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JP4299697B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば、CCD型イメージセンサなどの半導体イメージセンサを含む固体撮像装置に関する。
CCD型イメージセンサやMOS型イメージセンサなどの半導体イメージセンサは、現在ほとんどの画像入力デバイス装置に適用されている。近年は、消費電力が小さく、かつ、周辺回路と同じCMOS技術で作成できる利点を生かして、MOS型イメージセンサが見直されている。一方、画質の点では、CCD型イメージセンサが、低暗電流や固定パターンノイズが少ないなどの理由で、高画質向けの画像入力デバイス装置に対して未だに広く応用されている。
図8は、従来のCCD型イメージセンサの電荷検出部付近の回路を示したものである。この従来のCCD型イメージセンサは、信号電荷を転送する水平CCD101と、この水平CCD101により転送された電荷を検出容量(CFD)103により電圧変換する検出ダイオード102と、この検出ダイオード102を入力側とするソースフォロワ回路104と、上記水平CCD101からの転送電荷をリセットドレインRDに排出するリセットトランジスタ105とを備える。上記ソースフォロワ回路104は、増幅トランジスタ106と定電流負荷トランジスタ107とを備える。
なお、CCD型イメージセンサとして、出力回路には、記載の上記ソースフォロワ回路104以降に、さらに、出力インピーダンス変換のためのアンプ等が接続されてチップ外に出力されるが、図8の回路図では省略する。
そして、上記従来のCCD型イメージセンサの1画素周期(1CLK(クロック))あたりの動作を説明すると、図8と図9に示すように、時間T1では、φH1がハイレベルであるので、上記水平CCD101から上記検出ダイオード102に電荷転送されず、φH1ゲートの下に転送電荷が蓄積している。一方、φRがハイレベルとなり、上記検出ダイオード102の電位がリセットドレインRDの電位に固定される。
時間T2では、φRがローレベルとなって、上記検出ダイオード102の電位はフローティング状態になる。
時間T3では、φH1がローレベルとなり、φH1ゲートの下に蓄積されている電荷が、出力ゲートOGの下を通って、上記検出ダイオード102に転送される。この検出ダイオード102では、上記検出容量103により転送電荷が電圧に変換される。
期間T2と時間T3との差信号を、後続のクランプ回路や差動アンプあるいはCDS回路などで読み取れば、実効的な信号が読み出される。転送電荷をQsigとすると、このときの出力電圧Vsigは、次の(式1)となる。
Vsig=G・Qsig/CFD (式1)
ここで、CFDは、検出容量の値を示す。Gは、ソースフォロワ回路のゲインを示し、ほぼ0.8〜0.9程度の値である。
また、上記出力ゲートOGは、1V程度、上記リセットドレインRDおよび上記出力ドレインODは、12V程度、バイアス(Bias)は、0.8V程度の直流電圧が印加されることが、一般的である。
しかしながら、上記従来のCCD型イメージセンサでは、構成および動作において、以下の問題が生じる。すなわち、上記水平CCD101からの信号電荷Qsigを電圧信号Vsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、上記検出ダイオード102の検出容量103の値をCFDとすると、次の(式2)となる。
η=Vsig/Qsig=G/CFD (式2)
上記ソースフォロワ回路104では、ゲインGは0.8〜0.9程度であり、ソースフォロワ回路構成である限りゲイン1以上は実現出来ない。したがって、電荷電圧変換効率ηを大きくするには、上記検出容量103の値CFDを小さくする必要がある。このCFDは、上記リセットトランジスタ105のソース接合容量、上記増幅トランジスタ106のゲート容量、および、基板へのジャンクション容量の総和であるが、上記増幅トランジスタ106のゲート容量の値が、支配的あるため、この増幅トランジスタ106のゲート容量を小さくするために、この増幅トランジスタ106のサイズをできるだけ小さくするように設計される。
しかしながら、この増幅トランジスタ106で発生する熱雑音および1/f雑音の電力は、単位周波数あたり、次の(式3)および(式4)となる。
