JPS62295578A - 固体撮像装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体撮像装置に係り、特に高感度化に好適な
固体撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体加工技術の進展により、固体撮像素子を構成する
各フォトダイオードに水平、垂直の両ＭＯＳスイッチを
設けた２トランジスタ形のＭＯ３Ｏ３形素子が実現可能
となった。この２トランジスタ形のＭＯ３Ｏ３形素子を
用いた撮像装置は水平読み出しＭＯＳ形又は水平転送Ｍ
Ｏ３形撮像装置と呼ばれ、従来の１トランジスタ形のＭ
Ｏ３Ｏ３形素子における垂直スミア、水平ＭＯＳスイッ
チのチャンネルで発生する熱雑音によるランダム雑音（
ｋＴＣ雑音）を抑制し、解像度などの画質の点ではＮＴ
ＳＣ方式のビデオ信号規格の限界に近づいた良好な撮像
画を得ることができる。

上記水平転送ＭＯ３形撮像装置は、「テレビジョンン学
会技術報告（ＴＥＢＳ　１０　＜１３）　、Ｖｏｎ！、
９．Ｎｏ、４５．ＥＤ９３８、（昭和６１年２月）に記
載されているように、５００　Ｘ６００画素程度の画素
を構成するフォトダイオードに水平と垂直の２つのトラ
ンジスタから成るスイッチを設け、蓄積した光電荷を水
平と垂直の読出しパルスによって１ラインごとに水平信
号線に読み出し、つぎに、水平期間ごとに垂直スイッチ
を閉じて信号出力を取り出すようにしている。そして出
力された信号ば前置増幅器を経て後段の処理回路に供給
される。

〔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、その感度の点では、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照度の低下に伴い徐々
に画質が劣化し、ランダム雑音などの妨害も目立ってく
る。このランダム雑音の主たる発生場所は、前記文献に
も記載されているように、電圧負還形の前置増幅器であ
る。

すなわち、水平転送ＭＯＳ形の撮像装置においては、ｋ
ＴＣ雑音が大幅に減少したため、前置増幅器と素子内部
で発生する雑音が支配的となり、とくに前置増幅器の帰
還抵抗で発生する雑音がランダム雑音のほとんどを占め
るようになった。

本発明は、１−記装置増幅器で発生するランダム雑音を
減少させて、感度を高めた固体撮像装置を折供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、下記（１）（２）の手段を並用することに
より達成される。

（１）前置増幅器の電圧負帰還をやめて、いわゆる「電
圧続出し」方式にする。

（２）信号出力線のリセットは複数の画素について１回
とし、リセットとリセットの間では、信号電荷を信号出
力線に積算して読出す。この積算された信号を、後段で
微分または差分をとることにより原信号を再生する。

以下、第６図、第７図、第８図、第９図及び第１０図を
参照して、従来技術の読出し方式との対比で本発明の読
出し方式を説明する。

第６図は電流読出し方式の一従来例を示す一部ブロック
化した回路図、第７図は電圧読出し方式の一従来例を示
す一部ブロック化し、た回路図、第８図は本発明に採用
される電圧読出し方式を示す一部ブロック化した回路図
であって、１は固体撮像素子、２と３は雑音源、４，５
．６は増幅器、７は差動増幅器、８は帰還抵抗Ｒｆ、９
と１０はトランジスタ、１１は電圧源、１２は画素積分
回路、１３は遅延回路、１４は撮像素子の出力端子、１
５．１６．１７は増幅器の出力端子、１８は差動増幅器
の出力端子である。

第９図は第６図〜第８図に示した回路の動作を説明する
波形図、第１０図はランダ去雑音スペクトラムの撮像素
子出力電流換算値を示すグラフである。

第６図に示した電流読出し方式は従来のＭＯ３形撮像装
置によく用いられている信号読出し方式で、抵抗Ｒｆ８
を介して増幅器４の入力端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高速に
撮像素子の出力端子１４をリセットする。端子１４上の
信号電荷をリセットするために抵抗Ｒｆ上を信号電流ｉ
ｓが流れ、増幅器４の出力端子１５に信号電圧Ｒｆ−１
ｓが発生する。出力端子１５の信号波形を第９図（ａ）
に模式的に示す。

