JP2008136047A - 固体撮像装置及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置の起動時や急激な負荷変動時などに適正な電流供給を行い、起動動作の高速化や負荷変動の抑制を図る。
【解決手段】チャージポンプ回路の出力電圧を検知し、チャージポンプ回路のスイッチング周波数を可変制御することにより、電流供給能力を制御して、出力電圧の変動を吸収する。これにより、例えば起動時の電圧変化を短時間に収束し、起動後の動作を高速化したり、急激な負荷変動を最小にして動作の安定化を図る。したがって、起動の高速化により固体撮像装置を積極的に休止状態とし、機器の低消費電力化が実現できる。また、瞬間的な電流の供給先としては、例えば外付けの容量等となるが、電流供給能力を高めることで、外付けの容量に素早く電荷をチャージでき、結果として、より小さな容量を選択することも可能になり、コスト並びにレイアウトの面で改善が期待できる。
【選択図】図1
【解決手段】チャージポンプ回路の出力電圧を検知し、チャージポンプ回路のスイッチング周波数を可変制御することにより、電流供給能力を制御して、出力電圧の変動を吸収する。これにより、例えば起動時の電圧変化を短時間に収束し、起動後の動作を高速化したり、急激な負荷変動を最小にして動作の安定化を図る。したがって、起動の高速化により固体撮像装置を積極的に休止状態とし、機器の低消費電力化が実現できる。また、瞬間的な電流の供給先としては、例えば外付けの容量等となるが、電流供給能力を高めることで、外付けの容量に素早く電荷をチャージでき、結果として、より小さな容量を選択することも可能になり、コスト並びにレイアウトの面で改善が期待できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、各種イメージセンサに用いられる固体撮像装置に関し、特に起動時やその他の負荷変動に対して有効な動作を確保できる固体撮像装置及び撮像装置に関する。
従来、この種の固体撮像装置としてMOS型固体撮像装置が知られている。また、MOS型固体撮像装置のうち、画素を構成するフォトダイオード(光電変換部)の信号電荷を転送トランジスタを用いて検出部に転送してから読み出す方式の固体撮像装置が知られている。
この方式のMOS型固体撮像装置はCCD型固体撮像装置と異なり、CMOS論理回路を同一チップ上に搭載しており、画素も論理回路と同じ低電圧の1電源で動作するように構成されている。このことから、例えば転送トランジスタがnチャネルMOSトランジスタの場合、画素中の転送トランジスタのゲート電圧は0Vと電源電圧Vddの2値であった。そこで従来は、暗電流を防止するために負電圧を転送トランジスタのゲートに印加して暗電流を防止し画質の向上を達成することが行われている(例えば特許文献1参照)。
この方式のMOS型固体撮像装置はCCD型固体撮像装置と異なり、CMOS論理回路を同一チップ上に搭載しており、画素も論理回路と同じ低電圧の1電源で動作するように構成されている。このことから、例えば転送トランジスタがnチャネルMOSトランジスタの場合、画素中の転送トランジスタのゲート電圧は0Vと電源電圧Vddの2値であった。そこで従来は、暗電流を防止するために負電圧を転送トランジスタのゲートに印加して暗電流を防止し画質の向上を達成することが行われている(例えば特許文献1参照)。
図10は、このような従来のMOS型固体撮像装置の一例を示す回路図である。
このMOS型固体撮像装置1は、複数の画素2が行列状に配列されたセンサ部3と、センサ部を駆動する垂直走査回路4および水平走査回路5と、センサ部3の一行分の画素2の信号を受ける信号保持回路6とを有して構成される。なお、図10では、画素2を便宜的に2個×2個で描いているが、実際には多数配列されている。
各画素2の構成は、光電変換を行うフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDの信号電荷を検出部(フローティングデフュージョン)FDに転送する転送トランジスタQTと、検出部FDの電位を垂直信号線8に出力する増幅トランジスタQAと、画素2の行を選択するアドレストランジスタQDと、検出部FDの電位をリセットするリセットトランジスタQRとを有している。
また、画素2において、アドレストランジスタQDのゲートは垂直走査回路4からの垂直選択線10に接続される。また、リセットトランジスタQRのゲートはリセット線11に接続され、転送トランジスタQTのゲートは垂直読み出し線9に接続される。垂直信号線8は、その一端に定電流源の役割を持つ負荷トランジスタQLが接続され、他端に信号保持回路6が接続される。各画素の出力信号は、垂直信号線8を通して信号保持回路6に取り込まれ、水平走査回路5の駆動によってORゲート15を通して後段の回路に出力される。
このMOS型固体撮像装置1は、複数の画素2が行列状に配列されたセンサ部3と、センサ部を駆動する垂直走査回路4および水平走査回路5と、センサ部3の一行分の画素2の信号を受ける信号保持回路6とを有して構成される。なお、図10では、画素2を便宜的に2個×2個で描いているが、実際には多数配列されている。
各画素2の構成は、光電変換を行うフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDの信号電荷を検出部(フローティングデフュージョン)FDに転送する転送トランジスタQTと、検出部FDの電位を垂直信号線8に出力する増幅トランジスタQAと、画素2の行を選択するアドレストランジスタQDと、検出部FDの電位をリセットするリセットトランジスタQRとを有している。
また、画素2において、アドレストランジスタQDのゲートは垂直走査回路4からの垂直選択線10に接続される。また、リセットトランジスタQRのゲートはリセット線11に接続され、転送トランジスタQTのゲートは垂直読み出し線9に接続される。垂直信号線8は、その一端に定電流源の役割を持つ負荷トランジスタQLが接続され、他端に信号保持回路6が接続される。各画素の出力信号は、垂直信号線8を通して信号保持回路6に取り込まれ、水平走査回路5の駆動によってORゲート15を通して後段の回路に出力される。
