JP6100443B2

JP6100443B2 - Ｃｍｏｓ撮像センサのために適合された増幅器

Info

Publication number: JP6100443B2
Application number: JP2016541719A
Authority: JP
Inventors: フォーラー、ボーイド; ドゥ、フン・ティー．; リウ、シンチャオ
Original assignee: ビーエイイー・システムズ・イメージング・ソリューションズ、インコーポレイテッド
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: EP3044872B1; US9374545B2; CA2924244C; EP3044872A4; IL244551A0; US20150076321A1; CN105706361B; CN105706361A; ES2750613T3; IL244551A; EP3044872A1; JP2016541209A; CA2924244A1; HK1223747A1; WO2015038336A1

Description

[0001] 低い照度レベルで動作するよう設計されたＣＭＯＳイメージセンサーは、非常に低いノイズの読出し回路を必要とする。ＣＭＯＳ撮像センサは、典型的に、複数の列と行として構成された画素センサの２次元アレイからなる。各画素センサは、フォトダイオードと、イメージ露光の間にフォトダイオードによって蓄積された電荷を、行における画素センサの全てによって共有される読出し増幅器によって読み出される電圧に変換する読出し回路を含む。各列における画素センサは、行読出し増幅器を用いて並列に読み出される。低ノイズを維持するために、画素センサにおける読出し回路への光電荷の転送とその電荷の読出しとの間の時間は、このフェーズの間、画素センサにおいてノイズが蓄積するので、可能な限り小さくなければならない。

[0002] 行読出し増幅器におけるノイズを制限するために、典型的に、低帯域幅増幅器が利用される。増幅器の帯域幅が低ければ低いほど、増幅器からの読出しノイズはより低くなる。しかしながら、読出し増幅器の帯域幅を低くすることは、低減された帯域幅の増幅器が安定化するのにより長くかかるので、読出し増幅器に現在取り付けられている画素を読み出すために必要とされる時間の増加に帰結する。それ故、読出し時間と読出しノイズとの間にはトレードオフがある。従って、行読出し増幅器におけるノイズを低減することは、低照度センサにおいて課題を残している。

[0003] 本発明は行読出し増幅器とそれを用いる方法とを含む。行読出し増幅器は、増幅器信号出力を有する信号増幅器と、第１のフィルタキャパシタと、バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力を有するバッファ増幅器と、スイッチネットワークとを含む。スイッチネットワークは、第１の時間期間の間、増幅器信号出力をバッファ増幅器入力に、バッファ増幅器出力を第１のフィルタキャパシタに接続し、第２の時間期の間、増幅器信号出力は、直接に第１のフィルタに接続される。

[0004] 本発明の１つの態様において、信号増幅器は、第１のフィルタキャパシタに直接に接続されたとき、第１の時定数で第１のフィルタキャパシタを充電する。第１の時間期間は第１の時定数の５倍より小さい。

[0005] 本発明の他の態様において、行読出し増幅器は、バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力とが所定の閾値より小さくなるまで異なるとき、第１の時間期間から第２の時間期間に切り替わる。本発明の他の態様において、第１と第２の時間期間は、持続時間において固定である。

[0006] 行読出し増幅器は、ビットラインコンダクタと、複数の画素センサ、各画素センサはワード選択信号に応答してビットラインコンダクタに接続される、と、本発明に従った行読出し増幅器とを含む撮像アレイにおいて使用されるために適合される。

[0007] 図１は、画素センサの行において１つの画素センサに接続された先行技術の読出し増幅器を示す。 [0008] 図２は、従来の読出し増幅器を介して、図１に示された画素の読出しのためのタイミング図を示す。 [0009] 図３は、本発明に従った行読出し増幅器の概略図である。 [0010] 図４は、図３に示された種々の信号についてのタイミング図である。 [0011] 図５は、第１のフィルタキャパシタの充電を加速するためにより高い利得の増幅器を利用する本発明の実施形態を示す。

詳細な説明

[0012] 本発明がその効果を与える方法が、画素センサの行における１つの画素センサに接続された先行技術の読出し増幅器３０を示す図１を参照して、より容易に理解され得る。ビットライン２７に接続された特定の画素センサが、対応するワード（Word）ライン２８上の信号によって決定される。画素センサ２１は、典型的に、イメージ露光の間に電荷を蓄積するフォトダイオード２２を含む。イメージ露光の終わりに、フローティング・ディフュージョン・ノード２３が、リセット（Reset）ライン上の信号を用いてゲート２４を閉じることによってＶｒにリセットされる。リセット動作の後のフローティング・ディフュージョン・ノード（floating diffusion node）２３上の電圧は、ソースフォロワ（source follower）２６と行読出し増幅器３０とを介して計測され、行読出し増幅器３０におけるキャパシタＣ_３１上のサンプルおよびホールド回路に蓄えられる。

