JP4666383B2 - Amplification type solid-state imaging device and electronic information device - Google Patents
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Description
本発明は、複数の光電変換部からの各信号電荷を順次増幅可能とする電荷増幅部が、複数の光電変換部に対して共通に設けられたAPS型イメージセンサなどの増幅型固体撮像装置および、この増幅型固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention relates to an amplification type solid-state imaging device such as an APS type image sensor in which a charge amplification unit capable of sequentially amplifying signal charges from a plurality of photoelectric conversion units is provided in common to the plurality of photoelectric conversion units, and The present invention relates to digital information cameras, such as digital video cameras and digital still cameras, and electronic information devices such as image input cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phone devices that use this amplification type solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit. .
従来、この種の増幅型固体撮像装置として、信号電荷の増幅機能を持たせた画素部と、この画素部の周辺に設けられた走査回路とを有し、この走査回路によって画素部から画素データを読み出す増幅型固体撮像装置が提案されている。特に、画素構成を周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するために有利なCMOS(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたAPS(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。 Conventionally, this type of amplification type solid-state imaging device has a pixel portion having a signal charge amplification function and a scanning circuit provided around the pixel portion, and the scanning circuit provides pixel data from the pixel portion. An amplification-type solid-state imaging device for reading out the image has been proposed. In particular, there is known an APS (Active Pixel Sensor) type image sensor constituted by CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) which is advantageous for integrating a pixel configuration with a peripheral driving circuit and a signal processing circuit.
このAPS型イメージセンサは、通常、1画素部内に、光電変換部と、増幅部と、画素選択部と、リセット部とを形成する必要がある。このため、APS型イメージセンサには、通常、フォトダイオードからなる光電変換部の他に、3個〜4個のMOSトランジスタが用いられている。 In this APS type image sensor, it is usually necessary to form a photoelectric conversion unit, an amplification unit, a pixel selection unit, and a reset unit in one pixel unit. For this reason, in the APS type image sensor, three to four MOS transistors are usually used in addition to the photoelectric conversion unit made of a photodiode.
しかしながら、1画素部当たり3個〜4個のMOSトランジスタが必要とされると、画素サイズを小型化するための制約となるため、例えば特許文献1などにおいて、1画素部当たりのトランジスタ数を低減する方法が提案されている。
However, if 3 to 4 MOS transistors are required per pixel portion, it becomes a restriction for reducing the pixel size. For example, in
図12は、特許文献1に開示されている従来の増幅型固体撮像装置の要部構成例を示す回路図である。なお、図12では、複数行および複数列にマトリクス状に配列された画素部のうち、第(m、1)行と第(m、2)行の第i列目のみを示している。但し、m、iは自然数である。
FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a main part of a conventional amplification type solid-state imaging device disclosed in
図12において、従来の増幅型固体撮像装置100は、光電変換素子としてのフォトダイオード101と、転送用トランジスタ102と、増幅用トランジスタ103と、リセットトランジスタ104と、選択用トランジスタ105とを有している。
In FIG. 12, a conventional amplification type solid-
フォトダイオード101は、埋め込み型として、フォトダイオード101からの信号電荷転送を完全に行えば、極めて低ノイズ化させて高画質の画像を得ることができるということが知られている。
It is known that the
転送用トランジスタ102は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、ゲートに供給される駆動パルスφTによって制御されて、フォトダイオード101に蓄積された信号電荷を転送させる。ここでは、上下に隣接する第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2つの転送用トランジスタ102にはそれぞれ、駆動パルスφT(m、1)およびφT(m、2)がそれぞれ供給されている。また、これらの2つの転送用トランジスタ102の出力側には、共通して信号電荷蓄積部106が接続されている。
The
増幅用トランジスタ103は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、ゲートに信号電荷蓄積部106が接続され、ソースに選択用トランジスタ105を介して信号線107が接続され、ドレインに電位供給線108が接続されており、信号線107と接地電位GNDとの間に接続された定電流負荷トランジスタ109と共にソースフォロワ回路を構成している。
The
リセットトランジスタ104は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、ソースに信号電荷蓄積部106が接続され、ドレインに電位供給線108が接続されており、ゲートに供給される駆動パルスφRによって制御されて、電荷蓄積部106の電位を電位供給線108の電位でリセットする。
The
選択用トランジスタ105は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、増幅用MOSトランジスタ103のソースと信号線107との間に接続されており、ゲートに供給される駆動パルスφSによって選択制御されて、選択された画素部からの信号電荷に応じた信号が信号線107に読み出される。
The
上記構成の従来の増幅型固体撮像装置100の動作について、図13を用いて詳細に説明する。
The operation of the conventional amplification type solid-
図13は、図12の従来の増幅型固体撮像装置100の各駆動パルスφS(m)、φR(m)、φT(m、1)およびφT(m、2)の各信号波形をそれぞれ示すと共に、電荷蓄積部106および信号線107の各電位をそれぞれ示すタイミング図である。
FIG. 13 shows signal waveforms of the drive pulses φS (m), φR (m), φT (m, 1) and φT (m, 2) of the conventional amplification type solid-
図13に示すように、まず、期間T1では、第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通のリセットトランジスタ104のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がハイレベルとなってリセットトランジスタ104がオン状態となり、ゲート下のポテンシャル電位が上がる。これによって、第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通の信号電荷蓄積部106からリセットトランジスタ104のドレイン側に電荷移動が起こり、信号電荷蓄積部106の電位が電源電位Vddにリセットされる。
As shown in FIG. 13, first, in the period T1, the voltage is applied to the gate of the
次に、期間T2では、第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通のリセットトランジスタ104のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルとなってリセットトランジスタ104がオフ状態となる。ところが、第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通の選択用トランジスタ105のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルのままであり、選択用トランジスタ105がオン状態であるため、リセットレベルが第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通の増幅用トランジスタ103を介して信号線107に読み出される。このとき、増幅用トランジスタ103と定電流負荷トランジスタ109とによってソースフォロワ回路が構成されている。これによって、信号線107の電位は、期間T1およびT2で高い電圧Vsig(i)になっている。
Next, in the period T2, a driving pulse φR (applied to the gate of the
さらに、期間T3では、第(m,1)行の転送トランジスタ102のゲートに印加される駆動パルスφT(m,1)がハイレベルとなって第(m,1)行の転送トランジスタ102がオン状態となり、ゲート下のポテンシャル電位が上がるため、第(m,1)行のフォトダイオード101に蓄積された信号電荷が転送トランジスタ102を通って信号電荷蓄積部106に転送される。これによって、転送された信号電荷の分だけ信号電荷蓄積部106の電位が低下すると共に、この低下した信号電荷蓄積部106の電位に応じて増幅用トランジスタ103で増幅された信号が選択用トランジスタ105を介して信号線107に出力されて、信号線107の電位も低下する。
Further, in the period T3, the drive pulse φT (m, 1) applied to the gates of the
続いて、期間T4では、第(m,1)行の転送トランジスタ102のゲートに印加される駆動パルスφT(m,1)がローレベルとなって第(m,1)行の転送トランジスタ102がオフ状態となる。これによって、共通の信号電荷蓄積部106では、信号電荷転送時の電位が保持され、第(m,1)行の画素部の信号レベルが第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通の増幅用トランジスタ103で増幅された信号が選択用トランジスタ105を介して信号線107に読み出されている。
Subsequently, in the period T4, the drive pulse φT (m, 1) applied to the gates of the
期間T4以降は、共通の選択用トランジスタ105のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がローレベルになって、選択用トランジスタ105がオフ状態となるため、信号線107の電位はローレベルになる。
After the period T4, the drive pulse φS (m) applied to the gate of the
1水平走査期間(1H)後、次の第(m,2)行目の画素部に対して、第(m,2)行のフォトダイオード101からの信号電荷が、第(m,2)行の転送トランジスタ102を介して、第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素部に共通のリセットトランジスタ104、増幅用トランジスタ103および選択用トランジスタ105に導かれ、上記期間T1〜T4と同様の動作が繰り返し行われる。
After one horizontal scanning period (1H), signal charges from the
上記従来の増幅型固体撮像装置100において、2画素部毎に共通する信号電荷蓄積部106、増幅用トランジスタ103、リセットトランジスタ104および選択用トランジスタ105が設けられている場合、光電変換素子としてのフォトダイオード101と転送用トランジスタ102とは各画素部毎に設けられているため、1画素部当たり2.5個のトランジスタが必要とされる。したがって、1画素部当たりのトランジスタ数を低減させることができる。また、例えば、4画素部毎に共通する信号電荷蓄積部106、増幅用トランジスタ103、リセットトランジスタ104および選択用トランジスタ105が設けられている場合には、1画素部当たり1.75個のトランジスタが必要とされる。したがって、1画素部当たりのトランジスタ数をさらに削減することができる。
しかしながら、上記従来の増幅型固体撮像装置には、以下のような問題がある。 However, the conventional amplification type solid-state imaging device has the following problems.
フォトダイオード101からの信号電荷△Qsigを電圧信号△Vsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、共通の信号電荷蓄積部106の容量をCFDとすると、
η=G×△Vsig/△Qsig=G/CFD
となる。上記式において、Gは、増幅用トランジスタ103と定電流負荷トランジスタ109とによって構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、通常「1」よりも若干小さい値(〜0.9)を示している。電荷電圧変換効率ηを大きくするためには、信号電荷蓄積部106の容量CFDを小さくする必要がある。
The charge-voltage conversion efficiency η for converting the signal charge ΔQsig from the
η = G × ΔVsig / ΔQsig = G / CFD
It becomes. In the above equation, G is the gain of the source follower circuit constituted by the amplifying
上記信号電荷蓄積部106の容量CFDは、信号電荷蓄積部106に接続された転送用トランジスタ102のドレイン側接合容量と増幅用トランジスタ103のゲート容量および基板とのジャンクション容量、並びに配線間のカップリング容量の総和である。したがって、共通の信号電荷蓄積部106に接続されたフォトダイオード101および転送用トランジスタ102の数が多くなるほど、電荷電圧変換率ηが低下するという問題がある。
The capacitance CFD of the signal
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、信号電荷蓄積部を複数の画素部で共通化して画素サイズを小型化すると共に、電荷電圧変換率を高くして高画質の画像を得ることができる増幅型固体撮像装置および、この増幅型固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and a signal charge storage unit is shared by a plurality of pixel units to reduce the pixel size and increase the charge-voltage conversion rate to obtain a high-quality image. It is an object of the present invention to provide an amplification type solid-state imaging device capable of performing the above and an electronic information device using the amplification type solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit.
