JP5093768B2 - Signal readout circuit - Google Patents
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Description
本発明は、熱型赤外線イメージセンサなどに用いる信号読み出し回路に関するものである。 The present invention relates to a signal readout circuit used for a thermal infrared image sensor or the like.
従来から、熱型赤外線イメージセンサとして、各画素におけるサーモパイルにコンデンサを並列接続し、サーモパイルの抵抗とコンデンサとで構成されるローパスフィルタを設けることにより、サーモパイルを雑音源とする熱雑音電圧の周波数帯域幅を制限することが提案されている(例えば、特許文献1)。ここにおいて、熱雑音電圧をEn〔Vrms〕、ボルツマン定数をk(=1.38×10-23〔J/K〕)、絶対温度をT〔K〕、サーモパイルの抵抗をR〔Ω〕、周波数帯域幅をΔfとすれば、熱雑音電圧Enは、下記数1で表される。
Conventionally, as a thermal infrared image sensor, a frequency band of thermal noise voltage using a thermopile as a noise source by connecting a capacitor in parallel to the thermopile in each pixel and providing a low-pass filter composed of a thermopile resistor and a capacitor. It has been proposed to limit the width (for example, Patent Document 1). Here, the thermal noise voltage is En [Vrms], the Boltzmann constant is k (= 1.38 × 10 −23 [J / K]), the absolute temperature is T [K], the resistance of the thermopile is R [Ω], the frequency If the bandwidth is Δf, the thermal noise voltage En is expressed by the following
なお、上記特許文献1に記載された熱型赤外線イメージセンサでは、半導体基板の主表面側においてサーモパイルの下方にキャパシタを形成してある。
In the thermal infrared image sensor described in
また、従来から、センサの出力の信号対雑音比(S/N比)を向上させるための構成として、センサの出力を増幅する増幅器であるチャージアンプと、チャージアンプの後段に設けられたノイズ除去用フィルタとを備えたものが提案されており(例えば、特許文献2)、このようなS/N比を向上させるための構成をサーモパイルの信号読み出し回路に適用することが考えられる。
しかしながら、上記特許文献1に開示された熱型赤外線イメージセンサでは、半導体基板の主表面側においてサーモパイルの下方にキャパシタを形成する必要があるので、製造プロセスが複雑になり、しかも、製造ばらつきによるキャパシタの容量のばらつきや温度による容量の変動などに起因してフィルタ特性がばらついてしまう。また、上記特許文献1に開示された熱型赤外線イメージセンサでは、フィルタの後段に増幅器やサンプルホールド回路を含む信号読み出し回路を設ける必要があり、S/N比が低下してしまう。
However, in the thermal infrared image sensor disclosed in
また、上記特許文献2に開示されたS/N比を向上させるための構成では、増幅器とノイズ除去用フィルタとを設ける必要があり、コスト増につながるという問題が生じる。
Moreover, in the configuration for improving the S / N ratio disclosed in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストでS/N比を向上させることが可能な信号読み出し回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object thereof is to provide a signal readout circuit capable of improving the S / N ratio at low cost.
請求項1の発明は、赤外線の吸収による温度変化に応じたアナログ量の出力値を発生するサーモパイルの出力を増幅して読み出す信号読み出し回路であって、サーモパイルに直列に接続されサーモパイルの出力を読み出すか否かを選択する選択用スイッチング素子と、演算増幅器の反転入力端が第1のコンデンサを介して選択用スイッチング素子に直列接続されるとともに非反転入力端が仮想グラウンドと接続され且つ反転入力端と出力端との間に第2のコンデンサと第1のリセット用スイッチング素子との並列回路が接続され、選択用スイッチング素子と第1のコンデンサとの接続点と仮想グラウンドとの間に第2のリセット用スイッチング素子が接続されてなりサーモパイルの出力を増幅する積分器と、積分器の出力端と仮想グラウンドとの間にサンプリング用スイッチング素子を介して接続されたホールド用コンデンサと、各スイッチング素子をオンオフ制御する制御手段とを備え、演算増幅器のトランスコンダクタンスがサンプリング時間を満足できるトランスコンダクタンスの最小値に設定されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、増幅器として機能する積分器は、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの容量比によってゲインが決まるので、ゲインの精度を高めることができ、演算増幅器のトランスコンダクタンスがサンプリング時間を満足できるトランスコンダクタンスの最小値に設定されているので、サーモパイルの微小な出力を増幅しながらもサーモパイルを雑音源とする熱雑音に起因した雑音を低減することができ、低コストでS/N比を向上させることが可能となる。 