JP4740693B2 - CCD drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、CCD(chargecoupled device)型固体撮像装置用駆動回路(駆動IC)に関し、特に過電流防止機能を備えたCCD駆動回路に関する。 The present invention relates to a drive circuit (drive IC) for a CCD (chargecoupled device) type solid-state imaging device, and more particularly to a CCD drive circuit having an overcurrent prevention function.
従来、デジタルスチルカメラ及び携帯電話等で用いられるCCDエリアセンサでは、露光時間を設定する方法として、光電変換素子に蓄積された電荷を基板に引き抜く電子シャッタが一般的に用いられている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in CCD area sensors used in digital still cameras, mobile phones, and the like, an electronic shutter that draws out electric charges accumulated in a photoelectric conversion element to a substrate is generally used as a method for setting an exposure time.
このようなCCDエリアセンサでは、n型の基板NSUB中に形成されたp型ウェル中にn型領域でフォトダイオード(電荷蓄積領域)と電荷転送チャネルが形成される。基板厚さ方向にnpnバイポーラ接合トランジスタ類似の構造が形成される。n型電荷蓄積領域がエミッタ、p型ウェルがベース、n型基板がコレクタに対応する。
p型ウェルを接地電位とし、n型基板に正極性のバイアスを印加する。基板バイアスの大きさにより、p型ウェルの形成するポテンシャルバリアの高さが調整される。従って、ポテンシャルウェルを構成するn型電荷蓄積領域に蓄積できる最大(飽和)電荷量は、n型基板NSUBのバイアス電位によって変化する。飽和電荷量は飽和光量を決める。
In such a CCD area sensor, a photodiode (charge storage region) and a charge transfer channel are formed in an n-type region in a p-type well formed in an n-type substrate NSUB. A structure similar to an npn bipolar junction transistor is formed in the substrate thickness direction. The n-type charge storage region corresponds to the emitter, the p-type well corresponds to the base, and the n-type substrate corresponds to the collector.
The p-type well is set to the ground potential, and a positive bias is applied to the n-type substrate. The height of the potential barrier formed by the p-type well is adjusted according to the magnitude of the substrate bias. Accordingly, the maximum (saturated) charge amount that can be accumulated in the n-type charge accumulation region constituting the potential well varies depending on the bias potential of the n-type substrate NSUB. The amount of saturation charge determines the amount of saturation light.
飽和光量以上の光が入射すると、信号電荷が溢れ、基板(オーバーフロードレイン)に吸収される。オーバーフローする信号電荷を基板に排出(ドレイン)させることでブルーミングを防止する。n型基板電位が低いほど飽和電荷量(飽和露光量)が多く、n型基板電位が高くなると飽和電荷量(飽和露光量)が減る。極端にn型基板電位を高くすると、p型ウェルの形成するポテンシャルバリアが消滅し、フォトダイオードの電荷は全て基板に排出される。 When light exceeding the saturation light amount enters, the signal charge overflows and is absorbed by the substrate (overflow drain). Blooming is prevented by discharging (draining) the overflowing signal charges to the substrate. The lower the n-type substrate potential, the greater the saturated charge amount (saturated exposure amount), and the higher the n-type substrate potential, the lower the saturated charge amount (saturated exposure amount). When the n-type substrate potential is extremely increased, the potential barrier formed by the p-type well disappears, and all charges of the photodiode are discharged to the substrate.
以上の特性を利用して、露光の初期状態でn型基板に高い電圧を印加して、電子シャッタ動作を行なってそれまでフォトダイオードに蓄積されていた電荷を排出し、その後n型基板を所定のオーバーフロードレイン(OFD)電圧に戻すことで、フォトダイオードでの電荷蓄積を開始する電子シャッタ動作が行われている。 Utilizing the above characteristics, a high voltage is applied to the n-type substrate in the initial stage of exposure, an electronic shutter operation is performed, and the charges accumulated in the photodiode are discharged, and then the n-type substrate is predetermined. By returning to the overflow drain (OFD) voltage, an electronic shutter operation for starting charge accumulation in the photodiode is performed.
露光中のn型基板電位は、フォトダイオードに蓄積可能な飽和電荷量に応じて決定され、概ね10V程度の値になるように設計されている。静止画モードと,動画又はモニタモードで垂直電荷転送チャネル内で画素加算を行う場合とで、飽和電荷量を変えるために基板バイアスを変化させることも提案されている。
また、電子シャッタ動作で不要な電荷を基板に排出する際に印加される電圧は、露光中印加する電圧に対して20V程度の振幅パルスを重畳することで生成される。
The n-type substrate potential during exposure is determined according to the amount of saturation charge that can be accumulated in the photodiode, and is designed to be about 10V. It has also been proposed to change the substrate bias in order to change the saturation charge amount between the still image mode and the case where pixel addition is performed in the vertical charge transfer channel in the moving image or monitor mode.
