JPH09181299A - 電荷−電圧変換回路及び固体撮像装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００３４】

【数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。

【００３６】

【数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。

【００３８】

【数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。

【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。

【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。

【００４２】

【数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。

【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。

【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。

【００４６】

【数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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。