JP6074200B2 - 走査回路、固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

走査回路、固体撮像装置及びカメラ Download PDF

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Description

本発明は、走査回路、固体撮像装置及びカメラに関する。
固体撮像装置は、画素アレイにおける各画素の画素信号を読み出すために、シフトレジスタを有する走査回路を備えうる。走査回路には複数の信号線が設けられ、当該シフトレジスタは、同じ位相の信号を伝送するための複数の第1信号線と、それと異なる位相の信号を伝送する複数の第2信号線とによって駆動されうる。このような複数の信号線を配置した構成では、信号線間の容量カップリングやクロストークを考慮した設計が必要である。
特許文献1には、複数の第1信号線と複数の第2信号線との距離が、複数の第1信号線同士(ないし第2信号線同士)の距離よりも大きいバスライン方式半導体記憶装置の配線パターンが開示されている。この構造によると、同じ位相の信号を伝送する信号線間においては容量カップリングが抑制され、異なる位相の信号を伝送する信号線間におけるクロストークが抑制される。よって、走査回路の信号線の配線パターンに上述の構造を適用することは有効である。
特開平2−284449号公報
しかし、このことは、各信号線に設けられるバッファを駆動するタイミングの時間差を小さくするため、瞬間的に生じる貫通電流の総量が増加することによる電圧降下をもたらしうる。このことは、バッファの数が増大すると、より顕著な問題になりうる。
本発明の目的は、複数の信号線を有する走査回路の動作の安定化に有利な技術を提供することである。
本発明の一つの側面は走査回路にかかり、走査回路は、第1スイッチと、前記第1スイッチに入力ノードが接続された第1信号出力部と、前記第1信号出力部の出力ノードに接続された第2スイッチと、前記第2スイッチに入力ノードが接続された第2信号出力部とを各々が有する複数の単位回路を含むシフトレジスタと、複数の第1信号線と、複数の第2信号線と、複数の第1バッファと、を有し、前記複数の第1信号線の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第1スイッチに信号を供給し、前記複数の第1信号線の他の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第2スイッチに信号を供給し、前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線は、互いに並んで配置され、前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線は、互いに並んで配置され、前記複数の第1信号線の各々は、1つの第1バッファを介して前記複数の第2信号線の1つに接続され、前記複数の第2信号線の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第1スイッチに接続されることによって、前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線が供給する信号が前記複数の単位回路の前記第1スイッチに供給され、前記複数の第2信号線の他の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第2スイッチに接続されることによって、前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線が供給する信号が前記複数の単位回路の前記第2スイッチに供給され
ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の信号線を有する走査回路の動作を安定化することができる。
第1実施形態の走査回路の構成例を説明する図。 第1実施形態の走査回路のタイミングチャートの例を説明する図。 走査回路の他の実施形態の構成例を説明する図。 走査回路の他の実施形態の構成例を説明する図。 走査回路の他の実施形態の構成例を説明する図。 固体撮像装置の構成例を説明する図。
図1乃至5を参照しながら、本実施形態の走査回路Iを説明する。走査回路Iは、図1(a)に例示されるように、第1信号線250と、第2信号線250と、第3信号線250と、駆動部240と、第1バッファ220と、第2バッファ220と、シフトレジスタ10とを備えうる。ここでは、第1信号線250と、第2信号線250と、第3信号線250と、駆動部240と、第1バッファ220と、第2バッファ220とは、それぞれ4つずつ設けられた構成を示すが、仕様に応じた所定数だけ設けられればよく、この数量に限定されない。駆動部240は、各第1信号線250を駆動する。各第1バッファ220は、それに対応する第1信号線250上(第1信号線上)の信号に応じて、対応する第2信号線250を駆動する。第2バッファ220は、それに対応する第1信号線250上の信号に応じて、対応する第3信号線250を駆動する。
