CN101116328A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可进行高速图像读出的固体摄像装置。在第n个图像电路(例如PU1)中，各个摄像区块(B1、B2、B3)中第n个像素列(N1)可经由开关(Q(1)、Q(4)、Q(7))全部连接，故即使在读出区域(R)小的情况下，也可使来自邻接的像素列(N2)的信号，由不同处理电路(PU2)个别处理。而且，利用图像数据运算部(10)，将读出区域限制在部分读出区域(R)，故可进行更高速的摄像。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及一种可设定读出图像的区域的固体摄像装置。
背景技术
以往的固体摄像装置，如在下述专利文件1所记载的。在该固体摄像装置中，可将图像的读出区域切换成全区域的1/2或1/3。
专利文件1：日本专利第3251042号公报
发明内容
但是，在以往的固体摄像装置中，存在设置在固体摄像装置后段的多个处理电路的处理负载因读出区域而产生不同的问题。例如，对于存在于摄像区域的右侧区域的微小图像，仅使用对应其右侧区域的处理电路来进行处理，发生其它处理电路不工作的现象。即，在以往的固体摄像装置中，处理电路的处理速度由处理负载所限制，因而无法进行高速的图像读出。
在导弹的跟踪控制或前方行走车辆的跟踪控制中，必须高速读出上述对象物的图像并加以识别，但是在以往的固体摄像装置中，其读出速度不够。
本发明有鉴于上述课题而完成，其目的在于提供一种可与以往相比可进行更高速的图像读出的固体摄像装置。
本发明的固体摄像装置，是在具有将K个由邻接排列的N个像素列构成的摄像区块排列而成的摄像区域的固体摄像装置中，具有：根据输入的数字视频信号指定部分读出区域的图像数据运算部；选择与上述部分读出区域对应的像素行的行选择电路；选择与上述部分读出区域对应的像素列的列选择电路；根据上述图像数据运算部的输出，在上述行选择电路及上述列选择电路中发生进行选择的控制信号的时序发生电路；和通过因上述列选择电路的选择而开启的开关，分别与上述N个像素列连接的N个处理电路；第n个处理电路，与各个上述摄像区块中的第n个像素列，可通过上述开关全部相连接；上述N个处理电路，由利用上述行选择电路及上述列选择电路所选择的每个像素列的信号生成上述数字视频信号。
根据固体摄像装置，因为第n个处理电路，对于每个摄像区块中第n个像素列，经由开关全部连接，故即使在部分读出区域小的情况下，来自相邻像素列的信号，也可由不同处理电路来分别处理。而且，因为将读出区域限制为部分读出区域，故可进行更高速的摄像。
另外，本发明的固体摄像装置，其特征在于，具有分别与各个上述像素列连接的多个保持电路；上述开关，与从上述时序发生电路向上述列选择电路输入的上述控制信号同步，将蓄积在上述每个像素列的各个上述保持电路中的电荷，连接到与各个像素列相对应的上述处理电路。
将各像素行的各个信号暂时蓄积在保持电路中，通过控制信号来连接开关，可将蓄积在每个像素行中的电荷，传送到与各个像素列相对应的处理电路中。
另外，优选各个所述处理电路，将放大器和AD转换器连接而成。在此情况下，可将模拟像素信号转换为数字视频信号。
根据本发明的固体摄像装置，可进行高速的图像读出。
附图说明
图1是本发明实施方式的固体摄像装置的方框图。
图2是表示构成各像素列的各像素P(x，y)的详细构造的图。
图3是图1所示的固体摄像装置的时序图。
图4是本发明实施方式的固体摄像装置的电路图。
图5是像素P(x，y)的详细的电路图。
图6是用于生成各信号的行选择电路12的电路图。
图7是各信号的时序图。
图8是用于读出蓄积在保持电路群H(1)～H(N×K)中的电荷的开关群Q(1)～Q(N×K)的电路图。
图9是用于生成各信号的列选择电路13的电路图。
图10是各信号的时序图。
符号说明
ADC1、ADC2、ADC3：转换器
10：图像数据运算部
11：时序发生电路
12：行选择电路
13：列选择电路
AMP：放大器
B1、B2、B3：摄像区块
H：保持电路
