JPH09181299A - Charge-voltage conversion circuit and solid-state imaging device - Google Patents

Charge-voltage conversion circuit and solid-state imaging device

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JPH09181299A
JPH09181299A JP7340961A JP34096195A JPH09181299A JP H09181299 A JPH09181299 A JP H09181299A JP 7340961 A JP7340961 A JP 7340961A JP 34096195 A JP34096195 A JP 34096195A JP H09181299 A JPH09181299 A JP H09181299A
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JP
Japan
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source
transistor
reset
signal
charge
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JP7340961A
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Inventor
Kazuya Kubo
加寿也 久保
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電荷−電圧変換回路に関し、リセット動作終
了直後の出力トランジスタのゲート電圧を高くすること
により、出力ダイナミックレンジを広げる。 【解決手段】 一端を接地線GNDに接続した容量Cと、
ソースを容量Cの他端に接続し、ドレインをリセット電
源に接続し、かつ、ゲートをリセット信号源に接続した
リセット用のトランジスタT11と、ゲートを容量Cの他
端に接続し、ソースを出力部に接続し、かつ、ドレイン
を電源線VDDに接続した出力トランジスタT21と、一端
をトランジスタT21のソースに接続し、他端を接地線G
NDに接続した負荷抵抗RL1と、ドレインをトランジスタ
T21のソースに接続し、ソースを接地線GNDに接続した
リセット補助用のトランジスタT31とを備え、トランジ
スタT31は当該回路をリセットするときに、容量Cの一
端に接続した接地線GNDとトランジスタT21のソースと
を接続する。
The present invention relates to a charge-voltage conversion circuit, which widens an output dynamic range by increasing a gate voltage of an output transistor immediately after a reset operation is completed. A capacitor C having one end connected to a ground line GND,
A reset transistor T11 having a source connected to the other end of the capacitor C, a drain connected to a reset power supply, and a gate connected to a reset signal source, and a gate connected to the other end of the capacitor C to output the source Of the output transistor T21 whose drain is connected to the power supply line VDD and one end of which is connected to the source of the transistor T21 and whose other end is connected to the ground line G.
A load resistor RL1 connected to ND and a reset auxiliary transistor T31 having a drain connected to the source of the transistor T21 and a source connected to the ground line GND are provided, and the transistor T31 has a capacitance C when resetting the circuit. The ground line GND connected to one end of the transistor is connected to the source of the transistor T21.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電荷−電圧変換回
路及び固体撮像装置に関するものであり、例えば、フォ
トダイオードにより発生された電荷を電圧に変換する回
路及びその応用装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge-voltage conversion circuit and a solid-state image pickup device, for example, a circuit for converting charges generated by a photodiode into a voltage and an application device thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固体撮像装置はラインセンサやイ
メージセンサに盛んに使用されている。ラインセンサ
は、一次元に配置されたフォトダイオードにより発生さ
れた信号電荷を電圧に変換するものである。イメージセ
ンサは、二次元に配置されたフォトダイオードにより発
生された信号電荷を電圧に変換するものである。これら
センサは映像を記録に残すだけではなく、種々な画像解
析や観察を遠隔地で行うことができる。このような固体
撮像装置には、信号電荷を電圧に変換する電荷−電圧変
換回路が組み込まれている。電荷−電圧変換回路は、固
体撮像装置の低電圧駆動化を図るためにも、出力信号ダ
イナミックレンジが広いことが望まれている。なお、出
力信号ダイナミックレンジとは、信号電荷が無いときの
レベル(黒レベル)から、信号電荷が最も多いときのレ
ベル(白レベル)までの幅をいう。
2. Description of the Related Art In recent years, solid-state image pickup devices have been widely used in line sensors and image sensors. The line sensor converts the signal charge generated by the one-dimensionally arranged photodiodes into a voltage. The image sensor converts the signal charge generated by the two-dimensionally arranged photodiodes into a voltage. These sensors can not only record images but also perform various image analyzes and observations at remote locations. A charge-voltage conversion circuit that converts signal charges into a voltage is incorporated in such a solid-state imaging device. The charge-voltage conversion circuit is desired to have a wide output signal dynamic range in order to drive the solid-state imaging device at a low voltage. The output signal dynamic range is the width from the level (black level) when there is no signal charge to the level (white level) when there is the most signal charge.

【0003】次に、電荷−電圧変換回路を応用した固体
撮像装置について説明する。図6は、従来例に係る固体
撮像装置の構成図及び動作波形図を示している。図6
(A)において、1は光を受けて信号電荷を発生するフ
ォトダイオード、2は信号電荷を転送する転送回路、3
は信号電荷を電圧に変換する信号電荷−電圧変換回路、
T3は当該信号電荷−電圧変換回路3の出力をイネーブ
ルする選択用のトランジスタである。
Next, a solid-state image pickup device to which a charge-voltage conversion circuit is applied will be described. FIG. 6 shows a configuration diagram and an operation waveform diagram of a solid-state imaging device according to a conventional example. FIG.
In (A), 1 is a photodiode that receives light to generate signal charges, 2 is a transfer circuit that transfers signal charges, 3
Is a signal charge-voltage conversion circuit for converting the signal charge into a voltage,
T3 is a selection transistor for enabling the output of the signal charge-voltage conversion circuit 3.

【0004】信号電荷−電圧変換回路3は、リセット用
のトランジスタT1、出力トランジスタT2、負荷抵抗
RL及び静電容量Cを備えている。なお、信号電荷−電
圧変換回路のリセットとは、静電容量に蓄積された信号
電荷を外部に掃き出す動作をいう。また、静電容量Cに
は、トランジスタT1のゲートと基板間に生ずるゲート
容量、ソースと基板間の拡散層容量や、トランジスタT
2のゲートと基板間に生ずるゲート容量、及び、配線と
基板間に生ずる浮遊容量を利用している。
The signal charge-voltage conversion circuit 3 comprises a resetting transistor T1, an output transistor T2, a load resistor RL and a capacitance C. Note that the reset of the signal charge-voltage conversion circuit means an operation of sweeping out the signal charges accumulated in the electrostatic capacitance to the outside. The capacitance C includes a gate capacitance generated between the gate of the transistor T1 and the substrate, a diffusion layer capacitance between the source and the substrate, and the transistor T.
The gate capacitance generated between the second gate and the substrate and the floating capacitance generated between the wiring and the substrate are used.

【0005】次に、図6(B)を参照しながら固体撮像
装置の動作を説明する。まず、信号電荷−電圧変換回路
3をリセットする。リセット動作は、トランジスタT1
のゲートに「H」レベルのリセット信号(φR)を入力
し、ドレインにリセット電圧(VDR)を入力すること
により行われる。このリセット動作によって、容量Cに
蓄積された信号電荷が掃き出される。そして、リセット
動作終了後の出力トランジスタT2のゲートがほぼリセ
ット電圧に保たれる。このときも光を受けたフォトダイ
オード1は信号電荷を発生している。
Next, the operation of the solid-state image pickup device will be described with reference to FIG. First, the signal charge-voltage conversion circuit 3 is reset. The reset operation is performed by the transistor T1.
This is performed by inputting an "H" level reset signal (φR) to the gate and inputting a reset voltage (VDR) to the drain. By this reset operation, the signal charge accumulated in the capacitor C is swept out. Then, the gate of the output transistor T2 after the completion of the reset operation is kept substantially at the reset voltage. At this time as well, the photodiode 1 receiving the light is generating signal charges.

【0006】そして、リセット動作が終了すると、フォ
トダイオード1で発生された信号電荷は、信号電荷−電
圧変換回路3の静電容量Cに蓄積される。このとき転送
回路2は、転送クロック信号(φT)に基づいて信号電
荷を転送する。信号電荷はトランジスタT2のゲート電
圧となる。信号電荷は通常電子(負電荷)であるので、
電子が容量に多く蓄積されるほど、トランジスタT2の
ゲート電圧は下がってくる。トランジスタT2のゲート
電圧は下がってくると、T2のオン抵抗は増加して行
く。
When the reset operation is completed, the signal charge generated in the photodiode 1 is accumulated in the electrostatic capacitance C of the signal charge-voltage conversion circuit 3. At this time, the transfer circuit 2 transfers the signal charge based on the transfer clock signal (φT). The signal charge becomes the gate voltage of the transistor T2. Since the signal charge is usually an electron (negative charge),
The more electrons are stored in the capacitor, the lower the gate voltage of the transistor T2 is. As the gate voltage of the transistor T2 decreases, the on resistance of T2 increases.

