JPS6337997B2

JPS6337997B2 -

Info

Publication number: JPS6337997B2
Application number: JP54126853A
Authority: JP
Inventors: Masaru Noda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1979-10-03
Publication date: 1988-07-27
Also published as: JPS5651167A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は固体撮像素子を用いたビデオカメラに
おける固定パターン雑音除去回路に関する。

テレビカメラ等の撮像デバイスとして、従来の
撮像管に代つて、半導体ICで構成した固体撮像
装置が開発されている。第１図は、このような固
体撮像装置を模式的に図示したものである。第１
図において、１は水平走査回路、２は垂直走査回
路、３，３_o，３_o+1，３′_o，３′_o+1は平面状に配
置された複数個の１受光素子となる光ダイオー
ド、４，４_o，４_o+1，４′_o，４′_o+1などは同様に
配置された垂直スイツチ用MOSトランジスタ、
５，５_o，５_o+1は水平スイツチ用MOSトランジ
スタ、６，６，６′は垂直走査線、７，７_o，７_o+
_１は水平走査線、８，８_o，８_o+1は垂直信号線、
９は水平信号線である。なお、ここで添字のｎ，
（ｎ＋１）などは、ｎ番目、（ｎ＋１）番目の意味
である。

まず、このような固体撮像装置の信号読取法の
概要を説明する。

平面状に配置された光ダイオード３が光を受け
それぞれの受光量に応じた光電子をそれぞれの接
合容量に蓄える。垂直走査回路２により垂直走査
線６に正の走査パルスを発生すると、これにつな
がる横一列に並んだ垂直スイツチ用MOSトラン
ジスタ４_o，４_o+1，……がオン状態になる。引き
続き、水平走査回路１により、水平走査線７_o，
７_o+1，……に順次正の走査パルスを発生すると、
これに対応して、水平スイツチ用MOSトランジ
スタ５_o，５_o+1，……が順次オン状態になり、光
ダイオード３_o，３_o+1，……に蓄えた光電子が順
次出力端子１４に引き出され、画像信号となる。
３_o，３_o+1，……の光ダイオードの読み出しが終
ると、前記の垂直走査パルスが、垂直走査線６か
ら６′に移り、前記と同様の水平走査により、
３′_o，３′_o+1，……の光ダイオードの光電子が読
み出される。以上のような垂直走査と水平走査を
順次くり返えすことにより、全部の光ダイオード
の光電子を読みとり、画像信号を得る。

第２図イは、ｎ番目の水平スイツチ用MOSト
ランジスタのゲートに印加される水平走査パルス
波形１５_o、同様にロは（ｎ＋１）番目の水平走
査パルス波形１５_o+1を示す。第２図ハは、出力
端子１４（第１図）に得られる信号波形を示す。
スパイク状の電圧変動１７_o，１７_o+1および１８
_ｏ，１８_o+1はスパイク雑音と呼ばれ、第１図に示
したMOSトランジスタ５_o，５_o+1のゲートある
いは水平走査線７_o，７_o+1と水平信号線９との間
に存在する寄生容量１０_o，１０_o+1等によつて水
平走査パルスの立ち上りと立ち下り部で生じたも
のである。破線１９_o，１９_o+1は、信号電荷のあ
る場合を示す。

上記スパイク雑音は、これがどの走査点におい
ても常に一定の形状をしていれば、この波形の持
つ周波数成分はそのくり返し周波数とその整数倍
の周波数成分ばかりであり、本来の信号の周波数
成分に比べて周波数が高いから低域フイルタで容
易に除去でき、画像信号への害は少ない。しか
し、実際には、この波形の形状、大きさは水平走
査パルス波形１５_o，１５_o+1の変化、寄生容量１
０_o，１０_o+1の変化などにより大きく変化し、た
とえば、第３図に示すように丁度振幅変調波に似
た波形になる。しかし、普通の振幅変調波の場合
とちがつて、キヤリア周波数（スパイクのくり返
し周波数に相当）と変調周波数（スパイク波形の
変化する周波数）とが近接しているため、第３図
でみるように正極性スパイクの包絡線２０と負極
性スパイクの包絡線２１とに時間のずれが認めら
れ、したがつて全体としては、破線２２のように
スパイクのくり返し周波数よりも低い周波数成分
が含まれることになる。この成分は、本来の信号
と周波数帯が同じであり、もはや、低域フイルタ
で除去することはできず、疑似信号となつて画像
信号に妨害を与える。とくに、この疑似信号は、
垂直信号線８_o，８_o+1を共有する縦に並んだ光ダ
イオード（３_o，３′_o，……など）の信号に共通
して重なつて生ずるため、再生画面上では縦縞の
固定パタン雑音として現われ、非常に目立ち易
く、画質を大きく損なう。

