JP2695005B2 - 電荷検出回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は特に高利得の電荷検出を行なう電荷検出回路
に関する。

（従来の技術） 従来のCCD（Charge Coupled Device）等に用いられる
電荷検出では同一基板上に浮遊拡散層を形成しリセット
パルスと所定の位相関係を保ちつつ浮遊拡散層に信号電
荷を流入させ、この浮遊拡散層における電位変化を高入
力インピーダンスのバッファ、例えばソースホロワ回路
にて検出するという方法が用いられている。

電荷検出回路の利得Ｇを、単位信号電荷に対する出力
電圧の比で定義すると、これは浮遊拡散層の容量をＣ、
ソースホロワ回路の電圧利得をAvとしてＧ＝（1/C）Av
とあらわされる。利得Ｇを大きくするためには容量Ｃを
小さくするか、あるいはAvを大きくするかをしなければ
ならない。

ところで容量Ｃはデバイスマスクあわせ等の加工精度
や浮遊拡散層の浮遊容量等の制約により限界があり、
又、電圧利得Avは一般に１を越える値とはならない。こ
のため、電荷検出の利得を大きくするために、オンチッ
プ増幅を付加する方法、すなわちソースホロワ回路の出
力端子をさらに増幅回路を設けることが考えられてい
る。

以下、従来の電荷検出回路を第２図を用いて説明す
る。この回路は、信号電圧を検出するソースホロワ回路
（215）、このソースホロワ回路（215）の負荷MOSトラ
ンジスタ（210）に印加する電圧を発生するための電圧
発生回路（205a）、ソースホロワ回路（215）の出力を
電圧増幅するインバータ増幅回路（205b）の３つから構
成されている。各部分の構成を以下順次説明する。まず
ソースホロワ回路（215）については、浮遊拡散層（201
a）はリセットスイッチであるMOSトランジスタ（202a）
のソース側に接続されている。リセットスイッチである
MOSトランジスタ（202a）のドレインはリセットドレイ
ン電圧（203）に接続され、ゲートはリセットパルス印
加端子（204a）に接続されている。次に電圧発生回路
（205a）について説明する。浮遊拡散層（201b）は同様
にリセットスイッチであるMOSトランジスタ（202b）の
ソース側に接続されている。リセットスイッチであるMO
Sトランジスタ（202b）のドレインはリセットドレイン
電圧（203）に接続され、ゲートはリセットパルス印加
端子（204b）に接続されている。

この回路は負荷MOSトランジスタ（207）、及びドライ
バーMOSトランジスタ（208）から構成されている。負荷
MOSトランジスタ（207）のゲートは浮遊拡散層（210b）
に接続され、ドレインは電源電圧（206）に接続されて
いる。ドライバーMOSトランジスタ（208）のゲートはド
レインと接続され、また負荷MOSトランジスタ（207）の
ソースにも接続されている。インバータ回路（205a）の
入力はドライバーMOSトランジスタ（208）のゲートに入
力され、出力はドライバーMOSトランジスタ（208）のド
レインから出力される。

ソースホロワ回路（215）はドライバーMOSトランジス
タ（209）、及び負荷MOSトランジスタ（210）から構成
されている。ソースホロワ（215）の入力はドライバーM
OSトランジスタ（209）のゲートから入力され、出力は
ドライバーMOSトランジスタ（209）のソースから出力さ
れる。ドライバーMOSトランジスタ（209）のゲートは浮
遊拡散層（201a）に接続され、ドレインは電源電圧（20
6）に接続されている。負荷MOSトランジスタ（210）の
ゲートはインバータ回路（205a）の出力が接続され、ド
レインはドライバーMOSトランジスタ（209）のソースに
接続されている。

インバータ回路（205b）は負荷MOSトランジスタ（21
1）、及びドライバーMOSトランジスタ（212）から構成
されている。インバータ回路（205b）の入力はドライバ
ーMOSトランジスタ（112）のドレインから入力され、出
力は負荷MOSトランジスタ（211）のソースから出力され
出力端子（216）に接続されている。負荷MOSトランジス
タ（211）のゲートはドレインと接続されており、ドレ
インは電源電圧（206）に接続されている。ドライバーM
OSトランジスタ（212）のゲートはソースホロワ回路（2
15）のドライバーMOSトランジスタ（209）のソースに接
続されており、ドレインは負荷MOSトランジスタ（211）
のソースに接続されている。

