JPH07162760A - 固体撮像素子の信号処理回路 - Google Patents

固体撮像素子の信号処理回路

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JPH07162760A
JPH07162760A JP5308243A JP30824393A JPH07162760A JP H07162760 A JPH07162760 A JP H07162760A JP 5308243 A JP5308243 A JP 5308243A JP 30824393 A JP30824393 A JP 30824393A JP H07162760 A JPH07162760 A JP H07162760A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】固体撮像素子の出力信号には、リセット雑音が
含まれる。このリセット雑音を抑圧低減することを目的
とする。 【構成】固体撮像素子の出力回路で、電荷検出回路、反
転増幅回路、クランプ回路、第２の反転増幅回路により
構成される。この回路の第２の反転増幅回路の能動ＭＯ
Ｓトランジスタのスレシホールド電圧と、この能動トラ
ンジスタへの入力信号の黒基準とを同一電圧とすること
で、固体撮像素子の信号に含まれるリセット雑音を抑圧
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子の処理回路
に関し、特に出力信号のノイズを抑圧する信号処理回路
に関する。
【０００２】
【従来の技術】まず、リセット雑音の発生原理について
説明する。リセット雑音は固体撮像素子、特にＣＣＤ型
固体撮像素子の電荷検出に広く用いられている。フロー
ティングディフユージョン型（以下ＦＤ型）電荷検出素
子やＲｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｇａｔｅ（ＲＪＧ）
型電荷検出器を用いた場合に発生する雑音である。
【０００３】ここで雑音発生のメカニズムを説明するた
め、ＦＤ型電荷検出素子の動作について説明する。
【０００４】ＦＤ型電荷検出素子は、拡散層上のコンデ
ンサと、そのコンデンサをあらかじめ電源電圧等の一定
電圧にリセットするリセットトランジスタで構成されて
いる。
【０００５】コンデンサはリセットを行った後、フロー
ティング状態になっている。この状態で電荷転送素子か
ら転送された信号電荷をコンデンサに注入するとコデン
サの電位はリセットされた時の電位から信号電荷量に比
例して変化する。信号電荷が電子の場合、信号量はリセ
ット後のフローティング状態を黒の基準として、電圧が
下がる程、電荷量は多いといえる。この電位変化が出力
信号として検出される。
【０００６】図８はＦＤ型電荷検出素子で発生するリセ
ット雑音の発生メカニズムを説明するための図である。
【０００７】図中のＴ１のタイミングでリセットトラン
ジスタは導通状態である。この時、出力線には電源電圧
とほぼ同じ電圧が発生されている。次にＴ２の時点でリ
セットトランジスタを導通状態からＯＦＦ状態に変化さ
せる。この際、トランジスタのゲート下に溜まっていた
電荷はリセットドレイン方向と検出容量方向に分配され
る。電荷検出容量側へ戻った電荷は検出容量の電位をリ
セットドレイン電圧より低い電圧に変化させる。以上の
理由からリセット雑音は発生する。
【０００８】リセット雑音の大きさは、周囲温度Ｔ、電
荷検出コンデンサの容量、ゲート容量により決まる。詳
しくは、ＩＥＤＭ−ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＥＬ
ＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＭＥＥＮＴＩＮＧ，Ｄｅ
ｃ．１−４，１９８５，Ｐ．４５２−４５５に発表され
ている。
【０００９】このリセット雑音は５００ｍＶ程度あり、
電圧アンプ内蔵型のＣＣＤイメージセンサでは出力信号
よりも大きい。また、リセット雑音の振幅は出力信号に
依存しないため、リセット雑音が出力信号に重畳してい
ると、リセット雑音が信号処理回路のダイナミックレン
ジを制限してしまい、十分な信号振幅を得ることが難し
い。特に、信号電圧が小さい場合、電圧アンプのゲイン
を高くした場合に問題となる。
【００１０】そこで従来は図９に示すように、電荷検出
部、電荷検出部で検出した信号に重畳しているリセット
雑音と同一の信号を発生する回路を設け、差動増幅回路
で各々の差をとることでリセット雑音をキャンセルして
いる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来の方法では電荷検
出部の他に電荷検出部で発生するリセット雑音と同じ波
形を発生するための回路を設ける必要があり、回路の占
有する面積が大きく、高密度のパターン設計には適して
いない。また、差動増幅により、リセット雑音を効率よ
く抑圧するためには、キャンセル回路をバランス良く配
置配線する必要があり小型化に適していない。
