KR20010095147A - 전하량검출회로 및 이를 사용한 ２차원화상센서 - Google Patents

전하량검출회로 및 이를 사용한 ２차원화상센서 Download PDF

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KR20010095147A
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마찌다 가쯔히꼬
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Abstract

전하량검출회로는, 저역필터회로를 구성하는 요소의 일부 및 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부가 공통으로 사용된다. 이와 같이 함으로써, 전하검출증폭기의 후단에 저역필터회로를 제공하고, 다시 그 후단에 전압증폭회로를 제공한 전하량검출회로에 있어서, 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부를 공유하는 저역필터회로를 제공함으로써, 칩사이즈의 증대를 가능한 한 억제하고, 또한 이에 따라 칩비용의 증대도 가능한 한 억제한다.

Description

전하량검출회로 및 이를 사용한 ２차원화상센서{CHARGE AMOUNT DETECTION CIRCUIT AND TWO-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR USING SAME}
본 발명은 X선 센서 등의 화상센서 등에 사용되는 전하량검출회로 및 그것을 사용한 2차원 화상센서에 관한 것이다.
일반적인 2차원행렬구조의 화상센서의 개략적 구성을, 도13 및, 본 발명을 설명하기 위한 도면인 도1 내지 도9를 참조하여 설명한다. 이 화상센서는, 예컨대 X선을 검출하는 X선 센서로서 기능하며, X선 진단장치 등으로 사용할 수 있다.
도1에 보인 화상센서(48)는, 유리기판(50)상에, 광전변환층(54) 및 바이어스전극(52)이 형성되고 구성되어 있다. 광전변환층(54)은, 예를 들면 비정질 셀렌(이하 a-Se라 한다)의 박막 등으로 형성되어 있고, 바이어스전극(52)은 X선을 투과하는 금속막, 예를 들면 금 등의 도체막으로 형성되어 있다. 유리기판(50)의 광전변환층(54)측의 면에는, 행렬상으로 배치된 화소전극(56),축적용량(화소용량)(17) 및 스위치소자(18)와, 주사선(행)(10) 및 데이터선(열)(12)이 형성되어 있다. 또한, 주사선(10)및 데이터선(12)은, 각각 주사구동기(게이트드라이버)(14) 및 판독 회로(16)에 접속되어 있다.
이와 같이, 화상센서(48)는, 광전변환층(54)과 축적용량(17)을 주체로 한, X선 등의 광자를 전하로 변환하여 축적하는 광전변환부와, 그 광전변환부로부터의 전하의 신호를 판독하는 판독회로(전하량검출회로)(16)를 구비한 구성으로 되어있다.
화소전극(56)은, 스위치소자(18)를 통해 데이터선(12)에 접속되어 있고, 스위치소자(18)의 스위칭동작은 주사구동기(14)로부터 주사선(10)을 통해 공급되는 전압에 의해 행하여진다. 따라서, 스위치소자(18)로서 일반적으로 사용되는 박막트랜지스터(이하, TFT라 함)의 경우에는, TFT의 소스는 화소전극(56)에, 드레인은 데이터선(12)에, 게이트는 주사선(10)에 각각 접속된다. 이하에서 스위치소자(18)로서는 TFT가 사용되는 것으로 하여 설명한다.
도2는 도1의 A-A선 단면도이다. 절연막(58)을 개재하여 화소전극(56)과 대향하는 위치에 보조전극(60)이 제공되어 있고, 화소전극(56)과의 사이에서 축적용량(17)을 구성하고 있다. 이 보조전극(60)은, 전체 화소(22)에 있어서 공통의 기준전위(Vref)로 되도록 배선되어 있다. 또한, 바이어스전극(52)은 화소전극(56)에 대하여 고전압, 예컨대 수천 볼트를 인가할 수 있도록 되어 있다.
상기와 같은 화상센서(48)에, X선 광자(68)가 바이어스전극(52)측으로부터 입사하면, 바이어스전극(52)을 투과한 X선 광자(68)는, 광전변환층(54)에 있어서 전자와 정공의 쌍을 발생시킨다. 여기서, 바이어스전극(52)에 정의 전압이 인가되어 있을 때는 정공이, 부의 전압이 인가되어 있을 때는 전자가 화소전극(56)측으로 이동하고, 광자(68)의 입사위치에 대응하는 위치에 있는 화소전극(56)에 달한다.화소전극(56)에 달한 정공 또는 전자는 축적용량(17)에 유지된다. 축적용량(17)에서 유지된 정 또는 부의 전하(이하, 신호전하라 함)는, TFT로 이루어지는 스위치소자(18)가 ON으로 됨으로써 데이터선(12)에 유출하고, 데이터선(12)에 접속된 판독 회로(16)에 의해 그 전하량(신호전하량)이 판독된다.
