JP3714688B2 - 制御フィードバック型電荷/電圧変換器 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は電荷/電圧変換器に関する。これらは、たとえば、電荷転送素子に使用される。
【0002】
【従来の技術】
電荷/電圧変換器は読取りダイオード、即ち読取られる電荷を受けるダイオードと、読取り増幅器を備えている。ダイオードは拡散キャパシタンスCdを有しており、増幅器はゲインGを有している。当分野の技術者には、電荷/電圧変換器の特性パラメータが、入力電荷と出力電圧とを関連づけるいわゆる換算係数であることは周知である。
【0003】
換算係数の理論値はFc=G/Cdである。
【0004】
しかしながら、拡散キャパシタンスCdと並列に作用する寄生キャパシタンス(ダイオードの重なりキャパシタンスCr、及び増幅器の入力にフィードバックされるミラー・キャパシタンスCm)が存在するため、より正確な換算係数は次の関係式で与えられる。
【0005】
Fc=G/(Cd+Cr+Cm)
従来の技術によれば、ゲインGは電荷転送素子を構成する構成要素の外部の抵抗Rを使用して調節される。この抵抗は読取り連鎖(chain)のゲイン、帯域幅及び雑音を固定するものであり、この連鎖は電荷/電圧変換器に加えて、他の増幅器を含んでおり、この増幅器には低域フィルタがつながれ、このフィルタには2重相関サンプリング回路(double correlated sampling circuit)がつながれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような素子にはさまざまな欠点がある。詳細にいえば、変換段でのゲインが低いため、連鎖全体の雑音特性は最適なものではない。これは増幅のほとんどが読取り増幅後に行われるからである。この問題は振幅の低い信号の処理を伴う用途では重大なものとなる。
【0007】
本発明はこれらの課題を解決するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は読取りダイオードと読取り増幅器を含んでいる電荷/電圧変換器であり、読取り増幅器はゲート電極が読取りダイオードに接続されており、ソースが素子の出力電圧が現れる点を備えているトランジスタを含んでいる。このトランジスタはゲートの電圧とソースの電圧の間の無負荷ゲインG0 を確保する。変換器は、読取り増幅器が読取りフェーズ中にG0 よりも大きなゲインGをもたらすことを可能とする補助手段を含んでいることを特徴とする。
【0009】
後述するこれらの補助手段は増幅器によって制御される電流発生器を備えている。
【0010】
したがって、本発明の直接的な利点は読取り連鎖の雑音指数が低下することである。
【0011】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して行う好ましい実施例の以下の説明から明らかとなろう。
【0012】
【実施例】
図1は従来技術の電荷/電圧変換器及びその読取り連鎖を示す。この図は領域I及びIIに分割されている。
【0013】
領域Iの回路は電荷発生部品、たとえば、電荷転送素子に組み込まれている。領域IIの回路は電荷発生部品とは別な外部部品である。
【0014】
電荷/電圧変換器は電荷蓄積素子(図示せず)からの電荷Qを電圧Vsに変換する。この電圧Vsは電荷転送素子の出力Aに現れる。
【0015】
上述したように、電荷/電圧変換器は読取りダイオードと読取り増幅器を備えている。
【0016】
読取り増幅器は、ゲートが読取りダイオードDに接続されており、ドレインが供給電圧Vddになっており、ソースが電荷転送素子の出力接点Aに接続されているMOSトランジスタT2 の形態となっている。
【0017】
変換器のゲインは出力接点Aと装置の接地の間におかれた抵抗Rを使用して調節される。
【0018】
当分野の技術者には、MOSトランジスタT1 がゲートにおける制御信号C1の影響の下で、電荷Qの到着前にダイオードDのコンデンサCdの事前充電を可能とすることが認識されよう。このトランジスタのドレインは供給電圧Vrに接続されており、ソースは電荷Qの到着個所、すなわちダイオードの陰極とトランジスタT2 のゲートに接続されている。
【0019】
電荷転送素子の外部読取り連鎖は、入力が接点Aに接続されている高ゲインの増幅器1、入力が増幅器1の出力に接続されている低域フィルタ2、ならびに入力がフィルタ2の出力に接続されている2重相関サンプリング回路3を備えている。
【0020】
低域フィルタ2及びサンプリング回路3は必ずしも、外部読取り連鎖に含まれるものではない。しかしながら、これらはきわめて低周波数の用途では必要なものである。
【0021】
上述したように、電荷変換段のゲインはきわめて低い。一般に、これは無負荷ゲインG0 の半分であり、たとえば、約0.85になる。
【0022】
