JP4645642B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、回路の低消費電力化や小型化を図ることができるダイナミック動作のコンパレータを含む固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device including a dynamic operation comparator capable of reducing power consumption and size of a circuit.
この種のコンパレータとしては、米国特許US 6,369,737 B1 号の「 Figure 10」(以下、文献という)に開示されたものが知られている。
図5は、この文献に開示される回路を示す回路図である。
この回路は、固体撮像素子の読み出し回路に設けられるコンパレータの例であり、4つの画素を構成するフォトダイオードD0〜D3からMOSトランジスタM1〜M8を介して読み出されたアナログ信号をコンパレータ(M9〜M17、M21)102及びラッチ回路(M18〜M20)104で構成されるA/D変換器100によってデジタル信号に変換するものである。
As this type of comparator, one disclosed in US Pat. No. 6,369,737 B1, “Figure 10” (hereinafter referred to as a document) is known.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit disclosed in this document.
This circuit is an example of a comparator provided in a readout circuit of a solid-state imaging device, and analog signals read out from photodiodes D0 to D3 constituting four pixels through MOS transistors M1 to M8 are comparators (M9 to M9). M17, M21) 102 and latch circuit (M18 to M20) 104 are converted into digital signals by A /
すなわち、この回路では、フォトダイオードD0〜D3によって生成された信号電荷がゲートトランジスタM1〜M4の動作によって読み出され、キャパシタとしてのトランジスタM5〜M8に蓄積される。
コンパレータ102では、トランジスタ対M10、M11によってトランジスタM5〜M8に読み出された画素信号レベルと、所定の時定数を有するランプ(RAMP)信号のレベルとを比較し、ランプ信号レベルが画素信号レベルを越えた時点で、トランジスタM14〜M17による分圧出力が反転する。
ラッチ回路(1ビットラッチ回路)104では、コンパレータ出力が反転したときのBITXの値をラッチする。この値を後で読み出すことで、画素信号レベルに応じたデータを得る。
That is, in this circuit, the signal charges generated by the photodiodes D0 to D3 are read out by the operations of the gate transistors M1 to M4 and accumulated in the transistors M5 to M8 as capacitors.
The
The latch circuit (1-bit latch circuit) 104 latches the value of BITX when the comparator output is inverted. By reading this value later, data corresponding to the pixel signal level is obtained.
しかしながら、上述のような構成のコンパレータでは、定流源(M9)、分圧回路(M14〜M17)、カレントミラー(M13、M14)等を用いる構成であるため、定常的なバイアス電流が必要となり、消費電力が大きいという問題がある。
また、合計9つのトランジスタ(M9〜M17)を必要とし、回路規模が大きくなるという欠点がある。
However, since the comparator configured as described above uses a constant current source (M9), a voltage dividing circuit (M14 to M17), a current mirror (M13, M14), etc., a steady bias current is required. There is a problem that power consumption is large.
Further, a total of nine transistors (M9 to M17) are required, and there is a disadvantage that the circuit scale becomes large.
そこで本発明の目的は、定常電流を流すことなく駆動でき、かつ、少ないトランジスタで構成でき、消費電力の低減や回路規模の縮小を図ることが可能な固体撮像装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be driven without flowing a steady current, can be configured with a small number of transistors, and can reduce power consumption and circuit size.
前記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、複数の画素からなり、各画素からの光信号を光電変換して画像信号を生成する画素アレイ部と、該画素アレイ部からの画像信号をA/D変換するためのコンパレータとラッチ回路から構成される固体撮像装置である。
そして、この固体撮像装置の中心的な構成となるコンパレータは、第1の電圧入力端子がキャリア制御端子に接続され、第2の電圧入力端子がキャリア供給端子またはキャリア受容端子の一方に接続される第1の電界効果トランジスタを備える。また、第1の電界効果トランジスタのキャリア供給端子またはキャリア受容端子の他方に接続される第1のキャパシタと、キャリア制御端子に第1のリセットパルスが供給され、第1のキャパシタに電源電圧を充電して第1のキャパシタの出力電圧をリセットする第2の電界効果トランジスタを備える。更に、第1のキャパシタにキャリア制御端子が接続され、キャリア供給端子またはキャリア受容端子の一方が電源電圧に接続される第3の電界効果トランジスタを備えている。
また、この第3の電界効果トランジスタのキャリアキャリア供給端子またはキャリア受容端子の他方に接続され、キャリア制御端子に第2のリセットパルスまたは第一のキャパシタからの出力が供給される第4の電界効果トランジスタと、第3の電界効果トランジスタと第4の電界効果トランジスタの接続点に接続される第2のキャパシタと、を備えている。
そして、第2の電界効果トランジスタが第1のキャパシタをリセットした後、第1の電界効果トランジスタの閾値電圧によって第1の電圧入力端子と第2の電圧入力端子に入力される2つの電圧が比較され、この比較結果により、第2の電圧入力端子から第1の電界効果トランジスタを介して出力端子に流入される信号を第1のキャパシタに蓄積させる。更に、第4の電界効果トランジスタが第2のキャパシタをリセットした後、第1のキャパシタの出力電圧が第3の電界効果トランジスタを介して、第2のキャパシタに蓄積されて、この第2のキャパシタの出力電圧をラッチ回路に供給するようにしている。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, a solid-state imaging device of the present invention comprises a pixel array unit comprising a plurality of pixels and photoelectrically converting an optical signal from each pixel to generate an image signal; This is a solid-state imaging device including a comparator and a latch circuit for A / D converting an image signal from the pixel array unit.
