JP2022134242A - 比較器、光電変換装置、および機器 - Google Patents

Abstract

【課題】比較器の入力へのキックバックを低減する。【解決手段】一実施形態における比較器は、差動対をなす第１の差動トランジスタおよび第２の差動トランジスタと、第１の差動トランジスタおよび第２の差動トランジスタにそれぞれ対応して設けられた第１の負荷トランジスタおよび第２の負荷トランジスタと、第１の差動トランジスタおよび第１の負荷トランジスタの間にカスコード接続される第１のカスコードトランジスタと、第１の負荷トランジスタおよび前記第１のカスコードトランジスタの間の出力ノードにおける出力信号の振幅を制限する振幅制限素子とを備える。【選択図】 図３

Description

本発明は、比較器、光電変換装置、および機器に関する。

差動増幅回路を含む比較器は様々な機器において用いられている。引用文献１に記載の比較器は、一対の差動トランジスタと、一対の負荷トランジスタと、差動トランジスタにカスコード接続された１個または１対のカスコードトランジスタとを含んでいる。カスコードトランジスタは、アイソレータとして機能することにより、ノイズを低減し得る。

特開２０１３－９０３０５号公報

しかしながら、カスコードトランジスタが線形動作状態となると、差動トランジスタの主ノードの電位変動が大きくなり、比較器の入力へのキックバックが増大してしまうという問題が生じていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、比較器の入力へのキックバックを低減することを目的とする。

本明細書の一開示における比較器は、差動対をなす第１の差動トランジスタおよび第２の差動トランジスタと、前記第１の差動トランジスタおよび前記第２の差動トランジスタにそれぞれ対応して設けられた第１の負荷トランジスタおよび第２の負荷トランジスタと、前記第１の差動トランジスタおよび前記第１の負荷トランジスタの間にカスコード接続される第１のカスコードトランジスタと、前記第１の負荷トランジスタおよび前記第１のカスコードトランジスタの間の出力ノードにおける出力信号の振幅を制限する振幅制限素子と、を備える。

本発明によれば、比較器の入力へのキックバックを低減することが可能となる。

第１実施形態における撮像装置のブロック図である。 第１実施形態における画素の等価回路図である。 第１実施形態における比較器の等価回路図である。 第１実施形態における比較器の動作を表すタイミングチャートである。 第２実施形態における比較器の等価回路図である。 第３実施形態における比較器の動作を表すタイミングチャートである。 第４実施形態における比較器の等価回路図である。 第５実施形態における比較器の等価回路図である。 第６実施形態における機器のブロック図である。 第７実施形態における機器のブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本発明は、以下に説明される実施形態に限定されない。例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加し、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換してもよい。

［第１実施形態］
図１は本実施形態における撮像装置のブロック図である。撮像装置は、例えばＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサであって、画素部１、垂直走査回路２、比較器３ａ、３ｂ、参照信号生成回路４ａ、４ｂ、カウンタ５ａ、５ｂ、第１メモリ６ａ、６ｂ、第２メモリ７ａ、７ｂ、出力回路８ａ、８ｂ、信号線１１ａ、１１ｂ、電流源１２ａ、１２ｂを備える。

画素部１は２次元アレイ状に配列された複数の画素１０を備え、それぞれの画素１０は受光量に応じた信号電荷を生成および蓄積する光電変換部を備える。なお、本明細書において、行方向とは図面における水平方向を示し、列方向とは図面において垂直方向を示すものとする。画素１０上にはマイクロレンズ、カラーフィルタが配置され得る。カラーフィルタは例えば赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇｒ、Ｇｂ）の原色フィルタであって、ベイヤー配列に従って各画素１０に設けられている。一部の画素１０はＯＢ画素（オプティカル・ブラック画素）として遮光されている。複数の画素１０には、焦点検出用の画素信号を出力する焦点検出画素が配された測距行と、画像を生成するための画素信号を出力する撮像画素が配された複数の撮像行とが設けられ得る。信号線１１ａ、１１ｂは画素１０の列毎に設けられ、同一列の画素１０は共通の信号線１１ａ、１１ｂに画素信号を出力する。本実施形態において、奇数列の信号線１１ａ、偶数列の信号線１１ｂはそれぞれ異なる回路に接続され得る。すなわち、奇数列の画素１０は、信号線１１ａを介して、比較器３ａ、参照信号生成回路４ａ、カウンタ５ａ、第１メモリ６ａ、第２メモリ７ａ、出力回路８ａによって読み出される。また、偶数列の画素１０は、信号線１１ｂを介して、比較器３ｂ、参照信号生成回路４ｂ、カウンタ５ｂ、第１メモリ６ｂ、第２メモリ７ｂ、出力回路８ｂによって読み出される。なお、１列の画素１０に配される信号線の数は１本に限定されず、２～２４本のように複数であってもよい。

