JPS62185471A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、固体撮像素子に係り、特にＭＯ８型固体撮像
素子において、高感度、低スメアを実現するのに好適な
回路構成とその制御法に関する。

〔発明の背景〕

従来、２次元固体撮像素子の１種としてＭＯ８型固体撮
像素子が知られている（青水によるアイニス　ニス　シ
ー　シー　ダイジェストの２６頁；　１９８０年＜ｌ８
８ＣＣＤｉｇｅｓｔ、　ｐ２６．１９８０））。

第１図は、ＭＯ８型固体撮像素子の一従来例を示す回路
構成図である。１は２次元状に配置され先光電変換素子
、３，５は光電変換素子内の信号電荷を順に読み出すた
めの垂直ならびに水平走査回路、２は垂直走査回路のパ
ルスによりオンオフする垂直スイッチ、９は垂直走査回
路のパルスを各垂直スイッチに伝達する垂直ゲート線、
６／ｆｉ水平走査回路のパルスによりオンオフ水平スイ
ッチ、４は垂直信号線、７は素子外部の増幅器、８は水
平信号線を示す。本回路においては、光電変換素子１の
信号電荷は、垂直走査回路３により選択された垂直スイ
ッチ２が開くと垂直信号線４に送られ、その後水平走査
回路５により水平スイッチ６が順次開閉し、水平信号線
８を経て増幅器７より読み出される。

本素子は、光利用率が高く信号電荷量が多いという利点
を有するが以下の２点の欠点を有する。

第１に、信号読み出しに伴うランダム雑音が大きく、低
照度における信号対雑音比（以下Ｓ／Ｎと略す）が低い
。また、明るい被照体を写したときに、再生画の上下に
白く尾を引く垂直スメア現象が生じ、高照度撮偉時には
画質劣化の要因となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ＭＯ８型固体撮像素子の高い光利用率
を保ちつつ、ランダム雑音ならびにスメアを低減し、高
Ｓ／Ｎかつ低スメアの固体撮像素子を提供することＩｌ
ｃ′ｊりる。

〔発明の概要〕

ＭＯ８型面体撮像素子のランダム雑音の主成分には、水
平スイッチで生じる雑音と素子外部の増幅器で生じる雑
音の２つがある。第１の水平スイッチで生じる雑音は、
本質的に、ＣＣＤ　（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｒ　［
）ｅｖｉｃｅ）で通例用いられるＦ’ＤＡ（Ｆ’ｌｏａ
ｔｉｎｇ　［）ｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ａ＋ｎｐｌｉｆｉｅ
ｒ　　）回路で発生するリセット雑音と同一メカニズム
により発生する。すなわち、水平スイッチがオンオフし
、信号が読まれるとともに［相］直信号Ｉｆａｔ位がリ
セットされる際に、水平スイッチの熱雑音にエリ垂直信
号線のリセット電位がゆらぐことによりランダム雑音が
発生する。ＦＤ人回路においては、このａｌ、　：　Ｉ
ＥＥＥＪ、　５ｏｌｉｄ　ｄｔａｔｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ
ｓ。

ｖｏｌ、５Ｃ−９４１ｐｌ　　１）　１２　（Ｆ’ＥＢ
、　１９８４）；西日ほか：テレビジョン学会全国大会
予稿集３−２　　ｐ４５　（１９８５）　：遠藤ほか：
テレビジョン学会全国大会予稿集３−５　　ｐ５１　（
１９８５））。

本発明は、水平スイッチで生じる雑音がＦ’ＤＡ回路の
リセット雑音と同一メカニズムてより発生することに注
目し、ＭＯ８型撮像素子の各垂直信号線ごとに増幅器と
相関２重サンプリング法を行なう回路を設け、水平スイ
ッチで生じる雑音を低減するものである。さらに、増慣
器を各垂直信号線ごとに設けた結果、従来素子のもう１
つの大きなチ音源である増幅器の雑音を低減できる。な
ぜなら、第１に従来素子に比し、増幅器の入力端につく
容量を低減し、信号振幅を大きくとれるからである。第
２に、増幅器に必要とされる通過帯域を小さくすること
ができるからである。

