KR20080072539A - 증폭형 고체 촬상장치 - Google Patents

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KR20080072539A
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샤프 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 증폭형 고체 촬상장치는 매입 포토 다이오드(1)와 전송 트랜지스터(2)를 갖는 복수의 광전 변환부(10)와, 복수의 광전 변환부(10)의 출력 단자가 공통으로 접속된 전하 검출 노드(8)에 입력측이 접속된 스위치드 커패시터 앰프부(20)와, 스위치드 커패시터 앰프부(20)와 수직 신호선(9) 사이에 접속된 전류 증폭부(21)를 구비한다. 상기 복수의 광전 변환부(10)로부터의 신호 전하를 스위치드 커패시터 앰프부(20)에 의해 전압으로 변환하고, 변환된 신호를 전류 증폭부(21)에 의해 전류 증폭해서 수직 신호선(9)에 출력한다. 이것에 의해, 1화소당 트랜지스터수를 삭감해서 화소 사이즈의 소형화를 꾀하면서 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
증폭형 고체 촬상장치

Description

증폭형 고체 촬상장치{AMPLIFICATION TYPE SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE}
본 발명은 증폭형 고체 촬상장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광전 변환 소자와 이 광전 변환 소자의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 화소를 복수개 구비하고, 상기 각 화소로부터의 신호를 각각 증폭해서 상기 각 화소에 대해서 공통의 신호선에 출력하는 증폭형 고체 촬상장치에 관한 것이다.
일반적으로, 증폭형 고체 촬상장치로서는, 증폭 기능을 부여한 화소부와 그 화소부의 주변에 배치된 주사 회로를 갖고, 그 주사 회로에 의해 화소부로부터 화소 데이터를 판독하는 것이 보급되고 있다. 특히, 화소부가 주변의 구동회로 및 신호처리회로와 일체화되기에 유리한 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)에 의해 구성된 APS(Active Pixel Sensor)형 이미지 센서가 알려져 있다.
상기 APS형 이미지 센서는 통상 1화소내에 광전 변환부와 증폭부와 화소 선택부 및 리셋부를 포함한다. 이 때문에, APS형 이미지 센서를 구성하기 위해서는, 통상 포토 다이오드로 이루어지는 광전 변환부 외에 3개∼4개의 MOS형 트랜지스 터(Tr)가 이용되고 있지만, 1화소당 3∼4개의 MOS 트랜지스터를 설치하면, 화소 사이즈의 소형화에 제약이 된다. 그 때문에, 복수의 광전 변환부를 1개의 증폭부에서 공유하고, 1화소당 트랜지스터의 수를 저감하는 기술이 유용하지만, 이 경우, 공유하는 광전 변환부의 수가 많아질수록 포토 다이오드로부터의 신호 전하(Qsig)를 전압신호(Vsig)로 변환하는 전하 전압 변환 효율(η)(=Vsig/Qsig)의 저하가 발생된다.
그래서, 이 문제를 해결하기 위해서, 본 발명자는, 도 10에 나타내듯이, 전하 전압 변환 효율(η)의 저하가 일어나지 않는 증폭형 고체 촬상장치를 발명했다(일본 특허공개 2005-217607호 참조).
이 2차원 증폭형 고체 촬상장치는, 도 10에 나타내듯이, 광전 변환 소자로서 포토 다이오드(101)와 이 포토 다이오드(101)의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터(102)를 갖는 광전 변환부와, 각 전송 트랜지스터(102)의 출력 단자가 공통으로 접속된 전하 검출 노드(108)와, 전하 검출 노드(108)의 신호가 입력되는 증폭 트랜지스터(103A)와, 전하 검출 노드(108)와 증폭 트랜지스터(103A)의 출력 단자 사이에 접속된 리셋 트랜지스터(106)와, 전하 검출 노드(108)와 증폭 트랜지스터(103A)의 출력 단자 사이에 접속된 커패시터(capacitor)(107)(그 용량을 Cin으로 나타냄)와, 증폭 트랜지스터(103A)의 출력 단자와 수직 신호선(109) 사이에 접속된 선택 트랜지스터(104)와, 전하 검출 노드(108)와 승압 신호선 사이에 접속된 커패시터(111)(그 용량을 Cup로 나타냄)를 갖고 있는 증폭부와, 수직 신호선(109)과 전원선 사이에 접속된 정전류 부하 트랜지스터(103B)로 이루어진다.
도 11에 나타내듯이, 기간(T1)에서는 선택 트랜지스터(104)에 인가되는 게이트 구동 신호(φS(n))가 하이 레벨, 리셋 트랜지스터(106)에 인가되는 게이트 구동 신호(φR(n))가 하이 레벨이 되고, 증폭 트랜지스터(103A)와 정전류 부하 트랜지스터(103B)로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 기능에 의해 전하 검출 노드(108)와 수직 신호선(109)의 전위가 어떤 일정한 전위(Vo)(리셋 레벨)로 리셋된다.
상기 리셋 레벨(Vo)은 다음과 같이 해서 정해진다. 즉, 상술한 바와 같이 증폭 트랜지스터(103A)와 정전류 부하 트랜지스터(103B)로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 회로는 도 12와 같이 나타내어진다. 여기에서, 이 반전 증폭기의 입력을 Vin이라고 하고, 출력을 Vout이라고 하고, 트랜지스터(104, 106)가 온되어 단락되면, Vout=Vin이 되기 때문에, 리셋 레벨(Vo)은 도 13에 나타내듯이 Vout=Vin인 직선과의 교점으로서 정해진다.
다음에 도 11에 나타내는 기간(T2)에서는 게이트 구동 신호(φR(n))가 로우 레벨이 되고, 리셋 트랜지스터(106)는 오프상태로 되지만, 게이트 구동 신호(φS(n))는 하이 레벨의 상태이며, 선택 트랜지스터(104)는 온상태로 되어 있다. 따라서, 전하 검출 노드(108)의 전위를 반전 증폭한 출력(리셋 레벨(Vo))이 온상태의 선택 트랜지스터(104)를 통해 수직 신호선(109)에 판독된다.
다음의 기간(T3)에서는 게이트 구동 신호(φS(n))가 로우 레벨이 되고, 선택 트랜지스터(104)는 오프상태가 된다. 여기에서, 게이트 구동 신호(φT(n, 1))가 하이 레벨이 되고, 전송 트랜지스터(102)가 온상태로 되고, 포토 다이오드(101)에 축 적된 신호 전하가 온상태의 전송 트랜지스터(102)를 통해 전하 검출 노드(108)에 전송된다. 또한, 게이트 구동 신호(φT(n, 1))에 동기해서 승압 신호(φC(n))가 하이 레벨로 되고, 커패시터(111)(용량(Cup))를 통한 용량결합에 의해 전하 검출 노드(108)의 포텐셜(potential)이 깊어진다. 따라서, 포토 다이오드(101)로부터 전하 검출 노드(108)로의 전하 전송이 촉진된다.
