JP4474982B2 - Solid-state imaging device and signal processing method for solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の信号処理方法に関し、特に単位画素毎に増幅機能を持ち、当該単位画素から出力される信号を、画素列毎に配線された列信号線を介して出力する構成の固体撮像装置および当該固体撮像装置の信号処理方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a signal processing method for the solid-state imaging device, and in particular, has an amplification function for each unit pixel, and outputs a signal output from the unit pixel via a column signal line wired for each pixel column. The present invention relates to a solid-state imaging device configured to output and a signal processing method of the solid-state imaging device.
固体撮像装置として、CMOS集積回路と同様のプロセスで製造できるCMOSイメージセンサがある。このCMOSイメージセンサは、CMOSプロセスに付随した微細化技術により、画素毎に増幅機能を持つアクティブ型の構造が容易に作ることができ、また画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部の駆動回路や信号処理回路を、当該画素アレイ部と同一チップ上に集積できるという特長を持っている。このため、近年、CMOSイメージセンサに関してより多くの研究開発がなされている。 As a solid-state imaging device, there is a CMOS image sensor that can be manufactured by a process similar to that of a CMOS integrated circuit. In this CMOS image sensor, an active structure having an amplification function for each pixel can be easily created by a miniaturization technique associated with the CMOS process, and a pixel array unit in which pixels are two-dimensionally arranged in a matrix form The driving circuit and the signal processing circuit can be integrated on the same chip as the pixel array portion. For this reason, in recent years, more research and development has been made on CMOS image sensors.
CMOSイメージセンサには、画素アレイ部の画素列毎に並列処理するA−D(アナログ−デジタル)変換回路により、画素から出力されるアナログ信号を、画素の固定パターンノイズを抑圧しながらデジタル信号に変換して出力するカラムADC(Analog Digital Converter)方式のものがある(例えば、非特許文献1参照)。
A CMOS image sensor converts an analog signal output from a pixel into a digital signal while suppressing fixed pattern noise of the pixel by an analog-to-digital (A / D) conversion circuit that performs parallel processing for each pixel column of the pixel array unit. There is a column ADC (Analog Digital Converter) system for conversion and output (see Non-Patent
図8は、従来のカラムADC方式のCMOSイメージセンサにおける、ある列の1つの画素101から当該列のA−D変換回路102までの回路構成を示す回路図である。 FIG. 8 is a circuit diagram showing a circuit configuration from one pixel 101 in a certain column to the A-D conversion circuit 102 in the column in a conventional column ADC type CMOS image sensor.
図8において、画素101は、光電変換素子であるフォトダイオードPDに加えて、転送トランジスタM1、リセットトランジスタM2および増幅トランジスタM3を有する構成となっている。増幅トランジスタM3のソースは、列信号線103に接続されている。列信号線103の一端には、MOSトランジスタM4,M5からなるカレントミラー回路構成の定電流源104が接続されている。この定電流源104のMOSトランジスタM5は、画素101の増幅トランジスタM3とソースフォロア回路を形成している。A−D変換回路102は、2段のチョッパ型比較器111,112とラッチ回路113を用いた構成となっている。
In FIG. 8, a pixel 101 has a configuration including a transfer transistor M1, a reset transistor M2, and an amplification transistor M3 in addition to a photodiode PD which is a photoelectric conversion element. The source of the
次に、上記構成の従来例に係るカラムADC方式のCMOSイメージセンサの回路動作について、図9のタイミングチャートを用いて説明する。 Next, the circuit operation of the column ADC type CMOS image sensor according to the conventional example having the above configuration will be described with reference to the timing chart of FIG.
水平ブランキング期間に相当する画素信号読み出し期間において、先ず、リセットパルスVrstが立つ(“H”レベルとなる)ことで、画素101のリセットトランジスタM2がオン状態となってフローティングディフュージョンFDをリセットする。これにより、フローティングディフュージョンFDの電位が増幅トランジスタM3を介してリセット信号として列信号線103に出力される。このとき、A−D変換回路102において、列信号線103の信号電圧Vxを取り込むスイッチS3を閉じ、次いで比較器111,112の各スイッチS1,S2を同時に閉じ、しかる後スイッチS1を先に、次いでスイッチS2を開く。
In the pixel signal readout period corresponding to the horizontal blanking period, first, when the reset pulse Vrst rises (becomes “H” level), the reset transistor M2 of the pixel 101 is turned on to reset the floating diffusion FD. As a result, the potential of the floating diffusion FD is output to the column signal line 103 as a reset signal via the amplification transistor M3. At this time, in the A-D conversion circuit 102, the switch S3 for taking in the signal voltage Vx of the column signal line 103 is closed, then the switches S1 and S2 of the
次に、読み出しパルスVtgが立つことで、画素101の転送トランジスタM1がオン状態となり、フォトダイオードPDで光電変換されて得られた電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。これにより、この転送された電荷に応じてフローティングディフュージョンFDの電位が変化する。そして、この電位が増幅トランジスタM3を介して画素信号として列信号線103に出力される。 Next, when the readout pulse Vtg is raised, the transfer transistor M1 of the pixel 101 is turned on, and the charge obtained by photoelectric conversion by the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD. As a result, the potential of the floating diffusion FD changes according to the transferred charge. Then, this potential is output to the column signal line 103 as a pixel signal through the amplification transistor M3.