Further, the voltage applied when discharging unnecessary charges to the substrate in the electronic shutter operation is generated by superimposing an amplitude pulse of about 20 V on the voltage applied during exposure.
CCDエリアセンサの信号読み出し/転送動作は、たとえば+15V程度の正高電位VH,接地電位のVM,−8V程度の負高電位VLの3電位を用いて行われる。フォトダイオードから垂直電荷転送チャネルへの電荷読み出しはVHを用いて行われ、垂直電荷転送チャネルでの転送はVMとVLを用いて行われる。露光中のn型基板のバイアス(OFD)電圧約10Vは、VHを用いて作成することができる。電子シャッタ用の20V程度の正極性のパルスは、VLとVHを用いて作成することができる。CCDエリアセンサの駆動信号は、通常CCDエリアセンサとは別のチップに形成された駆動回路で生成される。CCDエリアセンサやCCD駆動回路は、半導体装置としては絶対値の大きい両極性の電圧を扱うので、予期せぬ過電流が流れてしまう可能性がある。 The signal reading / transfer operation of the CCD area sensor is performed using, for example, three potentials: a positive high potential VH of about +15 V, a ground potential VM, and a negative high potential VL of about -8 V. Charge reading from the photodiode to the vertical charge transfer channel is performed using VH, and transfer in the vertical charge transfer channel is performed using VM and VL. An n-type substrate bias (OFD) voltage of about 10 V during exposure can be created using VH. A positive pulse of about 20 V for an electronic shutter can be created using VL and VH. The drive signal for the CCD area sensor is usually generated by a drive circuit formed on a chip separate from the CCD area sensor. Since the CCD area sensor and the CCD drive circuit handle bipolar voltages having a large absolute value as a semiconductor device, an unexpected overcurrent may flow.
ところで、電子シャッタを駆動するまでは負電源VLは立ち上げなくても、エリアセンサをVHとVMとで駆動できる。負電源を立ち上げるとき、負電源とCCDエリアセンサのn型基板とが容量を介して結合されていることにより、不都合が生じることがある。例えば、CCDエリアセンサのn型基板に負電位が印加されると、p型ウェルとn型基板との間のpn接合が順方向にバイアスされ、過電流が流れることがある。 By the way, the area sensor can be driven by VH and VM without starting up the negative power source VL until the electronic shutter is driven. When starting up the negative power supply, inconvenience may occur due to the negative power supply and the n-type substrate of the CCD area sensor being coupled via a capacitor. For example, when a negative potential is applied to the n-type substrate of the CCD area sensor, the pn junction between the p-type well and the n-type substrate is biased in the forward direction, and an overcurrent may flow.
本発明の目的は、負電源立ち上げ時のプロテクション動作を行い、予期せぬ過電流発生の可能性も抑制することができるCCD駆動回路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a CCD drive circuit that performs a protection operation when a negative power supply is turned on and can suppress the possibility of an unexpected overcurrent.
本発明の一観点によれば、
n型基板にp型ウェルを形成し、p型ウェル中に光電変換素子を構成する多数のn型領域を行列状に形成し、n型基板に高電圧パルスを印加して光電変換素子の蓄積電荷をn型基板に抜く電子シャッタ動作を行ない、その後n型基板にオーバーフロードレイン電圧を印加して飽和光量を調整した露光を行なうことのできるCCDエリアセンサを駆動する駆動回路であって、
正極性の高電圧を生成する正電源と、
前記正極性の高電圧を用いて、オーバーフロードレイン電圧を生成するオーバーフロードレイン電圧生成回路と、
前記オーバーフロードレイン電圧を受け、外部に供給できる、オーバーフロードレイン電圧出力ノードと、
前記オーバーフロードレイン電圧生成回路と前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードとの間に接続された逆流防止素子と、
負極性の高電圧を生成する負電源と、
前記負極性の高電圧と正極性の高電圧を用いて、CCDエリアセンサの電子シャッタ駆動時に用いるパルス電圧を生成し、パルス電圧出力端子から前記パルス電圧を出力し、容量を介して前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードに結合し、前記オーバーフロードレイン電圧に前記パルス電圧を重畳できるクロックドライバであって、前記パルス電圧は、同一のシリコン基板上に形成され、寄生的にサイリスタ構造を形成しうるpチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタを含む直列接続によって生成されるクロックドライバと、
前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードと接地ノード間に接続され、両ノードを低インピーダンスで接続できる第1保護回路と、
前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードと接地ノード間に接続され、両ノードを高インピーダンスで接続できる第2保護回路と、
を有するCCD駆動回路、が提供される。
According to one aspect of the present invention,
