JP2009118035A - Solid-state imaging apparatus and electronic device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、およびそれを用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an electronic apparatus using the same.
従来、固体撮像装置として、光電変換素子としての画素が行列状に配列された画素アレイを有し、この画素アレイの各読み出し列ごとにAD変換器を配置したものが知られている(例えば特許文献1参照)。
このような構成の固体撮像装置(以下、従来装置という)は、AD変換器が画素信号を直ぐにAD変換するので、アナログ信号を引き回す必要がなくなりSN比が向上する。さらに、画素アレイの読み出し列ごとにAD変換器を配置して信号の並列処理を行なうので、AD変換器1個あたりの帯域が低く、AD変換器自体のSN比も向上する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a solid-state imaging device, a device having a pixel array in which pixels as photoelectric conversion elements are arranged in a matrix and an AD converter is arranged for each readout column of the pixel array is known (for example, a patent) Reference 1).
In the solid-state imaging device having such a configuration (hereinafter referred to as a conventional device), since the AD converter immediately converts the pixel signal from AD, it is not necessary to draw an analog signal and the SN ratio is improved. Further, since an AD converter is arranged for each readout column of the pixel array and signals are processed in parallel, the band per AD converter is low and the SN ratio of the AD converter itself is improved.
ところで、従来装置では、AD変換を行うために、小面積で高精度なAD変換が可能なランプ波形比較型が使用される場合がある(例えば特許文献2参照)。この場合には、画素信号とランプ波形を比較器で比較し、その2つの信号が同じ電圧値になったときのカウンタのカウンタ値をAD変換の結果とする。
例えば、ランプ波形比較型の従来装置で一様に暗い状態を撮影した場合、画素信号の多くは同じような低レベルとなる。このような状態の多くの画素信号をAD変換する場合、多くの比較器では、ランプ波形と画素信号が同じ電圧になるタイミングが同時になる。このため、多くの比較器では、出力が同時に反転することになる。比較器の出力が反転するときには過渡的に多くの電流が流れ、大きな電源雑音が発生する。この電源雑音は、SN比の低下を招く。さらに、一様に暗い画像は人間の目では雑音が目立ち易いため、このような状況でのSN比の低下は避けなければならない。
For example, when a dark state is photographed uniformly with a conventional lamp waveform comparison type device, many of the pixel signals have the same low level. When many pixel signals in such a state are AD-converted, in many comparators, the timing at which the ramp waveform and the pixel signal become the same voltage is the same. For this reason, in many comparators, the output is simultaneously inverted. When the output of the comparator is inverted, a large amount of current flows transiently and a large power supply noise is generated. This power supply noise causes a decrease in the S / N ratio. In addition, since a uniformly dark image is easily noticeable by human eyes, a decrease in the S / N ratio in such a situation must be avoided.
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、多数の画素信号が一様の場合でも、A/D変換時における過渡電流に基づく電源雑音を防止するようにし、S/Nの低下を防止するようにした固体撮像装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、その固体撮像装置を活用することができる電子機器をを提供することにある。
Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to prevent power supply noise based on a transient current during A / D conversion even when a large number of pixel signals are uniform, and to prevent a decrease in S / N. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device.
Another object of the present invention is to provide an electronic apparatus that can utilize the solid-state imaging device.
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のような構成からなる。
第1の発明は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子のそれぞれの出力信号をランプ波形と比較してデジタル信号に変換する複数のAD変換手段とを備え、前記複数のAD変換手段のうちの所定のAD変換手段には、AD変換のタイミングがそれぞれ異なるように所定のオフセットを持たせるようにした。
第2の発明は、第1の発明において、前記複数のAD変換手段はそれぞれ比較器を含み、前記複数の比較器のうちの所定の比較器は、それぞれ異なるバイアス電流で動作するようにした。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, each invention has the following configuration.
The first invention includes a plurality of photoelectric conversion elements and a plurality of AD conversion means for comparing the output signals of the plurality of photoelectric conversion elements with a ramp waveform to convert them into digital signals. The predetermined AD conversion means among the means is provided with a predetermined offset so that the AD conversion timing is different.
According to a second invention, in the first invention, each of the plurality of AD conversion means includes a comparator, and the predetermined comparators of the plurality of comparators operate with different bias currents.
第3の発明は、第1の発明において、前記複数のAD変換手段はそれぞれ比較器を含み、前記複数の比較器の電源電圧は、電源配線の抵抗によってそれぞれ異なるようにした。
第4の発明は、第1〜第3の発明において、前記AD変換手段は、前記光電変換素子をリセットした直後の雑音成分をデジタル信号に変換し、前記光電変換素子の受光後の画素信号成分をデジタル信号に変換し、デジタル信号に変換された前記雑音成分と前記画素信号の差を画像信号とするようにした。
In a third aspect based on the first aspect, each of the plurality of AD conversion means includes a comparator, and the power supply voltages of the plurality of comparators are made different depending on the resistance of the power supply wiring.
