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JP2008504602A - 電荷結合素子において一定量の電荷を減算または加算する装置 - Google Patents

電荷結合素子において一定量の電荷を減算または加算する装置 Download PDF

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Abstract

電荷結合素子(CCD)などにおいて、メモリ効果の発生を回避するために、処理段を分割化およびパイプライン化することによって電荷サンプルからある一定の電荷量を加算または減算する回路に関する。減算などの動作は複数段に分割されて、各段は、所望の除去量である全体電荷量の一部のみの除去を担う。各減算パイプライン段は所望の全体電荷量を除去するために協同して動作する。一実施形態では、各連続する減算段は前段よりも少ない電荷量を除去する。その結果、従来の電荷減算方法に比べて、より高周波数での動作に加えて、除去される電荷量のより優れた正確性が達成される。
【選択図】 図1

Description

関連出願
本出願は、2004年6月21日出願の米国特許出願第10/872,820号の継続出願である。上記出願の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。
本発明は、例えば電荷結合素子(CCD)に使用されるような、所定の電荷サンプルから一定量の電荷を減じる回路に関する。
電荷結合素子(CCD)は、今日、ディジタルカメラ、携帯電話、無線データネットワーク機器、MP3プレーヤーのようなオーディオ装置、ディジタルビデオディスク(DVD)プレーヤーのようなビデオ装置、ハイビジョンディジタルテレビ(HDTV)機器、およびその他多くの製品などの、一般消費者向け装置において広く使用されている。CCDをベースとした回路では、信号は電荷パケットまたは差分電荷パケット対として表される。
CCD装置自体は、分離した電荷パケットを記憶および移動させる基本機能を提供する。当技術分野では、記憶されたパケットに演算および他の操作を実行する各種の回路が公知である。例えば、電荷パケットは、合算(結合)、2つまたはそれ以上の部分に分割、条件によって1つの回路経路または別の経路に誘導、破壊的または非破壊的な検出などなされる。これらの回路を利用することによって、CCDを多数の信号処理タスクに極めて容易に適合させることができる。
実現が比較的難しいことが立証されている数学演算は減算である。減算の各種の方法が従来の公報および/または特許に記載されている。例えば、Edwards、NPらに交付され、International Business Machines社に譲渡された、米国特許第4,239,983号は、2つの最初の電荷量の差を表す電気量を取得する回路を開示している。この特許出願に記載されている方法においては、一対のCCD入力シフトレジスタが、それぞれ、フローティングゲートモードで動作する、少なくとも1つのポテンシャル井戸を含む。2つの空間的に分離した電荷パケットが一対のレジスタに順番に入出力される。その後、2つのフローティングゲートの電極の出力は共通ノードで結合されて調整される。調整された出力は2つの最初の電荷パケット間の差を表す。
Fossum,E.R.による論文「線形および小型の電荷結合電荷パケット・ディファレンサ/レプリケータ(A linear and compact charge coupled charge packet differencer/replicator)」(IEEE Trans. Electron Devices、Vol.31、No.12、1280-1287頁、1984年12月)および「電荷ドメイン信号処理においてCCD−BVD構造を使用する電荷パケットのワイヤ転送(Wire transfer of charge packets using a CCD- BVD structure for a charge domain signal processing)」(IEEE Trans. Electron Devices、Vol.38、No.2、291-298頁、1991年2月)は、一定量の電荷を電荷パケットから除去することによって電荷減算するさらに別の方法を記載している。しかし、これらの回路は、非線形性であり、雑音の影響を受けやすく、動作速度が遅いといったさまざまな不利な点を有する。
