JP2011234243A - 固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画素信号読み出し線116と、光電変換素子を含む画素が配列された画素部110と、画素部から画素信号読み出し線を通して画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し部120,150と、を有し、画素信号読み出し部120は、画素信号読み出し線116に接続されてソースフォロワを形成する電流源としての負荷素子121を含む電流源回路120を有し、電流源回路120は、画素信号読み出し信号線のスルーレートに応じた電流を流し、この電流に応じた電流を電流源に流させる回路122,123を含む。
【選択図】図4
Description
CCD画素の製造に専用プロセスを必要とし、また、その動作には複数の電源電圧が必要であり、さらに複数の周辺ICを組み合わせて動作させる必要がある。
これに対して、CMOSイメージセンサは、このようなCCDにおいてシステムが非常に複雑化するといった処々の問題を、克服しているからである。
このため、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
これに対して、CMOSイメージセンサは各画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、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ような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
CMOSイメージセンサで、画素からの信号を伝える垂直信号線の整定時間を短縮することは重要であり、負荷素子(負荷MOS)を含めてこれに関する技術が種々提案されている。
これらの研究は主に、ECL(Emitter Coupled Logic)と呼ばれるロジック回路が扱う2値信号の伝送を、消費電力の増大を抑えながら高速化することを狙うものである。
また、高速動作時は常に大電流が流れることになる。むしろ『速度当たりの消費電力』という観点からの改善が望まれている。
2度目の整定は誤差が少ないところから開始できるので、全体としては整定時間が短縮できることが期待できるが、制御タイミングが難しく、効果がばらついたり限定的だったりすることが懸念される。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)の全体構成の概要
2.電流源回路の構成例
3.第3の実施形態(カメラシステムの構成例)
図1は、本発明の実施形態に係る列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)の構成例を示すブロック図である。
図2は、本実施形態に係る列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)における画素およびADC群をより具体的に示すブロック図である。
固体撮像素子100は、DAC(デジタル−アナログ変換装置)を含むDACおよびバイアス回路170、アンプ回路(S/A)180、および信号処理回路190を有する。
これらの構成要素のうち、画素部110、電流源回路120、垂直走査回路130、水平転送走査回路140、ADC群150、DAC170、並びにアンプ回路(S/A)180はアナログ回路により構成される。
また、タイミング制御回路160および信号処理回路190はデジタル回路により構成される。
なお、本実施形態においては画素信号読み出し部の一例としてカラムADC方式を採用しているが、この方式に限らず他の方式、たとえばカラムCDS等の方式を採用することが可能である。
そして、本実施形態においては、CMOSイメージセンサにおいて、画素からの電気信号を受け取る垂直信号線が接続される負荷MOS電流源に、信号線のスルーレートに応じた電流を流す機能を付加した特徴的な構成を有する。
そのスルーレートに応じた電流を流す機能としては、垂直信号線にソースフォロワトランジスタと寄生容量を模擬した実容量からなる回路を用い、そのトランジスタのドレイン電流をミラーして負荷MOS電流とする。
この電流源回路120の特徴的な構成および機能については後で詳述する。
図3は、本実施形態に係る4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの基本的な画素回路の一例を示す図である。
画素回路110Aは、この1個の光電変換素子としてのフォトダイオード111を有する。
画素回路110Aは、1個のフォトダイオード111に対して転送素子としての転送トランジスタ112、リセット素子としてのリセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4つのトランジスタを能動素子として有する。
転送トランジスタ112は、フォトダイオード111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。
転送トランジスタ112は、転送制御線LTRGを通じてそのゲート(転送ゲート)に転送信号TRGが与えられることで、フォトダイオード111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタ113は、リセット制御線LRSTを通してそのゲートにリセット信号RSTが与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
増幅トランジスタ114は、選択トランジスタ115を介して垂直信号線116に接続され、画素部外の定電流源を形成する電流源回路120の負荷MOSとソースフォロアを形成する。