このとき、A−D変換回路102において、スイッチS4を閉じてサンプリングする。サンプリングが完了したら、スイッチを開いてランプ(RAMP)波形をした基準信号VrefをスイッチS4から与える。すると、ランプ波形に応じてやがて、A−D変換回路102の入力電圧Vin(列信号線103の信号電圧Vx)が、比較器111,112の閾値電圧を越えるため、2段目の比較器112の出力が反転する。そのときのnビット・カウンタ(図示せず)の値が画素信号になる。この画素信号の値はラッチ回路113に記憶される。以上の一連の動作によりA−D変換が完了する。
At this time, in the A-D conversion circuit 102, the sampling is performed with the switch S4 closed. When sampling is completed, the switch is opened and a reference signal Vref having a ramp (RAMP) waveform is applied from the switch S4. Then, according to the ramp waveform, the input voltage Vin (the signal voltage Vx of the column signal line 103) of the A-D conversion circuit 102 eventually exceeds the threshold voltage of the
上記構成の従来例に係るカラムADC方式CMOSイメージセンサでは、画素信号を増幅トランジスタM3とMOSトランジスタM5で形成されるソースフォロワ回路を介して直接A−D変換回路102に供給する構成となっているため、増幅トランジスタM3の基板がグランドに接続されていることから、増幅トランジスタM3のソース電圧が上昇した際に、ソース−基板電圧Vsbが上昇し、基板バイアス効果によって増幅トランジスタM3の閾値電圧Vthが上昇する。 In the column ADC type CMOS image sensor according to the conventional example having the above configuration, the pixel signal is directly supplied to the A / D conversion circuit 102 via the source follower circuit formed by the amplification transistor M3 and the MOS transistor M5. Therefore, since the substrate of the amplification transistor M3 is connected to the ground, when the source voltage of the amplification transistor M3 is increased, the source-substrate voltage Vsb is increased, and the threshold voltage Vth of the amplification transistor M3 is increased by the substrate bias effect. To rise.
増幅トランジスタM3の閾値電圧Vthが上昇すると、下記Vthの式、
Vth=Vth0+γ{√(2Φf+Vsb)−√(2Φf)}
より、増幅トランジスタM3のソース電圧が上昇するほど、当該増幅トランジスタM3の閾値電圧Vthが非線形になってきてしまう(√でカーブしてきてしまう)ことになる。その結果、画素信号をランプ波形の基準電圧Vrefと比較する際に、ダイナミックレンジが狭くなり、且つ、リニアリティも悪くなった画素信号と比較することになる。なお、上記Vthの式において、Vth0は増幅トランジスタM3のソース−基板間に電圧がかかっていないときの閾値電圧、γ,Φfはプロセスで決まる係数である。
When the threshold voltage Vth of the amplification transistor M3 rises, the following equation of Vth:
Vth = Vth0 + γ {√ (2Φf + Vsb) −√ (2Φf)}
As the source voltage of the amplification transistor M3 increases, the threshold voltage Vth of the amplification transistor M3 becomes non-linear (curves with √). As a result, when comparing the pixel signal with the reference voltage Vref having a ramp waveform, the pixel signal is compared with a pixel signal having a narrow dynamic range and poor linearity. In the Vth equation, Vth0 is a threshold voltage when no voltage is applied between the source and the substrate of the amplification transistor M3, and γ and Φf are coefficients determined by the process.
以上説明したことから明らかなように、画素101の増幅トランジスタM3と定電流源104のMOSトランジスタM5でソースフォロワ回路を形成し、画素101から出力される信号を当該ソースフォロワ回路を介して直接A−D変換回路102に入力する構成を採ると、増幅トランジスタM3の基板バイアス効果により、出力電圧(ソース電圧)の変動によって増幅トランジスタM3の閾値電圧Vthも変動し、結果として、A−D変換回路102の入力ダイナミックレンジが狭くなり、且つ、当該A−D変換回路に入力される画素信号のリニアリティが悪くなるため、画素101のフローティングディフュージョンFDの電位に比例したA−D変換出力が得られないことになる。 As is apparent from the above description, a source follower circuit is formed by the amplification transistor M3 of the pixel 101 and the MOS transistor M5 of the constant current source 104, and a signal output from the pixel 101 is directly A via the source follower circuit. When the configuration for inputting to the −D conversion circuit 102 is adopted, the threshold voltage Vth of the amplification transistor M3 also varies due to the variation of the output voltage (source voltage) due to the substrate bias effect of the amplification transistor M3. As a result, the A / D conversion circuit Since the input dynamic range of the pixel 102 becomes narrow and the linearity of the pixel signal input to the A / D conversion circuit is deteriorated, an A / D conversion output proportional to the potential of the floating diffusion FD of the pixel 101 cannot be obtained. It will be.
なお、ここでは、画素101の増幅トランジスタM3と定電流源104のMOSトランジスタM5で形成されるソースフォロワ回路の出力である列信号線103の信号電圧Vxを、列毎に設けられたA−D変換回路102でデジタル信号に変換して出力するカラムADC方式CMOSイメージセンサを例に挙げて従来の課題について説明したが、当該課題は列信号線103の信号電圧Vxを直接、列毎に設けられた信号処理回路に入力する構成のCMOSイメージセンサ全般に言えることである。 Here, the signal voltage Vx of the column signal line 103 which is the output of the source follower circuit formed by the amplification transistor M3 of the pixel 101 and the MOS transistor M5 of the constant current source 104 is A-D provided for each column. The conventional problem has been described by taking as an example a column ADC type CMOS image sensor that converts the digital signal by the conversion circuit 102 and outputs it. However, the problem is that the signal voltage Vx of the column signal line 103 is provided directly for each column. This is true for all CMOS image sensors configured to be input to the signal processing circuit.