このような固定パタン雑音を除去する従来の技
術として、第４図に示すような信号処理回路方式
がある。実願昭53−52105（実開昭54−155426）本
図において、２３は先に第１図で説明したような
固体撮像装置のセンサ部、２４は増幅器、２７は
積分コンデンサ、２８は積分リセツトスイツチ用
MOSトランジスタ、２９は負荷抵抗、３０は電
源、３１はリセツトパルス印加端子、３２は信号
出力端子などである。トランジスタ２５とエミツ
タ抵抗２６はエミツタ接地増幅回路を構成してい
る。第５図は、第４図の回路の要部の動作電圧波
形又は、電流波形図であり、これを用いて、回路
の動作を説明する。トランジスタ２５のベースに
第５図イの波形の信号が印加される。このスパイ
ク雑音は、正確には、第３図で説明したように正
極性スパイクとそれに続く負極性スパイクを一対
として１対１対が大きさ形状のちがうものである
が、ここでは煩雑さを避けるために一様の波形で
描いてある。またトランジスタ２５が直線性よく
動作するようにイの波形には適当な直流バイアス
電圧が重畳されている。第５図ロはリセツトパル
ス波形であり、そのハイレベル時に積分リセツト
スイツチ用MOSトランジスタ２８がオンし、ロ
ーレベル時にオフする。

今、時刻t_o以前にスイツチがオンしていたとす
ると、積分コンデンサ２７は負荷抵抗２９による
電圧降下を無視するとほぼ電源Ａ３０の電圧V_A
まで充電されている。時刻t_oでスイツチがオフす
ると積分コンデンサ２７に蓄えられた電荷はトラ
ンジスタ２５を通して放電され、（このときの放
電電流は第５図イの波形で制御された電流である
が）積分コンデンサの電圧（トランジスタ２５の
コレクタ電圧）は第５図ハに示す波形に従つて降
下する。その電圧降下量は、トランジスタ２５の
コレクタ電流を時刻t_oからt′_oまでの間で積分した
値、すなわち、その間の放電電荷の総和に比例し
積分コンデンサ２７の容量値に反比例している。
正極性スパイク雑音１７_oと負極性スパイク雑音
１８_oの両方を完全に含むように積分期間の始ま
りt_oと終りt′_oを定めると、積分により隣り合つた
正負両極性のスパイクは等レベルであるからこれ
は互いに打ち消し合い、積分値、すなわち、放電
電荷の総和は何らスパイクの影響を受けないこと
になる。

積分値は、トランジスタ２５の直流バイアス電
流によるものと、本来の信号電流分１９_oとによ
るものの和となる。

次いで、時刻t′_oにおいて積分リセツトスイツ
チがオンすると、積分コンデンサ２７は負荷抵抗
２９を通じて電源３０の電圧V_Aまで再び充電さ
れるが、このときの充電電荷量は、前述のt_oから
t′_oまでの期間に放電した電荷にほぼ等しいから、
（正確には、t′_oからt_o+1までの間にトランジスタ
２５を流れた電荷も加わる。）この充電電流波形
（第５図ニ）を負荷抵抗２９の電圧降下として信
号出力端子３２から取り出すことにより、スパイ
ク雑音分が除去された信号分を得ることが可能と
なる。実際には、第５図ニの波形を低域フイルタ
に通して得られる低域分（破線３７の平均値）が
画像信号となる。

