JP6631887B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

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Description

本開示は、固体撮像装置およびカメラに関する。
従来、列並列型AD変換器搭載のCMOS固体撮像装置では、列毎に設けられたAD変換器内の比較器が一斉に反転したときに電源線の電圧ドロップが大きくなり、ノイズとして問題となる。この問題に対して、例えば特許文献1は、比較器内の信号線と、電源線との間に容量素子を接続し、当該容量素子の作用により、電源線の電位変動による回路ノイズを低減することを開示している。
ところが、特許文献1の容量素子は、電源ノイズ等の外乱ノイズに対しては有効に機能しない。すなわち、CMOS固体撮像装置では、外部から供給される画素の電源そのものにノイズがのっていると、画素からの読み出し信号にノイズが混入するおそれがある。これに対して、特許文献2は、電源電圧のノイズが画素信号に伝達しないようにノイズを減衰させて画素の電源電圧を生成する画素電源回路を含む固体撮像装置を開示している。
また、CMOSイメージセンサでは、外部から供給された電源電圧を直接画素及び垂直駆動回路に入力すると、電源電圧に重畳しているノイズの影響にて横線状ノイズが生じる。これに対して、特許文献3は、外部電源電圧を降圧して、画素アレイの各画素に供給する画素電源電圧を生成する画素電源レギュレータを備える。この画素電源レギュレータは、外部電源電圧から画素電源電圧を供給するドライバトランジスタを有し、ドライバトランジスタが飽和状態で動作するようにしている。これにより、外部電源にノイズが重畳されていても、このノイズの影響がドライバトランジスタの出力側に及ぶのを回避している。
特開2007−281540号公報 特開2013−62611号公報 特開2009−253559号公報
しかしながら、上記の背景技術によれば、例えば、画素から大きなレベルの画素信号が出力される場合、または、AD変換器の動作に伴い電圧が変動する場合に、垂直信号線にノイズが生じることがある。このノイズがさらに他の列に回り込んでしまい、その結果、画質劣化(例えば横線状ノイズによる画質劣化)が生じることがあるという問題がある。
本開示は、画素に接続された電源線に外部から電源電圧が供給され、この電源電圧に外部からのノイズが重畳されている場合に生じる画質劣化、および内部で生じたノイズが他の列に回りこむことによる画質劣化を低減する固体撮像装置およびカメラを提供する。
上記課題を解決するため本開示における固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素回路と、基準電圧をもとに第1の電源電圧から第2の電源電圧を生成し、複数の画素回路内の増幅トランジスタに第2の電源電圧を供給する複数の単位電源回路と、一定の基準電圧を生成するレギュレータ回路とを備え、単位電源回路は、複数の画素回路の列毎にまたは画素回路毎に設けられ、対応する列に属する画素回路内の増幅トランジスタに、または、対応する画素回路内の増幅トランジスタに第2の電源電圧を供給する。
本開示における固体撮像装置およびカメラは、画素回路に接続された電源線における外部からのノイズによる画質劣化、および列間のノイズの回りこみによる画質劣化を低減することができる。
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 図2は、第1の実施形態に係る電源回路および画素回路の構成例を示す回路図である。 図3は、第1の実施形態に係るレギュレータ回路の構成例を示す回路図である。 図4は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の複数フレーム期間の動作例を示すタイムチャートである。 図5は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の1水平走査期間の動作例を示すタイムチャートである。 図6は、比較例における固体撮像装置の1水平走査期間の動作例を示すタイムチャートである。 図7は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 図8は、第2の実施形態に係る単位電源回路および画素回路の構成例を示す回路図である。 図9は、第2の実施形態に係る垂直走査回路の構成例を示す回路図である。 図10は、カメラの構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための形態に係る固体撮像装置を、図面を参照しながら説明する。
但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。
例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は当業者が本開示を十分に理解するためのものであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
まず、本開示における固体撮像装置の概要について説明する。
本開示における固体撮像装置は、第1の電源電圧から第2の電源電圧を生成する複数の単位電源回路を備える。単位電源回路は、複数の画素回路(単位セル、単位画素セル)の列毎にまたは画素回路毎に設けられ、対応する列に属する画素回路内の増幅トランジスタに、または、対応する画素回路内の増幅トランジスタに第2の電源電圧を供給する。
これにより、固体撮像装置は、画素回路に接続された電源線における外部からのノイズによる画質劣化、および列間のノイズの回りこみによる画質劣化を低減する。
(第1の実施形態)
