JP2014112820A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】FD130は、リセットトランジスタ110のオンによってVDDにリセットされた後、受光素子10aまたは10bから転送された電荷を蓄積する。増幅トランジスタ140、選択トランジスタ150および電流源30によって構成されるソースフォロワ回路により、データ線200にはFD130の電位に応じた電圧が出力される。第2の出力回路205は、FD130の電位に応じた出力電圧VOUTを出力ノード210に生成する。出力回路205中の出力トランジスタ160および170は、増幅トランジスタ160および選択トランジスタ170によって生じたFD130およびデータ線200の電位差と同等の電位差を、データ線200および出力ノード210間に生じさせるように構成される。
【選択図】図3
Description
第2のトランジスタは、第1のトランジスタを流れる電流と同等の電流が流されることによって、第1のトランジスタによって生じるフローティングディフュージョンおよびデータ線の電位差と同等の電位差を、データ線および出力ノードの間に生じさせるように構成される。
[実施の形態1]
(全体構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の代表例として示されるCMOSイメージセンサ5の全体構成を説明する概略ブロック図である。
図2は、比較例に従う受光素子からの出力回路構成を説明する回路図である。以下では、比較例および本実施の形態を通じて、2個の受光素子10について1つの出力段を有する2.5トランジスタ型と呼ばれる構成が示される。
通常、CMOSイメージセンサ5では、受光素子の開口面積を大きく取りたいため、NMOSトランジスタのバックゲートを共通化して接地している。したがって、FD電位が異なると、出力動作時における、増幅トランジスタ140および選択トランジスタ150のソース・基板間電圧が異なってくる。このため、基板バイアス効果により、FD電位に応じてトランジスタのしきい値電圧Vthに差が生じるという現象が発生する。具体的には、FD電位が高い(受光量が小)のときとFD電位が低いとき(受光量が大)のときとで、増幅トランジスタ140および選択トランジスタ150のしきい値電圧Vthに差が生じる。すなわち、FD電位が高いとき(低照度)にVthが高く、FD電位が低いとき(高照度)にVthが低くなるので、等価的にFD電位からみたソースフォロワ回路の利得が低下してしまう。このように、FD電位が不安定となるとソースフォロワ回路の利得にばらつきが生じてしまう。
φf=(kT/q)ln(N/ni)
(1)式において、Vt0は、Vsb=0のときのしきい値電圧である。また、γは、Vsbの変化に対するVthの感度を表す係数(基板効果係数)である。また、φfは、ボルツマン係数k、基板温度T、電子の電荷量q、基板の不純物濃度Nおよび、シリコンの真性キャリア濃度niによって決まる定数である。
このように、FD電位の違いに応じて、基板バイアス効果およびオン抵抗差によって、FD電位をデータ線200に読み出す際の出力特性、すなわち、FD電位に対する出力電圧VOUTの線形性および利得が低下することが問題となる。
図3は、本発明の実施の形態1に従う固体撮像装置における受光素子からの信号出力構成を説明するための回路図である。図3についても、図2と同様に、2個の受光素子10a,10bに対応する構成が示される。
図4は、本実施の形態1の変形例1に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
図5を参照して、図4に示した信号出力構成において、選択信号TX0またはTX1の活性化によって、FD130に受光素子10aまたは10bから電荷が転送された状態で、時刻t1において選択信号SELがHレベルに活性化される。
図6は、本実施の形態1の変形例2に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
(リセット電位の変動について)
CMOSイメージセンサにおける出力特性を悪化させる他の要因として、リセット電位のばらつきが挙げられる。この問題点について、図2に示した比較例を再び用いて説明する。
図8は、本実施の形態2に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
図9は、本実施の形態2の変形例1に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