熱雑音電力∝1/gm∝1/√(CoxW/L) (式3)
1/f雑音電力∝1/(CoxLW) (式4)
すなわち、上記増幅トランジスタ106のサイズを小さくすると、相対的に上記雑音が大きくなる傾向にある。ここで、gmは、上記増幅トランジスタ106のトランスコンダクタンスを示し、Wは、上記増幅トランジスタ106のゲート幅を示し、Lは、上記増幅トランジスタ106のゲート長を示し、Coxは、単位面積当たりのゲート酸化膜容量である。
そこで、上記雑音成分を低減するために、酸化膜を薄くして、Coxを大きくする方法が提案されている(特開平6−216385号公報:特許文献1参照)。
しかしながら、Coxを大きくすると、ゲート容量が増大し、逆に、電荷電圧変換効率ηの低下が起こる。つまり、電荷電圧変換効率ηの向上と、上記増幅トランジスタ106で発生する雑音の低減とは、トレードオフの関係にある。
特開平6−216385号公報
そこで、この発明の課題は、上記問題を解決して、ノイズの少ない高画質の固体撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の固体撮像装置は、
複数の光電変換素子と、
この複数の光電変換素子で発生した光電荷を転送する複数の電荷転送素子と、
この複数の電荷転送素子によって転送された光電荷を検出する検出ダイオードと、
この検出ダイオードを入力側とするスイッチトキャパシタアンプと
を備え
上記スイッチトキャパシタアンプは、
上記検出ダイオードが入力側に接続された反転増幅器と、
この反転増幅器の入力と出力の間に接続されたリセットトランジスタと、
上記反転増幅器の入力と出力の間に、上記リセットトランジスタと並列して、接続された容量と
を有し、
上記反転増幅器は、ゲート接地型反転増幅器であることを特徴としている。
この発明の固体撮像装置によれば、上記検出ダイオードを入力側とする上記スイッチトキャパシタアンプを備えるので、転送された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換効率が、上記検出ダイオードの検出容量に依存しなくなる。このため、例えば、上記検出ダイオードの検出容量の主要因であると共に上記スイッチトキャパシタアンプに含まれる増幅トランジスタのゲートサイズを、自由に選択することができて、上記増幅トランジスタの熱雑音および1/f雑音を考慮した設計が可能となり、しかも、上記スイッチトキャパシタアンプに含まれるフィードバック容量の値を小さくすることで、電荷電圧変換効率の向上が可能となる。したがって、ノイズの少ない、より高画質の信号を得ることが可能となる。
また、簡単な構成で上記スイッチトキャパシタアンプを実現できる。また、上記反転増幅器に含まれる増幅トランジスタのゲートサイズを大きくすることで、上記増幅トランジスタの熱雑音および1/f雑音を低減でき、しかも、上記容量の値を小さくすることで、電荷電圧変換効率を向上できる。
また、上記ゲート接地型反転増幅器を用いているので、入力の変化に対する出力の変化(すなわち、ゲイン)を大きくすることができて、上記電荷電圧変換効率は、上記検出ダイオードの検出容量に全く依存しなくなる。したがって、低ノイズおよび高画質を確実に実現できる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記反転増幅器の負荷側素子は、定電流負荷トランジスタである。
この一実施形態の固体撮像装置によれば、定電流負荷トランジスタを用いているので、数十kΩ以上の大きな負荷を簡単に作製できる。すなわち、ゲート接地型増幅器のゲインは、増幅トランジスタのトランスコンダクタンスと負荷抵抗との積になるので、上記負荷抵抗を大きくして、上記ゲインを確実に大きくできる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記反転増幅器の負荷側素子は、高抵抗である。
この一実施形態の固体撮像装置によれば、(例えばN−抵抗やNウエル抵抗などの)高抵抗を用いているので、定電流負荷トランジスタでは実現できない大きな抵抗も実現できる。すなわち、一般に、CCDは、Nchトランジスタのみで構成されているため、新たに本回路だけのためのPchトランジスタが不要になる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記反転増幅器の負荷側素子は、ゲートとドレインが接続されている負荷トランジスタある。