本発明の増幅型固体撮像装置は、複数の光電変換部からの各信号電荷を順次増幅可能なように電荷増幅部が共通に設けられた増幅型固体撮像装置において、該電荷増幅部からの出力電位を該電荷増幅部の電位供給線にフィードバックするフィードバック回路を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The amplification type solid-state imaging device of the present invention is an amplification type solid-state imaging device provided with a common charge amplification unit so that signal charges from a plurality of photoelectric conversion units can be sequentially amplified. A feedback circuit that feeds back the potential to the potential supply line of the charge amplifying unit is provided, thereby achieving the above object.
本発明の増幅型固体撮像装置は、画素部毎に、光電変換部と、該光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送手段とを有した光電変換転送部と、
複数の画素部毎に共通して設けられ、該光電変換転送部からの各信号電荷を増幅して信号線に読み出し可能とする電荷増幅部と、該信号線の電位を該電荷増幅部の電位供給線にフィードバックするフィードバック回路とを備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
The amplification type solid-state imaging device of the present invention includes, for each pixel unit, a photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion unit and a charge transfer unit for transferring a signal charge from the photoelectric conversion unit,
A charge amplifying unit that is provided in common for each of the plurality of pixel units and amplifies each signal charge from the photoelectric conversion transfer unit and can read the signal charge to the signal line, and the potential of the signal line is the potential of the charge amplifying unit And a feedback circuit for feeding back to the supply line, whereby the above object is achieved.
また、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における光電変換部が埋め込み型フォトダイオードから構成されている。 Preferably, the photoelectric conversion unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention is constituted by an embedded photodiode.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部は、前記光電変換部からの信号電荷の出力側に共通して設けられた信号電荷蓄積部に入力部が接続されると共に出力部が信号線に接続され、前記電位供給線により電位が供給され、該信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷量に応じて増幅されて該信号線に前記出力電位が読み出される。 Further preferably, the charge amplifying unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention has an input unit connected to a signal charge storage unit provided in common on the output side of the signal charge from the photoelectric conversion unit and outputs the same. Is connected to a signal line, supplied with a potential from the potential supply line, amplified according to the amount of signal charge stored in the signal charge storage section, and the output potential read out to the signal line.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部は、前記入力部としてのゲートに前記信号電荷蓄積部が接続され、前記出力部としてのソースに前記信号線が接続された増幅用トランジスタを有している。 Further preferably, in the amplification type solid-state imaging device of the present invention, the charge amplification unit is an amplification in which the signal charge storage unit is connected to the gate as the input unit, and the signal line is connected to the source as the output unit. Transistor.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における増幅用トランジスタと、前記信号線と接地電位間に接続された定電流負荷トランジスタとによってソースフォロワ回路が構成されている。 Further, preferably, a source follower circuit is configured by the amplification transistor in the amplification type solid-state imaging device of the present invention and the constant current load transistor connected between the signal line and the ground potential.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部は、前記増幅用トランジスタのソースと前記信号線との間に接続された選択用トランジスタと、前記信号電荷蓄積部にソースが接続されたリセットトランジスタとをさらに有し、該増幅用トランジスタと該リセットトランジスタの各ドレインが前記電位供給線に接続されている。 Further preferably, in the amplification type solid-state imaging device according to the present invention, the charge amplification unit includes a selection transistor connected between the source of the amplification transistor and the signal line, and a source connected to the signal charge storage unit. The amplifying transistor and each drain of the reset transistor are connected to the potential supply line.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置におけるフィードバック回路は、前記電荷増幅部の出力電位が入力部に入力され、該電荷増幅部の出力電位に応じた出力電位が出力部から前記電位供給線に出力されるトランジスタ回路を有する。 Further preferably, in the feedback circuit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention, the output potential of the charge amplification unit is input to the input unit, and the output potential according to the output potential of the charge amplification unit is output from the output unit to the potential. A transistor circuit output to the supply line;
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置におけるトランジスタ回路は、前記入力部としてのゲートに前記信号線が接続され、前記出力部としてのソースに前記電荷増幅部の電位供給線が接続され、ドレインが接地されたMOSトランジスタと、該MOSトランジスタのソースと電源電位との間に接続された定電流負荷トランジスタとを有する。 Further preferably, in the transistor circuit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention, the signal line is connected to the gate as the input unit, and the potential supply line of the charge amplification unit is connected to the source as the output unit. A MOS transistor having a drain grounded, and a constant current load transistor connected between the source of the MOS transistor and a power supply potential.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部の電位供給線に対して、電位供給部と前記フィードバック回路の出力部とを切り替えて接続するスイッチ回路をさらに有する。 Furthermore, it preferably further includes a switch circuit for switching and connecting the potential supply unit and the output unit of the feedback circuit to the potential supply line of the charge amplification unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電位供給部から電源電位が供給される。 Further preferably, the power supply potential is supplied from the potential supply unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置におけるスイッチ回路は、信号電荷読み出し期間に前記フィードバック回路の出力部側を選択し、該信号電荷読み出し期間以外は前記電位供給部側を選択する。 Further preferably, the switch circuit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention selects the output unit side of the feedback circuit during the signal charge readout period, and selects the potential supply unit side during the signal charge readout period.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置におけるスイッチ回路は、互いのゲートに逆相のパルス信号がそれぞれ供給される2つの切り替え用トランジスタを有し、一方の切り替え用トランジスタが前記電位供給部と前記電荷増幅部の電位供給線の間に接続され、他方の切り替え用トランジスタが前記フィードバック回路の出力部と前記電荷増幅部の電位供給線の間に接続されている。 Further preferably, the switch circuit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention has two switching transistors each supplied with a reverse-phase pulse signal to each gate, and one of the switching transistors supplies the potential. And the other switching transistor is connected between the output part of the feedback circuit and the potential supply line of the charge amplification part.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電位供給部から出力電位が制御されて出力されることにより、前記電位供給線の電位が制御されている。 Further, preferably, the potential of the potential supply line is controlled by controlling and outputting the output potential from the potential supply unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部は、前記信号電荷蓄積部にソースが接続されたリセットトランジスタをさらに有し、前記増幅用トランジスタと該リセットトランジスタのドレインが前記電位供給線に接続され、前記増幅用トランジスタのソースが信号線に接続されている。 Further preferably, the charge amplification unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention further includes a reset transistor having a source connected to the signal charge storage unit, and the amplification transistor and the drain of the reset transistor are connected to the potential. Connected to the supply line, the source of the amplifying transistor is connected to the signal line.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置において、前記電位供給線の電位を、前記電荷増幅部が出力動作しない程度の低電位(動作不可能な低電圧)に設定制御することにより、前記信号電荷蓄積部の電位を該低電位に保持して前記電荷増幅部の出力動作が停止可能とされる。また、前記電位供給線の電位を接地電位に設定制御することにより、前記信号電荷蓄積部の電位を接地電位に保持して前記電荷増幅部の出力動作が停止可能とされていてもよい。 Further preferably, in the amplification type solid-state imaging device of the present invention, by controlling the potential of the potential supply line to a low potential (low voltage that cannot be operated) such that the charge amplification unit does not perform an output operation, The output operation of the charge amplification unit can be stopped by holding the potential of the signal charge storage unit at the low potential. Further, the output operation of the charge amplifying unit may be stopped by setting and controlling the potential of the potential supply line to the ground potential to hold the potential of the signal charge storage unit at the ground potential.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置におけるスイッチ回路は、前記電位供給部と前記電荷増幅部の電位供給線の間に接続されたCMOS型スイッチ回路と、前記フィードバック回路の出力部と該電荷増幅部の電位供給線の間に接続された切り替え用トランジスタとを有する。 Further preferably, the switch circuit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention includes a CMOS type switch circuit connected between the potential supply unit and a potential supply line of the charge amplification unit, and an output unit of the feedback circuit. A switching transistor connected between the potential supply lines of the charge amplifying unit.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部の出力部に対して、一定電源電位と前記定電流負荷回路とを切り替えて接続するスイッチ回路をさらに有する。 Furthermore, it preferably further includes a switch circuit for switching and connecting a constant power supply potential and the constant current load circuit to the output section of the charge amplification section in the amplification type solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部の入力部と出力部とを短絡することにより、前記電荷増幅部の出力動作が停止可能とされている。 Furthermore, it is preferable that the output operation of the charge amplification unit can be stopped by short-circuiting the input unit and the output unit of the charge amplification unit in the amplification type solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の増幅型固体撮像装置における電荷増幅部が、前記信号電荷蓄積部にソースが接続されたリセットトランジスタをさらに有し、該リセットトランジスタのドレインが、前記増幅用トランジスタを介して前記電位供給線に接続されかつ信号線に接続されている。 Further preferably, in the amplification type solid-state imaging device of the present invention, the charge amplification unit further includes a reset transistor having a source connected to the signal charge storage unit, and the drain of the reset transistor is connected to the amplification transistor. And connected to the potential supply line and to the signal line.
本発明の電子情報機器は、本発明の上記増幅型固体撮像装置を撮像部に用いて画像撮影が行われるものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The electronic information device of the present invention is one in which an image is taken using the amplification type solid-state imaging device of the present invention as an imaging unit, thereby achieving the above object.
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below with the above configuration.