【0007】次に、選択用のトランジスタT3に「H」
レベルの出力イネーブル信号(φC)が入力されると、
トランジスタT2のソースに負荷抵抗RLが接続され
る。これにより、トランジスタT2のオン抵抗と負荷抵
抗RLとにより、ほぼ抵抗分割される出力電圧(VOUT
)が、トランジスタT3のソースから出力される。出
力電圧が出力されると、信号電荷−電圧変換回路3のリ
セット動作に移る。このような信号電荷の蓄積とその掃
き出しを繰り返すことにより、信号電荷を電圧に変換す
ることができる。
Next, "H" is applied to the selection transistor T3.
When the level output enable signal (φC) is input,
The load resistance RL is connected to the source of the transistor T2. As a result, the output voltage (VOUT) which is almost resistance-divided by the ON resistance of the transistor T2 and the load resistance RL.
) Is output from the source of the transistor T3. When the output voltage is output, the reset operation of the signal charge-voltage conversion circuit 3 starts. It is possible to convert the signal charge into a voltage by repeating the accumulation of the signal charge and the sweeping out thereof.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
に係る信号電荷−電圧変換回路を応用した固体撮像装置
では、本発明者によって、出力信号ダイナミックレンジ
が狭くなることが確認された。ダイナミックレンジは、
信号電荷−電圧変換回路3のリセット動作終了直後の出
力トランジスタT2のソース電圧が、電源電圧(VD
D)に比べて低下するために狭くなることが明らかにな
った。
However, in the solid-state image pickup device to which the signal charge-voltage conversion circuit according to the conventional example is applied, the present inventor has confirmed that the output signal dynamic range is narrowed. The dynamic range is
The source voltage of the output transistor T2 immediately after the reset operation of the signal charge-voltage conversion circuit 3 is the power supply voltage (VD
It became clear that it becomes narrower because it is lower than in D).

【0009】すなわち、信号電荷−電圧変換回路3のリ
セット動作期間中は、トランジスタT1がオンして十分
に高いリセット電圧をトランジスタT2のゲートに印加
しているので、トランジスタT2のオン抵抗は極めて小
さくT2のソース電位は、ほぼ電源電圧VDDになる。
しかし、リセット動作終了時には、トランジスタT1が
オフしてリセット電圧を断つので、トランジスタT2の
ゲート容量には、信号電荷−電圧変換回路3に残留した
電荷が再配分される。これにより、リセット動作終了直
後の出力トランジスタT2のゲート電圧は下がり、T2
のソース電位は、電源電圧VDDから低下する。
That is, since the transistor T1 is turned on and a sufficiently high reset voltage is applied to the gate of the transistor T2 during the reset operation period of the signal charge-voltage conversion circuit 3, the on resistance of the transistor T2 is extremely small. The source potential of T2 is almost the power supply voltage VDD.
However, at the end of the reset operation, the transistor T1 is turned off to cut off the reset voltage, so that the charge remaining in the signal charge-voltage conversion circuit 3 is redistributed to the gate capacitance of the transistor T2. As a result, the gate voltage of the output transistor T2 immediately after the end of the reset operation is lowered, and T2
The source potential of the source voltage of the power source drops from the power supply voltage VDD.

【0010】従って、トランジスタT2のゲート電圧の
低下によって、T2のソース電位が電源電圧VDDから
低下することにより、リセット動作終了直後の信号電荷
が無い状態の最適な黒レベルに、オフセットレベルが介
在したようになる。オフセットレベルは図6(A)の破
線円内図に示している。破線円内図は、当該回路の出力
ダイナミックレンジである。このオフセットレベルが出
力信号ダイナミックレンジを狭くしている。ダイナミッ
クレンジが狭くなることで、固体撮像装置の低電圧駆動
化が困難になったり、出力電圧(撮像信号)のS/N比
(信号対雑音比)が低下したりするという問題が生ず
る。
Therefore, the source potential of T2 drops from the power supply voltage VDD due to the drop of the gate voltage of the transistor T2, and the offset level intervenes in the optimum black level in the state where there is no signal charge immediately after the end of the reset operation. Like The offset level is shown in the dashed circled diagram in FIG. The dashed circled diagram is the output dynamic range of the circuit. This offset level narrows the output signal dynamic range. The narrowed dynamic range causes problems that it is difficult to drive the solid-state imaging device at a low voltage, and the S / N ratio (signal-to-noise ratio) of the output voltage (imaging signal) is reduced.

【0011】本発明は、かかる従来例の問題点に鑑み考
案されたものであり、リセット動作終了直後の出力トラ
ンジスタのゲート電圧を高くすることにより、出力ダイ
ナミックレンジを広げることが可能となる電荷−電圧変
換回路及び固体撮像装置の提供を目的とする。
The present invention has been devised in view of the problems of the conventional example, and by increasing the gate voltage of the output transistor immediately after the end of the reset operation, the output dynamic range can be widened. An object is to provide a voltage conversion circuit and a solid-state imaging device.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の電荷
−電圧変換回路は、その実施の形態を図1に示すよう
に、一端を第1の電源線に接続した静電容量と、ソース
を前記静電容量の他端に接続し、ドレインをリセット電
源に接続し、かつ、ゲートをリセット信号源に接続した
第1の電界効果トランジスタと、ゲートを前記静電容量
の他端に接続し、ソースを出力部に接続し、かつ、ドレ
インを第2の電源線に接続した第2の電界効果トランジ
スタと、一端を前記第2の電界効果トランジスタのソー
スに接続し、他端を第1の電源線に接続した負荷抵抗
と、当該回路のリセット時に、前記静電容量の一端に接
続した第1の電源線と前記第2の電界効果トランジスタ
のソースとを接続するスイッチ素子とを備えていること
を特徴とする。
A first charge-voltage conversion circuit according to the present invention, as shown in the embodiment thereof in FIG. 1, has a capacitance whose one end is connected to a first power supply line, A first field effect transistor having a source connected to the other end of the capacitance, a drain connected to a reset power supply, and a gate connected to a reset signal source; and a gate connected to the other end of the capacitance. A second field effect transistor having a source connected to the output section and a drain connected to the second power supply line, one end connected to the source of the second field effect transistor, and the other end connected to the first field effect transistor. A load resistance connected to the power supply line, and a switch element that connects the first power supply line connected to one end of the capacitance and the source of the second field effect transistor when the circuit is reset. It is characterized by being

【0013】本発明の第1の変換回路において、前記ス
イッチ素子は、第1の電界効果トランジスタのゲートに
入力する第1のリセット信号よりもタイミングをずらし
た第2のリセット信号に基づいて第2の電界効果トラン
ジスタのソースと第1の電源線とを接続することを特徴
とする。本発明の第2の電荷−電圧変換回路は、第1の
変換回路において、前記スイッチ素子は、第1の電界効
果トランジスタのゲートに入力するリセット信号に基づ
いて第2の電界効果トランジスタのソースと第1の電源
線とを接続することを特徴とする。
In the first conversion circuit of the present invention, the switch element is configured to generate a second reset signal based on a second reset signal whose timing is shifted from that of the first reset signal input to the gate of the first field effect transistor. The source of the field-effect transistor is connected to the first power supply line. In a second charge-voltage conversion circuit of the present invention, in the first conversion circuit, the switch element serves as a source of the second field effect transistor based on a reset signal input to a gate of the first field effect transistor. It is characterized in that it is connected to the first power supply line.

【0014】本発明の第1及び第2の変換回路におい
て、前記静電容量は、前記第1の電界効果トランジスタ
の不純物拡散層と基板間に生ずる容量、前記第1の電界
効果トランジスタのゲートとソース間に生ずる容量、及
び、前記第2の電界効果トランジスタのゲートとソース
間に生ずる容量を利用することを特徴とする。本発明の
第1及び第2の変換回路において、ドレインを前記第2
の電界効果トランジスタのソースに接続し、ソースを前
記負荷抵抗の一端と前記出力部とに接続し、かつ、ゲー
トを入力信号源に接続した第3の電界効果トランジスタ
を設けていることを特徴とする。
In the first and second conversion circuits of the present invention, the capacitance is the capacitance generated between the impurity diffusion layer of the first field effect transistor and the substrate, and the gate of the first field effect transistor. The capacitance generated between the sources and the capacitance generated between the gate and the source of the second field effect transistor are used. In the first and second conversion circuits of the present invention, the drain is the second
And a third field effect transistor having a source connected to one end of the load resistor and the output section and a gate connected to an input signal source. To do.

