CN101953073A - 斜波输出电路、模拟数字转换电路、以及照相机 - Google Patents

斜波输出电路、模拟数字转换电路、以及照相机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种斜波输出电路，其具有：斜波发生电路(1)，其产生斜波；低通滤波器(2)，接收斜波的截止频率可变。低通滤波器(2)，在从斜波接收时起至规定时间以第1截止频率进行动作；并且规定时间经过后，以比第1截止频率大的第2截止频率进行动作。

Description

斜波输出电路、模拟数字转换电路、以及照相机
技术领域
本发明涉及一种具有除去噪声用的低通滤波器的斜波(ramp wave)输出电路、以及具有该斜波输出电路的模拟数字转换电路、特别涉及一种可以扩大斜波的线性区域的斜波输出电路。
背景技术
使用斜波的模拟数字转换技术由于能够并行地将多个模拟信号转换至数字信号，因此在例如图像传感器这种需要将多个像素信号转换至数字信号的系统中，作为实现其系统的高速化的方法得到较多关注。
在该技术中，由于通过对提供给多个比较器的个别的模拟信号与共同提供给各比较器的斜波进行比较从而进行模拟数字转换，因此斜波的特性对模拟数字转换特性带来较大影响。因此，斜波中通常含有的毛刺噪声例如专利文献1中所示那样需要由低通滤波器除去。
[专利文献1]特开2007-146862号公报
[专利文献2]特开2006-337139号公报
但是，低通滤波器除去毛刺噪声的同时会使斜波的开始部分的波形畸变。因此，将带来模拟数字转换的动态范围的下降或非线性误差增大的这种转换特性劣化的问题。专利文献2中公开了一种消除这种畸变的方法。具体而言，通过(1)在与斜波相同的期间产生方形波，(2)根据斜波的倾斜度控制方形波的振幅，(3)对斜波与方形波进行相加，从而消除畸变。但是，由于需要方形波发生电路、波形加法器、以及检测斜波的倾斜度并控制方形波的振幅的手段，因此会大幅增加电路规模。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种除去毛刺噪声，同时在不检测斜波的倾斜度的情况下容易地对斜波开始部分的畸变进行整形的方法，进而提供一种具有产生通过该方法整形之后的斜波的斜波输出电路的模拟数字转换电路、以及具有该模拟数字转换电路的照相机。
为了实现所述目的，本发明的一方式所涉及的斜波输出电路，具有：斜波发生电路，其产生斜波；以及低通滤波器，其接收斜波的截止频率可变，低通滤波器，在从斜波的接收时起的规定时间以第1截止频率进行动作，并且在规定时间经过之后以比第1截止频率大的第2截止频率进行动作。
根据该斜波输出电路，在低通滤波器输出的斜波中形成规定时间的延迟，能够尽快地使斜波的波形成为线性，能够扩大线性区域。这样，能够除去毛刺噪声，同时输出对斜波开始部分的畸变进行整形之后的斜波。
本发明的一方式所涉及的斜波输出电路中，低通滤波器通过切换电阻值的结构改变时间常数。
该低通滤波器是一次低通滤波器，具有：具有第1电阻值的第1电阻、具有比第1电阻值大的第2电阻值的第2电阻、电容、切换第1电阻值与第2电阻值的开关。
在本发明的一方式所涉及的斜波输出电路中，低通滤波器通过切换电容值的结构改变时间常数。
该低通滤波器是一次低通滤波器，具有：具有第1电容值的第1电容、具有比所述第1电容值大的第2电容值的第2电容、电阻、切换第1电容值与第2电容值的开关。
在本发明的一方式所涉及的斜波输出电路中，具有：低通滤波器的副本滤波器；以及第1比较器，其对副本滤波器的输出与规定电压进行比较，基于第1比较器的比较结果决定规定时间。
这样，即使低通滤波器的截止频率具有绝对偏差的情况下，也能够以合适的定时切换低通滤波器的频率特性。
本发明的一方式所涉及的模拟数字转换电路，包括：本发明的一方式所涉及的斜波输出电路；第2比较器，其对输入模拟信号的电压值与来自斜波输出电路的输出电压的电压值进行比较；以及计数器，与第1比较器的比较结果同步地开始向上计数或者向下计数，并且接收由第2比较器得到的比较结果，将模拟信号与输出电压之间的大小关系反转时的计数值作为数字信号进行输出。
