JPS6081981A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は固体撮像装置に関し、特にその信号処理回路の
改良に関する。

背景技術 水平電荷結合装置を有するＣＣＤ形固体撮像装置と水平
信号線（ＨＳＬと略称される。）を有するＭＯＳ形固体
撮像装置（ＭＯＳセンサと略称される。）は公知である
。これらの固体撮像装置の最大の問題はノイズの低減で
ある。特に、ＭＯＳセンサの水平走査ノイズとそのばら
つきはＳＮ比を極端に低下させるので、多くの先行技術
が提案されている。ＭＯＳエリアセンサにおいて、実用
化された代表的な先行技術はノイズ積分方式である。こ
れは、信号電圧を１画素期間だけ積分する事によつて、
交流電圧である水平走査ノイズを相殺するものである。

特開５６−５１１６６は信号電圧を電流に変換する放電
回路によつてコンデンサを放電し、その後、クロツク動
作するＭＯＳＴを介してコンデンサを充電（リセツト）
する事を開示する。特開５６−５１１６７は上記の放電
の後で、整流素子を介してコンデンサを充電（リセツト
）する事を開示する。そして、充電動作はコンデンサの
他端にクロツク電圧を印加する事によつて実施される。

さらに、特開５６−５１１６７は上記の整流素子の代わ
りにべースに直流電圧を印加したバイポーラトランジス
タを使用する事を開示する。特開５８−７７３８５は特
開５６−５１１６６に開示されるＭＯＳＴを複数個配置
（並列に）する事によつて、色分離動作を実施する事を
開示する。

発明の開示 上記の先行技術によつて、水平走査ノイズは低減される
が、しかし、まだ多くの問題が残されている。第１の問
題はコンデンサを間欠的に充電（リセツト）し、同時に
信号電圧を読み出すために（この動作は以下において「
リセツト動作」と略称される。）、ＭＯＳＴを使用する
実施例において、バイポーラＬＳＩの他にＭＯＳＩＣが
必要になり、そして上記のＭＯＳＴのクロツク電圧とそ
の変動が出力信号電圧に混入する事である。さらにＭＯ
ＳＴが発生するノイズと、ＭＯＳＴのソースまたはドレ
ン電圧の変動によるＭＯＳＴのチヤンネル抵抗の変動も
大きな問題である。第２の問題は積分コンデンサの１端
をクロツクする事によつてリセツト動作を実施する実施
例において、クロツク電圧の変動が非常に大きなノイズ
源になる欠点がある。そしてリセツト動作を実施しない
期間に整流素子のＡ端またはべースに直流電圧を印加さ
れるバイポーラトランジスタのエミツタを逆バイアスす
るために、上記のクロツク電圧はかなり大きくなる。こ
れは上記のＡ端またはエミツタはかなり大きな寄性接合
容量を持つためである。

第３の問題は従来のノイズ積分方式を使用するＭＯＳエ
リアセンサの出力容量が大きい事である。

これはＭＯＳエリアセンサと同一チツプ上に従来より公
知であるソースホロワＭＯＳアンプを内蔵し、水平信号
線の電圧をこのアンプで電流増巾して出力する時に、ア
ンプのリニアリテイが悪いので、ノイズ積分回路が水平
走査ノイズを相殺できないからである。その結果、徙来
技術において、水平信号線は大きなカツプリングコンデ
ンサを介して高いリニアリテイを持つ別のチツプ上に作
られたセンスアンプに接続される必要がある。水平走査
ノイズ電圧が信号電圧に比べて非常に大きい事を考えれ
ば、出力電圧はノイズ積分回路まで良好なリニアリテイ
を持つ必要が理解されるであろう。上記の内蔵されるソ
ースホロワアンプがゲートとソースを接続したデプレツ
シヨン形ＭＯＳＴを負荷とする事によつて、リニアリテ
イは改善されるが完全ではない。そして、このソースホ
ロワＭＯＳＴと負荷ＭＯＳＴは比較的大きなノイズを特
に低周波領域において発生する。上記の結果、従来技術
において、別のチツプ上に作られたセンスアンプは大き
な入力容量（垂直信号線容量＋水平信号線容量＋導線の
寄性容量）によつて小さな信号電圧と大きな熱雑音を持
つ事が理解されるであろう。

本発明はＭＯＳエリアセンサの上記の欠点を改善するた
めになされた。そして本発明の１部はＣＣＤエリアセン
サにも応用できる。本発明の目的は固体撮像装置または
ＭＯＳ形固体撮像装置のＳＮ比の改善である。上記の目
的を達成するために本明細書は３つの独立発明を開示す
る。これらは非常に強い相互関係を持ち、一緒に実施す
る事によつて大きな相乗効果を発生するので一緒に記載
された。各独立発明の特徴と効果が以下に開示される。

独立発明１．（クレーム１〜５） ノイズ積分回路を持つＭＯＳエリアセンサにおいて、積
分コンデンサの第２端は直流電源に接続され、そして、
その第１端は放電回路に接続され、さらに整流素子を介
して充電回路に接続される。