この一実施形態の固体撮像装置によれば、負荷側素子にゲートドレイン接続トランジスタ負荷を用いているため、増幅トランジスタ、負荷トランジスタともにNchトランジスタ構成にでき、Pchトランジスタが不要になる。CCDは一般にNchトランジスタのみで構成されているため、新たに本回路だけのためのPchトランジスタが不要になる。かつ、プロセスばらつきも高抵抗に比べて小さくなる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記リセットトランジスタのゲートの印加パルスを発生するゲート印加パルス発生回路を有する。
この一実施形態の固体撮像装置によれば、直流電圧が重畳されていない入力パルスから直流電圧が重畳されている印加パルスを生成することが可能となって、上記反転増幅器の入出力を確実に短絡することができる。
また、一実施形態の固体撮像装置では、
上記ゲート印加パルス発生回路は、
上記スイッチトキャパシタアンプの上記反転増幅器と同一構造の他の反転増幅器と、
上記スイッチトキャパシタアンプの上記リセットトランジスタと同一構造の他のリセットトランジスタと
を有する。
この一実施形態の固体撮像装置によれば、上記ゲート印加パルス発生回路により重畳される直流電圧は、プロセスばらつき、電源電圧の変動および温度変化などの影響を、上記検出ダイオードに接続された上記スイッチトキャパシタアンプにおける上記反転増幅器および上記リセットトランジスタと全く同様に受けるため、常に最適な直流電圧が重畳されることとなり、良好な動作が保証される。
また、一実施形態の固体撮像装置では、
上記他の反転増幅器の入力と出力が接続され、
上記他のリセットトランジスタのドレインとゲートが接続され、
上記他のリセットトランジスタのドレインとソースが高抵抗を介して接続され、
上記他の反転増幅器の出力と、上記他のリセットトランジスタのソースとが、接続され、
上記スイッチトキャパシタアンプの上記リセットトランジスタのゲートと、上記他のリセットトランジスタのドレインとが、接続されている。
この一実施形態の固体撮像装置によれば、簡単な構成で、上記ゲート印加パルス発生回路を実現できる。
この発明の固体撮像装置によれば、上記検出ダイオードを入力側とするスイッチトキャパシタアンプを出力回路として用いることにより、電荷電圧変換効率が上記検出ダイオードの検出容量に依存しない構成となる。これにより、従来困難であった電荷電圧変換率の向上と雑音の低減との両立が可能となって、ノイズの少ない高画質の固体撮像装置を実現することができる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、この発明の固体撮像装置の一実施形態である回路図を示している。この固体撮像装置は、CCD型イメージセンサであり、(図示しない)複数の光電変換素子と、この複数の光電変換素子で発生した光電荷(信号電荷)を転送する(電荷転送素子の一例である)水平CCD1と、この水平CCD1により転送された電荷を検出容量3により電圧変換する検出ダイオード2と、この検出ダイオード2を入力側とするスイッチトキャパシタアンプ4とを備える。
なお、記載の上記スイッチトキャパシタアンプ4以降に、さらに、出力インピーダンス変換のためのアンプ等が接続されてチップ外に出力されるが、図1の回路図では省略する。
上記スイッチトキャパシタアンプ4は、上記検出ダイオード2が入力側に接続された反転増幅器8と、この反転増幅器8の入力と出力の間に接続されたリセットトランジスタ5と、上記反転増幅器8の入力と出力の間に上記リセットトランジスタ5と並列して接続された(容量の一例である)フィードバック容量9とを有する。
上記反転増幅器8は、Pch(Pチャネル)の増幅トランジスタ6とNch(Nチャネル)の定電流負荷トランジスタ7とを有するゲート接地型反転増幅器である。
次に、図1および図2を用いて、本発明の固体撮像装置の1画素周期(1CLK(クロック))あたりの動作を説明する。図2は、図1で示した回路の動作を説明するタイミングチャートである。
期間T1では、上記スイッチトキャパシタアンプ4のリセットトランジスタ5のゲートに印加されるφRがハイとなり、上記増幅トランジスタ6および上記定電流負荷トランジスタ7を有する上記反転増幅器8の入出力間が短絡されて、上記検出ダイオード2の電位が、一定電位Voにリセットされる。
