(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素信号増幅回路（２００）であって：
第１および第２入力ならびに第１および第２出力（Ｒ，Ｓ）を有する増幅器（ＯＰ１）；
前記増幅器の第１入力および第１出力間に結合された第１コンデンサ（Ｃ２）；
前記増幅器の第２入力および第２出力間に結合された第２コンデンサ（Ｃ４）；
画素信号（ＰＩＸＩＮ）を受信するように結合された第１端子と、前記増幅器の第１入力に結合された第２端子とを有する第３コンデンサ（Ｃ１）；
前記画素信号を受信するように結合された第１端子と、前記増幅器の第２入力に結合された第２端子を有する第４コンデンサ（Ｃ３）；および
前記第１コンデンサ（Ｃ２）の第１および第２端子のそれぞれに結合された第１導通端子を有する第１および第２トランジスタ（２２５ｃ，２２５ｄ）；
を備え、
前記第１および第２トランジスタ（２２５ｃ，２２５ｄ）がバイアスされると、前記第１コンデンサ（Ｃ２）の両端子における電荷が等化される
ことを特徴とする画素信号増幅回路（２００）。
【請求項２】
前記画素信号を受信するように結合された第１導通端子と、前記第３コンデンサの第１端子に結合された第２導通端子を有する第１トランジスタ（２２５ａ）であって、前記画素信号のリセット値を導通するために前記第１トランジスタを選択する信号を受信する制御端子とを有する第１トランジスタ（２２５ａ）；および
前記画素信号を受信するように結合された第１導通端子と、前記第４コンデンサの第１端子に結合された第２導通端子を有する第２トランジスタ（２３５ａ）であって、サンプル画素信号値を導通するために前記第２トランジスタを選択する信号を受信する制御端子とを有する第２トランジスタ（２３５ａ）；
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の画素信号増幅回路。
【請求項３】
前記第３コンデンサの第２端子に結合された第１導通端子と、前記増幅器の第１入力に結合された第２導通端子と、信号を受信する制御端子とを有する第３トランジスタ（２４５ａ）；および
前記第４コンデンサの第２端子に結合された第１導通端子と、前記増幅器の第２入力に結合された第２導通端子と、信号を受信する制御端子とを有する第４トランジスタ（２４５ｄ）；
を更に備えることを特徴とする請求項２記載の画素信号増幅回路。
【請求項４】
画素検出回路（２００）であって：
第１および第２入力を有し、該第１および第２入力における信号間の差分値を発生する増幅器（ＯＰ１）；
前記増幅器の前記第１入力および第１出力間に結合された第１コンデンサ（Ｃ２）であって、画素リセット値を格納する第１コンデンサ；
前記増幅器の第２入力および第２出力間に結合され、サンプル画素信号値を格納する、第２コンデンサ（Ｃ４）；および
前記第１コンデンサ（Ｃ２）の第１および第２端子のそれぞれに結合された第１導通端子を有する第１および第２トランジスタ（２２５ｃ，２２５ｄ）；
を備え、
前記第１および第２トランジスタ（２２５ｃ，２２５ｄ）がバイアスされると、前記第１コンデンサ（Ｃ２）の両端子における電荷が等化される
ことを特徴とする画素検出回路（２００）。
【請求項５】
画素信号（ＰＩＸＩＮ）を受信するように結合された第１端子と、前記増幅器の第１入力に結合された第２端子とを有する第３コンデンサ（Ｃ１）；および
前記画素信号を受信するように結合された第１端子と、前記増幅器の第２入力に結合された第２端子を有する第４コンデンサ（Ｃ３）；
を更に備えることを特徴とする請求項４記載の画素検出回路。
【請求項６】
画素信号を検出する方法であって：
第１および第２コンデンサの端子上の電荷を基準電圧に等しくする段階；
第３コンデンサ上に画素リセット値を格納する段階；
第４コンデンサ上にサンプル画素信号値を格納する段階；
前記第３コンデンサ上に格納された画素リセット値を前記第１コンデンサに転送する段階；および
前記第４コンデンサ上に格納されたサンプル画素信号値を前記第２コンデンサに転送する段階；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
