JP2009260701A - Imaging device and method of controlling solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having a charge transfer unit that transfers charges generated in a photoelectric conversion element and an output unit that outputs a signal corresponding to the charge transferred through the charge transfer unit.
CCD(Charge Coupled Device)型固体撮像素子は、行列状に2次元配置された光電変換素子から読み出された電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部から転送される1ライン分の電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部と、水平電荷転送部によって転送された電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプとを有している。 The CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device transfers a plurality of vertical charge transfer units for transferring charges read from photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional matrix in a vertical direction, and transfers from the vertical charge transfer unit. A horizontal charge transfer unit that transfers the charge for one line in the horizontal direction, and an output amplifier that converts the charge transferred by the horizontal charge transfer unit into a voltage signal and outputs the voltage signal.
一般に、出力アンプは、水平電荷転送部から転送されてきた電荷が蓄積されるフローティングディフュージョン(以下、FDという)部と、FD部の電位変化に応じた信号を出力する多段接続されたソースフォロワ回路とから構成されている。各ソースフォロワ回路は、エンハンスメント型の駆動トランジスタと、デプレッション型の負荷トランジスタとから構成される。 In general, an output amplifier includes a floating diffusion (hereinafter referred to as FD) unit that accumulates charges transferred from a horizontal charge transfer unit, and a multi-stage connected source follower circuit that outputs a signal corresponding to a potential change in the FD unit. It consists of and. Each source follower circuit includes an enhancement type drive transistor and a depletion type load transistor.
近年、撮像装置における撮影の高速化に伴い、消費電流が増大しており、この消費電流の増大により、撮像装置の発熱量が増大してきている。固体撮像素子はシリコン基板に形成されており、温度が上昇すると暗電流が増加することが知られている。近年では、高感度化も進んでおり、暗電流の増加による画質への影響が課題となっている。消費電流の増大を防ぐ方法として特許文献1,2記載の方法が提案されている。
2. Description of the Related Art In recent years, with an increase in shooting speed in an imaging device, current consumption has increased, and due to this increase in current consumption, the amount of heat generated by the imaging device has increased. The solid-state imaging device is formed on a silicon substrate, and it is known that dark current increases as the temperature rises. In recent years, higher sensitivity has been developed, and the influence on image quality due to an increase in dark current has become a problem. As a method for preventing an increase in current consumption, methods described in
特許文献1には、露光期間中、固体撮像素子の出力アンプの各ソースフォロワ回路の負荷トランジスタを、垂直転送パルスによって制御することで、出力アンプに流れる電流を抑制する方法が開示されている。又、負荷トランジスタの電流制御を行うためのパルスを、垂直転送パルスではく、電流制御専用のパルスで実現しても良いとの記載(段落0074)がある。 Patent Document 1 discloses a method of suppressing a current flowing through an output amplifier by controlling a load transistor of each source follower circuit of an output amplifier of a solid-state imaging device with a vertical transfer pulse during an exposure period. Further, there is a description (paragraph 0074) that the pulse for controlling the current of the load transistor may be realized not by the vertical transfer pulse but by a pulse dedicated to current control.
特許文献2には、固体撮像素子の出力アンプの最終段のソースフォロワ回路の負荷トランジスタに直列に電流制御用トランジスタを設け、この電流制御用トランジスタを垂直転送パルスによって制御することで、出力アンプに流れる電流を抑制する方法が開示されている。
In
特許文献1記載の方法では、垂直転送パルスを電流制御に用いているため、固体撮像素子の動作期間のうち、水平ブランキング期間と信号電荷掃き出し期間においては、負荷トランジスタのソース電流が抑制されない期間が発生してしまう。このため、消費電流の抑制が充分になされているとは言えない。特許文献1の段落0074には、負荷トランジスタの電流制御を行うためのパルスを、垂直転送パルスφV2でなく、電流制御専用のパルスで実現しても良いとの記載があるが、この電流制御専用のパルスがどのようなパルスであるのかの具体的な記載はない。垂直転送パルスφV2と全く同じパルスを別に生成してこれを利用した場合については開示されていると判断することは可能であるが、この場合には、水平ブランキング期間と信号電荷掃き出し期間において消費電流の抑制を充分に行うことができない。 In the method described in Patent Document 1, since the vertical transfer pulse is used for current control, the period during which the source current of the load transistor is not suppressed in the horizontal blanking period and the signal charge sweeping period in the operation period of the solid-state imaging device. Will occur. For this reason, it cannot be said that current consumption is sufficiently suppressed. In paragraph 0074 of Patent Document 1, there is a description that the pulse for performing the current control of the load transistor may be realized not by the vertical transfer pulse φV2 but by a pulse dedicated to current control. There is no specific description of what kind of pulses are. It is possible to determine that the same pulse as the vertical transfer pulse φV2 is separately generated and used, but in this case, it is consumed in the horizontal blanking period and the signal charge sweeping period. The current cannot be sufficiently suppressed.
特許文献2記載の方法では、負荷トランジスタに直列に電流制御用トランジスタを設けているため、出力アンプの出力インピーダンスが高くなってしまい、高周波帯域での動作に不向きである。又、垂直転送パルスで電流制御を行っているため、上述したように、消費電流の抑制を充分に行うことができない。
In the method described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高周波帯域での動作に適した低消費電力の固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a low power consumption solid-state imaging device suitable for operation in a high frequency band.
