JPH10164442A - 相関二重サンプリング回路 - Google Patents
相関二重サンプリング回路Info
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
S(Collerated DoubleSignal Sampling) を実現する。 【解決手段】 固体撮像素子8の出力信号Vo に対し、
その基準レベルと画像信号レベルとをそれぞれサンプリ
ングし、両レベルを差し引くことによってリセット雑音
等のノイズ成分を除去する相関二重サンプリング部7の
入力側に、電流差動型のDCアンプ6を介在させた。D
C結合としたことによって、出力信号Vo に重畳される
ノイズ確定が速やかで、このため固体撮像素子8の駆動
周波数が高い場合でも、相関二重サンプリング部7にお
けるノイズ除去効果が高い。ゲインは可変抵抗Rc で調
整でき、出力ノードNDのDCレベルは基準電圧源Vre
fで決まり殆ど変動しない。また、トランジスタQ3,Q4
によってカスコード増幅回路の構成となっており、高
帯域である。
Description
upled Device) 等の固体撮像素子からの出力信号を処理
する回路であって、CCD等の誘導雑音、特にリセット
雑音を効果的に除去する相関二重サンプリング回路に関
する。
検出方法として、フローティングディフージョン増幅器
を用いた方法が知られている。この検出方法では、CC
Dの終端に形成されたリセット用MOSトランジスタを
リセット用クロック信号によりオンすることによって、
その一方の拡散層を所定の電圧に設定し、その後、当該
リセット用トランジスタをオフした状態で、一方の拡散
層に信号電荷が順次送られ、これによる当該拡散層の電
位変化が、出力用MOSトランジスタから読み出され
る。この検出方法に対応して、読み出された出力信号内
には、リセット時の誘導雑音(以下、リセット雑音とい
う)が重畳したリセット期間と、このリセット雑音が減
衰し確定したときのレベルを示すフィードスルー期間
と、画像信号を示す信号期間とが存在し、これらの期間
がCCDの駆動周波数に応じた周期で繰り返される。
等のノイズを除去する回路として、図5に示す相関二重
サンプリング回路が知られている。図5に示す相関二重
サンプリング回路10は、容量CによってAC結合さ
れ、クランプパルスφcpにより、例えばCCDのオプテ
ィカルブラックによりCCD出力信号Vo をDCレベル
にクランプするクランプ回路2と、サンプル・ホールド
回路3a〜3eと差動増幅器4とにより構成されてい
る。相関二重サンプリングにおけるノイズ除去は、リセ
ット雑音等のノイズが確定したフィードスルー期間と信
号期間とをそれぞれサンプル・ホールド回路3a〜3e
でサンプリングし、差動増幅器4で両サンプリング信号
の差をとることによって達成される。
幅器4の非反転入力には、フィードスルー期間に同期し
たクロック信号φSH1 で動作するサンプル・ホールド回
路3aが接続される。また、差動増幅器4の反転入力に
は、信号期間に同期したクロック信号φSH2 で動作する
サンプル・ホールド回路3bが接続される。相関二重サ
ンプリング回路は、基本的に、これら互いに位相をずら
して動作する2つのサンプル・ホールド回路3a及び3
bと、差動増幅器4とで構成される。図5に示す相関二
重サンプリング回路10は、さらに、サンプル・ホール
ド回路3c,3d及び3eを有する。サンプル・ホール
ド回路3cは、CCD出力信号Vo におけるサンプリン
グ点の位相(周期)を合わせることを目的とし、サンプ
ル・ホールド回路3aの出力はクロック信号φSH2 で再
度サンプリングされる。また、サンプル・ホールド回路
3d及び3eは、サンプリングノイズ等を除去すること
を目的とし、同一のクロック信号(ここでは、クロック
信号φSH1 )で動作する。
関二重サンプリング回路10では、CCDの駆動周波数
を高くした場合に、リセット期間に重畳するリセット雑
音がフィードスルー期間で確定しないため、効果的なノ
イズ除去ができないといった問題があった。
におけるCCD出力信号Vo の波形図である。この相関
二重サンプリング回路10では、結合容量CとCCDの
図示せぬ出力負荷抵抗等とによって、リセット雑音等が
微分されてリセット期間tr に重畳されている。したが
って、例えば10MHz〜14MHzとCCDの駆動周
波数をある程度高くすると、短いフィードスルー期間t
r 内にリセット雑音が減衰して黒レベル付近で一定値に
なることができない。このような平らでないフィードス
ルー期間tr 内でリセット雑音が確定前にサンプリング
されると、リセット雑音がある程度低いレベルまで減衰
