JP4205717B2 - Optical sensor circuit and image sensor - Google Patents
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Description
本発明は光センサ回路およびイメージセンサに関し、特に、入射光の照度に応じた線形出力特性と対数出力特性を有し、転送電荷を増して感度を高め、ダイナミックレンジが広いMOS型イメージセンサを実現するのに好適な光センサ回路、およびこの光センサ回路を1つの画素として用いて作製されるイメージセンサに関する。 The present invention relates to an optical sensor circuit and an image sensor, and in particular, has a linear output characteristic and a logarithmic output characteristic corresponding to the illuminance of incident light, and realizes a MOS type image sensor having a wide dynamic range with increased transfer charge and sensitivity. The present invention relates to an optical sensor circuit suitable for the image sensor, and an image sensor manufactured using the optical sensor circuit as one pixel.
MOS型イメージセンサの各画素を形成する光センサ回路の種類には、入射光の照度(強度)の変化に対して線形出力特性を有する光センサ回路と、入射光の照度の変化に対して対数出力特性を有する光センサ回路とが含まれる。以下に、これらの光センサ回路を概説し、併せてその特性をSN比、ダイナミックレンジ、残像、低照度時の感度等の点で評価する。 The types of photosensor circuits forming each pixel of the MOS type image sensor include a photosensor circuit having linear output characteristics with respect to a change in illuminance (intensity) of incident light, and a logarithm with respect to a change in illuminance of incident light. And an optical sensor circuit having output characteristics. In the following, these optical sensor circuits will be outlined, and their characteristics will be evaluated in terms of SN ratio, dynamic range, afterimage, sensitivity at low illumination, and the like.
図16に、線形出力特性を有する光センサ回路の回路例を示す。この光センサ回路101は、入射光(光信号)L1を検出して電気信号に変換する光センサ素子としてのフォトダイオードPDを備える。フォトダイオードPDは、寄生容量(配線の浮遊容量を含む)であるコンデンサC1を有している。光センサ回路101は、さらに、コンデンサC1の電荷を充放電するためのMOS型トランジスタQ1と、コンデンサC1の端子電圧を増幅するためのMOS型トランジスタQ2と、その増幅された端子電圧(Vout)を画素信号として選択的に出力させるMOS型トランジスタQ3を備える。MOS型トランジスタQ3のドレイン端子には抵抗Rが接続されている。
FIG. 16 shows a circuit example of an optical sensor circuit having a linear output characteristic. The
MOS型トランジスタQ1のゲート端子G1およびドレイン端子D1は電圧コントローラ102によって所要の電圧V1,V2が印加される。またMOS型トランジスタQ3のゲート端子G3および抵抗Rの外側端子T1には同じく電圧コントローラ102等(画素選択回路等)によって所要の電圧V3,V4が印加される。上記の電圧コントローラ102によって出力される所要の電圧V1〜V4の発生のタイミングは、タイミング信号発生部103によって指示される。
Necessary voltages V1 and V2 are applied by the
上記光センサ回路101の動作を説明する。MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧V2をハイレベルに維持した状態で、初期化のタイミングで、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧V1をハイレベルにする。これにより、フォトダイオードPDのコンデンサC1に残っている電荷はMOS型トランジスタQ1のドレインに排出される。その後、ゲート電圧V1をローレベル(0V)に切り換え、MOS型トランジスタQ1をオフする。その後、さらにフォトダイオードPDのコンデンサC1に電荷の蓄積を行わせる。電荷の蓄積で生じたコンデンサC1に端子電圧はMOS型トランジスタQ2のゲートに印加される。フォトダイオードPDでの一定の露光時間の経過後に、MOS型トランジスタQ3をオンにすると、MOS型トランジスタQ3のドレインから光信号が電圧Voutとして出力される。
The operation of the
上記光センサ回路101において、フォトダイオードPDに流れる光電流は、フォトダイオードPDのコンデンサC1に充電された電荷の放電電流により支配される。従って、光センサ回路101のセンサ出力である出力電圧Voutは、放電電流に比例した線形出力特性を示すことになる。光センサ回路101は、露光時間に基づいてセンサ出力を制御できることから、蓄積型イメージセンサとなる。しかし、光センサ回路101の回路構成によれば、出力される出力電圧Voutは入射光L1の強度に比例するため、強い光が入射した場合は飽和し、ダイナミックレンジは広くとれないという問題を有している。
In the
光センサ回路101に類似した回路構成を有する光センサ回路は、特許文献1の図7等に示されている。
An optical sensor circuit having a circuit configuration similar to the
次に図17に対数出力特性を有する光センサ回路の回路例を示す。図17において、上記の図16で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、これらの要素に関して重複する詳細説明を省略する。この光センサ回路201では、光センサ回路101におけるMOS型トランジスタQ1の代わりにMOS型トランジスタQ21が用いられている。MOS型トランジスタQ21では、ゲートがドレインに電気的に接続されている。フォトダイオードPD、コンデンサC1、MOS型トランジスタQ2、MOS型トランジスタQ3、抵抗R等のその他の回路構成は、図16で説明したものと同じである。この光センサ回路201では、MOS型トランジスタQ21によって、フォトダイオードPDのセンサ電流を弱反転状態で対数特性を有するセンサ電圧に変換するようにしている。
Next, FIG. 17 shows a circuit example of an optical sensor circuit having logarithmic output characteristics. In FIG. 17, elements that are substantially the same as those described in FIG. 16 are given the same reference numerals, and redundant detailed description of these elements is omitted. In the
光センサ回路201において、MOS型トランジスタQ21のゲートはそのドレインに接続され、ドレイン電圧とゲート電圧とを同一の一定のドレイン電圧V2に設定し、MOS型トランジスタQ3をオンにして出力電圧Voutとして光信号を検出するようにしている。MOS型トランジスタQ3のゲート端子G3には電圧コントローラ102からハイレベルのゲート電圧が供給される。
In the
光センサ回路201は、対数出力特性を利用するためダイナミックレンジを広くとることができる。しかし、光電流がMOS型トランジスタQ21のチャンネルを介して流れるため、蓄積型イメージセンサのように露光時間を長くしてS/N比を向上させることができない。従って上記光センサ回路101による蓄積型イメージセンサに比べて低照度の感度は劣る。さらにMOS型トランジスタQ21に流れる電流が少ないと、そのチャンネルのインピーダンスが高くなるため、残像を生じ易いという問題がある。
Since the
対数出力特性を有する光センサ回路は特許文献1に記載されている。
上記のごとく、線形出力特性を示す光センサ回路によれば、検出信号は入射光強度に比例するため、強い光が入射した場合には飽和し、ダイナミックレンジは広く取ることができない。また対数出力特性を示す光センサ回路によれば、低照度の感度は劣り、MOS型トランジスタQ21に流れる電流が少ないときトランジスタのチャンネルインピーダンスが高くなり、残像を生じ易くなる。 As described above, according to the optical sensor circuit exhibiting linear output characteristics, since the detection signal is proportional to the incident light intensity, it is saturated when a strong light is incident, and a wide dynamic range cannot be obtained. Further, according to the optical sensor circuit exhibiting logarithmic output characteristics, the sensitivity of low illuminance is inferior, and when the current flowing through the MOS transistor Q21 is small, the channel impedance of the transistor becomes high and an afterimage is likely to occur.
