(57)【要約】【課題】簡単な制御で１／ｆノイズを低減することのできるイメージセンサを提供する。【解決手段】イメージセンサ１は、行選択アドレス信号生成部２００から出力される行選択アドレス信号ＡＤ１、ＡＤ２がアクティブレベルになったときに、パルス生成部１１から出力されるパルス波Ｐを、１行目の画素セル１００の選択用トランジスタへ入力する選択信号ＳＥＬ１、２行目の画素セル１００の選択用トランジスタへ入力するＳＥＬ２、として出力する選択信号生成部１２と、各画素セル１００の増幅用トランジスタの出力（Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２）を出力信号線（Ｓ１、Ｓ２）へ読み出す出力読み出し部１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタにより転送された電荷によって規定される電位を増幅する増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタにリセット電位を設定するリセット用トランジスタと、選択信号が入力されたときに前記増幅用トランジスタを選択的に動作させる選択用トランジスタと、を有する画素セルがマトリックス状に配置されたイメージセンサであって、
前記リセット用トランジスタの導通を制御するリセット信号がアクティブレベルになるタイミングと前記転送用トランジスタの導通を制御する転送信号がアクティブレベルになるタイミングの間隔よりも短い周期で変化するパルス波を生成するパルス生成手段と、
行選択アドレス信号がアクティブレベルになったときに前記パルス生成手段から出力される前記パルス波を前記選択信号として出力する選択信号生成手段と、
前記転送信号および前記選択信号がともにアクティブレベルであるときに前記増幅用トランジスタの出力を出力信号線へ読み出す出力読み出し手段と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記パルス生成手段により生成されるパルス波の振幅を変化させる振幅制御部
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記行選択アドレス信号の出力に応じて前記選択用トランジスタの電源電位を切り換える電源電位切り替え部
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記電源電位切り替え部が、
前記行選択アドレス信号がアクティブレベルであるときは動作電源電位を出力し、
前記行選択アドレス信号が非アクティブレベルであるときは接地電位を出力する
ことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラなどの撮像素子として、ＣＭＯＳ型のイメージセンサが普及している。このＣＭＯＳ型のイメージセンサでは、フォトダイオードなどの光電変換素子に発生した電荷によって規定される電位の情報を、増幅用トランジスタを介して外部へ伝送する。
【０００３】
一般的な構成として、ＣＭＯＳ型のイメージセンサは、光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を転送する転送用トランジスタと、転送用トランジスタにより転送された電荷によって規定される電位を増幅する増幅用トランジスタと、増幅用トランジスタにリセット電位を設定するリセット用トランジスタと、行選択アドレス信号が入力されたときに増幅用トランジスタを選択的に動作させる選択用トランジスタと、を有する画素セルをマトリックス状に配置する構成をとる。
【０００４】
昨今の画素密度向上の要求に応えるため、画素セルのサイズの縮小が図られ、画素セルの各トランジスタは、非常に小さなゲート幅、長さに設定されることが殆どである。特に、増幅用トランジスタは、使用される製造プロセスで可能な最小寸法とされることも多い。その結果、ＭＯＳトランジスタの特性として１／ｆノイズが増大するという問題が発生する。
【０００５】
この１／ｆノイズを減少させる方法としては、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を低下させるか、ドレイン−ソース間電圧を低下させることが有効であることが知られている。そこで、従来、転送用トランジスタから電位が転送される前に、増幅用トランジスタのゲート電位を低電位側にシフトさせて、増幅用トランジスタに発生する１／ｆノイズを低減させる増幅型固定撮像装置（例えば、特許文献１参照。）や、増幅用トランジスタにサンプルホールド回路を付加し、サンプルホールド回路がホールド状態のときに増幅用トランジスタのソース電位を複数回スイッチングさせて、増幅用トランジスタに発生する１／ｆノイズを低減させる撮像装置（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。
