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JP2695005B2 - Charge detection circuit - Google Patents
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JP2695005B2 - Charge detection circuit - Google Patents

Charge detection circuit

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JP2695005B2
JP2695005B2 JP1143139A JP14313989A JP2695005B2 JP 2695005 B2 JP2695005 B2 JP 2695005B2 JP 1143139 A JP1143139 A JP 1143139A JP 14313989 A JP14313989 A JP 14313989A JP 2695005 B2 JP2695005 B2 JP 2695005B2
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circuit
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は特に高利得の電荷検出を行なう電荷検出回路
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Object of the Invention (Industrial field of application) The present invention relates to a charge detection circuit for performing charge detection with high gain.

(従来の技術) 従来のCCD(Charge Coupled Device)等に用いられる
電荷検出では同一基板上に浮遊拡散層を形成しリセット
パルスと所定の位相関係を保ちつつ浮遊拡散層に信号電
荷を流入させ、この浮遊拡散層における電位変化を高入
力インピーダンスのバッファ、例えばソースホロワ回路
にて検出するという方法が用いられている。
(Prior Art) In charge detection used in a conventional CCD (Charge Coupled Device) or the like, a floating diffusion layer is formed on the same substrate and signal charges are allowed to flow into the floating diffusion layer while maintaining a predetermined phase relationship with a reset pulse. A method of detecting a potential change in the floating diffusion layer with a buffer having a high input impedance, for example, a source follower circuit is used.

電荷検出回路の利得Gを、単位信号電荷に対する出力
電圧の比で定義すると、これは浮遊拡散層の容量をC、
ソースホロワ回路の電圧利得をAvとしてG=(1/C)Av
とあらわされる。利得Gを大きくするためには容量Cを
小さくするか、あるいはAvを大きくするかをしなければ
ならない。
When the gain G of the charge detection circuit is defined by the ratio of the output voltage to the unit signal charge, this is C, which is the capacitance of the floating diffusion layer.
G = (1 / C) Av where the voltage gain of the source follower circuit is Av
It is expressed. In order to increase the gain G, it is necessary to reduce the capacitance C or increase Av.

ところで容量Cはデバイスマスクあわせ等の加工精度
や浮遊拡散層の浮遊容量等の制約により限界があり、
又、電圧利得Avは一般に1を越える値とはならない。こ
のため、電荷検出の利得を大きくするために、オンチッ
プ増幅を付加する方法、すなわちソースホロワ回路の出
力端子をさらに増幅回路を設けることが考えられてい
る。
By the way, the capacitance C is limited due to processing precision such as device mask alignment and floating capacitance of the floating diffusion layer.
Also, the voltage gain Av generally does not exceed 1 in value. Therefore, in order to increase the gain of charge detection, it has been considered to add on-chip amplification, that is, to provide an output terminal of the source follower circuit with an amplification circuit.

以下、従来の電荷検出回路を第2図を用いて説明す
る。この回路は、信号電圧を検出するソースホロワ回路
(215)、このソースホロワ回路(215)の負荷MOSトラ
ンジスタ(210)に印加する電圧を発生するための電圧
発生回路(205a)、ソースホロワ回路(215)の出力を
電圧増幅するインバータ増幅回路(205b)の3つから構
成されている。各部分の構成を以下順次説明する。まず
ソースホロワ回路(215)については、浮遊拡散層(201
a)はリセットスイッチであるMOSトランジスタ(202a)
のソース側に接続されている。リセットスイッチである
MOSトランジスタ(202a)のドレインはリセットドレイ
ン電圧(203)に接続され、ゲートはリセットパルス印
加端子(204a)に接続されている。次に電圧発生回路
(205a)について説明する。浮遊拡散層(201b)は同様
にリセットスイッチであるMOSトランジスタ(202b)の
ソース側に接続されている。リセットスイッチであるMO
Sトランジスタ(202b)のドレインはリセットドレイン
電圧(203)に接続され、ゲートはリセットパルス印加
端子(204b)に接続されている。
The conventional charge detection circuit will be described below with reference to FIG. This circuit includes a source follower circuit (215) for detecting a signal voltage, a voltage generating circuit (205a) for generating a voltage applied to a load MOS transistor (210) of the source follower circuit (215), and a source follower circuit (215). It is composed of three inverter amplifier circuits (205b) that amplify the output voltage. The configuration of each part will be sequentially described below. First, regarding the source follower circuit (215), the floating diffusion layer (201
a) is a MOS transistor (202a) that is a reset switch
Connected to the source side of. It is a reset switch
The drain of the MOS transistor (202a) is connected to the reset drain voltage (203), and the gate is connected to the reset pulse applying terminal (204a). Next, the voltage generation circuit (205a) will be described. The floating diffusion layer (201b) is also connected to the source side of the MOS transistor (202b) which is a reset switch. MO which is a reset switch
The drain of the S transistor (202b) is connected to the reset drain voltage (203), and the gate is connected to the reset pulse applying terminal (204b).

