JPH11234567A - Ccd固体撮像素子の出力回路 - Google Patents
Ccd固体撮像素子の出力回路Info
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- JPH11234567A JPH11234567A JP10030895A JP3089598A JPH11234567A JP H11234567 A JPH11234567 A JP H11234567A JP 10030895 A JP10030895 A JP 10030895A JP 3089598 A JP3089598 A JP 3089598A JP H11234567 A JPH11234567 A JP H11234567A
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Abstract
てなるCCD固体撮像素子の出力回路において、CCD
固体撮像素子の消費電力の増加を伴うことなく周波数特
性の向上を図る。 【解決手段】 最終段のソースフォロア回路を、Nチャ
ンネルMOSトランジスタMN とPチャンネルMOSト
ランジスタMP からなるプッシュプル回路で構成してな
る。 【効果】 入力信号の立ち上がり時にはNチャンネ
ルMOSトランジスタMN がソースフォロアの駆動トラ
ンジスタとして機能し、立ち下がり時にはPチャンネル
MOSトランジスタMP がソースフォロアの駆動トラン
ジスタとして機能するので、立ち下がりも立ち上がりと
同様に能動的動作で行うことができ、立ち下がり速度を
消費電流を大きくすることなく速めることができる。
Description
子の水平レジスタにより転送されて来た信号電荷を検出
し、低い出力インピーダンスにインピーダンス変換して
出力する、ソースフォロア回路を複数個縦続接続したC
CD固体撮像素子の出力回路に関する。
概略構成を有する。図において、1はイメージエリア
(撮像領域)で、受光素子を縦横に配置し且つ各受光素
子垂直列に対応して垂直転送レジスタが設けられてい
る。2は水平転送レジスタで、各垂直転送レジスタから
垂直転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する。F
Dは水平転送レジスタ2の出力端側に設けられたフロー
ティングディフュージョン領域で、所定のリセット電位
にリセットされその後水平転送レジスタ2からの信号電
荷を受け入れて信号電荷に対応した電位になるという動
作を繰り返す。3はその出力回路(出力バッファ回路)
で、図3はその一つの従来例を示すものである。
ュージョン領域FDに接続されたMOSトランジスタ
で、初段のソースフォロア回路の駆動トランジスタを成
し、ドレインは電源VDD端子に接続されている。M2は
それに対しての電流供給手段を成すMOSトランジスタ
で、そのゲートは一定電圧VGGを受け、ドレインはMO
SトランジスタM1のソースに、ソースは抵抗RSSを介
してアースされている。M3は次段のソースフォロア回
路の駆動トランジスタを成すMOSトランジスタ、M4
はその電流供給手段を成すMOSトランジスタトランジ
スタ、M5は最終段のソースフォロア回路の駆動トラン
ジスタを成すMOSトランジスタ、M6はその電流供給
手段を成すMOSトランジスタである。尚、これらのト
ランジスタM1〜M6はすべてNチャンネルMOSトラ
ンジスタで、駆動MOSトランジスタM1、M3、M5
がエンハンスメントモード、負荷MOSトランジスタM
2、M4、M6がデプレッションモードである。
スタ2により搬送された信号電荷は多段のソースフォロ
ア回路からなる出力回路によりインピーダンス変換され
て外部(固体撮像素子外部)に出力される。尚、出力の
取り出し方法として一般的な方法には、FDA(floati
ng diffussion amplifier)法と、FGA(floating gate
amplifier) 法があるが、いずれも信号電荷の量に対応
した電位になるフローティングディフュージョン領域
(FD)或いはフローティングゲート電極の電位をソー
スフォロア回路を用いた出力回路によりインピーダンス
変換して出力するようにしており、その点では変わりが
ない。
撮像素子の出力回路には、周波数特性の向上を図ること
が要請されており、それも消費電流の増大を伴うことな
く実現することが求められている。この点について詳細
に説明すると次のとおりである。
撮像素子は、水平転送レジスタを2本備えた構成になっ
