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JPS6135634B2 - - Google Patents
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JPS6135634B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6135634B2
JPS6135634B2 JP56021929A JP2192981A JPS6135634B2 JP S6135634 B2 JPS6135634 B2 JP S6135634B2 JP 56021929 A JP56021929 A JP 56021929A JP 2192981 A JP2192981 A JP 2192981A JP S6135634 B2 JPS6135634 B2 JP S6135634B2
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transistor
circuit
drive circuit
mos
charge
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Application number
JP56021929A
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Japanese (ja)
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JPS57135499A (en
Inventor
Ryuzo Shiraki
Toshio Yuyama
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C27/00Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
    • G11C27/04Shift registers

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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷結合素子(CCD)を駆動するた
めの駆動回路に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a drive circuit for driving a charge coupled device (CCD).

最近、CCDは例えば撮像装置の各種方面によ
く使われてきている。第1図はフレーム・トラン
スフア方式の2次元CCDデバイスを示してい
る。このフレーム・トランスフア方式では、大別
して光を電荷に変換する受光部1、この受光部1
からの電荷を蓄積する蓄積部2、この蓄積部2か
ら電荷を読み出す読出し部3の3つの領域からで
きている。上記受光部1で得た光信号電荷は蓄積
部2に一時蓄えられ、順次1ラインごとに読出し
部3を経て読み出される。これら各々の領域には
光信号電荷を転送するために転送電極が設けてあ
り、4相のパルスで駆動するようになつている。
第1図では、φI1〜φI4,φS1〜φS4,およびφR
〜φR4がそれぞれ受光部1、蓄積部2、読出し
部3における4相電極を表わし、φBGはボトムゲ
ート電極を、φRSはリセツト電極をそれぞれ表わ
す。このCCDデバイスでは、1個のCCDを動作
させるのに12個の転送パルスと、2個の制御パル
スが必要である。そして、CCDの転送効率はそ
の転送パルスの波形に大きく影響される。一般
に、CCDを効率よく動作させるための転送パル
ス波形は、立上りが早く、立下りが遅い波形で、
このような転送パルを供給できる駆動回路がぜひ
とも必要となる。また、駆動回路からCCD負荷
を見たとき、CCDは容量負荷として扱うことが
できる。例えば、ビデオカメラに用いられる垂直
512×水平340の画素を持つCCDは、1500〜
5000pF(ピコフアラツド)の容量を有する。
Recently, CCDs have been widely used in various fields of imaging devices, for example. FIG. 1 shows a frame transfer type two-dimensional CCD device. In this frame transfer method, the light receiving section 1 converts light into electric charge;
It is made up of three regions: a storage section 2 that stores charges from the storage section 2, and a readout section 3 that reads out the charges from the storage section 2. The optical signal charge obtained by the light receiving section 1 is temporarily stored in the storage section 2, and sequentially read out line by line through the reading section 3. Transfer electrodes are provided in each of these regions to transfer optical signal charges, and are driven by four-phase pulses.
In Figure 1, φ I1 ~ φ I4 , φ S1 ~ φ S4 , and φ R
1 to φR4 represent four-phase electrodes in the light receiving section 1, storage section 2, and readout section 3, respectively, φBG represents the bottom gate electrode, and φRS represents the reset electrode, respectively. This CCD device requires 12 transfer pulses and 2 control pulses to operate one CCD. The transfer efficiency of the CCD is greatly influenced by the waveform of the transfer pulse. Generally, the transfer pulse waveform for efficient CCD operation is a waveform with a fast rise and a slow fall.
A drive circuit that can supply such transfer pulses is absolutely necessary. Furthermore, when looking at the CCD load from the drive circuit, the CCD can be treated as a capacitive load. For example, vertical
CCD with 512 x 340 horizontal pixels has 1500~
It has a capacitance of 5000pF (picofurad).

上記駆動回路の構成としては、電源電圧まで充
電でき、また接地レベルまで放電できるCMOS
(相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ)回路
が有効である。このCMOS回路により、駆動回路
およびCCD動作に必要なロジツク回路を同一チ
ツプ上に構成できる。ここで、CMOSインバータ
回路を用いたCCD駆動回路例を第2図に示す。
図において、トランジスタQ1はPチヤネルMOS
―FET、トランジスタQ2はNチヤネルMOS―
FETで、これらのトランジスタQ1,Q2,にて
CMOSインバータ回路を構成している。また、出
力端(OUT)と接地との間に接続される負荷容
量(C〓)は転送電極を表わす。この駆動回路に
おいて、回路の立上り時間を決める要因は、トラ
ンジスタQ1のオン抵抗と負荷容量(C〓)とに
よる時定数であり、また立下り時間を決める要因
はトランジスタQ2のオン抵抗と負荷容量C〓と
による時定数である。
The configuration of the above drive circuit is a CMOS that can charge up to the power supply voltage and discharge down to ground level.
(complementary insulated gate field effect transistor) circuit is effective. This CMOS circuit allows the drive circuit and logic circuits necessary for CCD operation to be constructed on the same chip. Here, an example of a CCD drive circuit using a CMOS inverter circuit is shown in FIG.
In the figure, transistor Q1 is a P-channel MOS
-FET, transistor Q2 is N-channel MOS-
In FET, these transistors Q 1 , Q 2 ,
It constitutes a CMOS inverter circuit. Further, the load capacitance (C) connected between the output terminal (OUT) and the ground represents a transfer electrode. In this drive circuit, the factor that determines the rise time of the circuit is the time constant due to the on-resistance of transistor Q 1 and the load capacitance (C〓), and the factor that determines the fall time is the on-resistance of transistor Q 2 and the load It is a time constant due to the capacitance C〓.

