JPH0746481A - Solid-state image pickup device - Google Patents

Solid-state image pickup device

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Publication number
JPH0746481A
JPH0746481A JP5188054A JP18805493A JPH0746481A JP H0746481 A JPH0746481 A JP H0746481A JP 5188054 A JP5188054 A JP 5188054A JP 18805493 A JP18805493 A JP 18805493A JP H0746481 A JPH0746481 A JP H0746481A
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JP
Japan
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mos transistor
drain
gate
voltage
photocurrent
Prior art date
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Pending
Application number
JP5188054A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigehiro Miyatake
茂博 宮武
Kenji Takada
謙二 高田
Koichi Ishida
耕一 石田
Koichi Samejima
幸一 鮫島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0746481A publication Critical patent/JPH0746481A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57Control of the dynamic range
    • H04N25/571Control of the dynamic range involving a non-linear response
    • H04N25/573Control of the dynamic range involving a non-linear response the logarithmic type

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

PURPOSE:To pick up an object at high to low luminance with high accuracy with excellent tracking performance of an output voltage over a wide illuminance range. CONSTITUTION:A photoelectric conversion photo diode 1 is connected to a drain of a logarithmic transformation MOS transistor(TR) 2a whose gate and drain are connected and an output voltage is obtained from the gate or the drain. The drain and the gate are connected via a P-channel MOS TR 9 whose resistance is decreased attended with the increase in a photo current IP outputted from the photo diode 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光信号を電気信号に変
換する固体撮像装置に関し、特に対数変換機能を内蔵す
ることによりダイナミックレンジを拡大した固体撮像装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device for converting an optical signal into an electric signal, and more particularly to a solid-state image pickup device having a dynamic range expanded by incorporating a logarithmic conversion function.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体撮像装置は、小型、軽量で低消費電
力であるのみならず、画像歪や焼き付きがなく、振動や
磁界などの環境条件に強い。また、LSIと共通あるい
は類似の工程で製造できることから、信頼性が高く、量
産にも適している。このため現在、1次元固体撮像装置
はファクシミリなどに、2次元固体撮像装置はビデオカ
メラなどに幅広く用いられている。
2. Description of the Related Art A solid-state image pickup device is small and lightweight, has low power consumption, is free from image distortion and image sticking, and is resistant to environmental conditions such as vibration and magnetic field. Further, since it can be manufactured in the same or similar process as the LSI, it has high reliability and is suitable for mass production. Therefore, the one-dimensional solid-state image pickup device is widely used in facsimiles and the like, and the two-dimensional solid-state image pickup device is widely used in video cameras and the like.

【0003】ところで、多くの固体撮像装置は、銀塩フ
ィルムと比較してダイナミックレンジが狭く、このため
露光量を精密に制御する必要があり、また露光量を精密
に制御しても、暗い部分が黒くつぶれたり、明るい部分
が飽和したりすることが生じやすいという欠点がある。
これらの問題を解決し、ダイナミックレンジが広く、高
輝度から低輝度までを撮像することのできる固体撮像装
置が提案されている。それによれば、入射した光量に応
じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力する
MOSトランジスタと、MOSトランジスタを閾値電圧
以下で且つサブスレッショールド電流が流れうる状態に
バイアスするバイアス手段とを用意し、前記MOSトラ
ンジスタをサブスレッショールド電流特性域で使うこと
により光電流を対数圧縮変換できるというものである。
By the way, many solid-state image pickup devices have a narrow dynamic range as compared with a silver salt film. Therefore, it is necessary to precisely control the exposure amount. Has a drawback that it is likely to be crushed in black and saturated in bright areas.
A solid-state imaging device that solves these problems and has a wide dynamic range and is capable of imaging from high brightness to low brightness has been proposed. According to this, a photosensitive unit capable of generating a photocurrent according to the amount of incident light, a MOS transistor for inputting the photocurrent, and a bias for biasing the MOS transistor to a state of a threshold voltage or less and a subthreshold current can flow. Means is provided and the MOS transistor is used in the subthreshold current characteristic region, whereby the photocurrent can be logarithmically compressed and converted.

【0004】図4は、本願出願人が先に特願平1−33
4472号として出願した固体撮像装置の1画素の回路
構成を示したものである。同図において、1は照射され
た光量に応じた光電流IPを発生するフォトダイオード
であり、そのカソードは端子21を介して直流電圧V
DD1に接続されている。また、アノードは対数変換用の
MOSトランジスタ2aのドレインとゲートに接続され
る。MOSトランジスタ2aのソースは端子22を介し
て直流電圧VSS1に接続される。
FIG. 4 shows that the applicant of the present application has previously filed Japanese Patent Application No. 1-33.
4 shows a circuit configuration of one pixel of a solid-state image pickup device filed as No. 4472. In the figure, reference numeral 1 is a photodiode that generates a photocurrent I P according to the amount of emitted light, and its cathode has a DC voltage V via a terminal 21.
Connected to DD1 . The anode is connected to the drain and gate of the logarithmic conversion MOS transistor 2a. The source of the MOS transistor 2a is connected to the DC voltage V SS1 via the terminal 22.