In a fourth aspect based on the first to third aspects, the AD converter converts a noise component immediately after resetting the photoelectric conversion element into a digital signal, and a pixel signal component after light reception by the photoelectric conversion element Is converted into a digital signal, and the difference between the noise component converted into the digital signal and the pixel signal is used as an image signal.
第5の発明は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の出力信号を蓄積する複数の蓄積手段と、前記複数の蓄積手段からの出力信号をそれぞれ入力する複数のバッファ回路と、前記複数のバッファ回路の出力信号をランプ波形と比較してデジタル信号に変換する複数のAD変換手段とを備え、前記複数のバッファ回路のうちの所定のバッファ回路には、前記所定のバッファ回路に対応するAD変換手段のAD変換のタイミングがそれぞれ異なるように所定のオフセットを持たせるようにした。
第6の発明は、第5の発明において、複数のバッファ回路は、それぞれMOSトランジスタからなるソースフォロア回路とし、前記MOSトランジスタのゲートの長さは最小になるようにした。
The fifth invention is a plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of storage means for storing output signals of the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of buffer circuits for inputting output signals from the plurality of storage means, A plurality of AD converters for comparing the output signals of the plurality of buffer circuits with a ramp waveform to convert them into digital signals, and a predetermined buffer circuit of the plurality of buffer circuits includes the predetermined buffer circuit; A predetermined offset is provided so that the AD conversion timing of the corresponding AD conversion means is different.
According to a sixth aspect, in the fifth aspect, the plurality of buffer circuits are source follower circuits each composed of a MOS transistor, and the gate length of the MOS transistor is minimized.
第7の発明は、固体撮像装置を備えた電子機器であって、前記固体撮像装置は、第1〜第6発明のうちのいずれかの固体撮像装置からなる。
このような構成の本発明の固体撮像装置によれば、多数の画素信号が一様の場合でも、A/D変換時における過渡電流に基づく電源雑音を防止でき、もってS/Nの低下を防止することができる。
また、本発明の電子機器によれば、S/Nが向上が図られた固体撮像装置を活用することができる。
7th invention is an electronic device provided with the solid-state imaging device, Comprising: The said solid-state imaging device consists of a solid-state imaging device in any one of the 1st-6th invention.
According to the solid-state imaging device of the present invention having such a configuration, even when a large number of pixel signals are uniform, power supply noise based on a transient current at the time of A / D conversion can be prevented, thereby preventing a decrease in S / N. can do.
Further, according to the electronic apparatus of the present invention, a solid-state imaging device with improved S / N can be used.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
(固体撮像装置の第1実施形態)
図1は、本発明の固体撮像装置の第1実施形態の構成を示す。
この固体撮像装置の第1実施形態は、図1に示すように、光電変換素子である画素1が3行×3列からなる画素アレイ2を備えている。画素1としては、フォトダイオードなどが使用される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First Embodiment of Solid-State Imaging Device)
FIG. 1 shows a configuration of a first embodiment of a solid-state imaging device of the present invention.
As shown in FIG. 1, the first embodiment of the solid-state imaging device includes a
また、この第1実施形態は、画素アレイ2の画素1からの出力信号をランプ波を用いてデジタル信号にA/D変換して出力するために、垂直走査回路3と、3つの比較部4と、ランプ波形発生回路5と、3つのラッチ回路6と、カウンタ7と、水平走査回路8とを備えている。
垂直走査回路3は、画素アレイ2の3行のうちの1つの行の3つの画素1の出力信号を同時に読み出すために、その1つの行を選択する。垂直走査回路3で選択された行の画素1の出力信号は、各列の画素1が共通に接続された垂直信号線9上に表れ、比較部4内のキャパシタC1またはキャパシタC2に記憶される(図2参照)。
In the first embodiment, the output signal from the
The
比較部4は、それぞれ図2に示すように構成され、キャパシタC1、C2と、スイッチSW11、SW12、W21、SW22と、バッファ回路41と、比較器42と、を備えている。
キャパシタC1は、画素1をリセットした直後の雑音成分を蓄積する。キャパシタC1にその雑音成分を蓄積するにはスイッチSW11がオン状態とされ、その蓄積電荷をバッファ回路41に供給するにはスイッチSW21がオン状態とされる。
The
The capacitor C1 stores a noise component immediately after the