具体的には、例えば、列信号線103の信号電圧Vxを直接、列毎に設けられたCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路に入力し、当該CDS回路において画素から出力されるリセット信号と画素信号との差分をとることによって画素の固定パターンノイズを除去する処理を行ってアナログ信号のまま出力する構成のカラムCDS方式のCMOSイメージセンサにおいても、増幅トランジスタM3の基板バイアス効果により、出力電圧(ソース電圧)の変動によって増幅トランジスタM3の閾値電圧Vthも変動し、結果として、CDS回路の入力ダイナミックレンジが狭くなり、且つ、当該CDS回路に入力される画素信号のリニアリティが悪くなる。 Specifically, for example, the signal voltage Vx of the column signal line 103 is directly input to a CDS (Correlated Double Sampling) circuit provided for each column, and the reset output from the pixel in the CDS circuit. Even in the column CDS type CMOS image sensor configured to output the analog signal as it is by performing the process of removing the fixed pattern noise of the pixel by taking the difference between the signal and the pixel signal, due to the substrate bias effect of the amplification transistor M3, The threshold voltage Vth of the amplification transistor M3 also fluctuates due to fluctuations in the output voltage (source voltage). As a result, the input dynamic range of the CDS circuit is narrowed, and the linearity of the pixel signal input to the CDS circuit is deteriorated.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、画素の増幅トランジスタの基板バイアス効果により、出力電圧(ソース電圧)の変動によって増幅トランジスタの閾値電圧Vthが変動したとしても、画素から出力される信号を処理する回路のダイナミックレンジを狭めることなく、且つ、リニアリティの良い画素信号を得ることが可能の固体撮像装置および固体撮像装置の信号処理方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to change the threshold voltage Vth of the amplification transistor due to the fluctuation of the output voltage (source voltage) due to the substrate bias effect of the amplification transistor of the pixel. Provided is a solid-state imaging device and a signal processing method for the solid-state imaging device that can obtain a pixel signal with good linearity without narrowing the dynamic range of a circuit that processes a signal output from a pixel. It is in.
上記目的を達成するために、本発明では、
光電変換素子および当該光電変換素子で得られる電荷に応じた信号を出力する増幅トランジスタを有する単位画素が配置されるとともに、列ごとに信号線が配線されてなる画素アレイ部と、
前記画素アレイ部と同じ基板上に設けられ、前記信号線を介して前記増幅トランジスタとソースが共通に接続されることによって当該増幅トランジスタと差動対を形成する差動トランジスタを有する信号処理手段と
を備えた固体撮像装置において、
前記単位画素から前記信号線に出力される信号を、前記差動トランジスタを通して導出する際に、前記増幅トランジスタおよび前記差動トランジスタでの基板バイアス効果による閾値電圧の変動分を前記増幅トランジスタおよび前記差動トランジスタの差動動作によって相殺する
構成を採っている。
In order to achieve the above object, in the present invention,
The photoelectric conversion element and the photoelectric conversion unit pixel having an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the charge obtained by the element is arranged Rutotomoni, a pixel array portion signal line for each column is formed by the wiring,
A signal processing unit having a differential transistor that is provided on the same substrate as the pixel array unit and that forms a differential pair with the amplification transistor by commonly connecting the amplification transistor and the source via the signal line;
In a solid-state imaging device comprising:
When a signal output from the unit pixel to the signal line is derived through the differential transistor, a threshold voltage variation due to a substrate bias effect in the amplification transistor and the differential transistor is calculated by the amplification transistor and the difference. A configuration is adopted in which the differential operation of the dynamic transistors cancels out .
上記構成の固体撮像装置において、単位画素の増幅トランジスタと差動トランジスタとの各ソースが、信号線を介して共通に接続されることで、増幅トランジスタと差動トランジスタのソース電圧が同電位となり、両トランジスタが同一の基板上に集積されていることで、両トランジスタでの基板バイアス効果による閾値電圧Vthが同じだけ変動する。このとき、増幅トランジスタと差動トランジスタとが差動回路を形成していることで、その差動動作によって増幅トランジスタと差動トランジスタの各閾値電圧Vthの変動分が相殺される。 In the solid-state imaging device having the above configuration, the sources of the amplification transistor and the differential transistor of the unit pixel are commonly connected via the signal line, so that the source voltages of the amplification transistor and the differential transistor become the same potential, Since both transistors are integrated on the same substrate, the threshold voltage Vth due to the substrate bias effect in both transistors varies by the same amount. At this time, since the amplifying transistor and the differential transistor form a differential circuit, fluctuations in the threshold voltages Vth of the amplifying transistor and the differential transistor are canceled by the differential operation.
本発明によれば、単位画素の増幅トランジスタでの基板バイアス効果による閾値電圧Vthの変動分を差動トランジスタによって相殺できるため、画素から出力される信号を処理する回路のダイナミックレンジを狭めることなく、しかも単位画素から出力される信号についてリニアリティの良い状態で導出することができる。 According to the present invention, since the variation of the threshold voltage Vth due to the substrate bias effect in the amplification transistor of the unit pixel can be canceled by the differential transistor, without reducing the dynamic range of the circuit that processes the signal output from the pixel, In addition, the signal output from the unit pixel can be derived with good linearity.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置、例えばカラムADC方式(列並列ADC搭載)のCMOSイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, for example, a column ADC type (column parallel ADC mounted) CMOS image sensor.