リセット電圧生成回路301は、可変電流源330と、抵抗素子340と、バッファ350とを有する。可変電流源330および抵抗素子340は、ノードNaを介して直列に接続される。バッファ350は、ノードNaの電圧に従って、リセット電圧VDD♯をリセット電圧配線305に供給する。図9のその他の部分の回路構成は図8と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
図10は、本実施の形態2の変形例2に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
図11は、本実施の形態2の変形例3に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
実施の形態3では、実施の形態1およびその変形例と、実施の形態2およびその変形例と組合せた場合の構成について説明する。
実施の形態1の変形例に従う信号出力構成についても実施の形態2およびその変形例と組合せることが可能である。
図14には、本実施の形態3の変形例2に従う受光素子からの信号出力構成を説明する回路図である。
Claims (12)
- 受光量に応じた電荷を生成および蓄積する受光素子と、
前記受光素子から転送された電荷を受けるためのフローティングディフュージョンと、
電源電圧によって駆動され、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧をデータ線に出力するための第1の出力回路と、
前記第1の出力回路と並列に前記データ線と接続された第2の出力回路と、
前記電源電圧を降圧することによってリセット電圧をリセット電圧線に出力するためのリセット電圧生成回路と、
前記リセット電圧線と前記フローティングディフュージョンとの間に電気的に接続されてリセット信号に応じてオンされるリセットトランジスタとを備え、
前記第1の出力回路は、
前記電源電圧を供給する電源配線および前記データ線の間に電気的に接続された少なくとも1個の第1のトランジスタを含み、
前記第2の出力回路は、
前記フローティングディフュージョンの電位に応じた出力電圧が生成される出力ノードと、
前記電源配線から前記出力ノードを経由した前記データ線への経路上で、前記出力ノードおよび前記データ線の間に接続された少なくとも1個の第2のトランジスタを含み、
前記第2のトランジスタは、前記第1のトランジスタを流れる電流と同等の電流が流されることによって、前記第1のトランジスタによって生じる前記フローティングディフュージョンおよび前記データ線の電位差と同等の電位差を、前記データ線および前記出力ノードの間に生じさせるように構成される、固体撮像装置。 - 前記第1の出力回路は、
前記データ線に第1の電流量を流すための第1の電流源をさらに含み、
前記第1のトランジスタは、
前記電源配線および前記データ線の間に電気的に接続され、前記フローティングディフュージョンと接続されたゲートを有する増幅トランジスタと、
前記電源配線および前記データ線の間に、前記増幅トランジスタと直列に電気的に接続された選択トランジスタとを含み、
前記選択トランジスタのゲートには、前記選択トランジスタのオンオフを制御するための第1の制御信号が入力され、
前記第2の出力回路は、
前記電源配線から前記出力ノードを経由した前記データ線への経路に前記第1の電流量の半分の電流量を供給するための第2の電流源をさらに含み、
前記第2のトランジスタは、
前記出力ノードおよび前記データ線の間に電気的に接続され、前記出力ノードと接続されたゲートを有する第1の出力トランジスタと、
前記第1の出力トランジスタと前記データ線の間に電気的に接続された第2の出力トランジスタとを含み、
前記第2の出力トランジスタのゲートに対して、前記選択トランジスタをオンさせるときの前記第1の制御信号の電圧と同等の電圧が入力するための手段をさらに備える、請求項1記載の固体撮像装置。 - 受光量に応じた電荷を生成および蓄積する受光素子と、
前記受光素子から転送された電荷を受けるためのフローティングディフュージョンと、
電源電圧によって駆動され、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧をデータ線に出力するための第1の出力回路と、
前記第1の出力回路と並列に前記データ線と接続された第2の出力回路とを備え、
前記第1の出力回路は、
前記電源電圧を供給する電源配線および前記データ線の間に電気的に接続された少なくとも1個の第1のトランジスタを含み、
前記第2の出力回路は、
前記フローティングディフュージョンの電位に応じた出力電圧が生成される出力ノードと、
前記出力ノードおよび前記データ線の間に接続された少なくとも1個の第2のトランジスタを含み、
