JP5407264B2 - 固体撮像素子およびカメラシステム - Google Patents
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Description
CCD画素の製造に専用プロセスを必要とし、また、その動作には複数の電源電圧が必要であり、さらに複数の周辺ICを組み合わせて動作させる必要がある。
これに対して、CMOSイメージセンサは、このようなCCDにおいてシステムが非常に複雑化するといった処々の問題を、克服しているからである。
このため、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
これに対して、CMOSイメージセンサは各画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
サンプリング回路においては、通常サンプリング容量値に逆相関を持つノイズがのる。
画素においては、信号電荷をサンプリング容量に転送する際はポテンシャル勾配を利用し、信号電荷を完全転送するため、このサンプリング過程においてノイズは発生しないが、その前の容量の電圧レベルをある基準値にリセットするときにノイズがのる。
CDSの具体的な手法にはさまざまな方法がある。
W. Yang等 (W. Yang et. Al., "An Integrated 800x600 CMOS Image System," ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 304-305、 Feb., 1999)
主なランダムノイズ源として、画素とAD変換器があることが知られている。
第1アンプの出力に見える容量は、増幅器のゲインをAV2とし、キャパシタの容量をCとすると、{C*(1+AV2)}のようにゲイン倍されることからキャパシタの容量値は小さくてよい。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.固体撮像素子の全体構成例
2.比較器の構成例
3.CDSについての考察
4.比較器の動作
5.比較器の変形例
6.カメラシステムの構成例
図1は、本発明の実施形態に係る列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)の構成例を示すブロック図である。
図2は、図1の列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)におけるADC群をより具体的に示すブロック図である。
固体撮像素子100は、DAC(デジタル−アナログ変換装置)161を含むDACおよびバイアス回路160、アンプ回路(S/A)170、信号処理回路180、およびラインメモリ190を有する。
これらの構成要素のうち、画素部110、垂直走査回路120、水平転送走査回路130、ADC群150、DACおよびバイアス回路160、並びにアンプ回路(S/A)170はアナログ回路により構成される。
また、タイミング制御回路140、信号処理回路180、およびラインメモリ190はデジタル回路により構成される。
画素回路110Aは、この1個の光電変換素子としてのフォトダイオード111を有する。
画素回路110Aは、1個のフォトダイオード111に対して転送素子としての転送トランジスタ112、リセット素子としてのリセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4つのトランジスタを能動素子として有する。
転送トランジスタ112は、フォトダイオード111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。
転送トランジスタ112は、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に駆動信号TGが与えられることで、光電変換素子111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタ113は、リセット制御線LRSTを通してそのゲートにリセットRSTが与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
そして、選択制御線LSELを通して制御信号(アドレス信号またはセレクト信号)SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線116に出力する。垂直信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、画素信号読み出し回路としてのADC群150に出力される。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
