JP5190185B2 - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置と、固体撮像装置を備えた撮像装置とに関するものである。

近年、ＣＣＤ(Charge Coupled Device）型イメージセンサに代わるイメージセンサとしてＭＯＳ型イメージセンサが注目されている。これは、ＣＰＵ（中央演算装置）やメモリと同じＣＭＯＳプロセスで製造できるため、既存の設備を利用でき、安定供給が可能であること、ＣＣＤ型イメージセンサに比べて駆動回路や信号処理回路を簡易な構成にできること、消費電力を低減できることなど、ＭＯＳ型イメージセンサが多くの利点を有しているためである。

一般的なＭＯＳ型イメージセンサは、行列上に配置された複数の画素と、列ごとに設けられ、画素で光電変換された電圧信号を転送する垂直信号線１０１（図７（ａ）参照）とを有する画素アレイと、垂直信号線１０１ごとに設けられ、垂直信号線１０１によって転送された電圧信号を増幅するアンプを有するカラムアンプ部とを備えている。カラムアンプ部で増幅された電圧信号は、水平走査回路によって制御される水平信号線内を通り、マルチプレクサなどを介して出力回路に転送される。

また、図７（ａ）、（ｂ）は従来の固体撮像装置におけるカラムアンプ部の構成例を示す回路図である。図７（ａ）は、１本の垂直信号線１０１に接続された１つのアンプを示しており、図７（ｂ）は、複数のアンプを示している。

従来のカラムアンプ部では、ソースが接地され、ゲート電極に電圧信号Ｖｉｎが入力される増幅用トランジスタＭ１と、一端が電源電圧供給部Ｖ_ＤＤＡに接続され、他端が増幅用トランジスタＭ１のドレインに接続された電流源Ｍ２とを有するアンプが複数個設けられている。電流源Ｍ２は、例えば飽和領域で駆動されるｐチャネル型ＭＯＳトランジスタで構成される。ここで、図７（ａ）、（ｂ）に示すｒａは電源電圧供給部Ｖ_ＤＤＡと電流源Ｍ２との間に生じる寄生抵抗を示しており、ｒｇは接地（図中のＡＧＮＤ）と増幅用トランジスタＭ１との間に生じる寄生抵抗を示している。

このような構成のカラムアンプ部では、垂直信号線１０１を経由して入力された電圧信号Ｖｉｎは増幅用トランジスタＭ１で増幅され、増幅された電圧信号Ｖｏｕｔは増幅用トランジスタＭ１のドレイン側から取り出される。従来のカラムアンプ部では、列ごとにアンプが設けられているので、単純な構成のソース接地アンプを用いることで回路面積の増大が抑制されている。

ところで、増幅用トランジスタのしきい値電圧Ｖｔ（すなわち、電圧信号Ｖｉｎの電圧）は、電源電位と接地電位とを基準として作られる電圧である。そのため、信号レベルＶｐｓ（すなわち、Ｖｏｕｔの電圧）を読み出す時に信号電圧Ｖｉｎが大きすぎると電流源Ｍ２を流れる電流の値Ｉｄｓが変化し、電源電位と接地電位も変化することで、しきい値電圧Ｖｔも変化してしまう。その結果、アンプの出力Ｖｏｕｔの電位も変化してしまい、高輝度信号の入力時と暗信号の入力時で黒レベルが変化したように見えてしまう。

さらに、行方向に列の数と同じだけ設けられたアンプは電源および接地のインピーダンスを共有しているため、電源電圧供給部からいずれか１つのアンプに流れる電流の値Ｉｄｓが変化すると、その影響を全てのアンプが受けてしまう。例えば、画素アレイの一部に高輝度の光が入射すると、光が入射した部分の画素からの電圧信号を読み出すアンプに流れる電流が変化する。すると、全てのアンプが電流変化の影響を受ける結果、出力画像において、高輝度部分の左右での黒レベルはその上下の部分の黒レベルから変化してしまう。すなわち、高輝度部分の左右に白帯または黒帯が生じてしまう。この現象は、一般的にストリーキングと呼ばれる。

これに対し、特許文献１には、列ごとに設けられたアンプの出力部にリミッタを設けてアンプの出力電圧Ｖｏｕｔをアンプに流れる電流Ｉｄｓが一定に保たれる範囲に制限する技術が記載されている。
特開２００５−２５２５２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の固体撮像装置においても、アンプに流れる電流Ｉｄｓを完全に一定に保つのは困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ストリーキングの発生が効果的に抑えられた固体撮像装置および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、光を画像信号に変換する画素が行列状に配置されてなる画素アレイと、前記画素アレイ上を列方向に延び、前記画素から読み出した前記画像信号を電圧信号の形で転送する列ごとに設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線を経由して転送された前記画像信号を増幅し、列ごとに設けられた複数のアンプを有し、電源電圧および接地電圧が供給されたカラムアンプ部と、前記複数のアンプに電源電圧を供給するための電源線と、前記複数のアンプに接地電圧を供給するための接地線とを備え、前記複数のアンプの各々について、電源側のインピーダンスが接地側のインピーダンスよりも大きい。

この構成により、各アンプから見て電源側のインピーダンスが接地側のインピーダンスより大きくなっているので、アンプに入力される画像信号の電圧が変動して当該アンプに流れる電流が変動する場合でも、電源側のＩＲドロップ量を大きくすることで、出力される画像信号（Ｖｏｕｔ）の電位の変動を抑えることができる。そのため、高輝度の画像信号がアンプに入力された場合であっても、当該アンプと電源線および接地線を共有するアンプの出力が高輝度の画像信号の影響を受けるのを防ぐことができる。

