JPH0797837B2

JPH0797837B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH0797837B2
Application number: JP61072939A
Authority: JP
Inventors: 幸雄遠藤; 望原田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1986-03-31
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPS62230268A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、固体撮像素子により得られる出力信号の雑音
（ノイズ）を抑圧して高感度テレビカメラ装置を得るこ
とを可能とした信号処理回路を有する固体撮像装置に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

CCDなどの固体撮像素子は従来の撮像管とくらべ小型，
軽量，高信頼性という特長があり、さらに図形歪，残
像，焼付きがないなど特性面での利点がある。このた
め、最近工業用テレビカメラ，家庭用ビデオカメラなど
に使われ始めている。そして、さらには電子カメラへの
応用が期待されている。これらのカメラへの応用では物
を見るという装置であることにより高感度化への要求が
強い。固体撮像素子の高感度化は素子自身の光電変換感
度を向上する方法と素子自身で発生する雑音（ノイズ）
を抑圧する方法がある。前者は素子の構造により決定さ
れるものであり、今後大幅に向上することは技術的に困
難である。このため、現在固体撮像素子の感度を決めて
いる主因は素子自身から発生するノイズであり、このノ
イズを抑圧すればさらに高感度化が達成できる。固体撮
像素子のノイズは素子の出力部から発生するものが大き
く影響する。

第６図および第７図を用いて固体撮像素子のノイズ発生
原因について説明する。第６図はCCD撮像素子の出力回
路部を示す模式図である。例えばＰ型Si基板１上に形成
された転送電極ΦH₁,ΦH₂,出力ゲート電極OG,リセット
ゲート電極RS,リセットドレイン電極RDへは所定のパル
スP₁,P₂,P_Rないし直流電圧V_OG,V_RDを加えて図の左から
右方向へ信号電荷を転送する。出力ゲート電極OGとリセ
ットゲート電極RSの間に設けられたフローティングのｎ
型拡散層２は基板１との間で信号電荷検知用ダイオード
を構成している。この拡散層２に接続してオンチップの
ソースホロア回路３が設けてある。ソースホロア回路３
はMOS・FETを用いた２段の回路で構成されている。そし
て２段共通のドレイン電極OD,サブストレート電極SSお
よび信号出力端子４の各電極が設けてある。ドレイン電
極ODへは直流電圧V_ODを印加する。信号電荷は転送電極
ΦH₂,ΦH₁の下を転送され、出力ゲート電極OGの下を通
り拡散層２に流れ込みその電位を変化させる。この電位
変化をソースホロア回路３で受け出力端子４から外部へ
信号を出す。リセットゲート電極RSには一定周期でリセ
ットパルスを印加し、拡散層２の電位をリセットドレイ
ン電圧V_RDにリセットする。この出力回路部はフローテ
ィグ拡散型出力回路として固体撮像素子を扱っている設
計者にとっては周知である。第７図は第６図の出力回路
の各部動作波形を示すものである。転送電極ΦH₁のパル
スがonの期間内でリセットゲート電極RSのパルスをoff-
on-offとする。このときの出力端子４から得られる信号
はリセット電極RSのパルスがonの期間t_Rはリセットドレ
イン電圧V_RDにリセットされ、次の期間のリセット電極R
Sのパルスがoffで転送電極ΦH₁のパルスがonではソース
ホロア回路の入力ゲート容量Ciとリセット電極RSの容量
Crで決まる電位になる。この期間t_Nには信号は含まれて
いない。そして次にリセット電極RSのパルスがoffで転
送電極ΦH₁のパルスがoffの期間t_Sでは信号電荷が電圧
に変換され出力される。

ところで、このような構造の出力回路ではノイズ源が２
つある。一つはリセット電極RSのパルスがonのときに発
生する熱ノイズがリセット電極RSのパルスをoffにした
ときに拡散層２に残るため発生するもので、通常このノ
イズQnは次式で表わせる。

ここでｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｃは拡散層
の容量を示す。このノイズは周波数に対してほぼ一定に
分布する白色ノイズであり、リセットノイズと呼ばれて
いる。もう一つはソースホロア回路３で発生する1/fノ
イズである。ソースホロア回路はMOS・FETで構成されて
いる。このためMOS・FET自身が持つ1/fノイズが発生す
る。このノイズは周波数が低くなる程大きくなるノイズ
であり、特に再生画像上では目立つものである。この二
つのノイズは第７図の出力信号波形中に示すように各画
素ごとに異なる値となって出力される。通常、CCDの出
力信号はリセット電極RSのパルスの飛び込みを除去する
ためと信号期間t_Sの拡大を図るためLPFを用いて平均化
を行なう。この結果、得られた出力信号中には図のハッ
チング部で示すように前述した二つのノイズ成分が残
る。このため出力信号のS/N（信号／雑音比）が劣化
し、CCDの感度を向上することができない問題があっ
た。特に1/fノイズは低周波成分であり、このことが再
生画像上では粗いノイズとなり非常に目立つ原因であっ
た。

このノイズを取り除きS/Nを改善する一方法として、第
７図に示す出力信号のt_Nの期間を一定の直流電圧にクラ
ンプした後、信号期間であるt_Sの電圧をサンプリングす
る相関２重サンプリング法が良く知られている。また、
t_Nの期間を一度サンプリングして期間の拡大をしてから
相関２重サンプリングを行なう方法が特開昭55-163693
号公報に開示されている。

しかしながら、CCDを駆動するクロックパルスの周波数
が数MHz以上の高速である場合においてはt_Nの期間が短
くなりクランプをするのに必要な時間がとれなくなり、
S/Nを改善することができない問題があった。発明者が
実験した具体的な数値を示すと、水平400,垂直500画素
のCCDでは水平クロック周波数が7.16MHzになる。この場
合信号の１周期すなわち１画素周期が140nsになる。こ
の周期で確実な動作を得るにはリセットゲート電極RSの
パルスのon期間t_Rが35ns,ノイズ期間t_Nが35ns,信号期間
t_Sが70ns程度になる。ノイズ期間t_Nは35nsであるが、こ
の期間内で十分安定になる期間はさらに狭くなり15ns程
度になる。したがってクランプはこの15ns以内で行なう
必要があるが、15ns以内でクランプ回路を正確に動作さ
せることは非常に困難である。しかもこの場合ではパル
ス幅15ns以下の狭いパルスが必要になるため、このパル
スが信号に混入し、S/Nを劣化させる問題があった。さ
らに相関２重サンプリング回路はCCD出力信号中のt_N期
間に高域ノイズが含まれていると正確に動作せず、むし
ろS/Nをクランプする以前の状態より劣化させる問題が
あった。またクランプパルスに信号帯域内のパルス成分
が含まれていると出力信号に固定ノイズとして混入し再
生像を著しく劣化させる問題があった。さらには相関２
重サンプリングを確実に動作させるのに必要な信号帯域
は水平クロック周波数の５倍以上になる。この値は35MH
z以上になり、回路製作上困難である問題があった。

以上説明したように従来はCCDのクロック周波数が数MHz
以上で動作する場合での出力回路部のノイズを取り除く
ことができずS/Nが劣化し、高感度のテレビカメラを実
現することができない問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、固体撮像素子
の出力回路部で発生する雑音（ノイズ）を効果的に除去
し、S/Nの極めて良い信号を得、高感度のテレビカメラ
装置の実現を可能とした信号処理回路を備えた固体撮像
装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明では、固体撮像素子をその出力信号が１画素周期
内で二つの期間、即ち信号成分のないノイズだけの第１
の期間と、ノイズと信号成分の含まれる第２の期間をも
つように駆動する。ここで第１の期間と第２の期間とは
ほぼ等しくなるようにする。そして第1,第２の期間に分
割された出力信号を、その一方を反転アンプに通し、他
方は同相アンプに通し、その後二つの出力信号をゲート
回路で交互にとり出して１画素周期でリセットされる積
分回路により積分することによりノイズ抑圧を行なう回
路を備える。