そして、選択制御線LSELを通して制御信号(アドレス信号またはセレクト信号)SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線116に出力する。垂直信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、画素信号読み出し部としてのADC群150に出力される。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
負荷MOSトランジスタ121のドレインが垂直信号線116に接続され、ソースが基準電位源VSSに接続されている。
本実施形態の電流源回路120において、各カラムに配置された各負荷MOSトランジスタ121に対して、信号線のスルーレートに応じた電流を流す機能を有するレプリカ回路122が接続されている。
画素の選択トランジスタ115に流す電流源(電流シンク)となるのが負荷MOSである。なお、選択トランジスタ115と増幅トランジスタ114の接続位置が逆転していても、本発明の実施形態にとっては同じである。
図4は、本実施形態に係る電流源回路の各負荷素子部の具体的な構成例を示す回路図である。
図5は、画素の選択トランジスタがオンしてから垂直信号線が整定レベルとなる状態遷移を示す図である。
本実施形態では、n型が第1導電型、p型を第2導電型とする。
カレントミラー回路123はNMOSトランジスタNT121と負荷MOSトランジスタ121により形成される。
PMOSトランジスタPT121のゲートは負荷MOSトランジスタ121と垂直信号線116との接続部に接続され、ソースが電流源I121に接続され、ドレインはNMOSトランジスタNT121のドレインおよびゲートに接続されている。
電流源I121は電源VDDに接続され、実用量(キャパシタ)C121はPMOSトランジスタPT121のソースと基準電位(たとえば接地電位)VSSとの間に接続されている。
カレントミラー回路123を形成するNMOSトランジスタNT121のソースは基準電位VSSに接続され、ゲートおよびドレインが負荷MOSトランジスタ121のゲートに接続されている。
垂直信号線116にはかなりの寄生容量Cpが付くため、信号下降中のスルーレートにより、寄生容量Cpから電流が垂直信号線116に流れ込むことになる。
一般の負荷MOS回路では、負荷MOSの電流は一定のため、その電流は選択トランジスタ115に流れることになる。
そのため、ゲートソース間電圧VGSが小さくなり、その分立下りが遅れてしまう。
これまでは、負荷MOSに十分な定常電流を流すことで、この影響を軽減していた。
垂直信号線116の電位が下がり始めると、PMOSトランジスタPT121のソース電圧も同じレートで下降する。
そこに、実負荷で容量C121を付けておくと、スルーレートに比例した電流がその容量に流れ込むことになる。
ソースフォロワの元々の動作電流と容量C121にチャージする電流の総和は、PMOSトランジスタPT121のドレインに流れる。
これをカレントミラー回路123で折り返して負荷MOSトランジスタ121の電流を生成することにより、垂直信号線116の電位の立下りに応じて負荷MOSトランジスタ121の電流を増やすことが可能である。
このことで、寄生容量Cpに流れる電流と実容量C121に流す電流が一致し、選択トランジスタ115に流れる電流をスルーレートにかかわらず一定にできる。
すると、選択トランジスタ115のゲート電圧の変化量がそのまま垂直信号線116に伝わり、整定時間を大幅に緩和できることになる。
カレントミラー比と実容量C121と寄生容量Cpの比は同じにすれば、同様の結果が得られる。たとえば1:2にすると、PMOSトランジスタPT121に流す電流を半分、実容量C121も半分となり、省電力小面積が図れる。
負荷素子部120Bにおいては、レプリカ回路122の電流源が2個のカスコード接続されたPMOSトランジスタPT122,PT123により形成されている。
レプリカ回路122にカスコード付の電流源を用いると、定常電流分の変動が小さくなる。
この場合に、動作レンジを確保するため、一旦NMOSトランジスタの動作点調整ソースフォロワ124を間に挿入されている。
また、レプリカ回路122およびカレントミラー回路123によりブースター部125が形成される。
NMOSトランジスタNT122のゲートが垂直信号線116に接続され、ソースが電源VDDに接続され、ソースがNMOSトランジスタNT123のドレインおよびレプリカ回路122のPMOSトランジスタPT121のゲートに接続されている。
NMOSトランジスタNT123のソースは基準電位VSSに接続され、ゲートは所定のバイアス電源Vbに接続されている。
本実施形態においては、レプリカ回路122の容量C121を基準電位である接地電位GNDに対して接続している。
これは、負荷MOSトランジスタ121に流す電流の増加分の一部もしくは全部を、実容量C121が引き込んで中和する方向に効くからである。
ADC群150では、ADCブロック(各カラム部)でそれぞれ、画素部110のアナログ出力をDAC170からのランプ信号RAMPを使用したAPGA対応積分型ADC、およびデジタルCDSを行い、数ビットのデジタル信号を出力する。
比較器151は、DAC170により生成される参照電圧を階段状に変化させたランプ波形(RAMP)である参照電圧Vslopと、行線毎に画素から垂直信号線を経由し得られるアナログ信号(電位VSL)とを比較する。
さらに、各ADCは、比較時間をカウントするカウンタ152と、カウント結果を保持するメモリ(ラッチ)153とを有する。
ADC群150は、nビットデジタル信号変換機能を有し、各垂直信号線(読み出し線)毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各メモリ(ラッチ)153の出力は、たとえば2nビット幅の水平転送線LTRFに接続されている。