従来技術はまた、キャパシタに蓄積された電圧を利用して電荷を減算する別の方法を含む。この方法は2つの信号電荷パケットの直接減算を提供しないが、信号(または電圧として導入される一定値)は減算される電荷量を決定することができる。この回路では、Fossumによる上述の論文に記載されている装置に類似する、いわゆる「ワイヤ転送」装置が使用される。しかし、この改良された方法においては、キャパシタおよび切換電圧ノードをワイヤ転送装置と共に使用して、電荷減算を実行する。
この方法は電荷減算の他の方法に比べて、以下の理由によるいくつかの利点を有する。
(1)減算されるまたは加算される値に関して線形性が優れている。
(2)減算対象の開始電荷パケット値に関して優れた線形性を得ることができる。
(3)この方法を組み込むCCD信号処理素子と同一速度で作用する。
(4)ほとんど雑音を発生しない。
(5)減算または加算の処理中、1つのCCDセグメントから隣接しないCCDセグメントに電荷を転送するのに使用できる。
このように、当技術分野においては、ワイヤ転送装置および電圧切換キャパシタを用いる電荷減算回路は公知である。しかし、減算される電荷量が入力電荷の大部分(例えば、80%もしくは90%またはこれ以上大きい)を構成する場合、「メモリ効果」がこれらの回路で観察される。すなわち、前の入力値が後続サンプルに対して減算される実際の電荷量に顕著な影響を与える。これは、高い動作周波数の連続クロックサイクルで極めて正確に電荷量を減算することが期待される回路においては、極めて望ましくない。
本発明は、ワイヤ転送、切換キャパシタ式の装置を用いて電荷の減算または加算を行う公知技術の延長である。本発明の好ましい実施形態においては、電荷処理回路はパイプライン式であって、数個の連続する段において所望の電荷量の減算または加算を可能にする。
例えば、減算の実行の場合には、複数の電荷減算段が設けられる。各段は、除去電荷の全体量の比較的少ない一部分(少なくとも、メモリ効果の発生を防止するのに十分小さい量)を減算する。好ましくは、各減算段の結果は、次の減算段への転送の準備ができるまで、例えばCCD保持レジスタによって、一時的に蓄えられる。一連の減算段を組み合わせることで、所望の電荷量の全体を除去することができる。その結果、いずれの段もメモリ効果を発生せず、さらに全体としてもメモリ効果を発生せずに、所望の電荷量を減算することができる。これは、減算電荷量が80%、90%または入力電荷の大部分である場合であっても、達成できる。
好ましい一実施形態においては、減算は少なくとも2つの段を用いるパイプライン処理である。しかし、2つの段よりも多い段への拡張は簡単であり、高い周波数動作が要求される設計において、または入力電荷の比較的大きな割合分(例えば入力量の>90%)の減算が要求される場合において、一般に利用される。
一実施形態では、電荷減算量はパイプラインの連続する段に対して除々に小さくなるように選択される。
本発明の前述および他の目的、特徴および利点は、添付図面に示される、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面においては、同一参照符号は異なる図面であっても同一部分を指す。図面は必ずしも縮尺どおりでなく、本発明の原理を説明することに重点を置いている。
本発明は、電荷結合素子(CCD)における所定の電荷サンプルから正確な電荷量を減算するように構成できる回路である。本発明の主要機能は、高い動作周波数でサンプル化される入力電荷の任意の値から電荷量を減算する能力であり、減算される電荷量が入力電荷サンプルの極めて大きい割合分(90%よりも多い)を占める場合であっても減算できる能力である。電荷減算の従来方法とは異なり、本発明は減算される電荷の値に関するメモリ効果に悩むことはない。減算動作は2つまたはそれ以上の段に分割され、各段は除去される全体電荷の一部のみを除去する。各減算段が組み合わさって、全体電荷の所望の値を除去する。好ましい実施形態では、連続する各減算段は、相当の少ない電荷量を除去する。本発明は、除去される電荷量の優れた正確性を提供するのみでなく、従来の公知の電荷減算回路に比べて高い周波数で動作できる。
