JP4243688B2 - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents
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Description
[2] US Patent Number 5,986,297 Color active pixel sensor with electronic shuttering, anti-blooming, and low-cross-talk
[3] 特開平11-177076(特願平9-350163), 固体撮像装置
CMOSイメージセンサで全画素同時電子シャッタ動作を行う従来の方法としては、文献[1][2][3]に開示されている方法がある。
文献[1]の方法は、フォトゲートと呼ばれる光電変換素子構造を用いるもので、標準的なCMOSプロセスで実現した場合には、青色領域の感度が低下する、暗電流が大きくなるという課題がある。文献[2]及び文献[3]に開示されている方法は、イメージセンサの特性を向上するための特別な製造工程を取り入れたCMOSイメージセンサであり、製造工程が複雑であるために、製作コストが高くなるという課題がある。
図1は、1画素の構成の例を示している。また、図2は、イメージセンサ全体の構成例である。
特徴は、以下の通りである。
(1)フォトダイオードのリセット電圧を電源電圧に近い電圧に設定できるようにしたことで、フォトダイオードに十分高い逆方向電圧を加えられることにより、高感度化を図ったこと
(2)反転増幅器と微少な検出容量Csを用いて、高い効率で、容量に電荷転送が行われることを利用し、フォトダイオードの面積が大きくなり、寄生容量が大きくなっても検出容量できまる高い変換利得が得られるようにしたこと
(3)反転増幅器の比較的低いショート電圧(入出力をショート,0.8V程度)を黒レベルとし、結合容量Ctを用いてフォトダイオードとアンプの入力を分離することで、(2)を満たしながら、十分大きな信号振幅を得られるようにしたこと
(4)発生するリセットノイズを、リセット電圧VRと、アンプのリセット制御信号R1の電圧変化の傾斜を緩やかにすることで、低減できること。
反転増幅器としては、図4に示すようなカスコード増幅器を用いることができる。アンプに流すバイアス電流はほぼVb1に与える電圧できまるので、信号読み出し時は適正なバイアス条件となるような電圧をVb1に与え、信号蓄積時は、バイアス電流を1桁程度下げることによって、イメージセンサ全体の低消費電力化を図ることができる。
なお、図5のサンプル&ホールド回路及びそのバッファ回路の構成としては、本発明が目的とする機能を実現できれば、これに限定するものではなく、種々の変形が可能であり、それらを排除するものではない。
この動作タイミングを図8に示す。奇数番目のフレームの先頭で、その前のフレームで蓄積され、増幅された信号を、CL3に記憶する。これはすべての画素でいっせいに行う。その後、フォトダイオードの接続された浮遊拡散層部をリセットし、アンプを介したその電圧をCL1に記憶する。その電圧は、偶数番目のフレームにおいて信号読み出しに用いる。
なお、図7についてもサンプル&ホールド回路及びそのバッファ回路の構成としては、本発明の目的とする機能、つまり3つのサンプル&ホールド用容量を用いて、信号蓄積前に記憶したリセットレベルと信号レベルとの差を読み出すことでリセットノイズをキャンセルする機能が実現できれば、これに限定するものではなく、種々の変形が可能であり、それらを排除するものではない。例えば、画素選択用トランジスタと一まとめにして、電源に近い側に1個のトランジスタにして選択することも可能であり、そのトランジスタとしては、nチャネルのMOSトランジスタまたは、pチャネルのMOSトランジスタを用いることができる。
RT 第1のリセット用スイッチトランジスタ
RT1 第2のリセット用スイッチトランジスタ
Cs 電荷検出用容量
Ct 結合用容量
AMP 反転増幅器
SH サンプルホールド回路
Claims (5)
- フォトダイオード(PD)と、第1のリセット用スイッチトランジスタ(RT)と、電荷検出用容量(Cs)と、反転増幅器(AMP)と、該反転増幅器の入出力間に接続される第2のリセット用スイッチトランジスタ(RT1)と、前記反転増幅器の入力と前記フォトダイオードとの間に接続される結合用容量(Ct)と、前記反転増幅器の出力に接続されるサンプルホールド回路(SH)とからなり、電荷検出用容量(Cs)がフォトダイオードと反転増幅器の出力間に接続されることで、結合用容量、反転増幅器、電荷検出容量により閉回路を構成し、電荷検出用容量で決まる高い変換利得と、大きな線形出力範囲を得るとともに、サンプルホールド回路による全画素同時シャッタ機能を有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
- 前記サンプルホールド回路は、フォトダイオード部の電荷蓄積を初期化したリセットレベルと、電荷蓄積を行った信号レベルのそれぞれを記憶するための手段を備え、両レベルの差を得て、固定パターン雑音の低減を図るために両レベルを個別に出力することを特徴とする請求項1記載の増幅型固体撮像装置。
- 前記サンプルホールド回路は、フォトダイオード部の読み出したい信号電荷を蓄積する以前に初期化した第1のリセットレベル(A)、電荷蓄積を行った後の信号レベル(B)、電荷蓄積後に初期化した第2のリセットレベル(C)のそれぞれを記憶するための手段を備え、リセットノイズをキャンセルし、低雑音化を図るために前記第1のリセットレベル,信号レベル及び第2のリセットレベルを個別に出力することを特徴とする請求項1記載の増幅型固体撮像装置。
- 前記第1,第2のリセット用スイッチトランジスタ(RT,RT1)に対して制御信号を印加するとともにリセット電圧(VR)を変化させる電荷初期化手段を設け、該電荷初期化手段は、第1のリセット用スイッチトランジスタ(RT)をオフにしておき、そのリセット電圧を一端低い電圧に設定し、第1のリセット用スイッチトランジスタ(RT)をオンにして、フォトダイオードの電圧をこれと同じに設定した後、リセット電圧を高い電圧に戻すものであり、このとき、同時に反転増幅器の入出力間に接続された第2のリセット用スイッチトランジスタ(RT1)を緩い傾斜のゲート電圧で徐々にオフさせることでリセットノイズの低減を図ることを特徴とする請求項1記載の増幅型固体撮像装置。
- フォトダイオード(PD)と、第1のリセット用スイッチトランジスタ(RT)と、電荷検出用容量(Cs)と、反転増幅器(AMP)と、該反転増幅器の入出力間に接続される第2のリセット用トランジスタ(RT1)と、前記反転増幅器の入力と前記フォトダイオードとの間に接続される結合用容量(Ct)と、前記反転増幅器の出力に接続されるサンプルホールド回路(SH)とからなり、電荷検出用容量(Cs)が反転増幅器の入力と出力間に接続されることで、結合用容量と電荷検出用容量との比で決まる高い変換利得と、大きな線形出力範囲を得るとともに、サンプルホールド回路により、全画素同時シャッタ機能を有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
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