〔発明の効果〕

本発明のノイズ抑圧回路を備えることにより、従来のノ
イズ改善回路で問題となっていたことが大幅に改善さ
れ、次のような効果が得られる。

本発明のノイズ抑圧回路は従来回路で使われていた高
速のクランプ回路が不要となるのでCCDの読出し周波数
が10MHz以上の高い周波数となっても確実にノイズ抑圧
ができる。

従来回路で問題であった高周波成分が低周波側におり
返して発生するおり返しノイズは本質的にないので本発
明のノイズ抑圧効果は大きい。

従来ではCCDの出力信号の周波数帯域を高速のクラン
プ，サンプルホールドのため大きく取る必要があったが
本発明の回路では信号のゲート回路で良いためCCD出力
信号の周波数帯域は広く取る必要がなく１画素周期の信
号が伝達できる特性で良い。このため従来回路に比べ回
路設計上、容易かつ確実にノイズ抑圧ができる。

S/NはＳ（信号成分）が大きくＮ（ノイズ成分）が小
さい方が高画質となる。したがって、ノイズ抑圧回路自
身でＳが小さくなると、Ｎの抑圧量は非常に大きい値を
得なければS/Nとして良くならない。本発明では１画素
周期毎に反転アンプ出力と同相アンプ出力を積分するこ
とにより、ノイズ抑圧を行うと同時に、1/2画素期間に
分割された１画素周期内の信号成分期間をこの積分によ
り実質的に拡大している。従って、Ｓの低下なくＮを大
幅に抑圧できる特徴がある。

以上説明したように本発明によれば、固体撮像素子の出
力回路部で発生するリセットノイズと1/fノイズを確実
に抑圧できるので、素子を非常に少ない出力電圧で駆動
することが可能となる。この結果極めてS/Nの良い高感
度のテレビカメラ装置を実現できる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を説明する。第１図は本発明の固体
撮像装置の一実施例の構成図，第２図はその信号波形図
である。CCD撮像素子10は駆動回路11によって所定のパ
ルスで駆動される。撮像素子10の出力信号はノイズ抑圧
回路12に入力される。ノイズ抑圧回路12は、併置された
反転アンプ13および同相アンプ14、これらアンプの出力
に接続された第1,第２のスイッチS₁,S₂で構成されたゲ
ート回路15、スイッチS₁,S₂のon,off制御をするゲート
パルス回路16、スイッチS₁,S₂から得られて合成された
出力信号を１画素期間内で積分する積分回路17、この積
分回路17を１画素周期でリセット制御するリセットパル
ス回路18および、この積分回路17の出力信号を平均化す
るLPF19で構成される。

CCD撮像素子10の出力信号は第２図に示すように、信号
成分のないノイズだけの第１の期間t_F、信号成分とノイ
ズが含まれる第２の期間t_S,そしてCCDの信号電荷を１画
素周期でリセットするリセット期間t_Rを持つ状態になる
よう駆動回路11によって動作させる。ここで重要なこと
はt_F＝t_Sとすることである。もしt_Fとt_Sがずれた場合は
第１図の反転アンプ13あるいは同相アンプ14の利得を調
整して時間が小さくなった分電圧を高くすることが必要
になる。そして、スイッチS₁にはt_F期間とt_R期間の一部
を含むt_A期間にonとなるゲートパルスＡを印加する。一
方、スイッチS₂にはt_S期間とt_R期間の一部を含むt_B期間
にonとなるゲートパルスＢを印加する。これによりスイ
ッチS₁とスイッチS₂の出力が合成されると、t_F期間のノ
イズはノイズ抑圧回路12の入力信号に対して反転して、
t_S期間のノイズは同相となり得られる。そして信号成分
は同相のまま得られる。このことはノイズ成分は信号成
分に対して繰り返し周波数が２倍になることを意味して
いる。そして、この信号を積分回路17とこの積分回路を
制御するリセットパルス回路18によって一画素期間内の
積分を行なう。この結果１画素期間内で等量である反転
ノイズと同相ノイズは相殺され、信号成分のみ取り出さ
れる。このときリセットパルスの成分が残るので、これ
を除去することと信号成分を平均化するためLPF19を用
いる。これによりノイズが大幅に抑圧された信号成分が
得られる。ここでゲートパルスＡとＢは逆相関係にある
ので、このパルスによる混入ノイズは互いに相殺され
る。このため従来例で問題であったクランプパルスやサ
ンプルホールドパルスの混入によるS/N劣化は本実施例
では見られない。