【0005】MOSトランジスタ2aの出力はゲート
(ドレイン)から取り出され、第2のMOSトランジス
タ2bのゲートに入力される。このMOSトランジスタ
2bのドレインは端子23を介して直流電圧VDD2に接
続され、ソースはコンデンサ3と出力端子25に接続さ
れている。コンデンサ3の他端は端子24を介して直流
電圧VSS2に接続される。このコンデンサ3はMOSト
ランジスタ2aの出力に基いてトランジスタ2bを流れ
る電流I2を積分する役割を果たす。
The output of the MOS transistor 2a is taken out from the gate (drain) and input to the gate of the second MOS transistor 2b. The drain of the MOS transistor 2b is connected to the DC voltage V DD2 via the terminal 23, and the source is connected to the capacitor 3 and the output terminal 25. The other end of the capacitor 3 is connected to the DC voltage V SS2 via the terminal 24. The capacitor 3 plays a role of integrating the current I 2 flowing through the transistor 2b based on the output of the MOS transistor 2a.

【0006】本回路によると、時間tが、t=0のとき
出力電圧VOを、VO=VOIとすれば、MOSトランジス
タの基板バイアス効果を無視すると、次式が得られる。 VO=VSS1+(nkT/q)ln〔(q/nkTC)∫IPdt +exp{(q/nkT)(VOI−VSS1)}〕 ・・・・・・(1) 但し、 q;電子電荷量 k;ボルツマン定数 T;絶対温度 n;MOSトランジスタ2a、2bの形状などで決まる
定数 C;コンデンサ3の容量
According to this circuit, if the output voltage V O is set to V O = V OI when the time t is t = 0, the following formula can be obtained, ignoring the substrate bias effect of the MOS transistor. V O = V SS1 + (nkT / q) ln [(q / nkTC) ∫I P dt + exp {(q / nkT) (V OI −V SS1 )}] (1) where q Electronic charge amount k; Boltzmann constant T; absolute temperature n; constant C determined by the shapes of the MOS transistors 2a and 2b C; capacitance of the capacitor 3

【0007】(1)式は、光電流IPの積分値と、VOI
−VSS1で決まる一定値との和が電圧VOに対数変換され
ることを示している。即ち、VO1−VSS1が充分小さけ
れば、(1)式は次のようになり、正確に対数変換でき
ることになる。
Equation (1) is obtained by calculating the integrated value of the photocurrent I P and V OI
It indicates that the sum of the constant value determined by −V SS1 is logarithmically converted to the voltage V O. That is, if V O1 −V SS1 is sufficiently small, the equation (1) becomes as follows, and the logarithmic conversion can be performed accurately.

【0008】 VO=VSS1+(nkT/q)ln〔(q/nkTC)∫IPdt〕 ・・・・・・(2)V O = V SS1 + (nkT / q) ln [(q / nkTC) ∫I P dt] (2)

【0009】以上のようにして先の出願(特願平1−3
34472号)によれば、光電流IPの積分値が対数変
換される。すなわち、積分期間中にフォトダイオード1
に入射する光の強度が変化し、これに伴って光電流IP
が変化しても、その積分値が対数変換されることになる
(対数変換機能を持たない通常の固体撮像装置において
は、光電流IPの積分値に比例した信号が得られる)。
このため、ダイナミックレンジが広く、高輝度から低輝
度までを撮像することのできる固体撮像装置を実現する
ことができる。
As described above, the previous application (Japanese Patent Application No. 1-3)
34472), the integrated value of the photocurrent I P is logarithmically converted. That is, during the integration period, the photodiode 1
The strength of the incident light is changed, along with this photocurrent I P
Is changed, the integrated value is logarithmically converted (in a normal solid-state imaging device having no logarithmic conversion function, a signal proportional to the integrated value of the photocurrent I P is obtained).
Therefore, it is possible to realize a solid-state imaging device having a wide dynamic range and capable of capturing images from high brightness to low brightness.

【0010】しかしながら前記発明においては、フォト
ダイオード1に入射する光の強度が急激に変化する場合
には、出力電圧VOが光の強度の変化に充分に追随でき
ないという問題がある。これは、図4に点線で示すよう
に、Nチャンネル型の第1MOSトランジスタ2aと第
2MOSトランジスタ2bの接続点4に浮遊容量5が存
在することに起因する。すなわち、(1)または(2)
式を得るためには、先の出願の明細書にも記載したよう
に、第1及び第2MOSトランジスタ2a、2bのゲー
ト電圧VGが、光電流IPに対応して、次式のように変化
することが必要である。
However, in the above-mentioned invention, when the intensity of the light incident on the photodiode 1 changes rapidly, the output voltage V O cannot sufficiently follow the change of the intensity of the light. This is because the stray capacitance 5 exists at the connection point 4 between the N-channel first MOS transistor 2a and the second MOS transistor 2b, as shown by the dotted line in FIG. That is, (1) or (2)
In order to obtain the equation, as described in the specification of the previous application, the gate voltage V G of the first and second MOS transistors 2a and 2b corresponds to the photocurrent I P and is given by the following equation. It needs to change.