さらに、前記第１コンデンサ上に格納された画素リセット値と前記第２コンデンサ上に格納されたサンプル画素信号値との間の差を増幅する段階を備えることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第２コンデンサの第１および第２端子のそれぞれに結合された第１導通端子を有する第１および第２トランジスタを更に備えることを特徴とする請求項１記載の画素信号増幅器。
【請求項９】
前記第２コンデンサの第１および第２端子のそれぞれに結合された第１導通端子を有する第１および第２トランジスタを更に備えることを特徴とする請求項４記載の画素信号増幅器。
【請求項１０】
第１および第２トランジスタを第２コンデンサに結合する段階を更に備えることを特徴とする請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、半導体撮像回路に関し、更に特定すれば、スイッチ・コンデンサを利用して信号対ノイズ比の向上および信号利得の増大を図った画素読み出し回路およびバッファ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体撮像素子の主要な機能は、光子の検出，およびそのエネルギの測定可能な電圧信号への変換である。典型的に、画素エレメント内においてフォトダイオードから容量性ノードに電荷を移動させることによって発生する電圧を検出する。各画素エレメントをリセットし、画素エレメント・アレイ内にある各ダイオードの基準レベルを決定する。画素リセット動作に続いて、再度画素エレメントを連続的に動作させ、サンプルした画素信号を読み取る。サンプルした画素信号と基準レベルとの差が、アレイ内の各画素エレメントに対して決定される。
【０００３】
アクティブ画素センサ(active pixel sensor)の主な性能パラメータは、荷電粒子分光測定(charged particle spectrometry)の用途または撮像の用途であるかに係らず、信号対ノイズ比である。ノイズは、空間，時間および検出成分に分けられる。空間即ち固定パターン・ノイズ（ＦＰＮ：Fixed Pattern Noise）は、一般に最も大きなノイズ源であり、本発明における重要な課題である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
捕獲した電子電荷(electron charge)の電圧への変換（ｅ-からＶ）の間、その結果得られるサンプル信号レベルの強度は非常に小さい。したがって、認知可能なダイナミック・レンジを有する電圧振幅を得るためには、得られたサンプル信号レベルの増幅、即ち、利得作用が必要となる。このためには、信号源において最大利得を与えることにより、下流のノイズ注入源(downstream noise injecting source)からのノイズの増幅を回避することが望ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明が提案する方法は、ＣＭＯＳ撮像素子の列アーキテクチャにおけるスイッチ・コンデンサ回路の適用によって、列読み出し回路におけるソース・フォロワ(source follower)の殆どを排除する。スイッチ・コンデンサは、従来技術において用いられているソース・フォロワ・バッファの使用に伴う利得損失を受けることはない。
【０００６】
コンデンサ比を適正に選択することによって、１よりも大きな利得が得られ、スイッチ・コンデンサ回路を画素信号源に接近して接続することができ、これによって全体の信号対ノイズ比が更に向上する。画素サンプル信号の利得向上は、二次元フォト・アレイ撮像素子には非常に望ましい。この種の素子における画素信号レベルは、局部的な光レベルに左右され、信号の振幅が１００ミリボルト未満となる場合もあり、信号対ノイズ比の低下を招く。したがって、いずれの下流ノイズ注入源による処理にも先立って、画素信号利得を与えることが非常に望ましい。
【０００７】
加えて、一定のコンデンサ比を維持することは、アレイにおける個々のソース・フォロワに一定の利得を維持するよりも簡単である。ソース・フォロワ内における利得の不整合が大きくなると、列間のノイズ比較において現れ、ノイズの増大に至る。図２に示すように、回路にスイッチ・コンデンサを用いることにより、従来技術が示すノイズ性能よりも約３０パーセント低い、列間ノイズ性能を達成する。
【０００８】