なお、第１図の実施例でゲートパルスA,Bは入れ換えて
も同様な効果がある。また反転アンプ13と同相アンプ14
を入れ換えても同様である。本実施例で重要なことはCC
D出力信号の１画素期間内でノイズ成分を交互に反転さ
せることである。

このように本実施例ではノイズを確実に除去することが
できるので、S/Nの極めて良好な信号出力が得られる。
この結果、高感度のCCDテレビカメラが実現できる。

次に第１図のノイズ抑圧回路部の主要部の具体的回路構
成の実施例について第３図を用いて説明する。第３図は
発明者が設計，実験を行ない本発明を実施する方法とし
て極めて好ましい結果を得た回路方式である。この方式
は第１図で説明した反転アンプ13、同相アンプ14および
スイッチS₁,S₂からなるゲート回路15により構成される
部分に二重平衡差動回路30を用い、積分回路17に２段階
構成の積分回路を用いたものである。

ノイズ成分を交互に反転させる二重平衡差動増幅回路30
は、トランジスタQ_AとQ_Bを差動ペアにして、トランジス
タQ_Cを定電流源とした第１の差動増幅回路DA₁、トラン
ジスタQ_DとQ_Eを差動ペアにして、トランジスタQ_Fを定電
流源とした第２の差動増幅回路DA₂の２組の差動回路に
より構成している。トランジスタQ_AとQ_Eのベース，トラ
ンジスタQ_BとQ_Dのベースはそれぞれ共通接続される。ト
ランジスタQ_CとQ_Fからなる定電流源のエミッタは定電流
回路Ｉに接続される。そして、電流源トランジスタQ_Cの
ベースに信号を入力し、他方の電流源トランジスタQ_Fの
ベースには抵抗R30より所定の直流電圧を基準電圧とし
て入力する。そして、トランジスタQ_A,Q_Eのベースには
ゲートパルスＢを、トランジスタQ_B,Q_Dのベースにはゲ
ートパルスＡを入力する。この結果、差動回路の効果に
よりトランジスタQ_BとQ_Eのコレクタが共通接続されて負
荷抵抗R₃₁が接続された出力端子には第２図で示した加
算出力波形が現われる。そして、この出力を積分回路17
に入力する。

積分回路17は、第１の積分回路を構成するトランジスタ
Q_G,定電流回路I_C,抵抗R₃₃および積分コンデンサC₃₀と、
これを１画素周期でリセットするためのトランジスタQ_H
と、第２の積分回路を構成する抵抗R₃₄および積分コン
デンサC₃₁と、出力段エミッタホロアを構成するトラン
ジスタQ₁および抵抗R₃₅とにより構成される。第１の積
分回路では定電流回路I_Cと入力信号に応じて抵抗R₃₃よ
って決まる電流の差により得られる電流が積分コンデン
サC₃₀に蓄えられる。これがリセットトランジスタQ_Hがo
ffの期間積分される。このとき、入力信号のノイズは１
画素期間内で半分ずつ反転しているので、これを積分す
ることにより相殺される。一方、信号成分については一
方向の極性で入力されるのでこの量に応じて積分量が決
まる。トランジスタQ_Hがリセットパルスでonになるとコ
ンデンサC₃₀に蓄えられた信号成分は抵抗R₃₄を通して放
電される。このとき抵抗R₃₄とコンデンサC₃₁の時定数を
１画素周期より短く、かつリセットパルスがonの期間よ
り長くすれば信号成分の期間は拡大できる。この結果ノ
イズ（Ｎ）を抑圧して信号成分（Ｓ）を大きくできるこ
とになるのでS/Nとして大きい値が得られることにな
る。