주사구동기(14)가 소정의 한 본의 주사선(10)에 "하이"레벨의 전압을 출력하면, 그 주사선(10)에 접속된 모든 TFT가 ON상태로 되고, 각 축적용량(17)에 유지되어 있는 신호전하가, 대응하는 각각의 데이터선(12)에 유출된다. 주사구동기(14)가 각 주사선(10)에 순차적으로 "하이"레벨의 전압을 출력함으로써 모든 화소전극(56)의 데이터가 판독되고, 한 매의 화상데이터의 판독이 행하여진다.
상기 화상센서(48)에 사용되는 판독회로(16)에 관해 설명한다. 도3은 전하량의 판독에 사용되는 전하검출증폭기(charge sensitive amplifier, 이하 "CSA"라 함)(20)의 기본적인 구조를 도시한 회로도이다. 연산증폭기(20a)의 반전입력과 출력은 귀환용량(20b)을 통해 서로 접속되어 있고, 부귀환회로를 구성하고 있다. 또한, 귀환용량(20b)과 병렬로 리셋 스위치(20c)가 접속되어 있고, 귀환용량(20b)에 축적된 전하를 방전하여 리세트할 수 있다. 데이터선(12)은 연산증폭기(20a)의 반전입력에 접속되어 있고, 비반전입력은 기준전위인 GND에 접속되어 있다.
도4는, TFT로 이루어지는 스위치소자(18)와 축적용량(17)을 포함하는 하나의 화소(22)를 판독하기 위한 등가회로도이고, 도5는, 도4에 있어서의 판독 동작의 타이밍 및 CSA(20)의 출력전위를 나타내는 그래프이다. 도4에 있어서, 화소(22)는 제 i 행째의 주사선(10)인 주사선(10 i) 및 제 j 열째의 데이터선(12j)에 접속된화소인 것으로 한다. 또, Cd1은 데이터선(12j)의 용량을 나타낸다. 도5에서, G(i)는 주사선(10i)에 출력되는 전압을 나타내고, Rst는 리셋 스위치(20c)에 출력되는 리세트신호를 나타낸다.
판독 동작은, 우선 리셋 스위치(20c)가 ON으로 되는 것으로 개시된다 (A 기간). 이에 의해 그 이전의 동작에서 귀환용량(20b)에 축적되어 있던 전하를 방전하여 리세트하고, CSA(20)의 출력전위는 GND 즉 0으로 된다. 다음, Rst가 "로우"레벨로 되고(D 기간), G(i)에 "하이"레벨의 전압이 출력되어 TFT의 스위치소자(18)가 ON으로 되어, 축적용량(17)에 축적되어 있던 신호전하(-Q)가 데이터선(12j)으로 유출한다. 연산증폭기(20a)는, 데이터선(12j)에 유출된 전하(-Q)가 모두 귀환용량(20b)의 입력측의 전극에 모이도록 동작하고, 그 결과, 귀환용량(20b)의 출력측의 전극에는, 등량으로 역극성의 전하(+Q)가 나타난다. 결국, CSA(20)의 출력에는, 신호전하에 대응하는 전하인 Q를 귀환용량(20b)의 용량치로 할당한 전위가 나타난다(B 기간). 이 전위를 판독함으로써, 신호전하량을 전위로서 검출할 수 있다. 그 후, 이 행의 G(i)에 "로우"레벨의 전압이 출력되고 나서 잠깐동안(C 기간), 다음 행의 판독 동작를 위해 Rst가 재차 리세트되고, 이에 따라 CSA(20)의 출력전위는 GND에 복귀된다.
여기서, 상관 2중 샘플링(correlated double sampLing : 이하 CDS라 함)으로 칭해지는 전위판독 방법에 관해 간단히 설명한다. 만일, 도4에 도시한 판독 회로계가 완전하면, C 기간에서 판독된 전위는 정확히 신호전하량에 상당할 것이다. 그러나 실제로는, 리세트 후의 D 기간에 있어서, CSA(20)의 출력전위는 완전히 GND로는되지 않고, 옵셋이 존재한다. 옵셋의 원인으로서는, 연산증폭기(20a) 자체가 갖는 플리커 잡음이나 옵셋, 리셋 스위치(20c)나 TFT(스위치소자;18)의 개폐에 따른 필드 스루(field through) 현상 등이 있다. 필드 스루 현상이란, M0S 스위치에 본질적으로 수반되는 현상으로, ON시에 게이트·소스간 용량과 게이트·드레인간 용량에 의하여 구속되어 있던 채널전하가, 게이트전압이 저하함에 따라 그 구속이 해제되어 드레인과 소스의 회로측으로 유출하는 현상이다.