さて、ＭＯ８型撮像素子におけるスメア現象は垂直信号
線に不要電荷が混入するために発生する。

本発明においては、垂直信号線をリセットした後真の信
号電荷を読むため、スメアの混入時間を低減できスメア
を低減できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第２図ならびに第３図を
用い説明する。第２図は１本発明の一実施例の回路構成
図を示す。１〜６と９は第１図と同一のものを示す。２
１は各垂直信号線の電位を検知増幅するための増幅回路
、２２と２３は増幅器２１の出力をサンプルホールドす
るだめのスイッチ％２７．２８はサンプルホールドのた
めの容量、２４はサンプルホールドされた２つの信号の
差を出力するための差動増幅器、２５は垂直信号１をリ
セットするためのリセットスイッチ、２６は垂直信号線
のリセット電圧を供給するリセットドレインである。ま
た、第３図は、第２図の素子を駆動するためのパルスタ
イミングを示す。ＨＢＬは水平ブランキング期間を示し
、ＲＧ、Ｓｌ。

Ｓ２は第２図の各端子Ｋかかる電圧を示す。以下、本実
施例の動作を説明する。

水平ブランキング内に入ると、凡Ｇが高レベルとなりリ
セットスイッチ２５が開くと、垂直ｍ号線内に蓄ったス
メア電荷等の疑似信号がリセットドレイン２６に掃き出
され、垂直信号線電位はドレイン２６の″成圧几りにリ
セットされる（第３図ｉｓ　　）。つぎにａＧが低レベ
ルとなるとリセットスイッチ２５の熱雑音により雑音電
圧Ｖ、が発生し垂直信号線のリセット電圧がゆらぐ（４
３図ｔｚ　　）。この雑音電圧Ｖ、は、増幅器２１によ
り増幅され（ゲインをＧｌとする）、スイッチ２３が開
閉すると、容量２８にＧ　Ｉ　Ｖ　ａ　の電位変動とし
てサンプルホールドされる（ｄ！、３図１３　）。この
後、垂直走査回路３により選択されたある垂直ノート線
９の電位ＶＰが高くなると、垂直スイッチ２が開き、光
電変換素子１から垂直信号線４に信号電荷Ｑｓが読み出
される（第３図【４）。この信号電荷による垂直信号線
電位変動Ｖｇ＝Ｑｓ／Ｃｖ（Ｃｖは垂直信号線容量を示
す）に雑音電圧ｖｍが重畳された垂直信号線の電位変動
Ｖｓ＋Ｖ、は、増幅器２１により増幅され、スイッチ２
２が開閉すると容量２７にＧ１（Ｖｓ　＋ｖ、）の電位
変動としてサンプルホールドされる（第３図ｔｓ　）。

以上の動作の後に、差動増幅器２４の出力には、垂直信
号線のリセット電圧Ｖ、を含まない真の信号電荷による
垂直信号線の電位変動ｖ８がＧ、Ｇ、　　だけ増幅され
てＣＧ２は差動増幅器２４のゲインを示す）出力される
ととくなる。この後、水平走査回路５により、水平スイ
ッチ６が順次開閉し、増幅された信号が出力される。

さて、以上の実施例において、主たる雑音源は増幅器２
１の発生する雑音となる。なぜな°ら、信号は増幅器２
１により増幅されるために、増幅器２１の電圧ゲインを
大きくとればサンプルホールド回路ならびに増幅器２４
の雑音は無視し得るように設計できるからである。一方
、増幅器２１に必要な動作速度は、容＠２７，２８にサ
ンプルホールドが充分に行なわれる速度であれば良い。

その結果、増幅器２１の通過帯域を従来のＭＯ８型素子
が３ＭＨｚ程度であったのに対し、ＩＭＨ程度以下と低
くとることができ、容易【低雑音化が可能となる。

また、一方、信号に混入するスメア電荷量は差動出力を
しているためスイッチ２３が閉じた後、スイッチ２２が
閉じるまでの時間となる（第３図にＴｓで示す。）。従
って、従来のＭＯ８型素子では一水平走査期間中スメア
が混入したのシで対し、約１／３０程度にこの混入時間
を低減することができ、低スメア化が可能となる。