【０００６】
しかし、上述の増幅型固定撮像装置では、増幅用トランジスタのゲート電位を低電位側にシフトさせるためには、転送用トランジスタのゲート電圧の上げ下げを短時間の間に複雑に行う必要があるとか、あるいは、上述の撮像装置では、サンプルホールド回路を付加した上で、そのサンプル／ホールド動作と増幅用トランジスタの増幅動作とを同期させなければならないなど、増幅用トランジスタ周辺の動作制御が難しいという問題があった。
【特許文献１】特開２００７−６０５００号公報
【特許文献２】特開２００３−３２５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、簡単な制御で１／ｆノイズを低減することのできるイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタにより転送された電荷によって規定される電位を増幅する増幅用トランジスタと、前記増幅用トランジスタにリセット電位を設定するリセット用トランジスタと、選択信号が入力されたときに前記増幅用トランジスタを選択的に動作させる選択用トランジスタと、を有する画素セルがマトリックス状に配置されたイメージセンサであって、前記リセット用トランジスタの導通を制御するリセット信号がアクティブレベルになるタイミングと前記転送用トランジスタの導通を制御する転送信号がアクティブレベルになるタイミングの間隔よりも短い周期で変化するパルス波を生成するパルス生成手段と、行選択アドレス信号がアクティブレベルになったときに前記パルス生成手段から出力される前記パルス波を前記選択信号として出力する選択信号生成手段と、前記転送信号および前記選択信号がともにアクティブレベルであるときに前記増幅用トランジスタの出力を出力信号線へ読み出す出力読み出し手段とを備えることを特徴とするイメージセンサが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、イメージセンサで発生する１／ｆノイズを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の実施例１に係るイメージセンサの構成の概略を示すブロック図である。説明を容易にするために、図１では、２行×２列のマトリックス状に画素セル１００が配列された例を示す。実用上は、はるかに多くの画素セル１００が配置されるものである。
【００１２】
ここで、本実施例のイメージセンサ１の説明に先立って、本実施例で用いる画素セル１００の構成について説明する。
【００１３】
図２に、画素セル１００の構成の例を回路図で示す。
【００１４】
画素セル１００は、光電変換素子であるフォトダイオードＰＤと、転送信号ＴＧがアクティブレベルになったときにフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を転送する転送用トランジスタＭＴ１と、転送用トランジスタＭＴ１により転送された電荷によって規定される電位を増幅する増幅用トランジスタＭＴ２と、リセット信号Ｒがアクティブレベルになったときに増幅用トランジスタＭＴ２にリセット電位として動作電源電位ＶＤＤを設定するリセット用トランジスタＭＴ３と、電源端子ＶＤに外部から電位が与えられ、選択信号Ｓが入力されたときに増幅用トランジスタＭＴ２を選択的に動作させる選択用トランジスタＭＴ４と、を有する。
【００１５】
次に、本実施例のイメージセンサ１について説明する。
【００１６】
図１に示すイメージセンサ１は、２行×２列のマトリックス状に配列され、電源端子ＶＤに動作電源電位ＶＤＤが与えられた画素セル１００と、行選択アドレス信号ＡＤ１、ＡＤ２を出力する行選択アドレス信号生成部２００と、リセット用トランジスタＭＴ３の導通を制御するリセット信号Ｒ１（Ｒ２）がアクティブレベルになるタイミングと転送用トランジスタＭＴ１の導通を制御する転送信号ＴＧ１（ＴＧ２）がアクティブレベルになるタイミングの間隔よりも短い周期で変化するパルス波Ｐを生成するパルス生成部１１と、行選択アドレス信号ＡＤ１、ＡＤ２がアクティブレベルになったときに、パルス生成部１１から出力されるパルス波Ｐを、１行目の画素セル１００に対する選択信号ＳＥＬ１、２行目の画素セル１００に対するＳＥＬ２としてそれぞれ出力する選択信号生成部１２と、１行目の転送信号ＴＧ１および選択信号ＳＥＬ１、あるいは２行目の転送信号ＴＧ２および選択信号ＳＥＬ２がともにアクティブレベルであるときに各画素セル１００の増幅用トランジスタＭＴ２の出力（Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２）を出力信号線（Ｓ１、Ｓ２）へ読み出す出力読み出し部１３と、を備える。