上記第2図の駆動回路の素子設計は次の(1)式〜
(3)式で与えられる。
The element design of the drive circuit shown in Figure 2 above is expressed by the following equation (1) ~
It is given by equation (3).

τo=tr/αo または tf/αo ……(2) αo=|Vth|−0.1V/V−|Vth| +1/2・ln〔20(1−|Vth|/V)−1〕
……(3) ここで、WはMOS―FETのチヤネル幅、Lは
MOS―FETのチヤネル長、C〓は負荷容量、εp
はゲート酸化膜の誘電率、tpxはゲート酸化膜
の厚さ、μはMOS―FETの移動度、VthはMOS
―FETのしきい値電圧、Vpは負荷容量の充電電
圧、trは出力波形の立上り時間、tfは出力波形
の立下り時間、そしてtr,tfはいずれも出力波
形10%値および90%値を表わす。
τ o = t ro or t fo ...(2) α o = |V th |-0.1V p /V p -|V th | +1/2・ln[20(1-| V th |/V p )−1]
...(3) Here, W is the channel width of the MOS-FET, and L is the channel width of the MOS-FET.
Channel length of MOS-FET, C〓 is load capacity, ε p
x is the dielectric constant of the gate oxide film, t px is the thickness of the gate oxide film, μ is the mobility of the MOS-FET, and V th is the MOS
-FET threshold voltage, V p is the charging voltage of the load capacitor, tr is the rise time of the output waveform, t f is the fall time of the output waveform, and t r and t f are both the 10% value of the output waveform and represents the 90% value.

今、受光部1及び蓄積部2を駆動する回路を設
計してみる。一例として、CCD電極容量は1相
当りC〓=500〔pF〕とする。また、充電電圧V
p=12〔V〕、転送パルス波形の立上り時間、立下
り時間はそれぞれtr=50〔ns〕、tf=300〔ns〕
とする。その他、誘電率εpx=3.45×10-13〔F/
cm〕、厚さtpx=1200〔Å〕、PチヤネルおよびN
チヤネルトランジスタのしきい値電圧をそれぞれ
−1.3〔V〕、1.3〔V〕、またPチヤネルおよびN
チヤネルMOS―FETの移動度μをそれぞれ180
〔cm2/V・sec〕、400〔cm2/V・sec〕とする。こ
こで、PチヤネルおよびNチヤネルMOS―FET
のチヤネル長を共に10μ〔1μ=10-4cm〕とすれ
ば、MOS―FETのチヤネル幅/チヤネル長は(1)
式よりPチヤネルにおいて〔W/L〕P=17110/
10、Nチヤネルにおいて(W/L)N=3850/10と
なる。
Now, let's design a circuit that drives the light receiving section 1 and the storage section 2. As an example, assume that the CCD electrode capacitance is C = 500 [pF] per unit. Also, the charging voltage V
p = 12 [V], the rise time and fall time of the transfer pulse waveform are t r = 50 [ns], t f = 300 [ns], respectively.
shall be. In addition, dielectric constant ε px = 3.45×10 -13 [F/
cm], thickness t px = 1200 [Å], P channel and N
The threshold voltages of the channel transistors are −1.3 [V] and 1.3 [V], respectively, and the P channel and N
Channel MOS-FET mobility μ is 180 respectively.
[cm 2 /V·sec], 400 [cm 2 /V·sec]. Here, P channel and N channel MOS-FET
If the channel lengths of both are 10 μ [1 μ = 10 -4 cm], the channel width/channel length of MOS-FET is (1)
From the formula, in P channel [W/L] P = 17110/
10. In N channels, (W/L) N = 3850/10.

このように、受光部1及び蓄積部2を駆動する
駆動回路のMOS―FETは非常に大きな寸法とな
り、しかも第1図に示した電極φI1〜φI4、φS1
〜φS4に対応して駆動回路が8個必要となる。し
たがつて、これらの回路を同一チツプ上に構成し
ようとすれば、全体のチツプサイズは更に大きな
ものとなり、歩留りおよびパツケージに問題が生
ずる。この点からもチツプサイズの小さい駆動回
路の実現が望まれる。
In this way, the MOS-FET of the drive circuit that drives the light receiving section 1 and the storage section 2 has a very large size, and the electrodes φ I1 to φ I4 and φ S1 shown in FIG.
~8 drive circuits are required corresponding to φ S4 . Therefore, if these circuits were to be constructed on the same chip, the overall chip size would become even larger, causing yield and packaging problems. From this point of view as well, it is desirable to realize a drive circuit with a small chip size.