다음 기간(T4)에서는 게이트 구동 신호(φT(n, 1))가 로우 레벨이 되고, 전송 트랜지스터(102)가 오프상태가 된다. 또한 게이트 구동 신호(φC(n))가 로우 레벨이 되므로, 커패시터(111)를 통한 용량결합에 의한 전하 검출 노드(108)의 포텐셜 변화는 해소된다. 이것에 의해, 전하 검출 노드(108)에는 기간(T2)에서의 리셋 레벨(전위(Vo))로부터 기간(T3)에서의 신호 전하 전송에 의한 변화분 어긋난 전위(신호레벨)가 유지된다. 이 신호레벨은 증폭 트랜지스터(103A)와 정전류 부하 트랜지스터(103B)로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기에 의해 증폭되고, 온상태의 선택 트랜지스터(104)를 통해서 수직 신호선(109)에 판독된다.
그 후, 수직 신호선(109)에 판독된 기간(T2)의 리셋 레벨과 기간(T4)의 신호레벨 사이의 차신호를 취하면, 화소에 입사된 광에 의해 발생된 전하에 의한 실효적인 신호가 얻어진다.
1수평 주사 기간(1H기간)후, 게이트 구동 신호(φT(n, 2))의 구동에 의해 상기 기간(T1)부터 기간(T4)에 있어서의 같은 동작이 행해진다.
이렇게 해서, 기간(T1)부터 기간(T4)까지의 동작을 1수평 주사 기간(1H기간)마다 k회 반복하면, 열마다 k개의 포토 다이오드(101)로부터의 신호를 각각 증폭해 서 수직 신호선(109)에 출력할 수 있다.
또, 포토 다이오드(101)로부터 전송된 전하량을 Qsig라고 하고, 상기 정전류 부하형 소스 접지형 반전 증폭기의 게인을 A라고 하면, 판독되는 실효적인 신호는,
Vsig=A·Qsig/[CFD+Cup+(1+A)Cin]………(1)
이 된다. 여기에서, 상기 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기의 게인(A)은,
Figure 112008007102945-PAT00001
이다. 상기 식(2)에 있어서, gm은 증폭 트랜지스터(103A)의 트랜스 컨덕턴스, ron은 증폭 트랜지스터(103A)의 출력 저항, rop는 정전류 부하 트랜지스터(103B)의 출력 저항이다.
특히, 게인(A)이 매우 큰 경우에는, 상기 식(1)로부터,
Vsig≒Qsig/Cin ………(3)
이 된다. 따라서, 전하 전압 변환 효율(η)은,
η = Vsig/Qsig=1/Cin ………(4)
가 된다. 이 식(4)로부터 알 수 있는 바와 같이, 게인(A)이 매우 큰 경우에는 출력되는 신호에 대한 전하 검출 노드(108)의 용량(CFD)의 영향은 실질적으로 거의 없어진다. 따라서, 열방향으로 접속되는 화소수가 증가해서 용량(CFD)이 커져도 전하 전압 변환 효율(η)의 저하가 발생되지 않는다.
그러나, 일본 특허공개 2005-217607호 공보의 기술에서는 다음과 같은 문제가 발생한다. 즉, 상기 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기는 부하용량이 큰 수직 신호선(109)을 단기간에 구동하지 않으면 안된다. 한편, 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 출력 저항(Zout) 및 게인(A)과 바이어스 전류(Ibias)의 관계는 이하의 식으로 나타내어진다.
Zout ∝(Ibias)-1………(5)
gm ∝(Ibias)1/2………(6)
∴ A ∝(Ibias)-1/2………(7)
따라서, 부하용량이 큰 수직 신호선(109)을 구동하기 위해서 바이어스 전류(Ibias)를 늘려서 출력 저항(Zout)을 내릴 필요가 있지만, 그 경우, 반대로 게인(A)도 내려가버려, 전하 전압 변환 효율(η)이 저하된다는 문제가 있다.
예를 들면 수직 신호선(109)의 부하(1pF)를 1μS에서 구동이 필요한 경우, Zout=140kΩ이며, 그 때의 gm=0.25mS정도, 따라서 게인(A)=35가 된다.
지금, 1개의 스위치드 커패시터(switched capacitor) 앰프부(106,107,103A,111)가 8화소를 공유하는 구성으로 된 경우,
CFD=2fF×8=16fF
Cup=CFD
Cin=1fF
라고 하면,
[CFD+Cup+(1+A)Cin]/A=1.94fF
가 되고, Cin의 약 2배의 큰 값으로 되어버려, 전하 전압 변환 효율(η)이 저하되어 버린다.