キャパシタC2は、画素1の受光後の画素信号成分を蓄積する。キャパシタC1にその画素信号成分を蓄積するにはスイッチSW12がオンされ、その蓄積電荷をバッファ回路41に供給するにはスイッチSW22がオンされる。
バッファ回路41は、キャパシタC1またはキャパシタC2からの各電荷を選択的に受け取り、その受け取った電荷に応じた電圧を比較器42の入力端子IN−に出力する。
The capacitor C2 accumulates a pixel signal component after light reception by the
The
比較器42は、ランプ波形発生回路5が発生するランプ波形とキャパシタC1からの雑音成分を比較し、それらが同じ値になったときに、その旨を示す反転出力をラッチ回路6に出力する。ラッチ回路6は、その反転出力に基づいて、そのときのカウンタ7のカウント値(計数値)をデジタル値としてラッチ(記憶)する。
また、比較器42は、ランプ波形とキャパシタC2からの画素信号を比較し、それらが同じ値になったときに、その旨を示す反転出力をラッチ回路6に出力する。ラッチ回路6は、その反転出力に基づいて、そのときのカウンタ7のカウント値をデジタル値として記憶する。
The
Further, the
水平走査回路8は、ラッチ回路6でラッチされたデジタル信号を順次選択して引き算回路(図示せず)に送る。引き算回路は、その送られてくるデジタル形態の雑音成分と画素信号成分の差分を求めることにより画像信号が得られる。このように得られる画像信号は、画素1の雑音成分が取り除かれると同時に、後述のように付加されるAD変換器のオフセット成分が取り除かれたものとなる。
The
次に、比較器42の具体的な構成について、図2および図3を参照して説明する。
比較器42は、図2に示すように、差動増幅回路422とインバータ424の2段で構成される。そして、複数の比較部4(図1の例では3つ)に含まれる比較器42には、A/D変換のタイミングがそれぞれ異なるように、オフセットを持たせるようにしている。
このオフセットは、比較器42を構成する差動増幅回路422を、図3のように構成することによって持たせるようにしている。
Next, a specific configuration of the
As shown in FIG. 2, the
This offset is provided by configuring the
差動増幅回路422は、差動入力対を構成するN型のMOSトランジスタM2、M3と、カレントミラーからなり能動負荷として機能するP型のMOSトランジスタM4、M5と、電流源として機能するN型のMOSトランジスタM1とを備えている。
MOSトランジスタM1のゲートには所望のバイアス電圧Vbが供給され、所望のバイアス電流Iを設定している。
いま、差動増幅回路422の出力端子OUT1に接続されるキャパシタ(図示せず)の容量値をC3とすると、比較器42の応答速度を決定するスルーレートSRは、次式のようになる。
The
A desired bias voltage Vb is supplied to the gate of the MOS transistor M1, and a desired bias current I is set.
Now, assuming that the capacitance value of a capacitor (not shown) connected to the output terminal OUT1 of the
SR=I/2/C3・・・(1) SR = I / 2 / C3 (1)
(1)式によれば、MOSトランジスタM1に流れるバイアス電流Iを変えることにより、比較器42の応答速度を変えることが出来る。そのバイアス電流Iは、チャネル長変調が無いとすると、次式で表される。
According to the equation (1), the response speed of the
I=1/2μCoxW/L(Vgs−Vth)2
=1/2μCoxW/L(Vb−GND−Vth)2 ・・・(2)
I = ½ μCox W / L (Vgs−Vth) 2
= 1/2 μCox W / L (Vb−GND−Vth) 2 (2)
ここで、μはキャリアの移動度、Coxはゲート容量、W/Lはトランジスタサイズ(チャネル幅/チャネル長さ)、Vgsはゲート・ソース間電圧である。Vthはしきい値電圧、Vbはゲートに印加されるバイアス電圧、GNDはグランド電位である。
(2)式によれば、バイアス電流IはMOSトランジスタM1のゲートに供給されるバイアス電圧Vbによって調整できるので、その調整によって比較器42の応答速度を調整できる。その比較器42の応答速度は、比較器42がラッチ回路6やカウンタ7などと連係して画素1からの画素信号(出力信号)VsをA/D変換する際のタイミングを決めることになる。従って、MOSトランジスタM1のゲートに供給されるバイアス電圧Vbは、A/D変換する際のタイミングを決めることになる。
Here, μ is the carrier mobility, Cox is the gate capacitance, W / L is the transistor size (channel width / channel length), and Vgs is the gate-source voltage. Vth is a threshold voltage, Vb is a bias voltage applied to the gate, and GND is a ground potential.
According to the equation (2), the bias current I can be adjusted by the bias voltage Vb supplied to the gate of the MOS transistor M1, so that the response speed of the
そこで、第1に示す複数の比較部4の比較器41は、それぞれバイアス電圧Vbを異なるように設定することにより、バイアス電流Iをそれぞれ異なるように設定するようにした。そして、その設定により、比較器41はA/D変換のタイミングが異なるためのオフセットを、それぞれ持たせるようにした。
ここで、比較器42はオフセットがあっても問題が無いので、図3の差動増幅回路422において、各トランジスタのパラメータの自由度が広がる。この点は、後述の各実施形態についても同様である。
例えば、一般的にMOSトランジスタの製造プロセスのばらつきを抑えるために、ゲート長は最小ゲート長よりも長めにする。しかし、本発明においては比較器の特性ばらつきがあっても、後述のようにAD変換後に雑音成分と信号成分の差分処理をすることによりキャンセルされるので、最小ゲート長にしても不具合はない(小面積化)。
Therefore, the
Here, since there is no problem even if the
For example, in general, the gate length is set longer than the minimum gate length in order to suppress variations in the manufacturing process of MOS transistors. However, in the present invention, even if there are variations in the characteristics of the comparators, they are canceled by performing the difference processing between the noise component and the signal component after AD conversion as will be described later. Small area).