本発明にあっては、特許文献1の従来技術と同様に、信号電荷蓄積部と電荷増幅部が少なくとも2つ以上の画素毎に共通して設けられて1画素部当たりのトランジスタ数が少なくされた増幅型固体撮像装置において、信号線の電位を電荷増幅部の電位供給線にフィードバックするフィードバック回路を備えている。これにより、信号線の電位変化に応じて、電荷増幅部の電位供給線も電位が変化するため、信号電荷蓄積部と電位供給線とのカップリング容量を見掛け上、小さくすることが可能となる。その結果、信号電荷蓄積部に寄生する容量が減少されて電荷電圧変換効率が増大され、固体撮像装置の高感度化を達成することが可能となる。要は、V=Q/Cなので、電荷Qが一定で、容量Cを小さくすることにより電圧Vの電圧感度を大きくできる。
In the present invention, as in the prior art of
また、光電変換素子を埋め込み型フォトダイオードとすることによって、光電変換素子からの信号電荷を転送トランジスタによって完全に転送させることが可能となり、低ノイズ化されたより高画質な画像を得ることが可能となる。 In addition, by making the photoelectric conversion element an embedded photodiode, the signal charge from the photoelectric conversion element can be completely transferred by the transfer transistor, and a higher-quality image with reduced noise can be obtained. Become.
さらに、電荷増幅部は、その入力部としてのゲートに信号電荷蓄積部が接続され、その出力部としてのソースに信号線が接続された増幅用MOSトランジスタと、信号線と接地電位との間に接続された定電流負荷トランジスタとによってソースフォロワ回路を構成することが可能となる。また、フィードバック回路は、フィードバックの入力部としてのゲートに信号線が接続され、フィードバックの出力部としてのソースに電荷増幅部の電位供給線が接続され、ドレインが接地されたMOSトランジスタと、このMOSトランジスタのソースと電源電位との間に接続された定電流負荷トランジスタとによってソースフォロワ回路を構成することが可能となる。この構成によれば、フィードバック回路がゲイン「1」以下の正帰還となるため、信号線の電位を電荷増幅部の電位供給線にフィードバックする際に、フィードバックを安定して制御することが可能となる。 Further, the charge amplification unit has a signal charge storage unit connected to the gate as its input unit, and an amplification MOS transistor having a signal line connected to its source as its output unit, and between the signal line and the ground potential. A source follower circuit can be configured with the connected constant current load transistors. The feedback circuit includes a MOS transistor having a signal line connected to a gate as a feedback input unit, a potential supply line of a charge amplification unit connected to a source as a feedback output unit, and a drain grounded, and the MOS A source follower circuit can be configured by a constant current load transistor connected between the source of the transistor and the power supply potential. According to this configuration, since the feedback circuit is a positive feedback with a gain “1” or less, the feedback can be stably controlled when the potential of the signal line is fed back to the potential supply line of the charge amplifying unit. Become.
さらに、電荷増幅部の電位供給線に対して、電位供給端とフィードバック回路の出力部とを切り替えて接続するスイッチ回路をさらに設けて、読み出し期間以外はフィードバック回路を動作させず、電位供給線を電位供給端に接続して電位供給端から一定電位を供給することによって、動作の安定化を図ることが可能となる。 Further, a switch circuit for switching and connecting the potential supply terminal and the output part of the feedback circuit to the potential supply line of the charge amplification unit is further provided, and the potential supply line is not operated without operating the feedback circuit except during the readout period. By connecting to the potential supply end and supplying a constant potential from the potential supply end, the operation can be stabilized.
さらに、電位制御機構によって電位供給端の電位を制御して、電位供給線の電位を制御することにより、電荷蓄積部の電位を低電位に保持して、電荷増幅部の動作を停止させることが可能となる。これにより、従来の増幅型固体撮像装置において画素部を選択するために必要とされていた選択用トランジスタが不要となり、その分の面積を光電変換素子に割り当てることができるため、増幅型固体撮像装置の高感度化を達成することが可能となる。 Further, by controlling the potential of the potential supply end by the potential control mechanism and controlling the potential of the potential supply line, the potential of the charge accumulation unit can be held at a low potential and the operation of the charge amplification unit can be stopped. It becomes possible. This eliminates the need for a selection transistor that is required for selecting a pixel portion in the conventional amplification type solid-state imaging device, and can allocate the area to the photoelectric conversion element. It is possible to achieve higher sensitivity.
さらに、信号線に対して、一定電位と定電流負荷回路とを切り替えて接続するスイッチ回路をさらに設けて、電荷増幅部の入力部と出力部とを短絡させることによって、電荷増幅部の動作を停止させることが可能となる。これにより、従来の増幅型固体撮像装置において画素部を選択するために必要とされていた選択用トランジスタが不要となり、その分の面積を光電変換素子に割り当てることができるため、増幅型固体撮像装置の高感度化を達成することが可能となる。 In addition, a switch circuit for switching and connecting a constant potential and a constant current load circuit to the signal line is further provided, and the operation of the charge amplifying unit is controlled by short-circuiting the input unit and the output unit of the charge amplifying unit. It can be stopped. This eliminates the need for a selection transistor that is required for selecting a pixel portion in the conventional amplification type solid-state imaging device, and can allocate the area to the photoelectric conversion element. It is possible to achieve higher sensitivity.
さらに、外来のノイズや容量部分などによって、電源電位が変化する場合があるが、この場合にも、信号電荷蓄積部6と電位給線8とのカップリング容量が低減できることから、電源ノイズを低減することが可能となる。つまり、電源電位が変化したときの耐ノイズ性を向上することが可能となる。
Furthermore, the power supply potential may change due to external noise or a capacitance portion. In this case as well, since the coupling capacitance between the signal
以上により、本発明の増幅型固体撮像装置によれば、信号線の電位変化を電荷増幅部の電位供給線にフィードバックして電位供給線の電位を変化させるため、信号電荷蓄積部を複数の画素部で共通化して画素サイズを小型化すると共に、電荷電圧変換率を高くし、かつ電源電位が変化したときの耐ノイズ性を向上できて、高画質の画像を得ることができる。これによって、小型化、高性能化されたイメージセンサを形成するため、本発明の増幅型固体撮像装置は極めて有用である。 As described above, according to the amplification type solid-state imaging device of the present invention, the signal charge storage unit is provided with a plurality of pixels in order to change the potential of the potential supply line by feeding back the potential change of the signal line to the potential supply line of the charge amplification unit. The pixel size can be reduced by using the common part, the charge-voltage conversion rate can be increased, the noise resistance when the power supply potential changes can be improved, and a high-quality image can be obtained. Thus, the amplification type solid-state imaging device of the present invention is extremely useful for forming a miniaturized and high-performance image sensor.
以下に、本発明の増幅型固体撮像装置の実施形態1〜4を2次元増幅型固体撮像装置に適用した場合について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る増幅型固体撮像装置の要部構成例を示す回路図である。
Hereinafter, a case where the first to fourth embodiments of the amplification type solid-state imaging device of the present invention are applied to a two-dimensional amplification type solid-state imaging device will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a main part of an amplification type solid-state imaging device according to
図1において、本実施形態1の増幅型固体撮像装置51は、全ての画素部(または画素)に各々設けられた光電変換転送部10と、上下に隣接する第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の画素に共通して設けられた電荷増幅部11と、第i列に存在する全ての電荷増幅部11に対して共通して設けられた定電流負荷トランジスタ9からなる定電流負荷回路12と、信号線7の電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックすることにより電荷増幅部11によって出力された信号を電荷増幅部11へ帰還させるフィードバック回路13とを有している。
In FIG. 1, an amplification type solid-