In the comparator as the central configuration of the solid-state imaging device, the first voltage input terminal is connected to the carrier control terminal, and the second voltage input terminal is connected to one of the carrier supply terminal and the carrier reception terminal. A first field effect transistor is provided. In addition, the first reset pulse is supplied to the first capacitor connected to the other of the carrier supply terminal or the carrier reception terminal of the first field effect transistor and the carrier control terminal, and the power supply voltage is charged to the first capacitor. And a second field effect transistor for resetting the output voltage of the first capacitor. Furthermore, a carrier control terminal is connected to the first capacitor, and a third field effect transistor is provided in which one of the carrier supply terminal and the carrier reception terminal is connected to the power supply voltage.
The fourth field effect is connected to the other of the carrier carrier supply terminal and the carrier reception terminal of the third field effect transistor, and the carrier control terminal is supplied with the second reset pulse or the output from the first capacitor. A transistor, and a second capacitor connected to a connection point of the third field effect transistor and the fourth field effect transistor.
Then, after the second field effect transistor resets the first capacitor, the two voltages input to the first voltage input terminal and the second voltage input terminal are compared by the threshold voltage of the first field effect transistor. As a result of this comparison, a signal flowing from the second voltage input terminal to the output terminal via the first field effect transistor is accumulated in the first capacitor. Furthermore, after the fourth field effect transistor resets the second capacitor, the output voltage of the first capacitor is stored in the second capacitor via the third field effect transistor, and the second capacitor The output voltage is supplied to the latch circuit .
本発明の固体撮像装置によれば、コンパレータが、1つの電界効果トランジスタのキャリア制御端子に設けられる第1の入力端子とキャリア供給端子またはキャリア受容端子のいずれか一方に設けられる第2の入力端子に比較する2つの信号を入力し、この電界効果トランジスタのキャリア供給端子またはキャリア受容端子のいずれか他方に設けられる出力端子における電流の状態によって2つの信号を比較することから、定常電流を用いることなく、少ないトランジスタ数でコンパレータを構成でき、低消費電力で小型の固体撮像装置を実現することができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention , the comparator has a first input terminal provided on the carrier control terminal of one field effect transistor and a second input terminal provided on either the carrier supply terminal or the carrier receiving terminal. Since the two signals to be compared are input and the two signals are compared according to the current state at the output terminal provided on either the carrier supply terminal or the carrier reception terminal of the field effect transistor, a steady current is used. Therefore, a comparator can be configured with a small number of transistors, and a small solid-state imaging device with low power consumption can be realized.
以下、本発明による固体撮像装置の実施の形態例について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態例によるコンパレータの基本形を示す図であり、図1(A)は回路図、図1(B)はタイミングチャートである。
本例のコンパレータは、定常電流を用いたスタティック動作でなく、MOSトランジスタとキャパシタを用いたダイナミック動作で2つの入力信号の比較を行うものであり、MOSトランジスタ(本例ではNチャネルMOSトランジスタ)のゲート(キャリア制御端子)、ソース(キャリア供給端子)、ドレイン(キャリア受容端子)のうち、ゲート(第1の入力端子)とソース(第2の入力端子)に、本コンパレータで比較を行う2つの入力信号を供給し、ドレイン(出力端子)に流れた電流をキャパシタに貯めることにより、その電圧出力を比較結果信号として出力することで、定常電流を必要としない超低消費電力で超簡単構造のコンパレータを実現したものである。
Embodiments of the solid-state imaging device according to the present invention will be described below.
1A and 1B are diagrams showing a basic form of a comparator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a circuit diagram and FIG. 1B is a timing chart.
The comparator of this example compares two input signals by a dynamic operation using a MOS transistor and a capacitor instead of a static operation using a steady current. The comparator of the MOS transistor (N channel MOS transistor in this example) Of the gate (carrier control terminal), source (carrier supply terminal), and drain (carrier reception terminal), the gate (first input terminal) and the source (second input terminal) are compared with the two By supplying the input signal and storing the current flowing in the drain (output terminal) in the capacitor, and outputting the voltage output as a comparison result signal, it has an ultra-low power consumption that does not require a steady current and an ultra-simple structure A comparator is realized.
以下、図1に沿って具体的に説明する。
まず、MOSトランジスタ(第1の電界効果トランジスタ)Tr1は、ゲートに第1の入力電圧V1が入力され、ソースに第2の入力電圧V2が入力され、ドレインがキャパシタ(第1のキャパシタ)C1を介してグランド(GND)に接続されている。
そして、MOSトランジスタTr1とキャパシタC1の接続点が出力端子(ノードA)となっており、その出力電圧Voutは、例えば図示しない出力トランジスタのゲート等のようなハイインピーダンスのノードに接続されている。
なお、キャパシタC1は、個別に作り込んでもよいし、ノードAの寄生容量を用いてもよい。
Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIG.
