JP4620544B2

JP4620544B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4620544B2
Application number: JP2005231905A
Authority: JP
Inventors: 孝夫都築
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-08-10
Also published as: TW200719705A; JP2007049448A; US7488998B2; CN1913578A; CN100586148C; US20070035648A1

Description

本発明は、電荷転送装置を用いた固体撮像装置に関するものであり、特に固体撮像装置の出力回路に関するものである。

近年、固体撮像装置を用いたデジタルカメラ、複写機、スキャナ等の電子機器において多画素化、高速化の傾向が顕著になってきている。それに伴い、固体撮像装置の出力回路に流す電流量も増大している。この電流量の増大が固体撮像装置で消費する電力の増大を招き、発熱量の増大を招いている。

図４に一般的なリニアイメージセンサを示す。受光部列２００で光電変換され蓄積された電荷は、読出しゲートパルスφＴＧが供給された読出しゲート２０１を通してＣＣＤシフトレジスタ２０２へ読み出される。ＣＣＤシフトレジスタ２０２へ読み出された電荷は順次転送され、浮遊拡散領域によって形成され信号電荷を信号電圧に変換する信号電荷検出部２０３で信号電圧に変換される。変換された信号電圧はソースフォロア、インバータ等を含むアナログ回路からなる出力回路２０４によって外部に出力される。

図５は、読出しゲートパルスφＴＧおよび出力信号Ｖｏｕｔの波形を示している。高速化するためには、ＣＣＤシフトレジスタの転送速度を上げて受光部の信号電荷を読み出すのに必要な時間を短くし、さらに、φＴＧパルスの周期も短くして１ラインのデータを読み出すのに必要な時間を短くしなければならない。

まず、各受光部の信号電荷を読み出すのに必要な時間を短くするためには、アナログ回路で構成される出力回路の周波数特性も上げなければならない。すなわち、出力回路に含まれるトランジスタのゲート長Ｌを短くし、ゲート幅Ｗを広げることによってソースフォロア等の周波数特性を上げる必要がある。しかしながら、出力回路を流れる電流が増大してしまい、その結果、発熱量の増大を招くこととなる。

また、受光部列で光電変換される電荷の量Ｑは、光量をＬ、光電変換効率をηと、電荷を蓄積する時間をＴｔｇとすると、
Ｑ＝η×Ｌ×Ｔｔｇ
となる。高速化を図るために、受光部で光電変換され蓄積された電荷をＣＣＤシフトレジスタへ読み出す回数を多くすると、受光部で電荷を蓄積する時間Ｔｔｇが短くなる。つまり、光源の光量が変わらなければ、必然的に光電変換される電荷の量Ｑが減ってしまう。電荷の量が減ると出力電圧として必要な振幅（Ｄレンジ）が取れなくなるため、出力回路のゲインを上げなくてはならない。これは、回路のトランジスタ数を増やすことになり、結果、消費電力が増大することとなる。一方、光量を上げて補ったとしても、光源による消費電力が増えるという問題が発生する。

上述のとおり、高速化を行なう場合には、消費電力の増大が避けられない問題となっている。

出力回路の消費電力の増加を解決する方法の一つが、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている出力回路を図６に示す。図６は、図４に記載された固体撮像装置のうち信号電荷検出部と出力回路と、図４には記載されていないリセット回路を示している。順次転送されてきた信号電荷は、信号電荷検出部２で信号電圧に変換され、該信号電圧は出力回路１０３を経て外部に出力される。リセット回路１は、信号電荷検出部２の電位をリセットするものであり、順次転送されてきた各信号電荷をはきだしリセット電位を設定している。出力回路１０３は、２段のソースフォロア４、１０５からなる。各ソースフォロア４、１０５のいずれも、各トランジスタ６、８のソース側に各定電流源７，１０９を接続している。また、初段のソースフォロア４に供給される電源電圧ＶＯＤ１はリセット回路１に供給される電源電圧ＶＲＤと併用している。そして、２段目のソースフォロア１０５に供給される電源電圧ＶＯＤ２を初段のソースフォロア４に供給される電源電圧ＶＯＤ１よりも低くすることによって消費電力を低減している。

特開平１０−１１７３０６号公報

ところが、上述のように２段目のソースフォロア１０５の電源電圧を、リセット回路１および初段のソースフォロア４の電源電圧と異なった電位とし、これらの電圧を外部から供給する場合、電源電圧はそれぞれ独立に変動する可能性がある。一般的に、ソースフォロアに入力される電圧が変わらなければ、電源電圧変動によるソースフォロアの出力電圧の変動は大きくなくそれほど問題とはならない。しかし、リセット電位ＶＲＤの変動は、ソースフォロア１０５の入力電位を変動させ、その結果、出力電圧の振幅範囲（Ｄレンジ）が変動してしまう。たとえば、図７に示すように、ソースフォロアの入力電位が低いほうへ変動すると、それに伴い出力電圧の振幅範囲が狭くなってしまう。