前記第2のトランジスタは、前記第1のトランジスタを流れる電流と同等の電流が流されることによって、前記第1のトランジスタによって生じる前記フローティングディフュージョンおよび前記データ線の電位差と同等の電位差を、前記データ線および前記出力ノードの間に生じさせるように構成される、固体撮像装置。 - 前記第1の出力回路は、
前記データ線に第1の電流量を流すための第1の電流源をさらに含み、
前記第1のトランジスタは、
前記電源配線および前記データ線の間に電気的に接続され、前記フローティングディフュージョンと接続されたゲートを有する増幅トランジスタと、
前記電源配線および前記データ線の間に、前記増幅トランジスタと直列に電気的に接続された選択トランジスタとを含み、
前記選択トランジスタのゲートには、前記選択トランジスタのオンオフを制御するための第1の制御信号が入力され、
前記第2の出力回路は、
前記出力ノードから前記データ線への経路に前記第1の電流量の半分の電流量を供給するための第2の電流源をさらに含み、
前記第2のトランジスタは、
前記出力ノードおよび前記データ線の間に電気的に接続され、前記出力ノードと接続されたゲートを有する第1の出力トランジスタと、
前記第1の出力トランジスタと前記データ線の間に電気的に接続された第2の出力トランジスタとを含み、
前記第2の出力トランジスタのゲートに対して、前記選択トランジスタをオンさせるときの前記第1の制御信号の電圧と同等の電圧が入力される、請求項3記載の固体撮像装置。 - 前記第2の出力トランジスタのゲートには、前記第2の出力トランジスタのオンオフを制御するための第2の制御信号が入力され、
前記選択トランジスタをオンするための前記第1の制御信号の電圧と、前記第2の出力トランジスタをオンするための前記第2の制御信号の電圧とは同等であり、
前記第2の制御信号は、前記第1の制御信号によって前記選択トランジスタがオンされた後に、前記第2の出力トランジスタをオンさせるように生成される、請求項2または4記載の固体撮像装置。 - 前記第1の出力回路および前記フローティングディフュージョンは、共通の前記データ線に対して複数個配置され、
前記選択トランジスタがオンされた前記第1の出力回路が、前記共通のデータ線に対して、対応の前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧を出力するように構成される、請求項2または4に記載の固体撮像装置。 - 前記第2の出力回路は、前記データ線に対応して、前記複数個の第1の出力回路に共通に設けられ、
前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタは、画素アレイ内に設けられ、
前記第1および第2の出力トランジスタは、画素アレイ外に設けられる、請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタは、前記第1の出力回路毎に設けられ、
前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタと、前記第1および第2の出力トランジスタとは、画素アレイ内に設けられる、請求項6記載の固体撮像装置。 - 受光量に応じた電荷を生成および蓄積する受光素子と、
電源電圧を供給するための電源配線と、
前記受光素子から転送された電荷を受けるためのフローティングディフュージョンと、
前記電源配線からの前記電源電圧によって駆動されて、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧をデータ線に出力するための第1の出力回路と、
前記電源電圧を降圧することによってリセット電圧をリセット電圧線に出力するためのリセット電圧生成回路と、
前記リセット電圧線と前記フローティングディフュージョンとの間に電気的に接続されてリセット信号に応じてオンされるリセットトランジスタとを備える、固体撮像装置。 - 前記リセット電圧生成回路は、
前記電源配線と前記リセット電圧線との間に接続され、ゲートを前記電源配線と接続された降圧トランジスタを含む、請求項1または9記載の固体撮像装置。 - 前記リセット電圧生成回路は、
前記リセット電圧を可変に制御するための電圧制御回路を含む、請求項1または9記載の固体撮像装置。 - 前記リセット電圧生成回路は、
前記電源配線と前記リセット電圧線との間に接続された降圧トランジスタと、
前記降圧トランジスタのゲート電圧を可変に制御するための電圧制御回路を含む、請求項1または9記載の固体撮像装置。
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