以上は、この信号処理回路の動作原理の説明で
あるが、実際の使用に当つてはいくつか留意すべ
き事項がある。その第１点は、スパイク雑音の打
消し効果を良くするためには、積分期間の終り
t′_oをできるだけ遅らせることであり、第２点は、
t′_oを遅らせたことによつて次の積分開始点
（t_o+1）までの期間が短かくなるが、このために
積分のリセツト（積分コンデンサの充電）が十分
に行なわれなくなつて隣り同志の光ダイオードの
信号分が混ざり合つて解像度が劣化することを避
けなければならない。そのためには負荷抵抗を適
当に低い値に選び、また積分リセツトスイツチ用
MOSトランジスタのオン抵抗も十分に低い値の
ものが必要である。また、スイツチング時間も十
分に小さいものでなければならない。

ところで、このような従来の信号処理回路を
IC化するには、障害がいくつかあるがその一番
の問題は積分リセツトスイツチにMOSトランジ
スタを必要とすることである。ビデオ信号を処理
するリニアICには一般にMOS ICよりもバイポー
ラICの方が、いろんな点で適しており、したが
つて、このようなICにMOSトランジスタを必要
とすることは問題である。近年、バイポーラIC
にMOSトランジスタを混在して用いる技術も開
発されているが、オン抵抗や、スイツチング時間
等の重要な特性パラメータにおいてまだ性能が不
十分である。

このような理由から、以上説明した従来の信号
処理回路は、IC化に適しておらず、バイポーラ
IC化に適した新しい信号処理回路が要望されて
いる。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、MOSトランジスタが不要で、バイポーラ
ICに適した固定パタン雑音除去回路方式を提供
することである。

本発明の要点は、積分リセツトスイツチの機能
を果すものとしてダイオードあるいはトランジス
タの整流特性を応用し、また積分コンデンサの一
端にリセツトパルスを印加することによりコンデ
ンサの積分電圧にリセツトパルスを重畳したごと
く作用せしめ、この重畳パルスにより前記のダイ
オードあるいはトランジスタの導通・非導通を行
なわせて積分および積分リセツトを行なうもので
ある。さらに詳述すれば、本発明は入力電圧を電
流に変換するトランジスタとそのトランジスタの
コレクタに積分コンデンサとダイオードのカソー
ドを結び、そのダイオードのアノードを負荷抵抗
を介して電源に結び、前記積分コンデンサの他端
に負極性の積分リセツトパルスを印加してなり、
リセツトパルスのハイレベル時にダイオードがカ
ツトオフしてコンデンサは積分動作を行ない、リ
セツトパルスのローレベル時にダイオードがオン
して積分リセツトと同時にコンデンサに蓄えられ
た入力信号積分値を読み取り、負荷抵抗へ取り出
す。

以下、本発明を実施例によつて説明する。

第６図は本発明の第１の実施例を示す。第６図
において、３８は積分リセツトスイツチ用ダイオ
ードであり、その他第４図と同一記号は第４図で
説明したと同じかまたは同一の機能を有するもの
である。第７図は第６図の実施例の動作を説明す
るための波形図である。イはトランジスタ２５の
ベース電圧波形、ロはリセツトパルス印加端子３
１に印加するリセツトパルス波形、ハはトランジ
スタ２５のコレクタ電圧波形、ニは負荷抵抗２９
を流れる電流波形である。またイ〜ニの各波形図
は相互の時間関係も示している。第６図のトラン
ジスタ２５のベースに印加される信号波形は第７
図イのようにスパイク状であり、このスパイク雑
音は正確には第３図で説明したように１ケ１ケが
大きさ形状のちがうものであるが、煩雑さを避け
るために第５図イと同様に一様の波形で描いてあ
る。また、トランジスタ２５が直線性よく動作す
るように第７図イの波形には適当な直流バイアス
電圧が重畳されている。リセツトパルス印加端子
３１に印加されるリセツトパルスは第７図ロに示
すように負極性パルスである。