【００１２】さらに、差動増幅回路は複雑であるため、
回路設計が難しい。といった問題がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ため、本発明では、電荷検出回路、反転増幅回路、低電
圧源とスイッチ素子よりなるクランプ回路、およびドレ
インを出力とし、かつ抵抗または定電流源を解して電源
に接続し、かつソース端子を接地し、かつゲートを入力
とするＭＯＳトランジスタよりなる第２の反転増幅回
路、で構成された固体撮像素子の信号処理回路におい
て、前記クランプ回路の定電圧源の電圧を前記第２の反
転増幅回路の構成要素であるＭＯＳトランジスタのスレ
シホールド電圧と同一または同一より高く、かつ前記第
２の反転増幅回路の動作可能電圧の中間電圧より低くし
ている。
【００１４】また、電荷検出回路、反転増幅回路、ソー
スフォロワ回路および前記第２の反転増幅回路の出力
と、前記ソースフォロワの入力端子間にスイッチ素子を
設け、これによりフィードバック型クランプ回路を構成
する固体撮像素子の信号処理回路において、前記クラン
プ回路の動作電圧を前記第２の反転増幅回路の構成要素
であるＭＯＳトランジスタのスレシホールド電圧と同一
または同一より高く、かつ前記第２の反転増幅回路の動
作可能電圧の中間電圧より低くしている。
【００１５】
【実施例】以下、実施例につき図面を用いて説明する。
【００１６】図１は本発明の第１の実施例の回路図であ
る。この回路は電荷検出回路９、クランプ回路１０、２
つの反転増幅回路１４，１５、ソースフォロワ１１から
構成されている。
【００１７】つぎに、図を用いて各部の動作について詳
しく説明する。図１において、電荷検出回路９（ＦＤ型
電荷検出器）から出力された信号は反転増幅回路１４を
経て、クランプ回路１０に入る。クランプ回路でオフセ
ット電圧を変換したのち、第２の反転増幅回路１５に入
力される。第２の反転増幅回路でリセット雑音を抑圧し
た後、ソースフォロワ１３で電流増幅して出力する。図
２のＡ〜Ｄは図１中に示したＡ〜Ｄの各部の信号波形を
示している。図１の回路にはリセットパルス、クランプ
パルスを加える。リセットパルスがハイレベル状態でリ
セットトランジスタは’ＯＮ’となり、クランプトラン
ジスタも同様にハイレベルで’ＯＮ’となる。
【００１８】クランプをする場所は黒レベルの基準とな
る部分で行う。黒レベルより高い電圧の部分はリセット
雑音であり、本来不要な部分である。
【００１９】次に第２の反転増幅回路でリセット雑音が
抑圧できることについて、図３を用いて説明する。図３
に示した回路は第２の反転増幅回路の回路図である。こ
こで、トランジスタＴｒ１、３１、Ｔｒ２、３２はＮチ
ャネルのＭＯＳ型ＦＥＴである。ここに示したグラフは
反転増幅回路の入出力電圧特性図である。この回路では
Ｔｒ１は負荷抵抗として動作している。
【００２０】この反転増幅回路はＴｒ２のゲート電圧を
０ボルトから徐々に昇圧して、Ｔｒ２のスレシホールド
電圧Ｖｔ２より高くすると、Ｔｒ２のｇｍ２（ゲート電
圧に対する相互コンダクタンス）とＴｒ１のｇｄｓ１
（ドレイン電圧に対するコンダクタンス）、Ｔｒ２のｇ
ｄｓ２の和の比によって決まる電圧ゲインＡを持つ。
【００２１】
【００２２】３３はＣＣＤのアンプとして動作した際の
入力信号波形であり、３４は出力信号波形である。
【００２３】この回路では入力信号の黒基準電圧を反転
増幅器の入力トランジスタ３２のスレシホールド電圧Ｖ
ｔ２と同じにして、黒基準電圧より低い電圧の信号（リ
セット雑音）が入力しても、Ｔｒ２が遮断領域での動作
となり、ＯＦＦ状態となることを利用してリセット雑音
を抑圧している。
【００２４】第１の実施例ではクランプ電圧をＴｒ２の
スレシホールド電圧と同じにすることで入力電圧を決定
している。
【００２５】リセット雑音を抑圧するためにはこのクラ
ンプ電圧をスレシホールド電圧より高く、かつ反転増幅
器の動作範囲のおおむね中間電圧より低ければよい。
【００２６】図４は本発明第２の実施例である。図１の
回路と異なる点はクランプ回路にフィードバック型のク
ランプ回路を使用している点である。また、動作点（ク
ランプされる電圧）の決定方法が第１の実施例と異なっ
ている。
【００２７】フィードバック型のクランプ回路の動作点
（クランプ電圧）は図５の特性図に示したように入力信
号と出力信号が同一の電圧になる点である。この点はグ
ラフ中では傾き４５度の直線上にあることは容易に理解
できる。
【００２８】リセット雑音を抑圧する場合、この動作点
を実施例１と同じようにＴｒ４がＯｎになる電圧に設定
する必要がある。これは、この判定増幅器の特性がグラ
フ中のＹの曲線とすることである。
【００２９】グラフ中のＸの曲線はＴｒ３のゲート電圧
を電源電圧にした場合の入出力電圧特性である。この曲
線をＹ曲線にするためにはＶ１を電源電圧よりも低くす
る事で達成できる。
【００３０】Ｔｒ３のゲート電圧を下げるとＴｒ３を流
れる電流が減少する。このため、反転増幅回路の出力電
圧は下がる。Ｖ１の電圧を下げることで動作点の設定が
可能であることがわかった。