図1において、光電変換素子を含む単位画素(以下、単に「画素」と記す)11は、行列状(マトリックス状)に多数2次元配置されることにより画素アレイ部12を構成している。この画素アレイ部12において、画素11の行列状配列に対して行毎に行制御線13(13−1,13−2,…)が配線され、列毎に列信号線14(14−1,14−2,…)が配線されている。行制御線13−1,13−2,…は、各一端が行走査回路15の各段の出力端に接続されている。
In FIG. 1, a plurality of unit pixels (hereinafter simply referred to as “pixels”) 11 including photoelectric conversion elements constitute a
画素11は、光電変換素子、例えばフォトダイオード111に加えて、例えば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113および増幅トランジスタ114の3つのトランジスタを有する構成となっている。増幅トランジスタ114のソースは、列信号線14(14−1,14−2,…)に接続されている。なお、画素11としては、3つのトランジスタ112〜114を有する3トランジスタ構成のものに限られるものではなく、例えば、増幅トランジスタ114のソースと列信号線14(14−1,14−2,…)との間に選択トランジスタを接続してなる4トランジスタ構成のものであっても良い。
The
行走査回路15は、シフトレジスタなどによって構成され、行制御線13−1,13−2,…に対して行選択パルスを順次出力することによって行アドレスや行走査の制御を行う。これにより、行選択パルスが与えられた行制御線13(13−1,13−2,…)に繋がる1行分の画素11が選択されることになる。そして、選択された行の各画素11から、リセット動作時にリセット信号が、読み出し動作(転送動作)時に画素信号がそれぞれ列信号線14−1,14−2,…に出力される。
The
列信号線14−1,14−2,…の一端側には定電流源16が接続されている。定電流源16は、ゲートおよびドレインが共通に接続され、ソースがグランドに接続されたNchMOSトランジスタ161と、当該MOSトランジスタ161とゲートが共通に接続され、ドレインが列信号線14(14−1,14−2,…)に、ソースがグランドにそれぞれ接続されたNchMOSトランジスタ162とからなるカレントミラー回路によって構成されている。この定電流源16のMOSトランジスタ162は、画素11の増幅トランジスタ114と共にソースフォロア回路を形成している。
A constant
カラム処理部(列信号処理部)10Aは、列信号線14−1,14−2,…の一端側に、例えば、これら列信号線14−1,14−2,…の各々に対応して設けられたA−D変換回路17(17−1,17−2,…)によって構成されている。また、A−D変換回路17(17−1,17−2,…)に対して共通に、参照電圧の生成手段であるD−A(デジタル−アナログ)変換回路(DAC;Digital Analog Converter)18とカウンタ19が設けられている。D−A変換回路18は、時間が経過するにつれてレベルが傾斜状に変化するランプ(RAMP)波形をした参照電圧Vrefを生成する。カウンタ19は、所定周期のクロックCKに同期してカウント動作を行うことにより、後述する比較器20での比較時間を計測する。
The column processing unit (column signal processing unit) 10A is provided on one end side of the column signal lines 14-1, 14-2,..., For example, corresponding to each of the column signal lines 14-1, 14-2,. The AD converter circuit 17 (17-1, 17-2,...) Is provided. Further, in common with the A-D conversion circuit 17 (17-1, 17-2,...), A D-A (digital-analog) conversion circuit (DAC: Digital Analog Converter) 18 serving as a reference voltage generation unit.
A−D変換回路17は、行制御線13−1,13−2,…毎に選択された画素11から列信号線14−1,14−2,…を経由して与えられるアナログ信号と、D−A変換回路18で生成されるランプ波形の参照電圧Vrefとを比較する比較器20と、カウンタ19のカウント結果を保持するメモリ装置21とを有し、画素11から出力されるアナログ信号をnビットのデジタル信号に変換して出力する。
The A-D conversion circuit 17 includes an analog signal supplied from the
列走査回路22は、シフトレジスタなどによって構成され、カラム処理部10AにおけるA−D変換回路17−1,17−2,…の各々に対して列選択パルスを順次出力することによって列アドレスや列走査の制御を行う。これにより、A−D変換回路17−1,17−2,…の各々から出力されるデジタル信号が順に選択され、2nビット幅の水平出力線23を経由して出力回路24に供給される。
The
出力回路24は、2nビット幅の水平出力線23の各々に対応して設けられた2n個のセンス回路、減算回路および出力アンプなどによって構成されている。タイミング制御回路25は、マスタークロックMCKに基づいて、行走査回路15、カウンタ19および列走査回路22などの動作の基準となるクロック信号などを生成し、行走査回路15、カウンタ19および列走査回路22などに対して与える。
The
上記構成の第1実施形態に係るカラムADC方式のCMOSイメージセンサにおいて、画素アレイ部12の各画素11を駆動制御する周辺の回路や信号処理回路、即ち行走査回路15、A−D変換回路17(17−1,17−2,…)、D−A変換回路18、カウンタ19、列走査回路22、出力回路24およびタイミング制御回路25などは、画素アレイ部12と同一のチップ(基板)上に集積される。
In the column ADC type CMOS image sensor according to the first embodiment having the above-described configuration, peripheral circuits and signal processing circuits that drive and control each
図2は、上記構成の第1実施形態に係るカラムADC方式のCMOSイメージセンサにおける、ある列の1つの画素11から当該列の比較器20までの回路構成の一例を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration from one
図2において、比較器20の入力段に、ソースが列信号線14(14−1,14−2,…)に接続された例えばNchのMOSトランジスタ201が設けられている。ここで、本比較器20を含むA−D変換回路17が画素アレイ部12と同一チップ上に集積されることになるため、MOSトランジスタ201は画素11の増幅トランジスタ114とほぼ同じトランジスタ特性を持つことになる。MOSトランジスタ201は、画素11の増幅トランジスタ114と列信号線14(14−1,14−2,…)を介してソースが共通に接続されることで、当該増幅トランジスタ114と共に差動対(差動アンプ)を形成することになる。以下、このMOSトランジスタ201を差動トランジスタ201と呼ぶこととする。
2, for example, an
差動トランジスタ201のゲートには、D−A変換回路18で生成されるランプ波形の参照電圧Vrefが容量202を介して印加される。差動トランジスタ201のドレインは、Pchの負荷MOSトランジスタ203を介して電圧AVDの電源ラインL1に接続されている。負荷MOSトランジスタ203のゲートには、DCゲート電圧VGpが印加される。負荷MOSトランジスタ203のゲートと電源ラインL1との間には容量204が接続されている。差動トランジスタ201のゲートとドレインとの間には、PchのMOSスイッチ(トランジスタ)205が接続されている。このMOSスイッチ205のゲートには、“L”レベルのプリセットパルスPSETが印加される。
A reference voltage Vref having a ramp waveform generated by the
画素11の増幅トランジスタ114と差動トランジスタ201とからなる差動アンプの出力端、即ち差動トランジスタ201のドレインには、PchMOSトランジスタ206のゲートが接続されている。このMOSトランジスタ206は、ソースが電源ラインL1に接続され、ドレインがNchMOSトランジスタ207を介してグランドに接続されている。MOSトランジスタ207は、ゲートにDCゲート電圧VGnが与えられることで定電流源として動作する。MOSトランジスタ207のゲートとグランドとの間には容量208が接続されている。
The gate of the
MOSトランジスタ206のドレインから導出される差動アンプ出力は、バッファ209を介して比較器出力Vcoとなり、次段のメモリ装置21に与えられる。バッファ209は、電圧VDDの電源ラインL2とグランドとの間に直列に接続され、ゲート同士およびドレイン同士がそれぞれ共通に接続されたPchMOSトランジスタ210およびNchMOSトランジスタ211からなる前段のCMOSインバータ212と、同様に電圧VDDの電源ラインL2とグランドとの間に直列に接続され、ゲート同士およびドレイン同士がそれぞれ共通に接続されたPchMOSトランジスタ213およびNchMOSトランジスタ214からなる後段のCMOSインバータ215とから構成されている。
The differential amplifier output derived from the drain of the
次に、上記構成の比較器20を有するA−D変換回路17(17−1,17−2,…)を搭載した本実施形態に係るCMOSイメージセンサの回路動作について、図1および図2を基にして説明する。 Next, regarding the circuit operation of the CMOS image sensor according to the present embodiment on which the A / D conversion circuit 17 (17-1, 17-2,...) Having the comparator 20 having the above configuration is mounted, FIG. 1 and FIG. The explanation will be based on this.