垂直走査回路２はシフトレジスタ、ゲート回路、バッファ回路などから構成され、垂直同期信号、水平同期信号、クロック信号などに基づき制御信号を画素１０に出力し、行毎に画素１０を駆動する。電流源１２ａ、１２ｂは信号線１１ａ、１１ｂに接続され、画素１０の負荷回路として機能する。

比較器３ａ、３ｂは差動増幅回路などから構成され、反転入力ノードには画素信号が入力され、非反転入力ノードには参照信号ＲＡＭＰが入力され得る。比較器３ａ、３ｂは参照信号ＲＡＭＰと画素信号とを比較し、比較結果を表す比較信号を出力ノードから出力する。

参照信号生成回路４ａ、４ｂは時間に依存して電圧が変化する参照信号（ランプ信号）ＲＡＭＰを生成する。参照信号生成回路４ａ、４ｂは、容量充放電方式、ＤＡＣ方式、カレントステアリング方式など、様々な方式を用いて構成され得る。参照信号ＲＡＭＰは、時間とともに電圧が増大するアップスロープだけでなく、時間とともに電圧が低下するダウンスロープであってもよい。また、参照信号ＲＡＭＰは、単位時間あたりの電圧変化率が異なる複数のスロープ波形を含み得る。

カウンタ５ａ、５ｂは、参照信号ＲＡＭＰに同期してカウンタのカウントアップまたはカウントダウンを行う。カウンタ５ａ、５ｂは、参照信号生成回路４ａ、４ｂの参照信号ＲＡＭＰの電圧変化の開始と同時にクロックパルスの計数を開始し、カウント信号を出力する。カウント信号は、第１メモリ６ａ、６ｂに供給される。なお、信号線１１ａ、１１ｂの列毎にカウンタを設け、それぞれのカウンタに共通のクロックパルスを供給してもよい。

第１メモリ６ａ、６ｂは、比較器３ａ、３ｂからの比較結果、カウンタ５ａ、５ｂからのカウント値を入力し、比較結果が反転したタイミングにおけるカウント値をラッチする。第１メモリ６ａ、６ｂに保持されたカウント値は、画素信号をアナログ・デジタル変換した値を表している。第２メモリ７ａ、７ｂは第１メモリ６ａ、６ｂから転送されたカウント値をさらに保持可能である。第１メモリ６ａ、６ｂ、第２メモリ７ａ、７ｂは、画素１０のリセット時におけるカウント値、画素１０の光電変換に基づくカウント値をそれぞれ保持し得る。出力回路８ａ、８ｂは、水平走査回路および信号処理回路を含み得る。水平走査回路は、デコーダ、シフトレジスタを備え、第１メモリ６ａ、６ｂ、第２メモリ７ａ、７ｂに保持されたカウント値を順に読み出し、信号処理回路に出力する。信号処理回路はデジタル・シグナル・プロセッサを備え、デジタルゲイン、デジタル相関二重サンプリング、デジタルオフセット、リニアリティ補正などのデジタル信号処理を行う。また、信号処理回路はＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）方式のシリアル出力回路を備え、信号処理されたデジタル信号を高速、低消費電力にて撮像装置の外部へと出力する。

図２は本実施形態における画素１０の等価回路図である。画素１０は、光電変換部１００、転送トランジスタ１０１、浮遊拡散領域（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）１０２、増幅トランジスタ１０３、選択トランジスタ１０４、リセットトランジスタ１０５を含む。以下の説明は、画素１０を構成するトランジスタがＮチャネルＭＯＳトランジスタである例を示している。光電変換部１００は例えばフォトダイオードから構成されており、入射光による光電変換および電荷の蓄積を行なう。なお、光電変換部１００はフォトダイオードに限定されず、光電効果を生じさせる材料であれば良い。画素１０あたりの光電変換部１００の数も限定されず、２個、４個またはそれ以上の複数の光電変換部１００が１つのマイクロレンズを共有するように設けられても良い。さらに、埋め込み型のフォトダイオードを構成することで、暗電流ノイズを低減できる。光電変換部１００にはマイクロレンズが設けられており、マイクロレンズにより集光された光が光電変換部１００に入射する。

