JP3539913B2

JP3539913B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3539913B2
Application number: JP2000132088A
Authority: JP
Inventors: 久典三浦
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-06-04
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JP2000354205A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置、特にＣＣＤで構成された電荷転送部からの信号電荷を出力電圧に変換する所謂フローティング・ディフュージョン・アンプを有する固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＣＣＤ固体撮像装置、特にその出力回路は、図５に示すように、ＣＣＤで構成された電荷転送部２１の次段に、出力ゲートＯＧを隔ててフローティング・ディフュージョンＦＤ、リセットゲートＲＧ及びドレイン領域Ｄからなる放電用素子２２と、この放電用素子２２の後段に出力素子Ｑ₁と負荷抵抗素子Ｑ₂からなるソースフォロア回路２３と、サンプルホールドパルスＰｓの入力に基いてこのソースフォロア回路２３からの出力信号Ｓｉａのうち、信号成分Ｖｓのみを取り出すサンプリング・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路２４と、該Ｓ／Ｈ回路２４からの信号成分Ｖｓを増幅し、出力信号Ｓとして取り出す増幅器２５を具備して構成されている。このソースフォロア回路２３は、その負荷抵抗素子Ｑ₂のゲートに固定バイアス電位Ｖｇが印加されて、電荷転送部２１からの入力信号Ｓｉをゲイン≒＋１（符号の＋は非反転を示す）の出力信号Ｓｉａとして出力する。
【０００３】
そして、この電荷転送部２１のうち、最終段の転送電極ＴＧ下から転送される信号電荷を一旦フローティング・ディフュージョンＦＤに蓄積し、その蓄積電荷に基づく電圧変化、即ち入力信号Ｓｉを後段のソースフォロア回路２３に供給する。
【０００４】
入力信号Ｓｉをソースフォロア回路２３に供給した後は、リセットゲートＲＧにリセットパルスＰｒを供給してフローティング・ディフュージョンＦＤを初期電圧Ｖｄｄにリセットし、フローティング・ディフュージョンＦＤに蓄積されていた電荷をドレイン領域Ｄ側に掃き出す。
【０００５】
従って、ソースフォロア回路２３に入力される電荷転送部２１からの入力信号Ｓｉの波形は、図６に示すように、リセット期間ｔｒ、フィールドスルー期間ｔｆ及び信号期間ｔｓの３つの期間に分けられ、リセット期間ｔｒにおいてフローティング・ディフュージョンＦＤの初期電圧Ｖｄｄが現れ、信号期間ｔｓにおいて蓄積電荷に伴う信号成分Ｖｓが現れる。
【０００６】
そして、後段のＳ／Ｈ回路２４にて、このソースフォロア回路２３からの出力信号Ｓｉａ中、信号成分Ｖｓのみをサンプリングして、次段の増幅器２５に供給する。増幅器２５においては、このＳ／Ｈ回路２４からのサンプリング信号Ｖｓを増幅し、出力信号Ｓとして取り出す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では、高感度化ということを目的に、例えば増幅器２５としてインバータゲインアンプを用いるなど、出力回路自体にゲインをもたせる場合が多くなってきている。
【０００８】
ここで、問題となるのが、電荷転送部２１からの入力信号ＳｉにおけるリセットパルスＰｒのカップリングである。このカップリング量Ｖは、図６において、リセット期間ｔｒにおける電位Ｖｄｄとフィールドスルー期間ｔｆにおけるバイアス電位Ｖｂとの差である。
【０００９】
即ち、図７に示すように、出力回路のゲインが大きくなるに従い、入出力特性曲線の傾きが大きくなることから（破線参照）、入力レンジが小さくなり、入力信号Ｓｉのフィールドスルー期間ｔｆにおけるバイアス電位Ｖｂに関し、その最適なバイアスを決めることが困難になるという問題がある。また、製造上のばらつきや温度特性などにより、このバイアス電位Ｖｂが変化するが、少しの変化でこの入力レンジを越えてしまい、ＣＣＤ固体撮像装置としての感度が大きく変わるという不都合が生じる。
【００１０】