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、低照度の入射光に対して線形出力特性を有しかつ高照度の入射光に対して対数出力特性を有する光センサ回路であって、線形出力範囲を任意に設定可能にして光センサ回路毎のばらつきを抑制でき、低照度等でS/N比が高く、サンプル・ホールド時に電荷集積用コンデンサで信号電荷の集積を高めて感度を高くすることができる光センサ回路、およびこの光センサ回路を使用して成るイメージセンサを提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is an optical sensor circuit having linear output characteristics with respect to incident light with low illuminance and logarithmic output characteristics with respect to incident light with high illuminance, and having a linear output range. Can be set arbitrarily, the variation of each optical sensor circuit can be suppressed, the S / N ratio is high at low illumination, etc., and the signal charge is increased by the capacitor for charge integration during sample and hold to increase the sensitivity. It is an object of the present invention to provide a photosensor circuit that can be used, and an image sensor using the photosensor circuit.
本発明に係る光センサ回路およびイメージセンサは、上記目的を達成するために、次のように構成される。 In order to achieve the above object, an optical sensor circuit and an image sensor according to the present invention are configured as follows.
第1の光センサ回路(請求項1に対応)は、光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子から出力される電流信号を弱反転状態で対数特性を有する電圧信号に変換するための第1MOS型トランジスタ(Q1)と、光電変換素子の電圧検出端子に接続された第1静電容量素子(C1)と、電圧信号を保持する第2静電容量要素(C2)と、第1静電容量素子と第2静電容量素子の間の電荷の移動を制御するための第2MOS型トランジスタ(Q4)と、第1MOS型トランジスタQ1と第2MOS型トランジスタQ4のゲート電圧とドレイン電圧を供給する制御手段とを備える。この制御手段は、次のように電圧制御を行う。最初に、第1MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧を第1の所定時間だけ高い電圧値(VdH)に設定し、第1MOS型トランジスタQ1のゲート電圧と第2MOS型トランジスタQ4のゲート電圧をそれぞれ第2の所定時間だけ高い電圧値(Vg1H,Vg2H)に設定し、光信号として集積するための第2静電容量要素の充電または放電を制御して一定の電位に設定する。その後、第2MOS型トランジスタQ4をオフして第2静電容量素子をオープン状態にした上で、第1MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧を低い電圧(VdL)に設定すると共に、第1MOS型トランジスタQ1のゲート電圧を中間電位(Vg1M)に設定し、これにより、第1静電容量素子の電荷を放電させる。その後、第1MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧を高い電圧(VdH)に設定し、その後第3の所定時間が経過した時に、第1MOS型トランジスタQ1のゲート電圧を低い電圧(Vg1L)に設定し、かつVdHとVg1Mについて「Vg1M−VdH<Vth1、かつ、Vg1M−VdL>Vth1、ここでVth1は第1MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧」の関係を満たすように設定する。その後、一定の露光時間経過後に第2MOS型トランジスタQ4のゲート電圧を第4の所定時間だけ所定の電圧(Vg2M)に設定し、かつVg1MとVg2Mについて「Vg1M<Vg2M<Vg1M+Vth2、ここでVth2は第2MOS型トランジスタQ4のしきい値電圧」の関係を満たすように設定し、これにより前記第1静電容量素子の電荷を第2静電容量素子に転送する。その後、第2MOS型トランジスタQ4をオフして第2静電容量素子をオープン状態にした上で第2静電容量素子の端子電圧をセンサ出力信号とする。 A first optical sensor circuit (corresponding to claim 1) converts a light signal into a current signal, and converts a current signal output from the photoelectric conversion element into a voltage signal having a logarithmic characteristic in a weak inversion state. A first MOS transistor (Q1), a first capacitance element (C1) connected to a voltage detection terminal of the photoelectric conversion element, a second capacitance element (C2) holding a voltage signal, A second MOS transistor (Q4) for controlling charge movement between the first capacitance element and the second capacitance element, and gate voltages and drain voltages of the first MOS type transistor Q1 and the second MOS type transistor Q4. And control means for supplying. This control means performs voltage control as follows. First, the drain voltage of the first MOS transistor Q1 is set to a high voltage value (VdH) for a first predetermined time, and the gate voltage of the first MOS transistor Q1 and the gate voltage of the second MOS transistor Q4 are respectively set to the second voltage. A high voltage value (Vg1H, Vg2H) is set for a predetermined time, and charging or discharging of the second capacitance element to be integrated as an optical signal is controlled and set to a constant potential. Thereafter, the second MOS transistor Q4 is turned off to open the second capacitance element, the drain voltage of the first MOS transistor Q1 is set to a low voltage (VdL), and the first MOS transistor Q1 The gate voltage is set to an intermediate potential (Vg1M), thereby discharging the charge of the first capacitance element. Thereafter, the drain voltage of the first MOS transistor Q1 is set to a high voltage (VdH), and then the gate voltage of the first MOS transistor Q1 is set to a low voltage (Vg1L) when a third predetermined time has elapsed. VdH and Vg1M are set so as to satisfy the relationship of “Vg1M−VdH <Vth1 and Vg1M−VdL> Vth1, where Vth1 is the threshold voltage of the first MOS transistor Q1”. Thereafter, the gate voltage of the second MOS transistor Q4 is set to a predetermined voltage (Vg2M) for a fourth predetermined time after a certain exposure time has elapsed, and “Vg1M <Vg2M <Vg1M + Vth2, where Vth2 is the first voltage Vg2M”. It is set so as to satisfy the relationship of “threshold voltage of 2MOS transistor Q4”, whereby the charge of the first capacitance element is transferred to the second capacitance element. Thereafter, the second MOS transistor Q4 is turned off to open the second capacitance element, and the terminal voltage of the second capacitance element is used as a sensor output signal.
第2の光センサ回路(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは、上記制御手段は、第1MOS型トランジスタ(Q1)のゲート中間電位(Vg1M)と低い設定電位(Vg1L)を任意の電圧に切り換えることで特徴づけられる。 In the second photosensor circuit (corresponding to claim 2), in the above configuration, it is preferable that the control unit has a gate intermediate potential (Vg1M) and a low set potential (Vg1L) of the first MOS transistor (Q1). It is characterized by switching to an arbitrary voltage.
第3の光センサ回路(請求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくは、第2MOS型トランジスタ(Q4)の端子電圧を増幅するための第3MOS型トランジスタ(Q2)を備えることで特徴づけられる。 The third photosensor circuit (corresponding to claim 3) preferably has a third MOS type transistor (Q2) for amplifying the terminal voltage of the second MOS type transistor (Q4) in the above configuration. It is attached.
第4の光センサ回路(請求項4に対応)は、上記の構成において、好ましくは、第3MOS型トランジスタ(Q2)から出力される電圧信号を選択的に出力させるための第4MOS型トランジスタ(Q3)を備えることで特徴づけられる。 In the above configuration, the fourth photosensor circuit (corresponding to claim 4) is preferably a fourth MOS transistor (Q3) for selectively outputting a voltage signal output from the third MOS transistor (Q2). ).
本発明に係るイメージセンサ(請求項5に対応)は、前述した第1から第4のいずれかの光センサ回路を1画素として撮像領域が形成されることで特徴づけられる。 An image sensor according to the present invention (corresponding to claim 5) is characterized in that an imaging region is formed using one of the first to fourth photosensor circuits described above as one pixel.