した後にサンプリングが行なわれないことからサンプリ
ング点のノイズレベルに差が生じ、この結果、ノイズ除
去を効果的に行なうことができなくなる。
(以下、FTCCDという)では、撮像部で光電変換さ
れた信号電荷を、垂直ブランキング期間(信号が画面に
出ていない期間)内に、パラレルダンプ用クロック信号
でメモリ部に全画素分いっせいに転送し、水平転送クロ
ック信号によって水平レジスタ部で水平方向に送り、出
力部から出力させる。このFTCCDでは、パラレルダ
ンプ用クロック信号の周波数を、スミア低減のため十数
MHz以上と高くする必要があり、このためCCD出力
信号Vo に大きなノイズが重畳される。この出力信号V
o に重畳したパラレルダンプ時のノイズ等は、初段の増
幅器で増幅(ゲイン倍)され、この結果、出力信号Vo
の信号レベルが相関二重サンプリング回路10の入力レ
ンジをオーバーして入力がクリップされ、画像信号が一
部欠落することがあった。
れ、良好なノイズ除去特性を高い周波数帯域まで得ら
れ、使用できる周波数帯域も広く、また周波数変更時に
調整が不要な汎用的、実用的な相関二重サンプリング回
路を新たに提供することを第1の目的とする。これに加
え、本発明は、安定にノイズ除去を行なうために基準電
圧の自動調整機能を備えた相関二重サンプリング回路を
提供することを第2の目的とする。
点を解決し、上記目的を達成するために、本発明の相関
二重サンプリング回路は、固体撮像素子の出力に接続さ
れている電流差動型のDCアンプと、前記DCアンプの
出力に接続され、当該DCアンプによって増幅された前
記固体撮像素子の出力信号に対し、その基準レベルと画
像信号レベルとをそれぞれサンプリングし、サンプリン
グ後の画像信号レベルから基準レベルを差し引く相関二
重サンプリング部とを有することを特徴とする。この相
関二重サンプリング回路では、AC結合ではなく、電流
差動型のDCアンプによるDC結合が実現されている。
DC結合としたことによって、CCD出力信号のリセッ
ト期間に重畳されるノイズ成分の確定が極めて速やか
で、続くフィードスルー期間のレベルが一定値をとる。
この結果、サンプリング点のノイズレベルが同等とな
り、CCDの駆動周波数が高い場合にあっても、相関二
重サンプリング部におけるノイズ成分の除去を効果的に
行なうことができる。
は、ベースが前記固体撮像素子の出力に接続され、エミ
ッタとコレクタがそれぞれ電源とカレントミラー回路に
接続されている第1のトランジスタと、ベースに第1の
基準電圧が印加され、エミッタとコレクタがそれぞれ電
源とカレントミラー回路に接続され、コレクタと前記カ
レントミラー回路との間の接続点が前記相関二重サンプ
リング部の入力に接続されている第2のトランジスタ
と、前記接続点に互いに直列で前記カレントミラー回路
に対して並列に接続されている、負荷抵抗および第2の
基準電圧を発生させる基準電圧源とから構成させること
ができる。
1のトランジスタのエミッタとの間に抵抗を接続し、前
記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとのエ
ミッタ同士を可変抵抗を介して接続するとよい。また、
この電流差動型のDCアンプをカスコードアンプとする
と、帯域が改善され好ましい。この場合、本発明の相関
二重サンプリング回路は、前記第1のトランジスタのコ
レクタと前記カレントミラー回路との間に接続されてい
る第3のトランジスタと、前記第2のトランジスタのコ
レクタと前記接続点との間に接続され、前記第3のトラ
ンジスタとベースが共通化されている第4のトランジス
タと、これら第3のトランジスタおよび第4のトランジ
スタの共通化されたベースに接続された電圧源と、を更
に有することを他の特徴とする。
ング回路においては、CCDの出力信号のDCレベル変
動があっても、出力信号が電流差動型のDCアンプを通
った後のクランプ回路において、そのDCレベルが第2
の基準電圧で決まる一定値に保持され、出力信号のDC
レベル変動によって、特に相関二重サンプリング部にお
けるクランプができないといったことがない。
うためには、相関二重サンプリング後のDCレベル変動
に応じて第1の基準電圧レベルを調整するとよい。この
場合、本発明の相関二重サンプリング回路では、前記相
関二重サンプリング部の出力と、前記電流差動型のDC
アンプにおける前記第1の基準電圧が印加される基準電
圧入力端との間に、当該第1の基準電圧のレベルを前記
相関二重サンプリング部の出力に応じて調整する手段が
接続されていることを他の特徴とする。
ンプリング回路を、図面を参照しながら詳細に説明す
る。
成例を示す回路およびブロック図である。この相関二重