第６図の回路の雑音源は、撮像素子１の内部で発生する
雑音を除いて２と３である。雑音源２が増幅器４の等個
入力雑音で主として初段の増幅素子（通常ＪＦＦ、Ｔ）
で決まる。雑音源３が帰還抵抗Ｒｆで発生する熱雑音で
ある。それぞれの電圧スペクトラムをｎＩ＋”ｆｆｉ　
とおくと、ｎＩ＋　　ｎＺは次式で表わされる。

ｎ　＋”＝　４　ｋ　Ｔ　Ｒｅ　ｑ　　　　　・＝−−
（１）ｎｉ’＝４ｋＴＲｆ　　　　　　・・・・・・・
・・・・　（２）ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、
Ｒｅｑは増幅器４の等値入力雑音抵抗であり、大略５０
Ω前後である。

そして、Ｄ　Ｉ　＋　　ｎ　２による雑音の撮像素子出
力電流スペクトラム換算値Ｓ、、Ｓ、は以下の式で表わ
される。

Ｓ、”＝４ｋＴＲｅｑ（２πｆＣ）”　　−（３）Ｓｔ
”＝　４　ｋ　Ｔ／　Ｒｆ　　　　　・・・・・・・・
・・・・（４）ｆは周波数、Ｃは撮像素子出力端子の容
量で、大略１０ｐＦ前後である。

上記ｎＩ　＋　　ｎＺによる雑音の撮像素子出力電流換
算値’ｌ＋’２は（３）式、　（４）式を積分して求す
る。

１　ｚ”＝　４　ｋＴ　ｆ　ｏ／　Ｒｆ　　　　　・・
・・・・・・・・・・　（６）ここでｆｏはビデオ信号
帯域である。−例としてｆ、＝４．５Ｍ）（ｚ、Ｔｍ２
Ｏ３”Ｋ、、ＲｅＱ＝５０Ω、Ｃ−１ｏｐｒ、Ｒｆ＝Ｉ
ＭΩのときｉｌ＝　０．３２　ｎ　Ａ　ｒ　ｍ　ｓ　、
　］　ｔ　＝　０．２７　ｎ　Ａ　ｒ　ｍ　ｓとなり、
合計で０．４２ｎＡｒｍｓとなる。また、カラー撮像素
子で出力端子が４端子ある場合、撮像素子出力換算の雑
音電流の総和は０．８２ｎＡｒｍＳとなる。第１０図に
おけるＳｔ、Ｓｚは上記の条件下での雑音スペクトラム
を示す。

さて、雑音源２の影響を減じ、雑音源３を無くすには第
７図に示したような「電圧読出し」方式とするのが一案
である。これは措像素子出力容量Ｃにホールドし７た信
号電荷ｑ、による電圧を、電圧増幅器５でそのまま増幅
して出力するもので、増幅器５の利得を（−Ｇ）とする
と、出力端子１６の信号電圧はＧｑ、／Ｃとなる。

増幅器５の等個入力雑音電圧スペクトラムを、増幅器４
と同じ＜ｎｔ　としたが、これは共にその時代時代で最
も雑音の小さい増幅素子を初段に用いるのが当然だから
であり、増幅器４と５の本質的な違いは利得の値だけで
あることによる。また、雑音源２による雑音の撮像素子
出力換算の電流スペクトラムＳ、と電流ｌ、は次のよう
になる。

Ｓ３”＝　４　ｋＴＲｅ　ｑ　Ｃ”ｆ　ｓ”　　・−・
＝・・・（７）１２”＝　４　ｋＴＲｅ　ｑ　Ｃ２ｆ　
３”ｆ　ｏ　−−−（８）ｆｌは画素の読出し周波数で
、■水平走査期間に１出力端子あたりいくつの画素を出
力するかによって定まる。

さて、前記（５）式と（８）式の比をとれば「電圧読出
し」方式による雑音低減効果が判る。

すなわち、 ｆ、＝２ｆ、のとき５．２ｄＢ、、ｆ、＝ｆ。

（多線出力撮像素子を想定）のとき１１．２ｄＢの雑音
低減効果がある。

ところが、第７図の「電圧続出し」方式では、撮像素子
出力部の容ｆｆ１Ｃ上の信号電荷を各画素ごとにリセッ
トする必要があり、この動作により大きな雑音が発生す
る。トランジスタ９のゲートに第９図（ｂ）に示すよう
なリセットパルスＲＰ。