特に、シングルエンドのアンプが用いられる場合には、各アンプからみて、電源側のインピーダンスが接地側のインピーダンスよりも大きいことが好ましく、各アンプからみて、（電源側のインピーダンス）／（接地側のインピーダンス）の値が（各アンプのゲイン）／２に等しくなっていればより好ましい。なお、実際には寄生抵抗が画素ごとで若干ばらついたり、製造工程に起因する誤差などが発生することなどもあるため、（電源側の抵抗値）／（接地側の抵抗値）の値はこれらの誤差を含めて（各アンプのゲイン）／２にほぼ等しければよい。なお、アンプの電源側および接地側ともにリアクタンス成分を電源側抵抗および接地側抵抗に比べて小さくすることにより、アンプの出力電圧を容易に調整できるようになるので好ましい。

また、配線材料や配線幅を増幅用トランジスタの電源側と接地側とで変更するなどの手段によって電源側の抵抗値を接地側の抵抗値より大きくしてもよい。また、アンプの電源側または接地側に抵抗体を別途設けて抵抗値の比を調節してもよい。

また、本発明の第１の撮像装置は、電源電圧供給部と、
接地電圧供給部と、
入射光を画像信号に変換する画素アレイと、前記画素アレイ上を列方向に延び、前記画素から読み出した前記画像信号を電圧信号の形で転送する列ごとに設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線を経由して転送された前記画像信号を増幅し、列ごとに設けられた複数のアンプを有し、電源電圧および接地電圧が供給されたカラムアンプ部と、前記複数のアンプに電源電圧を供給するための電源線と、前記複数のアンプに接地電圧を供給するための接地線とを有する固体撮像装置と、前記電源電圧供給部と前記電源線との接続経路上に設けられた第１の抵抗体とを備え、前記複数のアンプの各々について、前記電源電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスが、前記接地電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスよりも大きい。

この構成によれば、電源電圧供給部と各アンプとの間のインピーダンスが、接地電圧供給部と各アンプとの間のインピーダンスよりも大きくなっているので、高輝度の画像信号がアンプに入力された場合であってもアンプにより増幅された画像信号の電位変動を小さくすることができる。そのため、いわゆるストリーキングの発生を抑えることができる。

特に、第１の抵抗体が固体撮像装置の外部に設けられていることにより、第１の抵抗体が固体撮像装置内に設けられる場合に比べて抵抗値の調節がより容易にできるようになっている。

また、前記接地電圧供給部と前記接地線との接続経路上に設けられた第２の抵抗体をさらに備えていてもよい。

本発明の第２の撮像装置は、電源電圧供給部と、接地電圧供給部と、入射光を画像信号に変換する画素アレイと、前記画素アレイ上を列方向に延び、前記画素から読み出した前記画像信号を電圧信号の形で転送する列ごとに設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線を経由して転送された前記画像信号を増幅し、列ごとに設けられた複数のアンプを有し、電源電圧および接地電圧が供給されたカラムアンプ部と、前記複数のアンプに電源電圧を供給するための電源線と、前記複数のアンプに接地電圧を供給するための接地線とを有する固体撮像装置と、前記接地電圧供給部と前記接地線との接続経路上に設けられた抵抗体とを備え、前記複数のアンプの各々について、前記電源電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスが、前記接地電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスよりも大きくなっている。

この構成により、上述のように、出力画像においてストリーキングの発生を抑えることが可能になっている。特に、アンプから見て接地側に設けられた抵抗の影響は電源側に設けられた抵抗に比べて大きいため、上述の構成によれば、アンプの電源側の抵抗値と接地側の抵抗値の比をより効果的に調節することができる。

本発明の固体撮像装置によれば、画素から読み出された画像信号を増幅するためのアンプにおいて、電源側の抵抗値を接地側の抵抗値よりも大きくしているので、１つのアンプに高輝度の画像信号が入力された場合でも、これと同じ列のアンプの出力電位が変動しにくくなっている。

上記の課題を解決すべく、本願発明者らが種々の実験や検討を重ねて原因の究明を行ったところ、アンプの電源側あるいは接地側に接続された配線などに起因する寄生抵抗が予想以上にアンプの出力電位に影響を与えていることが判明した。そのため、本願発明者らは、アンプ−電源電圧供給部間の抵抗値とアンプ−接地電圧供給部間の抵抗値とを適切に調節することが必要であると考え、以下で説明する発明に想到した。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
−固体撮像装置の構成−
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を備えた撮像装置を示すブロック図であり、図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイおよびその周辺回路を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態の撮像装置は、外部からの入射光を集めるレンズ（光学部材）２と、入射光を画像信号に変換する受光部（画素アレイ）を有する固体撮像装置４と、固体撮像装置４に駆動タイミングを制御するための信号を供給するタイミングジェネレータ（ＴＧ）６と、固体撮像装置４から出力された画像信号を処理するとともに、画像信号に基づいて駆動タイミングを変化させるための信号をタイミングジェネレータ６に出力する信号処理回路（Digital Signal Processor;DSP)１８と、信号処理回路１８から出力された処理済みの画像信号を受けて当該画像信号を外部機器（Back-Endユニット：以下、Ｂ／Ｅユニットと略）１２に出力するインターフェース部（Ｉ／Ｆ）１０とを備えている。ここで、タイミングジェネレータ６が出力する「駆動タイミングを制御するための信号」とは、例えばクロック信号、垂直同期信号、水平同期信号などを含んでいるものとする。なお、固体撮像装置４、タイミングジェネレータ６、および信号処理回路１８はそれぞれ別の半導体チップとして撮像装置に搭載されていてもよいが、互いに同一の半導体チップ上に設けられていてもよい。

