JP2989992B2 - イメージセンサ - Google Patents

イメージセンサ

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JP2989992B2 JP5117356A JP11735693A JP2989992B2 JP 2989992 B2 JP2989992 B2 JP 2989992B2 JP 5117356 A JP5117356 A JP 5117356A JP 11735693 A JP11735693 A JP 11735693A JP 2989992 B2 JP2989992 B2 JP 2989992B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、原稿情報を高速度、高
S/Nかつ、高感度で読み取ることのできるMOS型の
イメージセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】原稿情報を高速度で読み取ることのでき
るイメージセンサに、CCD型とMOS型とがある。後
者は前者に比べてコスト面で有利な反面、感度およびS
/Nの面では劣る。そこで近年、増幅機能を付加した高
感度のMOS型イメージセンサが報告されている。
【0003】図7に従来の一般的なイメージセンサの1
画素分に相当する回路構成を示す。
【0004】フォトダイオード1のアノードにゲートを
接続したMOS型のフォロワトランジスタ2は、フォト
ダイオード1の光電変換出力を増幅する。読み出し用ト
ランジスタ3は、そのゲート端子4に読み出しパルスを
受けることによってオン状態に転じ、増幅用トランジス
タ2によって増幅されたドレイン電流を信号出力線5に
読み出す。リセット用トランジスタ6は、そのゲート端
子7にリセットパルスを受けることによってオン状態に
転じ、フォトダイオード1のアノード端子をリセット電
圧供給線8の電位、つまり、光電流が流れる前(露光
前)の電位に復帰させる。9は電源ラインを示す。
【0005】この回路の基本的な動作シーケンスは以下
のとおりである。すなわち、フォトダイオード1のアノ
ード電位、つまり増幅用トランジスタ2のゲート電位
は、リセット期間後の一定の電荷蓄積期間に、光電流の
電荷量に応じて徐々に上昇する。蓄積期間終了後に読み
出し用トランジスタ3がオン状態に転じると、光電流の
電荷量に応じた変調ドレイン電流が信号出力線5に、イ
メージセンサの明出力として読み出される。
【0006】この直後にリセット用トランジスタ6がオ
ン状態に転じ、フォトダイオード1のアノードをリセッ
ト電位に復帰させる。つまり、リセット動作の直前に前
記明出力たるドレイン電流が読み出され、これに引き続
くかたちで、増幅用トランジスタ2のリセット時におけ
るドレイン電流が、暗出力として信号出力線5に読み出
される。そして、読み出し用トランジスタ3がオフ状態
に転じたのちは、再び蓄積期間に入るのであって、この
ような動作が以後時系列的に各画素につき繰り返され
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このように構成された
イメージセンサにおいては、光電流に対する増幅感度を
高めるために、増幅用トランジスタ2のゲート容量を減
らすことが考えられるが、そのためにゲート幅を狭める
と変換コンダクタンスに低下をきたすので、総合的にみ
て増幅感度の大幅な向上は望めない。また、イメージセ
ンサに対しては5V電源での駆動や、1MHz以上の高
速度駆動が要請されるので、かかる条件を満たして課題
の解決を図る必要がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した課題を
解決するために、入射光情報を光電変換するために整列
配置された複数のフォトダイオードと、光電変換された
信号による蓄積電荷をインピーダンス変換するためにフ
ォトダイオードごとに設けられたMOS型のフォロワト
ランジスタと、フォロワトランジスタの負荷としてフォ
ロワトランジスタとともにフォロワ段回路を構成する負
荷トランジスタと、フォロワ段回路の出力信号を増幅す
るための増幅用トランジスタと、増幅用トランジスタに
直列に接続され、読み出しパルスをゲートに受けること
によってオン状態に転じる読み出し用トランジスタと、
フォトダイオードごとに設けられ、リセットパルスをゲ
ートに受けることによってフォトダイオードをリセット
状態に復帰させるリセット用トランジスタと、読み出し
パルスの印加時に前記負荷トランジスタのゲートに一定
の電位を与えるスイッチ用トランジスタとを備えたこと
を特徴とするイメージセンサが提供される。
【0009】
【作用】本発明によると、フォロワ段回路の出力信号を
増幅用トランジスタでさらに増幅するので、高い増幅感
度を得ることができるのみならず、フォロワ段回路に設
けた負荷トランジスタのゲート電位を、読み出しパルス
の印加時に一定値に固定するので、フォロワ段回路に流
れる定常電流を精度よく一定値に保つことが可能とな
る。このため、電源電圧がたとえ5Vと低い場合におい
ても、フォロワ段回路の応答速度を維持しつつ、線形動
