JP4455874B2 - クランプ回路を有するイメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に、太陽のような強い光源の光を受光した場合、画面上で太陽周辺の画像が黒く映る現象を防止するのに適したイメージセンサに関する。

一般に、イメージセンサは、光学映像を電気信号に変換する半導体素子である。イメージセンサのうち、二重電荷結合素子(CCD:Charge Coupled Device)は、個々のMOSキャパシタが互いに近接して配置され、電荷キャリアがキャパシタに格納されて移送される素子である。また、CMOS(Complementary MOS; 以下、CMOSと記す)イメージセンサは、制御回路及び信号処理回路を周辺回路として使用するCMOS技術を利用して、画素数に対応するMOSトランジスタによって構成し、これらのMOSトランジスタを利用して、順に出力を検出するスイッチング方式が採用されている素子である。

イメージセンサの場合、製造工程上のわずかな条件の差により、オフセット電圧に起因する固定パターン雑音(Fixed pattern noise)が発生することがある。このような固定パターン雑音を補償するために、イメージセンサでは、通常、画素配列部の各画素でリセット信号とデータ信号とを読み出した後、その差を出力する相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling;以下、「CDS」と記す)方式が採用されている。

図1Aは、1個のフォトダイオードPDと4個のMOSトランジスタとで構成された通常のCMOSイメージセンサの単位画素を示す回路図である。この回路は、光を受けて光電荷を生成するフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDで集束された光電荷をフローティングノードFNに伝送するためのトランスファトランジスタTxと、フローティングノードの電位を所定の値にセットして電荷を排出し、フローティングノードをリセットさせるためのリセットトランジスタRxと、ソースフォロアバッファ増幅器の役割をするドライブトランジスタDxと、スイッチング作用によりアドレッシングできるようにするセレクトトランジスタSxとを含んで構成されている。

このような単位画素から出力を得るCDS方式の動作原理は、下記のとおりである。
１．Tx、Rx、Sxをターンオフさせる。この場合、フォトダイオードPDは完全な空乏状態である。
２．光電荷(Photogenerated Charge)を低電圧フォトダイオードPDに集束する。
３．適正なインテグレーション(Integration)時間後にRxをターンオンさせ、フローティングノードFNを1次リセットさせる。
４．Sxをターンオンさせて、単位画素をオンさせる。
５．ソースフォロアバッファであるDxの出力電圧V1を測定する。この測定値は、フローティングノードFNの直流電位変化を意味する。
６．Txをターンオンさせる。
７．全ての光電荷をフローティングノードFNに伝送する。
８．Txをターンオフさせる。
９．Dxの出力電圧V2を測定する。
10．出力信号(V1-V2)は、V1とV2との差から得られた光電荷移送の結果であり、これはノイズが排除された純粋な信号値となる。
11．前記１から10の過程を繰り返す。但し、フォトダイオードPDは前記７の過程で完全な空乏状態となっている。上述したCDSでは、このような動作が実行される。

図1Bは、図1Aに示した従来の単位画素が弱い光源からの光を受光した場合、単位画素から出力される電圧変化を示すグラフである。図1Bには、リセット信号とデータ信号との差が単位画素の純粋な出力(pure pixel signal)となることが示されている。

リセット信号RESETは、リセットトランジスタRxがターンオンされた後で、フローティングノードFNの電位をサンプリングした値であるため、電圧値が高く電源電圧に近い。これに対し、データ信号DATAは、フォトダイオードで生成された光電子がフローティングノードに移送された後でサンプリングされる値であるため、リセット信号より電圧値が低い。

図1Cは、図1Aに示した従来の単位画素が太陽のような強い光源からの光を受光した場合、単位画素から出力される電圧変化を示すグラフである。図1Cから、リセット信号RESETのレベルと、データ信号DATAとの差が、単位画素の純粋な出力(PURE PIXEL SIGNAL)になり、その差がわずかであることが分かる。

このように、リセット信号レベルと単位画素の実際の出力信号レベルとの間の差を利用して雑音を除去する相関二重サンプリング方式を使用するイメージセンサでは、太陽のような光源にイメージセンサが曝された場合、リセット信号と実際の単位画素の出力信号との間にあまり差がないため、太陽の周囲が黒く映し出される現象が現れる。