【0015】本発明の固体撮像装置は、光を受けて信号
電荷を発生する受光素子と、前記受光素子で発生した信
号電荷を順次転送する転送回路と、前記転送回路によっ
て転送されてくる信号電荷の蓄積及び該信号電荷の掃き
出しを繰り返すことにより電圧を出力する信号電荷−電
圧変換回路とを備え、前記信号電荷−電圧変換回路が本
発明の第1及び第2の電荷−電圧変換回路のいずれかを
有していることを特徴とし、上記目的を達成する。
In the solid-state image pickup device of the present invention, a light receiving element that receives light to generate a signal charge, a transfer circuit that sequentially transfers the signal charge generated in the light receiving element, and a signal charge transferred by the transfer circuit. And a signal charge-voltage conversion circuit for outputting a voltage by repeating sweeping out of the signal charge and sweeping out the signal charge, wherein the signal charge-voltage conversion circuit is one of the first and second charge-voltage conversion circuits of the present invention. The above-mentioned object is achieved.

【0016】本発明の第1の電荷−電圧変換回路のリセ
ット時の動作を説明する。この動作は、まず、リセット
信号源から「H」レベルのリセット信号を第1の電界効
果トランジスタに入力し、スイッチ素子をオンすると開
始する。リセット信号が第1の電界効果トランジスタの
ゲートに入力されると、第1の電界効果トランジスタが
オンするので、第2の電界効果トランジスタのゲートに
リセット電圧が印加されるとともに、スイッチ素子のオ
ンによって、第2の電界効果トランジスタのソースに
は、リセット期間中、静電容量の一端に接続した第1の
電源線の電位が印加されることになる。
The operation of the first charge-voltage conversion circuit of the present invention at the time of reset will be described. This operation is started when the reset signal source of "H" level is input from the reset signal source to the first field effect transistor and the switch element is turned on. When the reset signal is input to the gate of the first field effect transistor, the first field effect transistor is turned on, so that the reset voltage is applied to the gate of the second field effect transistor and the switch element is turned on. During the reset period, the potential of the first power supply line connected to one end of the capacitance is applied to the source of the second field effect transistor.

【0017】従って、第2の電界効果トランジスタのゲ
ート・ソース間容量には、静電容量に充電したものに近
いリセット電圧が充電される。この結果、リセット動作
終了直後に第1の電界効果トランジスタ及びスイッチ素
子がオフしても、第2の電界効果トランジスタのゲート
は、静電容量に充電したリセット電圧と同電位が保たれ
る。ゲートがリセット電位に保たれることで、このトラ
ンジスタのソースを、ほぼ第2の電源線の電位に保つた
状態で、リセット動作が終了する。
Therefore, the gate-source capacitance of the second field effect transistor is charged with a reset voltage close to that charged in the electrostatic capacitance. As a result, even if the first field effect transistor and the switch element are turned off immediately after the end of the reset operation, the gate of the second field effect transistor maintains the same potential as the reset voltage charged in the capacitance. By keeping the gate at the reset potential, the reset operation ends with the source of the transistor kept at the potential of the second power supply line.

【0018】このように本発明の第1の変換回路では、
リセット期間中に、第2の電界効果トランジスタのソー
スを第1の電源線に接続することにより、第2の電界効
果トランジスタのソースを、静電容量の他端の電位に近
い電位、すなわち、第1の電源線の電位近くに強制的に
揃えることができるので、リセット動作終了時には、静
電容量の充電状態と第2の電界効果トランジスタのゲー
ト・ソース間容量の充電状態とをほぼ等しくすることが
できる。
As described above, in the first conversion circuit of the present invention,
By connecting the source of the second field effect transistor to the first power supply line during the reset period, the source of the second field effect transistor is connected to the potential close to the potential of the other end of the capacitance, that is, Since it can be forcibly aligned near the potential of the first power supply line, at the end of the reset operation, the charging state of the electrostatic capacitance and the charging state of the gate-source capacitance of the second field effect transistor should be made substantially equal. You can

【0019】したがって、第2の電界効果トランジスタ
のゲート・ソース間容量に充電されたリセット電位が、
スイッチ素子がオフした直後、すなわち、リセット動作
終了直後の第2の電界効果トランジスタのソースをほぼ
第2の電源線の電位に保持することができる。なお、本
発明の第1の変換回路では、第1の電界効果トランジス
タのゲートに入力する第1のリセット信号よりもタイミ
ングを遅延した第2のリセット信号をスイッチ素子に入
力することにより、リセット時の第1及びスイッチ素子
のオン期間をずらすことができる。
Therefore, the reset potential charged in the gate-source capacitance of the second field effect transistor is
Immediately after the switch element is turned off, that is, immediately after the reset operation is completed, the source of the second field effect transistor can be held at substantially the potential of the second power supply line. In addition, in the first conversion circuit of the present invention, the second reset signal whose timing is delayed from the first reset signal input to the gate of the first field effect transistor is input to the switch element, thereby performing the reset operation. It is possible to shift the ON periods of the first switch element and the switch element.

【0020】このため、第1の電界効果トランジスタが
オフされた後にも、第2の電界効果トランジスタのソー
スを第1の電源線の電位に保持できるので、第2の電界
効果トランジスタのゲート・ソース間容量に充電された
リセット電位が、リセット動作終了直後の第2の電界効
果トランジスタのソースをほぼ第2の電源線の電位に保
持することができる。
Therefore, even after the first field effect transistor is turned off, the source of the second field effect transistor can be held at the potential of the first power supply line, so that the gate / source of the second field effect transistor can be maintained. The reset potential charged in the inter-capacitance can hold the source of the second field effect transistor immediately after the end of the reset operation at substantially the potential of the second power supply line.

【0021】また、本発明の第2の変換回路では、第1
の電界効果トランジスタのゲートに入力するリセット信
号に基づいて前記スイッチ素子が、第2の電界効果トラ
ンジスタのソースと第1の電源線とを接続しているの
で、リセット信号源を1つにすることができる。リセッ
ト信号源を共有する分、第1の変換回路に比べて回路規
模が縮小できる。
In the second conversion circuit of the present invention, the first conversion circuit
Since the switching element connects the source of the second field effect transistor and the first power supply line based on the reset signal input to the gate of the field effect transistor of FIG. You can Since the reset signal source is shared, the circuit scale can be reduced as compared with the first conversion circuit.

【0022】次に、本発明の固体撮像装置の動作を説明
する。まず、受光素子は、光を受けると信号電荷を発生
する。受光素子で発生した信号電荷は、転送回路によっ
て順次、信号電荷−電圧変換回路に転送されて行く。信
号電荷−電圧変換回路は、本発明の第1及び第2の電荷
−電圧変換回路のいずれかを有している。そして、信号
電荷−電圧変換回路は、転送回路によって転送されてく
る信号電荷の蓄積及び該信号電荷の掃き出しを繰り返
す。この結果、信号電荷−電圧変換回路は信号電荷の蓄
積量に応じた電圧(撮像信号)を出力する。
Next, the operation of the solid-state image pickup device of the present invention will be described. First, the light receiving element generates a signal charge when receiving light. The signal charge generated in the light receiving element is sequentially transferred to the signal charge-voltage conversion circuit by the transfer circuit. The signal charge-voltage conversion circuit has one of the first and second charge-voltage conversion circuits of the present invention. Then, the signal charge-voltage conversion circuit repeats accumulation of signal charges transferred by the transfer circuit and sweeping of the signal charges. As a result, the signal charge-voltage conversion circuit outputs a voltage (imaging signal) according to the amount of signal charges accumulated.

【0023】このように本発明の固体撮像装置の信号電
荷−電圧変換回路では、本発明の第1及び第2の電荷−
電圧変換回路のいずれかを有しているので、リセット動
作終了直後の信号電荷−電圧変換回路の第2の電界効果
トランジスタのソース電位が電源線の電位VDDに保た
れるので、信号電荷が無い状態の最適な黒レベルに生じ
ていたオフセットレベルを低減することができる。
As described above, in the signal charge-voltage conversion circuit of the solid-state image pickup device of the present invention, the first and second charge-voltage conversion circuits of the present invention are used.
Since any one of the voltage conversion circuits is included, the source potential of the second field effect transistor of the signal charge-voltage conversion circuit immediately after the end of the reset operation is kept at the potential VDD of the power supply line, so that there is no signal charge. It is possible to reduce the offset level generated in the optimum black level of the state.

