JPH0556360A

JPH0556360A - 固体撮像素子の前置増幅装置

Info

Publication number: JPH0556360A
Application number: JP3209650A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Fuse; 彰一布施; Yasumi Miyagawa; 八州美宮川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1993-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】映像信号の立ち上がりと立ち下がりで信号エッ
ジが対称でないことによる画質の劣化を防止する。【構成】固体撮像素子を用いた撮像装置において、フロ
ーティングディフュージョンアンプで電荷検出する際の
欠点であるリセット雑音を除去するために、相関二重サ
ンプリング法を用いた前置増幅器装置が使われるが、ク
ランプ回路およびサンプルホールド回路のコンデンサ2
4、31の充電と放電の時定数が異なるため、映像信号の
立ち上がりと立ち下がりの信号エッジが非対称となり画
質を悪化させる。このため、コンデンサ24、31への信号
供給に定電流回路45、50をそれぞれ用いることで、コン
デンサ24、31への充電と放電の時定数を等しくするよう
に信号供給する。これにより、映像信号の立ち上がりと
立ち下がりの信号エッジが対称となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子を用いた撮
像装置の前置増幅装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、固体撮像素子は広く用いられてお
り、その動作原理については既に公知のことであるが本
発明に深く関わっているので、以下、その概略を簡単に
説明する。

【０００３】すなわち、ＣＣＤ型固体撮像素子（以下Ｃ
ＣＤという）は、行および列方向にｍおよびｎ個のフォ
トダイオードとＣＣＤから成るｍ列の垂直転送レジスタ
および水平転送レジスタと電荷検出部から構成されてい
る。フォトダイオードは被写体からの入射光を光電変換
するとともに、光電変換して得られた信号電荷を蓄積す
る。信号電荷は信号読みだしゲートを介して垂直転送レ
ジスタへ読み込まれた後、垂直転送パルスにより水平転
送レジスタ方向へ順次転送され、水平ライン毎に水平転
送レジスタに転送される。

【０００４】この水平転送レジスタへ転送された信号電
荷は水平転送パルス供給端子から供給される水平転送パ
ルスにより電荷検出部へ順次転送され、電荷検出部のフ
ローティングディフュージョンにより電圧信号に転換さ
れて信号出力端子から順次信号として得られる。

【０００５】図３に水平転送レジスタと電荷検出部の断
面図を示し、この電荷検出部の動作について、以下、簡
単に説明する。図３において、水平転送レジスタを構成
する水平転送ゲート１、２、３、４にそれぞれ接続され
る供給端子５には水平転送パルスΦ_H1〜Φ_H4が供給され
る。また、電荷検出部６としてのフローティングディフ
ュージョンアンプ（以下ＦＤＡという）は、フローティ
ングディフュージョン７と、電源Ｖ1 に接続されるリセ
ットドレイン８と、Φ_G端子に接続される出力ゲート電
極９と、リセットパルスΦ_Rの供給端子であるΦ_R端子
10に接続されるリセット電極11と、フローティングディ
フュージョン７にベースが接続され、電源Ｖ2 にドレイ
ンが接続されるＦＥＴ12と、このＦＥＴ12のソースに接
続されるソース抵抗13とにより構成されている。さら
に、フローティングディフュージョン（以下ＦＤとい
う）７は直接的に直流電源に接続されていない漂遊拡散
であり、また、ＦＥＴ12のソースとソース抵抗13の接続
点には出力端子14が接続されている。15はＰ型基板であ
り、このＰ型基板15上には絶縁用酸化膜ＳｉＯ₂16が設
けられている。

【０００６】図４は図３を単純化してその概略構成を示
したものであり、また、図５は電極Φ_H1〜Φ_H4、Φ_R端
子10に印加する各パルスを示したものである。そして、
図４は図５の各時間ｔ₁〜ｔ₅におけるポテンシャルモ
デルを示している。