サンプリング回路1は、CCD8の出力に接続される電
流差動型のDCアンプ6と、相関二重サンプリング部7
とから構成されている。なお、この相関二重サンプリン
グ部7は、図5に示した従来の相関二重サンプリング回
路10と比べると、結合容量Cがないこと以外は同じで
あり、以下、重複する構成は同一符号を付し、詳細な説
明は省略する。
圧VE で固定されたシングルエンド電流差動型である。
このDCアンプ6は、ベースがCCD8の出力に接続さ
れ、エミッタが電源電圧VCCに抵抗R1 を介して接続さ
れたトランジスタQ1 と、ベースに前記基準電圧VE が
印加され、エミッタが前記電源電圧VCCに抵抗R2 を介
して接続されたトランジスタQ2 とを有する。トランジ
スタQ1 とトランジスタQ2 とのエミッタ間には、可変
抵抗Rc が接続されている。また、DCアンプ6には、
トランジスタQ1 のコレクタにエミッタが接続されたト
ランジスタQ3 と、トランジスタQ2 のコレクタにエミ
ッタが接続されたトランジスタQ4 とが設けられてい
る。両トランジスタQ3,Q4 のベースは共通化され、中
間電位設定用の電源VG に接続されている。トランジス
タQ3 のコレクタは、カレントミラー回路を構成する一
方のトランジスタQ5 のコレクタに接続され、トランジ
スタQ4 のコレクタは当該カレントミラー回路を構成す
る他方のトランジスタQ6 のコレクタに接続されてい
る。トランジスタQ5 、Q6 のベースは共通化され、ト
ランジスタQ3 のコレクタに接続されている。また、ト
ランジスタQ5 、Q6 のエミッタは共に接地電位に接続
されている。トランジスタQ4 とトランジスタQ6 との
接続点をなすDCアンプ6の出力ノードNDには、負荷
抵抗RL と基準電圧源Vref とが接地電位との間に直列
に接続されている。
動型であり、その出力ノードNDがある程度の高いイン
ピーダンスで常にフローティング状態に維持されている
ことから、信号成分のみ増幅しながら後段の二重相関サ
ンプリング部7に伝達できる。また、常に導通状態とな
るように電源VG でバイアスが設定されるトランジスタ
Q3,Q4 が、差動動作するトランジスタQ1,Q2 とカレ
ントミラー回路との間に介在し、いわゆるカスコード増
幅回路となっていることから、周波数特性がよい高帯域
アンプが実現されている。
6の動作を説明する。まず、トランジスタQ1 のベース
にCCDの出力信号Vo が印加され、このベースの電位
がΔVo だけ下がった場合を考えると、トランジスタQ
1 を流れる電流が増加する。このときの電流増加分をΔ
I1 とすると、カレントミラー回路の一方のトランジス
タQ5 に流れる電流I1 も電流ΔI1 だけ増加し、カレ
ントミラー回路の他方のトランジスタQ6 に流れる電流
I2 も電流ΔI1 と同じ量の電流ΔI2 だけ増加する。
ところが、トランジスタQ2 のベース電位が基準電圧V
E で固定されていることから、電流ΔI2 は主に基準電
圧源Vref 側から電流IL として流れ込み、この負荷抵
抗RL を流れる電流IL による電圧降下によって出力ノ
ードNDの電位が低下する。同様にして、トランジスタ
Q1 のベース電位がΔVo だけ上がった場合は、電流I
L が図1とは逆方向に基準電圧源Vref 側に流れ込み、
その分、出力ノードNDの電位が上昇する。
タQ1 を流れる電流量を制御する抵抗R1 及び可変抵抗
Rc に対する、負荷抵抗RL の大きさで設定されること
から、可変抵抗Rc によってDCアンプ6のゲインを調
整することができる。
て、FTCCD(Frame Transfer CCD)の要部を示す概略
構成図である。図2中、符号11は撮像部、11aは入
射光に対しマスキングされたオプティカルブラック部、
12はメモリ部、13は水平レジスタ部、14は出力
部、φDは撮像部11とメモリ部12間のパラレルダン
プ用クロック信号、φV はメモリ部12と水平レジスタ
部13との垂直転送クロック信号、φH は水平レジスタ
部13の水平転送クロック信号、φR は出力部14のリ
セット用クロック信号を示す。このFTCCD8では、
撮像部11で1フィールド期間光電変換された画像信号
が、垂直ブランキング期間にパラレルダンプ用クロック
信号φD によって撮像部11からメモリ部12にいっせ
いに転送される。さらに、メモリ部12内に転送された
画像信号は、垂直転送クロックφV によって水平ブラン
キング期間に1ラインずつ水平レジスタ部13に転送さ
れ、水平転送クロック信号φH によって水平レジスタ部
13内を水平方向に転送され、出力部14から時系列な
出力信号Vo として順次外部に取り出される。このと
き、水平転送クロック信号φH に同期したリセット用ク
