JP2010063096A - 単一光子画像形成素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画像形成画素回路210は、センスノード219に接続される電荷保存能力を有する感光性素子214を含むことができる。この画像形成画素回路は、開ループ構成で作動されるときに、センスノードからの電圧を増幅器の出力ノード上の電圧に増幅することが可能な反転増幅器と、この反転増幅器の入出力ノードを接続すること、および、したがって負帰還を一時的に確立することによって高開ループゲインを与える動作点に、反転増幅器をリセットすること、が可能なリセットスイッチ213と、を更に含むことができる。さらに、この画像形成画素回路は、読み出しノードに伝わる信号周波数を役立つ信号情報を含むそれらの周波数に制限するために、反転増幅器の出力ノードにローパスフィルタを含むことができる。
【選択図】図3
Description
1.低レベルの当たる光の強度に対応する入力電圧のその範囲で1よりかなり大きいゲインを与える開ループ反転電圧増幅器。
2.高ゲインのその範囲で前記増幅器を動作点にリセットするために増幅器に負帰還を一時的にかけることを可能にするスイッチ。
3.増幅器の信号およびノイズ帯域幅を制限するローパスフィルタ。
4.電荷保存能力を有することができる感光性素子。
1.下流回路からのノイズの効果が、高変換率ΔVout/ΔQinに結びつく画素内の増幅器のゲインに起因して効果的に減少させられる。
2.限定信号帯域幅およびそれによる画素増幅器からのホワイトノイズの減少が、ゲインの帯域制限効果に起因して、合理的に低い値の出力信号負荷キャパシタンスを使用して達成されることができ、および、したがってわずかな半導体面積を使用して実現されることができる。
3.リセットノイズ(リセットスイッチを開けるときに、サンプリングされて保持されるリセット段階中にリセットスイッチおよび増幅器から生じるセンスノード上の時間的ノイズ)が、CDS法を使用して除去されることができる。
4.固定パターンノイズが、二重サンプリングを使用して除去されることができる。
5.増幅器からのフリッカーノイズが上で説明されたように、リセットおよび信号レベルサンプリング間の低い時間差に起因してCDSによって効果的に減少させられる。
ここでQin1およびQin2は、それぞれ、画素に当たる対応する第1および第2の光度に応答して画素内に検出される電荷量である。したがって:
ここでVout1およびVout2は、第1および第2の検出された光度に応答する開ループ反転電圧増幅器の出力の電圧である。反転開ループ増幅器ゲインが負のゲインを生じさせる事実に由来する増幅の絶対値を考慮して、および、画素に当たる光に応答して検出される電荷は、負である(電子)か正である(正孔)ことができる。
ローパスフィルタ要素232は、増幅器211の帯域幅を制限するために負荷キャパシタンスを含むことができる。
101 感光性素子
102 転送ゲート
103 リセットスイッチ
104 ソースフォロワバッファ
105 画素選択スイッチ
106 負荷素子
107 センスノード
108 コラムライン
111 リセット制御信号
112 転送制御信号
200 マトリックス
210 画素回路
211 増幅器
212 選択スイッチ
213 リセットスイッチ
214 感光性素子
215 転送ゲート
216 増幅器入力トランジスタ
218 ソースノード
219 センスノード
220 画素信号線
230 共有回路
231 負荷素子
232 ローパスフィルタ
233 信号処理回路
241、242、243 制御線
244 反転リセット制御信号
245 反転選択制御信号
600 増幅器入力−出力伝達関数
601 リセット点
602、604 直線
603 動作点
700 画素回路
701 共通ノード
702 出力ノード
710 カスコードトランジスタ
719 カスコードトランジスタゲート
800 画素回路
801 ミラーコンデンサ
990 ゲート電圧
Claims (14)
- 少なくとも一つの画素回路(210)であって、前記少なくとも一つの画素回路(210)が、
a)センスノード(219)に接続される電荷保存能力を備えた感光性素子(214)、
b)開ループ構成で動作させられる時、少なくともその一部が、前記センスノード(219)からの電圧を前記増幅器(211)の出力ノード上の電圧に増幅することが可能な、非線形開ループ反転電圧増幅器(211)であって、前記反転増幅器(211)が以下の圧縮特性:
abs(Qin1)<abs(Qin2)に対してabs(dVout1/dQin1)>abs(dVout2/dQin2)を有する増幅器、
c)前記反転増幅器(211)の入出力ノードを接続し、かつしたがって、負帰還を少なくとも一時的に確立することによって2−1000にわたる高い開ループゲインを与える動作点に、前記反転増幅器(211)をリセットする、ことが可能なリセットスイッチ(213)、
