JP2557727B2 - 固体撮像素子のノイズ除去回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、CCD電荷転送素子の如き固体撮像素子のノ
イズ除去回路に関する。

（ロ）従来の技術 第３図は、従来の固体撮像素子の出力部の構成を示す
図である。この図において、（10）は水平レジスタで、
（11）は水平出力ゲートである。水平レジスタ（10）に
は転送電荷に接続される端子（12A）及び（12B）から例
えば二相のクロックパルスHT1、及びHT2が供給される。
水平出力ゲート（11）には、端子（13）から所定レベル
のバイアス電圧が供給される。水平出力ゲート（11）と
電源端子（14）との間にはフローティングディフュージ
ョンアンプを構成する電界効果トランジスタ（15）が直
列に接続されると共に、水平出力ゲート（11）と接地間
に等価的にコンデンサ（16）が形成される。即ち、コン
デンサ（16）は、トランジスタ（15）のソースとなる拡
散領域の容量で構成され、この容量に水平レジスタ（1
0）からの電荷が蓄積される。電界効果トランジスタ（1
5）のゲートに接続された端子（17）からは、転送クロ
ックHT1、及びHT2と同期したプリチャージパルスHTRが
供給される。トランジスタ（15）のソース及びコンデン
サ（16）の接続点に取り出された撮像出力信号は、電界
効果トランジスタ（18）及び（19）の夫々により構成さ
れた２段のソース・ホロワ回路と、npn型トランジスタ
で構成されるエミッタ・ホロワ回路を介して出力端子
（20）に取り出される。

第４図は、二相の転送クロックHT1及びHT2とプリチャ
ージパルスHTRとコンデンサ（16）の一端に生じる出力
電圧Voの関係を示す図である。

まず、プリチャージパルスHTRが電界効果トランジス
タ（15）のゲートに供給されるプリチャージ期間Tpにお
いて、電界効果トランジスタ（15）がオン状態となる。
この時、コンデンサ（16）が端子（14）に加えられる電
源電圧Vbにより瞬時に充電される。これと共に、電界効
果トランジスタ（15）のゲートに供給されたプリチャー
ジパルスHTRが電界効果トランジスタ（15）のゲート・
ソース間に実質的に形成される寄生容量を通じてソース
側に現われる。従って、コンデンサ（16）の一端には、
電源電圧VbにプリチャージパルスHTRの電圧Vpが重畳さ
れた出力電圧Voが発生する。

次に、基準電位期間Toでは、電界効果トランジスタ
（15）がオフ状態になる。従ってコンデンサ（16）の一
端の出力電圧Voは、電圧Vpだけ低下し、電源電圧Vbとな
る。そして、転送期間Ttでは、水平レジスタ（10）から
転送された信号電荷に応じた情報信号電圧Vsnの出力電
圧Voが得られる。

ところが、期間Tpから期間Toに移る状態で、プリチャ
ージゲート領域の電荷が、振り分けられるため、プリチ
ャージゲート領域がオフ状態になった時には、フローテ
ィングディフュージョン領域にリセットノイズ成分Δｎ
が含まれる。このリセットノイズ成分Δｎによって、基
準電位期間Toにおける基準電位（フィードスルーレベ
ル）が各転送周期の間で誤差を伴うことになる。その結
果、転送期間Ttにおいて、信号電荷成分に対してもリセ
ットノイズ成分Δｎが含まれることになる。このリセッ
トノイズの他にもソース・ホロワ回路部で発生する1/f
ノイズと熱雑音とがある。1/fノイズは、周波数に逆比
例してレベルが上昇する特性を有し、熱雑音は、高周波
帯域のホワイトノイズである。

