JP4829393B2 - 共有リセット信号の行選択のあるフォトダイオードアクティブピクセルセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は固体フォトセンサと、各ピクセルと関連したアクティブ回路素子を有するアクティブピクセルセンサ(APS)と呼ばれるイメージャとの分野に関し、より詳細には、フォトダイオード型光検出器の4つのトランジスタピクセルと相関二重サンプリング(correlated double sampling、CDS)とを利用する固体イメージャに関する。
【0002】
【従来の技術】
APSは固体イメージャであり、各ピクセルは光感知手段と、リセット手段と、電荷電圧変換手段と、さらに全て又は部分的に増幅器とを具備する固体ピクセル素子を通常含む。ピクセル内に集められた光電荷は、エリック フォサム(Eric Fossum) による1993年7月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻での「アクティブピクセルセンサ:CCDは恐竜か?(Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」での先行技術文献で説明されているようなピクセル内で、対応する電圧若しくは電流に変換される。APSデバイスはイメージャの各ライン又は行が選択され、イ フォサム(E. Fossum) による1993年7月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻での「アクティブピクセルセンサ:CCDは恐竜か?(Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」や、R. H. Nixon, S. E. Kemeny 、C. O. Staller とE. R. FossumによるSPIEのプロシーディング2415巻の「オンチップタイミングと、コントロールと信号チェーン電子工学とを有する128x128CMOSフォトダイオードタイプアクティブマトリックスセンサ(128x128 CMOS Photodiode-type Active Pixel Sensor with On-chip Timing, Control and Signal Chain Electronics) 」、1995年の論文34での「電荷結合素子と固体光学センサV(Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V) 」で説明された列選択信号を利用して読出されるように作動する。アクティブピクセルセンサ内での行及び列の選択は、メモリ装置でのワード及びビットの選択に類似する。ここで、全体の行の選択はワードを選択することに類似しており、アクティブピクセルセンサの一つの列からの読出しは、そのワード内で単一のビットラインを選択又はイネーブリングすることに類似する。従来の先行技術でのフォトダイオード装置では、4つのトランジスタ設計を利用するアーキテクチャを示しており、4つのトランジスタ(4T)は、通常トランスファー、行選択、リセット及びソースフォロワ増幅器トランジスタである。このアーキテクチャは容易にCDSを実行し、低読出しノイズが得られる能力を有するAPSが得られる利点があり、上記4Tピクセルは低い充填比(fill factor)である。充填比は光センサに当てるピクセル面積の割合である。上記4つのトランジスターと関連するコンタクト領域と信号バスは各ピクセルに配置され、コンタクト領域は所望の重なりとさまざまな層の空間により、通常大きなピクセル面積を使うので、ピクセルの充填比は光検出器に利用される大きな面積のため減少する。上記部品の夫々の適当なタイミング信号への接続は、ピクセルの全体の行を横行する金属バスにより行われる。上記金属バスは光学的に不透明であり、光検出器の領域をさえぎり、ピクセルピッチに適合する。更に、このことはピクセルの充填比を減少させる。充填比を減少させることは、センサの感度及び飽和信号を低下させる。上記のことはセンサの写真スピードやダイナミックレンジ、さらに高画質を得るために重要である性能測定に悪影響を与える。
【0003】
3つのトランジスタ(3T)を基礎とするピクセルを利用する先行技術での装置は、4Tピクセルより高い充填比を有するが、上記3TピクセルはCDSを容易に実行できない。3つのトランジスタを基礎とするピクセルを利用してCDSを実行するセンサは、先ず通常センサの各ピクセルのリセットレベルからなる画像フレームを読出し、保存する。次に、信号フレームを得て読出す。それから、メモリに保存されたリセットレベルフレームは各ピクセルで信号フレームから減じてピクセル信号レベルを与え、統合に先立ち、ピクセルリセットレベルと関連づける。上記のことにはイメージングシステムでのメモリに余分なフレームと、デジタル信号処理チェーンでの余分な工程とを必要とし、よってシステムの速度、サイズ及びコストに悪影響を与える。
【0004】
