JP4920610B2 - Ccd装置及び駆動方法 - Google Patents

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    • H04N25/71Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/713Transfer or readout registers; Split readout registers or multiple readout registers

Description

本発明は、CCD装置及び駆動方法に関し、特にCCDの電荷検出器で発生するリセット・フィードスルー・ノイズの抑制に対応した構成及び駆動方法に関する。
CCD(Charge Coupled Device)のリセット・フィードスルー・ノイズの抑制に関する関連技術として、例えば特許文献1等の記載が参照される。特許文献1には、CCD構造の電荷転送レジスタの終段に水平出力ゲート部を介してフローティング・ディフージョン領域が接続され、フローティング・ディフージョン領域とリセットドレイン領域間にリセットゲートが設けられてなるCCD素子において、水平出力ゲート部(出力ゲート)に、リセットゲートに印加するリセットゲートパルスφRと逆相の出力ゲートパルスφOGを印加することで、フローティング・ディフージョン領域とリセットゲート部間の寄生容量の影響を抑え、高感度化を促進可能とする構成が開示されている。
図4乃至図6を参照して、CCDの電荷検出器の典型的な構成及び駆動方法を説明する。なお、図4乃至図6は、本発明の背景技術を説明するために、本発明者が新たに作成したものであり、特許文献1の図面の内容そのままではないことを付言しておく。図4(A)はレイアウトと出力回路部との回路接続を示し、図4(B)は出力ゲートとリセットゲートの電荷検出部間の寄生容量を等価回路で示している。図5(A)は図4(A)のX−X’線の断面構成を模式的に示している。図5(B)は、図5(A)の断面の対応位置でのポテンシャル(縦軸)を示している。図6は、タイミング波形を示す図であり、(a)はリセットゲート104に印加されるパルス(リセットゲートパルス)φR、(b)は出力ゲート102に印加される出力ゲートパルスφOG、(c)は駆動クロックφ1(φ2はφ1の相補信号)、(d)はCCD出力波形(電荷検出部103の電位)を示している。
図4(A)、図5(A)において、101aは第1層ポリシリ(polysilicon)、101bは第2層ポリシリ(polysilicon)、102は出力ゲート、103は電荷検出部、104はリセットゲート、105はリセットドレイン(N+領域)、106は出力回路部である。φ1、φ2は2相の駆動パルスであり、信号電荷を水平方向に転送する。なお、図4において、2相の駆動パルスφ1、φ2で駆動される第1層ポリシリ101aと第2層ポリシリ101bはCCDシフトレジスタの終段をなす。出力回路部106は、電荷検出部103の電位を入力として受け、該入力電圧に追従した同相電圧信号を出力するソースフォロワ・バッファよりなり、106−1はソースフォロワ構成のNMOSFET、106−2はゲートが定電圧でバイアスされた負荷トランジスタ(NMOSFET)である。
図4(A)、図4(B)を参照すると、出力ゲート102と電荷検出部容量Cfdの一端の間に、出力ゲート−電荷検出部間寄生容量C1、リセットゲート104と電荷検出部容量Cfdの一端の間には、リセットゲート−電荷検出部間寄生容量C2が存在する。
第1層ポリシリ101aと第2層ポリシリ101bからなるCCDシフトレジスタを順次転送されてきた電荷は、出力ゲートパルスφOGでONとされた出力ゲート102を介して電荷検出部103へ転送される。
電荷検出部103へ転送されてきた電荷は、電荷検出部容量Cfdにより電圧へ変換され、出力回路部106を介して出力される(図6の(d)の「信号出力」参照)。
その後、次の電荷が転送されてくる前に、リセットゲートパルスφRを印加してリセットゲート104をONし、電荷検出部103の電位をリセットドレイン105の電位(図6(d)の「リセットドレイン電圧」)にセットする。
このとき、リセットゲート104がONからOFFへ変化すると、出力ゲート102もOFFであるため、電荷検出部103はフローティングとなる。電荷検出部103がフローティングになってからのリセットゲートパルスφRの振幅(電圧変化)Vrと寄生容量C2により、リセット・フィードスルー・ノイズが発生する。すなわち、図6の(d)の「出力波形」において、リセットゲート104がOFFした後、すなわち電荷検出部103のフローティング状態での電位は、電荷検出部103とリセットゲート104間の寄生容量C2(図4(B)参照)の容量結合により、リセットドレイン電位(基準電位)にはならず、リセットドレイン電位から、図6の(d)において、(1)の矢線で示す分だけ引き下げられた電位(図6の(d)の矢印(1)の先端が当接する一点鎖線:フィールドスルーレベル)となる。