本発明によれば次の効果を奏する。
第1に本発明によれば、光電変換素子に入射光が照射された時にMOS型トランジスタQ1の動作に基づき入射光の強度に応じて第1静電容量要素に電荷を蓄電し、次に電荷転送用MOS型トランジスタQ4の動作に基づき第1静電容量要素から第2静電容量要素へ電荷を転送する光センサ回路で、電荷転送時に第2静電容量要素の電荷蓄積用の電位を第1静電容量要素の電位よりも高くなるように設定したため、第1静電容量要素に溜まった電荷を第2静電容量要素へ効率よく転送でき、第1静電容量要素に溜まった電荷を有効に活用でき、サンプル・ホールド時に電荷集積用コンデンサで信号電荷の集積を高め、光センサ回路のセンサ感度を高くすることができる。
第2に本発明によれば、入射光の照度に応じて線形出力特性と対数出力特性を有する光センサ回路で、線形出力特性領域と対数出力特性領域の間の変化点を制御することができ、変化点の電位の各光センサ回路毎のばらつきを安定的になくし、低照度等でS/N比が高く、高感度で、ダイナミックレンズが広く、さらに残像を少なくすることができる。
The present invention has the following effects.
First, according to the present invention, when the photoelectric conversion element is irradiated with incident light, the charge is stored in the first capacitance element according to the intensity of the incident light based on the operation of the MOS transistor Q1, and then the charge is charged. An optical sensor circuit that transfers charges from the first capacitance element to the second capacitance element based on the operation of the transfer MOS transistor Q4. The charge storage potential of the second capacitance element is set to the first level during charge transfer. Since it is set to be higher than the potential of one capacitance element, the charge accumulated in the first capacitance element can be efficiently transferred to the second capacitance element, and the charge accumulated in the first capacitance element can be transferred. It can be used effectively, and the signal charge can be increased by the capacitor for charge integration during sample and hold, and the sensor sensitivity of the optical sensor circuit can be increased.
Secondly, according to the present invention, the change point between the linear output characteristic region and the logarithmic output characteristic region can be controlled by the optical sensor circuit having the linear output characteristic and the logarithmic output characteristic according to the illuminance of the incident light. The variation of the potential of the changing point for each optical sensor circuit can be stably eliminated, the S / N ratio is high at low illuminance and the like, the sensitivity is wide, the dynamic lens is wide, and the afterimage can be reduced.
以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments (examples) of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1〜図12を参照して本発明に係る光センサ回路の第1実施形態を説明する。図1は第1実施形態に係る光センサ回路の回路構成を示す。図1〜図12において、前述の「背景技術」の欄の説明で用いた図16と図17で示した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。 A first embodiment of an optical sensor circuit according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a circuit configuration of an optical sensor circuit according to the first embodiment. 1 to 12, elements that are substantially the same as the elements shown in FIGS. 16 and 17 used in the description of the “Background Art” section are given the same reference numerals.
図1は本発明の第1実施形態に係る光センサ回路を示す。光センサ回路10は、光L1を検出して電気信号に変換する光センサ素子であるフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDの寄生容量(配線等の浮遊容量を含む)であるコンデンサC1を備えている。コンデンサC1は、フォトダイオードPDのアノード・カソード間に並列に接続され、フォトダイオードPDの電圧検出端子(カソード)に接続されている。なおフォトダイオードPDは光センサ素子の一例であり、光センサ素子はこれに限定されない。
FIG. 1 shows an optical sensor circuit according to a first embodiment of the present invention. The
フォトダイオードPDに対して、そのセンサ電流を弱反転状態で対数特性を有するセンサ電圧に変換する変換用のMOS型トランジスタQ1が備えられる。MOS型トランジスタQ1はドレイン11dとソース11sとゲート11gを有する。フォトダイオードPDのカソードはMOS型トランジスタQ1のソース11sに接続されている。他方、フォトダイオードPDのアノードはアース端子に接続されている。MOS型トランジスタQ1のドレイン端子12dには電圧コントローラ13からドレイン電圧Vdが供給され、さらにそのゲート端子12gには電圧コントローラ13からゲート電圧Vg1が供給される。
The photodiode PD is provided with a conversion MOS transistor Q1 for converting the sensor current into a sensor voltage having a logarithmic characteristic in a weak inversion state. The MOS transistor Q1 has a
光センサ回路10では、さらに、電荷を蓄積するためのコンデンサC2と、電荷を移動させるためのMOS型トランジスタQ4を備える。MOS型トランジスタQ4は、コンデンサC1とコンデンサC2の間で、コンデンサC1からコンデンサC2へ電荷を選択的に移動させるための電荷移動用MOS型トランジスタである。この電荷移動用MOS型トランジスタQ4は「シャッタトランジスタ」とも呼ばれている。
The
MOS型トランジスタQ4がオン動作すると、光センサ回路10が、入射される光L1に感応して当該光の信号を電圧信号としてサンプルしかつホールドする。光センサ回路10の当該サンプル・ホールド機能は「シャッタ機能」と呼ばれる。
When the MOS transistor Q4 is turned on, the
MOS型トランジスタQ4では、そのソース16sがフォトダイオードPDのカソードに接続され、そのドレイン16dがセンサ信号を出力する出力端子17となっている。MOS型トランジスタQ4のゲート16gのゲート端子18gには電圧コントローラ13からゲート電圧Vg2が供給される。
In the MOS transistor Q4, its
電圧コントローラ13によって供給される電圧Vd,Vg1,Vg2の供給タイミングはタイミング信号発生部14によって指示され、各時点の各電圧のレベルは予め定められている。電圧コントローラ13等によって供給される電圧Vd,Vg1,Vg2のそれぞれの電圧波形図は図2のタイミングチャートに示される。電圧コントローラ13とタイミング信号発生部14とに基づいて初期設定機能および電圧制御機能を有する制御手段15が構成される。
The timings for supplying the voltages Vd, Vg1, and Vg2 supplied by the
電圧コントローラ13から供給される電圧Vd,Vg1,Vg2の電圧レベルの状態によってMOS型トランジスタQ1,Q2の動作状態を制御・設定する。これにより光センサ回路10の動作が制御され、上記シャッタ機能が実現される。
The operating states of the MOS transistors Q1 and Q2 are controlled and set according to the voltage levels of the voltages Vd, Vg1 and Vg2 supplied from the
上記の光センサ回路10の動作を以下に説明する。
The operation of the
まず基本的動作を説明する。フォトダイオードPDに光L1が入射されると、フォトダイオードPDでは光L1の照度(または強度)に応じてセンサ電流が流れる。このセンサ電流は、その電荷がコンデンサC1に蓄電されてセンサ電圧に変換され、コンデンサC1の端子電圧(VC1)として維持される。MOS型トランジスタQ1は、フォトダイオードPDのセンサ電流を弱反転状態で対数特性を有するセンサ電圧(VC1)に変換する。次に所定タイミングでMOS型トランジスタQ4がオンしてコンデンサC1とコンデンサC2が電気的に接続された状態になり、コンデンサC1に蓄電された電荷がコンデンサC2に移動し、コンデンサC2に蓄電され、コンデンサC2の端子電圧として保持されることになる。光センサ回路10の出力端子17からの出力電圧Voutは、コンデンサC2の端子電圧として取り出される。
First, the basic operation will be described. When the light L1 is incident on the photodiode PD, a sensor current flows in the photodiode PD according to the illuminance (or intensity) of the light L1. This sensor current is stored in the capacitor C1 as a terminal voltage (VC1) of the capacitor C1 after the electric charge is stored in the capacitor C1 and converted into a sensor voltage. The MOS transistor Q1 converts the sensor current of the photodiode PD into a sensor voltage (VC1) having a logarithmic characteristic in a weak inversion state. Next, the MOS transistor Q4 is turned on at a predetermined timing and the capacitor C1 and the capacitor C2 are electrically connected. The charge stored in the capacitor C1 moves to the capacitor C2, and is stored in the capacitor C2. It is held as the terminal voltage of C2. The output voltage Vout from the