次に、このような構成の第1実施形態のAD変換の動作例として、8ビットのAD変換の場合について、図4のタイミングチャートを参照して説明する。
図4の期間T1では、画素アレイ2の画素1に対して光が照射され、この照射により発生した電荷が画素1に蓄積される。
期間T2では、画素1のリセット直後の信号、すなわち雑音成分が画素1から読み出される。このときには、比較部4のスイッチSW11がオン状態になり、キャパシタC1にその雑音成分が蓄積される。蓄積が終わると、スイッチSW11はオフ状態になる。
Next, as an example of the AD conversion operation of the first embodiment having such a configuration, the case of 8-bit AD conversion will be described with reference to the timing chart of FIG.
In the period T1 in FIG. 4, light is emitted to the
In the period T2, a signal immediately after the reset of the
期間T3では、光量に応じて蓄積された画素信号が画素1から読み出される。このときには、スイッチSW12がオン状態になり、キャパシタC2に画素信号が蓄積される。その画素信号には、光量に依存した信号成分と画素1の雑音成分とが含まれている。蓄積が終わると、スイッチSW12はオフ状態になる。
期間T4では、期間T2でキャパシタC1に蓄積された雑音成分がAD変換される。このときには、スイッチSW21がオン状態になり、バッファ回路41を介して比較器42の反転入力端子IN−に雑音成分が与えられる。
In the period T3, the pixel signal accumulated according to the amount of light is read from the
In the period T4, the noise component accumulated in the capacitor C1 in the period T2 is AD converted. At this time, the switch SW21 is turned on, and a noise component is given to the inverting input terminal IN− of the
なお、バッファ回路41の入力端の寄生容量(図示せず)に、以前に読み出した信号電荷が残り、AD変換の精度に影響を与えるような場合には、スイッチSW21をオン状態にする前に寄生容量による電荷を放電する手段を設けるようにする。
スイッチSW21をオン状態にしたのち反転入力端子IN−の電圧値が安定すると、比較器42の非反転入力端子IN+に対してランプ波形発生回路5からのランプ波形が与えられ、同時にカウンタ7の計数値が「0」からカウントアップされていく。これにより、差動増幅回路422の出力OUT1は、図4に示すように変化する。
In the case where previously read signal charges remain in the parasitic capacitance (not shown) at the input terminal of the
When the voltage value of the inverting input terminal IN− is stabilized after the switch SW21 is turned on, the ramp waveform from the ramp
そして、比較器42の反転入力端子IN−に供給される雑音成分の値と、非反転入力端子IN+に供給されるランプ波形の値が等しくなると、比較器42の出力OUT2が図4に示すように反転する。ラッチ回路6は、その反転出力があると、そのときのカウンタ7のカウント値を雑音成分のデジタル値として記憶する。これにより、雑音成分のAD変換が終了する。
When the value of the noise component supplied to the inverting input terminal IN− of the
この動作例は8ビットのAD変換であるので、カウンタ7は「0」から「255」まで計数可能であるが、画素のリセット直後の雑音成分の値はおよそ決まっており「255」までカウントする必要はない。ここでは、6ビット=63までのカウントである。このようにカウントを少なくすると、AD変換時間を短くするとともにラッチ回路のビット数を減らすことができる。
Since this operation example is 8-bit AD conversion, the
比較器42は、図2に示すように、差動増幅回路422とインバータ424からなる2段の構成である。そして、差動増幅回路422のバイアス電流を上記のように任意に設定することで、差動増幅回路422の出力OUT1およびインバータ424の出力OUT2の各波形を図4に示すように実線の場合と破線の場合に変えることができる。すなわち、比較器42は、バイアス電流を変えることでAD変換を行うときのタイミングを変えることができる。
As shown in FIG. 2, the
図4に示す差動増幅回路422の出力OUT1およびインバータ424の出力OUT2の波形によれば、破線で示す波形に比べて実線で示す波形の場合には応答速度が遅い。このため、インバータ424で波形整形を行なった後でラッチ回路6に記憶されるカウンタ7のカウンタ値は異なる。破線で示す波形の場合にはラッチ回路6に記憶されるカウンタ7のカウンタ値は「2」となり、実線で示す場合にはそのカウンタ値は「5」となる。すなわち、3LSB分のオフセット差となる。
According to the waveforms of the output OUT1 of the
図1に示す3つの比較部4は、図2に示すように比較器42をそれぞれ含んでいるので、その比較器42のバイアス電流はそれぞれ異なるように設定されている。このため、その各比較器42の応答速度が変わり、その出力OUT2が同時に反転することを避けられる。言い換えると、3つ比較部4に含まれる比較器42は、それぞれ異なるタイミングでAD変換を行うことができる。
Since each of the three
ここで、比較器42を構成するインバータ424は出力OUT2が過渡的な状態では大きな電流が流れるが、その出力OUT2が反転するタイミングが3つの比較器42ではそれぞれ異なるために過渡的な電流の最大値が下がり、SN比の低下が避けられる。画素の雑音成分はどの画素も同じような値となるので、特に有効である。