典型的な先行技術でのフォトダイオードAPSピクセルを図1に示す。図1に示すピクセルは、フォトダイオード(PD)、トランスファートランジスタ(TG)、フローティングディフュージョン(FD)、リセットゲート(RG)のあるリセットトランジスタと、行選択ゲート(RSG)のある行選択トランジスタと、ソースフォロワ入力信号トランジスタ(SIG)と、行選択信号バス(RSSB)と、リセットゲート信号バス(RGSB)とトランスファーゲート信号バス(TGSB)とからなる先行技術での4つのトランジスタピクセルである。2つの隣接するピクセルを示し、各ピクセルは同じであるが分離したトランジスタとRG、TG及びRSG用の行制御信号バスを含む。前述したように、上記4つのトランジスタピクセルでは、ピクセル当たり余分なトランジスタを導入することにより、CDSでの低読出しノイズを提供する。しかしながら、4つのトランジスタを実行させるために必要な面積により、3つのトランジスタピクセルと比較してピクセルの充填比は減少する。
【0005】
高い充填比を有する別のピクセルアーキテクチャと、画像データの全体のフレームを得て保存する必要がなくCDSを実行できる能力とを備えたセンサが望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、相関二重サンプリング(CDS)を実行する能力のある高い充填比のフォトダイオードアクティブピクセルアーキテクチャを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、隣接行の行選択手段のある1つの行でのRG制御信号を共有することにより達成される。分離行選択トランジスターを排除しながら、4つのトランジスターピクセルの機能性は維持される。
【0008】
【発明の実施の形態】
図2は本発明によるアクティブピクセルセンサ(APS)の3つのトランジスターのフォトダイオードピクセルアーキテクチャの模式図である。図2に示す好ましい実施態様は、発明者が知る限りにおいてベストモードである。後述するように、他の物理的実施態様も実現可能であり、図2に示す実施態様の明白な変形態様である。図2に示すピクセル10は、数多くの行及び列を具有するピクセルのアレイ内の単一ピクセルである。二つの行の隣接ピクセル10を図2に示し、隣接行での他の目的のために利用される一の行での単一ラインをどのように制御するかを示す。タイミング及び動作の説明のため、更に、図2はセンサを読出すために利用される列ごとのアナログ信号処理の例を含む。列ごとの信号処理といわれるものは、相関二重サンプリングであり、サンプルとホールド信号(SHS)と、サンプルとホールドリセット(SHR)トランジスターの制御下で実行され、そのトランジスターは信号コンデンサーCsによるピクセル信号電圧と、リセットコンデンサーCrによるピクセルリセット電圧のサンプリングを作動させる。
【0009】
図2に示すように、ピクセル10はフォトダイオード光検出器12(PD)と、トランスファーゲート(TG)23と、フローティングディフュージョン(FD)25と、リセットゲート15(RG)のあるリセットトランジスター14と、リセットトランジスター14のリセットドレイン18と、ソースフォロワ入力信号トランジスター21(SIG)と、トランスファーゲート信号バス(TGSB)26と、リセットゲート信号バス(RGSB)27とからなる。図1に示す先行技術でのピクセルの行選択及び行選択信号バスは排除され、行選択処理は後述する新規な方法で実行される。図2に示すように、いずれかのある行のリセットゲート信号バス(RGSB)27(以下、本願ではRowi という)は読出しシーケンスでの次の行、以下、Rowi +1という、のリセットドレイン18に接続している。2つのピクセル内のトランジスターと、ゲートと信号バス成分は、下付き文字が付されて二つのピクセルが存在する行を示す。
【0010】
図3を参照するに、図3は図2に示す3つのトランジスターのピクセル10の動作を説明するために利用されるタイミングダイアグラムを示し、図2の新規なピクセルアーキテクチャの動作を説明する。なお、説明するピクセル動作はCMOSアクティブセンサ装置のシャッター動作をローリングするラインごとの基準に関係したピクセル10の全体の行で起こることは理解できるであろう。ダイアグラムはセンサ内での3つの行、Rowi-1 、Rowi 、Rowi+1 の読出しのタイミングシーケンスを示す。タイミングダイアグラムでの各信号は、関連する行を示す下付き文字が付してある。タイミングダイアグラムでのレベルは関係しており、最適センサ性能が生じるように所定の信号レベルに設定されていることは理解されるであろう。
【0011】