また、図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素１で構成される画素アレイ５と、画素１の行ごとに配置され、画素アレイ５上を行方向に延びる行選択線１４と、行選択線１４を駆動する垂直走査回路２０と、画素１の列ごとに配置され、画素アレイ５上を列方向に延び、画素１で生じた画像信号を転送する垂直信号線３と、垂直信号線３により転送された画像信号を増幅するカラムアンプ部７を有し、増幅された当該画像信号を外部へ出力するカラム読み出し部１１と、カラム読み出し部１１に保持された一行分の画像信号を順次読み出させる水平走査回路１３と、カラム読み出し部１１に保持された画像信号を外部回路（例えばＤＳＰ１８）に出力するための出力回路９とを備えている。本実施形態の固体撮像装置は、ＭＯＳトランジスタを介して画素（フォトダイオード）１で生成された画像信号を転送するいわゆるＭＯＳセンサである。

次に、本実施形態の固体撮像装置の特徴部分であるカラムアンプ部７の構成について説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置のカラムアンプ部の構成を示す回路図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置におけるカラムアンプ部７は、垂直信号線３により伝送される電圧信号（画像信号）を増幅して出力するアンプ８−_１、８−_２、…、８−_ｎ−１、８−_ｎと、アンプ８−_１、８−_２、…、８−_ｎ−１、８−_ｎの各々に共通に接続され、各アンプ８に電源電圧を供給するための電源パッド２１と、各アンプ８に接地電圧を供給するためのグランドパッド２３と、例えば電源パッド２１と各アンプ８との間に介設され、各アンプ８に共通に接続された第１の抵抗体３０と、グランドパッド２３と各アンプ８との間に介設され、各アンプ８に共通に接続された第２の抵抗体３２とを有している。ここで、アンプ８−_１、８−_２、…、８−_ｎ−１、８−_ｎの各々を特に区別しないときは、各アンプのことを「アンプ８」と呼ぶものとする。なお、電源パッド２１は固体撮像装置の外部の電源電圧供給部ＡＶＤＤに接続されており、グランドパッド２３は固体撮像装置の外部の接地電位供給部ＡＧＮＤに接続されている。また、第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２は、配線とは別個に設けられた抵抗体である。

さらに、各アンプ８は、図３（ｂ）に示すように、例えばｎチャネル型トランジスタで構成された抵抗２５と、各垂直信号線により伝送される画像信号Ｖｉｎを増幅し、出力Ｖｏｕｔとして出力する増幅用トランジスタ２７とを有している。すなわち、抵抗２５は増幅用トランジスタ２７と第１の抵抗体３０との間に介設されている。ここで、図３（ｂ）に示す抵抗２５−_１、２５−_２、…、２５−_ｎ−１、２５−_ｎの各々を特に区別しないときは、上述のように各抵抗のことを「抵抗２５」と呼ぶ。また、増幅用トランジスタ２７−_１、２７−_２、…、２７−_ｎ−１、２７−_ｎの各々を特に区別しないときは、上述のように各増幅用トランジスタのことを「増幅用トランジスタ２７」と呼ぶ。

図３（ｃ）は、ＭＯＳトランジスタにおけるしきい値Ｖｔとソース・ドレイン間電圧Ｖｐｓとの関係を示す図である。本実施形態のアンプ８において、抵抗２５は固体撮像装置の動作期間を通して図３（ｃ）に示す線形領域で動作されるｎチャネル型トランジスタである。

増幅用トランジスタ２７は、第２の抵抗体３２を介して接地されており、いわゆるシングルエンドのアンプを構成している。このため、複雑な構成を有するアンプに比べて列ごとに配置しても面積の増加を抑えることができる。

本実施形態の固体撮像装置の特徴は、アンプ８の電源側のインピーダンスが接地側のインピーダンスよりも大きくなっていることにある。さらに、アンプ８の電源側インピーダンスと接地側インピーダンスの比（（電源側インピーダンス）／（接地側インピーダンス））が（アンプ８のゲイン）／２と実質的に等しくなっていれば特に好ましい。ここで、アンプ８の電源および接地側配線においては配線抵抗と共にＬＣ（リアクタンス）成分が必ず発生する。従って、アンプ８から見て（電源側インピーダンス）＝（電源側抵抗）＋（抵抗以外に起因する電源側のリアクタンスＸｖ）となっており、（接地側インピーダンス）＝（接地側抵抗）＋（抵抗以外に起因する接地側のリアクタンスＸｇ）となっている。