【0011】 VG=VSS1+VT+{(nkT/q)ln(IP/IDO)}・・・・(3) ここで、 VT;第1MOSトランジスタ2aの閾値電圧 IDO;第1MOSトランジスタ2aの形状などによって
決まる定数
V G = V SS1 + V T + {(nkT / q) ln (I P / I DO )} (3) where V T is the threshold voltage I DO of the first MOS transistor 2 a; A constant determined by the shape of the 1MOS transistor 2a

【0012】定常状態では(3)式によって、VGが定
まり、浮遊容量5には電流が流れない。しかし、IP
変化したときには、浮遊容量5の充電または放電のため
の電流が浮遊容量5に流れ、充電または放電が完了した
ときにその電流が0となって、VGが(3)式で与えら
れる値となる。このため、IPの変化に対してVGの追随
が遅れる(浮遊容量5の充電または放電に要する時間だ
け遅れる)ことになる。それ故、IPが変化したときに
は、(1)または(2)式に基づいた対数変換が正確に
行われないことになる。
In the steady state, V G is determined by the equation (3), and no current flows in the stray capacitance 5. However, when I P changes, a current for charging or discharging the stray capacitance 5 flows in the stray capacitance 5, and when the charging or discharging is completed, the current becomes 0, and V G becomes (3) It becomes the value given by. Therefore, the tracking of V G is delayed with respect to the change of I P (the time required for charging or discharging the floating capacitance 5 is delayed). Therefore, when I P changes, the logarithmic transformation based on the equation (1) or (2) is not accurately performed.

【0013】この追随性が悪くなる点を、より詳しく説
明すると、まず、光量が減少してIPが小さくなった場
合について述べる。このときは、浮遊容量5に蓄積した
電荷が放電し、VGの電位が降下して行くが、この放電
は第1MOSトランジスタ2aのドレイン電流を介して
行われる。該ドレイン電流はゲート電圧の低下と共に減
少する。それ故、浮遊容量5に蓄積した電荷の放電が進
み、ゲート電圧の低下と共に、ドレイン電流が減少し、
放電の効率も低下することになって放電時間が長くかか
る。よってVGのIPの変化に対する追随性が悪いことに
なる。
The point at which the followability deteriorates will be described in more detail. First, the case where the light amount decreases and I P becomes small will be described. At this time, the electric charge accumulated in the floating capacitance 5 is discharged and the potential of V G drops, but this discharging is performed via the drain current of the first MOS transistor 2a. The drain current decreases as the gate voltage decreases. Therefore, the discharge of the charge accumulated in the stray capacitance 5 progresses, the drain current decreases as the gate voltage decreases,
The efficiency of discharge is also reduced, and the discharge time is long. Therefore, the followability of V G to I P change is poor.

【0014】一方、光量が増加してIPが大きくなった
場合には、浮遊容量5に電荷が充電されていくことによ
り、VGの電位が上昇して行く。この充電電流はフォト
ダイオード1より供給される。しかしながら、フォトダ
イオード1を流れる電流IPは浮遊容量5と第1MOS
トランジスタ2aを流れる電流に分けられるため、第1
MOSトランジスタ2aを流れる電流が多ければ多いほ
ど、充電の効率も低下する。しかるに、第1MOSトラ
ンジスタ2aのゲート電圧は浮遊容量5の充電と共に上
昇し、第1MOSトランジスタ2aを流れる電流が多く
なり、充電の効率も低下することになる。よって、この
場合も、VGのIPの変化に対する追随性が悪いことにな
る。
On the other hand, when the amount of light increases and I P increases, the electric potential of V G rises as the floating capacitance 5 is charged. This charging current is supplied from the photodiode 1. However, the current I P flowing through the photodiode 1 is equal to the stray capacitance 5 and the first MOS.
Since it is divided into the current flowing through the transistor 2a, the first
The more current flowing through the MOS transistor 2a, the lower the charging efficiency. However, the gate voltage of the first MOS transistor 2a rises as the stray capacitance 5 is charged, the current flowing through the first MOS transistor 2a increases, and the charging efficiency also decreases. Therefore, also in this case, the followability of V G to the change of I P is poor.

【0015】この問題を克服するために本発明者は対数
変換用MOSトランジスタのゲートとドレインを図5に
示すように抵抗性インピーダンス8を介して接続するこ
とを案出し、その固体撮像装置を既に特願平4−193
37号として出願している。この構成によれば、光電流
Pが減少し、第1MOSトランジスタ2aのドレイン
電圧が降下する場合には、そのゲート電圧の降下が遅れ
て、ドレイン電流が大きく保たれる。一方、光電流IP
が増加し、ドレイン電圧が上昇する場合には、ゲート電
圧の上昇が遅れて、ドレイン電流が小さく保たれる。こ
のため、浮遊容量6に対する充電又は放電が早く行わ
れ、光電流IPの変化に対する第1MOSトランジスタ
2aのゲート電圧VGの変化が早くなり、その追随性が
飛躍的に改善される。
In order to overcome this problem, the present inventor has proposed to connect the gate and drain of the logarithmic conversion MOS transistor through a resistive impedance 8 as shown in FIG. Japanese Patent Application 4-193
I am applying for No. 37. According to this configuration, when the photocurrent I P decreases and the drain voltage of the first MOS transistor 2a drops, the drop of the gate voltage is delayed and the drain current is kept large. On the other hand, the photocurrent I P
, And the drain voltage rises, the rise of the gate voltage is delayed and the drain current is kept small. Therefore, the stray capacitance 6 is quickly charged or discharged, the gate voltage V G of the first MOS transistor 2a changes quickly with respect to the change of the photocurrent I P , and the followability thereof is dramatically improved.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】ところで、対数変換回
路を内蔵した固体撮像装置は広いダイナミックレンジに
対応する必要があるため数桁にわたる光電流の変化に対
応できることが望ましい。しかし、光電流の変化が数桁
に及ぶような広範囲で用いるとき、特願平4−1933
7号のように一定の抵抗値の抵抗性インピーダンスで
は、上述した追随性が充分得られないという問題が生じ
る。即ち、光電流が非常に大きな値で定常動作している
状態から非常に小さい値に変化したとき、その変化が起
きる時点でのMOSトランジスタ2aのゲート電圧は高
いので、MOSトランジスタ2aの導通度は高い。その
ため、ゲート電圧が高い状態が比較的長いと、光電流及
び浮遊容量7の放電電流がMOSトランジスタ2aに過
剰に流れ、そのドレイン電圧が下がり過ぎる(オーバー
シュートする)ことになる。これはドレイン電圧が、そ
のオーバーシュート点から所望点に復帰する時間が必要
になること、従って上記した追随性が損なわれるを意味
する。
By the way, a solid-state image pickup device incorporating a logarithmic conversion circuit is required to have a wide dynamic range, and therefore it is desirable to be able to cope with a change in photocurrent over several digits. However, when it is used in a wide range in which the change in photocurrent reaches several orders of magnitude, it is not possible to obtain the application in Japanese Patent Application No.
With a resistive impedance having a constant resistance value such as No. 7, there is a problem that the above-mentioned followability cannot be sufficiently obtained. That is, when the photocurrent changes from a state of steady operation with a very large value to a very small value, the gate voltage of the MOS transistor 2a at the time of the change is high, and therefore the conductivity of the MOS transistor 2a is high. high. Therefore, if the state in which the gate voltage is high is relatively long, the photocurrent and the discharge current of the stray capacitance 7 excessively flow in the MOS transistor 2a, and the drain voltage thereof falls too much (overshoots). This means that it takes time for the drain voltage to return from the overshoot point to the desired point, and thus the above-mentioned followability is impaired.