ロック信号φRによって、出力部14内の図示せぬリセ
ット用MOSトランジスタの電荷読出しドレインの電位
が1画素(出力信号Vo の1周期)ごとに所定電位にリ
セットされ、これにより正確な電荷読出しが保証され
る。
部12への信号転送の際に、光の漏れ込みによってスミ
アが発生することから、このスミア対策として、パラレ
ルダンプ用クロック信号φD の周波数をできる限り高速
化し(例えば、十数MHz以上)、光の漏れ込み時間の
短縮化を図っている。
出力に接続された図1の相関二重サンプリング回路1に
おいて、DCアンプ6の出力ノードNDにおけるCCD
出力信号Vo と、各クロック信号との関係を示すタイミ
ングチャートである。前記FTCCD8では、水平転送
クロック信号φH とリセット用クロック信号φR とが、
図3に示す関係で同期している。当該FTCCD8から
時系列で送り出され、前記DCアンプ6で増幅された後
のCCD出力信号Vo は、図3に示すような波形とな
る。このCCD出力信号Vo は、図6の従来のAC結合
後の出力信号と比較すると明らかなように、リセット期
間tr 終了時点で確定されたリセット雑音Vrnはオプテ
ィカルブラックレベルLOB付近のレベルとなっており、
このLOBを基準とした正又は負の値をとる。しかもフィ
ードスルー期間tf 内では一定に保持される。これは、
本発明の相関二重サンプリング回路1では、容量結合で
なくDCアンプ6の介在によって後段側と結合されてお
り、この結果、リセット雑音の確定が速やかになるため
である。
サンプリングは、まず、図1のクランプ回路2で、出力
信号Vo の前記オプティカルブラック部11aを基準電
圧源Vref のレベルにクランプする。つぎに、最初のサ
ンプル・ホールド回路3aにおいて、クロック信号φSH
1 のパルス印加によってフィードスルー期間レベルが確
定し、次のサンプル・ホールド回路3bにおいて、クロ
ック信号φSH2 のパルス印加によって画像信号レベルが
確定する。この両確定レベルは出力信号Vo における周
期が前後していることから、この画像信号レベルの確定
と同時に、サンプル・ホールド回路3cによって、フィ
ードスルー期間レベルが再度サンプリングされる。その
後、クロック信号φSH1 で動作する次のサンプル・ホー
ルド回路3d及び3eによって、フィードスルー期間レ
ベルと画像信号レベルが再度サンプリングされ、差動増
幅器4で画像信号レベルからフィードスルー期間レベル
が差し引かれ、正確な画像信号が出力される。
によれば、CCD8と相関二重サンプリング部7との間
に、結合容量でなく簡易な構成の電流差動型のDCアン
プ6を介在させていることから、リセット雑音等のノイ
ズ確定が速やかで、CCD8の駆動周波数を上げても平
坦なフィードスルー期間レベルが得られ、この結果、ノ
イズ除去を高い周波数まで有効に行なうことができる。
例えば、水平転送クロック信号φH の周波数が14MH
zの場合、フィードスルー期間のノイズレベルVrnを大
幅に低下でき、その分だけ大きなノイズマージンが確保
され、後段の増幅器4等のゲインを大きくすることが可
能となる。また、電流差動型のDCアンプ6は、カスコ
ード増幅回路の構成となっていることから、高帯域化さ
れている。
ンプ6の動作点を安定化させるためのものである。図4
は、本実施形態の相関二重サンプリング回路の概略構成
を示すブロック図である。先に記述した第1実施形態で
は、DC結合としているため、CCD8の出力信号Vo
について、通常のDCレベル変動(±0.5程度)より
大きなDCレベル変動があった場合、電流差動型のDC
アンプ6の動作点が固定されていると、当該DCアンプ
6が誤動作することも否定できない。
的で、図4に示すように、相関二重サンプリング部7の
出力と、DCアンプ6の基準電圧入力との間に、基準電
圧調整回路15を接続させている。基準電圧調整回路1
5は、相関二重サンプリング部7の出力からオプティカ
ルブラック部11aのレベルをサンプリングし、DCア
ンプ6の基準電圧VE のレベルを調整する回路である。
15は、特に図示しないが、A/Dコンバータと、例え
ば16ビットのアップ/ダウン・カウンタと、D/Aコ
ンバータと、例えばツェナーダイオードを用いたレベル
シフト回路とから構成される。この場合、相関二重サン
プリング部7の出力からサンプリングしたオプティカル
ブラック部11aのレベルを、A/Dコンバータに入力
した後、レベル変動があったときはアップ/ダウン・カ
ウンタを動作させながらレベル変動量を検出し、D/A
コンバータに入力し、上記レベル変動量だけレベルシフ
ト回路によって基準電圧VE のレベルを調整した後、D