なお、本実施例では、増幅器２１．２４を水平方向の画
素数だけ並列化しているために、消費電力が問題となる
場合がある。この様な場合には。

各増幅器をパルス動作させることにより低消費電力化を
図ることができる。

以上、述べた様に１本実施例によれば、ＭＯ８型素子の
受光部には何ら変更を加えることなく、高い光利用率を
保ちながら、ランダム雑音ならびにスメアを低減するこ
とができる。

次に、本発明の第２の実施例を第４図ならびに第５図を
用い述べる。第２図の実施例においては各増幅器が直流
結合されているので各増幅器の動作点を高利得領域に設
定するのが困難な場合がある。本実施例は、この問題を
解消するために、ＭＯＳ　Ａ／Ｄ変換器で広く用いられ
ている自己バイアス用スイッチ（中谷他：昭和６０年度
電子通信学会総合大会予稿４４４　１）　２−１６２　
（１９８５））を用いるものである。

第４図は、本発明の第２の実施例の回路構成図を示す。

図中１〜６と９は第１図と同一のものである。４１Ｆｉ
各垂直信号線の電位を検知増幅するための増幅回路、４
２は増幅回路４１を高利得領域に設定するための自己バ
イアススイッチ、４３はカップリング容量、４４は第２
の増幅回路、４５は増幅回路４４を高利得領域に設定す
るための自己バイアススイッチ、４６は信号をサンプル
ホールドするだめのスイッチ、４７は信号を出力するた
めの増幅器である。第５図は第４図の素子を駆動するた
めのパルスタイミングを示す。ＨＢＬは水平ブランキン
グ期間を示し、Ｓｌ、８２゜Ｇ３は第４図の対応する端
子にかかる電圧を示す。

以下、本実施例の動作を説明する。

水平プランキング期間に入ると、スイッチ４２が開き垂
直信号線４がリセットされるとともに増幅器４１の動作
点が高利得領域に設定される（第４図ｔｘ　　）。この
後、スイッチ４２が閉じると、垂直信号線にＦｉ雑音電
圧が発生する。しかし、この時にはスイッチ４５が開い
ているために、増幅器４４の出力電圧は、垂直信号線電
圧によらずにある一定の電圧に設定されている（第４図
ｊｚ’）。

つぎに、スイッチ４５が閉じ増幅器４４の動作点が高利
得領域に設定される。その唖、垂直走査回路３により選
択されたある垂直ゲート線９の電位Ｖｐが高くなると、
垂直スイッチ２が開き、光１変換素子１より垂直信号線
４に信号電荷が読み出される（第４図ｔ３　）。この電
荷による垂直信号線の電位変動は増幅器４１により増幅
された後、カップリング容量４３を介し、増幅器４４の
入力端に表われ、増幅器４４により更に増幅される。

この時の増幅器４４の出力をサンプルホールドすること
により、信号電荷による垂直信号線の電位変動を増幅し
た出力のみをサンプルホールドすることができる（第４
図Ｌｓ　）。この後、水平走査回路５が動作し、水平ス
イッチ６が順次開閉することにより、増幅４７を介し、
信号が順次出力される。

本実施例においても、第２図と同様なランダム雑音抑圧
効果、ならびにスメア抑圧効果を得ることができる。更
に、本実施例は、各増幅器の直流動作点の設定が自己バ
イアスにより行なわれるので、容易に高利得領域で増幅
器を動作させることができるという利点を有する。

さらに、本発明の第３の実施例を第６図、第７図を用い
説明する。第４図の実施例においては、増幅器４１の雑
音が主雑音源となる。従って増幅器４１の出力を充分に
帯域制限することにより低雑音化を図ることができる。

