JPH0797843B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高感度化に適した固体撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

MOS形の固体撮像装置は、例えばテレビジヨン学会技術
報告第９巻、第45号、ED938に記載されているような、5
00×600画素程度の２トランジスタ形の撮像装置が実用
化される時代になり、解像度などの画質の点ではNTSCな
どのビデオ信号規格の限界に近づいた良好な撮像面が得
られるようになつた。

一方、感度の点では、最低被写体照度は10ルクス程度に
まで改善されてきているものの、100ルクス以下の照度
では徐々に画質が劣化し、ランダム雑音などの妨害も見
えてくる。このランダム雑音の主たる発生場所は、上記
従来例に記載されているように、電圧負帰還形の前置増
幅器である。

第12図は従来の撮像装置の一例を示すブロツク図であつ
て、帰還抵抗８を介して増幅器４の入力端子に電圧負帰
還をかけることにより、増幅器４の入力インピーダンス
を低くして、撮像素子１の出力素子14を高速にリセツト
する。

リセツト時に出力端子15に発生する電圧は撮像素子１の
出力電流に比例するため、これを映像信号として出力す
る。

n₁,n₂はこの撮像装置の主たる雑音源であり、n₁は増幅
器４で発生する雑音、n₂は帰還抵抗８で発生する雑音で
ある。

撮像装置の雑音を低減させるために、本発明者らは「積
分方式」の撮像装置を先に提案した（特願昭61−138203
号）。

第11図はその一例を示すブロツク図であつて、５は電圧
増幅器、６は画素積分回路で１画素ごとに積分する回
路、７は差分回路で、遅延回路71と作動増幅器72により
１画素前の信号との差分をとる回路、10はMOSトランジ
スタで撮像素子出力端子14をリセツトするためのスイツ
チ、11はリセツト電位を定める定電圧源、17はリセツト
パルスRPの入力端子である。

端子14のリセツトは複数画素に１回、例えば１水平走査
期間に１回行い、リセツトとリセツトの間の期間では端
子14に信号電荷を積算蓄積したままにして、その電圧情
報を増幅器５で増幅したのち、差分回路７で１画素前の
信号との差分をとつて画素信号を再生する。

この撮像装置では期間抵抗８を必要としないためn₂の雑
音は発生しない。また、n₁の雑音源による雑音対信号比
も、画素積分６、差分回路７で次式（１）で与えられる
η倍に軽減されることが判つている。

ここに、αは映像信号帯域幅に２πと１画素あたりの時
間を乗じた数である。

このように「積分方式」の撮像装置では大幅な低雑音化
が達成できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術においては、特に既に提案した第11図の構
成にも、次に説明する問題点を有していることが判明し
た。

撮像素子出力端子14の静電容量をＣとし、この端子を水
平帰線期間にリセツトするとする。撮像素子１は基盤の
目状に配した光電変換素子から構成されているが、水平
方向ｍ番目の光電変換素子から端子14に読み出される信
号電荷をQmとし、各光電変換素子の容量をCpとすると、
ｌ番目の光電変換素子を選択したのちに、その光電変換
素子に取り残される信号電荷Qrlは、読み出しを行なう
光電変換素子のCpの容積容量での電圧と順次読み出され
た光電変換素子からの信号電荷を累積蓄積する静電容量
14での電圧とが等しくなるように、この光電変換素子か
ら静電容量14に信号電荷の読み出しが行なわれるから、
Cp≪Ｃであるので次式（２）式で与えられる。

静止画の場合はQrlが変化しないため、不要な電荷は読
み出されないが、動画では、フィールド間で画像の内容
が変化し、光電変換素子に蓄積される信号電荷の量が変
化するので、上記式（２）でのQmが変化し、この結果、
Qrlのフイールド間の変化分が読み出され、残像に似た
現像（以下、残像と記す）が発生する。換言すると、順
次読み出された光電変換素子からの信号電荷を累積蓄積
する静電容量14での電圧が、ある光電変換素子の信号電
荷を読み出す際、１つ前のフィールドの場合と異なるた
め、この光電変換素子に取り残される信号電荷Qrlが１
つ前のフィールドとは異なり、従って、この光電変換素
子から読み出される信号電荷量がこの信号電荷Qrlの変
動分の影響を受けることになる。この変動分の影響が上
記の残像となって画面に現われるのである。

Cp/Cを10^-3,1出力端子あたりの水平方向の光電変換素子
数を250とすると、画面の右端では平均信号電荷の１フ
イールド間の変動の（−1/4）の電荷が読み出されてし
まう。

本発明は、従来の固体撮像装置において、すなわち、光
電変換素子と走査用スイツチとからなる複数の画素と、
上記画素を走査するための走査回路と、上記光電変換素
子で発生する信号電荷を出力するための単数又は複数の
信号出力線と、上記信号出力線に発生する信号電圧を反
転増幅する増幅器とを備えてなる固体撮像装置におい
て、上記残像を軽減した固体撮像装置を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、撮像素子出力端子14の電圧を反転増幅した
端子から、端子14へ容量性の負帰還をかけることにより
達成される。

〔作用〕

第９図は撮像素子出力端子14から反転増幅器出力24まで
の回路図、第10図はその等価回路図であり、Ｃは端子14
の静電容量、Cfは帰還容量、Ｇは反転増幅器９の利得で
ある。

第10図に示されるように、ミラー効果によつて端子14の
容量が増加し、端子14の電圧変動は次式（３）で与えら
れるβ_１倍に抑圧できる。

このように端子14の電圧変動がβ_１倍に抑圧されると、
光電変換素子の読み出し時に端子14からこの光電変換素
子に印加される電圧の変動もβ_１倍に抑圧されて、先に
式（２）で示した光電変換素子に取り残される信号電荷
Qrlのフィールド間の変化分もβ_１倍に抑圧されること
になり、従って、残像もβ_１倍に抑圧できる。