ており、その駆動周波数は37M Hzで、出力回路の周
波数特性は例えば150MHz程度に設定されている。
そして、CCD固体撮像素子の出力回路のトータルの消
費電流は例えば約10mAである。ところで、テレビジ
ョン放送のディジタル化の促進に伴って高画質化の要請
が強くなり、有効走査線数1080本のプログレシッブ
スキャンの計画が進んでいるし、また、2本あった水平
転送レジスタを1本に減らして(戻して)MTF(modul
ation transferfunction)の改善を図ろうとする動きも
ある。
すと、その駆動周波数は37MHzの2倍の74MHz
にしなければならなくなり、その結果、出力回路に要求
される周波数特性も現行の2倍の300MHz程度にな
る。これに対して出力回路の電流を増加させることだけ
によって対応しようとすると、CCD固体撮像素子の消
費電流が40mA程度の大きさになり、現実に許容され
る範囲を大きく逸脱することになるので、実用性が全く
ない。そこで、本願発明者はCCD固体撮像素子の回路
形式を見直すことにより消費電流の増加を伴うことなく
周波数特性を必要な高さに向上させることを模索した。
以下に、模索の過程を説明する。
波数特性の向上を律則するものは何かについて考察し
た。ここで、考察の対象を消費電流の殆どが決まる最終
段のソースフォロア回路だけに絞ることにした。という
のは、出力回路3の初段や、次段は最終段のようにCC
D固体撮像素子外部にそれ相応の出力電流を供給するわ
けではなく、従って出力電流はきわめて小さくて済む
し、また、その結果として立ち上がり時間、立ち下がり
時間は短くすることが容易であるが、最終段は相当の大
きさの出力電流を外部に送出する必要があるので、消費
電流の殆どを最終段が占めるし、また、その当然の帰結
として高速化が難しく、従って、最終段が消費電流を概
ね決定し、周波数特性を律則することになるからであ
る。
おける最終段のソースフォロア回路を示す。図におい
て、CL は負荷であり、負荷はこのように純粋な容量と
みなすことができる。VINは入力信号で、略矩形波と考
えて良い。ここで、入力信号VINがロウレベルで回路が
定常状態にあるとすると、定常状態における出力もロウ
レベルになる。このとき負荷トランジスタML (図3の
M6に相当)に流れる電流をIoとし、このときの出力
電圧をVL とする。図4(A)に示す状態から入力信号
VIN(今までロウレベルにあった)がハイレベルに切り
換わったときの動作は図4(B)に示すとおりになる。
このとき最終段への入力電圧は、入力信号VINの振幅を
ΔVとしたとき、VB +ΔVとなる。そして、駆動MO
SトランジスタMD (図3のM5に相当する。)は飽和
領域で動作している状態になるので、これMD に流れる
電流Iは、下記の式数1で表される。
ゲート長、W:トランジスタMD のゲート幅、dox:ゲ
ート酸化膜の膜厚、εox:ゲート酸化膜を成すSiO2
の誘電率、Neff :電子の実効モビリティである。
すると、CL ・ΔV=IL ・tであることから、t=
(CL ・ΔV)IL と略言える。即ち、立ち上がり時間
t はIL に反比例するのである。従って、この立ち上が
り時間tを短くするには、駆動トランジスタMD の(W
・Neff )/(Leff ・dox)、即ちgmを大きくすれ
ば良いということになる。
レベルへ立ち下がった場合を考察する。この最終段のソ
ースフォロア回路において、入力信号VINがハイレベル
で回路が定常状態にあったとすると、出力もハイレベル
になり、負荷MOSトランジスタML は定電流源として
動作しているので、このとき該負荷MOSトランジスタ
ML に流れる電流もIoである。尚、この時の出力電圧
をVH とする。
ロウレベルに切り換わったときの動作を図4(C)に示
す。この時の入力電圧はVB +ΔV(ΔV:入力パルス
の振幅)からVB に戻る。この時負荷容量CL に蓄積さ
れていた電荷が電流IL の形となって負荷MOSトラン
ジスタML を通じて放電して出力電圧はVH からV
L(VL :ロウレベルのときの出力電圧)に遷移する。
そして、上述したように負荷MOSトランジスタML は
定電流源であり、そこに流れる電流Ioは或る一定の値
であるので、放電電流IL はその定電流Ioを越えるこ
とは不可能である。即ち、IL ≦Ioとなり、dVout
/dt≦Io/CL となる。
は、CCD固体撮像素子の最終段の負荷MOSトランジ
スタML に流す電流、即ち定電流源の電流値Ioを大き
くすることが必要であるが、そうすると、当然にCCD