A p-type well is formed on an n-type substrate, a number of n-type regions constituting the photoelectric conversion element are formed in a matrix in the p-type well, and a high voltage pulse is applied to the n-type substrate to accumulate the photoelectric conversion element. A driving circuit for driving a CCD area sensor capable of performing an electronic shutter operation for extracting charges to an n-type substrate and then performing an exposure by adjusting an amount of saturated light by applying an overflow drain voltage to the n-type substrate;
A positive power supply for generating a positive high voltage;
An overflow drain voltage generation circuit that generates an overflow drain voltage using the positive high voltage;
An overflow drain voltage output node that receives the overflow drain voltage and can supply it to the outside;
A backflow prevention element connected between the overflow drain voltage generation circuit and the overflow drain voltage output node;
A negative power supply that generates negative high voltage,
Using the negative high voltage and the positive high voltage, a pulse voltage used for driving an electronic shutter of a CCD area sensor is generated, the pulse voltage is output from a pulse voltage output terminal, and the overflow drain is connected via a capacitor. A p-channel MOS coupled to a voltage output node and capable of superimposing the pulse voltage on the overflow drain voltage , wherein the pulse voltage is formed on the same silicon substrate and can form a thyristor structure parasitically A clock driver generated by a serial connection including a transistor and an n-channel MOS transistor ;
A first protection circuit connected between the overflow drain voltage output node and the ground node, and capable of connecting both nodes with low impedance;
A second protection circuit connected between the overflow drain voltage output node and the ground node and capable of connecting both nodes with high impedance;
A CCD driving circuit is provided.
本発明によれば、負電源立ち上げ時のプロテクション動作を行い、予期せぬ過電流発生の可能性も抑制できるCCD駆動回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a CCD drive circuit that performs a protection operation when a negative power supply is turned on and can suppress the possibility of an unexpected overcurrent.
図1は、本発明の実施例による固体撮像モジュール1のブロック図である。固体撮像モジュール1は、少なくともCCDエリアセンサ2及び駆動回路3を含んで構成される。CCDエリアセンサ2は、n型シリコン基板11にp型ウェル12を形成し、p型ウェル12にn型電荷蓄積領域(フォトダイオード)13を行列状に形成し、フォトダイオードの各列に沿ってn型の垂直電荷転送チャネル14を形成する。各列間にはp型チャネルストッパ16が形成される。n型電荷蓄積領域13の表面はp型埋め込み領域17で覆われる。垂直電荷転送チャネル14に交差するように、多結晶シリコンの電荷転送電極15が絶縁膜を介して配置される。電荷転送電極15には、例えば4相駆動信号φViが印加される。n型基板11、p型ウェル12には、夫々高濃度のn型コンタクト領域18、p型コンタクト領域19が形成される。p型ウェル12は、コンタクト領域19を介して接地される。n型コンタクト領域18は、OFD端子に接続され、基板バイアス電圧OFDを印加される。なお、この構成は、周知のものであり、公知の種々の変形、置換、追加、改良等が可能である。
FIG. 1 is a block diagram of a solid-
駆動回路3は、CCDエリアセンサのn型基板バイアス電圧発生機能を有する。制御回路20は、駆動回路の全体的制御を行う。正電源28、負電源29は制御回路20によって制御される。タイミングジェネレータ21は、制御信号A,B,prot1,prot2を生成する。タイミングジェネレータ21は、正電源電圧VH、接地電位、負電源電圧VLを電源電圧とする。
OFD電圧生成回路23は、正電源電圧VH,接地電圧間に接続され、入力される基準電圧VIとほぼ同一のオーバーフロードレイン電圧を出力する。オーバーフロードレイン電圧は、アナログスイッチS1を介して出力端子OFDOに供給される。アナログスイッチS1は、制御信号Bによって、オン/オフを制御される。
クロックドライバ24は、pチャネルMOSトランジスタM10とnチャネルMOSトランジスタM11の直列接続が正電源電圧VHと負電源電圧VLの間に接続され、相互接続点が出力端子SUBOに接続され、共通入力端子に制御信号Aを受ける。VH(=15V)とVL(=−8V)を電源とすることにより20Vを超える出力の振幅が得られる。このため制御信号もローレベルがVL,ハイレベルがVHであることが望ましく、タイミングジェネレータ21の電源にVLも用いられる。
The drive circuit 3 has an n-type substrate bias voltage generation function of the CCD area sensor. The control circuit 20 performs overall control of the drive circuit. The
The OFD voltage generation circuit 23 is connected between the positive power supply voltage VH and the ground voltage, and outputs an overflow drain voltage that is substantially the same as the input reference voltage VI. The overflow drain voltage is supplied to the output terminal OFDO via the analog switch S1. The analog switch S1 is controlled to be turned on / off by the control signal B.