特に、図８で示すように、出力回路でゲインを上げるためにソースフォロア１０５の後段にインバータ回路１２０を設けた場合に、電源電圧の変動による影響が大きい。インバータ回路１２０の増幅ゲインを上げれば上げるほど、図９に示すようにインバータ回路の入力電圧の入力可能な範囲は狭くなっていく。したがって、リセット電位ＶＲＤの変動によりソースフォロアの出力電圧が変動すると、すなわち、インバータ回路の入力電圧が変動することとなり、インバータ回路の入力可能範囲を超えてしまう可能性がある。かくして、出力回路が動作しなくなるかもしれない。あるいは、インバータ回路の入力可能範囲内にあったとしても、ソースフォロアのみで構成している場合に比べてソースフォロアの出力電圧の振幅範囲（Ｄレンジ）を小さくしなければならない可能性がある。これらの問題は出力回路のゲインやＤレンジに制限を持たせることになるので、より高ゲインでＤレンジの十分な出力回路を設計する上では大きな問題である。

本発明による固体撮像装置は、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子によって変換された信号電荷を転送するための電荷転送素子と、前記電荷転送素子によって転送された信号電荷を信号電圧に変換する信号電荷検出部と、信号電荷検出部の電位をリセットするためのリセット回路と、前記信号電圧を増幅する増幅手段とを備え、増幅手段はリセット回路に供給される第１の電源電圧とは異なる第２の電源電圧が供給された第１のソースフォロアを有し、第１のソースフォロアはドライバトランジスタと、ドライバトランジスタに接続され第１の電源電圧の変動に応じて電流量が変化する電流源とを有する。

このように、本発明では、ソースフォロアを構成する電流源の電流量を電源電圧の変動に伴い変化させている。ソースフォロアは電流源の電流量が変化することによってその入出力特性が変化する。したがって、電源電圧の変動によってソースフォロアの入力電位が変動してしまったとしても、ソースフォロアは電源電圧の変動に伴いその入出力特性を変化させることにより、出力電圧への影響を及ぼさないようにすることができる。

本発明の固体撮像装置によれば、低消費電力を実現しつつ電源電圧の変動による影響を低減することができる。

図１は、本発明の実施例の構成図である。図６で説明した従来の技術と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。

出力回路３は、ソースフォロア１０５に代わりソースフォロア５を備えている点で出力回路１０３と異なる。また、ソースフォロア５は、リセット電位ＶＲＤの変動に伴い電流量が変化する電流源を備えている点でソースフォロア１０５と異なる。

２段目のソースフォロア５について詳細に説明する。ソースフォロア５は、トランジスタ８と、トランジスタ８のソース側に接続された電流源９とで構成されている。電流源９は、トランジスタ１０とトランジスタ１０のゲート電極に接続された電圧源１１、１２が設けられている。電圧源１１は、ソースフォロア５に供給されている電源電圧ＶＯＤ２が供給されているトランジスタ１３とトランジスタ１４からなる。また、電圧源１２はリセット回路１に供給されている電源電圧ＶＲＤが供給されているトランジスタ１５とトランジスタ１６からなる。また、ソースフォロア５に供給されている電源電圧ＶＯＤ２はリセット電位ＶＲＤおよびソースフォロア４に供給されている電源電圧ＶＯＤ１よりも低くする。これは、ソースフォロア４に比べてソースフォロア５には周波数特性やドライブ能力を向上させるために大きな電流を流しているので、その電圧ＶＯＤ２を低くすることによって消費電力を小さくするためである。

ここで、ソースフォロア５と同じ電源電圧ＶＯＤ２が供給されている電圧源１１を電流源１０のゲート電極に供給することにより、ソースフォロア５自身のＶｔ変動や電源電圧ＶＯＤ２の変動に対しての特性が決定される。一方、電圧源１２を用いることにより、リセット電位が変動したときにその変動を２段目のソースフォロアの入出力特性を変動させることによって吸収し、後段への影響を及ぼさないようにしている。

次に、ソースフォロアの動作について従来の技術と比較して説明する。

まず、図３（ａ）に従来の技術による２段目のソースフォロア１０５の構成を示す。定電流源１０９はトランジスタ１１３、１１４からなる電圧源１１２と該電圧源に接続されたトランジスタ１１１からなる。電圧源１１２にはソースフォロア１０５に供給されている電源電圧ＶＯＤ２が電源電圧として供給されている。ここで、リセット電位ＶＲＤがＶＲＤ＿ａからＶＲＤ＿ｂへと下がる方向へ変化し、２段目のソースフォロア１０５の入力電位がＶｉｎ＿ａからＶｉｎ＿ｂへ変化した場合について説明する。図３（ｂ）は電圧源１１２のＶＲＤ電圧の依存性を示したものである。これから分かるように電圧源１１２から出力される電圧Ｖｌｏａｄ＿ａはリセット電位ＶＲＤの変動に関わらず一定である。したがって、ソースフォロア１０５の入出力特性はリセット電位ＶＲＤの変動によって変わることはない。よって、ソースフォロア１０５の出力電圧は、図３（ｃ）の入出力特性にしたがって出力電圧が決定される。すなわち、リセット電位ＶＲＤの変動によって入力電圧がＶｉｎ＿ａからＶｉｎ＿ｂに変化した場合は、それに伴って、出力電圧がＶｏｕｔ＿ａからＶｏｕｔ＿ｂへ変化することとなる。

