JP4917953B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
これらの撮像機器には、2次元状に複数個配列された受光素子の出力信号を、複数の垂直CCD及び1以上の水平CCDを用いて順に出力する固体撮像素子を用いたものがある。
また、固体撮像素子の放熱対策について言及した従来技術が、特許文献1に開示されている。
特許文献1には、ソースホロワ回路からなる出力部の最終段の定電流源部を、固体撮像素子外部に設けることにより、固体撮像素子の発熱量を半減することができると記載されている。
テレビジョン学会技術報告「CPD固体撮像素子の新しい駆動法」(昭和57年3月16日発表、松下電子工業株式会社、半導体研究所、曽根賢朗他6名)
一方、固体撮像素子の中央部には通常受光素子が配列されているので、受光素子毎に必要でない回路は周辺部分に配置される。
一方、受光素子は温度の上昇に伴い、暗電流が増加する傾向がある。
この現象は固体撮像素子のウェハ厚を500μm程度に薄くした辺りから生じ始め、400μm程度よりも薄くした場合には特に顕著となる。
上記の問題を解決するために、受光素子を含む固体撮像素子の外部に出力部を設ける構成を考えた場合、出力部中の定電流源回路の規模が大きいので、定電流源回路の代わりに抵抗分割により必要な電圧を生成して、これをNPNトランジスタのベース端子に印加して所望の電量値を得る方法が有力である。
そこで、本発明は、ウェハ厚を薄くした場合において、出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる品質の低下を抑制し、かつ、固体撮像素子の外部に設けた電流源中のNPNトランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量によって生じる出力特性の劣化を抑制することができる撮像装置を提供することを目的とする。
また撮像装置において、前記ソース電極はソース抵抗を介して接地されていることを特徴とすることもできる。
これによって、ドレイン電流の特に温度変化によるばらつきを抑えることができる。
また撮像装置において、前記ソース抵抗は、ゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係が温度により影響されない値に設定されていることを特徴とすることもできる。
これによって、抵抗値を適正に設定することにより温度による特性変動を抑えることができる。
本発明に係る撮像装置は、複数の受光素子から出力される輝度信号を処理して画像情報を出力する撮像装置であって、少なくとも1段の出力回路と、前記出力回路の最後段の出力信号をインピーダンス変換して前記画像情報を出力するバッファ回路とを備え、前記出力回路の最後段は、ソースホロワ回路であり、前記ソースホロワ回路の電流源は、前記複数の受光素子を含む固体撮像素子の外部に設けられ、前記電流源は、定電圧を抵抗分割し抵抗分割点から分割電圧を出力する抵抗分割回路と、前記分割電圧がベース電極に印加されコレクタ電極が前記固体撮像素子の出力線に接続されているエミッタ接地トランジスタと、前記抵抗分割点とGNDとの間に接続され、前記固体撮像素子の出力信号の信号周波数に依存する前記ベース電極の電圧変動を抑制するコンデンサとを含むことを特徴とする。
これによって、電流源が受光素子を含む固体撮像素子の外部に設けられるので、局所的に受光素子の温度が上昇することによる画像情報の品質の低下を抑制でき、また、コンデンサによってベース電極の電圧変動が抑制されるので、ソースホロワ回路の出力ゲインが低下しない。
また撮像装置において、前記コンデンサは、前記信号周波数に対応する高周波特性を備え、かつ、前記エミッタ接地トランジスタにおけるベース・コレクタ間の寄生容量に対応する容量を備えることを特徴とすることもできる。
本発明に係る撮像装置は、複数の受光素子から出力される輝度信号を処理して画像情報を出力する撮像装置であって、少なくとも1段の出力回路と、前記出力回路の最後段の出力信号をインピーダンス変換して前記画像情報を出力する第1バッファ回路とを備え、前記出力回路の最後段はソースホロワ回路であり、前記ソースホロワ回路の電流源は前記複数の受光素子を含む固体撮像素子の外部に設けられ、前記電流源は、所定の定電圧を抵抗分割し分割電圧を出力する抵抗分割回路と、前記抵抗分割回路の出力インピーダンスを下げる第2バッファ回路と、前記第2バッファ回路の出力電圧がベース電極に印加されコレクタ電極が前記固体撮像素子の出力線に接続されているエミッタ接地トランジスタとを含むことを特徴とする。
また撮像装置において、前記エミッタ接地トランジスタはNPNトランジスタであり、前記第2バッファ回路は前記分割電圧がベース電極に印加されているNPNトランジスタを含むことを特徴とすることもできる。
また撮像装置において、前記エミッタ接地トランジスタはNPNトランジスタであり、前記第2バッファ回路は前記分割電圧がベース電極に印加されているPNPトランジスタを含むことを特徴とすることもできる。
また撮像装置において、前記エミッタ接地トランジスタは、定格電流が1mA以上、20mA以下であることを特徴とすることもできる。
