JPH071927B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は固体撮像素子を内蔵したカメラヘッド部と、固
体撮像素子に電源電圧を供給すると共に、該固体撮像素
子からの信号を処理するビデオプロセッサ部とがケーブ
ルを介して接続された固体撮像装置に関する。

［従来技術］ 近年、集積化技術の進展に伴い、非常に小型化された電
荷結合素子（CCDと略記）等の固体撮像素子が可能とな
り、テレビカメラとか内視鏡等の撮像手段に使用される
ようになった。

例えば第５図はインターライン転送方式のCCDを利用し
た固体撮像素子の従来例を示す。

固体撮像素子１の受光部はマトリクス状に配列されたフ
ォトダイオード２からなる。各列（垂直列）のフォトダ
イオード２で発生される電荷は読出しゲート３を介して
垂直転送CCD4に供給される。読出しゲート３には読出し
ゲート端子LGを介して＋3Vの電源電圧（直流電圧）が印
加され、フォトダイオード２に生じた電荷が１フレー
ム、または１フィールド期間毎に読出される。垂直転送
CCD4の駆動は垂直駆動パルスφV1,φV2,φV3,φV4の４
組クロック信号が印加されることにより行われ、フォト
ダイオード２に生じた電荷が所定のタイミングで読出さ
れ転送される。垂直転送CCD4内を転送された電荷は１走
査線毎に水平転送CCD5に供給される。

水平転送CCD5は垂直転送CCD4から供給される電荷を１走
査線ずつ送り出している。水平転送CCD5の駆動は水平駆
動パルスφH1,φH2,φH3,φH4の４相クロック信号が印
加されることにより行われる。

水平転送CCD5の出力端子には出力ゲート６が形成され、
出力ゲート端子OGを介して＋7Vの電源電圧が印加されて
いる。この出力ゲート６を介して出力された信号電荷は
電界効果トランジスタ（FET）からなる出力トランジス
タ７のゲートに供給され、出力トランジスタ７のソース
の信号出力端子Voutを介して各フォトダイオードからの
信号電荷に対応した撮像信号が出力される。出力トラン
ジスタ７のドレインには出力ドレイン端子ODを介して＋
16Vのドレイン電圧が印加されている。

出力トランジスタ７のゲートにはFETからなるリセット
トランジスタ８のソースも接続され、各フォトダイオー
ドの撮像信号が出力された後、出力トランジスタ７のゲ
ートに印加されていた電荷がリセットパルスφＲによる
所定のタイミングでリセットトランジスタ８のドレイン
を介して、リセットドレイン端子RDより逃がされる。リ
セットドレイン端子RDにも＋16Vの電源電圧が印加され
ている。

また、固体撮像素子１のＰウェル端子PWには0Vの電源電
圧が印加され、基板バイアス端子SUBには＋8Vの電源電
圧が印加されている。

この様な固体撮像素子１を内蔵したカメラヘッド11とビ
デオプロセッサ12がケーブル13を介して分離された撮像
装置14を第６図に示す。

固体撮像素子１はカメラヘッド11に内蔵され、電源回
路、映像信号処理回路等を有するビデオプロセッサ12と
はケーブル13を介して接続される。

前述の様に、この固体撮像素子１は計４種類の電源電圧
を必要とし、４種類の電源電圧は第６図に示すようにビ
デオプロセッサ12から供給される単一の＋16Vの電源電
圧を分圧して求めている。

又、固体撮像素子１の信号出力端子Voutは出力バッファ
トランジスタQ1′のベースに接続され、撮像信号が増幅
されエミッタから出力される。

トランジスタQ1′のエミッタ出力は同軸ケーブル15の内
側導体を介してビデオプロセッサ12内の映像信号処理回
路（図示せず）へ伝送される。ビデオプロセッサ12で処
理された信号はCRTモニタ16に供給され、表示される。

同軸ケーブル15の外側導体はビデオプロセッサ12内で接
地される。

この様に撮像装置におけるカメラヘッドを小型化する為
に、本出願人は特開昭63−1260号にて、カメラヘッド11
における集積回路U1の構成を出案した。すなわち、U1に
おいてビデオプロセッサ12から供給される単一電源＋16
Vを抵抗R1′,R2′,R3′,R4′で分圧し、それら分圧され
た電圧をバッファトランジスタQ2′,Q3′,Q4′で電流増
幅し、その出力電圧＋8Vout,＋7Vout,＋3Voutをそれぞ
れ固体撮像素子１の基板バイアス端子SUB、出力ゲート
端子OG、読出しゲートLGに入力する。