According to the present invention, the integrator that functions as an amplifier has a gain determined by the capacitance ratio of the first capacitor and the second capacitor, so that the accuracy of the gain can be increased, and the transconductance of the operational amplifier is determined by the sampling time. Is set to the minimum value of transconductance that satisfies the above condition, it is possible to reduce noise caused by thermal noise using the thermopile as a noise source while amplifying the minute output of the thermopile, and at low cost, the S / N The ratio can be improved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記各スイッチング素子は、MOSトランジスタからなり、前記制御手段は、前記選択用スイッチング素子、前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子および前記サンプリング用スイッチング素子それぞれをオンとして前記第1のコンデンサ、前記第2のコンデンサおよび前記ホールド用コンデンサそれぞれの残留電荷を放電させるリセットモードと、前記第1のリセット用スイッチング素子および前記第2のリセット用スイッチング素子をオフとして前記ホールド用コンデンサに電荷を蓄積させるサンプリングモードと、前記サンプリング用スイッチング素子をオフとして前記ホールド用コンデンサの電圧を読み出し可能とする読み出しモードとを有し、リセットモードからサンプリングモードへ移行するにあたって前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子をオフさせる際、前記第1のリセット用スイッチング素子の制御電圧を連続的に低下させてオフさせた後に前記第2のリセット用スイッチング素子をオフさせることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, each of the switching elements comprises a MOS transistor, and the control means includes the selection switching element, the first reset switching element, and the second reset element. A reset mode in which each of the switching element for sampling and the switching element for sampling is turned on to discharge residual charges of the first capacitor, the second capacitor, and the holding capacitor, and the first switching element for reset and the A sampling mode in which charge is accumulated in the holding capacitor by turning off the second reset switching element; and a reading mode in which the voltage of the holding capacitor can be read by turning off the sampling switching element. When the first reset switching element and the second reset switching element are turned off when shifting from the reset mode to the sampling mode, the control voltage of the first reset switching element is continuously lowered to turn off. The second reset switching element is turned off after being turned on.
この発明によれば、前記制御手段が、リセットモードからサンプリングモードへ移行するにあたって前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子をオフさせる際、前記第1のリセット用スイッチング素子の制御電圧を連続的に低下させてオフさせた後に前記第2のリセット用スイッチング素子をオフさせるので、前記第1のリセット用スイッチング素子を構成するMOSトランジスタのチャネルから前記積分器へ注入される電荷を低減でき、リセット雑音を低減できる。 According to this invention, when the control means turns off the first reset switching element and the second reset switching element when shifting from the reset mode to the sampling mode, the first reset switching element. Since the second reset switching element is turned off after the control voltage of the first reset switching element is turned off by continuously reducing the control voltage, the voltage is injected into the integrator from the channel of the MOS transistor constituting the first reset switching element. Charge can be reduced and reset noise can be reduced.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記積分器の出力端と前記仮想グラウンドとの間にオフセットサンプリング用スイッチング素子を介して接続されたオフセットホールド用コンデンサを備え、前記制御手段は、前記選択用スイッチング素子、前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子、前記サンプリング用スイッチング素子およびオフセットサンプリング用スイッチング素子それぞれをオンとして前記第1のコンデンサ、前記第2のコンデンサ、前記ホールド用コンデンサおよびオフセットホールド用コンデンサそれぞれの残留電荷を放電させるリセットモードと、前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子およびオフセットサンプリング用スイッチング素子をオフとして前記ホールド用コンデンサに電荷を蓄積させるサンプリングモードと、前記サンプリング用スイッチング素子をオフとして前記ホールド用コンデンサの電圧を読み出し可能とする読み出しモードとを有し、リセットモードでは、前記選択用スイッチング素子、前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子、前記サンプリング用スイッチング素子およびオフセットサンプリング用スイッチング素子をオンとしたリセット期間と、リセット期間の次に前記第1のリセット用スイッチング素子をオフとしてオフセットホールド用コンデンサおよび前記ホールド用コンデンサに電荷を蓄積させるオフセット蓄積期間と、オフセット蓄積期間の次にオフセットサンプリング用スイッチング素子をオフとしてオフセットホールド用コンデンサの電圧を読み出し可能とするオフセット読み出し期間とが設けられていることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記積分器の出力端と前記仮想グラウンドとの間にオフセットサンプリング用スイッチング素子を介して接続されたオフセットホールド用コンデンサを備え、前記制御手段のリセットモードでは、前記選択用スイッチング素子、前記第1のリセット用スイッチング素子、前記第2のリセット用スイッチング素子、前記サンプリング用スイッチング素子およびオフセットサンプリング用スイッチング素子をオンとしたリセット期間と、リセット期間の次に前記第1のリセット用スイッチング素子をオフとしてオフセットホールド用コンデンサおよび前記ホールド用コンデンサに電荷を蓄積させるオフセット蓄積期間と、オフセット蓄積期間の次にオフセットサンプリング用スイッチング素子をオフとしてオフセットホールド用コンデンサの電圧を読み出し可能とするオフセット読み出し期間とが設けられているので、読み出しモードにより読み出した前記ホールド用コンデンサの電圧とオフセット読み出し期間に読み出したオフセットホールド用コンデンサの電圧との差分をとることによりオフセットの影響をキャンセルすることができ、固定パターン雑音を低減できる。 According to the present invention, the offset holding capacitor is connected between the output terminal of the integrator and the virtual ground via an offset sampling switching element. In the reset mode of the control means, the selection switching is performed. A reset period in which an element, the first reset switching element, the second reset switching element, the sampling switching element, and the offset sampling switching element are turned on, and the reset period is followed by the first reset An offset hold capacitor with the switching element turned off and an offset accumulation period for accumulating charges in the hold capacitor, and an offset hold with the switching element for offset sampling turned off after the offset accumulation period Since there is an offset readout period in which the capacitor voltage can be read out, by taking the difference between the voltage of the hold capacitor read out in the readout mode and the voltage of the offset hold capacitor read out in the offset readout period The influence of offset can be canceled and fixed pattern noise can be reduced.
請求項1の発明は、サーモパイルの微小な出力を増幅しながらもサーモパイルを雑音源とする熱雑音に起因した雑音を低減することができ、低コストでS/N比を向上させることが可能となるという効果がある。
The invention of
(実施形態1)
本実施形態では、赤外線の吸収による温度変化に応じたアナログ量の出力値を発生するサーモパイルの出力を増幅して読み出す信号読み出し回路を備えた熱型赤外線イメージセンサを例示する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a thermal infrared image sensor including a signal readout circuit that amplifies and reads the output of a thermopile that generates an output value of an analog amount corresponding to a temperature change due to infrared absorption is exemplified.
熱型赤外線イメージセンサは、図6に示すように、各画素のサーモパイル1が2次元アレイ状(マトリクス状)に配列されたサーモパイルアレイAと、各列の複数個のサーモパイル1がMOSトランジスタからなる選択用スイッチング素子QSを介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線2と、各行のサーモパイル1に対応する選択用スイッチング素子QSが各行ごとに共通接続された複数の水平信号線3と、各垂直信号線2ごとに設けられサーモパイル1の出力を増幅する複数の積分器4と、各積分器4の後段側に設けられたサンプルホールド(S/H)回路5と、各水平信号線3に接続されたn個ずつの選択用スイッチング素子QSをオンオフ制御する水平走査回路6と、サンプルホールド回路5の出力を択一的にA/Dコンバータに入力するマルチプレクサ7とを備えており、全てのサーモパイル1の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。ここにおいて、サーモパイル1は、等価回路として、熱起電力に対応する電圧源Vsと抵抗Rpとの直列回路で表してある。なお、上述の熱型赤外線イメージセンサは、1枚の半導体基板(例えば、シリコン基板)にm×n個(例えば、128×128個)のサーモパイル1が形成されている。
As shown in FIG. 6, the thermal infrared image sensor includes a thermopile array A in which the
上述の熱型赤外線イメージセンサにおいて、1つの画素に着目すれば、信号読み出し回路は、図1に示すような回路構成を備えている。 In the above thermal infrared image sensor, if attention is paid to one pixel, the signal readout circuit has a circuit configuration as shown in FIG.