転送トランジスタ１０１は光電変換部１００に対応して設けられ、ゲートには垂直走査回路２から制御信号ＴＸが印加される。制御信号ＴＸがハイレベルとなると、転送トランジスタ１０１がオン状態（導通状態）となり、光電変換部１００に蓄積された信号電荷が増幅トランジスタ１０３のゲートに形成された浮遊拡散領域１０２に転送される。また、制御信号ＴＸがローレベルとなると、転送トランジスタ１０１はオフ状態（非導通状態）となる。浮遊拡散領域１０２は信号電荷を電圧に変換し、増幅トランジスタ１０３はゲート電圧に応じた信号電圧をソースから選択トランジスタ１０４を介して信号線１１ａ、１１ｂへ出力する。増幅トランジスタ１０３のドレインは電源ＶＤＤに接続されている。

リセットトランジスタ１０５のソースは浮遊拡散領域１０２に接続され、ドレインは電源ＶＤＤに接続され、ゲートには垂直走査回路２から制御信号ＲＥＳが印加される。制御信号ＲＥＳがハイレベルとなると、リセットトランジスタ１０５はオン状態となり、浮遊拡散領域１０２に電源ＶＤＤの電圧が供給される。選択トランジスタ１０４は増幅トランジスタ１０３と信号線１１ａ、１１ｂとの間に設けられており、選択トランジスタ１０４のゲートには垂直走査回路２から制御信号ＳＥＬが印加される。制御信号ＳＥＬがハイレベルとなると、増幅トランジスタ１０３と信号線１１ａ、１１ｂとが電気的に導通する。信号線１１ａ、１１ｂには電流源１２ａ、１２ｂが接続されており、電流源１２ａ、１２ｂは信号線１１ａ、１１ｂを介して増幅トランジスタ１０３のソースに一定のバイアス電流を供給する。

なお、画素１０は、図２の構成に限定されず、各画素１０に複数の選択トランジスタが設けられてもよい。さらに、浮遊拡散領域に付加容量が配され、浮遊拡散領域の容量が選択可能であってもよい。

図３は本実施形態における比較器のブロック図である。比較器３（３ａ、３ｂ）は、電流源３００、ＮチャネルＭＯＳの第１の差動トランジスタ３０１、ＮチャネルＭＯＳの第２の差動トランジスタ３０２、ＰチャネルＭＯＳの第１の負荷トランジスタ３１１、ＰチャネルＭＯＳの第２の負荷トランジスタ３１２、ＮチャネルＭＯＳの第１のカスコードトランジスタ３２１、ＮチャネルＭＯＳの第２のカスコードトランジスタ３２２、ＰチャネルＭＯＳの振幅制限トランジスタ３３０、ＰチャネルＭＯＳのソースフォロワトランジスタ３７０、電流源３７１を含む。

差動トランジスタ３０１、３０２は差動対を構成している。差動トランジスタ３０１のゲートには参照信号ＲＡＭＰが入力され、差動トランジスタ３０２のゲートには画素信号が入力されている。差動トランジスタ３０１、３０２のそれぞれのソースは電流源３００を介して接地線ＧＮＤに接続されている。

負荷トランジスタ３１１、３１２は対をなすとともに、差動トランジスタ３０１、３０２に対応して設けられている。負荷トランジスタ３１１、３１２はカレントミラー回路を構成し、それぞれのゲートは互いに接続されるとともに負荷トランジスタ３１２のドレインに接続されている。また、負荷トランジスタ３１１、３１２のソースは電源ＶＤＤに接続されている。

カスコードトランジスタ３２１、３２２は対をなすとともに、差動トランジスタ３０１、３０２と負荷トランジスタ３１１、３１２との間にそれぞれ配されている。すなわち、カスコードトランジスタ３２１のソースは差動トランジスタ３０１のドレインに接続され、カスコードトランジスタ３２１のドレインは負荷トランジスタ３１１のドレインに接続されている。同様に、カスコードトランジスタ３２２のソースは差動トランジスタ３０２のドレインに接続され、カスコードトランジスタ３２２のドレインは負荷トランジスタ３１２のドレインに接続されている。また、カスコードトランジスタ３２１、３２２のゲートには所定のバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加されている。