PD：光电二极管
PU1、PU2、PU3：处理电路
具体实施方式
以下，对本发明实施方式的固体摄像装置进行说明。另外，对相同要素使用相同符号，省略重复说明。
图1是本发明的实施方式的固体摄像装置的电路图。
该固体摄像装置，具有摄像元件和控制电路。
该摄像元件，具有将K个(在本实施例中K＝3)由邻接排列的N个像素列(N1、N2、N3)构成的摄像区块B1、B2、B3并列而成的摄像区域。设各摄像区块从左侧开始的编号为第k个。另外，图2表示构成各像素列的各像素P(x，y)的详细构造。
像素P(x，y)具有：光电二极管PD(x，y)，连接在光电二极管PD(x，y)的阴极与复位电位Vr之间的复位开关Qreset(x，y)，将光电二极管PD(x，y)的阴极与输入端子连接的放大器AMP(x，y)，和连接在放大器AMP(x，y)与视频线Ln之间的地址开关Qaddress(x，y)。另外，对于坐标x与y，由1到9的数字表示地址。
通过对地址开关Qaddress(x，y)输入高电平的移位信号(垂直)Vshift(y)，可以将由放大器AMP(x，y)放大的像素信号传送到视频线Ln。对与射入光电二极管PD(x，y)的光量相对应而蓄积的电荷，用放大器AMP(x，y)进行放大，并作为电压向视频线Ln输出。然后在将高电平的复位信号(垂直)Vreset(y)输入到复位开关Qreset(x，y)，使其为开启(ON)时，对蓄积在光电二极管PD(x，y)中的电荷进行复位。
本实施例的像素P(x，y)，沿着行方向(x)有9个，沿着列方向(y)有9个，配置为以地址(x，y)规定的二维形状。在本实施例中，在摄像区域中央设定部分读出区域R，读出部分读出区域R内部的像素P(x，y)的信号。
该部分读出区域R，由图像数据运算部10进行指定。图像数据运算部10根据所输入数字视频信号来指定部分读出区域R。即，例如在数字视频信号的1帧图像中，对亮度为规定值以上的像素P(x，y)的地址进行存储。在以导弹等物体为摄影对象的情况下，摄像元件由硅构成，其红外线影像以物体影像的重心为最大亮度的起点，连续地往周边扩散，亮度在周边部成为未满规定值。
即，选择包含最大亮度点和亮度在规定值±Δ以内点的矩形区域作为部分读出区域R。在对象物处于移动中的情况下，则运算前次帧内的物体影像重心位置(x1，y1)，和本次帧内的物体影像重心位置(x2，y2)在帧内的位置差分向量(x2-x1，y2-y1)，然后将对本次帧内的物体影像重心位置(x2，y2)加上该向量的位置，推定为下次物体影像重心位置(x3，y3)，而将以其为重心位置的矩形区域设定成部分读出区域R。
在图像数据运算部10中，输入有数字视频信号，但该数字视频信号，可通过将来自各摄像区块B1(B2、B3)的各像素列(3列)的信号输入到处理电路PU1、PU2、PU3而得到。各个处理电路PU1、PU2、PU3构成为，连接放大器AMP1、AMP2、AMP3和AD转换器ADC1、ADC2、ADC3。从各像素列输出的模拟像素信号，通过处理电路PU1、PU2、PU3，转换为数字视频信号。
将规定部分读出区域的部分图像选择位置信息(x＝4～6，y＝4～6)，输入到时序发生电路11。另外，该固体摄像装置具有，选择与部分读出区域R对应的像素行的行选择电路12；和选择与部分读出区域R对应的像素列的列选择电路13。时序发生电路11，根据所输入的部分图像选择位置信息，生成行选择电路控制信号，和列选择电路控制信号。
简单来说，行选择电路控制信号，用于在行选择电路12中进行像素的选择，以读出y＝4～6的像素行的信号；列选择电路控制信号，用于在列选择电路13中像素的选择，以读出x＝4～6的像素列的信号。换言之，时序发生电路11构成为，根据图像数据运算部10的输出，发生在行选择电路12和列选择电路13中进行选择的控制信号。
图3是图1所示的固体摄像装置的时序图。
在本实施例中表示读出图1所示的部分读出区域R的例子。