상기 CDS는, 도5의 smp1과 smp2로 도시한 타이밍에서 CSA(20)의 전위를 각각 판독, smp 2에서 판독된 전위와 smp1에서 판독된 전위의 차를 구함으로써, smp1과 smp2 사이의 기간에서의 CSA(20)의 전위변동량을 정확히 구할 수 있다. CDS를 행함으로써, D 기간에 존재하는 옵셋을 제거할 수 있다는 것은, 즉, D 기간에 있어서의 옵셋이 0으로 되는 이상 회로계에 있어서, C 기간에 1회만 전위를 독출하는 경우와 등가로서 취급할 수 있다는 것이다. 또, CDS는 본 발명과는 직접적인 관계가 없기 때문에, 이하에서는 설명의 단순화를 위해, CDS에 의해 등가로서 취급할 수 있는 이상적인 회로계에서, 판독을 C 기간에 1회만 하는 것으로 하여 설명한다.
도13에, 신호전하가 디지털 데이터로서 출력되기까지의 1입력대응의 판독 회로(이하, 단위판독 회로라 함)의 회로구성도를 나타낸다. CSA의 출력은 필요에 따라 전압증폭회로(메인앰프)(MA)에 의해 증폭되고, 샘플 홀드회로(S/H)에서 샘플 및 홀드된다. 홀드된 데이터전압은 멀티플렉서를 통해 AD (아날로그/디지털)변환기(ADC)로 입력되어 디지털치로 변환되고, 데이터래치회로(DL)에 유지된다. 또, 멀티플렉서는, 1개의 ADC에 복수의 입력단자를 할당하기 위해 사용되는 것으로 회로에 필수적인 것은 아니다. 따라서, 예컨대 각 입력단자에 l 대 1로 대응하여 ADC를 구성하는 경우에는 불필요하다.
MA는, CSA의 출력전압이 작은 경우에, 그 이후의 회로가 동작하는 데 충분한 크기의 전압범위까지 신호전압을 증폭하기 위해 제공되고 있다.
X선 촬영장치가 일반적인 용도인 정지화상촬영(촬영모드)인 경우에는 조사하는 X선의 양이 충분히 크다. 따라서 그 데이터의 신호전하량도 크고, CSA에 충분히 큰 전압이 나타나기 때문에, MA는 반드시 필요하지 않다. 그러나, 동화상을 얻기 위한 촬영(투시모드)의 경우에는, 초단위로부터 분단위 동안, X선을 계속 조사할 필요가 있어, X선의 총 조사량을 억제하기 위해, 촬영모드보다 2자리수만큼 약한 X선이 쓰이고 있다. 따라서, 투시모드에서의 신호전하량은, 촬영모드에 비하여 지극히 작고, MA가 필요해 진다. 또, 도13에서는 MA를 1개의 블록으로 나타내고 있지만, 증폭율에 따라서는 2단 이상의 구성이 사용되는 경우도 있다.
도6에, 전형적인 MA의 구성예를 도시한다. 도6은 오피앰프의 반전증폭회로를 사용한 것으로, 저항 Rb와 Ra의 비(Rb/Ra)에 의해 증폭율이 결정된다.
도7은 a-Se 광전변환층의 X선량(X선 강도)에 대한 신호전하량의 예를 도시한다. 또, 종축의 절대치는, 광전변환층의 막두께, 인가되는 바이어스전압, 화소사이즈에 의해 변한다. 직선 A는 신호전하량이고, 직선 B는 양자화 잡음이다. 본 예의 경우, 0.1μR의 X선량에서는 신호전하량은 8000 e-rms 정도밖에 발생하지 않지만, 선량이 30μR인 경우에는 1,000,000 e-rms 정도의 신호전하량이 발생한다. 또, 1R(Roentgen)은, 1 cm3의 공기에 단위전하를 발생시키는 데 필요한 X선의 방사선량으로, 2.58×1O-4C/kg에 상당한다. 또한, e-rms는, rms(root mean square)로 나타낸 전자수로, 환언하면, 발생(검출)하는 전자수의 기대치이다. 여기서, 0.1 μR는, 투시모드에 있어서의 최저선량이고, 30 μR은 촬영모드에 있어서의 최저선량인 것을 고려하면, 투시모드에서 발생하는 신호전하량은, 촬영모드의 그것에 대하여 거의 1/100정도의 크기로 되는 것을 알 수 있다. 이를 CSA(20)의 출력에 나타나는 전압으로 환산하면, 귀환용량(20b)을 l0 pF로 한 경우, 각각 0.128 mV, 16 mV로 된다. 이 경우, MA의 배율을 100배 정도로 설정함으로써, 샘플 홀드회로 S/H 이후의 동작전압범위를 촬영모드와 거의 동일하게 할 수 있다.