この回路は負荷MOSトランジスタ(207)、及びドライ
バーMOSトランジスタ(208)から構成されている。負荷
MOSトランジスタ(207)のゲートは浮遊拡散層(210b)
に接続され、ドレインは電源電圧(206)に接続されて
いる。ドライバーMOSトランジスタ(208)のゲートはド
レインと接続され、また負荷MOSトランジスタ(207)の
ソースにも接続されている。インバータ回路(205a)の
入力はドライバーMOSトランジスタ(208)のゲートに入
力され、出力はドライバーMOSトランジスタ(208)のド
レインから出力される。
This circuit is composed of a load MOS transistor (207) and a driver MOS transistor (208). load
The gate of the MOS transistor (207) is a floating diffusion layer (210b)
And the drain is connected to the power supply voltage (206). The gate of the driver MOS transistor (208) is connected to the drain and also to the source of the load MOS transistor (207). The input of the inverter circuit (205a) is input to the gate of the driver MOS transistor (208), and the output is output from the drain of the driver MOS transistor (208).

ソースホロワ回路(215)はドライバーMOSトランジス
タ(209)、及び負荷MOSトランジスタ(210)から構成
されている。ソースホロワ(215)の入力はドライバーM
OSトランジスタ(209)のゲートから入力され、出力は
ドライバーMOSトランジスタ(209)のソースから出力さ
れる。ドライバーMOSトランジスタ(209)のゲートは浮
遊拡散層(201a)に接続され、ドレインは電源電圧(20
6)に接続されている。負荷MOSトランジスタ(210)の
ゲートはインバータ回路(205a)の出力が接続され、ド
レインはドライバーMOSトランジスタ(209)のソースに
接続されている。
The source follower circuit (215) is composed of a driver MOS transistor (209) and a load MOS transistor (210). Source follower (215) input is driver M
It is input from the gate of the OS transistor (209), and the output is output from the source of the driver MOS transistor (209). The gate of the driver MOS transistor (209) is connected to the floating diffusion layer (201a), and the drain is the power supply voltage (20
6) Connected to. The output of the inverter circuit (205a) is connected to the gate of the load MOS transistor (210), and the drain is connected to the source of the driver MOS transistor (209).

インバータ回路(205b)は負荷MOSトランジスタ(21
1)、及びドライバーMOSトランジスタ(212)から構成
されている。インバータ回路(205b)の入力はドライバ
ーMOSトランジスタ(112)のドレインから入力され、出
力は負荷MOSトランジスタ(211)のソースから出力され
出力端子(216)に接続されている。負荷MOSトランジス
タ(211)のゲートはドレインと接続されており、ドレ
インは電源電圧(206)に接続されている。ドライバーM
OSトランジスタ(212)のゲートはソースホロワ回路(2
15)のドライバーMOSトランジスタ(209)のソースに接
続されており、ドレインは負荷MOSトランジスタ(211)
のソースに接続されている。
The inverter circuit (205b) is a load MOS transistor (21
1) and a driver MOS transistor (212). The input of the inverter circuit (205b) is input from the drain of the driver MOS transistor (112), the output is output from the source of the load MOS transistor (211), and is connected to the output terminal (216). The gate of the load MOS transistor (211) is connected to the drain, and the drain is connected to the power supply voltage (206). Driver M
The gate of the OS transistor (212) is the source follower circuit (2
15) is connected to the source of the driver MOS transistor (209) and the drain is the load MOS transistor (211)
Connected to the source.

いま、それぞれ回路のVB,VC,VDにおける電位を等しく
するためにMOSトランジスタの条件を以下のように設定
する。MOSトランジスタのゲート長さをL,ゲート幅をW
としてMOSトランジスタのW/Lを求める。例えばインバー
タ回路(205a)のMOSトランジスタ(207)の比をW1/L1,
MOSトランジスタ(208)の比をW2/L2としてその比(W1/
L1)/(W2/L2)(形成比)を求める。同様にソースホ
ロワ回路(215)、及びインバータ回路(205b)の比を
求める。いまこの値をすべて等しくしてVB,VC,VDにおけ
る電位を等しくする。
Now, in order to equalize the potentials at V B , V C , and V D of the circuit, the conditions of the MOS transistor are set as follows. MOS transistor gate length is L, gate width is W
As W / L of the MOS transistor. For example, if the ratio of the MOS transistor (207) of the inverter circuit (205a) is W 1 / L 1 ,
If the ratio of the MOS transistor (208) is W 2 / L 2 , then that ratio (W 1 /
Calculate L 1 ) / (W 2 / L 2 ) (formation ratio). Similarly, the ratio of the source follower circuit (215) and the inverter circuit (205b) is obtained. Now all of these values are made equal and the potentials at V B , V C and V D are made equal.

次に動作を説明する。まず、電源電圧(206)とリセ
ットドレイン電圧(203)は同一電圧に設定する。電荷
転送装置(図示せず)から得られた信号電荷はリセット
パルスと所定の位相関係を保ちつつ浮遊拡散層(201a)
に流入し、この浮遊拡散層(201a)における電位変化が
ソースホロワ回路(215)のドライバーMOSトランジスタ
(209)に流れる電流を変化させて電圧の信号として検
出される。もう一方の浮遊拡散層(201b)はリセットパ
ルス印加端子(204a)、(204b)に発生するリセットノ
イズを軽減するために設けられており電荷は流入され
ず、ほとんど変動せずにリセットドレイン電圧(203)
の値をとっている。
Next, the operation will be described. First, the power supply voltage (206) and the reset drain voltage (203) are set to the same voltage. The signal charges obtained from the charge transfer device (not shown) maintain the predetermined phase relationship with the reset pulse and are in the floating diffusion layer (201a).
The potential change in the floating diffusion layer (201a) changes the current flowing in the driver MOS transistor (209) of the source follower circuit (215) and is detected as a voltage signal. The other floating diffusion layer (201b) is provided to reduce the reset noise generated at the reset pulse application terminals (204a) and (204b), and the charge does not flow in, and the reset drain voltage ( 203)
Has taken the value of.