また、例えば変換効率を上げるためにフローティング・ディフュージョンＦＤの容量を小さくした場合（フローティング・ディフュージョンＦＤの形成パターンを小さくした場合）、このカップリング量Ｖが大きくなって、入力レンジ内における信号成分Ｖｓの割合が非常に小さくなるため、感度の向上を期待することはできない。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み成されたもので、その目的とするところは、電荷転送部からの入力信号中、リセットパルスのカップリングによるバイアス電位を最適なバイアス値に調整するようにし、出力信号の安定化を図ることができる固体撮像装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、電荷転送部と、この電荷転送部に接続され、リセットパルスが供給されるリセットゲートを有する出力部と、この出力部からの入力信号が供給される出力回路とを有する固体撮像装置において、この出力部から出力回路に供給される入力信号のうちバイアス電位を最適電位とするダミー信号処理部を設け、このダミー信号処理部は、ダミー出力部と、このダミー出力部からの信号が入力されるソースフォロア回路と、このソースフォロア回路からの出力信号のうちのバイアス電圧を取り出すサンプルホールド回路と、このサンプルホールド回路からの信号と最適バイアス電位とを比較するコンパレータとを有し、このダミー信号処理部により最適電位としたバイアス電位をこの出力回路に供給するようにしたものである。
【００１３】
上述の本発明の構成によれば、電荷転送部からの入力信号のうちのバイアス電位をダミー信号処理部により最適電位とし、この最適電位としたバイアス電位を出力回路に供給するので、出力回路自体に高いゲインをもたせて、入力レンジが狭くなったとしても、電荷転送部からの入力信号に対し最適なバイアスを設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を参照しながら本発明の実施の形態の例を説明する。
図１は、本例に係る固体撮像装置の要部を示す回路図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線上及びＢ−Ｂ線上の断面図である。
【００１５】
この固体撮像装置は、ＣＣＤで構成された電荷転送部１の次段に、出力ゲートＯＧを隔ててフローティング・ディフュージョンＦＤ、リセットゲートＲＧ及びドレイン領域Ｄからなる放電用素子２を有し、この放電用素子２の後段に本パターン出力回路３が接続されて構成されている。
【００１６】
本パターン出力回路３は、出力素子Ｑ₁と負荷抵抗素子Ｑ₂からなるソースフォロア回路４と、サンプルホールドパルスＰｓの入力に基いてこのソースフォロア回路４からの出力信号Ｓｉａのうち、信号成分Ｖｓのみを取り出すサンプリング・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路５と、このＳ／Ｈ回路５からの信号成分Ｖｓを所定の高ゲインにて増幅し、出力信号Ｓとして取り出す増幅器６を具備して構成されている。
【００１７】
そして、この電荷転送部１のうち、図２Ａに示すように、最終段の転送電極ＴＧ下から転送される信号電荷を一旦フローティング・ディフュージョンＦＤに蓄積し、その蓄積電荷に基づく電圧変化、即ち入力信号Ｓｉを本パターン出力回路３のソースフォロア回路４に供給する。このソースフォロア回路４からの出力信号Ｓｉａと放電用素子２におけるフローティング・ディフュージョンＦＤからの入力信号Ｓｉはほぼ同相の関係を有する。
【００１８】
入力信号Ｓｉをソースフォロア回路４に供給した後は、リセットゲートＲＧにリセットパルスＰｒを供給してフローティング・ディフュージョンＦＤを初期電圧Ｖｄｄにリセットし、フローティング・ディフュージョンＦＤに蓄積されていた電荷をドレイン領域Ｄ側に掃き出す。
【００１９】
従って、ソースフォロア回路４に入力されるフローティング・ディフュージョンＦＤからの入力信号Ｓｉの波形は、図３Ａに示すように、リセット期間ｔｒ、フィールドスルー期間ｔｆ及び信号期間ｔｓの３つの期間に分けられる。リセット期間ｔｒにおいては、フローティング・ディフュージョンＦＤの初期電圧Ｖｄｄが現れ、フィールドスルー期間ｔｆにおいてはバイアス電位Ｖｂ、信号期間ｔｓにおいては蓄積電荷に伴う信号成分Ｖｓが現れる。
【００２０】