［発明が解決しようとする問題点］ ここで、固体撮像素子１の出力信号ラインのみに注目す
ると、第７図の様になる。すなわち、カメラヘッド11か
ら分離されたビデオプロセッサ12までその出力信号を伝
送する為に、固体撮像素子１の出力VoutをバッファQ1′
にて低インピーダンス変換して同軸ケーブル15を駆動す
る。その際理想的な出力信号は第８図（ａ）の様にな
る。t_RはリセットパルスφＲ期間に相当する信号のリセ
ット部、t_Fはフィードスルー部、t_Sは入射光量に比例す
る光電変換信号部であり、理想的にはこの様な矩形波状
である。ビデオプロセッサ部ではこの波形を受け、t_F部
とt_S部の信号レベルをサンプリングなどの手法によって
演算し、ノイズ成分を除去し、信号成分のみを有効に分
離するが、第８図（ｂ）の様な高域特性の悪い波形が入
力された場合には、信号分離が有効に行われなくなって
しまう。

ここで、以下の様な原因で高域特性が悪くなる。同軸ケ
ーブル15は、特に極細同軸ケーブルなどでは、その静電
容量は100PF/mにもなり、又、整合インピーダンスも数
十Ωと低い。従って、ビデオプロセッサ受電端で理想的
な波形を得るには、トランジスタQ1′と抵抗R_Lにて構成
されるエミッタホロワの出力インピーダンスをケーブル
負荷に対して十分低くしなくてはならない。

トランジスタは、一般的に第９図の様な特性を持ってお
り、最適なコレクタ電流icを流した時に電流増幅率hfe
が最大値を持ち、この最大値付近で駆動する事により、
最適な周波数特性が得られる。更に、前記同軸ケーブル
の様な高容量負荷の駆動で、良好な周波数特性を得るに
はエミッタサイズをある程度大きくして電流値を上げな
くてはならない。この場合、エミッタサイズに比例して
第７図に示すトランジスタQ1′のベース・エミッタ間容
量Cbeの値が増加する。

ここで、固体撮像素子（実際には電荷結合素子）１の出
力段は、第７図で説明すると、アクティブロード付きの
ソースホロワとなっている。アクティブロードはFET20
と抵抗21による定電流源であり、LG電圧によって定電流
値が可変でき、すなわちソースホロワに対する負荷が変
えられる。アクティブロードは単に抵抗に置換えても同
様に考えられる。ソースホロワの出力Voutに対し、前記
容量Cbeが容量負荷となり高域特性が劣化する。

即ち、固体撮像素子１の出力段は、この容量Cbeのため
に該容量のCbeと抵抗R_Lがアクティブロードに並列接続
された状態となり、特に高周波側においてその影響が大
きくなる。このため、周波数が高くなると、出力段から
の出力信号Voutは、容量Cbeを介して（増幅されること
なく）負荷抵抗R_Lに出力されてしまう影響が生じるの
で、電流増幅率が大幅に低下してしまう。このため、高
域特性が劣化してしまうことになる。

上記容量Cbeによる影響は、この容量Cbeによるインピー
ダンスが固体撮像素子１の出力段のインピーダンスに近
い値になると顕著になるので、該出力段のインパーダン
スを下げることが有利である。逆に出力段のインピーダ
ンスが高いと、容量Cbeによる影響はあまり高くない周
波数でも現われ、より高域特性の劣化が顕著になる。

従って、上記のようにこの劣化を防ぐには、アクティブ
ロードの負荷抵抗値を下げる事によってソースホロワの
出力インピーダンスを下げてやればよいが、そうすると
固体撮像素子１での電流が増加し、発熱量が増えてしま
う。固体撮像素子の温度上昇はノイズ増加につながるの
で好ましくない。この様に、同軸ケーブル負荷を最適な
周波数特性で駆動しようとすると、以上の様に固体撮像
素子出力段とケーブル駆動用エミッタホロワの間で不利
な問題が生じる。

本発明は上述した点にかんがみてなされたもので、固体
撮像素子の温度上昇によるノイズの増大を防ぐことがで
き、同軸ケーブルによる容量性負荷の場合にも高域特性
の劣化を防止できるバッファ回路を備えた固体撮像装置
を提供することを目的とする。