上側の光電変換転送部10と電荷増幅部11とによって上側の画素が構成され、下側の光電変換転送部10と電荷増幅部11とによって下側の画素が構成されている。第m行目第i列目に二つの画素が電荷増幅部11を共通として設けられている。このように、増幅型固体撮像装置51は、複数(図1では上下二つ)の光電変換転送部10からの各信号電荷を順次増幅可能とする電荷増幅部11が共通に設けられている。なお、図1では、複数行および複数列にマトリクス状に配列された複数の画素のうち、第(m、1)行第i列目と第(m、2)行第i列目の各画素のみを示している。但し、m、iは自然数である。
The upper photoelectric
光電変換転送部10は、光電変換部としての光電変換素子の一例としてのフォトダイオード1と、電荷転送手段としての転送トランジスタ2からなる。フォトダイオード1は、埋め込み型フォトダイオードとして、フォトダイオード1からの信号電荷転送を完全に行えば、極めて低ノイズ化させて高画質の画像を得ることができる。転送用トランジスタ2は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、ゲートに供給される駆動パルスφTによって制御されて、フォトダイオード1に蓄積された信号電荷を転送させる。また、これら2つの転送用トランジスタ2の出力側には、共通して信号電荷蓄積部6が接続されている。
The photoelectric conversion /
電荷増幅部11は、光電変換転送部10における転送用トランジスタ2の出力側に共通して接続された信号電荷蓄積部6にその入力端が接続されると共に、その出力端が信号線7に接続され、電荷排出および電源線が電位供給線8に接続されている。この電荷増幅部11は、信号電荷を増幅するための増幅手段としての増幅用トランジスタ3と、電荷排出のためのリセット手段としてのリセットトランジスタ4と、画素を選択するための画素選択手段としての選択用トランジスタ5とを有している。
The
増幅用トランジスタ3は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、その入力端としてのゲート(制御端子)に信号電荷蓄積部6が接続され、その出力端(出力部)としてのソース(一方駆動端子)に信号線7が選択用トランジスタ5を介して接続され、ドレイン(他方駆動端子)に電位供給線8が接続されている。この増幅用トランジスタ3と、信号線7と接地電位GND間に接続された定電流負荷トランジスタ9とによって、ドレイン接地型のソースフォロワ回路が構成されている。
The amplifying
リセットトランジスタ4は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、ソースに信号電荷蓄積部6が接続され、ドレインに電位供給線8が接続されており、ゲートに供給される駆動パルスφRによって制御されて、電荷蓄積部6の電位を電位供給線8の電位にリセットさせる。
The reset transistor 4 is composed of an N-channel MOS transistor, has a signal
選択用トランジスタ5は、Nチャネル型トランジスタからなり、増幅用トランジスタ3のソースと信号線7との間に接続されており、ゲートに供給される駆動パルスφSによって選択制御されて、選択された画素からの信号電荷が信号線7に読み出される。
The
フィードバック回路13は、その入力端(入力部)としてのゲートに信号線7が接続され、その出力端(出力部)としてのソースと基板に電荷増幅部11の電位供給線8が接続され、ドレインが接地されたPチャネル型MOSトランジスタ131と、MOSトランジスタ131のソースと電源電位Vddとの間に接続された定電流負荷トランジスタ132とを有している。これらのMOSトランジスタ131と定電流負荷トランジスタ132とによって、ソースフォロワ回路が構成されている。
The
転送トランジスタ駆動信号線22は、行方向(横方向)に配列された複数の光電変換転送部10(図1では横方向は一つのみを示している)における転送トランジスタ2のゲートに接続されている。m行目i列目の二つの光電変換転送部10における各転送トランジスタ2のゲートにはそれぞれ、各転送トランジスタ駆動信号線22をそれぞれ介して駆動パルスφT(m、1)およびφT(m、2)がそれぞれ印加される。
The transfer transistor
リセットトランジスタ駆動信号線21は、行方向(横方向)に配列された複数の電荷増幅部11における各リセットトランジスタ4のゲートにそれぞれ接続されている。m行目の複数の電荷増幅部11における各リセットトランジスタ4のゲートにはそれぞれリセットトランジスタ駆動信号線21を介して駆動パルスφR(m)が印加される。
The reset transistor
選択トランジスタ駆動信号線23は、行方向(横方向)に配列された複数の電荷増幅部11における各選択トランジスタ5のゲートにそれぞれ接続されている。m行目の複数の電荷増幅部11における各選択トランジスタ5のゲートにはそれぞれ選択トランジスタ駆動信号線23を介して駆動パルスφS(m)が印加される。
The selection transistor
上記構成により、以下に、本実施形態1の増幅型固体撮像装置51の動作について、図2を用いて詳細に説明する。
With the above configuration, the operation of the amplification type solid-
図2は、本実施形態1の増幅型固体撮像装置51における各駆動パルスφS(m)、φR(m)、φT(m、1)、φT(m、2)の各信号波形と、第m行第i列の電荷蓄積部(i,m)6の電位、第i列の電位供給線8の電位VD(i)および第i列の信号線7の電位Vsig(i)を示すタイミング図である。
まず初期状態では、駆動パルスφS(m)はローレベルであるため信号線7の電位が接地レベルであり、その時の電位供給線8の電位は、フィードバック回路3の入力0Vのときの出力電位となる。
FIG. 2 shows signal waveforms of the drive pulses φS (m), φR (m), φT (m, 1), φT (m, 2) in the amplification type solid-
First, since the drive pulse φS (m) is at a low level in the initial state, the potential of the
期間T1では、m行目の電荷増幅部11におけるリセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルからハイレベル、ローレベルと繰り返され、電荷蓄積部6の電位が電位供給線8の電位と同一になる。
In the period T1, the drive pulse φR (m) applied to the gate of the reset transistor 4 in the
期間T2で電荷増幅部11における選択トランジスタ5のゲートに印加される駆動パルスφS(m)はハイレベルになるため、増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9によってドレイン接地型のソースフォロワ回路が構成され、その出力信号が選択トランジスタ5を介して信号線7に出力される。また電位供給線8もフィードバック回路における入出力の関係によって上昇する。
Since the drive pulse φS (m) applied to the gate of the
電位供給線8は、図3に示すフィードバック回路における入出力の関係によって決定され、下記関係式(1)によって、入力Vin=期間T2での電荷蓄積部6の電位のときの出力Voutとなる。
The
Vout=Vin−Vgs(NchTr3,I=I1)+Vgs(PchTr131,I=I2−I1) ・・・ (1)
なお、上記式(1)において、Vgs(NchTr3,I=I1)はNチャネル型MOSトランジスタ3がI1なる定電流を流すときのゲート・ソース間電圧を表し、Vgs(PchTr131,I=I2−I1)はPチャネル型MOSトランジスタ131が(I2−I1)なる定電流を流すときのゲート・ソース間電圧を表している。当然のことながら、I2>I1である。
Vout = Vin−Vgs (NchTr3, I = I1) + Vgs (PchTr131, I = I2−I1) (1)
In the above equation (1), Vgs (NchTr3, I = I1) represents a gate-source voltage when the N-
このとき増幅用MOSトランジスタ3を飽和領域で動作させることが必要であるため、
Vout>Vin−Vth(NchTr3) ・・・(2)
の関係を満たすことが必要である。よって、
Vgs(PchTr131,I=I2−I1)>Vgs(NchTr3,I=I1)− Vth(NchTr3) ・・・(3)
の関係を満たすように、Pチャネル型トランジスタ131を設計すればよい。
At this time, it is necessary to operate the
Vout> Vin−Vth (NchTr3) (2)
It is necessary to satisfy this relationship. Therefore,
Vgs (PchTr131, I = I2-I1)> Vgs (NchTr3, I = I1) −Vth (NchTr3) (3)
The P-
信号線7の電位Vsig(i)が、第(m、1)行第i列の画素の基準電位である。
The potential Vsig (i) of the
次に、期間T3では、フォトダイオード1により光電変換された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に読み出される。このときには、駆動パルスφT(m、1)がハイレベルとなり、(m、1)行目の転送トランジスタ2がオン状態になるため、その転送トランジスタ2を通して、(m、1)行目のフォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に読み出される。
Next, in the period T <b> 3, the signal charge photoelectrically converted by the
フォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に完全に読み出された後、次の期間T4では、駆動パルスφT(m、1)がローレベルとなって、転送トランジスタ2がオフ状態になる。このため、信号電荷蓄積部6では、期間T2における電位から信号電荷の転送分に応じて変化した電位が保持され、その保持された信号レベル(電位)が増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9とによって構成されるソースフォロワ回路で増幅されて、その出力信号が選択用トランジスタ5を介して信号線7に読み出される。期間T4において得られる信号線7の電位Vsig(i)は、第(m、1)行第i列の画素の信号となる。
After the signal charge accumulated in the
このとき、図3に示すフィードバック回路において、その入出力間のゲインは、
ΔVout=ΔVin×G ・・・ (4)
によって得られる。ただし、図3に示すフィードバック回路において、Pチャネル型トランジスタ131と定電流負荷トランジスタ132によって構成されるソースフォロワ回路のゲインはほぼ「1」であるため、Gは増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9によって構成されるソースフォロワ回路のゲインとなり、約0.9程度である。このことから、期間T4において、上記信号電荷の転送による信号線7の電位変化分×Gだけ電位供給線8の電位VD(i)も変化し、信号電荷蓄積部6と電位供給線8のカップリング容量CFD−VDDが、見掛け上、(1−G)=0.1倍に低減されていることになり、これは電荷電圧変換効率ηの向上につながる。さらに、G<1であるため、増幅用MOSトランジスタ3は飽和領域を維持し、ソースフォロワ回路の動作上で問題となることはない。
At this time, in the feedback circuit shown in FIG.
ΔVout = ΔVin × G (4)
Obtained by. However, in the feedback circuit shown in FIG. 3, the gain of the source follower circuit constituted by the P-
その後、期間T5では、選択トランジスタ5のゲートに印加される駆動パルスφS(m)をローレベルとし、リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)をハイレベル、ローレベルと変化させることによって、信号電荷蓄積部6の電位がフィードバック回路13の出力電位にリセットされ、電位供給線8および信号電荷蓄積部6ともに、初期状態に戻される。
Thereafter, in the period T5, the drive pulse φS (m) applied to the gate of the
以上の動作により、期間T2における信号線7の電位と期間T4における信号線7の電位との差信号を後段のCDS(相関2重サンプリング)回路や差動アンプ回路、またはクランプ回路などによって処理すれば、(m、1)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による各画素毎に実効的な信号成分が読み出される。なお、CDS回路や差動アンプ回路、またはクランプ回路などについては、当業者に周知であるため、ここではその説明を省略する。
With the above operation, the difference signal between the potential of the
1水平期間後、上記期間T1〜T5の場合と同様の駆動動作を行い、そのときに駆動パルスφT(m、1)の代わりに駆動パルスφT(m、2)をハイレベルにすることによって、同様に、(m、2)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による信号を読み出して各画素毎に上記実効的な信号成分を得ることができる。 After one horizontal period, the same driving operation as in the period T1 to T5 is performed, and at that time, the driving pulse φT (m, 2) is set to the high level instead of the driving pulse φT (m, 1). Similarly, the effective signal component can be obtained for each pixel by reading a signal based on signal charges generated by light incident on the pixels in the (m, 2) th row.