いま、それぞれ回路のV_B,V_C,V_Dにおける電位を等しく
するためにMOSトランジスタの条件を以下のように設定
する。MOSトランジスタのゲート長さをL,ゲート幅をＷ
としてMOSトランジスタのW/Lを求める。例えばインバー
タ回路（205a）のMOSトランジスタ（207）の比をW₁/L₁,
MOSトランジスタ（208）の比をW₂/L₂としてその比（W₁/
L₁）／（W₂/L₂）（形成比）を求める。同様にソースホ
ロワ回路（215）、及びインバータ回路（205b）の比を
求める。いまこの値をすべて等しくしてV_B,V_C,V_Dにおけ
る電位を等しくする。

次に動作を説明する。まず、電源電圧（206）とリセ
ットドレイン電圧（203）は同一電圧に設定する。電荷
転送装置（図示せず）から得られた信号電荷はリセット
パルスと所定の位相関係を保ちつつ浮遊拡散層（201a）
に流入し、この浮遊拡散層（201a）における電位変化が
ソースホロワ回路（215）のドライバーMOSトランジスタ
（209）に流れる電流を変化させて電圧の信号として検
出される。もう一方の浮遊拡散層（201b）はリセットパ
ルス印加端子（204a）、（204b）に発生するリセットノ
イズを軽減するために設けられており電荷は流入され
ず、ほとんど変動せずにリセットドレイン電圧（203）
の値をとっている。

いま、リセットパルス印加端子（204a）にリセットパ
ルスを印加（このとき、リセットパルス印加端子（204
b）も同時にリセットパルスが印加される）してリセッ
トスイッチであるMOSトランジスタ（202a）、（202b）
をオン（ON）状態にすると浮遊拡散層（201a）、（201
b）の電位は電源電圧（206）と等しくなる。オン状態で
あるとドライバーMOSトランジスタ（209）のゲートに電
源電圧（206）、及び負荷MOSトランジスタ（210）のゲ
ートに電位V_Bがかかるためソースホロワ回路（215）の
出力における電位V_Cとインバータ回路（205a）の出力に
おける電位V_Bとが等しくなる。そしてインバータ回路
（205b）の出力における電位V_Dも負荷MOSトランジスタ
（211）のゲートに電源電圧，ドイバーMOSトランジスタ
（212）のゲートにV_Bの電位がかかるため電位V_Cと等し
くなる。このとき、インバータ回路（205a）、（205
b）、及びソースホロワ回路（215）の形状比をすべて等
しくしているためV_B,V_C及びV_Dの電位が等しくなりソー
スホロワ回路（215）の出力をインバータ回路（205b）
の入力ダイナミックレンジ内に入れることができる。こ
のため、インバータ回路（205b）の入出力特性を第３図
に示した特性とすれば入出力が等しいため入力と出力と
が比例して増加を示している直線領域におけるある値を
とる。

次にリセットスイッチであるMOSトランジスタ（202
a）、（202b）をオフ（OFF）状態にする。このとき電位
V_B,V_Cはリセットノイズ分だけ変動するがこの電位変動
は小さいとすればインバータ回路（205b）の動作点を設
定することができる。

オフ状態であると、信号電荷が流入した浮遊拡散層
（201a）における電位は電荷量の増加に対して低下しソ
ースホロワ回路（215）のドライバーMOSトランジスタ
（209）のゲートにかかる。このドライバーMOSトランジ
スタ（209）のゲート電圧が変化することによりソース
ホロワ回路（215）に流れる電流が変化しV_Cの電位が変
化する。V_Cの電位はインバータ回路（205b）のドライバ
ーMOSトランジスタ（212）のゲートにかかり、インバー
タ回路（205b）に流れる電流を変化させ、V_Dの電位が変
化して出力端子（216）に出力される。

上記の構成によれば、増幅段としてインバータ回路
（205b）を設けて高利得の電荷検出を行なうことができ
るが、インバータ回路（205b）の負荷MOSトランジスタ
（211）のゲートに電源電圧（206）を印加しているた
め、電源電圧（206）が変動を起こすと、V_Dの電位が変
動してしまう。電源電位（206）はノイズ等が混入され
る場合がありこれにより電源変動が起こる。このため、
浮遊拡散層（201a）に流入した信号電荷による電位変化
に、この電源電圧（206）の変動が加わる場合があり安
定した電位を得ることができなくなるという問題が起こ
る。