时刻t0～t2为止，第1～第3移位信号(垂直)Vshift(1～3)、第1～第3复位信号(垂直)Vreset(1～3)、第4移位信号(垂直)Vshift(4)、第4复位信号(垂直)Vreset(4)、第5移位信号(垂直)Vshift(5)、第5复位信号(垂直)Vreset(5)、第6移位信号(垂直)Vshift(6)、第6复位信号(垂直)Vreset(6)、第7～第9移位信号(垂直)Vshift(7～9)、第7～第9复位信号(垂直)Vreset(7～9)、第1移位信号(水平)Hshift(1)、第2移位信号(水平)Hshift(2)、第3移位信号(水平)Hshift(3)，全部都是低电平。另外信号的各数字表示坐标x或y的地址。另外，在说明中适当参考图2。
在时刻t2～t3中，因为从行选择电路12输入高电平的第4移位信号(垂直)Vshift(4)，故从图1下方开始第4行像素行的移位开关Qaddress(x，4)成为开启；与光线射入相对应地蓄积在光电二极管PD(x，4)中的电荷，由放大器AMP(x，4)进行放大，作为电压向视频线Ln输出，并由保持电路H(1)～H(9)保持。另外，在各保持电路中，并列连接有电流源。接着，在时刻t3～t4中，因为输入高电平的第4复位信号(垂直)Vreset(4)，故复位开关Qreset(x，4)成为开启，蓄积在光电二极管PD(x，4)中的电荷被复位。在时刻t4～t5中，从列选择电路13，同时向像素列的第4列的开关Q(4)、像素列的第5列的开关Q(5)、像素列的第6列开关Q(6)输入高电平的第2移位信号(水平)Hshift(2)，故将蓄积在保持电路H(4)、H(5)、H(6)中的像素P(4，4)、P(5，4)、P(6，4)的电荷，分别输入到处理电路PU1、PU2、PU3。
在时刻t6～t7中，因为从行选择电路12输入有高电平的第5移位信号(垂直)Vshift(5)，故图1从下开始第5行像素行的移位开关Qaddress(x，5)成为开启；根据光线射入而蓄积在光电二极管PD(x，5)中的电荷，会被放大器AMP(x，5)放大，在视频线输出为电压Ln，并保持在保持电路H(1)～H(9)。接着，时刻t7～t8中，因为输入有高电平的第5复位信号(垂直Vreset(5)，故复位开关Qreset(x，5)成为开启，蓄积在光电二极管PD(x，5)中的电荷会被复位。时刻t8～t9中，系从列选择电路13，同时对像素列第4列的开关Q(4)、像素列第5列的开关Q(5)、像素列第6列的开关Q(6)，输入高电平的第2移位信号(水平)Hshift(2)，故蓄积在保持电路H(4)、H(5)、H(6)中的像素P(4，5)、(5，5)、(6，5)的电荷，会分别输入到处理电路PU1、PU2、PU3。
在时刻t10～t11中，因为从行选择电路12输入高电平的第6移位信号(垂直)Vshift(6)，故从图1下方开始第6行像素行的移位开关Qaddress(x，6)成为开启；与光线射入相对应地蓄积在光电二极管PD(x，6)中的电荷，由放大器AMP(x，6)进行放大，作为电压向视频线Ln输出，并由保持电路H(1)～H(9)保持。接着，在时刻t11～t12中，因为输入高电平的第6复位信号(垂直)Vreset(6)，故复位开关Qreset(x，6)成为开启，蓄积在光电二极管PD(x，6)中的电荷被复位。在时刻t12～t13中，从列选择电路13，同时向像素列的第4列的开关Q(4)、像素列的第5列的开关Q(5)、像素列的第6列的开关Q(6)输入高电平的第2移位信号(水平)Hshift(2)，故将蓄积在保持电路H(4)、H(5)、H(6)中的像素P(4，6)、P(5，6)、P(6，6)的电荷，分别输入到处理电路PU1、PU2、PU3。
如上所述，在本发明的固体摄像装置中具有，经由利用列选择电路13的选择而为开启的开关Q(4)、Q(5)、Q(6)，分别分别与N个像素列连接的N个处理电路PU1、PU2、PU3。第n个处理电路PU1(PU2、PU3)，可经由开关Q(1)～Q(9)与各个摄像区块B1、B2、B3中第n个像素列N1(N2、N3)全部相连接。另外，N个处理电路PU1、PU2、PU3由利用行选择电路12及列选择电路13所选择的每个像素列的信号生成数字视频信号。