The
制御信号Aは、ノーマリハイHでnチャネルMOSトランジスタM11をオンとしてVLを出力し、パルス発生時のみ一時的にローLとなりpチャネルMOSトランジスタM10をオンとしてVHを出力して、出力端子SUBOに正極性のパルスを発生する。パルスの基準電位はVLである。出力端子SUBOと出力端子OFDOは、容量C0を介して結合される。出力端子OFDOの電位には、正極性のパルス電圧が重畳される。この時、OFDOの電位はVHより高くなるので、そのままではOFDOから正電源VHに電流が逆流してしまう。そこでアナログスイッチS1をオフし、OFD電圧生成回路23を出力端子OFDOから電気的に切り離す。 The control signal A is normally high H and the n-channel MOS transistor M11 is turned on and outputs VL. Only when a pulse is generated, the control signal A temporarily becomes low L and the p-channel MOS transistor M10 is turned on and VH is output. Generate sex pulses. The reference potential of the pulse is VL. The output terminal SUBO and the output terminal OFDO are coupled via a capacitor C0. A positive pulse voltage is superimposed on the potential of the output terminal OFDO. At this time, since the potential of OFDO becomes higher than VH, the current flows backward from OFDO to the positive power supply VH as it is. Therefore, the analog switch S1 is turned off, and the OFD voltage generation circuit 23 is electrically disconnected from the output terminal OFDO.
負電源VLは、正電源VHに遅れて立ち上げられる。負電源立ち上げまではVLの代わりに接地電位が供給される。制御信号Aはノーマリハイであり、nチャネルMOSトランジスタM11はオンしている。従って、出力端子SUBOには接地電位が供給される。SUBOの電位が接地電位のままでは、20Vを超えるパルス高は生成できない。SUBOの電位はー8V程度にする必要がある。 The negative power supply VL is started up with a delay from the positive power supply VH. Until the negative power supply is started, the ground potential is supplied instead of VL. The control signal A is normally high, and the n-channel MOS transistor M11 is on. Therefore, the ground potential is supplied to the output terminal SUBO. If the SUBO potential remains at the ground potential, a pulse height exceeding 20 V cannot be generated. The potential of SUBO needs to be about -8V.
基準電圧VIは未だ0Vで、出力端子OFDOも0Vであるとする。負電源を立ち上げると、クロックドライバ24の出力電位が接地電位から負電源電圧VLに向かって変化する。この負方向の電位変化は、容量C0を介して、CCDエリアセンサ2のn型基板11に伝達されてしまう。すると、CCDエリアセンサ2において、p型ウェル12とn型基板11の間のpn接合が順バイアスされて、順方向の過電流が流れてしまう可能性がある。そこで、CCDエリアセンサ2の基板バイアスを接地電位にクリップする保護回路25が設けられている。
出力端子OFDOは第1保護回路25と第2保護回路26の並列接続を含む保護回路27を介して接地に結合される。第1保護回路25は、例えば30Ω程度の低抵抗のシリーズ抵抗を有し、制御信号prot1によってオン/オフを制御されるトランジスタM1によって構成される。MOSトランジスタM1をオンにすることにより、CCDエリアセンサのn型基板11は低抵抗で接地電位にクリップされる。第2保護回路26は、別の目的で設けられており、第1保護回路25より2桁ないし3桁高いシリーズ抵抗、例えば3kΩ〜30kΩを有する。第2保護回路26は、例えば、抵抗R0と制御信号prot2でオン/オフを制御されるスイッチS2の直列接続で構成される。スイッチS2は典型的にはMOSトランジスタで構成される。
It is assumed that the reference voltage VI is still 0V and the output terminal OFDO is also 0V. When the negative power supply is turned on, the output potential of the