固体撮像素子の電流値が大きくなってしまうのである。
即ち、従来の図3に示すような出力回路によれば、信号
の立ち上がりに関しては最終段の駆動トランジスタのg
mを大きくすることにより周波数特性を高めることがで
きるが、立ち下がりに関しての周波数特性は負荷MOS
トランジスタML に流す電流Ioと負荷容量CL だけで
決まるスルーレートにより律則され、負荷容量CL が一
定であるとすると、電流Ioを増やすことなくして高速
性を向上させることは不可能である。少なくとも、現在
定電流Ioを許容範囲(十数mA)に止めると、上述し
た水平転送レジスタの1本化に対応することができる周
波数特性を得ることができないのが実状である。
されたものであり、ソースフォロア回路を複数個縦続接
続してなるCCD固体撮像素子の出力回路において、C
CD固体撮像素子の消費電力の増加を伴うことなく周波
数特性の向上を図ることを目的とする。
像素子の出力回路は、最終段のソースフォロア回路を、
NチャンネルMOSトランジスタとPチャンネルMOS
トランジスタからなるプッシュプル回路で構成してなる
ことを特徴とする。
出力回路によれば、従来、電流供給MOSトランジスタ
としてのみ機能し、定電流源としての役割しか果たさな
かったMOSトランジスタをPチャンネルMOSトラン
ジスタにより構成し、該PチャンネルMOSトランジス
タにも入力信号(最終段のソースフォロア回路に対する
入力信号)を印加するようにしたので、入力信号の立ち
上がりのときは従来から駆動トランジスタとしての役割
を果たしていたNチャンネルMOSトランジスタにソー
スフォロアの駆動トランジスタの機能を果たさせ、立ち
下がり時にはそのPチャンネルMOSトランジスタにソ
ースフォロアの駆動トランジスタとして機能させること
ができる。従って、立ち下がり時における高速性を、消
費電流を増加させなくてもPチャンネルMOSトランジ
スタのgmを高める事で、高めることができる。
回路は、最終段のソースフォロア回路を、Nチャンネル
MOSトランジスタとPチャンネルMOSトランジスタ
からなるプッシュプル回路で構成してなる。Nチャンネ
ルMOSトランジスタとPチャンネルMOSトランジス
タを共にデプレッションモードにすると、定常状態にお
いてアイドリング電流を流すことができる。そして、ア
イドリング電流を流すようにすることにより変換効率の
低下を防止し、また、周波数特性を高くすることができ
る。しかし、アイドリング電流を流すようにすることは
絶対に必要であると言うわけではない。上記プッシュプ
ル回路を構成する二つのトランジスタを共にエンファン
スメントモードにするという形態でも本発明を実施する
ことができる。
明する。図1は本発明CCD固体撮像素子の出力回路の
第1の実施例3aを示す回路図である。図面において、
M1はゲートがCCD固体撮像素子のフローティングデ
ィフュージョン領域FD(図2参照)に接続されたMO
Sトランジスタで、初段のソースフォロア回路の駆動ト
ランジスタを成し、ドレインは電源VDD端子に接続され
ている。M2はそれに対しての電流供給手段を成すMO
Sトランジスタで、そのゲートは一定電圧VGGを受け、
ドレインはMOSトランジスタM1のソースに、ソース
は抵抗RSSを介して接地されている。M3は次段のソー
スフォロア回路の駆動トランジスタを成すMOSトラン
ジスタ、M4はその電流供給手段を成すMOSトランジ
スタで、そのソースは上記抵抗RSSを介して接地され、
ゲートは一定電圧VGGを受けている。M1〜M4はNチ
ャンネルMOSトランジスタで、駆動MOSトランジス
タM1、M3はエンファンスメントモード、負荷MOS
トランジスタM2、M4はデプレッションモードのトラ
ンジスタである。
Sトランジスタで、MN がNチャンネルMOSトランジ
スタ、MP がPチャンネルMOSトランジスタであり、
共にM3、M4からなる第2段目のソースフォロア回路
の出力信号を受けてプッシュプル動作をする。そして、
アイドリング動作をするように、具体的には、定常状態
でアイドリング電流(例えば10mA程度)が流れるよ
うに、MOSトランジスタMN 、MP は共にデプレッシ
ョンモードにされている。
入力信号が立ち上がったときはNチャンネルMOSトラ
ンジスタMN がオンし、PチャンネルMOSトランジス
タMP が略オフする(このトランジスタMP がデプレッ
ションモードなので完全にはオフせず若干電流が流れ
る。)。従って、NチャンネルMOSトランジスタMN
がエミッタフォロア回路の駆動トランジスタとして機能