次に、図2〜図5を参照して、電圧コントローラ13によって供給される電圧Vd,Vg1,Vg2との関係での光センサ回路10の動作を説明する。
Next, the operation of the
図2のタイミングチャートは、初期の電圧設定および電荷転送を行うための回路各部の電圧のレベルおよび発生タイミングを示している。また図3〜図5はポテンシャル図である。図3は初期化設定のポテンシャル図であり、図4は露光時のポテンシャル図であり、図5は電荷転送時のポテンシャル図である。各ポテンシャル図において、MOS型トランジスタQ1のドレイン11dの電位(Vd)、MOS型トランジスタQ1のゲート11gの電位(Vg1)、コンデンサC1の電位、MOS型トランジスタQ4のゲート16gの電位(Vg2)、コンデンサC2の電位のそれぞれの状態が示されている。
The timing chart of FIG. 2 shows voltage levels and generation timings of respective parts of the circuit for performing initial voltage setting and charge transfer. 3 to 5 are potential diagrams. FIG. 3 is a potential diagram for initialization setting, FIG. 4 is a potential diagram for exposure, and FIG. 5 is a potential diagram for charge transfer. In each potential diagram, the potential (Vd) of the
図2において、t1〜t2で、MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧Vdを高い電圧値(VdH)に設定すると共に、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1とMOS型トランジスタQ4のゲート電圧Vg2をそれぞれ高い電圧値(Vg1H,Vg2H)に設定する。これにより、MOS型トランジスタQ1のドレイン11dとコンデンサC1とコンデンサC2は導通状態になり、光信号として集積するためのコンデンサC2の充電または放電を制御して所望の一定の電位に設定する。
In FIG. 2, the drain voltage Vd of the MOS transistor Q1 is set to a high voltage value (VdH) from t1 to t2, and the gate voltage Vg1 of the MOS transistor Q1 and the gate voltage Vg2 of the MOS transistor Q4 are respectively set to high voltages. Set to the value (Vg1H, Vg2H). As a result, the
上記の状態は図3の(A)に示される。図3の(A)で、縦軸は電位を意味し、横軸は光センサ回路10におけるMOS型トランジスタQ1のドレイン11d(Vd)、MOS型トランジスタQ1のゲート11g(Vg1)、コンデンサC1、MOS型トランジスタQ4のゲート16g(Vg2)、コンデンサC2を示している。縦軸の電位では、下方に向うほど電位が高くなるように設定されている。このことは、図3の(B)〜(D)、図4の(A),(B)、図5の(A)〜(C)でも同じである。図3の(A)で、ドレイン電圧Vd、ゲート電圧Vg1,Vg2の各電位は高い状態(Highの電位レベル)の状態にあり、それぞれ同レベルで、コンデンサC1,C2は電気的に接続された状態にある。図3の(A)に示す状態に基づきコンデンサC2はリセットされた状態になる。
The above state is shown in FIG. In FIG. 3A, the vertical axis indicates the potential, and the horizontal axis indicates the
次に時点t2において、ゲート電圧Vg2を低い電圧(Vg2L)にしてMOS型トランジスタQ4をオフし、コンデンサC2をオープン状態にする。ここでコンデンサC2の「オープン状態」とは、コンデンサC1との電気的な接続関係が切断された状態を意味する。すなわちサンプル・ホールド(S/H)がリセットされた状態(ST1)になる。 Next, at time t2, the gate voltage Vg2 is set to a low voltage (Vg2L), the MOS transistor Q4 is turned off, and the capacitor C2 is opened. Here, the “open state” of the capacitor C2 means a state in which the electrical connection relationship with the capacitor C1 is disconnected. That is, the sample hold (S / H) is reset (ST1).
その後、コンデンサC2がオープン状態である上で、時点t3で、MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧Vdを低い電圧(VdL)に設定すると共に、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1を中間的な電位(Vg1M:Mediumの電位レベル)に設定する。ドレイン電圧VdがVdLである状態は時点t4まで続き、ゲート電圧Vg1がVg1Mである状態は時点t5まで続く。ドレイン電圧Vdがt3〜t4の間で低い電圧(VdL)にされることにより、コンデンサC1に蓄電された電荷は放電され、フォトダイオードPDはリセットされる(状態ST2)。コンデンサC1も、電荷が放電されることによりリセット状態になる。 After that, the capacitor C2 is in an open state, and at time t3, the drain voltage Vd of the MOS transistor Q1 is set to a low voltage (VdL) and the gate voltage Vg1 of the MOS transistor Q1 is set to an intermediate potential (Vg1M : Medium potential level). The state where the drain voltage Vd is VdL continues until time t4, and the state where the gate voltage Vg1 is Vg1M continues until time t5. When the drain voltage Vd is set to a low voltage (VdL) between t3 and t4, the charge stored in the capacitor C1 is discharged, and the photodiode PD is reset (state ST2). The capacitor C1 is also reset when the electric charge is discharged.
上記の状態は図3の(B)に示される。図3の(B)で、ドレイン電圧Vdのレベルは低電位側の状態にあり、ゲート電圧Vg1の電位は中間的な電位(Mediumの電位レベル)の状態にあり、ゲート電圧Vg2の電位は低い電位(Lowの電位レベル)の状態にある。このときコンデンサC1とコンデンサC2は電気的に切断されている。図3の(B)に示す状態に基づきコンデンサC1はリセットされた状態になる。 The above state is shown in FIG. In FIG. 3B, the level of the drain voltage Vd is in a low potential state, the potential of the gate voltage Vg1 is in an intermediate potential (Medium potential level), and the potential of the gate voltage Vg2 is low. It is in a potential (low potential level) state. At this time, the capacitor C1 and the capacitor C2 are electrically disconnected. Based on the state shown in FIG. 3B, the capacitor C1 is reset.
その後、時点t4で、MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧Vdを高い電圧(VdH)に設定する。 Thereafter, at time t4, the drain voltage Vd of the MOS transistor Q1 is set to a high voltage (VdH).
上記の状態は図3の(C)に示される。図3の(C)で、ドレイン電圧Vdのレベルは高電位側の状態にあり、ゲート電圧Vg1の電位は中間的な電位(Mediumの電位レベル)の状態にあり、ゲート電圧Vg2の電位は低い電位(Lowの電位レベル)の状態にある。このときコンデンサC1とコンデンサC2は電気的に切断されおり、かつコンデンサC1の電位がコンデンサC2の電位よりも高くなるように、電位差(状態ST11)が設定される。 The above state is shown in FIG. In FIG. 3C, the level of the drain voltage Vd is in a high potential side state, the potential of the gate voltage Vg1 is in an intermediate potential state (Medium potential level), and the potential of the gate voltage Vg2 is low. It is in a potential (low potential level) state. At this time, the capacitor C1 and the capacitor C2 are electrically disconnected, and the potential difference (state ST11) is set so that the potential of the capacitor C1 is higher than the potential of the capacitor C2.
さらにその後、所定時間(t5−t4)経過した時に、時点t5で、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1を低い電圧(Vg1L)に設定する。 Thereafter, when a predetermined time (t5-t4) has passed, the gate voltage Vg1 of the MOS transistor Q1 is set to a low voltage (Vg1L) at time t5.
上記において、VdHとVg1Mについては、「Vg1M−VdH<Vth1、かつ、Vg1M−VdL>Vth1、ここで、“Vth1”はMOS型トランジスタQ1のしきい値電圧」という関係を満たすように設定されている。換言すれば、MOS型トランジスタQ1の中間的なゲート電圧値Vg1Mは、MOS型トランジスタQ1のドレイン電圧VdHに当該MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧を加算した電圧値を超えないように設定される。 In the above, VdH and Vg1M are set so as to satisfy the relationship of “Vg1M−VdH <Vth1 and Vg1M−VdL> Vth1, where“ Vth1 ”is the threshold voltage of the MOS transistor Q1”. Yes. In other words, the intermediate gate voltage value Vg1M of the MOS transistor Q1 is set so as not to exceed the voltage value obtained by adding the threshold voltage of the MOS transistor Q1 to the drain voltage VdH of the MOS transistor Q1. .