第1の実施形態では、単位電源回路を、画素回路毎ではなく、画素回路の列毎に備える固体撮像装置について説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置1の構成例を示すブロック図である。同図に示す固体撮像装置1は、画素アレイ部10、水平走査回路12、垂直走査回路14、複数の垂直信号線19、制御部20、カラム処理部26、参照信号生成部27、出力回路28、複数のロード電流源30、電源回路50およびレギュレータ回路55を備える。また、固体撮像装置1は、外部からマスタークロック信号の入力を受けるMCLK端子、外部との間でコマンドまたはデータを送受信するためのDATA端子、外部へ映像データを送信するためのD1端子等を備え、これ以外にも電源電圧、グラウンド電圧が供給される端子類を備える。
画素アレイ部10は、行列状に配置された複数の画素回路3を有する。複数の画素回路3は、図1ではn行m列に配置されている。
水平走査回路12は、複数のカラムAD回路内のメモリ256を順に走査することにより、AD変換された画素信号を、水平信号線18を介して出力回路28に出力する。
垂直走査回路14は、画素アレイ部10内の画素回路3の行毎に設けられた水平走査線群15(行制御線群とも呼ぶ)を行単位に走査する。これにより、垂直走査回路14は、画素回路3を行単位に選択し、選択した行に属する画素回路3から画素信号をm本の垂直信号線19に同時に出力させる。水平走査線群15は、画素回路3の行と同数設けられる。図1では、n個の水平走査線群15(図1ではV1、V2、・・・、Vn)が設けられている。水平走査線群15のそれぞれは、リセット制御線φRS、読み出し制御線φTR、選択制御線φSELを含む。
垂直信号線19は、画素アレイ部10内の画素回路3の列毎に設けられ、選択された行に属する画素回路3からの画素信号をカラムAD回路25に伝播する。複数の垂直信号線19は、図1では垂直信号線H0〜Hmのm本からなる。垂直信号線19のうちの下流側の部分、つまりカラムAD回路25のマイナス入力端子に接続される部分をADC入力線40と呼ぶ。複数のADC入力線40は、図1ではADC入力線ADIN0〜ADINmのm本からなる。
制御部20は、種々の制御信号群を生成することにより、固体撮像装置1の全体を制御する。種々の制御信号群には、制御信号群CN1、CN2、CN5、CN8、CN10、CN10、カウントクロックCK0が含まれる。例えば、制御部20は、端子5aを介してマスタークロックMCLKを受け取り、種々の内部クロックを生成し水平走査回路12や垂直走査回路14などを制御する。
カラム処理部26は、列毎に設けられたカラムAD回路25を備える。各カラムAD回路25は、垂直信号線19からの画素信号をAD変換する。
カラムAD回路25のそれぞれは、電圧比較器252、カウンタ部254、およびメモリ256を備える。
電圧比較器252は、垂直信号線19からのアナログの画素信号と、参照信号生成部27で生成される、三角波を含む参照信号RAMPとを比較し、例えば、前者が後者より大きくなった時に比較結果を示す出力信号を反転する。
カウンタ部254は、参照信号RAMP中の三角波の変化開始から電圧比較器252の出力信号が反転するまでの時間をカウントする。反転するまでの時間は、アナログ画素信号の値に応じて定まるので、カウント値はデジタル化された画素信号の値になる。
メモリ256は、カウンタ部254のカウント値つまりデジタルの画素信号を保持する。
参照信号生成部27は、三角波を含む参照信号RAMPを生成し、各カラムAD回路25内の電圧比較器252のプラス入力端子に参照信号RAMPを出力する。
出力回路28は、水平走査回路12の走査によってメモリ256から水平信号線18を介して読み出されたデジタルの画素信号を映像データ端子D1に出力する。
ロード電流源30は、垂直信号線19毎に設けられ、垂直信号線19に負荷電流を供給する負荷回路である。つまり、ロード電流源30は、選択された画素回路3内の増幅トランジスタに垂直信号線19を介して負荷電流を供給し、当該増幅トランジスタと共にソースフォロア回路を形成する。
電源回路50は、複数の単位電源回路50aを備える。単位電源回路50aは、基準電圧線52の基準電圧をもとに第1の電源線51の第1の電源電圧から第2の電源電圧を生成し、複数の画素回路3内の増幅トランジスタに第2の電源電圧を供給する。第1の実施形態では、単位電源回路50aは、複数の画素回路3の列毎に設けられ、対応する列に属する画素回路3内の増幅トランジスタに第2の電源線53を介して第2の電源電圧を独立に供給する。
レギュレータ回路55は、上記の基準電圧を生成し基準電圧線52に供給する。
[電源回路の構成例]
次に、電源回路50および画素回路3の具体例について説明する。
図2は、第1の実施形態に係る電源回路50および画素回路3の構成例を示す回路図である。同図では、便宜上2行2列に対応する、電源回路50および画素回路3を示している。
電源回路50は、複数の単位電源回路50aを備える。単位電源回路50aは、画素回路の列毎に設けられている。
単位電源回路50aのそれぞれは、NMOS型のトランジスタT50を有する。トランジスタT50は、同一列に属する画素回路3内の増幅トランジスタT12に第2の電源線53を介してカスコード接続される。
トランジスタT50のゲート端子には基準電圧線52が接続され、レギュレータ回路55から基準電圧線52を介して基準電圧が供給される。基準電圧の電圧は、第1の電源電圧よりも、わずかに高い電圧であることが好ましい。
トランジスタT50のドレイン端子には第1の電源線51が接続され、第1の電源線51の第1の電源電圧が供給される。
トランジスタT50のソース端子は、第2の電源線53に接続され、第2の電源電圧を出力し、同一列に属する画素回路3内の増幅トランジスタのドレイン端子に接続される。