読取り連鎖の雑音は、主な増幅が読取り増幅後に生じるので、性能が並のものとなるようなものである。この問題は信号が弱い用途では深刻なものとなる。
【0023】
図1において、寄生キャパシタンスCr、Cl及びCpcは点線の記号で示されている。
【0024】
キャパシタンスCrはダイオードDを中心とする全ての重なりキャパシタンスを表し、キャパシタンスClはトランジスタT2 のソース−ゲート・キャパシタンスを表す。この場合、ゲインGの読取り増幅器の入力へフィードバックされるミラー・キャパシタンスはCm=Cl(1−G)によって与えられる。キャパシタンスCpcはトランジスタT1 のソース−ゲート・キャパシタンスを表す。寄生キャパシタンスCr及びCmが存在することにより、換算係数Fcが低下する。後述するように、本発明はこのような寄生キャパシタンスの効果を考慮することを可能とするという利点を有する。
【0025】
図2は時間の関数として、従来技術による電荷/電圧変換器が検出した電圧Vsを示す。
【0026】
電荷/電圧変換の間に3つの時間間隔を規定することができる。これらは図2においてt1 、t2 及びt3 という符号がつけられている。
【0027】
間隔t1 はダイオードDのコンデンサCdの事前充電の期間であり、この期間の間、トランジスタT1 は導通している。この間隔t1 中に受け取る電圧Vsは読取り増幅器の出力に現れるものである。
【0028】
間隔t2 の間、ダイオードは浮動状態であり、電荷が流れることができる。
【0029】
間隔t3 の間、電荷/電圧変換の希望する信号が発生する。従来技術によれば、読取り連鎖は3つの間隔t1 、t2 及びt3 の間に、トランジスタT2 のゲートに現れる信号を増幅する。
【0030】
したがって、間隔t1 の間、連鎖のゲインが高ければ、増幅された電圧は飽和することがある。
【0031】
読取り連鎖で増幅を行う各種の回路の固有の緩和率のため、間隔t2 及びt 3 の間、高いレベルの雑音が残存する。この場合、飽和を回避するために連鎖のゲインを制限するか(この場合、希望する信号が対応して弱くなる)、増幅を抑制するために間隔t3 の間各種の増幅器の供給電圧を排除するか(この場合、補足回路が必要となる)が必要となる。
【0032】
図3は本発明の好ましい実施例による電荷/電圧変換を示す。図1と同様に、図3は2つの領域I及びIIに分割されている。領域Iの回路は電荷発生部品に組み込まれており、領域IIの回路は電荷発生部品とは別の部品である。しかしながら、本発明は領域IIの回路も電荷発生部品に組み込まれている他の実施例にも関連している。
【0033】
トランジスタT1 、ダイオードD及びトランジスタT2 は、上述と同様に接続されている。
【0034】
電荷発生部品に組み込まれているMOSトランジスタT3 のドレインはトランジスタT2 のソースに接続されており、ソースは装置のアースに接続されている。装置外部の独立した部品の形態であることが好ましい、ゲインがKの増幅器4の入力はトランジスタT2 のソースに接続されており、出力はトランジスタT3 のゲートに接続されている。
【0035】
従来技術と同様に、電荷転送素子の出力接点AはトランジスタT2 のソース及び図に示されていない外部増幅連鎖に接続されている。
【0036】
読取りトランジスタT2 は正の無負荷ゲインG0 を備えている。トランジスタT3 はインバータとして働く。このトランジスタは値がそのゲートに印加される電圧によって調節できる利点を有する電流源として機能する。これによって、出力電圧Vsの動特性を最適に調節することができる。インバータとして取り付けられているトランジスタT3 は−G1 (G1 は正の値である)に等しい無負荷ゲインを有している。電圧VdはダイオードDの接点における電圧であり、電圧VkはゲインがKの増幅器4の出力に現れるものである。したがって、
Vk=K・Vs
及び
Vs=G0 ・Vd−G1 ・Vk
であり、
Vs=G0 ・Vd/(1+G1 ・K)
となる。
【0037】
本発明による読取り増幅器のゲインは次式によって与えられる。
【0038】
G=G0 /(1+K・G1 )
トランジスタT2 及びT3 は同一であることが好ましく、その場合には、G 1 とG0 も同一となる。
【0039】
本発明によれば、増幅器4のゲインKはこれが増幅を行う時間間隔によって左右される。増幅器4はゲインを制御信号C2の関数として変更することを可能とする、本明細書で説明する必要がない回路を含んでいる。
【0040】
図4は時間の関数として、本発明の好ましい実施例による電荷/電圧変換器が検出した電圧を示す。
【0041】
間隔t1 の間、増幅器4のゲインKは高い正の値、たとえば、K=10を有している。この場合、ゲインGはほぼ1/Kに等しくなり、これはゼロに近い。変換器の出力接点Aで検出される電圧Vsも、したがって、きわめて低くなる。
【0042】
結果として、読取り連鎖の増幅は従来技術のように制限されなくなる。
【0043】