今、時刻t_oの直前においてリセツトパルスがロ
ーレベルにあつて積分コンデンサ２７の充電がす
でに完了し、したがつてトランジスタ２５のコレ
クタ電位が電源３０の電圧V_Aにあつたとする。
（正確にはトランジスタ２５のコレクタ電流が負
荷抵抗２９を流れることによる電圧降下分とダイ
オードによる電圧降下分をV_Aから差引かねばな
らないが、この降下分は小さいので無視して説明
する。また、ダイオードはオフセツト電圧のない
理想ダイオードとして説明する。）次いで時刻t_o
においてリセツトパルスがローレベルからハイレ
ベルに電圧V_Pだけ変化すると、積分コンデンサ
の両端電圧は急激には変化しえないから、トラン
ジスタ２５のコレクタ電位は、第７図ハに示すよ
うにリセツトパルス電圧V_Pの分だけ上昇し、（V_A
＋V_P）に達する。この状態においては積分リセ
ツトスイツチ用ダイオード３８は逆バイアス状態
となり、カツトオフする。そして、時刻t_oからt′_o
までの間、トランジスタ２５のコレクタ電流は直
流分を含めて全部積分コンデンサ２７を流れ、こ
れによつてコンデンサ２７に充電されていた電荷
は時間の経過と伴に減少し、その両端電圧が下る
から、トランジスタ２５のコレクタ電圧波形は第
７図ハに示すように低下する。t_oからt′_oまでの間
の電圧低下量Vcは、この間のコレクタ電流の積
分値、すなわち放電した電荷をコンデンサの容量
値で割つた値に等しいから、V_C≦V_Pの条件を満
たすようにコンデンサ容量値、コレクタ電流、リ
セツトパルス振幅、パルス幅等の関係を定めるこ
とにより、t_o〜t′_oの間でダイオード３８のカツト
オフ状態を維持できる。

次いで時刻t′_oにおいてリセツトパルスがハイ
レベルからローレベルに電圧V_Pだけ変化すると、
コレクタ電位は第７図ハに示すように（V_A−V_C）
まで低下し、（実際にはパルスの立ち下り時間の
ためハの波形先端がなまり（V_A−V_C）まで低下
しないが、ここでは原理説明につきこのようにし
た。）ダイオード３８が順バイアス状態となつて
オンする。同時に電源３０によるコンデンサ２７
の充電が開始される。充電の時定数Ｔは積分コン
デンサの容量値と負荷抵抗２９の抵抗値の積で与
えられることは自明であるが、これをリセツトパ
ルスのパルス幅τpに比べて十分小さくなるよう
に設定することにより、コンデンサ２７の充電を
急速に進行させることが可能であり、したがつて
コレクタ電位の波形は第７図ハに示すように
（V_A−V_C）からV_Aに向つて急速に上昇し、パル
ス期間の終了時（t_o+1）までにはほぼ充電を完了
し、最初のt_o時点と同じ状態にもどる。この間の
充電電流波形は第７図ニに示すようになる。な
お、積分コンデンサの状態を積分前の状態にもど
すことを積分リセツトと呼び、その役割を果すパ
ルスとダイオードをリセツトパルス、リセツトス
イツチ用ダイオードと呼ぶ。このようなt_oから
t_o+1までの期間の動作を１サイクルとしてこれを
次々とくり返えして動作する。

ところで、t′_oからt_o+1までの期間の充電電荷量
はt_oからt′_oまでの期間にトランジスタのコレクタ
電流となつて放電した電荷量に一致する。そし
て、これは前述のようにt_oからt′_oまでのコレクタ
電流の積分値に比例しているものであるから、
t′_oからt_o+1までの期間の充電電荷を信号として取
り出せば、従来技術の説明と同様に正負両極性の
スパイク雑音が打ち消された本来の信号分だけを
得ることができる。一方、t′_oからt_o+1までの期間
の充電電荷はこの期間の充電電流の積分値に等し
いから、負荷抵抗２９に充電電流が流れることに
よつてその両端に生ずる電圧波形を低域ろ波器に
通すことにより、上記の信号分を得ることができ
る。なお、正確には、パルス期間（t′_o〜t_o+1）に
負荷抵抗２９に流れる電流には、充電電流の他に
トランジスタ２５のコレクタ電流も加わるが、そ
の比率は小さいので本発明の理解の妨げにはなら
ないし、またかりに、これも精密に考慮に入れて
考察すれば、正負両方向のスパイク雑音がより正
密に打ち消されることになることも理解できよ
う。