図1に示した構成は、サーモパイル1に直列に接続されサーモパイル1の出力を読み出すか否かを選択する上述の選択用スイッチング素子QSと、上述の積分器4と、積分器4の後段側に設けられた上述のサンプルホールド回路5とを備えている。
Configuration shown in Figure 1, the selecting switching element Q S described above for selecting whether reading the output of the
ここで、積分器4は、演算増幅器OPの反転入力端が第1のコンデンサC1を介して選択用スイッチング素子QSに直列接続されるとともに非反転入力端が仮想グラウンドと接続され、演算増幅器OPの反転入力端と出力端との間に第2のコンデンサC2が接続され、第2のコンデンサC2に第1のリセット用スイッチング素子QRが並列接続され、選択用スイッチング素子QSと第1のコンデンサC1との接続点と仮想グラウンドとの間に第2のリセット用スイッチング素子QR1が接続されている。ここにおいて、積分器4は、スイッチトキャパシタ積分器を構成しており、第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2との容量比(C1/C2)によりゲインが決まるので、製造ばらつきや温度による変動の影響を抑制でき、ゲインの精度を高めることができる。
Here, the
また、サンプルホールド回路5は、積分器4の出力端と仮想グラウンドとの間に接続されたサンプリング用スイッチング素子QSSとホールド用コンデンサCLSとの直列回路により構成されており、サンプリング用スイッチング素子QSSがオフのときにホールド用コンデンサCLSの両端電圧を読み出し可能となる。
The
また、本実施形態の信号読み出し回路は、各スイッチング素子QS,QR,QSS,QR1をオンオフ制御する制御回路からなる制御手段(図示せず)を備えており、上述の水平走査回路6による選択用スイッチング素子QSのオンオフのタイミングは、上記制御手段から指示される。また、上述のA/Dコンバータでは、上記制御手段で制御された読み出しタイミングに同期して各サーモパイル1の出力を順にデジタル値に変換する。ここで、各スイッチング素子QS,QR,QSS,QR1は、MOSトランジスタにより構成され、積分器4の各コンデンサC1,C2はMIMコンデンサにより構成され、サンプルホールド回路5のホールド用コンデンサCLSはMOSコンデンサにより構成されている。
The signal read circuit of this embodiment, the switching elements Q S, Q R, Q SS , the control means comprising a control circuit for turning on and off the Q R1 comprises a (not shown), the above-mentioned horizontal scanning circuit on-off timing of the selection switching element Q S by 6 is instructed from the control unit. In the A / D converter described above, the output of each
以下、信号読み出し回路の動作例について図2に基づいて説明する。 Hereinafter, an operation example of the signal readout circuit will be described with reference to FIG.
図2において、(a)は上記制御手段から選択用スイッチング素子QSに与えられる制御信号(制御電圧)φsを、(b)は上記制御手段から第2のリセット用スイッチング素子QR1に与えられる制御信号(制御電圧)φR1を、(c)は上記制御手段から第1のリセット用スイッチング素子QRへ与えられる制御信号(制御電圧)φRを、(d)は上記制御手段からサンプリング用スイッチング素子QSSへ与えられる制御信号(制御電圧)φSSを、(e)はホールド用コンデンサCLSの両端電圧Voutを、それぞれ示している。 2, given (a) is a control signal (control voltage) .phi.s applied to the selected switching element Q S from the control unit, (b) the second reset switching element Q R1 from the control means a control signal (control voltage) φ R1, (c) the first reset control signal applied to the switching element Q R (control voltage) phi R from the control unit, (d) the sampling from the control means A control signal (control voltage) φ SS applied to the switching element Q SS is shown, and (e) shows a voltage Vout across the holding capacitor C LS .
上記制御手段は、選択用スイッチング素子QS、第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1およびサンプリング用スイッチング素子QSSそれぞれをオンとして第1のコンデンサC1、第2のコンデンサC2およびホールド用コンデンサCLSそれぞれの残留電荷を放電させるリセットモードと、第1のリセット用スイッチング素子QRおよび第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフとしてホールド用コンデンサCLSに電荷を蓄積させるサンプリングモードと、サンプリング用スイッチング素子QSSをオフとしてホールド用コンデンサCLSの電圧を読み出し可能とする読み出しモードとを有し、リセットモードからサンプリングモードへ移行するにあたって第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフさせる際、第1のリセット用スイッチング素子QRの制御電圧φRを連続的に低下させてオフさせた後に第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフさせる。 Said control means selectively switching element Q S, for the first reset switching element Q R, the first capacitor C 1 of each second reset switching element Q R1 and sampling switching element Q SS as on, the a reset mode to discharge capacitor C 2 and a hold capacitor C LS respective residual charge, the hold capacitor C LS a first reset switching element Q R and the second reset switching element Q R1 as an off has a sampling mode for accumulating an electric charge, and a read mode to enable reading the voltage of the hold capacitor C LS sampling switching element Q SS as an off, first reset when the transition from the reset mode to the sampling mode The switching element Q R, when to turn off the second reset switching element Q R1, the second reset switching after continuously off by reducing the control voltage phi R of the first reset switching element Q R The element QR1 is turned off.