次に、読出し部3を駆動する回路について考え
てみる。読出し部3の電極容量は受光部1、蓄積
部2に比べて小さい。しかし動作周波数が高い
為、読出し部3を駆動する回路では消費電力が問
題となる。第2図の回路で読出し部3を駆動した
ときの消費電力を求めてみる。例えば、1相当り
の電極容量C〓=150〔pF〕、動作周波数は6
〔MHz〕とし、充電電圧Vpを12〔V〕とすると、
消費電力は・C〓・(Vpにより求まり130
〔mW〕となる。
Next, consider the circuit that drives the reading section 3. The electrode capacitance of the reading section 3 is smaller than that of the light receiving section 1 and the storage section 2. However, since the operating frequency is high, power consumption becomes a problem in the circuit that drives the reading section 3. Let us calculate the power consumption when the reading section 3 is driven by the circuit shown in FIG. For example, the electrode capacitance per unit C = 150 [pF], the operating frequency is 6
[MHz] and charging voltage V p is 12 [V],
Power consumption is determined by ・C〓・(V p ) 2130
[mW].

読出し部3を駆動する回路で問題となるのは上
記した消費電力の他に、駆動回路自身が所有する
容量の充放電で消費する電力がある。駆動回路は
与えられた仕様を満すため、ある大きさの寸法を
もつたMOS―FETが必要で、MOS―FETの幾何
学的寸法によつて決まる容量が存在する。この駆
動回路自身が所有する容量は、第2図に示した回
路で述べると、PチヤネルMOS―FETおよびN
チヤネルMOS―FETのゲート容量と拡散容量が
ある。ゲート容量で消費される電力は、第2図に
示した回路を駆動するための前段のインバータで
消費する電力を想定している。
In addition to the above-mentioned power consumption, a problem with the circuit that drives the reading section 3 is the power consumed by charging and discharging the capacity of the drive circuit itself. In order for the drive circuit to meet the given specifications, a MOS-FET with certain dimensions is required, and there is a capacitance determined by the geometric dimensions of the MOS-FET. The capacitance possessed by this drive circuit itself is determined by the P channel MOS-FET and the N
There are gate capacitance and diffusion capacitance of channel MOS-FET. The power consumed by the gate capacitance is assumed to be the power consumed by the preceding inverter for driving the circuit shown in FIG. 2.

次に、これらゲート容量及び拡散容量の充放電
に伴ない消費される電力を求めてみる。例えば、
負荷容量C〓=150〔pF〕、出力波形の立上り時
間tr、立下り時間tfをそれぞれ16〔ns〕、40
〔ns〕、充電電圧Vpを12〔V〕とし、その他の設
計パラメータは前述した受光部1、蓄積部2で使
用したものと同じ値を用いるものとする。前述し
た(1)〜(3)式に従つて前述同様MOS―FETの寸法
を求めると、PチヤネルMOS―FETが(W/
L)P=4810/10、またNチヤネルMOS―FETが
(W/L)N=866/10となる。このMOS―FETの
幾何学的寸法からゲート容量及び拡散容量を求め
てみると、両者合せて約45〔pF〕となり、この
容量の充放電で消費する電力は40〔mW〕とな
る。
Next, the power consumed in charging and discharging these gate capacitances and diffusion capacitances will be determined. for example,
Load capacitance C=150 [pF], output waveform rise time t r and fall time t f are 16 [ns] and 40, respectively.
[ns], the charging voltage V p is 12 [V], and the other design parameters are the same as those used in the light receiving section 1 and storage section 2 described above. When the dimensions of the MOS-FET are determined in accordance with equations (1) to (3) above, the P-channel MOS-FET becomes (W/
L) P = 4810/10, and (W/L) N = 866/10 for N-channel MOS-FET. If we calculate the gate capacitance and diffusion capacitance from the geometric dimensions of this MOS-FET, they will total approximately 45 [pF], and the power consumed in charging and discharging this capacitance will be 40 [mW].

したがつて、第2図に示す駆動回路が消費する
電力は、外部の負荷容量の充放電で消費する電力
(130mW)と、内部の回路自身が所有する容量の
充放電で消費する電力(40mW)と合せて170
〔mW〕となる。つまり、駆動回路自身が所有す
る容量の充放電によつて消費する電力は、全体で
消費する電力の約24%に相当する。
Therefore, the power consumed by the drive circuit shown in Figure 2 is the power consumed by charging and discharging the external load capacitor (130 mW) and the power consumed by charging and discharging the capacity owned by the internal circuit itself (40 mW). ) total 170
[mW]. In other words, the power consumed by charging and discharging the capacity owned by the drive circuit itself corresponds to about 24% of the total power consumed.

このように読出し部3を駆動する回路は、消費
電力が大きく、しかも第1図に示す電極φR1〜φ
R4に対応してこの読出し部3では4個の駆動回路
が必要である。したがつて、これらの駆動回路を
全て同一チツプ上に構成しようとすれば、全体の
消費電力は更に大きなものとなり、パツケージの
許容範囲を超える可能性がある。この点から、駆
動回路自身が所有する容量によつて消費する電力
をできるだけ下げ、全体として消費する電力を低
減する回路の実現が望まれている。
The circuit that drives the reading section 3 in this way consumes a large amount of power, and moreover, the circuit that drives the readout section 3 consumes a large amount of power.
This reading section 3 requires four drive circuits corresponding to R4 . Therefore, if all of these drive circuits were to be constructed on the same chip, the overall power consumption would become even greater and may exceed the allowable range of the package. From this point of view, it is desired to realize a circuit that reduces the power consumed by the capacity of the drive circuit itself as much as possible and reduces the power consumed as a whole.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
第1及び第2のCMOSインバータ回路と、これら
第1及び第2のCMOSインバータ回路により駆動
されるバイポーラトランジスタとで回路構成する
ことによつて、画素数の大きいCCDを駆動する
場合、立上り時間あるいは立下り時間の速い転送
パルス波形とし得、しかもチツプサイズが小さ
く、消費電力の少ない電荷結合素子の駆動回路を
提供することを目的とする。
The present invention was made in view of the above circumstances, and
When driving a CCD with a large number of pixels by configuring a circuit with first and second CMOS inverter circuits and bipolar transistors driven by these first and second CMOS inverter circuits, the rise time or It is an object of the present invention to provide a charge-coupled device drive circuit that can provide a transfer pulse waveform with a fast fall time, has a small chip size, and consumes little power.

