JP5804780B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

図１を参照して、固体撮像装置１の基本構成を説明する。固体撮像装置１は、複数の画素ユニット１１を含む画素アレイ１０と、画素アレイ１０から列信号線２に出力された信号を増幅する信号処理回路２０とを備えている。各画素ユニット１１は、例えばフォトダイオードＰＤにおいて受光した光のエネルギーにより発生した電荷が、転送トランジスタＴＸにより、ソースフォロワトランジスタＳＦのゲートに転送される。その後、ソースフォロワトランジスタＳＦにより選択トランジスタＳＥＬを介して前記転送された電荷に応じた信号が列信号線２に出力される。各画素ユニット１１は、ソースフォロワトランジスタＳＦのゲートの電位を所定の電圧にリセットするリセットトランジスタＲＥＳを含みうる。

信号処理回路２０は、各画素ユニット１１から列信号線２に出力された信号を増幅する回路である。信号処理回路２０は、入力端子２２および出力端子２３を有する演算増幅器２１と、入力端子２２と列信号線２との間に配置された入力容量Ｃ０と、入力端子２２と出力端子２３とを接続する帰還容量Ｃｆとを含む。信号処理回路２０の増幅率は、容量比Ｃ０／Ｃｆによって決定される。この増幅率を変更したい場合、例えば、デジタルスチルカメラの感度設定を切り替える場合は、Ｃ０／Ｃｆを変更すればよい。例えば、増幅率を３２から１２８にしたい場合は、例えば、Ｃ０の値を４倍、またはＣｆの値を１／４倍とすることが可能である。

特開２００５−２６９４７１号公報

光の検出感度を向上させるため、信号処理回路２０には高い増幅率が要求される。特に、フォトダイオードＰＤなどの光電変換素子のサイズ縮小により列信号線２に出力される信号が微小となる場合や、固体撮像装置１を有するカメラの感度設定を大きくする場合である。一般的には、信号処理回路２０の増幅率を大きくするためには、（１）Ｃ０を大きい値とする、（２）Ｃｆを小さい値とする、（３）Ｃ０を大きい値としてＣｆを小さい値とすることが必要である。しかし、容量値を大きくすることはチップ面積の増大をもたらし、容量値を小さくすることは製造ばらつきをもたらしうる。

本発明の目的は、チップ面積の増大および製造ばらつきを抑制しつつ、高い増幅率を達成することにある。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイからの信号を増幅する複数の信号処理回路とを備え、前記複数の信号処理回路のそれぞれは、非反転入力端子、反転入力端子、反転出力端子および非反転出力端子を含む全差動増幅型演算増幅器と、一端に前記画素アレイからの信号が供給され他端が前記非反転入力端子に接続された第１の入力容量と、前記反転出力端子と前記非反転入力端子とを接続する第１のフィードバック回路と、一端に前記画素アレイからの信号が供給され他端が前記反転入力端子に接続された第２の入力容量と、前記非反転出力端子と前記反転入力端子とを接続する第２のフィードバック回路と、を有し、前記第１のフィードバック回路は、前記反転出力端子と前記非反転入力端子との間に第１容量素子および第２容量素子が直列に配され、且つ、該第１容量素子と該第２容量素子とを接続する経路と前記全差動増幅型演算増幅器のコモンモード電位との間に第３容量素子が配された第１のフィードバック経路を形成しており、前記第２のフィードバック回路は、前記非反転出力端子と前記反転入力端子との間に第４容量素子および第５容量素子が直列に配され、且つ、該第４容量素子と該第５容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に第６容量素子が配された第２のフィードバック経路を形成している。

本発明によれば、チップ面積の増大および製造ばらつきを抑制しつつ、高い増幅率を達成することができる。

従来技術の固体撮像装置を説明する図。 本発明を説明する固体撮像装置の一例の図。 本発明の効果を説明する増幅ばらつきのグラフ。 本発明を説明する固体撮像装置の一例の図。 本発明を説明する固体撮像装置の一例の図。 本発明を応用した信号処理回路の一例の図。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１にかかる信号処理回路は、入力端子および出力端子を有する演算増幅器と、前記入力端子と前記列信号線との間に配置された入力容量と、前記入力端子と前記出力端子を接続するフィードバック回路とを含む。前記フィードバック回路は、前記入力端子と前記出力端子とを接続する経路に第１容量素子Ｃｆ１および第２容量素子Ｃｆ２が直列に配置され、Ｃｆ１とＣｆ２とを接続する経路と基準電位との間に第３容量素子Ｃｆ３が配置された構成を有する。ここで、前記フィードバック回路において、基準電位は、例えば、接地電位とすることができる。

