JP3730442B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、AD変換器をオンチップ化した固体撮像装置に係わり、特にAD変換器をテストするためのテスト機能を備えた固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8は、従来の固体撮像装置の構成を示す構成図である。
【0003】
図8に示すように、従来の固体撮像装置は、タイミング発生回路2、負荷トランジスタ群3、画素領域4、垂直シフトレジスタ5、基準電圧発生器(VREF)6、AD変換器(ADC)7、バッファ(BUF)8、水平シフトレジスタ9、およびコントロール回路(CONT)10から構成される。これらの回路はそれぞれ半導体チップ1上に形成されている。
【0004】
タイミング発生回路2は、固体撮像装置を駆動するためのタイミングパルスを発生する。画素領域4は、光を信号電荷に変換する画素セル13を含み、撮像部として機能する。負荷トランジスタ群3は、信号電荷をアナログ信号として検出するための検出用アンプ回路の一部を構成する。垂直シフトレジスタ5は、画素セル13を水平1ライン毎に順次選択する選択手段として機能する。基準電圧発生器6は、AD変換に用いられる基準電圧VREFを発生する。基準電圧発生器6は、コントロール回路10により制御される。AD変換器7はコラム型のAD変換器である。コラム型のAD変換器は、たとえば特開平09−247494号「信号導出回路及び撮像装置」に開示されている。水平シフトレジスタ9は、AD変換されたデジタル信号を、垂直信号線(18-1〜18-n)1ライン毎に順次選択し、バッファ8に転送する。バッファ8は、転送されたデジタル信号を低インピーダンスで、半導体チップ1の外部に出力する。
【0005】
図9は、従来の固体撮像装置を、より詳細に示す構成図である。
【0006】
図9に示すように、画素セル13は、リードトランジスタ14、ドライバトランジスタ15、アドレストランジスタ16、リセットトランジスタ17、およびフォトダイオード20から構成されている。フォトダイオード20は、入射された光を光電変換して信号電荷として蓄積する。アドレストランジスタ16は、垂直シフトレジスタ5からの選択信号に応答して画素セル13を活性状態とする。リセットトランジスタ17は、垂直シフトレジスタ5からのリセット信号に応答して検出ノード19をリセットする。リードトランジスタ14は、検出ノード19がリセットされた後、垂直シフトレジスタ5からのリード信号に応答してフォトダイオード20に蓄積された信号電荷が検出ノード19に読み出される。検出ノード19の電圧は、読み出された信号電荷の量に応じて変化する。この電圧変化は、ソースフォロワのドライバトランジスタ15を介して、各垂直信号線18-1〜18-nそれぞれにアナログ信号として出力される。各垂直信号線18-1〜18-nには、ソースフォロワの負荷トランジスタ3-1〜3-nがそれぞれ接続されている。負荷トランジスタ3-1〜3-nそれぞれのゲートにはDC電圧が印加されている。DC電圧は電源11から供給される。各垂直信号線18-1〜18-nに出力されたアナログ信号はAD変換器7に入力される。この後、アドレストランジスタ16を“オフ”することで、各垂直信号線18-1〜18-nを画素領域4から切り離し、画素セル13を非選択状態とする。AD変換器7は水平1ライン分のアナログ信号を、水平1ライン分のデジタル信号にAD変換し、蓄積する。このような一連の動作が終わった後、水平シフトレジスタ9から、各垂直信号線18-1〜18-n毎に順次選択信号を出力させていく。これにより、AD変換器7に蓄積された水平1ライン分のデジタル信号は、垂直信号線18-1〜18-nの1ライン毎に順次バッファ8に読み出され、出力されていく。
【0007】
上記AD変換器7をオンチップ化した固体撮像装置では、そのAD変換器7の特性をテストするのに、光を画素領域4に入射して信号電荷を発生させる。このように光電変換して得たアナログ信号をAD変換器7に入力し、AD変換する。そして、AD変換されたデジタル信号を評価することで、AD変換器7の特性を測定していた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記テスト方法では、アナログ信号を光電変換して得るため、その電圧値を精度良く知ることができない。このため、AD変換されたデジタル信号の値が正しいか否かを精度良く判定することが難しい。即ち、AD変換器7の特性を精度良く測定することが困難である。