以上はm行目が選択行である場合の動作を説明したものである。非選択行であるn行目(nは自然数)については、駆動パルスφS(n)がローレベルであるため、選択トランジスタ5がオフ状態となり、非選択行であるn行目の画素から信号線7に信号の読み出しは行われない。
The above describes the operation when the m-th row is the selected row. For the nth row (n is a natural number) that is a non-selected row, the drive pulse φS (n) is at a low level, so that the
以上により、本実施形態1の増幅型固体撮像装置51によれば、信号線7の電位変化に応じて電荷増幅部11の電位供給線8の電位も変化するため、信号電荷蓄積部6と電位給線8とのカップリング容量が見掛け上、低減される。その結果、信号電荷蓄積部8に寄生する容量が減少して、信号電荷△Qsigが電圧信号△Vsigに変換される際の電荷電圧変換効率ηを大きくして、固体撮像装置の高感度化を達成することができる。特に、画素の小型化に伴って、共通の信号電荷蓄積部6に接続される光電変換転送部10の数が多くなるほど、上記カップリング容量の低減効果が増大されるため、画素を小型化させたにも関わらず、高感度化を実現することができる。つまり、V=Q/Cなので、電荷Qが一定で、容量Cを小さくすることにより電圧Vの電圧感度を大きくできる。
As described above, according to the amplification type solid-
また、上記画素の光電変換素子として、埋め込み型のフォトダイオード1を用いることにより、フォトダイオード1からの信号電荷を完全に転送させることが可能となり、より低ノイズ化されたより高画質な画像を得ることができる。
In addition, by using the embedded
さらに、フィードバック回路13がゲイン1以下の正帰還となるため、信号線7の電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックする際に、フィードバックをより安定して制御することができる。
Further, since the
さらに、外来のノイズや容量部分などによって、電源電位が変化する場合があるが、この場合にも、信号電荷蓄積部6と電位給線8とのカップリング容量などの容量低減ができることから、電源ノイズを低減することができる。
(実施形態2)
上記実施形態1では、電荷増幅部11からの出力電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックするフィードバック回路13を有する場合について説明したが、本実施形態2では、電荷増幅部11の電位供給線8に対して、読み出し期間のみフィードバック動作を行い、読み出し期間以外についてはフィードバック動作を行わない場合について説明する。
Furthermore, the power supply potential may change due to external noise or a capacitance portion. In this case as well, since the capacity of the signal
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case where the
図4は、本発明の実施形態2に係る増幅型固体撮像装置の要部構成例を示す回路図である。なお、図4では、図1の構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を簡略化する。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a main part of an amplification type solid-state imaging device according to
図4において、本実施形態2の増幅型固体撮像装置52は、全ての画素に各々設けられた光電変換転送部10と、上下に隣接する第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素に共通して設けられた電荷増幅部11と、第i列に存在する全ての電荷増幅部11に対して共通して設けられた定電流負荷トランジスタ9からなる定電流負荷回路12と、信号線7の電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックすることにより電荷増幅部11によって出力された信号(出力電位)を電荷増幅部11へ帰還するフィードバック回路13と、電荷増幅部11の電位供給線8に対してフィードバック回路13の出力と電位供給端140(電位供給部の出力端であって図4では、ここから電源電位Vddが出力される)とを切り替えて接続するスイッチ回路14とを有している。
4, the amplification type solid-
スイッチ回路14は、共通の駆動パルスφVdによって制御される2つの切り替え用トランジスタ141,142を有している。切り替え用トランジスタ141,142は、Pチャネル型MOSトランジスタからなり、一方の切り替え用トランジスタ141のゲートには駆動パルスφVdが直に供給され、他方の切り替え用トランジスタ142のゲートにはインバータ143を介して駆動パルスφVdを反転させた逆相の駆動パルスが供給される。また、一方の切り替え用トランジスタ141は一定電位Vddとされた電位供給端140と電荷増幅部11の電位供給線8との間に接続され、他方の切り替え用トランジスタ142はフィードバック回路13の出力端Voutと電荷増幅部11の電位供給線8との間に接続されている。
The
電位供給線8に対して、フィードバック回路13の出力端Voutと一定電位(電源電位Vdd;電位供給端140の電位)とを切り替えて接続するために、スイッチ回路駆動信号線24を介して、駆動パルスφVdがスイッチ回路14の切り替え用トランジスタ141のゲートに印加されると共に、駆動パルスφVdの反転駆動パルスがスイッチ回路14の切り替え用トランジスタ142のゲートに印加されるようになっている。
In order to switch and connect the output terminal Vout of the
上記構成により、以下に、本実施形態2の増幅方固体撮像装置52の動作について、図5を用いて詳細に説明する。
With the above configuration, the operation of the amplifying solid-
図5は、本実施形態2の増幅型固体撮像装置52における各駆動パルスφS(m)、φR(m)、φT(m、1)、φT(m、2)およびφVdの各信号波形と、第m行第i列の電荷蓄積部(i,m)6の電位、第i列の電位供給線8の電位VD(i)および第i列の信号線7の電位Vsig(i)を示すタイミング図である。
FIG. 5 shows signal waveforms of the drive pulses φS (m), φR (m), φT (m, 1), φT (m, 2), and φVd in the amplification type solid-
図5に示すように、まず、期間T1では、m行目の電荷増幅部11におけるリセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルからハイレベルになって、リセットトランジスタ4がオン状態となる。また、スイッチ回路14に入力される駆動パルスφVdがローレベルであるため、電位供給線8と電荷蓄積部6は共に電位供給端140に接続されて、電位供給線8の電位VD(i)と電荷蓄積部6の電位がリセットトランジスタ4を通して電位供給端140の電源電位Vddとなる。一方、電荷増幅部11における選択トランジスタ5のゲートに印加される駆動パルスφS(m)はハイレベルであるため、増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9によってドレイン接地型のソースフォロワ回路が構成され、その出力信号が選択トランジスタ5を通して信号線7に出力される。その後、リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)はローレベルに戻されるが、上記電荷蓄積部6のリセットレベル状態が維持されている。
As shown in FIG. 5, first, in the period T1, the drive pulse φR (m) applied to the gate of the reset transistor 4 in the
次に、期間T2では、スイッチ回路14に入力される駆動パルスφVdがハイレベルになり、フィードバック回路13の出力端Vout(出力部)が電位供給線8に接続されて、電位供給線8の電位VD(i)が下がる。この電位は、図3に示すフィードバック回路における入出力の関係によって決定され、下記関係式(1)によって、Vin=VddのときのVoutが得られる。
Next, in the period T2, the drive pulse φVd input to the
Vout=Vin−Vgs(NchTr3,I=I1)+Vgs(PchTr131,I=I2−I1) ・・・ (1)
なお、上記式(1)において、Vgs(NchTr3,I=I1)はNチャネル型MOSトランジスタ3がI1なる定電流を流すときのゲート・ソース間電圧を表し、Vgs(PchTr131,I=I2−I1)はPチャネル型MOSトランジスタ131が(I2−I1)なる定電流を流すときのゲート・ソース間電圧を表している。当然のことながら、I2>I1である。また、増幅用MOSトランジスタ3を飽和領域で動作させることが必要であるため、
Vout>Vin−Vth(NchTr3) ・・・(2)
の関係を満たすことが必要である。よって、
Vgs(PchTr131,I=I2−I1)>Vgs(NchTr3,I=I1)−Vth(NchTr3) ・・・(3)
の関係を満たすように、Pチャネル型トランジスタ131を設計すればよい。
Vout = Vin−Vgs (NchTr3, I = I1) + Vgs (PchTr131, I = I2−I1) (1)
In the above equation (1), Vgs (NchTr3, I = I1) represents a gate-source voltage when the N-
Vout> Vin−Vth (NchTr3) (2)
It is necessary to satisfy this relationship. Therefore,
Vgs (PchTr131, I = I2-I1)> Vgs (NchTr3, I = I1) −Vth (NchTr3) (3)
The P-
上記期間T2において得られる信号線7の電位Vsig(i)が、第(m、1)行第i列の画素の基準電位である。
The potential Vsig (i) of the
次に、期間T3では、フォトダイオード1により光電変換された信号電荷が信号電荷蓄積部6に読み出される。このときには、駆動パルスφT(m、1)がハイレベルとなり、(m、1)行目の転送トランジスタ2がオン状態になるため、その転送トランジスタ2を通して、(m、1)行目のフォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に読み出される。
Next, in the period T <b> 3, the signal charge photoelectrically converted by the
上記フォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に完全に読み出された後、次の期間T4では、駆動パルスφT(m、1)がローレベルとなって、転送トランジスタ2がオフ状態になる。このため、信号電荷蓄積部6では、期間T2における電位から信号電荷の転送分に応じて変化した電位が保持され、その保持された信号レベル(電位)が増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9とによって構成されるソースフォロワ回路で増幅されて、信号線7に出力される。期間T4において得られる信号線7の電位Vsig(i)は、第(m、1)行第i列の画素の信号となる。
After the signal charge accumulated in the
このとき、図3に示すフィードバック回路において、その入出力間のゲインは、
ΔVout=ΔVin×G ・・・ (4)
によって得られる。ただし、図3に示すフィードバック回路において、Pチャネル型トランジスタ131と定電流負荷トランジスタ132によって構成されるソースフォロワ回路のゲインはほぼ「1」であるため、Gは増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9によって構成されるソースフォロワ回路のゲインとなり、約0.9程度である。このことから、期間T4において、上記信号電荷の転送による信号線7の電位変化分×Gだけ電位供給線8の電位VD(i)も変化し、信号電荷蓄積部6と電位供給線8のカップリング容量CFD−VDDが、見掛け上、(1−G)=0.1倍に低減されていることになり、電荷電圧変換効率ηの向上につながる。さらに、G<1であるため、増幅用MOSトランジスタ3は飽和領域であり、ソースフォロワ回路の動作上で問題となることはない。
At this time, in the feedback circuit shown in FIG.
ΔVout = ΔVin × G (4)
Obtained by. However, in the feedback circuit shown in FIG. 3, the gain of the source follower circuit constituted by the P-
続いて、期間T5では、駆動パルスφVdがローレベルに下がることにより、スイッチ回路14が切り替わって、電位供給線8が電位供給端子140に接続され、電位VD(i)が電位供給端子140からの一定電位Vddに固定される。リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)をハイレベル、ローレベルと変化させることによって、信号電荷蓄積部8の電位が一定電位(この場合には電源電位Vdd)にリセットされ、リセットトランジスタ4を通して電位供給線8および信号電荷蓄積部6ともに、初期状態に戻される。
Subsequently, in the period T <b> 5, the drive pulse φVd is lowered to a low level, whereby the
以上の動作により、期間T2における信号線7の電位と期間T4における信号線7の電位との差信号を後段のCDS(相関2重サンプリング)回路や差動アンプ回路、またはクランプ回路などによって処理すれば、(m、1)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による実効的な信号成分が読み出される。
With the above operation, the difference signal between the potential of the
1水平期間後、上記期間T1〜T5の場合と同様の駆動動作を繰り返し行い、そのときに駆動パルスφT(m、1)の代わりに駆動パルスφT(m、2)をハイレベルにすることによって、同様に、(m、2)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による信号を読み出して信号成分を得ることができる。 After one horizontal period, the same driving operation as in the above-described periods T1 to T5 is repeatedly performed, and at that time, the driving pulse φT (m, 2) is set to the high level instead of the driving pulse φT (m, 1). Similarly, a signal component can be obtained by reading a signal due to signal charges generated by light incident on the pixels in the (m, 2) -th row.