フィードバック回路は、例えば、図２に示すようなフィードバック回路３４とすることができる。フィードバック回路３４において、演算増幅器２１の入力端子３２と出力端子３３とを接続する経路に、第１容量素子Ｃｆ１および第２容量素子Ｃｆ２が直列接続によって固定的に接続される。さらに、フィードバック回路３４において、Ｃｆ１とＣｆ２とを接続するノードと基準電位との間に第３容量素子Ｃｆ３が固定的に接続される。

フィードバック回路３４の帰還容量の合成容量値は式（１）で与えられる。

Ｃｆ＝（Ｃｆ１×Ｃｆ２）／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２＋Ｃｆ３） …式（１）
したがって、本実施形態における信号処理回路３０の増幅率は式（２）で与えられる。

Ｃ０／Ｃｆ＝Ｃ０×（Ｃｆ１＋Ｃｆ２＋Ｃｆ３）／（Ｃｆ１×Ｃｆ２） …式（２）
増幅率を変更したい場合について、例えば増幅率を３２から１２８にしたい場合について、図１の信号処理回路２０と本実施形態の信号処理回路３０の、両者の面積が増大しうる分量について、以下、定量的に比較する。例示として、容量値０．１ｐＦを、製造ばらつきの影響を実質的に受けずに使用可能な最小容量素子として検討した場合について説明する。

図１の信号処理回路２０については、例えばＣ０＝３．２ｐＦ、Ｃｆ＝０．１ｐＦであった場合は、Ｃｆの値を０．１ｐＦより小さい値とすることは好ましくない。そこで、例えば、Ｃ０＝１２．８ｐＦ、Ｃｆ＝０．１ｐＦとすることで、目標とする増幅率を達成することができる。一方で、本実施形態の信号処理回路３０については、Ｃ０＝３．２ｐＦとそのままの値とし、信号処理回路２０のＣｆに代替して、Ｃｆ１＝０．１ｐＦ、Ｃｆ２＝０．１ｐＦ、Ｃｆ３＝０．２ｐＦとすることで、目標とする増幅率を達成することができる。

すなわち、最小容量素子の値である０．１ｐＦ以下の容量素子を使用しないで、増幅率を３２から１２８にしたい場合は、図１に例示される構成の場合については、Ｃ０＝３．２ｐＦから１２．８ｐＦに変更する差分９．６ｐＦ分の面積が増大しうる。一方で、本実施形態の場合については、Ｃ０＝３．２ｐＦはそのままの値とし、Ｃｆ＝０．１ｐＦに替えて、Ｃｆ１＝０．１ｐＦ、Ｃｆ２＝０．１ｐＦ、Ｃｆ３＝０．２ｐＦのフィードバック回路３０とすると、増大しうる面積は計０．３ｐＦ分に留まる。また、本実施形態については、Ｃ０＝１．６ｐＦとした場合は、Ｃｆ１＝０．１ｐＦ、Ｃｆ２＝０．１ｐＦ、Ｃｆ３＝０．６ｐＦのフィードバック回路３４とすることも可能である。これにより、さらに１．２ｐＦ分の面積の増大を抑制しつつ、増幅率を３２から１２８としうる。

図１に例示される構成の場合については、増幅率を３２から１２８にするために、Ｃｆを１／４倍にする方法として、容量値が０．１ｐＦの容量素子を直列に４つ接続する方法が考えられるが、この場合は４つの最小容量素子を使用することになる。したがって、本発明は、面積の増大を抑制する観点だけでなく、製造ばらつきを抑制する観点からも、図１に例示される構成に対して優位であると言える。図３は、増幅率１２８の場合についての製造ばらつき（図１に例示される構成の場合の値で規格化）を入力信号振幅に対しプロットしたものを、図１に例示される構成の場合と本実施形態の場合について比較したグラフである。両者が同製造プロセスで半導体基板上に製造されたものと仮定すると、本実施形態の構成では、図３に示すように、増幅率のばらつきは約１／５に低減される。さらに、図３に示すように、横軸の入力振幅が大きくなると、図１に例示される構成の場合は増幅器の特性の線形性が失われ増幅率が劣化するが、一方で、本実施形態の場合は劣化しない。

