JPS6358968A - 電荷結合素子 - Google Patents

電荷結合素子

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JPS6358968A
JPS6358968A JP61204498A JP20449886A JPS6358968A JP S6358968 A JPS6358968 A JP S6358968A JP 61204498 A JP61204498 A JP 61204498A JP 20449886 A JP20449886 A JP 20449886A JP S6358968 A JPS6358968 A JP S6358968A
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JP
Japan
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clock
coupled device
charge
output
level
Prior art date
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JP61204498A
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English (en)
Inventor
Masaaki Kimata
雅章 木股
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPS6358968A publication Critical patent/JPS6358968A/ja
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    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C19/00Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers
    • G11C19/28Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements
    • G11C19/282Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements with charge storage in a depletion layer, i.e. charge coupled devices [CCD]
    • G11C19/285Peripheral circuits, e.g. for writing into the first stage; for reading-out of the last stage

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】 [産業上の利用分野] この発明は、電荷結合素子に関し1、特に、電荷結合素
子の出力回路部分の改良に関するものである。
[従来の技術] 第3図(a)は従来の電荷結合素子の出力部分の構成を
示す図で、1は第1導電型の半導体基板、2.3および
4はゲート電極、5および6は半導体基板と異なった第
2導電型の高濃度不純物領域である。ゲート電極2には
、電荷転送用の駆動クロックの1つφHが印加されてお
り、ゲート電極3には直流電圧VGoが印加され、ゲー
ト電極4にはリセットクロックφRが印加される。また
、不純物領域6にはリセット電源VRが接続される。
不純物領域5は、フローティングディフュージョンと呼
ばれ、同じ半導体基板1上に形成された出力用のソース
フォロアのトランジスタTroのゲートと接続されてい
る。トランジスタTroのドレインには、ソースフォロ
ア用の電源vOが印加される。このトランジスタのソー
スは出力DOとなっており、該ソースは負荷抵抗Roを
介して接続されている。
次に、動作について説明する。第3図(b)〜(d)は
、それぞれ、第4図のクロックタイミング図のt、〜t
、に相当する時刻の、第3図(a)の各部分のポテンシ
ャルを示す図である。
まず、第4図の時刻t1では、クロックφHはハイレベ
ルであり、ゲート2の下には、第3図(b)に示すよう
に、ポテンシャル井戸が形成されており、信号電荷Qが
蓄積されている。同時に、クロックφRがハイレベルと
なっており、ゲート4ならびに領域5および6で構成さ
れるMOSトランジスタはオン状態となり、領域5およ
びそれにつながるトランジスタTroのゲート電極の各
電圧はVRのレベルにリセットされている。
次に、第4図の時刻t2では、クロックφRがローレベ
ルとなり、ゲート4ならびに領域5および6で構成され
るMOSトランジスタはオフとなる(第3図(C)参照
)。クロックφRがハイレベルからローレベルへ変わる
とき、ゲート4と拡散領域5との容量結合により、領域
5の電位は低下する。クロックφOがローレベルの期間
中は領域5につながるノードはフローティングとなる。
次に、第4図時刻t、において、クロックφHがローレ
ベルになると、ゲート2下のポテンシャル井戸に蓄えら
れていた信号電荷Qが領域5に読出され(第3図(d)