し、該トランジスタMNを通じて出力側(負荷容量)が
充電される。この場合、PチャンネルMOSトランジス
タMP が略カットオフするので、従来よりも速く負荷容
量の充電ができ、立ち上がり速度を速めることができ
る。
ときは、逆にNチャンネルMOSトランジスタMN が略
オフ(このトランジスタMN はデプレッションモードな
ので完全にはオフしない。)し、PチャンネルMOSト
ランジスタMP がオンする。従って、このときはPチャ
ンネルMOSトランジスタMP がこの最終段のソースフ
ォロア回路の駆動トランジスタとして機能し、このトラ
ンジスタMP を通して出力側(負荷容量)が放電され
る。このオンし、飽和状態になるトランジスタMP を通
じて放電できるので、従来の場合よりも顕著に立ち下が
り速度を高めることができる。
流手段たる負荷MOSトランジスタ(能動的動作をしな
いので実質的には受動素子でしかない。)を通じて放電
するしかなかったが、本出力回路3aによれば、能動的
動作をするPチャンネルMOSトランジスタMP を通じ
て放電させるようにし、立ち上がり動作のみならず立ち
下がり動作をも能動的動作により為すようにすることが
できるのである。従って、従来における立ち下がり速度
を電流の増大を伴うことなく高めることができなかった
という問題を解決することができる。
ログレシブスキャン化の実現が可能となり、HD−CC
D型固体撮像素子において水平転送レジスタの1本化も
可能となるし、また、通常のCCD固体撮像素子におい
ても低消費電力化に寄与する、或いは消費電力の増大を
伴うこと無く周波数特性(特に立ち下がりの高速性)の
向上を図ることができる。
MOSトランジスタMN と、PチャンネルMOSトラン
ジスタMP を共にデプレッションモードにしてどんなと
きでも最低或る値(例えば10mA)のアイドリング電
流を流れるようにしているが、そのようにする理由を次
に述べる。その理由は二つあり、第1の理由は変換効率
の低下を防ぐという理由である。図5(A)はそのプッ
シュプル回路を成すMOSトランジスタMN とMP が共
にエンファンスメントモードであった場合の問題点を示
す回路図である。ここで、その二つのMOSトランジス
タMN 及びMPが共にエンファンスメントモードであ
り、そのしきい値電圧Vthが0.5Vであったとし、
電源電圧VDDが10V、入力信号INを2VP-P の矩形
波であるとする。そして、入力信号がロウレベル(4
V)になると、NチャンネルMOSトランジスタMN が
オフし、PチャンネルMOSトランジスタMP がオン
し、出力信号はやはりロウレベルになるが、その出力レ
ベルOUTはPチャンネルMOSトランジスタMN のゲ
ートよりそのしきい値電圧(0.5V)分高い4.5V
となる。逆に、入力信号INがハイレベル(6V)にな
ると、NチャンネルMOSトランジスタMN がオンし、
PチャンネルMOSトランジスタMP がオフし、出力信
号はやはりハイレベルになりますが、その電位はトラン
ジスタMN のゲートよりも0.5V低い5.5Vにな
る。従って、入力信号の振幅は2V(6−4V)である
が、出力信号の振幅は1V(5.5−4.5V)と小さ
くなる。つまり、二つのトランジスタMN 、MP のしき
い値電圧の和の分出力信号の振幅が入力信号の振幅より
も小さくなる。これは、回路の動作中に二つのトランジ
スタMN、MP が共にオフとなる期間が存在するためで
ある。従って、必ず少なくともいずれか一方のトランジ
スタがオンするようにすると、このような変換効率の低
下はおきる。
(B)に示すようにバイアス回路を設けてゲート・ソー
ス間にトランジスタのしきい値電圧Vth以上の電圧
(例えば1V)を常に印加するようにすることが考えら
れる。しかし、このようにした場合には、このバイアス
回路にも電流が流れ、消費電流が増大する要因になり、
また、前段のソースフォロア回路の負荷が増大し、その
結果、周波数特性の低下という問題が生じるし、また、
素子数の増大にも繋がる。従って、CCD固体撮像素子
用の出力回路としては適当ではない。
デプレッションモードにしてどんなときでも或る値のア
イドリング電流(例えば10mA)以上の電流が常に流
れるようにすることが最適であると言えるのである。
にする第2の理由はソースフォロア回路の周波数特性を
高めるためである。即ち、図5(C)において模式的に
示すソースフォロア回路の周波数特性fc(遮断周波
数)は、fc=gm/2πCL(CL :負荷容量)とな
り、そして、そのgmは電流Iの平方根に比例するの