그래서, 본 발명의 과제는 1화소당 트랜지스터수를 삭감해서 화소 사이즈의 소형화를 꾀하면서, 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있는 증폭형 고체 촬상장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 증폭형 고체 촬상장치는,
광전 변환 소자와 이 광전 변환 소자의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 광전 변환부를 복수개 구비하고, 상기 복수의 광전 변환부 각각으로부터의 신호를 증폭해서 공통의 신호선에 출력하는 증폭형 고체 촬상장치로서,
상기 복수의 광전 변환부의 출력 단자가 공통으로 접속된 전하 검출 노드에 입력측이 접속되고, 상기 복수의 광전 변환부 각각으로부터의 상기 신호 전하를 전압으로 변환하는 스위치드 커패시터 앰프부와,
상기 스위치드 커패시터 앰프부에 의해 전압으로 변환된 상기 신호를 상기 공통의 신호선에 전류 증폭해서 출력하는 전류 증폭부를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 증폭형 고체 촬상장치에 의하면, 상기 복수의 광전 변환부의 광전 변환 소자 각각으로부터 전송 트랜지스터를 통해 신호 전하를 전하 검출 노드에 전송하고, 각 광전 변환부로부터 전하 검출 노드에 전송된 신호 전하를 스위치드 커패시터 앰프부에 의해 전압으로 변환하고, 그 전압으로 변환된 신호를 전류 증폭부에 의해 전류 증폭해서 공통의 신호선에 출력한다. 이렇게, 복수의 광전 변환부에 대해서 스위치드 커패시터 앰프부와 전류 증폭부가 공통으로 되어 있으므로, 단 위 화소당 트랜지스터수를 삭감하는 것이 가능해진다. 또한 상기 광전 변환 소자의 신호 전하를 전압으로 변환하는 회로를 스위치드 커패시터형으로 하고 있으므로, 상기 전하 검출 노드의 용량을 실효적으로 저감시키는 것이 가능해져 전하 전압 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 전류 증폭부에 의해 스위치드 커패시터 앰프부에 의한 전하 검출 노드의 용량의 저감 효과가 더욱 증가하여 전하 전압 변환 효율을 보다 높일 수 있다. 따라서, 1화소당 트랜지스터수를 삭감해서 화소 사이즈의 소형화를 꾀하면서 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는,
상기 스위치드 커패시터 앰프부는,
상기 전하 검출 노드에 입력 단자가 접속된 반전 증폭기와,
상기 전하 검출 노드와 상기 반전 증폭기의 출력 단자 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와,
상기 전하 검출 노드와 상기 반전 증폭기의 출력 단자 사이에 접속된 제 1 커패시턴스(Capacitance) 소자를 갖는다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 전하 검출 노드와 입력 단자가 접속된 반전 증폭기와, 전하 검출 노드와 반전 증폭기의 출력 단자 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 전하 검출 노드와 반전 증폭기의 출력 단자 사이에 접속된 제 1 커패시턴스 소자를 갖는 스위치드 커패시터 앰프부를 사용함으로써, 간단한 구성으로 광전 변환 소자의 신호 전하를 전압으로 변환할 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 스위치드 커패시터 앰 프부의 상기 반전 증폭기는 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기이다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 반전 증폭기에 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기를 사용함으로써, 적은 회로구성으로 반전 증폭기의 게인을 크게 할 수 있어 전하 전압 변환 효율을 높일 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기의 정전류 부하는 디플리션(depletion) 타입의 트랜지스터이다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기의 정전류 부하에 디플리션 타입의 트랜지스터를 사용함으로써, 그 트랜지스터의 게이트 소스 사이를 단락하는 것만으로 간단히 정전류 부하를 스위치드 커패시터 앰프부내에 구성할 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는,
상기 전류 증폭부는 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 출력 단자가 게이트에 접속된 전류 증폭용 MOS 트랜지스터를 갖고,
상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터에 상기 공통의 신호선을 통해 공통의 부하부가 접속되고,
상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 상기 공통의 신호선으로 증폭기를 구성하고 있다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 전류 증폭부의 전류 증폭용 MOS 트랜지스터에 공통의 신호선을 통해 공통의 부하부가 접속되고, 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 공통의 부하부로 증폭기를 구성함으로써, 전류 증폭부의 부하부를 공통화할 수 있 어 회로를 간략화할 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 전류 증폭부는 상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 상기 공통의 신호선 사이에 접속된 선택 트랜지스터를 갖고 있다.
상기 실시형태에 의하면, 복수의 광전 변환부군마다 스위치드 커패시터 앰프부와 전류 증폭부를 구비한 구성에 있어서, 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 공통의 신호선 사이에 접속된 선택 트랜지스터에 의해 광전 변환부군을 선택하고, 선택된 광전 변환부군으로부터 선택된 광전 변환부의 신호를 공통의 신호선에 출력하는 것이 가능하게 된다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 상기 공통의 부하부의 조합에 의해 드레인 접지형 소스 팔로우어(follower) 회로를 구성한다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 공통의 부하부를 조합한 드레인 접지형 소스 팔로우어 회로는 입력 임피던스를 높게 또한 출력 임피던스를 낮게 할 수 있으므로, 적은 회로구성으로 충분한 구동 능력을 얻을 수 있다. 또한 상기 드레인 접지형 소스 팔로우어 회로의 입력 용량이 작기 때문에, 전단의 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 구동 전류를 억제할 수 있고, 나아가서는 스위치드 커패시터 앰프부에 큰 게인이 얻어져 전하 전압 변환 효율을 높이는 것으로 이어진다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 광전 변환 소자가 매입 형 포토 다이오드이다.
상기 실시형태에 의하면, 매입형의 포토 다이오드로부터의 신호 전하 전송을 완전하게 함으로써, 매우 저노이즈화된 보다 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는,
상기 전하 검출 노드에 일단이 접속된 제 2 커패시턴스 소자와,
상기 제 2 커패시턴스 소자의 타단에 접속되고, 상기 제 2 커패시턴스 소자를 통한 용량결합에 의해 상기 전하 검출 노드의 포텐셜을 깊게 하기 위한 승압부를 구비했다.
상기 실시형태에 의하면, 광전 변환 소자로부터 전송 트랜지스터를 통해 전하 검출 노드에 전하를 전송할 때, 승압부에 의해 제 2 커패시턴스 소자의 타단의 전위를 제어해서 전하 검출 노드의 포텐셜을 깊게 함으로써, 신호 전하의 전송을 용이하게 한다. 이것에 의해, 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하가 소실되지 않고 완전하게 전송되어 매우 저노이즈화할 수 있고, 고화질의 화상을 얻는 것이 가능해진다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는,
상기 스위치드 커패시터 앰프부는 전압으로 변환된 상기 신호를 선택 트랜지스터를 통해 출력하는 선택형 스위치드 커패시터 앰프부로서,
상기 선택형 스위치드 커패시터 앰프부를 복수개 구비하고,
상기 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부의 출력 단자가 공통으로 접속된 노드가 상기 전류 증폭부의 입력측에 접속되어 있다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부의 출력 단자가 공통으로 접속된 노드가 전류 증폭부의 입력측에 접속되어 있음으로써, 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부에서 전류 증폭부가 공유되므로, 단위 화소당 필요한 상기 전류 증폭부의 수가 감소되고, 나아가서는 단위 화소당 차지하는 트랜지스터수를 더욱 삭감할 수 있다. 특히, 공유하는 광전 변환부의 수가 많을수록 효과가 있고, 그 만큼 광전 변환 소자가 차지하는 면적을 크게 할 수 있고, 나아가서는 고감도화를 실현할 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 상기 반전 증폭기의 전원선의 전위를 제어하는 제어부를 구비했다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 반전 증폭기의 전원선의 전위를 제어부에 의해 제어함으로써, 광전 변환부가 비선택행의 경우에 동작을 정지시키는 것이 가능해지고, 종래 필요했던 선택 트랜지스터가 불필요하게 되어 단위 화소당 트랜지스터수를 삭감할 수 있다.