그런데, 발생하는 양자 잡음은, 신호전하량에 대하여 1/2의 기울기로 증가하고 있어, 선량이 강할수록 잡음이 상대적으로 작게 된다. 일반적으로 촬영모드에서는 투시모드의 300배 정도의 선량이 사용되고 있고, 이 경우, 촬영모드의 양자 잡음은 투시모드의 양자 잡음에 대하여 상대적으로 1/17 만큼 작게 된다는 것을 의미한다. 반대로 말하면, 투시모드에 있어서의 잡음은, 촬영모드의 경우에 대하여 훨씬 엄한 대책을 필요로 하는 것을 알 수 있다.
다음, 판독회로(16)에 의해 발생하는 잡음에 관해 설명한다.
CSA(전하검출증폭기: 20)를 구성하는 연산증폭기(20a)는, 그 자체가 잡음전력을 발생한다. 그 주된 요인은, 연산증폭기(20a)를 구성하는 소자가 발생하는 열잡음으로, 높은 주파수까지 뻗어있는 백색잡음으로서 회로에 나타난다. 잡음전력은, 회로의 주파수대역의 평방근에 비례하기 때문에, 불필요한 고역주파수성분을 커트함으로써 출력잡음을 저감할 수 있다. 예컨대, CSA에서 샘플 홀드회로에 달하는 회로계의 주파수대역이 10 MHz 인 경우와 100 kHz인 경우를 비교하면, 다른 조건이 동일한 경우, 잡음전력은 전자가 후자의 10배로 크게 된다. 따라서, 회로계의 주파수대역은 불필요하게 확대하지 않을 것, 즉, 회로의 동작에 불필요한 고역주파수성분은 커트하는 것이 바람직하다.
불필요한 고역주파수성분을 커트하기 위해서는, 저역통과필터(LPF)를 쓰면 된다. LPF를 제공하는 위치로서는, 잡음이론상, 회로의 가능한 한 상류에 제공하면 효과가 크다. 따라서, 도8에 도시한 단위판독 회로와 같이, CSA와 MA 사이에 제공하는 것이 고려된다.
도9에, 가장 단순한 LPF인 1차 LPF의 구조를 도시한다. 이와 같이 1차의 LPF는 저항 R과 용량 C로 구성되어 있고, LPF에 요하는 면적이 그대로 LSI의 면적의 증대분으로 된다. 그런데, 센서의 화소 피치는, 의료용 X선 장치의 경우, 150μm 내지 100μm 정도에서, 데이터선이나 주사선의 수는, 예를 들면 1000개 내지 3000개 정도로도 된다. 도13 또는 도8에 도시한 단위판독 회로는 데이터선마다 제공할 필요가 있기 때문에, 각 단위판독 회로에 허용되는 스페이스의 폭도 이 크기 이하로 한정된다. 이 한정된 스페이스에 LPF를 제공하는 것은 용이하지 않을 뿐만 아니라, 또한 가능하더라도, 그 증대분 만큼 칩사이즈가 증대하는 것은 피할 수 없기 때문에, 그 만큼 제조비용의 증대를 초래하게 된다.
본 발명의 목적은, LPF를 제공하는 것에 의한 칩사이즈의 증대를 가능한 한 억제하고, 또한 이에 의해 칩비용의 증대도 가능한 한 억제할 수 있는 전하량검출회로 및 이를 사용한 2차원 화상센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 전하량검출회로는, 전하검출증폭기의 후단에 저역필터회로를 제공하고, 또한 그 후단에 전압증폭회로를 제공한 전하량검출회로에 있어서, 저역필터회로를 구성하는 요소의 일부와 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부가 공통으로 사용되는 것을 특징으로 하고있다.
상기 구성에 의해, 저역필터회로를 구성하는 요소의 일부가, 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부를 겸하게 된다. 따라서, 그 공통으로 사용되는 소자분 만큼, 칩사이즈를 축소할 수 있다. 따라서, 저역필터회로를 제공하는 것에 의한 칩사이즈의 증가를 가능한 한 억제하고, 또한 그에 의하여 칩비용의 증대도 가능한 한 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 2차원 화상센서는, 상기 전하량검출회로를 구비하는 것을 특징으로 하고있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 우수한 점은 이하에 도시한 기재에 의해 충분히 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 이점은, 첨부도면을 참조한 다음 설명으로 명백하게 될 것이다.
도1은 본 발명에 관한 전하량검출회로를 구비한 엑스선센서의 구조를 도시한 사시도이다.
도2는 X선 센서의 구조를 도시한, 도1에 있어서의 A-A선 단면도이다.
도3은 전하검출증폭기의 기본회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도4는 1 데이터선에 대응하는 화소 및 전하검출증폭기의 등가회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도5는 신호전하의 판독 동작을 도시한 설명도이다.
도6은 연산증폭기를 사용한 전형적인 전압증폭회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도7은 a-Se 광전변환층의 변환특성의 1예를 도시한 그래프이다.
도8은 LPF가 제공된 1입력대응의 단위판독 회로의 회로구성을 도시한 블록도이다.