[0013] この電圧計測の後、ゲート２５は、Ｔｘ上の信号に応答して導通状態に置かれる。フローティング・ディフュージョン・ノード２３上の正の電位が、フォトダイオード２２上の電荷の全てがフローティング・ディフュージョン・ノード２３に転送されるようにさせる。転送された電荷は、リセット電位に対して、フローティング・ディフュージョン・ノード２３の電位における減少の結果となる。フローティング・ディフュージョン・ノード２３は、次に、行読出し回路３０によって計測され、キャパシタ３２上のサンプルおよびホールド回路に蓄えられる。そして、キャパシタ３１と３２上の電圧の差が、露光の間にフォトダイオードによって生成された電荷を決定するために用いられる。

[0014] ここで、従来の読出し増幅器を介した、図１に示された画素の読出しのためのタイミング図である図２を参照する。行読出し増幅器３０は、典型的に、Ｃ_ｉｎとフィードバックキャパシタＣ_ｆから構成される容量性トランスインピーダンス増幅器３５を含む。ビットライン２７上の電圧を測定する前に、容量性トランスインピーダンス増幅器３５の入力と出力は、閉スイッチ３４によってショートされている。容量性トランスインピーダンス増幅器３５の利得は、典型的には３０のオーダーである、キャパシタＣ_ｉｎとＣ_ｆのキャパシタンスの比である。キャパシタ３７は、容量性トランスインピーダンス増幅器３５の帯域幅を設定する。キャパシタ３７がローパスフィルタの時定数を設定するので、キャパシタ３７を増加させることで、電圧測定におけるノイズを減少させる。しかし、容量性トランスインピーダンス増幅器３５がキャパシタ３７を充電しなければならないので、容量性トランスインピーダンス増幅器３５の出力が安定する時間も、キャパシタ３７によって決定される。この遅い上昇時間が、画素が読み出され得る速度を制限する。

[0015] 本発明は、フィルタキャパシタのための充電サイクルの初期の部分の間にキャパシタのためのより高い充電電流を与えることによって、大きなフィルタキャパシタを用いるが、行増幅器の読出し時間を減少させる。キャパシタ上の電位がその最終値に近づいたら、追加の充電電流が除かれ、行読出し増幅器が充電動作を終えることを可能にされる。追加の増幅が除かれるとき、フィルタキャパシティ上の電位がその最終値近くにあるので、その最終値に安定する時間が減らされ、故に、読出し時間を増加させることなく、より大きなキャパシタが利用され得る。

[0016] ここで、図３と４を参照する。図３は、本発明に従った、行読出し増幅器５０の概略図であり、図４は、図３に示された種々の信号のためのタイミング図である。以下の議論を簡略化するために、行読出し増幅器３０について図２に示されたものに類似の機能を務める行読出し増幅器５０の要素は、同じ番号指定が与えられ、ここではさらに議論されない。行読出し増幅器５０において、キャパシタＣ_５２が図１のフィルタキャパシタ３７の機能を務めるが、Ｃ_５２のキャパシタンスはキャパシタ３７のそれより数倍大きい。行読出し増幅器５０を用いる読出し動作は、２つのフェーズで起こっているものとして見られ得る。第１のフェーズにおいて、測定されるべき電圧はＣ_ｉｎに転送され、Ｓ_３によって操作されるスイッチは閉じられる。図を簡略化するために、Ｓ_３信号を生成するコントローラと種々のスイッチへのその接続は省略されている。結果として、行読出し増幅器３５の出力Ｖ_ｏｕｔ１は、キャパシタＣ_５２を充電するバッファ増幅器５１に経路をとる。バッファ増幅器５１は１の利得を有し、故に、キャパシタＣ_５２上の電圧はＶ_ｏｕｔ１に従う。しかし、高電流利得故、Ｖ_ｏｕｔ２でのノイズレベルは、Ｖ_ｏｕｔ１でのそれらよりもかなり高い。また、キャパシタＣ_５４が行読出し増幅器３０におけるキャパシタ３７よりもずっと小さいので、Ｖ_ｏｕｔ１が平衡に到達する時間は、行読出し回路５０においてかなり減らされることが付記されるべきである。