振幅制限トランジスタ３３０は、差動段の出力、すなわち、負荷トランジスタ３１１とカスコードトランジスタ３２１の間の出力ノードＡに設けられている。振幅制限トランジスタ３３０のゲートおよびドレインは負荷トランジスタ３１１のドレインに接続され、振幅制限トランジスタ３３０のソースは電源ＶＤＤに接続されている。振幅制限トランジスタ３３０は、出力ノードＡにおける振幅を制限することにより、カスコードトランジスタ３２１が線形動作状態となるのを回避している。これにより、差動トランジスタ３０１のドレインの電位変動が抑制され、比較器３の入力へのキックバックを低減することが可能となる。

ソースフォロワトランジスタ３７０は、差動段の出力ノードＡに設けられている。ソースフォロワトランジスタ３７０のゲートは出力ノードＡに接続され、ソースフォロワトランジスタ３７０のソースは電源ＶＤＤに接続されている。また、ソースフォロワトランジスタ３７０のドレインは、電流源３７１を介して接地線ＧＮＤに接続されるとともに、信号ＯＵＴを出力可能である。

図４は、本実施形態における比較器の動作を表すタイミングチャートであって、参照信号ＲＡＭＰ、画素信号、出力ノードＡ、差動トランジスタ３０１のドレイン３０１ｄおよびソース３０１ｓのそれぞれの電位変化を示している。また、実線のグラフは本実施形態における動作を表し、破線のグラフは振幅制限トランジスタ３３０が設けられていない比較例の動作を表している。

先ず、比較例の動作を説明する。時刻ｔ１～ｔ２において、参照信号ＲＡＭＰの電位は画素信号の電位よりも高く、差動トランジスタ３０１に電流が流れる。差動トランジスタ３０１のドレイン３０１ｄの電位および差動段の出力ノードＡの電位は、ソース３０１ｓの電位の近くまで低下する。

時刻ｔ２において、参照信号ＲＡＭＰの電位が低下し始め、差動トランジスタ３０１における電流も減少し始める。時刻ｔ２～ｔ３において、カスコードトランジスタ３２１は線形動作をし、差動トランジスタ３０１のドレイン３０１ｄの電位は差動段の出力ノードＡの電位とともに上昇する。ここで、差動トランジスタ３０１には、ゲート・ドレイン間の寄生容量が存在する。このため、ドレイン３０１ｄの電位変動は、寄生容量を介してゲートの電位変動を生じさせ、参照信号ＲＡＭＰに干渉し、比較器３の入力へのキックバックが増大し得る。

時刻ｔ３以降において、差動段の出力ノードＡとドレイン３０１ｄとの電位差、すなわちカスコードトランジスタ３２１のドレイン・ソース電圧Ｖｄｓが、カスコードトランジスタ３２１を飽和動作させるのに十分に大きくなると、ドレイン３０１ｄの電位は略一定となる。つまり、差動段の出力ノードＡの電位が変化したとしても、ドレイン３０１ｄの電位は変化しなくなる。

続いて、本実施形態の動作を説明する。時刻ｔ１～ｔ２において、差動トランジスタ３０１に電流が流れ、差動段の出力ノードＡの電位は低下する。出力ノードＡには振幅制限トランジスタ３３０が設けられているため、出力ノードＡの電位の低下は振幅制限トランジスタ３３０によって抑えられる。このとき、出力ノードＡの電位は振幅制限トランジスタ３３０のゲート・ソース間の電圧Ｖｇｓによって定められ得る。本実施形態において、出力ノードＡの電位およびドレイン３０１ｄの電位は比較例におけるそれぞれの電位に比べて高くなる。カスコードトランジスタ３２１のドレインおよびソースの間の電圧は、カスコードトランジスタ３２１が飽和動作をするのに十分に大きくなる。このとき、カスコードトランジスタ３２１において、ドレイン・ソース電圧Ｖｄｓ、ゲート・ソース電圧Ｖｇｓ、閾値電圧Ｖｔｈは以下の式（１）を充足し得る。
Ｖｄｓ＞Ｖｔｈ－Ｖｇｓ ・・・（１）

時刻ｔ２～ｔ３において、参照信号ＲＡＭＰの電位の低下に伴い、出力ノードＡの電位が上昇するが、カスコードトランジスタ３２１は飽和動作状態（式（１））を維持し、差動トランジスタ３０１のドレイン３０１ｄの電位は一定となる。このため、差動トランジスタ３０１において、ゲート・ドレイン間に寄生容量が存在したとしても、ゲートの電位変動が低減され、参照信号ＲＡＭＰへの干渉を抑えることができる。時刻ｔ３以降においても、カスコードトランジスタ３２１は飽和動作状態を維持し、ドレイン３０１ｄの電位は一定である。出力ノードＡにおける出力信号の最小値から最大値に渡って、上述の式（１）が充足されることが望ましい。

