は、前記レベルシフトトランジスタによって、前記カラムアンプの入出力特性に比べて、入力電位の高い側へシフトしていること
を特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。 The output amplifier is
And a level shift transistor connected in front of the second amplification transistor,
6. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the input / output characteristics of the output amplifier are shifted to a higher input potential side by the level shift transistor than the input / output characteristics of the column amplifier. .
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 In the column amplifier, the output potential of the first amplification transistor decreases as the pixel signal increases, and in the output amplifier, the output potential of the second amplification transistor increases as the pixel signal increases. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device increases.
さらに、前記第1増幅トランジスタの前段に接続されたレベルシフトトランジスタを含み、
前記カラムアンプの入出力特性は、前記レベルシフトトランジスタによって、前記出力アンプの入出力特性に比べて、入力電位の高い側へシフトしていること
を特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。 The column amplifier is
And a level shift transistor connected in front of the first amplification transistor,
The solid-state imaging device according to claim 7, wherein the input / output characteristics of the column amplifier are shifted to a higher input potential side by the level shift transistor than the input / output characteristics of the output amplifier. .
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- 2006-09-26 JP JP2006261058A patent/JP2008085479A/en active Pending
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