固体撮像装置およびその駆動方法

【課題】電源のオン／オフ時に過大な電圧が外部へ出力されることを防止することのできる固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】実施形態の固体撮像装置は、キャパシタ１が、ＣＣＤから出力された信号の交流成分を通過させて、アンプ２へ入力し、クランプパルスにより導通が制御されるクランプゲート３が、導通時に、アンプ２の動作基準点となる直流基準電圧ＶＲＥＦをアンプ２へ出力する。この固体撮像装置は、クランプゲート３へ、ＣＣＤの有効信号出力期間は、第１の直流基準電圧が入力され、電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、第２の直流基準電圧が入力される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複写機やスキャナなどの画像読み取り装置では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を搭載する固体撮像装置により光電変換が行われる。画像読み取り装置は、固体撮像装置から出力されたアナログ電気信号を、エミッタフォロワを介して、信号処理ＩＣであるＡＦＥ（Analog Front End）へ入力し、ＡＦＥにてＡ／Ｄ変換することによりデジタル信号へ変換する。
【０００３】
ＣＣＤが通常の動作を行っている場合、エミッタフォロワやＡＦＥへの入力は、ＣＣＤの出力電圧の変化に追従することができ、その入力電圧もエミッタフォロワやＡＦＥの最大定格以内である。
【０００４】
しかし、固体撮像装置の電源のオン／オフ時には、固体撮像装置に内蔵されるアンプの入力がフローティング状態で動作が不安定なため、固体撮像装置の出力電圧が過大に変化することがある。そのため、この過大な出力電圧の変化にエミッタフォロワが追従できず、ベース‐エミッタ間に逆バイアス電圧が印加されるという問題が発生する。また、ＡＦＥの入力電圧が最大定格を超えてしまうという問題も発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７０９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、電源のオン／オフ時に発生する過大な電圧が外部へ出力されることを防止することのできる固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の固体撮像装置は、キャパシタが、ＣＣＤから出力された信号の交流成分を通過させて、アンプへ入力し、クランプパルスにより導通が制御されるクランプゲートが、導通時に、前記アンプの動作基準点となる直流基準電圧を前記アンプへ出力する。この固体撮像装置は、前記クランプゲートへ、前記ＣＣＤの有効信号出力期間は、第１の直流基準電圧が入力され、電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、第２の直流基準電圧が入力される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図。
【図２】第１の直流基準電圧および第２の直流基準電圧の設定に関する説明図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作の例を示す波形図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図。
【図５】基準電圧生成部の構成の例を示す回路図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の動作の例を示す波形図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の動作の例を示す波形図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作の例を示す波形図。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の動作の例を示す波形図。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の動作の例を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図である。
【００１１】
本実施形態の固体撮像装置は、ＣＣＤから出力された信号ＶＩＮの交流成分を通過させるキャパシタ１と、キャパシタ１を通過した信号が入力されるアンプ２と、クランプパルスＶＣＰにより導通が制御され、導通時に、アンプ２の動作基準点となる直流基準電圧ＶＲＥＦをアンプ２へ出力するクランプゲート３と、を備える。
【００１２】
アンプ２の出力信号は、出力バッファＢＵＦを介して、出力信号ＶＯＵＴとして出力される。
【００１３】
本実施形態では、クランプゲート３へ入力される直流基準電圧ＶＲＥＦが、ＣＣＤの有効信号出力期間と電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間とでは、異なる電圧値とされる。
【００１４】
すなわち、クランプゲート３へ入力される直流基準電圧ＶＲＥＦが、ＣＣＤの有効信号出力期間は、第１の直流基準電圧ＶＲＥＦ１とされ、電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、第２の直流基準電圧ＶＲＥＦ２とされる。
【００１５】
したがって、クランプゲート３は、ＣＣＤの有効信号出力期間中に導通したときは、直流基準電圧ＶＲＥＦ１を出力し、電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間中に導通したときは、直流基準電圧ＶＲＥＦ２を出力する。
【００１６】
図２に、直流基準電圧ＶＲＥＦ１と直流基準電圧ＶＲＥＦ２の電圧値の関係を示す。図２は、アンプ２の入力電圧に対する出力電圧の変化の例を示す入出力特性図である。