これに加え、本実施形態のアンプ８では、出力Ｖｏｕｔの電位を調整しやすくするためにアンプ８の電源側および接地側で配線幅を広くしたり、第１の抵抗体３０とアンプ８との距離および第２の抵抗体３２とアンプ８との距離を共に短くするなどして電源側のリアクタンスＸｖおよび接地側のリアクタンスＸｇを無視できる程度に小さくしている。ここで、電源側抵抗値とは、アンプ８と電源電圧供給部（ＡＶＤＤ）との間に生じる抵抗値の合計のことであり、具体的には（アンプ８と電源電圧供給部との間の寄生抵抗の合計）＋（第１の抵抗体３０の抵抗値Ｒｖ）で求められる値を意味する。また、接地側抵抗とは、アンプ８と接地（ＡＧＮＤ）との間に生じる抵抗値の合計のことであり、具体的には、（アンプ８と接地との間の寄生抵抗の合計）＋（第２の抵抗体３２の抵抗値Ｒｇ）で求められる値を意味する。また、寄生抵抗にはそれぞれ電源線、接地線の配線抵抗などが含まれる。ここで、配線材料としてはＡｌが好ましく用いられるが、Ａｌを含む導電体やポリシリコン、あるいはＣｕを含む導電体などであってもよい。

本実施形態の固体撮像装置において、アンプ８−_１、８−_２、…、８−_ｎ−１、８−_ｎの各々の電源側の寄生抵抗をほぼ同じになるように設計し、接地側の寄生抵抗も同様にそれぞれほぼ同じになるように設計できれば、第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２の抵抗値を適切に設定することで、いずれの列においてもアンプ８の電源側抵抗値を接地側抵抗値より大きく最適な比率にすることができる。

以上の構成によれば、アンプ８の電源側のインピーダンスを接地側のインピーダンスよりも大きくしているので、画像信号Ｖｉｎの電位が変動する際のＶｏｕｔへの影響が小さくなっている。さらに、アンプ８の電源側での抵抗値を大きくすることで、カラムアンプ部７から接地方向に向かって流れるアンプ電流Ｉｃｏｌが変動した場合に従来の固体撮像装置に比べて電源側でのＩＲドロップ量を大きくできるので、画像信号Ｖｉｎの電位が変動する際のＶｏｕｔへの影響を相殺することができる。特に、アンプ８の電源側抵抗値と接地側抵抗値との比がアンプ８のゲイン／２と実質的に等しい場合には、画像信号Ｖｉｎの電位がＶｏｕｔに与える影響をより効果的に抑えることができる。

また、上述の構成により、高輝度の画像信号Ｖｉｎがアンプ８に入力された場合でもＶｏｕｔの電位変動が抑えられるので、高輝度の画像信号Ｖｉｎが入力されたアンプ８と電源線および接地線を共用する他のアンプ８が高輝度の画像信号Ｖｉｎの影響を受けることがなくなる。従って、出力画像において、いわゆるストリーキングが発生するのを抑えることができる。

ところで、図７（ａ）、（ｂ）に示す従来の固体撮像装置では、増幅用トランジスタのドレインに飽和領域で駆動され、電流源として機能するｐチャネル型トランジスタＭ２が接続されているのに対し、本実施形態の固体撮像装置では、線形領域で駆動され、抵抗２５として機能するｎチャネル型トランジスタが接続されている。本来、トランジスタを飽和領域で駆動する方がソース−ドレイン間電圧Ｖｓｄの変化に対するドレイン電流Ｉｄの変化を小さくできるが、本実施形態の固体撮像装置では、電源側抵抗値を接地側抵抗値よりも大きくすることにより、トランジスタを抵抗として用いた場合であってもＶｏｕｔの輝度による影響を十分に抑えることが可能となっている。そのため、本実施形態の固体撮像装置では、増幅用トランジスタに接続されるトランジスタの動作領域を制限する必要がないので、従来の固体撮像装置に比べて設計の自由度を大きくすることができる。なお、本実施形態の固体撮像装置では、増幅用トランジスタ２７に接続されるトランジスタが固体撮像装置の動作中に常にオン状態になっている。

また、図３（ａ）に示すように、第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２は画素アレイおよびカラムアンプ部７と同一の半導体チップ上に形成されていてもよいが、第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２の一方あるいは両方がカラムアンプ部７を搭載する半導体チップの外部（且つ撮像装置の内部）に設けられていてもよい。第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２がカラムアンプ部７と同一チップ上に形成されている場合には、各アンプ８と電源パッド２１との間に生じる抵抗値の合計を電源側抵抗値とみなし、アンプ８とグランドパッド２３との間に生じる抵抗値の合計を接地側抵抗値とみなすことができる。第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２がカラムアンプ部７と同一チップ上に形成されている場合、固体撮像装置を備えた撮像装置のサイズを小さくすることができる。一方、第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２を固体撮像装置の外部に設ける場合には、固体撮像装置内に設ける場合に比べて両抵抗体の抵抗値の制御を容易に行うことができる。

なお、本実施形態の固体撮像装置においては、アンプ８から見て電源側抵抗値と接地側抵抗値の比を第１の抵抗体３０と第２の抵抗体３２の抵抗値を調節することで適切な値に設定しているが、配線幅や配線材料を変えることで電源側抵抗値と接地側抵抗値の比を所望の値に設定することもできる。例えば、接地側の配線幅を電源側の配線幅よりも大きくすることで電源側の寄生抵抗を接地側の寄生抵抗よりも小さくすることができ、抵抗値を調節することができる。また、第１の抵抗体３０および第２の抵抗体３２などの抵抗体を作成せずに、配線長をアンプ８の接地側で電源側よりも長くしたり、電源側の配線を接地側の配線よりも電気抵抗の小さい材料で構成したり、電源側の配線幅を接地側の配線幅よりも大きくするなどにより電源側の寄生抵抗を寄生抵抗より大きくしてもよい。