【0017】一方、光電流が非常に小さい値で定常動作
している状態から非常に大きい値に変化したときには、
あまり問題にならない。それは、その変化が起きた時点
でのゲート電圧は非常に低く、MOSトランジスタ2a
の低い導通度によってドレイン電流が抑えられてしま
い、ドレイン電圧が上がるが、同時にその分、抵抗性イ
ンピーダンスを通してゲート側にも光電流が流れやすく
なり、ゲート電圧が上昇するように作用するからであ
る。
On the other hand, when the photocurrent changes from a state of steady operation with a very small value to a very large value,
It doesn't matter much. It is because the gate voltage at the time of the change is very low and the MOS transistor 2a
This is because the drain current is suppressed due to the low conductivity of, and the drain voltage rises, but at the same time, the photocurrent easily flows to the gate side through the resistive impedance, and the gate voltage rises. .

【0018】本発明は光電流が非常に大きい状態から非
常に小さい状態に変化したときの追随性を特に向上さ
せ、それによって広い照度範囲にわたって出力電圧の追
随性が良く、高輝度から低輝度までを高精度に撮像する
ことのできる固体撮像装置を提供することを目的とす
る。
The present invention particularly improves the followability when the photocurrent changes from a very large state to a very small state, whereby the output voltage has a good followability over a wide illuminance range, from high brightness to low brightness. It is an object of the present invention to provide a solid-state image pickup device capable of picking up images with high accuracy.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、ゲ−トとドレインを接続した対数変換用の
MOSトランジスタのドレインに光電変換手段を接続
し、ゲ−ト又はドレインから出力電圧を得るようにした
固体撮像装置において、前記ドレインとゲ−トを前記光
電変換手段から出力される光電流の増加に伴って抵抗値
が減少する抵抗性インピ−ダンスを介して接続した構成
としている。
In order to achieve the above object, according to the present invention, photoelectric conversion means is connected to the drain of a MOS transistor for logarithmic conversion in which a gate and a drain are connected, and an output is provided from the gate or the drain. In the solid-state image pickup device for obtaining a voltage, the drain and the gate are connected through a resistive impedance whose resistance value decreases with an increase in photocurrent output from the photoelectric conversion means. There is.

【0020】[0020]