First, in the MOS transistor (first field effect transistor) Tr1, the first input voltage V1 is input to the gate, the second input voltage V2 is input to the source, and the capacitor (first capacitor) C1 is the drain. To the ground (GND).
The connection point between the MOS transistor Tr1 and the capacitor C1 is an output terminal (node A), and the output voltage Vout is connected to a high impedance node such as the gate of an output transistor (not shown).
Note that the capacitor C1 may be individually formed, or the parasitic capacitance of the node A may be used.
また、MOSトランジスタTr1の出力端子(ノードA)には、PチャネルMOSトランジスタ(第1のリセット手段=第2の電界効果トランジスタ)Tr2が接続されている。
このMOSトランジスタTr2のゲートにはリセットパルスRpが入力され、ソースには駆動電圧(第1の基準電位)Vddが入力され、ドレインが出力端子(ノードA)に接続されており、このMOSトランジスタTr2をリセットパルスRpによってオンすることにより、MOSトランジスタTr1の出力端子(ノードA)の電位をVddにリセットする。
A P-channel MOS transistor (first reset means = second field effect transistor) Tr2 is connected to the output terminal (node A) of the MOS transistor Tr1.
The reset pulse Rp is input to the gate of the MOS transistor Tr2, the drive voltage (first reference potential) Vdd is input to the source, the drain is connected to the output terminal (node A), and the MOS transistor Tr2 Is turned on by a reset pulse Rp to reset the potential of the output terminal (node A) of the MOS transistor Tr1 to Vdd.
次に、このようなコンパレータの動作について説明する。
まず、MOSトランジスタTr2をオンしたリセット期間では、ノードAはHighレベルになる。
その後、V2>V1−Vthであれば、ノードAの電圧はHighレベルのまま保持される。なお、VthはMOSトランジスタTr1の閾値電圧である。
また、V2<V1−Vthであれば、ノードAにはV2の側から電子が注入され、V2に等しい電圧になる。
これによって、V2とV1−Vthの大小が区別され、出力電圧Voutとして出力される。
したがって、V1−VthがLowレベルの範囲になるように設計すれば、V2とV1−Vthの大小が判定できる。
Next, the operation of such a comparator will be described.
First, in a reset period in which the MOS transistor Tr2 is turned on, the node A is at a high level.
After that, if V2> V1-Vth, the voltage of the node A is held at the high level. Vth is the threshold voltage of the MOS transistor Tr1.
If V2 <V1-Vth, electrons are injected into the node A from the V2 side, resulting in a voltage equal to V2.
As a result, the magnitudes of V2 and V1-Vth are distinguished and output as the output voltage Vout.
Therefore, if the design is such that V1-Vth falls within the low level range, the magnitude of V2 and V1-Vth can be determined.
なお、V2にアナログ値(VddとGNDの中間値)が入力される場合は、VoutのLowレベルもアナログ値となる。また、デジタル値(VddまたはGND)が入力される場合は、出力もデジタルとなる。
そして、Vthの分だけオフセットがあるので、デジタルの場合は、V1>V2か、V1≦V2かの判定ができる。
また、この回路はダイナミック回路である。すなわち、キャパシタC1が自然放電する前に、出力電圧Voutを読み出すか、出力電圧Voutをラッチするか、ノードAをリフレッシュする。
そして、V2<V1−Vthの場合の、さらにリセットのときにだけ電流が流れ、定常電流は流れないので低消費電力である。
When an analog value (an intermediate value between Vdd and GND) is input to V2, the low level of Vout is also an analog value. When a digital value (Vdd or GND) is input, the output is also digital.
Since there is an offset by Vth, in the case of digital, it is possible to determine whether V1> V2 or V1 ≦ V2.
This circuit is a dynamic circuit. That is, before the capacitor C1 spontaneously discharges, the output voltage Vout is read, the output voltage Vout is latched, or the node A is refreshed.
In the case of V2 <V1-Vth, the current flows only at the time of resetting, and the steady current does not flow, so that the power consumption is low.
さらに、リセット時の電流も流さないようにすることも可能である。
この方法は、(1)リセットのときにV2をHighにしておき、それから比較したい電圧にセットする動作をする方法、あるいは、(2)V2とVddの間にスイッチを設けてリセット時に切っておく方法がある。なお、(1)の方法は図4の例で説明する。また、(2)の方法は図3の例で説明する。
Furthermore, it is possible to prevent a current during reset from flowing.
In this method, (1) V2 is set to High at the time of resetting and then set to the voltage to be compared, or (2) A switch is provided between V2 and Vdd and turned off at the time of resetting. There is a way. The method (1) will be described with reference to the example of FIG. The method (2) will be described with reference to the example of FIG.