そして、水平転送線LTRFに対応した2n個のアンプ回路180、および信号処理回路190が配置される。
このとき、比較器151と同様に列毎に配置されたカウンタ152が動作しており、ランプ波形のあるランプ信号RAMP(電位Vslop)とカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで垂直信号線の電位VSLをデジタル信号に変換する。
ADCは、参照電圧Vslop(ランプ信号RAMP)の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号VSLとランプ信号RAMP(参照電圧Vslop)が交わったとき、比較器151の出力が反転し、カウンタ152の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタ152に入力し、AD変換を完了させる。
タイミング制御回路160においては、画素部110、ADC群150等の各ブロックでの信号処理に必要なタイミングが生成される。
後段の信号処理回路190では、読み出された信号より縦線欠陥や点欠陥の補正、信号のクランプを行ったり、パラレル-シリアル変換、圧縮、符号化、加算、平均、間欠動作などデジタル信号処理を行う。
本実施形態の固体撮像素子100においては、信号処理回路190のデジタル出力がISPやベースバンド(baseband)LSIの入力として送信される。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
カメラシステム200は、撮像デバイス210の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ220を有する。
カメラシステム200は、撮像デバイス310を駆動する駆動回路(DRV)230と、撮像デバイス210の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)240と、を有する。
信号処理回路240で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。
記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路240で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出される。
Claims (8)
- 画素信号読み出し線と、
光電変換素子を含む画素が配列された画素部と、
上記画素部から上記画素信号読み出し線を通して画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素信号読み出し部は、
上記画素信号読み出し線に接続されてソースフォロワを形成する電流源としての負荷素子を含む電流源回路を含み、
上記電流源回路は、
上記画素信号読み出し信号線のスルーレートに応じた電流を流し、当該電流に応じた電流を上記電流源に流させる回路を含む
固体撮像素子。 - 上記電流源回路は、
上記画素信号読み出し線に接続されて電流源として機能する第1のソースフォロワトランジスタと、
ゲートが上記画素信号読み出し線に接続され、ソースが電流源に接続された第2のソースフォロワトランジスタと、
上記第2のソースフォロワトランジスタのソースに接続され、上記画素信号読み出し線の寄生容量を模擬した実用量と、
上記第2のソースフォロワトランジスタのドレイン電流を折り返して上記第1のソースフォロワトランジスタのゲートに供給するカレントミラー回路と、を含む
請求項1記載の固体撮像素子。 - 上記カレントミラー回路のカレントミラー比と上記実用量と上記寄生容量の比が同じである
請求項2記載の固体撮像素子。 - 上記画素は、
ソースが上記画素信号読み出し線に接続された出力用トランジスタを含み、
上記出力用トランジスタは第1導電型トランジスタにより形成され、上記第2のソースフォロワトランジスタは第2導電型トランジスタにより形成されている
請求項1または2記載の固体撮像素子。 - 上記第2のソースフォロワトランジスタのソースに接続される電流源は、カスコード接続された複数のトランジスタにより形成されている
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - 上記画素信号読み出し線と上記第2のソースフォロワトランジスタのゲートとの間に、動作点調整用の第3のソースフォロワトランジスタが配置され、
上記第3のソースフォロワトランジスタのゲートが上記画素信号読み出し線に接続され、上記第3のソースフォロワトランジスタのソースが上記第2のソースフォロワトランジスタのゲートに接続されている
請求項5記載の固体撮像素子。 - 光電変換素子を含む画素が配列された画素部からソースフォロワを形成する電流源に接続された画素信号読み出し線を通して画素信号の読み出しを行う際に、
記画素信号読み出し信号線のスルーレートに応じた電流を生成し、当該電流に応じた電流を上記電流源に流させる
固体撮像素子の駆動方法。 - 固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、を有し、
上記固体撮像素子は、
画素信号読み出し線と、
光電変換素子を含む画素が配列された画素部と、
上記画素部から上記画素信号読み出し線を通して画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素信号読み出し部は、
上記画素信号読み出し線に接続されてソースフォロワを形成する電流源としての負荷素子を含む電流源回路を含み、
上記電流源回路は、
上記画素信号読み出し信号線のスルーレートに応じた電流を流し、当該電流に応じた電流を上記電流源に流させる回路を含む
カメラシステム。
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