また、垂直走査回路4には、画素行毎に3つのバッファ回路12、13、14が設けられている。このうちバッファ回路12、13は、垂直走査回路4側よりパルスのLowレベルが入力されたとき、出力側の垂直選択線10、または、リセット線11に電源電圧Vddを出力し、パルスのHighレベルが入力されたとき、出力側の垂直選択線10、または、リセット線11にグランド電圧を出力する。
また、本例では、電荷蓄積期間中に転送トランジスタQTのゲートに負電圧を印加する手段として負電圧発生回路7(例えばチャージポンプ回路)が設けられる。この負電圧発生回路7の出力は、垂直読み出し線9に接続されたバッファ回路14に入力される。
バッファ回路14は、垂直走査回路4側よりパルスのLowレベルが入力されたとき、出力側の垂直読み出し線9に電源電圧Vddを出力し、パルスのHighレベルが入力されたとき、出力側の垂直読み出し線9に負電圧を出力する。
また、本例では、電荷蓄積期間中に転送トランジスタQTのゲートに負電圧を印加する手段として負電圧発生回路7(例えばチャージポンプ回路)が設けられる。この負電圧発生回路7の出力は、垂直読み出し線9に接続されたバッファ回路14に入力される。
バッファ回路14は、垂直走査回路4側よりパルスのLowレベルが入力されたとき、出力側の垂直読み出し線9に電源電圧Vddを出力し、パルスのHighレベルが入力されたとき、出力側の垂直読み出し線9に負電圧を出力する。
次に、上述したMOS型固体撮像装置1におけるシャッタの動作を図11に示す。なお、この動作は電荷蓄積期間と読出し期間とに分けられ、同一行にある画素は全て同じタイミングで処理を行う。また、蓄積と読出しを一行ごとに連続した動作で行い、それを行数分繰り返して出力する通常シャッタモード(図11(a))と、全画素同時に電荷蓄積を行った後で、読出しを一行ずつ行うグローバルシャッタモード(図11(b))とがある。また、図11において、リセットゲート信号をφR、転送デート信号をφTとした。
通常シャッタモード(図11(a))では、まず、フォトダイオードPDと検出部FDがリセットされてから、電荷蓄積が開始される。そして、電荷蓄積終了後の読出し期間において、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は検出部FDに移され、増幅トランジスタQAと負荷トランジスタQLで構成されるソースフォロワによって、FDに対応する信号電圧が信号保持回路6に伝えられる。グローバルシャッタモードではグローバルシャッタ信号がONすることでリセットを行い、OFFすることで電荷蓄積が全画素同時に行われメカシャッタにより全画素同時に電荷蓄積終了となる。その後の読出し期間は、通常シャッタ時の一行分の制御シーケンスと同じであり、これを行数分繰り返すことにより、全画素の信号が出力される。
通常シャッタモード(図11(a))では、まず、フォトダイオードPDと検出部FDがリセットされてから、電荷蓄積が開始される。そして、電荷蓄積終了後の読出し期間において、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は検出部FDに移され、増幅トランジスタQAと負荷トランジスタQLで構成されるソースフォロワによって、FDに対応する信号電圧が信号保持回路6に伝えられる。グローバルシャッタモードではグローバルシャッタ信号がONすることでリセットを行い、OFFすることで電荷蓄積が全画素同時に行われメカシャッタにより全画素同時に電荷蓄積終了となる。その後の読出し期間は、通常シャッタ時の一行分の制御シーケンスと同じであり、これを行数分繰り返すことにより、全画素の信号が出力される。
次に従来の昇圧型チャージポンプ回路を図12に示す(例えば特許文献2参照)。
図示のように、このチャージポンプ回路は、発振回路201、アンプ202、基準電圧源203、スイッチSW1〜SW4、分圧抵抗R1、R2、ポンプ用コンデンサ(ポンプ容量)CP、出力用コンデンサCOUT、インバータ204等で構成され、ポンプ用コンデンサCPの両端にスイッチSW1、SW4を介してアンプ202による電源電圧Vaが印加され、ポンプ用コンデンサCPの片端がスイッチSW2を介して出力用コンデンサCOUTに接続され、他端がスイッチSW3を介して接地されている。
そして、発振回路201、インバータ204、及びスイッチSW1〜SW4によるスイッチング動作によって、アンプ202からの電荷をポンプ用コンデンサCPに充電し、昇圧された出力を出力用コンデンサCOUTにて平滑化し、出力電圧VOUTとして出力する。
また、この回路では、抵抗R1、R2により出力電圧VOUTを分割し、その分割電圧と参照電圧VREF1とをアンプ202によって比較し、そのアンプ202の出力電圧Vaをチャージポンプ回路の電源とすることで昇圧動作を行う。
図示のように、このチャージポンプ回路は、発振回路201、アンプ202、基準電圧源203、スイッチSW1〜SW4、分圧抵抗R1、R2、ポンプ用コンデンサ(ポンプ容量)CP、出力用コンデンサCOUT、インバータ204等で構成され、ポンプ用コンデンサCPの両端にスイッチSW1、SW4を介してアンプ202による電源電圧Vaが印加され、ポンプ用コンデンサCPの片端がスイッチSW2を介して出力用コンデンサCOUTに接続され、他端がスイッチSW3を介して接地されている。
そして、発振回路201、インバータ204、及びスイッチSW1〜SW4によるスイッチング動作によって、アンプ202からの電荷をポンプ用コンデンサCPに充電し、昇圧された出力を出力用コンデンサCOUTにて平滑化し、出力電圧VOUTとして出力する。
また、この回路では、抵抗R1、R2により出力電圧VOUTを分割し、その分割電圧と参照電圧VREF1とをアンプ202によって比較し、そのアンプ202の出力電圧Vaをチャージポンプ回路の電源とすることで昇圧動作を行う。
次に、図12で示した構成は昇圧型チャージポンプの回路構成であるが、反転型のチャージポンプのアンプを用いた帰還システムについても同様な構成で実現できる。この反転型チャージポンプ回路を図13に示す。なお、図12と共通する構成要素には同一符号を付している。
図示のように、この回路では、ポンプ用コンデンサCPの片端がスイッチSW1を介して接地(GND)され、他端がスイッチSW3を介して駆動電圧Vddに接続されている。
そして、各基準電圧には新たな電圧値を設け、スイッチングのシーケンスとして、まず、スイッチSW1、SW3によりVddとGNDとの間を接続することでポンプ用コンデンサCPに電荷を充電する。その後、スイッチSW4をアンプ202の出力電圧Vaに接続し、逆端をスイッチSW2に接続することによって負電圧出力VOUTを生成する。