또한 일실시형태의 증폭형 고체 촬상장치에서는 상기 제어부에 의해 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 상기 반전 증폭기의 전원선의 전위를 하이 레벨과 로우 레벨 중 상기 로우 레벨로 함으로써 상기 반전 증폭기의 출력을 로우 레벨로 해서 상기 전류 증폭부의 동작을 정지시킨다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 제어부에 의해 스위치드 커패시터 앰프부의 반전 증폭기의 전원선의 전위를 하이 레벨로부터 로우 레벨로 함으로써 용이하게 전류 증폭부의 동작을 정지시킬 수 있다.
이상으로부터 명백하듯이, 본 발명의 증폭형 고체 촬상장치에 의하면, 1화소당 트랜지스터수를 삭감해서 화소 사이즈의 소형화를 꾀하면서, 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있는 증폭형 고체 촬상장치를 실현할 수 있다.
이하, 본 발명의 증폭형 고체 촬상장치를 도시한 실시형태에 의해 상세하게 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 일부를 나타내는 회로도이다. 이들의 화소는 매트릭스(행렬)상으로 2차원 배열되고, 간단히 하기 위해, i열내의 n행째를 나타내고 있으며, 각 행내에서 m개의 화소군이 포함되어 있다(단, m≥2, n≥2, i≥2이다).
도 1에서는, 복수행, 복수열의 광전 변환부(10) 중 i열째의 m개의 광전 변환부(10)로 이루어지는 광전 변환부군과, 그 광전 변환부군에 접속된 1개의 스위치드 커패시터 앰프부(20)와, 그 1개의 스위치드 커패시터 앰프부(20)에 접속된 1개의 전류 증폭부(21)를 나타내고 있다.
이 2차원 증폭형 고체 촬상장치는, 도 1에 나타내듯이, 광전 변환부(10)와, 스위치드 커패시터 앰프부(20)와, 전류 증폭부(21)와, 공통의 부하부의 일례로서의 수직 신호선 부하부(22)와, 승압부와 제어부를 포함하는 수직 주사 회로(25)로 이루어진다. 상기 광전 변환부(10)는 광전 변환 소자의 일례로서의 매입형의 포토 다이오드(1)와, 이 포토 다이오드(1)의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터(2)를 구비하고 있다.
또한 상기 스위치드 커패시터 앰프부(20)는 각 광전 변환부(10)의 전송 트랜지스터(2)의 출력 단자가 공통으로 접속된 전하 검출 노드(8)(그 용량을 CFD로 나타냄)와, 그 전하 검출 노드(8)가 게이트에 접속된 증폭 트랜지스터(3A)와 디플리션 타입의 정전류 부하 트랜지스터(3B)로 이루어지는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기와, 전하 검출 노드(8)와 반전 증폭기(3A, 3B)의 출력 사이에 접속된 리셋 트랜지스터(6)와, 전하 검출 노드(8)와 반전 증폭기(3A, 3B)의 출력 사이에 접속된 제 1 커패시턴스 소자의 일례로서의 커패시터(7)(그 용량을 Cin으로 나타냄)와, 이 전하 검출 노드(8)와 후술하는 승압 신호선 사이에 제 2 커패시턴스 소자의 일례로서의 커패시터(11)(그 용량을 Cup로 나타냄)를 갖는다.
또한 상기 전류 증폭부(21)는 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 출력과 공통의 신호선의 일례로서의 수직 신호선(9) 사이에 삽입되고, 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 출력 단자가 게이트에 접속된 전류 증폭용 MOS 트랜지스터인 전류 증폭 트랜지스터(5A)와, 전류 증폭 트랜지스터(5A)의 출력과 수직 신호선(9) 사이에 접속된 선택 트랜지스터(4)를 갖는다.
또한 수직 신호선 부하부(22)는 수직 신호선(9)과 접지 전위 사이에 접속된 정전류 부하 트랜지스터(5B)로 이루어진다. 상기 전류 증폭부(21)내의 전류 증폭 트랜지스터(5A)와 정전류 부하 트랜지스터(5B)의 조합에 의해 드레인 접지 소스 팔로우어 회로를 구성한다.
도 1에 있어서, T(n, 1), T(n, 2), …, T(n, m)은 각 전송 트랜지스터(2)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이며, R(n)은 리셋 트랜지스터(6)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이며, S(n)는 선택 트랜지스터(4)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이다.
또한 C(n)는 승압 신호선이며, 이 승압 신호선(C(n))은 제 2 커패시턴스 소자로서의 커패시터(11)가 접속되어 있다. 동작시에는, 수직 주사 회로(25)의 제어부에 의해 소정의 타이밍에서 승압 신호(φC(n))가 고전위에 들어올려져 커패시터(11)를 통한 용량결합에 의해 전하 검출 노드(8)의 포텐셜을 깊게 할 수 있다.
상기 게이트 구동 신호선(T(n, 1), T(n, 2), …, T(n, m))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φT(n, 1), φT(n, 2), …, φT(n, m))가 각 전송 트랜지스터(2)의 게이트에 인가된다. 또한 상기 게이트 구동 신호선(R(n))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φR(n))가 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 리셋 트랜지스터(6)의 게이트에 인가된다. 또한 상기 게이트 구동 신호선(S(n))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φS(n))가 전류 증폭부(21)의 선택 트랜지스터(4)의 게이트에 인가된다. 또한, 상기 승압 신호선(C(n))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 승압 신호(φC(n))가 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 커패시터(11)의 타단에 인가된다.
도 2는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 동작 타이밍을 나타내고 있다.
도 2에 나타내는 기간(T1)에서는 우선 선택 트랜지스터(4)에 인가되는 게이트 구동 신호(φS(n))가 하이 레벨이 되고, 리셋 트랜지스터(6)에 인가되는 게이트 구동 신호(φR(n))가 하이 레벨이 된다. 이것에 의해 리셋 트랜지스터(6)가 온상태로 되고, 증폭 트랜지스터(3A)와 정전류 부하 트랜지스터(3B)로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 기능에 의해, 전하 검출 노드(8)와 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 출력 전위가 어떤 일정한 전위(Vo)(리셋 레벨)로 리셋된다.
상기 리셋 레벨(Vo)은 다음과 같이 해서 정해진다. 증폭 트랜지스터(3A)와 정전류 부하 트랜지스터(3B)로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 회로는 도 3과 같이 나타내어진다. 그리고, 도 4에 나타내듯이, 이 반전 증폭기의 입력을 Vin이라고 하고, 출력을 Vout이라고 하고, 상술한 바와 같이 리셋 트랜지스터(6)가 온되어 입출력이 단락되면, Vout=Vin이 되기 때문에, 리셋 레벨(Vo)은 Vout=Vin인 직선과의 교점으로서 정해진다.