【００１７】
選択信号生成部１２は、行選択アドレス信号ＡＤ１によって選択信号ＳＥＬ１へ出力する信号の切り替えを行うスイッチＳＷ１と、行選択アドレス信号ＡＤ２によって選択信号ＳＥＬ２へ出力する信号の切り替えを行うスイッチＳＷ２と、を有する。
【００１８】
スイッチＳＷ１は、行選択アドレス信号ＡＤ１がアクティブレベルであるときにパルス生成部１１から出力されるパルス波Ｐを選択信号ＳＥＬ１として出力し、行選択アドレス信号ＡＤ１が非アクティブレベルであるときは選択信号ＳＥＬ１を接地電位とする。
【００１９】
同様に、スイッチＳＷ２は、行選択アドレス信号ＡＤ２がアクティブレベルであるときにパルス生成部１１から出力されるパルス波Ｐを選択信号ＳＥＬ２として出力し、行選択アドレス信号ＡＤ２が非アクティブレベルであるときは選択信号ＳＥＬ２を接地電位とする。
【００２０】
次に、図３に示す波形図を用いて本実施例のイメージセンサ１の動作について説明する。なお、ここでは、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、行選択アドレス信号ＡＤ１、ＡＤ２のアクティブレベルは、いずれも‘Ｈ'レベルとする。
【００２１】
パルス生成部１１は、リセット信号Ｒ１（Ｒ２）が‘Ｈ'になるタイミングと転送信号ＴＧ１（ＴＧ２）が‘Ｈ'になるタイミングの間隔Ｔ１よりも短い周期Ｔ２で変化するパルス波Ｐを生成する。
【００２２】
行選択アドレス信号ＡＤ１が‘Ｈ'になると、選択信号生成部１２のＳＷ１の切り替えにより、選択信号ＳＥＬ１にパルス波Ｐが出力される。これにより、１行目の画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４のゲート電圧が周期Ｔ２で変化し、選択用トランジスタＭＴ４の導通／非道通の状態が周期Ｔ２で変化する。
【００２３】
選択用トランジスタＭＴ４が導通すると増幅用トランジスタＭＴ２のドレイン電位は高電位となるが、選択用トランジスタＭＴ４が非導通になると増幅用トランジスタＭＴ２のドレイン電位は低下する。
【００２４】
一方、増幅用トランジスタＭＴ２のゲート電極には、行選択アドレス信号ＡＤ１とともに入力されたリセット信号Ｒ１により導通したリセット用トランジスタＭＴ３を介して、‘Ｈ'レベルが入力される。この‘Ｈ'レベルは、リセット信号Ｒ１がオフしても、転送信号ＴＧ１が入力されるまでは、増幅用トランジスタＭＴ２のゲート容量などの寄生容量により保持される。
【００２５】
したがって、増幅用トランジスタＭＴ２の出力Ｑ（Ｑ１１、Ｑ１２）は、リセット信号Ｒ１が入力されて転送信号ＴＧ１が入力されるまでに期間Ｔ１の間、増幅用トランジスタＭＴ２のドレイン電位の変化に応じて、出力電位が変化する。
【００２６】
このとき、増幅用トランジスタＭＴ２のドレイン電位が低下し、ドレイン−ソース間電圧が低下すると、１／ｆノイズの原因となる増幅用トランジスタＭＴ２のゲート酸化膜にトラップされる電荷の数が減少し、増幅用トランジスタＭＴ２で発生するノイズが減少する。
【００２７】
この場合、増幅用トランジスタＭＴ２のドレイン−ソース間電圧が周期Ｔ２で変化するので、この周期Ｔ２よりも長い周期を持つ１／ｆノイズが低減する。
【００２８】
その後、転送信号ＴＧ１が入力されると、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が増幅用トランジスタＭＴ２のゲート電極へ転送され、その電荷量に応じて増幅用トランジスタＭＴ２のゲート電位が低下する。
【００２９】
転送信号ＴＧ１が‘Ｈ'レベルのときに選択信号ＳＥＬ１が‘Ｈ'レベルになると、増幅用トランジスタＭＴ２のドレイン電位が高電位となり、増幅用トランジスタＭＴ２の出力Ｑ（Ｑ１１、Ｑ１２）は、フォトダイオードＰＤから転送された電荷により決定されるゲート電位に応じたレベルの信号を出力する。
【００３０】
そこで、出力読み出し部１３は、転送信号ＴＧ１と選択信号ＳＥＬ１がともに‘Ｈ'レベルであるときの増幅用トランジスタＭＴ２の出力Ｑ１１を信号線Ｓ１へ読み出し、出力Ｑ１２を信号線Ｓ２へ読み出す。