ここで、上記反転増幅器8の入出力間が短絡されると、上記検出ダイオード2の電位が一定電位Voにリセットされるという理由を説明する。図3に上記反転増幅器8の回路図を示し、図4に上記反転増幅器8の特性を示し、上記反転増幅器(反転増幅型アンプ)8の入出力間を短絡すると、図4に示すように、反転増幅型アンプの特性曲線(実線)とVout=Vinなる直線(点線)との交点がVoとなって、上記検出ダイオード2は、この電圧Voにリセットされるのである。
期間T2では、φRがローとなり、上記リセットトランジスタ5はオフとなって、電位的にフローティング状態である上記検出ダイオード2の電位を反転増幅した出力が、読み出される。このとき、上記水平CCD1からの電荷転送は行われない。
期間T3では、φH1がローレベルになり、上記水平CCD1により転送された電荷が、出力ゲートOGを越えて、上記検出ダイオード2に読み出され、上記検出ダイオード2の電位が下がる。同時に、上記検出ダイオード2の下がった電位を反転増幅した出力が、読み出される。
以上の動作により、期間T2と期間T3との差信号を、後続のクランプ回路や差動アンプあるいはCDS回路などで取れば、実効的な信号が読み出される。さらに、CDS動作の採用により、リセット時に発生するリセットノイズ、および、アンプ部で発生する低周波ノイズを抑圧することができる。また、一般的に、上記出力ゲートOGの電圧は、1V程度の直流電圧であり、上記出力ドレインODは、12V程度の電源電圧が印加される。
ここで、上記水平CCD1から転送された電荷量をQsigとし、上記反転増幅器(反転増幅アンプ)8のゲインをAとすれば、読み出される実効的な信号Vsigは、次の(式5)となる。
Vsig = A・Qsig/[CFD+(1+A)CFB] (式5)
FDは、上記検出ダイオード2の検出容量3の値であり、CFBは、上記フイードバック容量9の値である。
ここで、上記反転増幅器8のゲインAは、次の(式6)となる。
A = gm・(rop //ron) (式6)
gmは、上記増幅トランジスタ6のトランスコンダクタンスであり、ropは、上記増幅トランジスタ6の出力抵抗であり、ronは、上記定電流負荷トランジスタ7の出力抵抗である。
また、上記アンプゲインAが非常に大きい場合、上記信号Vsigは、次の(式7)となる。
Vsig 〜 Qsig/CFB (式7)
そして、上記電荷電圧変換効率ηは、次の(式8)となる。
η = Vsig/Qsig=1/CFB (式8)
すなわち、出力される上記信号Vsigは、上記検出容量値CFDに依存しないことが示され、上記電荷電圧変換率ηを上げるために、上記検出容量値CFDを小さくする必要が無くなる。これにより、アンプ設計の自由度が増し、ひいては熱雑音や1/f雑音などを考慮したアンプ設計が可能となる。もちろん、上記検出容量値CFDを小さくして、上記電荷電圧変換率ηを向上させることもできる。
なお、本実施形態では、上記反転増幅器8の負荷を、定電流負荷トランジスタとしたが、もちろん高抵抗を用いても良い。
図5は、上記リセットトランジスタ5のゲートの印加パルスφRを発生するゲート印加パルス発生回路を示す回路図である。このゲート印加パルス発生回路10は、図1に示す上記スイッチトキャパシタアンプ4の上記反転増幅器8と同一構造の他の反転増幅器18と、図1に示す上記スイッチトキャパシタアンプ4の上記リセットトランジスタ5と同一構造の他のリセットトランジスタ15とを有する。
上記他の反転増幅器18は、上記スイッチトキャパシタアンプ4の上記反転増幅器8の上記増幅トランジスタ6と同一構造の他の増幅トランジスタ16と、上記スイッチトキャパシタアンプ4の上記反転増幅器8の上記定電流負荷トランジスタ7と同一構造の他の定電流負荷トランジスタ17とを有する。
そして、上記他の反転増幅器18の入力と出力が接続される。上記他のリセットトランジスタ15のドレインとゲートが接続され、上記他のリセットトランジスタ15のドレインとソースが高抵抗14を介して接続される。
上記他の反転増幅器18の出力と、上記他のリセットトランジスタ15のソースとが、接続され、図1に示す上記スイッチトキャパシタアンプ4の上記リセットトランジスタ5のゲートと、上記他のリセットトランジスタ15のドレインとが、接続されている。