리셋 레벨(Vo)을 입력으로 하는 전류 증폭용 트랜지스터(5A)와 정전류 부하 트랜지스터(5B)로 구성된 드레인 접지 소스 팔로우어 회로(5A, 5B)의 출력(Vsig(i))이 수직 신호선(9)에 출력된다.
다음 기간(T2)에서는 게이트 구동 신호(φR(n))가 로우 레벨이 되고, 리셋 트랜지스터(6)는 오프상태가 된다. 한편, 게이트 구동 신호(φS(n))는 하이 레벨의 상태이며, 선택 트랜지스터(4)는 온상태로 되어 있다. 따라서, 전하 검출 노드(8)의 전위를 반전 증폭한 출력, 즉 상기 리셋 레벨(Vo)을 입력으로 한 소스 팔로우어 회로(5A, 5B)의 출력(Vsig(i))이 온상태의 선택 트랜지스터(4)를 통해 수직 신호선(9)에 판독된다.
다음 기간(T3)에서는 게이트 구동 신호(φT(n, 1))가 하이 레벨이 되고, 전송 트랜지스터(2)가 온상태가 된다. 포토 다이오드(1)에 축적된 신호 전하가 온상태의 전송 트랜지스터(2)를 통해 전하 검출 노드(8)에 전송된다. 또한, 게이트 구동 신호(φT(n, 1))에 동기해서 승압 신호(φC(n))가 하이 레벨이 된다. 이것에 의해 커패시터(11)(용량(Cup))를 통한 용량결합에 의해 전하 검출 노드(8)의 포텐셜이 깊어진다. 따라서, 포토 다이오드(1)로부터 전하 검출 노드(8)로의 전하 전송이 촉진된다. 또, 전하 검출 노드(8)의 포텐셜 변화는 승압 신호선(C(n))의 전위상승분을 커패시터(11)의 용량(Cup)과 전하 검출 노드(8)의 용량(CFD)으로 분배한 것에 상당하다.
다음 기간(T4)에서는 게이트 구동 신호(φT(n, 1))가 로우 레벨이 되고, 전송 트랜지스터(2)가 오프상태가 된다. 또한 게이트 구동 신호(φC(n))가 로우 레벨이 되므로, 커패시터(11)를 통한 용량결합에 의한 전하 검출 노드(8)의 포텐셜 변화는 해소된다. 이것에 의해 전하 검출 노드(8)에는 기간(T2)에서의 리셋 레벨(전위(Vo))로부터 기간(T3)에서의 신호 전하 전송에 의한 변화분 어긋난 전위(신호레벨)가 유지된다. 이 신호레벨은 증폭 트랜지스터(3A)와 정전류 부하 트랜지스터(3B)로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기에 의해 증폭되고, 그 증폭된 신호를 입력으로 한 드레인 접지 소스 팔로우어 회로(5A, 5B)의 출력(Vsig(i))이 온상태의 선택 트랜지스터(4)를 통해 수직 신호선(9)에 판독된다.
그리고, 수직 신호선(9)에 판독된 기간(T2)의 리셋 레벨과 기간(T4)의 신호 레벨 사이의 차신호를 기지의 CDS(상관 2중 샘플링) 회로나 차동 회로 등으로 취하면, 1번째의 광전 변환부(10)의 포토 다이오드(1)에 입사된 광에 의해 발생된 전하에 의한 실효적인 신호가 얻어진다.
1수평 주사 기간(1H기간)후, 2번째의 광전 변환부(10)에 대해서 상기 기간(T1)부터 기간(T4)에 있어서의 같은 동작이 게이트 구동 신호(φT(n, 1))를 대신해서 φT(n, 2)를 구동함으로써 행해진다.
이렇게 해서 광전 변환부(10)마다 기간(T1)부터 기간(T4)까지의 동작을 반복하면 열마다 각 포토 다이오드(1)로부터의 신호를 각각 증폭해서 수직 신호선(9)에 출력할 수 있다. 수직 신호선(9)에 판독된 신호(Vsig(i))는 각 수직 신호선에 대해서 공통으로 설치된 도면에 생략된 수평 신호선을 통해 순차적으로 출력된다.
또, 포토 다이오드(1)로부터 전송된 전하량을 Qsig라고 하고, 상기 정전류 부하형 소스 접지형 반전 증폭기의 게인을 A라고 하고, 상기 소스 팔로우어 회로의 게인을 B라고 하면, 판독되는 실효적인 신호는,
Vsig=B·A·Qsig/ [CFD+Cup+(1+A)Cin]………(8)
이 된다. 여기에서, 소스 팔로우어 회로의 게인(B)은 0.9정도, 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기의 게인(A)은,
Figure 112008007102945-PAT00002
이다. 식(9)중의 gm은 증폭 트랜지스터(3A)의 트랜스 컨덕턴스, ron은 증폭 트랜지스터(3A)의 출력 저항, rop는 정전류 부하 트랜지스터(3B)의 출력 저항이다. 특히, 게인(A)이 매우 큰 경우에는 식(8)로부터
Vsig≒B·Qsig/Cin ………(10)
이 된다. 따라서, 전하 전압 변환 효율(η)은
η=Vsig/Qsig=B/Cin ………(11)
이 된다. 이 식(11)로부터 알 수 있듯이, 게인(A)이 매우 큰 경우에는 출력되는 신호에 대한 전하 검출 노드(8)의 용량(CFD)의 영향은 실질적으로 거의 없어진다.
그런데, 종래의 증폭형 고체 촬상장치의 경우, 스위치드 커패시터 앰프부(20)가 수직 신호선(9)을 직접 구동하므로, 출력 저항(Zout)을 내릴 필요가 있고, 반전 증폭기의 게인(A)이 오르지 않아, 결과적으로 전하 전압 변환 효율(η)이 저하된다는 문제가 있었다. 이것에 대해서 본 발명에서는, 스위치드 커패시터 앰프부(20)와 수직 신호선(9) 사이에 전류 증폭부(21)를 설치하고 있기 때문에, 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 출력 저항(Zout)을 내릴 필요가 없어 반전 증폭기의 게인(A)을 높게 유지할 수 있다.