本実施形態においては、振幅制限トランジスタ３３０を設けることにより、カスコードトランジスタ３２１が線形動作状態になるのを回避し、比較器３の入力ノードへのキックバックを低減することが可能となる。特に、カレントミラーの負荷トランジスタ３１１、３１２が設けられている場合、差動段の出力ノードＡの下限は差動トランジスタ３０１、３０２ソースの電位近くまで下がり、カスコードトランジスタ３２１は線形動作し易くなる。このような場合においても、本実施形態における振幅制限トランジスタ３３０はカスコードトランジスタ３２１の線形動作を効果的に抑制し、比較器３の入力へのキックバックを低減することが可能となる。

なお、本実施形態における振幅制限素子として、振幅制限トランジスタ３３０を例に説明したが、振幅制限素子はダイオード素子、クリップ回路などであってもよい。

［第２実施形態］
続いて、第２実施形態における比較器および撮像装置について、第１実施形態と異なる構成を中心に説明する。

図５は、本実施形態における比較器のブロック図である。本実施形態において、振幅制限トランジスタ３３０に加えて、トランジスタ３３２が設けられている。トランジスタ３３２は、ＰチャネルＭＯＳであって振幅制限トランジスタ３３０と対をなしている。トランジスタ３３２のゲートおよびドレインは負荷トランジスタ３１２のドレインおよびゲートに接続され、トランジスタ３３２のソースは電源ＶＤＤに接続されている。

第１実施形態において、外乱により電源電圧の変動があった場合、振幅制限トランジスタ３３０により差動段の出力ノードＡの電圧が変動し得る。本実施形態においては、トランジスタ３３２は、負荷トランジスタ３１１、３１２のゲートにおいても電位変動を生じさせ、出力ノードＡにおける電源電圧変動の影響を打ち消すことが可能である。

また、本実施形態においても、振幅制限トランジスタ３３０によってカスコードトランジスタ３２１の線形動作を効果的に抑制し、比較器３の入力へのキックバックを低減するとう効果を奏することが可能となる。

［第３実施形態］
続いて、第３実施形態における比較器および撮像装置について説明する。本実施形態における比較器の構成は第２実施形態と同様であるが、本実施形態においては望ましい回路定数について説明する。

上述したように、カスコードトランジスタ３２１を飽和動作させることにより、比較器３の入力へのキックバックが低減され得る。カスコードトランジスタ３２１が飽和動作をするためには、上述の式（１）が充足されることが望ましい。また、式（１）は以下の式（２）のように表され得る。

式（２）において、Ｌはゲート長、Ｉはドレイン電流、μは移動度、Ｃｏｘは単位面積あたりのゲート酸化膜容量、Ｗはゲート幅を表している。ここで、ゲート長Ｌを短くすることにより、カスコードトランジスタ３２１の飽和動作に必要なドレイン・ソース電圧Ｖｄｓを抑制することができる。例えば、カスコードトランジスタ３２１のゲート長Ｌを差動トランジスタ３０１のゲート長Ｌより短くすることにより、カスコードトランジスタ３２１のドレイン・ソース電圧Ｖｄｓを抑制できる。なお、差動トランジスタ３０２、カスコードトランジスタ３２２も差動トランジスタ３０１、カスコードトランジスタ３２１と同様に構成されうる。

図６は、本実施形態における比較器の動作を表すタイミングチャートであって、参照信号ＲＡＭＰ、画素信号、出力ノードＡ、差動トランジスタ３０１のドレイン３０１ｄおよびソース３０１ｓのそれぞれの電位変化を示している。また、実線のグラフは本実施形態における動作を表し、破線のグラフはカスコードトランジスタ３２１が設けられていない比較例の動作を表している。

まず、比較例の動作について説明する。時刻ｔ１～ｔ２において、差動段の出力ノードＡの電位は低下する。ここで、カスコードトランジスタ３２１、３２２が設けられていない場合、カスコードトランジスタ３２１、３２２のドレイン・ソース電圧Ｖｄｓを確保する必要がない。このため、振幅制限トランジスタ３３０によって差動段の出力ノードＡの振幅を制限せずに、出力ノードＡの電位を低くし得る。時刻ｔ２～ｔ３において、差動段の出力ノードＡの電位は十分に低い電位から上昇し、電位の変化率、すなわちスルーレート（傾き）が大きくなることが確認できる。

