JP4194544B2 - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
coupled device)が多く使われてきた。しかし、一方では消費電力の少なさや使い勝手
の良さを長所とする、いわゆる増幅型固体撮像装置(電荷転送信号増幅型固体撮像装置)の開発も行われてきた。
図6において、1は単位画素である。2は入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオード、3は供給される信号電荷量に応じた増幅信号を出力する増幅用MOSトランジスタ、4は信号電荷を受け、それを増幅用MOSトランジスタ3のゲート電極に供給するためのフローティングディフュージョン部(以下、「FD部」とも称す。)、5はフォトダイオード2に蓄積した信号電荷をFD部4に転送するための転送用MOSトランジスタ、6はFD部4をリセットするためのリセット用MOSトランジスタ、7は出力画素を選択するための選択用MOSトランジスタである。
図7において、SC、RC、及びTCは、制御線10、9、8を介してMOSトランジスタ7、6、5に印加される駆動パルス信号であり、FD及びSOは、FD部4及び信号出力線12の電位を示したものである。なお、図6におけるMOSトランジスタはNチャネル型MOSトランジスタとし、ゲート電位がハイレベル("H")でオン状態になり、ロウレベル("L")でオフ状態になるとする。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、さらに、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に選択的に異なる電位を供給する電位供給手段を有し、上記電位供給手段は、上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間と、上記ソースフォロワが形成している期間であってかつ上記リセット用トランジスタが導通している第2期間とで、上記電源供給端子に異なる電位を供給し、上記第1期間に上記電源供給端子に供給する電位は、上記第2期間に上記電源供給端子に供給する電位に対して、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であることを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、さらに、上記信号出力線と、上記信号出力線に電位を供給し得る電源端子との導通又は非導通を切り換える制御トランジスタと、上記信号出力線上に設けられ、上記増幅用トランジスタとでソースフォロワを形成し得る定電流用トランジスタとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、上記電源端子の供給する電位は、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であり、上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間に上記制御トランジスタを導通することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、さらに、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に選択的に異なる電位を供給する電位供給手段を有する固体撮像装置の駆動方法であって、上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間と、上記ソースフォロワが形成している期間であってかつ上記リセット用トランジスタが導通している第2期間とで、上記電源供給端子に異なる電位を上記電位供給手段により供給し、上記第1期間に上記電源供給端子に供給する電位は、上記第2期間に上記電源供給端子に供給する電位に対して、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であることを特徴とする。
本発明によれば、増幅用トランジスタと定電流用トランジスタとでソースフォロワが形成している期間に増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、転送用トランジスタが導通している期間に制御トランジスタを導通させ信号出力線の電位を高い電位にすることで、信号出力線に対して容量結合された、増幅用トランジスタの制御電極が接続されるノードの電位を上げることができる。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す等価回路図である。
図1において、単位画素1は、フォトトランジスタ2、増幅用MOSトランジスタ3、転送用MOSトランジスタ5、リセット用MOSトランジスタ6、選択用MOSトランジスタ7、及び容量17を有する。また、単位画素1内の4はフローティングディフュージョン部(FD部)である。
図3は、図1に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図3において、SC、RC、TC、及びVCは、制御線10、9、8、16を介してMOSトランジスタ7、6、5、15に印加される駆動パルス信号であり、FD及びSOは、FD部4及び信号出力線12の電位を示したものである。なお、図1におけるMOSトランジスタ7、6、5はNチャネル型MOSトランジスタとし、ゲート電位がハイレベル("H")でオン状態になり、ロウレベル("L")でオフ状態になるとする。また、Pチャネル型MOSトランジスタ16は、ゲート電位が"H"でオフ状態になり、"L"でオン状態になる。
その後、時刻T17において、信号VCを"H"にしてPチャネル型MOSトランジスタ15をオフ状態にし、続いて時刻T18において信号SCを"L"にして選択用MOSトランジスタ7をオフ状態にする。
これにより、飽和電圧Vsat出力のための条件は(Vrs−Vsat+ΔV1)>Vdとなるので、飽和電圧の限界を決めるVdの値を従来よりも大きく設定することができ、より大きな飽和電圧を得ることが可能となる。したがって、高ダイナミックレンジを実現するCMOS型固体撮像装置の駆動方法を提供することができ、従来のCMOS型固体撮像装置に比べて、ダイナミックレンジを高くすることができる。
次に、第2の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す等価回路図である。この図4において、図1に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、図4に示した単位画素1を複数配列して構成される固体撮像装置の構成については、上述した第1の実施形態(図2参照)と同様である。
図5は、図4に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図5において、SC、RC、TC、VC、及びRVCは、制御線10、9、8、16、21を介してMOSトランジスタ7、6、5、15、19、20に印加される駆動パルス信号であり、FD及びSOは、FD部4及び信号出力線12の電位を示したものである。なお、図1におけるMOSトランジスタ7、6、5、19はNチャネル型MOSトランジスタとし、ゲート電位が"H"でオン状態になり、ロウレベル"L"でオフ状態になる。また、Pチャネル型MOSトランジスタ16、20は、ゲート電位が"H"でオフ状態になり、"L"でオン状態になる。
以降、時刻T25〜時刻T29における動作は、図3に示した時刻T14〜T18における動作と同様であるので説明は省略する。