シフトレジスタ10は、各第2信号線250上(第2信号線上)の信号によって駆動される第1部分11と、各第3信号線250上(第3信号線上)の信号によって駆動される第2部分12とを有する。4つの第1信号線250のうちの2本は、同相の信号Φ1A及びΦ1B(Φ1x)を伝送する信号線であり、これらは互いに並んで配置される。また、4つの第1信号線250のうちの他の2本は、信号Φ1xとは逆位相の信号Φ2A及びΦ2B(Φ2x)を伝送する信号線であり、これらは互いに並んで配置される。ここでは、信号Φ1x及びΦ2xの信号線が、それぞれ2本ずつ配された構成を示すが、少なくとも2本ずつであればよく、例えば、仕様に応じて4本ずつ配され、計8本の信号線が配されてもよい。第2信号線250及び第3信号線250のそれぞれについても、第1信号線250と同様にして、信号Φ1x及びΦ2xの信号線がそれぞれ2本ずつ配される。以下では、第1信号線250と第2信号線250と第3信号線250とを代表して、単に「信号線250」と呼び、第1バッファ220と第2バッファ220とを代表して、単に「バッファ220」と呼ぶ。
シフトレジスタ10は、複数の単位回路100が直列に接続されて構成されうる。各単位回路100は、図1(b)に例示されるように、パルス信号を受ける入力端子ninと、パルス信号を出力する出力端子noutと、制御端子ncntとを有している。各単位回路100は、第1インバータINVと、第2インバータINVと、第1スイッチSWと、第2スイッチSWと、を含む。第1スイッチSWは、単位回路100の入力端子ninと、第1インバータINVの入力端子との間に配置されている。第2スイッチSWは、第1インバータINVの出力端子と、第2インバータINVの入力端子との間に配置されている。制御端子ncntは、第1スイッチSWを制御するための第1制御端子ncnt1と、第2スイッチSWを制御するための第2制御端子ncnt2とを含む。第1スイッチSW及び第2スイッチSW(以下、これらを代表して「スイッチSW」と記す。)には、例えば、NMOSトランジスタ140とPMOSトランジスタ160とが並列に配されて構成されたアナログスイッチを用いればよい。PMOSトランジスタ160のゲートには、制御端子ncntに入力された信号がインバータ180を介して入力される。よって、NMOSトランジスタ140とPMOSトランジスタ160とは、状態(導通状態または非導通状態)が同時に切り替わる。
図2は、走査回路Iのタイミングチャート図を示している。走査回路Iには、最初にスタートパルスΦSPが入力される。前述のとおり、信号Φ1Aと信号Φ1Bとは同相の信号であり、HiレベルからLowレベルへの遷移と、LowレベルからHiレベルへの遷移とは、それぞれ同じタイミングである。また、信号Φ1A及びΦ1Bと、信号Φ2A及びΦ2Bとは逆位相の関係である。各第1スイッチSWは、信号Φ1AとΦ1BとがHiレベルのときに導通状態になり、Lowレベルのときに非導通状態になる。各第2スイッチSWは、信号Φ2AとΦ2BとがHiレベルのときに導通状態になり、Lowレベルのときに非導通状態になる。よって、例えば、各ノード200、200、200及び200の電位レベルは、スタートパルスΦSPに応答して、図2に示されるように、パルスが順にシフトするように伝達する形になる。
ここで、前述のように、信号Φ1A及びΦ1Bを伝送する信号線は互いに並んで配置され、信号Φ2A及びΦ2Bを伝送する信号線は互いに並んで配置されうる。例えば、信号Φ1Aの信号線と信号Φ1Bの信号線との間に生じる寄生容量(配線間の容量)は、信号Φ1AとΦ1Bとが同相であるため、当該寄生容量において充放電が生じない。このことは、これらの信号が同相でない場合に比べて、伝送すべき信号の波形の鈍りを防ぎ、応答特性等の面から有利である。信号Φ2Aの信号線と信号Φ2Bの信号線とについても同様である。各信号は、対応する各バッファ220に入力されるが、上記理由により、それらのタイミングの時間差が互いに小さくなる。このことは、一度に駆動されるバッファ220の数量が大きい場合は貫通電流の総量が大きくなるため、瞬間的な消費電力の増大をもたらし、それに伴う電圧降下、さらには信号レベルの変動による誤動作をもたらしうる。
そこで、各第2信号線250上の信号は、シフトレジスタ10のうち第1部分11を駆動し、各第3信号線250上の信号は、シフトレジスタ10のうち第2部分12を駆動する。第1部分11及び第2部分12のそれぞれは、少なくとも2以上の単位回路100に対して1つのバッファ220が設けられるように構成されている。この構成により、各単位回路100に対して1つのバッファ220が設けられる場合に対して、一度に駆動されるバッファ220の数量が低減されるため、走査回路Iの動作が安定化する。
また、図1(a)においては、信号Φ1Bの信号線と信号Φ2Aの信号線との配線パターン間の距離は、信号Φ1A(又はΦ2A)の信号線と信号Φ1B(又はΦ2B)の信号線との配線パターン間の距離よりも大きくするとよい。前述のように、信号Φ1Aの信号線と信号Φ1Bの信号線との間に生じる寄生容量は信号Φ1AとΦ1Bとが同相であるため、当該寄生容量において充放電が生じない。信号Φ2Aの信号線と信号Φ2Bの信号線とについても同様である。しかし、図1(a)において、信号Φ1BとΦ2Aとは互いに逆位相であるため、互いに隣接する信号Φ1Bの信号線と信号Φ2Aの信号線との間に生じる寄生容量において充放電が生じる。このことは、伝搬する信号の波形を鈍らせうる。具体的には、ライズエッジのLowレベルからHiレベルへの遷移に要する時間と、フォールエッジのHiレベルからLowレベルへの遷移に要する時間とが遅延しうる。そこで、各信号線の配線パターンを、上述のように配置することにより、寄生容量の影響を低減することができる。