次に、図1を参照して、本発明が電荷減算機能体10として実現される場合、この電荷減算機能体10は2つまたはそれ以上の電荷減算段、20−1、20−2、…20−nを備える。典型的な第1電荷減算段20−1は、左側からの入力電荷、および除去される電荷量ΔQ1を示す電圧を受け取る。所望の電荷量を除去した後、出力CCD保持レジスタ30−1が、段20−1の減算の結果を記憶する。
段20−2といった後続の減算段は第1の減算段20−1と同様に動作する。ただし、段20−2は異なる電荷量ΔQ2を除去し、CCD保持レジスタ30−2は第2減算段20−2の結果を記憶するために使用される。
最終的に、n番目の減算段20−nが、その段の電荷量ΔQnを除去して、出力保持レジスタ30−nに最終的な結果を生成する。
除去される全体電荷量ΔQdは、ΔQd=ΔQ1+ΔQ2+…+ΔQnに等しい。
好ましい実施形態においては、連続する減算段20−2,…20−nは、直前の段よりも少ない電荷量を除去する。例えば、100fC(フェムト・クーロン)入力電荷から93.6fC、すなわち93.6%を除去する実施例においては、これらの段を以下のように構成できる。
ΔQ1=60fC=60%QI1
ΔQ2=24fC=60%QI2
ΔQ3=9.6fC=60%QI3
したがって、
ΔQd=60fC+24fC+9.6fC=93.6fC=93.6%QI1
最終結果は、入力電荷のほぼ93.6%の除去である。この結果は、個々の減算段20−1、20−2、…20−nのいずれもが、全体入力電荷の約60%よりも多く除去する必要なく得られる。任意の特定の減算段20が扱わなければならない電荷サンプルの除去量をこのように抑えることによって、正確に除去する能力に悪影響を及ぼす深刻なメモリ効果を回避することができる。すなわち、後続のサンプルに対して減算される電荷量における多くの誤差はもはや発生しない。
次に、ワイヤ転送装置およびストレージキャパシタを使用する減算段の1つにおける動作について説明する。当然のことながら、その他の電荷減算回路も利用できる。
図2は、減算段20−1およびレジスタ30−1のより詳細な図である。
図3A〜図3Gは、一連の期間における段20−1の各電極の下のチャネル電位(表面電位)レベルを示している。
図4は、先の説明により示されているゲート電圧の波形を示している。図3A〜図3Gにより表されている例は、参照のために図4に示され、T3A−T3Gとして記されている。
なお、図2の装置要素の表示ならびに図3の電荷および電位の表示は、CCDを用いた設計に慣れている当業者にはよく知られている形式である。また、図および以下の付随する説明は表面チャネル、オーバーラップゲート、N−チャネルCCD処理を仮定しているが、本発明は他の種類のCCDに等しく適用可能である。このような他の種類は、埋め込みチャネル型CCD、他のゲート設計を備えるCCD、PチャネルCCD、ショットキー障壁CCDなどを含む。カスコード設計といったさらに複雑な設計もまた本発明において使用できる。さらに、示されているもの以外のクロッキング方式を用いて、減算段を実現することもできる。
図2は左側から始まり、そこにはクロック電圧V1、V2およびV3によってそれぞれ駆動される3つの連続するCCDゲート101、102および103が示されている。これらのゲートは、図2の左側に入力電荷サンプルを供給するCCDシフトレジスタから連続していると仮定される。減算段20に使用されるクロッキング方式では、偶数のゲートはいわゆる蓄積ゲートであり、奇数のゲートはいわゆる障壁ゲートである。
ゲート103に続いて、拡散領域104、別のクロック電圧V4によって駆動されるゲート105および第2の拡散領域106が存在する。拡散領域106は一定の電圧V8に維持されている。
図の右側は減算段20の第2部分およびこの第2部分の電位レベルを示す。この第2部分は、左側部分の構成要素と共通基板の別の領域に配置されてもよい。
減算段20のこの第2部分は第3の拡散領域108を含み、この拡散領域108に、CCDゲート109、110、111、112および113が続く。
保持レジスタ30はゲート109および110から成り、それぞれクロック電圧V5およびV6によって駆動される。ゲート111、112および113はクロックV1、V2およびV3によって駆動される。