도9는 1차 저역필터회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도10a는 1차 저역필터회로 및 전압증폭회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도10b는 도10a의 구성을 블록도로 도시한 회로도이다.
도10c는 도10a의 구성의 엄밀한 등가회로를 블록도로 도시한 회로도이다.
도11은 1차 저역필터회로 및 전압증폭회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도12는 1차 저역필터회로 및 전압증폭회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도13은 종래의 1입력대응의 단위판독 회로의 회로구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 1 실시예를 도1 내지 도12를 참조하여 설명하면 이하와 같다.
본 실시예에 관한 전하량검출회로는, 도1에 도시한 판독 회로(전하량검출회로)(16)로서 화상센서(48)에 사용되는 것이다. 본 실시예에 관한 화상센서(48)나 판독 회로(16)등의 구성은, 도1 내지 도9을 사용하여 이미 설명한 바와 같기 때문에 그의 설명은 생략한다.
우선, 본 발명의 개념적인 구성에 관해 설명한다. 즉, 본 발명의 판독회로(16)에서는, LPF(저역필터회로)를 구성하는 요소를, 전압증폭회로(MA)를 구성하는 요소와 공유할 수 있다. 이에 따라, LPF를 구성하는 요소를 감소시킬 수 있다.
도10a에, 하나의 개념도를 도시한다. 도10a에 있어서, 저항 Ra와 용량 Ca로 LPF가 구성되어 있다. 또한, 동 도에 도시한 연산증폭기 OA 및 용량 Ca, Cb에 의해, MA가 구성된다. Ca와 Cb는 MA의 증폭율을 결정한다. 요컨대, Ca는 LPF를 구성하는 용량임과 동시에 MA를 구성하는 용량이기도 하다. LPF의 시정수는 Ra·Ca, MA의 증폭율은 Ca/Cb로 된다. Ca를 공유함으로써, LPF를 제공한 것에 의한 회로의 증가는 Ra만으로 된다. 여기서, 연산증폭기 OA의 비반전 입력단자는 가상단락의 개념에 의해 GND 레벨에 있다. 따라서, 반전입력단자의 전압인 도10a의 b점의 전압, 즉 GND로 되고, 연산증폭기 OA의 동작으로서, Ra와 Ca의 접속부의 전압인 도10a의 a점의 전압이-Ca/Cb 배로 증폭되어 출력된다. 요컨대, 도10a의 회로를 블록도로 나타내면 도10b와 같이 표시된다. 단, 본 구성의 회로에서는, Ca가 LPF를 구성하는 용량과 MA를 구성하는 용량이 공유되어 있기 때문에, 엄밀히 말하면 등가회로는 도10c와 같이 표시된다. 도10a의 구성의 회로에서, Ra와 Ca는, 입력과 GND 사이에 직렬로 접속되어 있고, Ra와 Ca는 도9와 등가인 LPF를 구성하고 있다.
다음, 보다 구체적인 구성에 관해 말한다. 즉, 도11에 1 구성예를 도시한다. 도11에서, 저항 R1과 용량 C2, C3에 의해 LPF가 구성되어 있다. 또한, 동 도에 도시한 연산증폭기 OA 및 용량 C1, C2, C3에 의해 MA가 구성된다. 동 도에 도시한 바와 같이, 이 구성예에서는, C3를 회로에 삽입한 상태와 삽입하지 않은 상태가 절환되도록 되어 있다. 절환은, 스위치 SW2의 제어신호 CT2로 행한다. 즉, 스위치의 제어는, 제어회로로부터의 제어입력신호의 입력에 의해 행하며, 예컨대, 동 도에 있어서, CT2 가 "하이"이면 스위치 SW2는 a측에, "로우"이면 b측에 접속하고, C3를 회로에 삽입하는 지 아닌 지를 제어하게 된다. 보다 구체적으로는, 예컨대, 투시모드(동화상촬영)의 경우에는 CT2을 "하이"로 하고, 촬영모드(정지화상 촬영)인 경우에는 CT2를 "로우"로 하는 방법으로 제어하면 좋다. C2는 C1과 값이 같은 용량이고, 회로에 항상 삽입되어 있다. 스위치 SW1은, C1에 충전된 전하를 방전하여 회로를 초기 상태로 하기 위한 스위치이고, 회로를 동작시킬 때는 OFF 상태로 사용한다. 본 스위치는 본 발명에는 직접 관계하지 않기 때문에 이후의 설명은 생략한다.
CT2가 "로우"레벨일 때, SW2는 b측에 접속되어 있기 때문에 LPF의 시정수는 C2·R1으로 되고, MA의 증폭율은 C2/C1으로 된다. 만일 C2= C1으로 설정하면, 이 때의 증폭율은 1로 된다.
CT2가 "하이"레벨일 때, SW2는 a측에 접속되고, C3는 C2와 병렬로 접속된다. 이 때문에 LPF의 시정수는 (C2+ C3)·R1, 증폭율은 (C2+ C3)/C1으로 된다.