最初に、画素11の動作について図3のタイミングチャートを用いて説明する。なお、図2の画素回路において、リセットトランジスタ113のゲートに“H”レベルのリセットパルスVrstが与えられることでリセット動作が行われ、転送トランジスタ112のゲートに“H”レベルの読み出しパルスVtgが与えられることで転送動作が行われることになる。
First, the operation of the
水平ブランキング期間に相当する画素信号読み出し期間において、先ず、リセットパルスVrstが立つことで、画素11のリセットトランジスタ113がオン状態となってフローティングディフュージョンFDをリセットする。これにより、フローティングディフュージョンFDの電位が増幅トランジスタ114を介してリセット信号(リセット成分トV)として列信号線14(14−1,14−2,…)に出力される。
In the pixel signal reading period corresponding to the horizontal blanking period, first, when the reset pulse Vrst is raised, the
次に、読み出しパルスVtgが立つことで、画素11の転送トランジスタ112がオン状態となり、フォトダイオードPDで光電変換されて得られた電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。これにより、この転送された電荷量に応じてフローティングディフュージョンFDの電位が変化する。そして、この電位が増幅トランジスタ114を介して画素信号(信号成分)として列信号線14(14−1,14−2,…)に出力される。
Next, when the read pulse Vtg is raised, the
続いて、A−D変換回路17(17−1,17−2,…)の回路動作について、図4のタイミングチャートを用いて説明する。 Next, the circuit operation of the A / D conversion circuit 17 (17-1, 17-2,...) Will be described with reference to the timing chart of FIG.
行走査回路15による行走査によってある行が選択され、その選択行の画素11から列信号線14−1,14−2,…への1回目の読み出し動作が安定した後、“L”レベルのプリセットパルスPSETがMOSスイッチ205のゲートに与えられる。これにより、差動トランジスタ201のゲート−ドレイン間が短絡され、当該差動トランジスタ201の動作点が決定される。その後に、D−A変換回路18からランプ波形の参照電圧Vrefが容量202を介して差動トランジスタ201のゲートに与えられる。
A row is selected by row scanning by the
これにより、画素11の増幅トランジスタ114と差動トランジスタ201とからなる差動アンプにおいて、画素11のフローティングディフュージョンFDの電圧Vfd、即ち増幅トランジスタ114のゲート電圧Vfdと、ランプ波形の参照電圧Vref、即ち差動トランジスタ201のゲート電圧Vrefとを比較する動作が行われる。また、D−A変換回路18からの参照電圧Vrefの入力と同時に、カウンタ19で1回目のカウント動作が行われる。
Accordingly, in the differential amplifier including the
このようにして、増幅トランジスタ114のゲート電圧Vfdと差動トランジスタ201のゲート電圧Vrefとの比較動作とカウンタ19のカウント動作とが並行して実行され、両ゲート電圧Vfd,Vrefが等しくなったときに、比較器20の出力Vcoの極性が反転する。そして、この反転タイミングでカウンタ19のカウント値Nがメモリ装置21に取り込まれる。その結果、メモリ装置21には比較器20での比較期間に応じたカウンタ19のカウント値Nが保持される。
In this way, the comparison operation between the gate voltage Vfd of the
この1回目の読み出し動作では、画素11のリセット動作時のリセット成分ΔVが読み出されることになる。このリセット成分ΔV内には、画素11ごとばらつく固定パターンノイズがオフセットとして含まれている。しかし、このリセット成分ΔVのばらつきは一般に小さく、またリセットレベルは全画素共通であるために、任意の列信号線14−xの出力はおおよそ既知である。したがって、1回目のリセット成分ΔVの読み出し時には、ランプ波形の参照電圧Vrefを調整することにより比較期間を短くすることが可能である。本例では、7ビット分のカウント期間(128クロック)でリセット成分ΔVの比較を行っている。
In the first read operation, the reset component ΔV during the reset operation of the
2回目の読み出し動作では、リセット成分ΔVに加えて、画素11ごとの入射光量に応じた信号成分を、1回目の読み出し動作と同様の動作によって読み出す。すなわち、ある選択行の画素11から列信号線14−1,14−2,…への2回目の読み出し動作が安定した後、ランプ波形の参照電圧Vrefが差動トランジスタ201のゲートに与えられることで、画素11の増幅トランジスタ114と差動トランジスタ201とからなる差動アンプにおいて、増幅トランジスタ114のゲート電圧Vfdと差動トランジスタ201のゲート電圧Vrefとを比較する動作が行われる。また、参照電圧Vrefの入力と同時に、カウンタ19で2回目のカウント動作が行われる。
In the second read operation, in addition to the reset component ΔV , a signal component corresponding to the amount of incident light for each