これらのリセット制御線LRST、転送制御線LTx、および選択制御線LSELは、画素駆動部としての垂直走査回路120により駆動される。
タイミング制御回路140は、ADC群の各比較器の行動作開始時に各カラム毎に動作点を決めるための初期化(オートゼロ:AZ)用スイッチ(以下AZスイッチ)に印加する初期化信号としての制御パルスを生成する。
ADC群150では、ADCブロック(各カラム部)でそれぞれ、画素部110のアナログ出力をDAC161からのランプ信号RAMPを使用したAPGA対応積分型ADC、およびデジタルCDSを行い、数ビットのデジタル信号を出力する。
各ADCは、DAC161により生成される参照電圧を階段状に変化させたランプ波形(RAMP)である参照電圧Vslopと、行線毎に画素から垂直信号線を経由し得られるアナログ信号(電位VSL)とを比較する比較器(コンパレータ)151を有する。
さらに、各ADCは、比較時間をカウントするカウンタ152と、カウント結果を保持するラッチ153とを有する。
ADC群150は、nビットデジタル信号変換機能を有し、各垂直信号線(列線)毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各ラッチ153の出力は、たとえば2nビット幅の水平転送線LTRFに接続されている。
そして、水平転送線LTRFに対応した2n個のアンプ回路170、および信号処理回路180が配置される。
比較器151の具体的な構成および機能ついては後で詳述する。
このとき、比較器151と同様に列毎に配置されたカウンタ152が動作しており、ランプ波形のあるランプ信号RAMP(電位Vslop)とカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで垂直信号線の電位VSLをデジタル信号に変換する。
ADCは、参照電圧Vslop(ランプ信号RAMP)の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号VSLとランプ信号RAMP(参照電圧Vslop)が交わったとき、比較器151の出力が反転し、カウンタ152の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタ152に入力し、AD変換を完了させる。
タイミング制御回路140においては、画素部110、ADC群150等の各ブロックでの信号処理に必要なタイミングが生成される。
後段の信号処理回路180では、ラインメモリ190内に格納された信号より縦線欠陥や点欠陥の補正、信号のクランプを行ったり、パラレル-シリアル変換、圧縮、符号化、加算、平均、間欠動作などデジタル信号処理を行う。
ラインメモリ190には、画素行毎に送信されるデジタル信号が格納される。
本実施形態の固体撮像素子100においては、信号処理回路180のデジタル出力がISPやベースバンド(baseband)LSIの入力として送信される。
本実施形態の比較器151は、以下のように構成されている。
カラム毎に配置される各比較器151は、縦続接続された第1アンプと第2アンプを有する。
そして、2段目の第2アンプのソース接地型増幅器の入出力間に容量が接続されている。この容量は、ミラー効果を発現し、ソース接地入力にゲイン倍の容量が接続されたのと等価になる。
これにより、各比較器151の帯域は小さな容量で大きく狭められる。
各比較器151は、行動作開始時に各カラム毎に動作点を決めるために初期化(オートゼロ:AZ)してサンプリングする機能を有する。
なお、本実施形態において、第1導電型はpチャネルまたはnチャネルであり、第2導電型はnチャネルまたはpチャネルである。
以下の比較器は符号200を付して説明する。
PMOSトランジスタPT211のドレインがNMOSトランジスタNT211のドレインに接続され、その接続点によりノードND211が形成されている。また、PMOSトランジスタPT211のドレインとゲートが接続され、その接続点がPMOSトランジスタ212のゲートに接続されている。
PMOSトランジスタPT212のドレインがNMOSトランジスタNT212のドレインに接続され、その接続点により第1アンプ210の出力ノードND212が形成されている。
NMOSトランジスタNT211とNMOSトランジスタNT212のソース同士が接続され、その接続点がNMOSトランジスタNT213のドレインに接続されている。NMOSトランジスタNT213のソースは基準電位源(たとえば接地電位)GNDに接続されている。
NMOSトランジスタNT212のゲートがキャパシタC212の第1電極に接続され、その接続点によりノードND214が形成されている。そして、キャパシタC212の第2電極がアナログ信号VSLの入力端子TVSLに接続されている。