そして、図３Ｂで示す出力タイミングのサンプルホールドパルスＰｓが入力される後段のＳ／Ｈ回路５にて、上記ソースフォロア回路４からの出力信号Ｓｉａ中、信号成分Ｖｓのみをサンプリングして、次段の増幅器６に供給する。増幅器６においては、このＳ／Ｈ回路５からのサンプリング信号Ｖｓを所定の高ゲインにて増幅し、図３Ｃで示す出力信号Ｓとして取り出す。
【００２１】
しかして、本例においては、図１及び図２Ｂに示すように、この放電用素子２とは別にその放電用素子２とほぼ同等の構成を有するダミー出力部７を同一基板上に形成する。即ち、このダミー出力部７は、出力ゲートＯＧ、フローティング・ディフュージョンＦＤ、リセットゲートＲＧ及びドレイン領域Ｄにて構成される。しかし、このダミー出力部７には、電荷転送部１が接続されないため、フローティング・ディフュージョンＦＤからの出力（ダミー出力信号）Ｓｄは、図３Ｄに示すように、リセット期間ｔｒにおいてフローティング・ディフュージョンＦＤの初期電圧Ｖｄｄが現れ、フィールドスルー期間ｔｆ及び信号期間ｔｓにおいて、バイアス電位Ｖｂが現れる。
【００２２】
また、本例では、このダミー出力部７の後段にダミー出力回路８を接続する。このダミー出力回路８は、出力素子Ｑ₁と負荷抵抗素子Ｑ₂からなるソースフォロア回路９と、サンプルホールドパルス（図３Ｂ参照）Ｐｓの入力に基いてこのソースフォロア回路９からの出力信号Ｓｄａのうち、バイアス電位Ｖｂのみを取り出すサンプリング・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路１０と、このＳ／Ｈ回路１０からのバイアス電位Ｖｂを所定の高ゲインにて増幅し、図３Ｅで示す出力信号Ｓｂとして取り出す増幅器１１を具備して構成されている。
【００２３】
更に、本例では、このダミー出力回路８からの出力信号Ｓｂと所定の固定電位Ｖｄとを比較するコンパレータ１２と、このコンパレータ１２からの交流的な比較結果信号Ｓｃを直流化信号Ｖｃに変換するローパスフィルタ１３を具備し、このローパスフィルタ１３とソースフォロア回路４及び９の各負荷抵抗素子Ｑ₂のゲートとを接続して構成されている。そして、このコンパレータ１２の一方の端子（＋端子）に供給される固定電位Ｖｄは、例えば図４で示す入力レンジ中、バイアス電位として最適な電位Ｖｉに対応した出力電圧Ｖｏに設定する。
【００２４】
次に、本例に係る固体撮像装置の動作を説明する。
まず、本パターン出力回路３及びダミー出力回路８の各ソースフォロア回路４及び９には、各フローティング・ディフュージョンＦＤからの入力信号Ｓｉ及びダミー信号Ｓｄが供給される。このとき、本パターン出力回路３においては、Ｓ／Ｈ回路５にてその信号成分Ｖｓのみを取り出した後、増幅器６を介して出力信号Ｓとして出力する。一方、ダミー出力回路８においては、Ｓ／Ｈ回路１０にてそのバイアス電位Ｖｂのみを取り出した後、該バイアス電位Ｖｂを増幅器１１を介してコンパレータ１２の（−）端子に供給する。
【００２５】
このとき、例えば温度変化によって入力信号Ｓｉ及びダミー信号Ｓｄのバイアス電位Ｖｂが最適バイアス電位Ｖｉ（図４参照）よりも低くなった場合、増幅器１１から出力される出力信号Ｓｂがコンパレータ１２の（＋）端子に印加されている固定電位Ｖｄよりも低くなるため、コンパレータ１２から出力される比較結果信号Ｓｃは高レベルの信号成分が連続的に現れるかたちとなる。
【００２６】
その結果、ソースフォロア回路４及び９の各負荷抵抗素子Ｑ₂の各ゲートには高い電位の直流化信号Ｖｃがかかり、それに伴って、駆動電流が増大し、各ソースフォロア回路４及び９からの出力信号Ｓｉａ及びＳｄａ、即ち各フローティング・ディフュージョンＦＤからの入力信号Ｓｉ及びＳｄは、全体的にそのバイアス電位Ｖｂが所定値Ｖｉに近づくようにシフトし、帰還回路を構成しているので結果的に、そのバイアス電位Ｖｂが最適バイアス電位Ｖｉに保持される。
【００２７】
一方、入力信号Ｓｉ及びダミー信号Ｓｄのバイアス電位Ｖｂが最適バイアス電位Ｖｉよりも高くなった場合、増幅器１１から出力される出力信号Ｓｂが固定電位Ｖｄよりも高くなるため、コンパレータ１２から出力される比較結果信号Ｓｃは低レベルの信号成分が連続的に現れるかたちとなる。
【００２８】