本実施例は、この帯域制限を行なうために、増幅器４１
の出力に電荷転送回路を付加したものである。

第６図は、本発明の第３の実施例の回路構成図を示す。

１〜６，９．４１〜４７は第４図と同一である。６１は
増幅器４１の出力電圧を容量６２に伝達するための転送
ゲート、６３は容量６２に電荷を入力するためのドレイ
ン、６４は容量６２の電位を検出するための増幅器であ
る。第７図（ａ）は第６図の素子を駆動するためのパル
スタイミングを示す。Ｅ（ＢＬは水平ブランキング期間
を示し、８１．８２，８３．ＣＩは第６図の対応する各
端子にかかる電圧を示す。本素子の動作は、第４図の場
合とほぼ同様である。異なる点は、６１〜６４からなる
電荷転送型の低域通過フィルタの動作である。以下この
動作を第７図（ｂ）を用いて説明する。

第７図（ｂ）は第７図（ａ）の時刻’１＊”２時のゲー
ト６１並びにドレイン６３、容量６２のポテンシャルを
示すものである。増幅器４１の出力電圧Ｖ０はゲート６
１のゲート電圧となっている。従って、ゲート６１下の
ポテンシャルはＶｏ　　Ｖ＆ｈとなる。ここにＶｔｈは
ゲート６１のしきい電圧である。この時、ドレイン６３
の電圧を低レベルから高レベルにすると、電荷が容量６
２からドレイン６３に流れ出す（第７図［有］）１＝１
１　　）。転送の最終時刻においては、容量６２の電位
は５Ｖ０−Ｖｔ−となる（第７図（ｂ）’＝ｔｚ）ｏこ
の容量６２の電位を増幅器６４により検知することによ
り、垂直信号線の電位変動を読み出すことができる。

本回路における雑音を解析すると、増幅器４１の雑音の
うち電荷転送時間ｔ１の逆数１／１１の周波数帯域の成
分だけが、容量６２の電圧のゆらぎに寄与することがわ
かる。すなわち、本回路は、増幅器４１の雑音に対する
低域通過フィルタとして動作することになる。

以上述べたように、本実施例では電荷転送回路が低域通
過フィルタとして働き、増幅器４１の帯域制限を行なう
ことができるので、ランダム雑音の低減を容易に行える
。

本発明の第４の実施例を第８図、第９図を用い説明する
。単板カラー固体撮像素子においては、解像度の高い高
画質を実現する方法としてインターレース走査を行なう
垂直２画素読み出し方式がある。また、スメアを低減す
る手段として、小沢他、１９８４年テレビジョン学会全
国大会予稿集３−１３　　ｐ６７　　に記載のスメア差
動方式がある。

本実施例はこれらの方法を本発明で実現した例である。

第８図は、本発明の第４の実施例の回路構成図を示す。

１〜６，９４１〜４７は第４図と同様である。但し、垂
直走査回路３′には２行同時読み出しのだめのインター
レース走査を行なう回路が付加され、サンプルホールド
のためのスイッチ４６、信号を出力するための増幅器４
７、水平スイッチ６が各垂直信号線ごとに３つずつ接続
され、出力線が３本ある。４４９図は、本素子を駆動す
るためのパルスタイミングを示す。ＨＢＬは水平ブラン
キング期間を示し、８１，８２，８３，８４゜Ｓ５は第
８図の対応する端子にかかる電圧を示す。

以下、本実施例の動作を説明する。

本実施例においては、まず、水平ブランキング期間の７
４１の期間（第９図ＴＩの期間）にスメア信号を容量４
８−１に読み出しサンプルホールドする。この時読み出
されるスメア量は、スイッチＳ２が閉じてからスイッチ
Ｓ３が開き再び閉じるまでの時間Ｔｓに垂直信号線に混
入する量となる。

つぎの期間（第９図Ｔ２の期間）に第１の信号を容量４
８−２に読み出しサンプルホールドする。

最後の期間（第９図Ｔ３の期間）に、第２の信号を容量
４８−３に読み出しサンプルホールドする。

この後、水平走査回路５が動作し、順次水平スイッチ６
が開閉するとスメア電荷と、２つの信号電荷が同時に読
み出される。この２つの信号電荷からスメア電荷を減算
することにより、スメア電荷を含まない垂直２画素の信
号電荷を得ることができる。