次に、本発明の第2の実施の形態例について説明する。
図2は、本発明の第2の実施の形態例によるコンパレータの変形例を示す図であり、図2(A)は回路図、図2(B)はタイミングチャートである。
本例のコンパレータは、図1に示す構成に加えて、PチャネルMOSトランジスタ(第3の電界効果トランジスタ)Tr3と、NチャネルMOSトランジスタ(第2のリセット手段=第4の電界効果トランジスタ)Tr4と、キャパシタ(第2のキャパシタ)C2とを設けたものである。
MOSトランジスタTr3のゲートはアノードAに接続され、ソースは駆動電圧Vddに接続され、ドレインはMOSトランジスタTr4のソース及びキャパシタC2に接続され、このソースが出力端子(出力電圧Vout)として図示しない後段のハイインピーダンスのノード(次段のトランジスタのゲート等)に接続されている。
また、MOSトランジスタTr4のゲートにはノードAのリセットパルスRnが入力され、ドレインはグランド(GND)されており、リセットパルスRnに応じてキャパシタC2の電圧をグランド(第2の基準電位)にリセットする。
なお、キャパシタC2は、キャパシタC1と同様に、個別に作り込んでもよいし、出力端子の寄生容量を用いてもよい。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
2A and 2B are diagrams showing a modification of the comparator according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2A is a circuit diagram and FIG. 2B is a timing chart.
In addition to the configuration shown in FIG. 1, the comparator of this example includes a P-channel MOS transistor (third field effect transistor) Tr3, an N-channel MOS transistor (second reset means = fourth field effect transistor) Tr4, And a capacitor (second capacitor) C2.
The gate of the MOS transistor Tr3 is connected to the anode A, the source is connected to the drive voltage Vdd, the drain is connected to the source of the MOS transistor Tr4 and the capacitor C2, and this source serves as an output terminal (output voltage Vout) in a subsequent stage (not shown). It is connected to a high impedance node (such as the gate of the next stage transistor).
Further, the reset pulse Rn of the node A is input to the gate of the MOS transistor Tr4, the drain is grounded (GND), and the voltage of the capacitor C2 is reset to the ground (second reference potential) according to the reset pulse Rn. To do.
Note that the capacitor C2 may be formed individually as in the case of the capacitor C1, or the parasitic capacitance of the output terminal may be used.
次に、このようなコンパレータの動作について説明する。
まず、MOSトランジスタTr2、Tr4をオンしたリセット期間では、ノードAはHighレベルになり、MOSトランジスタTr3がオフとなる。また、MOSトランジスタTr4はオンしているので、出力電圧VoutはLowレベルとなる。
その後、V2>V1−Vthであれば、ノードAの電圧はHighレベルのまま、VoutもLowレベルのままである。
また、V2<V1−Vthであれば、ノードAにはV2の側から電子が注入され、V2に等しい電圧になり、V1−VthがLowレベルの範囲にあるような設計で、MOSトランジスタTr3がオンし、出力電圧VoutはHighレベルになる。
Next, the operation of such a comparator will be described.
First, in a reset period in which the MOS transistors Tr2 and Tr4 are turned on, the node A is at a high level and the MOS transistor Tr3 is turned off. Further, since the MOS transistor Tr4 is on, the output voltage Vout is at a low level.
After that, if V2> V1−Vth, the voltage of the node A remains at the high level, and Vout also remains at the low level.
Further, if V2 <V1-Vth, electrons are injected into the node A from the V2 side, the voltage becomes equal to V2, and the design is such that V1-Vth is in the low level range. The output voltage Vout becomes High level.
このような構成により、V2が中間的な電圧でも、VoutがVddとGNDの幅でフルスイングする。また、V2が出力端子を駆動する必要が無い。
なお、リセットパルスの始めにMOSトランジスタTr3、Tr4を貫通電流が流れる可能性があるが、リセットパルスRpに対してリセットパルスRnの位相を少し遅らせれば、これを防ぐことができる。
With such a configuration, even if V2 is an intermediate voltage, Vout fully swings with a width of Vdd and GND. Further, it is not necessary for V2 to drive the output terminal.
Although there is a possibility that a through current flows through the MOS transistors Tr3 and Tr4 at the beginning of the reset pulse, this can be prevented by slightly delaying the phase of the reset pulse Rn with respect to the reset pulse Rp.
次に、本発明の第3の実施の形態例について説明する。
図3は、本発明の第3の実施の形態例によるコンパレータの変形例を示す図であり、図3(A)は回路図、図3(B)はタイミングチャートである。
本例のコンパレータは、図2に示す構成に加えて、制御信号CNTによって入力電圧V2とMOSトランジスタTr1のソースとの間を開閉するNチャネルMOSトランジスタ(入力制御手段=第5の電界効果トランジスタ)Tr5を新たに追加し、さらに、図2で示したMOSトランジスタTr4のゲートをノードAに接続したものである。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
3A and 3B are diagrams showing a modification of the comparator according to the third embodiment of the present invention. FIG. 3A is a circuit diagram and FIG. 3B is a timing chart.
