JP4242427B2 - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents
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Description
Vsig = A・Qsig/[CFD+Cup+(1+A)Cin] ……… (1)
となる。ここで、上記定電流負荷ソース接地型反転増幅器のゲインAは、
である。上記式(2)において、gmは増幅トランジスタ103Aのトランスコンダクタンス、ronは増幅トランジスタ103Aの出力抵抗、ropは定電流負荷トランジスタ103Bの出力抵抗である。
Vsig≒Qsig/Cin ……… (3)
となる。したがって、電荷電圧変換効率ηは、
η=Vsig/Qsig = 1/Cin ……… (4)
となる。この式(4)から分かるように、ゲインAが非常に大きい場合は、出力される信号に対する電荷検出ノード108の容量CFDの影響は、実質的に殆ど無くなる。したがって、列方向に接続される画素数が増加して、容量CFDが大きくなっても、電荷電圧変換効率ηの低下が発生しない。
Zout ∝ (Ibias)-1 ……… (5)
gm ∝ (Ibias)1/2 ……… (6)
∴ A ∝ (Ibias)-1/2 ……… (7)
CFD=2fF×8=16fF
Cup=CFD
Cin=1fF
とすれば、
[CFD+Cup+(1+A)Cin]/A = 1.94fF
となり、Cinの約2倍の大きな値になってしまい、電荷電圧変換効率ηが低下してしまう。
光電変換素子とこの光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換部を複数備え、上記複数の光電変換部の夫々からの信号を増幅して共通の信号線に出力する増幅型固体撮像装置であって、
上記複数の光電変換部の出力端子が共通に接続された電荷検出ノードに入力側が接続され、上記複数の光電変換部の夫々からの上記信号電荷を電圧に変換するスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部により電圧に変換された上記信号を上記共通の信号線に電流増幅して出力する電流増幅部と
を備えたことを特徴とする。
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、
上記電荷検出ノードに入力端子が接続された反転増幅器と、
上記電荷検出ノードと上記反転増幅器の出力端子との間に接続されたリセットトランジスタと、
上記電荷検出ノードと上記反転増幅器の出力端子との間に接続された第1キャパシタンス素子と
を有する。
上記電流増幅部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力端子がゲートに接続された電流増幅用MOSトランジスタを有し、
上記電流増幅用MOSトランジスタに上記共通の信号線を介して共通の負荷部が接続されて、
上記電流増幅用MOSトランジスタと上記共通の信号線とで増幅器を構成している。
上記電荷検出ノードに一端が接続された第2キャパシタンス素子と、
上記第2キャパシタンス素子の他端に接続され、上記第2キャパシタンス素子を介した容量結合によって上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くするための昇圧部と
を備えた。
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、電圧に変換された上記信号を選択トランジスタを介して出力する選択型スイッチトキャパシタアンプ部であって、
上記選択型スイッチトキャパシタアンプ部を複数備え、
上記複数の選択型スイッチトキャパシタアンプ部の出力端子が共通に接続されたノードが上記電流増幅部の入力側に接続されている。
図1は、この発明の第1実施形態の2次元増幅型固体撮像装置の一部を示す回路図である。それらの画素は、マトリックス(行列)状に2次元配列され、簡単のため、i列内のn行目を示しており、各行内でm個の画素群が含まれている(ただし、m≧2、n≧2、i≧2である)。
Vsig=B・A・Qsig/[CFD+Cup+(1+A)Cin] ……… (8)
となる。ここで、ソースフォロワ回路のゲインBは0.9程度、定電流負荷ソース接地型反転増幅器のゲインAは、
である。式(9)中のgmは増幅トランジスタ3Aのトランスコンダクタンス、ronは増幅トランジスタ3Aの出力抵抗、ropは定電流負荷トランジスタ3Bの出力抵抗である。特に、ゲインAが非常に大きい場合は、式(8)から
Vsig≒B・Qsig/Cin ……… (10)
となる。したがって、電荷電圧変換効率ηは
η=Vsig/Qsig=B/Cin ……… (11)
となる。この式(11)から分かるように、ゲインAが非常に大きい場合は、出力される信号に対する電荷検出ノード8の容量CFDの影響は、実質的に殆ど無くなる。
Zout=14MΩ
であり、ゲインA=350となる。
CFD=2fF×8=16fF
Cup=CFD
Cin=1fF
とすれば、
[CFD+Cup+(1+A)Cin]/A = 1.09fF
となり、Cinとほとんど同じ値になり、電荷電圧変換効率ηが低下を防ぐことができる。
1画素あたりの占有トランジスタ数は、
画素あたりの占有トランジスタ数 = 11/8 = 1.375トランジスタ/画素
となり、
CFD=2fF×8=16fF
Cup=CFD
Cin=1fF
とし、ゲインA=35とすれば、電荷電圧変換率は、
電荷電圧変換率 = 1/1.94(fF)
= 5.15×1014(V/クーロン)
= 8.24×10−5(V/電子)
= 82.4(μV/電子)
である。この発明の増幅型固体撮像装置の場合、同様に1つのスイッチトキャパシタアンプ部20が8画素を共有する構成として、ゲインA=350とし、ソースフォロワ回路のゲインB=0.9とすれば、