【００１７】
直流基準電圧ＶＲＥＦ１は、アンプ２の線形動作領域に入るように設定される。このとき、ＶＲＥＦ１を線形動作領域の中央付近に設定すれば、キャパシタ１を通過した交流信号に対する増幅度は最大となる。
【００１８】
一方、直流基準電圧ＶＲＥＦ２は、アンプ２の出力レベルを低レベル電位に固定する電圧に設定される。
【００１９】
図３に、本実施形態の固体撮像装置の動作の様子を波形図で示す。なお、図３では、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間の両期間で、直流基準電圧ＶＲＥＦをＶＲＥＦ２とする例を示している。これに対して、固体撮像装置が使用される機器の状況によっては、立ち上り期間あるいは立ち下り期間のいずれかの期間のみ、直流基準電圧ＶＲＥＦをＶＲＥＦ２に設定すればよいこともある。
【００２０】
電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は、ＣＣＤの出力はフローティング状態であり、ＣＣＤから出力される信号ＶＩＮのレベルは不安定な状態である。
【００２１】
一方、クランプパルスＶＣＰは、電源電圧ＶＤＤが立ち上ると、それにつれてレベルが上がり、クランプゲート３の閾値以上の電圧になると、クランプゲート３が導通する。
【００２２】
このとき、クランプゲート３へは直流基準電圧ＶＲＥＦ２が入力されているため、クランプゲート３が導通すると、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２が印加される。
【００２３】
これにより、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間は、アンプ２の出力レベルは低電位に固定され、出力信号ＶＯＵＴも低電位に固定される。
【００２４】
すなわち、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間にＣＣＤから出力される信号ＶＩＮのレベルが不安定であっても、出力信号ＶＯＵＴの電圧が異常に高くなるなどの問題が発生することが防止される。
【００２５】
その後、電源電圧ＶＤＤが立ち上り、ＣＣＤの有効信号出力期間となると、クランプゲート３へは直流基準電圧ＶＲＥＦ１が入力されるようになる。これにより、クランプパルスＶＣＰの制御によりクランプゲート３が導通すると、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ１が印加され、アンプ２は増幅動作を行う。
【００２６】
また、電源電圧ＶＤＤの立ち下り期間も、立ち上り期間と同様、クランプゲート３へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２が入力されるため、出力信号ＶＯＵＴは低電位に固定される。
【００２７】
このような本実施形態によれば、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２が印加され、アンプ２の出力レベルが低電位に固定されるので、過大な電圧が外部へ出力されることを防止することができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図である。
【００２９】
本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置に、直流基準電圧ＶＲＥＦを生成する基準電圧生成部４を追加したものである。
【００３０】
基準電圧生成部４は、信号ＶＳＷによる制御により直流基準電圧ＶＲＥＦの電圧レベルの切り替えを行い、ＣＣＤの有効信号出力期間は、直流基準電圧ＶＲＥＦ１を出力し、電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、直流基準電圧ＶＲＥＦ２を出力する。
【００３１】
図５に、基準電圧生成部４の内部回路構成の例を示す。
【００３２】
この例では、基準電圧生成部４は、電源端子ＶＤＤと接地端子との間に直列に接続されたＮＭＯＳトランジスタＭ４１およびＮＭＯＳトランジスタＭ４２と、信号ＶＳＷがゲート端子へ入力されるＮＭＯＳトランジスタＭ４３と、ＮＭＯＳトランジスタＭ４３のドレイン端子にドレイン端子およびゲート端子が接続されるＮＭＯＳトランジスタＭ４４と、ＮＭＯＳトランジスタＭ４１とＭ４２の接続点とＮＭＯＳトランジスタＭ４４のドレイン端子との間に接続され、ゲート端子へ、インバータＩＶ４１で反転された信号ＶＳＷの反転信号ＶＳＷＢが入力されるＮＭＯＳトランジスタＭ４５と、を有する。
【００３３】
ＮＭＯＳトランジスタＭ４１のゲート端子は電源端子ＶＤＤへ接続され、ＮＭＯＳトランジスタＭ４２のゲート端子は、ＮＭＯＳトランジスタＭ４１とＭ４２の接続点に接続される。
【００３４】
ＮＭＯＳトランジスタＭ４１とＭ４２の接続点から、直流基準電圧ＶＲＥＦが出力される。
【００３５】
図６に、図５に示した基準電圧生成部４の動作波形を示す。
【００３６】
信号ＶＳＷは、ＣＣＤの有効信号出力期間は‘Ｈ’レベルとなり、それ以外の期間は‘Ｌ’レベルとなる信号である。
【００３７】
信号ＶＳＷＢは、信号ＶＳＷの反転信号であるが、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は、電源電圧ＶＤＤのレベルの変化に応じて、そのレベルが変化する。
【００３８】
信号ＶＳＷＢが‘Ｈ’レベルのときは信号ＶＳＷＢが‘Ｌ’レベルであるので、ＮＭＯＳトランジスタＭ４５がオフする。したがって、直流基準電圧ＶＲＥＦの値は、ＮＭＯＳトランジスタＭ４１とＮＭＯＳトランジスタＭ４２のオン抵抗の比（分圧比）によって決定される。このときの分圧電圧が直流基準電圧ＶＲＥＦ１となる。
【００３９】
一方、信号ＶＳＷＢが‘Ｌ’レベルのときは、信号ＶＳＷＢがＮＭＯＳトランジスタＭ４５Ｌの閾値以上のときにＮＭＯＳトランジスタＭ４５Ｌがオンし、ＮＭＯＳトランジスタＭ４２に並列にＮＭＯＳトランジスタＭ４４が接続されるようになる。これにより、ＮＭＯＳトランジスタＭ４１との間の分圧比が変化し、直流基準電圧ＶＲＥＦの値は、ＶＲＥＦ１よりも低い値となる。このときの値が、直流基準電圧ＶＲＥＦ２となる。