上記の基準電圧は、単位電源回路50aを構成するトランジスタT50と増幅トランジスタT12とが飽和領域で動作するように定められる。すなわち、トランジスタT50、増幅トランジスタT12におけるドレイン−ソース間電圧VDSが、ゲート−ソース間電圧VGSから閾値電圧Vtを減じた値以上になる領域でトランジスタT50が動作するように、第1の電源電圧、第2の電源電圧および基準電圧が設定される。トランジスタT50が飽和領域で動作するように設定されるのは、ドレイン端子とソース端子間のインピーダンスを高めるためである。トランジスタT50が飽和領域で動作することにより、第1の電源電圧の変動の影響を受けにくいため、外部の電源ノイズの影響を低減することができる。
画素回路3は、画素(受光部)であるフォトダイオードPD、浮遊拡散層FD、読み出しトランジスタT10、リセットトランジスタT11、増幅トランジスタT12および選択トランジスタT13を備える。
フォトダイオードPDは、光電変換する受光素子であり、受光量に応じた電荷を生成する。
浮遊拡散層FDは、フォトダイオードPDから読み出しトランジスタT10を介して読み出された電荷を一時的に保持する。
読み出しトランジスタT10は、読み出し制御線φTRの読み出し制御信号に従って、フォトダイオードPDから浮遊拡散層FDに電荷を読み出す(つまり転送する)。
リセットトランジスタT11は、リセット制御線φRSのリセット制御信号に従って、浮遊拡散層FDの電荷をリセットする。リセットトランジスタT11のドレイン端子は第1の電源線51に接続され、わずかな電圧降下もなくして、浮遊拡散層FDの信号レベルを最大限に確保するようにする。
増幅トランジスタT12は、浮遊拡散層FDの電荷を電圧に変換および増幅し、増幅した信号を画素信号として選択トランジスタT13を介して垂直信号線19に出力する。増幅トランジスタT12の電源は、単位電源回路50aの出力端子から供給される。
選択トランジスタT13は、選択制御線φSELの選択制御信号に従って、増幅トランジスタの画素信号を垂直信号線に出力するか否かを選択する。
なお、図3では、いわゆる1画素1セル構造の画素回路3の例を示したが、画素回路3は、いわゆる多画素1セル構造であってもよい。多画素1セル構造の画素回路3は、例えば、複数のフォトダイオードPDを有し、浮遊拡散層FD、リセットトランジスタT11、増幅トランジスタT12および選択トランジスタT13のいずれか、あるいは、すべてを単位セル内で共有する構造であってもよい。
[レギュレータ回路の構成例]
次に、レギュレータ回路55の構成例について説明する。
図3は、レギュレータ回路55の構成例を示す回路図である。同図のレギュレータ回路55は、オペアンプOP、出力トランジスタTo、負荷抵抗R1、R2を備える。
出力トランジスタToには、第1の電源電圧よりも高い電圧の昇圧電圧4が供給される。
オペアンプOPは、第1の電源線51の第1の電源電圧で動作し、基準電圧Aと、負荷抵抗R1、R2による分圧で生成されたフィードバック信号との誤差を検出し、この誤差がゼロになるように出力トランジスタToのゲート端子を制御する。
出力トランジスタToから基準電圧線52に出力される基準電圧はGND基準で生成されている。このため、第1の電源電圧や昇圧電圧4が変動しても、変動を抑制する効果は非常に高いという特徴を有している。ここで、基準電圧線52の基準電圧は外部容量を接続するなどして、さらに安定化を増すことも可能である。このように、レギュレータ回路55は一定の基準電圧を、基準電圧線52を介して電源回路50に出力する。
[固体撮像装置の動作]
以上のように構成された第1の実施形態における固体撮像装置1について、以下その動作を説明する。
図4は、固体撮像装置1の複数フレーム期間の動作例を示すタイムチャートである。同図のでは、第kフレームから第k+2フレームにおける参照信号RAMPの波形を模式的に表している。1フレームは、画素回路3の第1行から第n行に対応するn個の水平走査期間(同図中の1Hの期間)からなる。また、図5は、固体撮像装置の1水平走査期間の動作例を示すタイムチャートである。
1水平走査期間のそれぞれにおいて参照信号RAMPは、図4および図5に示すようにダウンカウント期間およびアップカウント期間のそれぞれにおいて三角波となる。
ダウンカウント期間は、増幅トランジスタT12から出力されるリセット成分Vrstのレベルを示す第1の画素信号をAD変換するための期間である。ダウンカウント期間の開始(三角波の変化開始)から電圧比較器252の出力が反転するまでの時間がカウンタ部254によりダウンカウントされる。このカウント値はアナログのリセット成分VrstのAD変換結果そのものである。
アップカウント期間は、増幅トランジスタT12から出力される、データ成分(信号成分Vsig+リセット成分Vrst)のレベルを示す第2の画素信号をAD変換するための期間である。アップカウント期間の開始(三角波の変化開始)から電圧比較器252の出力が反転するまでの時間がカウンタ部254によりアップカウントされる。このアップカウントは、アナログのデータ成分(Vsig+Vrst)をデジタル値に変換する。このアップカウントは、リセット成分Vrstを示すダウンカウント値を初期値とするので、アップカウント期間の終了時のカウント値は、データ成分(Vsig+Vrst)からリセット成分Vrstを減算するCDS(Correlated Double Sampling:相関二重検出)の結果を表す。つまり、アップカウント期間の終了時のカウント値は、信号成分Vsigそのものである。このように、カラムAD回路25は、誤差となる各列のクロックスキューやカウンタディレイ等のばらつきを排除して、真の信号レベルVsigのみを取り出す、つまり、デジタルCDSを行う。
このような1水平走査期間の動作をn行に対して順次行うことにより1フレームの画像が得られる。
次に、電源回路50を有しない比較参照例を用いて、図5の動作について説明する。
図6は、比較参照例における固体撮像装置の1水平走査期間の動例を示すタイムチャートである。同図は、図1の電源回路50およびレギュレータ回路55を備えず、第1の電源線51と第2の電源線53が直結されている固体撮像装置におけるタイムチャートを示す。