また、本実施形態ではカラムアンプ部７を構成するアンプとしてシングルエンドのアンプを用いる例を説明したが、差動アンプを用いてもよい。この場合、カラムアンプ部７の面積はシングルエンドのアンプを用いる場合に比べて増加するが、出力Ｖｏｕｔが入力される画像信号の変化の影響を受けにくくすることができる。

また、以上ではカラムアンプ部７を有する固体撮像装置について説明したが、カラムアンプ部７の出力側に、垂直信号線ごとに設けられたカラムＡＤコンバータを設けていてもよい。このカラムＡＤコンバータは、電源電圧供給部および接地に接続されたコンパレータを有しており、コンパレータの電源側インピーダンスが接地側インピーダンスより大きいことが好ましく、（電源側インピーダンス）／（接地側インピーダンス）の値が（コンパレータのゲイン）／２とほぼ等しければなお好ましい。このように、固体撮像装置にカラムＡＤコンバータを組み込むことにより、カラムＡＤコンバータ内のラッチとカウンタ間の配線長を列ごとに一定且つ短くすることができるので、ＡＤ変換の際の待ち時間が不要となり、画像信号の処理速度を向上させることができる。

−電源側のインピーダンスと接地側のインピーダンスとの関係−
次に、アンプ８から見て電源側のインピーダンスと接地側のインピーダンスとの比、または電源側抵抗値と接地側抵抗値との比を増幅用トランジスタのゲインの１／２に一致させることが好ましい理由について説明する。

図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置のカラムアンプ部７の構成を示す回路図である。図４（ａ）は１つのアンプ８（符号は図３（ｂ）参照）について見た回路図であり、図４（ｂ）は複数のアンプ８について見た回路図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すアンプ８において、抵抗２５は線形領域、増幅用トランジスタ２７は飽和領域で動作しているとし、高輝度画像の出力があるアンプの抵抗２５に流れる電流をＩａ、増幅用トランジスタ２７に流れる電流をＩｂとすると、Ｉａ＝Ｉｂである。このとき、
（β／２）（Ｖｉｎ−Ｖｃ−Ｖｔｈ）^２＝（Ｖａ−Ｖｏｕｔ）／Ｒｃｈｐ
β×（Ｖｉｎ−Ｖｃ−Ｖｔｈ）＝ｇｍより、
ｇｍ×（Ｖｉｎ−Ｖｃ−Ｖｔｈ）／２＝（Ｖａ−Ｖｏｕｔ）／Ｒｃｈｐ
となる。但し、β＝μ・Ｃｏｘ・Ｗ／Ｌである（μはキャリア移動度、Ｃｏｘは単位面積当たりのゲート容量、Ｗはトランジスタのゲート幅、Ｌはトランジスタのゲート長）。また、Ｖｉｎは増幅用トランジスタ２７のゲート電極に入力される画像信号の電圧、Ｖｃは増幅用トランジスタ２７のソース電圧、Ｖｔｈは増幅用トランジスタ２７のしきい値電圧、Ｖａは抵抗２５のドレイン電圧、Ｖｏｕｔはアンプの出力電圧、Ｒｃｈｐは抵抗２５の抵抗値である。

次に、カラムアンプのリセットレベルはＶｉｎ＝Ｖｏｕｔであることより、
ｇｍ×Ｒｃｈｐ×（Ｖｏｕｔ−Ｖｃ−Ｖｔｈ）＝２×（Ｖａ−Ｖｏｕｔ）
Ｖｏｕｔ＝{２Ｖａ＋ｇｍ×Ｒｃｈｐ×（Ｖｃ＋Ｖｔｈ）}／（ｇｍ×Ｒｃｈｐ＋２）・・・（１）
ここで、式（１）にＶａ＝Ｖｄｄ−Ｉｃｏｌ×Ｚａ、Ｖｃ＝Ｉｃｏｌ×Ｚｇを上式（１）に代入すると、
Ｖｏｕｔ＝{２（Ｖｄｄ−Ｉｃｏｌ×Ｚａ）＋ｇｍ×Ｒｃｈｐ×（Ｉｃｏｌ×Ｚｇ＋Ｖｔｈ）}／（ｇｍ×Ｒｃｈｐ＋２）＝{２Ｖｄｄ＋ｇｍ×Ｒｃｈｐ×Ｖｔｈ＋Ｉｃｏｌ×（−２Ｚａ＋ｇｍ×Ｒｃｈｐ×Ｚｇ）}／（ｇｍ×Ｒｃｈｐ＋２） ・・・（２）
ここで、Ｚａはそれぞれアンプから見て電源側のインピーダンスであり、Ｚｇはそれぞれアンプから見て接地側の抵抗値および接地側のインピーダンスである。上式（２）において、ストリーキングが発生しない条件、すなわちアンプから接地方向に流れる電流ＩｃｏｌによってＶｏｕｔが変化しない条件になるためには、
−２×Ｚａ＋ｇｍ×Ｒｃｈｐ×Ｚｇ＝０
（Ｚａ／Ｚｇ）＝ｇｍ×Ｒｃｈｐ／２
Ａｃｏｌ＝ｇｍ×（Ｒｃｈｐ＋Ｚａ）、Ｒｃｈｐ≫Ｚａの関係より、Ａｃｏｌ≒ｇｍ×Ｒｃｈｐとして、（Ｚａ／Ｚｇ）≒Ａｃｏｌ／２となる。ここで、Ａｃｏｌはアンプのゲインを指す。なお、本実施形態のアンプにおいて、電源側のリアクタンス成分、および接地側のリアクタンス成分が電源側および接地側の抵抗値に比べて著しく小さくなるように設計すれば、（電源側の抵抗値／接地側の抵抗値）≒Ａｃｏｌ／２となることが分かる。