d)前記リセットスイッチ(213)のリセット動作を制御することができる、前記少なくとも一つの画素回路(210)によって接続され、かつ共有される制御線(242)、および
e)読み出しノードに伝える信号周波数を限定するタスクを有する、前記反転増幅器(211)の出力ノードにおけるローパスフィルタ、を備えることを特徴とする回路。 - 画像形成画素回路(210)であって、前記感光性素子(214)が、前記感光性素子(214)の保存領域から前記センスノード(219)まで制御された完全な電荷転送を可能にする転送ゲート(215)を横切って、前記センスノード(219)に接続される、ことを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 画像形成画素回路(210)であって、さらに、前記少なくとも一つの画素回路(210)を信号線(220)に接続するための選択スイッチ(212)、を備える請求項1または2のいずれかに記載の回路。
- 画像形成画素回路(210)であって、前記反転増幅器(211)が、以下の素子:CMOS製造技術を使用して製造されるMOS素子および受動回路素子、のうちの少なくとも1つによって実現される、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の回路。
- 画像形成画素回路(210)であって、前記転送ゲート、前記リセットスイッチおよびあるならば前記選択スイッチ(212)が、MOSトランジスタ素子によって実現される、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に回路。
- 記載の画像形成画素回路(210)であって、前記反転増幅器(211)が、前記感光性素子(214)によって検出される光度の対応する減少とともに増大するゲインを有する、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に回路。
- 画像形成画素回路(210)であって、前記反転増幅器(211)部分が、少なくとも一つのトランジスタ素子(216)および、前記感光性素子上の低い強度の前記光に対応する前記範囲を含む、増幅器出力電圧の範囲に対して前記増幅器入力トランジスタのドレイン端子の電位をほぼ一定に保つようにバイアスされるカスコードトランジスタ(710)、を備えることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に回路。
- 選択スイッチ(212)制御信号によって請求項1ないし7のいずれかに記載の前記画像形成画素回路を動作させる方法であって、前記方法が、以下の手順、すなわち、
a)前記選択信号の第1の値によって、前記対応する少なくとも一つの画素信号線(220)から前記画素回路(210)を分離するオープンスイッチとして、前記選択スイッチ(212)を構成し、
b)前記選択信号の第2の値によって、前記画素出力信号を前記対応する少なくとも一つの信号線(220)に接続するカスコードトランジスタとして、前記選択スイッチ(212)を構成し、および
c)前記画素回路(210)が前記対応する少なくとも一つの信号線(220)に接続される間に、ゼロおよび低い光度に対応する範囲を含む、前記増幅器(210)の出力電圧の範囲に対して、前記対応するセンスノード(219)と信号線(220)との間に減少した実効寄生容量を与える、手順、によって特徴づけられる方法。 - 請求項8の方法に従って動作される請求項1〜6のいずれか一項に記載の画像形成画素回路(210)、または請求項7に記載の画像形成画素回路(210)であって、さらに、前記センスノード(219)と前記増幅器入力トランジスタ(216)のドレイン端子との間に接続されるコンデンサ(801)を備える回路。
- 記載の前記画像形成画素回路(210)を動作させる方法であって、前記リセット信号遷移の一部の間に、負帰還を維持するために、前記リセット動作をオフにするためのリセット制御信号の前記反転増幅器(211)のセトリング時間に等しいかより遅い、制御された遅波エッジを使用する、方法。
- 請求項1〜請求項7または請求項9のいずれか一項に記載の前記画像形成画素回路(210)のマトリックス(200)を備えた固体イメージセンサ。
- 請求項11または12のいずれか一項に記載の固体画像形成素子であって、さらに、それぞれが複数の前記画素回路(210)に接続される可能性を提供する、複数の共有画素信号線(220)を備える素子。
- 請求項11〜請求項13のいずれか一項に記載の固体画像形成素子であって、さらに、負荷素子(231)、濾過コンデンサ(232)および信号処理回路(233)のような前記信号線(210)に接続される共有回路を備える素子。
- 請求項14に記載の固体画像形成素子であって、それぞれが前記画素信号線の1つに接続される、複数の信号処理回路のそれぞれの機能が、以下の、すなわち、相関二重サンプリング(CDS)および相関多重サンプリング、のいずれか1つを含む、素子。
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