以上のように、本実施形態によれば、面積コストおよび製造ばらつきを抑制しつつ、高い増幅率を達成することができる。
＜実施形態２＞
図４は、本発明の実施形態２の固体撮像装置４を示す図であり、固体撮像装置４は、動作モードとして第１モードおよび第２モードを有する。固体撮像装置４は、画素アレイ１０と複数の信号処理回路４０を有する構成となっている。信号処理回路４０に含まれるフィードバック回路４４は、演算増幅器２１の入力端子４２と出力端子４３を接続する経路において、例えば、
（１）スイッチ１３１と容量素子Ｃｆ１とスイッチ１３２が直列に接続された第１経路と、
（２）スイッチ２３１と容量素子Ｃｆ２とスイッチ２３２が直列に接続された第２経路と、
（３）スイッチ３３１と容量素子Ｃｆ３とスイッチ３３２が直列に接続された第３経路と
を、それぞれ並列に有する。さらに、フィードバック回路４４は、Ｃｆ１とスイッチ１３２の間を接続する経路とＣｆ２とスイッチ２３１の間を接続する経路の間にはスイッチ１２０を含みうる。さらに、フィードバック回路４４は、Ｃｆ１とスイッチ１３２の間を接続する経路とＣｆ３とスイッチ３３２の間を接続する経路の間にはスイッチ１３０を含み、Ｃｆ３とスイッチ３３１の間を接続する経路と基準電位との間にはスイッチ１４０を含みうる。

図４に示される各スイッチのＯＮもしくはＯＦＦの状態は、第１モードの状態を表している。第２モードは、図４に示される各スイッチの状態とは逆の状態である。これにより、前記複数のスイッチの状態を制御し、第１モードでは、容量素子Ｃｆ１およびＣｆ２が直列に接続され、容量素子Ｃｆ３がその間のノードと基準電位との間に接続されるフィードバック経路が形成されうる。そして、第２モードでは前記フィードバック経路が形成されないものとすることも可能である。また、固体撮像装置４は、３以上の複数の動作モードを含み、前記複数のスイッチの状態を制御することにより、第１モードでは前記フィードバック経路が形成され、他の動作モードでは前記フィードバック経路が形成されないものとすることも可能である。
＜実施形態３＞
図５は、本発明の実施形態３の固体撮像装置５を示す図である。固体撮像装置５は、動作モードとして第１モードおよび第２モードを含む。固体撮像装置５は、画素アレイ１０と複数の信号処理回路５０を有する構成となっている。信号処理回路５０に含まれるフィードバック回路５４は、演算増幅器２１の入力端子５２と出力端子５３を接続する経路に、例えば、第１フィードバック経路と第２フィードバック経路とを、それぞれ並列に有する。
第１フィードバック経路は、スイッチ１００と容量素子Ｃｆ１１と容量素子Ｃｆ１２が直列に接続され、かつＣｆ１１とＣｆ１２の間を接続する経路と基準電位の間に容量素子Ｃｆ１３を有する経路である。第２フィードバック経路は、スイッチ２００と容量素子Ｃｆ２が直列に接続された経路である。フィードバック回路５４は、例えば、第１制御信号（不図示）に応じてスイッチ１００をＯＮ、かつスイッチ２００をＯＦＦとすることで第１フィードバック経路が形成されうる。また、フィードバック回路５４は、例えば、第２制御信号（不図示）に応じてスイッチ１００をＯＦＦ、かつスイッチ２００をＯＮとすることで第２フィードバック経路が形成されうる。その結果、前記第１フィードバック経路が形成されるときの信号処理回路５０の増幅率と前記第２フィードバック経路が形成されるときの前記信号処理回路５０の増幅率とを異なるものとすることが可能である。また、固体撮像装置５は、３以上の複数の動作モードを含み、前記スイッチの状態を制御することにより、各動作モードにおいて形成されるフィードバック経路における増幅率をそれぞれ異なるものとすることも可能である。
＜実施形態４＞
図６は、本発明の実施形態４の信号処理回路６を示す図である。信号処理回路６は、全差動増幅器７と、入力容量Ｃ０と、入力容量Ｃ１と、フィードバック回路６６と、フィードバック回路６７とを有する。全差動増幅器７は、コモンモード電圧ノードＶＣＯＭと、入力端子６２と、入力端子６３と、出力端子６４と、出力端子６５を有する。入力容量Ｃ０は、入力端子６２と列信号線６０の間に配置され、入力容量Ｃ１は、入力端子６３と列信号線６１の間に配置される。フィードバック回路６６は、入力端子６２と出力端子６４を接続し、フィードバック回路６７は、入力端子６３と出力端子６５を接続する。ここで、画素アレイは本発明の実施形態１乃至３と同様であるので図を省略する。

