KR101398539B1 - 고체촬상장치, 고체촬상장치의 구동방법, 고체촬상장치의신호처리방법 및 촬상장치 - Google Patents

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Abstract

화소 어레이부와, 더미 화소와, 차동 회로와, 리셋 전압 공급부와, 동상귀환회로를 구비한 고체촬상장치를 제공한다.
수광부, 부유 확산층, 단위 화소, 더미 화소, 차동 회로, 동상귀환회로

Description

고체촬상장치, 고체촬상장치의 구동방법, 고체촬상장치의 신호처리방법 및 촬상장치{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE, A METHOD OF DRIVING THE SAME, A SIGNAL PROCESSING METHOD FOR THE SAME, AND IMAGE PICKUP APPARATUS}
본 발명은 2007년 4월 23일, 일본 특허청에 출원된 일본 특허 JP 2007-112652에 관한 주제를 포함하며, 그 모든 내용은 여기에 참조에 의해 인용된다.
본 발명은, 고체촬상장치, 고체촬상장치의 구동방법, 고체촬상장치의 신호처리방법 및 촬상장치에 관한 것이다.
고체촬상장치에 있어서, 광전 변환부(수광부)에서 발생한 신호 전하는 부유 확산 용량으로 전송되고, 해당 부유 확산 용량에서 전압으로 변환되어 외부로 판독된다. 그러나, 최근의 화소의 미세화에 따라, 충분한 신호 전하를 확보하는 것이 곤란하게 된다. 이 때문에, 각 화소로부터 충분한 크기의 출력 전압을 얻는 것이 어려워진다.
화소의 출력 전압 V은, 신호검출용량을 C, 수광신호에 따른 신호 전하량을 Q로 하면, V=Q/C로 나타낸다. 따라서, 신호검출용량 C가 작으면, 출력 전압 V를 크 게, 즉 감도를 높게 할 수 있다.
이 때문에, 종래에는, 일단이 접지된 광전 변환소자와, 공통 소스 구성의 증폭 트랜지스터와, 미소 용량의 용량소자와, 리셋 트랜지스터로 화소를 구성하여, 고감도 신호 출력을 실현하였다. 여기에서, 공통 소스 구성의 증폭 트랜지스터에서는, 해당 광전 변환소자의 타단에 게이트 전극이 접속되고, 소스 전극이 접지되고, 드레인 전극이 부하 회로에 접속된다. 용량소자는 공통 소스 구성의 증폭 트랜지스터의 드레인 전극과 게이트 전극 사이에 접속된다. 또한, 리셋 트랜지스터는 용량소자와 병렬로 접속된다. 본 기술은 예를 들면, 특허문헌 1인 일본국 공개특허공보 특개 평5-207375호에 기재되어 있다.
특허문헌 1 기재의 종래기술에서는, 화소 내부에 신호 전하의 전송로를 갖지 않는 구성을 취한다. 이에 따라 출력 전압은 수광한 신호 레벨과 그 후에 리셋 하여 판독되는 리셋 레벨을 가진다. 따라서 증폭 트랜지스터의 임계값 편차에 기인하는 고정 패턴 노이즈를 제거하는 것은 가능하지만, 리셋시에 발생하는 리셋 노이즈를 억제할 수 없다. 이 리셋 노이즈는, 고감도 신호 출력을 행하는 상기 종래기술에 따른 화소에서는, 큰 노이즈로서 나타나게 된다.
이에 대하여 화소 내부에 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 설치함으로써, 상기 종래기술의 문제를 해결할 수 있다. 즉, 화소 내부에 전송 트랜지스터를 설치함으로써, 먼저 화소를 리셋하고, 그 후에 화소에서 발생한 신호 전하를 전송할 수 있으므로, 후단의 회로에 있어서 상관 이중 샘플링 동작이 가능하게 된다. 그리고, 이 상관 이중 샘플링 동작에 의해, 리셋 노이즈와 화소의 고정 패턴 노이즈를 모두 억제하는 것이 가능하게 된다.
여기에서, 화소 내부에 전송 트랜지스터를 설치했을 경우, 전송 트랜지스터에 의해 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하게 된다. 이에 따라 광전 변환소자의 포텐셜이 부유 확산 용량의 포텐셜보다도 높지 않으면, 광전 변환소자로부터 부유 확산 용량으로의 신호 전하의 전송을 행할 수 없게 된다.
부유 확산 용량의 포텐셜은, 리셋 트랜지스터가 ＯＮ상태가 되는 리셋 동작에 의해 부유 확산 용량에 인가되는 리셋 전압에 의존한다. 그러나, 공통 소스형 증폭 트랜지스터를 사용한 화소에서는, 부유 확산 용량의 노드 전위가 증폭 트랜지스터의 임계값 전압에 가까워져 낮은(포텐셜은 높은) 상태가 되고, 게다가 리셋 전압이 회로의 동작점 부근에서 고정된다. 이에 따라 부유 확산 용량의 포텐셜의 조정이 불가능해진다. 이러한 이유로, 본질적으로 수광부로부터 부유 확산 용량으로의 신호 전하의 전송이 불가능하게 된다.
그래서, 본 발명은, 공통 소스형 증폭 트랜지스터와 미소 용량의 용량소자를 사용하여 고감도 신호 출력을 실현한 단위 화소에 있어서, 수광부로부터 부유 확산층 용량으로의 신호 전하의 완전 전송의 실현을 용이하게 하는 고체촬상장치, 고체촬상장치의 구동방법, 고체촬상장치의 신호처리방법 및 촬상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광전 변환소자와, 이 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로 와, 상기 출력 노드를 통해 상기 리셋 트랜지스터에 리셋 전압을 공급하고, 상기 리셋 전압의 전압값을 조절하는 리셋 전압 공급부와, 상기 리셋 트랜지스터에 의한 리셋 동작의 종료 후, 상기 차동 회로로부터의 차동 출력간의 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 상기 차동 회로의 전류원의 제어를 행하는 동상귀환회로를 구비한 고체촬상장치가 제공된다.