これによって、一般的なトランジスタの定格電流が100mA以上であるのに対し、エミッタ接地トランジスタの定格電流を1mA以上20mA以下と小さくすることに伴い、ベース・コレクタ間の寄生容量を小さくする等、他の特性を良くすることができる。
また撮像装置において、前記ソース電極はソース抵抗を介して接地されていることを特徴とすることもできる。
また撮像装置において、前記ソース抵抗は、ゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係が温度により影響されない値に設定されていることを特徴とすることもできる。
これによって、抵抗値を適正に設定することにより温度による特性変動を抑えることができる。
<概要>
本発明の実施の形態1は、出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる画像情報の品質の低下を抑制するために、出力部の最後段のソースホロワ回路の電流源を受光素子を含む固体撮像素子の外部に設け、また、固体撮像素子の外部に設けた電流源中のNPNトランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量によって生じる出力特性の劣化を抑制するために、電流源中に固体撮像素子の出力信号の信号周波数に対応する高周波特性を備えかつ当該寄生容量に対応する容量を備えたコンデンサを含むことによりベース電極の電圧変動を抑制する撮像システムである。
図1は、本発明の実施の形態1における撮像システムの概略構成を示す図である。
実施の形態1の撮像システムは、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器に内蔵されており、レンズにより結像された被写体像を光電変換して画像情報を出力するものであり、図1に示すように、固体撮像素子1、外部出力部2、信号処理部3、及び駆動部4から構成される。
外部出力部2は、固体撮像素子1と信号処理部3との間に接続され、固体撮像素子1の出力に対して、信号処理部3に出力する為に必要な変換を施す。
信号処理部3は、駆動部4に駆動指示を出し、外部出力部2から出力される輝度信号を処理して画像情報を外部へ出力するものである。
図2は、外部出力部2の詳細な回路を示す図である。
図2に示すように、外部出力素子2は、電流源部5、及び最終段バッファ部6から構成される。
電流源部5は、前記従来の固体撮像素子に含まれている定電流源部に相当する電気回路であり、図2に示すように、抵抗7、抵抗8、エミッタ接地トランジスタ9、抵抗10、抵抗11、及びコンデンサ12から構成され、固体撮像素子1内の出力部の最後段の回路と合わせてソースホロワ回路が形成される。
抵抗7と抵抗8とは抵抗分割回路を形成し、所定の定電圧を抵抗分割し抵抗分割点から分割電圧を出力する。ここでは所定の定電圧をVDD=12Vとし、抵抗7はVDDと抵抗分割点との間に接続され18kΩであり、抵抗8は抵抗分割点とGNDとの間に接続され8.2kΩであるものとする。
エミッタ接地トランジスタ9にはベース−コレクタ間の寄生容量が存在し、この影響でソースホロワの出力信号がベースに回り込んでソースホロワ回路の出力ゲインを低下させる。コンデンサ12は、抵抗分割点とGNDとの間に接続され、固体撮像素子1の出力信号の信号周波数に依存するベース電極の電圧変動を抑制する。
<まとめ>
以上のように、本発明の実施の形態1の撮像システムによれば、出力部の最後段のソースホロワ回路の電流源を受光素子を含む固体撮像素子の外部に設けたことにより、ウェハ厚を500μm程度より薄くした場合に発生する出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる画像情報の品質の低下を抑制することができ、また、出力信号の信号周波数に対応する高周波特性を備え、電流源中のNPNトランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量に対して十分大きな容量を備えたコンデンサを抵抗分割点に設けることにより、出力信号の信号周波数に依存するベース電極の電圧変動を抑制して出力ゲインを向上させることができる。
(実施の形態2)
<概要>
本発明の実施の形態2は、出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる画像情報の品質の低下を抑制するために、出力部の最後段のソースホロワ回路の電流源を受光素子を含む固体撮像素子の外部に設け、また、固体撮像素子の外部に設けた電流源中のNPNトランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量によって生じる出力特性の劣化を抑制するために、抵抗分割回路の出力インピーダンスを下げるバッファ回路を電流源中に含むことにより、ベース電極の電圧変動を抑制する撮像システムである。
実施の形態2の撮像システムは、実施の形態1の撮像システムの外部出力部2を外部出力部20に置き換えたものであり、実施の形態1と同様の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略する。
実施の形態2の撮像システムは、固体撮像素子1、外部出力部20、信号処理部3、及び駆動部4から構成される。
