JPS6319910A - センスアンプ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ 一′路に関する。

（従来の技術） 近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、微少電荷母を
検出する高感度センスアンプの必要性が高くなっている
。一般に、入力として用いられるのは微少電荷であり、
またそれを蓄えている入力媒体は電荷容量を持っている
ので、センスアンプには高いインピーダンスが要求さ秩
る。また、イメージセンサにおいては、画康そのものの
が２次元的な情報であるので、充電変換セルを２次元マ
トリックス状に配置すると共に、各画素毎に光・電変換
により得られた信号電荷をある閾値を基準にしてデジタ
ル情報に変換するセンスアンプを配置し、２次元性を保
ったまま信号を処理することが望まれる。

第７図は従来のメモリ素子に用いられていたセンスアン
プ回路を示す回路構成図である。これは、キャパシタ７
８に蓄えられた電荷を入力とし、これを電荷転送用ＭＯ
Ｓトランジスタ７７を介してセンスアンプに接続した例
である。センスアンプは、フリップフロップをなすＭＯ
ＳトランジスタＩ７１．〜．７４から構成され、さらに
このフリップフロップにはＭＯＳトランジスタ７５．７
６が、接続されている。

第８図（ａ）（ｂ）はこのセンスアンプを駆動τ−１ １“する制御信号のタイミングを示す信号波形図であル
： °、る。また、第９図（ａ）（ｂ）は第８図（ａ）：楡
ｂ）の制御信号に対応する回路動作のシミュレーション
結果を示す信号波形図である。

まず、第８図（ａ）に示す制御信号を用いてセンスアン
プを駆動する場合を考える。センスアンプは、その最高
感度を引出すために、端子Ａ、Ｂ共に閾値電圧■【ｈに
プリチャージされているものを初期状態とする。次いで
、信号φヨを゛Ｈ′°状態とすることによりトランジス
タ７７を“ＯＮ　”状態にし、キャパシタ７８に蓄えら
れた電荷をセンスアンプの入力端子Ａに移動させる。電
荷を端子Ａに十分移動させた後、信号φ３を″゛Ｌ゛Ｌ
゛状態ことによりトランジスタ７７を’　ＯＦ　Ｆ　”
状態にし、キャパシタ７８をセンスアンプから切離す。

その後、φ１．φ２を順次“ＨＩＴ状態とすることによ
り、センスアンプを駆動させる。この場合、センスアン
プを構成するトランジスタ７１゜〜、７４のうち、セン
スアンプの初期状態によりトランジスタ７１，７３、ト
ランジスタ７２゜−その双方の経路を通って端子Ｂにも
転送され正常電な動作は期待できない。

そこで、第８図（ｂ）に示す如く信号電荷を十分短い時
間で端子Ａに転送し、且つ信号φ３を”Ｈ”状態とした
直後に信号φ１．φ２を順次”Ｈ”状態とすることによ
り、センスアンプを駆動させなければならない。ところ
が、第８図（ｂ）の制御信号でセンスアンプを駆動する
場合については、センスアンプの端子Ａ、Ｂの間で一方
には入力媒体のキャパシタ７８が接続されており他方に
は接続されていないため、端子Ａ、Ｂの間に大きな電荷
容量差を生じる。こめため、センスアンプは十分な感度
を持つことができない。

これを補う目的で端子Ｂにキャパシタ７８と等しい容量
のダミーキャパシタを付加する方法が考えられるが、占
有面積の大きなキャパシタを新たに設けることは回路の
高集積化を妨げる結果となる。従って、従来方式のセン
スアンプでは、イメージセンサの如くセンスアンプの両
ノードに付く容量が異なり、しかも転送される電荷量が
極めて少ない場合には使用することはできなかった。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来のセンスアンプでは、入力媒体の容量に
センス感度が依存するため高感度化をはかることは困難
であり、またこれを防ぐために□ダミーキャパシタを用
いると集積度が低下すると云う問題があった。このため
、転送される電荷量が微少なイメージセンサ等に適用す
ることは困難であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、入力媒体の電荷啓開に感度が依存しな
い構成を実現し、高感度化及び高集積化をはかり得るセ
ンスアンプ回路を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、フリップフロップの代りにＭＯＳイン
バータを利用してセンスアンプを構成したことにある。