본 발명의 상기 실시예에 따르면, 상기 구성의 고체촬상장치에 있어서, 리셋 전압의 전압값을 조정함으로써, 부유 확산 용량의 포텐셜을 자유롭게 설정할 수 있다. 이에 따라 단위 화소의 포텐셜 설계가 용이하게 되고, 수광부로부터 부유 확산층으로의 신호 전하의 완전 전송이 가능하게 된다. 또한 차동 회로로부터의 차동 출력간 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 차동 회로의 전류원의 제어를 행하는 것에 의해, 증폭 트랜지스터의 게이트 부분의 동작점을 출력 진폭이 최대가 되도록 설정할 수 있다. 이에 따라 다이나믹 레인지를 확대할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광전 변환소자와, 이 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화 소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로를 구비한 고체촬상장치의 구동방법이 제공되고, 상기 구동방법은, 상기 출력 노드를 통해 상기 리셋 트랜지스터에 공급하는 리셋 전압의 전압값을 가변으로 하는 단계와, 상기 리셋 트랜지스터에 의한 리셋 동작의 종료 후, 상기 차동 회로로부터의 차동 출력간의 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 상기 차동 회로의 전류원을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광전 변환소자와, 이 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로를 구비한 고체촬상장치의 신호처리방법이 제공되고, 상기 신호처리방법은, 상기 화소 어레이부의 각 단위 화소에 같은 입력을 주었을 때의 상기 단위 화소의 각각의 출력의 역수를 보정계수로서 구하는 단계와, 상기 보정계수를 사용하여 화소간의 감도 편차를 보정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광전 변환소자와, 이 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로를 구비한 고체촬상장치의 신호처리방법이 제공되고, 상기 신호처리방법은, 상기 전송 트랜지스터를 구동하는 전송제어신호의 전압값을 서서히 높여서, 상기 광전 변환소자에서 발생한 신호 전하를 복수 회로 나누어 전송하는 단계와, 상기 복수의 전송 동작에 의해 단위 화소로부터 출력된 신호를 가산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 광전 변환소자와, 이 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 포함한 고체촬상장치와, 입사광을 상기 고체촬상장치의 촬상면 위에 결상하는 광학계를 구비한 촬상장치가 제공되고, 상기 고체촬상장치는 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로와, 상기 출력 노드를 통해 상기 리셋 트랜지스 터에 리셋 전압을 공급하고, 상기 리셋 전압의 전압값을 조절하는 리셋 전압 공급부와, 상기 리셋 트랜지스터에 의한 리셋 동작의 종료 후, 상기 차동 회로로부터의 차동 출력간의 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 상기 차동 회로의 전류원의 제어를 행하는 동상귀환회로를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 공통 소스형 증폭 트랜지스터와 미소 용량의 용량소자를 사용하여 고감도 신호 출력을 실현한 단위 화소에 있어서, 부유 확산 용량의 포텐셜을 자유롭게 설정할 수 있다. 그 결과, 수광부로부터 부유 확산층으로의 신호 전하의 완전 전송을 실현할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체촬상장치, 예를 들면 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타내는 시스템 구성도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 따른 ＣＭＯＳ 이미지센서(10)는, 화소 어레이부(11)와, 그 주변회로를 포함한다. 이 경우, 화소 어레이부(11)는 광전 변환소자를 포함하는 단위 화소(이하, 간단히 「화소」라고 기술하는 경우도 있다)(20)가 행렬 모양으로 2차원 배치되어 구성된다. 화소 어레이부(11)의 주변회로로서는, 수직주사 회로(12), 복수의 칼럼 회로(13), 수평주사 회로(14) 및 칼럼신 호 선택회로(15) 등이 설치된다.
화소 어레이부(11)의 단위 화소(20)의 행렬모양 배열에 대하여, 2개의 신호선(111,112)과 소스선(113)이 화소 열마다 배선된다. 또한 단위 화소(20)와 같은 특성을 가지는 더미 화소(30)와 동상귀환회로(ＣＭＦＢ;Common Mode Feedback Circuit)(40)가 화소 열마다 설치된다. 단위 화소(20)와 더미 화소(30)는 차동 회로를 형성하고 있다. 그 차동 회로의 상세한 내용에 대해서는 후술한다. 화소 어레이부(11)에는 또한, 화소 행마다 구동 제어선, 예를 들면 전송 제어선(114), 리셋 제어선(115) 및 선택 제어선(116)이 배선되어 있다.
수직주사 회로(12)는, 시프트 레지스터 혹은 어드레스 디코더 등으로 구성된다. 또한, 화소 어레이부(11)의 각 화소(20)를 전자 셔터행과 판독행 각각에 대해 행 단위로 수직방향으로 주사하면서, 수직주사 회로(12)는, 전자 셔터행에 대해서는 그 행의 화소(20)의 신호 스위프 오프를 행하기 위한 전자셔터 동작을 행하는 것과 함께, 판독행에 대해서는 그 행의 화소(20)의 신호 판독을 행하기 위한 판독 동작을 행한다.
여기에서는, 도시를 생략하지만, 수직주사 회로(12)는, 판독 주사계와, 전자셔터 주사계를 포함한다. 이 경우, 판독 주사계는 화소(20)를 행 단위로 순서대로 선택하면서, 판독행의 각 화소(20)의 신호를 판독하는 판독 동작을 행한다. 또한, 전자셔터 주사계는 해당 판독 주사계에 의한 판독 주사보다도 셔터 속도에 대응한 시간만큼 전에 같은 행(전자 셔터행)에 대하여 전자셔터 동작을 행한다.
그리고, 제1 타이밍에서 제2 타이밍에 걸친 기간이 각 화소(20)에 있어서의 신호 전하의 1단위의 축적 기간(노광 기간)이 된다. 여기에서, 제1 타이밍에는, 전자셔터 주사계에 의한 셔터 주사에 의해 광전 변환부의 불필요한 전하가 리셋된다. 또한, 제2 타이밍에는, 판독 주사계에 의한 판독 주사에 의해 화소로부터 신호가 판독된다. 즉, 전자셔터 동작은, 광전 변환부에 축적된 신호 전하의 리셋(스위프 오프)를 행하고, 신호 전하의 리셋 후부터 새로이 신호 전하의 축적을 개시하는 동작을 의미한다.
복수의 칼럼 회로(13)는, 화소 어레이부(11)의 예를 들면 화소 열마다, 즉 화소 열에 대하여 1대 1의 대응관계를 가지고 배치된다. 또한 복수의 칼럼 회로(13)는, 수직주사 회로(12)에 의한 수직주사에 의해 선택된 판독행의 각 화소(20)로부터 출력되는 화소 신호에 대하여 소정의 신호 처리를 행하는 것과 함께, 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 보유한다.
칼럼 회로(13)로서는, 화소 신호를 샘플 홀드하는 샘플 홀드 회로로 이루어지는 회로 구성의 것이나, 샘플 홀드 회로를 포함하고, ＣＤＳ(Correlated Double Sampling;상관 이중 샘플링) 처리에 의해, 리셋 노이즈나 증폭 트랜지스터의 임계값 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 회로로 이루어지는 회로 구성의 것 등이 이용된다.
단, 이것들은 일례에 지나지 않고, 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 칼럼 회로(13)에 ＡＤ(아날로그-디지털)변환 기능을 갖게 하고, 소정 레벨의 화소 신호를 디지털 신호로 출력하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.
수평주사 회로(14)는, 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등으로 구성된 다. 수평주사 회로(14)는, 화소 어레이부(11)의 각 화소 열마다 신호 처리 후의 화소 신호를 보유하는 칼럼 회로(13)를 순서대로 수평주사한다.
칼럼신호 선택회로(15)는, 수평선택 스위치나 수평 신호선 등으로 구성된다. 칼럼신호 선택회로(15)는, 화소 어레이부(11)로부터 화소 행마다 칼럼 회로(13)에 보유된 화소 신호를, 수평주사 회로(14)에 의한 수평주사에 동기하여 순차 출력한다.
이때, 수직주사 회로(12), 칼럼 회로(13) 및 수평주사 회로(14) 등의 동작의 기준이 되는 타이밍 신호나 제어신호는, 도시하지 않은 타이밍 제어회로에 의해 생성된다.
