JP4019439B2 - Ccd型電荷転送読出し用レジスタの電荷/電圧変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電荷の転送に主として使用するレジスタを読出すことに関し、特にそのようなレジスタの出力回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
CCD型電荷転送読出し用レジスタは、例えば光学イメージを電荷に変換可能な光電装置に使用される。読出し用レジスタの出力回路は、転送された電荷を電気信号に変換する。この出力回路は、読出し用ダイオード及び読出し用増幅器によって構成される。
【0003】
高速での電荷の移動が必要な用途では、1つの同一のレジスタにおける出力の数を増加させることになる。当業者であれば知っているように、各出力についての読出し用増幅器は、通常、数個の直列接続された増幅ステージによって構成される。このため、連続した増幅ステージのバイアス電流が増大する。例えば、3つの増幅ステージによって構成される読出し用増幅器には、15ボルトの電圧で15mAのオーダの電流を与えなければならない。従って、読出し用レジスタによって消費される電力が非常に高い値にただちに達するため、出力の数を望ましいだけ大幅に増やすことはできない。例えば、各出力が前述したようにバイアスされた(15mA,15ボルト)読出し用増幅器を備えた32個の出力を有する読出し用レジスタは、約7ワットの電力をレジスタ内で消費する結果となるので、作成することができない。
【0004】
本発明はこのような問題点を有していない。
【0005】
図1は従来の読出し用レジスタの出力回路を示す。
【0006】
この出力回路は、記憶ゲート(図示せず)から来る電荷Qの、シフトレジスタの出力Sで集められる電圧Vsへの変換を可能にする。
【0007】
前述したように、出力回路は、読出し用ダイオードと読出し用増幅器とによって構成される。ゲートに印加されるコマンドC1の作用により、MOSトランジスタTpcは、電荷Qの到達前にダイオードDのキャパシタCd(図1に点線で示す)の前充電を行う。トランジスタTpcは、電圧源VRに接続されたドレインと、電荷Qの到達点、ダイオードDのカソード及び読出し用増幅器の入力Eに接続されたソースとを有する。
【0008】
一例として、読出し用増幅器は、3つの連続する増幅ステージによって構成される。各増幅ステージは、ドレインが電圧源に接続されソースが電流源の第1の端子に接続されているMOSトランジスタによって構成される。電流源の第2の端子は回路のグランドに接続されている。第1の増幅ステージはトランジスタT1と電流源I1とによって構成され、第2の増幅ステージはトランジスタT2と電流源I2とによって構成され、第3の増幅ステージはトランジスタT3と電流源I3とによって構成される。トランジスタT1のソースはトランジスタT2のゲートに接続され、トランジスタT2のソースはトランジスタT3のゲートに接続されている。読出し用増幅器の入力EはトランジスタT1のゲートである。読出し用増幅器の出力SはトランジスタT3のソースである。前述したように、電流I1、I2、I3は順次大きな値を有する。例えば電流I1が0.5mAであり、電流I2が1又は2mAであり、電流I3が12又は13mAである。その結果、電流の合計I1+I2+I3は15mAのオーダに達することとなる。15Vの供給電圧VDDの場合、出力回路によって消費される電力は、約0.23ワットという値に達する。1つの同一の読出し用レジスタの出力の数を過剰に増大させることはできず、そうでなければ、レジスタ内で消費される電力が過剰な値となる。例えば、レジスタで消費される電力が実質的に7ワットとなる場合、32個の出力を有する読出し用レジスタを設計することはできない。従来技術において、増幅ステージの数を増大させることによる他の欠点は、得られる変換係数が低い値となることである。当業者であれば分かるように、蓄積される電荷に変換器の出力電圧をリンクする変換係数は式Fc=G/Cdによって与えられる。ここで、Cdは前述の如く規定されたダイオードのキャパシタンス、Gは読出し用増幅器のゲインである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によれば、各増幅ステージは、1より小さい値、例えば0.85のオーダのゲインを有するため、増幅ステージの数が多くなり読出し用増幅器の合計ゲインGを小さくなる。前述の従来技術の例において、読出し用増幅器は3つの増幅ステージから構成され、ゲインGは実質的に0.6に等しい。
【0010】
本発明による読出し用増幅器はこの欠点を有していない。以下に、説明するように、本発明による出力回路は、従来技術の出力回路を用いた場合より、高い値の変換係数を得ることができる。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、読出し用ダイオードと、読出し用増幅器とを含むCCD型電荷転送読出し用レジスタの電荷/電圧変換装置に関し、読出し用増幅器が読出し用ダイオードの端子に集められる電圧変化(ΔVg)を電流変化(ΔI)に変換可能な第1の増幅ステージと、電流変化を作成させるために読出しを可能とする第2の増幅ステージとを含んでいる。