また、上記第1及び第2の実施形態では、フォトダイオード2からFD部4への信号電荷転送時に設定する信号出力線12の電位を電源電位としているが、リセット電位から信号出力電位へと変化する方向に対して、それとは反対方向の電位差をリセット電位に対して持つ電位であれば良く、第2の実施形態におけるFD部4のリセット時に設定する電源配線11の電位についても同様である。
また、上記第1及び第2の実施形態では、画素の構成要素であるトランジスタはMOSトランジスタとしているが、バイポーラトランジスタや接合型電界効果トランジスタ等、他の型のトランジスタを構成要素とするものであっても良い。
次に、上述した各実施形態による固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合について説明する。
図8は、上述した各実施形態による固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。
バリア101がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にA/D変換器106などの撮像系回路の電源がオンされる。
それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部109は絞り103を開放にし、固体撮像装置104から出力された信号はA/D変換器106で変換された後、信号処理部107に入力される。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部109は絞りを制御する。
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
また、外部I/F部113を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
図9は、上述した各実施形態による固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合を示すブロック図であり、201は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ201A、ズーム動作を行うズームレンズ201B、結像用のレンズ201Cを備えている。
この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。
2 フォトダイオード
3 増幅用MOSトランジスタ
4 フローティングディフュージョン部(FD部)
5 転送用MOSトランジスタ
6 リセット用MOSトランジスタ
7 選択用MOSトランジスタ
8、9、10、16、21 制御線
11 電源配線
12 信号出力線
13、19 MOSトランジスタ
15、20 Pチャネル型MOSトランジスタ
17、22 容量
18 端子
Claims (6)
- 入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、
さらに、上記信号出力線と、上記信号出力線に電位を供給し得る電源端子との導通又は非導通を切り換える制御トランジスタと、
上記信号出力線上に設けられ、上記増幅用トランジスタとでソースフォロワを形成し得る定電流用トランジスタとを有し、
上記電源端子の供給する電位は、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であり、
上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間に上記制御トランジスタが導通することを特徴とする固体撮像装置。 - 上記増幅用トランジスタの電源供給端子に選択的に異なる電位を供給する電位供給手段を有し、
上記電位供給手段は、上記第1期間と、上記ソースフォロワが形成している期間であってかつ上記リセット用トランジスタが導通している第2期間とで、上記電源供給端子に異なる電位を供給し、
上記第1期間に上記電源供給端子に供給する電位は、上記第2期間に上記電源供給端子に供給する電位に対して、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 上記電位供給手段は、
上記電源供給端子にドレインが接続され、第1の電源端子にソースが接続された第1トランジスタと、
上記第1の電源端子から供給される電位とは異なる電位を供給する第2の電源端子にドレインが接続され、上記電源供給端子にソースが接続された第2トランジスタとを備え、
上記第1トランジスタのゲートと上記第2トランジスタのゲートとが、制御線に共通接続され、
上記第1の電源端子の供給する電位は、上記第2期間に上記電源供給端子に供給する電位に対して、上記第2の電源端子の供給する電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 - 入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、
さらに、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に選択的に異なる電位を供給する電位供給手段を有し、
上記電位供給手段は、上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間と、上記ソースフォロワが形成している期間であってかつ上記リセット用トランジスタが導通している第2期間とで、上記電源供給端子に異なる電位を供給し、
上記第1期間に上記電源供給端子に供給する電位は、上記第2期間に上記電源供給端子に供給する電位に対して、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であることを特徴とする固体撮像装置。 - 入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、さらに、上記信号出力線と、上記信号出力線に電位を供給し得る電源端子との導通又は非導通を切り換える制御トランジスタと、上記信号出力線上に設けられ、上記増幅用トランジスタとでソースフォロワを形成し得る定電流用トランジスタとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
上記電源端子の供給する電位は、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であり、
上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間に上記制御トランジスタを導通することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、さらに、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に選択的に異なる電位を供給する電位供給手段を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
上記ソースフォロワが形成している期間に上記増幅用トランジスタの制御電極のリセットを終了してから、上記ソースフォロワが形成されなくなるまでの期間であって、上記転送用トランジスタが導通している第1期間と、上記ソースフォロワが形成している期間であってかつ上記リセット用トランジスタが導通している第2期間とで、上記電源供給端子に異なる電位を上記電位供給手段により供給し、
上記第1期間に上記電源供給端子に供給する電位は、上記第2期間に上記電源供給端子に供給する電位に対して、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に上記増幅用トランジスタの制御電極の電位が変化する方向とは反対方向に電位差を有する電位であることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
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