本発明の固体撮像素子は、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、前記出力部が、前記電荷に対応する信号が入力される駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタに対して電流供給手段をなす第一の負荷トランジスタとを含む増幅回路を有し、前記第一の負荷トランジスタの動作状態を制御するための専用の制御信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加して、前記駆動トランジスタに供給する電流量を制御する電流制御手段を備え、前記制御信号が、前記駆動トランジスタに供給される電流量が所望の値となるように前記第一の負荷トランジスタを制御するための第一の信号と、前記駆動トランジスタに供給される電流量が前記所望の値よりも少なくなるように前記第一の負荷トランジスタを制御するための第二の信号とを含み、前記電流制御手段は、前記固体撮像素子の動作期間のうち、前記電荷に応じた信号を前記出力部から出力させる信号出力期間では、前記第一の信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加し、前記信号出力期間以外の期間では、前記第二の信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加する。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a solid-state imaging device including a charge transfer unit that transfers charges generated by a photoelectric conversion element, and an output unit that outputs a signal corresponding to the charges transferred through the charge transfer unit. In the imaging apparatus, the output unit includes an amplifying circuit including a driving transistor to which a signal corresponding to the charge is input, and a first load transistor that forms a current supply unit for the driving transistor, Current control means for controlling the amount of current supplied to the drive transistor by applying a dedicated control signal for controlling the operating state of the first load transistor to the control terminal of the first load transistor; The control signal includes a first signal for controlling the first load transistor such that an amount of current supplied to the drive transistor becomes a desired value, and the drive transistor. And a second signal for controlling the first load transistor so that the amount of current supplied to the transistor is less than the desired value, and the current control means includes an operation period of the solid-state imaging device. In the signal output period in which a signal corresponding to the charge is output from the output unit, the first signal is applied to the control terminal of the first load transistor, and in a period other than the signal output period, A second signal is applied to the control terminal of the first load transistor.
この構成により、駆動トランジスタに供給される電流量が専用の制御信号によって制御されるため、駆動トランジスタに供給される電流量を、信号出力期間以外の全ての期間で抑制することが可能となり、低消費電力化及び発熱の抑制による暗電流の低減を実現することができる。 With this configuration, since the amount of current supplied to the drive transistor is controlled by a dedicated control signal, the amount of current supplied to the drive transistor can be suppressed in all periods other than the signal output period. Dark current can be reduced by reducing power consumption and suppressing heat generation.
本発明の固体撮像素子は、前記電流制御手段が、前記固体撮像素子を駆動したり、前記固体撮像素子から出力された信号を処理したりするためのタイミング信号を生成するタイミングジェネレータと、前記タイミング信号から前記第一の信号及び前記第二の信号を生成し、これらのいずれかを前記固体撮像素子の動作期間に応じて前記第一の負荷トランジスタの制御端子に入力する信号生成手段とから構成されている。 In the solid-state imaging device of the present invention, the current control unit generates a timing signal for driving the solid-state imaging device or processing a signal output from the solid-state imaging device, and the timing A signal generation unit configured to generate the first signal and the second signal from a signal, and to input one of them to a control terminal of the first load transistor according to an operation period of the solid-state imaging device; Has been.
この構成により、既存のタイミングジェネレータからのタイミング信号(具体例としてはAFEで使うプリブランキング信号(PBLK))に基づいて駆動トランジスタに供給される電流量を制御することができるため、制御信号を生成するための別の信号源を設ける場合と比べてコストを削減することができる。 With this configuration, the amount of current supplied to the drive transistor can be controlled based on a timing signal from an existing timing generator (specifically, a pre-blanking signal (PBLK) used in AFE), so that a control signal is generated. The cost can be reduced as compared with the case where another signal source is provided.
本発明の固体撮像素子は、前記増幅回路が、前記第一の負荷トランジスタに並列に接続され、前記駆動トランジスタに対して電流供給手段をなす第二の負荷トランジスタを有し、前記第二の負荷トランジスタは、前記固体撮像素子の動作中、常時オン状態となっており、前記第二の信号が、前記第一の負荷トランジスタをオフ状態にするための信号である。 In the solid-state imaging device of the present invention, the amplification circuit includes a second load transistor that is connected in parallel to the first load transistor and forms current supply means for the drive transistor, and the second load transistor The transistor is always on during the operation of the solid-state imaging device, and the second signal is a signal for turning off the first load transistor.
この構成により、第二の負荷トランジスタは常時オン状態となっているため、第一の負荷トランジスタがオフ状態からオン状態に復帰したときに、駆動トランジスタに供給される電流量が所要量に達するまでの時間を短縮することができる。例えば、信号出力期間の後に水平ブランキング期間を設けてその後に再度信号出力期間を設けるといった駆動を繰り替えす場合、水平ブランキング期間から信号出力期間に切り替えるときに、駆動トランジスタに供給される電流量を高速に復帰させることができることで、水平ブランキング期間の終了ぎりぎりまで第一の負荷トランジスタをオフ状態にしておくことが可能となり、消費電力をより低減することができる。 With this configuration, since the second load transistor is always on, until the amount of current supplied to the drive transistor reaches the required amount when the first load transistor returns from the off state to the on state. Can be shortened. For example, when driving is repeated such that a horizontal blanking period is provided after the signal output period and then a signal output period is provided again, the amount of current supplied to the drive transistor when switching from the horizontal blanking period to the signal output period Can be restored at high speed, the first load transistor can be turned off until the end of the horizontal blanking period, and the power consumption can be further reduced.
本発明の固体撮像素子は、前記第一の信号を前記制御端子に入力したときの前記第一の負荷トランジスタに流れる電流量が、前記第二の負荷トランジスタのオン状態で流れる電流量よりも多い。 In the solid-state imaging device of the present invention, the amount of current flowing through the first load transistor when the first signal is input to the control terminal is greater than the amount of current flowing through the on-state of the second load transistor. .