상기 구성의 ＣＭＯＳ 이미지센서(10)에서는, 단위 화소(20)로부터 출력되는 화소 신호에 대한 ＣＤＳ 등의 여러 가지 신호 처리를 칼럼 회로(13)에서 행하는 구성으로 했다. 그러나 화소 신호에 대한 여러 가지 신호 처리를 칼럼신호 선택회로(15)의 후단측에 배치되는 신호 처리 회로(도시 생략)에서 행하는 구성을 채용하는 것도 가능하다. 이 경우, 신호 처리 회로는, 화소 어레이부(11)와 같은 반도체기판 위에 탑재하도록 해도 되고, 또 해당 반도체기판의 외부에 배치하도록 해도 된다.
(단위 화소 및 더미 화소)
도 2는, 단위 화소(20) 및 더미 화소(30)의 구성의 일 예를 도시하는 회로도이다.
본 예에 따른 단위 화소(20)는, 포토다이오드 등의 광전 변환소자(21)에 더 하여, 예를 들면 전송 트랜지스터(전송 게이트)(22), 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24) 및 선택 트랜지스터(25)의 4개의 트랜지스터와, 용량소자(26)를 가지는 화소 회로로 되어 있다. 여기에서는, 이들 트랜지스터(22～25)로서, 예를 들면 N채널의 ＭＯＳ 트랜지스터를 사용하지만, 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니다.
광전 변환소자(21)는, 일단(애노드 전극)이 접지되어 있다. 전송 트랜지스터(22)는, 광전 변환소자(21)의 타단(캐소드 전극)과 부유 확산 용량 Ｃｆｄ 사이에 접속된다. 수광된 빛은 광전 변환소자(21)에서 광전 변환되어, 신호 전하(여기에서는, 전자)가 된다. 따라서 광전 변환소자(21)에는 신호 전하가 축적된다. 이렇게 축적된 신호 전하는 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극(제어 전극)에 전송제어신호 Ｔｘ가 공급됨으로써 전하전압 변환부인 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 전송된다.
리셋 트랜지스터(23)는, 화소의 출력 노드 N11에 드레인 전극이, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 소스 전극이 각각 접속된다. 광전 변환소자(21)로부터 부유 확산 용량 Ｃｆｄ으로의 신호 전하의 전송에 앞서, 리셋 트랜지스터(23)는, 게이트 전극에 리셋 제어신호 R가 공급됨으로써 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 노드 N12의 전위(노드 전위)를 리셋한다.
증폭 트랜지스터(24)는, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 게이트 전극이, 출력 노드 N11에 드레인 전극이 각각 접속된 공통 소스 구성으로 되어 있다. 증폭 트랜지스터(24)는, 리셋 트랜지스터(23)에 의해 리셋된 후의 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 전위를 리셋 레벨로서 판독하고, 또한 전송 트랜지스터(22)에 의해 신호 전하가 전송된 후의 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 전위를 신호 레벨로서 판독한다.
선택 트랜지스터(25)는, 예를 들면 출력 노드 N11에 드레인 전극이, 증폭 트랜지스터(24)의 드레인 전극에 소스 전극이 각각 접속된다. 선택 트랜지스터(25)는, 게이트 전극에 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ가 공급됨으로써 온 상태가 되고, 이로써 수직주사 회로(12)에 의한 수직주사에 동기하여 단위 화소(20)를 선택한다. 선택 트랜지스터(25)에 있어서는, 증폭 트랜지스터(24)의 소스 전극과 소스선(113) 사이에 접속하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.
용량소자(26)는, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ과 비교하여 미소한 용량 Ｃｉｏ을 가진다. 용량소자(26)의 일단은 출력 노드 N11에, 용량소자(26)의 타단은 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극에 각각 접속되어 있다. 이 용량소자(26)로서는, 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극(부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 노드 N12)과 출력 노드 N11 사이의 기생 용량이어도 된다.
더미 화소(30)는, 예를 들면 리셋 트랜지스터(31), 증폭 트랜지스터(32), 선택 트랜지스터(33) 및 용량소자(34)를 가지는 구성으로 되어 있다. 이들 구성 소자(31~34)는, 단위 화소(20)의 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25) 및 용량소자(26)에 각각 상당한다.
이 더미 화소(30)를 화소 어레이부(11) 내에, 단위 화소(20)와 동일한 프로세스로 형성함으로써, 더미 화소(30)의 특성을 단위 화소(20)의 특성과 동등하게 할 수 있다. 여기에서, 선택 트랜지스터(33)의 게이트 전위(선택 제어신호 Ｖｓｅｌ_r)는, 단위 화소(20)와 동일한 파형이 입력되도록 제어된다.
본 예에 따른 더미 화소(30)는, 단위 화소(20)의 전송 트랜지스터(22)에 상당하는 트랜지스터를 가지지 않지만, 도 3에 나타내는 바와 같이, 단위 화소(20)의 전송 트랜지스터(22)에 상당하는 전송 트랜지스터(35)를 가지는 구성을 채용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 전송 트랜지스터(35)의 게이트 전위를 "Ｌｏｗ" 레벨(예를 들면 접지 레벨)로 고정하면 된다.
상기 구성의 단위 화소(20) 및 더미 화소(30)에 있어서, 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ, Ｖｓｅｌ_r에 대해서는, 디지털적으로 그라운드 레벨과 Ｖｄｄ레벨의 전압으로 제어해도 된다. 그러나 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ, Ｖｓｅｌ_r의 전압값을 조정하여, 화소 회로의 이득을 향상시키는 것이 가능하다. 이 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ, Ｖｓｅｌ_r는, 선택 트랜지스터(25)의 게이트, 및 선택 트랜지스터(33)의 게이트에 각각 동일한 파형이 입력되도록 제어된다.
(차동 회로)
단위 화소(20)와 더미 화소(30)는 차동 회로(50)를 형성하고 있다. 이 차동 회로(50)의 구체적인 구성에 대해 이하에 설명한다.
단위 화소(20)의 증폭 트랜지스터(24)의 소스 전극과 더미 화소(30)의 증폭 트랜지스터(32)의 소스 전극은, 소스선(113)을 통해 공통으로 접속된다. 그 공통 접속 노드 N13이 전류원 트랜지스터(51)를 통해 접지되어 있다.
단위 화소(20)의 출력 노드(11) 및 더미 화소(30)의 출력 노드(14)로부터 각각 신호를 도출하는 신호선(111,112)은 출력 단자(52,53)에 각각 접속되어 있다. 이들 신호선(111,112)과 전원 Ｖｄｄ의 사이, 즉 출력 단자(52,53)를 사이에 두고 단위 화소(20) 및 더미 화소(30)와 반대측에는 부하 회로(54,55)가 각각 접속되어 있다.
부하 회로(54)는, 예를 들면 종속 접속된 2단의 구성(캐스코드)의 Ｐ채널 ＭＯＳ 트랜지스터(541,542)로 구성되어 있다. 부하 회로(55)도 마찬가지로, 종속 접속된 2단의 구성의 Ｐ채널 ＭＯＳ 트랜지스터(551,552)로 구성되어 있다. 그리고, ＭＯＳ 트랜지스터(541,551)의 각 게이트 전극이 바이어스 전압 Ｖｂｐ1에 의해 바이어스 되고, ＭＯＳ 트랜지스터(542,552)의 각 게이트 전극이 바이어스 전압 Ｖｂｐ2에 의해 바이어스되고 있다.