【0009】
また、入力されるアナログ信号の最小値から最大値までの間、AD変換器7の変換精度が問題ないか否かを確認するためには、入射させる光の強度を変化させなければならない。しかし、このような方法では、変化させた光が安定するまで、待ち時間が発生し、テスト時間が長くなってしまう。
【0010】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、AD変換器の特性を精度良く測定でき、かつテスト時間を短縮できる固体撮像装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明では、半導体基板上に光電変換素子を含む複数の画素セルをアレイ状に配置してなる画素領域と、前記画素領域手段の各画素セルを選択する選択手段と、前記選択手段により選択された画素セルの信号が読み出される複数の垂直信号線と、前記垂直信号線に読み出された信号をAD変換するAD変換手段と、前記AD変換手段をテストするためのテスト信号を、前記画素領域外から前記垂直信号線を通して前記AD変換手段に入力するテスト手段とを具備することを特徴としている。
【0012】
上記構成を有する固体撮像装置によれば、AD変換手段をテストするためのテスト信号を、画素領域外から垂直信号線を通してAD変換手段に入力する。即ち、画素領域に光を入射しなくてもテスト信号を垂直信号線に入力でき、画素領域に光を入射せずにAD変換手段をテストすることができる。これにより、光電変換して得た信号をテスト信号に用いずに済み、垂直信号線に入力されたテスト信号の電圧値と、このテスト信号をAD変換して得たデジタル信号の値とを精度良く対応づけることができる。よって、画素領域に光を入射する場合に比べて、AD変換手段の特性を精度良く測定することが可能となる。
【0013】
また、入力される信号の最小値から最大値までの間、AD変換器の変換精度が問題ないか否かを確認する場合、テスト信号の電圧を変化させれば良い。よって、光の強度を変化させる場合に比べて、たとえば光が安定するまでの待ち時間を省略できる分、テスト時間を短くすることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【0015】
[第1の実施形態]
図1は、この発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す構成図である。
【0016】
図1に示すように、第1の実施形態に係る固体撮像装置は、タイミング発生回路2、負荷トランジスタ群3、画素領域4、垂直シフトレジスタ5、基準電圧発生器(VREF)6、AD変換器(ADC)7、バッファ(BUF)8、水平シフトレジスタ9、コントロール回路(CONT)10、およびテスト信号入力回路22から構成される。これらの回路はそれぞれ半導体チップ1上に形成されている。
【0017】
タイミング発生回路2は、固体撮像装置を駆動するためのタイミングパルスを発生する。画素領域4は、光を信号電荷に光電変換する画素セル13を含み、撮像部として機能する。画素セル13は、画素領域4にアレイ状に配置されている。負荷トランジスタ群3は、信号電荷をアナログ信号として検出するための検出用アンプ回路の一部を構成する。垂直シフトレジスタ5は、画素セル13を、水平1ライン毎に順次選択する選択手段として機能する。基準電圧発生器6は、AD変換の基準となる基準電圧VREFを発生し、コントロール回路10により制御される。AD変換器7は、画素セル13から出力されたアナログ信号を垂直信号線(18-1〜18-n)1ライン毎に、基準電圧VREFと比較してデジタル信号にAD変換する。AD変換器7の一例はコラム型のAD変換器である。コラム型のAD変換器としては、たとえば特開平09−247494号に開示されたものを使用することができる。AD変換器7は、1水平期間中、AD変換したデジタル信号を蓄積する。水平シフトレジスタ9は、AD変換されたデジタル信号を垂直信号線(18-1〜18-n)1ライン毎に順次選択し、バッファ8に転送する。バッファ8は、転送されたデジタル信号を低インピーダンスで、たとえば半導体チップ1の外部に出力する。
【0018】