この構成により、第一の信号を制御端子に入力したときの第一の負荷トランジスタに流れる電流量が、第二の負荷トランジスタのオン状態で流れる電流量よりも少ない場合に比べて、信号出力期間以外の期間中に駆動トランジスタに供給される電流量を少なくすることができ、消費電力をより低減することができる。 With this configuration, the signal output period is smaller than when the amount of current flowing through the first load transistor when the first signal is input to the control terminal is less than the amount of current flowing when the second load transistor is on. During this period, the amount of current supplied to the drive transistor can be reduced, and power consumption can be further reduced.
本発明によれば、高周波帯域での動作に適した低消費電力の固体撮像素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a low power consumption solid-state imaging device suitable for operation in a high frequency band.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態である撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図1に示す撮像装置1は、CCD型の固体撮像素子10と、アナログフロントエンド(AFE)回路20と、中央制御装置(MPU)30とを備える。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
The imaging apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a CCD solid-
AFE回路20は、固体撮像素子10から出力された撮像信号に対して利得制御や相関二重サンプリング処理を施すCDS38と、CDS38から出力される輝度成分を所望のゲインに増幅するアンプ(VGA)39と、アンプ39から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部(ADC)21と、固体撮像素子10を駆動する駆動手段とで構成される。
The
駆動手段は、MPU30からの指示を受けて、固体撮像素子10を駆動したり、固体撮像素子10から出力された信号を処理したりするためのタイミング信号(例えば、ドライバ回路23に供給するための信号や、CDS38、VGA39、及びADC21に供給するための信号)を生成するタイミングジェネレータ(TG)22と、TG22から受けとったタイミング信号を所要電圧パルス信号に変換するドライバ回路23とを備える。
In response to an instruction from the MPU 30, the driving unit drives the solid-
図示する例では、ドライバ回路23は3つのドライバ回路23a,23b,23cを備える。ドライバ回路23aはラインメモリ駆動パルスφLMを生成し、ドライバ回路23bは水平転送パルスφH1,φH2を生成し、ドライバ回路23cは読出パルスや垂直転送パルスφV系を生成し、それぞれ生成したパルスを固体撮像素子10に供給する。TG22は、固体撮像素子10の出力アンプを制御するための専用のタイミング信号(具体例としてはAFE回路20で使うプリブランキング(PBLK)信号のような既存のタイミング信号)を固体撮像素子10に入力する。
In the illustrated example, the
図2は、図1に示す固体撮像素子10の概略構成を示す平面模式図である。
固体撮像素子10は、半導体基板11表面に二次元アレイ状(図示の例では正方格子状)に配列形成された多数の光電変換素子(フォトダイオード(PD))12と、各フォトダイオード列に対応してその側部に形成され、対応するフォトダイオード列の各フォトダイオード12に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路13と、各フォトダイオード12と垂直電荷転送路13との間に設けられた読出ゲート14とを備える。図示する例では、垂直電荷転送路13上に設けられる垂直転送電極は、1フォトダイオード当たり4電極設けられ、4枚の各電極に、垂直電荷転送路13による信号電荷の垂直転送を行うための垂直転送パルスφV1,φV2,φV3,φV4が印加される構成(4相駆動の場合)になっている。
FIG. 2 is a schematic plan view showing a schematic configuration of the solid-
The solid-
更に、この固体撮像素子10は、半導体基板11の下辺部に設けられた水平電荷転送路15と、水平電荷転送路15の出力部に設けられたフローティングディフュージョン部(FD部)16及び出力アンプ17とを備える。
Further, the solid-
水平電荷転送路15上には、1垂直電荷転送路当たり2枚の水平転送電極が設けられ、2枚の各電極に、水平電荷転送路15による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルスφH1,φH2が夫々印加される構成(2相駆動の場合)になっている。
Two horizontal transfer electrodes are provided for each vertical charge transfer path on the horizontal
また、この固体撮像素子10は、各垂直電荷転送路13の端部と水平電荷転送路15との境界部分に、各垂直電荷転送路13によって転送されてきた信号電荷を受け取って一時蓄積し、垂直電荷転送路13の駆動とは独立に駆動されるバッファ用のラインメモリ18を備える。このラインメモリ18は省略しても良い。
Further, the solid-
尚、ここでは「垂直」「水平」という用語を用いて説明したが、これは、固体撮像素子10の受光面に沿う「1方向」「この1方向に略直交する方向」という意味に過ぎない。又、フォトダイオード12の配列は正方格子状としたが、これに限らず、公知の様々な配列を適用可能である。又、垂直電荷転送路や水平電荷転送路の駆動方法についても公知の様々な方法を適用可能である。
Although the terms “vertical” and “horizontal” have been described here, this only means “one direction” along the light receiving surface of the solid-
斯かる構造の撮像装置1では、各フォトダイオード12が被写体からの入射光の光量に応じた信号電荷を蓄積し、読み出しパルスがドライバ回路23から印加されたときに、読出ゲート14を通して該信号電荷がフォトダイオード12から隣接の垂直電荷転送路13に読み出される。
In the imaging apparatus 1 having such a structure, each