フィードバック回路６６は、第１容量素子Ｃｆ３１１と、第２容量素子Ｃｆ３１２と、第３容量素子Ｃｆ３１３とを有するフィードバック経路である。フィードバック回路６６において、入力端子６２と出力端子６４とを接続する経路に第１容量素子Ｃｆ３１１および第２容量素子Ｃｆ３１２が直列に配置される。また、フィードバック回路６６において、Ｃｆ３１１とＣｆ３１２とを接続する経路と基準電位との間に第３容量素子Ｃｆ３１３が配置される。フィードバック回路６７は、第１容量素子Ｃｆ３２１と、第２容量素子Ｃｆ３２２と、第３容量素子Ｃｆ３２３とを有するフィードバック経路である。フィードバック回路６７において、入力端子６３と出力端子６５とを接続する経路に第１容量素子Ｃｆ３２１および第２容量素子Ｃｆ３２２が直列に配置される。また、フィードバック回路６７において、Ｃｆ３２１とＣｆ３２２とを接続する経路と基準電位との間に第３容量素子Ｃｆ３２３が配置される。また、Ｃｆ３１３およびＣｆ３２３は、接続する基準電位としてコモンモード電圧ＶＣＯＭに接続することもできる。

このように、本発明を他の増幅回路に適用することができることは、言うまでもない。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (5)

1. 複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイからの信号を増幅する複数の信号処理回路とを備える固体撮像装置であって、
   前記複数の信号処理回路のそれぞれは、
   非反転入力端子、反転入力端子、反転出力端子および非反転出力端子を含む全差動増幅型演算増幅器と、
   一端に前記画素アレイからの信号が供給され他端が前記非反転入力端子に接続された第１の入力容量と、
   前記反転出力端子と前記非反転入力端子とを接続する第１のフィードバック回路と、
   一端に前記画素アレイからの信号が供給され他端が前記反転入力端子に接続された第２の入力容量と、
   前記非反転出力端子と前記反転入力端子とを接続する第２のフィードバック回路と、を有し、
   前記第１のフィードバック回路は、前記反転出力端子と前記非反転入力端子との間に第１容量素子および第２容量素子が直列に配され、且つ、該第１容量素子と該第２容量素子とを接続する経路と前記全差動増幅型演算増幅器のコモンモード電位との間に第３容量素子が配された第１のフィードバック経路を形成しており、
   前記第２のフィードバック回路は、前記非反転出力端子と前記反転入力端子との間に第４容量素子および第５容量素子が直列に配され、且つ、該第４容量素子と該第５容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に第６容量素子が配された第２のフィードバック経路を形成している
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記固体撮像装置は、動作モードとして第１モードと第２モードとを含み、
   前記第１のフィードバック回路および前記第２のフィードバック回路は複数のスイッチを有しており、前記第１モードでは前記第１のフィードバック経路および前記第２のフィードバック経路を形成し、前記第２モードでは前記第１のフィードバック経路および前記第２のフィードバック経路を形成しないように、前記複数のスイッチの状態が制御される
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の信号処理回路のそれぞれは、
   前記第１容量素子と前記第２容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に、前記第３容量素子と並列に配された第１のスイッチと、
   前記第４容量素子と前記第５容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に、前記第６容量素子と並列に配された第２のスイッチと、
   をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイからの信号を増幅する複数の信号処理回路とを備える固体撮像装置であって、
   前記複数の信号処理回路のそれぞれは、
   非反転入力端子、反転入力端子、反転出力端子および非反転出力端子を含む全差動増幅型演算増幅器と、
   一端に前記画素アレイからの信号が供給され他端が前記非反転入力端子に接続された第１の入力容量と、
   前記反転出力端子と前記非反転入力端子とを接続する第１のフィードバック回路と、
   一端に前記画素アレイからの信号が供給され他端が前記反転入力端子に接続された第２の入力容量と、
   前記非反転出力端子と前記反転入力端子とを接続する第２のフィードバック回路と、を有し、
   前記第１のフィードバック回路は、前記反転出力端子と前記非反転入力端子との間に第１容量素子および第２容量素子が直列に配され、且つ、該第１容量素子と該第２容量素子とを接続する経路と前記全差動増幅型演算増幅器のコモンモード電位との間に第３容量素子が配された第１のフィードバック経路を形成しており、
   前記第２のフィードバック回路は、前記非反転出力端子と前記反転入力端子との間に第４容量素子および第５容量素子が直列に配され、且つ、該第４容量素子と該第５容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に第６容量素子が配された第２のフィードバック経路を形成しており、
   前記第１容量素子と前記第２容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に、前記第３容量素子と並列に第１のスイッチが設けられ、
   前記第４容量素子と前記第５容量素子とを接続する経路と前記コモンモード電位との間に、前記第６容量素子と並列に第２のスイッチが設けられている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
   を備えることを特徴とするカメラ。