テスト信号入力回路22は、AD変換器7をテストするためのテスト信号VTESTを、垂直信号線18-1〜18-nに入力する。これにより、テスト信号VTESTは、垂直信号線18-1〜18-nを通してAD変換器7に入力される。第1の実施形態においては、テスト信号入力回路22はコントロール回路10により制御される。このため、第1の実施形態に係る固体撮像装置のコントロール回路10には、基準電圧発生器6を制御する機能の他、少なくともテスト期間中、負荷トランジスタ群3を“オフ”させて垂直信号線18-1〜18-nを高インピーダンスとする機能、およびテスト信号入力回路22を制御する機能がそれぞれ付加されている。たとえば第1の実施形態では、コントロール回路10はコントロールパルスPHIZを出力し、負荷トランジスタ群3を“オフ”させるとともに、コントロールパルスPTEST1を出力し、テスト信号入力回路22を制御し、テスト信号VTESTを垂直信号線18-1〜18-nに入力する。
【0019】
図2は、この発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図である。
【0020】
図2に示すように、画素セル13は、リードトランジスタ14、ドライバトランジスタ15、アドレストランジスタ16、リセットトランジスタ17、およびフォトダイオード20から構成されている。フォトダイオード20は、入射された光を光電変換して信号電荷として蓄積する。アドレストランジスタ16は、垂直シフトレジスタ5からの選択信号に応答して画素セル13を活性状態とする。リセットトランジスタ17は、垂直シフトレジスタ5からのリセット信号に応答して検出ノード19をリセットする。リードトランジスタ14は、検出ノード19がリセットされた後、垂直シフトレジスタ5からのリード信号に応答してフォトダイオード20に蓄積された信号電荷が検出ノード19に読み出される。検出ノード19の電圧は、読み出された信号電荷の量に応じて変化する。この電圧変化は、ソースフォロワのドライバトランジスタ15を介して、各垂直信号線18-1〜18-nそれぞれにアナログ信号として出力される。各垂直信号線18-1〜18-nには、ソースフォロワの負荷トランジスタ3-1〜3-nがそれぞれ接続されている。負荷トランジスタ3-1〜3-nそれぞれのゲートには、コントロールパルスPHIZが印加される。各垂直信号線18-1〜18-nに出力されたアナログ信号はAD変換器7に入力される。この後、アドレストランジスタ16を“オフ”することで、各垂直信号線18-1〜18-nを画素領域4から切り離し、画素セル13を非選択状態とする。AD変換器7は水平1ライン分のアナログ信号を、水平1ライン分のデジタル信号にAD変換し、蓄積する。このような一連の動作が終わった後、水平シフトレジスタ9から、各垂直信号線18-1〜18-n毎に順次選択信号を出力させていく。これにより、AD変換器7に蓄積された水平1ライン分のデジタル信号は、垂直信号線18-1〜18-nの1ライン毎に順次バッファ8に読み出され、出力されていく。
【0021】
AD変換器7をテストする場合、コントロール回路10からのコントロールパルスPHIZにより負荷トランジスタ3-1〜3-nをそれぞれ“オフ”させる。なお、リードトランジスタ14、アドレストランジスタ16はそれぞれ“オフ”されており、垂直信号線18-1〜18-nはそれぞれ、高インピーダンスとなる。また、この一回路例においては、半導体チップ1内にテスト信号発生回路12を備えている。テスト信号発生回路12は、コントロール回路10からの制御信号に基づき、テスト信号VTESTを出力する。テスト信号VTESTは、入力用トランジスタ22-1〜22-nに入力される。入力用トランジスタ22-1〜22-nはそれぞれ、コントロール回路10からのコントロールパルスPTEST1により制御され、テスト信号VTESTを垂直信号線18-1〜18-nに入力するとき、“オン”される。これにより、テスト信号VTESTは、垂直信号線18-1〜18-nを通してAD変換器7に入力される。AD変換器7は、入力されたテスト信号VTESTを基準電圧VREFと比較し、デジタル信号にAD変換する。この後、変換されたデジタル信号をバッファ8を介して、たとえば半導体チップ1の外部に出力し、出力されたデジタル信号を評価することで、AD変換器7の特性を測定する。このようにして、AD変換器7をテストする。
【0022】