［問題点を解決する手段及び作用］ 第１図に示すように、カメラヘッド11の固体撮像素子１
の出力信号Voutをベース・エミッタ間容量C1の小さいエ
ミッタホロワ接続の第１のトランジスタQ1で受け、周波
数特性を劣化させることなく、抵抗R1両端に低インピー
ダンスに変換された信号にする。この抵抗R1の信号は、
同軸ケーブル15が接続された容量性負荷を十分駆動でき
るように大きなコレクタ電流を流せるエミッタホロワ接
続の第２のトランジスタQ2で受け、エミッタ抵抗R2に接
続された同軸ケーブル15を介して信号処理するビデオプ
ロセッサ12に伝送される。この構成において、第１のト
ランジスタQ1のエミッタサイズは第２のトランジスタの
ものより小さくし、従って第１及び第２のトランジスタ
Q1,Q2のベース・エミッタ容量C1,C2はC1＜C2となる。

この第１のトランジスタQ1によって、固体撮像素子１の
出力段の信号を高域特性を劣化することなく、そのエミ
ッタ抵抗R1に生じるようにでき、この抵抗R1は低インピ
ーダンスであるので、容量C2を有する第２のトランジス
タQ2を接続しても、高域特性をあまり劣化することな
く、その抵抗R2に出力できる。尚、同軸ケーブル15の駆
動電流Ioに対し、第２のトランジスタQ2のベースに流れ
るベース電流Ibは、このトランジスタQ2の電流増幅率を
hfeとすると1/hfeとなるので、第１の抵抗R1は第２の抵
抗R2程小さくする必要はなく、R1＞R2として良い。

このようにして、固体撮像素子の出力電流を大きくする
ことなく、且つ高域特性を劣化することなく受電端側に
信号を伝送可能となる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第２図は本発明の第１実施例を示す。

第１実施例の固体撮像装置31は、固体撮像素子としての
CCD32を内蔵したカメラヘッド33と、このカメラヘッド3
3とケーブル34を介して接続された信号処理用ビデオプ
ロセッサ35と、このビデオプロセッサ35から出力される
映像信号を表示するカラーモニタ36とから構成される。

上記カメラヘッド33は、図示しない結像レンズの焦点面
にCCD32が配設され、このCCD32にはケーブル34によりビ
デオプロセッサ35から、CCD35駆動のためのドライブ信
号φR,φH1〜φH2,φV1〜φV4が供給されると共に、集
積回路U1′によって端子SUB,OG,LG,PWには端子RD,ODへ
の電圧を分圧した各種の電源電圧が供給される。

又、CCD32の出力端Vout出力信号は、集積回路U1′のド
ライブバッファ36により低インピーダンスに変換され、
同軸ケーブル37を介してビデオプロセッサ35の受電端に
伝送される。

上記ドライブバッファ（バッフア回路）36は、第１図に
示すものと同様にベース・エミッタ間の容量が小さく、
低インピーダンスに変換する第１のトランジスタQ1と、
そのエミッタ抵抗R1にそのベースを接続したケーブル駆
動用で大きなコレクタ電流icを流せる第２のトランジス
タQ2とを設けている。この第２のトランジスタQ1のエミ
ッタ抵抗R2には、同軸ケーブル37と整合させるための整
合抵抗R3を介して該同軸ケーブル37の一端と接続されて
いる。

上記集積回路U1′は、第６図に示す集積回路U1と、ドラ
イババッファ36部分が異なる以外は同様である。

上記同軸ケーブル37の受電端では、抵抗R4で入力端が整
合されたアンプＡに入力される。尚、この抵抗R4の直列
の容量C3は交流的に終端するためのもので、該容量C3を
設けないと、駆動系に大きな直流が流れてトランジスタ
Q2での電流量、つまり発熱量が大きくなるのを軽減して
いる。

この第１実施例では、第１図において説明したように、
第１のトランジスタQ1により、CCD32の出力信号を高域
特性を劣化させることなく低インピーダンスに変換し、
さらに大きなコレクタ電流icが流せる第２のトランジス
タQ2にてケーブル37を経て受電端側に信号を伝送してい
る。従って、第２のトランジスタQ2として、ベース・エ
ミッタ間容量が大きいものでも、高域特性をあまり劣化
させることなく伝送できる。