本発明に用いるスイッチ・コンデンサは、アクティブ画素検出エレメントを有するその他の半導体撮像素子にも適用可能である。本発明の構成は、例えば、ＣＭＯＳリニア・センサ，電荷結合素子（ＣＣＤ），または列毎に読み出し検出を行なうその他のＣＭＯＳセンサに有効である。かかる画像検出素子は、指紋認証器，カメラ，網膜スキャナ，ならびにディジタルおよびビデオ・カメラに含まれる。
【０００９】
図１を参照すると、複数のソース・フォロワ・バッファを有する従来技術の画像センサおよびバッファ回路の簡略構成図が示されている（以下、「従来技術回路１００」と呼ぶ）。従来技術回路１００は、基準リセット回路部１１０およびサンプル回路部１２０を有する。基準リセット回路部１１０は、２つの共通モード・ソース・フォロワ・スイッチ、即ち、トランジスタ１１２，１１４を有する。また、サンプル回路部１２０も２つの共通モード・ソース・フォロワ・スイッチ、即ち、トランジスタ１２２，１２４を有する。２つの回路部１１０，１２０は互いに接続され、更に図３に示す画素エレメントの出力にも接続することができる。図３は、画素入力源の一例を示す。従来技術回路１００は、相関二重サンプリング(correlated double sampling)を用いた従来技術のＣＣＤ撮像方法の一例である。
【００１０】
図２は、本発明の一実施例による画素検出回路または画素信号増幅回路２００である。回路２００は、従来技術回路１００（図１）の２つの回路部分１１０，１２０の代わりに、スイッチ・コンデンサを用いた回路を有する。
【００１１】
回路２００は、リセット回路２１０およびサンプル信号回路２２０を含む。回路２１０，２２０は互いに接続され、更に図３に示す画素エレメントの出力にも接続されている。リセット回路２１０は、リセット信号トランジスタ・スイッチ２２５ａを含む。リセット回路２１０は、信号ＰＩＸＩＮ（図３）を受信し、トランジスタ２２５ａを介してこの信号をコンデンサＣ１の端子に転送する。コンデンサＣ１の他方の端子は、トランジスタ・スイッチ２４５ａを介してコンデンサＣ２の第１端子に、更に差動演算増幅器ＯＰ１の第１入力に接続されている。
基準リセット回路２１０は、トランジスタ・スイッチ２２５ｃ，２２５ｄを含み、電圧ＶＣＭを受信するようにコンデンサＣ２の双方の端子を接続する。トランジスタ・スイッチ２２５ｂ，２４５ｂは、コンデンサＣ１の端子を接続し、電圧ＶＣＭを受信する。ＯＰ１の出力Ｒは、コンデンサＣ２の第２端子に共通に接続されている。
【００１２】
サンプル信号回路２２０は、更に、トランジスタ・スイッチ２３５ａを含み、信号ＰＩＸＩＮを受信し、この信号をコンデンサＣ３の端子に転送する。コンデンサＣ３の他方の端子は、トランジスタ・スイッチ２４５ｄを介してコンデンサＣ４の第１端子に接続され、更に差動演算増幅器ＯＰ１の第２入力にも接続されている。更に、サンプル信号回路２２０は、トランジスタ・スイッチ２３５ｃ，２３５ｄを含み、電圧ＶＣＭを受信するようにコンデンサＣ４の端子を接続する。トランジスタ・スイッチ２３５ｂ，２４５ｃは、コンデンサＣ３の端子を接続し、電圧ＶＣＭを受信する。ＯＰ１の出力Ｓは、コンデンサＣ４の第２端子およびトランジスタ・スイッチ２３５ｄの端子に共通に接続されている。負荷トランジスタ２１５が画素に負荷を与え、ＰＩＸＩＮソースに接続されている。
【００１３】
差動演算増幅器（以下「オペアンプ」と呼ぶ）の使用は有効である。何故なら、完全に差動的なオペアンプは、回路２００内で用いる場合、シングル・エンド・ソース・フォロワ回路よりもノイズが少ないからである。つまり、共通モード・ノイズを受けないのである。加えて、以下で更に詳細に説明するが、回路２００にＯＰ１を使用することにより、電圧の利得が得られる。
【００１４】
図３は、画素エレメント回路の一例の簡略構成図である。信号ＲＳＴはリセット動作を行なわせ、画素エレメント内にあるフォトダイオード間に基準電圧をセットする。信号ＸＦＥＲは、転送動作を行なわせ、光が画素エレメント回路を照明する際、フォトダイオード間に発生する電荷、即ち、サンプル値を転送させる。
【００１５】