【００３１】以上に示したような方法で回路の設計を行
う。
【００３２】図６は第２の実施例と類似した動作点の設
定例である。図６の回路では第２の反転増幅回路の負荷
トランジスタ５１のゲート電圧を下げる変わりに、フィ
ードバックループ内のソースフォロワの特性を変化させ
ることで動作点を決めている。Ｔｒ５のゲート電圧を変
えることによってソースフォロワを流れる電流の量が変
化する。それに伴い第２の反転増幅回路への入力電圧が
変化して動作点を図６のグラフに示したように変更する
ことができる。
【００３３】同サテンの決定方法は実施例２、実施例１
と同じである。
【００３４】本発明の本質は実施例１から実施例３に示
したとおり、反転増幅回路の入力電圧を図３に示した動
作点に変更している点にある。実施例１では動作点を変
更するためにクランプ回路のクランプ電圧の設定を行っ
ているが、クランプ回路によって動作点を変更する方法
以外にも本特許の応用は考えられることは実施例２，３
からも理解できよう。
【００３５】以上からも明らかなように、本特許の本質
はインバータアンプの動作点をどこに決定するかという
ことにあり、その方法は実施例記載の回路構成に限定さ
れないことは明かである。本特許と同一であるかどうか
の判断は、反転増幅アンプに入力されるリセット雑音が
反転増幅アンプの能動トランジスタの遮断領域（ＶＧ−
ＶＴ≦０）にあるかどうかにより判断できる。
【００３６】
【発明の効果】本発明を用いる事により、従来必要だっ
たリセット雑音と同等の信号を発生するための回路、差
動増幅器が必要なくなる。これらにより、リセット雑音
を抑圧するために必要な回路の占有面積が従来の２／３
程度に縮小する事ができる。
【００３７】また、差動増幅回路の設計を行う必要性が
なくなり、同等の性能を得るために必要とする設計時間
を短縮する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明、第１の実施例の回路図である。
【図２】図１の各部の信号波形を説明するための図であ
る。
【図３】本発明の動作点の決定方法を示した動作説明図
である。
【図４】本発明、第２の実施例の回路図である。図１と
はクランプ方法が異なっている。
【図５】本発明第２の実施例を用いた際の動作点の設計
方法を説明するための図である。
【図６】本発明第３の実施例を用いた際の動作点の設計
方法を説明するための図である。
【図７】ＣＣＤイメージセンサの出力信号処理回路のブ
ロック図である。
【図８】リセット雑音の発生メカニズムを説明するため
の電荷検出部の断面構造図である。
【図９】従来のリセット雑音抑圧回路の回路図である。
【符号の説明】
９ 電荷検出回路 １０ クランプ回路 １１ リセットトランジスタ １２ 電荷検出容量 １３ ソースフォロワ １４ 反転増幅回路 １５ 第２の反転増幅回路 １６ クランプトランジスタ １７ クランプ電圧源 １８ クランプコンデンサ １９ リセットパルス ２０ クランプパルス ２２ リセット雑音 ２３ 基準電圧（黒レベル） ２４ 信号電圧 ３１ 負荷トランジスタ ３２ 能動トランジスタ ３３ 入力波形 ３４ 出力波形 ３５ Ｔｒ２のスレシホールド電圧（Ｖｔ２） ４１ フィードバッククランプ回路 ４２ 反転増幅回路負荷Ｔｒゲート電圧 ５１ 反転増幅負荷トランジスタ（Ｔｒ３） ５２ 反転増幅能動トランジスタ（Ｔｒ４） ６０ ソースフォロワ負荷トランジスタ ８１ リセットゲート ８２ リセットドレイン ８３ ＣＣＤ出力ゲート ８４ 電荷検出容量 ８５ Ｎ型基板 ８６ Ｐ型ウェル ８７ Ｎ型ウェル ８８ 分配雑音 ８９ リセットドレイン ９０ 黒基準電圧 ９１ 差動増幅部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電荷検出回路、反転増幅回路、定電圧源
    とスイッチ素子よりなるクランプ回路、およびソース接
    地型のＭＯＳトランジスタよりなる第２の反転増幅回路
    を備える固体撮像素子の信号処理回路において、前記ク
    ランプ回路の定電圧源の電圧を前記第２の反転増幅回路
    の構成要素であるＭＯＳトランジスタのスレシホールド
    電圧と同一以上であって前記第２の反転増幅回路の動作
    可能電圧の中間電圧より低くしたことを特徴とする固体
    撮像素子の信号処理回路。
  2. 【請求項２】 電荷検出回路、反転増幅回路、ソースフ
    ォロワ回路および前記第２の反転増幅回路の出力と、前
    記ソースフォロワの入力端子間にスイッチ素子を設け、
    これによりフィードバック型クランプ回路を構成する固
    体撮像素子の信号処理回路において、前記クランプ回路
    の動作電圧を前記第２の反転増幅回路の構成要素である
    ＭＯＳトランジスタのスレシホールド電圧と同一または
    同一より高く、かつ前記第２の反転増幅回路の動作可能
    電圧の中間電圧より低くする事を特徴とする固体撮像素
    子の信号処理回路。
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