Cアンプ6にフィードバックさせる。
回路15を設けることによって、電流差動型のDCアン
プ6の動作点が自動調整される。このため、図1におい
て、ゲインを上げるために基準電圧源Vref を高く設定
し、DCアンプ6が誤動作しない動作点の範囲が狭くな
った場合であっても、出力信号Vo のDCレベル変動に
応じて基準電圧VE が自動調整されるため、DCアンプ
6の動作が安定し、その誤動作を有効に防止することが
できる。
る相関二重サンプリング回路によれば、良好なノイズ除
去特性を高い周波数帯域まで得られ、使用できる周波数
帯域も広く、また周波数変更時に調整が不要な汎用的、
実用的な相関二重サンプリング回路を新たに提供するこ
とができる。また、安定にノイズ除去を行なうために基
準電圧の自動調整機能を備えた相関二重サンプリング回
路を提供することができる。
プリング回路の概略構成を示す回路およびブロック図で
ある。
CDの要部を示す概略構成図である。
関二重サンプリング回路において、DCアンプの出力ノ
ードNDにおけるCCD出力信号と、各クロック信号と
の関係を示すタイミングチャートである。
リング回路の概略構成を示すブロック図である。
回路及びブロック図である。
合容量Cの出力側におけるCCD出力信号Vo の波形図
である。
Claims (5)
- 【請求項1】 固体撮像素子の出力に接続されている電
流差動型のDCアンプと、 前記DCアンプの出力に接続され、当該DCアンプによ
って増幅された前記固体撮像素子の出力信号に対し、そ
の基準レベルと画像信号レベルとをそれぞれサンプリン
グし、サンプリング後の画像信号レベルから基準レベル
を差し引く相関二重サンプリング部と、を有する相関二
重サンプリング回路。 - 【請求項2】 前記電流差動型のDCアンプは、 ベースが前記固体撮像素子の出力に接続され、エミッタ
とコレクタがそれぞれ電源とカレントミラー回路に接続
されている第1のトランジスタと、 ベースに第1の基準電圧が印加され、エミッタとコレク
タがそれぞれ電源とカレントミラー回路に接続され、コ
レクタと前記カレントミラー回路との間の接続点が前記
相関二重サンプリング部の入力に接続されている第2の
トランジスタと、 前記接続点に互いに直列で前記カレントミラー回路に対
して並列に接続されている、負荷抵抗および第2の基準
電圧を発生させる基準電圧源と、を有する請求項1に記
載の相関二重サンプリング回路。 - 【請求項3】 前記電源と前記第1のトランジスタのエ
ミッタとの間に抵抗が接続され、前記第1のトランジス
タと前記第2のトランジスタとのエミッタ同士が可変抵
抗を介して接続されている請求項2に記載の相関二重サ
ンプリング回路。 - 【請求項4】 前記第1のトランジスタのコレクタと前
記カレントミラー回路との間に接続されている第3のト
ランジスタと、 前記第2のトランジスタのコレクタと前記接続点との間
に接続され、前記第3のトランジスタとベースが共通化
される第4のトランジスタと、 前記第3および第4のトランジスタの共通化されたベー
スに接続されている電圧源と、を更に有する請求項2ま
たは3に記載の相関二重サンプリング回路。 - 【請求項5】 前記相関二重サンプリング部の出力と、
前記電流差動型のDCアンプにおける前記第1の基準電
圧が印加される基準電圧入力端との間に、当該第1の基
準電圧のレベルを前記相関二重サンプリング部の出力に
応じて調整する手段が接続されている請求項1〜4の何
れかに記載の相関二重サンプリング回路。
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JP32185896A JP3818711B2 (ja) | 1996-12-02 | 1996-12-02 | 相関二重サンプリング回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10164442A true JPH10164442A (ja) | 1998-06-19 |
JP3818711B2 JP3818711B2 (ja) | 2006-09-06 |
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ID=18137212
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JP32185896A Expired - Fee Related JP3818711B2 (ja) | 1996-12-02 | 1996-12-02 | 相関二重サンプリング回路 |
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