根据该模拟数字转换电路，与低通滤波器的特性偏差无关，能够实现可以有效地利用斜波成为线性的区域的模拟数字转换。
本发明的一方式所涉及的照相机，包括：摄像面，将被摄体的影像光电转换为电信号的多个摄像元件以矩阵状配置；多个第2比较器，作为模拟信号接收由属于摄像面的每列的各摄像元件得到的电信号，对模拟信号的电压值与来自斜波输出电路的输出电压的电压值进行比较；以及多个计数器，其对应多个比较器的各自而设置，与第1比较器的比较结果同步地进行向上计数或向下计数，并且接收由多个第2比较器的各自得到的比较结果，将对应的模拟信号与输出电压之间的大小关系反转时的各计数值作为数字信号进行输出。
这样一来能够实现高倾斜度以及低消耗功率的照相机。
如以上所述，实现了能够除去毛刺噪声(glitch noise)、同时对斜波开始部分的畸变进行整形的斜波输出电路。其结果能够在使用了斜波的模拟数字转换技术中，防止模拟数字转换的动态范围下降或非线性误差增大这种的转换特性的劣化。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式中的斜波输出电路的电路结构图。
图2是表示由本发明的第1实施方式中的低通滤波器所产生的效果的仿真结果图。
图3是本发明的第1实施方式中的低通滤波器的变形例1的电路结构图。
图4是本发明的第1实施方式中的低通滤波器的变形例2的电路结构图。
图5是本发明的第1实施方式中的低通滤波器的变形例3的电路结构图。
图6是表示本发明的第1实施方式中的低通滤波器的其他电路结构例的图。
图7是本发明的第2实施方式中的斜波输出电路的电路结构图。
图8是本发明的第3实施方式中的模拟数字转换电路的电路结构图。
图9是本发明的第4实施方式中的照相机的概略结构图。
图中：
1-斜波发生电路
2、2a、2b、2c-低通滤波器
3-电阻值R1的电阻
4-电阻值R2的电阻
5-开关
6-电容值C1的电容
7、7a、7b、7c、7d-斜波输出电路
8-对低通滤波器的输入波形
9-未应用本发明时的低通滤波器的输出波形
10-应用了本发明时的低通滤波器的输出波形
11-能够通过本发明扩大的线性区域的时间
12-能够通过本发明扩大的线性区域的电压
13-电容值C2的电容
14-副本滤波器
15-比较器
16-与斜波的开始同步地阶跃波
17-计数器
18-比较器
19、19a-模拟数字转换电路
20-摄像面
21-照相机
具体实施方式
以下，对本发明的各实施方式进行说明。
(第1实施方式)
图1表示本发明的第1实施方式所涉及的斜波输出电路的电路结构。
如图1所示，本实施方式的斜波输出电路7具有：斜波发生电路1、具有特性可变功能的低通滤波器2。
本实施方式的低通滤波器2是截止频率可变的低通滤波器，从斜波发生电路1输出的斜波的接收时起至规定时间T的期间，以第1截止频率进行滤波处理，并且在规定时间T经过之后，以具有比第1截止频率大的频率的第2截止频率进行滤波处理。此外，具体的低通滤波器2的电路结构例如本图1以及后面叙述的图3～图5中所示。
图1所示的低通滤波器2是具有切换电阻值的结构的一次低通滤波器，具有：电阻3、电阻4、开关5、以及电容6，例如具有电阻值R1的电阻3与具有比电阻值R1足够大的电阻值R2的电阻4并联连接，电阻3与开关5串联连接，具有电容值C1的电容6的一端连接于电阻4以及开关5。
具有以上结构的斜波输出电路7，从来自斜波发生电路1的斜波发生开始前起使开关5处于关断状态，在从斜波发生开始时(低通滤波器中的接收时)起经过规定时间T＝R1C1的时刻使开关5切换至导通状态。这样，在从斜波发生开始时起至规定时间T(R1C1)的期间，由于低通滤波器2的截止频率足够小，因此在低通滤波器2的输出节点的波形在几乎不变的情况下形成延迟R1C1，并且能够从经过规定时间T后使开关5处于导通状态的时刻起得到线性的波形。
图2是对来自本实施方式的斜波输出电路7的低通滤波器2的输出波形进行仿真的结果。此外，在图2中，作为与本实施方式的低通滤波器2的比较例，将来自以往斜波电路的低通滤波器的输出波形一并进行表示。