【０００７】まず、図４の時間ｔ₁は水平転送が行われ
る寸前の状態、すなわち、垂直転送レジスタから水平転
送レジスタへ信号電荷が転送された直後の状態である。
この時間ｔ₁において電極Φ_H1、Φ_H2に電圧が印加され
ると、電極Φ_H1、Φ_H2下のポテンシャルは高くなり、垂
直転送レジスタから水平転送レジスタへ転送された信号
電荷は電極Φ_H1、Φ_H2下に捕捉される。図４ではＱ₁、
Ｑ₂が信号電荷である。このとき、ＦＤ７の電荷は、図
５に示したリセットパルスΦ_RであるΦ_RパルスＡがΦ
_R端子10に印加されたときの状態を維持する。すなわ
ち、Φ_R端子10にΦ_RパルスＡが印加されるとＦＤ７の
電位は約Ｖ₁となり、ＦＤ７に電荷を与えない限りＶ₁
を維持する。ここで、ＦＤ７に信号電荷が注入されない
水平帰線期間中にもΦ_RパルスＡを印加するのは暗電流
によりＦＤ７の電荷が変動するのを防ぐためである。

【０００８】次に、図４のｔ₂は、信号電荷（Ｑ₁、Ｑ
₂）が電荷検出部６の方向へＣＣＤの１電極分だけ転送
された状態であり、ＦＤ７の電位はＶ₁を維持する。さ
らに、図４のｔ₃は、信号電荷（Ｑ₁、Ｑ₂）が電荷検
出部６の方向へさらに１電極分だけ転送され、Φ_R端子
10にΦ_RパルスＡが印加されるためＦＤ７の電位はＶ₁
となる。

【０００９】さらに、図４のｔ₄では、信号電荷
（Ｑ₁、Ｑ₂）が電荷検出部６の方向へ更に１電極分だ
け転送されるため、信号電荷Ｑ₁の一部は電極Φ_H4下に
捕捉され残りはＦＤ７へ転送されＦＤ７の電位は信号電
荷の量に応じて下がる。

【００１０】さらに、図４のｔ₅では、信号電荷
（Ｑ₁、Ｑ₂）が電荷検出部６の方向へもう１電極分だ
け転送されるため電極Φ_H4下に捕捉されていた信号電荷
Ｑ₁の残りも全てＦＤ７へ転送される。このため、ＦＤ
７の電位は更に下がり、Ｖ_Pの電位となる。そして、こ
のＦＤ７の電位Ｖ_PはΦ_R端子10にΦ_Rパルスが印加さ
れるまで保持される。

【００１１】図６に電荷検出部６としてのＦＤＡを用い
た固体撮像素子からの映像出力の概略を示し、固体撮像
素子からの映像出力Ｂの模式図である。なお、Ａは図５
のΦ _Rパルスである。図６において、図３の出力端子14
からリセット期間ａ、零レベル期間ｂ、さらに信号期間
ｃで変化する映像出力Ｂが出力される。この信号期間ｃ
にＦＤ７からの信号電圧が現れ、実線Ｂ1 で示した波形
がＦＤ７に信号電荷が注入されたときの信号波形で、破
線Ｂ2 で示した波形がＦＤ７に信号電荷が注入されなか
ったときの信号波形である。

【００１２】フォトダイオードからの信号電荷を電荷検
出部６より電圧に変換し信号電圧として取り出すために
は、１画素分の信号電荷を取り出す度にＦＤ７の電圧を
Ｖ₁にリセットしなければならない。ＦＤ７をリセット
する際に、リセットゲート電極11下の界面準位により低
い周期の雑音（以下この雑音をリセット雑音という）が
発生する。つまり、界面準位によりＦＤ７のリセット電
位が変動する。このリセット雑音はＦＤ７が次にリセッ
トされるまでＦＤ７の容量により保持される。すなわ
ち、リセット雑音はサンプルホールドされた形となって
図３の出力端子14から出力される。

【００１３】このため、図６に示した零レベル期間ｂ、
さらに信号期間ｃの間、映像出力Ｂはリセット雑音によ
り変動する。したがって、このまま信号処理して映像信
号とした場合にはリセット雑音の混入した信号となって
しまう。