−第１の実施形態の変形例−
図３（ｄ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置において、カラムアンプ部７の回路構成を示す図である。以下では、本変形例が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている点のみについて説明する。

図３（ｄ）に示すように、本変形例に係る固体撮像装置では、カラムアンプ部７において、増幅用トランジスタ２７_−１、２７_−２、…、２７_−ｎの各々のドレインに、抵抗に代えてｐチャネル型トランジスタで構成される電流源２９_−１、２９_−２、…、２９_−ｎが接続されている。そして、アンプから見て、電源側インピーダンスは接地側インピーダンスよりも大きくなっている。また、アンプの電源側および接地側の両方において、リアクタンス成分は極力小さくなるよう設計されている。そして、電源側抵抗値は接地側抵抗値よりも大きくなっている。ここで、電源側抵抗値とは、アンプと電源電圧供給部との間の寄生抵抗と、第１の抵抗体３０の抵抗値との合計のことである。接地側抵抗値とは、アンプと接地との間の寄生抵抗と第２の抵抗体３２の抵抗値との合計のことである。

本変形例では、ｐチャネル型トランジスタを飽和領域で駆動させているので、ソース−ドレイン間電圧が変動してもドレイン電流の変動は比較的小さくなっている。さらに、電流側抵抗値を接地側抵抗値よりも大きくすることで、アンプに流れる電流Ｉｃｏｌが変化してもＶｏｕｔの変動は小さくなっている。

さらに、特許文献１に記載されたようなリミッタＬＭを各アンプの出力側に１個ずつ設けてもよい。リミッタＬＭは、アンプの出力Ｖｏｕｔを、電流源２９を流れる電流が一定に保たれる範囲内に制限する。このように、本変形例の固体撮像装置では、画像信号Ｖｉｎの変化に伴うＶｏｕｔの変動を従来の固体撮像装置に比べて著しく小さくすることができる。そのため、高輝度画素出力がアンプに入力される場合にも、横帯の発生や黒レベルの変化を効果的に抑えることが可能となっている。

（第２の実施形態）
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置のアンプ部の構成を示す回路図である。本実施形態の固体撮像装置は、カラムアンプ部７と電源電圧供給部との間、およびカラムアンプ部７と接地との間の構成以外は第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるので、以下では特徴部分についてのみ説明する。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置のカラムアンプ部７の特徴は、アンプ８の電源側、すなわちアンプ８と電源電圧供給部ＡＶＤＤまたは電源パッド２１との間に第１の抵抗体が設けられていないことにある。アンプ８と電源電圧供給部ＡＶＤＤまたは電源パッド２１との間は、固体撮像装置の他の部分の配線と同じ通常の配線で接続されている。この配線は、例えばＡｌで構成されている。ただし、第１の抵抗体３０は、電源側のインピーダンスを低減するためにアンプ８からの距離が短く設定されている。

一方、アンプ８と接地との間には、接地側の寄生抵抗を小さくするとともに、リアクタンス成分を低減するために、配線幅を電源側より広くしたり、配線の材質を電源側の配線に比べて低抵抗なものに変えたり、配線長を電源側よりも短くするなどした配線が設けられている。また、アンプ８と接地またはグランドパッド２３との間には、複数の増幅用トランジスタ２７に対して１つ第２の抵抗体３２が設けられている。

そして、第１の実施形態の固体撮像装置と同様、アンプ８から見て電源側インピーダンスが接地側インピーダンスよりも大きくなっている。より好ましくは、（電源側インピーダンス）／（接地側インピーダンス）の値がアンプ８のゲインの１／２とほぼ等しくなっている。また、アンプ８から見て電源側抵抗値が接地側抵抗値よりも大きくなっている。より好ましくは、（電源側抵抗値）／（接地側抵抗値）の値がアンプ８のゲインの１／２とほぼ等しくなっている。

以上の構成により、画像信号Ｖｉｎが高輝度信号である場合でも、Ｖｏｕｔの変動を小さくすることができる。また、一部の画素に高輝度光が入射した場合であっても、高輝度の画像信号Ｖｉｎが入力されたアンプ８と電源線および接地線を共用する他のアンプが高輝度の画像信号Ｖｉｎの影響を受けにくくすることができる。従って、出力画像において、ストリーキングの発生を効果的に抑えることができる。また、アンプ８の電源側および接地側で配線等のリアクタンス成分を小さく抑えているので、出力Ｖｏｕｔの電位調整を容易に行うことが可能となっている。

上述のように、カラムアンプ部７において、接地側の抵抗値を変更する場合、電源側の抵抗値を変化させるよりも接地側の抵抗値を変化させる方が効果的にＶｏｕｔの電位変化を安定化させることができる。

なお、本実施形態の固体撮像装置において第２の抵抗体３２は、電源側抵抗値と接地側抵抗値の比を所望の値に調節するために設けられたものであるので、寄生抵抗のみで電源側抵抗値と接地側抵抗値の比を所望の値に調節する場合には設けられなくてもよい。