太陽のような強い光源からの光をイメージセンサが受光した場合、リセット信号RESETとデータ信号DATAとの差がわずかである理由を説明すると、以下のとおりである。

相関二重サンプリング動作において、まず、リセットトランジスタRxをターンオンさせてフローティングノードFNをリセットさせた後、リセット信号値をサンプリングして、その値をバッファ(図示せず)に格納する。この場合、フローティングノードは電源電圧V_DDで充電されるので、リセット信号の電圧レベルが高い。

しかし、太陽のような強い光源下では、フォトダイオードから光電子が発生すること以外に、フローティングノードでも相当量の光電子が発生する。その理由は、フローティングノードもPN接合で構成されているため、太陽のような強い光源下では、フローティングノード自体がフォトダイオード化されて相当量の光電子を発生するためである。

このように強い光源によりフローティングノードで発生した光電子は、リセットトランジスタRxがターンオンされてリセット信号値をサンプリングする時、電源電圧V_DDの影響を克服して、フローティングノードの電圧を低下させる作用をする。

結局、リセット信号が一定電圧以下に低下して、リセット状態でもデータ信号とほぼ同等の値が出力されるため、リセット信号とデータ信号との差がわずかとなり、太陽のような被写体の周囲が黒く映し出される現象が発生する。この現象は、イメージセンサの画質再現性に影響を及ぼし、画質を低下させる直接的な原因となる。

したがって、CDSを利用するイメージセンサにおける光特性に関連した製品の品質を保障するためには、上述のような現象を防止する必要がある。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものであって、CDS方式における信号の読み出し時に、太陽のような強い光源であっても、リセット信号とデータ信号との差が小さくなることを防止するのに適したイメージセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係るイメージセンサは、単位画素のリセット信号と光信号によるデータ信号との差を利用して、被写体に対するデータを出力する相関二重サンプリング方式のイメージセンサにおいて、前記リセット信号と前記データ信号を各々出力する複数個の単位画素と、前記リセット信号を所定の電圧レベルにクランプするため、前記複数個の単位画素の出力端に接続された複数個のクランプトランジスタと、前記複数個のクランプトランジスタのゲート電圧を制御する電圧調節部とを含んで構成されていることを特徴としている。

また、本発明に係るイメージセンサは、CDS方式で駆動されるイメージセンサのリセット信号を読み出す時の画素の出力が一定電圧以下に低下しないように固定することによって、太陽のような強い光源の被写体が、画面上で黒く映る現象が防止されることを特徴としている。

本発明をイメージセンサに適用すると、太陽のような強い光源からの光を受光する場合にも、画面上で太陽の周囲が黒く映る現象を防止することができる。また、画面上で太陽の明るさを任意に調節できるので、イメージセンサの画質を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明に係る最も好ましい実施の形態を添付する図面を参照しながら説明する。

図2Aは、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサの単位画素を示す回路図であり、クランプ回路20が出力端に設けられている例である。また、図2Bは、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサが、太陽のような強い光源からの光を受光した時のリセット信号とデータ信号とを示すグラフである。図2Bから明らかなように、リセット信号が一定電圧以下に低下しないように固定されているため、データ信号との差も一定値を確保することができる。そのために、太陽の周囲が黒く映る現象を防止することができる。

まず、図2Aを参照して本発明に係る一実施の形態を説明する。図2Aに示した単位画素は、光を受けて光電荷を生成するフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDで集束された光電荷をフローティングノードFNに伝送するためのトランスファトランジスタTxと、フローティングノードFNの電位を所定の値にセットし電荷を排出して、フローティングノードをリセットさせるためのリセットトランジスタRxと、ソースフォロアバッファ増幅器の役割をするドライブトランジスタDxと、スイッチング作用によりアドレッシングできるようにするセレクトトランジスタSxとを含んで構成されている。

また、図2Aは、上記のように構成された単位画素の出力端に接続されたクランプ回路20を示す回路図である。このクランプ回路20は、クランプトランジスタ（クランプTr）と電圧調節部21とを含んで構成されている。クランプトランジスタのソースは単位画素の出力端に接続され、ドレインは電源電圧端に接続され、ゲートは電圧調節部21の出力部に接続されている。ここで、クランプトランジスタは、M×Nのサイズを持つ単位画素アレイに対して、各カラム別に一つずつ設けられている。また、電圧調節部21は、イメージセンサチップに一つ装着されている。