以上はm行目が選択行である場合の動作を説明したものである。非選択行であるn行目(nは自然数)については、駆動パルスφS(n)がローレベルであるため、選択トランジスタ5がオフ状態となり、非選択行であるn行目の画素から信号が出力されない。
The above describes the operation when the m-th row is the selected row. For the nth row (n is a natural number) that is a non-selected row, the drive pulse φS (n) is at a low level, so that the
以上により、本実施形態2の増幅型固体撮像装置52によれば、信号線7の電位変化に応じて電荷増幅部11の電位供給線8も電位が変化するため、信号電荷蓄積部6と電位供給線8とのカップリング容量が見掛け上、低減される。その結果、信号電荷蓄積部6に寄生する容量が減少されて、信号電荷△Qsigが電圧信号△Vsigに変換される際の電荷電圧変換効率ηを大きくして、固体撮像装置の高感度化を達成することができる。特に、画素の小型化に伴って、共通の信号電荷蓄積部6に接続される光電変換転送部10の数が多くなるほど、上記カップリング容量の低減効果が増大されるため、画素を小型化させたにも関わらず、高感度化を実現することが可能となる。
As described above, according to the amplification type solid-
この場合に、電荷増幅部11の電位供給線8に対して、電位供給端140とフィードバック回路13の出力端Voutとを切り替えて接続するスイッチ回路14を設けることにより、読み出し期間以外はフィードバック機構を動作させず、電位供給線8を電位供給端140に接続させて電位供給端140から一定電位を供給することによって、動作の安定化を図ることができる。
In this case, by providing a
さらに、外来のノイズや容量部分などによって、電源電位が変化する場合があるが、この場合にも、信号電荷蓄積部6と電位給線8とのカップリング容量などの容量低減ができることから、電源ノイズを低減することができる。
(実施形態3)
上記実施形態1では、電荷増幅部11からの出力電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックするフィードバック回路13を有する場合について説明したが、本実施形態3では、上記実施形態2の場合と同様、電荷増幅部11の電位供給線8に対して、読み出し期間以外はフィードバック回路13によるフィードバック機構を動作させない場合であって、読み出し期間以外に電位供給線8の電位を制御することにより、電荷増幅部11から選択用トランジスタ5を省く場合について説明する。
Furthermore, the power supply potential may change due to external noise or a capacitance portion. In this case as well, since the capacity of the signal
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the case where the
図6は、本発明の実施形態3に係る増幅型固体撮像装置の要部構成例を示す回路図である。なお、図4では、図1の構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を簡略化する。
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a main part of an amplification type solid-state imaging device according to
図6において、本実施形態3の増幅型固体撮像装置53は、全ての画素に各々設けられた光電変換転送部10と、上下に隣接する第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素に共通して設けられた電荷増幅部11Aと、第i列に存在する全ての電荷増幅部11Aに対して共通して設けられた定電流負荷トランジスタ9からなる定電流負荷回路12と、信号線7の電位を電荷増幅部11Aの電位供給線8にフィードバックすることにより電荷増幅部11Aによって信号線7に出力された信号を電荷増幅部11Aへ帰還させるフィードバック回路13と、この電荷増幅部11Aの電位供給線8に対してフィードバック回路13の出力と電位供給端140Aとを切り替えて接続するスイッチ回路14Aとを有している。
In FIG. 6, the amplification type solid-
電荷増幅部11Aは、各光電変換転送部10における転送用トランジスタ2の出力側に共通して接続された信号電荷蓄積部6にその入力端が接続されると共に、その出力端子が信号線7に接続され、電荷排出および電源線が電位供給線8に接続されている。この電荷増幅部11Aは、信号電荷増幅のための増幅用トランジスタ3と、電荷排出のためのリセットトランジスタ4とを有しており、ここでは、画素を選択するための選択用トランジスタ5は設けられていない。
The
スイッチ回路14Aは、共通の駆動パルスφVdによって制御される2つの切り替え用トランジスタ141,142に加えて、切り替え用トランジスタ144を切り替え用トランジスタ141と並列に有している。
The
切り替え用トランジスタ144は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、そのゲートにはインバータ143を介して駆動パルスφVdを反転させた逆相の駆動パルスが供給される。この切り替え用トランジスタ144,141によってCMOS型スイッチ回路が構成されて、電位供給端140Aと電荷増幅部11Aの電位供給線8との間に接続されている。さらに、電位供給端140Aは、図示しない電位制御機構を有しており、上記実施形態1,2のような一定電位(電源電位Vdd)ではなく、可変直流電位Vodとなっている。
The switching
上記構成により、以下に、本実施形態3の増幅方固体撮像装置53の動作について、図7を用いて詳細に説明する。
With the above configuration, the operation of the amplifying solid-
図7は、本実施形態3の増幅型固体撮像装置53における電位供給端の可変直流電位Vodと、各駆動パルスφR(m)、φT(m、1)、φT(m、2)およびφVdの信号波形と、第m行第i列の電荷蓄積部(i,m)6の電位、第i列の電位供給線8の電位VD(i)および第i列の信号線7の電位Vsig(i)を示すタイミング図である。なお、図7では、m行目が選択行である場合を示している。
FIG. 7 shows the variable DC potential Vod at the potential supply end and the driving pulses φR (m), φT (m, 1), φT (m, 2) and φVd in the amplification type solid-
図7に示すように、まず、期間T1では、m行目の電荷増幅部11Aにおけるリセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルからハイレベルになって、リセットトランジスタ4がオン状態となる。また、スイッチ回路14Aに入力される駆動パルスφVdがローレベルであるため、電位供給線8と電荷蓄積部6は電位供給端140Aに接続される。このとき、この電位供給端140Aの電位Vodは電源電位Vddとなっているため、リセットトランジスタ4を通して電位供給線8の電位VD(i)と電荷蓄積部6の電位は電源電位Vddとなる。また、増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9によってドレイン接地型のソースフォロワ回路が構成され、増幅用トランジスタ3からの信号が信号線7に出力される。その後、リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)はローレベルに戻されるが、上記状態は維持される。
As shown in FIG. 7, first, in the period T1, the drive pulse φR (m) applied to the gate of the reset transistor 4 in the
次に、期間T2では、スイッチ回路14Aに入力される駆動パルスφVdがハイレベルになり、フィードバック回路13からの出力端Voutが電位供給線8に接続されて、電位供給線8の電位VD(i)が、上記実施形態2の場合と同様に下がる。この期間T2において得られる信号線7の電位Vsig(i)が、第(m、1)行第i列の画素の基準電位である。
Next, in the period T2, the drive pulse φVd input to the
さらに、期間T3では、上記実施形態1の場合と同様に、駆動パルスφT(m、1)がハイレベルとなり、(m、1)行目の転送トランジスタ2がオン状態になるため、その転送トランジスタ2を通して、(m、1)行目のフォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に読み出される。
Further, in the period T3, as in the case of the first embodiment, the drive pulse φT (m, 1) is at a high level and the
フォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に完全に読み出された後、次の期間T4では、駆動パルスφT(m、1)がローレベルとなって、転送トランジスタ2がオフ状態になる。このため、上記信号電荷蓄積部6では、期間T2での電位から信号電荷の転送分に応じて変化した電位が保持され、その保持された信号レベル(電位)が増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9とによって構成されるソースフォロワ回路で増幅されて、増幅用トランジスタ3から信号線7に出力される。この期間T4において得られる信号線7の電位Vsig(i)が、第(m、1)行第i列の画素の信号となる。
After the signal charge accumulated in the
この期間T4において、図6に示すフィードバック回路13では、上記実施形態1の場合と同様に、信号電荷の転送による信号線7の電位変化分×Gだけ電位供給線8の電位も変化し、信号電荷蓄積部6と電位供給線8のカップリング容量CFD−VDDが見掛け上、(1−G)=0.1倍に低減されたことになり、電荷電圧変換効率ηの向上につながることになる。
In this period T4, in the
その後、期間T5では、駆動パルスφVdがローレベルに下がることにより、スイッチ回路14Aが動作して、電位供給線8の電位VD(i)が電位供給端140Aに接続される。電位供給端140Aの電位Vodをローレベルに下げながら、リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)をハイレベル、ローレベルと変化させることによって、信号電荷蓄積部6の電位が一定電位(この場合には接地電位)にリセットされ、リセットトランジスタ4を通して電位供給線8および信号電荷蓄積部6ともに、初期状態に戻される。
Thereafter, in the period T5, the drive pulse φVd is lowered to a low level, so that the
以上の動作により、期間T2における信号線7の電位と、期間T4における信号線7の電位との差信号を後段のCDS(相関2重サンプリング)回路や差動アンプ回路、またはクランプ回路などによって処理すれば、(m、1)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による実効的な信号成分が読み出される。
Through the above operation, a difference signal between the potential of the
この1水平期間後、上記期間T1〜T5と同様の駆動動作を繰り返して行い、そのときに駆動パルスφT(m、1)の代わりに駆動パルスφT(m、2)をハイレベルにすることによって、同様に、(m、2)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による信号を読み出して信号成分を得ることができる。 After this one horizontal period, the same driving operation as in the above-described periods T1 to T5 is repeated, and at that time, the driving pulse φT (m, 2) is set to the high level instead of the driving pulse φT (m, 1). Similarly, a signal component can be obtained by reading a signal due to signal charges generated by light incident on the pixels in the (m, 2) -th row.
以上はm行目が選択行である場合の動作を説明したものである。次に、非選択行であるn行目(nは自然数)の動作について、図8を用いて詳細に説明する。 The above describes the operation when the m-th row is the selected row. Next, the operation of the nth row (n is a natural number) which is a non-selected row will be described in detail with reference to FIG.