【0024】したがって、オフセットレベルが低減され
た分、出力信号ダイナミックレンジを広げることができ
る。ダイナミックレンジが広くなることで、固体撮像装
置の低電圧駆動化ができるし、撮像信号のS/N比を向
上させることができる。
Therefore, the dynamic range of the output signal can be expanded by the amount of the reduced offset level. By widening the dynamic range, the solid-state imaging device can be driven at a low voltage and the S / N ratio of the imaging signal can be improved.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】次に、図を参照しながら本発明の
実施の形態について説明をする。図1〜5は本発明の実
施の形態に係る電荷−電圧変換回路を応用した固体撮像
装置の説明図である。 (1)第1の実施の形態 図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電荷−電圧変
換回路を応用した固体撮像装置の構成図を示している。
固体撮像装置は複数のライン毎に電荷−電圧変換回路を
設けて成り、イメージセンサを構成する。本実施の形態
では、説明を簡略化するため1ラインの場合について説
明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 are explanatory views of a solid-state imaging device to which the charge-voltage conversion circuit according to the embodiment of the present invention is applied. (1) First Embodiment FIG. 1 shows a configuration diagram of a solid-state imaging device to which a charge-voltage conversion circuit according to a first embodiment of the present invention is applied.
The solid-state image pickup device is provided with a charge-voltage conversion circuit for each of a plurality of lines, and constitutes an image sensor. In the present embodiment, a case of one line will be described in order to simplify the description.

【0026】図1において、11は、光を受けて信号電
荷を発生するフォトダイオードである。フォトダイオー
ド11は受光素子の一例である。フォトダイオード11
には逆バイアスが印加されている。12は、フォトダイ
オード11で発生した信号電荷(通常電子e)を順次転
送する転送回路である。13は、転送回路12によって
転送されてくる信号電荷の蓄積及び該信号電荷の掃き出
しを繰り返すことにより、出力電圧(VOUT :撮像信
号)を出力する信号電荷−電圧変換回路である。この変
換回路13が本発明の第1の電荷−電圧変換回路から成
る。
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a photodiode which receives light and generates signal charges. The photodiode 11 is an example of a light receiving element. Photodiode 11
A reverse bias is applied to. A transfer circuit 12 sequentially transfers the signal charges (normal electrons e) generated in the photodiode 11. Reference numeral 13 denotes a signal charge-voltage conversion circuit that outputs an output voltage (VOUT: imaging signal) by repeating accumulation of signal charges transferred by the transfer circuit 12 and sweeping out of the signal charges. This conversion circuit 13 comprises the first charge-voltage conversion circuit of the present invention.

【0027】信号電荷−電圧変換回路13は、静電容量
Cと、4つのnチャネル型の電界効果トランジスタ(以
下単にトランジスタという)T11、T21、T31、T41
と、1つの負荷抵抗RL1とを備えている。RL1は各ライ
ンに共通に設けられている。静電容量Cは、一端を接地
線(第1の電源線)GNDに接続し、他端をリセット用の
トランジスタT11のソース及び出力トランジスタT21の
ゲートに接続している。静電容量Cは、図2に示すよう
なトランジスタT11のn型の不純物拡散層(ソース)と
基板間に生ずる浮遊拡散容量CFDや、トランジスタT
11のゲートとソース間に生ずる容量CR、トランジスタ
T21のゲートとソース間に生ずる容量CDを利用する。
The signal charge-voltage conversion circuit 13 includes a capacitance C and four n-channel field effect transistors (hereinafter simply referred to as transistors) T11, T21, T31, T41.
And one load resistor RL1. RL1 is commonly provided for each line. The capacitance C has one end connected to the ground line (first power supply line) GND and the other end connected to the source of the reset transistor T11 and the gate of the output transistor T21. The electrostatic capacitance C is the floating diffusion capacitance CFD generated between the n-type impurity diffusion layer (source) of the transistor T11 and the substrate as shown in FIG.
The capacitance CR generated between the gate and source of 11 and the capacitance CD generated between the gate and source of the transistor T21 are used.

【0028】トランジスタT11は、第1の電界効果トラ
ンジスタの一例であり、第1のリセット信号(φR)に
基づいて信号電荷−電圧変換回路13をリセットする機
能を有している。トランジスタT11のソースは、静電容
量Cの他端に接続し、T11のドレインはリセット電源に
接続し、T11のゲートは第1のリセット信号源にそれぞ
れ接続している。本実施の形態では、不図示のリセット
電源がリセット電圧(VDR)をトランジスタT11のゲ
ートに供給する。リセット電源は正電荷を静電容量Cに
充電するようになる。また、第1のリセット信号源は所
定のパルス幅の信号を発生する機能を有し、信号電荷−
電圧変換回路13のリセット時に、「H」(ハイ)レベ
ルの信号をT11のゲートに供給し、電荷蓄積時に「L」
(ロー)レベルの信号をT11のゲートに供給する。
The transistor T11 is an example of a first field effect transistor, and has a function of resetting the signal charge-voltage conversion circuit 13 based on the first reset signal (φR). The source of the transistor T11 is connected to the other end of the capacitance C, the drain of T11 is connected to the reset power supply, and the gate of T11 is connected to the first reset signal source. In this embodiment, a reset power supply (not shown) supplies the reset voltage (VDR) to the gate of the transistor T11. The reset power supply charges the electrostatic capacitance C with positive charges. Further, the first reset signal source has a function of generating a signal having a predetermined pulse width,
When the voltage conversion circuit 13 is reset, an “H” (high) level signal is supplied to the gate of T11, and “L” is stored during charge accumulation.
A (low) level signal is supplied to the gate of T11.

【0029】出力トランジスタT21は第2の電界効果ト
ランジスタの一例であり、ソースフォロア回路を構成す
る。トランジスタT21のゲートは、静電容量Cの他端に
接続し、T21のソースは出力部に接続し、T21のドレイ
ンは電源線VDDに接続している。リセット補助用のトラ
ンジスタT31はスイッチ素子の一例であり、第2のリセ
ット信号(φA)に基づいて信号電荷−電圧変換回路1
3のリセット時に、トランジスタT21のソースを接地線
GNDに接続する機能を有している。トランジスタT31の
ドレインは、トランジスタT21のソースに接続し、T31
のソースは接地線GNDに接続している。トランジスタT
31のゲートは第2のリセット信号源に接続している。第
2のリセット信号源は、所定のパルス幅の信号を発生す
る機能を有し、第1のリセット信号よりも時間Δtだけ
遅れたタイミングの第2のリセット信号をトランジスタ
T31のゲートに出力する。第2のリセット信号源は信号
電荷−電圧変換回路13のリセット時に、「H」(ハ
イ)レベルの信号をT31のゲートに供給し、電荷蓄積時
に「L」(ロー)レベルの信号をT31のゲートに供給す
る。
The output transistor T21 is an example of the second field effect transistor and constitutes a source follower circuit. The gate of the transistor T21 is connected to the other end of the electrostatic capacitance C, the source of T21 is connected to the output section, and the drain of T21 is connected to the power supply line VDD. The reset assisting transistor T31 is an example of a switch element, and the signal charge-voltage conversion circuit 1 is based on the second reset signal (φA).
3 has a function of connecting the source of the transistor T21 to the ground line GND at the time of resetting. The drain of the transistor T31 is connected to the source of the transistor T21,
Is connected to the ground line GND. Transistor T
The gate of 31 is connected to the second reset signal source. The second reset signal source has a function of generating a signal having a predetermined pulse width, and outputs the second reset signal at a timing delayed by the time Δt from the first reset signal to the gate of the transistor T31. The second reset signal source supplies an “H” (high) level signal to the gate of T31 when the signal charge-voltage conversion circuit 13 is reset, and an “L” (low) level signal of T31 during charge accumulation. Supply to the gate.

【0030】トランジスタT41は、第3の電界効果トラ
ンジスタの一例であり、当該回路13の出力をイネーブ
ル(選択)する機能を有している。トランジスタT41の
ドレインは、トランジスタT21のソースに接続し、T21
のソースは、負荷抵抗RL1の一端と出力部(OUT)と
に接続し、T21のゲートは不図示の入力信号源に接続し
ている。トランジスタT41は、イメージセンサを構成す
るときに、各列のソースフォロア回路を出力ラインに接
続するために設けている。T41が無いと、同一の出力ラ
インに接続されるソースフォロア回路が同時に機能し
て、信号のクロストークが生じるからである。トランジ
スタT41を各列のソースフォロア回路のトランジスタT
21と出力ラインの間に設けることにより列選択ができ
る。
The transistor T41 is an example of a third field effect transistor and has a function of enabling (selecting) the output of the circuit 13. The drain of the transistor T41 is connected to the source of the transistor T21.
Is connected to one end of the load resistor RL1 and the output (OUT), and the gate of T21 is connected to an input signal source (not shown). The transistor T41 is provided to connect the source follower circuit of each column to the output line when forming the image sensor. This is because without T41, the source follower circuits connected to the same output line simultaneously function and signal crosstalk occurs. Replace the transistor T41 with the transistor T of the source follower circuit in each column.
Column selection is possible by providing between 21 and the output line.