また、NMOSトランジスタNT213のゲートがバイアス信号BIASの入力端子TBIASに接続されている。
PMOSトランジスタPT213のソースがノードND211に接続され、ドレインがノードND213に接続されている。PMOSトランジスタPT214のソースがノードND212に接続され、ドレインがノードND214に接続されている。
そして、PMOSトランジスタPT213およびPT214のゲートがローレベルでアクティブの第1のAZ信号PSELの入力端子TPSELに共通に接続されている。
また、PMOSトランジスタPT213,PT214がAZスイッチとして機能し、キャパシタC211,C212がAZレベルのサンプリング容量として機能する。
そして、第1アンプ210の出力信号1stcompは出力ノードND212から第2アンプ220に出力される。
PMOSトランジスタPT221のドレインがNMOSトランジスタNT221のドレインに接続され、その接続点により出力ノードND221が形成されている。
NMOSトランジスタNT221のソースが接地電位GNDに接続され、ゲートがキャパシタC221の第1電極に接続され、その接続点によりノードND222が形成されている。キャパシタC221の第2電極は接地電位GNDに接続されている。
NMOSトランジスタNT222のドレインがノードND221に接続され、ソースがノードND222に接続されている。
そして、NMOSトランジスタNT222のゲートがハイレベルでアクティブの第2のAZ信号NSELの入力端子TNSELに接続されている。
この第2のAZ信号NSELは、第1アンプ210に供給される第1のAZ信号PSELと相補的なレベルをとる。
また、NMOSトランジスタNT222がAZスイッチとして機能し、キャパシタC221がAZレベルのサンプリング容量として機能する。
そして、第2アンプ220の出力ノードND221は、比較器200の出力端子TOUTに接続されている。
このキャパシタC230は、ミラー効果を発現し、ソース接地入力にゲイン倍の容量が接続されたのと等価になる。
第1アンプ210の出力に見える容量は、PMOSトランジスタPT221のゲインをAV2とし、キャパシタC230の容量をCとすると、{C*(1+AV2)}のようにゲイン倍されることからキャパシタC230の容量値は小さくてよい。
これにより、比較器200の帯域は小さな容量で大きく狭められる。
次に、上記構成を有する比較器200(151)を含むADC用いたCDS(相関二重サンプリング)について考察する。
また、図8は、CDSにおけるフィルタ処理を模式的に示す図である。
そして、図8に示すように、画素ノイズや比較器自体のノイズはCDSによってフィルタリングされる。
つまり、ミラー効果によって、比較器の遮断周波数ωCを下げるほど、CDSの伝達特性によって、固体撮像素子全体のノイズが減ることとなる。
図9(A)はCDS前入力換算ノイズを示し、図9(B)はCDSゲインを示し、図9(C)はCDS後入力換算ノイズを示している。
図9(B)および(C)において、曲線Aが本発明の実施形態に係る回路の特性を示し、曲線Bが既存回路の特性を示している。
ミラー効果による比較器帯域制限により、ノイズスペクトラムのレベルが下がっていることが分かる。
しかし、この比較器200Cにおいて、大きく帯域制限する場合、容量の大きさが大きくなり、容量への充放電時間がかかるためスルーレートが悪化し、比較器自体の反転遅延が大きくなる問題がある。
この比較器の反転遅延が増大すると、AD変換時間を延ばさなければならず、結果的にフレームレートを落とさざるをえなくなる。
さらに、小さな容量の実装で済むため、面積やコストの面で有利となる。
次に、本実施形態に係る比較器200の動作について図12のタイミングチャートに関連付けて説明する。
なお、図12において、AZ信号としては第2アンプ220に供給される第2のAZ信号NSELのみを示している。第1のAZ信号PSELは前述したように第2のAZ信号NSELと相補的なレベルをとる。すなわち、第2のAZ信号NSELがハイレベルのとき第1のAZ信号PSELはローレベルをとり、第2のAZ信号NSELがローレベルのとき第1のAZ信号PSELはハイレベルをとる。
このようにADC群150においては、比較器200を使用し、はじめにDACオフセットレベル、画素リセットレベルと各カラム毎のAZレベルをサンプリングして、AZレベルサンプリング容量であるキャパシタC211,C212,C221に電荷を蓄える。
これにより、画素リセットレベルの積分型AD変換(以降P相)を開始する。
このため、DAC161によるランプ信号RAMPのランプ波変化に追従して差動トランジスタを構成するNMOSトランジスタNT211,NT212のゲート入力が変化し、画素信号であるVSLレベルとの比較を開始する。