動作において、最初に基準リセット動作が選択された画素上で行われる。信号ＲＳＴ（図３）が、信号ＰＩＸＩＮに対する電圧値をセットする。基準リセット動作の間、トランジスタ・スイッチ２２５ａ，２２５ｂはオンとなっており、信号ＰＩＸＩＮは回路２００によって処理される。トランジスタ・スイッチ２２５ａは、信号ＰＩＸＩＮをコンデンサＣ１の端子に転送する。トランジスタ・スイッチ２２５ｂは、コンデンサＣ１の他方の端子におけるＶＣＭの電圧値をセットする。したがって、画素エレメントからの信号ＰＩＸＩＮのリセット値はコンデンサＣ１を充電する。導通モードにあるトランジスタ・スイッチ２２５ａ，２２５ｂに伴い、トランジスタ・スイッチ２２５ｃ，２２５ｄはバイアスされ、コンデンサＣ２の両端子を接続して電圧ＶＣＭを受信し、コンデンサＣ３の端子における電荷を等化する。
【００１６】
次いで、選択した画素エレメント（図３）から信号ＲＳＴを除去し、信号ＸＦＥＲをアサートする。画素エレメントを照明する光の強度に応答してフォトダイオードによって発生した電圧、即ち、サンプル画素信号値が、画素エレメントの出力における信号ＰＩＸＩＮに転送される。トランジスタ・スイッチ２３５ａ，２３５ｂは、回路２２０（図２）内においてオンとなる。トランジスタ・スイッチ２３５ａは、信号ＰＩＸＩＮをコンデンサＣ３の端子に転送する。トランジスタ・スイッチ２３５ｂは、コンデンサＣ３の他方の端子におけるＶＣＭの電圧値を設定する。トランジスタ・スイッチ２３５ａ，２３５ｂが導通モードにある場合、トランジスタ・スイッチ２３５ｃ，２３５ｄもバイアスされ、コンデンサＣ４の両端子を接続して、電圧ＶＣＭを受信し、コンデンサＣ４の端子における電荷を等化する。
【００１７】
回路２００が画素エレメントからリセット値を受信してコンデンサＣ１上に蓄積した後、電荷は更にトランジスタ・スイッチ２４５ａを介して転送され、コンデンサＣ２上に蓄積される。電荷転送は、トランジスタ・スイッチ２４５ａ，２４５ｂをオンにすることによって開始される。コンデンサ間の電圧は瞬時に変化することができないので、トランジスタ・スイッチ２４５ｂによってコンデンサＣ１の端子に供給される電圧ＶＣＭは、コンデンサＣ１上に格納されているリセット値も、コンデンサＣ２上に格納されている電圧にする。
【００１８】
加えて、画素エレメント内のフォトダイオードを照明した光の強度に応答してコンデンサＣ３上に蓄積された電荷は、トランジスタ・スイッチ２４５ｄを介してコンデンサＣ４に転送される。コンデンサＣ３からコンデンサＣ４への電荷転送は、トランジスタ・スイッチ２４５ｃ，２４５ｄを導通モードに切り替えることによって開始される。
【００１９】
ここで、画素エレメント・リセット値は、コンデンサＣ２上に格納され、画素エレメントのダイオードを照明した光によって発生した電圧は、コンデンサＣ４上に格納される。コンデンサＣ２，Ｃ４上に蓄積された電荷間の電圧差は、差動オペアンプＯＰ１によって増幅され、増幅出力信号Ｒ，ＳがＯＰ１の出力に現れる。信号Ｒ，Ｓは、次段（図示せず）において得られ、必要に応じて更に処理される。オペアンプＯＰ１は、スイッチ・コンデンサと共に動作し、電圧利得を与える。
【００２０】
以上の説明から、本発明はリセット値および光が画素エレメントを照明した結果生ずるサンプル信号レベル間の電圧を増幅することが認められよう。演算増幅器による電圧差の検出により、認知可能なダイナミック・レンジを有する電圧振幅が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の撮像センサおよびバッファの簡略構成図。
【図２】本発明の一実施例による画素信号増幅回路。
【図３】画素エレメント回路の一例の簡略構成図。
【符号の説明】
１００    従来技術回路
１１０    基準リセット回路部
１１２，１１４，１２２，１２４    トランジスタ
１２０    サンプル回路部
２００    画素検出回路／画素信号増幅回路
２１０    リセット回路
２２０    サンプル信号回路
２２５ａ    リセット信号トランジスタ・スイッチ
２２５ｃ，２２５ｄ，２３５ａ，２３５ｃ，２３５ｄ，２４５ａ，２４５ｄ
トランジスタ・スイッチ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４    コンデンサ
ＯＰ１    差動演算増幅器
【図１】
0004867028.tif 000002
【図２】
0004867028.tif 000003
【図３】
0004867028.tif 000004