装置の第2部分すなわち右側の部分は、ここでは「ワイヤ」と称される接続体107によって、第1部分(左部分)に接続される。ここで、接続体107は、金属または他の導体から作製される。ワイヤは2つの拡散領域104および108を連結する。
また、キャパシタ114がワイヤ107のノードAに接続され、切換電圧V7によって駆動される。キャパシタ114は左フローティングであり、その電位は以下に説明するようにして得られる。なお、ワイヤ107およびノードAによって、拡散領域104と108の電位は常に等しい。したがって、拡散領域104と108との間に不均衡を生じさせる全ての傾向は、ワイヤ107を通る電流によって是正される。
以下の説明は各種ゲートおよび拡散領域の下の「表面電位」に言及する。これらの電位は図3Aに記されており、これらは明確化のために図3B〜図3Gにおいて(符号を付していないが)等しく適用可能である。以下の説明はまた、信号電荷として電子を想定しているため、ゲート電圧における正の変化は表面電位における負の変化をもたらす。拡散領域104、106および108の表面電位は、外部接続点において負の電圧が取り込まれる。したがって、表面電位の負の値が大きくなるほど電荷蓄積能力が大きくなるという意味では、電位図は逆になっている。一般に、装置における電荷パケットフローは図の左から右に発生する。
なお、以下の説明に併せて図4の電圧図を参照するのが有効である。図4における時間は、図3A〜図3Gのそれぞれにより示される状態に対応する。例えば、図4のT3Aは図3Aの電荷状態図を生成する電圧V1〜V7の状態に対応し、図4のT3Bは図3Bにおける電荷の状態に対応する一連の電圧であり、図3C〜図3Gについても同様である。
装置の最初の状態は図3Aに示されている。電荷パケットはゲート102および112の下に保持されている。ゲート102の下の電荷パケットは、減算段20への入力電荷として使用され、ゲート112の下の電荷パケットは出力電荷である。この出力電荷は、図1を参照して説明した対応する保持レジスタ30によって保持される電荷となる。
拡散領域104および108の電位は、ワイヤ接続107を通してこれらの拡散領域からの電荷を、障壁ゲート105を超えて、ドレインとして作用する拡散領域106に流すことによって設定される。この流れは矢印の電流121として記されている。図3Aに示されているこの処理の終了時において、電流121はごく僅かな値つまり無視できる値に減少し、拡散領域104および108の電位は、電圧V4によって設定されるゲート105の下の表面電位で安定する。
図3Bはゲート電圧V1、V3、V4、V5、V6および減算制御電圧V7における第1の変化から生じる電位を示している。この変化は上方向または下方向の矢印よって示される。V5はV4が図3Aにおいて有した値を取り、これにより図3Bにおける表面電位Φ109が図3Aの電位Φ105(ほぼ−2ボルト)に等しくなる。図3Aから図3Bへの変化の間、信号電流は流れない。ΔV7、すなわちV7の正の変化は拡散領域104および108の表面電位における負の変化をもたらす。
図3Cは、次の動作段階の開始を示す。V2は負に傾斜して、表面電位Φ102およびΦ112を正に駆動する。この結果、図3Cに示されているとおり、電流122が、ゲート103の障壁を越えて流れて拡散領域104の表面電位を上昇させ始める。ワイヤ107を通る伝導によって、この電流の一部122aが拡散領域108に向かって前方に移動する。その結果、2つの拡散領域104と108を同一電位に維持する。図3Cに示されているとおり、拡散領域の電位は図3Aの状態に戻る値にはまだ到達せず、そのため、ゲート109の障壁を越えて流れる電流は生じない。
図3Dに示されている次の状態の間、V2はさらに負に傾斜し続ける(例えば、図4を参照)。拡散領域104および108の電位は、電荷がゲート109の障壁を越えて流れるだけ十分高く上昇し、この結果、電流123が生じる。また、ゲート112下の電位が十分に上昇して、電流124がゲート113の障壁を越えて流れ始める。電流124は信号電荷をゲート112からCCD信号処理回路の後続部分に移送する。この処理回路は、本発明の場合には、減算段20の特定部分に接続されたCCD保持レジスタ30の1つである。