特開2002−217397号公報
特開平6−351229号公報
図示のように、この回路では、ポンプ用コンデンサCPの片端がスイッチSW1を介して接地(GND)され、他端がスイッチSW3を介して駆動電圧Vddに接続されている。
そして、各基準電圧には新たな電圧値を設け、スイッチングのシーケンスとして、まず、スイッチSW1、SW3によりVddとGNDとの間を接続することでポンプ用コンデンサCPに電荷を充電する。その後、スイッチSW4をアンプ202の出力電圧Vaに接続し、逆端をスイッチSW2に接続することによって負電圧出力VOUTを生成する。
しかしながら、上述した図10〜図13の従来技術は、それぞれ以下のような課題を有している。
まず、図10に示すイメージセンサの問題点について、画素2の転送トランジスタQTに着目し、問題となる電荷蓄積開始時のリセット動作について以下に説明する。図14は垂直読出し線から転送トランジスタQTに加えられる転送ゲート駆動パルスのタイミングチャートである。
まず、リセット開始のとき、垂直走査回路4からのリセット線11と垂直読出し線9からの信号パルスΦR、ΦTによって、リセットトランジスタQRと転送トランジスタQTがオンする(図中(1))。フォトダイオードPDと検出部FDは、この動作により暗電荷が掃きだされるためリセットされる。次に(2)の時点において、リセット、転送パルスΦR、ΦTをLowレベルにすると、転送トランジスタがオフされ電荷蓄積が始まる。
まず、図10に示すイメージセンサの問題点について、画素2の転送トランジスタQTに着目し、問題となる電荷蓄積開始時のリセット動作について以下に説明する。図14は垂直読出し線から転送トランジスタQTに加えられる転送ゲート駆動パルスのタイミングチャートである。
まず、リセット開始のとき、垂直走査回路4からのリセット線11と垂直読出し線9からの信号パルスΦR、ΦTによって、リセットトランジスタQRと転送トランジスタQTがオンする(図中(1))。フォトダイオードPDと検出部FDは、この動作により暗電荷が掃きだされるためリセットされる。次に(2)の時点において、リセット、転送パルスΦR、ΦTをLowレベルにすると、転送トランジスタがオフされ電荷蓄積が始まる。
図15(d)と(e)は、チャージポンプ回路(負電圧発生回路)において、リセット時の容量負荷の変動を示す図である。なお、ここでは具体的な負電圧として前記特許文献1に示されている−1.1Vを用いている。
まず、リセット開始する前の時点では、転送ゲートの全負荷がチャージポンプ回路に接続されている状態である。ここで、転送ゲート駆動パルスをHighにした瞬間、負電圧発生回路から転送ゲートの負荷容量は切り離される。この際、チャージポンプの出力での負荷が減少することになり出力電圧が若干変動するが、転送ゲートとは切り離されているため、画像として問題に現れてこない。
次に(2)の時点において、転送ゲート駆動パルスをLowにして、リセットを終了し電荷蓄積を開始する。このとき転送ゲートの負荷容量CQTが一気に負電圧発生回路に接続される。このときの負荷容量はグローバルシャッタモードだと全画素分となる。
従って図10の構成では、グローバルシャッタにおける蓄積期間前のリセット動作は、チャージポンプに大きな容量負荷の変動(全画素数分の容量負荷)を与えてしまい、結果として負電圧の値も変動する。この時、負電圧は容量負荷が増えることにより絶対値の小さい方向に変動してしまう。また、この期間は電荷蓄積時間に相当し、電圧変動期間により暗電流が原因でシェーディングのある画像となってしまう可能性が大きい。
まず、リセット開始する前の時点では、転送ゲートの全負荷がチャージポンプ回路に接続されている状態である。ここで、転送ゲート駆動パルスをHighにした瞬間、負電圧発生回路から転送ゲートの負荷容量は切り離される。この際、チャージポンプの出力での負荷が減少することになり出力電圧が若干変動するが、転送ゲートとは切り離されているため、画像として問題に現れてこない。
次に(2)の時点において、転送ゲート駆動パルスをLowにして、リセットを終了し電荷蓄積を開始する。このとき転送ゲートの負荷容量CQTが一気に負電圧発生回路に接続される。このときの負荷容量はグローバルシャッタモードだと全画素分となる。
従って図10の構成では、グローバルシャッタにおける蓄積期間前のリセット動作は、チャージポンプに大きな容量負荷の変動(全画素数分の容量負荷)を与えてしまい、結果として負電圧の値も変動する。この時、負電圧は容量負荷が増えることにより絶対値の小さい方向に変動してしまう。また、この期間は電荷蓄積時間に相当し、電圧変動期間により暗電流が原因でシェーディングのある画像となってしまう可能性が大きい。
次に上述した従来のチャージポンプ回路の問題点について、例えば図12の負帰還の制御では急激な出力変動に対して帰還ループで決まる時定数での応答でしかできず、回復する時間はループでの帯域によって制限される。よって、急激な負荷の変動の際に、コンデンサより供給した電荷による電圧変化を安定なレベルに回復するのに時間がかかってしまう問題がある。
また、図13に示す反転型チャージポンプにおいても、図12に示すチャージポンプと同様の問題が発生し、急激な電圧変化に対する応答がアンプの帯域で制限されるため出力電圧が設定電圧に戻るまでに時間を要してしまう。この動作を図17に示す。
まず、グローバルシャッタ信号の立下りと同時に全画素の転送ゲートに負電圧(例えば−1.1V)が印加されるため、チャージポンプとしての負荷は瞬間的に増加することになる。このためコンデンサからの電荷の移動のため出力電圧は変動し、それによってアンプ202は電荷を供給するためアンプ出力Vaを下げる動作を行う。このアンプの出力が図13にあるスイッチSW4に接続されているため、ポンプ用コンデンサをスイッチングする電圧(CB)のLowレベルはアンプ202の出力変化と同様に動作する。以上のフィードバック動作によって出力電圧は設定値へと収束する。ここで出力電圧の応答はアンプの応答に追従するため、すばやく電圧を復帰させることが困難である。
また、図13に示す反転型チャージポンプにおいても、図12に示すチャージポンプと同様の問題が発生し、急激な電圧変化に対する応答がアンプの帯域で制限されるため出力電圧が設定電圧に戻るまでに時間を要してしまう。この動作を図17に示す。