その結果、ソースフォロア回路４及び９の各負荷抵抗素子Ｑ₂の各ゲートには低い電位の直流化信号Ｖｃがかかり、それに伴って、駆動電流が低下し、各ソースフォロア回路４及び９からの出力信号Ｓｉａ及びＳｄａ、即ち各フローティング・ディフュージョンＦＤからの入力信号Ｓｉ及びＳｄは、全体的にそのバイアス電位Ｖｂが最適バイアス電位Ｖｉに近づくようにシフトし、帰還回路を構成しているので結果的に、そのバイアス電位Ｖｂが最適バイアス電位Ｖｉに保持される。
【００２９】
上述のように、本例によれば、ダミー出力部７からのダミー信号Ｓｄをダミー出力回路８のソースフォロア回路９に供給し、後段のＳ／Ｈ回路１０にてそのバイアス電位Ｖｂのみを取出し、更にこのバイアス電位Ｖｂを増幅器１１にて増幅した後、次段のコンパレータ１２にてこの増幅器１１からの出力信号Ｓｂと所定の固定電位Ｖｄとを比較し、その比較結果の直流化信号Ｖｃを、電荷転送部１からの入力信号Ｓｉ及びこのダミー信号Ｓｄが夫々供給されるソースフォロア回路４及び９に帰還させて、この入力信号Ｓｉのバイアス電位Ｖｂをこの所定の固定電位Ｖｄに対応した最適バイアス電位Ｖｉに保持させるようにしたので、本パターン出力回路３自体に高いゲインをもたせて、入力レンジが狭くなったとしても、電荷転送部１からの入力信号Ｓｉに対し最適なバイアス電位Ｖｉを設定することができる。
【００３０】
従って、例えば変換効率を上げるためにフローティング・ディフュージョンＦＤの容量を小さくした場合、電荷転送部１からの入力信号Ｓｉにおけるカップリング量Ｖが大きくなるが、このような場合でも、入力信号Ｓｉにおけるバイアス電位Ｖｂを自動的に最適なバイアス電位Ｖｉに設定させることができる。また、ばらつき変動、環境変動（製造上のばらつきや温度特性等）によって入力信号Ｓｉのバイアス電位Ｖｂが変動しても、自動的に最適なバイアス電位Ｖｉに設定させることができる。このことから、本例の固体撮像装置によれば、本パターン出力回路３からの出力信号Ｓの安定化が図れ、感度の向上並びに次段に接続される信号処理回路等の設計の容易化を図ることができる。
【００３１】
上述本例では、ダミー出力回路８の構成を本パターン出力回路３とほぼ同一の回路構成にした場合を示したが、その他、ダミー出力回路８の構成をサンプリングホールド後の出力回路で最もゲインの高いところの信号を得られるところまでの回路構成を採用してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係る固体撮像装置によれば、出力回路自体に高いゲインをもたせても、電荷転送部からの入力信号におけるバイアス電位を最適な値に設定することができ、出力回路からの出力信号の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の実施の形態の例の要部の構成を示す回路図である。
【図２】Ａは、図１におけるＡ−Ａ線上の断面図である。
Ｂは、図１におけるＢ−Ｂ線上の断面図である。
【図３】図１例に係る固体撮像装置の信号処理を示す波形図である。
【図４】図１例に係る固体撮像装置の入出力特性を示す特性図である。
【図５】従来例に係る固体撮像装置の要部の構成を示す回路図である。
【図６】電荷転送部からの入力信号の波形を示す波形図である。
【図７】従来例に係る固体撮像装置の入出力特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１‥‥電荷転送部、２‥‥放電用素子、３‥‥本パターン出力回路、４及び９‥‥ソースフォロア回路、５及び１０‥‥Ｓ／Ｈ回路、６及び１１‥‥増幅器、７‥‥ダミー出力部、８‥‥ダミー出力回路、１２‥‥コンパレータ、１３‥‥ローパスフィルタ、ＯＧ‥‥出力ゲート、ＦＤ‥‥フローティング・ディフュージョン、ＲＧ‥‥リセットゲート、Ｄ‥‥ドレイン領域

Claims

電荷転送部と、該電荷転送部に接続され、リセットパルスが供給されるリセットゲートとを有する出力部と、該出力部からの入力信号が供給される出力回路とを有する撮像装置において、
前記出力部から前記出力回路に供給される入力信号のうちバイアス電位を最適電位とするダミー信号処理部を設け、
該ダミー信号処理部は、ダミー出力部と、該ダミー出力部からの信号が入力されるソースフォロア回路と、該ソースフォロア回路からの出力信号のうちのバイアス電圧を取り出すサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路からの信号と最適バイアス電位とを比較するコンパレータとを有し、
前記ダミー信号処理部により最適電位としたバイアス電圧を前記出力回路に供給するようにしたことを特徴とする固体撮像装置。