また、走査回路Iは、図3(a)に例示されるように、信号Φ3を伝達する信号線260(第4信号線)をさらに備える構成を採ってもよい。信号Φ3は、図3(b)に例示されるように、信号Φ1A、Φ1B、Φ2A又はΦ2Bの2倍の周波数である。信号Φ3のライズエッジは、信号Φ1A乃至Φ1B、及び信号Φ2A乃至Φ2Bの少なくとも一方のライズエッジと同期している。また、信号Φ3のフォールエッジは、信号Φ1A乃至Φ1B、及び信号Φ2A乃至Φ2Bの少なくとも一方のフォールエッジと同期している。信号Φ3を伝達する信号線の配線パターンは、第1乃至第3信号線のそれぞれにおいて、信号Φ1Bの信号線の配線パターンと信号Φ2Aの信号線の配線パターンとの間に配されるとよい。このような構成を採ることにより、ライズエッジ及びフォールエッジの信号レベルが遷移する際においては寄生容量の充放電が生じないため、上述と同様の効果が期待できる。
以上、実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途及び機能その他の仕様に応じて、適宜、変更が可能であり、他の実施形態によっても為されうる。例えば、シフトレジスタ10は、アナログスイッチ及びインバータから成る単位回路で構成されたものを例示したがこれに限定されず、その他の公知の構成を採ってよい。また、例えば、各バッファ220が2つの単位回路100を駆動する構成を例示したが、これに限定されず、3つ以上でもよい。また、例えば、信号Φ1xを伝送する信号線が互いに並んで配置され、信号Φ2xを伝送する信号線が互いに並んで配置された構成を例示したが、図4に例示されるような、一方が他方の間に配置される構成においても、本発明を適用可能である。また、例えば、第1乃至第3信号線のそれぞれにおける信号線の配置はこれに限定されず、例えば、互いに位相が異なる信号線は互いに異なる配線層にそれぞれ配置してもよい。また、例えば、駆動部240と各単位回路100との間には1段のバッファ220が設けられた構成を例示したが、図5に例示されるように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で複数段のバッファ220を設けてもよい。
(固体撮像装置への適用例)
図6を参照しながら本発明の実施形態の固体撮像装置Sについて説明する。固体撮像装置Sは、画素アレイPA、垂直走査回路108、及び水平走査回路105を備えている。画素アレイPAは、複数の行および複数の列を構成するように複数の画素101が配列されて構成される。垂直走査回路108は、画素アレイPAにおける複数の行のうち、信号を読み出すべき行を選択する走査回路Iを含みうる。水平走査回路105は、画素アレイPAにおける複数の列のうち、信号を読み出すべき列を選択する走査回路Iを含みうる。固体撮像装置Sは、複数の列読み出し回路102、複数の列選択スイッチ103、共通出力線104および増幅回路106をさらに備えうる。各列読み出し回路102は、画素アレイPAにおける複数の行のうち垂直走査回路108によって選択された行における対応する列の画素101から列信号線を介して信号を読み出す。各列選択スイッチ103は、水平走査回路105から出力される選択信号107(107a〜107f)のうち対応する選択信号の論理レベルがアクティブレベルになるとオンして、対応する列読み出し回路と共通出力線104とを接続する。増幅回路106は、共通出力線104に伝達された信号を増幅して出力する。
走査回路Iが水平走査回路105に提供される場合、例えば、該走査回路の出力信号が列選択スイッチ103に供給されうる。走査回路Iが垂直走査回路108に適用される場合は、例えば、走査回路Iの出力信号に基づいて、転送信号、リセット信号および行選択信号が生成され、各行の画素に供給されうる。各画素は、例えば、光電変換素子と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、リセットトランジスタと、行選択トランジスタとを含みうる。転送トランジスタは、光電変換素子に蓄積された電荷を転送信号に応じてフローティングディフュージョンに転送する。増幅トランジスタは、フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を列信号線に出力する。リセットトランジスタは、リセット信号に応じてフローティングディフュージョンの電位をリセットする。行選択トランジスタは、行選択信号に応じてアクティブになり、これにより増幅トランジスタに列信号線を駆動させる。
固体撮像装置Sの動作モードについて、走査回路Iを水平走査回路105に適用した場合を例示して述べる。固体撮像装置Sは、動作モードとして第1モードおよび第2モードを含みうる。第1モードは、複数の画素のそれぞれの信号を固体撮像装置Sから出力するモードであり、例えば、画素アレイPAの全ての画素の信号を固体撮像装置Sから出力するモードでありうる。よって、第1モードは、いわゆる全画素モードである。