一方、カスコードトランジスタ３２１、３２２が設けられている場合、時刻ｔ１～ｔ２において、差動段の出力ノードＡの電位低下は振幅制限トランジスタ３３０によって抑えられ、カスコードトランジスタ３２１のドレイン・ソース電圧Ｖｄｓは飽和動作の状態となる。本実施形態においては、カスコードトランジスタ３２１のゲート長Ｌは差動トランジスタ３０１のゲート長Ｌより短く構成されている。このため、カスコードトランジスタ３２１の飽和動作のためのドレイン・ソース電圧Ｖｄｓを小さくし、差動段の出力ノードＡの電位を低くすることができる。時刻ｔ２～ｔ３において、出力ノードＡの電位のスルーレートを十分に大きくし、高速動作を実現することが可能となる。従って、本実施形態によれば、カスコードトランジスタ３２１の線形動作を回避しながら、出力信号のスルーレートを大きくすることが可能となる。

なお、本実施形態において、カスコードトランジスタ３２１のゲート長Ｌを差動トランジスタ３０１のゲート長Ｌより短くする例を説明したが、式（２）においてゲート長Ｌ以外の定数を適宜変更し得る。例えば、ゲート幅Ｗを大きくすることにより、カスコードトランジスタ３２１を飽和動作状態としながら、ドレイン・ソース電圧Ｖｄｓを小さく設定してもよい。

［第４実施形態］
続いて、第４実施形態における比較器および撮像装置について、第２実施形態と異なる構成を中心に説明する。

図７は、本実施形態における比較器のブロック図である。本実施形態において、カスコードトランジスタ３２１、３２２のゲートは、振幅制限トランジスタ３３０のソースと同様に電源ＶＤＤに接続されている。電源電圧が低下した場合、差動段の出力ノードＡの電位は振幅制限トランジスタ３３０によって低下する。カスコードトランジスタ３２１のドレインの電位が低くなり、カスコードトランジスタ３２１が線形動作の状態になり得る。本実施形態において、カスコードトランジスタ３２１のゲートの電位は電源電圧とともに低下し、カスコードトランジスタ３２１のゲート・ソース電圧Ｖｇｓも小さくなる。このため、上述の式（１）、すなわち、［Ｖｄｓ＞Ｖｔｈ－Ｖｇｓ］を充足するドレイン・ソース電圧Ｖｄｓも小さくなり、カスコードトランジスタ３２１は飽和動作の状態を維持することが可能となる。従って、本実施形態によれば、電源電圧が低下した場合においても、カスコードトランジスタ３２１の線形動作を効果的に抑制し、比較器３の入力へのキックバックを低減することが可能となる。

［第５実施形態］
比較器は上述した実施形態に限定されず、様々な構成をとり得る。以下、本実施形態について、第４実施形態と異なる構成を中心に説明する。

図８は、本実施形態における比較器の等価回路図である。図８における比較器３は、オートゼロ動作のための第１の容量３４１、第２の容量３４２、第１のスイッチ３５１、第２のスイッチ３５２と、参照信号ＲＡＭＰのアンプ３７２とをさらに備え得る。アンプ３７２は参照信号ＲＡＭＰのバッファアンプとして機能し、例えばソースフォロワ回路によって構成され得る。アンプ３７２を設けることにより、差動トランジスタ３０１のゲートにおける電位変動が他の比較器３に影響を及ぼすのを回避することが可能である。なお、差動トランジスタ３０２のゲートにもアンプが設けられてもよい。

容量３４１、３４２はそれぞれ差動トランジスタ３０１、３０２のゲートに直列に接続されている。アンプ３７２から出力された参照信号ＲＡＭＰは容量３４１を介して差動トランジスタ３０１のゲートに入力される。また、画素信号は容量３４２を介して差動トランジスタ３０２のゲートに入力される。スイッチ３５１は差動トランジスタ３０１のゲートと負荷トランジスタ３１１のドレインとを導通または非導通とし、スイッチ３５２は差動トランジスタ３０２のゲートと負荷トランジスタ３１２のドレインとを導通または非導通とする。スイッチ３５１、３５２は制御信号ＣＲＥＳ１によってオンまたはオフに制御され、差動トランジスタ３０１、３０２のそれぞれのゲートの電位のオフセットを補償し、オートゼロ動作を実現することが可能である。