期間T5では、期間T3でキャパシタC2に蓄積された画素信号がAD変換される。画素信号は、光量に依存した信号成分に画素1の雑音成分が含まれている。このときには、スイッチSW22がオン状態になり、バッファ回路41を介して比較器42の反転入力端子IN−に画素信号が与えられる。
Here, a large current flows through the
In the period T5, the pixel signal accumulated in the capacitor C2 in the period T3 is AD converted. The pixel signal includes the noise component of the
スイッチSW22をオン状態にしたのち反転入力端子IN−の電圧値が安定すると、比較器42の非反転入力端子IN+に対してランプ波形発生回路5からのランプ波形が与えられる。同時に、カウンタ7の計数値が「0」からカウントアップされていく。
そして、比較器42の反転入力端子IN−に供給される画素信号の値と、非反転入力端子IN+に供給されるランプ波形の値が等しくなると、比較器42の出力OUT2が図4に示すように反転する。ラッチ回路6は、その反転出力があると、そのときのカウンタ7のカウント値を画素信号のデジタル値として記憶する。これにより、(信号成分+雑音成分)のAD変換が終了する。この場合には、画素から出力される光量に依存した信号成分をAD変換するので、カウンタ7は「0」〜「255」までカウントとする。
When the voltage value of the inverting input terminal IN− is stabilized after the switch SW22 is turned on, the ramp waveform from the ramp
When the value of the pixel signal supplied to the inverting input terminal IN− of the
この期間T5のAD変換動作は、期間T4のAD変換動作と同様に、差動増幅回路422の出力OUT1およびインバータ424の出力OUT2の各波形は、図4に示すように実線の場合と破線の場合になる。言い換えると、同じ画素信号をAD変換する場合でも、破線と実線で示すようにラッチ回路6が記憶するカウンタ7のカウント値のタイミングが異なる。この例では、そのカウント値が「180」と「183」であり、雑音成分の場合と同様に3LSBのオフセット差となる。
In the AD conversion operation in the period T5, similarly to the AD conversion operation in the period T4, the waveforms of the output OUT1 of the
通常、光量に依存した信号成分は画素毎に信号レベルが異なるが、一様に暗い画像などを撮影する場合は、多くの画素の信号成分が同じような値となる。この同じような値の信号成分が期間T5でAD変換される場合には、期間T4で雑音成分がAD変換される場合と同様に、大多数の比較器が同時に動作することが避けられるのでSN比の低下を防ぐことができる。 Normally, the signal component depending on the amount of light has a different signal level for each pixel, but when photographing a dark image uniformly, the signal components of many pixels have the same value. When the signal component having the same value is AD-converted in the period T5, as in the case where the noise component is AD-converted in the period T4, it is possible to avoid the majority of comparators from operating at the same time. A reduction in the ratio can be prevented.
また、期間T4で雑音成分を期間T5で(信号成分+雑音成分)をそれぞれAD変換した後は、水平走査回路8によってラッチ回路6から雑音成分と(信号成分+雑音成分)のAD変換結果が順次出力さていく。そして、引き算回路(図示せず)が、ラッチ回路6から出力された2つの信号の差分を求める。図4に示す破線の波形の場合にはその差分は180−2=178、実線の波形の場合にはその差分は183−5=178となり、その2つの差分は同じ値となって、雑音やオフセット成分がキャンセルされた高画質な画像が出力される。
Further, after AD conversion of the noise component in period T4 and (signal component + noise component) in period T5, the
以上のように、第1実施形態では、比較器42がAD変換する際のタイミングを異ならせるためのオフセットとして、複数の比較器42に異なるバイアス電流を設定するようにした。このため、複数の画素の画素信号が一様の場合でも、AD変換時における過渡電流に基づく電源雑音を防止でき、もってS/Nの低下を防止することができる。
また、第1実施形態では、AD変換ごとに画素信号の雑音成分と画素信号成分の差を求めるようにしたので、AD変換のタイミングをずらすために比較器に持たせているオフセットをAD変換ごとにキャンセルできる。
As described above, in the first embodiment, different bias currents are set in the plurality of
In the first embodiment, since the difference between the noise component of the pixel signal and the pixel signal component is obtained for each AD conversion, the offset given to the comparator for shifting the AD conversion timing is set for each AD conversion. Can be canceled.