In addition to the configuration shown in FIG. 2, the comparator of this example is an N-channel MOS transistor that opens and closes between an input voltage V2 and the source of the MOS transistor Tr1 by a control signal CNT (input control means = fifth field effect transistor). Tr5 is newly added, and the gate of the MOS transistor Tr4 shown in FIG.
次に、このようなコンパレータの動作について説明する。
まず、通常は制御信号CNTをLowレベルにして、入力信号V2をMOSトランジスタTr1から切り離している。この状態でリセット期間では、ノードAはHighレベルになり、出力電圧VoutはLowレベルである。
その後、制御信号CNTをHighレベルにすると、V2>V1−Vthであれば、ノードAの電圧はHighレベルのまま、出力電圧VoutもLowレベルのままである。
しかし、V2<V1−Vthであれば、ノードAには入力電圧V2の側から電子が注入され、V2に等しい電圧になり、V1−VthがLowレベルの範囲にあるような設計で、MOSトランジスタTr3がオンし、出力電圧VoutはHighレベルになる。
なお、このとき、MOSトランジスタTr4がオフするように、Tr4のVthを高くするか、Tr4に基板バイアスをかけることが好ましい。
Next, the operation of such a comparator will be described.
First, normally, the control signal CNT is set to the Low level, and the input signal V2 is disconnected from the MOS transistor Tr1. In this state, in the reset period, the node A is at a high level, and the output voltage Vout is at a low level.
Thereafter, when the control signal CNT is set to the high level, if V2> V1-Vth, the voltage of the node A remains at the high level and the output voltage Vout also remains at the low level.
However, if V2 <V1-Vth, electrons are injected into the node A from the input voltage V2 side, the voltage becomes equal to V2, and the MOS transistor is designed so that V1-Vth is in the low level range. Tr3 is turned on and the output voltage Vout becomes High level.
At this time, it is preferable to increase the Vth of Tr4 or apply a substrate bias to Tr4 so that the MOS transistor Tr4 is turned off.
このような構成では、図1及び図2の例と異なり、ノードAの出力がMOSトランジスタTr1、Tr5によるCMOSインバータ回路の出力となるので、出力電圧Voutはハイインピーダンスでない電流を流す端子につなぐことができる。
また、図1及び図2の例と異なり、スイッチ(MOSトランジスタTr5)を設けて入力信号V2を切っているので、制御信号CNTをLowレベルにした後は、入力信号V1や入力信号V2の電圧を変えても、出力電圧Voutの電圧レベルを保持することができる。ただし、ダイナミックな回路であるので、保持時間に制限があるのは同じである。
また、図1及び図2の例と異なり、リセットの時にMOSトランジスタTr5をオフしているので、リセットの時にV2とVddとの間で電流が流れることが無いので、超低消費電力となる。
In such a configuration, unlike the example of FIGS. 1 and 2, since the output of the node A becomes the output of the CMOS inverter circuit by the MOS transistors Tr1 and Tr5, the output voltage Vout is connected to a terminal through which a non-high impedance current flows. Can do.
Also, unlike the example of FIGS. 1 and 2, since the switch (MOS transistor Tr5) is provided to cut the input signal V2, the voltage of the input signal V1 or the input signal V2 is changed after the control signal CNT is set to Low level. Even if the voltage is changed, the voltage level of the output voltage Vout can be maintained. However, since the circuit is a dynamic circuit, the holding time is limited.
Unlike the examples of FIGS. 1 and 2, since the MOS transistor Tr5 is turned off at the time of resetting, no current flows between V2 and Vdd at the time of resetting, resulting in ultra-low power consumption.
次に、本発明の第4の実施の形態例について説明する。
上述した図1〜図3に示す例では、全てダイナミックな回路であるので保持時間に制限があるが、次段にラッチ回路を設ければ、その制限をなくすことができる。
これを実現する回路構成としては様々のものが可能であるが、以下の説明では、一例として固体撮像素子の読み出し回路に設けられるA/D変換器用のコンパレータに用いるものについて説明する。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
In the example shown in FIGS. 1 to 3 described above, since all of the circuits are dynamic circuits, the holding time is limited. However, if a latch circuit is provided in the next stage, the limitation can be eliminated.
Although various circuit configurations are possible for realizing this, in the following description, an example used for a comparator for an A / D converter provided in a readout circuit of a solid-state imaging device will be described.
図4は、本発明の第4の実施の形態例によるコンパレータの応用例を示す図であり、図4(A)は回路図、図4(B)はタイミングチャートである。
これは、図5に示した従来例の回路構成に対応するものであり、固体撮像素子の画素内にA/D変換器を設けて撮像信号をデジタル信号に変換して出力する回路例である。
まず、画素アレイ部10は、複数の画素(図では4つの画素を示す)に、それぞれ光電変換手段としてのフォトダイオードD0〜D3と、このフォトダイオードD0〜D3から信号電荷を読み出すためのMOSトランジスタM1〜M4とを設けたものである。なお、図4では各画素の信号電荷を蓄積するキャパシタとしてのMOSトランジスタ(図5のM5〜M8)はキャパシタC3の1個にまとめている。
4A and 4B are diagrams showing an application example of the comparator according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 4A is a circuit diagram and FIG. 4B is a timing chart.
