JP2000031750A - 利得補償回路及びこれを使用したcmosイメ―ジャ - Google Patents

利得補償回路及びこれを使用したcmosイメ―ジャ

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JP2000031750A
JP2000031750A JP11100930A JP10093099A JP2000031750A JP 2000031750 A JP2000031750 A JP 2000031750A JP 11100930 A JP11100930 A JP 11100930A JP 10093099 A JP10093099 A JP 10093099A JP 2000031750 A JP2000031750 A JP 2000031750A
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circuit
source follower
gain
gain compensation
transistor
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Weize Xu
シュ ウェイズ
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/72Gated amplifiers, i.e. amplifiers which are rendered operative or inoperative by means of a control signal
    • HELECTRICITY
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    • H03F3/50Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower
    • H03F3/505Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower with field-effect devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 現存の回路よりも向上した線形特性をもつ出
力バッファ回路を提供する。 【解決手段】 CMOSイメージャを多数の行と列で配
置し、利得補償回路をそれぞれの列に設ける。利得補償
回路は、PMOSトランジスタ11、12を含み、第一
の極性の多数キャリアーを使用して第一の電圧利得を生
じる第一のソースホロワ回路と、NMOSトランジスタ
17,18を含み、第一の極性とは反対の第二の極性の
多数キャリアーを使用して入力電圧に対して第一の電圧
利得変分とは反対の電圧利得を生じる第二のソースホロ
ワ回路とを含む。第二のソースホロワ回路の入力は第二
のソースホロワ回路の出力と電子的に結合し、その結
果、第一と第二のソースホロワ回路の間に利得補償が生
じる。列選択信号により、利得補償回路を稼動するよう
に選択回路を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、増幅器に関し、特
にCMOSベースの固体イメージセンサに手軽に利用で
きる線形利得増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】電子像システム、電子印刷、精密計測シ
ステム、データ獲得システム、自動制御システム等にお
いては、高い解像力の信号又はデータ処理を必要とす
る。ソースホロワを使用する回路は、これらのシステム
内のIC設計で幅広く使われている。これは、これらの
回路が比較的小さいためである。これに加え、これらの
回路は、低い出力抵抗と高い周波数応答を持つ。標準の
CMOS処理から作られた固体センサの形態の電子イメ
ージャはアナログとデジタル両方の回路を使用できる。
このアナログ及びデジタル回路は、センサアレイ内で統
合され同じシリコンチップ上にある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】処理変分(全ての処理
に内在し、排除できない)が、行と列のアレイに配置し
た固体イメージャに問題を及ぼす。これは、処理変分の
ため、列の間にずれが生じるからである。これらのずれ
は、この技術分野では「列固定パターンノイズ」と引用
される現象を生じる。「列固定パターンノイズ」は、ア
ナログデジタル変換を行う前に取り除く必要がある。列
に配置したアレイでは、個々の出力バッファ(ソースホ
ロワ)がそれぞれの列に必要とされる。PMOS及びN
MOSソースホロワの両方が、入力信号レベルによって
変化する電圧利得を持つ。バッファ電圧利得変分は、高
解像力(8ビット以上)のシステムを、これらの出力バ
ッファの出力線形を大きく向上させる技術以外では、事
実上不可能にする。
【0004】上述の記載により、この技術分野では、従
来技術よりも向上した線形特性を持つ出力バッファ回路
の必要があることは明らかである。
【0005】
【課題を解決するための手段】CMOSイメージャを多
数の行と列で配置しそれぞれの列に利得補償回路を設け
る。利得補償回路は、第一の極性の多数キャリアーを使
用し第一の電圧利得を入力電圧の関数として生じる第一
のソースホロワ回路と、第一の極性とは反対の第二の極