そして、ランプ信号RAMPと画素信号の交差以降、第1アンプ210の出力信号1stcompが急峻に変化する。
これにより、第2アンプ220のPMOSトランジスタPT221がオンして、電流I1が流れ始め、第2アンプ220の出力2ndOUTがローレベル(L)からハイレベル(H)に変化する。
図13(A)が既存回路の比較器出力等を、図13(B)が本発明の実施形態に係る回路の比較器出力等を示している。
図13(A)に示すように、反転遅延が大きい場合、P相・D相期間を延ばす必要があり、結果としてフレームレートを落とすことになる。
図13(B)の場合、図13(A)に比較して、P相・D相期間が少なくなるため、1Hタイミングを少なくでき、結果としてフレームレートを上げることができる。
図14は、本実施形態に係る比較器の変形例を示す回路図である。
なお、図14においては、理解を容易にするために、ノードとキャパシタの符号は図5と同じ符号を付している。
また、図4のPMOSトランジスタPT211,PT212の代わりに、NMOSトランジスタNT214,NT215を用いてカレントミラー回路が構成され、NMOSトランジスタNT214、NT215のソースが接地電位GNDに接続されている。
また、図4のPMOSトランジスタPT213、PT214の代わり、NMOSトランジスタNT216,NT217を用いてAZスイッチが構成されている。この場合、第1アンプ210Aには第2のAZ信号NSELがNMOSトランジスタNT216,NT217のゲートに供給される。
図4のNMOSトランジスタNT221の代わりに、PMOSトランジスタPT222を用いてミラー回路を形成するトランジスタが構成されている。そして、PMOSトランジスタPT222のソースが電源電位VDDに接続されている。また、キャパシタC221の第1電極がPMOSトランジスタPT222のゲートに接続されたノードND222に接続され、第2電極が電源電位VDDに接続されている。
また、図4のNMOSトランジスタNT222の代わりに、PMOSトランジスタPT223を用いてAZスイッチが構成されている。この場合、第2アンプ220Aには第1のAZ信号PSELがPMOSトランジスタPT223のゲートに供給される。
このキャパシタC230Aは、ミラー効果を発現し、ソース接地入力にゲイン倍の容量が接続されたのと等価になる。
第1アンプ210Aの出力に見える容量は、NMOSトランジスタNT223のゲインをAV2とし、キャパシタC230Aの容量をCとすると、{C*(1+AV2)}のようにゲイン倍されることからキャパシタC230Aの容量値は小さくてよい。
これにより、比較器200Aの帯域は小さな容量で大きく狭められる。
そして、図14の比較器200Aによれば、図4の比較器200と同様の効果を得ることができる。
ADC群150は、画素の列配列に対応して配置され読み出し信号電位と参照電圧とを比較判定し、その判定信号を出力する複数の比較器151と、対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のカウンタ152と、を有する。
各比較器151は、第1アンプ210と、第1アンプ210に縦続接続され第1アンプ210の出力をゲインアップする第2アンプ220と、第2アンプのソース接地型増幅器の入出力間に接続されたミラー効果を発現するためのキャパシタC230と、を有する。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
比較器の帯域を落とすためにミラー効果を使用するため、比較器の反転遅延が少ないまま、ノイズ低減が可能となる。反転遅延が悪化しないため、フレームレートを落とすことがない。
比較器の帯域を落とすためにミラー効果を使用するため、小さな容量で大きく帯域を落とせる。同等のノイズ低減効果を実現するのに、既存の手法に比べて、面積、コストを削減することができる。
図15は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
カメラシステム300は、撮像デバイス310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ320を有する。
カメラシステム300は、撮像デバイス310を駆動する駆動回路(DRV)330と、撮像デバイス310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)340と、を有する。
信号処理回路340で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路340で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