容量Cfを付加することにより雑音対信号比が劣化する
が、劣化度は次式（４）で与えられるβ_２倍であり、Cf
≪Ｃと設計することにより微弱な劣化にとどめることが
できる。

なお、この容量帰還増幅器の電圧利得は次式（５）のβ
_３で与えられる。

例えば、Cf/C＝0.05,G＝1000と設計すると、β_２＝1.05
倍の雑音増加で、β_１＝0.02倍の残像低減が達成でき
る。このときの電圧利得はβ_３＝20倍であり、出力端子
24の後段におけるNFも問題とならない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明による固体撮像装置の第１の実施例を示
すブロツク図であつて、Cfは帰還容量、９は反転増幅器
で、他の符号は第11図と同じものを示す。

同図において、反転増幅器９と帰還容量Cfからなる容量
帰還形増幅器は従来例として説明した第11図に示した増
幅器５と置き換えたものであり、全体の動作は第11図で
説明したとおりである。

ミラー効果によつて撮像素子出力端子14の電圧変動を抑
圧し、残像を低減している。従来の第11図のものと比べ
て雑音はごくわずかしか増加しない。

第２図は本発明の第２の実施例を示すブロツク図であつ
て、第１図と同じ符号は同じものを示す。

同図において、リセツトスイツチ10を帰還形に接続して
おり、第１の実施例と比べて次の利点を有する。

（１）高速にリセツトできること。

（２）増幅器９の直流動作点が安定すること。

帰還容量Cfによる残像低減効果は第１の実施例と同様で
ある。

第３図は本発明の第３の実施例を示すブロツク図であつ
て、Rfは抵抗、18は加算器、30は遅延回路で、他の符号
は先の実施例のものと同じものである。

同図において、第２の実施例のリセツトスイツチ10の替
わりに大きな抵抗Rfを設けたものである。

大きな抵抗Rfを介して端子14をゆるやかにリセツトする
ため、端子14の信号電荷は完全にはホールドされず、少
しずつ失われていくが、リセツトスイツチ10が不要であ
り、回路規模を低減できる。Rfで発生する雑音電流は、
例えばRfを10MΩと大きな値に設計すれば、 と微弱である。

CfとRfで決まる周波数f₀＝（２πCfRf）^-1以下の低周波
成分は差分回路７の出力では抑圧されるが、この低周波
成分は増幅器９の出力ですでに微分されて再現されてい
るため、加算器18で差分回路７の出力と増幅器９の出力
を加算することにより正規の映像信号を得ることができ
る。

遅延回路30は画素積分回路６での遅延時間を補償するた
めのもので、通常１画素程度の遅延量を持たせる。

第４図は本発明の第４の実施例を示すブロツク図であつ
て、31はフイルタ、その他の符号は第３図のものと同じ
ものである。

同図において、第３図の第３の実施例で説明した周波数
f₀をRfやCfの値とは独立に選びたい場合に、増幅器９の
出力にフイルタ31を接続する。

第５図〜第８図は本発明の各実施例の増幅器９の回路を
具体的に示した各実施例の回路図である。

第５図の実施例では初段FET19のゲート、ドレイン間の
容量をCfとして用いた例である。新たに帰還容量を設け
なくて済むため、その分低雑音化できる。

ただし、このゲート，ドレイン間の容量は総ゲート容量
の３〜４割に達する大きな値であり、初段の電圧利得が
このゲート，ドレイン間容量のミラー効果で制限される
ため、初段も充分低雑音化する必要がある。

第６図〜第８図は上記問題を解消した実施例であり、い
ずれも初段FET19のドレイン電圧が変動しないように工
夫したものである。

特に、第８図の実施例では大きなインダクタＬを用い
て、トランジスタ39のNFを下げ、低い電源電圧で大きな
電流を初段FET19に供給し、初段FETで発生する雑音を低
減せしめている。

なお、第１図〜第８図の各実施例は画素積分回路６と差
分回路７を備えているが、これらは本発明に必須の条件
ではなく、微分回路で置き換えても良いことは言うまで
もない。この場合、式（１）で与えられるn₁の雑音抑圧
効果は無くなるが、n₂の雑音の抑圧効果は保たれる。両
者共本発明による残像低減効果に変わりはない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、信号による信号
線電位の変動を低減し、残像を低減することができるの
で、上記従来技術の欠点を除いて、優れた機能の固体撮
像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明による固体撮像装置の各実施例
を示すブロツク図、第９図，第10図は本発明の作用と効
果を説明するための回路図と等価回路図、第11図は積分
方式の一例のブロツク図、第12図は従来例のブロツク図
である。 Cf……帰還容量、Rf……帰還抵抗、１……撮像素子、６
……画素積分回路、７……差分回路、９……増幅器、10
……リセツトスイツチ、19……初段FET。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光電変換素子と走査用スイツチとからなる
   複数の画素と、前記画素を走査するための走査回路と、
   前記光電変換素子で発生する信号電荷を出力するための
   単数又は複数の信号出力線と、前記信号出力線に発生す
   る信号電圧を反転増幅する増幅器とを備えてなる固体撮
   像装置において、 前記信号出力線と前記増幅器の出力端子とを容量を介し
   て結合して、前記信号出力線の電位変動を減じることに
   より、残像を軽減するように構成し、 前記容量に並列にスイツチもしくは抵抗を設けて、前記
   信号出力線を複数の画素の走査期間の時定数でリセツト
   し、 前記増幅器の出力信号に対して隣合う画素間の信号電荷
   の差分処理をすることにより、映像信号を復元すること
   を特徴とする固体撮像装置。