性の多数キャリアーを使用し、入力電圧に対して第一の
電圧利得変分とは本質的に反対の電圧利得を生じる第二
のソースホロワ回路を有する。第二のソースホロワ回路
の入力は、電子的に第二のソースホロワ回路の出力に結
合され、その結果、第一と第二のソースホロワ回路の間
に利得補償を生じる。列選択信号の活動化によって利得
補償回路を稼動するように選択回路を形成する。
【0006】本発明による出力バッファ電圧利得補償回
路は、PMOSソースホロワ増幅器及びNMOSソース
ホロワ増幅器の両方を使用する。これらの増幅器は、本
質的に反対の電圧利得特性を持ち、その結果、それぞれ
に対する入力は反対方向に変化する。好適な実施形態
は、PMOSソースホロワをNMOSソースホロワの前
に使用する。バイアス電流及びトランジスタの大きさを
正確に設定することにより、この回路の電圧利得の全体
的な変分率は、0.3%以下に制御することができる。
【0007】上記及びその他の本発明の特徴及び効果
は、電圧利得補償回路によって提供される。この電圧利
得補償回路は、第一の利得特性の集合を持つ第一の増幅
器構成、第二の利得特性の集合を持ち電子的に第一の増
幅器構成と結合した第二の増幅器構成を含む。また、第
一の利得特性の集合と第二の利得特性の集合が、本質的
に反対である。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明による電圧利得補償回路1
0の略図を図1に示す。この電圧利得補償回路は、PM
OSトランジスタ11及び12を有するPMOSソース
ホロワと、NMOSトランジスタ17及び18を有する
NMOSソースホロワを含む。電圧利得増幅器への入力
は、Vinで、PMOSソースホロワのトランジスタ1
2のゲートへの入力である。電圧利得増幅器10の出力
は、NMOSソースホロワのVoutで、トランジスタ
19のドレーンからの出力である。バイアス電圧は、電
圧利得増幅器10にバイアストランジスタ19のゲート
から加えられ、VBIAS Nである。バイアス電圧と
して加える直流電圧の値は、供給電力の電圧、使用され
るNMOSトランジスタの実際の大きさ、ソースホロワ
への入力電圧Vin、の関数である。
【0009】図1において、PMOSトランジスタ11
のゲートからPMOSソースホロワへ、VBIAS
がバイアスを提供する。これは直流バイアスで、そのレ
ベルは、供給電力電圧、使用されるPMOSトランジス
タの実際の大きさ、PMOSソースホロワに加える入力
電圧Vin、に基づき選択される。
【0010】それぞれのPMOS及びNMOSソースホ
ロワには、電圧利得Avがあり、下の数1に示す。電圧
利得は、ドレインとソースの間の抵抗rds、入力トラン
ジスタの相互コンダクタンスgm1、入力トランジスタの
漏洩相互コンダクタンスgmb 1、によって定義される。
【0011】
【数1】 ここで、γは処理パラメータで、通常製造工場から供給
され、理想的には、0に等しい。しかしながら、トラン
ジスタの漏れのため、γの値は0ではない。φfは、シ
リコン構築電位パラメータである。VSBは、ソースとボ
ディの間の電位である。
【0012】電圧利得増幅器全体の利得は、定数であ
る。これは、NMOSとPMOSソースホロワの変分が
反対で、お互いを相殺するからである。ATOTALは下記
の数2で定義される定数として示される。
【0013】
【数2】 ここで、ANとAPの両方は、下記の数3及び数4で定義
される。下記の数3及び数4は、PMOS回路の利得A
pが入力電圧に対して逆比例し、NMOS回路の利得AN
が入力電圧に対して正比例することを示す。よって、二
つの回路の二つの利得、Ap及びANは、お互いを相殺す
る傾向があり、その結果、高い線形及び堅実な出力を生
じる。
【0014】
【数3】
【数4】 NMOSソースホロワの電圧利得変分は、二つの原因か
ら生じる。第一は、ソースS及びボディBを接続し、V
SBを定数にすることができないからである。第二は、大
きな電流の項1/rdsが上述の利得数式に存在し、省略
できないからである。ここで注意すべきは、トランジス
タ19が実際にはNMOSソースホロワの一部ではな
く、バイアス目的のみに機能するということである。図
1において、トランジスタ19のソースSは、基板電圧
とつながり、この基板電圧がソースSをボディBに効率
的につなげる。しかしながら、トランジスタ19は、バ
イアストランジスタのため、NMOSソースホロワの利
得に関しての能力には影響を及ぼさない。
【0015】図2は、トランジスタ17の特性曲線であ
る。トランジスタ17は、NMOSソースホロワの利得
変分の原因である。トランジスタ18は、列選択スイッ
チとして働き、トランジスタ19は、NMOSソースホ
ロワのバイアストランジスタとして働く。図2は、トラ
ンジスタ19のドレインソース電圧と、トランジスタ1
7のドレインソース電圧(VDS)とが、どのように逆比
例(1/rds)しているかを示す。PMOSソースホロ
ワでは、類似しているが反対の類比が、トランジスタ1
1及びトランジスタ12で見られる。トランジスタ11
は、バイアストランジスタで、トランジスタ12は、入
力信号Vinを変化させる。トランジスタ12の特性曲
線を図3に示す。これは図2に示すものとは反対の鏡映
である。好適な実施形態の重要な特色の一つとして、ト
ランジスタ12とトランジスタ17の特性曲線がお互い
を相殺し、Voutにおいて定数の電圧利得を生じる事