したがって、リセットモードでは、第1のコンデンサC1、第2のコンデンサC2およびホールド用コンデンサCLSそれぞれの残留電荷が放電されるので、ホールド用コンデンサCLSの両端電圧Voutが低下し、サンプリングモードでは、サーモパイル1の出力が積分器4で増幅されてホールド用コンデンサCLSに蓄積されるので、ホールド用コンデンサCLSの両端電圧Voutが徐々に増加し、読み出しモードでは、サンプリング用スイッチング素子QSSがオフとなるので、ホールド用コンデンサCLSの両端電圧Voutを読み出すことができる。ここにおいて、本実施形態では、上記制御手段が、リセットモードからサンプリングモードへ移行するにあたって第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフさせる際、図2(c)に示すように第1のリセット用スイッチング素子QRの制御電圧φRを連続的に低下させてオフさせた後に図2(b)に示すように第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフさせるので、第1のリセット用スイッチング素子QRを構成するMOSトランジスタが弱反転状態になるまではソース・ドレイン間が導通状態にあるから、当該MOSトランジスタのチャネルから積分器4へ注入される電荷を低減でき、リセット雑音を低減でき、S/N比を向上できる。
Therefore, in the reset mode, the residual charges of the first capacitor C 1 , the second capacitor C 2 and the hold capacitor C LS are discharged, so that the voltage Vout across the hold capacitor C LS is lowered, and the sampling mode so the output of the
ところで、サーモパイル1の熱起電力を大きくするためには、熱抵抗を大きくする必要があるが、熱抵抗を大きくすると電気抵抗が大きくなり、熱雑音が増大する。
By the way, in order to increase the thermoelectromotive force of the
ここにおいて、本実施形態の信号読み出し回路に関して、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音をVni1、演算増幅器OPを雑音源とする雑音成分の入力換算雑音をVni2、リセットモードでの第1のリセット用スイッチング素子QRおよび第2のリセット用スイッチング素子QR1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音をVni3、全入力換算雑音をVniとすると、全入力換算雑音Vniは、下記数2で表される。
Here, regarding the signal readout circuit of the present embodiment, the input equivalent noise of the noise component using the
ここで、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1は、図3に示す等価回路、つまり、サンプリングモードでの等価回路に基づいて求められる。図3に示す等価回路では、サーモパイル1の抵抗をRp、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の熱雑音電圧をVni、演算増幅器OPのトランスコンダクタンスをgm、積分器4のゲインをG、ホールド用コンデンサCLSの両端電圧Voとすると、伝達関数H(s)は、下記数3で表される。
Here, the input equivalent noise V ni1 of the noise component using the
ここで、上述の数3を整理すると、下記数4のようになる。
Here, when the
ここで、G≫1であると仮定すると、p1が支配的な極(ドミナントポール)であり、零点およびp2はp1の周波数に比べてはるかに高いと考えられる。さらに、G=C1/C2であるから、数4におけるZ,p1,p2は、下記数5の通りとなる。
Here, assuming that G >> 1 , p 1 is the dominant pole (dominant pole), and the zero and p 2 are considered to be much higher than the frequency of p 1 . Furthermore, since G = C 1 / C 2 , Z, p 1 , and p 2 in
このとき、角周波数をω、角周波数ωに対する伝達関数をH(jω)とすると、下記数6のような1次のシステムとみなすことができる。
At this time, if the angular frequency is ω and the transfer function with respect to the angular frequency ω is H (jω), it can be regarded as a first-order system as shown in
ここにおいて、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の出力換算雑音Vno1は下記数7で表される。
Here, the output conversion noise V no1 of the noise component using the
ここで、数7に数5のp1を代入すれば、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の出力換算雑音Vno1は、下記数8のようになる。
Here, if p 1 of
数8において、GCLS≫C1(1+Rpgm)であれば、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の出力換算雑音Vno1は、下記数9のようになる。
In Equation 8, if GC LS »C 1 (1 + R p g m), the output referred noise V no1 noise components that the
したがって、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1は、下記数10のようになる。
Therefore, the input equivalent noise V ni1 of the noise component using the
また、演算増幅器OPを雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni2については、演算増幅器OPの過剰雑音係数をξとし、GCLS≫(1+Rpgm)であれば、演算増幅器OPを雑音源とする雑音成分の出力換算雑音Vno2が下記数11で表されるので、下記数12で表される。 Furthermore, the input conversion noise V ni2 of noise components an operational amplifier OP and the noise source, the excess noise factor of the operational amplifier OP and xi], if GC LS »(1 + R p g m), the noise of the operational amplifier OP Since the output conversion noise V no2 of the noise component as the source is expressed by the following formula 11, it is expressed by the following formula 12.