以上述べた様に、本実施例ではサンプルホールド回路並
びに出力回路を各垂直信号線ごとに複数個配列すること
により容易に２行同時読み出しをスメア差動法を実現で
きる。

本発明の第５の実施例を第１０図、第１１図を用いて説
明する。固体撮像素子には強い光があたった時、光電変
換素子１が飽和し、過剰となった電荷が垂直信号線４に
溢れ込み、スメアと同様に強い光が当った部分の上下に
白い帯状の復信号が現われて画質を劣化させる。これを
ブルーミング現象と呼んでいるが、この現象を抑圧する
手段として、実願昭５５−１３０２４０号公報に記載の
几ＡＢ回路がある。本実施例は、このＲＡＢ回路を本発
明において実現するものである。

第１０図は、本発明の第５の実施例の回路構成図を示す
。１〜６．９ならびに４１〜４７は第４図と同様であり
、１０１，１０２はブルーミング抑圧を行なうＲ，ＡＢ
回路のゲートとそのドレインである。第１１図は、本素
子の駆動パルスタイミングを示す。以下、本実施例の動
作を説明する。

水平ブランキング期間に入ると、Ｒ，ＡＢ回路のゲート
１０１に電圧を加え、続いてドレイン１０２にわずかな
電圧を加えて、垂直スイッチ２をわずかに開く。この結
果、飽和している光電変換素子１の電荷の一部は垂直信
号線４へ流れ出す。この後、ＲＡＢ回路のドレイン１０
２．ゲート１０１の順に電圧を低くして、垂直スイッチ
２を１閉”にする。この結果信号読み出し期間には光電
変換素子１は飽和以前の状態にあり、プルーミング現象
は生じなめ。なお、垂直信号線４に流れ出た電荷は、ス
メア電荷とともに素子外部に掃き出される。この後の動
作は第４図と全く同様である。

以上述べたように、本実施例では光電変換素子１から信
号を読む直前に、！＠和している光電変換素子の電荷の
一部を素子外部に掃き出して、光電変換素子１を非飽和
状態にできるのでブルーミング現象を抑圧できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＭＯ８型固体撮像素子の受光部に何ら
変更を加えることなく、ランダム雑音を低減することが
でき、かつ、スメア電荷の信号への混入する時間を短く
することができるので、高Ｓ／Ｎかつ低スメアの固体撮
像素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像素子の回路構成図、第２図、第
４図、第６図、第８図、第１０図は本発明の実施例を示
す図、第３図、第５図、第７図。 第９図、第１１図は駆動パルスのタイミングを示す図で
ある。 １・・・光電変換素子、２・・・垂直スイッチ、３・・
・垂直走査回路、４・・・垂直信号線、５・・・水平走
査回路、６・・・水平スイッチ、９・・・垂直ゲート線
、２１゜４１．４４・・・増幅器、２２，２３．４６・
・・サンプルホールドスイッチ、２４・・・差動用増幅
器、４７・・・出力用増幅器、２５・・・リセットスイ
ッチ、２６・・・リセットドレイン、２７．２８・・・
サンプルホールド容量、４２．４５・・・自己バイアス
用スイッチ、４３・・・カップリングコンデンサ、６１
・・・転送ゲート、６３・・・電荷人力用ドレイン、１
０１・・・几入Ｂ回路ゲー）、１０２・・・Ｒ，ＡＢ回
路ドレイン。　　・′ｉ＼Ｉ　　　）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２次元状に配置した光電変換素子と、該光電変換素子を
   選択する垂直スイッチ手段と、該垂直スイッチ手段の出
   力端を列毎に接続した垂直信号線と、該垂直信号線の選
   択を行なう水平スイッチ手段とから成る固体撮像素子に
   おいて、上記垂直信号線ごとに垂直信号線の電位をリセ
   ットするスイッチ手段と、該垂直信号線と該水平スイッ
   チ手段との間に該垂直信号線の電位を検知して増幅する
   増幅手段と、上記リセット後の空の垂直信号線電位と信
   号電荷のある時の垂直信号線の電位の差を出力する手段
   とを設けたことを特徴とする固体撮像素子。