図6の比較参照例では、第1の電源線51の変動ΔVddを模式的に図示してある。
第1の電源電圧が変動する場合、増幅トランジスタT12のCgdなどの寄生成分によりFD部が連動することとなるこの場合、電源回路50を有しなければ、画素出力の変動を抑制することは出来ず、全列共通のノイズ混入を回避できず、電源変動の大きい環境下では、電源変動起因の横線ノイズが発生し、著しく画質劣化することとなる。
以下、詳細に説明する。
電圧比較器252は、垂直信号線19から入力された信号と、参照信号生成部27から出力するランプ波形である参照信号RAMPと、を比較し、電圧比較器252が比較反転するまでの時間を、カウンタ部254にて計時することで、入力された信号のAD変換を行う。
ここで、電圧比較器252は、比較反転の際、大きな電流変化を伴い、その結果、比較器電源電圧の電位変化が生じるが、電圧比較器252の電源電圧と、電圧比較器252の出力との間に特許文献1の容量素子を設ければ、後段のソース接地増幅回路のゲート・ソース間電圧を維持し、電圧比較器252の電源電圧の電位変化による電圧比較器252の比較結果が変動することを防ぐことが可能である。しかし、一般的な固体撮像装置では、例えば、増幅トランジスタT12の寄生容量Cgdや、浮遊拡散層FDと電源電圧線間の寄生容量などにより、電源電圧線に対して、浮遊拡散層FDは寄生容量Cp1を有する。
また、電源ノイズ等の外乱ノイズにより第1の電源電圧の電位がΔVddの変動を有する場合、浮遊拡散層FDの寄生容量Cp1と寄生容量Cfdとの比によって定まる比率で、浮遊拡散層FDも変動する。つまり、浮遊拡散層FDの変動はフォトダイオードPDから転送された信号に混入し、画質劣化が発生する。
この外乱ノイズについて更に説明すると、画素回路3では、増幅トランジスタT12のドレイン電極とゲート電極間にゲートのオーバーラップ容量や配線の寄生容量により、ドレイン−ゲート間容量として寄生容量Cp1が存在する。
ここで、増幅トランジスタT12がリセットレベルとして垂直信号線19へ出力し、さらに、信号電荷が転送された後の浮遊拡散層FDの電位を信号レベルとして垂直信号線19へ出力する間を画素信号読み出し期間とした場合、画素信号読み出し期間と異なる周期で第1の電源電圧が変動すると、ドレイン−ゲート間容量としての寄生容量Cp1を介して浮遊拡散層FDにノイズとして伝播する。
このため、図6に示すように、増幅トランジスタT12により垂直信号線19にノイズが伝搬し、画質劣化が起きる。
第1の電源線51の電圧変動をΔVdd、浮遊拡散層FDの全容量をCfd、増幅トランジスタT12のゲインをGSFとした場合、垂直信号線19に出力されるノイズΔVnを計算式で表すと下記になる。
ΔVn=Cp1/(Cfd+Cp1)×ΔVdd×GSF ・・・(式1)
上記した浮遊拡散層FDの変動は垂直信号線19へ出力されて、電圧比較器252に入力する。
このとき、例えば特許文献1の容量素子は、電圧比較器252の電源電圧の変動には有効であるが、画素回路3の第1の電源電圧の変動に起因したノイズは、同じく画素回路3から出力する信号(画像信号)と区別が出来ないため、ノイズを削除することができない。
つまり、比較参照例の一般的な固体撮像装置は、特許文献1の容量素子を用いても電源ノイズ等の外乱ノイズに対しての画質劣化を抑制出来ない。
このような図6の比較参照例に対して、本実施形態における固体撮像装置1は、単位電源回路50aを列毎に備える。もし、単位電源回路50aが列毎ではなく、特許文献3のように全列に共通に電源配線が直結されているならば、次の問題が生じる。例えば、ある列に高照度の信号が入った場合を想定すると、このとき垂直信号線19の電圧が大きく変動し、ロード電流源30が変動し、この結果、該当する列の電源電圧が変動する。このため、この電源ノイズが該当しない列の電源電圧に回り込むことにより影響を及ぼすことになり、寄生容量Cp1を介して浮遊拡散層FDに回り込んでしまい、結果的に電源ノイズが悪化してしまう。
これに対して、第1の実施形態では、電源回路50内の単位電源回路50aの出力端子は列ごとに独立に接続しているので、AD変換を実施している他列の電流変動の影響を排除できるという効果を有する。
第1の実施形態における、第2の電源電圧の変動をΔVdd、浮遊拡散層FDの全容量をCfd、増幅トランジスタT12のゲインをGSFとした場合、図5に示すように第2の電源線53の第2の電源電圧は影響を受けない。つまり、垂直信号線19に出力されるノイズΔVnは、ΔVdd=0であるため下記になる。
ΔVn==Cp1/(Cfd+Cp1)×ΔVdd×GSF
=0 ・・・(式2)
このように、第2の電源電圧が安定しているため、垂直信号線19により伝播される画素信号が安定化し、第1の電源電圧のノイズの影響を低減する効果を有する。
本実施形態では、電源回路50は画素回路3からなる画素アレイ部10の外側に配置されるため画素回路3の特性への影響はない。
上記のように、図5における第2の電源電圧は平滑され安定している。第2の電源電圧が安定しているために、垂直信号線19により伝播される画素信号電圧が安定化し、第1の電源電圧のノイズ除去効果を有している。
以下、固体撮像装置1の図5における動作を説明する。
まず、1回目の読み出しのため、制御部20は、カウンタ部254のカウント値を設定された初期値にリセットさせるとともに、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定する。ここで、カウント値の初期値は“0”であっても、任意の値であってもよいものとする。
次に、選択制御線ΦSELが時刻t4でHighレベルとなり画素回路3の選択トランジスタT13をオンさせると選択された行Vxが選択されることになる。
次に、読み出し制御線ΦTRがLowレベルとなり読み出しトランジスタT10がオフされた状態で、時刻t4でリセット制御線ΦRSがHighレベルとなりリセットトランジスタT11をオンさせ、各画素回路3の浮遊拡散層FDの電圧を第1の電源電圧にリセットする。