【作用】このような構成によれば、光電流IPが減少
し、ドレイン電圧が降下する場合には、ゲート電圧の降
下が遅れて、ドレイン電流が大きく保たれる。一方、I
Pが増加し、ドレイン電圧が上昇する場合には、ゲート
電圧の上昇が遅れて、ドレイン電流が小さく保たれる。
このため、浮遊容量に対する充電又は放電が早く行なわ
れ、光電流IPの変化に対する第1MOSトランジスタ
2aのゲ−ト電圧VGの変化が早くなり、その追随性が
改善される。しかも、抵抗性インピーダンスは、光電流
が大きい範囲では抵抗値が小さくなっているので、この
状態から光電流が著しく小さい値に変化した場合、抵抗
性インピーダンスを介してゲート側からドレイン側へ流
れる電流が多くなり、ゲート電流が早く低下するので、
対数変換用トランジスタの導通度も低くなり、ドレイン
電圧が過度に低下するのを阻止する。
According to this structure, when the photocurrent I P decreases and the drain voltage drops, the gate voltage drop is delayed and the drain current is kept large. On the other hand, I
When P increases and the drain voltage rises, the rise of the gate voltage is delayed and the drain current is kept small.
Therefore, the stray capacitance is charged or discharged quickly, the gate voltage V G of the first MOS transistor 2a changes quickly with respect to the change of the photocurrent I P , and its followability is improved. Moreover, since the resistance value of the resistive impedance is small in the range where the photocurrent is large, when the photocurrent changes from this state to a significantly small value, the current flowing from the gate side to the drain side through the resistive impedance. Increase, and the gate current decreases quickly,
The conductivity of the logarithmic conversion transistor also becomes low, which prevents the drain voltage from excessively decreasing.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
具体的に説明する。図1は、本発明を適用した固体撮像
装置の1画素の回路構成を示したものである。ここで
は、Nチャンネル型の第1MOSトランジスタ2aのド
レインとゲートの間にPチャンネルMOSトランジスタ
9が挿入され、該PチャンネルMOSトランジスタ9の
ゲートには端子10により、直流電圧VGGが印加され
る。第2MOSトランジスタ2bのゲートは第1MOS
トランジスタ2aのドレインと接続されている。このと
き、浮遊容量6及び7が第1MOSトランジスタ2aの
ゲート及びドレインに存在することになる。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a circuit configuration of one pixel of a solid-state image pickup device to which the present invention is applied. Here, the P-channel MOS transistor 9 is inserted between the drain and the gate of the N-channel type first MOS transistor 2a, and the DC voltage V GG is applied to the gate of the P-channel MOS transistor 9 by the terminal 10. The gate of the second MOS transistor 2b is the first MOS
It is connected to the drain of the transistor 2a. At this time, the stray capacitances 6 and 7 are present at the gate and drain of the first MOS transistor 2a.

【0022】ここで前記PチャンネルMOSトランジス
タ9の動作について説明する。PチャンネルMOSトラ
ンジスタ9が導通していれば、第1MOSトランジスタ
2aのゲート及びドレイン電圧は同一電圧であり、その
電圧は(3)式により得られる。これはPチャンネルM
OSトランジスタ9のソース電圧とドレイン電圧が光電
流IPの増大に対して対数的に増大することを意味す
る。一方、PチャンネルMOSトランジスタ9のゲート
には一定の直流電圧VGGが印加されているから該トラン
ジスタ9のゲート・ソース間電圧は光電流IPの増大に
伴って対数的に減少することになる。該MOSトランジ
スタ9がサブスレッショールド領域で動作するように前
記VGGを選んでおけば、該MOSトランジスタ9はPチ
ャンネル型であるから、そのドレイン・ソース間電流
は、ゲート・ソース間電圧の減少に対して指数関数的に
増加することになる。これは換言していえば、Pチャン
ネルMOSトランジスタ9のドレイン・ソース間の抵抗
が指数関数的に減少することである。以上のことを式で
説明すると、次のようになる。
The operation of the P-channel MOS transistor 9 will be described here. If the P-channel MOS transistor 9 is conductive, the gate and drain voltages of the first MOS transistor 2a are the same voltage, and the voltage is obtained by the equation (3). This is P channel M
This means that the source voltage and the drain voltage of the OS transistor 9 increase logarithmically with the increase of the photocurrent I P. On the other hand, since a constant DC voltage V GG is applied to the gate of the P-channel MOS transistor 9, the gate-source voltage of the transistor 9 decreases logarithmically as the photocurrent I P increases. . If the V GG is selected so that the MOS transistor 9 operates in the sub-threshold region, the MOS transistor 9 is of the P-channel type, so that the drain-source current is equal to the gate-source voltage. It will increase exponentially with the decrease. In other words, this means that the resistance between the drain and source of the P-channel MOS transistor 9 decreases exponentially. The above can be described in terms of equations as follows.

【0023】(3)式より、MOSトランジスタ2aの
ドレイン電圧VDとゲート電圧VGは、 VD=VG=VSS1+VT+{(nkT/q)ln(IP/IDO)} PチャンネルMOSトランジスタ9のゲート・ソース間
電圧VPGSは、 VPGS=VGG−VD =VGG−VSS1−VT−{(nkT/q)ln(IP/IDO)}・・・・(4) PチャンネルMOSトランジスタ9を流れる電流I
PDは、|VPGS|>>kT/qのとき、 IPD=IPDO exp{(−q/nkT)・(VPGS−VPT)}・・・・・・・・・・・・・・(5) ここで、IPDOを0より小さい定数、VPTをPチャンネ
ルMOSトランジスタ9の閾値電圧(<0)とする。
From the equation (3), the drain voltage V D and the gate voltage V G of the MOS transistor 2a are: V D = V G = V SS1 + V T + {(nkT / q) ln (I P / I DO )} The gate-source voltage V PGS of the P-channel MOS transistor 9 is V PGS = V GG −V D = V GG −V SS1 −V T − {(nkT / q) ln (I P / I DO )}. .. (4) Current I flowing through P-channel MOS transistor 9
When PD is | V PGS | >> kT / q, I PD = I PDO exp {(− q / nkT) · (V PGS −V PT )} ... (5) Here, I PDO is a constant smaller than 0, and V PT is the threshold voltage (<0) of the P-channel MOS transistor 9.

【0024】 IPD=IPDO exp{(-q/nkT)・(VGG-VSS1-VT-VPT)}× exp{ln(IP/IPO)}・・・・(6) ここで、IPDO exp{(-q/nkT)・(VGG-VSS1-VT-
PT)}は定数であり、exp{ln(IP/IPO)}はIP
/IPOとみなすと、IPDはIPに比例する。
I PD = I PDO exp {(-q / nkT) · (V GG −V SS1 −V T −V PT )} × exp {ln (I P / I PO )} ... (6) Here, I PDO exp {(-q / nkT) · (V GG -V SS1 -V T-
V PT )} is a constant, and exp {ln (I P / I PO )} is I P
Considering / I PO , I PD is proportional to I P.