이와 같이, 신호레벨이 작고 MA에서의 증폭이 필요한 경우에는, LPF의 시정수가 크기 때문에, 출력잡음이 저감됨과 동시에, 필요한 전압증폭이 얻어지게 된다. 배율을 1로 사용하는 것은 상술한 촬영모드시이다. 상술한 바와 같이 촬영모드시의 신호전하량은 투시모드일 때의 수십배 이상이므로, LPF의 효과가 작더라도 어떤 조건(이들 조건에 의존한다) 하에서는 충분한 S/N(신호 대 잡음비)가 얻어진다. 투시모드에서도 신호검출을 가능하게 하기 위해서는, 연산증폭기 OA는 원래 충분히 작은 내재잡음의 특성으로 할 필요가 있어, 그와 같은 저잡음의 연산증폭기를 쓰는 한, LPF가 없거나 또는 효과가 작더라도 신호전하량보다 충분히 작은 잡음량으로 되기 때문이다. 또한, LPF의 시정수가 필요 이상으로 지나치게 크면, S/N이 오히려 악화하는 것은 전술한 바와 같다.
도12에, 다른 구성예를 도시한다. 동 도에 있어서, 저항 R1과 용량 C2, C3, C4로 LPF가 구성되어 있다. 또한, 동 도에 도시한 연산증폭기 OA 및 용량 C1, C2, C3, C4에 의해 MA가 구성되어 있다. 동도에 도시한 바와 같이, 이 구성에서는, MA의 증폭율이 다단으로 절환하는 구성으로 되어있다. SW2와 SW3가 모두 a측에 접속되어 있으면, MA의 증폭율은 (C2+ C3+ C4)/C1이 된다. 이 때 LPF의 시정수는(C2+ C3+ C4)·R1으로 된다. 또, SW2만 a측일 때 증폭율은 (C2+ C3)/C1으로 시정수가 (C2+ C3)·R1이고, SW3만 a측일 때는 증폭율은 (C2+ C4)/C1으로 시정수가 (C2+ C4)·R1이 된다. 또한, SW2, SW3모두 b측이면, 증폭율은 C2/C1으로 시정수가 C2·R1이 된다.
이와 같이, 이 예에서는, 증폭율이 C2/C1, (C2+ C3)/C1, (C2+ C4) /C1, (C2+ C3+ C4)/C1사이에서 절환되고, 증폭율에 따라, 시정수가 각각 C2·R1, (C2+ C3)·R1, (C2+ C4)·R1, (C2+ C3+ C4)·R1과 같이 절환된다. 증폭율을 높게 할 필요가 있을 때는 신호전하량이 작을 때이고, 이 때는 LPF의 시정수가 크게 되어 있다. 이에 따라, 신호량이 작을수록 잡음량을 작게 할 수 있다. 또, 도11의 구성과 같이 촬영모드시와 같이 증폭율을 1로 하고 싶을 때는, C2= C1으로 설정하면 좋다.
본 발명에서, 전하량검출회로는, 전하검출 앰프의 후단에 저역필터회로를 제공하고, 또한 그 후단에 전압증폭회로를 제공한 회로에 있어서, 저역필터회로를 구성하는 요소의 일부가 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부를 공유하도록 구성해도 좋다.
또한, 전하량검출회로는, 상기 구성에 있어서, 저역필터회로는 1차 필터회로이고, 공유하는 요소를 용량으로 구성해도 좋다.
또한, 전하량검출회로는, 상기 구성에 있어서, 저역필터회로는 1차 필터회로이고, 그 공유하는 요소를 저항으로 구성해도 좋다.
또한, 전하량검출회로는, 상기 구성에 있어서, 전압증폭회로의 배율이 외부에서의 제어신호에 의해 제어가능하고, 또한 그 증폭율에 대응하여 저역필터회로의 시정수도 변화하도록 구성해도 좋다.
또한, 전하량검출회로는, 상기 구성에 있어서, 전하검출증폭기와 그 후단의 전압증폭회로를 구성하는 연산증폭기의 반전입력단자 사이에 직렬로 저항(도12의 R1)과 용량(도12의 C2)이 구성되고, 상기 반전입력단자에는 다시 1개 이상의용량(C3, C4)이 접속되어 있고, 상기 용량의 타방의 전극은 스위치를 통해 C2와 병렬로 회로에 접속할 수 있도록 구성해도 좋다.
또한, 전하량검출회로는, 상기 구성에 있어서, C3, C4가 병렬접속될 때는, 그 스위치측의 전극이 그 후단의 연산증폭기의 비반전입력단자와 동일한 전위로 LSI 내부에서 접속되도록 구성해도 좋다.
또한, 전하량검출회로는, 상기 구성에 있어서, C2와 C1이 같은 값으로 설정되도록 구성해도 좋다.