間隔t2 及びt3 の間、ゲインKはゲインGをゲインG0 よりも大きくするために、若干負の値となる。Gは1よりも大きいことが好ましい。Kの値は、たとえば、−0.2とすることができる。この場合、検出される値Vsは従来技術よりもはるかに高く有利である。
【0044】
前述したように、換算係数を次のように書くことができる。
【0045】
Fc=G/(Cd+Cr+Cm)
ただし、Cm=(1−G)・Clである。
【0046】
したがって、次式が得られる。
【0047】
Fc=G/(Cd+Cr+(1−G)Cl)
換算係数はゲインGを増加させるだけでなく、ミラー・キャパシタンスCmの本発明による効果によっても改善される。GがG0 と1の間の値の場合、Cmは減少し、G=1の場合、Cmは打ち消され、G>1の場合、Cmは負の値を取り、キャパシタンスCd及びCrの効果を補償することが可能となる。
【0048】
【発明の効果】
本発明の利点の1つは、したがって、ミラー・キャパシタンスCmを使用して、換算係数を増加できることである。
【0049】
従来技術において、ミラー・キャパシタンスの効果は換算係数を減少させる。したがって、このキャパシタンスを減少させることが必要である。当分野の技術者には、これを達成するには、このトランジスタT2 を小さいサイズのものとしなければならないことが周知である。しかしながら、これを行うと、トランジスタの制御ゲートで印加される電位の直線性が劣化することとなり、これによって、出力電圧Vsの特性が劣化することとなる。本発明はこの欠点を解決する。
【0050】
本発明の他の利点はゲート−ソース・キャパシタンスClが従来技術による読取りトランジスタのものよりも大きい読取りトランジスタT2 を使用できることである。この場合、このようなトランジスタの寸法は従来技術で使用されていたトランジスタのものよりも大きくすることができ、したがって、出力電圧Vsの動特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の電荷/電圧変換器及びその読取り連鎖の図である。
【図2】従来技術による電荷/電圧変換器が時間の関数として検出した電圧の図である。
【図3】本発明の好ましい実施例による電荷/電圧変換の図である。
【図4】本発明の好ましい実施例による電荷/電圧変換器が時間の関数として検出した電圧の図である。
Claims (5)
- 両端に電圧Vdが現れる読取りダイオード(D)と、無負荷ゲインG0 を有し、ゲートが前記読取りダイオードに接続されていて前記電圧Vdが該ゲートに印加されるようになっており、ソースが電荷/電圧変換装置の出力電圧Vsを収集する個所(A)である読取りトランジスタ(T 2 )を含んでおり、ダイオード(D)のキャパシタンス(Cd)の事前充電が行われる第1の間隔(t 1 )、ダイオードが浮動電位にある第2の間隔(t 2 )、電荷/電圧変換によって得られた信号が読み取られる第3の間隔(t 3 )という3つの時間間隔で該電荷/電圧変換が行われる電荷/電圧変換装置であって、前記変換装置が、制御されたゲインKを与える増幅器(4)、及びインバータとして接続され、無負荷ゲインを−G1に等しくするトランジスタ(T 3 )を有し、ゲインKを与える前記増幅器の入力は出力電圧Vsが収集される個所(A)に接続され、前記増幅器の出力はインバータとして接続された前記トランジスタ(T 3 )のゲートに接続されており、このトランジスタのドレインはゲインKを与える前記増幅器に接続され、ソースはアースされており、前記ゲインGが
G=G0/(1+K・G1)
で与えられ、ゲインKを与える前記増幅器が、このゲインKを第2及び第3の間隔(t 2 、t 3 )の間負にして、ゲインGがG0より大きくなるようにし、かつこのゲインKを第1の間隔(t 1 )の間正にして、ゲインGがこの第1の間隔の間ゼロにほぼ等しくなるようにすることを可能とするゲイン制御回路に結合されていることを特徴とする電荷/電圧変換装置。 - 前記読取りトランジスタ(T 2 )及び前記インバータとして接続されているトランジスタ(T 3 )がMOSトランジスタであることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 前記読取りトランジスタ(T 2 )及び前記インバータとして接続されているトランジスタ(T 3 )が同一のものであり、それによってゲインG1がゲインG0と等しくなることを特徴とする、請求項2に記載の装置。
- ゲインG0が0.85にほぼ等しく、ゲインKが第2及び第3間隔(t 2 、t 3 )の間 -0.2にほぼ等しく、第1の間隔(t 1 )の間10にほぼ等しいことを特徴とする、請求項3に記載の装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置を有する電荷転送素子。
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