【００４０】
このような本実施形態によれば、直流基準電圧ＶＲＥＦ１およびＶＲＥＦ２を固体撮像装置内部で生成することができる。
【００４１】
（第３の実施形態）
近年、画像読み取り装置の読み取り速度の高速化に対応するため、固体撮像装置にサンプルホールド回路を設け、ＣＣＤの出力をサンプルホールドすることにより、出力信号のレベルの安定化を図ることが行われている。そこで、本実施形態では、そのようなサンプルホールド回路を備える固体撮像装置の例を示す。
【００４２】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図である。
【００４３】
本実施形態の固体撮像装置は、アンプ２と出力バッファＢＵＦの間に、サンプルホールド回路ＳＨＣが挿入されている。
【００４４】
サンプルホールド回路ＳＨＣは、サンプリングゲート５と、キャパシタＣ５１と、を有する。
【００４５】
サンプリングゲート５は、ＮＭＯＳトランジスタＭ５１とＰＭＯＳトランジスタＭ５２とが並列に接続された構成を有する。ＮＭＯＳトランジスタＭ５１のゲート端子へはサンプリング信号ＶＳＰが入力され、ＰＭＯＳトランジスタＭ５２のゲート端子へは、サンプリング信号ＶＳＰを反転させた反転サンプリング信号ＶＳＰＢが入力される。
【００４６】
図８に、本実施形態の固体撮像装置の動作の例を波形図で示す。
【００４７】
本実施形態では、サンプリング信号ＶＳＰは、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は、‘Ｌ’レベルとされる。したがって、この期間、サンプリングゲート５のＮＭＯＳトランジスタＭ５１はオフする。
【００４８】
一方、反転サンプリング信号ＶＳＰＢは、サンプリング信号ＶＳＰの反転動作のため、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間では、電源電圧ＶＤＤの変化に応じてその信号レベルが変化する。そのため、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間中のある期間は、反転サンプリング信号ＶＳＰＢが‘Ｌ’レベルであり、サンプリングゲート５のＰＭＯＳトランジスタＭ５２がオンした状態となる。
【００４９】
したがって、もしも、この期間にアンプ２から異常な高電圧が出力されるようなことがあると、この異常な高電圧がＰＭＯＳトランジスタＭ５２を通過し、出力信号ＶＯＵＴが異常な高電圧にとなってしまう。
【００５０】
しかし、本実施形態では、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２が入力され、アンプ２の出力が低電位に固定されるため、この期間にサンプリングゲート５のＰＭＯＳトランジスタＭ５２がオンしても、出力信号ＶＯＵＴに異常は生じない。
【００５１】
このような本実施形態によれば、ＰＭＯＳトランジスタＭ５２を有するサンプリングゲート５を備えていても、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間に過大な電圧が外部へ出力されることを防止することができる。
【００５２】
（第４の実施形態）
上述の各実施形態では、クランプパルスＶＣＰが、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間に‘Ｈ’レベルとなる例を示した。しかし、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間の信号レベルが‘Ｌ’であるクランプパルスＶＣＰが入力される場合もある。そこで、本実施形態では、そのようなクランプパルスＶＣＰが入力される固体撮像装置の例を示す。
【００５３】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図である。
【００５４】
本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置に、第２のクランプゲートであるクランプゲート３Ａを追加したものである。
【００５５】
クランプゲート３Ａは、クランプゲート３に並列に接続され、その導通が制御信号ＶＣ２により制御される。
【００５６】
図１０に、本実施形態の固体撮像装置の動作の例を波形図で示す。
【００５７】
本実施形態では、クランプパルスＶＣＰは、有効出力信号期間のみパルス信号が入力され、それ以外の期間は‘Ｌ’レベルである。
【００５８】
一方、制御信号ＶＣ２は、有効出力信号期間は‘Ｌ’レベルで、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は‘Ｈ’レベルとされる信号である。
【００５９】
したがって、本実施形態では、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は
クランプゲート３Ａが導通してアンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２を印加し、有効出力信号期間はクランプゲート３が導通してアンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ１を印加する。
【００６０】
このような本実施形態によれば、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間に、クランプパルスＶＣＰが‘Ｌ’レベルであっても、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２を印加することができ、アンプ２の出力レベルを低電位に固定することができる。
【００６１】
また、第２および第２の実施形態の固体撮像装置に対しても、本実施形態と同様、クランプゲート３Ａを追加することができる。その例を第５および第６の実施形態として、以下に示す。