[0017] 第１のフェーズの終わりにおいて、Ｃ_５２上の電圧Ｖ_ｏｕｔ２は、ほぼＶ_ｏｕｔ１になる。電圧の差は、バッファ増幅器５１からの増加されたノイズと、理想的な１の利得に対するバッファ増幅器の利得における任意の小さな差の結果である。一般に、バッファ増幅器５１の利得は、ほぼ１に等しく設定される。利得の１から異なり得る量は、許容され得るキャパシタＣ_５２上の電位のミスマッチの程度に依存する。任意のミスマッチは、Ｓ_３が開かれた後にキャパシタＣ_５２がＶ_ｏｕｔ１に到達するために必要とされる時間における増加の結果となる。平行に到達するために求められる追加の時間の量は、一般に、特定の用途に依存する。平衡時間がバッファ増幅器５１のないときに求められるそれよりも小さければ、先行技術上での改良が得られる。

[0018] 第２のフェーズの間、Ｓ_３によって操作されるスイッチが開かれ、バッファ５１が動作不可にされる。故に、容量性トランスインピーダンス増幅器３５の出力は、キャパシタＣ_５２に直接接続される。そして、Ｖ_ｏｕｔ１とＶ_ｏｕｔ２との間の電圧の任意の差は、容量性トランスインピーダンス増幅器３５によって除かれる。加えて、キャパシタ５２にけるノイズレベルは、キャパシタＣ_５２とＣ_５４のキャパシタンスの合計によって特徴づけられるノイズレベルである。

[0019] 上記の実施形態において、ユニット利得バッファ増幅器は、読出しの第１フェーズの間、フィルタキャパシタの充電レートを加速するために用いられる。しかし、フィルタキャパシタの充電を加速するために、より高い利得ファクタがコンパレータと共に利用される実施形態も構成され得る。ここで、フィルタキャパシタの充電を加速するためにより高い利得の増幅器を利用する本発明の実施形態を示す図５を参照する。以下の議論を簡略化するために、図３について上述された機能と類似の機能を与える行読出し増幅器７０の要素は同じ番号指定を与えられ、ここでは詳細に議論されない。行読出し増幅器７０において、増幅器７１は、読出し動作の第１のフェーズの間、フィルタキャパシタＣ_７２を充電する。増幅器７１の利得は、フィルタキャパシタＣ_７２の初期の充電を更に加速するために、１より大きい。コンパレータ７４は、容量性トランスインピーダンス増幅器３５の出力とキャパシタＣ_７２との間の電圧差をモニタする。モニタされた電圧差が所定の閾値より小さい場合、スイッチコントローラ７３がＳ_３信号の状態を変更し、増幅器７１はもはやキャパシタＣ_７２に接続されない。そして、増幅器７１を介して前充電することなく容量性トランスインピーダンス増幅器３５の最終出力電圧にフィルタキャパシタＣ_７２を充電するのに必要な時間よりもかなり少ない時間で、低ノイズを与えるために、フィルタキャパシタＣ_７２の最後の充電は、容量性トランスインピーダンス増幅器３５によって与えられる。電圧がキャパシタＣ_７２で安定化するとき、コントローラ７３は、サンプルスイッチの一方を閉じ、サンプルおよびホールドキャパシタＣ_３１またはＣ_３２の対応する一方上で、キャパシタＣ_７２上の電圧を捉える。

[0020] また、図５に示されたコンパレータ構成は、ユニット利得バッファ増幅器をもった実施形態においても利用され得ることが付記されるべきである。ユニット利得増幅器を利用する上述の実施形態において、フェーズの持続時間は、所定の時間値によって設定される。しかし、図５に示されたものに類似のコンパレータ構成は、また、第１と第２のフェーズの間で行読出し増幅器が切り替わる時間を決定するためにユニット利得増幅器とともに利用され得る。この構成は、低減された読出し時間、または、より大きなフィルタキャパシタが用いられることを可能にすることによるより低いノイズを提供し得る。しかし、そのような実施形態は、コンパレータを実装するために追加のトランジスタを必要とし、故に、行読出し増幅器のために利用可能なスペースが限られている場合、課題を提起する。この点について、撮像アレイは数千のそのような読出し増幅器を有し得、故に、行読出し増幅器あたり数個のトランジスタでさえも、撮像アレイのコストにおける相当な増加を提示し得ることが付記されるべきである。