なお、第1実施形態では、比較器42がAD変換する際のタイミングを異ならせるために、複数の比較器42に異なるバイアス電流をそれぞれ設定するようにした。しかし、そのうちの所定の比較器に対して、異なるバイアス電流を設定するようにしても良い。
すなわち、AD変換器を構成する比較器の全てはオフセットがそれぞれ異なっている必要はなく、いくつかの種類のオフセットであれば問題はなく、AD変換器を構成する大多数の比較器が同時に動作することを避けられれば良い。このような考え方は、後述の各実施形態においても同様である。
In the first embodiment, different bias currents are set in the plurality of
That is, it is not necessary for all the comparators constituting the AD converter to have different offsets, and there is no problem if there are several types of offsets, and the majority of comparators constituting the AD converter operate simultaneously. I just want to avoid doing that. This concept is the same in each embodiment described later.
(固体撮像装置の第2実施形態)
本発明の固体撮像装置の第2実施形態は、図1に示す第1実施形態の構成と同様に、複数の比較部4に含まれる比較器42がAD変換する際のタイミングがそれぞれ異なるように、比較器42にそれぞれオフセットを持たせるようにした。そして、第2実施形態では、そのオフセットとして、複数の比較器42に印加する電源電圧をそれぞれ変更するようにした。
なお、この第2実施形態の他の部分の構成は、図1に示す第1実施形態の構成と同じであるので、その説明は省略する。
(Second Embodiment of Solid-State Imaging Device)
As in the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, the second embodiment of the solid-state imaging device of the present invention has different timings when AD conversion is performed by the
In addition, since the structure of the other part of this 2nd Embodiment is the same as the structure of 1st Embodiment shown in FIG. 1, the description is abbreviate | omitted.
次に、比較器42に上記のオフセットを持たせるための具体的な構成について、図5を参照して説明する。
比較部4に含まれる比較器42は、画素アレイ2の画素1の各列に配置されるために(図1参照)、行方向(図1の横方向)に共通である、電源電圧VDD側の電源線51とグランド側の電源線52にそれぞれ接続されることになる。たとえば、画素数がVGAの固体撮像素子を想定すると、少なくとも行方向に640個の比較器42が同一の電源線51、52に接続される。ここで、電源線51の一端はVDDパッド53に接続され、電源線52の一端はGNDパッド54に接続される。
Next, a specific configuration for providing the
Since the
電源線51、52は、図5(A)に示すように抵抗があるので、640個の比較器42による電流により電圧降下が発生する。このため、グランド側の電源線52の電位は、図5(B)に示すようにグランドパッド54から遠く離れるほど上昇する。比較器42に供給されるバイアス電圧Vbは、MOSトランジスタがハイ・インピーダンスのためにどの比較器42でも同電位となる。
Since the
このため、(2)式によれば、グランド側の電源線52がグランドパッド54から離れてグランドの電位GNDが上昇するほど、すなわちグランドパッド54から離れている比較器42ほどバイアス電流Iが小さくなる。従って、比較器42に特別なオフセット手段を施すことなく、比較器42のスルーレートを変えることでオフセットを付けられる。
以上のように、第2実施形態では、比較器42がAD変換する際のタイミングを異ならせるためのオフセットとして、複数の比較器42に印加する電源電圧の値をそれぞれ異ならせるようにし、このために電源線の抵抗を活用するようにした。このため、第1実施形態と同様の作用効果が実現できる。
For this reason, according to the equation (2), the bias current I decreases as the ground potential GND increases as the ground-
As described above, in the second embodiment, the values of the power supply voltages applied to the plurality of
(固体撮像装置の第3実施形態)
本発明の固体撮像装置の第3実施形態は、図1に示す第1実施形態の構成と同様に、複数の比較部4に含まれる比較器42がAD変換する際のタイミングがそれぞれ異なるように、その比較器42の入力側に配置されるオフセット回路41にそれぞれオフセットを持たせるようにした。そして、第3実施形態では、そのオフセットとして、複数のオフセット回路41を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧が異なるようにした。
なお、この第3実施形態の他の部分の構成は、図1に示す第1実施形態の構成と同じであるので、その説明は省略する。
(Third embodiment of solid-state imaging device)
As in the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, the third embodiment of the solid-state imaging device of the present invention has different timings when AD conversion is performed by the
In addition, since the structure of the other part of this 3rd Embodiment is the same as the structure of 1st Embodiment shown in FIG. 1, the description is abbreviate | omitted.