예를 들면 전류 증폭부(21)의 입력 부하는 수직 신호선(9)의 100분의 1이하이며, 출력 저항(Zout)을 종래예보다 100배로 한 경우,
Zout=14MΩ
이며, 게인(A)=350이 된다.
지금, 1개의 스위치드 커패시터 앰프부(20)가 8화소를 공유하는 구성으로 한 경우, 마찬가지로,
CFD=2fF×8=16fF
Cup=CFD
Cin=1fF
로 하면,
[CFD+Cup+(1+A)Cin]/A=1.09fF
가 되고, Cin과 거의 같은 값이 되어 전하 전압 변환 효율(η)의 저하를 막을 수 있다.
따라서, 열방향으로 공통으로 접속되는 광전 변환부(10)의 수m가 증가해서 전하 검출 노드(8)의 용량(CFD)이 커져도 전하 전압 변환 효율(η)의 저하가 발생되지 않는다. 이것은 종래의 증폭형 고체 촬상장치에 비해 본 발명에 의해 약간의 트랜지스터의 수의 증가분(정전류 부하 트랜지스터(3B)와 전류 증폭 트랜지스터(5A))를 보충하기에 충분하다.
즉, 종래의 증폭형 고체 촬상장치의 경우, 1개의 스위치드 커패시터 앰프부(20)가 8화소를 공유하는 구성으로서,
1화소당 점유 트랜지스터수는,
화소당 점유 트랜지스터수=11/8=1.375트랜지스터/화소
가 되고,
CFD=2fF×8=16fF
Cup=CFD
Cin=1fF
라고 하고, 게인(A)=35라고 하면, 전하 전압 변환율은,
전하 전압 변환율=1/1.94(fF)
=5.15×1014(V/쿨롱)
=8.24×10-5(V/전자)
=82.4(μV/전자)
이다. 본 발명의 증폭형 고체 촬상장치의 경우, 마찬가지로 1개의 스위치드 커패시터 앰프부(20)가 8화소를 공유하는 구성으로서, 게인(A)=350이라고 하고, 소스 팔로우어 회로의 게인(B)=0.9라고 하면,
화소당 점유 트랜지스터수=13/8=1.625트랜지스터/화소
전하 전압 변환율=1/1.09(fF)×B
=9.17×1014(V/쿨롱)×0.9
=13.2×10-5(V/전자)
=132(μV/전자)
가 되고, 1화소당 트랜지스터수 18% 증가에 대해서 전하 전압 변환율은 60% 향상된다. 이렇게, 본 발명이 고감도화에 유용한 것은 명확하다.
상기 구성의 2차원 증폭형 고체 촬상장치에 의하면, 복수의 광전 변환부(10)의 포토 다이오드(1) 각각으로부터 전송 트랜지스터(2)를 통해 신호 전하를 전하 검출 노드(8)에 전송하고, 각 광전 변환부(10)로부터 전하 검출 노드(8)에 전송된 신호 전하를 스위치드 커패시터 앰프부(20)에 의해 전압으로 변환하고, 그 전압으로 변환된 신호를 전류 증폭부(21)에 의해 전류 증폭해서 수직 신호선(9)에 출력한다. 이렇게, 복수의 광전 변환부(10)에 대해서 스위치드 커패시터 앰프부(20)와 전류 증폭부(21)가 공통으로 되어 있으므로, 단위 화소당 트랜지스터수를 삭감하는 것이 가능해진다. 또한 상기 포토 다이오드(1)의 신호 전하를 전압으로 변환하는 회로를 스위치드 커패시터형으로 하고 있으므로, 상기 전하 검출 노드(8)의 용량을 실효적으로 저감하는 것이 가능해지고, 전하 전압 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 전류 증폭부(21)에 의해 스위치드 커패시터 앰프부(20)에 의한 전하 검출 노드(8)의 용량의 저감 효과가 더욱 증가하여 전하 전압 변환 효율을 보다 높일 수 있다. 따라서, 1화소당 트랜지스터수를 삭감해서 화소 사이즈의 소형화를 꾀하면서, 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
또한 상기 전하 검출 노드(8)와 입력 단자가 접속된 반전 증폭기(3A, 3B), 전하 검출 노드(8)와 반전 증폭기(3A, 3B)의 출력 단자 사이에 접속된 리셋 트랜지스터와, 전하 검출 노드(8)와 반전 증폭기(3A, 3B)의 출력 단자 사이에 접속된 커패시터(7)를 갖는 스위치드 커패시터 앰프부(20)를 사용함으로써, 간단한 구성으로 포토 다이오드(1)의 신호 전하를 전압으로 변환할 수 있다.
또한 상기 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 반전 증폭기(3A, 3B)에 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기를 사용함으로써, 적은 회로구성으로 반전 증폭기의 게인을 크게 할 수 있어 전하 전압 변환 효율을 높일 수 있다.
또한 상기 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기(3A, 3B)의 정전류 부하에 디플리션 타입의 정전류 부하 트랜지스터(3B)를 사용함으로써, 그 게이트 소스간을 단락하는 것만으로 간단하게 정전류 부하를 스위치드 커패시터 앰프부(20)내에 구성할 수 있다.
또, 인핸스먼트형(enhancement type)으로 게이트 소스간을 단락한 경우, 전류가 흐르지 않고, 또한 인핸스먼트형으로 드레인 소스간을 단락한 경우, 전류는 흘러도 정전류 부하로는 되지 않아 큰 앰프 게인이 얻어지지 않는다. 따라서 간이한 구성으로 큰 앰프 게인이 얻어지는 정전류 부하를 구성하기 위해서는 디플리션 타입의 트랜지스터인 것이 필요하다.
또한 상기 전류 증폭부(21)는 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 출력 단자가 게이트에 접속된 전류 증폭용 MOS 트랜지스터를 사용한 전류 증폭 트랜지스터(5A)를 갖고, 그 전류 증폭 트랜지스터(5A)에 수직 신호선(9)을 통해 수직 신호선 부하부(22)가 접속되고, 전류 증폭 트랜지스터(5A)와 수직 신호선 부하부(22)로 증폭기를 구성하고 있으므로, 전류 증폭부(21)의 부하부를 공통화할 수 있어 회로를 간략화할 수 있다.
또한 상기 전류 증폭부(21)는 전류 증폭 트랜지스터(5A)와 수직 신호선(9) 사이에 선택 트랜지스터(4)를 접속함으로써, 복수의 광전 변환부군마다 스위치드 커패시터 앰프부(20)와 전류 증폭부(21)를 구비한 구성에 있어서, 전류 증폭 트랜 지스터(5A)와 수직 신호선(9) 사이에 접속된 선택 트랜지스터(4)에 의해 광전 변환부군을 선택하고, 선택된 광전 변환부군으로부터 선택된 광전 변환부(10)의 신호를 수직 신호선(9)에 출력하는 것이 가능해진다.