本実施形態においても、カスコードトランジスタ３２１が線形動作状態になるのを回避し、比較器３の入力ノードへのキックバックを低減することが可能となる。

［第６実施形態］
上述の実施形態における固体撮像装置は種々の機器に適用可能である。機器として、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラなどがあげられる。図９に、機器の例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

図９に示す機器７は、バリア７０６、レンズ７０２、絞り７０４、撮像装置７０（光電変換装置の一例）、信号処理部（処理装置）７０８、タイミング発生部７２０、全体制御・演算部７１８（制御装置）、メモリ部７１０（記憶装置）、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６、記録媒体７１４、外部Ｉ／Ｆ部７１２を含む。バリア７０６、レンズ７０２、絞り７０４の少なくとも１つは、機器に対応する光学装置である。バリア７０６はレンズを保護し、レンズ７０２は被写体の光学像を撮像装置７０に結像させる。絞り７０４はレンズ７０２を通った光量を可変する。撮像装置７０は上述の実施形態のように構成され、レンズ７０２により結像された光学像を画像データ（画像信号）に変換する。ここで、撮像装置７０の半導体基板にはＡＤ（アナログデジタル）変換部が形成されているものとする。信号処理部７０８は撮像装置７０より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する。タイミング発生部７２０は撮像装置７０および信号処理部７０８に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部７１８はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部７１０は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６は記録媒体７１４に画像データの記録または読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体７１４は撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部７１２は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号などは機器の外部から入力されてもよい。また、さらに機器７は光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置（モニター、電子ビューファインダ等）を備えても良い。機器は少なくとも光電変換装置を備える。さらに、光学装置、制御装置、処理装置、表示装置、記憶装置、及び光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置の少なくともいずれかを機器は備える。機械装置は、光電変換装置の信号を受けて動作する可動部（たとえばロボットアーム）である。

本実施形態では、撮像装置７０とＡＤ変換部とが別の半導体基板に設けられているが、撮像装置７０とＡＤ変換部とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置７０と信号処理部７０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

また、それぞれの画素が第１の光電変換部と、第２の光電変換部を含んでもよい。信号処理部７０８は、第１の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第２の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置７０から被写体までの距離情報を取得するように構成されてもよい。

［第７実施形態］
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、本実施形態における車載カメラに関する機器のブロック図である。機器８は、上述した実施形態の撮像装置８０（光電変換装置の一例）と、撮像装置８０からの信号を処理する信号処理装置（処理装置）を有する。機器８は、撮像装置８０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部８０１と、機器８より取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部８０２を有する。また、機器８は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部８０３と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部８０４とを有する。ここで、視差算出部８０２、距離計測部８０３は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部８０４はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

機器８は車両情報取得装置８１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、機器８には、衝突判定部８０４での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ８２０が接続されている。また、機器８は、衝突判定部８０４での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置８３０とも接続されている。例えば、衝突判定部８０４の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ８２０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置８３０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。機器８は上述のように車両を制御する動作の制御を行う制御手段として機能する。

本実施形態では車両の周囲、例えば前方または後方を機器８で撮像する。図１０（ｂ）は、車両前方（撮像範囲８５０）を撮像する場合の機器を示している。撮像制御手段としての車両情報取得装置８１０が、上述の第１～第７実施形態に記載した動作を行うように機器８ないしは撮像装置８０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上述では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、機器は、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機、人工衛星、産業用ロボットおよび民生用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）、監視システム等、広く物体認識または生体認識を利用する機器に適用することができる。

［他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

なお、上述の実施形態において、一対のカスコードトランジスタ３２１、３２２が配されているが、出力ノードＡの側のカスコードトランジスタ３２１のみが配されてもよい。

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０ 画素
３ａ、３ｂ 比較器
３０１、３０２ 差動トランジスタ
３１１、３１２ 負荷トランジスタ
３２１、３２２ カスコードトランジスタ
３３０ 振幅制限トランジスタ

Claims (18)