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明
する。第3図は本発明のCCD駆動回路を示して
おり、図において、11は電源VDDと接地との間
に設けられたPチヤネルMOS―FET Q1及びN
チヤネルMOS―FET Q2よりなる第1のCMOS
インバータ回路、12は同様なPチヤンネル
MOS―FET Q3とNチヤネルMOS―FET Q4
りなる第2のCMOSインバータ回路であり、これ
らの第1及び第2のCMOSインバータ回路の入力
端は回路入力端子INに共通に接続されている。
また、Q5はNPN形のバイポーラトランジスタで
あり、このトランジスタQ5のベースは前記第1
のインバータ回路11の出力端に、エミツタは第
2のインバータ回路12の出力端及び回路出力端
子OUTに、コレクタは前記電源VDDにそれぞれ
接続されている。また、この回路出力端子OUT
と接地との間には負荷容量C〓が接続されてい
る。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 shows the CCD drive circuit of the present invention. In the figure, 11 is a P channel MOS-FET Q 1 and N
Channel MOS - 1st CMOS consisting of FET Q 2
Inverter circuit, 12 is a similar P channel
This is a second CMOS inverter circuit consisting of MOS-FET Q 3 and N-channel MOS-FET Q 4 , and the input terminals of these first and second CMOS inverter circuits are commonly connected to the circuit input terminal IN. .
Further, Q 5 is an NPN type bipolar transistor, and the base of this transistor Q 5 is connected to the first
The emitter is connected to the output terminal of the inverter circuit 11, the emitter is connected to the output terminal of the second inverter circuit 12 and the circuit output terminal OUT, and the collector is connected to the power supply VDD . Also, this circuit output terminal OUT
A load capacitor C is connected between the ground and the ground.

上記駆動回路の動作を説明すると、入力端子
INに低レベル“0”の信号が印加されると、ト
ランジスタQ1,Q3がオン、トランジスタQ2,Q4
がオフとなる。トランジスタQ1がオンとなるこ
とにより、電源VDDからトランジ諏タQ1を通じ
てNPNトランジスタQ5のベースに電流が流れ、
このトランジスタQ5はオンとなる。従つて、充
電電流は電源VDDよりトランジスタQ3,Q5を通
じて負荷容量C〓に流れる、この時、NPNトラ
ンジスタQ5のオン抵抗はMOS―FETであるトラ
ンジスタQ3より低いため充電電流の大部分はト
ランジスタQ5に流れることになる。
To explain the operation of the above drive circuit, the input terminal
When a low level “0” signal is applied to IN, transistors Q 1 and Q 3 are turned on, and transistors Q 2 and Q 4 are turned on.
is turned off. When the transistor Q1 turns on, current flows from the power supply VDD to the base of the NPN transistor Q5 through the transistor Q1 ,
This transistor Q5 is turned on. Therefore, the charging current flows from the power supply V DD through the transistors Q 3 and Q 5 to the load capacitor C. At this time, the on-resistance of the NPN transistor Q 5 is lower than that of the transistor Q 3 which is a MOS-FET, so the charging current is large. A portion will flow to transistor Q5 .

通常、NPNトランジスタQ5の特性は、小電力
用トランジスタを例にとれば、コレクタ・エミツ
タ間飽和電圧VCE(sat)が約0.2〜1.5(V)存在す
る。また、NPNトランジスタQ5のベース電流は
MOSトランジスタQ1を通して電源VDDより供給
されるため、NPNトランジスタQ5の出力電圧
は、第3図ではMOSトランジスタQ1による電圧
降下分と、NPNトランジスタQ5のベース・エミ
ツタ間飽和電圧(約0.6〜0.7V)の分だけ電源VD
より下ることとなる。一方MOSトランジスタQ3
は上記NPNトランジスタQ5による出力電圧の低
下を補う働きをしており、トランジスタQ3によ
つて出力容量は電源電圧VDDまで充電される。従
つて、MOSトランジスタQ3の回路素子寸法とし
ては、前述した第2図の回路による素子寸法より
小さくて済み、チツプサイズの減少が可能とな
る。また、充電電流の大部分はNPNトランジス
タQ5に流れるため、大きな負荷容量に対しても
出力波形は急峻な立上り特性を得ることができ
る。
Normally, the characteristics of the NPN transistor Q5 include, for example, a low power transistor, a collector-emitter saturation voltage V CE (sat) of about 0.2 to 1.5 (V). Also, the base current of NPN transistor Q5 is
Since it is supplied from the power supply V DD through the MOS transistor Q 1 , the output voltage of the NPN transistor Q 5 is determined by the voltage drop caused by the MOS transistor Q 1 and the base-emitter saturation voltage of the NPN transistor Q 5 (approximately 0.6~ 0.7V )
It will be lower than D. On the other hand MOS transistor Q 3
serves to compensate for the drop in output voltage caused by the NPN transistor Q5 , and the output capacitance is charged to the power supply voltage VDD by the transistor Q3 . Therefore, the circuit element size of the MOS transistor Q3 can be smaller than the element size of the circuit shown in FIG. 2 described above, making it possible to reduce the chip size. Furthermore, since most of the charging current flows through the NPN transistor Q5 , the output waveform can have a steep rise characteristic even with a large load capacity.