根据上述固体摄像装置，在第n个处理电路(例如为PU1)中，因为可经由开关Q(1)、Q(4)、Q(7)与各个摄像区块B1、B2、B3中第n个像素列(N1)全部相连接，故即使在部分读出区域R小的情况下，来自邻接像素列N2的信号，也可以由不同处理电路PU2来个别地进行处理。而且，通过图像数据运算部10，将读出的区域限制为部分读出区域R，故可进行更高速的摄像。
另外，上述固体摄像装置具有与各个像素列N1、N2、N3分别连接的多个保持电路H(1)～H(9)；上述开关Q(1)～Q(9)与从时序发生电路11输入到列选择电路13中的控制信号同步地，将蓄积在每个像素列的各自的保持电路H(1)～H(9)中的电荷，与对应于各像素列N1、N2、N3的处理电路PU1、PU2、PU3相连接；将每个像素行的信号暂时蓄积在保持电路H(1)～H(9)中，但是通过利用控制信号连接开关Q(1)～Q(9)，可将对于每个像素行所蓄积的电荷，按照每个像素列N1、N2、N3向处理电路PU1、PU2、PU3传送。
图4表示的固体摄像装置为，由8个像素列构成1个摄像区块(N＝8)，具有64个摄像区块Bk(k＝1～64)(K＝64)，垂直方向的像素列具有512像素，水平方向像素列具有有512像素。另外，对于每个摄像区块B1、B2、...B64中的第n个像素列，连接第n个处理电路PUn(n＝1～8)。在由列选择电路13进行控制的开关群Q(1)～Q(N×K)和摄像区域之间，连接设置有保持电路群H(1)～H(N×K)。开关群Q(1)～Q(N×K)、保持电路群H(1)～H(N×K)，与上述开关群Q(1)～Q(9)及保持电路群H(1)～H(9)相对应。以下说明该固体摄像装置中的部分读出动作。在此，从基于图像数据运算部的输出而得到的前次图像中，选择进行在512×5 12的全部像素内的、除去周边10行和10列的中央492×492像素中的部分读出；并由时序发生电路向行选择电路12和列选择电路13供给其所必须的控制信号。
图5是像素P(x，y)的详细电路图。
另外，在以下说明中，所谓开关是指场效应晶体管。
像素P(1，1)具有串连在光电二极管PD(1)的阴极和复位电位Vr1之间的传送开关Qtrans(1)和复位开关Qreset(1)。在传送开关Qtrans(1)的上游端，经由保持开关Qhold(1)输入至放大晶体管Qamp(1)的栅极。在放大晶体管Qamp(1)与视频线L1之间，设置有地址开关Qaddress(1)。
传送开关Qtrans(1)的栅极输入传送信号Vtrans(1)；复位开关Qreset(1)栅极输入复位信号Vreset(1)。另外，保持开关Qhold(1)的栅极输入保持信号Vhold(1)。地址开关Qaddress(1)的栅极输入地址信号Vaddress(1)。另外地址信号Vaddress(1)也标记为第1移位信号(垂直)Vshift(1)。
像素P(1，2)的构造，除了各要素的标记数字为“2”以外，与像素P(1，1)相同。
图6是用于生成各信号的行选择电路12的电路图。图7是各信号的时序图。该图用于将垂直方向上下各10行去除后，实现中央492行的部分读出。
对于每行设置有移位缓存器S1、S2、...，各移位缓存器具有设定输入端子ST、复位输入端子rst、时钟输入端子CLK、和输出端子Q。复位输入端子连接于接地电位。在移位缓存器S1的设定输入端子ST上输入启动信号Vst，对各移位缓存器的设定输入端子，顺次输入来自前一个移位缓存器的输出端子Q的输出，以使来自移位缓存器S1的输出端子Q的输出shiftout(移出)1输入到移位缓存器S2的输入端子ST。将由时序发生电路11发生的Vreset、Vtrans、Vhold、Vaddress，以第1像素P(1，1)读出时的规定定时，分别作为Vreset(1)、Vtrans(1)、Vhold(1)、Vaddress(1)，使开关QA1、QB1、QC1、QD1开启，而输入到上述各开关。该规定的定时，由在时序发生电路11产生的s-mode信号和启动信号Vst来决定，当第1行像素的读出结束后，则依序移动到第2行像素的读出。另外图7中以Vshift表示的数字是正在读出的像素行；以(Hshift)表示的数字是正在读出中的像素列。