図3の(D)では、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1を低い電圧(Vg1L)に変化させる途中の状態を示している。矢印AR1はゲート電圧Vg1の変化の方向を示している。その他は、図3の(C)の状態と同じである。矢印AR1のごとくゲート電圧Vg1を変化させることにより、MOS型トランジスタQ1に基づく線形−対数特性が実現される。 FIG. 3D shows a state in the middle of changing the gate voltage Vg1 of the MOS transistor Q1 to a low voltage (Vg1L). An arrow AR1 indicates the direction of change of the gate voltage Vg1. Others are the same as the state of (C) of FIG. By changing the gate voltage Vg1 as indicated by the arrow AR1, linear-logarithmic characteristics based on the MOS transistor Q1 are realized.
以上によって光センサ回路10の初期設定(初期化)が完了する。
Thus, the initial setting (initialization) of the
その後、上記の状態に基づき、一定の露光時間(t4〜t6)が経過し、露光が行われる(状態ST3)。露光時間(t4〜t6)において、フォトダイオードPDに流れるセンサ電流がコンデンサC1に電荷として蓄電される。 Then, based on said state, fixed exposure time (t4-t6) passes and exposure is performed (state ST3). During the exposure time (t4 to t6), the sensor current flowing through the photodiode PD is stored as a charge in the capacitor C1.
上記露光時間の経過後に、MOS型トランジスタQ4のゲート電圧Vg2を所定時間(t6〜t7)だけ中間的な値の電圧(Vg2M)に設定する。 After the exposure time has elapsed, the gate voltage Vg2 of the MOS transistor Q4 is set to an intermediate voltage (Vg2M) for a predetermined time (t6 to t7).
上記において、Vg1MとVg2Mについて、「Vg1M<Vg2M<Vg1M+Vth2、ここで、“Vth2”はMOS型トランジスタQ4のしきい値電圧」という大小関係を満たすように設定する。 In the above, Vg1M and Vg2M are set so as to satisfy the magnitude relationship of “Vg1M <Vg2M <Vg1M + Vth2, where“ Vth2 ”is the threshold voltage of the MOS transistor Q4”.
上記の電圧制御によって、t6〜t7の時間間隔でコンデンサC1に露光に基づき蓄電された電荷をコンデンサC2に転送し、コンデンサC2に電荷を蓄える(状態ST4)。 By the voltage control described above, the charge stored in the capacitor C1 based on the exposure is transferred to the capacitor C2 at time intervals t6 to t7, and the charge is stored in the capacitor C2 (state ST4).
さらにその後、ゲート電圧Vgを低い電圧(Vg2L)にしてMOS型トランジスタQ4をオフし、コンデンサC2をオープン状態にした上でコンデンサC2の端子電圧をセンサ出力信号として取り出す。 Thereafter, the gate voltage Vg is set to a low voltage (Vg2L), the MOS transistor Q4 is turned off, the capacitor C2 is opened, and the terminal voltage of the capacitor C2 is taken out as a sensor output signal.
上記の一連の動作が所定のタイミングで周期的に繰り返される。 The above series of operations is periodically repeated at a predetermined timing.
次に、図6〜図8等を参照して、時点t4以降、すなわち露光開始以降の光センサ回路10における動作について説明する。
Next, with reference to FIG. 6 to FIG. 8 and the like, operations in the
図6は、MOS型トランジスタQ1の中間のゲート電圧値Vg1Mとしきい値電圧Vth1、およびフォトダイオードPDの端子電圧VC1の関係を示している。 FIG. 6 shows the relationship between the intermediate gate voltage value Vg1M and threshold voltage Vth1 of the MOS transistor Q1 and the terminal voltage VC1 of the photodiode PD.
図6の左側ブロック21の部分で示すように、時点t4の直後、フォトダイオードPDの端子電圧VC1は、MOS型トランジスタQ1の中間のゲート電圧値Vg1Mに対してMOS型トランジスタQ1のしきい値電圧Vth1に相当する電位差だけ低い電圧になるように、ナノ秒オーダ以下のスピードで急激に上昇する。
As shown in the
その後は、さらに時間が経過すると、図6の右側ブロック22の部分に示すように、フォトダイオードPDの端子電圧VC1が上昇し、MOS型トランジスタQ1の中間的ゲート電圧値Vg1MとフォトダイオードPDの端子電圧VC1との電圧差が、MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧Vth1より小さくなる。フォトダイオードPDの端子電圧VC1が上昇するのは、MOS型トランジスタQ1のチャネルインピーダンスが高くなり、サブスレショルド電流が流れるからである。
Thereafter, as time further elapses, the terminal voltage VC1 of the photodiode PD increases as shown in the
上記のごとくサブスレショルド電流が流れ過渡特性を有している状態のt5の時点で、MOS型トランジスタQ1の中間的なゲート電圧値Vg1Mを低いゲート電圧値Vg1Lに切り換える。 As described above, the intermediate gate voltage value Vg1M of the MOS transistor Q1 is switched to the lower gate voltage value Vg1L at time t5 when the subthreshold current flows and has transient characteristics.
なお、時点t4と時点t5の間隔は、好ましくは、約マイクロ秒オーダの時間に設定される。このように時間間隔に設定することで、サブスレショルド電流が流れている状態にフォトダイオードPDの端子電圧VC1は到達する。 The interval between time t4 and time t5 is preferably set to a time on the order of about microseconds. By setting the time interval in this way, the terminal voltage VC1 of the photodiode PD reaches the state in which the subthreshold current is flowing.
中間的なゲート電圧値Vg1Mと高いドレイン電圧VdHの差を、MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧Vth1より小さくなるように設定した目的は、このようなサブスレショルド電流が流れている状態にフォトダイオードPDの端子電圧VC1を設定するためである。さらに、時点t5で、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1Mを低い電圧Vg1Lに設定する目的は、下記に示す電位差(W)を大きく設定するためである。 The purpose of setting the difference between the intermediate gate voltage value Vg1M and the high drain voltage VdH to be smaller than the threshold voltage Vth1 of the MOS transistor Q1 is that the photodiode is in a state where such a subthreshold current flows. This is for setting the terminal voltage VC1 of the PD. Furthermore, the purpose of setting the gate voltage Vg1M of the MOS transistor Q1 to the low voltage Vg1L at the time t5 is to set the potential difference (W) shown below to be large.
W=VC1−(Vg1L−Vth)
ここで、VC1:フォトダイオードPDの端子電圧
Vg1L:MOS型トランジスタQ1のゲート電圧
Vth1:MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧
W = VC1- (Vg1L-Vth)
Here, VC1: terminal voltage of the photodiode PD
Vg1L: gate voltage of the MOS transistor Q1
Vth1: threshold voltage of MOS transistor Q1
すなわち、フォトダイオードPDの端子電圧(VC1)を、ゲート電圧(Vg1L)からしきい値電圧(Vth1)分低い電圧よりも高く設定するためである。 That is, this is because the terminal voltage (VC1) of the photodiode PD is set higher than a voltage lower than the gate voltage (Vg1L) by the threshold voltage (Vth1).