そして、増幅トランジスタ114のゲート電圧Vfdと差動トランジスタ201のゲート電圧Vrefとの比較動作とカウンタ19のカウント動作とが並行して実行され、両ゲート電圧Vfd,Vrefが等しくなったときに、比較器20の出力Vcoの極性が反転し、この反転タイミングでカウンタ19のカウント値Nがメモリ装置21に保持される。このとき、1回目のカウント値(メモリ値N1)と2回目のカウント値(メモリ値N2)とは、A−D変換後のnビットのデジタル信号として、メモリ装置21内の異なった場所に保持される。
Then, the comparison operation between the gate voltage Vfd of the
上述した一連のA−D変換動作の終了後,列走査回路22による列走査により、メモリ装置21に保持された1回目と2回目のそれぞれnビットのデジタル信号が2n本の水平出力線23を経て、順次出力回路24に供給される。出力回路24には、減算回路(図示せず)が内蔵されており、当該減算回路において(2回目のデジタル信号)−(1回目のデジタル信号)なる減算処理によってCDS処理が行われた後外部へ出力される。それ以降、順次行毎に同様の動作が繰り返されることによって2次元画像が生成される。
After the above series of A-D conversion operations, the first and second n-bit digital signals held in the
上述したように、本発明の第1実施形態では、増幅トランジスタ114を有する画素11の行列状配置の列毎に、即ち列信号線14(14−1,14−2,…)毎にA−D変換回路17(17−1,17−2,…)を配置してなるカラムADC方式のCMOSイメージセンサにおいて、列信号線14(14−1,14−2,…)に対して、当該列信号線14を介して増幅トランジスタ114と共に差動対を形成する差動トランジスタ201を接続し、画素11から出力される信号を当該差動トランジスタ201を通して導出するようにしたことにより、次のような作用効果を得ることができる。
As described above, in the first embodiment of the present invention, A− for each column in the matrix arrangement of the
すなわち、画素11の増幅トランジスタ114のソースと、比較器20の入力段に設けられた差動トランジスタ201のソースとが、列信号線14(14−1,14−2,…)を介して共通に接続されることで、増幅トランジスタ114と差動トランジスタ201の各ソース電圧が同電位となる。このとき、増幅トランジスタ114と差動トランジスタ201とがほぼ同じトランジスタ特性を持つことから、両トランジスタ114,201での基板バイアス効果による閾値電圧Vthが同じだけ変動するため、その変動分が増幅トランジスタ114と差動トランジスタ201の差動動作によって相殺される。
That is, the source of the
これにより、比較器20において、増幅トランジスタ114のゲート電圧Vfdと差動トランジスタ201のゲート電圧Vrefとを比較する際に、ダイナミックレンジを狭めることなく、しかもゲート電圧Vfdについてリニアリティの良い状態で比較することができるため、画素11のフローティングディフュージョンFDの電位Vfdに比例したA−D変換出力を得ることができる。
As a result, when the comparator 20 compares the gate voltage Vfd of the
なお、上記第1実施形態では、A−D変換回路17を列信号線14−1,14−2,…の各々に対応して同じ数だけ有する構成のCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではない。具体的には、列信号線14−1,14−2,…を複数本ずつ組にし、各組に対してA−D変換回路17を1つずつ設け、1つの組の複数本の列信号線を経由して供給される画素11の信号を選択的に1つのA−D変換回路17でA−D変換する構成のCMOSイメージセンサや、A−D変換回路17を画素アレイ部12の上下両側に例えば1つずつ配置し、奇数行の画素11の信号と偶数行の画素11の信号とを上下のA−D変換回路17で別々に、且つ、列信号線14−1,14−2,…毎に選択的にA−D変換する構成のCMOSイメージセンサなどにも同様に適用機能である。
In the first embodiment, as an example, the A-D conversion circuit 17 is applied to a CMOS image sensor having the same number corresponding to each of the column signal lines 14-1, 14-2,. Although described above, the present invention is not limited to this application example. Specifically, a plurality of column signal lines 14-1, 14-2,... Are grouped, one AD conversion circuit 17 is provided for each group, and one group of a plurality of column signals is provided. A CMOS image sensor having a configuration in which a signal of the
[第2実施形態]
図5は、本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置、例えばカラムCDS方式(アナログ増幅型)のCMOSイメージセンサの構成例を示すブロック図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付して示している。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, for example, a column CDS (analog amplification type) CMOS image sensor. In FIG. The same reference numerals are given.