いま、リセットパルス印加端子(204a)にリセットパ
ルスを印加(このとき、リセットパルス印加端子(204
b)も同時にリセットパルスが印加される)してリセッ
トスイッチであるMOSトランジスタ(202a)、(202b)
をオン(ON)状態にすると浮遊拡散層(201a)、(201
b)の電位は電源電圧(206)と等しくなる。オン状態で
あるとドライバーMOSトランジスタ(209)のゲートに電
源電圧(206)、及び負荷MOSトランジスタ(210)のゲ
ートに電位VBがかかるためソースホロワ回路(215)の
出力における電位VCとインバータ回路(205a)の出力に
おける電位VBとが等しくなる。そしてインバータ回路
(205b)の出力における電位VDも負荷MOSトランジスタ
(211)のゲートに電源電圧,ドイバーMOSトランジスタ
(212)のゲートにVBの電位がかかるため電位VCと等し
くなる。このとき、インバータ回路(205a)、(205
b)、及びソースホロワ回路(215)の形状比をすべて等
しくしているためVB,VC及びVDの電位が等しくなりソー
スホロワ回路(215)の出力をインバータ回路(205b)
の入力ダイナミックレンジ内に入れることができる。こ
のため、インバータ回路(205b)の入出力特性を第3図
に示した特性とすれば入出力が等しいため入力と出力と
が比例して増加を示している直線領域におけるある値を
とる。
Now, apply the reset pulse to the reset pulse applying terminal (204a) (at this time, the reset pulse applying terminal (204a)
The reset pulse is also applied to b) at the same time), and MOS transistors (202a) and (202b) that are reset switches.
When turned on, the floating diffusion layers (201a), (201a)
The potential of b) becomes equal to the power supply voltage (206). In the ON state, the power supply voltage (206) is applied to the gate of the driver MOS transistor (209) and the potential V B is applied to the gate of the load MOS transistor (210), so the potential V C at the output of the source follower circuit (215) and the inverter circuit The potential V B at the output of (205a) becomes equal. The potential V D at the output of the inverter circuit (205b) is also equal to the potential V C because the power supply voltage is applied to the gate of the load MOS transistor (211) and V B is applied to the gate of the driver MOS transistor (212). At this time, the inverter circuit (205a), (205
b) and the source follower circuit (215) have the same shape ratio, the potentials of V B , V C, and V D become equal, and the output of the source follower circuit (215) becomes an inverter circuit (205b).
Can be within the input dynamic range of. Therefore, if the input / output characteristics of the inverter circuit (205b) are the characteristics shown in FIG. 3, since the input and output are equal, the input and output take a certain value in a linear region in which the input and the output increase in proportion.

次にリセットスイッチであるMOSトランジスタ(202
a)、(202b)をオフ(OFF)状態にする。このとき電位
VB,VCはリセットノイズ分だけ変動するがこの電位変動
は小さいとすればインバータ回路(205b)の動作点を設
定することができる。
Next, the MOS transistor (202
Turn off (a) and (202b). At this time the potential
V B and V C fluctuate by the amount of reset noise, but if this potential fluctuation is small, the operating point of the inverter circuit (205b) can be set.

オフ状態であると、信号電荷が流入した浮遊拡散層
(201a)における電位は電荷量の増加に対して低下しソ
ースホロワ回路(215)のドライバーMOSトランジスタ
(209)のゲートにかかる。このドライバーMOSトランジ
スタ(209)のゲート電圧が変化することによりソース
ホロワ回路(215)に流れる電流が変化しVCの電位が変
化する。VCの電位はインバータ回路(205b)のドライバ
ーMOSトランジスタ(212)のゲートにかかり、インバー
タ回路(205b)に流れる電流を変化させ、VDの電位が変
化して出力端子(216)に出力される。
In the off-state, the potential in the floating diffusion layer (201a) into which the signal charge has flown decreases with an increase in the amount of charge and is applied to the gate of the driver MOS transistor (209) of the source follower circuit (215). When the gate voltage of the driver MOS transistor (209) changes, the current flowing through the source follower circuit (215) changes and the potential of V C changes. The potential of V C is applied to the gate of the driver MOS transistor (212) of the inverter circuit (205b), changes the current flowing in the inverter circuit (205b), and the potential of V D changes and is output to the output terminal (216). It

