JP2701546B2 - 信号電荷検出回路を有する電荷転送装置 - Google Patents
信号電荷検出回路を有する電荷転送装置Info
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- G11C—STATIC STORES
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- G11C19/28—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電荷転送装置に関し、特
に、出力回路としての信号電荷検出回路にソースフォロ
ワー型のバッファー回路を有する信号電荷検出回路を有
する電荷転送装置に関する。
に、出力回路としての信号電荷検出回路にソースフォロ
ワー型のバッファー回路を有する信号電荷検出回路を有
する電荷転送装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の電荷転送装置の出力回路は、図2
に示すように2段、又は3段のソースフォロワー回路よ
り成っている。(例えばIEEE Journal o
fSolid State Circuits vo
l.24,No.3,1989 711〜717ペー
ジ.“A 1920(H)×1035(V)Pixel
High−Definition CCD Image
Sensor”Eiji Oda,et.)すなわ
ち、図2において、1は後述するMOSトランジスタM
D1のソースであるフローティングディフュージョン、
2は信号電荷が転送される電荷転送領域、3は転送クロ
ックφ1 が印加される転送電極、4は一定の出力ゲート
電圧VOGが印加される出力ゲート、MD1はドレインに
リセットドレイン電圧VRDが印加され、ゲートにリセッ
トパルスφR が印加されるディプリーション型のMOS
トランジスタ、M2,M3,M4はソースフォロワの駆
動トランジスタであるエンハンスメント型のMOSトラ
ンジスタ、ML2,ML3,ML4はソースフォロワの
負荷トランジスタであるディプリーション型のMOSト
ランジスタである。またPは電荷転送領域2内を転送さ
れてきた信号電荷のフローティングディフュージョン1
への注入点である。
に示すように2段、又は3段のソースフォロワー回路よ
り成っている。(例えばIEEE Journal o
fSolid State Circuits vo
l.24,No.3,1989 711〜717ペー
ジ.“A 1920(H)×1035(V)Pixel
High−Definition CCD Image
Sensor”Eiji Oda,et.)すなわ
ち、図2において、1は後述するMOSトランジスタM
D1のソースであるフローティングディフュージョン、
2は信号電荷が転送される電荷転送領域、3は転送クロ
ックφ1 が印加される転送電極、4は一定の出力ゲート
電圧VOGが印加される出力ゲート、MD1はドレインに
リセットドレイン電圧VRDが印加され、ゲートにリセッ
トパルスφR が印加されるディプリーション型のMOS
トランジスタ、M2,M3,M4はソースフォロワの駆
動トランジスタであるエンハンスメント型のMOSトラ
ンジスタ、ML2,ML3,ML4はソースフォロワの
負荷トランジスタであるディプリーション型のMOSト
ランジスタである。またPは電荷転送領域2内を転送さ
れてきた信号電荷のフローティングディフュージョン1
への注入点である。
【0003】次に、図3に示すタイミングチャートを参
照して、図2の従来例の回路の動作について説明する。
時刻t1 においてリセットパルスφR をハイレベルと
し、MOSトランジスタMD1を導通させ、MOSトラ
ンジスタMD1のソース電位であるVP をMOSトラン
ジスタMD1のドレイン電圧VRDと同電位に設定する。
時刻t2 にてリセットパルスφR がローレベルとなる
と、電荷注入点Pはフローティング状態となる。この状
態にした後に、時刻t3 において、転送クロックφ1 が
ローレベルとなると、転送電極3下に蓄積されていた電
荷(電子)は出力ゲート4下のチャネルを通って電荷注
入点Pへ流入する。この流入電荷による注入点Pの電位
変化ΔVP は、出力インピーダンスの低減と、高速動作
のため、MOSトランジスタM2〜M4,ML2〜ML
4により構成される3段のソース・フォロワを介して出
力端子OUTより出力される。
照して、図2の従来例の回路の動作について説明する。
時刻t1 においてリセットパルスφR をハイレベルと
し、MOSトランジスタMD1を導通させ、MOSトラ
ンジスタMD1のソース電位であるVP をMOSトラン
ジスタMD1のドレイン電圧VRDと同電位に設定する。
時刻t2 にてリセットパルスφR がローレベルとなる
と、電荷注入点Pはフローティング状態となる。この状
態にした後に、時刻t3 において、転送クロックφ1 が
ローレベルとなると、転送電極3下に蓄積されていた電
荷(電子)は出力ゲート4下のチャネルを通って電荷注
入点Pへ流入する。この流入電荷による注入点Pの電位
変化ΔVP は、出力インピーダンスの低減と、高速動作
のため、MOSトランジスタM2〜M4,ML2〜ML
4により構成される3段のソース・フォロワを介して出
力端子OUTより出力される。
【0004】又、このP点の電位変化ΔVP はP点に存
在するフローティングディフュージョンの接合容量、次
段のMOSトランジスタM2のゲート容量、及びその配
線容量の合計をCT とし、注入信号電荷量をΔQとする
と ΔVP =ΔQ÷CT ……(1) となり、容量CT が少ないほど電位変化ΔVP が大きく
なる、すなわち、容量CT が小さいほど電荷検出感度が
向上する点に注意すべきである。
在するフローティングディフュージョンの接合容量、次
段のMOSトランジスタM2のゲート容量、及びその配
線容量の合計をCT とし、注入信号電荷量をΔQとする
と ΔVP =ΔQ÷CT ……(1) となり、容量CT が少ないほど電位変化ΔVP が大きく
なる、すなわち、容量CT が小さいほど電荷検出感度が
向上する点に注意すべきである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来の3段ソ
ースフォロワーを用いた電荷転送装置の出力回路におい
ては、ソースフォロワーの電圧増幅率が一段あたり0.