【００１４】このリセット雑音は、その電力が周波数ｆ
に反比例した１／ｆ雑音である。電荷検出部６における
１／ｆ雑音の周波数は出力信号周波数の１／10以下であ
るため、出力信号の数ビットにわたって１／ｆ雑音の変
動は小さく、ほぼ一定と見なせる。そして、１／ｆ雑音
はテレビ画面上では水平の帯状となってランダムに現れ
るので画質を著しく損ねる。

【００１５】このように、１／ｆ雑音の特徴に着目して
リセット雑音を除去する方法として、相関二重サンプリ
ング法が一般的に用いられている。この実用の相関二重
サンプリング法（以下ＣＤＳ法という）を用いた前置増
幅装置の概略を図７に示している。図７において、Ｄ1
がクランプ回路部であり、Ｄ2 がその後段のサンプリン
グ回路部である。クランプ回路部Ｄ1 は、ＦＤ７からの
信号が入力される出力端子14に接続された入力端子21、
この入力信号を受けるトランジスタ22、そのバイアス抵
抗23、クランプのためのコンデンサ24、クランプパルス
で制御されるスイッチ25、クランプの基準電圧Ｖ_Sを与
える電源26、クランプ回路部Ｄ1 の終端トランジスタ27
から構成されている。また、サンプリング回路部Ｄ2
は、クランプ回路部Ｄ1 の終端トランジスタ27のエミッ
タに接続されるトランジスタ28、そのバイアス抵抗29、
サンプリングパルスで制御されるスイッチ30、サンプル
された信号をホールドするコンデンサ31、サンプリング
回路部Ｄ2 の終端トランジスタ32から構成されている。
さらに、終端トランジスタ32のエミッタにはＣＤＳ法に
よる前置増幅装置の信号出力端子33が接続されている。

【００１６】上記構成により、以下、ＣＤＳ法の動作を
説明する。図８に示すように、Ｅ1が入力端子21に入力
される信号波形、Ｅ2 がスイッチ25を制御するクランプ
パルス波形、Ｅ3 がクランプ回路部Ｄ1の出力信号波
形、すなわちトランジスタ28のベースに入力される信号
波形、Ｅ4 がスイッチ30を制御するサンプリングパルス
波形、Ｅ5 がサンプリング回路部Ｄ2 の出力信号波形、
すなわち出力端子33から出力される信号波形である。こ
の入力波形Ｅ1 は、図３の出力端子14からリセット期間
ａ、零レベル期間ｂ、さらに信号期間ｃで変化する図６
の映像出力Ｂと同様な信号が出力されるが、入力波形Ｅ
1 の場合は、リセット雑音の影響で各期間ａ、ｂ、ｃに
おけるレベルがｄ1 、ｄ2 に示すように変化している。
さらに、スイッチ25はクランプパルスＥ2が電圧Ｖ_Hの
ときにオン状態で、電圧Ｖ_Lのときにオフ状態であり、
また、スイッチ30はサンプリングパルスＥ4 が電圧Ｖ_H
のときにオン状態で、電圧Ｖ_Lのときにオフ状態であ
る。このクランプパルスＥ2 は入力波形Ｅ1 の零レベル
期間ｂの間に電圧Ｖ_Hとなり、また、サンプリングパル
スＥ4 は入力波形Ｅ1 の信号期間ｃの間に電圧Ｖ_Hとな
る。

【００１７】まず、クランプパルスＥ2 が入力波形Ｅ1
の零レベル期間ｂの間に電圧Ｖ_Hとなると、スイッチ25
がオンして電源26がコンデンサ24とトランジスタ27のベ
ースの接続点ｐ1 に接続され、この接続点ｐ1 に基準電
圧Ｖ_Sを与える。これにより、この接続点ｐ1 の電位は
基準電位Ｖ_Sになる。そして、スイッチ25がオフした後
は、コンデンサ24を介してトランジスタ22のコレクタ端
の電位の変化分、すなわち、入力端子21に入力される信
号変化分だけが伝わって接続点ｐ1 の電位が基準電位Ｖ
_Sより変化する。このように、零レベル期間ｂにおいて
は映像出力Ｂを基準電位Ｖ_Sにクランプしたことにな
る。すなわち、図８の波形Ｅ3 のようになり、先に示し
たリセット雑音が除去される。