여기에서는, 부하 회로(54,55)를 P채널 ＭＯＳ 트랜지스터의 종속 접속된 2단의 구성으로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 각각 1개의 Ｐ채널 ＭＯＳ 트랜지스터(541,551)로 구성하도록 해도 된다.
상기한 바와 같이 하여, 단위 화소(20)의 증폭 트랜지스터(24), 더미 화소(30)의 증폭 트랜지스터(32), 전류원 트랜지스터(51) 및 부하 회로(54,55)에 의해 차동 회로(50)가 형성되어 있다.
이 차동 회로(50)에서는, 증폭 트랜지스터(32)의 게이트 전압 Ｖｆｄｍ을 기준으로 하여, 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전압 Ｖｆｐｄ에 따른 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ이 출력 단자(52,53)로부터 도출된다. 이 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ은, 단위 화소(20)의 화소 신호로서 칼럼 회로(13)에 공급된다.
(동상귀환회로)
도 5는, 동상귀환회로(40)의 구성의 일 예를 도시하는 회로도이다. 동상귀환 회로(40)는, 그 출력단이 전류원 트랜지스터(51)의 게이트 전극에 접속되고 있다. 따라서 동상귀환회로(40)는 차동 회로(50)의 차동출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ과 외부의 전압원에 의해 제어된 제어 전압 Ｖｃｏｍ에 의거하여 전류원 트랜지스터(51)의 게이트 바이어스를 제어함으로써, 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 차분의 중심(진폭의 중심)이 제어 전압 Ｖｃｏｍ이 되도록 제어를 행한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 동상귀환회로(40)는, 3개의 스위치 소자(41～43)와 2개의 용량소자(44,45)로 구성된다. 2개의 입출력 단자(46,47)가 차동 회로(50)의 출력 단자(52,53)에 각각 접속되어 있다.
스위치 소자(41,42)는, 스위치 제어신호 φｃｍｆｂｄ에 응답하여 ＯＮ(폐)상태가 되어, 외부의 전압원으로부터 제어 전압 Ｖｃｏｍ을 선택적으로 페치하여 차동 회로(50)의 출력 단자(52,53)에 공급한다. 제어 전압 Ｖｃｏｍ은, 단위 화소(20)를 리셋하고 있을 때는 리셋에 적합한 전압값으로, 단위 화소(20)의 리셋이 종료된 시점에서는 차동 회로(50)의 출력 진폭이 최대가 되는 전압값(ＣＭＦＢ 전압)으로 각각 설정되어 있다.
여기에, 리셋에 적합한 전압값은, 광전 변환소자(21)의 포텐셜과 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 포텐셜의 관계에서, 광전 변환소자(21)로부터 부유 확산 용량 Ｃｆｄ으로 신호 전하를 완전히 전송할 수 있는 전압값을 말한다. 이 리셋 전압의 전압값을 조정함으로써, 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 부분의 동작점을 자유롭게 설정할 수 있다.
또한 차동 회로(50)의 출력 진폭이 최대가 되는 전압값(ＣＭＦＢ전압)은, 차 동 회로(50)의 동상신호 레벨(동상전압), 즉 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 차분의 중심전압을 규정하는 전압값이다. 즉, 그 전압값(ＣＭＦＢ전압)은 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 차분의 중심전압이 예를 들면 차동 회로(50)의 출력 진폭의 중심이 되도록 제어하는 전압값이다.
스위치 소자(43)는, 스위치 제어신호 φｃｍｆｂ에 응답하여 ＯＮ(폐)상태가 됨으로써, 바이어스 전압 Ｖｂｎ1을 페치하여 차동 회로(50)의 전류원 트랜지스터(51)에 그 게이트 바이어스로서 공급한다.
스위치 소자(43)가 ＯＦＦ(개)상태일 때는 바이어스 전압 Ｖｂｎ1 대신에, 바이어스 전압 Ｖｂｎ1_ｃｍｆｂ이 전류원 트랜지스터(51)에 게이트 바이어스로서 공급된다. 이 경우, 바이어스 전압 Ｖｂｎ1_ｃｍｆｂ를 사용하여, 본 동상귀환회로(40)의 작용에 의해, 차동 회로(50)의 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 진폭의 중심이, 단위 화소(20)의 리셋 종료 후의 제어 전압 Ｖｃｏｍ(ＣＭＦＢ전압)이 되도록 차동 회로(50)를 제어한다.
이때, 상기 구성의 ＣＭＯＳ 이미지센서(10)에서는, 화소 어레이부(11)의 동상귀환회로(40)측(도 1의 상측)에 부하 회로(54,55)를 배치하고, 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏp을 도출하는 배치 구성으로 했다. 그러나 이 배치 구성에 한정되는 것은 아니다. 즉, 화소 어레이부(11)의 동상귀환회로(40)측에 부하 회로(54,55)를 배치하고, 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ을 도출하는 배치 구성을 가지는 SI칩 상의 플로어플랜을 채용하는 것도 가능하다.
이러한 배치 구성을 채용함으로써, 화소 열마다 배선하는 신호선을 1개, 구 체적으로는 더미 화소(30)측의 신호선(112)을 삭감할 수 있다. 또한 차동 회로(50)의 출력 단자(52,53)(도 2 참조)와 동상귀환회로(40)의 입출력 단자(46,47)(도 5 참조) 사이의 배선 길이를 짧게 할 수 있다. 따라서 화소 어레이부(11) 전체의 배치 면적의 축소화를 도모할 수 있는 이점이 있다.
(화소 어레이부의 동작)
계속해서, 화소 어레이부(11)에 있어서의 단위 화소(20), 더미 화소(30) 및 동상귀환회로(40)의 동작에 대해, 도 6의 타이밍 파형도를 사용하여 설명한다.
우선, 시각 t1에, 특정한 화소 행 n의 단위 화소(20)와 더미 화소(30)에 "Ｈｉｇｈ" 레벨의 리셋 제어신호 R(n)를 입력한다. 동시에, 동상귀환회로(40)의 스위치 소자(41～43)를 스위치 제어신호 φｃｍｆｂ, φｃｍｆｂｄ에 의해 모두 ＯＮ(폐)상태로 한다.
이 동작과 동시에, 외부의 전압원으로부터 동상귀환회로(40)에 대해, 차동 회로(50)의 동상신호 레벨을 규정하는 제어 전압 Ｖｃｏｍ을, 단위 화소(20)의 리셋 전압으로서 입력한다. 즉, 외부의 전압원과 동상귀환회로(40)는, 리셋 트랜지스터(23)에 대하여 출력 노드 N11을 통해 리셋 전압을 공급하는 리셋 전압 공급부를 구성하고 있다.
여기에서는, 제어 전압 Ｖｃｏｍ을 단위 화소(20)의 리셋 전압으로서 사용하도록 한다. 그러나 리셋 전용의 신호선과 스위치 소자로 이루어지는 리셋 전압 공급부를 별도로 준비하여, 해당 리셋 전압 공급부으로부터 적절히 리셋 전압을 제어 전압 Ｖｃｏｍ과 병렬적으로 입력하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.
단, 동상귀환회로(40)를 리셋 전압 공급부으로서 겸용하는 구성을 채용하는 편이, 리셋 전압 공급부를 별도로 준비할 필요가 없어지기 때문에, 그만큼 회로 구성을 간략화할 수 있는 이점이 있다.