図3Eは図3Dから始まる段階の完了を示している。蓄積ゲート122の下にあった電荷は移動して図3Eの示している部分の外に出ている。蓄積ゲート102の下にあった電荷は拡散範囲104および108に流れ込んでいる。この蓄積ゲート102の下にあった電荷の一部は、ゲート109の障壁を越えて、蓄積ゲート110に図3Dの電流123として運ばれて続けている。図3Aの電流121と同様に、電流123もごく僅かな値つまり無視できる値にまで減少する。この図のΦ109が図3AのΦ105と等しいならば、拡散領域104および108の電位、すなわちノードAの電圧は図3Aの値に戻る。このようにノードAの電圧が図3Aの値に戻るためには、キャパシタ114が電荷量ΔQ=C・ΔV7によって充電されなければならない。したがって、ゲート110の下に発生する電荷パケットは、ゲート102の下の最初のパケットからこの電荷量ΔQを減じたものとなる。ただし、Cはキャパシタ114の静電容量である。
図3Fは、図示されているとおり、クロック電圧V1、V2、V3、V4およびV5の変化結果を示している。これらの電圧は図3Aの状態の値に戻っている。したがって、この変化の間は、信号電荷の転送は発生しない。
図3Gは次の電荷転送段階を示す。V6およびV7は負に傾斜して、表面電位Φ110、Φ104およびΦ108に正の傾斜をもたらす。新しい入力電荷を導入する電流125および出力電荷を移送する電流127は通常のCCD転送形式で流れる。電流126はゲート105の障壁を越えて拡散領域104からドレイン106に電荷を移送する。電流126aはワイヤ107を通して拡散領域108から拡散領域104に流れて、拡散領域104,108を等しい電位に維持する。したがって、電流126および126aが、前の信号電荷パケットから減算された電荷ΔQの排出となる。この段階の完了時には、装置は図3Aに示されている最初の状態に戻り、ゲート102の下の最初の電荷はゲート112の下にあり、ΔQにより減少されていることになる。
減算段20の1つのサイクルにおいて減算される電荷はΔQ=CΔV7であり、ここでΔV7は図3Aと図3Bとの間の電圧V7の変化である。この電圧変化ΔV7が一定であれば、減算される電荷ΔQもまた同様に連続パケットにおいて一定である。したがって、電荷シーケンスにおけるすべてのパケットから一定量の電荷を除去することとなる。この事例は重要であり、例えば、対象とする信号電荷が全体のパケットサイズの一部のみである場合、バックグラウンド電荷の一部を除去する点に関して重要である。差分電荷パケットとして示されている信号(以下参照)に対して、この一定減算がコモンモード電荷部分を除去する。
除去されるこのような電荷量(ΔV7に比例する)は、回路10の用途に応じて、さまざまな方法で決定できる。これは、電荷量に対するフィードバックまたはフィードフォワードによる調整を含む。
他の用途では、減算される電荷は第2信号を表す時間変化量であってもよい。このような信号は、ΔV7が適切に制御される限り、V7の高レベルまたは低レベルのいずれか一方または両方に適用できる。
ここに示されている波形の電位の図は電荷の加算の場合に対しても適用できる。図では詳細に示されていないが、基本的に、電荷の減算ではなく加算の場合、電圧V7の符号は逆になり、図3F、図3Gおよび図3HのノードAの放電動作が再充電動作となる。
上述の説明は信号電荷パケットの単一ストリームを仮定している。しかし、多くの用途においては、対になった電荷パケットが使用されて、一対の電荷パケットの構成要素間の電荷の差として信号が表される。この方法は、例えば、符号化された(正および負)信号の値の表示を可能にする。電荷パケット対が単一CCDレジスタで連続的に移動される場合、ここに記載されている方法はΔV7を繰り返すことによって直接適用可能である。この結果、同一ΔQが対の各構成要素から除去される(または加えられる)。
電荷パケット対が並列なCCDレジスタの対を移動される場合、ここに記載されている方法を使用できる。この例では、図2に示されている装置の構造が、差分対の2つのCCDレジスタのそれぞれに対して1つのコピーを用いることで、二重になっている。V7はキャパシタ114に等価な2つのキャパシタを介して2つのレジスタに供給される。キャパシタが等しい場合、減算または加算される電荷ΔQもまた等しい。