【００１８】次に、サンプリングパルスＥ4 が入力波形
Ｅ1 の信号期間ｃの間に電圧Ｖ_Hとなると、スイッチ30
がオンして抵抗29とトランジスタ28のコレクタの接続点
がコンデンサ31とトランジスタ32のベースの接続点ｐ2
に接続され、この接続点ｐ2の電位はトランジスタ28の
コレクタ端と同電位になる。その後、スイッチ30がオフ
しても次にスイッチ30がオンするまでコンデンサ31によ
りその電位をホールドする。これにより、信号期間ｃの
固体撮像素子からの信号電圧をサンプリングしたことに
なる。すなわち、図８の波形Ｅ5 のようなサンプリング
信号のみを出力端子33から取り出せることになる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のＣＤＳ法で
は、コンデンサ24、31の充放電により動作させているた
め、コンデンサ24、31の充電時間および放電時間が直接
性能に影響する。図７に示したＣＤＳ法では、コンデン
サ24、31からの電荷の放電はトランジスタ22、28を介し
てそれぞれなされるが、充電は電圧源から抵抗23、29を
それぞれ介してなされるため、充放電において時定数に
差が生じ放電時定数に比べ充電時定数が長くなる。すな
わち、図７のＣＤＳ法を用いた前置増幅装置において、
サンプリング回路部Ｄ2 を例に取れば、映像信号が黒レ
ベル（入力端子21に入力される信号がハイレベル）にな
ったとき、接続点ｐ2 の電位が上がりコンデンサ31は充
電される。映像信号が白レベル（入力端子21に入力され
る信号がローレベル）になったとき、接続点ｐ2 の電位
が下がりコンデンサ31の電荷は放電される。このとき、
前述のように放電時間に比べて充電時間が長いため、黒
レベルから白レベルへのエッジに対して白レベルから黒
レベルへのエッジが鈍ることになる。すなわち、図７の
ＣＤＳ法では信号の立ち上がりと立ち下がりでエッジが
対称とならない。このため、映像が大きく変化するエッ
ジでは、にじんだようになったり偽の陰ができるなど映
像を悪化させるという問題を有していた。

【００２０】本発明は上記従来の問題を解決するもの
で、相関二重サンプリング法でサンプルホールドの放電
速度に比べて充電速度が遅いために生じる映像信号の立
ち上がりと立ち下がりでエッジが対称でないことによる
画質の劣化を防止することができる固体撮像素子の前置
増幅装置を提供することを目的とするものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の固体撮像素子の前置増幅装置は、固体撮像素
子からの基準電圧および信号電圧が信号入力され前記基
準電圧をクランプするクランプ回路と、前記クランプ回
路から出力される前記信号電圧をサンプリングするサン
プルホールド回路を有する相関二重サンプリング法を用
いた固体撮像素子の前置増幅装置であって、前記クラン
プ回路におけるクランプの応答速度、およびサンプルホ
ールド回路におけるサンプルホールドの応答速度を信号
エッジの立ち上がりと立ち下がりで等しくするように前
記クランプ回路およびサンプルホールド回路に信号供給
する定電流源を備えたものである。

【００２２】

【作用】上記構成により、クランプ回路およびサンプル
ホールド回路への信号供給にクランプの応答速度および
サンプルホールドの応答速度を信号エッジの立ち上がり
と立ち下がりで等しくする定電流源を用いたので、従来
の抵抗を介した電圧源による信号供給に比べて固体撮像
素子の映像信号出力の、映像が大きく変化する白レベル
から黒レベルへの応答速度が増し、これにより、黒レベ
ルから白レベルへの応答速度と白レベルから黒レベルへ
の応答速度を等しくすることが可能となり、信号エッジ
の対称な映像信号が得られる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。なお、従来例と同一の作用効果を奏
するものには同一の符号を付してその説明を省略する。