こうして第３図の回路構成を用いることにより、１画素
周期内のノイズ成分を交互に反転する動作が二重平衡差
動回路により簡単に行われる。またこの回路ではゲート
パルスの信号系への混入が差動回路の効果により相殺さ
れる。

次に本発明の実施例の効果をさらに出すために適した積
分回路の構成例を説明する。第４図はその構成図、第５
図は動作波形図である。本実施例のポイントは第３図で
説明した積分回路の出力の信号成分の期間を確実に増大
することである。第１の積分回路はトランジスタQ₁,抵
抗R₄₁およびコンデンサC₄₁により構成される。第２の積
分回路は抵抗R₄₂,コンデンサC₄₂により構成される。こ
れら積分回路の間に第１のリセット用トランジスタQ₂が
設けられ、第２の積分回路の抵抗R₄₂に並列に第２のリ
セット用トランジスタQ₃が設けられている。トランジス
タQ₄と抵抗R₄₃は出力段エミッタホロアを構成してい
る。

この積分回路の動作を第５図の波形図を用いて説明す
る。トランジスタQ₁のベースには１画素周期内でノイズ
が交互に反転した信号が入力される。そして、第１の積
分回路でノイズが相殺され信号成分だけ取出される。こ
のときトランジスタQ₂のゲートはリセットパルスＡで制
御され、このパルスがoffのとき入力信号と定電流回路I
_Cによって第１の積分回路が積分動作を行なう。次にリ
セットパルスＡがonになるとこの積分量がトランジスタ
Q₂のドレイン側に出力される。そして、トランジスタQ₂
は次の第２の積分回路の動作と切離すためoffとする。
即ちトランジスタQ₂がonの期間だけ信号成分を出力する
と信号期間が小さくなってしまうので、この信号期間を
拡大するため抵抗R₄₂とコンデンサC₄₂によって決まる時
定数を利用して第２の積分を行なう。この結果、トラン
ジスタQ₂がoffになっても信号成分は保持される。ここ
で第２の積分回路の積分時定数（第５図に示すt₁ないし
t₂）は１画素周期以上とする。そして、トランジスタQ₃
のゲートにリセットパルスＢを印加してトランジスタQ₂
のonの直前にoff,on,offとなるようにする。こうするこ
とにより、出力信号は１画素期間内でほぼ全期間信号成
分になり、画素ごとのリセットも確実に行える。なお、
ここではトランジスタQ₃を電源側V_Cに接続して第２のリ
セットを行なっているが、トランジスタQ₃はアース側に
接続しても同様である。

以上のように本実施例では、二重平衡差動回路と２回の
積分を行なう回路を用いている。この結果、高速で確実
にノイズ抑圧が実現し、さらに信号期間の拡大も有効に
できるので、従来のノイズ抑圧回路で見られた高周波成
分のおり返しノイズや、制御パルスの飛び込みによるノ
イズなどが発生しない。これにより、CCD出力信号に含
まれるCCD出力部で発生するノイズは数エレクトロンと
従来の抑圧回路に比べて1/10以下と極めて大きい効果が
ある。このことを発明者は実験によって確認している。
そしてこのことは、CCDを使用したテレビカメラ装置の
感度を従来の抑圧回路を使用したものに比べ10倍高感度
化したことになる。これはCCDの実用範囲が大幅に拡大
されたことを意味している。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は以下に列
記するように種々の変形，応用が可能である。

（ａ）実施例の説明は白黒テレビカメラの場合について
行なったが、CCD感光面上に色フィルタを設けたカラー
テレビカメラに本発明を適用することができる。この場
合本発明のノイズ抑圧回路をカラー分離回路以前に挿入
すれば良い。これによりノイズの少ない高感度のカラー
テレビカメラが実現できる。