なお、本実施形態の固体撮像装置において、第２の抵抗体３２は固体撮像装置内に設けられていてもよく、固体撮像装置の外部に設けられていてもよい。

（第３の実施形態）
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置のアンプ部の構成を示す回路図である。本実施形態の固体撮像装置は、カラムアンプ部７と電源電圧供給部との間、およびカラムアンプ部７と接地との間の構成以外は第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるので、以下では特徴部分についてのみ説明する。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置のカラムアンプ部７の特徴は、アンプ８の接地側、すなわちアンプ８と接地またはグランドパッド２３との間に第２の抵抗体が設けられていないことにある。そして、アンプ８と接地またはグランドパッド２３との間は、固体撮像装置の他の部分の配線と同じ通常の配線で接続されている。この配線は、例えばＡｌで構成されている。

一方、アンプ８と電源電圧供給部または電源パッド２１との間には、電源側の寄生抵抗を大きくするために、配線幅を接地側より狭くしたり、配線の材質を接地側の配線に比べて高抵抗なもの（例えばポリシリコン）に変えたり、配線長を接地側よりも長くするなどした配線が設けられている。また、抵抗２５と電源電圧供給部または電源パッド２１との間には、複数の増幅用トランジスタ２７に対して１つの第１の抵抗体３０が設けられている。

そして、第１の実施形態の固体撮像装置と同様、アンプ８から見て電源側インピーダンスが接地側インピーダンスよりも大きくなっている。より好ましくは、（電源側インピーダンス）／（接地側インピーダンス）の値がアンプ８のゲインの１／２とほぼ等しくなっている。さらに、リアクタンス成分は、アンプ８の電源側、接地側共に抵抗に比べて十分小さくなるように設計されている。また、アンプ８から見て電源側抵抗値が接地側抵抗値よりも大きくなっている。より好ましくは、（電源側抵抗値）／（接地側抵抗値）の値がアンプ８のゲインの１／２とほぼ等しくなっている。

以上の構成により、画像信号Ｖｉｎが高輝度信号である場合でも、Ｖｏｕｔの変動を小さくすることができる。また、一部の画素に高輝度光が入射した場合であっても、高輝度の画像信号Ｖｉｎが入力されたアンプ８と電源線および接地線を共用する他のアンプが高輝度の画像信号Ｖｉｎの影響を受けにくくすることができる。従って、出力画像において、ストリーキングの発生を効果的に抑えることができる。また、リアクタンス成分が低減されているので、アンプ８の出力Ｖｏｕｔの電位を調整しやすくなっている。

特に、本実施形態の固体撮像装置では、第１の抵抗体３０の抵抗値と寄生抵抗との合計値が接地側の寄生抵抗より大きければよいので、電源側の配線幅等を他の部分と変えることなく、第１の抵抗体３０の抵抗値を調節するだけでＶｏｕｔの電位を安定化させることができる。また、電源側抵抗値の変動がＶｏｕｔに与える影響は接地側抵抗値の変動がＶｏｕｔに与える影響に比べて小さいので、第２の実施形態に比べて第１の抵抗体３０や寄生抵抗ｒ１の抵抗値に多少の誤差があっても許容される。

なお、本実施形態の固体撮像装置において電源側の寄生抵抗の調節のみで電源側インピーダンスと接地側インピーダンスの比、および電源側抵抗値と接地側抵抗値の比を所望の値にすることができる場合には、第１の抵抗体３０を設けなくてもよい。

また、本実施形態の固体撮像装置において、第２の抵抗体３２は固体撮像装置内に設けられていてもよく、固体撮像装置の外部に設けられていてもよい。ただし、第２の抵抗体３２はできるだけアンプ８との距離が短くなるように配置されることが好ましい。

本発明の固体撮像装置は、ディジタルカメラやビデオカメラなどの種々の撮像装置に用いられる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を備えた撮像装置を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイおよびその周辺回路を示す回路図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置のカラムアンプ部の構成を示す回路図であり、（ｃ）は、ＭＯＳトランジスタにおけるしきい値Ｖｔとソース・ドレイン間電圧Ｖｐｓとの関係を示す図である。また、図３（ｄ）は、第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置において、カラムアンプ部７の回路構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置のカラムアンプ部の構成を示す回路図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置のアンプ部の構成を示す回路図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置のアンプ部の構成を示す回路図である。 （ａ）、（ｂ）は従来の固体撮像装置におけるカラムアンプ部の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１ 画素
３ 垂直信号線
４ 固体撮像装置
５ 画素アレイ
６ タイミングジェネレータ
７ カラムアンプ部
８ アンプ
９ 出力回路
１１ カラム読み出し部
１３ 水平走査回路
１４ 行選択線
１８ 信号処理回路
２０ 垂直走査回路
２１ 電源パッド
２３ グランドパッド
２５ 抵抗
２７ 増幅用トランジスタ
２９ 電流源
３０ 第１の抵抗体
３２ 第２の抵抗体
ｒ 寄生抵抗

Claims (20)