そこで、特許文献1では、このリセット・フィードスルー・ノイズを抑えるために、出力ゲート102(図4(A))に印加する出力ゲートパルスφOG(図6の(b)参照)を、リセットゲート104(図4(A))に印加するリセットゲートパルスφR(図6の(a)参照)とは逆相で電圧変化させ、寄生容量C1と出力ゲートパルスφOGの振幅(電圧変化)Vogにより、リセット・フィードスルー・ノイズを抑制している。図6の(d)において、矢印(1)の先端の一点鎖線から上方に向かう矢印(2)は、出力ゲート102の電圧変化Vogと出力ゲート102の寄生容量C1の容量結合による電圧変化抑制分を示し、電荷検出部103の電位は、この電圧変化抑制分だけ、引き上げられる。
すなわち、図6の(d)の「出力波形」において、リセットドレイン電位(破線)からリセットゲートの電圧変化Vrと寄生容量C2による変化分(1)の落ち込みに対して、出力ゲートの電圧変化と寄生容量C1による変化抑制分(2)だけリセットドレイン電位側に引き上げた電位が、リセット・フィールドスルーレベルとなる。
特開平5−20892号公報
上記特許文献1の開示は引用によって本書に組み込まれるものとする。以下に本発明による関連技術の分析を与える。
図4乃至図6を参照して説明した関連技術においては、CCDシフトレジスタや電荷検出部103を構成するN型拡散層のポテンシャルが、N型不純物の注入ばらつきや熱拡散による押し込みよって変動した場合、電荷検出部103がフローティングになってからの、リセットゲートの振幅(電圧変化)Vrが変化する。図7(B)には、CCDシフトレジスタや電荷検出部103を構成するN型拡散層のポテンシャルのばらつきによる、電荷検出部103のフローティング後の電位(ポテンシャル)の変化分にばらつきが生じる様子が模式的に示されている。
CCDシフトレジスタや電荷検出部103を構成するN型拡散層のポテンシャルが高くなると、電荷検出部103のフローティング後のリセットゲートの振幅Vrが小さくなり、N型拡散層のポテンシャルが低くなると、電荷検出部103のフローティング後のリセットゲートの振幅Vrが大きくなる。このため、電荷検出部103のフローティング後のリセットゲートの振幅Vrと寄生容量C2で発生するリセット・フィードスルー・ノイズの大きさも同様に変化する。
しかしながら、上記関連技術においては、出力ゲート102に印加される出力ゲートパルスφOGの振幅Vogは一定であるため、振幅Vogと寄生容量C1でコントロールしているリセット・フィードスルー・ノイズを抑制する効果は一定である。ずなわち、図6の(d)において、フリーティング後の変化分(1)のばらつきに対して、(2)の変化抑制分は一定となっている。
したがって、特許文献1等の上記関連技術の構成において、リセット・フィードスルー・ノイズの抑制効果は、N型拡散層のポテンシャルばらつきに弱く、限定的な効果しか得られないものとなっている。すなわち、特許文献1等の上記関連技術においては、リセット・フィードスルー・ノイズのばらつきに対する認識を欠いており、その対策はいっさい講じられていない、というのが実情である。
リセット・フィードスルー・ノイズが大きく、ばらつきがあると、高速/高ゲイン出力回路を用いる場合、動作点の設計マージンが少なくなる。この結果、設計を困難とし、また製品歩留の低下を招くことになる。
また、CCDセンサからの出力信号を後段のA/D変換デバイス等に入力する場合、リセット・フィードスルー・ノイズが大きいと、ダイナミックレンジの低下を招き、問題となる場合がある。
したがって、上記のような問題を抑制するためにも、リセット・フィードスルー・ノイズは出来るだけ小さく、かつ、ばらつきなく、安定的に抑制することが望まれている。
本発明は、本発明者による上記課題の認識に基づき、創案されたものであり、概略以下の構成とされる。
本発明の1つの側面によれば、CCD構造の電荷転送レジスタが出力ゲートを介して電荷検出部に接続され、前記電荷検出部とリセットドレイン領域間にリセットゲートを備え、前記出力ゲートには、前記リセットゲートに印加するリセットパルスとは逆相の出力ゲートパルスが印加され、前記電荷検出部のポテンシャルを検出する手段と、前記電荷検出部のポテンシャルの検出結果に基づき、前記出力ゲートに印加する出力ゲートパルスの振幅をコントロールする調整回路(出力ゲートパルスゲイン調整回路)を備えたCCD装置が提供される。前記電荷検出部のポテンシャルを検出するための手段は、前記電荷検出部と同等のダミーの電荷検出部を備えている。