【0031】負荷抵抗RL1は出力電圧VOUT を取り出す
ために設けている。負荷抵抗RL1の一端はトランジスタ
T21のソースに接続し、RL1の他端は接地線GNDに接続
している。イメージセンサでは、1ライン毎に電荷が読
み出されるので、負荷抵抗RL1は各信号電荷−電圧変換
回路に対して共通に用いている。次に、信号電荷−電圧
変換回路13のリセット時に、トランジスタT21のソー
スを接地線GNDに接続する理由について、図2(A)及
び(B)を参照しながら説明する。図2(A)は信号電
荷−電圧変換回路13のトランジスタT11及びT21を半
導体装置によって構成した場合の断面図を示している。
図2(A)において、CFDはトランジスタT11のn+
不純物拡散層とp型シリコン基板との間に生ずる容量で
ある。CRはトランジスタT11のゲートとp型シリコン
基板との間に生ずる容量である。CDはトランジスタT
21のゲートとソース間に生ずる容量である。CRはトラ
ンジスタT11のゲートとソースとの間に生ずる容量であ
る。VFDxは接地線GNDとトランジスタT21のゲート
間の電位を示している。VFDxはトランジスタT21の
ゲート電位となる。VOUTxはソースフォロア回路の出力
電圧を示している。φRはリセット信号を示している。
The load resistor RL1 is provided to take out the output voltage VOUT. One end of the load resistor RL1 is connected to the source of the transistor T21, and the other end of RL1 is connected to the ground line GND. In the image sensor, since the charges are read out line by line, the load resistor RL1 is commonly used for each signal charge-voltage conversion circuit. Next, the reason why the source of the transistor T21 is connected to the ground line GND at the time of resetting the signal charge-voltage conversion circuit 13 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. FIG. 2A shows a cross-sectional view when the transistors T11 and T21 of the signal charge-voltage conversion circuit 13 are formed by a semiconductor device.
In FIG. 2A, CFD is n + of the transistor T11.
It is a capacitance generated between the impurity diffusion layer and the p-type silicon substrate. CR is a capacitance generated between the gate of the transistor T11 and the p-type silicon substrate. CD is a transistor T
This is the capacitance generated between the gate and source of 21. CR is a capacitance generated between the gate and the source of the transistor T11. VFDx indicates the potential between the ground line GND and the gate of the transistor T21. VFDx becomes the gate potential of the transistor T21. VOUTx represents the output voltage of the source follower circuit. φR indicates a reset signal.

【0032】図2(B)は、図2(A)に示した信号電
荷−電圧変換回路13の各容量CFD、CR、CD、ゲ
ート電位VFDx、ソースフォロア回路の出力電圧VOU
Tx及びリセット信号φRを含めた等価回路図を示してい
る。図2(B)において、VFDxは、xが1のときと
xが2のときゲート電位を示すものとする。VFD1
は、トランジスタT11がオンしているときのT21のゲー
ト電位を示し、VFD2は、トランジスタT11がオフし
ているときのT21のゲート電位を示すものとする。
FIG. 2B shows the capacitors CFD, CR, CD, the gate potential VFDx, and the output voltage VOU of the source follower circuit of the signal charge-voltage conversion circuit 13 shown in FIG.
An equivalent circuit diagram including Tx and a reset signal φR is shown. In FIG. 2B, VFDx indicates a gate potential when x is 1 and when x is 2. VFD1
Is the gate potential of T21 when the transistor T11 is on, and VFD2 is the gate potential of T21 when the transistor T11 is off.

【0033】次に、外部からの信号電荷の流入が無いと
仮定した場合、リセット前後の信号電荷−電圧変換回路
13の全容量Cに蓄えられている電荷量Q1,Q2を求
めてみる。まず、信号電荷−電圧変換回路13のリセッ
ト時、すなわち、トランジスタT11がオンしているとき
の全容量C=CFD+CR+CDに蓄えられている電荷
量Q1を求めると、Q1は、(1)式によって示され
る。
Next, assuming that there is no inflow of signal charges from the outside, the charge amounts Q1 and Q2 stored in the total capacitance C of the signal charge-voltage conversion circuit 13 before and after reset will be calculated. First, when the signal charge-voltage conversion circuit 13 is reset, that is, when the amount of charge Q1 stored in the total capacitance C = CFD + CR + CD when the transistor T11 is on is obtained, Q1 is expressed by the equation (1). Be done.

【0034】[0034]

【数1】 [Equation 1]

【0035】次に、信号電荷−電圧変換回路13のリセ
ット終了直後、すなわち、トランジスタT11がオフした
ときの全容量C=CFD+CR+CDに蓄えられている
電荷量Q2を求めると、Q2は、(2)式によって示さ
れる。
Next, immediately after the resetting of the signal charge-voltage conversion circuit 13, that is, when the transistor T11 is turned off, the charge amount Q2 stored in the total capacitance C = CFD + CR + CD is calculated, and Q2 is (2). Indicated by the formula.

【0036】[0036]

【数2】 [Equation 2]

【0037】ただし、VRH,VRLはトランジスタT
11のゲートに印加されたリセット信号φRの「H」レベ
ルと「L」レベルの電圧である。外部からの信号電荷の
流入が無いので、電荷保存則によって、Q1=Q2とな
る。したがって、信号電荷−電圧変換回路13のリセッ
ト終了直後のゲート電位VDF2は、(3)式によって
与えられる。
However, VRH and VRL are transistor T
These are the "H" level voltage and the "L" level voltage of the reset signal φR applied to the gate of 11. Since there is no inflow of signal charges from the outside, Q1 = Q2 according to the law of conservation of charge. Therefore, the gate potential VDF2 immediately after the reset of the signal charge-voltage conversion circuit 13 is given by the equation (3).

【0038】[0038]

【数3】 (Equation 3)

【0039】次に、(3)式において、VDF2が最大
となる条件を求める。微細化される半導体装置におい
て、通常支配的になる容量Cは、トランジスタT21のゲ
ート・ソース間容量CDである。(3)式において、容
量CDに関する項でVOUT 2−VOUT 1を大きくするこ
と、すなわち、VOUT 1を小さくすれば、VDF2を効
果的に大きくすることができる。信号電荷−電圧変換回
路13のリセット終了直後のゲート電位VDF2が大き
くなれば、ソースフォロア回路の出力電圧(ソース電
位)VOUT2を高くすることができ、出力ダイナミックレ
ンジが拡がる。
Next, in the equation (3), the condition for maximizing the VDF2 is obtained. In a miniaturized semiconductor device, the capacitance C that usually becomes dominant is the gate-source capacitance CD of the transistor T21. In the equation (3), VDF2 can be effectively increased by increasing VOUT2-VOUT1 in terms of the capacitance CD, that is, by decreasing VOUT1. If the gate potential VDF2 immediately after the reset of the signal charge-voltage conversion circuit 13 is increased, the output voltage (source potential) VOUT2 of the source follower circuit can be increased and the output dynamic range is expanded.

【0040】次に、図3及び4を参照しながら、本発明
の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の動作を説明す
る。まず、図3(A)に示すような第1のリセット信号
(φR)及び第2のリセット信号(φA)を信号電荷−
電圧変換回路13に入力してリセットする。ここで、不
図示の第1のリセット信号源からトランジスタT11のゲ
ートへ「H」レベルの第1のリセット信号が出力され、
不図示の第2のリセット信号源からトランジスタT31の
ゲートへΔt遅れた「H」レベルの第2のリセット信号
が出力される。すると、図3(B)に示すように、トラ
ンジスタT11が先にオンし、これに遅れてトランジスタ
T31がオンするので、トランジスタT21のゲートにリセ
ット電圧が印加され、これに遅れて、トランジスタT21
のソースには、リセット動作時に、電源線VDDの電位よ
りも低い、接地線GNDの電位(静電容量Cの一端の電位
と同電位)が印加される。なお、この時点では、転送回
路12は信号電荷を転送していないし、トランジスタT
21のオン抵抗RDは小さくなっている。
Next, the operation of the solid-state image pickup device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the first reset signal (φR) and the second reset signal (φA) as shown in FIG.
It is input to the voltage conversion circuit 13 and reset. Here, the first reset signal source (not shown) outputs the first reset signal of “H” level to the gate of the transistor T11,
The second reset signal source (not shown) outputs the second reset signal of "H" level delayed by .DELTA.t to the gate of the transistor T31. Then, as shown in FIG. 3B, the transistor T11 is turned on first, and the transistor T31 is turned on after this, so that the reset voltage is applied to the gate of the transistor T21, and after that, the transistor T21 is turned on.
At the time of the reset operation, the potential of the ground line GND, which is lower than the potential of the power supply line VDD (the same potential as the potential at one end of the capacitance C), is applied to the source of the. At this point, the transfer circuit 12 has not transferred the signal charge, and the transistor T
The on resistance RD of 21 is small.