次に、入力電力が高レベル“1”(VDD)の
時、トランジスタQ2およびトランジスタQ4がオ
ンとなり、トランジスタQ1,Q3がオフとなる。
トランジスタQ2がオンとなることにより、NPN
トランジスタQ5のベースに蓄積された電荷がト
ランジスタQ2を通して放電され、NPNトランジ
スタQ5はオフとなる。一方、トランジスタQ4
オンとなることにより、負荷容量C〓に蓄積され
た電荷はトランジスタQ4を通して放電する。こ
のとき、出力波形の立下り時間はトランジスタ
Q4のオン抵抗と負荷容量C〓との時定数で決ま
る。従つて、与えられた負荷容量C〓に対し、ト
ランジスタQ4の大きさを適当に設計すれば、所
要の立下り特性を得ることができる。
Next, when the input power is at a high level "1" (V DD ), transistors Q 2 and Q 4 are turned on, and transistors Q 1 and Q 3 are turned off.
By turning on transistor Q2 , NPN
The charge stored in the base of transistor Q5 is discharged through transistor Q2 , turning off NPN transistor Q5 . On the other hand, by turning on the transistor Q4 , the charge accumulated in the load capacitance C is discharged through the transistor Q4 . At this time, the fall time of the output waveform is
It is determined by the time constant of the on-resistance of Q4 and the load capacitance C〓. Therefore, by appropriately designing the size of the transistor Q4 for a given load capacitance C, a desired falling characteristic can be obtained.

次に、上記実施例回路における出力波形の立上
り時間の改善効果を従来の回路(第2図)との比
較により説明する。第4図a,bは前記第2図の
回路の実験回路とその入出力波形図で、第4図
c,dは本発明の第3図の回路の実験回路と、そ
の入出力波形図である。第4図b,dに示される
出力波形の比較から、第4図cに示す回路の立上
り時間は第4図aに示す回路の立上り時間に比べ
て約1/10程度と非常に早くなつていることがわか
る。また、第5図はこの発明による立上り時間の
改善効果を別な実験により示したものである。す
なわち、この第5図aの回路は、前記第4図dに
示した出力波形と同じ立上り時間を、もし第4図
aの回路構成で実現しよるとしたときはPチヤネ
ルMOS―FETが10個必要となることを表わして
いる。上記した第4図c,d及び第5図a,bに
示す実験結果からは、この発明による立上り時間
の改善効果は約10倍であることがわかる。
Next, the effect of improving the rise time of the output waveform in the circuit of the above embodiment will be explained by comparing it with a conventional circuit (FIG. 2). 4a and 4b are experimental circuits of the circuit shown in FIG. 2 and their input/output waveform diagrams, and FIGS. 4c and d are experimental circuits of the circuit of the present invention shown in FIG. 3 and their input/output waveform diagrams. be. A comparison of the output waveforms shown in Figures 4b and 4d shows that the rise time of the circuit shown in Figure 4c is very fast, about 1/10 of the rise time of the circuit shown in Figure 4a. I know that there is. Further, FIG. 5 shows the effect of improving the rise time according to the present invention through another experiment. In other words, if the circuit of FIG. 5a were to achieve the same rise time as the output waveform shown in FIG. 4d with the circuit configuration of FIG. This means that you will need more than one. From the experimental results shown in FIGS. 4c and d and FIGS. 5a and 5b, it can be seen that the rise time improvement effect of the present invention is approximately 10 times greater.

以上の実験結果から、次にこの発明に係る第3
図の回路を用いて受光部、蓄積部を駆動する場合
のチツプサイズを検討してみる。ここで、第3図
のMOS―FETQ3のチヤネル幅/チヤネル長は第
2図で設計した値の約1/10として(W/L)P
1710/10となる。しかし、この発明に係る第3図
の回路では、充電電流の多くがNPNトランジス
タQ5に流れるため、MOS―FETQ3の大きさは
(W/L)P=1710/10よりもつと小さくてよい。
本発明の第3図の回路は、従来の第2図の回路に
比べて新たにMOS―FETQ1,Q2及びNPNトラン
ジスタQ5が追加されて素子数が増えているが、
第3図の回路構成によるチツプサイズは第2図の
場合に比べて概略1/10程度に小さくできる。
Based on the above experimental results, the third
Let's consider the chip size when driving the light receiving section and storage section using the circuit shown in the figure. Here, the channel width/channel length of MOS-FETQ 3 in Figure 3 is approximately 1/10 of the value designed in Figure 2 (W/L) P =
It becomes 1710/10. However, in the circuit of FIG. 3 according to the present invention, most of the charging current flows through the NPN transistor Q5 , so the size of the MOS-FET Q3 may be smaller than (W/L) P = 1710/10. .
The circuit shown in FIG. 3 of the present invention has an increased number of elements compared to the conventional circuit shown in FIG. 2 by adding new MOS-FETs Q 1 and Q 2 and an NPN transistor Q 5 .
The chip size with the circuit configuration of FIG. 3 can be reduced to about 1/10 of that of FIG. 2.