1. 差動対をなす第１の差動トランジスタおよび第２の差動トランジスタと、
   前記第１の差動トランジスタおよび前記第２の差動トランジスタにそれぞれ対応して設けられた第１の負荷トランジスタおよび第２の負荷トランジスタと、
   前記第１の差動トランジスタおよび前記第１の負荷トランジスタの間にカスコード接続される第１のカスコードトランジスタと、
   前記第１の負荷トランジスタおよび前記第１のカスコードトランジスタの間の出力ノードにおける出力信号の振幅を制限する振幅制限素子と、
   を備えることを特徴とする比較器。
2. 前記振幅制限素子は振幅制限トランジスタであって、前記振幅制限トランジスタのゲートおよびドレインは前記出力ノードに接続されることを特徴とする請求項１に記載の比較器。
3. 前記第１のカスコードトランジスタのゲートには所定のバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項２に記載の比較器。
4. 前記第１のカスコードトランジスタのゲートは前記振幅制限トランジスタのソースに接続されることを特徴とする請求項２または３に記載の比較器。
5. 前記第１の負荷トランジスタ、前記第２の負荷トランジスタ、前記振幅制限トランジスタのそれぞれのソースは電源に接続されることを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の比較器。
6. 前記第２の差動トランジスタおよび前記第２の負荷トランジスタの間にカスコード接続される第２のカスコードトランジスタをさらに備えることを特徴とする請求項２～５のいずれか１項に記載の比較器。
7. 前記第１のカスコードトランジスタのゲートおよび前記第２のカスコードトランジスタのゲートは接続されることを特徴とする請求項６に記載の比較器。
8. 前記振幅制限トランジスタと対をなす他のトランジスタをさらに備え、
   前記他のトランジスタのソースは、前記第１の負荷トランジスタ、前記第２の負荷トランジスタ、前記振幅制限トランジスタのそれぞれのソースに接続され、
   前記他のトランジスタのゲートおよびドレインは、前記第２の負荷トランジスタのドレインに接続されることを特徴とする請求項２～７のいずれか１項に記載の比較器。
9. 前記第１のカスコードトランジスタにおいて、ドレインおよびソースの間の電圧をＶｄｓ、ゲートおよびソースの間の電圧をＶｇｓ、閾値電圧をＶｔｈとした場合、
   Ｖｄｓ＞Ｖｔｈ－Ｖｇｓ
   の式が充足されることを特徴とする請求項２～８のいずれか１項に記載の比較器。
10. 前記出力信号の最小値から最大値に渡って、前記式が充足されることを特徴とする請求項９に記載の比較器。
11. 前記第１のカスコードトランジスタにおいて、ゲート長をＬ、ドレイン電流をＩ、移動度をμ、単位面積あたりのゲート酸化膜容量をＣｏｘ、ゲート幅をＷとした場合、
    

    

    の式が充足されることを特徴とする請求項９または１０に記載の比較器。
12. 前記第１のカスコードトランジスタの前記ゲート長Ｌは前記第１の差動トランジスタのゲート長より短いことを特徴とする請求項１１に記載の比較器。
13. 前記第１のカスコードトランジスタの前記ゲート幅Ｗは前記第１の差動トランジスタのゲート幅よりも大きいことを特徴とする請求項１１または１２に記載の比較器。
14. 前記第１の差動トランジスタのゲートに直列に接続された第１の容量と、
    前記第２の差動トランジスタのゲートに直列に接続された第２の容量と、
    前記第１の差動トランジスタのゲートと前記第１の負荷トランジスタのドレインとを導通または非導通させる第１のスイッチと、
    前記第２の差動トランジスタのゲートと前記第２の負荷トランジスタのドレインとを導通または非導通させる第２のスイッチとを備えることを特徴とする請求項２～１３のいずれか１項に記載の比較器。
15. 前記第１の差動トランジスタのゲートにはバッファアンプを介して信号が入力されることを特徴とする請求項２～１４のいずれか１項に記載の比較器。
16. 請求項１～１５のいずれか１項に記載の比較器と、
    アレイ状に配されるとともに、入射光に応じた画素信号を出力する複数の画素と、
    時間に依存して電圧が変化する参照信号を生成する参照信号生成回路と、
    を備え、
    前記比較器は、前記画素信号と前記参照信号との比較結果を表す信号を出力することを特徴とする光電変換装置。
17. 請求項１６に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置に対応した光学装置、
    前記光電変換装置を制御する制御装置、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
    前記光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置、
    前記光電変換装置で得られた情報を記憶する記憶装置、及び
    前記光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかと、を備えることを特徴とする機器。
18. 前記画素が複数の光電変換部を含み、
    前記処理装置は、前記複数の光電変換部にて生成された前記画像信号をそれぞれ処理し、前記光電変換装置から被写体までの距離情報を取得することを特徴とする請求項１７に記載の機器。

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