これらのノイズを除去するために、例えば相関二重サ
ンプリングと称される処理などが施される。

第５図は、上述の相関二重サンプリング処理の回路構
成を示し、第６図は、その動作タイミングを示す。

撮像出力信号Voは、サンプルホールド回路（30），
（31）にそれぞれ供給され、サンプルホールド回路（3
0）では、撮像出力信号Voの基準電位期間Toにおける信
号レベルすなわちリセットノイズΔｎがサンプリングパ
ルスDS2によってサンプルホールドされる。サンプルホ
ールド回路（31）では、撮像出力信号Voの転送期間Ttで
の信号レベルVsn＋ΔｎがサンプリングパルスDS1によっ
てサンプルホールドされる。そして、サンプルホールド
回路（32）には、サンプルホールド回路（30）の出力が
供給され、再び、サンプリングパルスDS1によってサン
プルリングされ、サンプルホールド回路（31）の出力信
号と同じ位相を持った信号が出力される。

次に、サンプルホールド回路（31），（32）の出力信
号が減算回路（33）に供給され、転送期間Ttでの信号レ
ベルVsn＋ΔｎからリセットノイズΔｎが除去された信
号Vsnが得られる。さらには、サンプリング回路におけ
るナイキスト周波数以下の1/fノイズも除去することが
できる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 以上のような回路構成によれば、リセットノイズ及び
ナイキスト周波数以下の1/fノイズを除去するためには
有効であるが、ナイキスト周波数以上の高周波成分もサ
ンプルホールドするために、高周波帯域のノイズの折り
返しによるS/Nの劣化が生じる。

また、ホールド処理により、サンプリング周波数fs
（＝1/T）を最初の零とするローパス特性（sin（πf/f
s）／（πf/fs）のカーブを有する）が、作用すること
になり、高周波帯域のMTF特性も劣化することになる。

そこで、これらの問題点に対応すべく積分型相関二重
サンプリングなども考えられているが、回路構成が複雑
になると共に回路の安定性が厳しく要求されるなどの問
題点を持っている。

そこで、本発明は、安定かつ容易な回路構成で不要ノ
イズを有効に除去し、画質の低下の防止を図ることを目
的とする。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、上述の課題を解決するためになされたもの
で、その特徴とするところは、一定周期の転送クロック
に従って信号電荷を転送出力すると共に、上記転送クロ
ックに同期したプリチャージパルスに従って所定のレベ
ルまでプリチャージされる容量を上記電荷量に基づいて
充放電して信号電荷量に応じた出力信号を得る固体撮像
素子のノイズ除去回路に於いて、上記転送クロックの1/
2の周期で動作し、上記容量のプリチャージ及び充放電
後のレベルに対応する出力信号を連続してサンプルホー
ルドする第１のサンプルホールド回路と、この第１のサ
ンプルホールド回路の出力を上記第１のサンプルホール
ド回路のサンプルホールド動作に対して180゜の位相差
でサンプルホールドする第２のサンプルホールド回路
と、この第２のサンプルホールド回路の出力を上記第１
のサンプルホールド回路のサンプルホールド動作に一致
してサンプルホールドする第３のサンプルホールド回路
と、上記第１のサンプルホールド回路の出力と上記第３
のサンプルホールド回路の出力との差を得る減算回路
と、を備えたことにある。

（ホ）作 用 本発明によれば、出力信号のサンプリングクロックの
実質的な周波数が高くなってサンプルホールド回路でサ
ンプルホールドできる周波数成分を高くできるため、ナ
イキスト周波数が高くなり、高周波ノイズ成分の折り返
しが低減される。従って、転送クロックより高い周波数
成分を出力させることができる。