を印加することにより、容ｆｆ１Ｃ上の電位を各画素を
読出す前に電圧源１１の電位にリセットするのである。

端子１６の出力波形は第９図（ｃ）に示すような波形と
なる。なお、トランジスタ９は、便宜上撮像素子１の外
部に設けたが、素子１の内部に設けても良いことは言う
までもない。

さて、トランジスタ９のチャンネルで発生する熱雑音に
より容量Ｃ上に雑音電荷が発生する。この雑音電荷の二
乗平均値はｋＴＣであることが知られている。この雑音
による撮像素子出力換算の雑音１ｉｔ流スペクトラムＳ
４と雑音を流ｉ４は次のようになる。

Ｓ４”−２ｋ、ＴＣｆ　、　　　　　・・・・・・・・
・・・・（１０）ｉｎ”＝２ｋＴｃｆ、ｆｏ　　　　・
・・・・・・・・・・・（１１）この雑音の大きさ番よ
（８）式、　（９）弐との比をとってみると明白になる
。すなわち、（Ｓ＜／Ｓｓ）！＝（ｉ４／　ｉ３）”＝
　　（２Ｒｅ　ｑ　Ｃ，ｆ、）−’ ・・・・・・・・・・・・・・・（１２）Ｒｅｑを５０
Ω、Ｃを１０ｐＦとすれば、リセットによる雑音は増幅
器５の雑音に比べ、ｆ、＝９ＭＨｚとしても２０ｄＢ、
ｆｓ　’−４，５ＭＨｚでは２：ＭＢも大きくなる。

「電圧読出し」で低雑音効果を出すためには、このリセ
ット雑音を抑圧する必要がある。その手段として、本発
明ではリセットの顧度を減らし、例えば１水平走査期間
に１回、容量Ｃ上の電位をリセットするわけである。

すなわち、第８図の回路では、水平帰線期間中にトラン
ジスタ１０のゲートに第９１１Ｍ　（ｄ）に示すリセッ
トパルスＲＰ　ｚを印加し、容量Ｃ上の電位をリセット
する。その後、水平走査期間で順次撮像素子１を走査し
てゆく。それに伴ない、容量Ｃに信号電荷が順次蓄積さ
れてゆく。増幅器６の出力端子１７の波形は第９図（ｅ
）のようになる。

増幅器６の出力は、画素積分回路１２で１ｉｌｊ素ごと
に積分して、各画素のホールド時間を充分短くして信号
の高周波数成分の減少を回避した後、１画素分の遅延時
間を有する遅延回路１３と差動増幅器７とによって、１
画素遅らせた信号と遅延しない信号との差をとって正規
の信号波形を再生する。

出力端子１８における信号波形例を第９図（ｆ）に示す
。

第８図の回路では、トランジスタ１０によるリセット雑
音は、１水平走査期間、容量Ｃ上にホールドされており
、リセット頻度減少による雑音電流絶対量の減少に加え
て、差動増幅器７で差をとることにより完全に抑圧する
ことができる。雑音源２による雑音の撮像素子出力換算
の電流スペクトラムＳ、と電流ｌ、は次式のようになる
。

Ｓｓ”＝１６ｋＴＲｅｑＣ”ｆ３”ｓｉｎ’（πｆ／ｆ
ｓ　）　−（１３）・・・・・・・・・・・・（１４） １５を（８）弐のｌ、と比べると、ｆ９がｆｏまたは２
ｆｏのときに３ｄＢ増加しているが、（５）式の１．と
比べるとｆｓ−２ｆｏのとき２．２ｄＢ、ｆ、＝ｆ、（
多線出力撮像素子を想定）のとき８．２　ｄ　Ｂの雑音
低減効果がある７、リセット雑音も帰還抵抗Ｒｆによる
雑音も無いのであるから２．総合すれば大きな雑音低減
効果が得られる。

例えば４線出力のカラー撮像素子に適用する場合を想定
し、ｆｓ＝ｆ、＝４．５ＭＨｚ、、１．−１０ｐＦ、Ｒ
ｅｇ−５０Ω、Ｔ＝３００°にの場合ｉ５は０．１２ｎ
Ａｒｍｓ、４線を合計しても０．２４ｎＡｒｍｓであり
、第６図の従来例で見積った０、８２ｎＡｒｍｓに比べ
て１０ｄＢ以−Ｆの雑音低減効果がある。しかも低周波
の雑音がきわめて小さいのであるから、帯域の狭い色信
号の雑音？、こ対してはさらに大きな低域効果が得られ
る。