まず、グローバルシャッタ信号の立下りと同時に全画素の転送ゲートに負電圧(例えば−1.1V)が印加されるため、チャージポンプとしての負荷は瞬間的に増加することになる。このためコンデンサからの電荷の移動のため出力電圧は変動し、それによってアンプ202は電荷を供給するためアンプ出力Vaを下げる動作を行う。このアンプの出力が図13にあるスイッチSW4に接続されているため、ポンプ用コンデンサをスイッチングする電圧(CB)のLowレベルはアンプ202の出力変化と同様に動作する。以上のフィードバック動作によって出力電圧は設定値へと収束する。ここで出力電圧の応答はアンプの応答に追従するため、すばやく電圧を復帰させることが困難である。
また、動作の安定化のため、出力用コンデンサCOUTには大きな容量を使用する。そのため電源投入時、および休止状態からの復帰時など、ゼロスタートから目標電圧までの到達までに長い起動時間を要す。この動作を図16に示す。
このような電圧の収束の問題は、転送トランジスタに印加している負電圧が設定電圧になるのが遅くなることを意味し、暗電流を抑制する十分な負電圧を印加できないため、暗電流を発生させてしまうことでシェーディングを引き起こすという不具合を生じる。
この不具合を解消する方法として図12、図13において、アンプの帯域を広げるといった方法があるが、帯域を広げることによって安定性の悪化、スイッチングのノイズの影響を大きくするといった不具合が逆に発生する。また、出力電圧の変動を小さくする他の手段としては、外付け容量を大きくすることで対応できるが、この方法では、スペース、コストの面で新たな問題となってしまう。
また、電源投入時や休止状態からの復帰時などの起動時間の長さは、負電圧が長時間安定しないことを意味し、一定時間良好な画像が得られないことから、積極的に休止状態にすることができず、消費電力の低減に貢献できない。
このような電圧の収束の問題は、転送トランジスタに印加している負電圧が設定電圧になるのが遅くなることを意味し、暗電流を抑制する十分な負電圧を印加できないため、暗電流を発生させてしまうことでシェーディングを引き起こすという不具合を生じる。
この不具合を解消する方法として図12、図13において、アンプの帯域を広げるといった方法があるが、帯域を広げることによって安定性の悪化、スイッチングのノイズの影響を大きくするといった不具合が逆に発生する。また、出力電圧の変動を小さくする他の手段としては、外付け容量を大きくすることで対応できるが、この方法では、スペース、コストの面で新たな問題となってしまう。
また、電源投入時や休止状態からの復帰時などの起動時間の長さは、負電圧が長時間安定しないことを意味し、一定時間良好な画像が得られないことから、積極的に休止状態にすることができず、消費電力の低減に貢献できない。
そこで本発明は、装置の起動時や急激な負荷変動時などに適正な電流供給を行い、起動動作の高速化や負荷変動の抑制を図ることができ、動作の迅速化や省電力化を実現できる固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、受光面に沿って配置される複数の光電変換手段と、前記光電変換手段で生成された信号電荷を読み出す読み出し手段と、前記光電変換手段及び読み出し手段を含む各部に各種レベルの電圧を供給する電圧供給手段と、前記電圧供給手段による供給電圧のうちの所定の供給電圧のレベル変動を検出する検出手段と、前記検出手段によって所定の供給電圧のレベル変動が検出された場合に、そのレベル変動を収束させる方向に制御する制御手段とを有することを特徴とする。
また本発明の撮像装置は、被写体の撮像を行うための固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光部に被写体像を結像させる撮像光学系と、前記撮像光学系を駆動する駆動制御部と、前記固体撮像装置からの出力信号を信号処理し、撮像信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を記録する記録部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を出力する出力部と、撮像動作を制御するための各種信号を入力する操作部と有し、前記固体撮像装置は、受光面に沿って配置される複数の光電変換手段と、前記光電変換手段で生成された信号電荷を読み出す読み出し手段と、前記光電変換手段及び読み出し手段を含む各部に各種レベルの電圧を供給する電圧供給手段と、前記電圧供給手段による供給電圧のうちの所定の供給電圧のレベル変動を検出する検出手段と、前記検出手段によって所定の供給電圧のレベル変動が検出された場合に、そのレベル変動を収束させる方向に制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置及び撮像装置によれば、電圧供給手段による所定の供給電圧のレベル変動を検出し、そのレベル変動を収束させる方向に制御するようにしたことから、例えば起動時の高速化や稼働中の急激な負荷変動を最小にすることができる効果がある。
したがって、例えば起動の高速化により、固体撮像装置を細かく休止状態とすることが可能となり、機器の低消費電力化を図ることが可能となる。また、瞬間的な負荷変動による電流の供給先としては、例えば外付けの容量を用いることになるが、本発明によって急激な負荷変動時の電流供給能力を高めることで、外付けの容量に素早く電荷をチャージでき、結果として、より小さな外付け容量を選択することも可能になり、コスト並びにレイアウトの面での改善が期待できる。
したがって、例えば起動の高速化により、固体撮像装置を細かく休止状態とすることが可能となり、機器の低消費電力化を図ることが可能となる。また、瞬間的な負荷変動による電流の供給先としては、例えば外付けの容量を用いることになるが、本発明によって急激な負荷変動時の電流供給能力を高めることで、外付けの容量に素早く電荷をチャージでき、結果として、より小さな外付け容量を選択することも可能になり、コスト並びにレイアウトの面での改善が期待できる。
また、アンプ出力から電荷を汲み上げるポンプ容量と、前記ポンプ容量の電荷汲み上げ動作をスイッチング制御するスイッチ回路とを含むチャージポンプ回路より電圧供給手段を構成し、チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御することで供給電圧のレベル変動を制御することにより、安定した電圧供給を行うことができる。