一方、第2モードは、複数の画素ごとに1つの信号を固体撮像装置Sから出力するモードであり、例えば、固体撮像装置Sから出力する各々の信号を複数の画素の信号から得るモードでありうる。固体撮像装置Sから出力する各々の信号を複数の画素の信号から得る方法としては、例えば、複数の画素の信号を合成(例えば、加算、平均化)する方法、複数の画素の信号から1つの信号を選択する方法(即ち、他の画素を間引く方法)がある。よって、第2モードは、いわゆる縮小モードである。第2モードは、例えば、固体撮像装置Sから出力する各々の信号を2つの画素の信号から得る1/2縮小モードを有する。
シフトレジスタ10が有する複数の単位回路100は、例えば、2つのグループ(第1グループ及び第2グループ)にグループ分けされる。駆動部240は、第1モードにおいては、各グループの単位回路100の制御端子ncntに、クロック信号を供給する。即ち、互いに逆位相のクロック信号である信号Φ1xと信号Φ2xとが、対応する制御端子ncntの其々に入力される。これにより、当該クロック信号に応じて、各単位回路100は、入力されたパルス信号を順次、シフトさせるように動作する。
一方、第2モードでは、2つグループのうち一方(例えば、第1グループ)の単位回路100の制御端子ncntには、第1グループの単位回路100がバッファとして動作する論理レベルを供給する。具体的には、駆動部240は、信号Φ1A及びΦ1Bの代わりにHiレベルを出力する。そして、他方のグループ(例えば、第2グループ)の単位回路100の制御端子ncntにはクロック信号を供給する。即ち、駆動部240は、信号Φ2A及びΦ2Bを出力する。これにより、第2グループの単位回路100は、その前段の単位回路100の出力端子noutから出力されたパルス信号を、当該クロック信号に応じて、その後段の単位回路100の入力端子ninに転送する。このようにして、1つの期間内に第1グループの単位回路100とその前段の単位回路100からパルス信号を出力させ、ここでは、1/2縮小モードを実行する。
さらに、第2モードは、固体撮像装置Sから出力する各々の信号を3つ以上の画素の信号から得る1/3以下の縮小モードを有しうる。各縮小モードは、例えば、各信号線250が、縮小モードのバリエーションに応じた数量の信号線を有する構成にし、駆動部240が各縮小モードに対応した信号レベルを出力するように制御して、為されうる。
以上では、カメラに含まれる固体撮像装置について述べたが、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、当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みうる。この処理部は、例えば、A/D変換器および当該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 (11)

  1. 第1スイッチと、前記第1スイッチに入力ノードが接続された第1信号出力部と、前記第1信号出力部の出力ノードに接続された第2スイッチと、前記第2スイッチに入力ノードが接続された第2信号出力部とを各々が有する複数の単位回路を含むシフトレジスタと、
    複数の第1信号線と
    複数の第2信号線と、
    複数の第1バッファと、を有し、
    前記複数の第1信号線の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第1スイッチに信号を供給し、
    前記複数の第1信号線の他の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第2スイッチに信号を供給し、
    前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線は、互いに並んで配置され、
    前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線は、互いに並んで配置され、
    前記複数の第1信号線の各々は、1つの第1バッファを介して前記複数の第2信号線の1つに接続され、
    前記複数の第2信号線の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第1スイッチに接続されることによって、前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線が供給する信号が前記複数の単位回路の前記第1スイッチに供給され、
    前記複数の第2信号線の他の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第2スイッチに接続されることによって、前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線が供給する信号が前記複数の単位回路の前記第2スイッチに供給され
    ことを特徴とする走査回路。
  2. 前記複数の第2信号線の前記一部の複数の信号線が互いに並んで配置され、
    前記複数の第2信号線の前記他の一部の複数の信号線が互いに並んで配置されている
    ことを特徴とする請求項に記載の走査回路。
  3. さらに複数の第3信号線と、複数の第2バッファとを有し、
    前記複数の第1信号線の各々は、1つの第2バッファを介して前記複数の第3信号線の1つに接続され、
    前記複数の第2信号線は、前記複数の単位回路の一部の単位回路に接続され、