리셋 제어신호 R(n)에 의한 리셋 동작에 의해, 단위 화소(20)의 신호검출부인 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 노드 전위가, 제어 전압 Ｖｃｏｍ의 리셋 전압에 설정된 시점 t2에서, 리셋 제어신호 R(n)를 "Ｈｉｇｈ"레벨로부터 "Ｌｏｗ"레벨로 서서히 이동시킨다. 이 동작은 더미 화소(30)에 대해서도 동일하다
리셋 제어신호 R(n)이 "Ｌｏｗ"레벨이 된 후 시각 t3에서, "Ｈｉｇｈ"레벨의 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ(n)를 입력하고, 화소 행 n의 각 단위 화소(20)의 선택 트랜지스터(25)를 ＯＮ상태로 함으로써 각 단위 화소(20)를 선택 상태로 한다.
여기에서, 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ(n)에 대해서는, 리셋 제어신호 R(n)과 동시에 입력하도록 해도 된다. 다만, 동시에 입력하지 않는 것이, 시각 t1～시각 t3의 기간에서 선택 트랜지스터(25)가 ＯＮ함에 따라 소비하는 전력량만큼 저감할 수 있기 때문에, 단위 화소(20)에서의 소비 전력을 작게 억제할 수 있다는 면에서 유리하다.
선택 제어신호 Ｖｓｅｌ(n)의 입력과 동시에 또는 그 이후에, 제어 전압 Ｖｃｏｍ을 차동 회로(50)의 출력 진폭을 최대한으로 얻을 수 있는 전압값으로 설정한다. 그 후에 시각 t4에 스위치 제어신호 φｃｍｆｂ를, 이어서 시각 t5에 스위치 제어신호 φｃｍｆｂｄ를 순서대로 비액티브("Ｌｏｗ"레벨) 상태로 한다.
이 때, 단위 화소(20)에서는, 제어 전압 Ｖｃｏｍ의 리셋 전압으로 설정된 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 전압을 리셋 레벨로서 판독하고, 후단의 칼럼 회로(13)에 공급하는 동작이 행해진다.
다음에 시각 t6에, 전송제어신호 T(n)를 입력하고, 전송 트랜지스터(23)를 ＯＮ상태로 하여, 그때까지 광전 변환소자(21)로 광전 변환되어 축적된 신호 전하를 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 전송한다. 그리고, 전송제어신호 T(n)가 소멸한 시각 t6에, 전송된 신호 전하에 따른 전압을 신호 레벨로서 판독하고, 후단의 칼럼 회로(13)에 공급한다.
단위 화소(20)에 있어서의 리셋 레벨 및 신호 레벨의 판독은, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ와 신호선(111) 사이에 접속된 용량소자(26)와 공통 소스형 증폭 트랜지스터(24)가 담당한다. 용량소자(26)는, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ와 비교하여 미소한 용량이다. 따라서, 미소 용량의 용량소자(26)와 공통 소스형 증폭 트랜지스터(24)를 사용하여 신호의 판독을 행하는 단위 화소(20)에 있어서는, 출력하는 전압 레벨이 높은데, 다시 말하면 신호검출감도가 높다.
[본 실시예의 작용 효과]
이와 같이, 공통 소스형 증폭 트랜지스터(24)와 미소 용량의 용량소자(26)를 사용하여 신호의 판독을 행함으로써 신호검출감도를 향상시킨 단위 화소(20)에 있어서, 광전 변환소자(21)에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 전송하는 전송 트랜지스터(22)를 설치한다. 이에 따라 먼저 화소(20)를 리셋하여 그 리셋 레벨을 판독하고, 그 후에 광전 변환소자(21)로부터 신호 전하를 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 전송하여 소정 레벨의 신호로서 판독함으로써, 예를 들면 칼럼 회로(13)에 있어서 상관 이중 샘플링에 의한 노이즈 제거를 실행할 수 있다. 그 결과, 리셋 노이즈와 화소의 고정 패턴 노이즈를 모두 억제할 수 있다.
덧붙여서, 단위 화소(20)와 더미 화소(30)로 차동 회로(50)를 형성하고, 단위 화소(20)로부터 리셋 레벨 및 신호 레벨을 판독하는 판독 회로를 차동 회로 구성으로 한다. 또한 리셋 트랜지스터(23)에 대하여 화소(20)의 출력 노드 N11을 통해서 리셋 전압을 공급하는 동시에, 해당 리셋 전압의 전압값이 가변인 리셋 전압 공급부(본 예에서는, 외부의 전압원과 동상귀환회로(40))를 설치한다. 이로써 리셋 전압의 전압값을 조정에 의해 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 포텐셜을 자유롭게 설정할 수 있게 된다. 그 결과, 단위 화소(20)의 포텐셜 설계가 용이하게 되고, 광전 변환소자(21)로부터 확산 부유 용량 Ｃｆｄ으로의 신호 전하의 완전 전송이 가능하게 된다.
단, 단위 화소(20)측(정위상측)의 리셋 전압의 전압값을 조정하면, 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 차분의 중심전압이 차동 회로(50)의 출력 진폭으로부터 벗어나게 된다. 이를 해결하기 위해, 차동 회로(50)의 전류원 트랜지스터(51)의 게이트 바이어스를 제어하는 동상귀환회로(40)를 설치하고, 단위 화소(20)의 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 노드 전위를 리셋 전압으로 리셋한 후, 동상귀환회로(40)의 작용에 의해 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 차분의 중심전압이 차동 회로(50)의 출력 진폭의 중심이 되도록 제어 전압 Ｖｃｏｍ의 전압값(ＣＭＦＢ전압)을 설정하여 귀환 제어를 행하는 구성을 채용하고 있다. 이에 따라 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 부분의 동작점을 출력 진폭(출력 범위)이 최대가 되도록 설정할 수 있다. 그 결과, 다이나 믹 레인지를 확대할 수 있다.
(차동 회로의 특성 편차)
여기에서, 본 실시예에 따른 단위 화소(20)에서는, 차동 회로(50)의 단위 화소(20)측과 더미 화소(30)측에, 사이즈의 미스 매치 등에 의해 특성 편차가 있으면, 해당 특성 편차에 의해 출력 신호의 출력 특성에 영향을 미칠 우려가 있다.
단위 화소(20)측과 더미 화소(30)측에 특성 편차(오차)가 있었을 경우의 출력 파형을 도 7a 내지 7c에 나타낸다. 여기에서는, 단위 화소(20)측의 부유 확산 용량을 Ｃｆｄ_L, 용량소자(26)의 용량을 Ｃｉｏ_L, 더미 화소(30)측의 부유 확산 용량을 Ｃｆｄ_R, 용량소자(34)의 용량을 Ｃｉｏ_R로 나타낸다.
단위 화소(20)측의 용량 Ｃｆｄ_L, Ｃｉｏ_L이 더미 화소(30)측의 용량 Ｃｆｄ_R，Ｃｉｏ_R보다도 작을 경우에는, 단위 화소(20)와 더미 화소(30)의 리셋 레벨은 같지 않고, 도 7a에 도시하는 바와 같이 어긋난다. 이와 관련하여, 단위 화소(20)측과 더미 화소(30)측에 오차가 없는 경우에는, 도 7b에 나타내는 바와 같이 단위 화소(20)와 더미 화소(30)의 리셋 레벨은 일치한다.