This corresponds to the circuit configuration of the conventional example shown in FIG. 5, and is an example of a circuit in which an A / D converter is provided in a pixel of a solid-state imaging device to convert an imaging signal into a digital signal and output it. .
First, the pixel array unit 10 includes photodiodes D0 to D3 as photoelectric conversion units and MOS transistors for reading signal charges from the photodiodes D0 to D3, in a plurality of pixels (four pixels are shown in the figure). M1 to M4 are provided. In FIG. 4, MOS transistors (M5 to M8 in FIG. 5) serving as capacitors for storing the signal charge of each pixel are combined into one capacitor C3.
また、A/D変換器は、コンパレータ20と1ビットラッチ回路30によって画素アレイ部10から出力された画素信号のA/D変換を行うものである。
破線枠aの部分がコンパレータ20であり、MOSトランジスタTr1、Tr2、Tr3、Tr4、及びキャパシタC1は図2と共通するものである。
また、画素アレイ部10とコンパレータ20の間のノードV1には、キャパシタC3が設けられており、また、ノードV1とMOSトランジスタTr1のドレインとの間には、リセット用のMOSトランジスタTrRが設けられている。このMOSトランジスタTrRは、該MOSトランジスタTrRがオンすることによってMOSTr1のゲート(第1の入力端子)の電圧を初期化するリセット手段を構成している。
The A / D converter performs A / D conversion of the pixel signal output from the pixel array unit 10 by the
The portion of the broken line frame a is the
A capacitor C3 is provided at the node V1 between the pixel array unit 10 and the
また、ラッチ回路(1ビットラッチ回路)30は、コンパレータ20の出力端子にゲートが接続されたMOSトランジスタTr6と、このMOSトランジスタTr6から出力されるクロックビットを取り出すためのMOSトランジスタTr7、Tr8と、MOSトランジスタTr6のソースに接続された第4のキャパシタC4とを有する。
MOSトランジスタTr6のドレインには、クロック(BITX)が入力され、コンパレータ20の出力電圧Voutがオンしている間、MOSトランジスタTr6のソースからMOSトランジスタTr7のゲートおよびキャパシタC4にBITXが供給される。コンパレータ20の出力電圧Voutがオフすると、その時点のBITXの値がキャパシタC4にラッチされる。
The latch circuit (1-bit latch circuit) 30 includes a MOS transistor Tr6 whose gate is connected to the output terminal of the
A clock (BITX) is input to the drain of the MOS transistor Tr6, and BITX is supplied from the source of the MOS transistor Tr6 to the gate of the MOS transistor Tr7 and the capacitor C4 while the output voltage Vout of the
MOSトランジスタTr8のゲートにはタイミング信号WORDが供給されており、後でWORDをオンして、ラッチされた信号を信号線(BIT)を通して外部に出力する。
なお、キャパシタC4は図5の従来例には明示されていないが、電圧を保持するのに必要なものであるので、図4に明示したものである。
The timing signal WORD is supplied to the gate of the MOS transistor Tr8, and the WORD is turned on later to output the latched signal to the outside through the signal line (BIT).
The capacitor C4 is not explicitly shown in the conventional example of FIG. 5, but is clearly shown in FIG. 4 because it is necessary for holding the voltage.
次に、このような固体撮像素子の動作原理自体は公知であるので、ここでは図4に示すコンパレータの動作を中心に説明する。
まず、図4において、ノードV1とV2がコンパレータ20への入力である。
そして、ノードV1にはフォトダイオードの信号が入力される。また、V2にはランプ(Ramp;掃引)波が入力され、どこかのレベルでコンパレータ20の出力(ノードB)が反転する。
ここでは簡単のため、3ビット(bit)のA/D変換の動作を図4に基づいて説明する。ここではフォトダイオード信号の電圧レベルが0の時にコンパレータ20の出力が反転する入力電圧V2の電圧レベルを0とし、フォトダイオード信号の電圧レベルが最大の時にコンパレータ20の出力が反転する入力電圧V2の電圧レベルを8とする。
Next, since the operating principle of such a solid-state imaging device is known per se, the operation of the comparator shown in FIG. 4 will be mainly described here.
First, in FIG. 4, nodes V <b> 1 and V <b> 2 are inputs to the
A photodiode signal is input to the node V1. A ramp (sweep) wave is input to V2, and the output (node B) of the
Here, for the sake of simplicity, a 3-bit (bit) A / D conversion operation will be described with reference to FIG. Here, the voltage level of the input voltage V2 at which the output of the
以下、図4(B)に示すタイミングt0〜t26に沿ってフォトダイオードD0の画素信号を読み出す場合の各部の状態について順に説明する。
まず、t0では、コンパレータ20の動作前の状態であり、V2はHighレベルである。
次にt1は、フォトダイオードD0のゲートパルスS0をHighにすると、フォトダイオードD0がコンパレータ20側につながる。
次に、t2では、コンパレータ20をリセットする。このときV2はHighなので、V2には電流は流れない。コンパレータ出力であるノードBはLowにセットされ、MOSトランジスタTr6がONするので、キャパシタC4にはBITXの電圧値が現れるようになる。
Hereinafter, the state of each unit in the case where the pixel signal of the photodiode D0 is read out in accordance with the timings t0 to t26 illustrated in FIG.