使s-mode信号与将启动信号Vst输入到移位缓存器S1时的输出一同，输入到NOR电路(NOR1)中。另外在读出第2行的情况下，将上述信号输入到NOR电路(NOR2)。该图是，在512×512的全部像素中对蓄积在各光电二极管PD(x，y)中的电荷同时进行保持的全域闸门模式(Global Shutter Mode)的动作例，通过预先使s-mode信号为高电平，可将Vreset、Vtrans、Vhold信号一起供给到全部像素。由此，将蓄积在光电二极管PD(x，y)中的电荷，对全部像素以相同定时传送到放大晶体管Qamp(x，y)的栅极，并预先蓄积。
实际动作如下所示。使s-mode信号为高电平，对全部行预先输入Vreset、Vtrans、Vhold信号。在Vreset、Vtrans、Vhold、Vaddress全部信号为低电平时，通过使Vreset为高电平并使Vhold为高电平，来复位放大晶体管的栅极的电荷。在使Vhold为低电平并使Vreset为低电平之后，再使Vtrans为高电平并使Vhold为高电平，由此将蓄积在光电二极管PD(x，y)中的电荷传送到放大晶体管的栅极。然后，在使Vhold为低电平并使Vtrans为低电平之后，再使Vtrans和Vreset为高电平，并在使蓄积在光电二极管PD(x，y)中的电荷复位后，使Vtrans和Vreset为低电平，开始下次蓄积。
在此，通过使s-mode信号返回低电平，对全部像素，使蓄积在光电二极管PD(x，y)中的电荷，以传送至各像素的放大晶体管的栅极并加以保持的状态，在光电二极管中开始下次蓄积；实现了全域闸门模式，以同时进行在全部像素中的蓄积的开始、结束。之后，只选择想要读取的像素，读出保存在放大晶体管的栅极的电荷。
在移位缓存器S1、S2...的时钟输入端子CLK中输入由时序发生电路11生成的垂直时钟信号Vclk。将启动信号Vst输入到移位缓存器S1的设定输入端子，并为使来自移位缓存器S1的输出端子Q的输出shiftout1输入到移位缓存器S2的输入端子，而对各移位缓存器的设定输入端子依次输入来自前一个移位缓存器的输出端子Q的输出时，开始蓄积在各行像素的电荷的读出；但通过预先使Vaddress为低电平，并使垂直时钟信号Vclk的周期缩短，而跳过最初10行信号的读取。
之后，从第11行像素开始，使Vaddress为高电平，将通过对蓄积电荷进行放大而得到的电压一次传送到保持电路，然后使Vreset、Vhold也为高电平，对放大晶体管的栅极的电荷进行复位后，使Vhold为低电平，使Vreset返回低电平，把复位后电压也送到保持电路；将对蓄积的电荷进行放大得到的电压，和对放大晶体管的栅极的电荷进行复位时从放大晶体管输出的电压的2种电压，输入到保持电路。在保持电路中通过用于减少噪声成分的CDS电路，对上述2种电压之差进行运算，并加以保持。延长垂直时钟信号Vclk的周期，将512像素份数的电荷蓄积在保持电路中，接着将由时序发生电路11生成的像素列读出开始信号Hst输入到列选择电路13，由此与时序发生电路11生成的水平时钟信号Hclk同步，在蓄积于512像素份数的保持电路的电荷内，从8个处理电路读出与所选择的部分读出区域R相对应的像素份数，并输入到图像数据运算部。使用图8、图9、图10对该动作在后叙述。另外，从第503行像素行开始以后的10行，使垂直时钟信号Vclk的周期缩短，同样进行信号的跳过读取。
即，通过缩短垂直时钟信号周期，可缩短不要的像素行的读出时间；在该不要的像素行的读出期间中，不输入地址信号Vaddress，也就是不输出视频信号。
图8是用于读出蓄积在保持电路群H(1)～H(N×K)中的电荷开关群Q(1)～Q(N×K)的电路图。在每个视频线L1、L2、L3...LN×K上连接有开关Q(1)、Q(2)、Q(3)、...Q(N×K)。在1个摄像区块的开关群中输入Hshift信号，在Hshift信号为高电平时，读出蓄积在保持电路中的电荷。