그래서, 단위 화소(20)측의 용량소자(26)의 용량 Ｃｉｏ_L과 더미 화소(30)측의 용량소자(34)의 용량 Ｃｉｏ_R의 차와, 단위 화소(20)측의 확산 부유 용량 Ｃｆｄ의 용량 Ｃｆｄ_L과 더미 화소(30)측의 확산 부유 용량 Ｃｆｄ의 용량 Ｃｆｄ_R의 차에 의해, 단위 화소(20)와 더미 화소(30)의 리셋 레벨이 변화하는 특성을 역으로 이용한다. 즉, 의도적으로, 단위 화소(20)측의 용량소자(26)의 용량 Ｃｉｏ_L과 확산 부유 용량 Ｃｆｄ의 용량 Ｃｆｄ_L이 더미 화소(30)측의 용량소자(34)의 용량 Ｃｉｏ_R과 확산 부유 용량 Ｃｆｄ의 용량 Ｃｆｄ_R보다 각각 커지도록, 더미 화소(30)측을 단위 화소(20)측보다도 사이즈를 크게 설계함으로써, 도 7c에 나타내는 바와 같이, 차동 출력 Ｖｏｍ, Ｖｏｐ의 진폭 범위를 넓게 할 수 있다.
(감도 편차)
또한 마찬가지로, 신호를 검출하는 용량소자(26)의 용량 Ｃｉｏ가 미소하기 때문에 단위 화소(20)마다 감도의 편차가 생긴다. 이 감도 편차를 보정하는 보정계수는, 각 화소(20)에 같은 입력을 주었을 때 각 출력의 역수로 구할 수 있다.
단위 화소(20)에 같은 입력을 주어 보정계수를 구하는 제1 방법으로서는, 모든 단위 화소(20)에 대하여 균일하게 빛을 조사하고, 그 때의 각 화소(20)의 출력의 역수를 구함으로써 화소마다의 보정계수를 구할 수 있다. 제2 방법으로서, 전송제어신호 Ｔｘ의 전압값을 서서히 높게 설정하고, 광전 변환소자(21)에서 발생한 신호 전하를 복수 회로 나누어 전송(부분 전송)을 함으로써 보정계수를 구할 수 있다.
<보정계수의 산출>
여기에서, 감도 편차의 보정계수를 구하기 위한 제2 방법에 대해, 도 8의 타이밍 파형도 및 도 9의 에너지 도를 사용하여 구체적으로 설명한다.
우선, 예를 들면 외부로부터 광전 변환소자(ＰＤ)(21)에 전압을 주는 것에 의해, 광전 변환소자(21)를 전하(본 예에서는, 전자)로 채운다. 그 후에 시각 t11에, 특정한 화소 행 n의 단위 화소(20)와 더미 화소(30)에 "Ｈｉｇｈ"레벨의 리셋 제어신호 R(n)을 입력한다. 동시에, 전송제어신호 Ｔｘ(n)를 광전 변환소자(21)의 전하를 완전히 전송할 수 있는 전압값 Ｖｘ1로 설정한다.
이와 동시에, 동상귀환회로(40)의 스위치 소자(41～43)를 스위치 제어신호 φｃｍｆｂ, φｃｍｆｂｄ에 의해 모두 ＯＮ상태로 한다. 또한, 동상귀환회로(40)에 입력되는 제어 전압 Ｖｃｏｍ을 리셋 전압으로 한다.
다음에 시각 t12에, 전송제어신호 Ｔｘ(n)를, 광전 변환소자(21)의 전하를 완전히 전송할 수 없지만, 화소 어레이부(11)의 모든 화소(20)의 광전 변환소자(21)로부터 전하를 약간 전송할 수 있는 전압값 Ｖｘ2로 설정한다.
다음에 시각 t13에, 부유 용량(ＦＤ) Ｃｆｄ측의 전압, 즉 제어 전압 Ｖｃｏｍ을 높은 전압(ＣＭＦＢ전압)으로 하고, 부유 용량 Ｃｆｄ의 포텐셜을 낮게 한다. 이에 따라 전송 트랜지스터(22)의 게이트 바로 아래의 채널의 포텐셜로 설정되는, 소위 레벨 오프 전압 이상의 전하가 광전 변환소자(21)로부터 부유 확산 용량 Ｃｆｄ로 전송된다.
다음에 리셋 제어신호 R(n)가 "Ｌｏｗ"레벨이 된 후 시각 t14에, "Ｈｉｇｈ"레벨의 선택 제어신호 Ｖｓｅｌ(n)를 입력하여, 화소 행 n의 각 단위 화소(20)의 선택 트랜지스터(25)를 ＯＮ상태로 한다. 이로써 각 단위 화소(20)를 선택 상태로 하여, 판독의 설정을 행한다.
그리고, 시각 t15에, 전송제어신호 Ｔｘ(n)을 "Ｌｏｗ"레벨로 한다. 이에 따라 전송제어신호 Ｔｘ(n)의 전압 Ｖｘ2에서 전송된 전하에 따른 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 전압을 리셋 레벨(신호 기준 레벨)로서 외부에 판독한다.
다음에 시각 t16에, 전송제어신호 Ｔｘ(n)를 완전 전송이 아닌 어느 일정한 전압값 Ｖx3(최초의 레벨 오프의 전압값 Ｖｘ2보다도 높다)으로 설정한다. 그리고, 시각 t17에, 전송제어신호 Ｔｘ(n)를 "Ｌｏｗ"레벨로 하고, 전송제어신호 Ｔｘ(n)의 전압값 Ｖｘ3으로 전송된 전하에 따른 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 전압을 신호 레벨로서 외부에 판독한다.
이 신호 레벨은, 이상적으로는 각 화소와 같은 전하량에 근거하는 것이다. 따라서 감도 편차가 없으면, 판독한 신호 레벨과 리셋 레벨에서 상관 이중 샘플링을 실행함으로써, 모든 화소로부터 같은 화소 신호가 출력된다. 그러나, 화소 신호는 단위 화소(20)의 감도 편차의 영향을 받는다. 그 결과 화소 신호에 화소간에서 편차가 발생한다.
그래서, 전송제어신호 Ｔｘ의 전압값을 서서히 높게 설정한다. 광전 변환소자(21)에서 발생한 신호 전하를 복수 회로 나누어 전송한다. 첫회 이외의 전하전송에서의 단위 화소(20)의 각각의 출력 신호의 역수를 보정계수로 한다. 이에 따라 이 보정계수를 사용하여 출력 신호에 대하여 보정처리를 행함으로써 화소의 감도 편차를 보정 할 수 있다. 이때, 1번의 판독으로는 노이즈가 포함되므로, 첫회 이외의 전하전송에서의 단위 화소(20)의 각각의 출력 신호의 평균값을 구하여 보정계수로 하는 것이 바람직하다.
(출력 신호의 포화)
본 실시예에 따른 단위 화소(20), 즉 미소 용량의 용량소자(26)와 공통 소스형 증폭 트랜지스터(24)를 사용하여 신호의 판독을 행하는 단위 화소(20)는, 종래의 소스 폴로워 판독의 경우에 비하여 감도가 1자리수 정도 높아진다. 그 때문에 약간의 전하로 화소(20)로부터의 출력 신호가 포화될 염려가 있다.