First, at t0, it is a state before the operation of the
Next, at t1, when the gate pulse S0 of the photodiode D0 is set to High, the photodiode D0 is connected to the
Next, at t2, the
次に、t4〜t8では、V2に1、3、5、7、Lowのレベルを順に入力すると、どこかでコンパレータ出力が反転する。そこで、この反転した時に、トランジスタTr6がオフになるので、その時のBITXの電圧がキャパシタC4に保持され、これが下位bitの値となる(下位bitラッチ)。
t9では、この期間にWORDをLowにして、下位bitを画素外に出力する。そして、t11では、コンパレータをリセットする。
次に、t13〜t15では、V2に2、6、Lowのレベルを順に入れて中位bitをラッチする。そして、t16では、中位bitを出力する。そして、t17では、コンパレータをリセットする。
Next, at t4 to t8, when 1, 3, 5, 7, and Low levels are sequentially input to V2, the comparator output is inverted at some point. Therefore, when this inversion is performed, the transistor Tr6 is turned off, and the voltage of BITX at that time is held in the capacitor C4, which becomes the value of the lower bit (lower bit latch).
At t9, WORD is set to Low during this period, and the lower bits are output outside the pixel. At t11, the comparator is reset.
Next, from t13 to t15,
次に、t19、t20では、V2に4、Lowのレベルを順に入れて上位bitラッチする。そして、t21では、上位bitを出力する。
t22では、コンパレータをリセットするとともに、リセットトランジスタTrRをオンする。これにより、ノードA、ノードV1はVddになる。また、V2はVddにしている。
t23、t24では、リセットパルスRp、Rnを戻してから、V2を0レベルにする。すると、そのV2につりあうレベルまで(V2=V1−Vthになるまで)、ノードV1にV2から電子が注入されて、フォトダイオードD0もその電圧値になる。これにより、D0が信号0のレベルにリセットされる。トランジスタTr1のVthばらつきがあっても、この動作によりVthばらつきが相殺される。
Next, at t19 and t20, 4 and Low levels are sequentially input to V2, and the upper bit is latched. At t21, the upper bit is output.
At t22, the comparator is reset and the reset transistor TrR is turned on. As a result, the node A and the node V1 become Vdd. V2 is set to Vdd.
At t23 and t24, after reset pulses Rp and Rn are returned, V2 is set to 0 level. Then, electrons are injected from the node V2 to the node V1 until the level reaches the level V2 (until V2 = V1-Vth), and the photodiode D0 also has the voltage value. As a result, D0 is reset to the level of
なお、図5に示す従来例では、コンパレータの出力をフィードバックしてフォトダイオードD0をリセットするとともに、コンパレータゲインを用いてVthばらつきをゲイン分の1に抑えている。
しかし、本例のコンパレータでは、上記説明のように違う原理を用いており、コンパレータゲインと無関係で原理的にはkTC雑音までVthばらつきを抑圧できるので、バイアス電流が必要ないことと合わせて非常に有効である。
また、t25、t26では、リセットパルスRESET、ゲートパルスS0の順にオフし、V2をHighに戻して動作を完了する。
以上はフォトダイオードD0に関する動作であり、その他のフォトダイオードD1〜D3も、この後、同様の動作によって読み出すものとする。
In the conventional example shown in FIG. 5, the output of the comparator is fed back to reset the photodiode D0, and the Vth variation is suppressed to 1 / gain using the comparator gain.
However, the comparator of this example uses a different principle as described above. In principle, Vth variation can be suppressed up to kTC noise regardless of the comparator gain. It is valid.
At t25 and t26, the reset pulse RESET and the gate pulse S0 are turned off in this order, and V2 is returned to High to complete the operation.
The above is the operation related to the photodiode D0, and the other photodiodes D1 to D3 are read by the same operation thereafter.
図5に示された従来例では、コンパレータ部のトランジスタ数が9個であったが、この本発明を適用した例では4個で済んでいる。また従来例ではコンパレータの動作に定常的なバイアス電流が必要であるが、本発明のこの例では定常的なバイアス電流は不要である。
以上のように、本例のコンパレータは、定常電流を用いることなく、かつ、少ないトランジスタ数による簡易な構成で実現できるので、回路規模の縮小や消費電力の削減を図ることが可能となる。ただし、このコンパレータは、2つの入力信号であるV1とV2の大小ではなく、V1−VthとV2の大小を比較するものであるが、上述のような適正な条件で用いれば、非常に有効な手段となる。
なお、上述の例では、電界効果トランジスタとしてMOSトランジスタを用いたが、同様の機能を有する素子であれば、他の電界効果トランジスタを用いることが可能である。
In the conventional example shown in FIG. 5, the number of transistors in the comparator section is nine. However, in the example to which the present invention is applied, only four transistors are required. In the conventional example, a steady bias current is required for the operation of the comparator, but in this example of the present invention, a steady bias current is not necessary.
