JP3351503B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばビデオカ
メラ、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用カメラ、Ｔ
Ｖカメラ、及びマルチメディア用カメラ等に適用される
固体撮像素子に関し、特に低電圧化並びに低消費電力化
に効を奏する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の固体撮像素子では、複数の光電
変換素子をマトリックス状に配列しており、これらの光
電変換素子毎に入射光に応じた電荷を形成し、これらの
光電変換素子を複数のＣＣＤによって垂直及び水平に走
査して、各光電変換素子の電荷を転送し、これらの光電
変換素子の電荷を信号出力として順次検出している。
【０００３】図３には、光電変換素子の電荷を信号出力
として取り出すための従来の回路の一例を示している。
同図において、リセット回路１は、電荷の検出に先立っ
て、フローティングダイオード２に１５Ｖ程度のリセッ
ト電圧Ｖrを印加し、このフローティングダイオード２
の端子電圧をリセット電圧Ｖrに設定する。この後、Ｃ
ＣＤから電荷を転送すると、この電荷がフローティング
ダイオード２に蓄えられ、これに伴ってフローティング
ダイオード２の端子電圧が変化する。増幅回路３は、フ
ローティングダイオード２の端子電圧を入力し、この電
圧変化に応じた信号を出力する。この後、リセット回路
１からフローティングダイオード２にリセット電圧Ｖr
が再び印加され、ＣＣＤからの電荷がフローティングダ
イオード２へと再び転送されて来る。
【０００４】ここで、フローティングダイオード２は、
電位的にフローティングされた拡散層Ｎ+を半導体基板
上に形成したものであり、この拡散層Ｎ+と半導体基板
のＰウェルがＰＮ接合するので、ダイオードが形成さ
れ、等価的にはキャパシタンスとなる。
【０００５】このフローティングダイオード２のキャパ
シタンスをＣとし、またＣＣＤからフローティングダイ
オード２に転送されて来た電荷の量をＱとすると、この
フローティングダイオード２の電圧変化Ｖqは、次式
（１）で表される。
【０００６】Ｖq＝Ｑ／Ｃ ……… （１） このフローティングダイオード２は、その出力インピー
ダンスが非常に高く、このままでは外部に出力できない
ので、出力インピーダンスを下げるために、増幅回路３
に複数段のソースフォロワ回路４,５を設け、これらの
ソースフォロワ回路４,５を通じて電圧変化Ｖqに対応す
る信号を取り出している。
【０００７】各ソースフォロワ回路４,５のいずれにお
いても、各トランジスタ６,７のソース側に各定電流源
８,９を接続している。これらの定電流源８,９は、トラ
ンジスタによって構成されるものである。
【０００８】ソースフォロワ回路を初段だけでなく、複
数段設けるのは次の様な理由からである。
【０００９】まず、ソースフォロワ回路のトランジスタ
のゲート幅をＷ、ゲート長をＬ、ドレイン−ソース間を
流れる電流をＩとすると、ソースフォロワ回路の出力イ
ンピーダンスＲoutは、次式（２）で表される。
【００１０】 Ｒout ∝ [(Ｗ／Ｌ)＊Ｉ] -1/2 ……… （２） この式（２）から明らかな様に、ソースフォロワ回路の
出力インピーダンスＲoutを小さくするには、(Ｗ／Ｌ)
＊Ｉを大きくすることが考えられる。
【００１１】ところが、この(Ｗ／Ｌ)＊ＩのうちのＷを
大きくすると、上記式（１）におけるフローティングダ
イオード２のキャパシタンスＣが増大してしまい、電圧
変化Ｖqが小さくなるので、好ましくは無く、逆にノイ
ズ等の影響を受けない範囲で、このＷをできるだけ小さ
くせねばならない。
【００１２】また、出力インピーダンスＲoutを小さく
するには、 Ｌを小さくしたり、Ｉを大きくすることも
考えられるが、これらは、ノイズの影響から制限されて
しまう。
【００１３】結局のところ、ソースフォロワ回路を適用
するにしても、初段のみでは、出力インピーダンスＲ
outを十分に低くすることはできず、複数段のソースフ
ォロワ回路を設け、各段の度に、出力インピーダンスを
徐々に下げている。
【００１４】すなわち、複数段のソースフォロワ回路
は、後段になるに従って(Ｗ／Ｌ)＊Ｉが大きくなる様に
設計され、その出力インピーダンスを小さくしている。
これに伴い、最終段のソースフォロワ回路では、３〜４
mA以上の電流を必要とする。
【００１５】この様な複数段のソースフォロワ回路を適
用した固体撮像装置は、例えば特開平３−２７４８１１
号公報、特開平５−２５１６７７号公報及び特開平６−
７０２３９号公報等に開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、複数段のソ
ースフォロワ回路４,５を適用する場合は、電源電圧を
高くする方が良い。何故なら、ソースフォロワ回路は、