本発明の他の側面によれば、CCD構造の電荷転送レジスタが出力ゲートを介して電荷検出部に接続され、前記電荷検出部とリセットドレイン領域間にリセットゲートを備えたCCDの駆動方法であって、前記出力ゲートには、前記リセットゲートに印加するリセットパルスとは逆相の出力ゲートパルスが印加し、
前記電荷検出部のポテンシャルを検出し、
前記電荷検出部のポテンシャルの検出結果に基づき、前記出力ゲートに印加する出力ゲートパルスの振幅をコントロールする駆動方法が提供される。
本発明によれば、拡散層のポテンシャルばらつき等に対して、リセット・フィードスルー・ノイズを抑制することができる。
上記した本発明についてさらに詳細に説述すべく添付図面を参照して以下に説明する。本発明においては、CCD構造の電荷転送レジスタが出力ゲート(2)を介して電荷検出部(3)に接続され、電荷検出部(3)とリセットドレイン(5)間にリセットゲート(4)を備え、出力ゲート(2)には、リセットゲート(4)に印加するリセットパルスとは逆相の出力ゲートパルスが印加されるCCDデバイスにおいて、電荷検出部(3)のポテンシャルを検出するための手段をなすダミー電荷検出部(7)の拡散層のポテンシャルの検出結果に基づき、出力ゲート(2)に印加する出力ゲートパルスの振幅をコントロールする調整回路(出力ゲートパルスゲイン調整回路)(8)を備えている。ダミーの電荷検出部(7)等で電荷検出部(3)のN型拡散層のポテンシャルを検出し、出力ゲートパルスの振幅をN型拡散層のポテンシャルのばらつきに追従するように可変制御することで、より良いリセット・フィードスルー・ノイズ抑制効果を得るようにしたものである。調整回路(8)は、電荷検出部のポテンシャルの検出結果を受け、電荷検出部のポテンシャルの値に応じてゲインを調整することで出力ゲートパルスの振幅をコントロールし出力ゲート(2)に供給する。以下実施例に即して説明する。
図1は、本発明の一実施例の構成を示す図である。1aは第1層ポリシリ(polysilicon)、1bは第2層ポリシリ、2は出力ゲート、3は電荷検出部、4はリセットゲート、5はリセットドレイン(N+領域)、6は出力回路部(ソースフォロワ・バッファ)、7はダミー電荷検出部、8は出力ゲートパルスゲイン調整回路である。φ1、φ2は2相の駆動パルスであり、信号電荷を水平方向に転送する。なお、図1において、2相の駆動パルスφ1、φ2で駆動される第1層ポリシリ101aと第2層ポリシリ101bはCCDシフトレジスタの終段をなす。
図4(A)の構成の場合、出力ゲート102には、出力ゲートパルスφOGが印加されていたが、本実施例においては、出力ゲート2に、出力ゲートパルスφOGを直接印加するのではなく、図1に示すように、ダミー電荷検出部7を設け、ダミー電荷検出部7の電位(ポテンシャル)を取り出し、出力ゲートパルスゲイン調整回路8に入力する。出力ゲートパルスゲイン調整回路8は、出力ゲートパルスφOGを受け、ダミー電荷検出部7の電位に基づき出力ゲートパルスのゲインを調整して出力ゲート2に印加する。
出力ゲートパルスゲイン調整回路8は、電荷検出部3がフローティングになってからのリセットゲート4の振幅Vr(図6のリセットゲートパルスφRの振幅Vr参照)に追従するように、出力ゲートパルスφOGの振幅Vog(図6の出力ゲートパルスφOGの振幅Vog参照)をコントロールする。特に制限されないが、本実施例においては、出力ゲートパルスゲイン調整回路8は、ダミー電荷検出部7の出力電圧を受けるバッファアンプ8−3と、出力ゲートパルスφOGをゲートに受け、ソースフォロワ回路を構成するトランジスタ(NMOSFET)8−1と、負荷トランジスタ(NMOSFET)8−2と、を備えている。ソースフォロワの負荷トランジスタ8−2のゲートにはバッファアンプ8−3の出力が接続され、ダミー電荷検出部7の出力電圧に応じて、ソースフォロワのゲインを可変させる。なお、出力ゲートパルスゲイン調整回路8は、同等の機能動作をする回路であれば、図1の構成に制限されるものでないことは勿論である。