上記の構成によれば、増幅段としてインバータ回路
(205b)を設けて高利得の電荷検出を行なうことができ
るが、インバータ回路(205b)の負荷MOSトランジスタ
(211)のゲートに電源電圧(206)を印加しているた
め、電源電圧(206)が変動を起こすと、VDの電位が変
動してしまう。電源電位(206)はノイズ等が混入され
る場合がありこれにより電源変動が起こる。このため、
浮遊拡散層(201a)に流入した信号電荷による電位変化
に、この電源電圧(206)の変動が加わる場合があり安
定した電位を得ることができなくなるという問題が起こ
る。
According to the above configuration, the inverter circuit (205b) can be provided as an amplification stage to perform high-gain charge detection. However, the power supply voltage (206) is applied to the gate of the load MOS transistor (211) of the inverter circuit (205b). Therefore, when the power supply voltage (206) fluctuates, the potential of V D fluctuates. Noise or the like may be mixed in the power supply potential (206), which causes power supply fluctuation. For this reason,
This fluctuation of the power supply voltage (206) may be added to the potential change due to the signal charges flowing into the floating diffusion layer (201a), which causes a problem that a stable potential cannot be obtained.

また、この問題を解決するためにインバータ回路(20
5b)の負荷MOSトランジスタ(211)のゲートに接続され
る電源と、ドレインに接続される電源とを別にする方法
が考えられるが、電源をさらに別に設けなければならな
いということや、またそれの製造コストがかかってしま
う。尚、MOSトランジスタ(207),(209),(211)の
しきい値VTHは各々同一とし、VTHの極めて小さいEトラ
ンジスタとする。MOSトランジスタ(208),(210),
(212)のしきい値VTHは各々同一としVTHが中程度(2
〜3V)のEトランジスタとする。MOSトランジスタ(201
a)、(201b)はDトランジスタとする。
In addition, in order to solve this problem, an inverter circuit (20
Although it is possible to separate the power supply connected to the gate of the load MOS transistor (211) and the power supply connected to the drain of 5b), it is necessary to provide a separate power supply, and the manufacture thereof. It costs money. The threshold values V TH of the MOS transistors (207), (209), (211) are the same, and E transistors having an extremely small V TH are used. MOS transistors (208), (210),
The threshold values V TH of (212) are the same, and V TH is medium (2
~ 3V) E-transistor. MOS transistor (201
a) and (201b) are D transistors.

(発明が解決しようとする課題) 従来の電荷検出回路においては、増幅段の動作点設定
が自動的に行なわれるが、増幅段として設けた第1の反
転型増幅器の負荷MOSトランジスタのゲートに電源電圧
を印加しているため、この電源電圧に変動がある場合、
出力にこの変動が現われ、安定した電荷検出ができくな
るという問題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional charge detection circuit, although the operating point of the amplification stage is automatically set, the power source is supplied to the gate of the load MOS transistor of the first inverting amplifier provided as the amplification stage. Since the voltage is applied, if there is a fluctuation in this power supply voltage,
This fluctuation appears in the output, and there is a problem that stable charge detection cannot be performed.

本発明においては、第1の反転型増幅器の後段に第2
の反転型増幅器を付加することにより、増幅段の動作点
設定を自動的に行ない、さらに電源電圧による出力の変
動を軽減させ、安定した電荷検出を行なうことを目的と
する。
In the present invention, the second stage is provided after the first inverting amplifier.
The purpose of this invention is to automatically set the operating point of the amplifying stage by adding the inverting amplifier, and to reduce the fluctuation of the output due to the power supply voltage to perform stable charge detection.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明においては半導体基板上に形成された浮遊拡散
層と、 前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットスイッ
チと、 前記浮遊拡散層の電位を第1のドライバーMOSトラン
ジスタのゲート側から入力とするソースホロワ回路と、 このソースホロワ回路の出力を第2のドライバーMOS
トランジスタのゲート側から入力とする第1の反転型増
幅器と、 前記第1の反転型増幅器の出力を第3のドライバーMO
Sトランジスタのゲート側から入力とする第2の反転型
増幅器と、 前記ソースホロワ回路の負荷MOSトランジスタのゲー
トに出力を接続する第3の反転型増幅器とを具備し、 前記第3の反転型増幅器の出力に前記第3の反転型増
幅器の第4のドライバーMOSトランジスタのゲートが接
続されることを特徴とする電荷検出回路を提供する。
[Configuration of the Invention] (Means for Solving the Problems) In the present invention, a floating diffusion layer formed on a semiconductor substrate, a reset switch for resetting the potential of the floating diffusion layer, and a potential of the floating diffusion layer are set. A source follower circuit that receives input from the gate side of the first driver MOS transistor, and an output of this source follower circuit is used as a second driver MOS transistor.
A first inverting amplifier that receives an input from the gate side of the transistor, and an output of the first inverting amplifier that is a third driver MO.
A second inverting amplifier that receives an input from the gate side of the S-transistor; and a third inverting amplifier that connects an output to the gate of the load MOS transistor of the source follower circuit. There is provided a charge detection circuit characterized in that the output is connected to the gate of the fourth driver MOS transistor of the third inverting amplifier.