【００２４】図１は本発明の一実施例の固体撮像素子の
前置増幅装置の構成を示す回路図である。図１におい
て、電源Ｖ_CCは抵抗41、さらに抵抗42を介して接地され
ている。抵抗41、42の接続点はトランジスタ43のベース
に接続され、また、そのコレクタは抵抗44を介して電源
Ｖ_CCに接続され、さらに、そのエミッタはトランジスタ
22のコレクタとコンデンサ24の接続点に接続されてい
る。以上により、クランプ回路へ信号供給可能な定電流
回路45を構成し、この定電流回路45により、コンデンサ
24を充電する。また、同様に、電源Ｖ_CCは抵抗46、さら
に抵抗47を介して接地されている。これら抵抗46、47の
接続点はトランジスタ48のベースに接続され、また、そ
のコレクタは抵抗49を介して電源Ｖ_CCに接続され、さら
に、そのエミッタはトランジスタ28のコレクタとスイッ
チ30の接続点に接続されている。以上により、サンプリ
ング回路へ信号供給可能な定電流回路50を構成し、この
定電流回路50により、スイッチ30を介してコンデンサ31
を充電する。したがって、信号供給を定電流源で行うト
ランジスタ43、48による定電流回路45、50を用いた相関
二重サンプリング法の前置増幅装置51が実現される。

【００２５】上記構成により、以下、その動作を説明す
る。まず、クランプ回路部では入力信号の零レベル期間
にスイッチ25がオンして、電源26がコンデンサ24とトラ
ンジスタ27のベースの接続点ｐ1 に接続され、この接続
点ｐ1 に基準電圧Ｖ_Sを与える。これにより、この接続
点ｐ1 の電位は基準電位Ｖ_Sになる。そして、スイッチ
25がオフした後は、コンデンサ24を介してトランジスタ
22のコレクタ端の電位の変化分、すなわち、入力端子21
に入力される信号変化分だけが伝わって接続点ｐ1 の電
位が基準電位Ｖ_Sより変化する。このように、零レベル
期間で基準電圧Ｖ_Sにクランプされた信号が得られる。

【００２６】次に、サンプリング回路部では、入力信号
の信号期間にスイッチ30がオンしてトランジスタ48のエ
ミッタとトランジスタ28のコレクタの接続点がコンデン
サ31とトランジスタ32のベースの接続点ｐ2 に接続さ
れ、スイッチ30がオンしているときのみ信号が送られ
る。そして、スイッチ30を通過した信号がコンデンサ31
に蓄積され、スイッチ30が次にオンするまでその信号は
ホールドされる。これにより、信号期間のみスイッチ30
を通過した信号がサンプリングされたことになる。

【００２７】すなわち、本発明の要点はコンデンサ24、
31への充放電の時定数を等しくすることにある。その動
作をサンプリング回路部を例に取って、以下、詳しく説
明する。まず、トランジスタ28に入力される信号、すな
わち、サンプリング回路部への入力信号電圧がハイから
ローになったとき、コンデンサ31は定電圧源50を介して
充電される。そして、サンプリング回路部への入力信号
の信号電圧がローからハイになったとき、コンデンサ31
に充電されていた電荷はトランジスタ28を介して放電す
る。このとき、定電流源である定電流回路50は、トラン
ジスタ48のベースに抵抗46、47で決まる所定電圧が常に
印加されているため、トランジスタ48のコレクタからエ
ミッタに一定の電流Ｉ_Sが流れることなる。入力信号電
圧が最大のときにトランジスタ28に流れる電流をＩ_Hと
し、入力信号電圧が最小のときにトランジスタ28に流れ
る電流をＩ_Lとしたとき，電流Ｉ_Hと電流Ｉ_Lの平均値
に電流Ｉ_Sを定めると、入力信号電圧が最大から最小に
なったときにコンデンサ31を充電する電流と、入力信号
電圧が最小から最大になったときにコンデンサ31から放
電される電流が共に電流Ｉ_Sと等しくなって時定数が同
一となる。すなわち、立ち上がりと立ち下がりのエッジ
が対称となる。