図2は、ダミー電荷検出部7の構成(レイアウト)の一例を示す図である。この一例では、電荷検出部3と同じ構成としている。すなわち、出力ゲート2’、電荷検出部3’、リセットゲート4’、リセットドレイン5’を備えている。図1の電荷検出部3からの出力が出力回路部6へ接続されているように、図2のダミー電荷検出部7において、電荷検出部3’から引き出される端子は、図1の出力ゲートパルスゲイン調整回路8に接続される。図2のダミー電荷検出部7において、リセットゲート4’には、リセットゲートパルスφR(図6参照)を印加するのではなく、例えばリセットゲートパルスφRのLOWレベルと同等の電圧が印加され、出力ゲート2’には、出力ゲートパルスφOG(図6参照)を印加するのではなく、例えば出力ゲートパルスφOGのHIGHレベルと同等の電圧が印加された状態で、N型拡散層のポテンシャルが検出される。なお、ダミー電荷検出部7は、N型拡散層のポテンシャルモニタ用の回路であるため、出力ゲート2’は、CCDシフトレジスタ(2相駆動クロックφ1、φ2で駆動される)の終段に接続しないでよい。
本実施例において、CCDシフトレジスタや電荷検出部3を構成するN型拡散層のポテンシャルが高くなると、電荷検出部3のフローティング後のリセットゲートの振幅Vrが小さくなり、電荷検出部3のフローティング後のリセットゲートの振幅Vrと寄生容量C2で発生するリセット・フィードスルー・ノイズも小さくなる。すなわち図6の(d)の(1)が小となり、電荷検出部3の出力波形(図6(d)の一点鎖線で示す電位)は、リセットドレイン電位に近づく(電荷検出部3の出力電圧は高くなる)。したがって、ダミー電荷検出部7から取り出された電圧も高い方向に変化する。
ダミー電荷検出部7から取り出した電圧をバッファアンプ8−3を介してソースフォロワ回路の負荷をなすトランジスタ8−2のゲートへ印加することにより、図3に示すソースフォロワ入出力特性変化からもわかるように、ソースフォロワのゲインを落とし、出力ゲートパルスφOG(リセットゲートパルスφRと逆相)の振幅を小さくして出力ゲート2に印加する。
N型拡散層のポテンシャルが低い方向に変化した場合には、電荷検出部3がフローティングになってからのリセットゲート4の電圧変化(振幅)Vrは大きくなり、電荷検出部3のフローティング後のリセットゲート4の電圧変化(振幅)Vrと寄生容量C2で発生するリセット・フィードスルー・ノイズも大きくなる。すなわち図6の(d)の(1)が大となり、電荷検出部3の出力波形(図6(d)の一点鎖線で示す電位)は、リセットドレイン電位から離れる(電荷検出部3の出力電圧は低くなる)。したがって、ダミー電荷検出部7から取り出された電圧も低い方向に変化する。この場合、本実施例においては、ダミー電荷検出部7から取り出された電圧をソースフォロワ回路の負荷トランジスタ8−2のゲートへ入力する構成としたことにより、ソースフォロワのゲインを上げ、出力ゲートパルスφOGの振幅を大きくして出力ゲート2に印加する。このとき、図6の(d)の(2)は大となる。なお、図1のソースフォロワ・バッファ(8−1、8−2)において、負荷トランジスタ8−2のバイアス電圧(バッファアンプ8−3の出力電圧)が低くなると、ソースが接地された負荷トランジスタ8−2のオン抵抗が上がり、入力電圧に対するソースフォロワの出力電圧(トランジスタ8−1のソース電圧)のゲインが上昇し(図3のゲインUP)、バイアス電圧(バッファ8−3の出力電圧)が高くなると、負荷トランジスタ8−2のオン抵抗が下がり、入力電圧に対するソースフォロワの出力電圧(トランジスタ8−1のソース電圧)のゲインが低下する(図3のゲインdown)。
上記のように、電荷検出部3を構成するN型拡散層のポテンシャルを検出し、出力パルスゲートφOGの振幅を電荷検出部3がフローティングになってからのリセットゲートパルスφRの振幅に追従するようにコントロールしたことにより、リセット・フィードスルー・ノイズを抑制することが可能となる。すなわち、図6の(d)の電荷検出部の出力波形において、電荷検出部3のフローティング後のリセットゲートの電圧変化(Vr)と寄生容量C2による変化分(1)の変動に追従させて、出力ゲートの電圧変化(Vog)と寄生容量(C1)による変化抑制分(2)を可変制御することで、リセット・フィードスルー・ノイズを抑制することが可能となる。
なお、本発明は、図1に示した簡易的な回路構成に限らず、電荷検出部のポテンシャルを検出し、それを用いてφOGパルスの振幅をコントロールするような回路構成全般に適用される。
なお、本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
本発明の第1の実施例の構成を示す図である。 本発明の第1の実施例におけるダミー電荷検出部の構成を示す図である。 φOgパルスゲイン調整回路の入出力特性例を示す図である。 関連技術の構成を示す図である。 関連技術の断面構成とポテンシャルを示す図である。 関連技術のタイミング&出力波形を示す図である。 関連技術の断面構成とN型拡散層ポテンシャルがばらついたときの説明図である。