この第１の実施例において、留意すべき点は、
積分コンデンサと負荷抵抗とによつて定まる充電
時定数をパルス幅τpよりも小さく設定すること
である。その設計例は、140nSec周期で光ダイオ
ードを水平走査する固体撮像装置に対して、パル
ス幅τp：50nSec、積分コンデンサ容量：40pF、
負荷抵抗：150Ω、充電時定数6nSec.である。コ
ンデンサ容量値をあまり小さくすると第７図ハに
示したV_Cが大きくなり、それに見合つてパルス
振幅の増大が必要となり、また、負荷抵抗をあま
り小さくするとその両端に取り出しうる信号電圧
が小さくなるので同じ時定数でもコンデンサと負
荷抵抗値の選定には慎重を要す。

次に、上記した負荷抵抗選定に関する束縛を排
し、したがつて、十分な信号電圧を取り出しうる
ように改善した第２の実施例を第８図によつて説
明する。

第８図において、４１は積分リセツトスイツチ
用トランジスタ、４２は電圧V_Aの電源、３０は
V_Aより高い電圧V_Bの電源であり、その他は第１
の実施例のものと同じかまたは同じ機能を果すも
のである。

本実施例を説明するに当り、前記第７図の波形
図を再び使う。今、時刻t_oの直前においてリセツ
トパルスがローレベルにあつて積分コンデンサ２
７の充電がすでに完了し、したがつてトランジス
タ２５のコレクタ電位が電源４２の電圧V_Aにあ
つたとする。（説明を簡略にするためトランジス
タのベースエミツタ間オフセツト電圧Vbeはない
ものとする。）次いで時刻t_oにおいてリセツトパルスがローレ
ベルからハイレベルに変化すると、トランジスタ
２５のコレクタ電位は第７図ハに示すようにリセ
ツトパルス電圧V_Pの分だけ上昇し、（V_A＋V_P）
に達する。この状態においてトランジスタ４１の
ベースエミツタ間は逆バイアス状態となり、カツ
トオフする。そして、時刻t_oからt′_oまでの間の動
作は第１の実施例の場合とまつたく同様であり、
トランジスタ２５のコレクタ電圧波形は第７図ハ
に示すようにコレクタ電流の積分値に比例して低
下する。もちろん、t_o〜t′_oの間はトランジスタ４
１はカツトオフ状態を保つ。

次いで、時刻t′_oにおいて、リセツトパルスが
ハイレベルからローレベルにV_Pだけ変化すると、
トランジスタ２５のコレクタ電位は第７図ハに示
すように（V_A−V_C）まで低下しようとし、（パル
スの立ち下り時間があるためと、トランジスタ４
１のエミツタ抵抗とコンデンサ２７の積で決まる
充電時定数が小さいことにより実際には（V_A−
V_C）までは低下しない。）トランジスタ４１のベ
ース・エミツタ間が順バイアス状態となつて、活
性状態に入る。同時に電源３０から負荷抵抗２
９、トランジスタ４１、を介してコンデンサ２７
の充電が開始される。この時の充電の時定数Ｔは
トランジスタ４１のエミツタ抵抗とコンデンサ２
７の容量値の積で与えられ、負荷抵抗２９の抵抗
値には依存しない。この点が前述の第１の実施例
と異なるところであり、抵抗値を適当に大きな値
に設計できるので十分な信号電圧を取り出せると
いう利点がある。トランジスタ４１のエミツタ抵
抗値は、エミツタ電流値に依存するが、50Ω以下
は容易に得られ、充電時定数Ｔはパルス幅τpに
比べて十分小さく設計可能である。パルス期間の
終了時（t_o+1）までにはほぼ完全に充電が完了
し、最初のt_o時点と同じ状態にもどる。このくり
返しによつてこの回路が動作するのは第１の実施
例の場合と同じであり、これにより、スパイク雑
音が除去される点についても同じである。