また、制御手段を、例えばチャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する制御信号を切り換える選択回路とすることにより、簡易な構成で実現できる。あるいは、制御手段を、例えばチャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する電圧制御発振機、あるいは、PLLとすることにより、電圧供給量を高精度で円滑または多段階的に制御することが可能となる。
また、検出手段を供給電圧を所定の基準電圧と比較する比較器とすることで簡易な構成で実現できる。または、検出手段を供給電圧を数値化するAD変換器とすることで、高精度で多段階的な検出を実現できる。
なお、これらの制御手段及び検出手段は、それぞれコストや用途に応じて最適な手段を選択すればよい。
また、制御手段を、例えばチャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する制御信号を切り換える選択回路とすることにより、簡易な構成で実現できる。あるいは、制御手段を、例えばチャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する電圧制御発振機、あるいは、PLLとすることにより、電圧供給量を高精度で円滑または多段階的に制御することが可能となる。
また、検出手段を供給電圧を所定の基準電圧と比較する比較器とすることで簡易な構成で実現できる。または、検出手段を供給電圧を数値化するAD変換器とすることで、高精度で多段階的な検出を実現できる。
なお、これらの制御手段及び検出手段は、それぞれコストや用途に応じて最適な手段を選択すればよい。
図1は本発明の実施の形態による固体撮像装置の負電圧発生回路(チャージポンプ回路)の第1の実施例を示す回路図である。なお、固体撮像装置の全体構成については、例えば図10に示した構成と同様であるものとし、説明は省略する。また、図1において図13に示した従来例と共通の構成要素については同一符号を付している。
図示のように、このチャージポンプ回路は、選択回路101、電圧制御発振機(VCO)102、比較器103、アンプ202、基準電圧源203、スイッチSW1〜SW4、分圧抵抗R1、R2、ポンプ用コンデンサCP、出力用コンデンサCOUT、インバータ204等で構成される。
そして、チャージポンプとしての動作は、図13の構成と同様に、まず、スイッチSW1、SW3によりVddとGNDとの間を接続することでポンプ用コンデンサCPに電荷を充電する。その後、スイッチSW4をアンプ202の出力電圧Vaに接続し、逆端をスイッチSW2に接続することによって負電圧出力VOUTを生成する。
図示のように、このチャージポンプ回路は、選択回路101、電圧制御発振機(VCO)102、比較器103、アンプ202、基準電圧源203、スイッチSW1〜SW4、分圧抵抗R1、R2、ポンプ用コンデンサCP、出力用コンデンサCOUT、インバータ204等で構成される。
そして、チャージポンプとしての動作は、図13の構成と同様に、まず、スイッチSW1、SW3によりVddとGNDとの間を接続することでポンプ用コンデンサCPに電荷を充電する。その後、スイッチSW4をアンプ202の出力電圧Vaに接続し、逆端をスイッチSW2に接続することによって負電圧出力VOUTを生成する。
また、図1において、選択回路101は、比較器102からの出力信号に応じてVCO102に供給する制御電圧VOSC1、VOSC2を選択する回路である。
また、VCO102は、選択回路101によって選択された制御電圧VOSC1、VOSC2を入力し、その電圧値に応じた発振周波数の信号を出力し、各スイッチSW1〜SW4、及びインバータ204に供給する。図2はVCO102の入出力特性を例示した説明図である。図示のように、制御電圧VOSC1、VOSC2のレベルと比例した周波数の出力信号を出力する。
また、比較器103は、チャージポンプの出力電圧VOUTと基準(閾値)電圧VREF2とを比較し、その比較結果に応じた信号を選択回路101に供給する。
したがって、この回路では、チャージポンプの出力電圧VOUTに応じてVCO102の発振周波数が切り替えられ、チャージポンプの各スイッチSW1〜SW4が制御される。
また、VCO102は、選択回路101によって選択された制御電圧VOSC1、VOSC2を入力し、その電圧値に応じた発振周波数の信号を出力し、各スイッチSW1〜SW4、及びインバータ204に供給する。図2はVCO102の入出力特性を例示した説明図である。図示のように、制御電圧VOSC1、VOSC2のレベルと比例した周波数の出力信号を出力する。
また、比較器103は、チャージポンプの出力電圧VOUTと基準(閾値)電圧VREF2とを比較し、その比較結果に応じた信号を選択回路101に供給する。
したがって、この回路では、チャージポンプの出力電圧VOUTに応じてVCO102の発振周波数が切り替えられ、チャージポンプの各スイッチSW1〜SW4が制御される。
次に、本例のチャージポンプ回路の具体的な動作について説明する。
図3、図4は本例の動作を示す説明図であり、図3は起動時の動作、図4は過負荷時の動作を示している。
まず、起動時(VOUT=0V)または急激な負荷変動の場合(例えばグローバルシャッタ時)に、出力電圧VOUTがある閾値電圧(VREF2)以上である場合、比較器103の値はVCO102が高速で発振する電圧VOSC2を選択するよう出力される。
そして、一定時間後ある閾値電圧(VREF2)以下にVOUTが到達すると、比較器103の出力は反転し、VCO102が低速で発振する電圧VOSC1に切り替わり、効率優先の低消費電力モードに切り替わる。
図3、図4は本例の動作を示す説明図であり、図3は起動時の動作、図4は過負荷時の動作を示している。
まず、起動時(VOUT=0V)または急激な負荷変動の場合(例えばグローバルシャッタ時)に、出力電圧VOUTがある閾値電圧(VREF2)以上である場合、比較器103の値はVCO102が高速で発振する電圧VOSC2を選択するよう出力される。