또한 상기 전류 증폭 트랜지스터(5A)와 수직 신호선 부하부(22)를 조합한 드레인 접지형 소스 팔로우어 회로는 출력 임피던스를 낮게 할 수 있으므로, 적은 회로구성으로 충분한 구동 능력을 얻을 수 있다. 또한 상기 드레인 접지형 소스 팔로우어 회로의 입력 용량이 작기 때문에, 전단의 상기 스위치드 커패시터 앰프부(20)의 구동 전류를 억제할 수 있고, 나아가서는 스위치드 커패시터 앰프부(20)에 큰 게인이 얻어져 전하 전압 변환 효율을 높이는 것으로 이어진다.
또한 포토 다이오드(1)는 매입형의 포토 다이오드이기 때문에, 이 포토 다이오드(1)에 축적된 신호 전하가 소실되지 않고 전송되어 저노이즈화할 수 있고, 고화질의 화상을 얻는 것이 가능해진다.
또한 포토 다이오드(1)로부터 전송 트랜지스터(2)를 통해 전하 검출 노드(8)에 전하를 전송할 때, 수직 주사 회로(25)의 승압부에 의해 커패시터(11)의 타단의 전위를 제어해서 전하 검출 노드(8)의 포텐셜을 깊게 하고, 신호 전하의 전송을 쉽게 한다. 이것에 의해 포토 다이오드(1)에 축적된 신호 전하가 소실되지 않고 완전히 전송되어 매우 저노이즈화할 수 있고, 고화질의 화상을 얻는 것이 가능해진다.
(제 2 실시형태)
도 5a, 도 5b는 본 발명의 제 2 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 일부를 나타내는 회로도이다.
제 1 실시형태의 경우, 스위치드 커패시터 앰프부(20)와 전류 증폭부(21)는 같은 수만큼 2차원 증폭형 고체 촬상장치에 포함되지만, 이 제 2 실시형태에서는 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)가 전류 증폭부(21)를 공유하고 있다. 그 밖의 구성요소에서 제 1 실시형태와 같은 구성요소에는 동일한 부호를 사용하고 있어, 개개의 설명을 생략한다.
도 5a, 도 5b에서는 복수행, 복수열의 광전 변환부(10) 중 i열째의 각각 m개의 광전 변환부(10)로 이루어지는 2개의 광전 변환부군과, 그 2개의 광전 변환부군마다 접속된 2개의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)와, 그 2개의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)에 접속된 1개의 전류 증폭부(21)를 나타내고 있다.
또한 T(n, 1, 1), …, T(n, 1, m), T(n, 2, 1), …, T(n, 2, m)는 각 전송 트랜지스터(2)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이며, R(n, 1), R(n, 2)은 리셋 트랜지스터(6)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이며, S(n)는 선택 트랜지스터(4)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이다. 또한 S2(n, 1), S2(n, 2)는 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)의 선택 트랜지스터(41)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선이며, C(n, 1), C(n, 2)는 승압 신호선이다.
상기 게이트 구동 신호선(T(n, 1, 1), …, T(n, 1, m), T(n, 2, 1), …, T(n, 2, m))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φT(n, 1, 1), …, φT(n, 1, m), φT(n, 2, 1), …, φT(n, 2, m))가 각 전송 트랜지스터(2)의 게이트에 인가된다. 또한 상기 게이트 구동 신호선(R(n, 1), R(n, 2))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φR(n, 1), φR(n, 2))가 선택형 스위치 드 커패시터 앰프부(20A)의 리셋 트랜지스터(6)의 게이트에 인가된다. 또한 상기 게이트 구동 신호선(S(n))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φS(n))가 전류 증폭부(21)의 선택 트랜지스터(4)의 게이트에 인가된다. 또한 상기 게이트 구동 신호선(S2(n, 1), S2(n, 2))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 게이트 구동 신호(φS2(n, 1), φS2(n, 2))가 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)의 선택 트랜지스터(41)의 게이트에 인가된다. 또한, 상기 승압 신호선(C(n, 1), C(n, 2))을 통해 수직 주사 회로(25)로부터의 승압 신호(φC(n, 1), φC(n, 2))가 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)의 커패시터(11)의 타단에 인가된다.
이 제 2 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치에서는 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)에는 새롭게 선택 트랜지스터(41)가 부가되지만, 전류 증폭부(21)가 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)에서 공유되므로, 제 1 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치에 비해 1화소당 트랜지스터수를 더욱 삭감할 수 있다. 이것은 공유하는 광전 변환부(10)의 수m가 많을수록 효과가 있고, 그리고, 그 만큼 포토 다이오드(1)가 차지하는 면적을 크게 할 수 있고, 나아가서는 고감도화를 실현할 수 있다.
또, 도 6에 구동 타이밍을 나타내지만, 제 1 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치와 같은 구동 원리이다.
또한 상기 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)의 출력 단자가 공통으로 접속된 노드가 전류 증폭부(21)의 입력측에 접속되어 있음으로써, 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부(20A)가 전류 증폭부(21)를 공유하므로, 단위 화소당 필요한 전류 증폭부의 수가 감소되고, 나아가서는 단위 화소당 차지하는 트랜지스터수를 더욱 삭감할 수 있다. 특히, 공유하는 광전 변환부(10)의 수가 많을수록 효과가 있고, 그 만큼 포토 다이오드(1)가 차지하는 면적을 크게 할 수 있고, 나아가서는 고감도화를 실현할 수 있다.
(제 3 실시형태)
도 7은 본 발명의 제 3 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 일부를 나타내는 회로도이다.
이 제 3 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 제 1 실시형태와의 차이는 전류 증폭부(21A)는 선택 트랜지스터를 포함하지 않고, 또 스위치드 커패시터 앰프부(20B)는 반전 증폭기(3A, 3B)의 전원선을 전원 전위에 고정하지 않고, V(n)인 제어선으로 제어하고 있다. 그 밖의 구성요소는 제 1 실시형태와 같으며, 같은 구성에는 동일한 부호를 사용하고, 개개의 설명을 생략한다.
도 8에 n행째가 선택행인 경우의 구동 타이밍을 나타낸다. 이것은 제 1 실시형태와 같기 때문에 설명을 생략한다.