また、この問題を解決するためにインバータ回路（20
5b）の負荷MOSトランジスタ（211）のゲートに接続され
る電源と、ドレインに接続される電源とを別にする方法
が考えられるが、電源をさらに別に設けなければならな
いということや、またそれの製造コストがかかってしま
う。尚、MOSトランジスタ（207），（209），（211）の
しきい値V_THは各々同一とし、V_THの極めて小さいＥトラ
ンジスタとする。MOSトランジスタ（208），（210），
（212）のしきい値V_THは各々同一としV_THが中程度（２
〜3V）のＥトランジスタとする。MOSトランジスタ（201
a）、（201b）はＤトランジスタとする。

（発明が解決しようとする課題） 従来の電荷検出回路においては、増幅段の動作点設定
が自動的に行なわれるが、増幅段として設けた第１の反
転型増幅器の負荷MOSトランジスタのゲートに電源電圧
を印加しているため、この電源電圧に変動がある場合、
出力にこの変動が現われ、安定した電荷検出ができくな
るという問題があった。

本発明においては、第１の反転型増幅器の後段に第２
の反転型増幅器を付加することにより、増幅段の動作点
設定を自動的に行ない、さらに電源電圧による出力の変
動を軽減させ、安定した電荷検出を行なうことを目的と
する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明においては半導体基板上に形成された浮遊拡散
層と、 前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットスイッ
チと、 前記浮遊拡散層の電位を第１のドライバーMOSトラン
ジスタのゲート側から入力とするソースホロワ回路と、 このソースホロワ回路の出力を第２のドライバーMOS
トランジスタのゲート側から入力とする第１の反転型増
幅器と、 前記第１の反転型増幅器の出力を第３のドライバーMO
Sトランジスタのゲート側から入力とする第２の反転型
増幅器と、 前記ソースホロワ回路の負荷MOSトランジスタのゲー
トに出力を接続する第３の反転型増幅器とを具備し、 前記第３の反転型増幅器の出力に前記第３の反転型増
幅器の第４のドライバーMOSトランジスタのゲートが接
続されることを特徴とする電荷検出回路を提供する。

（作 用） 本発明の電荷検出回路においては増幅段の動作点設定
を自動的に行ない、さらに第１の反転型増幅器の後段に
第２の反転型増幅器を設けたことにより、第１の反転型
増幅器の負荷MOSトランジスタのゲートに電荷電圧を印
加しているために起こる第１の反転型増幅器の出力の変
動を反転させて電源電圧の変動に対して安定した出力を
得られるようにする。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図を用いて説明する。浮
遊拡散層（101a）はリセットスイッチであるMOSトラン
ジスタ（102a）のソース側に接続されている。リセット
スイッチであるMOSトランジスタ（102a）のドレインは
リセットドレイン電圧（103）に接続され、ゲートはリ
セットパルス印加端子（104a）に接続されている。又、
一方の浮遊拡散層（101b）は同様にリセットスイッチで
あるMOSトランジスタ（102b）のソース側に接続されて
いる。リセットスイッチであるMOSトランジスタ（102
b）のドレインはリセットドレイン電圧（103）に接続さ
れ、ゲートはリセットパルス印加端子（104b）に接続さ
れている。

インバータ回路（105a）は負荷MOSトランジスタ（10
7）、及びドライバーMOSトランジスタ（108）から構成
されている。負荷MOSトランジスタ（107）のゲートは浮
遊拡散層（101b）に接続され、ドレインは電源電圧（10
6）に接続されている。ドライバーMOSトランジスタ（10
8）のゲートはドレインと接続され、また、負荷MOSトラ
ンジスタ（107）のソースにも接続されている。インバ
ータ回路（105a）の入力はドライバーMOSトランジスタ
（108）のゲートから入力され、出力はドライバーMOSト
ランジスタ（108）のドレインから出力される。

ソースホロワ回路（115）はドライバーMOSトランジス
タ（109）、及び負荷MOSトランジスタ（110）から構成
されている。ソースホロワ回路（115）の入力はドライ
バーMOSトランジスタ（109）のゲートから入力され、出
力はドライバーMOSトランジスタ（109）のソースから出
力される。ドライバーMOSトランジスタ（109）のゲート
は浮遊拡散層（101a）に接続され、ドレインは電源電圧
（106）に接続されている。負荷MOSトランジスタ（11
0）のゲートはインバータ回路（105a）の出力に接続さ
れ、ドレインはドライバーMOSトランジスタ（109）のソ
ースに接続されている。