次に、一定時間が過ぎてから浮遊拡散層FDの電圧がリセットされた状態で、リセット制御線ΦRSがLowレベルとなりリセットトランジスタT11をオフする。
そして、各画素回路3の浮遊拡散層FDの電圧が増幅トランジスタT12によって増幅され、リセット成分VRStが垂直信号線19を介して読み出される。この状態で、第1の電源電圧からのノイズ成分は除去されている。
このダウンカウント時には、制御部20は、参照信号生成部27に向けて、参照信号RAMP生成用の制御信号CN4を供給する。これを受けて、参照信号生成部27は、電圧比較器252の一方の入力端子(+)への比較電圧として、ランプ状に時間変化させた三角波を有する参照信号RAMPを入力する。電圧比較器252は、この参照信号RAMPの電圧と、第1の電源電圧からのノイズ成分を除去された各列のADC入力線40(ADINx)から伝播されるリセット成分(VRSt)を示す電圧とを比較する。
また、電圧比較器252の入力端子(+)への参照信号RAMPの三角波の変化開始と同時に、電圧比較器252における比較時間を、列ごとに配置されたカウンタ部254で計測するために、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期して(時刻t10)、カウンタ部254のクロック端子に制御部20からカウントクロックCK0を入力し、1回目のカウント動作として、設定された初期値からダウンカウントを開始する。
また、電圧比較器252は、参照信号生成部27からの参照信号RAMPとADC入力線40を介して入力される選択されたVx行の画素リセット成分の電圧(VRSt)とを比較し、双方の電圧が同じになったときに、電圧比較器252の出力をHレベルからLレベルへ反転させる(時刻t12)。つまり、リセット成分VRStに応じた電圧と参照信号RAMPを比較して、リセット成分VRStの大きさに対応した時間軸方向の大きさをカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、リセット成分VRStの大きさに対応したカウント値を得る。言い換えれば、カウンタ部254は、参照信号RAMP中の三角波形の変化の開始時点をカウンタ部254のダウンカウント開始時点として、電圧比較器252の出力が反転するまでダウンカウントすることにより、リセット成分VRStの大きさに対応したカウント値を得る。
また、制御部20は、所定のダウンカウント期間を経過すると(t14)、電圧比較器252への制御データの供給と、カウンタ部254へのカウントクロックCK0の供給とを停止する。これにより、電圧比較器252は、参照信号RAMPの三角波生成を停止する。
この1回目の読み出し時は、選択されたVx行の画素信号電圧におけるリセット成分VRStを電圧比較器252で検知してカウント動作を行っているので、画素回路3のリセット成分VRStを読み出していることになる。
このように、垂直信号線19の出力信号をCDS手段であるカラムAD回路25で読み取る(時刻t14)ように動作するようになる。
そして、この画素リセット成分のAD変換が終了すると、続いて2回目の画素信号読み出し動作を開始する。また、2回目の読み出し時には、リセット成分VRStに加えて、画素回路3ごとの入射光量に応じた信号成分Vsigを読み出す動作を行う。1回目の読み出しと異なる点は、カウンタ部254をアップカウントモードに設定する点である。
具体的には、時刻t16で、読み出し制御線ΦTRがHighレベルとなり読み出しトランジスタT10をオンさせれば、フォトダイオードPDに蓄積された全ての光電荷は、浮遊拡散層FDに伝達される。その後、読み出し制御線ΦTRがLowレベルとなり読み出しトランジスタT10をオフする。
そして、増幅トランジスタT12のデータ成分(VRSt+Vsig)が垂直信号線19を介して読み出される。
このときも上記と同様に、この状態では、第1の電源電圧からのノイズ成分が除去される。このとき、カウンタ部254はアップカウントする。
アップカウント時には、参照信号生成部27によりランプ状となるように階段状に時間変化させた参照信号RAMPを入力し、各列のADC入力線40を介して入力され、選択された行Vxの画素信号成分の電圧との比較を電圧比較器252にて行う。
このとき、電圧比較器252の一方の入力端子(+)への参照信号RAMPの入力と同時に、電圧比較器252における比較時間を、カウンタ部24を利用して計測するために、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期して(時刻t20)、カウンタ部24は、2回目のカウント動作として、ダウンカウントが停止したカウント値から、アップカウントを開始する。
また、電圧比較器252は、参照信号生成部27からのランプ状の参照信号RAMPと各列のADC入力線40を介して入力され、選択されたVx行の画素信号成分のデータ成分(VRSt+Vsig)とを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をHレベルからLレベルへ反転させる(時刻t22)。
このように、垂直信号線19の出力信号をCDS手段であるカラムAD回路25で読み取る(時刻t24)ように動作するようになる。
つまり、データ成分(VRSt+Vsig)に応じた電圧信号と参照信号RAMPを比較して、信号成分Vsigの大きさに対応した時間軸方向の大きさをカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、信号成分Vsigの大きさに対応したカウント値を得ることが出来る。言い換えれば、カウンタ部254は、参照信号RAMP中の三角波の変化の開始時点をカウンタ部254のアップカウント開始時点として、電圧比較器252の出力が反転するまでアップカウントすることにより、データ成分(VRSt+Vsig)の大きさに対応したカウント値を得る。このように、デジタルCDSは、例えば、カウンタ部254の設定を、リセット成分(VRSt)を読み出すときにはダウンカウント、データ成分(VRSt+Vsig)を読み出すときにはアップカウントとすることにより、カウンタ部254内で自動的に減算が行われ、信号成分Vsigは相当するカウント値を得ることによって行っている。