上記のように、電位差Wを高くする設定することで、MOS型トランジスタQ1のゲートをオフすることができ、これにより、露光時、低照度においてはフォトダイオードの寄生容量には光電変換した電荷の蓄積が行われ、フォトダイオードPDの端子電位(VC1)は線形的に電位変動する。このような線形的に電位変動する範囲を「線形出力領域」と呼ぶ。この状態を図4の(A)に示す。図4の(A)で、矢印AR2はコンデンサC1に蓄電される電荷の増加を示す。コンデンサC1で蓄電される電荷の量は、ゲート電位Vg1Lを超えることはない。また露光時、高照度においては、MOS型トランジスタQ1のゲートがオンし、サブしきい値で動作することになり、光電変換した電荷はMOS型トランジスタQ1を流れ、フォトダイオードPDの端子電位は対数出力特性を示す。このような対数的に電位変動する範囲を「対数出力領域」と呼ぶ。この状態を図4の(B)に示す。図4の(B)で、矢印AR3はコンデンサC1に蓄電された電荷の量がゲート電位Vg1Lを超え、ドレイン側に溢れた状態を示している。 As described above, by setting the potential difference W to be high, the gate of the MOS transistor Q1 can be turned off. As a result, at the time of exposure at low illuminance, the parasitic capacitance of the photodiode has a photoelectric conversion charge. Accumulation is performed, and the terminal potential (VC1) of the photodiode PD varies linearly. Such a range in which the potential varies linearly is referred to as a “linear output region”. This state is shown in FIG. In FIG. 4A, an arrow AR2 indicates an increase in the charge stored in the capacitor C1. The amount of charge stored in the capacitor C1 does not exceed the gate potential Vg1L. At the time of exposure, at high illuminance, the gate of the MOS transistor Q1 is turned on and operates at the sub-threshold value. The photoelectrically converted charge flows through the MOS transistor Q1, and the terminal potential of the photodiode PD is logarithmic. Output characteristics are shown. Such a range in which the potential varies logarithmically is referred to as a “logarithmic output region”. This state is shown in FIG. In FIG. 4B, an arrow AR3 indicates a state where the amount of charge stored in the capacitor C1 exceeds the gate potential Vg1L and overflows to the drain side.
以上において、上記電位差Wを大きくすることにより、線形出力領域を大きくすることができる。この理由を以下に図7を参照して詳細を説明する。 In the above, the linear output region can be increased by increasing the potential difference W. The reason for this will be described in detail below with reference to FIG.
図7は、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1としきい値電圧Vth1の関係、およびフォトダイオードPDの端子電圧VC1との関係を示している。ゲート電圧Vg1を低下させることにより、フォトダイオードPDの端子電圧VC1を保持したまま、ゲート電圧Vg1やしきい値電圧Vth1との関係を変化させることができる。すなわち、図7中に特定の範囲として示された上記のW、すなわち電位差Wを変化させることができる。 FIG. 7 shows the relationship between the gate voltage Vg1 of the MOS transistor Q1 and the threshold voltage Vth1, and the relationship between the terminal voltage VC1 of the photodiode PD. By reducing the gate voltage Vg1, the relationship between the gate voltage Vg1 and the threshold voltage Vth1 can be changed while maintaining the terminal voltage VC1 of the photodiode PD. That is, the above-described W shown as a specific range in FIG. 7, that is, the potential difference W can be changed.
図7では、図中左側に示した電位関係から、ゲート電圧Vg1を中間のゲート電圧値Vg1MからΔVgだけ低下させて低いゲート電圧値Vg1Lにするという図中右側に示した電位関係への変化を示している。これにより、左側の電位関係に基づく範囲W(High)(=VC1−(Vg1M−Vth1))は、右側の電位関係に基づく範囲W(Low)(=VC1−(Vg1L−Vth1))に変化する。ここでゲート電圧Vg1に関してVgL=Vg1M−ΔVgという関係がある。これによりW(Low)>W(High)という関係が得られる。こうしてゲート電圧Vg1を、中間的なゲート電圧値Vg1Mから低いゲート電圧値Vg1LへΔVgだけ変化させることにより、範囲(電位差)Wを大きくすることができる。 In FIG. 7, the change from the potential relationship shown on the left side in the drawing to the potential relationship shown on the right side in the drawing in which the gate voltage Vg1 is lowered by ΔVg from the intermediate gate voltage value Vg1M to a low gate voltage value Vg1L. Show. As a result, the range W (High) (= VC1− (Vg1M−Vth1)) based on the potential relationship on the left side changes to the range W (Low) (= VC1− (Vg1L−Vth1)) based on the potential relationship on the right side. . Here, there is a relationship of VgL = Vg1M−ΔVg with respect to the gate voltage Vg1. As a result, a relationship of W (Low)> W (High) is obtained. Thus, the range (potential difference) W can be increased by changing the gate voltage Vg1 by ΔVg from the intermediate gate voltage value Vg1M to the low gate voltage value Vg1L.
また図8は、MOS型トランジスタQ1の低いゲート電圧値Vg1Lとしきい値電圧Vth1の関係、フォトダイオードPDの端子電圧VC1、線形出力特性の範囲等との関係を示している。図8において、範囲23は線形出力領域を示し、範囲24は対数出力領域を示す。線形出力領域23と対数出力領域24との境界点25は変化点である。
FIG. 8 shows the relationship between the low gate voltage value Vg1L of the MOS transistor Q1 and the threshold voltage Vth1, the terminal voltage VC1 of the photodiode PD, the range of linear output characteristics, and the like. In FIG. 8, a
図8に示すごとく、フォトダイオードPDの端子電圧VC1を、任意の線形出力領域23の電位に設定できるので、2次元MOS型イメージセンサのように複数の画素で構成されるイメージセンサ(撮像領域)に適用する場合、MOS型トランジスタの各画素のしきい値電圧のばらつきに起因する、光センサ回路の出力ばらつきを抑制する場合に有効である。
As shown in FIG. 8, since the terminal voltage VC1 of the photodiode PD can be set to the potential of an arbitrary
さらにここで、図9〜図11を参照して、一例として2つの光センサ回路(画素)A,Bの間での出力のばらつきを抑制する態様について説明する。 Furthermore, with reference to FIGS. 9-11, the aspect which suppresses the dispersion | variation in the output between the two photosensor circuits (pixel) A and B as an example is demonstrated here.