The output terminal OFDO is coupled to ground through a
図2Aは、駆動回路チップの保護回路27およびクロックドライバ24の構成例を示す。p型シリコン基板31にn型ウェルNWL1,NWL2が形成され、その内部にp型ウェルPWL1,PWL2が形成されている。n型ウェルNWL1,NWL2は一体のウェルであってもよい。p型ウェルPWL1には、トランジスタM2のチャネル領域の上方にゲート電極36が形成され、チャネル領域を挟んでゲート電極36の両側にn型ソース/ドレイン領域32,33が形成される。トランジスタM1のチャネル領域上方にもゲート電極37が形成され、その両側にチャネル領域を挟んでn型ソース/ドレイン領域34,35が形成される。
FIG. 2A shows a configuration example of the
n型ウェルNWL1はコンタクト領域38を介して正電源電圧VHに接続され、p型ウェルPWL1はコンタクト領域39を介して接地電圧GNDに接続される。トランジスタM1,M2のソース領域33,35は接地電位GNDに接続される。トランジスタM1ドレイン領域34は直接OFDO端子に接続される。トランジスタM2のドレイン領域32はポリシリコン抵抗38を介してOFDO端子に接続される。
N-type well NWL1 is connected to positive power supply voltage VH through
クロックドライバ24は、n型ウェルNWL2に形成されたpチャネルMOSトランジスタM10,p型ウェルPWL2に形成されたnチャネルMOSトランジスタM11の直列接続で構成される。n型ウェルNWL2上方には、ゲート絶縁膜を介してポリシリコンのゲート電極44が形成され、その両側のウェル内にp型ソース/ドレイン領域42,43が形成され、p型ウェルPWL2上方には、ゲート絶縁膜を介してポリシリコンのゲート電極47が形成され、その両側のウェル内にn型ソース/ドレイン領域45,46が形成される。n型ウェルNWL2,p型ウェルPWL2には夫々、n型コンタクト領域41、p型コンタクト領域48が形成される。
The
両トランジスタのドレイン領域43,45は相互に接続して出力端子SUBOに接続される。pチャネルMOSトランジスタM10のソース領域42とウェルコンタクト領域41は正電源電圧VHに接続される。nチャネルMOSトランジスタM11のソース領域46とウェルコンタクト領域48は負電源電圧VLに接続される。
The
クロックドライバ24を構成するp型領域42,43、n型ウェルNWL2,p型ウェルPWL2,n型領域45,46はpnpn構造を構成し、サイリスタ構造を形成し得る。サイリスタがラッチアップすると破壊を生じうる。
The p-
図2Bに示すように、出力端子SUBOの電位が低下し、n型領域45周囲のpn接合に順方向電流が流れたとする。NPNバイポーラ接合トランジスタNPN1はオンし、エミッターコレクタ電流が流れることにより、コレクタ(n型ウェル)電位も低下する。
As shown in FIG. 2B, it is assumed that the potential of the output terminal SUBO decreases and a forward current flows through the pn junction around the n-
図2Cに示すように、n型ウェル電位が低下すると、PNPバイポーラ接合トランジスタPNP1のベース電位が低下することになり、エミッターベース接合を順バイアスする。PNP1がオンして電流を流すとコレクタ(p型ウェル)電位を上昇させる。 As shown in FIG. 2C, when the n-type well potential decreases, the base potential of the PNP bipolar junction transistor PNP1 decreases, and the emitter-base junction is forward biased. When PNP1 is turned on and a current flows, the collector (p-type well) potential is raised.
図2Dに示すように、p型ウェルPWL2の電位が上昇すると、NPN1,NPN2のベース電位が上昇しエミッターベース接合を順バイアスし得る。NPN1,NPN2が更にオンすると、コレクタ(n型ウェル)電位を引き下げる。このように正帰還がかかってしまうとラッチアップが生じる。 As shown in FIG. 2D, when the potential of the p-type well PWL2 rises, the base potentials of NPN1 and NPN2 rise to forward bias the emitter-base junction. When NPN1 and NPN2 are further turned on, the collector (n-type well) potential is lowered. If positive feedback is applied in this way, latch-up occurs.
ラッチアップまでは生じなくても、ノイズ電流が流れることにより、電源電位VH,VLが不安定になり、他の回路に悪影響を及ぼす。 Even if the latch-up does not occur, a noise current flows, so that the power supply potentials VH and VL become unstable and adversely affect other circuits.