ここで、一般に、図1に示すように、出力ドレインODの電圧が、約12V程度に対して、上記リセットトランジスタ5のゲートの印加パルスφRの振幅は3V程度である。このため、上記反転増幅器8の入出力を短絡するためには、上記印加パルスφRに一定の直流電圧の重畳が必要である。しかしながら、この重畳すべき直流電圧は、回路のプロセスばらつき、電源電圧の変動、および、温度変化などにより、最適値が一様でない。
そこで、本発明は、図5に示すように、上記ゲート印加パルス発生回路10を有することで、上記問題を解決する。すなわち、上記反転増幅器8と同一構造の他の反転増幅器18を同一の半導体基板上に作製し、この他の反転増幅器18の入出力間を接続することで、仮想的なリセットドレイン電圧を発生し、さらに、上記リセットトランジスタ5と同一構造の他のリセットトランジスタ15を同一の半導体基板上に作製し、この他のリセットトランジスタ15のゲートとドレインを接続することで、直流電圧が重畳されていない入力パルスφRSTから、直流電圧が重畳されている印加パルスφRを生成することが可能となる。
このように、上記重畳される直流電圧は、プロセスばらつき、電源電圧の変動、および、温度変化などの影響を、上記検出ダイオード2に接続された上記反転増幅器8および上記リセットトランジスタ5と全く同様に受けるため、常に最適な直流電圧が重畳されることとなり、良好な動作が保証される。
なお、リセットトランジスタと同一構造のトランジスタを用いたリセットパルス発生回路に関して、本発明の発明者は、既に特許権を得ている(例えば、特許第3439581号公報、特許3415775号公報)。
(第2の実施形態)
図6は、この発明の固体撮像装置の第2の実施形態を示す回路図である。この第2の実施形態では、図1に示す上記第1の実施形態とは、反転増幅器の構成が相違し、その他の回路および駆動パルスのタイミングチャートは同一である。すなわち、図6において、図1と同一の構造は、同一の符号を付し、その説明を省略する。
図6に示すように、この反転増幅器28は、カスコード型反転増幅器であり、順次、増幅トランジスタ26と、Pchカスコードトランジスタ21と、Nchカスコードトランジスタ22と、定電流負荷トランジスタ27とを備える。
このカスコード型の反転増幅器28のゲインAは、次の(式9)となる。
A = gm1・[ ( gm2・rop1・rop2 ) // ( gm3・ron3・ron4 ) ] (式9)
gm1は、上記増幅トランジスタ26のトランスコンダクタンスであり、gm2は、上記Pchカスコードトランジスタ21のトランスコンダクタンスであり、gm3は、上記Nchカスコードトランジスタ22のトランスコンダクタンスである。また、rop1は、上記増幅トランジスタ26の出力抵抗であり、rop2は、上記Pchカスコードトランジスタ21の出力抵抗であり、ron3は、上記Nchカスコードトランジスタ22の出力抵抗であり、ron4は、上記定電流負荷トランジスタ27の出力抵抗である。
このカスコード型の反転増幅器28のゲインAの値は、図1に示される定電流負荷ソース接地型の反転増幅器のゲインより数十倍大きいため、上記(式5)で示される検出容量値CFDの影響を全く受けない。
(第3の実施形態)
図7は、この発明の固体撮像装置の第3の実施形態を示す回路図である。この第3の実施形態では、図1に示す上記第1の実施形態とは、反転増幅器の構成が相違し、その他の回路および駆動パルスのタイミングチャートは同一である。すなわち、図7において、図1と同一の構造は、同一の符号を付し、その説明を省略する。
図7に示すように、この反転増幅器38は、増幅トランジスタ36と負荷トランジスタ37とを備える。この負荷トランジスタ37は、上記増幅トランジスタ36と同一のタイプ(この場合、ともにNchタイプ)であり、この負荷トランジスタ37のゲートとドレインは、接続されている。
この反転増幅器38のゲインAは、上記増幅トランジスタ36のゲートサイズを(W/L)1とし、上記負荷トランジスタ37のゲートサイズを(W/L)2とすると、次の(式10)となる。
A =√[(W/L)1/(W/L)2] (式10)
この反転増幅器38のゲインAの値は、図1に示される定電流負荷ソース接地型の反転増幅器のゲインより低いが、新たにPchトランジスタを作る必要が無いことが利点である。