参照)、領域5のノードの電位を変化させる。これがソ
ースフォロアトランジスタTroを通して読出される。
[発明が解決しようとする問題点コ 以上のような従来の電荷結合素子の出力回路では、リセ
ット用のゲート4ならびに領域5および6で構成される
MOSトランジスタのオン抵抗に起因した雑音がフロー
ティングディフュージョン5をリセットするたびに生じ
る。このような雑音に関する詳細は、たとえばCarn
es  andKosonockyにより、RCA  
Review、Mo1.33.pp、327−343に
詳述されている。
この雑音は、kTC雑音と呼ばれ、フローティングディ
フュージョン5の容量に依存するが、信号の小さな領域
では、この雑音が電荷結合素子の性能を決める最大の要
因となる。よって、このような雑音は極力除去もしくは
低減されることが好ましい。
この発明は、上記kTC雑音を除去するようになされた
もので、従来の出力回路構成を用いたまま、二重相関サ
ンプリング(この二重相関サンプリングに関しては、た
とえばWhite他、IEEE  J、of  5ol
id−3tate  C1rcuits、Vol、5C
−9,ppl−13を参照)のような高速のクロックを
用いることなく、小信号領域でのS/N比を改善できる
電荷結合素子を得ることを目的とする。
[問題点を解決するための手段〕 この発明に係る電荷結合素子は、リセットクロックφR
の周期を、たとえば電荷結合素子の駆動クロックφHの
周期の整数倍とする等、信号の小さい場合にリセットク
ロックφRの周期を長くすることによって、雑音を低減
させたものである。
[作用] この発明における電荷結合素子の出力回路は、信号が出
力回路の飽和レベルに比べて十分小さく、複数の信号が
出力回路に注入されても飽和しないとき、信号が出力さ
れるごとにリセットの動作をせず新しい信号は前の信号
に加算されて出力されるように動作させる。
[発明の実施例] 以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第1図において、リセットクロックφRは、スイッチ7
を介してゲート電極4に与えられるようになっている。
すなわち、リセットクロックφRは、スイッチ70入力
端子71に与えられ、スイッチ7の出力端子73はゲー
ト電極4につながっている。スイッチ7の制御端子72
には、制御クロックφCが与えられている。ここに、ス
イッチ7は、たとえばアンドゲートであって、スイッチ
7によってリセットクロックφRと制御クロックφCと
の論理積がとられる。スイッチ7は、半導体基板1の上
に形成してもよいし、半導体基板1の外部に設けてもよ
い。
その他の構成は、第3図で説明した従来の装置と同様で
ある。すなわち、1は第1導電型の半導体基板、2.3
および4はゲート電極、5および6は半導体基板1と異
なった第2導電型の高濃度不純物領域である。ゲート電
極2には電荷転送用の駆動クロックの1つφHが印加さ
れ、ゲート電極3には直流電圧VGoが印加される。不
純物領域5にはリセット電源VRが接続される。不純物
領域6は、フローティングディフュージョンと呼ばれ、
同じ半導体基板1上に形成された出力用のソースフォロ
アのトランジスタQOのゲートと接続されている。トラ
ンジスタQoのドレインにはソースフォロア用の電源V
oが印加され、そのソースは負荷抵抗Roを介して接地
されている。また、トランジスタQoのソースは出力端
子Doとなっている。
次に、第1図の回路の動作について説明をする。
第2図は、第1図の回路における各部に与えられるクロ
ックの変化および出力を示すタイミング図である。この
タイミング図のうち、クロックφHおよびクロックφR
は、従来の装置と全く同じタイミングで与えられるもの
であるが、制御クロックφCは、駆動クロックφHが3
サイクル繰返すごとに1回入力されるようなりロックに
なっている。この例では、駆動クロックφHと制御クロ
ックφCのパルス幅は等しくなっているが、制御クロッ
クφCはリセットクロックφRを1パルスだけ含むパル
ス幅のものであればよい。
スイッチ7の制御端子72に入力されるクロックφCが
ハイレベルのときにリセットクロックφRがスイッチ7
へ与えられると、スイッチ7の出力端子73からハイレ
ベル信号が導出されて、ゲート4にリセット信号が与え
られ、トランジスタQOの出力DOは最も高電位となる
(第2図(d)参照)。スイッチ7の出カフ3、つまり
クロックφRとクロックφCのアンド出力がローレベル
に変位するとき、ゲート電極4とフローティングディフ
ュージョン6との間の容量結合により、出力電位Doは
そのレベルがやや低下する(第2図(e)参照)。その
後、クロックφHがローレベルになると、電荷結合素子
内の電荷がフローティングディフュージョン6へ読出さ
れる。応じてトランジスタQoの出力Doのレベルが所
定のレベルに下がる(第2図(a)参照)。そして、出
力Doのレベルはそのまま保持され、クロックφHが一
度ハイレベルとなり再度ローレベルとなるとき、その立
下がりで電荷結合素子内の次の信号電荷がフローティン
グディフュージョン6へ読出されるので、それに応じて
出力トランジスタQOの出力Doのレベルが変化する(
第2図(b)参照)。そして、出力レベルDoはその状
態でまた保持される。さらに、クロックφHがもう1サ