また、リセットモードで仮想グラウンドにサンプリングされる熱雑音の入力換算雑音Vni3については、第1のリセット用スイッチング素子QRと第2のリセット用スイッチング素子QR1を雑音源とし、仮想グラウンドの正味の熱雑音を計算する必要があるが、ここではG≫1として、雑音成分の出力換算雑音Vno3を考える。G≫1の場合、第1のコンデンサC1の容量が第2のコンデンサC2の容量に対して非常に大きいので、第1のコンデンサC1にサンプリングされる成分が支配的である。したがって、仮想グラウンドの正味の電荷をQnetとすると、電荷Qnetについては下記数13で表される。 Also, the equivalent input noise V Ni3 thermal noise sampled at a virtual ground in reset mode, the first reset switching element Q R and the second reset switching element Q R1 and noise sources, the virtual ground net In this case, it is assumed that G >> 1 and the output conversion noise V no3 of the noise component is considered. For G»1, since the first capacitance of the capacitor C 1 is very large relative to the second capacitance of the capacitor C 2, components which are sampled in the first capacitor C 1 is dominant. Therefore, when the net charge of the virtual ground is Q net , the charge Q net is expressed by the following equation (13).
この電荷Qnetは、第1のリセット用スイッチング素子QRをオンさせたとき、すべて第2のコンデンサC2に転送されて出力に現われるので、第1のリセット用スイッチング素子QRを雑音源とする雑音成分の出力換算雑音Vno3が下記数14で表されるので、第1のリセット用スイッチング素子QRを雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni3は下記数15で表される。 The charge Q net Non, when allowed to turn on the first reset switching element Q R, since all appearing at the output is transferred second to the capacitor C 2, the noise source first reset switching element Q R and since output-referred noise V no3 noise component is expressed by the following Expression 14, the input conversion noise V Ni3 of noise components of the first reset switching element Q R and the noise source is represented by the following Expression 15.
ところで、上述の数10から、演算増幅器OPのトランスコンダクタンスgmを小さくすることによって、周波数帯域幅を狭くすることができ、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1を低減できることが分かる。ここで、例えば、C1=10pF、C2=10fF、CLS=10pF、Rp=250kΩ、gm=4×10-6〔S〕とすれば、上記数9、数10から、Vno1≒640μVrms、Vni1≒0.64μVrmsとなる。また、数12から、演算増幅器OPを雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni2は、例えばξ=1とすれば、Vni2≒0.64μVrmsとなる。また、数15から、リセットモードにおける入力換算雑音Vni3は、Vni3≒20.34μVrmsとなり、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1および演算増幅器OPを雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni2に比べて十分大きくなる。そこで、リセットモードからサンプリングモードへ移行するにあたって第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフさせる際、図2(c)に示すように第1のリセット用スイッチング素子QRの制御電圧φRを連続的に低下させてオフさせた後に図2(b)に示すように第2のリセット用スイッチング素子QR1をオフさせることによって、第1のリセット用スイッチング素子QRを構成するMOSトランジスタが弱反転状態になるまではソース・ドレイン間を導通状態として、当該MOSトランジスタのチャネルから積分器4へ注入される電荷を低減し、リセット雑音を低減している。
By the way, from the above equation 10, by reducing the transconductance g m of the operational amplifier OP, the frequency bandwidth can be reduced, and the input equivalent noise V ni1 of the noise component using the
ここで、図4に、ホールド用コンデンサCLSの容量を種々変化させた場合のゲインGとサーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1との関係について、回路シミュレーションにより得られた結果と上述の数10に示した近似式により得られる値とを合わせて示す。また、図5に、Rp・gm(ただし、Rp=250kΩ)を変化させた場合のゲインGとサーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1との関係について、回路シミュレーションにより得られた結果と上述の数10に示した近似式により得られる値とを合わせて示す。
Here, in FIG. 4, the relationship between the gain G when the capacitance of the holding capacitor C LS is variously changed and the input conversion noise V ni1 of the noise component using the
図4,5から、ゲインGが大きい領域(G>20の領域)では回路シミュレーションにより得られた結果と数10の近似式により得られる値とが良く一致していることが分かり、図5からも、演算増幅器OPのトランスコンダクタンスgmを小さくすることによって、サーモパイル1を雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni1を低減できることが分かる。
4 and 5, it can be seen that in the region where the gain G is large (region where G> 20), the result obtained by the circuit simulation agrees well with the value obtained by the approximate expression of
次に、本実施形態の信号読み出し回路について、サンプリングモードでの応答速度について説明する。 Next, the response speed in the sampling mode of the signal readout circuit of this embodiment will be described.
ステップ応答として考えることができるから、積分器4への入力電圧をVi0とすれば、ホールド用コンデンサCLSの両端電圧VO(s),vO(t)は、それぞれ下記数16,数17で表すことができる。
Since it can be considered as a step response, if the input voltage to the
また、時定数τは、下記数18で表すことができる。 The time constant τ can be expressed by the following formula 18.