    前記複数の第3信号線の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の他の一部の前記第1スイッチに接続されることによって、前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線が供給する信号が前記複数の単位回路の前記他の一部の前記第1スイッチに供給され、
    前記複数の第3信号線の他の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記他の一部の前記第2スイッチに接続されることによって、前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線が供給する信号が前記複数の単位回路の前記他の一部の前記第2スイッチに供給される
    ことを特徴とする請求項2に記載の走査回路。
  4. 前記複数の第3信号線の前記一部の複数の信号線が互いに並んで配置され、
    前記複数の第3信号線の前記他の一部の複数の信号線が互いに並んで配置されている
    ことを特徴とする請求項に記載の走査回路。
  5. 前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線に第1の位相の信号を供給し、前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線に第2の位相の信号を供給する駆動部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の走査回路。
  6. 第1スイッチと、前記第1スイッチに入力ノードが接続された第1信号出力部と、前記第1信号出力部の出力ノードに接続された第2スイッチと、前記第2スイッチに入力ノードが接続された第2信号出力部とを各々が有する複数の単位回路を含むシフトレジスタと、
    複数の第1信号線と、
    前記複数の第1信号線の一部の複数の信号線に第1の位相の信号を供給し、前記複数の第1信号線の他の一部の複数の信号線に第2の位相の信号を供給する駆動部と、
    を有し、
    前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第1スイッチに信号を供給し、
    前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線が、前記複数の単位回路の前記第2スイッチに信号を供給し、
    前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線は、互いに並んで配置され、
    前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線は、互いに並んで配置され、
    前記第2の位相は前記第1の位相の逆位相であって、前記第1の位相の信号および前記第2の位相の信号の2倍の周波数である信号を伝送する第4信号線をさらに備え、
    前記第4信号線は、前記第1の位相の信号を伝送する前記第1信号線と、前記第2の位相の信号を伝送する前記第1信号線との間に配置されている
    ことを特徴とする走査回路。
  7. 前記複数の第1信号線の前記一部の複数の信号線に第1の位相の信号を供給し、前記複数の第1信号線の前記他の一部の複数の信号線に第2の位相の信号を供給する駆動部をさらに有し、
    前記第2の位相は前記第1の位相の逆位相であって、前記第1の位相の信号および前記第2の位相の信号の2倍の周波数である信号を伝送する複数の第4信号線をさらに備え、
    前記複数の第4信号線の1つは、前記第1の位相の信号を伝送する前記第2信号線と、前記第2の位相の信号を伝送する前記第2信号線との間に配置され、
    前記複数の第4信号線の1つは、前記第1の位相の信号を伝送する前記第3信号線と、前記第2の位相の信号を伝送する前記第3信号線との間に配置されている
    ことを特徴とする請求項または請求項に記載の走査回路。
  8. 前記第4信号線が伝送する信号のライズエッジは、前記第1の位相の信号及び前記第2の位相の信号の少なくとも一方のライズエッジと同期しており、
    前記第4信号線が伝送する信号のフォールエッジは、前記第1の位相の信号及び前記第2の位相の信号の少なくとも一方のフォールエッジと同期している、
    ことを特徴とする請求項または請求項に記載の走査回路。
  9. 前記第1信号出力部及び前記第2信号出力部がそれぞれインバータである
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の走査回路。
  10. 複数の行および複数の列を構成するように複数の画素が配列された画素アレイと、
    前記複数の行のうち信号を読み出すべき行を選択する垂直走査回路と、
    前記複数の列のうち信号を読み出すべき列を選択する水平走査回路と、を備え、
    前記垂直走査回路および前記水平走査回路の少なくとも一方が請求項1から請求項のいずれか1項に記載の走査回路を含む、
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  11. 請求項10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。
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