イクル進むと、出力レベルDoはさらに変化する(第2
図(C)参照)。このように、トランジスタQ。
の出力レベルDOは、駆動クロックφHの立下がりに応
じて、(a)−(b)−(c)と、順次変化する。
次に、クロックφCが再びハイレベルとなり、リセット
クロックφRがハイレベルとなると、出力Doは再びリ
セットされる。
以上述べたように、制御クロックφCによって、リセッ
トクロックφRの出力が制御され、駆動クロックφHの
3サイクルに一度だけリセットクロツクφRが電極4に
与えられてトランジスタQ。
の出力Doがリセットされるようになっているので、出
力レベルが変化する期間(a )から期間(b)への変
化時、期間(b)から期間(e)への変化時にはフロー
ティングディフュージョン6のリセット動作が行なわれ
ず、前述したkTC雑音は生じない。したがって、第2
図におけるA。
BおよびCの各タイミングで出力信号レベルをサンプリ
ングし、BとAとの出力の差およびCとBとの出力の差
を求めることにより、雑音の少ない信号を得ることがで
きる。
なお、φCがハイレベルとなり、リセットパルスφRが
入力された直後では上述の効果はないが、出力回路の飽
和が信号に比べて非常に小さい場合は、制御クロックφ
Cの周期を長くできるので、電荷結合素子の最も重要な
応用の撮像素子などでは、画素のわずかな部分の雑音が
従来レベルとなるだけで、制御クロックφCが画素の位
置に対して固定したタイミングで入力されないよう注意
すれば、画面全体の雑音は小さくすることが可能である
また、第2図において、(a)の期間の信号を得るには
、オプティカルブラックのような基準レベルを持った出
力との差を作ればよい。
制御クロックφCは信号のレベルに応じて同一周期(そ
の周期は信号レベルに応じて決める)で入力してもよい
し、また、出力レベルDoをモニタして、レベルが基準
値以下に低下したときに、制御クロックφCを入力する
ようにしてもよい。
さらにまた、S/N比を改善するために、たとえば撮像
素子では、解像度を犠牲にし、リセット動作1回か1画
素に対応するように、第2図において、期間(C)のC
のみをサンプリングするようにしてもよい。
なお、上記説明では、スイッチ7を介してリセットクロ
ックφRをゲート電極4へつなぎ、スイッチ7へ与えら
れる制御クロックφCによってリセット動作を制御した
が、他の方法によりリセットクロックφRの周期を電荷
結合素子の駆動クロックφHの周期の整数倍となるよう
にすることによって同一の効果を得ることができる。
f発明の効果] 以上のように、この発明によれば、リセット動作を電荷
結合素子の駆動クロック周期より長くし、リセット動作
時に生じるkTC雑音を低減でき、S/N比の良い電荷
結合素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例による電荷結合素子の出
力回路部分を示す図である。 第2図は、第1図の回路の動作を説明するためのタイミ
ング図である。 第3図は、従来の電荷結合素子の出力回路部分の図およ
び各部分の電荷容量を示す図である。 第4図は、′!P、3図の回路の動作を説明するための
タイミング図である。 図において、°1は半導体基板、2,3.4はゲート電
極、5.6は不純物領域、7はスイッチを示す。 第1図 84図

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)リセット用のMOSトランジスタのドレイン部分
    を電荷検出用の容量として用いるフローティングディフ
    ュージョンアンプを出力回路に備えた電荷結合素子であ
    って、 前記リセット用のMOSトランジスタに加えられるリセ
    ットクロックの周期が、前記電荷結合素子の駆動クロッ
    クの周期よりも長くされていることを特徴とする、電荷
    結合素子。
  2. (2)前記リセットクロックの周期は、前記電荷結合素
    子の駆動クロックの周期の整数倍にされていることを特
    徴とする、特許請求の範囲第1項記載の電荷結合素子。
  3. (3)前記リセットクロックは、前記電荷結合素子の出
    力電圧が予め定める一定値以下になるごとに与えられる
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第1項記載の電荷結
    合素子。
  4. (4)前記リセットクロックの周期は、前記電荷結合素
    子の信号量が少なくなることに比例してその周期が長く
    なるようにされていることを特徴とする、特許請求の範
    囲第1項記載の電荷結合素子。
  5. (5)前記リセットクロックの周期で、前記電荷結合素
    子の出力信号がサンプリングされるようにしたことを特
    徴とする、特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれ
    かに記載の電荷結合素子。
  6. (6)前記電荷結合素子の駆動クロックの周期で、電荷
    結合素子の出力信号がサンプリングされるようにしたこ
    とを特徴とする、特許請求の範囲第1項ないし第4項の
    いずれかに記載の電荷結合素子。
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