本発明の一実施の形態に係るイメージセンサに用いられるクランプ回路は、リセット信号を読み出す時にのみ動作する。このクランプ回路は、リセット信号が一定電圧以下に低下しないようにする役割を果たすもので、データ信号を読み出す時には動作しない。その理由は、データ信号を読み出す場合には、電圧調節部21の出力がローレベルとなって、クランプトランジスタが動作しないからである。電圧調節部21の構成は後述する。

また、本発明の一実施の形態に係るクランプ回路は、リセット信号を読み出す場合にも、イメージセンサが受光する光源が弱い場合には動作しない。イメージセンサが受光する光源が強い場合にのみ動作する。すなわち、本発明の一実施の形態に係るクランプ回路は、イメージセンサが強い光源からの光を受光して、リセット信号を読み出す場合にのみ動作する。

イメージセンサが弱い光源と強い光源とから受光する場合の各々分けてリセット信号を読み出す場合について、クランプトランジスタの動作を詳細に説明すると、以下のとおりである。

単位画素のリセット信号を読み出す時、クランプトランジスタのゲートに一定電圧が印加されていると仮定する。そのクランプトランジスタのしきい値電圧が0.7 Vとすると、クランプトランジスタのソース電圧は、クランプトランジスタのゲート電圧より0.7V程度低い値となる。

しかし、イメージセンサが弱い光源からの光を受光して、リセット信号を読み出す場合には、セレクトトランジスタSxのソースと、クランプトランジスタのソースとが接続されたノード1の電圧は、クランプトランジスタのゲート電圧より0.7V程度低い値になるのではなく、クランプトランジスタがターンオンされない程度の高い電圧となる。

その理由は、リセットトランジスタRxがターンオンされて、フローティングノードが充分な電圧に充電されると、ノード1は高い電圧値を有するため、クランプトランジスタが動作しないからである。

これに対し、イメージセンサが太陽のような強い光源からの光を受光する場合には、クランプトランジスタが動作する。その動作を説明すると、以下のとおりである。上述のように、イメージセンサが太陽のような強い光源からの光を受光した場合には、フローティングノードがフォトダイオード化され、多くの光電子を生成する。光電子の生成によって、フローティングノードの電圧値は大幅に低下し、セレクトトランジスタSxのソースとクランプトランジスタのソースとが接続されたノード1の電圧も大幅に低下する。それによって、クランプトランジスタのゲート電圧がノード1の電圧より0.7V以上高くなると、クランプトランジスタが動作を開始する。

この場合、クランプトランジスタのゲート電圧の変化によって、クランプトランジスタのソース電圧も変化する。一方、クランプトランジスタのゲート電圧は任意に調節可能であるので、画面における太陽が明るく映るか、少し暗く映る程度の映り方にすることができる。本発明に係る一実施の形態では、4ビットのデジタルコードを利用してクランプトランジスタのゲート電圧を調節することができる。

すなわち、クランプトランジスタのゲート電圧を低くすると、リセット信号もそれだけ小さくなる。そのため、単位画素の純粋な出力(リセット信号とデータ信号との差)もやはり小さくなるので、画面上では太陽が暗く映るようになる。

一方、クランプトランジスタのゲート電圧を高くすると、リセット信号の電圧もそれだけ高くなって、単位画素の純粋な出力(リセット信号とデータ信号との差)も大きくなる。それによって、画面上では、太陽が明るく映るようにすることができる。

図3は、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサに用いられるクランプトランジスタのゲートに接続される電圧調節部21の構成例を示す回路図である。電圧調節部21を利用すると、クランプトランジスタのゲート電圧を調節することにより、クランプトランジスタをターンオンまたはターンオフさせることができる。そのため、画面上で太陽の明るさを調節して、自然な像の太陽を映し出すことができる。

図3を参照すると、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサに設けられる電圧調節部21は、クランプトランジスタのゲート電圧を調節するために4ビット信号の入力を受けて、アナログ電圧値を出力するD/A変換器31と、D/A変換器31とクランプトランジスタのゲート間に接続され、リ―ドコントロール(Read Control)信号によって開閉される第1スイッチング素子33と、リ―ドコントロール(Read Control)信号を受信し反転して出力するインバータ32と、接地端とクランプトランジスタのゲートとの間に接続され、インバータ32の出力によって開閉される第2スイッチング素子34とを含んで構成されている。