図3は、外部出力部20の詳細な回路を示す図である。
図3に示すように、外部出力部20は電流源部21、及び最終段バッファ部6から構成される。
抵抗22と抵抗23と抵抗24とは抵抗分割回路を形成し、所定の定電圧を抵抗分割し抵抗分割点から分割電圧を出力する。なお、電流外部設定端子を、接地あるいは任意の抵抗を介して接地するなどして電流値を変更することができる。
バッファトランジスタ25は、分割電圧がベース電極に印加され、コレクタ電極が所定の定電圧に接続され、エミッタ電極がエミッタ接地トランジスタ27のベース端子に接続されると共に抵抗26を介してGNDに接続されたNPNトランジスタであり、トランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量によって生じる出力特性の劣化を抑制するために、抵抗分割回路の出力インピーダンスを下げるバッファ回路となる。
またここでは、抵抗26は4.7kΩ、抵抗28は1.3kΩとする。
<まとめ>
以上のように、本発明の実施の形態2の撮像システムによれば、出力部の最後段のソースホロワ回路の電流源を受光素子を含む固体撮像素子の外部に設けたことにより、ウェハ厚を500μm程度より薄くした場合に発生する出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる画像情報の品質の低下を抑制することができ、また、抵抗分割回路の出力インピーダンスを下げるバッファ回路を電流源中に含むことにより、出力信号の信号周波数に依存するベース電極の電圧変動を抑制してソースホロワ回路の出力ゲインを向上させることができる。
(実施の形態3)
<概要>
本発明の実施の形態3は、温度による特性変動を抑えるために、実施の形態2の電流源部21に含まれるバッファトランジスタ25をNPNトランジスタからPNPトランジスタに変更した撮像システムである。
実施の形態3の撮像システムは、実施の形態2の撮像システムの外部出力部20を外部出力部30に置き換えたものであり、実施の形態2と同様の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略する。
実施の形態3の撮像システムは、固体撮像素子1、外部出力部30、信号処理部3、及び駆動部4から構成される。
図4は、外部出力部30の詳細な回路を示す図である。
図4に示すように、外部出力部30は電流源部31、及び最終段バッファ部6から構成される。
バッファトランジスタ32は、分割電圧がベース電極に印加され、コレクタ電極がGNDに接続され、エミッタ電極がエミッタ接地トランジスタ27のベース端子に接続されると共に抵抗33を介して所定の定電圧に接続されたPNPトランジスタであり、トランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量によって生じる出力特性の劣化を抑制するために、抵抗分割回路の出力インピーダンスを下げるバッファ回路となる。ここで、バッファトランジスタ32は、バッファトランジスタ25と同様に定格電流が1mA以上20mA以下程度の小さなトランジスタでよい。
<まとめ>
以上のように、本発明の実施の形態3の撮像システムによれば、実施の形態2の電流源部に含まれるバッファトランジスタをPNPトランジスタに変更したことにより、実施の形態2のように全てトランジスタが同じタイプなので生産工程を統一することが容易で生産コストが抑えられるという点においては不利となるが、その他の点においては実施の形態2と同様の効果があり、さらに、バッファトランジスタ32とエミッタ接地トランジスタ27の温度の変動に伴うVbe特性の変化がうち消し合うので、温度による特性変動を抑えることができるという優れた効果がある。
(実施の形態4)
<概要>
本発明の実施の形態4は、出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる画像情報の品質の低下を抑制するために、出力部の最後段のソースホロワ回路の電流源を受光素子を含む固体撮像素子の外部に設け、また、固体撮像素子の外部に設けた電流源中のNPNトランジスタのベース・コレクタ間の寄生容量によって生じる出力特性の劣化を抑制するために、ゲート電極とソース電極とが接地され、ドレイン電極が固体撮像素子の出力線に接続されているJ−FET(接合型電界効果トランジスタ)により電流源を構成し、ベース電極の電圧変動を抑制する撮像システムである。
実施の形態4の撮像システムは、実施の形態1の撮像システムの外部出力部2を外部出力部40に置き換えたものであり、実施の形態1と同様の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略する。
実施の形態4の撮像システムは、固体撮像素子1、外部出力部40、信号処理部3、及び駆動部4から構成される。
図5は、外部出力部40の詳細な回路を示す図である。
図5に示すように、外部出力部40は電流源部41、及び最終段バッファ部6から構成される。
J−FET42は、ベース電極が接地され、ソース電極がソース抵抗44を介して接地され、ドレイン電極が固体撮像素子1の出力線に接続された小信号用ジャンクションFETである。ここで、J−FET42には、市販されている一般的な小信号用ジャンクションFETを使用することもできる。J−FET42のドレイン・ソース間には電流が3mA程度しか流れないことから、例えばドレイン電流が3mA付近の小信号用ジャンクションFETを使用する。
