JP5735141B2 - Cmosイメージセンサ画素読み出し回路構造および画素構造 - Google Patents
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Description
本発明は、CMOS(Complementary Metal−Oxide−Semiconductor)イメージセンサに関し、特にCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造および画素構造に関する。
本発明の実施例の技術手法を明晰に説明するため、次に実施例の記述において用いる必要のある図面を簡単に紹介する。明らかなことではあるが、以下の記述における図面は、本発明のいくつかの実施例でしかなく、当業者は、創造的労働なしに、これらの図面に基づき、さらに他の図面を得ることができる。
図2に示すように、画素セル215は典型的な4T画素構造であり、フォトダイオード201、転送トランジスタ202、リセットトランジスタ203,読み出しトランジスタ205、行選択トランジスタ204からなる。フォトダイオード201のカソードは転送トランジスタ202のソースに接続され、転送トランジスタのゲートはTXにより制御され、転送トランジスタのドレインはFDノード214に接続される。リセットトランジスタ203のソースはFDノード214に接続され、リセットトランジスタ203のドレインはノードReset_vddに接続される。
図2に示す読み出し回路は、ゲインが1である動作モードで動作するときに、phiの制御の下で、スイッチ211はずっと閉じたままであり、その他の制御信号の波形は図3に示すとおりである。リセット信号Resetの電位は、低から高に変わり、画素215におけるリセットトランジスタ203のオンを制御し、画素215におけるFD点の電位を高電位とする。TX信号の電位は、低から高に変わり、画素215における転送トランジスタ202のオンを制御し、画素215におけるフォトダイオード201が完全に空乏化され、フォトダイオードのリセットが完了する。光子はフォトダイオードに吸収され、光電子を生成し、フォトダイオードが光電子を収集し、露光を開始する。
図2に示す読み出し回路が増幅動作モードで動作するときの制御信号の波形は、図4に示すとおりである。リセット信号Resetの電位は、低から高に変わり、画素215におけるリセットトランジスタ203のオンを制御し、画素215におけるFD点の電位を高電位とする。TX信号の電位は、低から高に変わり、画素215における転送トランジスタ202のオンを制御し、画素215におけるフォトダイオード201が完全に空乏化され、フォトダイオードのリセットが完了する。光子はフォトダイオードに吸収され、光電子を生成し、フォトダイオードが光電子を収集し、露光を開始する。
前記CMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造を有する画素の構造は、図2に示す画素215の構造に限られるものではなく、画素が読み出しトランジスタを有するものであれば、本発明における構造を採用することができる。図6に示す画素614は、図2に示す画素215に比べ、行選択トランジスタが減っている。画素614の読み出しトランジスタ605のソースは、MOSトランジスタ608のドレイン、MOSトランジスタ609のソースに直接接続されている。MOSトランジスタ608のゲートは、イネーブル信号ENにより制御され、MOSトランジスタ608のソースは電流源607と接続される。図7に示すものは、読み出し回路がゲインが1である動作モードで動作するときの制御信号波形図であり、このときにphiはずっと高レベルであり、スイッチ611はずっと閉じている。図8に示すものは、読み出し回路が増幅動作モードで動作するときの制御信号波形図である。
図9に示す前記CMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造を有する画素714は、図2に示す画素215に比べ、転送トランジスタが減っている。図10に示すものは、前記CMOSイメージセンサ読み出し回路がゲインが1である動作モードで動作するときの制御信号波形図であり、このときにphiはずっと高レベルであり、スイッチ711はずっと閉じている。図11に示すものは、読み出し回路が増幅動作モードで動作するときの制御信号波形図である。