Claims (6)
- 光電変換を行う複数の画素が行列状に配列された画素部と、
上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素信号読み出し部は、
画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と傾きをもって変化する参照電圧とを比較判定し、その判定信号を出力する複数の比較器と、
対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のカウンタと、を含み、
上記各比較器は、
非帰還型であり、
一方のトランジスタのゲートに上記参照電圧を受け、他方のトランジスタのゲートに上記読み出し信号を受けて、当該参照電圧と当該読み出し信号電位との比較動作を行い、当該参照電圧と当該読み出し信号電位が交わったとき出力レベルを反転する差動増幅器を含む第1アンプと、
上記第1アンプの出力を、レベル反転しゲインアップして出力する増幅器を含む第2アンプと、
上記第2アンプの増幅器の入出力間に接続されたミラー効果を発現するためのキャパシタと、を有し、
上記第2アンプの入出力間に接続されたキャパシタは、上記増幅器のゲインをAV2とし、上記キャパシタの容量をCとすると、上記第1アンプの出力から見て{C*(1+AV2)}のようにゲイン倍され、
上記第2アンプは、上記第1アンプの反転出力に即応して上記レベル反転しゲインアップした出力を得る
固体撮像素子。 - 上記第2アンプの増幅器は、ゲートに上記第1アンプの出力が供給されるソース接地型の電界効果トランジスタにより形成され、
上記キャパシタは、上記ソース接地型電界効果トランジスタのゲートとドレイン間に接続されている
請求項1記載の固体撮像素子。 - 上記第1アンプは、
一方のトランジスタのゲートに上記参照電圧を受け、他方のトランジスタのゲートに上記読み出し信号を受けて、当該参照電圧と当該読み出し信号電位との比較動作を行う差動トランジスタと、
上記差動トランジスタのゲートとドレイン間に接続された行動作開始時に各カラム毎に動作点を決めるための初期化用スイッチと、
上記差動トランジスタの各ゲートに接続された初期化時のサンプリング用の第1および第2のキャパシタと、を含む
請求項1または2記載の固体撮像素子。 - 上記第2アンプは、
行動作開始時に各カラム毎に動作点を決めるための初期化用スイッチと、
初期化時のサンプリング用の第3のキャパシタと、を含む
請求項3記載の固体撮像素子。 - 上記第2アンプは、
上記第1アンプの出力がゲートに入力される第1導電型電界効果トランジスタと、
上記第1導電型電界効果トランジスタと直列に接続され、ゲートとドレイン間に上記初期化用スイッチが配置され、ゲートが上記第3のキャパシタに接続された第2導電型電界効果トランジスタと、を有し、
上記第1導電型電界効果トランジスタと上記第2導電型電界効果トランジスタの接続点により出力ノードが形成され、
上記ミラー効果発現のためのキャパシタは、上記第1導電型電界効果トランジスタのゲートとドレイン間に接続されている
請求項4記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光電変換を行う複数の画素が行列状に配列された画素部と、
上記画素部から複数の画素単位で画素信号の読み出しを行う画素信号読み出し部と、を有し、
上記画素信号読み出し部は、
画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と傾きをもって変化する参照電圧とを比較判定し、その判定信号を出力する複数の比較器と、
対応する上記比較器の比較時間をカウントする複数のカウンタと、を含み、
上記各比較器は、
非帰還型であり、
一方のトランジスタのゲートに上記参照電圧を受け、他方のトランジスタのゲートに上記読み出し信号を受けて、当該参照電圧と当該読み出し信号電位との比較動作を行い、当該参照電圧と当該読み出し信号電位が交わったとき出力レベルを反転する差動増幅器を含む第1アンプと、
上記第1アンプの出力を、レベル反転しゲインアップして出力する増幅器を含む第2アンプと、
上記第2アンプの増幅器の入出力間に接続されたミラー効果を発現するためのキャパシタと、を有し、
上記第2アンプの入出力間に接続されたキャパシタは、上記増幅器のゲインをAV2とし、上記キャパシタの容量をCとすると、上記第1アンプの出力から見て{C*(1+AV2)}のようにゲイン倍され、
上記第2アンプは、上記第1アンプの反転出力に即応して上記レベル反転しゲインアップした出力を得る
カメラシステム。
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