上記第1の実施形態に係る固体撮像装置であると、テスト信号VTESTを、垂直信号線18-1〜18-nに入力するテスト信号入力回路22を有する。これにより、画素領域4に光を当てなくても、テスト信号VTESTを垂直信号線18-1〜18-nに印加でき、AD変換器7をテストすることができる。
【0023】
さらに上記テスト信号VTESTの電圧値は、回路により電気的に設定できる。このため、テスト信号VTESTの電圧値の設定精度は、テスト信号を光電変換して得る場合に比べて、より向上する。よって、AD変換器7の特性を、より高い精度で測定することができる。
【0024】
また、AD変換器7の変換精度が、入力される信号の最小値から最大値までの間、問題ないか否かを確認する場合には、テスト信号VTESTの電圧値を変化させれば良い。よって、画素領域4に光を当てる場合に比べて、たとえば光が安定するまでの待ち時間が無い分、AD変換器7の変換精度を、より短い時間で確認することができる。
【0025】
なお、第1の実施形態において、入力用トランジスタ22-1〜22-nを“オン”させるタイミングの一例は、AD変換器7の信号取り込みタイミングに同期させることである。このためには、たとえば入力用トランジスタ22-1〜22-nを、画素セル13からアナログ信号を垂直信号線18-1〜18-nに読み出す期間(水平ブランキング期間)に、リードトランジスタ14を“オン”させるタイミングと同様なタイミングで“オン”させれば良い。
【0026】
あるいはAD変換器7をテストしている間、入力用トランジスタ22-1〜22-nを“オン”させておき、テスト信号発生回路12からテスト信号VTESTを出力するタイミングを、AD変換器7の信号取り込みタイミングに同期させるようにしても良い。この場合には、テスト信号VTESTを、リードトランジスタ14を“オン”させるタイミングと同様なタイミングで、テスト信号発生回路12から出力させれば良い。
【0027】
[第2の実施形態]
第1の実施形態では、テスト信号VTESTを半導体チップ1内のテスト信号発生回路12から出力して、垂直信号線18-1〜18-nに入力するようにしたが、テスト信号VTESTは、半導体チップ1の外部から、垂直信号線18-1〜18-nに入力するようにしても良い。このような装置の一例を、以下、第2の実施形態として説明する。
【0028】
図3は、この発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図である。なお、図3は、第2の実施形態に係る装置の主要部のみを示している。
【0029】
図3に示すように、半導体チップ1にはテスト信号VTESTを受けるテストパッド25が設けられている。テスト信号VTESTはICテスタ26から出力されてテストパッド25に入力される。入力されたテスト信号VTESTはスイッチ24を介して半導体チップ1に取り込まれる。スイッチ24の一例はトランジスタである。スイッチ24は、コントロール回路10からのコントロールパルスPTEST2により制御され、テスト信号VTESTを入力用トランジスタ22-1〜22-nに入力するとき“オン”される。これにより、スイッチ24が“オン”することによって、テスト信号VTESTは入力用トランジスタ22-1〜22-nに入力される。この後、第1の実施形態と同様に、AD変換器7をテストする。
【0030】
このような第2の実施形態に係る装置においても、第1の実施形態に係る装置と、同様の効果を得ることができる。
【0031】
なお、コントロールパルスPTEST2は、コントロールパルスPTEST1と同じパルスであっても良く、また、AD変換器7の信号取り込みタイミングに同期してスイッチ24を“オン”させるようなパルスであっても良い。
【0032】
[第3の実施形態]
図4は、この発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図である。
【0033】
図4に示すように、第3の実施形態に係る装置は、互いに直列に接続された抵抗23-1〜23-n+1からなる抵抗列23を、さらに具備する。抵抗列23の一端にはテスト信号VTESTが入力され、その他端は接地されている。図4に示す一回路例では、テスト信号VTESTは、スイッチ24を介して抵抗列23の一端に供給される。垂直信号線18-1〜18-nはそれぞれ、抵抗23-1〜23-n+1どうしの相互接続点に順次接続されている。