As described above, the comparator of this example can be realized with a simple configuration using a small number of transistors without using a steady-state current, so that the circuit scale and power consumption can be reduced. However, this comparator compares the magnitudes of V1-Vth and V2, not the magnitudes of the two input signals V1 and V2, but is very effective when used under the appropriate conditions as described above. It becomes a means.
In the above example, a MOS transistor is used as a field effect transistor, but other field effect transistors can be used as long as they have similar functions.
以上説明したように本例の固体撮像装置では、コンパレータが、1つの電界効果トランジスタの2つの端子を入力端子とし、1つの端子を出力端子とし、この出力端子における電流の状態によって2つの入力端子に入力した信号の大小関係を比較することから、定常電流を用いることなく、少ないトランジスタ数でコンパレータを構成でき、低消費電力で小型の固体撮像装置を実現することができる効果がある。
As described above, in the solid-state imaging device of this example, the comparator has two terminals of one field-effect transistor as input terminals and one terminal as an output terminal, and two input terminals depending on the current state at the output terminal. Since the magnitude relations of the signals input to are compared, a comparator can be configured with a small number of transistors without using a steady current, and there is an effect that a small solid-state imaging device with low power consumption can be realized.
Tr1〜Tr8、TrR、M1〜M8……MOSトランジスタ、C1〜C4……キャパシタ、D0〜D3……フォトダイオード。 Tr1 to Tr8, TrR, M1 to M8... MOS transistors, C1 to C4... Capacitors, D0 to D3.
Claims (1)
前記コンパレータは、
第1の電圧入力端子がキャリア制御端子に接続され、第2の電圧入力端子がキャリア供給端子またはキャリア受容端子の一方に接続される第1の電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタのキャリア供給端子またはキャリア受容端子の他方に接続される第1のキャパシタと、
キャリア制御端子に第1のリセットパルスが供給され、前記第1のキャパシタに電源電圧を充電して前記第1のキャパシタの出力電圧をリセットする第2の電界効果トランジスタと、
前記第1のキャパシタにキャリア制御端子が接続され、キャリア供給端子またはキャリア受容端子の一方が電源電圧に接続される第3の電界効果トランジスタと、
前記第3の電界効果トランジスタのキャリアキャリア供給端子またはキャリア受容端子の他方に接続され、キャリア制御端子に第2のリセットパルスまたは第一のキャパシタからの出力が供給される第4の電界効果トランジスタと、
前記第3の電界効果トランジスタと前記第4の電界効果トランジスタの接続点に接続される第2のキャパシタと、を備え、
前記第2の電界効果トランジスタが前記第1のキャパシタをリセットした後、前記第1の電界効果トランジスタの閾値電圧によって前記第1の電圧入力端子と第2の電圧入力端子に入力される2つの電圧を比較した結果により、前記第2の電圧入力端子から前記第1の電界効果トランジスタを介して出力端子に流入される信号を前記第1のキャパシタに蓄積させ、
前記第4の電界効果トランジスタが前記第2のキャパシタをリセットした後、前記第1のキャパシタの出力電圧が前記第3の電界効果トランジスタを介して、前記第2のキャパシタに蓄積されて、前記第2のキャパシタの出力電圧を前記ラッチ回路に供給する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 It consists of a plurality of pixels, and consists of a pixel array unit that photoelectrically converts optical signals from each pixel to generate image signals, and a comparator and latch circuit for A / D conversion of image signals from the pixel array unit. A solid-state imaging device,
The comparator is
A first field effect transistor having a first voltage input terminal connected to the carrier control terminal and a second voltage input terminal connected to one of the carrier supply terminal or the carrier receiving terminal ;
A first capacitor connected to the other of the carrier supply terminal and the carrier reception terminal of the first field effect transistor;
A second field effect transistor that is supplied with a first reset pulse at a carrier control terminal, charges a power supply voltage to the first capacitor, and resets an output voltage of the first capacitor ;
A third field effect transistor having a carrier control terminal connected to the first capacitor and one of a carrier supply terminal or a carrier reception terminal connected to a power supply voltage ;
A fourth field effect transistor connected to the other of the carrier carrier supply terminal and the carrier reception terminal of the third field effect transistor, and supplied with the output from the second reset pulse or the first capacitor to the carrier control terminal ; ,
A second capacitor connected to a connection point of the third field effect transistor and the fourth field effect transistor ,
After the second field effect transistor resets the first capacitor, two voltages input to the first voltage input terminal and the second voltage input terminal according to a threshold voltage of the first field effect transistor As a result of comparing the above, a signal that flows from the second voltage input terminal to the output terminal via the first field effect transistor is accumulated in the first capacitor,
After the fourth field effect transistor resets the second capacitor, the output voltage of the first capacitor is stored in the second capacitor via the third field effect transistor, and the second capacitor Supplying the output voltage of two capacitors to the latch circuit ;
A solid-state imaging device.
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