85〜0.9と低いため3段も直列接続すると全体とし
て約0.7になってしまい、電位変化ΔVP の信号変化
が出力端子OUTにおいてはΔVP ×0.7となり、信
号量の減少をきたすという問題があった。信号量の減少
を押えるためにはソースフォロワーの段数を少なく、例
えば一段のみにすればよいが、一段のみにした場合に
は、以下のディメリットが生ずる。通常式(1)よりわ
かる様に電位変化ΔVP を大きくするために容量CT の
一部をしめるMOSトランジスタM2のゲート容量をな
るべく小さくするため、MOSトランジスタM2のトラ
ンジスタサイズは非常に小さいもの(例えばW/L=5
/4μ)が使用される。このため、MOSトランジスタ
M2,ML2により成るソースフォロワーはドライブ能
力が低いものにならざるをえず、高速動作が実現できな
い。
ースフォロワーを用いた電荷転送装置の出力回路におい
ては、ソースフォロワーの電圧増幅率が一段あたり0.
85〜0.9と低いため3段も直列接続すると全体とし
て約0.7になってしまい、電位変化ΔVP の信号変化
が出力端子OUTにおいてはΔVP ×0.7となり、信
号量の減少をきたすという問題があった。信号量の減少
を押えるためにはソースフォロワーの段数を少なく、例
えば一段のみにすればよいが、一段のみにした場合に
は、以下のディメリットが生ずる。通常式(1)よりわ
かる様に電位変化ΔVP を大きくするために容量CT の
一部をしめるMOSトランジスタM2のゲート容量をな
るべく小さくするため、MOSトランジスタM2のトラ
ンジスタサイズは非常に小さいもの(例えばW/L=5
/4μ)が使用される。このため、MOSトランジスタ
M2,ML2により成るソースフォロワーはドライブ能
力が低いものにならざるをえず、高速動作が実現できな
い。
【0006】又、逆に、ドライブ能力を上げるために初
段のトランジスタサイズを大きくすれば、容量CT の増
加となり、電荷検出感度が低下し、好ましくない。
段のトランジスタサイズを大きくすれば、容量CT の増
加となり、電荷検出感度が低下し、好ましくない。
【0007】よって、本発明の目的とするところは、電
荷検出感度の低下を起こすことなく、かつまた十分な高
速動作ができうるドライブ能力を持ち、ソースフォロワ
ーにおける電圧増幅率の低下を防止できうる高感度,高
速,高ゲインな信号電荷検出回路を有する電荷転送装置
を提供することである。
荷検出感度の低下を起こすことなく、かつまた十分な高
速動作ができうるドライブ能力を持ち、ソースフォロワ
ーにおける電圧増幅率の低下を防止できうる高感度,高
速,高ゲインな信号電荷検出回路を有する電荷転送装置
を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、電荷転
送部の次段に信号電荷が注入されるフローティングディ
フュージョンを設け、このフローティングディフュージ
ョンの電位変化を2段以上のソースフォロワーを介して
取り出すものであり、ソースフォロワーの2段目以降の
負荷トランジスタのON抵抗値をフローティングディフ
ュージョンの電位変化に対応して変化させることにより
2段目以降ソースフォロワーの電圧増幅率を1以上に上
げる手段を有している信号電荷検出回路を有する電荷転
送装置を得る。
送部の次段に信号電荷が注入されるフローティングディ
フュージョンを設け、このフローティングディフュージ
ョンの電位変化を2段以上のソースフォロワーを介して
取り出すものであり、ソースフォロワーの2段目以降の
負荷トランジスタのON抵抗値をフローティングディフ
ュージョンの電位変化に対応して変化させることにより
2段目以降ソースフォロワーの電圧増幅率を1以上に上
げる手段を有している信号電荷検出回路を有する電荷転
送装置を得る。
【0009】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【0010】図1は本発明の第1の実施例を示す回路図
である。同図において図2の従来例の部分と共通する部
分については同一の記号が付されているので重複する説
明は省略する。本実施例の図2に示した従来例と相違す
る点は、2段,3段目のソースフォロワーの負荷MOS
トランジスタML3A,ML4Aがエンハンスメント型
でありそのゲート電圧V7Aは、エンハンスメント型MO
SトランジスタM6A,ML6Aより成るV2 電圧を下
げるレベルシフト回路の出力電圧V6Aを入力する同じく
エンハンスメント型MOSトランジスタM7A,ML7