尚、画素積分回路１２を設けない回路も考えられるが、
その場合は信号の高周波成分が、１画素期間のホールド
によって減少する分だけ、高周波でのＳ／Ｎが劣化する
。また、この場合のように周波数に対して平坦なスペク
トラムを有する雑音の場合、画素積分による雑音増加は
ないこ止が確認されている。

第８図の回路で問題となるのは残像である。水平方向ｍ
番目の画素から容量Ｃに読出される信号電荷をＱ’ｍと
し、各画素の蓄積容量をＣｐとすると、１番目の画素を
選択したときにその画素に残る電荷Ｑｒｌは、Ｃｐ　＜
　Ｃであるので以下のようになる。

！ 静止画の場合はＱｒｌが変化しないため、不要な電荷は
読出されないが、動画ではＱｒｌのフィールド間の変化
分が読出され、残像に僚た現象が発生する。Ｃｐ／Ｃを
１０−３．１出力線にあたりの水平画素数を２５０とす
ると、画面の右端では平均信号電荷の１フイ一ルド間の
変動の（−１／４）の電荷が読出されることになる０通
常、平均信号電荷の変化はゆるやかであり、第８図の回
路のままでも実用上大きな問題になるとは思えないが、
この問題を解決する手段を以下説明する。

まず水平走査終了後、（１５）式で与えられる残留電荷
Ｑｒｌをリセットする手段を設ける。これは例えばリセ
ットパルスＲＰ、が高レベルにあるときに水平走査回路
の出力をすべて高レベルにすることで達成できる。この
とき水平方向１番目の素の信号電荷ＱＩｔは、容量Ｃに
読出される電荷ＱＭと画素に残る電荷Ｑｒ１との和とな
り、次の式で表わされる。

！ したがって、差動増幅器７で１画素遅らせた信号と差を
とるときに、原信号と遅延信号に若干の重みをつけ、原
信号を（１＋Ｃｐ／Ｃ）倍にするか、遅延信号を（１−
Ｃｐ／Ｃ）倍にして差をとればよい。

これを、式で表わすと以下のようになる。

撮像素子の信号読出しを電圧読出し方式とすることで前
置Ｊ！！幅器の帰還抵抗で発生するランダム雑音をなく
すと共に、撮像素子の信号出力線のリセット顛度を減ら
し、このリセットとリセットとの間で、信号電荷を信号
出力線に積算して読出し、かつ、後段で微分又は差分を
とることにより、リセット雑音を完全に抑圧できる。

（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図は本発明の固体撮像装置の第一の実施例を示す回
路図であって、２０はフォトダイオード、２１〜２３．
４０〜５０，１０１，１０２はトランジスタ、３Ｂ、３
９．５１〜５４は電圧源、５５゜５６は電流源、５７〜
６０．７８〜８１はコンデンサ、６１〜７７は抵抗、２
４は信号出力線、２８は水平信号線、３０は水平走査回
路、３１は垂直走査回路である。

第２図は第１図の動作を説明するタイミングチャートで
あり、第１図と同一符号は同一部分の信号波形を示す。

次に、第１図の回路を第２回のタイミングチャートを参
照して説明する。

先ず、水平信号線２８と信号出力線２４を水平帰線期間
中１１セツトパルスＲＰ２のタイミングで電圧源１１の
電圧にリセットする。水平走査期間に信号出力線２４に
順次積算される画像情報を、まずトランジスタ４０で増
幅する。次にトランジスタ４１．４３〜４５から成る画
素積分回路でサンプリングして直し７て信号をホールド
することによる高周波レスポンスの低下をなくす。なお
、画素積分回路について番オ特開昭５６−５１１６６号
に詳しく記載されている。画素積分回路の出力と、この
出力をもう一段画素積分回路を浦して１画素遅延させ極
性反転した信号とを抵抗７０．７１で加算する。この加
算割合は、例えば抵抗７１を調整することにより、正し
い両件信号が得られるように定める。この信号を１〜−
７ンジスタ４９，５０で増幅して端子１８に出力する。

第３図は本発明の第二の実施例を説明する図で、残像を
抑圧するための回路構成を示し、（ａ）は第１図におけ
る水平走査回路３０の一回路例、（ｂ）はそのタイミン
グチャートであって、波形の符号は同図（ａ）の同一符
号部分の波形を示す。