이 출력 신호가 포화하는 문제는 다음과 같이 해결될 수 있다. 즉 전술한 감도 편차의 보정에서 사용한 단위 화소(20)의 구동법, 즉 광전 변환소자(21)에서 광전 변환된 신호 전하를, 임의의 전하량으로 복수로 분할하여 전송하고, 각 분할 전송에 의한 전하에 따른 신호를 판독하는 구동법을 사용한다. 또한 이 구동법에 의해 판독된 각 신호를 가산하여 1개의 화소 신호로 함으로써 상기 문제를 해결할 수 있다.
임의의 전하량으로 복수로 분할하여 전송하고, 각 분할 전송에 의한 전하에 따른 신호를 판독하는 구동법에 대해, 1단위의 축적 기간 동안에 광전 변환소자(21)에 축적된 신호 전하를 예를 들면 3분할 전송으로 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 전송하는 경우를 예로 들어 이하에 보다 구체적으로 설명한다.
3분할 전송의 경우, 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가하는 전송제어신호 Ｔｘ로서, 광전 변환소자(21)의 전하를 완전히 전송할 수 있는 온 전압 Ｖｏｎ과, "Ｌｏｗ"레벨의 오프 전압 Ｖｏｆｆ과, 오프 전압 Ｖｏｆｆ보다도 크고, 온 전압 Ｖｏｎ보다도 작은 2개의 중간전압 Ｖｍｉｄ 0, Ｖｍｉｄ1을 설정한다.
그리고, 중간전압 Ｖｍｉｄ 0, Ｖｍｉｄ1 및 온 전압 Ｖｏｎ을 그 순으로 순차 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 전송제어신호 Ｔｘ로서 인가한다. 1단위의 축적 기간 동안에 광전 변환소자(21)에 축적된 신호 전하를 3분할 전송으로 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 전송한다. 또한 이 분할 전송에 대응하여 단위 화소(20)로부터 출력되는 각 신호를 예를 들면 칼럼 회로(13) 혹은 후단의 신호 처리 회로(도 시 생략)에서 가산 처리하도록 한다.
이와 같이, 분할 전송에 의한 구동법을 사용하여 단위 화소(20)를 구동하고, 분할 전송에 의해 단위 화소(20)로부터 출력되는 신호를 가산하여 1개의 화소 신호로 한다. 그 결과, 포화 레벨을 손상시키지 않고, 높은 신호검출감도로 단위 화소(20)로부터 신호를 판독할 수 있기 때문에, 고감도의 이미지센서를 실현할 수 있다.
(화소 공유화)
이상 설명한 본 실시예에 따른 단위 화소(20)는 감도 저하가 적다. 따라서, 도 11에 나타내는 바와 같이 단위 화소(20')를 광전 변환 소자(21)와 전송 트랜지스터(22)로 구성하고, 해당 단위 화소(20')를 병렬로 복수 배치하는 동시에, 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24), 선택 트랜지스터(25) 및 용량소자(26)로 이루어지는 신호검출회로(200)를 복수의 단위 화소(20')에서 공유하는 구성을 채용할 수 있다. 화소 공유화에 의해, 판독선의 기생 용량이 감소하므로, 신호의 판독 속도를 고속화할 수 있다.
특히, 판독 회로를 차동 구성으로 한 것에 의해, 차동 회로(50)의 증폭률이 이상적인 경우에는, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 의존하지 않고 신호검출을 행할 수 있다. 따라서 도 11에 나타내는 바와 같이, 화소 회로 안에 광전 변환소자(21)와 전송 트랜지스터(22)를 병렬로 설치했을 경우에, 전압 감도를 줄이지 않고 신호의 판독이 가능하게 된다.
이와 관련하여, 일반적인 화소구성의 판독에서는, 부유 확산 용량 Ｃｆｄ에 의존하여, 광전 변환소자(21)와 전송 트랜지스터(22)를 화소 내에 복수 개 설치했을 경우에 부유 확산 용량 Ｃｆｄ이 늘어난다. 그 결과, 감도의 저하가 생긴다.
본 실시예에 따른 단위 화소(20)에서도, 마찬가지로 부유 확산 용량 Ｃｆｄ이 증가하지만, 신호 전압의 검출 감도는 어디까지나 부유 확산 용량 Ｃｆｄ의 노드 N12와 출력 노드 N11의 용량으로 결정된다. 따라서 화소의 병렬도를 늘려도 감도에 영향을 주지 않는다. 또한 병렬도가 늘어남에 따라, 증폭 트랜지스터(24)의 확산층의 수가 감소한다. 따라서 판독선에 붙는 기생 용량을 저감하는 것이 가능하게 되고, 결과적으로, 신호의 판독 속도의 고속화에 기여할 수 있게 된다.
[변형예]
이때, 상기 실시예에서는 가시광선의 광량에 따른 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬 모양으로 배치되어 이루어지는 ＣＭＯＳ 이미지센서에 적용했을 경우를 예로 들어서 설명했다. 그러나 본 발명은 ＣＭＯＳ 이미지센서에 대한 적용에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 화소 어레이부의 화소 열마다 칼럼 회로를 배치하여 이루어지는 칼럼 방식의 고체촬상장치 전반에 대하여 적용 가능하다.
또한 본 발명은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체촬상장치의 적용에 한정되지 않는다. 즉 본 발명은 적외선이나 X선 혹은 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체촬상장치나, 광의의 의미로서, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문검출 센서 등의 고체촬상장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대하여 적용 가능하다.
또한, 본 발명은, 화소 어레이부의 각 단위 화소를 행 단위로 순차적으로 주사하여 각 단위 화소로부터 화소 신호를 판독하는 고체촬상장치에 한정하지 않는다. 즉 본 발명은 화소 단위로 임의의 화소를 선택하여, 해당 선택 화소로부터 화소 단위로 신호를 판독하는 X-Y어드레스형의 고체촬상장치에 대해서도 적용 가능하다.
이때, 고체촬상장치는 원 칩으로서 형성된 형태라도 되고, 촬상부와, 신호 처리부 또는 광학계가 한꺼번에 패키징 된 촬상기능을 가지는 모듈 형상의 형태라도 된다.
또한 본 발명은, 고체촬상장치의 적용에 한정되는 것은 아니고, 촬상장치에도 적용 가능하다. 여기에서, 촬상장치는, 디지털 스틸 카메라나 비디오카메라 등의 카메라 시스템이나, 휴대전화기 등의 촬상기능을 가지는 전자기기를 말한다. 이때, 전자기기에 탑재되는 상기 모듈 형상의 형태, 즉 카메라 모듈을 촬상장치로 하는 경우도 있다.
[촬상장치]
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상장치의 구성의 일 예를 도시하는 블럭도다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따른 촬상장치(60)는, 렌즈 군(61)을 포함하는 광학계, 고체촬상장치(62), 카메라 신호 처리 회로인 ＤＳＰ회로(63), 프레임 메모리(64), 표시장치(65), 기록 장치(66), 조작계(67) 및 전원계(68) 등을 가진다. 또한 ＤＳＰ회로(63), 프레임 메모리(64), 표시장치(65), 기록 장치(66), 조작계(67) 및 전원계(68)가 버스 라인(69)을 통해 서로 접속된 구성 으로 되어 있다.