第２の実施例の特徴を要約するとトランジスタ
４１を、そのベース・エミツタ接合の整流特性を
利用して積分リセツトスイツチとして動作させ、
かつ同時にベース接地増幅器として動作させてい
ることである。これにより、充電時定数には無関
係に負荷抵抗値を選定でき、大きな信号電圧を得
ることが可能となる。

次に、第３の実施例を、第９図に示す。この実
施例は抵抗４３をトランジスタ４１のエミツタに
直列に挿入したものである。この抵抗４３により
前記充電時定数を必要に応じて加減可能となる。
また充電電流のピーク値はリセツトパルスの振幅
を充電抵抗（トランジスタ４１のエミツタ抵抗に
抵抗４３の抵抗値を加えたもの）で割つた値にほ
ぼ一致するから、抵抗４３の値の加減により負荷
抵抗２９に流れる電流のピーク値を加減して、ト
ランジスタ４１が飽和することのないような適切
な設計が可能となる。

次に、第４の実施例を、第１０図に示す。この
実施例は抵抗４４を積分コンデンサ２７に直列に
挿入したものである。この抵抗４４により、第３
の実施例の場合と同様に充電時定数と、充電電流
のピーク値を適切に設計可能となることは明白で
ある。本実施例のさらに別の利点は、充電期間に
生ずるトランジスタ２５のコレクタ電圧のスパイ
ク状の低下（第７図ハ参照）を小さくできその分
だけ電源４２の電圧設定の自由度が増すことであ
る。

なお、以上の実施例の変形として次のものが考
えうる。第１〜第４の実施例において、各トラン
ジスタをNPN形からPNP形に変更することも可
能である。この変更に伴ない電源の極性を逆にす
ることや、第１の実施例におけるダイオードの方
向を逆にすることは当然である。尚、ダイオード
３８はIC回路でよく見られるような、ベース、
コレクタが導電接続されたダイオード接続型のト
ランジスタであつてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、固体撮
像装置に特有なスパイク雑音と、それによつて画
面に生ずる固定パタン雑音が除去できるような信
号処理回路が、従来技術では必要であつたMOS
トランジスタを用いることなく実現でき、回路の
ICが極めて容易となる。

本発明のさらに別の効果は、充電時定数とは独
立に負荷抵抗の設定が可能なことにより、信号処
理回路の利得を大きく設定できることである。

なお、本発明の説明は、除去の対象となるスパ
イク雑音が固体撮像装置に特有なものであるとし
て進めたが、別の装置あるいは信号処理回路にお
いても類似の雑音が生じ、これの除去が必要とな
る場合があるが、このような場合においても本発
明は有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図固体撮像装置の模式図、第２図同上の水
平走査パルスと出力信号の波形図、第３図スパイ
ク雑音波形図、第４図従来技術による雑音除去回
路、第５図同上の動作説明図、第６図本発明の第
１の実施例、第７図同上の動作説明図、第８図本
発明の第２の実施例、第９図本発明の第３の実施
例、第１０図本発明の第４の実施例。符号の説明、２３……固体撮像装置のセンサ
部、２４……増幅器、２５……トランジスタ、２
７……積分コンデンサ、２９……負荷抵抗、３１
……リセツトパルス印加端子、３２……信号出力
端子。

Claims

【特許請求の範囲】１半導体基体の表面領域に設けられた複数の光
電変換素子に蓄積された光情報を不連続走査パル
スにより順次に読み出す固体撮像素子から出力さ
れるビデオ信号に含まれる雑音成分を一絵素ごと
に積分および積分リセツトして除去する雑音除去
回路において、入力電圧を電流に変換する第１の
トランジスタと、該トランジスタのコレクタに一
端を結び他端にリセツトパルスが印加されたコン
デンサと、一端を前記トランジスタのコレクタに
結び他端を負荷を介して第１の電源に結んだ一方
向性半導体素子とを具備することを特徴とする雑
音除去回路。２前記一方向性半導体素子はダイオードまたは
ダイオード接続されたトランジスタであることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の雑音除去
回路。３前記一方向性半導体素子はエミツタを前記第
１のトランジスタのコレクタに結び、コレクタを
前記負荷に結び、ベースを第２の電源に接続した
第２のトランジスタであること特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の雑音除去回路。