垂直電荷転送路13に垂直転送パルスφV1〜φV4が印加されると、信号電荷は水平電荷転送路15の方向(垂直方向)に転送され、各垂直電荷転送路13の端部まで転送されてきた水平方向一行分の信号電荷はラインメモリ18に移され、一時蓄積される。
When the vertical transfer pulses φV 1 to φV 4 are applied to the vertical
ラインメモリ18に駆動パルスφLMが印加されると、ラインメモリ18上の信号電荷が水平電荷転送路15に移される。ラインメモリ18を制御することで、水平方向の信号電荷の画素加算が可能となる。
When the drive pulse φLM is applied to the line memory 18, the signal charge on the line memory 18 is transferred to the horizontal
水平電荷転送路15に水平転送パルスφH1,φH2が印加されると、水平電荷転送路15に沿って信号電荷がFD部16の方向(水平方向)に転送される。パルスφH1に対してパルスφH2は反転したパルスとなっており、或る1枚の水平転送電極下に形成された電位パケット内に収納された信号電荷は、パルスφH1,φH2が反転すると、隣接する水平転送電極下に形成された電位パケット内に転送される。即ち、1段分の水平方向への転送が行われ、次にパルスφH1,φH2が反転すると、次の1段分の水平方向への転送が行われる。
When the horizontal transfer pulses φH 1 and
水平方向への信号電荷の転送が行われ、FD部16に入った信号電荷の電荷量に応じた撮像信号が出力アンプ17から出力されると、FD部16の信号電荷が廃棄され、その後、次の信号電荷がFD部16に入り、という動作が水平電荷転送路15上の信号電荷が無くなるまで繰り返される(この動作が繰り返される期間を水平転送期間という)。そして、次の水平転送期間が始まる前に、水平ブランキング期間が設けられる。
When the signal charge is transferred in the horizontal direction and an imaging signal corresponding to the amount of signal charge that has entered the
図3は、図2に示す固体撮像素子の出力アンプの概略構成を示す回路図である。
図3に示す出力アンプ17は、固体撮像素子10のFD部16の電位変化を検出して、それに応じた撮像信号を出力する多段接続された3つの増幅回路(ソースフォロワ回路35,36,37)を備える。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the output amplifier of the solid-state imaging device shown in FIG.
The
第1段目のソースフォロワ回路35は、エンハンスメント型の駆動トランジスタTr1と、駆動トランジスタTr1に対して電流供給手段をなすデプレッション型の負荷トランジスタTr2とから構成される。駆動トランジスタTr1は、そのゲートがFD部16に接続され、そのソースが負荷トランジスタTr2のドレインに接続され、そのドレインが例えば+15V程度の電源VCC+に接続される。負荷トランジスタTr2は、そのゲート及びソースが接地されることで、固体撮像素子10の動作中は常時オン状態(電流を流す状態)となっている。
The first-stage
第2段目のソースフォロワ回路36は、エンハンスメント型の駆動トランジスタTr3と、駆動トランジスタTr3に対して電流供給手段をなすデプレッション型の負荷トランジスタTr4とから構成される。駆動トランジスタTr3は、そのゲートが駆動トランジスタTr1のソースと負荷トランジスタTr2のドレイン間に接続され、そのソースが負荷トランジスタTr4のドレインに接続され、そのドレインが電源VCC+に接続される。負荷トランジスタTr4は、そのゲート及びソースが接地されることで、固体撮像素子10の動作中は常時オン状態(電流を流す状態)となっている。
The second-stage
第3段目のソースフォロワ回路37は、エンハンスメント型の駆動トランジスタTr5と、駆動トランジスタTr5に対して電流供給手段をなす、並列接続されたデプレッション型の負荷トランジスタTr6及びデプレッション型の負荷トランジスタTr7とから構成される。駆動トランジスタTr5は、そのゲートが駆動トランジスタTr3のソースと負荷トランジスタTr4のドレイン間に接続され、そのソースが負荷トランジスタTr6,Tr7のドレインに接続され、そのドレインが電源VCC+に接続される。
The third-stage
負荷トランジスタTr6は、そのゲート及びソースが接地されることで、固体撮像素子10の動作中は常時オン状態(電流を流す状態)となっている。負荷トランジスタTr7は、そのドレインが駆動トランジスタTr5のソースと負荷トランジスタTr6のドレイン間に接続され、そのソースが接地され、そのゲートにはレベル変換回路38を介してコントロール端子39が接続されている。負荷トランジスタTr7は、レベル変換回路38からゲートに印加される制御信号によって動作状態が制御される。
The load transistor Tr6 has a gate and a source grounded, so that the load transistor Tr6 is always in an on state (a state in which a current flows) during the operation of the solid-
駆動トランジスタTr5のソースには出力端子OSが接続され、この出力端子OSから撮像信号が出力される。 An output terminal OS is connected to the source of the drive transistor Tr5, and an imaging signal is output from the output terminal OS.
コントロール端子39は、TG22からのタイミング信号を直接入力するための端子である。
The
レベル変換回路38は、エンハンスメント型のトランジスタTr8〜Tr10と、抵抗R1〜R5と、コンデンサC1,C2とを備える。
The
トランジスタTr9は、そのゲートがコントロール端子39に接続され、そのドレインがトランジスタTr8のソースに接続され、そのソースが抵抗R2を介して例えば
−8V程度の電源VCC−に接続されている。
The transistor Tr9 has its gate connected to the
トランジスタTr8は、そのドレインが電源VCC+に接続され、そのソースがトランジスタTr9のドレインに接続され、そのゲートが、電源VCC+と接地ラインとの間に直列接続された抵抗R3と抵抗R4の間に接続されている。 The transistor Tr8 has its drain connected to the power supply VCC +, its source connected to the drain of the transistor Tr9, and its gate connected between the resistor R3 and the resistor R4 connected in series between the power supply VCC + and the ground line. Has been.