本発明の固体撮像装置の第1実施形態を示す回路図である。 図1の駆動パルスのタイミングチャートである。 図1の反転増幅器の回路図である。 図1の反転増幅器の特性を示すグラフである。 図1のリセットパルス発生のための回路図である。 本発明の固体撮像装置の第2実施形態を示す回路図である。 本発明の固体撮像装置の第3実施形態を示す回路図である。 従来の固体撮像装置の回路図である。 図8の駆動パルスのタイミングチャートである。
符号の説明
1 水平CCD
2 検出ダイオード
3 検出容量
4 スイッチトキャパシタアンプ
5 リセットトランジスタ
6 増幅トランジスタ
7 定電流負荷トランジスタ
8 反転増幅器
9 フィードバック容量
10 ゲート印加パルス発生回路
14 高抵抗
15 他のリセットトランジスタ
16 他の増幅トランジスタ
17 他の定電流負荷トランジスタ
18 他の反転増幅器
21 Pchカスコードトランジスタ
22 Nchカスコードトランジスタ
26 増幅トランジスタ
27 定電流負荷トランジスタ
28 反転増幅器
36 増幅トランジスタ
37 負荷トランジスタ
38 反転増幅器
101 水平CCD
102 検出ダイオード
103 検出容量
104 ソースフォロワ回路
105 リセットトランジスタ
106 増幅トランジスタ
107 定電流負荷トランジスタ

Claims (7)

  1. 複数の光電変換素子と、
    この複数の光電変換素子で発生した光電荷を転送する複数の電荷転送素子と、
    この複数の電荷転送素子によって転送された光電荷を検出する検出ダイオードと、
    この検出ダイオードを入力側とするスイッチトキャパシタアンプと
    を備え
    上記スイッチトキャパシタアンプは、
    上記検出ダイオードが入力側に接続された反転増幅器と、
    この反転増幅器の入力と出力の間に接続されたリセットトランジスタと、
    上記反転増幅器の入力と出力の間に、上記リセットトランジスタと並列して、接続された容量と
    を有し、
    上記反転増幅器は、ゲート接地型反転増幅器であることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 請求項に記載の固体撮像装置において、
    上記反転増幅器の負荷側素子は、定電流負荷トランジスタであることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 請求項に記載の固体撮像装置において、
    上記反転増幅器の負荷側素子は、高抵抗であることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 請求項に記載の固体撮像装置において、
    上記反転増幅器の負荷側素子は、ゲートとドレインが接続されている負荷トランジスタであることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項に記載の固体撮像装置において、
    上記リセットトランジスタのゲートの印加パルスを発生するゲート印加パルス発生回路を有することを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項に記載の固体撮像装置において、
    上記ゲート印加パルス発生回路は、
    上記スイッチトキャパシタアンプの上記反転増幅器と同一構造の他の反転増幅器と、
    上記スイッチトキャパシタアンプの上記リセットトランジスタと同一構造の他のリセットトランジスタと
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項に記載の固体撮像装置において、
    上記他の反転増幅器の入力と出力が接続され、
    上記他のリセットトランジスタのドレインとゲートが接続され、
    上記他のリセットトランジスタのドレインとソースが高抵抗を介して接続され、
    上記他の反転増幅器の出力と、上記他のリセットトランジスタのソースとが、接続され、
    上記スイッチトキャパシタアンプの上記リセットトランジスタのゲートと、上記他のリセットトランジスタのドレインとが、接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
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