(作 用) 本発明の電荷検出回路においては増幅段の動作点設定
を自動的に行ない、さらに第1の反転型増幅器の後段に
第2の反転型増幅器を設けたことにより、第1の反転型
増幅器の負荷MOSトランジスタのゲートに電荷電圧を印
加しているために起こる第1の反転型増幅器の出力の変
動を反転させて電源電圧の変動に対して安定した出力を
得られるようにする。
(Operation) In the charge detection circuit of the present invention, the operating point of the amplification stage is automatically set, and the second inverting amplifier is provided after the first inverting amplifier, whereby the first inverting amplifier is provided. The fluctuation of the output of the first inverting amplifier that occurs due to the application of the charge voltage to the gate of the load MOS transistor of the type amplifier is inverted so that a stable output can be obtained with respect to the fluctuation of the power supply voltage.

(実施例) 以下、本発明の実施例を第1図を用いて説明する。浮
遊拡散層(101a)はリセットスイッチであるMOSトラン
ジスタ(102a)のソース側に接続されている。リセット
スイッチであるMOSトランジスタ(102a)のドレインは
リセットドレイン電圧(103)に接続され、ゲートはリ
セットパルス印加端子(104a)に接続されている。又、
一方の浮遊拡散層(101b)は同様にリセットスイッチで
あるMOSトランジスタ(102b)のソース側に接続されて
いる。リセットスイッチであるMOSトランジスタ(102
b)のドレインはリセットドレイン電圧(103)に接続さ
れ、ゲートはリセットパルス印加端子(104b)に接続さ
れている。
(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to FIG. The floating diffusion layer (101a) is connected to the source side of a MOS transistor (102a) which is a reset switch. The drain of the MOS transistor (102a) which is the reset switch is connected to the reset drain voltage (103), and the gate is connected to the reset pulse applying terminal (104a). or,
One floating diffusion layer (101b) is similarly connected to the source side of a MOS transistor (102b) which is a reset switch. MOS transistor (102
The drain of b) is connected to the reset drain voltage (103), and the gate is connected to the reset pulse applying terminal (104b).

インバータ回路(105a)は負荷MOSトランジスタ(10
7)、及びドライバーMOSトランジスタ(108)から構成
されている。負荷MOSトランジスタ(107)のゲートは浮
遊拡散層(101b)に接続され、ドレインは電源電圧(10
6)に接続されている。ドライバーMOSトランジスタ(10
8)のゲートはドレインと接続され、また、負荷MOSトラ
ンジスタ(107)のソースにも接続されている。インバ
ータ回路(105a)の入力はドライバーMOSトランジスタ
(108)のゲートから入力され、出力はドライバーMOSト
ランジスタ(108)のドレインから出力される。
The inverter circuit (105a) is a load MOS transistor (10
7) and a driver MOS transistor (108). The gate of the load MOS transistor (107) is connected to the floating diffusion layer (101b) and the drain is connected to the power supply voltage (10
6) Connected to. Driver MOS transistor (10
The gate of 8) is connected to the drain and also to the source of the load MOS transistor (107). The input of the inverter circuit (105a) is input from the gate of the driver MOS transistor (108), and the output is output from the drain of the driver MOS transistor (108).

ソースホロワ回路(115)はドライバーMOSトランジス
タ(109)、及び負荷MOSトランジスタ(110)から構成
されている。ソースホロワ回路(115)の入力はドライ
バーMOSトランジスタ(109)のゲートから入力され、出
力はドライバーMOSトランジスタ(109)のソースから出
力される。ドライバーMOSトランジスタ(109)のゲート
は浮遊拡散層(101a)に接続され、ドレインは電源電圧
(106)に接続されている。負荷MOSトランジスタ(11
0)のゲートはインバータ回路(105a)の出力に接続さ
れ、ドレインはドライバーMOSトランジスタ(109)のソ
ースに接続されている。
The source follower circuit (115) is composed of a driver MOS transistor (109) and a load MOS transistor (110). The input of the source follower circuit (115) is input from the gate of the driver MOS transistor (109), and the output is output from the source of the driver MOS transistor (109). The gate of the driver MOS transistor (109) is connected to the floating diffusion layer (101a), and the drain is connected to the power supply voltage (106). Load MOS transistor (11
The gate of (0) is connected to the output of the inverter circuit (105a), and the drain is connected to the source of the driver MOS transistor (109).

インバータ回路(105b)は負荷MOSトランジスタ(11
1)、及びドライバーMOSトランジスタ(112)から構成
されている。インバータ回路(105b)の入力はドライバ
ーMOSトランジスタ(112)のドレインから入力され、出
力は負荷MOSトランジスタ(111)のソースから出力され
ている。負荷MOSトランジスタ(111)のゲートはドレイ
ンと接続されており、ドレインは電源電圧(106)に接
続されている、ドライバーMOSトランジスタ(112)のゲ
ートはソースホロワ回路(115)のドライバーMOSトラン
ジスタ(109)のソースに接続されており、ドレインは
負荷MOSトランジスタ(111)のソースに接続されてい
る。
The inverter circuit (105b) is a load MOS transistor (11
1) and a driver MOS transistor (112). The input of the inverter circuit (105b) is input from the drain of the driver MOS transistor (112), and the output is output from the source of the load MOS transistor (111). The gate of the load MOS transistor (111) is connected to the drain, and the drain is connected to the power supply voltage (106). The gate of the driver MOS transistor (112) is the driver MOS transistor (109) of the source follower circuit (115). Of the load MOS transistor (111) and its drain is connected to the source of the load MOS transistor (111).