如图2所示，从斜波发生电路1对本实施方式的低通滤波器2输入的波形8，经由本实施方式的低通滤波器2后成为波形10并进行输出。也就是说，波形10从斜波的发生开始时起至规定时间T的期间在几乎不变的情况下形成延迟，并且从经过了规定时间T之后的时刻成为线性的波形。另一方面，同样输入的波形8经由以往的低通滤波器后成为波形9并进行输出。因此，对输出的波形9以及10进行比较后可知，通过采用本实施方式的低通滤波器2，就时间来说在时间11的范围、就电压来说在电压12的范围，能够扩大线性区域。
<低通滤波器结构的变形例1>
图3表示具有本变形例1的低通滤波器2a与上述的斜波发生电路1的斜波输出电路7a的电路结构。
如图3所示，本变形例1的低通滤波器2a是具有切换电阻值的结构的一次低通滤波器，具有：电阻3、电阻4、开关5、以及电容6，例如具有电阻值R1的电阻3与具有比电阻值R1足够大的电阻值R2的电阻4串联连接，电阻4与开关5并联连接，具有电容值C1的电容6的一端连接于电阻4以及开关5。
具有以上结构的斜波输出电路7a与具有上述低通滤波器2的结构时同样，从来自斜波发生电路1的斜波发生开始前起使开关5处于关断状态，在从斜波的发生开始时起经过了规定时间T的时刻，将开关5切换至导通状态。这样，获得与上述图2中所说明的效果同样的效果，也就是说，在从斜波发生开始时起至规定时间T的期间，由于低通滤波器2a的截止频率足够小，因此低通滤波器2a的输出节点的波形在几乎不变的情况下形成延迟，并且能够从经过规定时间T之后得到线性的波形。
<低通滤波器结构的变形例2>
图4表示具有本变形例2的低通滤波器2b与上述的斜波发生电路1的斜波输出电路7b的电路结构。
如图4所示，本变形例2的低通滤波器2b是具有切换电容值的结构的一次低通滤波器，具有：电阻3、开关5、电容6，以及电容13，例如具有电容值C1的电容6与具有比电容值C1足够大的电容值C2的电容13串联连接，电容6与开关5并联连接，具有电阻值R1的电阻3的一端连接于斜波发生电路1，其另一端连接于电容13。
具有以上结构的斜波输出电路7b，从来自斜波发生电路1的斜波发生开始前起使开关5处于导通状态，在从斜波的发生开始时(低通滤波器中的接收时)经过了规定时间T的时刻将开关5切换至关断状态。这样，获得与上述图2中所说明的效果同样的效果，也就是说，在从斜波发生开始时起至规定时间T的期间，由于低通滤波器2b的截止频率足够小，因此低通滤波器2b的输出节点的波形在几乎不变的情况下形成延迟，并且能够从经过规定时间T之后得到线性的波形。
<低通滤波器结构的变形例3>
图5表示具有本变形例3的低通滤波器2c与上述的斜波发生电路1的斜波输出电路7c的电路结构。
如图5所示，本变形例3的低通滤波器2c是具有切换电容值的结构的一次低通滤波器，具有：电阻3、开关5、电容6，以及电容13，例如具有电容值C1的电容6与具有比电容值C1足够大的电容值C2的电容13并联连接，电容13与开关5串联连接，具有电阻值R1的电阻3的一端连接于斜波发生电路1，其另一端连接于电容6以及开关5。
具有以上结构的斜波输出电路7c，从来自斜波发生电路1的斜波发生开始前起使开关5处于导通状态，在从斜波的发生开始时(低通滤波器中的接收时)起经过了规定时间T的时刻，将开关5切换至关断状态。这样，获得与上述图2中所说明的效果同样的效果，也就是说，在从斜波发生开始时起至规定时间T的期间，由于低通滤波器2c的截止频率足够小，因此低通滤波器2c的输出节点的波形在几乎不变的情况下形成延迟，并且能够从经过规定时间T之后得到线性的波形。
此外，在本实施方式中的以上所说明的图1、图3～图5所示的斜波输出电路7、7a～7c的结构中，开关晶体管的导通电阻成为问题的情况下，例如应用于图1的结构的图6所示那样，作为副本滤波器(replica filter)中的开关5可以使用同一晶体管。另外，图6仅是一例，当然也能够对上述图3～图5进行同样地应用。
(第2实施方式)
图7表示本发明的第2实施方式所涉及的斜波输出电路的电路结构。
如图7所示，本发明的第2实施方式所涉及的斜波输出电路7d，例如相对于上述图1所示的斜波输出电路7的结构还具有副本滤波器14与比较器15。