렌즈 군(61)은, 피사체로부터의 입사상(화상광)을 입력하여 고체촬상장치(62)의 촬상면 위에 결상한다. 고체촬상장치(62)는, 렌즈 군(61)에 의해 촬상면 위에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다. 이 고체촬상장치(62)로서, 앞에서 설명한 실시예에 따른 ＣＭＯＳ 이미지센서(10)가 이용된다.
표시장치(65)는, 액정표시장치나 유기ＥＬ(electro luminescence)표시장치 등의 패널형 표시장치로 이루어진다. 표시장치(65)는 고체촬상장치(62)에 의해 촬상된 동영상 또는 정지 화상을 표시한다. 기록 장치(66)는, 고체촬상장치(62)에 의해 촬상된 동영상 또는 정지 화상을, 비디오테이프이나 ＤＶＤ(Digital Versatile Disk) 등의 기록 매체에 기록한다.
조작계(67)는, 유저에 의한 조작하에, 본 촬상장치가 가지는 여러 가지 기능에 대해 조작 지령을 발한다. 전원계(68)는, ＤＳＰ회로(63), 프레임 메모리(64), 표시장치(65), 기록 장치(66) 및 조작계(67)의 동작 전원이 되는 각종 전원을, 이들 공급 대상에 대하여 적절히 공급한다.
상기한 바와 같이, 비디오카메라나 디지털 스틸 카메라, 또한 휴대전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상장치에 있어서, 그 고체촬상장치(62)로서 앞에 설명한 실시예에 따른 ＣＭＯＳ 이미지센서(10)를 사용함으로써, 해당 ＣＭＯＳ 이미지센서(10)에서는, 적은 신호 전하량으로도 충분한 크기의 화소 신호를 얻을 수 있기 때문에, 고감도의 촬상장치를 실현할 수 있다.
첨부된 청구항이나 그 동등 범위 내에 있는 한 설계 요구나 다른 요소에 따라 변형, 조합, 하위 조합, 변경이 가능하다는 것은 당업자에게 당연하게 이해된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타내는 시스템 구성도다.
도 2는 단위 화소 및 더미 화소의 구성의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 더미 화소의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 부하 회로의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 동상귀환회로의 구성의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 단위 화소, 더미 화소 및 동상귀환회로의 동작 설명에 제공하는 타이밍 파형도다.
도 7a 내지 7c는 각각 단위 화소측과 더미 화소측에 특성 편차가 있었을 경우의 파형도다.
도 8은 감도 편차의 보정계수를 구하는 방법에 대한 설명에 제공하는 타이밍 파형도다.
도 9는 감도 편차의 보정계수를 구하는 방법에 관한 설명에 제공하는 에너지 도다.
도 10은 3분할 전송의 경우의 구동 타이밍 예를 나타내는 타이밍 차트다.
도 11은 화소 공유화의 예를 나타내는 회로도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상장치의 구성의 일 예를 나타내는 블럭도다.

Claims (10)

  1. 광전 변환소자와, 상기 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와,
    상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치되고, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니는 더미 화소와,
    상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로와,
    상기 출력 노드를 통해 상기 리셋 트랜지스터에 리셋 전압을 공급하고, 상기 리셋 전압의 전압값을 조절하는 리셋 전압 공급수단과,
    상기 리셋 트랜지스터에 의한 리셋 동작의 종료 후, 상기 차동 회로로부터의 차동 출력간의 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 상기 차동 회로의 전류원의 제어를 행하는 동상귀환회로를 구비한 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 동상귀환회로는, 상기 리셋 전압 공급수단의 기능을 가진 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 더미 화소는, 상기 단위 화소에 비하여 사이즈가 크게 설계되는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  4. 광전 변환소자와, 상기 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치되고, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니는 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 형성되는 차동 회로를 구비한 고체촬상장치의 구동방법으로서,
    상기 구동방법은,
    상기 출력 노드를 통해 상기 리셋 트랜지스터에 공급하는 리셋 전압의 전압값을 가변으로 하는 단계와,
    상기 리셋 트랜지스터에 의한 리셋 동작의 종료 후, 상기 차동 회로로부터의 차동 출력간의 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 상기 차동 회로의 전류원을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 구동방법.
  5. 광전 변환소자와, 상기 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로를 구비한 고체촬상장치의 신호처리방법으로서,
    상기 신호처리방법은,
    상기 화소 어레이부의 각 단위 화소에 같은 입력을 주었을 때의 상기 단위 화소의 각각의 출력의 역수를 보정계수로서 구하는 단계와,
    상기 보정계수를 사용하여 화소간의 감도 편차를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 신호처리방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 보정계수를 구하는 데 있어, 상기 화소 어레이부의 각 단위 화소에 대하여 균일하게 빛을 조사하는 단계와,
    상기 단위 화소의 각각의 출력의 역수를 상기 보정계수로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 신호처리방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 보정계수를 구하는 데 있어, 상기 전송 트랜지스터를 구동하는 전송제어신호의 전압값을 서서히 높이도록 설정하는 단계와,
    상기 광전 변환소자에서 발생한 신호 전하를 복수 회로 나누어 전송하는 단계와,
    첫회 이외의 전하전송에서의 상기 단위 화소의 각각의 출력의 역수를 상기 보정계수로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 신호처리방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 첫회 이외의 전하전송에서의 상기 단위 화소의 각각의 출력의 평균값의 역수를 상기 보정계수로 하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 신호처리방법.
  9. 광전 변환소자와, 상기 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와, 상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로를 구비한 고체촬상장치의 신호처리방법으로서,
    상기 신호처리방법은,
    상기 전송 트랜지스터를 구동하는 전송제어신호의 전압값을 서서히 높게 하여 1단위의 축적 기간에 상기 광전 변환소자에서 발생한 신호 전하를 복수 회로 나누어서 전송하는 단계와,
    상기 복수 회의 전송에 동작에 의해 상기 단위 화소로부터 출력되는 각 신호를 가산 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 신호처리방법.
  10. 광전 변환소자와, 이 광전 변환소자에서 광전 변환된 신호 전하를 부유 확산 용량에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 출력 노드 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 상기 부유 확산 용량과 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 부유 확산 용량과 비교하여 미소한 용량의 용량소자와, 상기 용량소자에서 전압으로 변환된 신호를 판독하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 단위 화소가 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 포함한 고체촬상장치와,
    입사광을 상기 고체촬상장치의 촬상면 위에 결상하는 광학계를 구비하고,
    상기 고체촬상장치는,
    상기 단위 화소와 동등한 특성을 지니고, 상기 화소 어레이부의 화소 열마다 설치된 더미 화소와,
    상기 단위 화소와 상기 더미 화소로 구성된 차동 회로와,
    상기 출력 노드를 통해 상기 리셋 트랜지스터에 리셋 전압을 공급하고, 상기 리셋 전압의 전압값을 조절하는 리셋 전압 공급수단과,
    상기 리셋 트랜지스터에 의한 리셋 동작의 종료 후, 상기 차동 회로로부터의 차동 출력간의 차분의 중심이, 외부의 전압원에 의해 조정된 제어 전압이 되도록 상기 차동 회로의 전류원의 제어를 행하는 동상귀환회로를 구비한 것을 특징으로 하는 촬상장치.
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