【0025】以上述べたことによりPチャンネルMOS
トランジスタ9のゲートに印加するDC電圧VGGを調整
することによってPチャンネルMOSトランジスタ9の
導電率を光電流IPにほぼ比例するようにできることが
分かる。これはまた、PチャンネルMOSトランジスタ
9の抵抗値が光電流の増大に従って減少することでもあ
るので、光電流の大きな範囲では、その抵抗値は小さく
なっている。
As described above, the P channel MOS
It can be seen that the conductivity of the P-channel MOS transistor 9 can be made substantially proportional to the photocurrent I P by adjusting the DC voltage V GG applied to the gate of the transistor 9. This also means that the resistance value of the P-channel MOS transistor 9 decreases as the photocurrent increases, so that the resistance value is small in a large photocurrent range.

【0026】上記のように直流電圧VGGが調整された状
態での本実施例回路の動作を特に光電流が急に変化した
ときの追随性に関する動作について以下に説明する。
尚、図1において、各直流電圧は、例えばVGG=2V、
DD1=VDD2=10V、VSS1=VSS2=6Vに選んであ
るものとする。
The operation of the circuit of this embodiment in the state where the DC voltage V GG is adjusted as described above, especially the operation relating to the followability when the photocurrent suddenly changes will be described below.
In FIG. 1, each DC voltage is, for example, V GG = 2V,
It is assumed that V DD1 = V DD2 = 10V and V SS1 = V SS2 = 6V are selected.

【0027】まず、光量が減少して光電流IPが小さく
なった場合について述べる。このときは、浮遊容量6及
び7に蓄積した電荷が放電し、第1MOSトランジスタ
2aのゲート電圧VG及び第1MOSトランジスタ2a
のドレイン電圧VDが低下して行く。この放電は浮遊容
量7については第1MOSトランジスタ2aのドレイン
電流を介して行われ、一方、浮遊容量6についてはPチ
ャンネルMOSトランジスタ9及び第1MOSトランジ
スタ2aのドレイン電流を介して行われる。
First, the case where the amount of light is reduced and the photocurrent I P is reduced will be described. At this time, the charges accumulated in the floating capacitors 6 and 7 are discharged, and the gate voltage V G of the first MOS transistor 2a and the first MOS transistor 2a are discharged.
Drain voltage V D of the drain voltage decreases. This discharge is performed for the floating capacitance 7 via the drain current of the first MOS transistor 2a, while for the floating capacitance 6 is performed via the drain currents of the P-channel MOS transistor 9 and the first MOS transistor 2a.

【0028】このため、浮遊容量7の放電電流i7が流
れることにより浮遊容量7の電圧が下がり、第1MOS
トランジスタ2aのドレイン電圧VDは下がる。一方、
PチャンネルMOSトランジスタ9に浮遊容量6からの
放電電流i6が流れている間は第1MOSトランジスタ
2aのゲ−ト電圧VGがドレイン電圧VDよりも高くなっ
ており、その放電電流i6が0になると、VGはVDと等
しくなる。換言すれば、ドレイン電圧VDの低下よりも
ゲート電圧VGの低下が遅れることになる。前記第1M
OSトランジスタ2aのドレイン電流はゲート電圧VG
が高いほど大きいため、浮遊容量7の放電が進んでもド
レイン電流はあまり低下しないことになる。このため、
PチャンネルMOSトランジスタ9を介して放電が行わ
れる浮遊容量6についても、放電が速やかに行われるこ
とになる。
For this reason, the discharge current i 7 of the stray capacitance 7 flows and the voltage of the stray capacitance 7 decreases, so that the first MOS
The drain voltage V D of the transistor 2a decreases. on the other hand,
P-channel MOS while the transistor 9 discharge current i 6 from stray capacitance 6 is flowing in the first 1MOS transistor 2a gate - G Voltage V G has become higher than the drain voltage V D, its discharge current i 6 At zero, V G is equal to V D. In other words, the decrease in the gate voltage V G is delayed compared to the decrease in the drain voltage V D. The first M
The drain current of the OS transistor 2a is the gate voltage V G
Is higher, the drain current does not decrease much even if the discharge of the stray capacitance 7 progresses. For this reason,
The stray capacitance 6 discharged through the P-channel MOS transistor 9 is also discharged quickly.

【0029】光電流IPが非常に大きな値の定常状態か
ら非常に小さな値に変化したときも同じような動作が遂
行されるが、変化が起きた時点でのPチャンネルMOS
トランジスタ9の抵抗値は先に述べたように低いので、
浮遊容量6の放電電流はこのPチャンネルMOSトラン
ジスタ9を通して充分流れ、ゲート電圧の低下が、その
分早くなって第1MOSトランジスタ2aの導通度が抑
えられる。従って、ドレイン電圧が低下し過ぎてしまう
という不具合が生じない。
The same operation is performed when the photocurrent I P changes from a very large steady state to a very small value, but the P channel MOS at the time of the change occurs.
Since the resistance value of the transistor 9 is low as described above,
The discharge current of the stray capacitance 6 sufficiently flows through the P-channel MOS transistor 9, and the gate voltage is reduced more quickly, so that the conductivity of the first MOS transistor 2a is suppressed. Therefore, the problem that the drain voltage drops too much does not occur.