図9に示すように、時点t4での動作以降では、光センサ回路A,Bの各々において、前述したフォトダイオードPDの端子電圧VC1は、MOS型トランジスタQ1の設定されたゲート電圧に対して、MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧Vth1に相当する電位差だけ低い電圧にナノ秒オーダ以下のスピードで急激に上昇する。この時、MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧Vth1が光センサ回路A,Bでばらついているため、端子電圧VC1は光センサ回路A,Bの各々で異なる。すなわち、図6のブロック26,27のそれぞれで示すごとく、光センサ回路Aの端子電圧はVC1Aとなり、光センサ回路Bの端子電圧はVC1Bになっている。
As shown in FIG. 9, after the operation at time t4, in each of the optical sensor circuits A and B, the terminal voltage VC1 of the photodiode PD described above is relative to the set gate voltage of the MOS transistor Q1. The voltage rapidly rises to a voltage lower by a potential difference corresponding to the threshold voltage Vth1 of the MOS transistor Q1 at a speed of nanosecond order or less. At this time, since the threshold voltage Vth1 of the MOS transistor Q1 varies between the photosensor circuits A and B, the terminal voltage VC1 differs between the photosensor circuits A and B. That is, as indicated by the
この後、さらに時間が経過すると、図10に示すようになる。すなわち、図10の同ブロック26,27での光センサ回路A,Bの各々で、フォトダイオードPDの端子電圧の電位(VC1A,VC1B)の上昇と共に、MOS型トランジスタQ1の高いゲート電圧値Vg1MとフォトダイオードPDの端子電圧との電位差が、MOS型トランジスタQ1のしきい値電圧(Vth1A,Vth1B)以下となる。MOS型トランジスタQ1のチャネルインピーダンスが高くなるため、サブレショルド電流が流され、これによりフォトダイオードPDの端子電圧の電位(VC1A,VC1B)が上昇する。
Thereafter, as time further elapses, the state is as shown in FIG. That is, in each of the optical sensor circuits A and B in the
このように、サブスレショルド電流が流れて過渡特性を有している状態において、MOS型トランジスタQ1のゲート電圧値Vg1Mを切り換えて低いゲート電圧値Vg1Lに設定すると、図11に示すようになる。すなわち、2つの光センサ回路A,Bにおいて、前述したW(Low)とW(High)の電位差ΔW(=W(Low)−W(High))は、MOS型トランジスタQ1の中間的なゲート電圧値Vg1Mと低いゲート電圧値VgLとの差(ΔVg)で設定されるから、光センサ回路A,Bの各々を構成するMOS型トランジスタQ1のしきい値電圧のばらつきに依存しない電位差となる。従って、異なる光センサ回路Aと光センサ回路Bにおいて各電位差ΔW(=W(Low)−W(High))は同一となる。 In this way, when the gate voltage value Vg1M of the MOS transistor Q1 is switched and set to a low gate voltage value Vg1L in a state where the subthreshold current flows and has a transient characteristic, the result is as shown in FIG. That is, in the two photosensor circuits A and B, the potential difference ΔW (= W (Low) −W (High)) between W (Low) and W (High) described above is an intermediate gate voltage of the MOS transistor Q1. Since it is set by the difference (ΔVg) between the value Vg1M and the low gate voltage value VgL, the potential difference does not depend on the variation of the threshold voltage of the MOS transistor Q1 constituting each of the photosensor circuits A and B. Therefore, in the different optical sensor circuits A and B, the potential differences ΔW (= W (Low) −W (High)) are the same.
以上のように、電位差ΔWを任意に設定できるから、各光センサ回路(画素)の暗状態のセンサ検出電位となるフォトダイオードPDの端子電圧VC1に対して、線形出力特性領域を示す範囲と対数出力特性領域を示す範囲の間の変化点である端子の電位を任意に設定することができ、両範囲を任意に制御することができ、これにより光センサ回路(画素)間の出力のばらつきをなくすことができる。 As described above, since the potential difference ΔW can be arbitrarily set, the range and logarithm indicating the linear output characteristic region with respect to the terminal voltage VC1 of the photodiode PD that is the sensor detection potential in the dark state of each photosensor circuit (pixel). The potential of the terminal, which is the changing point between the ranges indicating the output characteristic area, can be arbitrarily set, and both ranges can be arbitrarily controlled, thereby varying the output variation between the photosensor circuits (pixels). Can be eliminated.
前述した初期設定および露光の後、所定時間経過後において、前述のごとくコンデンサC1からコンデンサC2への電荷の転送が行われる。この状態を図5の(A)〜(C)に示す。前述の「Vg1M<Vg2M<Vg1M+Vth2」の関係をに基づいて、矢印AR3に示すごとくゲート電圧Vg2を中間的な値(Vg1M)に変化させる。このときMOS型トランジスタQ4の転送用のゲートは完全には開けない。このようにすることにより、コンデンサC1に蓄電された電荷が矢印AR4に示すごとくコンデンサC2に転送される。最後には図5の(C)に示されるごとくゲート電圧Vg2の電位が低くなり(矢印AR5)、低い電圧値(Vg2L)となる。 After the initial setting and exposure described above, after the elapse of a predetermined time, the charge is transferred from the capacitor C1 to the capacitor C2 as described above. This state is shown in (A) to (C) of FIG. Based on the relationship of “Vg1M <Vg2M <Vg1M + Vth2”, the gate voltage Vg2 is changed to an intermediate value (Vg1M) as indicated by an arrow AR3. At this time, the transfer gate of the MOS transistor Q4 cannot be completely opened. By doing so, the electric charge stored in the capacitor C1 is transferred to the capacitor C2 as indicated by an arrow AR4. Finally, as shown in FIG. 5C, the potential of the gate voltage Vg2 becomes low (arrow AR5) and becomes a low voltage value (Vg2L).
コンデンサC1の電位とコンデンサC2の電位との関係で、状態ST11(図3の(C))で示すごとく電位差をつけるようにしたため、コンデンサC1からコンデンサC2への電荷の転送を有効に行い、コンデンサC2での電荷集積を高めることができ、コンデンサC1に蓄電された電荷を有効に活用することができる。これによって光センサ回路10の検出感度を高めることができる。
Since the potential difference between the potential of the capacitor C1 and the potential of the capacitor C2 is set as shown in the state ST11 ((C) in FIG. 3), the charge is effectively transferred from the capacitor C1 to the capacitor C2. Charge accumulation at C2 can be enhanced, and the charge stored in the capacitor C1 can be effectively utilized. Thereby, the detection sensitivity of the
図12に、光センサ回路10によって得られるセンサ出力特性の特性パターンを示す。図12の横軸は対数目盛(log)になっている。MOS型トランジスタQ1のゲート電圧Vg1の中間的なゲート電圧値Vg1Mを任意に切り替えて、撮影条件に見合った最適な状態でセンサ信号を出力させることができる。ゲート電圧値Vg1Mに関して低いゲート電圧値Vg1Lとの差ΔVgを「小」から「大」へ変化させると、センサ出力特性は矢印32のごとく変化する。
FIG. 12 shows a characteristic pattern of sensor output characteristics obtained by the
次に、本発明に係る光センサ回路の変形例を図13と図14に示す。図13は本発明の第2実施形態に係る光センサ回路を示し、図14は本発明の第3実施形態に係る光センサ回路を示す。 Next, modified examples of the optical sensor circuit according to the present invention are shown in FIGS. FIG. 13 shows an optical sensor circuit according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 14 shows an optical sensor circuit according to the third embodiment of the present invention.
図13に示した第2実施形態に係る光センサ回路20には、第1実施形態に係る光センサ回路10の回路要素に対してセンサ出力電圧を増幅するためのMOS型トランジスタQ2が付設されている。前述の実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
The
MOS型トランジスタQ2は、コンデンサC2の端子電圧として出力されるセンサ電圧を増幅するための増幅用MOS型トランジスタである。 The MOS transistor Q2 is an amplifying MOS transistor for amplifying the sensor voltage output as the terminal voltage of the capacitor C2.
上記の光センサ回路20では、コンデンサC2の出力端子またはMOS型トランジスタQ4のドレイン16dが、MOS型トランジスタQ2のゲート41gに印加されている。MOS型トランジスタQ2のドレイン端子42dには抵抗Rを介してドレイン電圧Vrefが電圧コントローラ等から供給され、ソース41sはアース端子に接続されている。MOS型トランジスタQ2のドレイン41dからセンサ出力電圧Voutが増幅された状態で取り出される。
In the
図14に示した第3実施形態に係る光センサ回路30では、上記の第2実施形態に係る光センサ回路20の回路要素に対してMOS型トランジスタQ3が付設される。図14において、第2の実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。
In the
MOS型トランジスタQ3は、増幅用のMOS型トランジスタQ2から出力される電圧信号を選択的に出力させるための出力選択用MOS型トランジスタである。 The MOS transistor Q3 is an output selection MOS transistor for selectively outputting the voltage signal output from the amplification MOS transistor Q2.