本発明を好ましい実施形態を参照して詳細に示し、説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に含まれる本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部にさまざまな変更を実施できることは理解されるであろう。
ワイヤ転送減算段の詳細な図である。 本発明の電荷減算回路の具体化の概略図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、一連の電荷電位の変化の最初の状態を示す図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、図3Aの次の状態を示す図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、図3Bの次の状態を示す図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、図3Cの次の状態を示す図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、図3Dの次の状態を示す図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、図3Eの次の状態を示す図である。 ワイヤ転送減算段の動作を示す図であって、図3Fの次の状態を示す図である。 図2の減算段の各ノードに加えられる電圧を示すタイミング図である。
符号の説明
20 電荷処理回路
30 保持レジスタ

Claims (13)

  1. 複数の処理段を備えた電荷処理装置であって、
    前記各段が、
    入力電荷パケットと電荷の差の量を示す信号とを受け取って、この電荷の差を前記入力電荷パケットに適用する、電荷処理回路と、
    前記電荷処理回路の結果を保持して次の電荷処理回路にこの結果を供給することによって、複数の電荷処理回路が直列パイプラインに配置される、保持レジスタとを備え、
    入力電荷に適用される電荷の差の量を所定量よりも多く処理することによるメモリ効果を、いずれの電荷処理回路にも、複数の処理段のいずれもが生じさせない、電荷処理装置。
  2. 請求項1において、前記処理段の数が2よりも多い、電荷処理装置。
  3. 請求項1において、前記複数の処理段によって処理される電荷の差の量の全体が、最初の段に供給される入力電荷量の80%よりも多い、電荷処理装置。
  4. 請求項1において、前記電荷処理回路が、電荷処理にワイヤ転送切換キャパシタ回路構成を用いる、電荷処理装置。
  5. 請求項1において、前記電荷の差の量が負の量であることによって、電荷減算器である、電荷処理装置。
  6. 請求項1において、前記電荷の差の量が正の量であることによって、電荷加算器である、電荷処理装置。
  7. 請求項1において、前記パイプラインの連続する段に適用される前記電荷の差の量が、直前の段において適用される前記電荷の差の量よりも小さい、電荷処理装置。
  8. 請求項1において、連続する電荷パケットから除去される前記電荷の量が等しいことにより、電荷パケットシーケンスにおける複数のパケットに対して一定の電荷量を処理する、電荷処理装置。
  9. 請求項1において、前記電荷の差の量が時間変化する量であることによって、連続する電荷パケットが異なる電荷量で処理される、電荷処理装置。
  10. 請求項5において、前記処理段が放電ノードを用いてキャパシタを放電して、電荷減算を実現する、電荷処理装置。
  11. 請求項6において、前記処理段がキャパシタによる再充電動作を利用して、電荷加算を実現する、電荷処理装置。
  12. 請求項1において、一対の並列な電荷処理パイプラインが電荷パケット対を処理し、この電荷パケット対が一対の電荷パケットの構成要素の電荷である、電荷処理装置。
  13. 請求項1において、連続する信号電荷が対になった電荷パケットであり、対のうちの第1電荷パケットの後に第2電荷パケットが順に続き、この電荷対に電荷の差の量が繰り返し適用される、電荷処理装置。
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