画素あたりの占有トランジスタ数 = 13/8 = 1.625トランジスタ/画素
電荷電圧変換率 = 1/1.09(fF)×B
= 9.17×1014(V/クーロン)×0.9
= 13.2×10−5(V/電子)
= 132(μV/電子)
となり、1画素あたりのトランジスタ数18%増加に対して、電荷電圧変換率は60%向上する。このように、本発明が高感度化に有用であることは明らかである。
図5A,図5Bは、この発明の第2実施形態の2次元増幅型固体撮像装置の一部を示す回路図である。
図7は、この発明の第3実施形態の2次元増幅型固体撮像装置の一部を示す回路図である。
2…転送トランジスタ
3A…増幅トランジスタ
3B…定電流負荷トランジスタ
4,41…選択トランジスタ
5A…電流増幅トランジスタ
5B…定電流負荷トランジスタ
6…リセットトランジスタ
7…第1キャパシタンス素子
8…電荷検出ノード
9…垂直信号線
10…光電変換部
11…第2キャパシタンス素子
20,20B…スイッチトキャパシタアンプ部
20A…選択型スイッチトキャパシタアンプ部
21,21A…電流増幅部
22…垂直信号線負荷部
25…垂直走査回路
Claims (12)
- 光電変換素子とこの光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換部を複数備え、上記複数の光電変換部の夫々からの信号を増幅して共通の信号線に出力する増幅型固体撮像装置であって、
上記複数の光電変換部の出力端子が共通に接続された電荷検出ノードに入力側が接続され、上記複数の光電変換部の夫々からの上記信号電荷を電圧に変換するスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部により電圧に変換された上記信号を上記共通の信号線に電流増幅して出力する電流増幅部と
を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、
上記電荷検出ノードに入力端子が接続された反転増幅器と、
上記電荷検出ノードと上記反転増幅器の出力端子との間に接続されたリセットトランジスタと、
上記電荷検出ノードと上記反転増幅器の出力端子との間に接続された第1キャパシタンス素子と
を有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項2に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の上記反転増幅器は、定電流負荷ソース接地型反転増幅器であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項3に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記定電流負荷ソース接地型反転増幅器の定電流負荷は、ディプリージョンタイプのトランジスタであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電流増幅部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力端子がゲートに接続された電流増幅用MOSトランジスタを有し、
上記電流増幅用MOSトランジスタに上記共通の信号線を介して共通の負荷部が接続されて、
上記電流増幅用MOSトランジスタと上記共通の信号線とで増幅器を構成していることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項5に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電流増幅部は、上記電流増幅用MOSトランジスタと上記共通の信号線との間に接続された選択トランジスタを有していることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項5に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電流増幅用MOSトランジスタと上記共通の負荷部の組み合わせによりドレイン接地型ソースフォロワ回路を構成することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電荷検出ノードに一端が接続された第2キャパシタンス素子と、
上記第2キャパシタンス素子の他端に接続され、上記第2キャパシタンス素子を介した容量結合によって上記電荷検出ノードのポテンシャルを深くするための昇圧部と
を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、電圧に変換された上記信号を選択トランジスタを介して出力する選択型スイッチトキャパシタアンプ部であって、
上記選択型スイッチトキャパシタアンプ部を複数備え、
上記複数の選択型スイッチトキャパシタアンプ部の出力端子が共通に接続されたノードが上記電流増幅部の入力側に接続されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項3に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の上記反転増幅器の電源線の電位を制御する制御部を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項11に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の上記反転増幅器の電源線の電位をハイレベルとローレベルのうちの上記ローレベルにすることにより、上記反転増幅器の出力をローレベルとして上記電流増幅部の動作を停止させることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
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