1. 光を画像信号に変換する画素が行列状に配置されてなる画素アレイと、
   前記画素アレイ上を列方向に延び、前記画素から読み出した前記画像信号を電圧信号の形で転送する列ごとに設けられた垂直信号線と、
   前記垂直信号線を経由して転送された前記画像信号を増幅し、列ごとに設けられた複数のアンプを有し、電源電圧および接地電圧が供給されたカラムアンプ部と、
   前記複数のアンプに電源電圧を供給するための電源線と、
   前記複数のアンプに接地電圧を供給するための前記電源線と異なる接地線とを備え、
   前記複数のアンプの各々について、電源側のインピーダンスが接地側のインピーダンスよりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記各アンプは、ソースが前記接地線に接続され、ゲート電極に前記画像信号が入力された増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのドレインと前記電源線との間に設けられ、常時オン状態で駆動されるトランジスタとを有し、前記増幅用トランジスタと前記トランジスタとの間から増幅された前記画像信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記各アンプからみて、（電源側のインピーダンス）／（接地側のインピーダンス）の値が（前記各アンプのゲイン）／２に等しくなっていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記各アンプから見て電源側の抵抗に起因するインピーダンスは前記電源側の抵抗に起因しない電源側のインピーダンスに比べて大きく、
   前記各アンプから見て接地側の抵抗に起因するインピーダンスは前記接地側の抵抗に起因しない接地側のインピーダンスに比べて大きく、
   前記各アンプについて、電源側の抵抗値が接地側の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
5. 前記トランジスタは、線形領域で駆動されるｎチャネル型トランジスタであることを特徴とする請求項２〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
6. 前記トランジスタは飽和領域で駆動されるｐチャネル型トランジスタであることを特徴とする請求項２〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
7. 前記電源線上に、前記複数のアンプに対して１つ設けられた第１の抵抗体をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
8. 前記接地線上に、前記複数のアンプに対して１つ設けられた第２の抵抗体をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
9. 前記接地線の配線抵抗を前記電源線の配線抵抗より小さくすることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
10. 前記接地線の配線幅を前記電源線の配線幅よりも大きくすることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 前記電源線は、前記接地線の構成材料よりも抵抗値の大きい材料で構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の固体撮像装置。
12. 前記電源線および前記接地線はアルミニウムを含む導電体で構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
13. 電源電圧供給部と、
    接地電圧供給部と、
    入射光を画像信号に変換する画素アレイと、前記画素アレイ上を列方向に延び、前記画素から読み出した前記画像信号を電圧信号の形で転送する列ごとに設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線を経由して転送された前記画像信号を増幅し、列ごとに設けられた複数のアンプを有し、電源電圧および接地電圧が供給されたカラムアンプ部と、前記複数のアンプに電源電圧を供給するための電源線と、前記複数のアンプに接地電圧を供給するための前記電源線と異なる接地線とを有する固体撮像装置と、
    前記電源電圧供給部と前記電源線との接続経路上に設けられた第１の抵抗体とを備え、
    前記複数のアンプの各々について、前記電源電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスが、前記接地電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスよりも大きいことを特徴とする撮像装置。
14. 前記各アンプから見て電源側の抵抗に起因するインピーダンスは前記電源側の抵抗に起因しない電源側のインピーダンスに比べて大きく、
    前記各アンプから見て接地側の抵抗に起因するインピーダンスは前記接地側の抵抗に起因しない接地側のインピーダンスに比べて大きく、
    前記各アンプについて、電源側の抵抗値が接地側の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
15. 前記接地電圧供給部と前記接地線との接続経路上に設けられた第２の抵抗体をさらに備えていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の撮像装置。
16. 前記各アンプは、ソースが前記接地線に接続され、ゲート電極に前記画像信号が入力された増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのドレインと前記電源線との間に設けられ、常時オン状態で駆動されるトランジスタとを有し、前記増幅用トランジスタと前記トランジスタとの間から増幅された前記画像信号を出力し、
    前記各アンプと前記電源電圧供給部との間の抵抗値が、前記各アンプと前記接地電圧供給部との間の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
17. 前記各アンプと前記電源電圧供給部との間の抵抗値をＡ、前記各アンプと前記接地電圧供給部との間の抵抗値をＢとするとき、Ａ／Ｂの値が（前記各アンプのゲイン）／２に等しくなっていることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
18. 前記トランジスタは、線形領域で駆動されるｎチャネル型トランジスタであることを特徴とする請求項１３〜１７のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
19. 電源電圧供給部と、
    接地電圧供給部と、
    入射光を画像信号に変換する画素アレイと、前記画素アレイ上を列方向に延び、前記画素から読み出した前記画像信号を電圧信号の形で転送する列ごとに設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線を経由して転送された前記画像信号を増幅し、列ごとに設けられた複数のアンプを有し、電源電圧および接地電圧が供給されたカラムアンプ部と、前記複数のアンプに電源電圧を供給するための電源線と、前記複数のアンプに接地電圧を供給するための前記電源線と異なる接地線とを有する固体撮像装置と、
    前記接地電圧供給部と前記接地線との接続経路上に設けられた抵抗体とを備え、
    前記複数のアンプの各々について、前記電源電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスが、前記接地電圧供給部と前記各アンプとの間のインピーダンスよりも大きいことを特徴とする撮像装置。
20. 前記各アンプは、ソースが前記接地線に接続され、ゲート電極に前記画像信号が入力された増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのドレインと前記電源線との間に設けられ、常時オン状態で駆動されるトランジスタとを有し、前記増幅用トランジスタと前記トランジスタとの間から増幅された前記画像信号を出力し、
    前記各アンプと前記電源電圧供給部との間のインピーダンスが、前記各アンプと前記接地電圧供給部との間のインピーダンスよりも大きいこと特徴とする請求項１７に記載の撮像装置。

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