同様に、読出し部(第1図3)を駆動する場合
の消費電力を検討してみる。第3図の回路の
MOS―FET Q3の大きさは、従来の第2図の回
路のMOS―FETQ1の約1/10とし、第3図のMOS
―FET Q4の大きさを従来の第2図のMOS―
FETQ2と同じ値とすれば、第3図のMOS―FET
Q3,Q4の大きさはそれぞれ(W/L)P=480/1
0,(W/L)N=866/10となる。これらMOS―
FET Q3,Q4が所要する容量は、その幾何学的寸
法から約15〔pF〕となる。この容量の充放電で
消費する電力は13〔mW〕となつて、負荷容量C
〓の充放電による消費電力(前述した設計例と同
じく130mWとする)とを合せると全部で143
〔mW〕となる。すなわち、MOS―FETQ3,Q4
が所有する容量の充放電によつて消費する電力は
上記143〔mW〕から見ると、約9〔%〕とな
る。なお、ここでは簡単のため第3図に示す
MOS―FETQ1,Q2及びNPNトランジスタQ5が消
費する電力は無視している。また、第3図の回路
全体が消費する電力としては、MOS―FET
Q1,Q2およびNPNトランジスタQ5の消費電力を
考慮しなければならない。しかし、従来の第2図
の回路との比較から、第3図の回路のMOS―
FETQ3,Q4が消費する電力に着目したとき、第
3図の回路は充電電流の多くがNPNトランジス
タQ5に流れるため、MOS―FETQ3の大きさは上
記の値(W/L)P=480/10よりもつと小さくて
よい。従つて、MOS―FET Q3,Q4が所有する
容量によつて消費する電力の割合は、上記の値9
〔%〕より更に小さくなることが期待できる。
Similarly, let us consider the power consumption when driving the reading section (FIG. 1, 3). The circuit in Figure 3
The size of MOS-FET Q 3 is approximately 1/10 of the conventional MOS-FET Q 1 in the circuit shown in Fig.
-The size of FET Q 4 is compared to the conventional MOS shown in Figure 2-
If the value is the same as FETQ 2 , the MOS-FET in Figure 3
The size of Q 3 and Q 4 is (W/L) P = 480/1
0, (W/L) N = 866/10. These MOS-
The capacitance required by FETs Q 3 and Q 4 is approximately 15 [pF] due to their geometric dimensions. The power consumed in charging and discharging this capacity is 13 [mW], and the load capacity C
Including the power consumption due to charging and discharging (130mW as in the design example above), the total is 143
[mW]. That is, MOS-FETQ 3 , Q 4
The power consumed by charging and discharging the capacity owned by the battery is approximately 9% from the above 143mW. In addition, here, for simplicity, it is shown in Figure 3.
The power consumed by MOS-FETQ 1 , Q 2 and NPN transistor Q 5 is ignored. In addition, the power consumed by the entire circuit in Figure 3 is MOS-FET.
The power consumption of Q 1 , Q 2 and NPN transistor Q 5 must be considered. However, from a comparison with the conventional circuit shown in Fig. 2, the MOS of the circuit shown in Fig. 3 is
Focusing on the power consumed by FETQ 3 and Q 4 , in the circuit shown in Figure 3, most of the charging current flows to the NPN transistor Q 5 , so the size of MOS-FETQ 3 is the above value (W/L) P It may be smaller than =480/10. Therefore, the proportion of power consumed by the capacity possessed by MOS-FETs Q 3 and Q 4 is equal to the above value 9.
It can be expected that it will be even smaller than [%].

上述した第3図の回路では、CMOS製造工程を
変えることなくNPNトランジスタQ5を同一基板
上に作ることができる。すなわち、N形半導体基
板でCMOS構造を考えたとき、NPNトランジス
タQ5のコレクタは上記N形半導体基板とし、ベ
ースはこのN形半導体基板に形成したPウエル層
とし、エミツタはこのPウエル層に形成したN+
拡散層とすることによつて、NPNトランジスタ
Q5を形成できる。
In the circuit shown in FIG. 3 described above, the NPN transistor Q5 can be formed on the same substrate without changing the CMOS manufacturing process. That is, when considering a CMOS structure using an N-type semiconductor substrate, the collector of the NPN transistor Q5 is the above-mentioned N-type semiconductor substrate, the base is the P-well layer formed on this N-type semiconductor substrate, and the emitter is connected to this P-well layer. Formed N +
By making it a diffusion layer, NPN transistor
Q5 can be formed.