본 발명의 1차적인 효과는, 신호독출 LSI에 LPF를 용이하게 구성가능하게 하여, 그에 의하여, 저잡음의 신호독출 LSI의 제조를 용이하게 하는 것이다. 또한, 2차적으로는, LPF를 제공하는 것에 의한 칩사이즈의 증대를 억제하고, 코스트 상승을 억제할 수 있는 것이다.
본 발명에 있어서는, 동화촬영의 경우와 같이 데이터의 신호전하량이 작고, 증폭율을 크게 하지 않으면 안될 때는, LPF의 시정수를 크게 하여 잡음량을 작게 하고, 한편, 정지화촬영의 경우와 같이 데이터의 신호전하량이 충분히 크고, 증폭율이 작아도 될 때는, LPF의 시정수를 작게 하는 것에 의해, S/N을 최적의 값으로 유지할 수 있다. 그러므로, 촬영상황에 관계없이, 잡음이 적고 S/N이 양호한 고품위의 신호전하검출을 행할 수 있다.
또한, LPF의 시정수가 크면, 샘플 홀드회로에서 MA의 출력을 샘플링하는 타이밍에 따라, 전압이 충분히 정상상태에 달하지 않는 경우도 발생한다. 샘플링하기까지의 시간을 충분히 길게하면 정상상태에 달하지만, 데이터를 일어들이는 데 걸리는 시간이 그 만큼 길어지는 결점이 발생한다. 또한, 시간이 길어지면, 누설전류 등에 의한 신호전압의 상실율도 증가하기 때문에, 그 점에서도 S/N을 저하시키게 된다. 본 발명은, LPF의 시정수를 불필요하게 크게할 일이 없기 때문에, 그 점에서도 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전하량검출회로는, 상기 구성에 더하여, 상기 전압증폭회로의 증폭율이 증가함에 따라 상기 저역필터회로의 시정수도 증가하도록 구성할 수 있다.
일반적으로, 저역필터회로는, 잡음량을 저감하는 효과는 직접적으로 크지만, 검출 전압에 오차를 발생케 하는 부작용이 있다. 특히, 저항과 용량으로 이루어지는 일차의 필터회로에는, 펄스입력에 대하여 히스테리시스특성이 존재하여, 펄스입력마다 미묘하게 시정수가 변화한다. 그 변화의 크기는, 특히 용량의 구조에 의존하기 때문에 일률적으로는 말할 수 없지만, 시정수가 커질수록 변화도 커진다. 여기에 하나의 예를 들어 보면, 더블폴리실리콘 구조에 의한 용량과 C-MOS 구조의 저항에 의한 경우, 8μs의 중심치에 대하여 ±1% 정도, 또는 그 이상의 변동이 관측되는 것을 잘 알 수 있다. 전하량검출회로에 있어서의 이 변동은 신호전압의 감쇠율에 영향을 주기 때문에, 검출해야 할 전압에 오차, 즉 잡음을 발생시킨다. 저역필터회로는, 그 시정수가 클수록, 주파수대역의 관점에서는 잡음을 저감하지만, 상기 기구에 의해 발생하는 잡음은 반대로 증가시키는 부작용이 있다.
동화상을 촬영하는 투시모드의 경우에는, 신호량과 잡음의 비인 S/N이 원래 작기 때문에, 저역필터회로에 의한 잡음저감효과에 의한 S/N 상승의 효과의 측면이 압도적으로 크다. 그러나, 정지화상을 촬영하는 촬영모드와같이, 원래의 S/N이 투시모드에 비교하여 훨씬 큰 경우에는, 시정수의 크기에 따라서는, 저역필터회로에 의한 S/N 향상보다도 상기 기구에 의해 발생하는 잡음에 의한 S/N 열화의 쪽이 커지는 경우가 있다. 그 때문에, 투시모드에서는 저역필터회로의 시정수를 충분히 크게 하고, 촬영모드의 경우에는 시정수를 불필요하게 크게 하지 않는 연구가 필요하게 된다.
상기 본 발명의 구성에 의하면, 상기 전압증폭회로의 증폭율이 증대함에 따라, 상기 저역필터회로의 시정수도 증대한다. 따라서, 동화상촬영의 경우와 같이 신호전하량이 작게 증폭율을 크게 하지 않으면 안될 때는, 저역필터회로의 시정수를 크게 하여 잡음량을 작게 하고, 한편, 정지화상의 촬영의 경우와 같이 데이터의 신호전하량이 충분히 크고, 전압증폭회로에서의 증폭율이 작아도 되는 경우에는, 저역필터회로의 시정수를 작게 함으로써, S/N을 최적의 값으로 유지할 수 있다. 그러므로, 상기 구성에 의한 효과에 더하여, 촬영상황에 관계없이, 잡음이 적고 S/N이 양호한 고품위의 신호전하검출을 행할 수 있다.