そして、一定時間後ある閾値電圧(VREF2)以下にVOUTが到達すると、比較器103の出力は反転し、VCO102が低速で発振する電圧VOSC1に切り替わり、効率優先の低消費電力モードに切り替わる。
図5はチャージポンプ回路の第2の実施例を示す回路図である。なお、固体撮像装置の全体構成については、例えば図10に示した構成と同様であるものとし、説明は省略する。また、図5において図1に示した実施例と共通の構成要素については同一符号を付している。
図示のように、本例のチャージポンプ回路では、比較器103をAD変換器113に置き換え、かつ、選択回路101を4つの電圧値VOSC1〜VOSC4を選択する選択回路111に置き換えたものである。図6は本例におけるVCO102の入出力特性を例示した説明図である。図示のように、制御電圧VOSC1、VOSC2、VOSC3、VOSC4のレベルと比例した周波数の出力信号を出力する。
図示のように、本例のチャージポンプ回路では、比較器103をAD変換器113に置き換え、かつ、選択回路101を4つの電圧値VOSC1〜VOSC4を選択する選択回路111に置き換えたものである。図6は本例におけるVCO102の入出力特性を例示した説明図である。図示のように、制御電圧VOSC1、VOSC2、VOSC3、VOSC4のレベルと比例した周波数の出力信号を出力する。
図7、図8は本例の動作を示す説明図であり、図7は起動時の動作、図8は過負荷時の動作を示している。
本例の構成により、VCO102の出力周波数を比較器103を用いたときより多値化できる。そして、この出力周波数の多値化により、目標の電圧付近では周波数を落として収束性を優先し、目標の電圧との乖離が激しいときには周波数を上げて高速性を優先するといったような収束性と高速性の両立を図ることが可能となる。
本例の構成により、VCO102の出力周波数を比較器103を用いたときより多値化できる。そして、この出力周波数の多値化により、目標の電圧付近では周波数を落として収束性を優先し、目標の電圧との乖離が激しいときには周波数を上げて高速性を優先するといったような収束性と高速性の両立を図ることが可能となる。
図9はチャージポンプ回路の第3の実施例を示す回路図である。なお、固体撮像装置の全体構成については、例えば図10に示した構成と同様であるものとし、説明は省略する。また、図9において図5に示した実施例と共通の構成要素については同一符号を付している。
図示のように、本例のチャージポンプ回路では、選択回路111及びVCO102をPLL120に置き換え、AD変換器からの逓倍制御信号によってPLL120の出力周波数信号を可変制御するようにしたものである。一般にVCOではプロセスバラツキによる周波数のバラツキを特別な補正方法(たとえばトリミングなど)を用いて行う必要があり、本例では、このVCOを不要としたことで、特別な補正を用いることなく実現できる。この結果、周波数のバラツキが少なくなるため、システムにてノイズ除去のための帯域制限が行い易いシステムを実現できる。なお、本例において、PLL120によって生成する周波数信号は例えば図6に示すものと同様とし、また、起動時及び過負荷時の動作は例えば図7、図8に示すものと同様とする。
図示のように、本例のチャージポンプ回路では、選択回路111及びVCO102をPLL120に置き換え、AD変換器からの逓倍制御信号によってPLL120の出力周波数信号を可変制御するようにしたものである。一般にVCOではプロセスバラツキによる周波数のバラツキを特別な補正方法(たとえばトリミングなど)を用いて行う必要があり、本例では、このVCOを不要としたことで、特別な補正を用いることなく実現できる。この結果、周波数のバラツキが少なくなるため、システムにてノイズ除去のための帯域制限が行い易いシステムを実現できる。なお、本例において、PLL120によって生成する周波数信号は例えば図6に示すものと同様とし、また、起動時及び過負荷時の動作は例えば図7、図8に示すものと同様とする。
なお、以上の説明では、本発明をMOS型固体撮像装置について適用した場合を説明したが、本発明は必ずしもMOS型固体撮像装置に限定されず、CCDイメージセンサ等の固体撮像装置にも適用できるものである。
また、固体撮像装置は1チップ上にCMOSイメージセンサ等を構成したものに限らず、撮像部と信号処理部や光学系がまとめてパッケージ化されたモジュールであってもよい。また、カメラシステムや携帯電話器に利用される装置であってもよい。なお、本発明では、CMOSイメージセンサの機能を単体で有する構成を固体撮像装置といい、固体撮像装置と他の要素(制御回路、操作部、表示部、さらにはデータ蓄積機能、通信機能等)と一体化された構成を撮像装置というものとする。
また、固体撮像装置は1チップ上にCMOSイメージセンサ等を構成したものに限らず、撮像部と信号処理部や光学系がまとめてパッケージ化されたモジュールであってもよい。また、カメラシステムや携帯電話器に利用される装置であってもよい。なお、本発明では、CMOSイメージセンサの機能を単体で有する構成を固体撮像装置といい、固体撮像装置と他の要素(制御回路、操作部、表示部、さらにはデータ蓄積機能、通信機能等)と一体化された構成を撮像装置というものとする。
以下、本発明を適用した撮像装置の具体例を説明する。
図18は本例のCMOSイメージセンサを用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図18において、撮像部310は、例えば上記実施例で説明したCMOSイメージセンサを用いて被写体の撮像を行うものであり、撮像信号をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部320に出力する。
すなわち、撮像部310では、上述したCMOSイメージセンサの出力信号に対し、AGC(自動利得制御)、OB(オプティカルブラック)クランプ、CDS(相関二重サンプリング)、A/D変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
図18は本例のCMOSイメージセンサを用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図18において、撮像部310は、例えば上記実施例で説明したCMOSイメージセンサを用いて被写体の撮像を行うものであり、撮像信号をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部320に出力する。