[0021] 本発明の上述の実施形態は、発明の様々な態様を示すために提供される。しかし、異なる特定の実施形態に示される本発明の異なる態様は、本発明の他の実施形態を提供するために組み合され得ることが理解されるべきである。加えて、本発明への様々な変更が、以上の記載および添付の図面から明らかになるであろう。従って、本発明は、以下の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されるべきである。
以下、本願出願時の特許請求の範囲に記載の発明を付記する。
［Ｃ１］
増幅器信号出力を有する信号増幅器と、
第１のフィルタキャパシタと、
バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力とを有するバッファ増幅器と、
スイッチネットワークと、を備えた装置であり、
前記スイッチネットワークは、第１の時間期間の間、前記増幅器信号出力を前記バッファ増幅器入力に、前記バッファ増幅器出力を前記第１のフィルタキャパシタに接続し、第２の時間期間の間、前記増幅器信号出力を前記第１のフィルタキャパシタに直接接続する、装置。
［Ｃ２］
前記信号増幅器は、前記第１のフィルタキャパシタに直接接続されたとき、第１の時定数で前記第１のフィルタキャパシタを充電し、
前記第１の時間期間は、前記第１の時定数の５倍よりも小さい、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ３］
前記バッファ増幅器は、１にほぼ等しい利得を有する、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ４］
前記装置は、更に、前記バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力との間の差を測定するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記さが所定の閾値より小さいとき、前記装置を、前記第１の時間期間から前記第２の時間期間に切り替えさせる、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ５］
前記第１の時間期間と前記第２の時間期間は固定される、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ６］
前記バッファ増幅器出力は、前記第２の時間期間の間、前記第１のフィルタキャパシタから切り離される、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ７］
前記信号増幅器は、１より大きい利得を有する容量性トランスインピーダンス増幅器を備える、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ８］
前記第１のフィルタキャパシタは第１のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられ、
前記信号増幅器は、第２のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられる第２のフィルタキャパシタを備え、
第２のフィルタキャパシタは前記増幅器信号出力に接続され、前記第２のフィルタキャパシタキャパシタンスは前記第１のフィルタキャパシタキャパシタンスの５倍より小さいことを特徴とする、［Ｃ１］に記載の装置。
［Ｃ９］
ビットラインコンダクタと、
複数の画素センサと、各画素センサは、ワード選択信号に応答して前記ビットラインコンダクタに接続される、
前記ビットラインコンダクタに接続された行増幅器と、を備えた撮像アレイであって、
前記行増幅器は、
増幅器信号出力を有する信号増幅器と、
第１のフィルタキャパシタと、
バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力とを有するバッファ増幅器と、
スイッチネットワークと、を備え、
前記スイッチネットワークは、第１の時間期間の間、前記増幅器信号出力を前記バッファ増幅器入力に、前記バッファ増幅器出力を前記第１のフィルタキャパシタに接続し、第２の時間期間の間、前記増幅器信号出力を前記第１のフィルタキャパシタに直接接続する、撮像アレイ。
［Ｃ１０］
前記信号増幅器は、前記第１のフィルタキャパシタに直接接続されたとき、第１の時定数で前記第１のフィルタキャパシタを充電し、
前記第１の時間期間は、前記第１の時定数の５倍よりも小さい、［Ｃ９］に記載の撮像アレイ。
［Ｃ１１］
前記バッファ増幅器出力は、前記第２の時間期間の間、前記第１のフィルタキャパシタから切り離される、［Ｃ９］に記載の撮像アレイ。
［Ｃ１２］
前記信号増幅器は、１より大きい利得を有する容量性のトランスインピーダンス増幅器を備える、［Ｃ９］に記載の撮像アレイ。
［Ｃ１３］
前記第１のフィルタキャパシタは第１のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられ、
前記信号増幅器は、第２のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられる第２のフィルタキャパシタを備え、
前記第２のフィルタキャパシタは前記増幅器信号出力に接続され、前記第２のフィルタキャパシタキャパシタンスは前記第１のフィルタキャパシタキャパシタンスの５倍より小さいことを特徴とする、［Ｃ９］に記載の撮像アレイ。
［Ｃ１４］
前記第１のフィルタキャパシタは第１のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられ、
前記撮像アレイは、更に、サンプルスイッチとホールドキャパシタとを備えるサンプルおよびホールド回路を備え、
前記サンプルスイッチは、制御信号に応答して、前記第１のフィルタキャパシタを前記ホールドキャパシタに接続し、
前記ホールドキャパシタは、前記第１のフィルタキャパシタキャパシタンスの５倍よりも小さいキャパシタンスによって特徴づけられる、［Ｃ９］に記載の撮像アレイ。