【0012】
本発明によれば、読出し用レジスタの消費電力を著しく低減させることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0014】
図2は本発明による読出し用レジスタ出力回路を示す。
【0015】
図2は2つの領域に分けられる。領域Iに位置する要素は読出し用レジスタに組み込まれており、領域IIに位置する要素はこの読出し用レジスタの外部にある。従って、領域IIに位置する要素は、1つの同一のチップに集積される要素であるか又は分離されている要素のいずれかである。
【0016】
領域Iにおいて、電荷Qの到達の前にダイオードDのキャパシタCdの前充電を可能とする係数を有するMOSトランジスタと読出し用ダイオードDが配置されている。従来技術の場合と同様に、トランジスタTpcは、ドレインが電圧源VRに接続され、ソースが電荷Qの到達点とアノードが接地されているダイオードDのカソードとに接続された例えばN形MOSトランジスタである。
【0017】
本発明によれば、読出し用増幅器は、読出し用ダイオードの端子に得られる電圧変化を電流変化に変換可能である第1の増幅ステージと、電流変化の読出し用ステージから形成される第2の増幅ステージとを有する。
【0018】
本発明の好ましい実施形態によれば、第1の増幅ステージは読出し用レジスタと集積されたN形MOSトランジスタT4によって形成される。N形MOSトランジスタT4はダイオードDのカソードに接続されたゲートと、電圧源VDD1に接続されたドレインとを有する。このN形MOSトランジスタT4のソースは読出し用レジスタの出力を形成する。
【0019】
電流変化の読出し用ステージは、キャパシタCBを介して接地されるベースと、トランジスタT4のソースにそして電流源I4による回路を介して接地されるエミッタと、抵抗Rを介して例えば15ボルトの電圧源VDD2に接続されるコレクタとを有するNPN形バイポーラトランジスタによって形成される、好ましくはベース接地型増幅器である。電流源I4の電流値は、例えば3mAである。キャパシタCBの値は、トランジスタT5によるベース接地タイプアセンブリを確実に得るために選択される。この値は例えば100nFである。優れた雑音特性が要求されるような適用例においては、電流源I4は抵抗によって置き換えられる。
【0020】
バイポーラトランジスタT5を反転させるためにかつトランジスタT4のドレイン−ソース間の電圧を固定するために、電圧VBがこのバイポーラトランジスタT5のベースに印加される。電圧VBは例えば7ボルトである。これにより、トランジスタT4のバイアス電流は、例えば1〜3mAの範囲の値を有する。
【0021】
読出し用ダイオードの端子における電荷の読出しはトランジスタT4のゲートに供給される電圧Vgの変化ΔVgによって表される。これはトランジスタT4を流れる電流Iの変化ΔIという結果となる。この変化ΔIは式ΔI=gm・ΔVgで与えられる。ここで、gmはトランジスタT4の相互コンンダクタンスである。例えば、gmが0.5mSに等しくなるようにトランジスタT4の形態が選択される。
【0022】
読出し用増幅器の出力電圧VSは、トランジスタT5のコレクタと回路のグランドとの間から取り出される。電圧VSの変化ΔVSは次のように記載される。
【0023】
ΔVS=R・ΔI
【0024】
電流源I4の電流が、数mA、例えば3mAであるのに対し、従来技術による装置の電流の合計I1+I2+I3は15mAである。従って、本発明は読出し用増幅器の電流消費を大幅に減少でき、読出し用レジスタの電流消費を減少できるという利点がある。
【0025】
本発明による読出し用レジスタで消費される電力は、また、供給電圧VDDに対して供給電圧VDD1を低下させることによって低減されるという利点がある。
【0026】
従来技術によれば、ダイオードの端子間の電圧変化が、読出し用増幅器を構成するトランジスタのドレイン−ソース間の電圧変化に導かれる。このため、供給電圧VDDは、トランジスタT1、T2及びT3を適切にバイアスするために、例えば15ボルトと、十分に高いことが必要となる。
【0027】
本発明によれば、読出し用増幅器の第1の増幅ステージは、ダイオードの端子における電圧変化を電流変化に変換する。トランジスタT4のドレイン−ソース間の電圧は、実質的に一定のままに保持される。従って、電圧VDD1は、電圧VDDのごとく高い値を有する必要がない。電圧VDD1は、例えば、13ボルトに選択される。
【0028】
本発明による読出し用増幅器によって消費される電力は、従来技術における読出し用増幅器によって消費される電力に比較して、例えば、約1/10となる。従って、例えば32個の出力を備えた読出し用増幅器を作成することが可能である。
【0029】