又、CCD32の出力段の電流を大きくしないで済むので、
ノイズの発生を防止できる。

又、第１実施例では集積回路U1′にてケーブル駆動回路
36を構成しているので、小型にできるし、又、トランジ
スタQ1,Q2としてエミッタサイズの異なるものを同一チ
ップ上に形成することによりC1＜C2等の条件も簡単に満
たすことができる。

第３図は本発明の第２実施例を示す。

この第２実施例は、第２図に示す第１実施例において、
第２のトランジスタQ2のエミッタ抵抗R2を受電端に移動
したものである。

この移動によって、カメラヘッド33内での集積回路U1′
での発熱を低減化している。つまり集積回路U1′内での
主な発熱源Q2,R2のうちの抵抗R2を受電端に移動するこ
とにより、集積回路U1′での発熱を少なくして、且つ回
路動作上は第１実施例と同様の機能を行うようにしてい
る。

第４図は本発明の第３実施例を示す。

この第３実施例はCCD32の出力信号をコンプリメンタリ
構成にして、負荷に対する電流の方向に対し、出力イン
ピーダンスを相補的にして、効率及び特性の改善等に有
利となるようにしている。

即ち、第２図に示す第１実施例におけるドライブバッフ
ァ36において、第１のトランジスタQ1のエミッタには第
１のトランジスタQ2のベースが接続されると共に、２つ
の等価ダイオードD1,D2を介して抵抗R1に接続すると共
に、前記第２のトランジスタQ2と相補的特性の第３のト
ランジスタQ3のベースに接続している。上記第３のトラ
ンジスタQ3のコレクタは接地され、そのエミッタは第２
のトランジスタQ2のエミッタと共に整合用抵抗R3の一端
に接続されている。

上記等価ダイオードD1,D2は例えばそれぞれトランジス
タのベースをコレクタに接続して構成されている。この
実施例でもドライブバッファ等は集積回路化して形成し
てある。

尚、同様のコンプリメンタリ構成の出力回路（ケーブル
駆動回路）を有するものとして、ダイアモンド構成によ
るものでも良い。何れの場合も、CCD32の出力端と接続
される前段側では入力容量を下げると共に、低インピー
ダンスとし、後段側では出力インピーダンスを低くし
て、大きな出力電流で同軸ケーブルのような容量性負荷
を駆動できるようにしている。

尚、上記第１〜第３実施例において、ドライバブッファ
（36等）を構成するトランジス（Q1,Q2等）を同一チッ
プ上に形成した集積回路化しないで、ディスクリートで
構成しても良いことは明らかである。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、固体撮像素子の出力
信号を受け、同軸ケーブルのような容量性負荷を駆動す
るドライブバッファを複数段に分け、前段側では固体撮
像素子出力も入力容量が小さく、出力インピーダンスを
下げ、後段側では駆動電流を大きくできるようにしてい
るので、固体撮像素子での発熱量を大きくすることなく
且つ良好な周波数特性でケーブル伝送して受電端側に出
力信号を伝送できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す構成図、第２図は本
発明の第１実施例の構成図、第３図は本発明の第２実施
例の構成図、第４図は本発明の第３実施例の構成図、第
５図は固体撮像素子としての電荷結合素子の構成図、第
６図は従来例の構成図、第７図は従来例における固体撮
像素子の出力段周辺を示す回路図、第８図は固体撮像素
子の出力波形を示す波形図、第９図はコレクタ電流に対
する電流増幅率を示す特性図である。 １……固体撮像素子、11……カメラヘッド 12……ビデオプロセッサ 15……同軸ケーブル 36……ドライブバッファ Q1,Q2……トランジスタ C1,C2……容量、R1,R2……抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体撮像素子を有するカメラヘッドと、前
   記固体撮像素子へ駆動信号を供給すると共に、前記固体
   撮像素子からの信号を処理するビデオプロセッサ部と
   が、ケーブルを介して分離された固体撮像装置におい
   て、 前記カメラヘッドは前記固体撮像素子の出力信号を受
   け、前記ケーブルを駆動するバッファ回路を有し、該バ
   ッファ回路は複数段で構成され、少なくとも前記固体撮
   像素子の出力信号を受けて低インピーダンスに変換する
   第１のトランジスタバッファと、該第１のトランジスタ
   バッファの出力信号を受け、前記ケーブルを駆動する第
   ２のトランジスタバッファとを有し、前記第１のトラン
   ジスタバッファの入力容量を第２のトランジスタバッフ
   ァの入力容量より小さくしたことを特徴とする固体撮像
   装置。