符号の説明
1a 第1層ポリシリ(polysilicon)
1b 第2層ポリシリ
2、2’ 出力ゲート
3、3’ 電荷検出部
4、4’ リセットゲート
5、5’ リセットドレイン(N+領域;N+拡散層)
6 出力回路部
6−1、6−2 NMOSFET
7 ダミー電荷検出部
8 出力ゲートパルスゲイン調整回路
8−1、8−2 NMOSFET
8−3 バッファアンプ
101a 第1層ポリシリ(polysilicon)
101b 第2層ポリシリ
102 出力ゲート
103 電荷検出部
104 リセットゲート
105 リセットドレイン(N+領域;N+拡散層)
106 出力回路部
106−1、106−2 NMOSFET

Claims (9)

  1. CCD構造の電荷転送レジスタが出力ゲートを介して電荷検出部に接続され、前記電荷検出部とリセットドレイン間にリセットゲートを備え、前記出力ゲートには、前記リセットゲートに印加するリセットパルスとは逆相の出力ゲートパルスが印加されるCCD装置であって、
    前記電荷検出部のポテンシャルを検出する手段と、
    前記電荷検出部のポテンシャルの検出結果に基づき、前記出力ゲートに印加する出力ゲートパルスの振幅をコントロールする調整回路と、
    を備えたことを特徴とするCCD装置。
  2. 前記電荷検出部のポテンシャルを検出するための手段が、前記電荷検出部と同等のダミーの電荷検出部を備えている、ことを特徴とする請求項1記載のCCD装置。
  3. 前記調整回路が、前記電荷検出部のポテンシャルの検出結果を受け、前記電荷検出部のポテンシャルの値に応じてゲインを調整することで前記出力ゲートパルスの振幅をコントロールし前記出力ゲートに供給する、ことを特徴とする請求項1又は2記載のCCD装置。
  4. 前記調整回路が、入力電圧に追従した電圧を出力するフォロワ構成の第1のトランジスタと、フォロワの負荷を構成する第2のトランジスタを備え、
    前記第1のトランジスタが前記出力ゲートパルスを受け、
    前記第2のトランジスタには前記ダミーの電荷検出部で検出されたポテンシャルに対応したバイアス電圧が与えられる、ことを特徴とする請求項2又は3記載のCCD装置。
  5. 前記電荷検出部の拡散層のポテンシャルが高い方向に変化し、前記電荷検出部のフローティング後の前記リセットゲートの振幅が小となると、前記調整回路は、前記出力ゲートパルスの振幅を小とし、
    前記電荷検出部の拡散層のポテンシャルが低い方向に変化し、前記電荷検出部のフローティング後の前記リセットゲートの振幅が大となると、前記調整回路は、前記出力ゲートパルスの振幅を大とする、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のCCD装置。
  6. CCD構造の電荷転送レジスタが出力ゲートを介して電荷検出部に接続され、前記電荷検出部とリセットドレイン間にリセットゲートを備えたCCDの駆動方法であって、
    前記出力ゲートには前記リセットゲートに印加するリセットパルスとは逆相の出力ゲートパルスが印加し、
    前記電荷検出部のポテンシャルを検出し、
    前記電荷検出部のポテンシャルの検出結果に基づき、前記出力ゲートパルスの振幅をコントロールする、ことを特徴とするCCDの駆動方法。
  7. 前記電荷検出部と同等のダミーの電荷検出部のポテンシャルを検出することで前記電荷検出部のポテンシャルを検出する、ことを特徴とする請求項6記載のCCDの駆動方法。
  8. 前記電荷検出部のポテンシャルの検出結果を受け、前記電荷検出部のポテンシャルの値に応じてゲインを調整することで前記出力ゲートパルスの振幅をコントロールし前記出力ゲートに供給する、ことを特徴とする請求項6又は7記載のCCDの駆動方法。
  9. 前記電荷検出部の拡散層のポテンシャルが高い方向に変化し、前記電荷検出部のフローティング後の前記リセットゲートの振幅が小となると、前記出力ゲートパルスの振幅を小とし、
    前記電荷検出部の拡散層のポテンシャルが低い方向に変化し、前記電荷検出部のフローティング後の前記リセットゲートの振幅が大となると、前記出力ゲートパルスの振幅を大とする、ことを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載のCCDの駆動方法。
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