上記の一実施の形態の場合には、D/A変換器に入力される4ビットのデジタルコードを利用して、クランプトランジスタのゲート電圧が調節されるようになっている。しかし、より多くのビット数を有するD/A変換器を利用することにより、クランプトランジスタのゲート電圧を調節することもできる。

このように構成された電圧調節部の動作は、以下のとおりである。上述のように、クランプトランジスタは、リセット信号を読み出す時にのみ動作し、データ信号を読み出す時には動作しない。このような動作は、リ―ドコントロール信号を利用することによって制御することができる。

リセット信号を読み出す場合には、リ―ドコントロール信号が活性化され、データ信号を読み出す場合には、リ―ドコントロール信号が非活性化されると定義すると、リ―ドコントロール信号がアクティブ化された場合には、第1スイッチング素子33が閉じられ、第2スイッチング素子34が開くようになる。

したがって、D/A変換器31の出力が、第1スイッチング素子33によりクランプトランジスタのゲートに入力され、クランプトランジスタを動作させる。

これに対し、リ―ドコントロール信号が非活性化された場合には、第1スイッチング素子33が開き、第2スイッチング素子34が閉じるので、接地電圧がクランプトランジスタのゲートに入力され、クランプトランジスタが動作しない。

このように、本発明の一実施の形態に係るクランプ回路は、イメージセンサの画質を向上させることができる。また、ダイ(die)サイズに影響を与えることなく、画質を向上させることができるので、製品の価格競争力を維持することができるという長所がある。

なお、本発明は、上記の実施の形態として開示した範囲に限定されるものではない。本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で多くの改良、変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

従来のCMOSイメージセンサの単位画素を示す回路図である。 従来の単位画素が弱い光源からの光を受光した場合、単位画素から出力される電圧変化を示すグラフである。 従来の単位画素が太陽のような強い光源からの光を受光した場合、単位画素から出力される電圧変化を示すグラフである。 本発明の一実施の形態に係るCMOSイメージセンサの単位画素を示す回路図であり、クランプ回路が出力端に設けられている例である。 本発明の一実施の形態に係る出力を示すグラフである。クランプ回路が出力端に接続されたCMOSイメージセンサが、太陽のような強い光源からの光を受光した時のリセット信号とデータ信号の出力を示すグラフである。 本発明の一実施の形態に係るイメージセンサに用いられるクランプトランジスタのゲートに接続される電圧調節手段の構成例を示す回路図である。

符号の説明

21 電圧調節部
31 D/A変換器
32 インバータ
33 第1スイッチング素子
34 第2スイッチング素子

Claims (3)

1. M×Nサイズの単位画素のアレイを有し、前記単位画素のリセット信号と光信号によるデータ信号との差を利用して、被写体に対するデータを出力する相関二重サンプリング方式のイメージセンサにおいて、
   前記リセット信号と前記データ信号とを各々出力する複数個の単位画素と、
   前記リセット信号を所定の電圧レベルにクランプするため、前記複数個の単位画素の出力端に接続された複数個のクランプトランジスタと、
   前記複数個のクランプトランジスタのゲート電圧を制御する電圧調節部と
   を含み、
   前記電圧調節部が、
   デジタルコードを受信して、前記電圧レベルを調節するのに用いられるアナログ電圧値を出力するD/A変換器と、
   該D/A変換器とクランプトランジスタのゲートとの間に接続され、第１制御信号によって開閉される第１スイッチング素子と、
   接地端と前記クランプトランジスタのゲートとの間に接続され、反転された前記第１制御信号によって開閉される第２スイッチング素子と
   を含むものである、イメージセンサ。
2. 前記電圧調節部が、前記第1制御信号を受信して、前記第２スイッチング素子に前記反転した第１制御信号を提供するインバータを更に含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記クランプトランジスタが、前記M×Nサイズの単位画素アレイ構造において、各カラムごとに設けられ、前記電圧調節部が、イメージセンサチップ全体に対して一つ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。

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