【0030】一方、光量が増加して光電流IPが大きく
なった場合には、浮遊容量6及び7に電荷が充電される
ことにより、浮遊容量6及び7の電圧が上昇し、それら
に接続されているドレインとゲートの電圧VG及びVD
上昇することになる。この場合は、光電流IPが浮遊容
量6及び7への充電電流と第1MOSトランジスタ2a
を流れるドレイン電流に分けられるため、第1MOSト
ランジスタ2aを流れる電流が少なければ少ないほど充
電の効率が向上する。本実施例では、第1MOSトラン
ジスタ2aのゲートはPチャンネルMOSトランジスタ
9を介してドレインに接続されているため、ドレイン電
圧VDの上昇に対し、MOSトランジスタ2aのゲート
電圧VGの上昇が遅れることになる。このため、ドレイ
ン電圧VDが上昇してもドレイン電流はあまり増加しな
いことになり、浮遊容量7の充電効率が向上する。また
PチャンネルMOSトランジスタ9を介して行われる浮
遊容量6の充電も浮遊容量7の充電に追随して速やかに
行われることになる。
On the other hand, when the amount of light increases and the photocurrent I P increases, the stray capacitances 6 and 7 are charged and the voltage of the stray capacitances 6 and 7 rises to connect them. The drain and gate voltages V G and V D that are present will also increase. In this case, the photocurrent I P is the charging current to the stray capacitances 6 and 7 and the first MOS transistor 2a.
Since it is divided into the drain current flowing through the first MOS transistor 2a, the smaller the current flowing through the first MOS transistor 2a, the higher the charging efficiency. In the present embodiment, since the gate of the first MOS transistor 2a is connected to the drain via the P-channel MOS transistor 9, the rise of the gate voltage V G of the MOS transistor 2a is delayed with respect to the rise of the drain voltage V D. become. Therefore, the drain current does not increase so much even if the drain voltage V D rises, and the charging efficiency of the stray capacitance 7 improves. Further, the charging of the floating capacitance 6 performed via the P-channel MOS transistor 9 is also quickly performed following the charging of the floating capacitance 7.

【0031】図2は、本発明の第2の実施例を示したも
のである。この実施例は、第2MOSトランジスタ2b
のゲートが第1MOSトランジスタ2aのゲートに直接
接続されるとともに、第1MOSトランジスタ2aのド
レインに対してはPチャンネルMOSトランジスタ9を
介して接続されている点で図1の実施例と異なっている
だけであって、その他の部分は図1と同一である。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the second MOS transistor 2b is used.
1 is different from the embodiment of FIG. 1 in that the gate of is connected directly to the gate of the first MOS transistor 2a and is connected to the drain of the first MOS transistor 2a through a P-channel MOS transistor 9. The other parts are the same as in FIG.

【0032】そして、この第2実施例においても、図1
の実施例の説明で述べたように、第1MOSトランジス
タ2aのゲート電圧VGが光量の変化に速やかに追随す
ることから、出力電圧VOも光量変化に速やかに追随で
きることになる。
Also in this second embodiment, as shown in FIG.
As described in the description of the embodiment, since the gate voltage V G of the first MOS transistor 2a quickly follows the change in the light amount, the output voltage V O can also quickly follow the change in the light amount.

【0033】図3は、本発明の第3の実施例を示したも
のである。この第3の実施例では、図1の実施例におけ
るフォトダイオード1のアノードと第1MOSトランジ
スタ2aのドレイン及び第2MOSトランジスタ2bの
ゲートの接続点12にPチャンネルMOSトランジスタ
よりなるスイッチ11が接続されている点で図1の実施
例と相違している。このスイッチ11は端子26を通し
て与えられるパルスΦpにより導通と遮断の選択が可能
で、導通時には前記接続点の電位を端子27の直流電圧
Pとすることができる。また、このスイッチ11はn
チャンネルMOSトランジスタ等で構成することも可能
である。ここで、Φpは波高値5V、VPは8Vであ
り、他の直流電圧は図1の場合と同一とする。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. In the third embodiment, a switch 11 composed of a P-channel MOS transistor is connected to a connection point 12 between the anode of the photodiode 1, the drain of the first MOS transistor 2a and the gate of the second MOS transistor 2b in the embodiment of FIG. 1 is different from the embodiment of FIG. This switch 11 can select conduction or interruption by a pulse Φp given through the terminal 26, and the potential at the connection point can be set to the DC voltage V P at the terminal 27 when conducting. Also, this switch 11 is n
It is also possible to use a channel MOS transistor or the like. Here, Φp has a peak value of 5 V and V P has a value of 8 V, and other DC voltages are the same as those in the case of FIG.

【0034】尚、積分用のコンデンサ3の両端には、ス
イッチ28が設けられており、電流I2の積分を開始す
るときは、このスイッチ28はOFFにされ、積分値を
クリアするときはONとなる。スイッチ28はMOSト
ランジスタで構成され、ON・OFFのための制御信号
がゲートに与えられるようになっている。スイッチ28
は図1、図2にも同じように設けられるが、図示省略さ
れている。
A switch 28 is provided at both ends of the integrating capacitor 3. The switch 28 is turned off when the integration of the current I 2 is started, and is turned on when the integrated value is cleared. Becomes The switch 28 is composed of a MOS transistor, and a control signal for ON / OFF is given to the gate. Switch 28
Are similarly provided in FIGS. 1 and 2, but are not shown.