本発明の読み出し回路におけるオペアンプの構造は、図2に示す構造に限るものではない。画素セルの読み出しトランジスタをオペアンプの1つの入力トランジスタとし、オペアンプがスイッチ、キャパシタと接続して図2に示す構造をなすものであれば、いずれも本発明の範疇に属す。図12に示すように、画素810のフォトダイオードは転送トランジスタ802のソースに接続され、転送トランジスタのゲートはTX信号により制御され、転送トランジスタのドレインはFDノードに接続される。画素810のリセットトランジスタのゲートはリセット信号Resetにより制御され、ドレインはReset_vddに接続され、ソースはFDノードに接続される。オペアンプの正入力端子IN+(画素810の読み出しトランジスタ804のゲート)はFDノードに接続される。画素810の読み出しトランジスタ804はオペアンプの1つの入力トランジスタをなす。オペアンプの負入力端子IN−はキャパシタ808、キャパシタ809およびスイッチ806の一端に接続される。キャパシタ808の他端は固定レベルに接続される。キャパシタ809およびスイッチ806の他端は一緒にオペアンプの出力端子Oに接続され、読み出し回路の出力端子OUTを形成する。
Claims (10)
- オペアンプと、第1のキャパシタと、スイッチと、第2のキャパシタとを含む可変ゲインアンプを含み、前記オペアンプのうちの1つの入力トランジスタがCMOSイメージセンサ画素セルの読み出しトランジスタであり、
前記CMOSイメージセンサ画素セルの読み出しトランジスタは、もう1つの入力トランジスタと前記オペアンプの入力差動対トランジスタを構成しており、
前記CMOSイメージセンサ画素セルの読み出しトランジスタのゲートは、オペアンプの正入力端子であり、前記もう1つの入力トランジスタのゲートは、オペアンプの負入力端子であり、
前記スイッチの制御端子は、phi信号によって制御されており、前記スイッチのその他の両端は、それぞれ前記オペアンプの出力端子および負入力端子に接続し、
前記第1のキャパシタの両端はそれぞれオペアンプの出力端子および負入力端子に接続し、
前記第2のキャパシタの両端は、それぞれオペアンプの負入力端子および固定レベルノードに接続していることを特徴とするCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。 - 前記phi信号は、高レベルと低レベルの2つのレベルで供給され、
前記phi信号が高レベルのとき前記スイッチがオンとなり、
前記phi信号が高レベルから低レベルに変わると前記スイッチがオフになることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。 - 前記第1のキャパシタおよび第2のキャパシタは、それぞれ可変キャパシタであることを特徴とする請求項1又は2に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。
- 前記オペアンプは、一段オペアンプまたは多段オペアンプであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。
- 前記読み出し回路の動作モードは、デジタル回路によって制御されており、前記読み出し回路の動作モードは、ゲインが1である動作モードおよび/またはゲインが1を超えるゲイン可変の動作モードを含むことを特徴とする請求項4に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。
- 前記Phi信号が高レベルのときゲインが1である動作モードとなり、
前記Phi信号が低レベルのときゲインが1を超えるゲイン可変の動作モードとなることを特徴とする請求項5に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。 - ゲイン可変の動作モードの場合の最終画素の出力信号が(1+Cap2/Cap1)×(Vrst−Vsig)であり、
ここで、Cap1が第1のキャパシタの静電容量であり、Cap2が第2のキャパシタの静電容量であり、Vrstが読み出し回路の出力端子OUTからノードFDリセット後の電圧であり、Vsigが読み出し回路の出力端子OUTから光電子がノードFDに移動した後の電圧であり、
画素信号の(1+Cap2/Cap1)倍のゲイン読み出しを実現することを特徴とする請求項6に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造。 - 画素構造に請求項1〜3のいずれか1項に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造が接続されていることを特徴とするCMOSイメージセンサ画素構造。
- 画素構造に請求項4に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造が接続されていることを特徴とするCMOSイメージセンサ画素構造。
- 画素構造に請求項5〜7のいずれか1項に記載のCMOSイメージセンサ画素読み出し回路構造が接続されていることを特徴とするCMOSイメージセンサ画素構造。
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