Claims

増幅器信号出力を有する信号増幅器と、
第１のフィルタキャパシタと、
バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力とを有するバッファ増幅器と、
スイッチネットワークと、
を備えた装置であり、
前記第１のフィルタキャパシタは第１のターミナルと第２のターミナルを有し、前記第２のターミナルはグランドに接続され、
前記スイッチネットワークは、第１の時間期間の間、第１の直流経路によって前記増幅器信号出力を前記バッファ増幅器入力に、および、第２の直流経路によって前記バッファ増幅器出力を前記第１のフィルタキャパシタの前記第１のターミナルに接続し、
前記スイッチネットワークは、第２の時間期間の間、第３の直流経路によって前記増幅器信号出力を前記第１のフィルタキャパシタの前記第１のターミナルに直接接続する、
装置。
前記信号増幅器は、前記第１のフィルタキャパシタに直接接続されたとき、第１の時定数で前記第１のフィルタキャパシタを充電し、
前記第１の時間期間は、前記第１の時定数の５倍よりも小さい、請求項１に記載の装置。
前記バッファ増幅器は、１にほぼ等しい利得を有する、請求項１に記載の装置。
前記装置は、更に、前記バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力との間の差を測定するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記差が所定の閾値より小さいとき、前記装置を、前記第１の時間期間から前記第２の時間期間に切り替えさせる、
請求項１に記載の装置。
前記バッファ増幅器は、１より大きい利得を有する、請求項４に記載の装置。
前記第１の時間期間と前記第２の時間期間は固定される、請求項１に記載の装置。
前記バッファ増幅器出力は、前記第２の時間期間の間、前記第１のフィルタキャパシタから切り離される、請求項１に記載の装置。
前記信号増幅器は、１より大きい利得を有する容量性トランスインピーダンス増幅器を備える、請求項１に記載の装置。
前記第１のフィルタキャパシタは第１のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられ、
前記信号増幅器は、第２のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられる第２のフィルタキャパシタを備え、
前記第２のフィルタキャパシタは前記増幅器信号出力と前記グランドとの間に接続される、請求項１に記載の装置。
ビットラインと、
複数の画素センサと、ここにおいて、各画素センサは、ワード選択信号に応答して前記ビットラインに接続されており、
前記ビットラインに接続された行増幅器と、
を備えた撮像アレイであって、
前記行増幅器は、
増幅器信号出力を有する信号増幅器と、
第１のフィルタキャパシタと、
バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力とを有するバッファ増幅器と、
スイッチネットワークと、
を備え、
前記第１のフィルタキャパシタは第１のターミナルと第２のターミナルを有し、前記第２のターミナルはグランドに接続され、
前記スイッチネットワークは、第１の時間期間の間、第１の直流経路によって前記増幅器信号出力を前記バッファ増幅器入力に、および、第２の直流経路によって前記バッファ増幅器出力を前記第１のフィルタキャパシタの前記第１のターミナルに接続し、
前記スイッチネットワークは、第２の時間期間の間、第３の直流経路によって前記増幅器信号出力を前記第１のフィルタキャパシタの前記第１のターミナルに直接接続する、
撮像アレイ。
前記信号増幅器は、前記第１のフィルタキャパシタに直接接続されたとき、第１の時定数で前記第１のフィルタキャパシタを充電し、
前記第１の時間期間は、前記第１の時定数の５倍よりも小さい、
請求項１０に記載の撮像アレイ。
前記バッファ増幅器出力は、前記第２の時間期間の間、前記第１のフィルタキャパシタから切り離される、請求項１０に記載の撮像アレイ。
前記信号増幅器は、１より大きい利得を有する容量性のトランスインピーダンス増幅器を備える、請求項１０に記載の撮像アレイ。
前記第１のフィルタキャパシタは第１のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられ、
前記信号増幅器は、第２のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられる第２のフィルタキャパシタを備え、
前記第２のフィルタキャパシタは前記増幅器信号出力と前記グランドとの間に接続される、
請求項１０に記載の撮像アレイ。
前記第１のフィルタキャパシタは第１のフィルタキャパシタキャパシタンスによって特徴づけられ、
前記撮像アレイは、更に、サンプルスイッチとホールドキャパシタとを備えるサンプルおよびホールド回路を備え、
前記サンプルスイッチは、制御信号に応答して、前記第１のフィルタキャパシタを前記ホールドキャパシタに接続し、
前記ホールドキャパシタは、前記第１のフィルタキャパシタキャパシタンスの５倍よりも小さいキャパシタンスによって特徴づけられる、
請求項１０に記載の撮像アレイ。
前記行増幅器は、更に、前記バッファ増幅器入力とバッファ増幅器出力との間の差を測定するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記差が所定の閾値より小さいとき、前記行増幅器を、前記第１の時間期間から前記第２の時間期間に切り替えさせる、
請求項１０に記載の撮像アレイ。
前記バッファ増幅器は、１より大きい利得を有する、請求項１６に記載の撮像アレイ。