すなわち、撮像部310では、上述したCMOSイメージセンサの出力信号に対し、AGC(自動利得制御)、OB(オプティカルブラック)クランプ、CDS(相関二重サンプリング)、A/D変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
なお、本例では、撮像部310内で撮像信号をデジタル信号に変換してシステムコントロール部320に出力する例について示しているが、撮像部310からアナログ撮像信号をシステムコントロール部320に送り、システムコントロール部320側でデジタル信号に変換する構成であってもよい。
また、撮像部310内での具体的な制御動作や信号処理等も従来から種々の方法が提供されており、本発明の撮像装置において特に限定しないことは勿論である。
また、撮像部310内での具体的な制御動作や信号処理等も従来から種々の方法が提供されており、本発明の撮像装置において特に限定しないことは勿論である。
また、撮像光学系300は、鏡筒内に配置されたズームレンズ301や絞り機構302等を含み、CMOSイメージセンサの受光部に被写体像を結像させるものであり、システムコントロール部320の指示に基づく駆動制御部330の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。
また、システムコントロール部320には、CPU321、ROM322、RAM323、DSP324、外部インターフェース325等が設けられている。
CPU321は、ROM322及びRAM323を用いて本カメラ装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
DSP324は、撮像部310からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号(例えばYUV信号等)を生成する。
外部インターフェース325には、各種エンコーダやD/A変換器が設けられ、システムコントロール部320に接続される外部要素(本例では、ディスプレイ330、メモリ媒体340、操作パネル部350)との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
CPU321は、ROM322及びRAM323を用いて本カメラ装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
DSP324は、撮像部310からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号(例えばYUV信号等)を生成する。
外部インターフェース325には、各種エンコーダやD/A変換器が設けられ、システムコントロール部320に接続される外部要素(本例では、ディスプレイ330、メモリ媒体340、操作パネル部350)との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
ディスプレイ330は、本カメラ装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。なお、このようなカメラ装置に組み込まれた小型表示器に加えて、外部の大型表示装置に画像データを伝送し、表示できる構成とすることも勿論可能である。
メモリ媒体340は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ341に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体340としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部350は、本カメラ装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、CPU321は、この操作パネル部350からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
メモリ媒体340は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ341に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体340としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部350は、本カメラ装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、CPU321は、この操作パネル部350からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
このようなカメラ装置に、本発明を適用することにより、装置の起動時や急激な負荷変動時などに適正な電流供給を行い、起動動作の高速化や負荷変動の抑制を図ることができる高品位の撮像装置を提供できる。なお、以上の構成において、システムの構成要素となる単位デバイスや単位モジュールの組み合わせ方、セットの規模等については、製品化の実情等に基づいて適宜選択することが可能であり、本発明の撮像装置は、種々の変形を幅広く含むものとする。
また、本発明の固体撮像装置及び撮像装置において、撮像対象(被写体)としては、人や景色等の一般的な映像に限らず、偽札検出器や指紋検出器等の特殊な微細画像パターンの撮像にも適用できるものである。この場合の装置構成としては、図18に示した一般的なカメラ装置ではなく、さらに特殊な撮像光学系やパターン解析を含む信号処理系を含むことになり、この場合にも本発明の作用効果を十分発揮して、精密な画像検出を実現することが可能となる。
さらに、遠隔医療や防犯監視、個人認証等のように遠隔システムを構成する場合には、上述のようにネットワークと接続した通信モジュールを含む装置構成とすることも可能であり、幅広い応用が実現可能である。
さらに、遠隔医療や防犯監視、個人認証等のように遠隔システムを構成する場合には、上述のようにネットワークと接続した通信モジュールを含む装置構成とすることも可能であり、幅広い応用が実現可能である。
101、111……選択回路、102……電圧制御発振機(VCO)、103……比較器、202……アンプ、203……基準電圧源、204……インバータ、SW1〜SW4……スイッチ、R1、R2……分圧抵抗、CP……ポンプ用コンデンサ、COUT……出力用コンデンサ、113……AD変換器、120……PLL。