【0035】さて、この実施例ではコンデンサ3の積分
動作の開始前にスイッチ11を導通状態にし、接続点1
2の電位をVPとするとともに、スイッチ11を遮断状
態とする。図1及び図2の実施例で、接続点12や14
の電位が高い程、第1MOSトランジスタ2aのゲート
電圧が高くなって該トランジスタ2aを流れる電流が大
きくなって短時間で光量変化に追随できる。第3実施例
では、スイッチ11によって接続点12の電位を任意の
直流電圧VPに設定することができるので、図1、図2
の実施例に比べて、より高速化が図れることになる。図
2の実施例においても接続点13又は14をスイッチを
介して直流電圧と接続するようにしてもよい。それによ
って図3と同様の効果が得られる。
In this embodiment, the switch 11 is turned on before the integration operation of the capacitor 3 is started, and the connection point 1
The potential of 2 is set to V P, and the switch 11 is turned off. In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the connection points 12 and 14
The higher the potential, the higher the gate voltage of the first MOS transistor 2a and the larger the current flowing through the transistor 2a, so that the change in the light amount can be followed in a short time. In the third embodiment, the potential of the connection point 12 can be set to an arbitrary DC voltage V P by the switch 11, so that FIG.
As compared with the embodiment of FIG. Also in the embodiment of FIG. 2, the connection point 13 or 14 may be connected to a DC voltage via a switch. Thereby, the same effect as that of FIG. 3 is obtained.

【0036】上記図1〜図3の実施例において、Pチャ
ンネルMOSトランジスタ9のサブストレートを直流電
圧VDD1に接続しているが、他の直流電圧に接続しても
よい。また上記各実施例において、第1、第2MOSト
ランジスタ2a、2bをPチャンネルMOSトランジス
タに置き換え、抵抗性インピーダンスとしてNチャンネ
ルMOSトランジスタを用いてもよい。ただし、この場
合は、フォトダイオード1の極性を逆に接続するものと
する。
Although the substrate of the P-channel MOS transistor 9 is connected to the DC voltage V DD1 in the embodiments shown in FIGS. 1 to 3, it may be connected to another DC voltage. In each of the above embodiments, the first and second MOS transistors 2a and 2b may be replaced with P channel MOS transistors, and N channel MOS transistors may be used as the resistive impedance. However, in this case, the polarity of the photodiode 1 is reversed.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、光
電流が非常に大きい状態から非常に小さい値に変化した
場合でも対数変換用MOSトランジスタのゲ−ト電圧及
び出力電圧の追従性が飛躍的に向上するので、ダイナミ
ックレンジが広く、高輝度から低輝度までを高精度に撮
像することのできる固体撮像装置を実現することが可能
となる。
As described above, according to the present invention, even when the photocurrent changes from a very large state to a very small value, the gate voltage and the output voltage of the logarithmic conversion MOS transistor can be tracked well. Since it is drastically improved, it is possible to realize a solid-state imaging device having a wide dynamic range and capable of highly accurately imaging from high brightness to low brightness.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の固体撮像装置の第1実施例の回路図。FIG. 1 is a circuit diagram of a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention.

【図2】本発明の固体撮像装置の第2実施例の回路図。FIG. 2 is a circuit diagram of a second embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.

【図3】本発明の固体撮像装置の第3実施例の回路図。FIG. 3 is a circuit diagram of a third embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.

【図4】従来例の固体撮像装置の回路図。FIG. 4 is a circuit diagram of a conventional solid-state imaging device.

【図5】他の従来例の回路図。FIG. 5 is a circuit diagram of another conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 フォトダイオ−ド 2a 第1MOSトランジスタ 2b 第2MOSトランジスタ 6 ゲ−トの浮遊容量 7 ドレインの浮遊容量 9 PチャンネルMOSトランジスタ 11 スイッチ 1 Photodiode 2a First MOS transistor 2b Second MOS transistor 6 Gate stray capacitance 7 Drain stray capacitance 9 P-channel MOS transistor 11 Switch

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 耕一 大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪 国際ビル ミノルタカメラ株式会社内 (72)発明者 鮫島 幸一 大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪 国際ビル ミノルタカメラ株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Koichi Ishida 2-3-13 Azuchi-cho, Chuo-ku, Osaka, Osaka International Building Minolta Camera Co., Ltd. (72) Inventor Koichi Samejima 2-chome, Azuchi-cho, Chuo-ku, Osaka No. 13 Osaka International Building Minolta Camera Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ゲ−トとドレインを接続した対数変換用の
MOSトランジスタのドレインに光電変換手段を接続
し、ゲ−ト又はドレインから出力電圧を得るようにした
固体撮像装置において、前記光電変換手段から出力され
る光電流の増加に伴って抵抗値が減少する抵抗性インピ
ーダンスを介して前記ドレインとゲ−トを接続したこと
を特徴とする固体撮像装置。
1. A solid-state image pickup device in which a photoelectric conversion means is connected to the drain of a MOS transistor for logarithmic conversion in which a gate and a drain are connected to obtain an output voltage from the gate or the drain. A solid-state imaging device, wherein the drain and the gate are connected via a resistive impedance whose resistance value decreases with an increase in photocurrent output from the means.
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