そして、AD変換されたデータ(信号成分Vsig)はメモリ256に保持される。つまり、カウンタ部254の動作前(時刻t30)に、制御部20からメモリ転送指示パルス制御信号CN8に基づき、前行のVx−1のカウント結果をメモリ256に転送される。
以上より、カラムAD回路25は全ての行Vxの画素読み出し時に対してデジタルCDSを実行している。
このように、本発明の第1の実施形態に示された固体撮像装置1では、図4に示すように各行Vxの画素回路3の読み出しを行う1水平走査期間は、つまり、AD変換するダウンカウント期間とアップカウント期間で構成される。上記水平走査期間を各行で実行することで1フレームの映像データを映像データ端子D1に出力している。
以上説明した通り、本実施形態では、単位電源回路50aを列ごとに設けることにより、特に画素信号の変動時における第1の電源線51の電源ノイズの影響を低減することができ、画素回路3内の増幅トランジスタT12に重畳するノイズなどを改善することが可能になる。
以下、第1の実施形態における固体撮像装置について、さらにまとめて説明する。
本実施形態における固体撮像装置1は、行列状に配置された複数の画素回路3と、基準電圧をもとに第1の電源電圧から第2の電源電圧を生成し、複数の画素回路3内の増幅トランジスタT12に第2の電源電圧を供給する複数の単位電源回路50aと、一定の基準電圧を生成するレギュレータ回路55とを備え、単位電源回路50aは、複数の画素回路3の列毎にまたは画素回路3毎に設けられ、対応する列に属する画素回路3内の増幅トランジスタに、または、対応する画素回路内の増幅トランジスタに第2の電源電圧を供給する。
この構成によれば、第1の電源電圧が外部から供給される電源である場合に、第1の電源電圧に外部からのノイズが重畳されていたとしても、単位電源回路は第2の電源電圧を安定的に供給してノイズを低減するので、第1の電源電圧の変動によって生じる画質劣化を低減することができる。さらに、画素回路に接続された第2の電源電圧の電源線は、単位電源回路によって列毎または画素回路毎に独立しているので、内部で生じたノイズが列環で回り込むことを低減するので、列間でのノイズの回り込みによる画質劣化(例えば横線状ノイズ)を低減することができる。
ここで、複数の画素回路3のそれぞれは、受光量に応じた電荷を生成するフォトダイオードPDと、電荷を蓄積する浮遊拡散層FDと、フォトダイオードPDから浮遊拡散層FDに電荷を読み出す読み出しトランジスタT10と、浮遊拡散層FDをリセットするリセットトランジスタT11と、浮遊拡散層FDの電荷を電圧に変換および増幅する増幅トランジスタT12と、増幅トランジスタT12の出力を垂直信号線19に出力するか否かを選択する選択トランジスタT13とを備え、リセットトランジスタT11のドレイン端子には第1の電源電圧が供給される。
この構成によれば、リセットトランジスタT11は第1の電源電圧が供給されるので、第2の電源電圧は、リセットトランジスタT11の動作によって生じる得るノイズ(電源変動)の影響を受けにくい。リセットトランジスタT11の動作によって内部で生じたノイズが他の列に回り込むことを、さらに低減するので、列間でのノイズの回り込みによる画質劣化を低減することができる。
ここで、単位電源回路50aは、複数の画素回路3の列毎に設けられ、単位電源回路50aのそれぞれは、同一列に属する画素回路3内の増幅トランジスタT12に接続されたトランジスタT50を有し、トランジスタT50のゲート端子には基準電圧が供給され、トランジスタT50のドレイン端子には第1の電源電圧が供給され、トランジスタT50のソース端子は、第2の電源電圧を出力し、同一列に属する増幅トランジスタT12のドレイン端子に接続され、トランジスタT50は飽和領域で動作する。
この構成によれば、トランジスタT50のドレイン端子とソース端子間のインピーダンスを高めることにより、第1の電源電圧の変動を第2の電源電圧に及ぼさないだけでなく、内部で生じたノイズが列間で回り込むことを低減し、さらに、行間で回り込むことも低減するので画質劣化をさらに低減することができる。この単位電源回路50aは1つのトランジスタT50からなる単純な構成とし、電源ノイズの不必要な回りこみを排除して、重要な暗視カメラなどのように特に低照度での撮像におけるノイズ特性を改善することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、単位電源回路50aを列毎ではなく、画素回路3毎に配置した固体撮像装置1の例について説明する。
図7は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。同図は、図1と比べて、単位電源回路50aが列毎に設けられる代わりに画素回路3毎に設けられる点と、レギュレータ回路55から単位電源回路50aに基準電圧が直接供給される代わりに垂直走査回路14を介して間接的に供給される点とが異なっている。以下異なる点を中心に説明する。
単位電源回路50aは、例えば図8のように構成される。
図8は、第2の実施形態に係る単位電源回路50aおよび画素回路3の構成例を示す図である。同図の画素回路3は、図2と比べて、第2の電源線53(または第1の電源線51)と垂直信号線19との間で選択トランジスタT13と増幅トランジスタT12のカスコード接続の順序が逆になっている点と、選択トランジスタT13が画素回路3の選択トランジスタとしての機能および単位電源回路50a(つまり図2のトランジスタT50)としての機能の両者を兼用する点とが異なっている。以下異なる点を中心に説明する。