【００２８】また、クランプ回路部についても同様に、
コンデンサ24の充電時に流れ込む電流とコンデンサ24の
放電時に流れ出す電流が等しくなるように、トランジス
タ43のコレクタからエミッタに流れる、サンプリング回
路部の場合と同じように平均電流Ｉ_Sが設定可能であ
り、これにより、立ち上がりと立ち下がりのエッジが対
称になる。

【００２９】さらに、実際の被写体を撮像したときの信
号波形を図２を用いて説明する。図２において、52は、
映像53を撮影したときの破線部ＸーＹでの信号模式図を
示している。54は図７における従来のＣＤＳ法の前置増
幅装置を用いたときの出力信号の模式図を示している。
この場合、立ち下がりエッジ54ａと立ち上がりエッジ54
ｂが非対称になっている。55は信号模式図の信号54をデ
ィテール（高域強調）を効かせたときの信号である。56
は図１における本実施例のＣＤＳ法の前置増幅装置を用
いたときの出力信号の模式図を示している。この場合、
立ち下がりエッジ56ａと立ち上がりエッジ56ｂが対称と
なっている。57は信号模式図の信号56をディテールを効
かせたときの信号である。以上により、図７における従
来のＣＤＳ法ではエッジ54ａ、54ｂが非対称であるのに
対して、図１における本実施例のＣＤＳ法を用いること
で立ち上がりと立ち下がりでエッジ56ａ、56ｂの対称な
信号が得られる。

【００３０】したがって、クランプ回路部およびサンプ
ルホールド回路への信号供給に定電流源を用いることに
より、従来の抵抗を介した電圧源による信号供給に比
べ、固体撮像素子の映像信号出力の白レベルから黒レベ
ルへの応答速度が増すことで、黒レベルから白レベルへ
の応答速度と白レベルから黒レベルへの応答速度を等し
くする、すなわち、クランプおよびサンプルホールドの
充電時間と放電時間を等しくすることができ、エッジの
対称な映像出力が得らる。これにより、従来のように、
映像が大きく変化するエッジで、にじんだようになった
り偽の陰ができるという問題は解消されて高品質な映像
となる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、クランプ
回路およびサンプルホールド回路への信号供給に定電流
源を用いることにより、従来の抵抗を介した電圧源によ
る信号供給に比べ、固体撮像素子の映像信号出力の白レ
ベルから黒レベルへの応答速度が増すことで、黒レベル
から白レベルへの応答速度と白レベルから黒レベルへの
応答速度を等しくする、即ちサンプルホールドの充電時
間と放電時間を等しくすることができ、エッジの対称な
映像が得られ高品質な映像となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の固体撮像素子の前置増幅装
置の構成を示す回路図である。

【図２】実際の被写体を撮像したときの信号波形につい
て従来例と本実施例との差異を説明するための説明図で
ある。

【図３】従来のＣＣＤ型撮像素子の水平転送段と電荷検
出部の断面図である。

【図４】図３を簡略化したものとその各時間におけるポ
テンシャルモデルを示した図である。

【図５】水平転送パルスおよびリセットパルスと図４の
各時間との関係を示した図である。

【図６】図３のＦＤＡからの出力信号とリセットパルス
を示した図である。

【図７】従来の相関二重サンプリング法を用いた固体撮
像素子の前置増幅装置の構成を示す回路図である。

【図８】図７の各要部の波形図である。

【符号の説明】

22、27、28、32、43、48 トランジスタ 25、30 スイッチ 24、31 コンデンサ 41、42、44、46、47、59 抵抗 45、50 定電流回路 51 前置増幅装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体撮像素子からの基準電圧および信号電
圧が信号入力され前記基準電圧を所定電圧にクランプす
るクランプ回路と、前記クランプ回路から出力される前
記信号電圧をサンプリングするサンプルホールド回路を
有する相関二重サンプリング法を用いた固体撮像素子の
前置増幅装置であって、前記クランプ回路におけるクラ
ンプの応答速度、およびサンプルホールド回路における
サンプルホールドの応答速度を信号エッジの立ち上がり
と立ち下がりで等しくするように前記クランプ回路およ
びサンプルホールド回路に信号供給する定電流源を備え
た固体撮像素子の前置増幅装置。