即ち本発明は、入力電荷台をある１ＩＩＩ［でもってデ
ジタル化し、それを電圧として外部に取出す電荷感応型
のセンスアンプ回路において、複数のへ１ＯＳインバー
タを直列接続してなるインバータ列と、このインバータ
列の入力端に接続され該入力端に所定の蓄積電荷を供給
する入り用ＭＯＳトラク［ｖｃされこれらの間で正帰還
をかける帰還用ＭＯＳトランジスタと、前記インバータ
列の入力端に接、、竺：され該入力端の電位を所定の参
照電圧（ＭＯＳインバータの同値電圧）に保持するプリ
チャージ・　ＩＩ ：（、用’ＭＯＳトランジスタとを設け、前記蓄積電荷
を上記閾値電圧でもって“Ｈ″或いは１１　Ｌ　１１に
２１１化するようにしたものである。

（作用） 上記の構成であれば、センスアンプ入力部にＭ　ＯＳイ
ンバータを用いているので、入力媒体の容量にセンスが
感度依存する等の不都合はない。

このため、ダミーキャパシタ等を設ける必要がなくなる
。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるセンスアンプ回路を
示す回路構成図である。５９１７Ｍ　ＯＳトランジスタ
１１及びＤタイ１ＭＯ８トランジスタ１２から第１のＭ
ＯＳインバータが形成され、同様にＭＯＳトランジスタ
１３．１４から第２の−た。インバータ列の入力端子Ａ
には、ブリチャー・１す用ＭＯＳトランジスタ１６が接
続されている。

そ、して、入力端子Ａに、電荷転送用ＭＯＳトラン１１
パ ′ジスタ（入力用ＭＯＳトランジスタ）１７を介して、
入力媒体としてのキャパシタ１８が接続されるものとな
っている。

ここで、帰還用ＭＯＳトランジスタ１５は２段（偶数段
）のインバータ列の入出力間に介在されているので、イ
ンバータ列に正帰還を与える。また、プリチャージ用Ｍ
　ＯＳ　トランジスタ１６は、センスアンプの最高感度
を引出すためのもので、入力端子Ａに参照電圧Ｖｒｅｆ
を与える。参照電圧ｖｒｅｒの値は、センスアンプの閾
値電圧ｖｔｈに設定する。このセンスアンプの閾値電圧
ｖｔｈは、センスアンプを構成するインバータのトラン
ジスタ１１．１２のβ比を適当に選ぶことにより可変で
ある。なお、上記トランジスター１．〜，１７は全てｎ
チャネルである。

次に、上記構成された回路の動作について説明する。

）ｊヤ”−ジされる。センスアンプが十分プリチャージ
゛１ ・された後、信号φ３を″１″状態にし、トラフジ転送
用トランジスター７は“○Ｎ　１１状態となる。

従って、キャパシタ１８に蓄えられていた信号電荷は、
トランジスタ１７を介してセンスアンプの第１段目のイ
ンバータの入力ゲートに転送される。

そして、その電荷量に応じてトランジスタ１１のゲート
電位は初期状態Ｖ　ｒｅｆから変化する。このとき、帰
還ループはトランジスタ１５が’ＯＦＦ”状態であるた
め接続されておらず、トランジスタ１１のゲートに転送
された電荷は保持される。このため、トランジスタ１１
のゲート電位はＶｒｅｆから■１に変化したのちこれを
保持する。

入力電荷が十分にトランジスタ１１のゲートに転送され
た後、信号φ１を“′Ｌ″状態にし、入力媒体であるキ
ャパシタ１８をセンスアンプから切離す。センスアンプ
の１段目のインバータは入力電位■１をその閾値電圧Ｖ
　ｔｈｌとの大小関係によ閾値電圧ｖｔｈが決定され、
また出力端子Ｂにはセンスアンプの入力によりＨ′′或
いは゛し”が出力きれる。

・、ｉ、、ｉ、己かる後に、信号φ２をＨ１１状態とす
ることによりトランジスタ１５を“○Ｎ″′状態にし、
帰還ループを構成する。このとき、センスアンプを構成
するインバータの接続段数が偶数段であるので、インバ
ータ出力は正帰還され、センスアンプはその出力状態１
１　Ｈ１１或いは゛し”を保持する。

これにより、信号電荷量をある閾値でもって検出し、状
態“Ｈ”′或いは“Ｌ　ＩＩを出力するセンスアンプ動
作が行われる。

ここでは、センスアンプの制御信号φ１．φ２として互
いに“Ｈ′状態の重なりを持たない信号として説明した
が、信号φ１が“Ｈ″状態なり、入力電荷をセンスアン
プの入力ゲートに十分転送したのち、信号φ２を“Ｈ”
状態にすれば正帰還第３図（ａ）（ｂ）は第１図の構成
の回路の動作をシミュレーションした結果を示す信号波
形図である。センスアンプを構成するインバータの閾１
．．％＝圧ｖｔｈは２．２［Ｖ］に設定しである。信号
頴には電荷容量０．１　［ＰＦ：ｉのキャパシタを用″
″″、 ：いている。第３図（ａ）はキャパシタが電圧Ｖ　ｉ　
（Ｖ　ｉ　＞Ｖｔｈ）に対応する電荷を蓄えている場、
合であり、同図（ｂ）はＶｉ＜Ｖｔ！＋に対応する電荷
を蓄えている場合である。双方とも電圧Ｖｉと閾値電圧
ｖｔｈとの大小関係によりセンスアンプは“Ｈ′或いは
Ｌ”を出力として正しく動作している。