Aより成るインバータ回路の出力電圧であることであ
る。またMOSトランジスタM5A,ML5Aは、イン
バーター回路のMOSトランジスタM7Aに適したバイ
アスを発生する回路である。
である。同図において図2の従来例の部分と共通する部
分については同一の記号が付されているので重複する説
明は省略する。本実施例の図2に示した従来例と相違す
る点は、2段,3段目のソースフォロワーの負荷MOS
トランジスタML3A,ML4Aがエンハンスメント型
でありそのゲート電圧V7Aは、エンハンスメント型MO
SトランジスタM6A,ML6Aより成るV2 電圧を下
げるレベルシフト回路の出力電圧V6Aを入力する同じく
エンハンスメント型MOSトランジスタM7A,ML7
Aより成るインバータ回路の出力電圧であることであ
る。またMOSトランジスタM5A,ML5Aは、イン
バーター回路のMOSトランジスタM7Aに適したバイ
アスを発生する回路である。
【0011】次に、この実施例の回路動作についてま
ず、図4に示すエンハンスメントMOSトランジスタM
A,MBより成るソースフォロワーの入出力特性図を用
いて基本特性を説明する。図4において曲線Aは、MO
SトランジスタMBのゲート電圧VB が2V時の入出力
特性であり、曲線Bは、VB=3V時の入出力特性であ
る。VB =2VよりVB =3Vの方が、MOSトランジ
スタMBに流れる電源が増加するため、オフセット電圧
は低下するが利得は変化せず0.9のままの特性を示
す。
ず、図4に示すエンハンスメントMOSトランジスタM
A,MBより成るソースフォロワーの入出力特性図を用
いて基本特性を説明する。図4において曲線Aは、MO
SトランジスタMBのゲート電圧VB が2V時の入出力
特性であり、曲線Bは、VB=3V時の入出力特性であ
る。VB =2VよりVB =3Vの方が、MOSトランジ
スタMBに流れる電源が増加するため、オフセット電圧
は低下するが利得は変化せず0.9のままの特性を示
す。
【0012】ここでVINが10Vから11Vに線形に変
化するのに合わせてVB を3Vから2Vに線形に下げれ
ば動作特性は図4にX点,Y点を結ぶ破線Cの様にな
り、図よりわかる様に、利得は1.5と大きなものとな
る。
化するのに合わせてVB を3Vから2Vに線形に下げれ
ば動作特性は図4にX点,Y点を結ぶ破線Cの様にな
り、図よりわかる様に、利得は1.5と大きなものとな
る。
【0013】この様に、ソースフォロワーの負荷トラン
ジスタのゲート電圧をその駆動トランジスタのゲート電
圧の変化と逆の電圧変化を与えることができれば、ソー
スフォロワーの利得は1以上とすることが可能になる。
本発明ではこの特性を利用して、図1に示す2段,3段
目の負荷用MOSトランジスタML3AとML4Aのゲ
ート電圧をその駆動用MOSトランジスタM3,M4の
ゲート電圧V2 ,V3Aと逆の変化を与えている。その逆
の変化を与えるための動作を図5の特性曲線を用いて説
明する。
ジスタのゲート電圧をその駆動トランジスタのゲート電
圧の変化と逆の電圧変化を与えることができれば、ソー
スフォロワーの利得は1以上とすることが可能になる。
本発明ではこの特性を利用して、図1に示す2段,3段
目の負荷用MOSトランジスタML3AとML4Aのゲ
ート電圧をその駆動用MOSトランジスタM3,M4の
ゲート電圧V2 ,V3Aと逆の変化を与えている。その逆
の変化を与えるための動作を図5の特性曲線を用いて説
明する。
【0014】いま、節点Pの電圧VP がΔVP だけ増加
するとMOSトランジスタM2,ML2よりなるソース
フォロワー回路の出力電圧V2 はΔV2 だけ増加する。
通常このΔV2 はΔVP の0.9倍である。V2 を入力
とするMOSトランジスタM6A,ML6Aよりなるレ
ベルシフト回路の出力電圧はΔV6Aだけ増加する。この
ΔV6Aの増加により、V6Aを入力とするMOSトランジ
スタM7A,ML7Aより成るインバーター回路の出力
電圧V7AはΔV7Aだけ減少する。結果としてΔV2 の電
圧増加により、MOSトランジスタML3A,ML4A
の負荷MOSトランジスタのゲート電圧はΔV7Aだけ減
少する。このことによりMOSトランジスタM3,ML
3Aよりなるソースフォロワー回路の利得は図4を用い
て説明した理由により1以上となり、同様な理由により
MOSトランジスタM4,ML4Aよりなるソースフォ
ロワー回路の利得も1以上となる。
するとMOSトランジスタM2,ML2よりなるソース