第6図は本発明の他の実施例に係るCCD駆動
回路を示している。この第6図の回路は出力波形
の立上り時間を遅く、立下り時間を速くすること
を目的とした回路である。この回路は前述した第
3図のNPNトランジスタQ5の代りにPNPトラン
ジスタQ′5を使用している以外は同様である。こ
のPNPトランジスタQ′5のベースは第1のCMOS
インバータ回路11の出力端に、エミツタは第2
のCMOSインバータ回路12の出力端に、コレク
タはアースにそれぞれ接続されている。この第6
図の回路動作は、入力端子INに低レベル“0”
の入力電圧が印加されると、トランジスタQ1
Q3がオンとなり、トランジスタQ2,Q4および
PNPトランジスタQ′5がオフとなる。上記トラン
ジスタQ3がオンとなることにより、充電電流は
電源VDDからトランジスタQ3を通つて負荷容量
C〓に流れる。次に、入力端子INに印加される
入力電圧が高レベル“1”(VDD)のとき、トラ
ンジスタQ1,Q3がオフ、トランジスタQ2,Q4
びPNPトランジスタQ′3は共にオンとなる。した
がつて、負荷容量C〓に充電された電荷はトラン
ジスタQ4及びPNPトランジスタQ′5を通して放電
される。このとき、PNPトランジスタQ′5のオン
抵抗はMOSトランジスタQ4のオン抵抗より低い
ため、放電電流の大部分はPNPトランジスタQ′5
に流れることになる。したがつて、出力波形の立
上下り時間は早く、急峻な特性が得られる。
FIG. 6 shows a CCD drive circuit according to another embodiment of the invention. The circuit shown in FIG. 6 is intended to slow down the rise time and quicken the fall time of the output waveform. This circuit is similar except that a PNP transistor Q'5 is used in place of the NPN transistor Q5 of FIG. 3 described above. The base of this PNP transistor Q'5 is the first CMOS
At the output end of the inverter circuit 11, a second emitter is connected.
The collectors of the output terminals of the CMOS inverter circuits 12 are respectively connected to ground. This sixth
The circuit operation shown in the figure is that the input terminal IN is set to low level “0”.
When an input voltage of Q 1 ,
Q 3 turns on, transistors Q 2 , Q 4 and
PNP transistor Q'5 is turned off. When the transistor Q 3 is turned on, charging current flows from the power supply V DD to the load capacitor C through the transistor Q 3 . Next, when the input voltage applied to the input terminal IN is at a high level "1" (V DD ), transistors Q 1 and Q 3 are turned off, and transistors Q 2 and Q 4 and PNP transistor Q' 3 are both turned on. Become. Therefore, the charge stored in the load capacitor C is discharged through the transistor Q4 and the PNP transistor Q'5 . At this time, since the on-resistance of PNP transistor Q′ 5 is lower than that of MOS transistor Q 4 , most of the discharge current flows through PNP transistor Q′ 5
It will flow to Therefore, the fall time of the output waveform is fast and steep characteristics can be obtained.

上述した第6図の回路では、CMOS製造工程を
変えることなくPNPトランジスタQ′5を同一基板
上に作ることができる。すなわち、P形半導体基
板でCMOS構造を考えたとき、PNPトランジスタ
Q′5のコレクタは上記P形半導体基板とし、ベー
スはこのP形半導体基板に形成したNウエル層と
し、エミツタはこのNウエル層に形成したP+
散層とすることによつてPNPトランジスタQ′5
形成できる。
In the circuit shown in FIG. 6 described above, the PNP transistor Q'5 can be formed on the same substrate without changing the CMOS manufacturing process. In other words, when considering a CMOS structure with a P-type semiconductor substrate, a PNP transistor
The collector of Q'5 is the P-type semiconductor substrate mentioned above, the base is the N-well layer formed on this P-type semiconductor substrate, and the emitter is the P + diffusion layer formed on this N-well layer. ' 5 can be formed.

上記したCCD駆動回路にて前述した第1図の
CCDデバイスを駆動する場合、立下り時間が早
く、立上り時間の遅い転送パルス波形を受光部
1、蓄積部2、読出し部3に印加できるので
CCD転送の効率が向上する。
In the above CCD drive circuit, as shown in Fig. 1,
When driving a CCD device, a transfer pulse waveform with a fast fall time and a slow rise time can be applied to the light receiving section 1, storage section 2, and readout section 3.
Improves the efficiency of CCD transfer.