付加インバータ回路(105c)は付加MOSトランジスタ
(113)、及びドライバーMOSトランジスタ(114)から
構成されている。付加インバータ回路(105c)の入力は
ドライバーMOSトランジスタ(114)のゲートから入力さ
れ、出力は負荷MOSトランジスタ(113)のソースから出
力され、出力端子(116)に接続されている。負荷MOSト
ランジスタ(113)のゲートは電源電圧(106)に接続さ
れ、またドレインも同様に電源電圧(106)に接続され
ている。ドライバーMOSトランジスタ(114)のゲートは
インバータ回路(105b)の負荷MOSトランジスタ(111)
のソースに接続されドレインは負荷MOSトランジスタ(1
13)のソースに接続されている。
The additional inverter circuit (105c) is composed of an additional MOS transistor (113) and a driver MOS transistor (114). The input of the additional inverter circuit (105c) is input from the gate of the driver MOS transistor (114), the output is output from the source of the load MOS transistor (113), and is connected to the output terminal (116). The gate of the load MOS transistor (113) is connected to the power supply voltage (106), and the drain is similarly connected to the power supply voltage (106). The gate of the driver MOS transistor (114) is the load MOS transistor (111) of the inverter circuit (105b).
Of the load MOS transistor (1
13) connected to the source.

いま、それぞれの回路のVB,VC,VDにおける電位を等し
くするためにMOSトランジスタの条件を以下のように設
定する。MOSトランジスタのゲート長さをL,ゲート幅を
WとしてMOSトランジスタのW/Lを求める。例えばインバ
ータ回路(105a)のMOSトランジスタ(107)の比をW3/L
3、MOSトランジスタ(108)の比をW4/L4としてその比
(W3/L3)/(W4/L4)を求める。同様にソースホロワ回
路(115)、及びインバータ回路(105b)の比を求め
る。いま、この値をすべて等しくしてVB,VC,VDにおける
電位を等しくする 次に動作を説明する。まず電源電圧(106)とリセッ
トドレイン電圧(103)は同一電圧に設定する。電荷転
送装置(図示せず)から得られた信号電荷はリセットパ
ルスと所定の位相関係を保ちつつ浮遊拡散層(101a)に
流入し、この浮遊拡散層(101a)における電位変化がソ
ースホロワ回路(115)のドライバーMOSトランジスタ
(109)に流れる電流を変化させて電圧の信号として検
出される。もう一方の浮遊拡散層(101b)はリセットパ
ルス印加端子(104a)、(104b)に発生するリセットノ
イズを軽減するために設けられており電荷は流入され
ず、ほとんど変動せずにリセットドレイン電圧(103)
の値をとっている。
Now, the conditions of the MOS transistor are set as follows in order to equalize the potentials at V B , V C , and V D of the respective circuits. The gate length of the MOS transistor is L and the gate width is W, and W / L of the MOS transistor is obtained. For example, set the ratio of the MOS transistor (107) of the inverter circuit (105a) to W 3 / L
3. Assuming that the ratio of the MOS transistor (108) is W 4 / L 4 , the ratio (W 3 / L 3 ) / (W 4 / L 4 ) is obtained. Similarly, the ratio of the source follower circuit (115) and the inverter circuit (105b) is obtained. Now, all of these values are made equal and the potentials at V B , V C , and V D are made equal. Next, the operation will be described. First, the power supply voltage (106) and the reset drain voltage (103) are set to the same voltage. A signal charge obtained from a charge transfer device (not shown) flows into the floating diffusion layer (101a) while maintaining a predetermined phase relationship with the reset pulse, and a potential change in the floating diffusion layer (101a) causes a source follower circuit (115). The current flowing through the driver MOS transistor (109) is changed and detected as a voltage signal. The other floating diffusion layer (101b) is provided in order to reduce the reset noise generated at the reset pulse application terminals (104a) and (104b). 103)
Has taken the value of.

いま、リセットパルス印加端子(104a)にリセットパ
ルスを印加(このとき、リセットパルス印加端子(104
b)も同時にリセットパルスが印加される)してリセッ
トスイッチであるMOSトランジスタ(102a)、(102a)
をオン(ON)状態にすると浮遊拡散層(101a)、(101
b)の電位は電源電圧(106)と等しくなる。オン(ON)
状態であるとドライバーMOSトランジスタ(109)のゲー
トに電源電圧(106)、及び負荷MOSトランジスタ(11
0)のゲートに電位VBがかかるためソースホロワ回路(1
15)の出力における電位VCとインバータ回路(105a)の
出力における電位VBとが等しくなる。このとき、インバ
ータ回路(105a)、(105b)、及びソースホロワ回路
(115)の形状比をすべて等しくしているためVB,VC及び
VDの電位が等しくなりソースホロワ回路(115)の出力
をインバータ回路(105b)の入力ダイナミックレンジ内
に入れることができる。このため、インバータ回路(10
5b)の入出力特性を第3図に示した特性とすれば入出力
が等しいため入力と出力とが比例して増加を示している
直線領域におけるある値をとる。
Now, apply the reset pulse to the reset pulse applying terminal (104a) (at this time, the reset pulse applying terminal (104a)
The reset pulse is also applied to b) at the same time), and the MOS transistors (102a) and (102a) are the reset switches.
Is turned on, the floating diffusion layers (101a), (101a)
The potential of b) becomes equal to the power supply voltage (106). ON
In this state, the gate of the driver MOS transistor (109) is connected to the power supply voltage (106) and the load MOS transistor (11).
Since the potential V B is applied to the gate of (0), the source follower circuit (1
The potential V C at the output of 15) and the potential V B at the output of the inverter circuit (105a) become equal. At this time, since the inverter circuits (105a), (105b) and the source follower circuit (115) have the same shape ratio, V B , V C and
The potential of V D becomes equal and the output of the source follower circuit (115) can be put within the input dynamic range of the inverter circuit (105b). Therefore, the inverter circuit (10
If the input / output characteristic of 5b) is the characteristic shown in FIG. 3, since the input and output are the same, it takes a certain value in the linear region where the input and the output increase in proportion.