インバータ回路（105b）は負荷MOSトランジスタ（11
1）、及びドライバーMOSトランジスタ（112）から構成
されている。インバータ回路（105b）の入力はドライバ
ーMOSトランジスタ（112）のドレインから入力され、出
力は負荷MOSトランジスタ（111）のソースから出力され
ている。負荷MOSトランジスタ（111）のゲートはドレイ
ンと接続されており、ドレインは電源電圧（106）に接
続されている、ドライバーMOSトランジスタ（112）のゲ
ートはソースホロワ回路（115）のドライバーMOSトラン
ジスタ（109）のソースに接続されており、ドレインは
負荷MOSトランジスタ（111）のソースに接続されてい
る。

付加インバータ回路（105c）は付加MOSトランジスタ
（113）、及びドライバーMOSトランジスタ（114）から
構成されている。付加インバータ回路（105c）の入力は
ドライバーMOSトランジスタ（114）のゲートから入力さ
れ、出力は負荷MOSトランジスタ（113）のソースから出
力され、出力端子（116）に接続されている。負荷MOSト
ランジスタ（113）のゲートは電源電圧（106）に接続さ
れ、またドレインも同様に電源電圧（106）に接続され
ている。ドライバーMOSトランジスタ（114）のゲートは
インバータ回路（105b）の負荷MOSトランジスタ（111）
のソースに接続されドレインは負荷MOSトランジスタ（1
13）のソースに接続されている。

いま、それぞれの回路のV_B,V_C,V_Dにおける電位を等し
くするためにMOSトランジスタの条件を以下のように設
定する。MOSトランジスタのゲート長さをL,ゲート幅を
ＷとしてMOSトランジスタのW/Lを求める。例えばインバ
ータ回路（105a）のMOSトランジスタ（107）の比をW₃/L
₃、MOSトランジスタ（108）の比をW₄/L₄としてその比
（W₃/L₃）／（W₄/L₄）を求める。同様にソースホロワ回
路（115）、及びインバータ回路（105b）の比を求め
る。いま、この値をすべて等しくしてV_B,V_C,V_Dにおける
電位を等しくする 次に動作を説明する。まず電源電圧（106）とリセッ
トドレイン電圧（103）は同一電圧に設定する。電荷転
送装置（図示せず）から得られた信号電荷はリセットパ
ルスと所定の位相関係を保ちつつ浮遊拡散層（101a）に
流入し、この浮遊拡散層（101a）における電位変化がソ
ースホロワ回路（115）のドライバーMOSトランジスタ
（109）に流れる電流を変化させて電圧の信号として検
出される。もう一方の浮遊拡散層（101b）はリセットパ
ルス印加端子（104a）、（104b）に発生するリセットノ
イズを軽減するために設けられており電荷は流入され
ず、ほとんど変動せずにリセットドレイン電圧（103）
の値をとっている。

いま、リセットパルス印加端子（104a）にリセットパ
ルスを印加（このとき、リセットパルス印加端子（104
b）も同時にリセットパルスが印加される）してリセッ
トスイッチであるMOSトランジスタ（102a）、（102a）
をオン（ON）状態にすると浮遊拡散層（101a）、（101
b）の電位は電源電圧（106）と等しくなる。オン（ON）
状態であるとドライバーMOSトランジスタ（109）のゲー
トに電源電圧（106）、及び負荷MOSトランジスタ（11
0）のゲートに電位V_Bがかかるためソースホロワ回路（1
15）の出力における電位V_Cとインバータ回路（105a）の
出力における電位V_Bとが等しくなる。このとき、インバ
ータ回路（105a）、（105b）、及びソースホロワ回路
（115）の形状比をすべて等しくしているためV_B,V_C及び
V_Dの電位が等しくなりソースホロワ回路（115）の出力
をインバータ回路（105b）の入力ダイナミックレンジ内
に入れることができる。このため、インバータ回路（10
5b）の入出力特性を第３図に示した特性とすれば入出力
が等しいため入力と出力とが比例して増加を示している
直線領域におけるある値をとる。

次にリセットスイッチであるMOSトランジスタ（102
a）、（102b）をオフ（OFF）状態にする。このとき電位
V_B,V_Cはリセットノイズ分だけ変動するがこの電位変動
は小さいとすればインバータ回路（105b）、（105c）の
動作点を設定することができる。