以上説明したように本発明のCCD駆動回路に
よれば、速度の早いバイポーラトランジスタを通
じて負荷を駆動するようにしているので、出力波
形の立上り時間あるいは立下り時間を速くするこ
とができる。したがつて、比較的画素数の大きい
CCDを駆動できると共に、CCD転送パルスの立
上り時間もしくは立下り時間を速くすることがで
きる。また、バイポーラトランジスタにより充電
もしくは放電電流の大部分を流すようにしている
のでMOSトランジスタを小さくでき、駆動回路
のチツプサイズを小さくできる。また、駆動回路
の自己容量を低減できるので消費電力を大幅に減
少させることができる。さらに、バイポーラトラ
ンジスタはCMOS製造工程を変えることなく同一
基板上に形成できるので、回路製作上何ら不都合
がない等の利点を有する。
As explained above, according to the CCD drive circuit of the present invention, since the load is driven through a fast bipolar transistor, the rise time or fall time of the output waveform can be made faster. Therefore, the number of pixels is relatively large.
Not only can the CCD be driven, but the rise time or fall time of the CCD transfer pulse can be made faster. Furthermore, since most of the charging or discharging current is made to flow through the bipolar transistor, the MOS transistor can be made smaller and the chip size of the drive circuit can be reduced. Furthermore, since the self-capacitance of the drive circuit can be reduced, power consumption can be significantly reduced. Furthermore, since bipolar transistors can be formed on the same substrate without changing the CMOS manufacturing process, they have the advantage that there are no inconveniences in circuit manufacturing.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は一般的なフレーム・トランスフア方式
のCCDデバイスの構成図、第2図は従来のCCD
駆動回路の構成図、第3図は本発明の一実施例に
係るCCD駆動回路の構成図、第4図は本発明の
回路と従来の回路との比較をするための図で、第
4図a,bは従来回路の実験回路図とこの入出力
波形図を示し、第4図c,dは本発明の回路の実
験回路図とその入出力波形を示す図、第5図a,
bは第4図aに示した従来の実験回路においてP
チヤンネルMOS―FETを10個並列に接続した時
の回路図とその入出力波形図、第6図は本発明の
他の実施例に係るCCD駆動回路の構成図であ
る。 11…第1のCMOSインバータ回路、12…第
2のCMOSインバータ回路、Q1,Q3…Pチヤネ
ルMOS―FET、Q2,Q4…NチヤネルMOS―
FET、Q5…NPNトランジスタ、Q′5…PNPトラン
ジスタ、C〓負荷容量。
Figure 1 is a configuration diagram of a general frame transfer CCD device, and Figure 2 is a conventional CCD.
FIG. 3 is a block diagram of a CCD drive circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram for comparing the circuit of the present invention with a conventional circuit. Figures a and b show an experimental circuit diagram of a conventional circuit and its input/output waveforms, Figures 4c and d show an experimental circuit diagram of the circuit of the present invention and its input/output waveforms, and Figures 5a and 5.
b is P in the conventional experimental circuit shown in Figure 4a.
A circuit diagram and its input/output waveform diagram when ten channel MOS-FETs are connected in parallel, and FIG. 6 is a configuration diagram of a CCD drive circuit according to another embodiment of the present invention. 11...First CMOS inverter circuit, 12...Second CMOS inverter circuit, Q1 , Q3 ...P channel MOS-FET, Q2 , Q4 ...N channel MOS-
FET, Q5 ...NPN transistor, Q'5 ...PNP transistor, C〓load capacitance.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 それぞれ相補型絶縁ゲート電界効果トランジ
スタよりなり、それぞれの入力端が共通接続さ
れ、それぞれのPチヤンネルトランジスタのソー
スが第1電源に接続され、それぞれのNチヤンネ
ルトランジスタのソースが第2電源に接続された
第1,第2のインバータ回路と、この第1のイン
バータ回路の出力端にベースが接続され、上記第
2のインバータ回路の出力端にエミツタが接続さ
れ、コレクタが前記第1電源あるいは第2電源に
接続されたバイポーラトランジスタとを具備し、
第2のインバータ回路の出力端信号により電荷結
合素子を駆動することを特徴とする電荷結合素子
の駆動回路。 2 前記バイポーラトランジスタはNPNトラン
ジスタであり、そのコレクタが第1電源に接続さ
れることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の電荷結合素子の駆動回路。 3 前記電界効果トランジスタはN基板上に形成
され、前記バイポーラトランジスタは上記N基板
をコレクタ、上記N基板に形成されるPウエル層
をベース、上記Pウエル層に形成されるN+拡散
層をエミツタとするNPN形であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の電荷結合素子の
駆動回路。 4 前記バイポーラトランジスタはPNPトランジ
スタであり、そのコレクタが第2電源に接続され
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
電荷結合素子の駆働回路。 5 前記電界効果トランジスタはP基板上に形成
され、前記バイポーラトランジスタは上記P基板
をコレクタ、上記P基板に形成されるNウエル層
をベース、上記Nウエル層に形成されるP+拡散
層をエミツタとするPNP形であることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の電荷結合素子の駆
動回路。
[Claims] 1. Each transistor is composed of complementary insulated gate field effect transistors, the input terminals of each transistor are connected in common, the source of each P-channel transistor is connected to a first power supply, and the source of each N-channel transistor is connected to a first power supply. first and second inverter circuits connected to a second power supply, a base connected to the output terminal of the first inverter circuit, an emitter connected to the output terminal of the second inverter circuit, and a collector connected to the output terminal of the second inverter circuit. a bipolar transistor connected to the first power supply or the second power supply,
A drive circuit for a charge-coupled device, characterized in that the charge-coupled device is driven by an output terminal signal of a second inverter circuit. 2. The drive circuit for a charge-coupled device according to claim 1, wherein the bipolar transistor is an NPN transistor, and a collector thereof is connected to a first power source. 3. The field effect transistor is formed on the N substrate, and the bipolar transistor has the N substrate as the collector, the P well layer formed on the N substrate as the base, and the N + diffusion layer formed on the P well layer as the emitter. 2. A drive circuit for a charge-coupled device according to claim 1, wherein the drive circuit is of an NPN type. 4. The drive circuit for a charge-coupled device according to claim 1, wherein the bipolar transistor is a PNP transistor, and a collector thereof is connected to a second power supply. 5. The field effect transistor is formed on a P substrate, and the bipolar transistor has the P substrate as a collector, the N well layer formed on the P substrate as a base, and the P + diffusion layer formed on the N well layer as an emitter. 2. A drive circuit for a charge-coupled device according to claim 1, wherein the drive circuit is of a PNP type.
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