【００３１】
同様に、行選択アドレス信号ＡＤ２が‘Ｈ'になると、選択信号生成部１２のＳＷ２の切り替えにより、選択信号ＳＥＬ２にパルス波Ｐが出力される。これにより、２行目の画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４のゲート電圧が周期Ｔ２で変化し、選択用トランジスタＭＴ４の導通／非道通の状態が周期Ｔ２で変化する。
【００３２】
その結果、２行目の画素セル１００の増幅用トランジスタＭＴ２においても、この周期Ｔ２よりも長い周期を持つ１／ｆノイズが低減する。
【００３３】
２行目の画素セル１００に接続された出力読み出し部１３は、転送信号ＴＧ２と選択信号ＳＥＬ２がともに‘Ｈ'レベルであるときの増幅用トランジスタＭＴ２の出力Ｑ２１を信号線Ｓ１へ読み出し、出力Ｑ２２を信号線Ｓ２へ読み出す。
【００３４】
このようにして、信号線Ｓ１およびＳ２には、行選択アドレス信号により選択された行の画素セルから、光電変換された電荷量に応じたレベルの信号が出力される。
【００３５】
このような本実施例によれば、選択用トランジスタのゲート電位をパルス状に周期的に変化させることにより、増幅用トランジスタのドレイン−ソース間電圧を周期的に変化させ、この周期よりも長い周期を持つ１／ｆノイズを低減させることができる。
【００３６】
加えて、ゲート電位が周期的に変化する選択用トランジスタにおいても１／ｆノイズが低減するので、イメージセンサ全体の１／ｆノイズをさらに低減させることができる。
【実施例２】
【００３７】
実施例１のパルス波生成部１１から出力されるパルス波Ｐの振幅は、通常、動作電源電位ＶＤＤとされる。したがって、選択用トランジスタＭＴ４のゲート電極にこのパルス波Ｐが印加されるときは、選択用トランジスタＭＴ４のゲート電位の最大レベルはＶＤＤとなる。ところが、１／ｆノイズの発生量から見ると、ＭＴ４のゲート電位がＶＤＤよりも多少低くても変化がない。一方、選択用トランジスタＭＴ４のゲート電位が高いほど、選択用トランジスタＭＴ４の消費電力量は増大する。
【００３８】
そこで、本実施例では、パルス波生成部１１から出力されるパルス波Ｐの振幅を可変として、パルス波Ｐの振幅を小さくできるようにする。
【００３９】
図４に、本発明の実施例２に係るイメージセンサの構成の概略のブロック図を示す。
【００４０】
本実施例のイメージセンサ２は、実施例１のイメージセンサ１に、パルス波生成部１１から出力されるパルス波Ｐの振幅を制御する振幅制御部１４を追加したものである。そこで、実施例１と同一の機能のブロックついては、図１と同一の符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。
【００４１】
振幅制御部１４は、入力された振幅設定信号の設定に応じて、パルス波生成部１１から出力されるパルス波Ｐの振幅を変化させる。
【００４２】
振幅設定信号は、例えば、イメージセンサ出力のノイズ発生状況が悪化しない範囲で、パルス波Ｐの振幅をできるだけ下げるよう調整するために入力される。
【００４３】
図５に、振幅制御部１４により制御されたパルス波Ｐの振幅の様子を示す。
【００４４】
図５（ａ）は、「振幅大」となるように制御されたときのパルス波Ｐの波形であり、図５（ｂ）は、「振幅小」となるように制御されたときのパルス波Ｐの波形である。
【００４５】
このような本実施例によれば、増幅用トランジスタおよび選択用トランジスタで発生する１／ｆノイズを低減させながら、選択用トランジスタのゲート電位を低下させることができるので、選択用トランジスタの消費電力を削減することができる。特に、多くの画素セルを使用するイメージセンサでは、画素セルの数だけ選択用トランジスタも使用されるため、大きな消費電力削減効果が望める。
【実施例３】
【００４６】
実施例１および実施例２では、各画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに動作電源電位ＶＤＤを与えている。しかし、選択用トランジスタＭＴ４が動作するのは、行選択アドレス信号が入力されているときだけである。行選択アドレス信号が入力されていないときは、選択用トランジスタＭＴ４のゲート電位は接地電位であり、選択用トランジスタＭＴ４は非導通である。しかし、ゲート電位が接地電位であっても、電源端子ＶＤに動作電源電位ＶＤＤが与えられていると、選択用トランジスタＭＴ４には僅かながらも電流が流れる。１個当たりでは僅かでも、大規模なイメージセンサでは多くの選択用トランジスタＭＴ４が用いられるので、その消費電流は結構大きくなる。