図3Aは、負電源立ち上げのタイミングチャートを示す。図中横軸は時間軸を示し、縦軸は電位を示す。制御信号prot1,prot2,負電源VL,クロックドライバ出力SUBO,OFD電位出力OFDO,制御信号Bをタイミングを揃えて示す。負電源VLの立ち上げが開始するとVLの電位は0Vから−8Vに変化する。負電源VLの立ち上げに先立って、制御信号prot1がハイにされ、第1保護回路25のトランジスタM1がオンにされる。第1保護回路25のトランジスタM1がオンになると、出力端子OFDOを接地電位にクリップする。
FIG. 3A shows a timing chart of the negative power supply startup. In the figure, the horizontal axis represents the time axis, and the vertical axis represents the potential. The control signals prot1, prot2, negative power supply VL, clock driver output SUBO, OFD potential output OFDO, and control signal B are shown at the same timing. When the start-up of the negative power supply VL starts, the potential of VL changes from 0V to -8V. Prior to the start-up of the negative power supply VL, the control signal prot1 is made high, and the transistor M1 of the
第1保護回路25のトランジスタM1をオンにするタイミングに、期間T1先立ち、第2保護回路26のアナログスイッチS2が制御信号prot2によって閉(オン)にされ、またアナログスイッチS1が制御信号Bによって開(オフ)にされる。出力端子OFDOと接地電位間に高抵抗R0が接続される。また、OFD電圧生成回路23は、出力端子OFDOから電気的に切り離される。
Prior to the period T1, the analog switch S2 of the
初期状態においては、負電源VLは未だ立ち上がっておらず、0Vである。基準電位VIが0Vであり、出力端子OFDOの電位も0Vである。クロックドライバ24は制御信号AがハイH状態であり、トランジスタM11がオンである。負電源電位は0Vである。従ってクロックドライバの出力SUBOも0Vである。第1保護回路25がオンにされるより期間T1先だって、制御信号prot2をハイにして第2保護回路26のアナログスイッチS2をオンにし、出力端子OFDOを高抵抗で接地に接続すると、接地電位と接地電位が接続されることになる。制御信号BをローにしてアナログスイッチS1をオフにすると、出力0VのOFD電圧生成回路が出力端子OFDOから切り離される。しかし、何の変化も生じない。
In the initial state, the negative power supply VL has not yet risen and is 0V. The reference potential VI is 0V, and the potential of the output terminal OFDO is also 0V. In the
期間T1経過後に、制御信号prot1がハイとなり、出力端子OFDOを低抵抗で接地に接続し、その後負電源VLを立ち上げる。負電源が0Vからー8Vに変化するにつれ、クロックドライバの出力SUBOも0Vからー8Vに変化する。容量結合により、SUBOに結合されたOFDOの電位も変化しようとするが、保護回路25のトランジスタM1で接地電位にクリップされるので、変化は抑制される。クロックドライバ24のトランジスタM11より低抵抗の保護回路のトランジスタM1が支配的となり、一定の電位差に抑制される。降下電圧ΔVoをエリアセンサのp型ウェルとn型基板間のpn接合の順方向耐圧Vbj’より小さくするように、トランジスタM1のオン抵抗を低く設定することにより、エリアセンサにおいて過電流が流れることを抑制できる。この負電源立ち上げ動作において、第2保護回路26は、積極的には何も寄与していない。
After the period T1, the control signal prot1 becomes high, the output terminal OFDO is connected to the ground with a low resistance, and then the negative power supply VL is raised. As the negative power supply changes from 0V to -8V, the output SUBO of the clock driver also changes from 0V to -8V. Due to the capacitive coupling, the potential of OFDO coupled to SUBO also attempts to change. However, since the potential is clipped to the ground potential by the transistor M1 of the
図3Bは、負電源VLも立ち上がり、OFD電圧生成回路23への基準電圧も通常の値で、OFDOに高電圧VH’(10V程度)が供給されている場合に、プロテクション動作が生じた場合を示す。通常は予期せぬ動作であるが、可能性がまったくないとは言えない。もし第2保護回路26なしでこのような動作が生じたとすると、以下のようになる。
FIG. 3B shows a case where the protection operation occurs when the negative power supply VL rises, the reference voltage to the OFD voltage generation circuit 23 is also a normal value, and the high voltage VH ′ (about 10 V) is supplied to OFDO. Show. This is usually an unexpected behavior, but it cannot be said that there is no possibility. If such an operation occurs without the
第1保護回路25がOFDOを接地電位に低抵抗で接続する。OFDOの電位は10V程度から急激に接地電位に向かって降下し、この電圧降下が容量C0を介してクロックドライバの出力端子SUBOに伝達される。図2B〜2Dを参照して説明したように、SUBOの電位が低下すると、ラッチアップが生じる可能性がある。ラッチアップが生じるとCCD駆動回路は破壊される可能性がある。以下、第2保護回路26が設けられている場合の動作を説明する。
The
第1保護回路25のオンに先立ち、第2保護回路26がオンにされ、OFDOと接地電位間に高抵抗が接続される。OFDO端子とOFD電圧生成回路23は切り離される。電気的に孤立し、高電圧VH’の出力端子OFDO(およびCCDエリアセンサ2のn型基板11)が、高抵抗を解して接地電位に接続され、徐々に放電する。OFDOの電位は、徐々に接地電位に向かう。電位変化が緩やかなので、容量を介してSUBOが受ける電位変化も小さい。降下電位ΔVsがトランジスタM11のドレインpn接合の順方向耐圧Vbjより小さくなるように、保護回路26のインピーダンスを設定すれば、pn接合に順方向電流が流れることは防止できる。期間T1は十分電位降下が生じた後、保護回路25がオンするように選択する。なお、アナログスイッチS1のオフにより、OFD電圧生成回路23は電気的に切り離されるので不要な貫通電流も防止できる。
Prior to turning on the
なお、高インピーダンスの第2保護回路を抵抗とスイッチングトランジスタで構成する場合を説明したが、他の形態で実現することもできる。 In addition, although the case where the high impedance 2nd protection circuit was comprised by resistance and a switching transistor was demonstrated, it can also implement | achieve in another form.