次に、比較部4に含まれるバッファ回路41の具体的な構成について、図6を参照して説明する。
バッファ回路41は、図6に示すように、MOSトランジスタM6、M7からなるソースフォロア回路で構成した。MOSトランジスタM6のゲートに入力電圧Vinが入力され、MOSトランジスタM6とM7の共通接続部から出力電圧Voと取り出す。また、MOSトランジスタM7のゲートには所定のバイアス電圧Vbが印加される。
さらに、MOSトランジスタM6、M7は、しきい値電圧Vthが異なる値になるようにして、オフセットを持たせている。
ソースフォロア回路は、基板バイアス効果およびチャネル長変調が無いとすると、回路電流Iは次式となる。
Next, a specific configuration of the
As shown in FIG. 6, the
Further, the MOS transistors M6 and M7 are offset so that the threshold voltage Vth becomes a different value.
In the source follower circuit, assuming that there is no substrate bias effect and channel length modulation, the circuit current I is expressed by the following equation.
I=1/2μCoxW/L(Vgs−Vth)2 ・・・(3) I = 1/2 μCox W / L (Vgs−Vth) 2 (3)
ここで、Vgs=Vg−Vs、Vg=Vin、Vs=Voとしている。
MOSトランジスタは、製造プロセスのばらつきによりしきい値電圧Vthが10〔mV〕程度のばらつきがある。このため、バッファ回路41で10〔mV〕程度のオフセットばらつきが発生し、一様な明るさの画像をAD変換するときでも大多数の比較器が同時に動作することが避けられる。
MOSトランジスタをアナログ的に使う場合には、しきい値電圧Vthのばらつきを小さくするためにゲート長を長めにするが、第3実施形態ではそのばらつきを積極的に活用するために、MOSトランジスタのゲート長さは最小で良い。
ソースフォロア回路の電圧利得Gは、基板バイアス効果が無いと仮定すると、次式で表される。
Here, Vgs = Vg−Vs, Vg = Vin, and Vs = Vo.
MOS transistors have a variation in threshold voltage Vth of about 10 [mV] due to variations in manufacturing processes. For this reason, an offset variation of about 10 [mV] occurs in the
When the MOS transistor is used in an analog manner, the gate length is increased in order to reduce the variation in the threshold voltage Vth. In the third embodiment, in order to positively utilize the variation, The gate length may be minimal.
Assuming that there is no substrate bias effect, the voltage gain G of the source follower circuit is expressed by the following equation.
G=Vo/Vin= 1/(1+1/(gm・rd))・・・(4) G = Vo / Vin = 1 / (1 + 1 / (gm · rd)) (4)
ここで、gmはトランスコンダクタンスであり、gm=√(2μCoxW/L・I)、rdはドレイン抵抗で、ゲート長に反比例する値である。
gm・rdが十分に大きければ、電圧利得は1となる。ゲート長Lを小さくすると、rdが小さくなり電圧利得が1に近似できなくなり、gmやrdのばらつきが電圧利得に表れてきてしまうことがある。すなわち,AD変換結果のリニアリティがADコンバータ毎にばらつくことになる。そのようなことを避けるためには、ゲート幅Wを大きくしてrdが小さくなっても電圧利得が1に近似できるようにgmを大きくしておけば良い。
Here, gm is transconductance, gm = √ (2 μCoxW / L · I), and rd is a drain resistance, which is a value inversely proportional to the gate length.
If gm · rd is sufficiently large, the voltage gain is unity. If the gate length L is reduced, rd becomes small and the voltage gain cannot be approximated to 1, and variations in gm and rd may appear in the voltage gain. That is, the linearity of the AD conversion result varies for each AD converter. In order to avoid such a situation, gm may be increased so that the voltage gain can be approximated to 1 even when the gate width W is increased and rd is decreased.