タイミングダイアグラムはτ0 で示される時間の点で開始し、Rowi-1 の統合時間が経過してRowi-1 の読出しが始まる。Rowi-2 は選択解除され、RGi-2 とRGi-1 は、Rowi-1 (FDi-1 )から〜VDD、つまり数多の適切な所定電位でのフローティングディフュージョンをリセットするために時間τ1 でハイである。リセットポテンシャルはRowi-1 でのソースフォロワ入力トランジスター(SIGi-1 )にスイッチを入れ、時間τ2 でのSHRにパルスを加えることによりサンプリングされ、Crで保持されるフローティングディフュージョンのリセットレベルの読出しの行を効率的に選択する。Rowi-1 のトランスファーゲート(Tgi-1 )は時間τ3 でパルスが入り、Rowi-1 でのフォトダイオードから信号電荷をRowi-1 のフローティングディフュージョン(FDi-1 )へ移動させる。Rowi-1 のフローティングディフュージョン(FDi-1 )の信号レベルは読出し用のRowi-1 を効果的に選択するレベルにあり、それからRowi-1 の上記フローティングディフュージョン(FDi-1 )の信号レベルは、時間τ4 でのSHSにパルスを加えることによりサンプリングされ、Csで保持される。次に、Rowi-1 での各列は、時間τ5 での「Rowi-1 の読出し」によるタイミングダイアグラムで指摘される期間で列ごとの差動増幅器32を経由して区別して読出される。
【0012】
Rowi-1 の読出しに続いて、Rowi-1 はRGi-1 にパルスを加えることにより選択解除とし、時間τ6 でRGi-2 をロウのままにしておく。このことはRowi-1 のフローティングディフュージョン(FDi-1 )の電圧をリセットしてRowi-1 でのソースフォロワトランジスター(SIGi-1 )のスイッチを切るレベルへ持って行き、出力信号列バスからのRowi-1 のソースフォロワを効率的に接続解除にし、よってRowi-1 を選択解除させる。次に、Rowi はRG1 にパルスを加えて選択され、一方、RGi-1 は時間τ7 でハイに保持される。なお、時間τ7 でのRGi-1 の再度パルスを加えることにより、低電圧に読取られた先の行のフローティングディフュージョンをただ単にリセットし、行のソースフォロワ信号トランジスター(SIGi-1 )を非利用状態に維持し、先に読取られた行のフローティングディフュージョン(FDi-1 )を効果的に接続解除にし、そしてROWi の場合に読取られる現在の列(current row)の出力で干渉されることを防止することを指摘しておく。ROWi のフローティングディフュージョン(Fdi )のリセットレベルは、時間τ8 でSHRにパルスを加えることによりサンプリングされ、保持される。それからTGi は「ハイ」にパルスを加えられ、信号電荷をROWi のフォトダイオード(Pdi )から時間τ9 でROWi のフローティングディフュージョン(FDi )へ移動させ、信号レベルは時間τ10でSHSにパルスを加えることによりサンプリングされ、保持される。それからRowi の読出しはRowi-1 と同様に終了する。
【0013】
ROWi-1 及びROWi での処理の説明は、Rowi+1 にも繰り返される。ROWi はFDi をτ11でロウ電圧レベルへ設置し、RGi に「ハイ」のパルスを入れることにより選択解除され、一方、RGi-1 はROWi のソースフォロワトランジスターをディスエーブリングするロウに保持される。Rgi はその時間で「ハイ」であり、Rowi+1 は選択解除された全ての他の行で効果的に選択されるので、Rowi+1 はリセットされ、時間τ12でRowi+1 を選択するように作動する;リセットレベルはSHRを作動させることにより時間τ13でサンプリングされ保持される;信号レベルはTgi+1 により時間τ14でPDi+1 からFDi+1 に移動する;それから信号レベルは時間τ15でサンプリングされ保持される;前述したように、Rowi+1 の読出しは時間τ16で起こる。
【0014】
フレーム読出しの全体のフレーム又はシーケンスが完了するまで、センサの全ての行に対して上記の処理を繰り返す。なお、行選択及び選択解除処理は2RGパルスの第一を排除し、図3に示すように隣接RG信号の十分な重なりを有することにより、更に組合わせられる。図3に示すタイミングは、発明者が本発明を作動させるベストモードと信じているものである。
【0015】
以上の作動の詳細な説明から、本発明の新規な3つのトランジスターフォトダイオードピクセルアーキテクチャは、リセットフレームを保存させる必要性なしに本当のCDS出力信号を提供する。
図1に示す典型的な先行技術のフォトダイオードAPSピクセルは4つのトランジスターと、3つの行制御信号バスからなる。図2に示す新規なピクセルアーキテクチャと比較することにより、本発明は3つのトランジスターと2つの行制御信号バスのみからなる。1つのトランジスターとバスと関連するコンタクト領域を排除することにより、光検出器へ割り当てるより多くのピクセル面積を提供する。このことは実質的に高いピクセル充填比を提供し、結果として高い光学感度を有することになる。
【0016】