第1実施形態に係るCMOSイメージセンサでは、画素11から出力されるアナログ信号をカラム処理部10Aにおいてデジタル信号に変換して出力する構成を採っているのに対して、本実施形態に係るCMOSイメージセンサでは、画素11から出力されるアナログ信号をカラム処理部10Bにおいてアナログ信号のままCDS処理して出力する構成を採っている点で大きく相違している。
The CMOS image sensor according to the first embodiment employs a configuration in which the analog signal output from the
カラム処理部(列信号処理部)10Bは、列信号線14−1,14−2,…の一端側に、例えば、これら列信号線14−1,14−2,…の各々に対応して設けられたCDS回路30(30−1,30−2,…)によって構成されている。CDS回路30(30−1,30−2,…)は、画素11から出力されるリセット信号と画素信号との差をとることによって画素11の固定パターンノイズを除去する処理を行う。CDS回路30(30−1,30−2,…)でノイズ除去されたアナログの画素信号は、水平出力線32を介してアナログフロントエンド(AFE)部31へ転送され、当該AFE部31で所定の処理が行われた後出力される。
The column processing unit (column signal processing unit) 10B corresponds to one end side of the column signal lines 14-1, 14-2,..., For example, corresponding to each of the column signal lines 14-1, 14-2,. The CDS circuit 30 (30-1, 30-2,...) Is provided. The CDS circuit 30 (30-1, 30-2,...) Performs a process of removing the fixed pattern noise of the
本実施形態に係るCMOSイメージセンサにおいても、CDS回路30(30−1,30−2,…)およびアナログフロントエンド部31は、他の周辺の駆動回路などと共に、画素アレイ部12と同一のチップ上に集積されることになる。
Also in the CMOS image sensor according to the present embodiment, the CDS circuit 30 (30-1, 30-2,...) And the analog
図6は、上記構成の第2実施形態に係るカラムCDS方式のCMOSイメージセンサにおける、ある列の1つの画素11からアナログフロントエンド部31までの回路構成の一例を示す回路図であり、図中、図2と同等部分には同一符号を付して示している。
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration from one
図6において、CDS回路30の入力段に、ソースが列信号線14(14−1,14−2,…)に接続されたNchMOSトランジスタ301が設けられている。ここで、本CDS回路30が画素アレイ部12と同一のチップ上に集積されることになるため、MOSトランジスタ301は画素11の増幅トランジスタ114とほぼ同じトランジスタ特性を持つことになる。MOSトランジスタ301は、画素11の増幅トランジスタ114と列信号線列信号線14(14−1,14−2,…)を介してソースが共通に接続されることで、当該増幅トランジスタ114と共に差動アンプ(差動回路)を形成することになる。以下、このMOSトランジスタ301を差動トランジスタ301と呼ぶこととする。
6, an
差動トランジスタ301のドレインは、Pchの負荷MOSトランジスタ302を介して電圧AVDの電源ラインL1に接続されている。負荷MOSトランジスタ302のゲートには、DCゲート電圧VGpが印加される。負荷MOSトランジスタ302のゲートと電源ラインL1との間には容量303が接続されている。画素11の増幅トランジスタ114と差動トランジスタ301とからなる差動アンプの出力端、即ち差動トランジスタ301のドレインには、PchMOSトランジスタ304のゲートが接続されている。このMOSトランジスタ304は、ソースが電源ラインL1に接続され、ドレインがNchMOSトランジスタ305を介してグランドに接続されている。MOSトランジスタ305は、ゲートにDCゲート電圧VGnが与えられることで定電流源として動作する。MOSトランジスタ305のゲートとグランドとの間には容量306が接続されている。
The drain of the
MOSトランジスタ304のドレインから導出される差動アンプ出力Voは、差動トランジスタ301のゲート入力になるとともに、CDS部307に与えられる。CDS部307は、クランプ容量C11、クランプスイッチS11、ホールド容量C12およびサンプリングスイッチS12によって構成されている。このCDS部307でCDS処理された画素信号、即ちCDS回路30から出力される画素信号は、水平選択スイッチS13を介して選択的にアナログフロントエンド部31に供給される。
The differential amplifier output Vo derived from the drain of the
アナログフロントエンド部31は、CDS回路30からの画素信号を反転(−)入力とし、基準電圧Vrを非反転(+)入力とするオペアンプOP、当該オペアンプOPの反転入力端子と出力端子との間に並列に接続された帰還容量C13およびスイッチS14、サンプリングスイッチS15、ホールド容量C14、ソースフォロアのMOSトランジスタTrおよび負荷抵抗Rによって構成されている。
The analog
次に、上記構成のCDS回路30(30−1,30−2,…)を搭載した本実施形態に係るCMOSイメージセンサの回路動作について、図5および図6を基にして図7のタイミングチャートを用いて説明する。なお、画素11の動作については、第1実施形態の場合と同じであるため、ここではその説明を省略するものとする。
Next, regarding the circuit operation of the CMOS image sensor according to the present embodiment on which the CDS circuit 30 (30-1, 30-2,...) Having the above configuration is mounted, the timing chart of FIG. 7 based on FIG. 5 and FIG. Will be described. Note that the operation of the
水平ブランキング期間に相当する画素信号読み出し期間において、先ず、画素11のリセット信号が出力されるP相(プリセット相)でスイッチS11,S12,S14が閉じる。次いで、画素11の画素信号が出力されるD相(データ相)でスイッチS12,S14が閉じたままにしてスイッチS11のみが開くことで画素信号がサンプリングされる。これにより、CDS部307において、リセット信号を含む画素信号からリセット信号を引くことによって画素11の固定パターンノイズを除去するCDS処理が行われる。
In the pixel signal readout period corresponding to the horizontal blanking period, first, the switches S11, S12, and S14 are closed in the P phase (preset phase) in which the reset signal of the
CDS処理が完了した後、カラム容量読み出し期間に移行する。このカラム容量読み出し期間において、スイッチS14が開くと同時に水平選択スイッチS13が閉じ、次いでスイッチS15が閉じることで、CDS部307でCDS処理が行われた画素信号が読み出され、アナログの画素信号のまま外部へ出力される。
After the CDS process is completed, the column capacity reading period starts. In this column capacity reading period, when the switch S14 is opened and the horizontal selection switch S13 is closed and then the switch S15 is closed, the pixel signal subjected to the CDS processing in the
上述したように、本発明の第2実施形態では、増幅トランジスタ114を有する画素11の行列状配置の列毎に、即ち列信号線14(14−1,14−2,…)毎にCDS回路30(30−1,30−2,…)を配置してなるカラムCDS方式のCMOSイメージセンサにおいて、列信号線14(14−1,14−2,…)に対して、当該列信号線14を介して増幅トランジスタ114と共に差動対を形成する差動トランジスタ301を接続してボルテージフォワアンプに似た構成とし、画素11から出力される信号を当該差動トランジスタ301を通して導出するようにしたことにより、次のような作用効果を得ることができる。
As described above, in the second embodiment of the present invention, the CDS circuit is provided for each column in the matrix arrangement of the
すなわち、画素11の増幅トランジスタ114のソースと、CDS回路30の入力段に設けられた差動トランジスタ301のソースとが、列信号線14(14−1,14−2,…)を介して共通に接続されることで、増幅トランジスタ114と差動トランジスタ301の各ソース電圧が同電位となる。このとき、増幅トランジスタ114と差動トランジスタ301とがほぼ同じトランジスタ特性を持つことから、両トランジスタ114,301での基板バイアス効果による閾値電圧Vthが同じだけ変動するため、その変動分が増幅トランジスタ114と差動トランジスタ301の差動動作によって相殺される。したがって、ソースフォロアのようにリニアリティが悪化せず、しかもダイナミックレンジを狭めることなく、画素11から出力される信号を導出したCDS回路30に供給することができる。
That is, the source of the amplifying
なお、上記第1,第2実施形態では、画素11が行列状に2次元配置されてなるエリアセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はエリアセンサへの適用に限られるものではなく、例えば画素11が直線状に1次元配置されてなるリニアセンサ(ラインセンサ)にも同様に適用可能である。