かくして本実施例によれば、入力電荷量をある閾値でも
ってデジタル化（２値化）るすることができ、センスア
ンプとして正常に動作する。そしてこの場合、フリップ
フロップを用いたセンスアンプと異なり、入力媒体の電
荷容量に感度が依存する等の不都合もなく、これにより
高感度化をはかることができる。しかもダミーキャパシ
タを設ける必要がないので、高集積化にも有利である。

また、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのみで構成できる
ので、その製造が容易である等の利点もある。

第４図は本発明の他の実施例を説明するための回路構成
図である。この実施例は先に説明したセー下１部でその
信号をセンスする構造をとっている。

−′ｚ “本発明によるセンスアンプを用いれば、入力媒体の電
荷容量の大きさにセンスアンプの感度が依゛、存しない
ため、従来型のセンスアンプのようにダミーキャパシタ
を付加する必要がない。このため、センスアンプを小型
化することができ、光電変換部の真下にセンスアンプを
配置し画像信号を検出することが可能である。このよう
に各画素毎にデジタル化された画像信号を出力すること
により、その信号は２次元性を保ったまま情報伝達すこ
とが可能である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記センスアンプの消費電力を少なくす
るために、第５図に示す如く電源線にＭｏＳトランジス
ター９を挿入するようにしでもよい。これにより、セン
スアンプのプリチャージ時及び信号をセンスしない状態
の消費電力をなくし、回路全体の消費電力の低減をはか
ることが可能となる。制御信号φ４はセンスアンプの入
力ゲートをプリチャージ後゛Ｈ１１状態にすればよ−い
゛る場合は、第６図に示す如く帰還用ＭＯＳトランジス
タを偶数段のインバータ間に挿入すればよｉご・ い。また、実施例ではインバータをｎチャネルのｌ Ｍｏ５トランジスタで構成したが、より消費電力を減少
させるためにＣ−ＭＯ８ｔｊ４造としてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実流することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、少数のＭＯＳトラ
ンジスタのみにて、そのセンス感度が入力媒体の電荷容
量に依存しない高感度センスアンプを容易に実現するこ
とができる。従って、積ＩＩＪＩｌ造のイメージセンサ
等への適用が容易となり、その有用性は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるセンスアンプ回路を
示す回路構成図、第２図は上記回路に与える制御信号を
示す信号波形図、第３図は上記回路の動作をシミュレー
ションした結果を示す信号波形図、４図は他の実施例を
説明するための回路トランジスタ、１５・・・帰還用Ｍ
ＯＳトランジスタ、１６・・・プリチャージ用ＭＯ３ト
ランジスタ、１７・・・入力用ＭＯＳトランジスタ、１
８・・・キャパシタ、１９・・・電源供給用ＭＯＳトラ
ンジスタ、４０・・・光電変換部。 ｒｅｆ 第１図 第２　図 ζ ｒｅｔ 第４図 月や一兎； −ＡＡＱ皆虫； ’Ｊ　ｒｅｆ 第５図 ６゜ 第６図 第７　図 （ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ） 第８図 −月Ｑ蜘虫こ □：！Ａ朶た突；

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のＭＯＳインバータを直列接続してなるイン
   バータ列と、このインバータ列の入力端に接続され該入
   力端に所定の蓄積電荷を供給する入力用ＭＯＳトランジ
   スタと、前記インバータ列の出力端と該インバータ列の
   任意のインバータの入力端との間に接続されこれらの間
   で正帰還をかける帰還用ＭＯＳトランジスタと、前記イ
   ンバータ列の入力端に接続され該入力端の電位を所定の
   参照電圧に保持するプリチャージ用ＭＯＳトランジスタ
   とを具備し、前記蓄積電荷の量を“Ｈ”或いは“Ｌ”に
   ２値化することを特徴とする電荷感応型のセンスアンプ
   回路。
2. （２）前記インバータ列は２段のＭＯＳインバータから
   なるものであり、前記帰還用ＭＯＳトランジスタは該イ
   ンバータ列の入出力端間に接続されたものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセンスアンプ回
   路。
3. （３）前記参照電圧は、前記入力端に接続されたＭＯＳ
   インバータの閾値電圧に等しい値に設定されたものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセンス
   アンプ回路。