同図（ａ）において、９０はプートストラップ容量、９
１〜９６がトランジスタである。

水平帰線期間の最初の期間で、前の走査期間の行選択パ
ルスがまだハイレベルにあり、かつＲＰｔがハイレベル
である期間、すなわち前記第２図の期間Ｔ、に、水平走
査回路３０の入力、Ｈｌ、Ｈ２、Ｈ３，Ｈｉｎをすべて
ハイレベルとする。これにより水平走査回路３０の出力
、ｈ、、ｈ！。

ｈ３がすべてハイレベルとなり、前の水平走査期間で選
択された行の画素をリセットする。そして第１図中の抵
抗７１の値を調整することにより、残像のない正しい画
像信号を再生することができる。

第４図は本発明の第三の実施例を示す回路図であり、撮
像素子の出力をすぐ微分することにより、第１図の一実
施例と比べて低い電源電圧で装置を働かせるようにした
ものであって、１１０はインダクタ、１１１，１１２は
電圧源、】】３は増幅器、１１４は出力端子である。

第５図は本発明の第四の実施例を示す回路図であって、
３２はローパスフィルタ、３３は直流再生回路、３４は
検波回路、８２はトランジスタ、８３は電圧源、８４は
抵抗、１つは出力端子であり、第１図と同一符号は同一
部分を示す。同図のものも装置の電源電圧を下げること
を意図した例である。同図においては、第１図の一実施
例の装置の出力をローパスフィルタ３２を通し、た後、
直流再生回路３３で直流再生して端子１つから出力する
。この出力信号を検波回路３４で平均値検波して平均信
号電流の情報を得ろ。この情報をトランジスタ８２に帰
還し、平均信号電流に応じて信号出力線２４に供給する
電流を制御する。すなわち平均信号電流が多くなればな
る程、信号出力線２４に供給する電流を増ｔ７、信号出
力綿２４の電圧変動を少なくする。これにより装置の電
源電圧を下げるごとができる。尚トランジスタ８２、抵
抗８４を介Ｌ７て信号出力線２４に直流電流を供給した
分は、直流再生回路３３で補正する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、前置増幅器で発
生するランダム雑音を１０ｄＢ以上減少させることで高
感度の固体撮像装置を実現することができ、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でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す回路図、第２図は
第１図の動作を説明するタイミングチャート、第３図は
本発明の第二の実施例を説明する図で（ａ）４才第１図
における水平走査回路（ｂ）はその動作を説明するタイ
ミングチャート、第４図は本発明の第三の実施例を示す
回路図、第５図は本発明の第四の実施例を示す回路図、
第６図は電流読出し方式の一従来例を示す一部ブロック
化した回路図、第７図は電圧読出し方式の一従来例を示
す一部ブロック化した回路図、第８図は本発明に採用さ
れる電圧読出し方式を示す一部ブロック化した回路図、
第９図は第６図〜第８図に示した回路の動作を説明する
波形図、第１０図はランダム雑音スペクトラムの撮像素
子出力電流換算値を示すグラフである。 １・・・撮像素子、２．３・・・雑音電圧源、４〜７・
・・増幅器、８・・・帰還抵抗、９．１０゜４０〜５０
．２１〜２３，１０１，１０２，８２゜９１〜９６・・
・トランジスタ、１１．　３８．３９゜５１〜５４，８
３，１１１．１１２・・・電圧源、５５．５６・・・電
流源、５７〜６０．７８〜８１・・・コンデンサ、６１
〜７７．８４・・・抵抗、２０・・・フォトダイオード
、２４・・・信号出力線、２８・・・水平信号線、１４
〜１９，１１４・・・端子、９０・・・ブートストラッ
プ容量、１１０・・インダクタ。 第１図 第？Ｌ ？に平％週制関　　７ト平り亘期開 第６図　　　　　第７図 第８図 （ｅ）−一一−−一一一一一一、−−一一一一−−−−
−゛′−−−−−−−−−−−′−−−−−−一一一一
一′第１０図 ＋−−− １１／ｆ、　１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光電変換素子と走査用スイッチとから成る複数の画
   素と、該画素を走査するための走査回路と、該光電変換
   素子で発生する信号電荷を出力するための単数または複
   数の信号出力線と、該信号出力線に発生する信号電圧を
   増幅する増幅器とから成る固体撮像装置において、該信
   号出力線の電位を複数の画素を読出した後にリセットす
   るリセット手段と、該増幅器の出力を差分または微分す
   る手段とを有することを特徴とする固体撮像装置。