入出力間で直流電圧レベルが下がるが、ある一定の電圧
（すなわちトランジスタで構成される定電流源８,９が
定電流源として動作しなくなる下限の電圧）以下になる
と、ソースフォロワ回路として動作しない。このため、
電源電圧が高い方がソースフォロワ回路として動作する
直流電圧レベルの範囲が広がり、ダイナミックレンジと
言う面から有利だからである。
【００１７】この様な高い電源電圧Ｖod1を確保するに
は、先に述べたフローティングダイオード２の比較的高
い１５Ｖのリセット電圧Ｖrを併用すれば良く、これに
よってシステムの簡素化を図ることができる。
【００１８】しかしながら、電源電圧Ｖod1を高く設定
した場合は、先に述べた様に各ソースフォロワ回路の後
段になるに従って出力インピーダンスＲoutを小さく
し、大きな電流を流しているから、消費電力が大きくな
ると言う問題点があった。
【００１９】そこで、この発明の課題は、複数段のソー
スフォロワ回路を適用しながらも、その消費電力を小さ
く抑えた固体撮像装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、複数の光電変換素子と、これらの光電
変換素子によって形成された電荷を転送するためのＣＣ
Ｄと、このＣＣＤによって転送されて来た電荷を電圧に
変換するためのフローティングダイオードと、このフロ
ーティングダイオードによって形成された電圧を増幅す
る複数段のソースフォロワ増幅回路からなる増幅手段と
を備える固体撮像装置において、増幅手段の各ソースフ
ォロワ回路に供給されるそれぞれの電源電圧を相互に異
ならせ、各ソースフォロワ回路に流れる直流電流が大き
い程、これらの電源電圧を低くしている。
【００２１】この様に各ソースフォロワ回路に流れる直
流電流が大きい程、これらのソースフォロワ回路の電源
電圧を低くした場合、電流が大きくても電圧が低くいの
で、電流と電圧の積である消費電力の増大を抑えること
ができる。
【００２２】また、各ソースフォロワ回路に流れる直流
電流が大きい程、これらのソースフォロワ回路のトラン
ジスタのしきい値を高くしても良い。この様にしきい値
を高くすると、トランジスタを飽和領域で動作させるの
に必要な電源電圧が低下するので、消費電力の低減を図
り易い。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を添付
図面を参照して説明する。
【００２４】図１は、この発明の固体撮像装置の第１実
施形態における信号の取り出し部分を示している。この
実施形態では、図３の従来の回路における増幅回路３の
２段目のソースフォロワ回路５の電源電圧として、１５
Ｖのリセット電圧Ｖrを併用する代わりに、このリセッ
ト電圧Ｖｒよりも低い電源電圧Ｖod2を用いている。
【００２５】ただし、初段のソースフォロワ回路４の電
源電圧Ｖod1は、従来と同様に、１５Ｖのリセット電圧
Ｖrを用いている。これは、初段のソースフォロワ回路
４に流れる電流が２００〜３００μＡ程度と少なく、こ
のソースフォロワ回路４の電源電圧Ｖod1を低くしたと
ころで、あまり低消費電力化にはならないからである。
【００２６】これに対して、２段目のソースフォロワ回
路５には、３〜４ｍＡの電流が流れているので、このソ
ースフォロワ回路５の電源電圧Ｖod2を低くすることに
よって、電流と電圧の積である消費電力を小さくするこ
とができる。
【００２７】さて、２段目のソースフォロワ回路５の電
源電圧Ｖod2を設定するには、次の様にする。
【００２８】まず、２段目のソースフォロワ回路５を通
常動作させるには、トランジスタ７をその電流飽和領域
で動作させれば良く。その条件は、トランジスタ７のソ
ース電圧をＶos、ゲートの電圧をＶg、このトランジス
タ７のしきい値をＶth2とすれば、次式（３）に示す通
りとなる。
【００２９】 （Ｖod2−Ｖos） ≧（Ｖg−Ｖos）−Ｖth2 ……… （３） 更に、ソース電圧Ｖosを消去すると、次式（４）に示す
通りとなる。
【００３０】Ｖod2 ≧Ｖg−Ｖth2 ……… （４） この式（４）によって定められる範囲であれば、２段目
のソースフォロワ回路５の電源電圧Ｖod2をどの様な値
に設定しても、飽和した電流を流すことができ、この範
囲内で、この電源電圧Ｖod2をできるだけ低くすれば、
これによってソースフォロワ回路５の電力を小さく抑え
ることができる。
【００３１】例えばゲート電圧Ｖg＝１０Ｖ、しきい値
Ｖth2＝１Ｖとすれば、上式（４）に基づいて、電源電
圧Ｖod2≧９Ｖを求めることができる。したがって、電
源電圧Ｖod2＝９Ｖに設定すれば、トランジスタ７の飽
和電流を保ちつつ、２段目のソースフォロワ回路５の消
費電力を最小に抑えることができる。
【００３２】ここで、２段目のソースフォロワ回路５に
流れる電流Ｉを４ｍＡとすると、このソースフォロワ回
路５の消費電力は、（９Ｖ＊４ｍＡ）＝３６ｍＷとな