オフ状態であると、信号電荷が流入した浮遊拡散層
（101a）における電位は電荷量の増加に対して低下しソ
ースホロワ回路（115）のドライバーMOSトランジスタ
（109）のゲートにかかる。このドライバーMOSトランジ
スタ（109）のゲート電圧が変化することによりソース
ホロワ回路（115）に流れる電流が変化しV_Cの電位が変
化する。V_Cの電位はインバータ回路（105b）のドライバ
ーMOSトランジスタ（112）のゲートにかかり、インバー
タ回路（105b）に流れる電流を変化させ、V_Dの電位を変
化させる。V_Eの電位はインバータ回路（105c）によりV_D
の電位が反転された電位となり、これが出力端子（11
6）に出力される。

上記の構成によれば、増幅段としてインバータ回路
（105b）を設けて高利得の電荷検出を行なうこができる
が、インバータ回路（105b）の出力であるV_Dの電位は負
荷MOSトランジスタ（111）のゲートに電源電圧（106）
を印加しているため、電源電圧（106）が変動を起こす
と、V_Dの電位が変動してしまう。しかしながら、インバ
ータ回路（105b）の後段に付加インバータ回路（105c）
を設けたことによりV_Dの電位の変動が反転される。そし
て、付加インバータ回路（105c）の負荷MOSトランジス
タ（113）のゲート及びドレインにかかる電圧にインバ
ータ回路（105b）と同じ電極を用いているため、V_Eの電
位も同様に変動する。

いま、インバータ回路（105b）の電圧利得をG₁、付加
インバータ回路（105c）電圧利得をG₂、MOSトランジス
タのゲート下のポテンシャル井戸の印加電圧に対する比
（変調度）をｍ、電源電圧をV_OD、Ｅ−型MOSトランジス
タのしきい値をV_TH、Ｓ−型MOSトランジスタのしきい値
を０とすると、第３図に示すようなV_C,V_D,V_Eの特性にお
ける関係は線型動作範囲内で、 V_D＝mV_OD−G₁（V_C−V_TH） ……（１） V_E＝mV_OD−G₂（V_D−V_TH） ……（２） と表わすこことができる。（１）式、（２）式からV_Dを
消去すると V_E＝ｍ（１−G₂）V_OD＋G₁G₂（V_C−V_TH）＋G₂V_TH ……
（３） となる。このため、電源電圧変動がΔＶあるとすると、
その変動はｍ（１−G₂）ΔＶとなるが付加インバータ回
路（105c）の電圧利得G₂を１に近い値と設定することに
より変動を十分小さくすることができる。

従って、電源電圧の変動による出力の変動を軽減する
ことができ安定して高利得の電荷検出を行なうことがで
きる。また、電源を別に設ける必要がなくなる。尚、MO
Sトランジスタ（107），（109），（111），（113）の
しきい値V_THは各々同一とし、V_THの極めて小さいＥトラ
ンジスタとする。MOSトランジスタ（108），（110），
（112），（114）のしきい値V_THは各々同一としV_THが中
程度（２〜3V）のＥトランジスタとする。MOSトランジ
スタ（102a）、（102b）はＤトランジスタとする。

［発明の効果］ 本発明によれば増幅段の動作点設定を自動的に行なう
ことができ、さらに増幅段の後段に反転型増幅器を設け
ることにより、電源電圧の変動による出力の変動を軽減
し安定した電荷検出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における電荷検出回路を示す回
路図、第２図は従来例の電荷検出回路を示す回路図、第
３図は電荷検出回路を説明するためのインバータ回路の
特性図である。 浮遊拡散層……101a,101b,201a,201b、 リセットスイッチであるMOSトランジスタ……102a,102
b,202a,202b、 リセットドレイン電圧……103,203、 リセットパルス印加端子……104a,104b,204a,204b、 インバータ回路……105a,105b,205a,205b、 電源電圧……106,206、 MOSトランジスタ……107,108,109,110,111,112,113,11
4,207,208,209,210,211,212、 ソースホロワ回路……115,215、 出力端子……116,216。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に形成された浮遊拡散層と、 前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットスイッチ
   と、 前記浮遊拡散層の電位を第１のドライバーMOSトランジ
   スタのゲート側から入力とするソースホロワ回路と、 このソースホロワ回路の出力を第２のドライバーMOSト
   ランジスタのゲート側から入力とする第１の反転型増幅
   器と、 前記第１の反転型増幅器の出力を第３のドライバーMOS
   トランジスタのゲート側から入力とする第２の反転型増
   幅器と、 前記ソースホロワ回路の負荷MOSトランジスタのゲート
   に出力を接続する第３の反転型増幅器とを具備し、 前記第３の反転型増幅器の出力に前記第３の反転型増幅
   器の第４のドライバーMOSトランジスタのゲートが接続
   されることを特徴とする電荷検出回路。