一方、図２（ａ）に本発明による２段目のソースフォロア５が示されている。このソースフォロア５において、例えば、リセット電位ＶＲＤがＶＲＤ＿ａからＶＲＤ＿ｂへと下がる方向へ変化すると、図２（ｂ）に示すように電圧源の出力電圧がＶｌｏａｄ＿ａからＶｌｏａｄ＿ｂへと変化する。そして、トランジスタ１０のゲート電圧を低下させトランジスタ１０に流れる電流を減少させる。これにより、ソースフォロア５の入出力特性が変化する。つまり、図２（ｃ）に示すように、リセット電位ＶＲＤの変動に伴いソースフォロアの入出力特性が点線から実線へと変化する。かくして、入力電圧がＶｉｎ＿ａからＶｉｎ＿ｂに変化しても出力電圧をＶｏｕｔ＿ａとすることができる。このようにして、リセット電位ＶＲＤの変動によるソースフォロアの出力電圧の変動を抑えることができる。

なお、通常、ソースフォロアの電流源として１つの電圧源しか用いられていないところ、本実施例では、２つの電圧源を設けている。しかし、これら電圧源は電圧を決めることが目的であるためその消費電力はソースフォロアが流す貫通電流に比べて非常に小さい。したがって、ソースフォロア５に対して２つの電圧源を設けたとしても、それによる電流量の増加はわずかであり大きな問題にはならない。

また、本実施例では、出力回路が２段のソースフォロアと２つの電圧源を備えたものについて説明しているが、これに限らず、３段のソースフォロアを設けて３つの電圧源を備えても同様の効果が得られる。

実施例に係る固体撮像装置の構成図である。実施例のソースフォロアの構成図および入出力特性を示す図である。従来例のソースフォロアの構成図および入出力特性を示す図である。一般的なリニアイメージセンサの構成図である。リニアイメージセンサの動作を示した図である。従来の固体撮像装置の構成図である。ソースフォロアの入出力特性を示す図である。別の従来の固体撮像装置を示す構成図である。インバータの入出力特性を示す図である。

符号の説明

１リセット回路
２、２０３信号電荷検出部
３、１０３、２０４出力回路
４、５、１０５、１２３ソースフォロア
６、８、１０、１３、１４、１５、１６トランジスタ
７、１０９定電流源
９電流源
１２０インバータ回路
２００受光素子列
２０１読出しゲート
２０２ＣＣＤシフトレジスタ

Claims

複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子によって変換された信号電荷を転送するための電荷転送素子と、
前記電荷転送素子によって転送された信号電荷を信号電圧に変換する信号電荷検出部と、
信号電荷検出部の電位をリセットするためのリセット回路と、
前記信号電圧を増幅する増幅手段と、を備える固体撮像装置であって、
前記増幅手段は前記リセット回路に供給される第１の電源電圧とは異なる第２の電源電圧が供給された第１のソースフォロアを有し、
前記第１のソースフォロアはドライバトランジスタと、前記ドライバトランジスタに接続され前記第１の電源電圧の変動に応じて電流量が変化する電流源と、を有し、
前記電流源は、
負荷トランジスタと、
前記第１の電源電圧と接地電位の間に直列に接続された第１および第２のトランジスタからなる第１の回路と、
前記第２の電源電圧と接地電位の間に直列に接続された第３および第４のトランジスタからなる第２の回路と、を有し、
前記第１および第２のトランジスタの接続点と前記第３および第４のトランジスタの接続点が共に前記負荷トランジスタのゲート電極に接続されることを特徴とする
固体撮像装置。
前記電流源は、前記第１の電源電圧が下がる方向へ変化した場合には前記電流量を減少させ、前記第１の電源電圧が上がる方向へ変化した場合には前記電流量を増大させるように変化することを特徴とする
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記増幅手段は、前記信号電荷検出部と前記第１のソースフォロアとの間に、前記第１の電源電圧が供給された第２のソースフォロアをさらに備えることを特徴とする
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記第１の電源電圧は前記第２の電源電圧よりも大きいことを特徴とする
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記増幅手段の後段に接続されるインバータ回路をさらに備えたことを特徴とする
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。