トランジスタTr10は、そのゲートにトランジスタTr9のソースが抵抗R5を介して接続され、そのソースに負荷トランジスタTr7のゲートが接続され、そのドレインに負荷トランジスタTr7のソースが接続されている。 The transistor Tr10 has a gate connected to the source of the transistor Tr9 via a resistor R5, a source connected to the gate of the load transistor Tr7, and a drain connected to the source of the load transistor Tr7.
トランジスタTr10のゲートと抵抗R5の間には、コンデンサC1を介して電源VCC−が接続されている。負荷トランジスタTr7のゲートと電源VCC−の間には、コンデンサC2と抵抗R1が並列に接続されている。 A power supply VCC− is connected between the gate of the transistor Tr10 and the resistor R5 via a capacitor C1. A capacitor C2 and a resistor R1 are connected in parallel between the gate of the load transistor Tr7 and the power supply VCC−.
このような構成のレベル変換回路38とTG22は、負荷トランジスタTr7の動作状態を制御するための専用の制御信号を負荷トランジスタTr7の制御端子であるゲート端子に印加して負荷トランジスタTr7の動作状態を制御することで、駆動トランジスタTr5に供給する電流量を制御する電流制御手段として機能する。
The
この制御信号としては、駆動トランジスタTr5に供給される電流量が撮像信号の出力に必要な所望の値(例えば5mA)となるように負荷トランジスタTr7を制御するための第一の信号と、駆動トランジスタTr5に供給される電流量が上記所望の値よりも少なく(例えば0.1mA)なるように負荷トランジスタTr7を制御するための第二の信号とを含む。 As this control signal, the first signal for controlling the load transistor Tr7 so that the amount of current supplied to the drive transistor Tr5 becomes a desired value (for example, 5 mA) necessary for the output of the imaging signal, and the drive transistor And a second signal for controlling the load transistor Tr7 so that the amount of current supplied to Tr5 is less than the desired value (for example, 0.1 mA).
レベル変換回路38は、TG22から供給された専用のタイミング信号から第一の信号と第二の信号を生成し、固体撮像素子10の動作期間のうち、フォトダイオード12で発生した信号電荷に応じた撮像信号を出力アンプ17から出力させる信号出力期間(上記水平転送期間に相当)では、第一の信号を負荷トランジスタTr7のゲート端子に印加し、信号出力期間以外の期間では、第二の信号を負荷トランジスタTr7のゲート端子に印加することで、駆動トランジスタTr5に供給する電流量を制御する。
The
例えば、コントロール端子39に入力されるタイミング信号がハイレベルになったときに、負荷トランジスタTr7はオン状態となり、4.9mAの電流を駆動トランジスタTr5に供給するように、各トランジスタの特性を決めておく。これにより、タイミング信号がハイレベルのときに、負荷トランジスタTr7のゲートには第一の信号が印加されることになり、駆動トランジスタTr5には、負荷トランジスタTr6から常時供給される0.1mAの電流と併せて計5.0mAの電流が供給される。
For example, when the timing signal input to the
一方、コントロール端子39に入力されるタイミング信号がローレベルになったときに、負荷トランジスタTr7はオフ状態(電流をほぼ流さない高抵抗の状態)となるように各トランジスタの特性を決めておく。これにより、タイミング信号がハイレベルのときに、負荷トランジスタTr7のゲートには負荷トランジスタTr7をオフ状態にするための第二の信号が印加されることになり、駆動トランジスタTr5には、負荷トランジスタTr6から供給される0.1mAの電流のみが供給される。
On the other hand, when the timing signal input to the
負荷トランジスタTr7は、デプレッション型であるため、ゲート端子に印加される信号(電圧)を充分大きなマイナスレベルの信号にしなくてはオフ状態にすることができない。TG22で生成されたタイミング信号では、負荷トランジスタTr7をオフ状態にできるほどの信号は作っていないため、このタイミング信号をレベル変換回路39によってレベル変換することで、負荷トランジスタTr7をオフ状態にすることが可能となっている。
Since the load transistor Tr7 is a depletion type, it cannot be turned off unless the signal (voltage) applied to the gate terminal is a sufficiently large negative signal. Since the timing signal generated by the
尚、出力アンプ17では、消費電力を効果的に削減するために、負荷トランジスタTr6に常時流れる電流量が、負荷トランジスタTr7のゲートに第一の信号が印加されたときに負荷トランジスタTr7に流れる電流量よりも充分に少なくなるように、負荷トランジスタTr6,Tr7のそれぞれのサイズが決定されている。勿論、負荷トランジスタTr6に常時流れる電流量が、負荷トランジスタTr7のゲートに第一の信号が印加されたときに負荷トランジスタTr7に流れる電流量より多くても、多少の消費電力の削減は可能となる。
In the
以下、図3に示す出力アンプ17の動作の詳細について説明する。
信号出力期間(水平転送期間)においては、コントロール端子39にハイレベルのタイミング信号(入力Hi電圧という)が入力される。この入力Hi電圧が入力されている期間では、トランジスタTr9のバイアス状態がVds(ドレイン・ソース間電圧)>Vgs(ゲート・ソース間電圧)であれば、トランジスタTr9のソース電圧(=トランジスタTr10のゲート電圧)が、“入力Hi電圧−Vgs(トランジスタTr9のもの)”となり、負荷トランジスタTr7のゲート電位は、“GND(接地電位)−Vds(トランジスタTr10のもの)”(=第一の信号)となる。負荷トランジスタTr7はデプレッション型であるため、動作状態となり、通常の出力可能なバイアス条件となる。つまり、駆動トランジスタTr5には、負荷トランジスタTr6から供給される電流と、負荷トランジスタTr7から供給される電流とを合計した電流が供給されることになり、信号電荷に応じた撮像信号の出力が可能な状態となる。