そして、充電回路の第１端に接続される整流素子の第１
端の電位を制御する事によつて、「リセツト動作」が制
御される。信号電圧をリニア増巾する実施例において、
整流素子の第１端と高位電源は抵抗によつて接続される
。簡単な１実施例において、整流素子の第１端は抵抗ま
たは整流素子を介してクロツク電源に接続される。好ま
しい１実施例において、整流素子の第１端はべースにク
ロツク電圧が印加されるトランジスタと抵抗を介して低
位電源に接続される。最も好ましい実施例において、整
流素子の第１端はべースに直流電圧を印加されるトラン
ジスタと抵抗を介して低位電源に接続される。そして、
上記のトランジスタのエミツタ電位が制御される。抵抗
を他の非直線素子に変更する事は均等である。エミツタ
電位を制御する１実施例において、上記のエミツタに第
２トランジスタのエミツタを接続し、第２トランジスタ
のべースにクロツク電圧が印加される。他の１実施例に
おいて、上記のエミツタに第２の整流素子を介してクロ
ツク電圧が印加される。このようにすれば、整流素子（
第１）の第１端の電位はクロツク電圧変動の影響を受け
ない。積分回路の水平走査ノイズ相殺動作の詳細につい
ては前記の先行技術と同じであるので、それらを参照さ
れたい。好ましい実施例において整流素子はべースとコ
レクタを接続するトランジスタである。このようにすれ
ば整流特性は改善される。

独立発明２．（クレーム６） ＭＯＳエリアセンサにおいて、特に積分方式を使用する
ＭＯＳエリアセンサにおいて、ソースホロワアンプを内
蔵する事によつて、水平信号線の信号電圧のＳＮ比は改
善されるがリニアリテイが悪化する。本発明はＭＯＳエ
リアセンサに基板をコレクタとするＮＰＮバイポーラ出
力トランジスタを内蔵する事を特徴とする。Ｐ形べース
は撮像素子のＰ形ウエルと一緒に作る事が好ましい。そ
して、水平信号線はこのエミツタホロワアンプのべース
に接続される。エミツタホロワトランジスタは低ノイズ
であり、そして、エミツタ電圧は良好にべース電位に追
従する。

独立発明３．（クレーム７、８） ＭＯＳ形、またはＣＣＤ形エリアセンサにおいて、内蔵
された出力アンプの負荷素子は上記のエリアセンサと別
のチツプに作られる。このようにすれば上記の出力アン
プの負荷素子である抵抗または定電流負荷回路はエリア
センサの工程を増加する事なく、正確に作る事ができる
。従来のエリアセンサに内蔵されたＭＯＳＴ負荷素子は
高雑音であり、リニアリテイが悪かつた。特に好ましい
実施例において、定電流負荷の採用によつて、エリアセ
ンサに内蔵されたソースホロワまたはエミツタホロワト
ランジスタは良好なリニアリテイを持つ出力信号電圧を
発生する。

本発明の他の特徴と効果は以下の実施例によつて説明さ
れる。

発明を実施するための最良の形態 図１は従来のノイズ積分形ＭＯＳエリアセンサのブロツ
ク図である。そのノイズ積分回路８の具体的な先行例が
図２〜４に開示される。図５は本発明のノイズ積分回路
の１実施例を表わす等価回路図である。１３は低位電源
（たとえば０Ｖ）であり、１４は高位電源（たとえば＋
１２Ｖ）である。トランジスタ１６のべースに信号電圧
Ｖｉが印加されると、放電電流ｉ１、は（Ｖｉ−ＶＢＥ
）／Ｒ１５になる。１画素期間の間、コンデンサの第１
端１７Ａは電流ｉ１、を積分する。

そして１画素期間の終りに節点１７Ａの電位Ｖ１７Ａは
リセツト電位ＶＲからＶＤＣ＋ＶＡＣだけ低下する。Ｖ
ＤＣは入力電圧Ｖｉの信号電圧成分が０である時の節点
１７Ａの電位であり、ＶＡＣは積分された信号電圧成分
である。交流ノイズ電圧は積分によつて相殺される。１
画素期間の終りに、節点１７Ａは整流素子１８を介して
、そして抵抗１９を介して充電される。充電電流ｉ２は
（Ｖ１４−Ｖ１７Ａ−ＶＢＥ′）／Ｒ１９になる。した
がつてこの充電（リセツト）期間に出力端子２０にはｉ
２×Ｒ１９の電圧が発生し、この電圧Ｖ２０の変化が信
号電圧になる。放電回路２６はトランジスタ１６と抵抗
１５によつて構成され、充電回路２５は節点２０と電源
１４を接続する抵抗１９と、節点２０と電源１３を接続
するトランジスタ２１とエミツタ抵抗２２によつて構成
される。トランジスタ２１のエミツタとクロツク電源中
を接続する整流素子２３がさらに付加される。もし、２
１と２３のＶＢＥが等しいと仮定する時にクロック中が
トランジスタ２１のべースに印加された直流電圧より大
きければｉ３はしや断され、ｉ４＝（φ−ＶＢＥ）÷Ｒ
２２が流れる。ｉ３が０になれば整流素子１８を通して
コンデンサ１７は抵抗１９によつて急速に充電される。