ここで、数18から、演算増幅器OPのトランスコンダクタンスgmを小さくすると時定数τが大きくなり、応答速度が遅くなることが分かる。 Here, it can be seen from Equation 18 that when the transconductance g m of the operational amplifier OP is decreased, the time constant τ increases and the response speed decreases.
そこで、本実施形態の信号読み出し回路では、演算増幅器OPのトランスコンダクタンスgmが所定の読み出しレートに応じて規定されるサンプリングモードの時間であるサンプリング時間を満足できるトランスコンダクタンスgmの最小値に設定してある。ここで、サンプリング時間を満足できるとは、応答時間tr=3τがサンプリング時間未満であることを意味している。なお、CLS=10pF、G=1000、Rp=250kΩ、Rpgm=1とすれば、tr=7.5msとなる。 Therefore, the signal read circuit of this embodiment, set to a minimum value of transconductance g m of the transconductance g m of the operational amplifier OP is satisfactory sampling time which is the time defined by the sampling mode in response to a predetermined reading rate It is. Here, satisfying the sampling time means that the response time t r = 3τ is less than the sampling time. Incidentally, C LS = 10pF, G = 1000, R p = 250kΩ, if R p g m = 1, a t r = 7.5 ms.
以上説明した本実施形態の信号読み出し回路では、増幅器として機能する積分器4のゲインGが第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2との容量比によって決まるので、ゲインの精度を高めることができ、演算増幅器OPのトランスコンダクタンスgmがサンプリング時間を満足できるトランスコンダクタンスgmの最小値に設定されているので、サーモパイル1の微小な出力を増幅しながらもサーモパイル1を雑音源とする雑音成分の熱雑音に起因した雑音を低減することができ、低コストでS/N比を向上させることが可能となる。
In the above signal read circuit of the present embodiment described, since the gain G of the
(実施形態2)
本実施形態の信号読み出し回路の基本構成は実施形態1と略同じであって、図7に示すように、サンプルホールド回路5が、積分器4の出力端と仮想グラウンドとの間にオフセットサンプリング用スイッチング素子QSRを介して接続されたオフセットホールド用コンデンサCLRを備えている点などが相違する。ここにおいて、オフセットサンプリング用スイッチング素子QSRは、サンプリング用スイッチング素子QSSと同じ仕様のMOSトランジスタにより構成されており、実施形態1にて説明した上記制御手段によりオンオフ制御される。また、オフセットホールド用コンデンサCLRは、ホールド用コンデンサCLSと同じ仕様のMOSコンデンサにより構成されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the signal readout circuit of this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 7, the
以下、信号読み出し回路の動作例について図8に基づいて説明する。 Hereinafter, an operation example of the signal readout circuit will be described with reference to FIG.
図8において、(a)は上記制御手段から選択用スイッチング素子QSに与えられる制御信号(制御電圧)φSを、(b)は上記制御手段から第2のリセット用スイッチング素子QR1に与えられる制御信号(制御電圧)φR1を、(c)は上記制御手段から第1のリセット用スイッチング素子QRへ与えられる制御信号(制御電圧)φRを、(d)は上記制御手段からサンプリング用スイッチング素子QSRへ与えられる制御信号(制御電圧)φSRを、(e)は上記制御手段からサンプリング用スイッチング素子QSSへ与えられる制御信号(制御電圧)φSSを、(f)はホールド用コンデンサCLSの両端電圧Voutを、それぞれ示している。 8, given (a) is a control signal (control voltage) phi S applied to the selected switching element Q S from the control unit, (b) the second reset switching element Q R1 from the control means a control signal (control voltage) phi R1 which is, (c) is the first reset control signal applied to the switching element Q R (control voltage) phi R from the control unit, (d) is sampled from the control means the use switching element Q control signal applied to the SR (control voltage) phi SR, (e) a control signal (control voltage) supplied from the control means to the sampling switching element Q SS phi SS, (f) the hold the voltage across Vout of use capacitor C LS, respectively show.
上記制御手段は、選択用スイッチング素子QS、第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1、サンプリング用スイッチング素子QSSおよびオフセットサンプリング用スイッチング素子QSRそれぞれをオンとして第1のコンデンサC1、第2のコンデンサC2、ホールド用コンデンサCLSおよびオフセットホールド用コンデンサCLRそれぞれの残留電荷を放電させるリセットモードと、第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1およびオフセットサンプリング用スイッチング素子QSRをオフとしてホールド用コンデンサCLSに電荷を蓄積させるサンプリングモードと、サンプリング用スイッチング素子QSSをオフとしてホールド用コンデンサCLSの電圧を読み出し可能とする読み出しモードとを有している。 The control means turns on the selection switching element Q S , the first reset switching element Q R , the second reset switching element Q R1 , the sampling switching element Q SS and the offset sampling switching element Q SR. A reset mode for discharging residual charges of the first capacitor C 1 , the second capacitor C 2 , the hold capacitor C LS and the offset hold capacitor C LR ; the first reset switching element Q R ; hold the sampling mode for accumulating charges in the hold capacitor C LS a reset switching element Q R1 and offset sampling switching element Q SR as an off, the sampling switching element Q SS as an off And a read mode to enable reading the voltage of the capacitor C LS.