図8は、本実施形態3の増幅型固体撮像装置53における電位供給端140Aの電位Vodと、n行目の各駆動パルスφR(n)、φT(n、1)、φT(n、2)およびφVdの各信号波形と、第n行第i列の電荷蓄積部(i,n)6の電位、第i列の電位供給線8の電位VD(i)および第i列の信号線7の電位Vsig(i)を示すタイミング図である。
FIG. 8 shows the potential Vod of the
図8に示すように、非選択行であるn行目では、駆動パルスφR(n)、φT(n、1)およびφT(n、2)が全てローレベルであるため、信号電荷蓄積部6は初期状態を維持している。このとき、信号電荷蓄積部6は接地レベルであるため、増幅用トランジスタ3は常にオフ状態であり、非選択行であるn行目の画素から信号が出力されることはない。よって、本実施形態3の増幅型固体撮像装置53では、上記実施形態1,2のような、行を選択するための選択用トランジスタ5が不要になる。
As shown in FIG. 8, in the n-th row that is a non-selected row, the drive pulses φR (n), φT (n, 1), and φT (n, 2) are all at a low level, so that the signal
以上により、本実施形態3の増幅型固体撮像装置53によれば、信号線7の電位変化に応じて電荷増幅部11Aの電位供給線8も電位が変化するようにしたため、信号電荷蓄積部6と電位供給線8とのカップリング容量が見掛け上、低減される。この結果、信号電荷蓄積部6に寄生する容量が減少して、信号電荷△Qsigが電圧信号△Vsigに変換される際の電荷電圧変換効率ηを大きくできて、固体撮像装置の高感度化を達成することができる。特に、画素の小型化に伴って、共通の信号電荷蓄積部6に接続される光電変換転送部10の数が多くなるほど、上記カップリング容量の低減効果が増大するため、画素を小型化させたにも関わらず、高感度化を実現することができる。
As described above, according to the amplification type solid-
また、上記画素の光電変換素子として、埋め込み型のフォトダイオード1を用いることにより、フォトダイオード1からの信号電荷を完全に転送させることが可能となり、より低ノイズ化された、より高画質な画像を得ることができる。
Further, by using the embedded
さらに、電荷増幅部11Aの電位供給線8に対して、電位供給端140Aとフィードバック回路13の出力端Voutとを切り替えて接続するスイッチ回路14Aをさらに設けて、電位制御機構によって電位供給端140Aの電位を制御し、電位供給線8の電位を制御することにより、電荷蓄積部6の電位を接地電位に保持して、電荷増幅部11Aの動作を停止させることができる。これにより、従来の増幅型固体撮像装置において画素を選択するために必要とされていた選択用トランジスタ5が不要となり、その分の面積をフォトダイオード1に割り当てることができるため、増幅型固体撮像装置53の高感度化を達成することができる。
(実施形態4)
上記実施形態1では、電荷増幅部11からの出力電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックするフィードバック回路13を有する場合について説明したが、本実施形態4では、上記実施形態3の場合と同様、電荷増幅部11の電位供給線8に対して、読み出し期間以外はフィードバック回路13によるフィードバック機構を動作させない場合であって、読み出し期間以外に電位供給線8の電位を制御することにより、電荷増幅部11から選択用トランジスタ5を省く場合について説明する。
Further, a
(Embodiment 4)
In the first embodiment, the case where the
図9は、本発明の実施形態4に係る増幅型固体撮像装置54の要部構成例を示す回路図である。なお、図9では、図1の構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を簡略化する。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration example of a main part of an amplification type solid-
図9において、本実施形態4の増幅型固体撮像装置54は、全ての画素に各々設けられた光電変換転送部10と、上下に隣接する第(m、1)行第i列目および第(m、2)行第i列目の2画素に共通して設けられた電荷増幅部11Bと、第i列に存在する全ての電荷増幅部11Bに対して共通して設けられた定電流負荷トランジスタ9からなる定電流負荷回路12と、信号線7の電位を電荷増幅部11Bの電位供給線8にフィードバックすることにより電荷増幅部11Bによって出力された信号を電荷増幅部11Bへ帰還するフィードバック回路13と、信号線7に対して一定電位(図9ではVdd)と定電流負荷回路9とを切り替えて接続するスイッチ回路15とを有している。なお、ここでは、上記実施形態2のように、電荷増幅部11Bの電位供給線8に対して、フィードバック回路13の出力端Voutと電位供給端140Bとを切り替えて接続するスイッチ回路14は設けられていない。
In FIG. 9, the amplification type solid-
電荷増幅部11Bは、光電変換転送部10における転送用トランジスタ2の出力側に共通して接続された信号電荷蓄積部6にその入力端が接続されると共に、その出力端が信号線7に直接接続されており、電源線が電位供給線8に接続されている。この電荷増幅部11Bは、信号電荷増幅のための増幅用トランジスタ3と、電荷排出のためのリセットトランジスタ4とを有し、上記実施形態3の場合と同様に、画素を選択するための選択用トランジスタ5は設けられていない。リセットトランジスタ4は、信号電荷蓄積部6にソースが接続され、ドレインが、信号線7に接続されると共に増幅用トランジスタ3を介して電位供給線8に接続されている。
The
スイッチ回路15は、共通の駆動パルスφVdによって制御される2つの切り替え用トランジスタ151,152を有している。切り替え用トランジスタ151は、Nチャネル型MOSトランジスタからなり、そのゲートにはスイッチ回路駆動信号線24から駆動パルスφVdが供給され、信号線7と定電流負荷回路12との間に接続されている。また、切り替え用トランジスタ152は、Pチャネル型MOSトランジスタからなり、そのゲートにはスイッチ回路駆動信号線24から駆動パルスφVdが供給され、信号線7と一定電位Vddの間に接続されている。
The
上記構成により、以下に、本実施形態4の増幅型固体撮像装置54の動作について、図10を用いて詳細に説明する。
With the above configuration, the operation of the amplification type solid-
図10は、本実施形態4の増幅型固体撮像装置54における各駆動パルスφR(m)、φT(m、1)、φT(m、2)およびφVdの各信号波形と、第m行第i列の電荷蓄積部(i,m)6の電位、第i列の電位供給線8の電位VD(i)および第i列の信号線7の電位Vsig(i)を示すタイミング図である。なお、図10では、m行目が選択行の場合を示している。
FIG. 10 shows signal waveforms of the drive pulses φR (m), φT (m, 1), φT (m, 2), and φVd in the amplification type solid-
図10に示すように、まず、期間T1では、スイッチ回路15に入力される駆動パルスφVdがローレベルであるため、信号線7に電源電位Vddが接続され、信号線7の電位Vsig(i)は電源電位Vddとなる。リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がハイレベルからローレベルになってリセットトランジスタ4がオフ状態となるが、電荷蓄積部6は電源電位Vddに保持されている。また、フィードバック回路13の入力端の電位がVddであるため、トランジスタ131がオフ状態となり、電位供給線8の電位VD(i)もVddレベルとなっている。
As shown in FIG. 10, first, in the period T1, since the drive pulse φVd inputted to the
次に、期間T2では、スイッチ回路15に入力される駆動パルスφVdがハイレベルになり、信号線7が共通の定電流負荷トランジスタ9に接続されて、増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9とによってドレイン接地型のソースフォロワ回路が構成され、増幅用トランジスタ3から信号線7に出力される。また、フィードバック回路13の出力端Voutは電位供給線8に接続されているため、電位供給線8の電位VD(i)は、上記実施形態2の場合と同様に下がる。この期間T2において得られる信号線7の電位Vsig(i)が、第(m、1)行第i列の画素の基準電位である。
Next, in the period T2, the drive pulse φVd input to the
さらに、期間T3では、上記実施形態2の場合と同様に、駆動パルスφT(m、1)がハイレベルとなり、(m、1)行目の転送トランジスタ2がオン状態になるため、その転送トランジスタ2を通して、(m、1)行目のフォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に読み出される。
Further, in the period T3, as in the case of the second embodiment, the drive pulse φT (m, 1) is at a high level, and the
フォトダイオード1に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部6に完全に読み出された後、次の期間T4では、駆動パルスφT(m、1)がローレベルとなって、転送トランジスタ2がオフ状態になる。このため、信号電荷蓄積部6では、期間T2での電位から信号電荷の転送分に応じて変化した電位が保持され、その保持された信号レベル(電位)が増幅用トランジスタ3と定電流負荷トランジスタ9とによって構成されるソースフォロワ回路で増幅されて、増幅用トランジスタ3からの信号が信号線7に出力される。この期間T4において得られる信号線7の電位Vsig(i)が、第(m、1)行第i列の画素の信号となる。
After the signal charge accumulated in the
この期間T4において、図9に示すフィードバック回路13では、上記実施形態2の場合と同様に、信号電荷の転送による信号線7の電位変化分×Gだけ電位供給線8の電位も変化し、信号電荷蓄積部6と電位供給線8のカップリング容量CFD−VDDが見掛け上、(1−G)=0.1倍に低減されたこととなり、電荷電圧変換効率ηの向上につながることになる。
In this period T4, the
その後、期間T5では、駆動パルスφVdがローレベルに下がることにより、信号線7に電源電位Vddが接続される。さらに、リセットトランジスタ4のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルからハイレベルに変化することにより、リセットトランジスタ4がオン状態となって信号電荷蓄積部6が電源電位Vddでリセットされて初期状態に戻される。
After that, in the period T5, the drive pulse φVd is lowered to a low level, so that the power supply potential Vdd is connected to the
以上の動作により、期間T2における信号線7の電位と、期間T4における信号線7の電位との差信号を後段のCDS(相関2重サンプリング)回路や差動アンプ回路、またはクランプ回路などによって処理すれば、(m、1)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による実効的な信号成分が読み出される。
Through the above operation, a difference signal between the potential of the
1水平期間後、上記期間T1〜T5と同様の駆動動作を繰り返して行い、そのときに駆動パルスφT(m、1)の代わりに駆動パルスφT(m、2)をハイレベルにすることによって、同様に、(m、2)行目の画素に入射された光により発生した信号電荷による信号を読み出して信号成分を得ることができる。 After one horizontal period, the same driving operation as in the periods T1 to T5 is repeated, and at that time, the driving pulse φT (m, 2) is set to the high level instead of the driving pulse φT (m, 1). Similarly, a signal component can be obtained by reading a signal due to signal charges generated by light incident on pixels in the (m, 2) -th row.
以上はm行目が選択行である場合の動作について説明したものである。次に、非選択行であるn行目(nは自然数)の動作について、図11を用いて詳細に説明する。 The above describes the operation when the m-th row is the selected row. Next, the operation of the n-th row (n is a natural number) that is a non-selected row will be described in detail with reference to FIG.