この光センサ回路30では、MOS型トランジスタQ2のドレイン41dとMOS型トランジスタQ3のソース51sが接続されている。MOS型トランジスタQ3のゲート端子52gにはゲート電圧Vg3が供給される。MOS型トランジスタQ3のドレイン51dには抵抗Rが接続され、抵抗Rの他端子52dには電圧Vrefが供給される。MOS型トランジスタQ3のドレイン51dからセンサ出力電圧Voutが取り出される。
In this
上記のゲート電圧Vg3と電圧Vrefの各々の電圧波形は前述した図2の(D)と(E)に示される。ゲート電圧Vg3はt8〜t9の間で発生し、電圧Vref は所要レベルの一定電圧の状態で印加されている。ゲート電圧Vg3がオンした時に光センサ回路が選択されてセンサ電圧が出力される。 The voltage waveforms of the gate voltage Vg3 and the voltage Vref are shown in (D) and (E) of FIG. The gate voltage Vg3 is generated between t8 and t9, and the voltage Vref is applied in a constant voltage state at a required level. When the gate voltage Vg3 is turned on, the photosensor circuit is selected and the sensor voltage is output.
上記のように構成された光センサ回路20,30において、図14に示すように、各部を駆動するための所要の制御信号を与えることにより、第1実施形態の光センサ回路10と同様に、入射される光L1に応じた電気信号が得られるようにしている。
In the
図15は、一例として図14に示した光センサ回路30を1画素(S)として2次元のマトリクス状に配設して成る矩形の撮像領域71を有するイメージセンサの構成例を示している。図15中、ブロック13は前述の電圧コントローラ、ブロック72は各画素Sに共通に設けられた画素選択回路であり、ブロック73は各画素Sの画素信号を順次出力させるための信号選択回路である。電圧コントローラ13から電圧Vd,Vg1,Vg2が供給され、画素選択回路72から電圧Vg3が供給され、端子52dには電圧Vrefが供給される。
FIG. 15 shows a configuration example of an image sensor having a
なお、上記の各実施形態の説明ではMOS型トランジスタをnチャネル型として説明したが、その代わりにpチャネル型のMOS型トランジスタを用いることができるのは勿論である。 In the above description of each embodiment, the MOS type transistor is described as an n-channel type, but it is needless to say that a p-channel type MOS transistor can be used instead.
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成(材質)については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。 The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely shown to the extent that the present invention can be understood and implemented, and the numerical values and the compositions (materials) of the respective configurations are as follows. It is only an example. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be variously modified without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.
本発明は、撮像装置であるMOS型イメージセンサの1次元または2次元のイメージセンサを形成する光センサ回路(または画素)として利用される。 The present invention is used as an optical sensor circuit (or pixel) that forms a one-dimensional or two-dimensional image sensor of a MOS image sensor that is an imaging device.
10 光センサ回路
13 電圧コントローラ
14 タイミング信号発生部
15 制御手段
20 光センサ回路
30 光センサ回路
PD フォトダイオード
C1 コンデンサ
C2 コンデンサ
Q1 変換用MOS型トランジスタ
Q2 増幅用MOS型トランジスタ
Q3 出力選択用MOS型トランジスタ
Q4 電荷移動用MOS型トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光電変換素子から出力される前記電流信号を弱反転状態で対数特性を有する電圧信号に変換するための第1MOS型トランジスタと、
前記光電変換素子の電圧検出端子に接続された第1静電容量素子と、
前記電圧信号を保持する第2静電容量要素と、
前記第1静電容量素子と前記第2静電容量素子の間の電荷の移動を制御するための第2MOS型トランジスタと、
前記第1MOS型トランジスタと前記第2MOS型トランジスタのゲート電圧とドレイン電圧を供給する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記第1MOS型トランジスタの前記ドレイン電圧を第1の所定時間だけ高い電圧値(VdH)に設定し、第1MOS型トランジスタのゲート電圧と前記第2MOS型トランジスタのゲート電圧をそれぞれ第2の所定時間だけ高い電圧値(Vg1H,Vg2H)に設定し、光信号として集積するための第2静電容量要素の充電または放電を制御して一定の電位に設定し、その後、
前記第2MOS型トランジスタをオフして前記第2静電容量素子をオープン状態にした上で、前記第1MOS型トランジスタのドレイン電圧を低い電圧(VdL)に設定すると共に、前記第1MOS型トランジスタのゲート電圧を中間電位(Vg1M)に設定し、これにより、前記第1静電容量素子の電荷を放電させ、その後、
前記第1MOS型トランジスタのドレイン電圧を高い電圧(VdH)に設定し、その後第3の所定時間が経過した時に、前記第1MOS型トランジスタのゲート電圧を低い電圧(Vg1L)に設定し、かつ前記のVdHとVg1Mについて「Vg1M−VdH<Vth1、かつ、Vg1M−VdL>Vth1、ここでVth1は第1MOS型トランジスタのしきい値電圧」の関係を満たすように設定し、その後、
一定の露光時間経過後に第2MOS型トランジスタのゲート電圧を第4の所定時間だけ所定の電圧(Vg2M)に設定し、かつ前記のVg1MとVg2Mについて「Vg1M<Vg2M<Vg1M+Vth2、ここでVth2は第2MOS型トランジスタのしきい値電圧」の関係を満たすように設定し、これにより前記第1静電容量素子の電荷を第2静電容量素子に転送し、その後、
前記第2MOS型トランジスタをオフして前記第2静電容量素子をオープン状態にした上で前記第2静電容量素子の端子電圧をセンサ出力信号とする、
ように電圧制御を行うことを特徴とする光センサ回路。 A photoelectric conversion element that converts an optical signal into a current signal;
A first MOS transistor for converting the current signal output from the photoelectric conversion element into a voltage signal having a logarithmic characteristic in a weak inversion state;
A first capacitance element connected to a voltage detection terminal of the photoelectric conversion element;
A second capacitive element for holding the voltage signal;
A second MOS transistor for controlling charge movement between the first capacitive element and the second capacitive element;
Control means for supplying a gate voltage and a drain voltage of the first MOS transistor and the second MOS transistor;
The control means includes
The drain voltage of the first MOS transistor is set to a high voltage value (VdH) for a first predetermined time, and the gate voltage of the first MOS transistor and the gate voltage of the second MOS transistor are respectively set for a second predetermined time. Set to a high voltage value (Vg1H, Vg2H), set a constant potential by controlling charging or discharging of the second capacitance element for integration as an optical signal, and then
The second MOS transistor is turned off to open the second capacitance element, the drain voltage of the first MOS transistor is set to a low voltage (VdL), and the gate of the first MOS transistor is set. Setting the voltage to an intermediate potential (Vg1M), thereby discharging the charge of the first capacitive element;
The drain voltage of the first MOS transistor is set to a high voltage (VdH), and then the gate voltage of the first MOS transistor is set to a low voltage (Vg1L) when a third predetermined time has elapsed, and VdH and Vg1M are set so as to satisfy the relationship of “Vg1M−VdH <Vth1 and Vg1M−VdL> Vth1, where Vth1 is the threshold voltage of the first MOS transistor”.
After a certain exposure time has elapsed, the gate voltage of the second MOS transistor is set to a predetermined voltage (Vg2M) for a fourth predetermined time, and Vg1M <Vg2M <Vg1M + Vth2, where Vth2 is the second MOS Is set so as to satisfy the relationship of “threshold voltage of the transistor”, thereby transferring the charge of the first capacitance element to the second capacitance element,
The second MOS transistor is turned off to open the second capacitance element, and the terminal voltage of the second capacitance element is used as a sensor output signal.
An optical sensor circuit characterized by performing voltage control as described above.
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