도 9에 n행째가 비선택행인 경우의 구동 타이밍을 나타낸다. 이 경우, 각 전송 트랜지스터(2)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선(T(n, 1), T(n, 2), …, T(n, m)), 리셋 트랜지스터(6)를 제어하기 위한 게이트 구동 신호선(R(n)), 승압 신호선(C(n))은 비선택이기 때문에 로우 레벨이다.
또한 T1부터 T4 사이는 제어선(V(n))을 통해 반전 증폭기(3A, 3B)의 전원선 에 인가된 제어 신호(φV(n))가 로우 레벨로 되므로, 정전류 부하 트랜지스터(3B)를 통해서 반전 증폭기(3A, 3B)의 출력(즉 전류 증폭부(21A)의 전류 증폭 트랜지스터(5A)의 입력)이 접지 레벨이 된다.
이 때문에, 전류 증폭 트랜지스터(5A)가 오프상태로 되므로, 제 1 실시형태와 같은 선택 트랜지스터를 포함하지 않더라도, n행의 비선택동작을 실현할 수 있다. 이 선택 트랜지스터의 삭제에 의해 제 1 실시형태에 비해 1화소당 트랜지스터수를 더욱 삭감할 수 있다. 그리고, 그 만큼 포토 다이오드(1)가 차지하는 면적을 크게 할 수 있고, 나아가서는 고감도화를 실현할 수 있다.
또한 상기 반전 증폭기(3A, 3B)의 전원선의 전위를 수직 주사 회로(25)의 제어부에 의해 제어함으로써, 광전 변환부(10)가 비선택행인 경우에 동작을 정지시킬 수 있고, 종래 필요했던 선택 트랜지스터가 불필요하게 되어 단위 화소당 트랜지스터수를 삭감할 수 있다.
또한 상기 수직 주사 회로(25)의 제어부에 의해 상기 스위치드 커패시터 앰프부(20B)의 반전 증폭기(3A, 3B)의 전원선의 전위를 로우 레벨로 함으로써, 반전 증폭기(3A, 3B)의 출력을 로우 레벨로 해서 전류 증폭부(21A)의 동작을 정지시킬 수 있다.
또한 상기 제 1∼제 3 실시형태에서는 증폭형 고체 촬상장치의 일례로서의 화소가 2차원 배열된 2차원 증폭형 고체 촬상장치에 대해서 설명했지만, 화소가 1차원 배열된 증폭형 고체 촬상장치에 본 발명을 적용해도 된다.
본 발명의 구체적인 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 제 1∼ 제 3 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위내에서 여러가지 변경해서 실시할 수 있다. 그러한 변경은 본 발명의 정신과 범위로부터의 일탈이라고 간주되는 것은 아니며, 당업자에 있어서 자명한 변경은 모두 다음에 계속되는 크레임의 범위 중에 포함되는 것이다.
본 발명은 이하의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 충분히 이해할 수 있을 것이다. 첨부한 도면은 설명을 위한 것뿐이고, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 도면에 있어서,
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 동작 타이밍을 나타내는 차트도이다.
도 3은 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 요소로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 회로구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타내는 반전 증폭기의 특성을 나타내는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제 2 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 5a에 계속되는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5a, 도 5b의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 동작 타이밍을 나타내는 챠트도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 선택행의 동작 타이밍을 나타내 는 챠트도이다.
도 9는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 비선택행의 동작 타이밍을 나타내는 챠트도이다.
도 10은 종래의 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 동작 타이밍을 나타내는 챠트도이다.
도 12는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상장치의 요소로 구성되는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기의 회로구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 나타내는 반전 증폭기의 특성을 나타내는 도면이다.

Claims (12)

  1. 광전 변환 소자와 이 광전 변환 소자의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 광전 변환부를 복수개 구비하고, 상기 복수의 광전 변환부 각각으로부터의 신호를 증폭해서 공통의 신호선에 출력하는 증폭형 고체 촬상장치로서:
    상기 복수의 광전 변환부의 출력 단자가 공통으로 접속된 전하 검출 노드에 입력측이 접속되고, 상기 복수의 광전 변환부 각각으로부터의 상기 신호 전하를 전압으로 변환하는 스위치드 커패시터 앰프부; 및
    상기 스위치드 커패시터 앰프부에 의해 전압으로 변환된 상기 신호를 상기 공통의 신호선에 전류 증폭해서 출력하는 전류 증폭부를 구비한 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치드 커패시터 앰프부는,
    상기 전하 검출 노드에 입력 단자가 접속된 반전 증폭기;
    상기 전하 검출 노드와 상기 반전 증폭기의 출력 단자 사이에 접속된 리셋 트랜지스터; 및
    상기 전하 검출 노드와 상기 반전 증폭기의 출력 단자 사이에 접속된 제 1 커패시턴스 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 상기 반전 증폭기는 정 전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 정전류 부하 소스 접지형 반전 증폭기의 정전류 부하는 디플리션 타입의 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 증폭부는 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 출력 단자가 게이트에 접속된 전류 증폭용 MOS 트랜지스터를 갖고;
    상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터에 상기 공통의 신호선을 통해 공통의 부하부가 접속되고;
    상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 상기 공통의 신호선으로 증폭기를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전류 증폭부는 상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 상기 공통의 신호선 사이에 접속된 선택 트랜지스터를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 전류 증폭용 MOS 트랜지스터와 상기 공통의 부하부의 조합에 의해 드레인 접지형 소스 팔로우어 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광전 변환 소자가 매입형 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 검출 노드에 일단이 접속된 제 2 커패시턴스 소자; 및
    상기 제 2 커패시턴스 소자의 타단에 접속되고, 상기 제 2 커패시턴스 소자를 통한 용량결합에 의해 상기 전하 검출 노드의 포텐셜을 깊게 하기 위한 승압부를 구비한 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치드 커패시터 앰프부는 전압으로 변환된 상기 신호를 선택 트랜지스터를 통해 출력하는 선택형 스위치드 커패시터 앰프부로서:
    상기 선택형 스위치드 커패시터 앰프부를 복수개 구비하고;
    상기 복수의 선택형 스위치드 커패시터 앰프부의 출력 단자가 공통으로 접속된 노드가 상기 전류 증폭부의 입력측에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 상기 반전 증폭기의 전원선의 전위를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어부에 의해 상기 스위치드 커패시터 앰프부의 상기 반전 증폭기의 전원선의 전위를 하이 레벨과 로우 레벨 중 상기 로우 레벨로 함으로써, 상기 반전 증폭기의 출력을 로우 레벨로 해서 상기 전류 증폭부의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상장치.
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