【0041】このときに仮にトランジスタT41をオンし
て出力電圧VOUT を求めてみると、VOUT は(4)式に
よって与えられる。
At this time, if the output voltage VOUT is obtained by turning on the transistor T41, VOUT is given by the equation (4).

【0042】[0042]

【数4】 (Equation 4)

【0043】ただし、RAはトランジスタT31のオン抵
抗値、RDはトランジスタT21のオン抵抗値、RLは負
荷抵抗RL1の値及びVDは電源線VDDの電圧である。ト
ランジスタT41のオン抵抗を無視すると、RA<RA+
RLであるから、リセット期間中、RAが十分低ければ
出力電圧VOUT ≒0となる。次に、不図示の第1及び第
2のリセット信号源からトランジスタT11のゲート及び
トランジスタT31のゲートへそれぞれ「L」レベルのリ
セット信号φR、φAが出力されると、図4(A)にお
いて、トランジスタT11がオフし、これに遅れてT31が
オフするが、トランジスタT21のゲート・ソース間容量
CDには、リセット電圧(正電荷)が充電されたままに
なる。この結果、トランジスタT11やT31がオフして
も、リセット動作終了直後のトランジスタT21のゲート
には、リセット電位が保たれる。リセット電位が保もた
れることで、このトランジスタのソース電位を、ほぼ電
源線の電位VDDに保つことができる。
Here, RA is the ON resistance value of the transistor T31, RD is the ON resistance value of the transistor T21, RL is the value of the load resistance RL1, and VD is the voltage of the power supply line VDD. Neglecting the on resistance of the transistor T41, RA <RA +
Since it is RL, the output voltage VOUT becomes approximately 0 during the reset period if RA is sufficiently low. Next, when “L” level reset signals φR and φA are output from the first and second reset signal sources (not shown) to the gate of the transistor T11 and the gate of the transistor T31, respectively, in FIG. The transistor T11 turns off, and T31 turns off after this, but the gate-source capacitance CD of the transistor T21 remains charged with the reset voltage (positive charge). As a result, even if the transistors T11 and T31 are turned off, the reset potential is maintained at the gate of the transistor T21 immediately after the completion of the reset operation. Since the reset potential is maintained, the source potential of this transistor can be maintained substantially at the potential VDD of the power supply line.

【0044】このときにフォトダイオード11は、光を
受け取って信号電荷(負電荷)を発生している。フォト
ダイオード11で発生した信号電荷は、図3(A)に示
すような転送クロック信号φTを入力した転送回路12
によって順次、信号電荷−電圧変換回路13に転送され
る。信号電荷が静電容量Cに蓄積されるほど、ゲート電
位が低くなるので、トランジスタT21のオン抵抗が上が
って行く。リセット電圧による正電荷が信号電荷による
負電荷によって中和されているからである。
At this time, the photodiode 11 receives the light and generates a signal charge (negative charge). The signal charges generated in the photodiode 11 are transferred to the transfer circuit 12 to which the transfer clock signal φT as shown in FIG.
Are sequentially transferred to the signal charge-voltage conversion circuit 13. As the signal charge is accumulated in the electrostatic capacitance C, the gate potential becomes lower, so that the on-resistance of the transistor T21 increases. This is because the positive charge due to the reset voltage is neutralized by the negative charge due to the signal charge.

【0045】そして、図3(A)に示すような出力イネ
ーブル信号φCが信号電荷−電圧変換回路13のトラン
ジスタT41のゲートに入力されると、図4(B)に示す
ように、トランジスタT41はオンする。T41のオンによ
って信号電荷−電圧変換回路13は出力電圧(撮像信
号)VOUT を出力する。VOUT は(5)式によって与え
られる。
When the output enable signal φC as shown in FIG. 3A is input to the gate of the transistor T41 of the signal charge-voltage conversion circuit 13, the transistor T41 is turned on as shown in FIG. 4B. Turn on. When T41 is turned on, the signal charge-voltage conversion circuit 13 outputs the output voltage (imaging signal) VOUT. VOUT is given by equation (5).

【0046】[0046]

【数5】 (Equation 5)

【0047】このように転送回路12によって転送され
てくる信号電荷の蓄積及び該信号電荷の掃き出しを繰り
返すことにより、信号電荷−電圧変換回路13は、信号
電荷の蓄積量に応じたレベルの撮像信号を出力する。こ
のようにして本発明の第1の実施の形態に係る電荷−電
圧変換回路を応用した固体撮像装置では、リセット動作
時に、トランジスタT21のソースを接地線GNDに接続す
ることにより、トランジスタT21のソースを、静電容量
Cの他端の電位と同じ電位、すなわち、接地線GNDの電
位に強制的に揃えることができるので、トランジスタT
31をオフしても、静電容量Cに充電された同電位のリセ
ット電圧をトランジスタT21のゲート・ソース間容量C
Dに充電することができる。
By repeating the accumulation of the signal charges transferred by the transfer circuit 12 and the sweeping out of the signal charges in this way, the signal charge-voltage conversion circuit 13 causes the image pickup signal of the level corresponding to the accumulated amount of the signal charges. Is output. As described above, in the solid-state image pickup device to which the charge-voltage conversion circuit according to the first embodiment of the present invention is applied, the source of the transistor T21 is connected to the ground line GND by connecting the source of the transistor T21 to the ground line GND during the reset operation. Can be forcibly aligned with the same potential as the other end of the capacitance C, that is, the potential of the ground line GND.
Even if 31 is turned off, the reset voltage of the same potential charged in the electrostatic capacitance C is applied to the gate-source capacitance C of the transistor T21.
Can be charged to D.

【0048】したがって、リセット動作終了直後に、ト
ランジスタT31をオフしても、トランジスタT21のゲー
ト・ソース間容量CDに充電されたリセット電位が、リ
セット動作終了直後のトランジスタT21のゲート電圧に
なる。この結果、リセット動作終了直後の信号電荷−電
圧変換回路13のトランジスタT21のソース電位が、ほ
ぼ電源線の電位VDDに保たれるので、信号電荷が無い
状態の最適な黒レベルに、従来例のようなオフセットレ
ベルが介在しなくなる。これによって、信号読み出し時
の黒レベルの電圧が高くなり、オフセットレベルが介在
しない分、出力信号ダイナミックレンジを広げることが
できる。ダイナミックレンジが広くなることで、固体撮
像装置の低電圧駆動化ができるし、撮像信号のS/N比
を向上させることができる。
Therefore, even if the transistor T31 is turned off immediately after the end of the reset operation, the reset potential charged in the gate-source capacitance CD of the transistor T21 becomes the gate voltage of the transistor T21 immediately after the end of the reset operation. As a result, the source potential of the transistor T21 of the signal charge-voltage conversion circuit 13 immediately after the end of the reset operation is maintained at the potential VDD of the power supply line, so that the optimum black level in the state in which there is no signal charge is set as in the conventional example. Such an offset level is not present. As a result, the black level voltage at the time of signal reading becomes high, and the output signal dynamic range can be widened due to the absence of the offset level. By widening the dynamic range, the solid-state imaging device can be driven at a low voltage and the S / N ratio of the imaging signal can be improved.

【0049】なお、トランジスタT11がONになってい
るときは、トランジスタT41がオフして信号読出しを行
っていないので、ソースフォロア回路の出力を接地線G
NDに接続しても出力ラインに影響を与えない。また、リ
セット時にトランジスタT31をオンすることにより、電
源線VDD→T21→T31→接地線GNDに一瞬貫通電流が流
れる。この対策には、トランジスタT21のオン抵抗を調
整することで消費電流が抑えられる。
When the transistor T11 is on, the transistor T41 is off and the signal is not read out. Therefore, the output of the source follower circuit is connected to the ground line G.
Connecting to ND does not affect the output line. Further, when the transistor T31 is turned on at the time of reset, a through current momentarily flows through the power supply line VDD → T21 → T31 → ground line GND. As a countermeasure against this, current consumption can be suppressed by adjusting the on-resistance of the transistor T21.