図4は前述した新規なピクセルアーキテクチャの平面図であり、本発明のコンセプトを更に示す。図4では、ROWi-1 でのリセットトランジスターのゲート(RGi-1 )は、シーケンスROWi で読出されるべき次の行のリセットトランジスターのリセットドレインである。
前述の説明は発明者による最善の実施態様を詳細に示している。上記実施態様の変形態様は当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付した特許請求の範囲により確定されるべきである。
【0017】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、高い充填比である3つのトランジスターのみを利用して、本当の相関二重サンプリング(CDS)のあるフォトダイオードアクティブピクセルセンサを提供する。得られた効果は高い充填比と、低い一時的なノイズである。不利益な点は予測できない。
【図面の簡単な説明】
【図1】4つのトランジスターのフォトダイオードアクティブピクセルセンサのピクセルでの先行技術のアーキテクチャの二つの隣接ピクセルの略線図である。
【図2】アクティブピクセルセンサの新規なフォトダイオードピクセルのアーキテクチャの二つの隣接ピクセルの略線図である。
【図3】図2に示すピクセルの動作を示すタイミングダイアグラムである。
【図4】図2に示すピクセルのレイアウトの平面図である。
【符号の説明】
10 ピクセル
12 フォロダイオード
14 リセットトランジスター
15 リセットゲート
18 リセットドレイン
21 ソースフォロワ入力トランジスター
23 トランスファーゲート
25 フローティングディフュージョン
26 トランスファーゲート信号バス
27 行選択及びフォトゲート信号バス
32 作動増幅器
SHS サンプルとホールド(保持)信号トランジスター
CS 信号保存コンデンサー
SHR サンプルとホールドリセットトランジスター
CR リセット保存コンデンサー
Claims (3)
- 列及び行に配列された複数のピクセルを有するアクティブピクセルセンサであって、前記列及び行はNが1より大きいとき行R1で開始し行RNで終了する行の順序で前記アクティブピクセルセンサから読み出され、前記アクティブピクセルセンサの前記複数のピクセルの少なくとも一部は、
電荷-電圧変換ノードにトランスファーゲートを介して接続された、前記複数のピクセルの内の指定ピクセル行Riの光検出器と、
前記電荷-電圧変換ノードへ接続されたソースを有する、前記指定ピクセル行Riの光検出器と関連したリセットトランジスターと、
前記指定ピクセル行Riのリセットゲートバスと接続した前記リセットトランジスターのリセットゲート及び前記複数のピクセルの内の前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスに接続した前記リセットトランジスターのドレインと、
前記電荷-電圧変換ノードに接続された増幅器のゲートと、を有するアクティブピクセルセンサ。 - アクティブピクセルセンサの動作方法であって、
前記アクティブピクセルセンサは、Nが1より大きいとき行R1で開始し行RNで終了する順序で行が読み出されうるように、行及び列に配列された複数のピクセルを有し、
各行の各ピクセルは、指定ピクセル行Riのリセットゲートバスと接続されたリセットトランジスターのリセットゲートと、前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスと接続された前記リセットトランジスターのドレインとを有し、
前記方法は、
前記前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスを第一の論理状態に設定すると同時に、更に前のピクセル行Ri−2のリセットゲートバスを第二の論理状態に設定し、前記前のピクセル行Ri−1のピクセルを選択解除する段階、
前記指定ピクセル行Riのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定し、前記指定ピクセル行Ri内のピクセルを選択及びリセットする段階、及び
前記指定ピクセル行Riのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスを前記第二の論理状態に設定し、前記指定ピクセル行Ri内のピクセルを選択解除する段階、
を有する方法。 - 前記指定ピクセル行Riのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定する段階は、前記指定ピクセル行Riの各ピクセルの増幅器を列バスと接続し、
前記指定ピクセル行Riのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ri−1のリセットゲートバスを前記第二の論理状態に設定する段階は、前記指定ピクセル行Riの増幅器を前記列バスから切断する、
請求項2記載の方法。
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