【0034】
第3の実施形態において、AD変換器7をテストする場合、たとえばコントロールパルスPHIZにより負荷トランジスタ3-1〜3-nをそれぞれ“オフ”させる一方、コントロールパルスPTEST1により入力用トランジスタ22-1〜22-nをそれぞれ“オン”させる。次いで、コントロールパルスPTEST2により、スイッチ24を、たとえばAD変換器7の信号取り込みタイミングに同期して“オン”させる。これにより、テスト信号VTESTは、抵抗列23を介して垂直信号線18-1〜18-nそれぞれに入力される。この後、第1、第2の実施形態と同様に、AD変換器7をテストする。
【0035】
このような第3の実施形態に係る固体撮像装置であると、互いに直列に接続された抵抗23-1〜23-n+1からなる抵抗列23を有するので、テスト信号VTESTを、垂直信号線18-1〜18-n毎に互いに異なる電圧値VDIVとして印加することができる。これを図5に示す。
【0036】
図5に示すように、垂直信号線18-1〜18-nの電圧値VDIVは、抵抗列23により、垂直信号線18-1から垂直信号線18-nに向けて順次高くなる。また、図6に垂直信号線18-1、18-k、および18-nに入力された電圧値VDIVと基準電圧VREFとの関係を示す。
【0037】
図6に示すように、水平同期信号により規定される1水平期間中、垂直信号線18-1〜18-nそれぞれに入力された電圧値VDIVは変化しない。しかし、垂直信号線18-1の電圧値は破線18-1に示すように最小値となり、垂直信号線18-nの電圧値は破線18-nに示すように最大値となる。また、垂直信号線18-1と垂直信号線18-nとの中間に存在する垂直信号線18-kの電圧値は実線18-kに示すように最小値と最大値との中間値となる。なお、同図に示すように、基準電圧VREFの一例は、時間の経過とともに電圧が直線状に上昇するランプ波である。
【0038】
このように第3の実施形態では、AD変換器7に入力される信号の最小値から最大値までを、一度に入力することができる。よって、AD変換器7の変換精度を、テスト信号VTESTの電圧値を変化させて確認する場合に比べ、さらに短い時間で確認することができる。
【0039】
なお、第3の実施形態において、テスト信号VTESTは、第1の実施形態のようにテスト信号発生回路12から出力する、あるいは第2の実施形態のようにICテスタ26から出力する、のどちらでも良い。
【0040】
[第4の実施形態]
第4の実施形態は、第3の実施形態に準ずるものであり、抵抗列23の一端、他端のそれぞれに、テスト信号VTEST1、VTEST2を入力するようにしたものである。
【0041】
図7は、この発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図である。なお、図7は、第4の実施形態に係る装置の主要部のみを示している。
【0042】
図7に示すように、抵抗列23の一端はスイッチ24-1を介してテストパッド25-1に接続され、その他端はスイッチ24-2を介してテストパッド25-2に接続されている。テストパッド25-1にはテスト信号VTEST1が入力され、テストパッド25-2にはテスト信号VTEST2が入力される。テスト信号VTEST1、VTEST2はそれぞれ、同図に示すようにICテスタ26から出力されるようにしても良いし、テスト信号発生回路12から出力されるようにしても良い。スイッチ24-1、24-2はそれぞれコントロールパルスPTEST2により制御され、テスト信号VTEST1、VTEST2を抵抗列23に入力するとき、それぞれ“オン”される。
【0043】
また、この一回路例では、抵抗列23の一端、他端がそれぞれ、スイッチ27-1、27-2を介して接地電位に、さらに接続されている。スイッチ27-1、27-2の一例は、スイッチ24-1、24-2と同様にトランジスタであり、コントロールパルスPTEST2の反転パルスbPTEST2により制御される。これにより、スイッチ24-1、24-2が“オフ”しているとき、抵抗列23の両端をそれぞれ接地する。
【0044】
このような第4の実施形態によれば、第3の実施形態と同様に、AD変換器7の変換精度を、短い時間で確認できる、という効果が得られる。
【0045】