図11は、本実施形態4の増幅型固体撮像装置54におけるn行目の各駆動パルスφR(n)、φT(n、1)、φT(n、2)およびφVdの各信号波形と、第n行第i列の電荷蓄積部(i,n)の電位、第i列の電位供給線8の電位VD(i)および第i列の信号線7の電位Vsig(i)を示すタイミング図である。
FIG. 11 shows signal waveforms of the drive pulses φR (n), φT (n, 1), φT (n, 2), and φVd in the n-th row in the amplification type solid-
図11に示すように、非選択行であるn行目では、駆動パルスφR(n)が常にハイレベルで、φT(n、1)およびφT(n、2)はローレベルであるため、信号線7と信号電荷蓄積部6とが接続されている。このとき、増幅用トランジスタ3のゲートとソース間の電位が同じになるため、増幅用トランジスタ3は常にオフ状態であり、非選択行であるn行目の画素から信号が出力されることはない。よって、本実施形態4の増幅型固体撮像装置54では、上記実施形態1、2のような、行を選択するための選択用トランジスタ5が不要になる。
As shown in FIG. 11, in the n-th row which is a non-selected row, the drive pulse φR (n) is always at a high level, and φT (n, 1) and φT (n, 2) are at a low level. The
以上により、本実施形態4の増幅型固体撮像装置54によれば、信号線7の電位変化に応じて電荷増幅部11Bの電位供給線8も電位が変化するため、信号電荷蓄積部6と電位供給線8とのカップリング容量が見掛け上、低減される。その結果、信号電荷蓄積部6に寄生する容量が減少して、信号電荷△Qsigが電圧信号△Vsigに変換される際の電荷電圧変換効率ηを大きくして、固体撮像装置の高感度化を達成することができる。特に、画素の小型化に伴って、共通の信号電荷蓄積部6に接続される光電変換転送部10の数が多くなるほど、上記カップリング容量の低減効果が増大するため、画素を小型化させたにも関わらず、高感度化を実現することができる。
As described above, according to the amplification type solid-
また、上記画素の光電変換素子として、埋め込み型のフォトダイオード1を用いることにより、フォトダイオード1からの信号電荷を完全に転送させることが可能となり、より低ノイズ化された、より高画質な画像を得ることができる。
Further, by using the embedded
さらに、信号線7に対して、一定電位(電源電位Vdd)と定電流負荷回路12とを切り替えて接続するスイッチ回路15をさらに設けて、電荷増幅部11Bの入力部と出力部とを短絡させることによって、電荷増幅部11Bの動作を停止させることができる。これにより、従来の増幅型固体撮像装置において画素を選択するために必要とされていた選択用トランジスタ5が不要となり、その分の面積をフォトダイオード1に割り当てることができるため、増幅型固体撮像装置54の高感度化を達成することができる。
Further, a
さらに、外来のノイズや容量部分などによって、電源電位が変化する場合があるが、この場合にも、信号電荷蓄積部6と電位給線8とのカップリング容量が低減できることから、電源ノイズを低減することができる。
Furthermore, the power supply potential may change due to external noise or a capacitance portion. In this case as well, since the coupling capacitance between the signal
したがって、上記実施形態1〜4によれば、複数のフォトダイオード1から、信号電荷が転送トランジスタ2を通して共通の信号電荷蓄積部6に転送される。信号電荷蓄積部6を入力部とするソースフォロワ型の電荷増幅部11(または11Aまたは11B)の出力は信号線7に接続されている。フィードバック回路13は入力部が信号線7に接続され、出力部はソースフォロワ型の電荷増幅部11(または11Aまたは11B)の電位供給線8に接続されており、信号線7から電位供給線8へ電位がフィードバックされる。これによって、信号線7の電位変化が電荷増幅部11(または11Aまたは11B)の電位供給線8にフィードバックされて電位供給線8の電位も変化するため、信号電荷蓄積部6を複数の画素で共通化して画素サイズを小型化すると共に、電荷電圧変換率を高くして高画質の画像を得ることができる。
Therefore, according to the first to fourth embodiments, signal charges are transferred from the plurality of
また、上記実施形態1〜4では、(m、1)行と(m、2)行の2画素で電荷増幅部11(または11Aまたは11B)と電荷増幅部6を共通にして設けたが、3行以上(例えば4画素、6画素または8画素など)の画素で11(または11Aまたは11B)と電荷増幅部6を共通にして設けた構成についても、本発明は適用可能である。
In the first to fourth embodiments, the charge amplification unit 11 (or 11A or 11B) and the
さらに、上記実施形態1〜4では、特に説明しなかったが、二つの光電変換部(フォトダイオード1)からの各信号電荷を順次増幅可能なように電荷増幅部11が共通に設けられた増幅型固体撮像装置において、電荷増幅部11からの出力電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックするフィードバック回路13を有するように構成することにより、信号電荷蓄積部6を複数の画素部で共通化して画素サイズを小型化すると共に、電荷電圧変換率を高くして高画質の画像を得ることができる本発明の目的を達成することができる。また同様にして、画素部毎に、光電変換部(フォトダイオード1)と、この光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送手段(転送用トランジスタ2)とを有した光電変換転送部10と、複数の画素部毎に共通して設けられ、光電変換転送部10からの各信号電荷を増幅して信号線7に読み出し可能とする電荷増幅部11と、信号線7の電位を電荷増幅部11の電位供給線8にフィードバックするフィードバック回路13とを備えたものであってもよい。この場合にも、画素サイズを小型化すると共に、電荷電圧変換率を高くして高画質の画像を得ることができる本発明の目的を達成することができる。つまり、このフィードバック回路13により、電荷増幅部11の出力電位変化に応じて、電荷増幅部11の電位供給線8も電位が変化するため、信号電荷蓄積部6と電位供給線8とのカップリング容量を見掛け上、小さくできて、電荷電圧変換効率の増大で、固体撮像装置の高感度化を達成できる。
Further, although not particularly described in the first to fourth embodiments, the
さらに、上記実施形態1〜4では、フィードバック回路13は、入力部としてのゲートに信号線7が接続され、出力部としてのソースに電荷増幅部11の電位供給線8が接続され、ドレインが接地されたMOSトランジスタ131と、このMOSトランジスタ131のソースと電源電位Vddとの間に接続された定電流負荷トランジスタ132とを有する場合について説明したが、これに限らず、フィードバック回路15は、電荷増幅部11の出力電位が入力部に入力され、電荷増幅部11の出力電位に応じた出力電位が出力部から電位供給線8に出力されるトランジスタ回路を有していればよい。
In the first to fourth embodiments, the
さらに、上記実施形態3では、図6において、可変直流電位Vodによって電位供給線8の電位を電源電位Vddから接地電位に設定制御することにより、信号電荷蓄積部6の電位を接地電位に保持して電荷増幅部11Aの出力動作が停止可能とするように構成したが、この接地電位に限らず、電荷増幅部11Aが出力動作しない程度であって接地電位以外の低電位であってもよい。つまり、電荷増幅部11Aの増幅トランジスタ3が動作しない範囲の低電位(例えば0.5Vなど)であっても電荷増幅部11Aの選択動作が可能である。もちろん、接地電位は容易に得られる。この低電位であっても、周囲の電圧発生回路から例えば0.3Vから0.5Vなどの電圧が容易に得られる。
Further, in the third embodiment, in FIG. 6, the potential of the signal
さらに、上記実施形態1〜4では、特に説明しなかったが、上記実施形態1〜4の固体撮像装置51〜54のいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器や、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラ、携帯電話用カメラなどの電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態1〜4の固体撮像装置51〜54のいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷(印字)して出力(プリントアウト)する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
Furthermore, although not specifically described in the first to fourth embodiments, a digital video camera, a digital still camera, or the like using any one of the solid-
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜4を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜4に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜4の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-4 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-4. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range from the description of specific
本発明は、光電変換部からの信号電荷を増幅する電荷増幅部が設けられたAPS型イメージセンサなどの増幅型固体撮像装置および、この増幅型固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、信号線の電位変化を電荷増幅部の電位供給線にフィードバックして電位供給線の電位を変化させるため、信号電荷蓄積部を複数の画素部で共通化して画素サイズを小型化すると共に、電荷電圧変換率を高くし、かつ電源電位が変化したときの耐ノイズ性を向上できて、高画質の画像を得ることができる。これによって、小型化、高性能化されたイメージセンサを形成するため、本発明の増幅型固体撮像装置は極めて有用である。 The present invention relates to an amplification type solid-state imaging device such as an APS type image sensor provided with a charge amplification unit for amplifying a signal charge from a photoelectric conversion unit, and the amplification type solid-state imaging device as an image input device for an imaging unit. For example, in the field of digital information cameras such as digital video cameras and digital still cameras, and electronic information devices such as image input cameras, scanners, facsimiles, and camera-equipped mobile phone devices, the potential supply line of the charge amplification unit In order to change the potential of the potential supply line by feedback, the signal charge storage unit is shared by a plurality of pixel units to reduce the pixel size, increase the charge-voltage conversion rate, and the power supply potential changes Noise resistance can be improved, and high-quality images can be obtained. Thus, the amplification type solid-state imaging device of the present invention is extremely useful for forming a miniaturized and high-performance image sensor.
1 フォトダイオード
2 転送用トランジスタ
3 増幅用トランジスタ
4 リセットトランジスタ
5 選択用トランジスタ
6 信号電荷蓄積部
7 信号線
8 電位供給線
9 定電流負荷トランジスタ
10 光電変換転送部
11,11A,11B 電荷増幅部
12 定電流負荷回路
13 フィードバック回路
14,14A 電位供給線用スイッチ回路
15 信号線用スイッチ回路
21 リセットトランジスタ駆動信号線
22 転送トランジスタ駆動信号線
23 選択トランジスタ駆動信号線
24 スイッチ回路駆動信号線
51〜54 増幅型固体撮像装置
DESCRIPTION OF
Claims (21)
複数の画素部毎に共通して設けられ、該光電変換転送部からの各信号電荷を増幅して信号線に読み出し可能とする電荷増幅部と、
該信号線の電位を該電荷増幅部の電位供給線にフィードバックするフィードバック回路とを備えた増幅型固体撮像装置。 For each pixel unit, a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion unit and a charge transfer unit for transferring a signal charge from the photoelectric conversion unit,
A charge amplifying unit which is provided in common for each of the plurality of pixel units, and amplifies each signal charge from the photoelectric conversion transfer unit and can read out the signal line;
An amplification type solid-state imaging device comprising: a feedback circuit that feeds back the potential of the signal line to the potential supply line of the charge amplification unit.
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