１画素期間の最初にクロツク電圧中は２１のべースに印
加される直流電圧ＶＤＣより小さくなり、その結果ｉ３
が流れ、ｉ４がしや断される。ｉ３は（ＶＤＣ−ＶＢＥ
）÷Ｒ２２であり、節点２０の電位Ｖ２０はＶ１４−（
ＶＤＣ−ＶＢＥ）÷Ｒ２２×Ｒ１９になり節点１７Ａの
電位より十分小さくなる。その結果、ｉ２はしや断され
る。ｉ２がしや断される純放電期間（非リセツト期間）
に節点１７Ａの電位は低下するが、節点２０の電位がよ
り小さくなるように電流ｉ３または抵抗１９を設定すれ
ば、非リセツト期間にｉ２は流れない。図６は図５にお
いて、整流素子２３の代わりにトランジスタ２４を接続
したものである。そのコレクタは電源１４に接続され、
そのべースにクロツクが印加される。このようにすれば
、クロツク電流を低減できる。図５、図６において、本
発明の基本動作を損なわない範囲において、他の部品を
付加する事は均等である。図７は本発明の出力トランジ
スタを表わす断面図である。Ｎ−基板２９の表面にＰ形
ウエル２８とベース３０が作られ、それらの内部にＮ＋
領域２７Ａ、３Ａ、３１が作られる。２７は垂直信号線
であり、１はＮチヤンネル水平走査トランジスタである
。３１はコレクタを基板とするエミツタホロワトランジ
スタのエミツタである。

図８は図７のエミツタホロワトランジスタを使用するエ
ミツタホロワ出力アンプの等価回路図である。水平信号
線３の電源１３は抵抗４によつて接続される。そして水
平信号線３はエミツタホロワトランジスタのべースに接
続される。そしてそのエミツタは出力線１０によつて別
のチツプの定電流負荷回路３２の１端に接続される。定
電流負荷回路はべースに直流電圧が印加されるトランジ
スタ１１とエミツタ抵抗１２によつて構成される。

図５〜図８において整流素子以外のトランジスタは飽和
動作をする事が好ましい。図５の１実施例において、Ｃ
１７は４０ＰＦ、Ｒ１９は１５０Ω、Ｒ２２は１００Ω
である。

【図面の簡単な説明】

図１は従来のノイズ積分回路８を持つＭＯＳエリアセン
サのブロツク図である。図２と図３と図４は従来のノイ
ズ積分回路８の等価回路図である。 図５と図６は本発明のノイズ積分回路の等価回路図であ
る。図７は本発明の１実施例を表わす断面図である。図
８は本発明の他の１実施例を表わすブロツク図である。 特許出願人　田中正一

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）．水平信号線と、水平信号線と直流電源を接続す
   る抵抗を備え、そして、信号電圧に含まれる交流雑音を
   積分する雑音除去回路を備え、上記の雑音除去回路は、
   信号電圧によつて制御される放電回路と、コンデンサと
   、整流素子と、充電回路を備え、コンデンサの第１端は
   放電回路の第１端と整流素子の第１端に接続され、整流
   素子の第２端は充電回路の第１端に接続される固体撮像
   装置において、 上記の充電回路の第１端の電位を制御して、コンデンサ
   を間欠的に充電する事を特徴とする固体撮像装置。
2. （２）．上記の整流素子の第２端はバイポーラトランジ
   スタのコレクタに接続させ、そのべースに直流電圧を印
   加し、そのエミツタは抵抗を介して直流電源に接続され
   、上記のエミツタ電位を制御する事を特徴とする第１項
   記載の固体撮像装置。
3. （３）．上記のバイポーラトランジスタのエミツタは第
   ２のバイポーラトランジスタのエミツタに電気的に接続
   され、上記の第２バイポーラトランジスタのべースにク
   ロツク電圧を印加する事によつて、上記のバイポーラト
   ランジスタ（第１）の導通を制御する事を特徴とする第
   ２項記載の固体撮像装置。
4. （４）．上記のバイポーラトランジスタのエミツタは整
   流素子を介してクロツク電源に接続される事を特徴とす
   る第２項記載の固体撮像装置。
5. （５）．上記の整流素子はべースとコレクタを接続した
   バイポーラトランジスタである事を特徴とする第１項記
   載の固体撮像装置。
6. （６）．水平信号線と、水平信号線と基準電源を接続す
   る抵抗を備える固体撮像装置において、水平信号線はＮ
   ＰＮバイポーラトランジスタのべースに接続され、その
   コレクタは基板である事を特徴とする固体撮像装置。
7. （７）．固体撮像装置において、 信号出力用トランジスタを内蔵する固体撮像素子と、上
   記の信号出力用トランジスタの負荷素子は異なるチツプ
   上に作成される事を特徴とする固体撮像装置。
8. （８）．上記の負荷素子は定電流負荷である事を特徴と
   する第７項記載の固体撮像装置。