次にリセットスイッチであるMOSトランジスタ(102
a)、(102b)をオフ(OFF)状態にする。このとき電位
VB,VCはリセットノイズ分だけ変動するがこの電位変動
は小さいとすればインバータ回路(105b)、(105c)の
動作点を設定することができる。
Next, the MOS transistor (102
Turn off a) and (102b). At this time the potential
V B and V C fluctuate by the amount of reset noise, but if this potential fluctuation is small, the operating points of the inverter circuits (105b) and (105c) can be set.

オフ状態であると、信号電荷が流入した浮遊拡散層
(101a)における電位は電荷量の増加に対して低下しソ
ースホロワ回路(115)のドライバーMOSトランジスタ
(109)のゲートにかかる。このドライバーMOSトランジ
スタ(109)のゲート電圧が変化することによりソース
ホロワ回路(115)に流れる電流が変化しVCの電位が変
化する。VCの電位はインバータ回路(105b)のドライバ
ーMOSトランジスタ(112)のゲートにかかり、インバー
タ回路(105b)に流れる電流を変化させ、VDの電位を変
化させる。VEの電位はインバータ回路(105c)によりVD
の電位が反転された電位となり、これが出力端子(11
6)に出力される。
In the off state, the potential in the floating diffusion layer (101a) into which the signal charge has flown decreases with an increase in the amount of charge and is applied to the gate of the driver MOS transistor (109) of the source follower circuit (115). When the gate voltage of the driver MOS transistor (109) changes, the current flowing through the source follower circuit (115) changes and the potential of V C changes. The potential of V C is applied to the gate of the driver MOS transistor (112) of the inverter circuit (105b), changes the current flowing in the inverter circuit (105b), and changes the potential of V D. The potential of V E is V D by the inverter circuit (105c).
Becomes the inverted potential, which is the output terminal (11
It is output to 6).

上記の構成によれば、増幅段としてインバータ回路
(105b)を設けて高利得の電荷検出を行なうこができる
が、インバータ回路(105b)の出力であるVDの電位は負
荷MOSトランジスタ(111)のゲートに電源電圧(106)
を印加しているため、電源電圧(106)が変動を起こす
と、VDの電位が変動してしまう。しかしながら、インバ
ータ回路(105b)の後段に付加インバータ回路(105c)
を設けたことによりVDの電位の変動が反転される。そし
て、付加インバータ回路(105c)の負荷MOSトランジス
タ(113)のゲート及びドレインにかかる電圧にインバ
ータ回路(105b)と同じ電極を用いているため、VEの電
位も同様に変動する。
According to the above configuration, the inverter circuit (105b) can be provided as an amplification stage to perform high-gain charge detection. However, the potential of V D , which is the output of the inverter circuit (105b), is the load MOS transistor (111). Supply voltage to the gate of (106)
, The potential of V D fluctuates when the power supply voltage (106) fluctuates. However, an additional inverter circuit (105c) is added after the inverter circuit (105b).
By providing, the fluctuation of the potential of V D is reversed. Since the same electrode as that of the inverter circuit (105b) is used for the voltage applied to the gate and drain of the load MOS transistor (113) of the additional inverter circuit (105c), the potential of V E also changes.

いま、インバータ回路(105b)の電圧利得をG1、付加
インバータ回路(105c)電圧利得をG2、MOSトランジス
タのゲート下のポテンシャル井戸の印加電圧に対する比
(変調度)をm、電源電圧をVOD、E−型MOSトランジス
タのしきい値をVTH、S−型MOSトランジスタのしきい値
を0とすると、第3図に示すようなVC,VD,VEの特性にお
ける関係は線型動作範囲内で、 VD=mVOD−G1(VC−VTH) ……(1) VE=mVOD−G2(VD−VTH) ……(2) と表わすこことができる。(1)式、(2)式からVD
消去すると VE=m(1−G2)VOD+G1G2(VC−VTH)+G2VTH ……
(3) となる。このため、電源電圧変動がΔVあるとすると、
その変動はm(1−G2)ΔVとなるが付加インバータ回
路(105c)の電圧利得G2を1に近い値と設定することに
より変動を十分小さくすることができる。
Now, the voltage gain of the inverter circuit (105b) is G 1 , the voltage gain of the additional inverter circuit (105c) is G 2 , the ratio (modulation degree) to the applied voltage of the potential well under the gate of the MOS transistor is m, and the power supply voltage is V Assuming that the thresholds of OD and E-type MOS transistors are V TH and the threshold of S-type MOS transistors is 0, the relationship in the characteristics of V C , V D and V E as shown in FIG. 3 is linear. Within the operating range, it can be expressed as V D = mV OD −G 1 (V C −V TH ) …… (1) V E = mV OD −G 2 (V D −V TH ) …… (2) it can. Eliminating V D from Eqs. (1) and (2), V E = m (1-G 2 ) V OD + G 1 G 2 (V C −V TH ) + G 2 V TH ……
(3) Therefore, if the power supply voltage fluctuation is ΔV,
The variation is m (1-G 2 ) ΔV, but the variation can be sufficiently reduced by setting the voltage gain G 2 of the additional inverter circuit (105c) to a value close to 1.