図8において単位電源回路50aは、画素回路3毎に設けられる。単位電源回路50aのそれぞれは、選択トランジスタT13を、画素回路3と共有する。
選択トランジスタT13と増幅トランジスタT12のカスコード接続の順序が図2と比べて逆になっているのは、選択トランジスタT13から増幅トランジスタT12に第2の電源電圧を供給するためである。
選択トランジスタT13のゲート端子には、ハイレベルを基準電圧とする選択制御信号が選択制御線φSELから供給される。
選択トランジスタT13のドレイン端子には第1の電源電圧が供給される。
選択トランジスタT13のソース端子は、第2の電源電圧を生成し、増幅トランジスタT12のドレイン端子に第2の電源電圧を供給する。
選択トランジスタT13は、選択制御信号線φSELの選択制御信号がハイレベル(ここでは基準電圧)であるとき、飽和領域で動作する。
リセットトランジスタT11のドレイン端子は第1の電源線51に接続され、わずかな電圧降下もなくして、画素の信号レベルを最大限に確保するようにする。
増幅トランジスタT12の電源は、カスコード接続された選択トランジスタT13の出力端子から供給される。
選択制御信号のハイレベル(ここでは基準電圧)は、電源回路50を構成するトランジスタと、増幅トランジスタT12とが飽和領域で動作するように設定される。これは、選択トランジスタT13および増幅トランジスタT12の閾値電圧Vthの影響、さらに、浮遊拡散層FDの電位が、図5で示すリセット解除後のタイミングt5にて、リセットトランジスタT11のCgsの影響によって低下による影響、を含めて調整することによって実現できる。
例えば、増幅トランジスタT12の閾値電圧Vthはノイズ低減などの目的のためにデプレッション型にすることが多い。この場合には、単位電源回路50a、つまり、選択トランジスタT13も同様にデプレッション型にするのがよい。さらに、基準電圧は、第1の電源電圧よりも、わずかに高い電圧であることが好ましい。
図9は、第2の実施形態に係る垂直走査回路14の構成例を示す回路図である。同図のように、垂直走査回路14は、選択回路14a、駆動回路14b、選択回路14d、14eを備える。
選択回路14a、14d、14eはそれぞれ、電源電圧1(例えば第1の電源電圧)で動作し、選択制御信号、リセット制御信号、読み出し制御信号をそれぞれ生成する。このうち、選択回路14d、14eはれ、電源電圧1をハイレベルとするリセット制御信号、読み出し制御信号をリセット制御線ΦRS、読み出し制御線ΦTRにそれぞれ出力する。
駆動回路14bは、レギュレータ回路55からの基準電圧で動作する、行毎のバッファ14c(またはドライバ)を有し、選択回路14aで生成された選択制御信号の電圧レベルを変換して、つまりハイレベルが基準電圧である選択制御信号に変換して選択制御線ΦSELに出力する。
これにより、レギュレータ回路55の基準電圧は、垂直走査回路14内の駆動回路14bを介して単位電源回路50aに間接的に供給される。
もし、単位電源回路50aが列毎でもなく画素回路3毎でもなく、全列相互に接続された共通の電源として増幅トランジスタに供給していれば、第1の実施形態で説明した課題が発生する。すなわち、ある列に高照度の信号が入った場合を想定すると、このとき垂直信号線19の電圧が大きく変動し、ロード電流源30が変動し、この結果、該当する列の電源電圧が変動する。このため、この電源ノイズが該当しない列の電源電圧に回り込むことにより影響を及ぼすことになり、寄生容量Cp1を介して浮遊拡散層FDに回り込んでしまい、結果的に電源ノイズが悪化してしまう。
これに対して、第2の実施形態では、単位電源回路50aの出力端子、つまり、選択トランジスタT13の出力端子は画素回路3ごとに独立に接続され、AD変換を実施している他列の電流変動の影響を排除できるという効果を有する。
第1の実施形態と同様に、第1の電源電圧の変動をΔVdd、浮遊拡散層FDの全容量をCfd、増幅トランジスタT12のゲインをGSFとした場合、垂直信号線19に出力されるノイズΔVnは、ΔVdd=0であるため下記になる。
ΔVn==Cp1/(Cfd+Cp1)×ΔVdd×GSF
=0 ・・・(式3)
画素回路3の中に新たなトランジスタを追加すれば、画素特性に影響を及ぼす可能性はあるが、本実施形態では、単位電源回路50aは選択トランジスタT13と兼用するため、画素特性への影響はない。
以上説明してきたように、本実施形態における固体撮像装置1において、単位電源回路50aは、画素回路3毎に設けられ、単位電源回路50aのそれぞれは、選択トランジスタT13を、画素回路3と共有し、選択トランジスタT13のゲート端子には、ハイレベルを基準電圧とする選択制御信号が供給され、選択トランジスタT13のドレイン端子には第1の電源電が供給され、選択トランジスタT13のソース端子は、第2の電源電圧を生成し、増幅トランジスタT12のドレイン端子に接続され、選択トランジスタT13は、選択制御信号がハイレベルであるとき、飽和領域で動作する。
この構成によれば、単位電源回路50aと画素回路3とが選択トランジスタを共用するので、単位電源回路50aの形成のために回路を大きく追加することを要しない。
ここで、リセットトランジスタT11のゲート端子にはリセット制御信号(φRS)が供給され、読み出しトランジスタT10のゲート端子には読み出し制御信号(φTR)が供給され、リセット制御信号(φRS)および読み出し制御信号(φTR)の少なくとも一方のハイレベル電圧は、基準電圧よりも高くしてもよい。
この構成によれば、リセットトランジスタおよび読み出しトランジスタの不完全なオン状態を容易に回避することができる。
ここで、固体撮像装置1は、複数の画素回路3の行毎に選択制御信号(ΦSEL)を供給する垂直走査回路14を備え、垂直走査回路14は、選択か非選択かを示す選択制御信号を前記行毎に生成する選択回路14aと、選択制御信号のハイレベルを基準電圧でドライブすることにより選択制御信号を行毎の選択制御線ΦSELに出力する駆動回路14bとを備えてもよい。