【0050】(2)第2の実施の形態の説明 図5は、本発明の第2の実施の形態に係る電荷−電圧変
換回路を応用した固体撮像装置の構成図を示している。
第2の実施の形態では第1の実施の形態と異なり、トラ
ンジスタT12のゲートに入力するリセット信号φAと同
じタイミングのリセット信号φRをトランジスタT32の
ゲートに入力するものである。
(2) Description of Second Embodiment FIG. 5 is a block diagram of a solid-state image pickup device to which a charge-voltage conversion circuit according to a second embodiment of the present invention is applied.
In the second embodiment, unlike the first embodiment, a reset signal φR having the same timing as the reset signal φA input to the gate of the transistor T12 is input to the gate of the transistor T32.

【0051】図5(A)において、第2の固体撮像装置
は、フォトダイオード21、転送回路22及び信号電荷
−電圧変換回路23とを備えている。信号電荷−電圧変
換回路23は、静電容量C、リセット用のトランジスタ
T12、ソースフォロア回路を構成するトランジスタT2
2、リセット動作を補助するトランジスタT32、当該回
路の出力制御用のトランジスタT42及び負荷抵抗RL2か
ら成る。トランジスタT32はスイッチ素子の一例であ
る。第1の実施の形態と異なり、第2の実施の形態で
は、トランジスタT12のゲートとトランジスタT32のゲ
ートとが接続されている。そして、T12、T32のゲート
が不図示のリセット信号源に接続されている。この他の
トランジスタT12、T22、T32及びT42の接続方法や、
静電容量Cについては第1の実施の形態と同様であるた
め、その説明を省略する。
In FIG. 5A, the second solid-state image pickup device includes a photodiode 21, a transfer circuit 22, and a signal charge-voltage conversion circuit 23. The signal charge-voltage conversion circuit 23 includes an electrostatic capacitance C, a reset transistor T12, and a transistor T2 forming a source follower circuit.
2. A transistor T32 for assisting the reset operation, a transistor T42 for controlling the output of the circuit, and a load resistor RL2. The transistor T32 is an example of a switch element. Unlike the first embodiment, in the second embodiment, the gate of the transistor T12 and the gate of the transistor T32 are connected. The gates of T12 and T32 are connected to a reset signal source (not shown). Other connection methods of the transistors T12, T22, T32 and T42,
Since the capacitance C is the same as that in the first embodiment, its description is omitted.

【0052】次に、図5(B)を参照しながら第2の固
体撮像装置の動作を説明する。まず、図5(B)に示す
ようなリセット信号(φR=φA)を入力して信号電荷
−電圧変換回路23をリセットする。ここで、不図示の
リセット信号源からトランジスタT12及びT32のゲート
へ「H」レベルのリセット信号を入力する。すると、ト
ランジスタT12及びT32が同時にオンするので、トラン
ジスタT22のゲートにリセット電圧(VDR)が印加さ
れ、同時に、トランジスタT22のソースには、電源線V
DDの電位よりも低い、接地線GNDの電位(静電容量Cの
一端の電位と同電位)が印加される。
Next, the operation of the second solid-state image pickup device will be described with reference to FIG. First, a reset signal (φR = φA) as shown in FIG. 5B is input to reset the signal charge-voltage conversion circuit 23. Here, an "H" level reset signal is input to the gates of the transistors T12 and T32 from a reset signal source (not shown). Then, since the transistors T12 and T32 are turned on at the same time, the reset voltage (VDR) is applied to the gate of the transistor T22, and at the same time, the source of the transistor T22 is connected to the power line V.
A potential of the ground line GND (same potential as one end of the electrostatic capacitance C) lower than the potential of DD is applied.

【0053】次に、不図示のリセット信号源からトラン
ジスタT12及びT32のゲートへ「L」レベルのリセット
信号を入力する。すると、トランジスタT12及びT32が
同時にオフするが、トランジスタT22のゲート・ソース
間容量CDには、リセット電圧(正電荷)が充電された
ままになる。この結果、トランジスタT12やT32が同時
にオフしても、リセット動作終了直後のトランジスタT
22のゲートには、リセット電位が保たれる。リセット電
位が保もたれることで、このトランジスタのソース電位
を、第1の実施の形態と同様に、ほぼ電源線の電位VD
Dに保つことができる。
Next, an "L" level reset signal is input to the gates of the transistors T12 and T32 from a reset signal source (not shown). Then, the transistors T12 and T32 are turned off at the same time, but the gate-source capacitance CD of the transistor T22 remains charged with the reset voltage (positive charge). As a result, even if the transistors T12 and T32 are turned off at the same time, the transistor T immediately after the reset operation is finished.
The reset potential is maintained at the gate of 22. Since the reset potential is maintained, the source potential of this transistor is almost equal to the potential VD of the power supply line as in the first embodiment.
Can be kept at D.

【0054】また、フォトダイオード21で発生した信
号電荷は、転送クロック信号φTに基づいて転送回路2
2により、順次、信号電荷−電圧変換回路23に転送さ
れてくる。信号電荷が静電容量Cに蓄積されるほど、ト
ランジスタT22のオン抵抗が上がって行く。そして、図
5(B)に示すような出力イネーブル信号φCが信号電
荷−電圧変換回路23のトランジスタT42のゲートに入
力されると、T42はオンする。T42のオンによって信号
電荷−電圧変換回路23は出力電圧(撮像信号)VOUT
を出力する。VOUT は(5)式に示した通りである。こ
のように信号電荷の蓄積及び該信号電荷の掃き出しを繰
り返すことにより、信号電荷−電圧変換回路23は、信
号電荷の蓄積量に応じた撮像信号を出力する。
The signal charge generated in the photodiode 21 is transferred to the transfer circuit 2 based on the transfer clock signal φT.
2, the signals are sequentially transferred to the signal charge-voltage conversion circuit 23. As the signal charge is stored in the electrostatic capacitance C, the on resistance of the transistor T22 increases. Then, when the output enable signal φC as shown in FIG. 5B is input to the gate of the transistor T42 of the signal charge-voltage conversion circuit 23, T42 is turned on. When T42 is turned on, the signal charge-voltage conversion circuit 23 outputs the output voltage (imaging signal) VOUT.
Is output. VOUT is as shown in the equation (5). By repeating the accumulation of the signal charges and the sweeping out of the signal charges in this manner, the signal charge-voltage conversion circuit 23 outputs an image pickup signal according to the accumulated amount of the signal charges.

【0055】このようにして本発明の第2の実施の形態
に係る電荷−電圧変換回路を応用した固体撮像装置で
は、トランジスタT12のゲートに入力するリセット信号
φR=φAをトランジスタT32のゲートに入力している
ので、リセット信号源を1つにすることができる。トラ
ンジスタT12及びT32がリセット信号源を共有できる
分、第1の実施の形態に比べて回路規模が縮小できる。
As described above, in the solid-state image pickup device to which the charge-voltage conversion circuit according to the second embodiment of the present invention is applied, the reset signal φR = φA input to the gate of the transistor T12 is input to the gate of the transistor T32. Therefore, the number of reset signal sources can be one. Since the transistors T12 and T32 can share the reset signal source, the circuit scale can be reduced as compared with the first embodiment.