ここにおいて、リセットモードでは、選択用スイッチング素子QS、第1のリセット用スイッチング素子QR、第2のリセット用スイッチング素子QR1、サンプリング用スイッチング素子QSSおよびオフセットサンプリング用スイッチング素子QSRをオンとしたリセット期間T1と、リセット期間T1の次に第1のリセット用スイッチング素子QRをオフとしてオフセットホールド用コンデンサCLRおよびホールド用コンデンサCLSに電荷を蓄積させるオフセット蓄積期間T2と、オフセット蓄積期間T2の次にオフセットサンプリング用スイッチング素子QSRをオフとしてオフセットホールド用コンデンサCLRの電圧を読み出し可能とするオフセット読み出し期間T3とが設けられている。 Here, in the reset mode, the selection switching element Q S , the first reset switching element Q R , the second reset switching element Q R1 , the sampling switching element Q SS and the offset sampling switching element Q SR are turned on. and a reset period T1 has an offset accumulation period T2 to accumulate next first reset switching element Q R charges to offset the hold capacitor C LR and a hold capacitor C LS as an off-reset period T1, the offset storage After the period T2, an offset reading period T3 is provided in which the offset sampling switching element QSR is turned off and the voltage of the offset hold capacitor CLR can be read.
しかして、本実施形態の信号読み出し回路では、読み出しモードにより読み出したホールド用コンデンサCLSの電圧とオフセット読み出し期間T2に読み出したオフセットホールド用コンデンサCLRの電圧との差分をとることにより、リセットモードにおける雑音成分は固定電荷として振舞うため、オフセットの影響をキャンセルすることができ、固定パターン雑音を低減でき、S/N比を向上させることができる。 Therefore, in the signal readout circuit of the present embodiment, the difference between the voltage of the hold capacitor C LS read out in the read mode and the voltage of the offset hold capacitor C LR read out during the offset readout period T2 is obtained, thereby resetting the reset mode. Since the noise component in FIG. 6 behaves as a fixed charge, the influence of offset can be canceled, fixed pattern noise can be reduced, and the S / N ratio can be improved.
この場合の読み出しモードにおける雑音については、サンプルホールド回路5におけるオフセットホールド用コンデンサCLRに、演算増幅器OPや第2のリセット用スイッチング素子QR1による雑音成分がサンプリングされる。それらの雑音成分は演算増幅器OPを雑音源とする雑音成分の入力換算雑音Vni4と、第2のリセット用スイッチング素子QR1のオン抵抗Rsによる入力換算雑音Vni5とがあり、それぞれ下記数19、数20で表される。
Regarding the noise in the read mode in this case, the noise component by the operational amplifier OP and the second reset switching element QR1 is sampled in the offset hold capacitor CLR in the
ここで、例えば、CLS=10pF、Rs=10kΩ、ξ=1、gm=4×10-6〔S〕とすれば、上記数19、数20から、Vni4≒0.64μVrms、Vni5≒0.13μVrmsとなる。このときの全入力換算雑音Vniは下記数21で表される。 Here, for example, if C LS = 10 pF, R s = 10 kΩ, ξ = 1, g m = 4 × 10 −6 [S], V ni4 ≈0.64 μV rms, V ni5≈0.13 μVrms. The total input conversion noise V ni at this time is expressed by the following equation (21).
したがって、Vni≒1.12μVrmsとなり、オフセットのキャンセル効果を得られる。 Therefore, V ni ≈1.12 μV rms, and an offset canceling effect can be obtained.
1 サーモパイル
4 積分器
5 サンプルホールド回路
Rp 抵抗
Vs 電圧源
QS 選択用スイッチング素子
OP 演算増幅器
C1 第1のコンデンサ
C2 第2のコンデンサ
QR 第1のリセット用スイッチング素子
QR1 第2のリセット用スイッチング素子
QSS サンプリング用スイッチング素子
QSR オフセットサンプリング用スイッチング素子
CLS ホールド用コンデンサ
CLR オフセットホールド用コンデンサ
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