Details of the operation of the
In the signal output period (horizontal transfer period), a high-level timing signal (referred to as input Hi voltage) is input to the
固体撮像素子10の動作期間のうち信号出力期間(水平転送期間)以外の期間においては、コントロール端子39にローレベルのタイミング信号(入力Lo電圧という)が入力される。この入力Lo電圧が入力されている期間では、トランジスタTr9のソース電圧(=トランジスタTr10のゲート電圧)が、“入力Lo電圧−Vgs(トランジスタTr9のもの)”となり、負荷トランジスタTr7のゲート電位は、“入力Lo電圧−Vgs(トランジスタTr9のもの)−Vgs(トランジスタTr10のもの)”(=第二の信号)となる。トランジスタTr9,Tr10のサイズは、“入力Lo電圧−Vgs(トランジスタTr9のもの)−Vgs(トランジスタTr10のもの)”<“負荷トランジスタTr7の閾値”となるように設定しておく。これにより、負荷トランジスタTr7はオフ状態(電流を流さない高抵抗の状態)となる。よって、駆動トランジスタTr5には、負荷トランジスタTr6から供給される電流のみが供給されることになり、信号出力期間以外の期間では、出力アンプ17での消費電力が大幅に抑制される。
During a period other than the signal output period (horizontal transfer period) in the operation period of the solid-
尚、抵抗R3,R4とトランジスタTr8は、コントロール端子39に入力されるタイミング信号がハイレベルのときに抵抗R2を介して電源VCC−に流れる電流を小さく抑えるために有効であるが、抵抗R2の値を充分大きくとり、トランジスタTr10のゲート耐圧を高くしておけば不要である。
The resistors R3 and R4 and the transistor Tr8 are effective for suppressing the current flowing to the power supply VCC− via the resistor R2 when the timing signal input to the
又、コンデンサC1と抵抗R5は、コントロール端子39からのノイズの影響を軽減するローパルフィルタとして機能する。抵抗R1は、トランジスタTr10に流れる電流を抑制するための抵抗であると同時に、コンデンサC2との組み合わせでローパルフィルタを形成し、負荷トランジスタTr7のゲートの揺れを軽減する。
The capacitor C1 and the resistor R5 function as a low-pass filter that reduces the influence of noise from the
以上のように、本実施形態の撮像装置は、負荷トランジスタTr7のゲートを垂直転送パルスではなく、これとは独立した専用の制御信号によって制御しているため、固体撮像素子10の動作期間のうち、信号出力期間では負荷トランジスタTr7をオン状態にして撮像信号の出力に必要な電流が駆動トランジスタTr5に供給されるようにし、それ以外の期間では負荷トランジスタTr7をオフ状態にして負荷トランジスタTr6からの少量の電流のみを駆動トランジスタTr5に供給するといったことが可能となる。このため、垂直転送パルスによって負荷トランジスタを制御する従来と比較して、負荷トランジスタTr7から供給される電流量を抑制する時間を大幅に増やすことができる。したがって、消費電力をより削減することができ、撮像装置の発熱を抑制し、暗電流の発生を抑制してS/N特性を良好にすることでダイナミックレンジをより広く確保することができる。
As described above, since the imaging device of the present embodiment controls the gate of the load transistor Tr7 not by the vertical transfer pulse but by a dedicated control signal independent of this, the operation period of the solid-
特許文献1,2では、信号出力期間中にいずれかの垂直転送パルスをアクティブレベルにする必要がある。このアクティブレベルをローレベルにする場合には、pチャンネルトランジスタが必要となり、製造工程数が増加してコスト増につながる。又、アクティブレベルをハイレベルにする場合には、電荷転送路における暗電流増加につながり好ましくない。本実施形態の撮像装置によれば、垂直転送パルスとは独立した専用の制御信号によって負荷トランジスタTr7を制御しているため、上述したコスト増や暗電流増加を防ぎ、低消費電力化が可能となる。
In
又、本実施形態の撮像装置は、垂直転送パルスとは独立した制御信号を用いて負荷トランジスタTr7を制御しているため、負荷トランジスタTr7の制御のために垂直転送パルスの設計変更を行う必要がなく、既存の撮像装置に容易に適用することができる。又、この制御信号は、TG22からのタイミング信号(例えば、AFEで使うプリブランキング信号のような既存のタイミング信号)をレベル変換して生成することができるため、マイナス電圧レベルを有する制御信号を生成するための別の信号源を設ける場合と比べて製造コストを削減することができる。 In addition, since the imaging apparatus according to the present embodiment controls the load transistor Tr7 using a control signal independent of the vertical transfer pulse, it is necessary to change the design of the vertical transfer pulse in order to control the load transistor Tr7. And can be easily applied to an existing imaging apparatus. Further, this control signal can be generated by converting the level of the timing signal from the TG 22 (for example, an existing timing signal such as a pre-blanking signal used in AFE), so that a control signal having a negative voltage level is generated. The manufacturing cost can be reduced as compared with the case where another signal source is provided.