またソース抵抗43は、必ずしも必要ではないが、ソース抵抗を用いるとゲート・ソース電圧が生じ、ドレイン電流のばらつきを抑えることができるという利点がある。ここでは、J−FET42の定格電流を必要な電流値よりも大きめに設定し、必要な電流値になる程度のソース抵抗をゲート・ソース間に挿入することとする。
図6は、ある小信号用ジャンクションFET(2SK1103)についての、各ゲート・ソース電圧Vgs(0V,−0.1V,−0.2V,−0.3V,−0.4V)におけるドレイン・ソース電圧Vdsとドレイン電流Idとの関係を示す図である。
図6に示すように、ゲート・ソース電圧Vgsが−0.4V、ドレイン・ソース電圧Vdsが3V以上の場合にはドレイン電流Idはほぼ一定値であり、ゲート・ソース間の電位差が大きいほど低いドレイン・ソース電圧Vdsでドレイン電流Idは飽和し、またセルフバイアス効果で固体間の電流ばらつきを抑えることができる。
図7は、上記小信号用ジャンクションFET(2SK1103)についての、各温度Ta(−25℃,25℃,75℃)におけるゲート・ソース電圧Vgsとドレイン電流Idとの関係を示す図である。
従って、ソース抵抗43をこの様なゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係が温度により影響されない値に設定すれば、温度による特性変動を抑えることができる。
例えば、上記小信号用ジャンクションFETにおいては、ゲート・ソース電圧Vgs=−0.45Vとなるようにソース抵抗43を設定し、温度による特性変動を抑える。
以上のように、本発明の実施の形態4の撮像システムによれば、出力部の最後段のソースホロワ回路の電流源を受光素子を含む固体撮像素子の外部に設けたことにより、ウェハ厚を500μm程度より薄くした場合に発生する出力部近傍の受光素子の温度だけが上昇することによる画像質の劣化を抑制することができ、また、J−FETにより電流源を構成することにより、電流設定用のバイアス抵抗分割回路が不要となり部品点数を削減出来、ソースフォロア回路の出力ゲインを向上させることができる。
なお、各実施の形態においては、最終段バッファ部6にNPNトランジスタを用いているが、PNPトランジスタを用いてもよい。一般的に、CCDの出力応答性は立ち下がりの応答特性に大きく依存するので、最終段バッファ部6にPNPトランジスタを用いると、エミッタ電流を必要以上に増やすことなく立下りのスルーレートを高めることができる。従って、CCDの出力部である最終段バッファ部6には、PNPトランジスタを用いた方が、応答特性の面からみて有利である。
2 外部出力部
3 信号処理部
4 駆動部
5 電流源部
6 最終段バッファ部
7 抵抗
8 抵抗
9 エミッタ接地トランジスタ
10 抵抗
11 抵抗
12 コンデンサ
13 バッファトランジスタ
14 抵抗
15 抵抗
20 外部出力部
21 電流源部
22 抵抗
23 抵抗
24 抵抗
25 バッファトランジスタ
26 抵抗
27 エミッタ接地トランジスタ
28 抵抗
30 外部出力部
31 電流源部
32 バッファトランジスタ
33 抵抗
34 抵抗
40 外部出力部
41 電流源部
42 J−FET
43 ソース抵抗
Claims (5)
- 複数の受光素子が配列した固体撮像素子と、
少なくとも1段の出力回路と、
前記出力回路の最後段の出力信号をインピーダンス変換して、画像情報を出力するバッファ回路とを備え、前記複数の受光素子から出力される輝度信号を処理して、前記画像情報を出力する撮像装置において、
前記出力回路の最後段は、ソースホロワ回路であり、
前記ソースホロワ回路の電流源は、前記複数の受光素子が形成された第1の半導体基板の外部に設けられ、
前記電流源は、ゲート電極とソース電極とが接地され、ドレイン電極が前記固体撮像素子の出力線に接続されているJ−FETを含み、
前記バッファ回路は、発振防止用の抵抗と、前記抵抗を介してベース電極に前記固体撮像素子の出力信号が入力されるPNPトランジスタとを備え、
前記第1の半導体基板は500μmよりも薄い厚みであること
を特徴とする撮像装置。 - 前記ソース電極は、ソース抵抗を介して接地されていること
を特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記ソース抵抗は、
ゲート・ソース間電圧とドレイン電流との関係が、温度により影響されない値に設定されていること
を特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記出力回路は、CCDの出力部であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の撮像装置。
- 前記出力回路は、MOSセンサーの出力部であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の撮像装置。
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