图9是用于生成各信号的列选择电路13的电路图。图10是各信号的时序图。该图用于实现在水平方向左右各除去10列的仅中央492列的部分读出。在该图中仅表示，使图7的s-mode信号成为低电平后，使水平启动信号Hst成为高电平，之后进行水平的读出的定时。
移位缓存器S10、S20、S30...，与摄像区块相对应地设置。各移位缓存器具有设定输入端子ST、复位输入端子rst、时钟输入端子CLK、Q输出端子。在时钟输入端子CLK上输入水平时钟信号Hclk。
在时序发生电路中，对应64摄像区块中的希望读出开始编号的像素，生成水平读出用启动信号Hst，输入到6位的解码器(6bit decoder)(0ch～3ch)D。解码器D具有2进制输入端子dih0、dih1、dih2、dih3、dih4、dih5。在解码器输出端子1、2、3...与各设定输入端子ST之间，设置有NAND电路和NOT电路。
解码器D根据时序发生电路11生成的Hst或2进制输入，产生使输入到希望的摄像区块的Hshift信号成为高电平的信号。通过启动信号Hst，和摄像区块规定信号dih0、dih1、dih2、dih3、dih4、dih5的输入，读出指定的摄像区块的像素列的信号。与解码器输出端子0相对应产生的Hshift(1)信号，在高电平时使开关Q(1)～Q(8)开启；与解码器输出端子1相对应产生的Hshift(2)信号，在高电平时使开关Q(9)～Q(16)开启。
在各移位缓存器S10、S20、S30的复位端子rst中，可输入时序发生电路11所产生的全复位(all reset)信号Hshift-reset；当Hshift-reset为高电平时，结束蓄积在保持电路中的电荷的读出，由此，高速地进行部分读出。通过使用如上图7和图10的两种方法，可实现将512×512像素分别除去周边10行和10列，而进行中央492×492像素的部分读出。
另外，在上述例子中，部分读出区域R，是图像数据运算部根据前次图像来决定，并使时序发生电路产生必要的控制信号；但是也可以根据日本专利2003-189181所示的摄像装置(称为轮廓摄像器)的轮廓检测功能所得到的信息来决定，也可根据蓄积在保持电路或帧存储器等中的图像来决定。另外，作为用于决定部分读出区域R的依据，并不限于所蓄积的图像，也可以取代图像数据运算部而从外部施加以仅读出全部像素内的一部分的方式进行选择的信号。通过如上所述，使用从外部输入的信号改变读出部分与像素数量，则像素数量可以较少，故可以实现应对想要以高速进行摄像的情况，或要仅集中在画角的部分进行读出等情况的固体摄像装置。
产业上的可利用性
本发明可利用于固体摄像装置。

Claims (3)

1.一种固体摄像装置，具有将K个由邻接排列的N个像素列构成的摄像区块排列而成的摄像区域，其特征在于，具有：
根据输入的数字视频信号指定部分读出区域的图像数据运算部；
选择与所述部分读出区域对应的像素行的行选择电路；
选择与所述部分读出区域对应的像素列的列选择电路；
根据所述图像数据运算部的输出，在所述行选择电路及所述列选择电路中发生进行选择的控制信号的时序发生电路；和
通过因所述列选择电路的选择而开启的开关，分别与所述N个像素列连接的N个处理电路；
第n个处理电路，与各个所述摄像区块中的第n个像素列，可通过所述开关全部相连接；
所述N个处理电路，由利用所述行选择电路及所述列选择电路所选择的每个像素列的信号生成所述数字视频信号。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：
具有分别与各个所述像素列连接的多个保持电路；
所述开关，与从所述时序发生电路向所述列选择电路输入的所述控制信号同步，将蓄积在所述每个像素列的各个所述保持电路中的电荷，连接到与各个像素列相对应的所述处理电路。
3.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于：
各个所述处理电路，将放大器和AD转换器连接而成。
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