で、或る程度の電流Iを流さないと、gmを高くするこ
とができず、gmを高くすることができなければ周波数
特性を高くすることできないのである。例えば、400
MHz(遮断周波数)程度の周波数特性を得るためには
アイドリング電流として10mA程度の電流を流すこと
が必要のようである。
ば、最終段の二つのトランジスタMN、MPを共にエン
ファンスメントモードするようにしても良い。
路によれば、従来、電流供給MOSトランジスタとして
のみ機能し、定電流源としての役割しか果たさなかった
MOSトランジスタをPチャンネルMOSトランジスタ
により構成し、該PチャンネルMOSトランジスタにも
入力信号を印加するようにしたので、入力信号の立ち上
がりのときは従来から駆動トランジスタとしての役割を
果たしていたNチャンネルMOSトランジスタにソース
フォロアの駆動トランジスタの機能を果たさせ、立ち下
がり時にはそのPチャンネルMOSトランジスタにソー
スフォロアの駆動トランジスタとして機能させることが
できる。従って、立ち下がり時における高速性を、特に
消費電流を増加させなくてもPチャンネルMOSトラン
ジスタのgmを高めることにより、高めることができ
る。
によれば、最終段を成すNチャンネルMOSトランジス
タ及びPチャンネルMOSトランジスタの双方をデプレ
ッションモードにしたので、動作中はどのようなときで
も最低限アイドリング電流が流れるようにすることがで
き、延いては、変換効率の低下、周波数特性の低下が生
じない。
実施例を示す回路図である。
略構成図である。
回路図である。
めの回路図で、(A)はCCD固体撮像素子の出力回路
の最終段を示し、(B)は入力電圧が立ち上がったとき
の動作を示し、(C)は入力電圧が立ち下がったときの
動作を示す。
を説明する回路図である。
N ・・・出力回路の最終段を成すNチャンネルMOSト
ランジスタ、MP ・・・出力回路の最終段を成すPチャ
ンネルMOSトランジスタ。
Claims (2)
- 【請求項1】 ソースフォロア回路を複数個縦続接続し
てなるCCD固体撮像素子の出力回路において、 最終段のソースフォロア回路を、NチャンネルMOSト
ランジスタとPチャンネルMOSトランジスタからなる
プッシュプル回路で構成してなることを特徴とするCC
D固体撮像素子の出力回路。 - 【請求項2】 最終段を構成するNチャンネルMOSト
ランジスタとPチャンネルMOSトランジスタが共に、
デプレッションモードであることを特徴とする請求項1
記載のCCD固体撮像素子の出力回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03089598A JP3972446B2 (ja) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Ccd固体撮像素子の出力回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP03089598A JP3972446B2 (ja) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Ccd固体撮像素子の出力回路 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH11234567A true JPH11234567A (ja) | 1999-08-27 |
JP3972446B2 JP3972446B2 (ja) | 2007-09-05 |
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JP03089598A Expired - Fee Related JP3972446B2 (ja) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Ccd固体撮像素子の出力回路 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3972446B2 (ja) |
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- 1998-02-13 JP JP03089598A patent/JP3972446B2/ja not_active Expired - Fee Related
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