【００４７】
そこで、本実施例では、行選択アドレス信号の入力に応じて選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに与える電位を切り替え、行選択アドレス信号の入力が入力されないときには、電源端子ＶＤに接地電位を与えるようにする。
【００４８】
図６に、本発明の実施例３に係るイメージセンサの構成の概略のブロック図を示す。
【００４９】
図６に示す本実施例のイメージセンサ３は、図４に示した実施例２のイメージセンサ２に、行選択アドレス信号の入力に応じて選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに与える電位を切り替える電源切り替え部１５を追加した例である。
【００５０】
そこで、実施例２と同一の機能のブロックついては、図４と同一の符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。
【００５１】
なお、図６に示す例のほかに、実施例１のイメージセンサ１に電源切り替え部１５を追加するようにしても、勿論よい。
【００５２】
電源切り替え部１５は、行選択アドレス信号ＡＤ１によって１行目の画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに与える電位の切り替えを行うスイッチＳＷ１１と、行選択アドレス信号ＡＤ２によって２行目の画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに与える電位の切り替えを行うスイッチＳＷ１２と、を有する。
【００５３】
スイッチＳＷ１１は、１行目の画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに、行選択アドレス信号ＡＤ１がアクティブレベルであるときはＶＤＤ電位を与え、行選択アドレス信号ＡＤ１が非アクティブレベルであるときは接地電位を与える。
【００５４】
同様に、スイッチＳＷ１２は、２行目の画素セル１００の選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに、行選択アドレス信号ＡＤ２がアクティブレベルであるときはＶＤＤ電位を与え、行選択アドレス信号ＡＤ１が非アクティブレベルであるときは接地電位を与える。
【００５５】
図７に、行選択アドレス信号ＡＤ１あるいはＡＤ２により、選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤの電位が切り替えられる様子を示す。
【００５６】
行選択アドレス信号ＡＤ１あるいはＡＤ２が‘Ｈ'であるときは、選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤにＶＤＤ電位が与えられ、行選択アドレス信号ＡＤ１あるいはＡＤ２が‘Ｌ'であるときは、選択用トランジスタＭＴ４の電源端子ＶＤに接地電位（ＧＮＤ）が与えられる。
【００５７】
このような本実施例によれば、選択用トランジスタが増幅用トランジスタに対する選択動作を行うときのみ、選択用トランジスタ電源端子に動作電源電位を与えるので、選択用トランジスタの不要な電流消費を抑制でき、イメージセンサの消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係るイメージセンサの構成の概略を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例の画素セルの構成の例を示す回路図。
【図３】実施例１のイメージセンサの動作の例を示す波形図。
【図４】本発明の実施例２に係るイメージセンサの構成の概略を示すブロック図。
【図５】実施例２のイメージセンサのパルス波振幅制御の例を示す波形図。
【図６】本発明の実施例３に係るイメージセンサの構成の概略を示すブロック図。
【図７】実施例３のイメージセンサの電源切り替え部の動作の例を示す波形図。
【符号の説明】
【００５９】
１、２、３  イメージセンサ
１１  パルス波生成部
１２  選択信号生成部
１３  出力読み出し部
１４  振幅制御部
１５  電源切り替え部
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１、ＳＷ１２  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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