（ｂ）実施例の説明では、半導体基板との間でpnダイオ
ードを構成するフローティング拡散型の信号電荷検知部
を持つCCD撮像素子を説明したが、MOSダイオードを利用
するフローティングゲート構造の信号電荷検知部をもつ
CCD撮像素子においても同様に本発明を適用して同様の
効果がある。

（ｃ）本発明が適用できる固体撮像素子はCCDに限ら
ず、感光部画素がMOS構造で水平読出し部がCCD構造のも
のでも良い。また、感光部にアモルファスシリコンなど
の光導電膜を用いた積層構造型のCCDでも良い。飽和信
号電流を多くとるため垂直CCDと水平CCDの間に信号電荷
蓄積部を持ち垂直CCDレジスタの信号電荷を掃きよせる
動作をする固体撮像素子でも良い。これらの固体撮像素
子に共通する点は、信号電荷検知部が周期的にリセット
されることである。

（ｄ）以上の説明は二次元型の固体撮像素子について行
なったが、一次元型の固体撮像素子に本発明を適用して
も同様な効果が得られる。

（ｅ）第３図，第４図の積分回路で第１の積分に抵抗と
コンデンサを用いた方法で説明したが、積分回路はこれ
に限定されない。特に定電流積分を行えば本発明の効果
はさらに高まる。

（ｆ）第１図の説明でCCD出力信号をすぐにノイズ抑圧
回路に入力しているが、CCD出力信号をまず増幅してか
らノイズ抑圧回路に入力することにより外部から混入す
るノイズ，ハムなどの影響を小さくすることができる。
この場合、増幅回路の帯域は１画素周期の信号を伝達す
ることが必要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図はその動作
を説明するための信号波形図、第３図はより具体化した
実施例を説明するための図、第４図は本発明のノイズ抑
圧をより確実に行なう一実施例の構成図、第５図はその
動作を説明するための信号波形図、第６図はCCDのノイ
ズ発生原因について説明するためのCCD出力部を示す模
式図、第７図は第６図の動作を説明するための各部の動
作波形を示す図である。 10……CCD撮像素子、11……駆動回路、12……ノイズ抑
圧回路、13……反転アンプ、14……同相アンプ、15……
ゲート回路、16……ゲートパルス回路、17……積分回
路、18……リセットパルス回路、19……LPF、S₁……第
１のスイッチ、S₂……第２のスイッチ、DA₁,DA₂……差
動増幅回路、C₃₀,C₄₁……第１の積分コンデンサ、C₃₁,C
₄₂……第２の積分コンデンサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に、感光画素配列、各感光画素
で光電変換された信号電荷を転送する信号電荷転送部、
転送された信号電荷を検知するフローティング型の電荷
検知部および、この電荷検知部の電位を前記感光画素配
列の周期毎に所定電位にリセットするリセット部を集積
形成してなる固体撮像素子と、この固体撮像素子を駆動
して、出力信号の１画素周期内を画像の有効信号が含ま
れない第１の期間とこれとほぼ等しい期間で画像の有効
信号が含まれる第２の期間とに分割して出力信号を得る
駆動回路と、前記固体撮像素子の出力信号が入力される
併置された反転アンプおよび同相アンプ、これらのアン
プ出力を前記第1,第２の期間に同期させて交互に取り出
すゲート回路および、このゲート回路により交互に取り
出された出力信号を合成して積分する,1画素周期ごとに
リセットされる積分回路を有するノイズ抑圧回路とを備
えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記積分回路は、１画素期間毎の前記ゲー
ト回路出力信号を積分してノイズ成分を相殺する第１の
積分回路と、この積分回路の出力信号を積分して有効信
号期間を拡大する第２の積分回路を有する特許請求の範
囲第１項記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記積分回路は第１の積分回路と第２の積
分回路を備え、第１の積分回路には第１のリセット回路
が設けられ、第２の積分回路には第２のリセット回路が
設けられ、第２の積分回路の時定数は１画素周期以上に
設定され、第２のリセット回路のリセット周期は１画素
周期に設定されている特許請求の範囲第１項記載の固体
撮像装置。