作可能なダイナミックレンジ幅を広く確保することが可
能となる。
【0010】
【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図1はイメージセンサの構成を概略的に示したもの
で、光電変換部10の光電変換出力が信号増幅部11に
おいて増幅され、信号出力線5に出力される。13は走
査回路、14a〜14eは読み出しパルス供給線、15
a〜15eはリセットパルス供給線を示す。
【0011】光電変換部10および信号増幅部11の1
画素分に相当する具体的回路例を図2に示す。ここに示
す回路構成が図7に示した従来の構成回路と基本的に異
なるところは、フォトダイオード1のアノードにゲート
を接続したMOS型のフォロワトランジスタ16が、そ
の負荷たる負荷トランジスタ17とともにフォロア段回
路を構成している点と、このフォロア段回路の出力信号
が増幅用トランジスタ18によって増幅される点と、増
幅用トランジスタ18に読み出し用トランジスタ3が直
列に接続されている点と、負荷トランジスタ17のゲー
トにスイッチ用トランジスタ19、20が接続されてい
る点と、トランジスタ19が読み出しパルスの印加時に
オン状態に転じ、負荷トランジスタ17のゲートをゲー
ト電圧供給線21に接続するように構成されている点と
である。なお、フォロワトランジスタ16のゲート容量
は、フォロワ段回路の電圧出力を低下させないように増
幅用トランジスタ18のゲート容量よりも小さくしてあ
る。
【0012】図3に示すタイミングチャートは、図1に
示した構成の動作を説明するためのもので、ここで、
(a)、(c)、(e)は読み出しパルス供給線14
a、14b、14cを通じて供給される読み出しパルス
の波形、(b)、(d)、(f)はリセットパルス供給
線15a、15b、15cを通じて供給されるリセット
パルスの波形を示している。
【0013】図2に示す回路構成において、あらかじめ
リセット電位に設定されていたフォトダイオード1のア
ノード電位、すなわちフォロワトランジスタ16のゲー
ト電位が、リセット期間後の一定期間たる蓄積期間にお
いて、光電流の電荷量に応じて徐々に上昇する。そし
て、蓄積期間の終了後に読み出しパルスが印加されるこ
とによって、読み出し用トランジスタ3とスイッチ用ト
ランジスタ19とがともにオン状態に転じる。
【0014】負荷トランジスタ17に流れる電流の増大
は、フォロワ段回路の応答速度を高めることになるが、
5V程度の低電圧電源下では、フォロワトランジスタ1
6のゲート・ソース間における電圧降下が大きく、ダイ
ナミックレンジ幅の縮小を招く。そこで、フォロワ段回
路の応答速度とダイナミックレンジ幅とを両立させる必
要がある。この課題は、読み出しパルスの印加時に負荷
トランジスタ17のゲート電位を適切な値に固定し、フ
ォロワ段回路に流れる電流を制限することによって達成
される。これによって、ダイナミックレンジ幅を縮小さ
せることなくフォトダイオード1のアノード電位情報を
増幅用トランジスタ18のゲートに高速で伝達させるこ
とができる。
【0015】増幅用トランジスタ18から変調ドレイン
電流がイメージセンサの明出力として信号出力線5に読
み出された直後のゲート端子7に、リセットパルスが与
えられる。これによって、リセット用トランジスタ6が
オン状態に転じ、フォトダイオード1のアノードがリセ
ット電圧供給線8に接続されて、リセット電位に復帰す
る。その直後に、増幅用トランジスタ18のドレイン電
流つまり暗出力たるドレイン電流が信号出力線5に得ら
れる。読み出し用トランジスタ3がオフ状態に転じたの
ちは再び蓄積期間に入り、負荷トランジスタ17の動作
を止めるスイッチ用トランジスタ20がオン状態に転
じ、フォロワ段回路に流れる電流が中断される。
【0016】以後、順次に各画素につき上述のような動
作が繰り返されることによって、図3の(g)に示すよ
うなドレイン電流出力が時系列的に出力される。そし
て、各画素につき、明出力と暗出力との差を検出する回
路を経ることによって、フォロワ応答速度およびダイナ
ミックレンジ幅において満足できるアナログ映像出力が
得られる。
【0017】図4に本発明の他の実施例を示す。この場
合、フォトダイオード1とフォロワトランジスタ16の
ゲートとの間に伝達用トランジスタ22が接続されるの
で、フォロワトランジスタ16のゲートからみた静電容
量は、フォトダイオード1のアノード容量分を差し引く
ことのできる回路形態となり、さらに高い感度を得るこ
とができる。
【0018】フォトダイオード1のアノードにゲートを
接続した反転駆動用トランジスタ23に、その負荷たる
反転負荷トランジスタ24が接続されている。そして、
両トランジスタ23、24の直列接続点に伝達用トラン
ジスタ22のゲートが接続されている。25はリセット
用トランジスタを示す。この場合、反転駆動用トランジ
スタ23と反転負荷トランジスタ24とは、フォトダイ
オード1のアノードを入力端子とし、かつ、伝達用トラ
ンジスタ22のゲートを出力端子とする反転増幅器を形
成することになり、これら3つのトランジスタ22、2
3、24によって決まる動作点にフォトダイオード1が
バイアスされる。