従って、電源電圧の変動による出力の変動を軽減する
ことができ安定して高利得の電荷検出を行なうことがで
きる。また、電源を別に設ける必要がなくなる。尚、MO
Sトランジスタ(107),(109),(111),(113)の
しきい値VTHは各々同一とし、VTHの極めて小さいEトラ
ンジスタとする。MOSトランジスタ(108),(110),
(112),(114)のしきい値VTHは各々同一としVTHが中
程度(2〜3V)のEトランジスタとする。MOSトランジ
スタ(102a)、(102b)はDトランジスタとする。
Therefore, the fluctuation of the output due to the fluctuation of the power supply voltage can be reduced, and the high-gain charge detection can be stably performed. Moreover, it is not necessary to provide a separate power supply. MO
The threshold values V TH of the S transistors (107), (109), (111), and (113) are the same, and the E transistors having an extremely small V TH . MOS transistors (108), (110),
The thresholds V TH of (112) and (114) are the same, and the E-transistor has an intermediate V TH (2 to 3 V). The MOS transistors (102a) and (102b) are D transistors.

[発明の効果] 本発明によれば増幅段の動作点設定を自動的に行なう
ことができ、さらに増幅段の後段に反転型増幅器を設け
ることにより、電源電圧の変動による出力の変動を軽減
し安定した電荷検出を行なうことができる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, the operating point of the amplification stage can be automatically set, and further, by providing an inverting amplifier in the subsequent stage of the amplification stage, the fluctuation of the output due to the fluctuation of the power supply voltage is reduced. Stable charge detection can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例における電荷検出回路を示す回
路図、第2図は従来例の電荷検出回路を示す回路図、第
3図は電荷検出回路を説明するためのインバータ回路の
特性図である。 浮遊拡散層……101a,101b,201a,201b、 リセットスイッチであるMOSトランジスタ……102a,102
b,202a,202b、 リセットドレイン電圧……103,203、 リセットパルス印加端子……104a,104b,204a,204b、 インバータ回路……105a,105b,205a,205b、 電源電圧……106,206、 MOSトランジスタ……107,108,109,110,111,112,113,11
4,207,208,209,210,211,212、 ソースホロワ回路……115,215、 出力端子……116,216。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a charge detection circuit in an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram showing a conventional charge detection circuit, and FIG. 3 is a characteristic diagram of an inverter circuit for explaining the charge detection circuit. Is. Floating diffusion layers ... 101a, 101b, 201a, 201b, reset switch MOS transistors ... 102a, 102
b, 202a, 202b, reset drain voltage …… 103,203, reset pulse application terminal …… 104a, 104b, 204a, 204b, inverter circuit …… 105a, 105b, 205a, 205b, power supply voltage …… 106,206, MOS transistor …… 107,108,109,110,111,112,113 , 11
4,207,208,209,210,211,212, source follower circuit …… 115,215, output terminal …… 116,216.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に形成された浮遊拡散層と、 前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットスイッチ
と、 前記浮遊拡散層の電位を第1のドライバーMOSトランジ
スタのゲート側から入力とするソースホロワ回路と、 このソースホロワ回路の出力を第2のドライバーMOSト
ランジスタのゲート側から入力とする第1の反転型増幅
器と、 前記第1の反転型増幅器の出力を第3のドライバーMOS
トランジスタのゲート側から入力とする第2の反転型増
幅器と、 前記ソースホロワ回路の負荷MOSトランジスタのゲート
に出力を接続する第3の反転型増幅器とを具備し、 前記第3の反転型増幅器の出力に前記第3の反転型増幅
器の第4のドライバーMOSトランジスタのゲートが接続
されることを特徴とする電荷検出回路。
1. A floating diffusion layer formed on a semiconductor substrate, a reset switch for resetting a potential of the floating diffusion layer, and a potential of the floating diffusion layer being input from a gate side of a first driver MOS transistor. A source follower circuit, a first inverting amplifier that receives the output of the source follower circuit from the gate side of a second driver MOS transistor, and an output of the first inverting amplifier that is a third driver MOS transistor.
A second inverting amplifier having an input from the gate side of the transistor; and a third inverting amplifier having an output connected to the gate of the load MOS transistor of the source follower circuit, the output of the third inverting amplifier The gate of the fourth driver MOS transistor of the third inverting amplifier is connected to the charge detection circuit.
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