（ヘ）実施例 本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は、本発明固体撮像素子のノイズ除去回路の構
成を示す図である。第３図と同様の固体撮像素子からサ
ンプルホールド回路（１）に供給される出力信号Voは、
第２図に示すように、転送クロックの１周期内でプリチ
ャージ期間Tp、基準電位期間To、転送期間Ttの夫々の期
間に対応した電圧波形を有している。最初のサンプルホ
ールド回路（１）では、サンプリングパルスSP1によっ
て信号Voの基準電位期間Toの電位Δｎがサンプルホール
ドされ、続いて転送期間Ttの電圧Vsn＋Δｎがサンプル
ホールドされる。従って、サンプルホールド回路（１）
からの出力波形（ａ）は、リセットノイズに相当する電
圧成分Δｎと映像情報に相当する電圧成分Vsn＋Δｎが
転送周期Ｔ（Ｔ＝Tp＋To＋Tt）の半分の周期で交互に現
われる。次に、出力信号（ａ）は、第２のサンプルホー
ルド回路（２）に入力され、サンプリングパルスSP1と
位相が180゜異なるサンプリングパルスSP2でサンプルホ
ールドされ、さらに、サンプルホールド回路（２）の出
力が第３のサンプルホールド回路（３）に入力され、サ
ンプリングパルスSP1でサンプルホールドされる。この
サンプルホールド回路（３）の出力波形（ｂ）は、出力
波形（ａ）に対して位相が180゜遅れた形になる。すな
わち、出力信号（ａ）においてその映像情報が出力され
る期間T2,T4,T6…に、出力信号（ｂ）は、映像情報を含
んでいるリセットノイズ成分Δｎを出力することにな
る。従って、減算回路（４）にそれらの信号（ａ）
（ｂ）を入力することによって、期間T2,T4,T6…では、
リセット成分Δｎが除去された撮像情報Vsnを出力する
波形（ｃ）が得られている。

ところで、期間T1,T3,T5…において出力信号（ｃ）に
現われる信号は、不要な情報であるため、ゲート回路
（５）及び期間T1,T3,T5…に同期するゲートパルスGP1
により、期間T2,T4,T6…だけの情報を選択することで、
不要な情報が除去された出力信号（ｄ）が得られる。そ
してさらに、出力信号（ｄ）のサンプリング周波数成分
を除去するために、出力信号（ｄ）をローパスフィルタ
（６）に通すことによって、リセットノイズ及び1/fノ
イズが除去され、かつ高周波ノイズの折り返しが低減さ
れる。従って、MTF特性の劣化を防いだ出力信号が得ら
れることになる。

（ト）発明の効果 本発明によれば、回路構成の増大を伴うことなく高周
波ノイズの折り返しの原因となるナイキスト周波数を２
倍にすることができるため、ノイズ低減が実現され、か
つ、ホールド回路によるMTF特性の劣化を防ぐことがで
きる。従って、従って、CCD固体撮像素子を用いた固体
撮像装置において、画質を容易に向上することができる
ため、安価で且つ高画質の固体撮像装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のノイズ除去回路の構成を示すブロッ
ク図、第２図は、第１図の動作を説明するタイミング
図、第３図は、固体撮像素子の出力部の構成を示す回路
図、第４図は、第３図の動作を示すタイミング図、第５
図は、従来のノイズ除去回路のブロック図、第６図は、
第５図の動作を説明するタイミング図である。 （１）（２）（３）（30）（31）（32）……サンプルホ
ールド回路、（４）（33）……減算回路、（５）……ゲ
ート回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定周期の転送クロックに従って信号電荷
   を転送出力すると共に、上記転送クロックに同期したプ
   リチャージパルスに従って所定のレベルまでプリチャー
   ジされる容量を上記信号電荷量に基づいて充放電して信
   号電荷量に応じた出力信号を得る固体撮像素子のノイズ
   除去回路に於いて、 上記転送クロックの1/2の周期で動作し、上記容量のプ
   リチャージ及び充放電後のレベルに対応する出力信号を
   連続してサンプルホールドする第１のサンプルホールド
   回路と、 この第１のサンプルホールド回路の出力を上記第１のサ
   ンプルホールド回路のサンプルホールド動作に対して18
   0゜の位相差でサンプルホールドする第２のサンプルホ
   ールド回路と、 この第２のサンプルホールド回路の出力を上記第１のサ
   ンプルホールド回路のサンプルホールド動作に一致して
   サンプルホールドする第３のサンプルホールド回路と、 上記第１のサンプルホールド回路の出力と上記第３のサ
   ンプルホールド回路の出力との差を得る減算回路と、 を備えたことを特徴とする固体撮像素子のノイズ除去回
   路。
2. 【請求項２】上記第１のサンプルホールド回路のサンプ
   ルホールド動作に一致するタイミングで上記減算回路の
   出力を制御するゲート回路を備えたことを特徴とする請
   求項第１項記載の固体撮像素子のノイズ除去回路。