図4Aは、第2保護回路26も、第1保護回路25同様、単一のトランジスタM2で構成する場合を示す。ソースSとドレインDの間でゲート電極Gに覆われた領域がチャネルである。ソースードレイン間方向の長さがチャネル長Lであり、交差する方向の長さがチャネル幅Wである。チャネル長Lとチャネル幅Wとの比L/ Wでインピーダンスを選択できる。例えば、活性領域を細長い矩形形状とし、長辺に沿って電流を流すようにすれば、オン抵抗は高くなり、短辺に沿って電流を流すようにすれば、オン抵抗は小さくなる。低抵抗の第1保護回路25を構成するトランジスタM1は、図中、右側にしめすように、チャネル長/チャネル幅比L1/W1を小さく、高抵抗の第2保護回路26を構成するトランジスタM2は、図中左側に示すように、チャネル長/チャネル幅比L2/W2を大きく設定する。たとえば、M1のチャネル長/チャネル幅比L1/W1=0.1、M2のチャネル長/チャネル幅比L2/W2=10とすれば、約2桁異なる抵抗値が得られる。差を更に大きくすれば、より異なる抵抗値が得られる。
FIG. 4A shows a case where the
図4Bは、ゲート電圧を低く設定してオン抵抗を大きくする構成を示す。トランジスタM2のドレインは約10VのOFDOに接続されるが、ゲート電極はレベルシフトを行なうバッファドライバ46の出力n1で制御される。バッファドライバ46は制御信号prot2を入力信号とし、トランジスタM2をぎりぎりオンにする電源電圧VH1を用いて駆動される。従って、出力n1がハイとなっても、トランジスタM2は高インピーダンス状態のオンとなり、そのオン抵抗は高い。
FIG. 4B shows a configuration in which the on-resistance is increased by setting the gate voltage low. The drain of the transistor M2 is connected to OFDO of about 10V, but the gate electrode is controlled by the output n1 of the
図4Cは、電流値を制限する形態をしめす。nチャネルトランジスタM21のゲートとドレインとを直結し(ノードn2)、定電流源47に接続する。トランジスタM21のソースは接地電位に接続する。他のnチャネルトランジスタM24を出力端子OFDOと接地電位間に接続し、ゲートをアナログスイッチS21を介してノードn2に、nチャネルMOSトランジスタM25を介して接地電位に接続する。アナログスイッチS21とトランジスタM25とは、制御信号(prot2)とその補信号(−prot2)で相補的に制御する。プロテクト動作をオンにするときはスイッチS21を閉じ(オンとし)、カレントミラーを形成する。トランジスタM21とM24には、そのサイズに比例する電流が流れる。トランジスタM24に流れる電流とほぼ等しい電流が、クロックドライバ24のトランジスタM11を通って負電源接地電位から出力端子SUBOへ流れる。このときのSUBOの降下電圧がM11の順方向耐圧より小さくなる電流値i0となるように、トランジスタM22のサイズを設定する。定電流源47の電流値をi1とすると、トランジスタM24のサイズはトランジスタM21のサイズにi0/i1を乗算した値として求められる。スイッチS21をオフ、トランジスタM25をオンにすれば、トランジスタM24はオフし、プロテクト動作はオフする。
FIG. 4C shows a form in which the current value is limited. The gate and drain of n-channel transistor M21 are directly connected (node n2) and connected to constant
図4Dは、複数のトランジスタM2_1、M2_2,・・M2_nを直列接続して、オン抵抗を高くする構成を示す。所望のオン抵抗には不足するトランジスタでも、複数直列接続することのより所望の高抵抗を実現する。 4D shows a configuration in which a plurality of transistors M2_1, M2_2,... M2_n are connected in series to increase the on-resistance. Even for a transistor that is insufficient for a desired on-resistance, a desired high resistance is realized by connecting a plurality of transistors in series.