In the first and second embodiments, the case where the
また、上記第2実施形態では、CDS回路30を列信号線14−1,14−2,…の各々に対応して同じ数だけ有する構成のCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではない。具体的には、列信号線14−1,14−2,…を複数本ずつ組にし、各組に対してCDS回路30を1つずつ設け、1つの組の複数本の列信号線を経由して供給される画素11の信号を選択的に1つのCDS回路30でCDS処理する構成のCMOSイメージセンサや、CDS回路30を画素アレイ部12の上下両側に例えば1つずつ配置し、奇数行の画素11の信号と偶数行の画素11の信号とを上下のCDS回路30で別々に、且つ、列信号線14−1,14−2,…毎に選択的にCDS処理する構成のCMOSイメージセンサなどにも同様に適用機能である。
In the second embodiment, the case where the
10A,10B…カラム処理部(列信号処理部)、11・単位画素、12…画素アレイ部、13(13−1,13−2)…行制御線、14(14−1,14−2)…列信号線、15…行走査回路、16…定電流源、17(17−1,17−2)…A−D変換回路、18…D−A変換回路、19…カウンタ、20…比較器、21…メモリ装置、22…列走査回路、23,32…水平出力線、24…出力回路、25…タイミング制御回路、30(30−1,30−2)…CDS回路、31…アナログフロントエンド部、111…フォトダイオード、112…転送トランジスタ、113…リセットトランジスタ、114…増幅トランジスタ、201,301…差動トランジスタ
10A, 10B ... column processing unit (column signal processing unit), 11 unit pixel, 12 ... pixel array unit, 13 (13-1, 13-2) ... row control line, 14 (14-1, 14-2) DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Column signal line, 15 ... Row scanning circuit, 16 ... Constant current source, 17 (17-1, 17-2) ... AD converter circuit, 18 ... DA converter circuit, 19 ... Counter, 20 ... Comparator , 21 ... Memory device, 22 ... Column scanning circuit, 23, 32 ... Horizontal output line, 24 ... Output circuit, 25 ... Timing control circuit, 30 (30-1, 30-2) ... CDS circuit, 31 ... Analog
Claims (5)
前記画素アレイ部と同じ基板上に設けられ、前記信号線を介して前記増幅トランジスタとソースが共通に接続されることによって当該増幅トランジスタと差動対を形成する差動トランジスタを有する信号処理手段とを備え、
前記信号処理手段は、前記単位画素から前記信号線に出力される信号を、前記差動トランジスタを通して導出する際に、前記増幅トランジスタおよび前記差動トランジスタでの基板バイアス効果による閾値電圧の変動分を前記増幅トランジスタおよび前記差動トランジスタの差動動作によって相殺する
固体撮像装置。 The photoelectric conversion element and the photoelectric conversion unit pixel having an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the charge obtained by the element is arranged Rutotomoni, a pixel array portion signal line for each column is formed by the wiring,
A signal processing unit having a differential transistor that is provided on the same substrate as the pixel array unit and that forms a differential pair with the amplification transistor by commonly connecting the amplification transistor and the source via the signal line ; With
When the signal processing means derives a signal output from the unit pixel to the signal line through the differential transistor, the signal processing means calculates a threshold voltage variation due to a substrate bias effect in the amplification transistor and the differential transistor. A solid-state imaging device that cancels out by a differential operation of the amplification transistor and the differential transistor .
請求項1記載の固体撮像装置。 The signal processing means includes the differential transistor in an input stage, and converts an analog signal input from the unit pixel via the differential transistor into an n-bit digital signal and outputs the analog signal. The solid-state imaging device according to claim 1.
請求項2記載の固体撮像装置。 The analog-digital conversion circuit includes a comparator having a differential configuration including the pixel transistor having a floating diffusion potential in the unit pixel as a gate input and the differential transistor having a reference voltage as a gate input. Item 3. The solid-state imaging device according to Item 2.
請求項2記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the analog-digital conversion circuit is provided for each column signal line.
前記画素アレイ部と同じ基板上に設けられ、前記信号線を介して前記増幅トランジスタとソースが共通に接続されることによって当該増幅トランジスタと差動対を形成する差動トランジスタを有する信号処理手段と
を備えた固体撮像装置の駆動に当たって、
前記信号処理手段において、前記単位画素から前記信号線に出力される信号を、前記差動トランジスタを通して導出する際に、前記増幅トランジスタおよび前記差動トランジスタでの基板バイアス効果による閾値電圧の変動分を前記増幅トランジスタおよび前記差動トランジスタの差動動作によって相殺する
固体撮像装置の信号処理方法。 The photoelectric conversion element and the photoelectric conversion unit pixel having an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the charge obtained by the element is arranged Rutotomoni, a pixel array portion signal line for each column is formed by the wiring,
A signal processing unit having a differential transistor that is provided on the same substrate as the pixel array unit and that forms a differential pair with the amplification transistor by commonly connecting the amplification transistor and the source via the signal line;
Against the driving of the solid state imaging device provided with,
In the signal processing means, when a signal output from the unit pixel to the signal line is derived through the differential transistor, a variation in threshold voltage due to a substrate bias effect in the amplification transistor and the differential transistor is calculated. A signal processing method of a solid-state imaging device that cancels out by a differential operation of the amplification transistor and the differential transistor .
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