Claims (20)
- 受光面に沿って配置される複数の光電変換手段と、
前記光電変換手段で生成された信号電荷を読み出す読み出し手段と、
前記光電変換手段及び読み出し手段を含む各部に各種レベルの電圧を供給する電圧供給手段と、
前記電圧供給手段による供給電圧のうちの所定の供給電圧のレベル変動を検出する検出手段と、
前記検出手段によって所定の供給電圧のレベル変動が検出された場合に、そのレベル変動を収束させる方向に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記制御手段は装置の起動時に前記供給電圧のレベル変動を制御することを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記制御手段は稼働中の急激な負荷変動時に前記供給電圧のレベル変動を制御することを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記電圧供給手段は、アンプ出力から電荷を汲み上げるポンプ容量と、前記ポンプ容量の電荷汲み上げ動作をスイッチング制御するスイッチ回路とを含むチャージポンプ回路よりなることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記制御手段は、前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御することにより、前記供給電圧のレベル変動を制御することを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。
- 前記制御手段は前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する制御信号を切り換える選択回路であることを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。
- 前記制御手段は前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する電圧制御発振機であることを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。
- 前記制御手段は前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御するPLLであることを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。
- 前記検出手段は前記供給電圧を所定の基準電圧と比較する比較器であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記検出手段は前記供給電圧を数値化するAD変換器であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 被写体の撮像を行うための固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光部に被写体像を結像させる撮像光学系と、前記撮像光学系を駆動する駆動制御部と、前記固体撮像装置からの出力信号を信号処理し、撮像信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を記録する記録部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を出力する出力部と、撮像動作を制御するための各種信号を入力する操作部と有し、
前記固体撮像装置は、
受光面に沿って配置される複数の光電変換手段と、
前記光電変換手段で生成された信号電荷を読み出す読み出し手段と、
前記光電変換手段及び読み出し手段を含む各部に各種レベルの電圧を供給する電圧供給手段と、
前記電圧供給手段による供給電圧のうちの所定の供給電圧のレベル変動を検出する検出手段と、
前記検出手段によって所定の供給電圧のレベル変動が検出された場合に、そのレベル変動を収束させる方向に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記制御手段は装置の起動時に前記供給電圧のレベル変動を制御することを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
- 前記制御手段は稼働中の急激な負荷変動時に前記供給電圧のレベル変動を制御することを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
- 前記電圧供給手段は、アンプ出力から電荷を汲み上げるポンプ容量と、前記ポンプ容量の電荷汲み上げ動作をスイッチング制御するスイッチ回路とを含むチャージポンプ回路よりなることを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
- 前記制御手段は、前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御することにより、前記供給電圧のレベル変動を制御することを特徴とする請求項14記載の撮像装置。
- 前記制御手段は前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する制御信号を切り換える選択回路であることを特徴とする請求項14記載の撮像装置。
- 前記制御手段は前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御する電圧制御発振機であることを特徴とする請求項14記載の撮像装置。
- 前記制御手段は前記チャージポンプ回路のスイッチング周波数を制御するPLLであることを特徴とする請求項14記載の撮像装置。
- 前記検出手段は前記供給電圧を所定の基準電圧と比較する比較器であることを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
- 前記検出手段は前記供給電圧を数値化するAD変換器であることを特徴とする請求項11記載の撮像装置。
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