フォロワー回路の出力電圧V2 はΔV2 だけ増加する。
通常このΔV2 はΔVP の0.9倍である。V2 を入力
とするMOSトランジスタM6A,ML6Aよりなるレ
ベルシフト回路の出力電圧はΔV6Aだけ増加する。この
ΔV6Aの増加により、V6Aを入力とするMOSトランジ
スタM7A,ML7Aより成るインバーター回路の出力
電圧V7AはΔV7Aだけ減少する。結果としてΔV2 の電
圧増加により、MOSトランジスタML3A,ML4A
の負荷MOSトランジスタのゲート電圧はΔV7Aだけ減
少する。このことによりMOSトランジスタM3,ML
3Aよりなるソースフォロワー回路の利得は図4を用い
て説明した理由により1以上となり、同様な理由により
MOSトランジスタM4,ML4Aよりなるソースフォ
ロワー回路の利得も1以上となる。
【0015】図6は本発明の第2の実施例であり図1の
第1の実施例と異なる点はソースフォロワーを2段のみ
とし、かつまたV2 の電圧変化と逆の電圧変化を発生す
る部分をMOSトランジスタM5B,ML5BLの電圧
源と、MOSトランジスタM6B,ML6Bのインバー
ターの4つのMOSトランジスタのみで構成している点
であり、回路構成が簡単になるという利点を有してい
る。
第1の実施例と異なる点はソースフォロワーを2段のみ
とし、かつまたV2 の電圧変化と逆の電圧変化を発生す
る部分をMOSトランジスタM5B,ML5BLの電圧
源と、MOSトランジスタM6B,ML6Bのインバー
ターの4つのMOSトランジスタのみで構成している点
であり、回路構成が簡単になるという利点を有してい
る。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、電荷
転送装置の出力回路に使用されるソースフォロワー回路
において、駆動用MOSトランジスタのゲート電圧と逆
の電圧変化を負荷側のMOSトランジスタのゲートに加
えることによりソースフォロワー回路の電圧増幅率を1
以上にすることができる。したがって、本発明によれ
ば、出力回路の高速動作のためにソースフォロワー回路
を2段、又は3段直列に接続しても電圧増幅率の低下は
起きず、高速で高感度な電荷転送装置の出力回路が構成
できる。
転送装置の出力回路に使用されるソースフォロワー回路
において、駆動用MOSトランジスタのゲート電圧と逆
の電圧変化を負荷側のMOSトランジスタのゲートに加
えることによりソースフォロワー回路の電圧増幅率を1
以上にすることができる。したがって、本発明によれ
ば、出力回路の高速動作のためにソースフォロワー回路
を2段、又は3段直列に接続しても電圧増幅率の低下は
起きず、高速で高感度な電荷転送装置の出力回路が構成
できる。
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【図2】従来例を示す回路図である。
【図3】従来例の動作を説明するタイミングチャートで
ある。
ある。
【図4】本発明の第1の実施例の基本動作を説明する入
・出力特性図である。
・出力特性図である。
【図5】本発明の第1の実施例の全体動作を説明する特
性曲線図である。
性曲線図である。
【図6】本発明の第2の実施例を示す回路図である。
1 フローティングディフュージョン 2 電荷転送領域 3 転送電力 4 出力ゲート MD1,ML2,ML3,ML4,ML5A ディプ
リーション型MOSトランジスタ M2,M3,M4,M5A,M6A,M7A,M5B,
M6B,ML3A,ML4A,ML6A,ML7A,M
L5B,ML6B,MA,MB エンハンスメント型
MOSトランジスタ OUT,OUTA,OUTB 出力端子 P 電荷注入点
リーション型MOSトランジスタ M2,M3,M4,M5A,M6A,M7A,M5B,
M6B,ML3A,ML4A,ML6A,ML7A,M
L5B,ML6B,MA,MB エンハンスメント型
MOSトランジスタ OUT,OUTA,OUTB 出力端子 P 電荷注入点
Claims (4)
- 【請求項1】 電荷転送手段と、前記電荷転送手段から
転送される電荷を受けるフローティングディフュージョ
ン部と、前記フローティングディフュージョン部の電位
変化を検出する第1のソース・フォロワー回路と、前記
第1のソース・フォロワー回路の出力を受ける第2のソ
ース・フォロワー回路であって第1の駆動用MOSトラ
ンジスタ及び第1の負荷用MOSトランジスタからなる
第2のソース・フォロワー回路と、前記第1の負荷用M