【００６２】
（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図である。
【００６３】
本実施形態の固体撮像装置は、第２の実施形態の固体撮像装置のクランプゲート３に並列に、クランプゲート３Ａを接続したものである。
【００６４】
なお、本実施形態では、クランプゲート３Ａは、図５に示した基準電圧生成部４の内部で生成される信号ＶＳＷＢにより導通が制御されるものとする。
【００６５】
図１２に、本実施形態の固体撮像装置の動作の例を波形図で示す。
【００６６】
基準電圧生成部４へ入力される信号ＶＳＷは、ＣＣＤの有効信号出力期間は‘Ｈ’レベルとなり、それ以外の期間は‘Ｌ’レベルとなる信号である。
【００６７】
したがって、信号ＶＳＷの反転信号である信号ＶＳＷＢは、ＣＣＤの有効信号出力期間は‘Ｌ’レベルとなり、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間は、電源電圧ＶＤＤのレベルの変化に応じて、そのレベルが変化する。
【００６８】
そのとき、信号ＶＳＷＢがクランプゲート３Ａの閾値以上の電圧である期間はクランプゲート３Ａが導通し、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２が印加される。
【００６９】
（第６の実施形態）
図１３は、本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の構成の例を示す回路図である。
【００７０】
本実施形態の固体撮像装置は、第３の実施形態の固体撮像装置のクランプゲート３に並列に、クランプゲート３Ａを接続したものである。
【００７１】
図１４に、本実施形態の固体撮像装置の動作の例を波形図で示す。
【００７２】
上述した第５および第６の実施形態においても、第４の実施形態と同様、電源電圧ＶＤＤの立ち上り期間および立ち下り期間に、クランプパルスＶＣＰが‘Ｌ’レベルであっても、アンプ２へ直流基準電圧ＶＲＥＦ２を印加することができ、アンプ２の出力レベルを低電位に固定することができる。
【００７３】
以上説明した少なくとも１つの実施形態の固体撮像装置によれば、電源のオン／オフ時に発生する過大な電圧が外部へ出力されることを防止することができる。
【００７４】
また、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７５】
１キャパシタ
２アンプ
３、３Ａクランプゲート
４基準電圧生成部
５サンプリングゲート

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＣＤから出力された信号の交流成分を通過させるキャパシタと、
前記キャパシタを通過した信号が入力されるアンプと、
クランプパルスにより導通が制御され、導通時に、前記アンプの動作基準点となる直流基準電圧を前記アンプへ出力するクランプゲートと
を備え、
前記クランプゲートへ、
前記ＣＣＤの有効信号出力期間は、第１の直流基準電圧が入力され、
電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、第２の直流基準電圧が入力される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の直流基準電圧が、
前記アンプの線形動作領域の電圧であり、
前記第２の直流基準電圧が、
前記アンプの出力レベルを低レベル電位に固定する電圧である
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の直流基準電圧および前記第２の直流基準電圧を生成する基準電圧生成部をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記アンプの出力信号をサンプリングするサンプリングゲートをさらに備える
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記クランプゲートに並列に接続され、前記クランプパルスとは別の制御信号により導通が制御される第２のクランプゲートをさらに備え、
前記ＣＣＤの有効信号出力期間は、前記クランプゲートが導通し、
前記電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、前記第２のクランプゲートが導通する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
ＣＣＤから出力された信号の交流成分を通過させるキャパシタと、
前記キャパシタを通過した信号が入力されるアンプと、
クランプパルスにより導通が制御され、導通時に、前記アンプの動作基準点となる直流基準電圧を前記アンプへ出力するクランプゲートと
を備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記クランプゲートへ、
前記ＣＣＤの有効信号出力期間は、第１の直流基準電圧を入力し、
電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、第２の直流基準電圧を入力する
ことを特徴とする駆動方法。
【請求項７】
前記第１の直流基準電圧を、
前記アンプの線形動作領域の電圧とし、
前記第２の直流基準電圧を、
前記アンプの出力レベルを低レベル電位に固定する電圧とする
ことを特徴とする請求項６に記載の駆動方法。
【請求項８】
前記クランプゲートに並列に接続され、前記クランプパルスとは別の制御信号により導通が制御される第２のクランプゲートをさらに備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記ＣＣＤの有効信号出力期間は、前記クランプゲートを導通させ、
前記電源電圧の立ち上り期間および／または立ち下り期間は、前記第２のクランプゲートを導通させる
ことを特徴とする請求項６または７に記載の駆動方法。

【図１】