る。これに対して、図３に示す従来例の場合は、ソース
フォロワ回路５の電源電圧として、リセット電圧ＶR＝
１５Ｖを用いているので、その消費電力は、（１５Ｖ＊
４ｍＡ）＝６０ｍＷとなる。両者の消費電力を比較する
と明らかな様に、この実施形態の方が従来例よりも消費
電力が少なく、その差が２４ｍＡである。
【００３３】ところで、上式（４）に基づけば、しきい
値Ｖth2を大きくすると、電源電圧Ｖod2を低下させるこ
とができるので、これによっても消費電力の低減を図る
ことができる。
【００３４】例えばトランジスタ７として、しきい値Ｖ
th2＝５Ｖのものを適用すれば、上式（４）に基づい
て、電源電圧Ｖod2≧５Ｖが求められる（ただし、ゲー
ト電圧Ｖg＝１０Ｖ ）。２段目のソースフォロワ回路５
に流れる電流Ｉを４ｍＡとすると、その消費電力は、よ
り小さな（５Ｖ＊４ｍＡ）＝２０ｍＷとなり、図３に示
す従来例の消費電力６０ｍＷとの差が４０ｍＡとなっ
て、従来の略１／３と言う消費電力の大幅な低減を果た
すことができる。
【００３５】すなわち、上式（４）に基づいて、電源電
圧Ｖod2をできるだけ低くし、かつトランジスタ７のし
きい値Ｖth2を大きくすれば、これによって消費電力の
大幅な低減を果たすことができる。
【００３６】図２は、この発明の第２実施形態を示して
いる。この第２実施形態においては、増幅回路３に３段
目のソースフォロワ回路１１を増設しており、この点が
第１実施形態と異なる。
【００３７】この第２実施形態では、第１実施形態と同
様に、２段目のソースフォロワ回路５の電源電圧Ｖod2
を上式（４）に基づいてできるだけ低く設定し、また３
段目のソースフォロワ回路１１の電源電圧Ｖod3を上式
（４）と同様の次式（５）に基づいてできるだけ低く設
定する。
【００３８】Ｖod3 ≧Ｖg3−Ｖth3 ……… （５） これによって、３段目のソースフォロワ回路１１におい
ても、消費電力を小さくすることができる。また、トラ
ンジスタ１２のしきい値Ｖth3を大きくして、電源電圧
Ｖod3をより低くすれば、更に消費電力を低減すること
ができる。
【００３９】勿論、４段目、５段目のソースフォロワ回
路を増設しても、同様の効果を果たすことができる。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、各ソースフォロワ回路に流れる直流電流が大きい
程、これらのソースフォロワ回路の電源電圧を低くして
いるので、消費電力の増大を抑えることができる。
【００４１】また、各ソースフォロワ回路に流れる直流
電流が大きい程、これらのソースフォロワ回路のトラン
ジスタのしきい値を高くし、これによってトランジスタ
を飽和領域で動作させるのに必要な電源電圧を低下さ
せ、消費電力の低減を図り易くしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の固体撮像装置の第１実施形態におけ
る信号の取り出し部分を示す回路図
【図２】この発明の固体撮像装置の第２実施形態におけ
る信号の取り出し部分を示す回路図
【図３】固体撮像装置における従来の信号取り出し部分
を示す回路図
【符号の説明】
１ リセット回路 ２ フローティングダイオード ３ 増幅回路 ４,５,１１ ソースフォロワ回路 ６,７,１２ トランジスタ ８,９,１３ 定電流源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/335 H01L 27/148 H03F 3/345 H03F 3/50

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の光電変換素子と、これらの光電変
    換素子によって形成された電荷を転送するためのＣＣＤ
    と、このＣＣＤによって転送されて来た電荷を電圧に変
    換するためのフローティングダイオードと、このフロー
    ティングダイオードによって形成された電圧を増幅する
    複数段のソースフォロワ増幅回路からなる増幅手段とを
    備える固体撮像装置において、 増幅手段の各ソースフォロワ回路に供給されるそれぞれ
    の電源電圧を相互に異ならせ、各ソースフォロワ回路に
    流れる直流電流が大きい程、これらの電源電圧を低くし
    た固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の固体撮像装置におい
    て、 増幅手段の各ソースフォロワ回路を構成するそれぞれの
    トランジスタのしきい値を相互に異ならせ、各ソースフ
    ォロワ回路に流れる直流電流が大きい程、これらのソー
    スフォロワ回路のトランジスタのしきい値を高くした固
    体撮像装置。
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