OSトランジスタのゲートに電圧を供給するゲート電圧
発生手段であって前記第1の駆動用MOSトランジスタ
のゲート電圧が上昇すると前記第1の負荷用MOSトラ
ンジスタに供給する電圧を低下させるゲート電圧発生手
段とを備えることを特徴とする信号電荷検出回路を有す
る電荷転送装置。 - 【請求項2】 前記ゲート電圧発生手段は、前記第1の
駆動用MOSトランジスタのゲート電圧を受け、出力電
圧を前記第1の負荷用MOSトランジスタのゲートに供
給するインバータ回路を含むことを特徴とする請求項1
記載の信号電荷検出回路を有する電荷転送装置。 - 【請求項3】 前記第2のソース・フォロワー回路の出
力を受ける第3のソース・フォロワー回路であって第2
の駆動用MOSトランジスタ及び第2の負荷用MOSト
ランジスタからなる第3のソース・フォロワー回路をさ
らに有し、前記ゲート電圧発生手段は、前記第2の負荷
用MOSトランジスタのゲートに、前記第1の負荷用M
OSトランジスタのゲートに供給する電圧と同一の電圧
をさらに供給するものであることを特徴とする請求項1
又は2記載の信号電荷検出回路を有する電荷転送装置。 - 【請求項4】 電荷転送手段と、前記電荷転送手段から
転送される電荷を受けるフローティングディフュージョ
ン部と、第1の電源端子及び第1の回路接点間に接続さ
れた第1のトランジスタであってゲートが前記フローテ
ィングディフュージョン部に接続された第1のトランジ
スタと、前記第1の回路接点及び第2の電源端子間に接
続された第2のトランジスタと、前記第1の電源端子及
び第2の回路接点間に接続された第3のトランジスタで
あってゲートが前記第1の回路接点に接続された第3の
トランジスタと、前記第2の回路接点及び前記第2 の電
源端子間に接続された第4のトランジスタと、前記第4
のトランジスタのゲートに電圧を供給する手段であっ
て、前記第1の回路接点の電圧が上昇すると前記第4の
トランジスタの前記ゲートに供給する電圧を低下させ、
逆に前記第1の回路接点の電圧が低下すると前記第4の
トランジスタの前記ゲートに供給する電圧を上昇させる
手段とを備える電荷転送装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3004193A JP2701546B2 (ja) | 1991-01-18 | 1991-01-18 | 信号電荷検出回路を有する電荷転送装置 |
DE69214300T DE69214300T2 (de) | 1991-01-18 | 1992-01-16 | Ladungsübertragungsanordnung mit Ladungssignaldetektor mit verbesserter Empfindlichkeit sowie mit verbesserter Spannungsverstärkung |
EP92100678A EP0495500B1 (en) | 1991-01-18 | 1992-01-16 | Charge transfer device equipped with charge signal detector improved in sensitivity as well as in voltage amplification |
US07/822,751 US5287393A (en) | 1991-01-18 | 1992-01-21 | Charge transfer device equipped with charge signal detector improved in sensitivity as well as in voltage amplification |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3004193A JP2701546B2 (ja) | 1991-01-18 | 1991-01-18 | 信号電荷検出回路を有する電荷転送装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04243139A JPH04243139A (ja) | 1992-08-31 |
JP2701546B2 true JP2701546B2 (ja) | 1998-01-21 |
Family
ID=11577858
Family Applications (1)
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