본 발명의 전하량검출회로는, 상기한 바와 같이 검출한 신호전하를 샘플 및 홀드하기 위한 샘플 홀드회로(S/H)나, 유지된 신호전하를 아날로그/디지털(AD) 변환하기 위한 아날로그/디지털변환기(ADC), 1개의 아날로그/디지털변환기에 복수의 입력을 할당하기위한 멀티플렉서, 디지털치로 변환된 신호전하를 유지하기 위한 데이터래치회로(DL) 등도 구비할 수 있다.
발명의 상세한 설명에 있어서의 구체적인 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술내용을 밝히는 것으로서, 그와 같은 구체예에만 한정하여 협의로 해석되는 것이 아니라, 본 발명의 정신과 다음에 기재하는 특허청구범위내에서 여러가지 변경하여 실시할 수 있는 것이다.

Claims (15)

  1. 전하검출증폭기;
    상기 전하검출증폭기의 후단에 제공된 저역필터회로; 및
    상기 저역필터회로의 후단에 제공된 전압증폭회로를 포함하고,
    상기 저역필터회로를 구성하는 요소의 일부 및 상기 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부를 공통으로 사용하는 전하량검출회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전압증폭회로의 증폭율이 증가함에 따라, 상기 저역필터회로의 시정수도 증대하는 전하량검출회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전압증폭회로 및 상기 저역필터회로가 용량(capacitor)을 공유하는 전하량검출회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전압증폭회로는 연산증폭기를 포함하고, 상기연산증폭기의 반전입력단자에 상기 공유 요소로서의 용량이 접속되고,
    상기 저역필터회로는 저항과, 상기 저항과 직렬로 접속된 상기 공유요소로서의 용량을 포함하는 전하량검출회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전압증폭회로와 상기 저역필터회로가, 서로 병렬접속되어 있는 복수개의 용량을 공유하고,
    상기 용량의 적어도 하나를, 전하량검출회로에 삽입하는 상태와 삽입하지 않은 상태로 절환하는 절환 스위치를 포함하는 전하량검출회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절환 스위치에 의해, 상기 절환 스위치에 접속된 용량을 전하량검출회로에 삽입하지 않을 때,
    상기 전압증폭회로의 증폭율이 1인 전하량검출회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전압증폭회로와 상기 저역필터회로는, 서로 병렬로 접속되어 있는 복수개의 용량을 공유하고,
    상기 용량의 적어도 하나를, 전하량검출회로에 삽입하는 상태와 삽입하지 않은 상태로 절환하는 절환 스위치가 복수개 제공되고,
    상기 절환 스위치가 각각, 서로 다른 복수개의 상기 용량의 삽입상태를 각각 절환하는 전하량검출회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전압증폭회로는, 연산증폭기와, 상기 연산증폭기의 반전입력단자와 출력단자 사이에 제공된 귀환용량을 포함하는 전하량검출회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전압증폭회로의 귀환용량에 축적된 전하를 방전하여 리세트하는 리셋 스위치를 포함하는 전하량검출회로.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전압증폭회로에서 출력되는 신호전하를 유지하기 위한 샘플 홀드회로;
    상기 샘플 홀드회로에서 유지된 신호전하를 아날로그/디지털변환하기위한 아날로그/디지털변환기;
    상기 아날로그/디지털변환기의 하나에 복수의 입력을 할당하기 위한 멀티플렉서; 및
    디지털값으로 변환된 상기 신호전하를 유지하기 위한 데이터래치회로를 더 포함하는 전하량검출회로.
  11. 전하검출증폭기;
    상기 전하검출증폭기의 후단에 제공된 저역필터회로; 및
    상기 저역필터회로의 후단에 제공된 전압증폭회로를 포함하고,
    상기 저역필터회로를 구성하는 요소의 일부 및 상기 전압증폭회로를 구성하는 요소의 일부를 공통으로 사용하는 전하량검출회로를 포함하는 2차원 화상센서.
  12. 제11항에 있어서,
    광자를 전하로 변환하여 축적하는 광전변환부를 포함하고,
    상기 전하량검출회로는, 상기 광전변환부로부터의 전하를 판독하는 2차원화상센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광전변환부는, 광자로부터 변환되는 전하를 유지하는 화소전극을 포함하는 2차원 화상센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 화소전극에 의해 유지되는 전하를 상기 전하량검출회로로 보내는 데이터선; 및
    상기 화소전극을 상기 데이터선에 접속하는 스위치소자를 포함하고,
    상기 화소전극은, 유지하고 있는 전하를 상기 스위치소자가 ON으로 됨으로서 상기 데이터선으로 유출시키는 2차원 화상센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스위치소자를 동작시키기 위한 전압을 공급하는 주사선을 포함하는 2차원화상센서.
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