【0056】また、第1の実施の形態と同様に、リセッ
ト信号φR=φAに基づいてトランジスタT32が、T12
のリセット電圧供給と同時にトランジスタT22のソース
に接地線GNDの電位を供給しているので、リセット動作
終了直後のT22のゲートをほぼ電源線VDDの電位に維持
することができる。本発明の各実施の形態では、nチャ
ネル型の電界効果トランジスタにより回路を構成する方
法について述べたが、pチャネル型の電界効果トランジ
スタにより回路を構成した場合にも、同様な効果が得ら
れる。また、電荷−電圧変換回路は固体撮像装置のみな
らず、積分回路にも応用できる。
In addition, as in the first embodiment, the transistor T32 changes to T12 based on the reset signal φR = φA.
Since the potential of the ground line GND is supplied to the source of the transistor T22 at the same time as the reset voltage is supplied, the gate of T22 immediately after the completion of the reset operation can be maintained at the potential of the power supply line VDD. In each of the embodiments of the present invention, the method of forming the circuit by the n-channel field effect transistor has been described, but the same effect can be obtained when the circuit is formed by the p-channel field effect transistor. Further, the charge-voltage conversion circuit can be applied not only to the solid-state image pickup device but also to an integration circuit.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電荷−電
圧変換回路では、リセット動作時に、スイッチ素子によ
って、第2の電界効果トランジスタのソースを第1の電
源線に接続することにより、このトランジスタのソース
が、静電容量の他端の電位と同じ電位に強制的に揃えら
れるので、静電容量に充電された同電位のリセット電圧
を第2の電界効果トランジスタのゲート・ソース間容量
に充電することができる。この結果、このゲート・ソー
ス間容量に充電されたリセット電位が、リセット動作終
了直後の第2の電界効果トランジスタのソースをほぼ第
2の電源線の電位に保持するようになる。
As described above, in the charge-voltage conversion circuit of the present invention, the source of the second field effect transistor is connected to the first power supply line by the switch element during the resetting operation. Since the source of the transistor is forcibly aligned with the same potential as the other end of the capacitance, the reset voltage of the same potential charged in the capacitance is used as the gate-source capacitance of the second field effect transistor. Can be charged. As a result, the reset potential charged in the gate-source capacitance holds the source of the second field effect transistor immediately after the end of the reset operation at the potential of the second power supply line.

【0058】また、本発明の固体撮像装置の信号電荷−
電圧変換回路では、本発明の電荷−電圧変換回路を有し
ているので、リセット動作終了直後の信号電荷−電圧変
換回路の第2の電界効果トランジスタのソース電位が第
2の電源線の電位に保たれるようになる。したがって、
信号電荷が無い状態の最適な黒レベルにオフセットレベ
ルが介在しなくなるので、出力信号ダイナミックレンジ
を広げることができる。
Further, the signal charge of the solid-state image pickup device of the present invention-
Since the voltage conversion circuit has the charge-voltage conversion circuit of the present invention, the source potential of the second field-effect transistor of the signal charge-voltage conversion circuit immediately after the end of the reset operation becomes the potential of the second power supply line. Will be kept. Therefore,
Since the offset level does not intervene in the optimum black level when there is no signal charge, the output signal dynamic range can be expanded.

【0059】これにより、固体撮像装置の低電圧駆動化
及び撮像信号のS/N比の向上に寄与するところが大き
い。
This greatly contributes to lowering the voltage of the solid-state image pickup device and improving the S / N ratio of the image pickup signal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電荷−電圧変
換回路を応用した固体撮像装置の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a solid-state imaging device to which a charge-voltage conversion circuit according to a first embodiment of the present invention is applied.

【図2】本発明の各実施の形態に係る静電容量及びこれ
に関する等価回路図である。
FIG. 2 is a capacitance according to each embodiment of the present invention and an equivalent circuit diagram related thereto.

【図3】本発明の各実施の形態に係る固体撮像装置の動
作説明図(その1)である。
FIG. 3 is an operation explanatory diagram (1) of the solid-state imaging device according to each embodiment of the present invention.

【図4】本発明の各実施の形態に係る固体撮像装置の動
作説明図(その2)である。
FIG. 4 is an operation explanatory view (No. 2) of the solid-state imaging device according to each embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置
の構成図及びその動作波形図である。
FIG. 5 is a configuration diagram of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention and an operation waveform diagram thereof.

【図6】従来例に係る固体撮像装置の構成図及びその動
作波形図である。
FIG. 6 is a configuration diagram of a solid-state imaging device according to a conventional example and an operation waveform diagram thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11,21…フォトダイオード、2,12,22…
転送回路、3,13,23…電荷−電圧変換回路、T
1,T2,T3,T11,T21,T31,T41,T12,T2
2,T32,T42…nチャネル型の電界効果トランジス
タ、RL,RL1,RL2…負荷抵抗、C…静電容量。
1, 11, 21 ... Photodiode, 2, 12, 22 ...
Transfer circuit, 3, 13, 23 ... Charge-voltage conversion circuit, T
1, T2, T3, T11, T21, T31, T41, T12, T2
2, T32, T42 ... N-channel field effect transistor, RL, RL1, RL2 ... Load resistance, C ... Capacitance.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一端を第1の電源線に接続した静電容量
と、 ソースを前記静電容量の他端に接続し、ドレインをリセ
ット電源に接続し、かつ、ゲートをリセット信号源に接
続した第1の電界効果トランジスタと、 ゲートを前記静電容量の他端に接続し、ソースを出力部
に接続し、かつ、ドレインを第2の電源線に接続した第
2の電界効果トランジスタと、 一端を前記第2の電界効果トランジスタのソースに接続
し、他端を第1の電源線に接続した負荷抵抗と、 当該回路のリセット時に、前記静電容量の一端に接続し
た第1の電源線と前記第2の電界効果トランジスタのソ
ースとを接続するスイッチ素子とを備えていることを特
徴とする電荷−電圧変換回路。
1. A capacitance having one end connected to a first power supply line, a source connected to the other end of the capacitance, a drain connected to a reset power supply, and a gate connected to a reset signal source. And a second field effect transistor having a gate connected to the other end of the capacitance, a source connected to an output section, and a drain connected to a second power supply line, A load resistance having one end connected to the source of the second field effect transistor and the other end connected to the first power supply line, and a first power supply line connected to one end of the capacitance when the circuit is reset. And a switch element that connects the source of the second field effect transistor to the source of the second field effect transistor.
【請求項2】 前記スイッチ素子は、第1の電界効果ト
ランジスタのゲートに入力する第1のリセット信号より
もタイミングをずらした第2のリセット信号に基づいて
第2の電界効果トランジスタのソースと第1の電源線と
を接続することを特徴とする請求項1記載の電荷−電圧
変換回路。
2. The switching element, based on a second reset signal whose timing is shifted from that of the first reset signal input to the gate of the first field effect transistor, is connected to the source and the second field effect transistor of the second field effect transistor. The charge-voltage conversion circuit according to claim 1, wherein the charge-voltage conversion circuit is connected to one power supply line.
【請求項3】 前記スイッチ素子は、第1の電界効果ト
ランジスタのゲートに入力するリセット信号に基づいて
第2の電界効果トランジスタのソースと第1の電源線と
を接続することを特徴とする請求項1記載の電荷−電圧
変換回路。
3. The switch element connects the source of the second field effect transistor and the first power supply line based on a reset signal input to the gate of the first field effect transistor. Item 2. The charge-voltage conversion circuit according to item 1.
【請求項4】 前記静電容量は、前記第1の電界効果ト
ランジスタの不純物拡散層と基板間に生ずる容量、前記
第1の電界効果トランジスタのゲートとソース間に生ず
る容量、及び、前記第2の電界効果トランジスタのゲー
トとソース間に生ずる容量を利用することを特徴とする
請求項1記載の電荷−電圧変換回路。
4. The capacitance is a capacitance generated between an impurity diffusion layer of the first field effect transistor and a substrate, a capacitance generated between a gate and a source of the first field effect transistor, and the second capacitance. 2. The charge-voltage conversion circuit according to claim 1, wherein the capacitance generated between the gate and the source of the field effect transistor is used.
【請求項5】 ドレインを前記第2の電界効果トランジ
スタのソースに接続し、ソースを前記負荷抵抗の一端と
前記出力部とに接続し、かつ、ゲートを入力信号源に接
続した第3の電界効果トランジスタを設けていることを
特徴とする請求項1記載の電荷−電圧変換回路。
5. A third electric field having a drain connected to a source of the second field effect transistor, a source connected to one end of the load resistor and the output section, and a gate connected to an input signal source. The charge-voltage conversion circuit according to claim 1, further comprising an effect transistor.
【請求項6】 光を受けて信号電荷を発生する受光素子
と、 前記受光素子で発生した信号電荷を順次転送する転送回
路と、 前記転送回路によって転送されてくる信号電荷の蓄積及
び該信号電荷の引き抜きを繰り返すことにより電圧を出
力する信号電荷−電圧変換回路とを備え、 前記信号電荷−電圧変換回路が請求項1、請求項2、請
求項3及び請求項4記載のいずれかの電荷−電圧変換回
路を有していることを特徴とする固体撮像装置。
6. A light-receiving element that receives light to generate a signal charge, a transfer circuit that sequentially transfers the signal charge generated by the light-receiving element, accumulation of the signal charge transferred by the transfer circuit, and the signal charge And a signal charge-voltage conversion circuit that outputs a voltage by repeating extraction of the voltage, the signal charge-voltage conversion circuit according to any one of claims 1, 2, 3, and 4. A solid-state imaging device having a voltage conversion circuit.
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