又、本実施形態の撮像装置は、出力アンプ17の出力端子OSと接地ラインとの間には負荷トランジスタTr6又は負荷トランジスタTr7のみが介在することになるため、負荷トランジスタの電流制御を行わない一般的な出力アンプと同等の出力インピーダンスを維持することができ、高周波帯域の動作にも対応することが可能となる。
In the imaging apparatus of the present embodiment, only the load transistor Tr6 or the load transistor Tr7 is interposed between the output terminal OS of the
又、本実施形態の撮像装置は、ソースフォロア回路37の負荷トランジスタを、並列接続された負荷トランジスタTr6と負荷トランジスタTr7とで構成している。負荷トランジスタTr6は常時オン状態となっているため、負荷トランジスタTr7がオフ状態からオン状態に復帰したときに、駆動トランジスタTr5に供給される電流量が所要量に達するまでの時間を短縮することができる。具体的には、水平ブランキング期間から信号出力期間に切り替えるときに、駆動トランジスタTr5に供給される電流量を高速に復帰させることができることで、水平ブランキング期間終了のぎりぎりまで負荷トランジスタTr7をオフ状態にしておくことができ、消費電力をより低減することができる。
In the imaging apparatus of the present embodiment, the load transistor of the
又、本実施形態の撮像装置は、負荷トランジスタTr6がオン状態のときに流れる電流量が、負荷トランジスタTr7のゲートに第一の信号を印加したときに負荷トランジスタTr7に流れる電流量よりも少なくなるように、負荷トランジスタTr6,Tr7のサイズが決められている。このため、負荷トランジスタTr7のゲートに第一の信号を印加したときの負荷トランジスタTr7に流れる電流量が、負荷トランジスタTr6のオン状態で流れる電流量よりも少ない場合に比べて、信号出力期間以外の期間中に駆動トランジスタTr5に供給される電流量を少なくすることができ、消費電力をより低減することができる。 Further, in the imaging device of the present embodiment, the amount of current that flows when the load transistor Tr6 is on is less than the amount of current that flows through the load transistor Tr7 when the first signal is applied to the gate of the load transistor Tr7. As described above, the sizes of the load transistors Tr6 and Tr7 are determined. For this reason, when the first signal is applied to the gate of the load transistor Tr7, the amount of current flowing through the load transistor Tr7 is smaller than the amount of current flowing when the load transistor Tr6 is on. The amount of current supplied to the drive transistor Tr5 during the period can be reduced, and the power consumption can be further reduced.
以下、本実施形態の撮像装置の変形例について列挙する。 Hereinafter, modifications of the imaging device according to the present embodiment will be listed.
(1)ソースフォロア回路37の負荷トランジスタTr6を省略した構成としても良い。
この場合、信号出力期間以外の期間では、駆動トランジスタTr5に供給される電流がほぼゼロとなるため、消費電力の低減効果が高い。
(1) The load transistor Tr6 of the
In this case, since the current supplied to the drive transistor Tr5 is substantially zero during periods other than the signal output period, the effect of reducing power consumption is high.
(2)負荷トランジスタTr7は、第二の信号がゲートに印加されたときにオフ状態とならなくても良い。
負荷トランジスタTr7は、第二の信号がゲートに印加されたときに、完全にオフ状態とはならず、第一の信号がゲートに印加されたときよりも電流を抑制する状態になるように設計しておいても良い。この場合でも、信号出力期間と、それ以外の期間とでは、信号出力期間の方が駆動トランジスタTr5に供給される電流量が減少するため、消費電力低減の効果を得ることは可能である。
(2) The load transistor Tr7 may not be turned off when the second signal is applied to the gate.
The load transistor Tr7 is designed not to be completely turned off when the second signal is applied to the gate, but to suppress the current more than when the first signal is applied to the gate. You can keep it. Even in this case, in the signal output period and other periods, the amount of current supplied to the drive transistor Tr5 is reduced in the signal output period, so that an effect of reducing power consumption can be obtained.
(3)出力アンプ17の構成は、3段構成のソースフォロア回路に限らず、例えば、1段又は2段あるいは4段以上の構成であっても良い。
(3) The configuration of the
(4)ソースフォロア回路に用いるトランジスタはMOSトランジスタに限らず、接合型FETやバイポーラ型トランジスタを用いた構成であっても良い。 (4) The transistor used for the source follower circuit is not limited to a MOS transistor, and may be a structure using a junction FET or a bipolar transistor.