本発明による電流読出しに関する他の効果は、寄生キャパシタCp(図2に点線で示す)の影響を除去することであり、これは、読出し用レジスタと読出し用レジスタの外部の充電回路との接続から得られる。
【0030】
ベース接地型増幅器は、キャパシタCpを短絡させるに十分な低い値の入力インピーダンスを有するという利点がある。従って、電流の読出しがこのキャパシタの存在によって影響されることはない。これに対して従来技術の装置においては、キャパシタCpのキャパシタンスは、読出し用レジスタの外部回路の入力インピーダンスに関して、無視することができない。このキャパシタCpの影響により、電荷/電圧の変換器の通過帯域が悪化する。
【0031】
本発明はこの欠点がないという効果を有しており、例えば240MHzのオーダの通過帯域を得ることができる。
【0032】
本発明による出力回路の他の効果は、集められた電荷ΔQに出力電圧の変化ΔVSをリンクする変換係数Fcを調整できることである。
【0033】
変換係数は、実際、次のように記載され得る。
【0034】
Fc=ΔVS/ΔQ
【0035】
ここで、ΔQ=Cd・ΔVg,ΔVg=ΔI/gm及びΔVS=R・ΔIである。
【0036】
よって、Fc=R・gm/Cdとなる。
【0037】
従って、抵抗Rを変化させることにより、変換係数Fcの変化できるという効果が得られる。
【0038】
電荷/電圧変換回路の通過帯域のカットオフ周波数は次式によって与えられる。
【0039】
f=1/(2π・R・Co)
【0040】
ここでRは抵抗、CoはバイポーラトランジスタT5のコレクタでの周辺キャパシタンス(図示せず)である。
【0041】
変換係数FcはRに比例し、通過帯域のカットオフ周波数fはRに逆比例する。よって、比較的低いカットオフ周波数となる適用例においては、変換係数が高い値となるという利点が得られる。
【0042】
例えば、数MHzのオーダの通過帯域において、約16μV/電子の変換係数を得ることが可能となる。
【0043】
上述した好ましい実施形態によれば、読出し用増幅器の第1の増幅ステージはN形MOSトランジスタによって形成され、第2の増幅ステージはNPN型バイポーラトランジスタによって形成される。
【0044】
しかしながら、本発明は、例えば、第1の増幅ステージがP形MOSトランジスタによって形成され、かつ第2の増幅ステージがPNP型バイポーラトランジスタによって形成される他の実施形態をも含むものである。その場合、MOSトランジスタT4のゲートに接続されるのは、読出し用ダイオードのカソードではなくアノードである。同様に、電流読出し用ステージは、いかなる公知の周知の電流読出し用装置によって構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の読出し用レジスタの出力回路を示す図である。
【図2】 本発明による読出し用レジスタの出力回路を示す図である。
【符号の説明】
Q 電荷
Cd、CB キャパシタ
D ダイオード
VR、VDD 電圧源
Tpc、T1、T2、T3、T4、T5 トランジスタ
R 抵抗
Claims (4)
- 読出し用ダイオードと、読出し用増幅器とを含む、CCD型電荷転送読出し用レジスタの電荷/電圧変換装置において、
前記読出し用増幅器が、前記読出し用ダイオードの端子における電圧変化(ΔVg)を電流変化(ΔI)に変換可能な第1の増幅ステージと、ベースがキャパシタを介して装置のグランドに接続されているバイポーラトランジスタによる第2の増幅ステージとを含んでおり、前記ベースには前記バイポーラトランジスタをオンとするために調整される電圧(VB)が供給され、前記バイポーラトランジスタのエミッタが前記第1の増幅ステージの出力及び電流源の第1の端子に接続され、該電流源の第2の端子が装置のグランドに接続され、前記読出し用増幅器の出力に相当する前記バイポーラトランジスタのコレクタが抵抗を介して電圧源(VDD2)に接続されていることを特徴とする装置。 - 前記第1の増幅ステージが、ソースが前記バイポーラトランジスタのエミッタに接続されかつゲートが前記読出し用ダイオードの第1の端子に接続されたMOSトランジスタであり、該読出し用ダイオードの第2の端子が回路のグランドに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記MOSトランジスタがN形トランジスタであり、前記読出し用ダイオードの第1の端子が該読出し用ダイオードのカソードであり、前記バイポーラトランジスタがNPN型トランジスタであることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記MOSトランジスタがP形トランジスタであり、前記読出し用ダイオードの第1の端子が該読出し用ダイオードのアノードであり、前記バイポーラトランジスタがPNP型トランジスタであることを特徴とする請求項2に記載の装置。
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