この構成によれば、垂直走査回路14内に駆動回路14bを設けることにより、選択制御信号のハイレベルを基準電圧とすることができる。
なお、上記の各実施形態で説明した固体撮像装置1は、カメラに用いられる。図10は、カメラの構成例を示すブロック図である。同図のカメラは、固体撮像装置1、レンズ61、信号処理部63、およびシステムコントローラ64を備える。
また、固体撮像装置1において、画素回路3は半導体基板の表面、すなわち、トランジスタのゲート端子及び配線が形成された面と同じ面側に形成されているが、画素回路3が半導体基板の裏面、すなわちトランジスタのゲート端子及び配線が形成された面に対して裏面側に形成される、いわゆる、裏面照射型イメージセンサ(裏面照射型固体撮像装置)の構造を用いてもよい。
以上、例示的な各実施形態について説明したが、本願の請求の範囲は、これらの実施形態に限定されるものではない。添付の請求の範囲に記載された主題の新規な教示および利点から逸脱することなく、上記各実施形態においてさまざまな変形を施してもよく、上記各実施形態の構成要素を任意に組み合わせて他の実施形態を得てもよいことを、当業者であれば容易に理解するであろう。したがって、そのような変形例や他の実施形態も本開示に含まれる。
本開示は、固体撮像装置およびカメラに好適に利用可能である。
1 固体撮像装置
3 画素回路
10 画素アレイ部
12 水平走査回路
14 垂直走査回路
14a、14d、14e 選択回路
14b 駆動回路
14c バッファ
15 水平走査線群
18 水平信号線
19 垂直信号線
20 制御部
25 カラムAD回路
26 カラム処理部
27 参照信号生成部
28 出力回路
30 ロード電流源
40 ADC入力線
50 電源回路
50a 単位電源回路
51 第1の電源線
52 基準電圧線
53 第2の電源線
55 レギュレータ回路
252 電圧比較器
254 カウンタ部
256 メモリ
FD 浮遊拡散層
PD フォトダイオード
T10 読み出しトランジスタ
T11 リセットトランジスタ
T12 増幅トランジスタ
T13 選択トランジスタ
T50 トランジスタ
MCLK マスタークロック
RAMP 参照信号

Claims (7)

  1. 行列状に配置された複数の画素回路と、
    基準電圧をもとに第1の電源電圧から第2の電源電圧を生成し、前記複数の画素回路内の増幅トランジスタに前記第2の電源電圧を供給する複数の単位電源回路と、
    一定の前記基準電圧を生成するレギュレータ回路とを備え、
    前記単位電源回路は、前記複数の画素回路の列毎にまたは前記画素回路毎に設けられ、対応する列に属する前記画素回路内の前記増幅トランジスタに、または、対応する画素回路内の前記増幅トランジスタに前記第2の電源電圧を供給する
    固体撮像装置。
  2. 前記複数の画素回路のそれぞれは、
    受光量に応じた電荷を生成するフォトダイオードと、
    電荷を蓄積する浮遊拡散層と、
    前記フォトダイオードから前記浮遊拡散層に電荷を読み出す読み出しトランジスタと、
    前記浮遊拡散層をリセットするリセットトランジスタと、
    前記浮遊拡散層の電荷を電圧に変換および増幅する前記増幅トランジスタと、
    前記増幅トランジスタの出力を垂直信号線に出力するか否かを選択する選択トランジスタと
    を備え、
    前記リセットトランジスタのドレイン端子には前記第1の電源電圧が供給される
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記単位電源回路は、前記複数の画素回路の列毎に設けられ、
    前記単位電源回路のそれぞれは、同一列に属する前記画素回路内の前記増幅トランジスタに接続されたトランジスタを有し、
    前記トランジスタのゲート端子には前記基準電圧が供給され、
    前記トランジスタのドレイン端子には前記第1の電源電圧が供給され、
    前記トランジスタのソース端子は、前記第2の電源電圧を出力し、同一列に属する前記増幅トランジスタのドレイン端子に接続され、
    前記トランジスタは飽和領域で動作する
    請求項1または2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記単位電源回路は、前記画素回路毎に設けられ、
    前記単位電源回路のそれぞれは、前記選択トランジスタを、前記画素回路と共有し、
    前記選択トランジスタのゲート端子には、ハイレベルを前記基準電圧とする選択制御信号が供給され、
    前記選択トランジスタのドレイン端子には前記第1の電源電圧が供給され、
    前記選択トランジスタのソース端子は、前記第2の電源電圧を生成し、前記増幅トランジスタのドレイン端子に接続され、
    前記選択トランジスタは、前記選択制御信号がハイレベルであるとき、飽和領域で動作する
    請求項2に記載の固体撮像装置。
  5. 前記リセットトランジスタのゲート端子にはリセット制御信号が供給され、
    前記読み出しトランジスタのゲート端子には読み出し制御信号が供給され、
    前記リセット制御信号および前記読み出し制御信号の少なくとも一方のハイレベル電圧は、前記基準電圧よりも高い
    請求項4に記載の固体撮像装置。
  6. 前記固体撮像装置は、前記複数の画素回路の行毎に前記選択制御信号を供給する垂直走査回路を備え、
    前記垂直走査回路は、
    選択か非選択かを示す選択制御信号を前記行毎に出力する選択回路と、
    選択制御信号のハイレベルを基準電圧でドライブすることにより選択制御信号を行毎の選択制御線に出力する駆動回路と
    を備える
    請求項4または5に記載の固体撮像装置。
  7. 請求項1〜6の何れか1項に記載の固体撮像装置を備えるカメラ。
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