次に、このような構成からなる第3実施形態は、第1実施形態のバッファ回路41を図6のような構成にした点を除けば、第1実施形態の構成と同じである。
このため、第3実施形態の動作時の各部の波形は(図1参照)、図7に示すタイミングチャートのようになる。図7が第1実施形態の動作時の各部の波形を示す図4と異なる点は、バッファ回路41の出力電圧、すなわち比較器41の反転入力端子IN−の電圧が、実線や破線のように変わる点である。これは、バッファ回路41を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧Vthの差異のためである。
以上のように、第3実施形態では、比較器42がAD変換する際のタイミングを異ならせるためのオフセットとして、比較器42の入力側に配置されるバッファ回路を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧Vthに差異を設けるようにした。このため、第1実施形態と同様の作用効果が実現できる。
Next, the third embodiment configured as described above is the same as the configuration of the first embodiment except that the
For this reason, the waveform of each part at the time of operation | movement of 3rd Embodiment (refer FIG. 1) becomes like the timing chart shown in FIG. FIG. 7 differs from FIG. 4 that shows the waveforms of the respective parts during the operation of the first embodiment, in that the output voltage of the
As described above, in the third embodiment, the threshold value of the MOS transistor constituting the buffer circuit arranged on the input side of the
(固体撮像装置のその他の実施形態)
上記の実施形態では、比較器42がAD変換する際のタイミングを異ならせるためのオフセットとして、比較器42のバイアス電流をそれぞれ変更したり、比較器42の電源電圧をそれぞれ変更したり、あるいは比較器42の入力側に配置されるバッファ回路を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧Vthをそれぞれ変更するようにした。
しかし、本発明は、比較器42がAD変換する際のタイミングを異ならせるためのオフセットとして、上記のうちの2種類、あるいは3種類を適宜組み合わせて実現するようにしても良い。
(Other Embodiments of Solid-State Imaging Device)
In the above embodiment, as an offset for differentiating the timing when the
However, the present invention may be realized by appropriately combining two or three of the above as an offset for differentiating the timing when the
(電子機器の実施形態)
次に、本発明の電子機器の実施形態について説明する。
電子機器の実施形態は、上記の固体撮像装置の実施形態を適用したものである。すなわち、この実施形態は上記の固体撮像装置のうちのいずれかを、例えばビデオカメラ、電子スチルカメラなどに適用したものである。
このような構成の電子機器の実施形態によれば、上記の固体撮像装置を使用することで、AD変換時における過渡電流に基づく電源雑音が排除された画像を取得でき、その後の画像処理が容易になる。
(Embodiment of electronic device)
Next, an embodiment of the electronic device of the present invention will be described.
The embodiment of the electronic apparatus is an application of the embodiment of the solid-state imaging device. That is, in this embodiment, any one of the above-described solid-state imaging devices is applied to, for example, a video camera, an electronic still camera, or the like.
According to the embodiment of the electronic device having such a configuration, by using the solid-state imaging device, an image from which power supply noise based on a transient current at the time of AD conversion is eliminated can be acquired, and subsequent image processing is easy. become.
1・・・画素、2・・・画素アレイ、3・・・垂直走査回路、4・・・比較部、5・・・クランプ波形発生回路、6・・・ラッチ回路、7・・・カウンタ、8・・・水平走査回路、41・・・バッファ回路、42・・・比較器、51、52・・・電源線、422・・・差動増幅回路、424・・・インバータ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記複数の光電変換素子のそれぞれの出力信号をランプ波形と比較してデジタル信号に変換する複数のAD変換手段とを備え、
前記複数のAD変換手段のうちの所定のAD変換手段には、AD変換のタイミングがそれぞれ異なるように所定のオフセットを持たせるようにしたことを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion elements;
A plurality of AD conversion means for comparing respective output signals of the plurality of photoelectric conversion elements with a ramp waveform and converting them into digital signals;
2. A solid-state imaging apparatus according to claim 1, wherein predetermined AD conversion means among the plurality of AD conversion means is provided with predetermined offsets so that AD conversion timings are different from each other.
前記光電変換素子をリセットした直後の雑音成分をデジタル信号に変換し、
前記光電変換素子の受光後の画素信号成分をデジタル信号に変換し、
デジタル信号に変換された前記雑音成分と前記画素信号の差を画像信号とするようにしたことを特徴とする請求項1、請求項2、または請求項3に記載の固体撮像装置。 The AD conversion means includes
The noise component immediately after resetting the photoelectric conversion element is converted into a digital signal,
The pixel signal component after receiving light of the photoelectric conversion element is converted into a digital signal,
4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the difference between the noise component converted into a digital signal and the pixel signal is an image signal.
前記複数の光電変換素子の出力信号を蓄積する複数の蓄積手段と、
前記複数の蓄積手段からの出力信号をそれぞれ入力する複数のバッファ回路と、
前記複数のバッファ回路の出力信号をランプ波形と比較してデジタル信号に変換する複数のAD変換手段とを備え、
前記複数のバッファ回路のうちの所定のバッファ回路には、前記所定のバッファ回路に対応するAD変換手段のAD変換のタイミングがそれぞれ異なるように所定のオフセットを持たせるようにしたことを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion elements;
A plurality of storage means for storing the output signals of the plurality of photoelectric conversion elements;
A plurality of buffer circuits each for inputting output signals from the plurality of storage means;
A plurality of AD conversion means for comparing the output signals of the plurality of buffer circuits with a ramp waveform and converting them into digital signals;
The predetermined buffer circuit of the plurality of buffer circuits is provided with a predetermined offset so that the AD conversion timing of the AD conversion means corresponding to the predetermined buffer circuit is different from each other. Solid-state imaging device.
前記固体撮像装置は、請求項1乃至請求項6のうちのいずれかの請求項に記載の固体撮像装置からなることを特徴とする電子機器。 An electronic device including a solid-state imaging device,
An electronic apparatus comprising the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6.
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