が挙げられる。
【0016】トランジスタ出力抵抗を、下記の数5によ
って示す。
【0017】
【数5】 入力の違いによる直流電圧利得を数6で示す。
【0018】
【数6】 NMOSソースホロワでは、図4に示すように電圧利得
が入力電圧の増加に伴って増加する。機能範囲が、線形
になるように選択される。機能範囲は又、NMOSソー
スホロワ出力の2次導関数(d2Vout/dV2in)
に基づき、これを図4の電圧利益変化カーブに示す。図
4に示すようにNMOSソースホロワは、常に正のd2
Vout/dV2inの値を持ち、つまり電圧利得は、
常に入力電圧の増加と共に増加する。
【0019】好適な実施形態によるPMOSソースホロ
ワでは、電圧利得が入力電圧の増加に伴い減少する。図
5によれば、PMOSソースホロワは、常に負のd2
out/dV2inの値を持ち、PMOSソースホロワ
の電圧利得が入力電圧の増加と共に減少することを意味
する。これは、図4に示すNMOSソースホロワとは本
質的に反対である。PMOSソースホロワの反対になっ
た利得変分は、好適な実施形態で、NMOSソースホロ
ワによって引起こされる利得変分を相殺するために用い
る。好適な実施形態のカデンススパイスシミュレータ
(cadencespice simulator)を
用いたシミュレーションでは、列バッファ回路の総合電
圧利得変分は、相殺の前の典型的に使用されるNMOS
ソースホロワのみの場合の10%から、相殺後の、PM
OSソースホロワをNMOSソースホロワと組み合わせ
た典型的な使用の場合の0.3%まで向上した。PMO
Sソースホロワ及び使用された特定のPMOSトランジ
スタの機能範囲もまた、図5に示す電圧利得変化に基づ
き選択する。線形利得増幅器を用いる特定の使用方法
が、トランジスタの実際の大きさを決定する。好適な実
施形態は、小さなPMOSトランジスタを用いて、大き
なNMOSトランジスタと組み合わせることを想定す
る。この小さなPMOSトランジスタは、切替が速く少
ない電力を必要とする。大きなNMOSトランジスタ
は、バスへの大きな容量性負荷を取り扱える駆動機能を
備える。しかしながら、数多くの実施形態が当業者には
明らかで、関係する回路の使用に基づき、相対的な構成
が変化する。
【0020】本発明を詳細に渡って特定の好適な実施形
態を例として記載した。しかし、本発明の精神と範囲の
間において、様々な変更や修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明におけるCMOS利得補償回路の略図
である。
【図2】 図1のCMOS回路で使われるNMOSトラ
ンジスタの特性曲線を示す図である。
【図3】 図1のCMOS回路で使われるPMOSトラ
ンジスタの特性曲線を示す図である。
【図4】 図1のCMOS回路のNMOSソースホロワ
利得変分を示す図である。
【図5】 図1のCMOS回路のPMOSソースホロワ
利得変分を示す図である。
【符号の説明】
10 電圧利得補償回路、11、12 PMOSトラン
ジスタ、17、18NMOSトランジスタ、19 バイ
アストランジスタ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 利得補償回路であって、 第一の利得特性を備えた第一の増幅部と、 第二の利得特性を備え、第一の増幅部と電子的に結合し
    た第二の増幅部と、 を含み、前記第一の利益特性が、前記第二の利益特性と
    本質的に反対であることを特徴とする利得補償回路。
  2. 【請求項2】 利得補償回路であって、 第一の極性の多数キャリアーを使用する第一のソースホ
    ロワ回路と、 第一の極性とは反対の第二の極性の多数キャリアーを使
    用する第二のソースホロワ回路と、 第二のソースホロワ回路の出力と電子的に結合した第二
    のソースホロワ回路の入力と、 第一のソースホロワ回路にバイアス電流を提供する入力
    バイアス手段と、 第二のソースホロワ回路にバイアス電流を提供する出力
    バイアス手段と、 を含むことを特徴とする利得補償回路。
  3. 【請求項3】 複数の行と列に配置したCMOSイメー
    ジャであって、 第一の極性の多数キャリアーを使用する第一のソースホ
    ロワ回路と第一の極性と反対の第二の極性の多数キャリ
    アーを使用する第二のソースホロワ回路を備えたそれぞ
    れの列の利得補償回路と、 電子的に第二のソースホロワ回路の出力と結合した第二
    のソースホロワ回路の入力と、 選択信号の活動化に伴い、利得補償回路を稼動するよう
    に形成した選択回路と、 を含むことを特徴とするCMOSイメージャ。
JP11100930A 1998-04-14 1999-04-08 利得補償回路及びこれを使用したcmosイメ―ジャ Pending JP2000031750A (ja)

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US09/059,966 US6169430B1 (en) 1998-04-14 1998-04-14 CMOS imager column buffer gain compensation circuit
US09/059,966 1998-04-14

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