(5)ソースフォロア回路37の負荷トランジスタの構成を、その他のソースフォロア回路に適用しても良い。
例えば、負荷トランジスタTr2、負荷トランジスタTr4、又はこの両方にそれぞれ並列にデプレッション型の負荷トランジスタを設け、この負荷トランジスタを、負荷トランジスタTr7と同様に制御信号によって制御しても良い。このようにすることで、信号出力期間以外の期間では、駆動トランジスタTr1,Tr3に供給される電流量も抑制することができるため、消費電力をより低減することができる。多段接続されたソースフォロア回路の場合は、最終段のソースフォロア回路での消費電力が最も支配的となるため、図3に示したように、最終段のソースフォロア回路37の負荷トランジスタを制御することだけでも、消費電力削減の効果を充分に得ることができる。
(5) The configuration of the load transistor of the
For example, a depletion type load transistor may be provided in parallel with each of the load transistor Tr2, the load transistor Tr4, or both, and this load transistor may be controlled by a control signal in the same manner as the load transistor Tr7. By doing in this way, in the period other than the signal output period, the amount of current supplied to the drive transistors Tr1 and Tr3 can also be suppressed, so that power consumption can be further reduced. In the case of source follower circuits connected in multiple stages, the power consumption in the source follower circuit in the final stage is the most dominant, and as shown in FIG. 3, the load transistor of the
(6)第一の信号と第二の信号を生成し、これらを負荷トランジスタTr7のゲートに印加するTG22とは独立した回路を設けても良い。
(6) A circuit independent of the
1 撮像装置
10 固体撮像素子
17 出力アンプ
Tr5 駆動トランジスタ
Tr7 負荷トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記出力部が、前記電荷に対応する信号が入力される駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタに対して電流供給手段をなす第一の負荷トランジスタとを含む増幅回路を有し、
前記第一の負荷トランジスタの動作状態を制御するための専用の制御信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加して、前記駆動トランジスタに供給する電流量を制御する電流制御手段を備え、
前記制御信号が、前記駆動トランジスタに供給される電流量が所望の値となるように前記第一の負荷トランジスタを制御するための第一の信号と、前記駆動トランジスタに供給される電流量が前記所望の値よりも少なくなるように前記第一の負荷トランジスタを制御するための第二の信号とを含み、
前記電流制御手段は、前記固体撮像素子の動作期間のうち、前記電荷に応じた信号を前記出力部から出力させる信号出力期間では、前記第一の信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加し、前記信号出力期間以外の期間では、前記第二の信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加する撮像装置。 An image pickup apparatus having a solid-state image pickup device including a charge transfer unit that transfers charges generated by a photoelectric conversion element and an output unit that outputs a signal corresponding to the charge transferred through the charge transfer unit,
The output unit includes an amplifying circuit including a driving transistor to which a signal corresponding to the electric charge is input, and a first load transistor that forms current supply means for the driving transistor;
Current control means for controlling the amount of current supplied to the drive transistor by applying a dedicated control signal for controlling the operating state of the first load transistor to the control terminal of the first load transistor;
The control signal includes a first signal for controlling the first load transistor so that a current amount supplied to the drive transistor becomes a desired value, and a current amount supplied to the drive transistor A second signal for controlling the first load transistor to be less than a desired value;
The current control unit is configured to output the first signal to a control terminal of the first load transistor in a signal output period in which a signal corresponding to the charge is output from the output unit in an operation period of the solid-state imaging device. An imaging apparatus that applies and applies the second signal to a control terminal of the first load transistor in a period other than the signal output period.
前記電流制御手段が、前記固体撮像素子を駆動したり、前記固体撮像素子から出力された信号を処理したりするためのタイミング信号を生成するタイミングジェネレータと、前記タイミング信号から前記第一の信号及び前記第二の信号を生成し、これらのいずれかを前記固体撮像素子の動作期間に応じて前記第一の負荷トランジスタの制御端子に入力する信号生成手段とから構成されている撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1,
The current control means generates a timing signal for driving the solid-state imaging device or processing a signal output from the solid-state imaging device, the first signal from the timing signal, and An image pickup apparatus comprising: a signal generation unit configured to generate the second signal and input one of the signals to a control terminal of the first load transistor according to an operation period of the solid-state image sensor.
前記増幅回路が、前記第一の負荷トランジスタに並列に接続され、前記駆動トランジスタに対して電流供給手段をなす第二の負荷トランジスタを有し、
前記第二の負荷トランジスタは、前記固体撮像素子の動作中、常時オン状態となっており、
前記第二の信号が、前記第一の負荷トランジスタをオフ状態にするための信号である撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1 or 2,
The amplifier circuit includes a second load transistor connected in parallel to the first load transistor and serving as a current supply means to the drive transistor;
The second load transistor is always on during the operation of the solid-state imaging device,
The imaging apparatus, wherein the second signal is a signal for turning off the first load transistor.
前記第一の信号を前記制御端子に入力したときの前記第一の負荷トランジスタに流れる電流量が、前記第二の負荷トランジスタのオン状態で流れる電流量よりも多い撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 3,
An imaging apparatus in which an amount of current flowing through the first load transistor when the first signal is input to the control terminal is greater than an amount of current flowing when the second load transistor is on.
前記第一の負荷トランジスタの動作状態を制御するための専用の制御信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加して、前記駆動トランジスタに供給する電流量を制御する電流制御ステップを備え、
前記制御信号が、前記駆動トランジスタに供給される電流量が所望の値となるように前記第一の負荷トランジスタを動作させるための第一の信号と、前記駆動トランジスタに供給される電流量が前記所望の値よりも低くなるように前記第一の負荷トランジスタを動作させるための第二の信号とを含み、
前記電流制御ステップにおいて、前記固体撮像素子の動作期間のうち、前記電荷に応じた信号を前記出力部から出力させる信号出力期間では、前記第一の信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加し、前記信号出力期間以外の期間では、前記第二の信号を前記第一の負荷トランジスタの制御端子に印加する固体撮像素子の制御方法。 A charge transfer unit configured to transfer a charge generated in the photoelectric conversion element; and an output unit configured to output a signal corresponding to the charge transferred through the charge transfer unit, wherein the output unit is a signal corresponding to the charge. A solid-state imaging device control method comprising an amplifier circuit including a drive transistor to which is input and a load transistor that forms current supply means for the drive transistor,
A current control step for controlling the amount of current supplied to the drive transistor by applying a dedicated control signal for controlling the operating state of the first load transistor to the control terminal of the first load transistor;
The control signal includes a first signal for operating the first load transistor so that a current amount supplied to the drive transistor becomes a desired value, and a current amount supplied to the drive transistor A second signal for operating the first load transistor to be lower than a desired value,
In the current control step, in the signal output period in which a signal corresponding to the charge is output from the output unit in the operation period of the solid-state imaging device, the first signal is supplied to the control terminal of the first load transistor. A solid-state imaging device control method that applies and applies the second signal to a control terminal of the first load transistor during a period other than the signal output period.
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WO2016006302A1 (en) * | 2014-07-10 | 2016-01-14 | オリンパス株式会社 | Imaging element, imaging device, endoscope, endoscope system, and method for driving imaging element |
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