さらにテスト信号VTEST1、VTEST2をそれぞれ、抵抗列23の両端に入力するようにしたので、テスト信号VTEST1、VTEST2の電圧を適宜変化させることで、たとえば垂直信号線18-1の電圧値を最小値、垂直信号線18-nの電圧値を最大値としたり、反対に垂直信号線18-1の電圧値を最大値、垂直信号線18-nの電圧値を最小値とすることができる。このようにAD変換器7に入力する電圧パターンを増やすことができ、AD変換器7のテストに自由度を持たせることができる。
【0046】
以上、この発明を第1〜第4の実施形態により説明したが、この発明は第1〜第4の実施形態に限られるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
【0047】
たとえば画素セル13はアンプ内蔵型の画素セルとしたが、画素セル13は光を電気的な信号に変換するものであれば、如何なるものでも良い。
【0048】
また、AD変換器7はコラム型のAD変換器としたが、AD変換器7はアナログ信号をデジタル信号に変換するものであれば、如何なるものでも良い。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、AD変換器の特性を精度良く測定でき、かつテスト時間を短縮できる固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す構成図。
【図2】図2は第1の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図。
【図3】図3は第2の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図。
【図4】図4は第3の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図。
【図5】図5は第3の実施形態に係る固体撮像装置における垂直信号線の電圧分布を示す図。
【図6】図6は第3の実施形態に係る固体撮像装置における垂直信号線の電圧変化を示す図。
【図7】図7は第4の実施形態に係る固体撮像装置の一回路例を示す回路図。
【図8】図8は従来の固体撮像装置の構成を示す構成図。
【図9】図9は従来の固体撮像装置の回路を示す回路図。
【符号の説明】
1…半導体チップ、
2…タイミング発生回路、
3…負荷トランジスタ群、
4…画素領域、
5…垂直シフトレジスタ、
6…基準電圧発生回路、
7…AD変換器、
8…バッファ、
9…水平シフトレジスタ、
10…コントロール回路、
12…テスト信号発生回路、
22…テスト信号入力回路、
22-1〜22-n…トランジスタ、
23…抵抗列、
23-1〜23-n+1…抵抗、
24、24-1、24-2…スイッチ、
25、25-1、25-2…テストパッド、
26…ICテスタ、
27-1、27-2…スイッチ。
Claims (4)
- 半導体基板上に光電変換素子を含む複数の画素セルをアレイ状に配置してなる画素領域と、
前記画素領域手段の各画素セルを選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された画素セルの信号が読み出される複数の垂直信号線と、
前記垂直信号線に読み出された信号をAD変換するAD変換手段と、
前記AD変換手段をテストするためのテスト信号を、前記画素領域外から前記垂直信号線を通して前記AD変換手段に入力するテスト手段と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記テスト手段は、
前記テスト信号を前記垂直信号線に入力するテスト信号入力手段と、
前記テスト信号を前記テスト信号入力手段を介して前記垂直信号線に入力するコントロールパルスを発生するコントロールパルス発生手段と
を含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記テスト手段は、
前記テスト信号を前記垂直信号線毎に異なる電圧として印加する電圧印加手段を含むことを特徴とする請求項1および請求項2いずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記電圧印加手段は、互いに直列に接続された複数の抵抗を含むことを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。
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