【0019】光電荷によるフォトダイオード1のアノー
ド電位の上昇は、伝達用トランジスタ22のゲート電位
を引き下げ、光電荷が伝達用トランジスタ22のソース
からドレインへと高速で転送される。光電荷転送に伴う
フォトダイオード1のアノード電位の低下は、直ちに伝
達用トランジスタ22のドレイン電流の停止につなが
る。
【0020】このように、フォロワトランジスタ16の
ゲート端子からみた容量が、フォトダイオード1のアノ
ード容量分だけ除外できる回路形体になるので、ここに
容量低減の効果が得られ、比較的小さい光電荷に対して
も大きい電圧振幅を得ることが可能となる。フォロワト
ランジスタ16以後の回路構成および作用効果は図2に
示し説明してきたものと同様であるのでその説明は省略
する。
【0021】なお、反転駆動用トランジスタ23および
反転負荷トランジスタ24を回路から外すとともに、伝
達用トランジスタ22のゲート電位をドレイン電位程度
以上に固定した場合においても、動作速度は遅いものの
フォトダイオード1のアノード容量分を前述と同様に分
離できるので、感度の向上効果を得ることができる。
【0022】一般に、フォロワ段での電圧利得は、基板
バイアス効果によって0.7(<1)程度に減衰する
が、フォロワトランジスタ16の基板(ウェル)とソー
スとを共通接続することによって、フォロワ段での電圧
利得を1に近づけることができる。すなわち、通常の基
板電位のとり方は図5に示すように、フォロワトランジ
スタ16を含むNチャネル型トランジスタに対し、負荷
トランジスタ17と同様に、基板(ウェル)電位を接地
等の最低電位にとる。一方、Pチャネル型トランジスタ
ではリセット用トランジスタ6のように、その基板(ウ
ェル)26の電位を電源ライン9等の最高電位にとる。
ところがこの場合、フォロワトランジスタ16のソース
におけるフォロワ出力利得が、基板バイアス効果によっ
てゲート入力信号の70%程度に減衰する。
【0023】そこで図6に示すように、図2および図4
における各画素のフォロワトランジスタ16のウェルの
みを他のトランジスタのウェルから分離し、分離したウ
ェル26を当該フォロワトランジスタ16のソース端子
に電気的に共通接続することによって、フォロワ段回路
での感度低下を防ぐことができる。
【0024】
【発明の効果】以上のように本発明によると、読み出し
パルスの印加時にフォロワ段回路における負荷トランジ
スタのゲートに一定電圧を与えるので、フォロワ段回路
を流れる定常電流を精度よく一定値に保ち得、電源電圧
がたとえ5V程度と低い場合においても、フォロワ段の
応答速度を低下させることなくフォロワ段回路の線形動
作可能なダイナミックレンジ幅を広く確保することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の概要構成図。
【図2】本発明の一実施例における1画素相当分の信号
増幅部の回路図。
【図3】イメージセンサの駆動パルスと出力信号とのタ
イミングチャート。
【図4】本発明の他の実施例における1画素相当分の信
号増幅部の回路図。
【図5】フォロワトランジスタのウェル電位の説明図。
【図6】本発明の他の実施例におけるフォロワトランジ
スタのウェル電位の説明図。
【図7】従来のイメージセンサの1画素相当分の信号増
幅部の回路図。
【符号の説明】
1 フォトダイオード 3 読み出し用トランジスタ 6、25 リセット用トランジスタ 16 フォロワトランジスタ 17 負荷トランジスタ 2、18 増幅用トランジスタ 19、20スイッチ用トランジスタ 22 伝達用トランジスタ 23 反転駆動用トランジスタ 24 反転負荷トランジスタ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入射光情報を光電変換するために整列配
    置された複数のフォトダイオードと、 光電変換された信号による蓄積電荷をインピーダンス変
    換するためにフォトダイオードごとに設けられたMOS
    型のフォロワトランジスタと、 フォロワトランジスタの負荷としてフォロワトランジス
    タとともにフォロワ段回路を構成する負荷トランジスタ
    と、 フォロワ段回路の出力信号を増幅するための増幅用トラ
    ンジスタと、 増幅用トランジスタに直列に接続され、読み出しパルス
    をゲートに受けることによってオン状態に転じる読み出
    し用トランジスタと、 フォトダイオードごとに設けられ、リセットパルスをゲ
    ートに受けることによってフォトダイオードをリセット
    状態に復帰させるリセット用トランジスタと、 読み出しパルスの印加時に前記負荷トランジスタのゲー
    トに一定の電位を与えるスイッチ用トランジスタとを備
    えたことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 【請求項2】 フォロワトランジスタのソースとウェル
    とが共通接続されていることを特徴とする請求項1記載
    のイメージセンサ。
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