図4Eは、定電流素子で高インピーダンス負荷を実現する他の形態を示す。定電流源47、トランジスタM21,M22は図4Cと同様であり、ノードn2はトランジスタM22のゲートに直結されている。トランジスタM22とOFDO端子の間に他のnチャネルトランジスタM23が接続され、制御信号prot2によりオン/オフを制御される。トランジスタM22とM23のオン抵抗の和が保護回路25のオン抵抗となる。動作は図4Cの回路と同様である。
FIG. 4E shows another embodiment for realizing a high impedance load with a constant current element. The constant
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、OFD電圧生成回路の基準電圧VIはどのように形成してもよい。特許文献2のように、エリアセンサ内に形成した抵抗ブリーダを用いて形成すれば、個体差を抑制することができる。複数の値から選択することによりモードにあわせた飽和電荷量を実現することもできる。例示した数値は、なんら制限的なものではなく、目的、条件に合わせて種々変更可能である。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, the reference voltage VI of the OFD voltage generation circuit may be formed in any way. Individual differences can be suppressed by using a resistance bleeder formed in the area sensor as in
1…固体撮像モジュール、2…CCDエリアセンサ、3…CCD駆動回路、11…n型シリコン基板(NSUB)、12…p型ウェル(PWL)、13…n型電荷蓄積領域、14…n型電荷転送チャネル、15…(ポリシリコン)転送電極、16…p型チャネルストッパ,17…p型埋め込み領域、20…制御回路、21…タイミングジェネレータ、23…OFD電圧生成回路、24…クロックドライバ、25…第1保護回路、26…第2保護回路、27…保護回路、28…正電源、29…負電源、S…スイッチ、M…トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
正極性の高電圧を生成する正電源と、
前記正極性の高電圧を用いて、オーバーフロードレイン電圧を生成するオーバーフロードレイン電圧生成回路と、
前記オーバーフロードレイン電圧を受け、外部に供給できる、オーバーフロードレイン電圧出力ノードと、
前記オーバーフロードレイン電圧生成回路と前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードとの間に接続された逆流防止素子と、
負極性の高電圧を生成する負電源と、
前記負極性の高電圧と正極性の高電圧を用いて、CCDエリアセンサの電子シャッタ駆動時に用いるパルス電圧を生成し、パルス電圧出力端子から前記パルス電圧を出力し、容量を介して前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードに結合し、前記オーバーフロードレイン電圧に前記パルス電圧を重畳できるクロックドライバであって、前記パルス電圧は、同一のシリコン基板上に形成され、寄生的にサイリスタ構造を形成しうるpチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタを含む直列接続によって生成されるクロックドライバと、
前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードと接地ノード間に接続され、両ノードを低インピーダンスで接続できる第1保護回路と、
前記オーバーフロードレイン電圧出力ノードと接地ノード間に接続され、両ノードを高インピーダンスで接続できる第2保護回路と、
を有するCCD駆動回路。 A p-type well is formed on an n-type substrate, a number of n-type regions constituting the photoelectric conversion element are formed in a matrix in the p-type well, and a high voltage pulse is applied to the n-type substrate to accumulate the photoelectric conversion element. A driving circuit for driving a CCD area sensor capable of performing an electronic shutter operation for extracting charges to an n-type substrate and then performing an exposure by adjusting an amount of saturated light by applying an overflow drain voltage to the n-type substrate;
A positive power supply for generating a positive high voltage;
An overflow drain voltage generation circuit that generates an overflow drain voltage using the positive high voltage;
An overflow drain voltage output node that receives the overflow drain voltage and can supply it to the outside;
A backflow prevention element connected between the overflow drain voltage generation circuit and the overflow drain voltage output node;
A negative power supply that generates negative high voltage,
Using the negative high voltage and the positive high voltage, a pulse voltage used for driving an electronic shutter of a CCD area sensor is generated, the pulse voltage is output from a pulse voltage output terminal, and the overflow drain is connected via a capacitor. A p-channel MOS coupled to a voltage output node and capable of superimposing the pulse voltage on the overflow drain voltage, wherein the pulse voltage is formed on the same silicon substrate and can form a thyristor structure parasitically A clock driver generated by a serial connection including a transistor and an n-channel MOS transistor ;
A first protection circuit connected between the overflow drain voltage output node and the ground node, and capable of connecting both nodes with low impedance;
A second protection circuit connected between the overflow drain voltage output node and the ground node and capable of connecting both nodes with high impedance;
CCD drive circuit having
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