副本滤波器14是上述图1所示的低通滤波器2的副本滤波器，与斜波的发生开始同步的阶跃波16例如经由缓冲电路输入。另外，比较器15对副本滤波器14的输出与规定的电压Vb进行比较。
具有以上结构的斜波输出电路7d利用低通滤波器2的副本滤波器14的输出与规定电压Vb之间的比较结果，决定进行从第1截止频率切换至第2截止频率来进行动作的规定时间T。由于最合适的规定时间T仅依赖于低通滤波器2的特性，因此根据从副本滤波器14得到其信息的本实施方式的结构，能够在与低通滤波器2的特性偏差无关的情况下最合适地设定规定时间T。因此，即使在低通滤波器2的截止频率存在绝对偏差的情况下，也能够以合适的定时切换低通滤波器的频率特性。
此外，在本实施方式中，虽然对副本滤波器14是图1所示的低通滤波器2的副本滤波器的情况进行了说明，但是对于对应图3～图6所示的斜波输出电路的低通滤波器的副本滤波器也可以同样地实施。
(第3实施方式)
图8表示本发明的第3实施方式所涉及的模拟数字转换电路的电路结构。
如图8所示，本发明的第3实施方式所涉及的模拟数字转换电路19包括：例如上述的第2实施方式的斜波输出电路7；比较器18，对输入模拟信号的电压值与来自斜波输出电路7的输出电压的电压值进行比较；计数器17，与比较器15的比较结果同步地开始向上计数(count up)或者向下计数(count down)。
具有以上结构的本实施方式所涉及的模拟数字转换电路，接收由比较器15得出的比较结果，由于将输入模拟信号与输出电压之间的大小关系反转时的计数值作为数字信号输出，因此与低通滤波器2的特性偏差无关，能够实现可以有效地利用斜波为线性的区域的模拟数字转换。其结果能够防止模拟数字转换的动态范围下降或非线性误差的增大这种的转换特性的劣化。
(第4实施方式)
图9表示本发明的第4实施方式所涉及的照相机的概略结构。
如图9所示，本发明的第4实施方式所涉及的照相机21包括：摄像面20，将被摄体的影像光电转换为电信号的多个摄像元件以矩阵状进行配置而构成；上述第2实施方式的斜波输出电路7；多个比较器18，将由属于摄像面20的每列的各摄像元件所得到的电信号作为模拟信号进行接收，对模拟信号的电压值与来自斜波输出电路7的输出电压的电压值进行比较(参照第3实施方式)；以及模拟数字转换电路19a，其具有多个计数器17，该计数器17对应多个比较器18的各自而设置，与上述比较器15的比较结果同步地进行向上计数或向下计数。
具有以上结构的本实施方式所涉及的照相机21接收由多个比较器18各自得出的比较结果，将对应的模拟信号与输出电压之间的大小关系反转时的各计数值分别作为数字信号输出至数字电路22，因此能够实现高清晰度以及低消耗功率的照相机。
(产业上的利用可能性)
如上所说明，本发明对于需要将多个模拟信号并列地转换为数字信号的系统、特别是图像传感器系统中的像素信号的数字转换技术来说有用。

Claims (8)

1.一种斜波输出电路，其特征在于，
具有：斜波发生电路，其产生斜波；以及
低通滤波器，其接收所述斜波的截止频率可变，
所述低通滤波器，在从所述斜波的接收时起的规定时间以第1截止频率进行动作，并且在所述规定时间经过之后以比所述第1截止频率大的第2截止频率进行动作。
2.根据权利要求1所述的斜波输出电路，其特征在于，
所述低通滤波器具有切换电阻值的结构。
3.根据权利要求2所述的斜波输出电路，其特征在于，
所述低通滤波器具有：具有第1电阻值的第1电阻、具有比所述第1电阻值大的第2电阻值的第2电阻、电容、切换所述第1电阻值与所述第2电阻值的开关。
4.根据权利要求1所述的斜波输出电路，其特征在于，
所述低通滤波器具有切换电容值的结构。
5.根据权利要求4所述的斜波输出电路，其特征在于，
所述低通滤波器具有：具有第1电容值的第1电容、具有比所述第1电容值大的第2电容值的第2电容、电阻、切换所述第1电容值与所述第2电容值的开关。
6.根据权利要求1所述的斜波输出电路，其特征在于，
具有：所述低通滤波器的副本滤波器；以及
第1比较器，其对所述副本滤波器的输出与规定电压进行比较，
基于所述第1比较器的比较结果决定所述规定时间。
7.一种模拟数字转换电路，其特征在于包括：
权利要求6中记载的斜波输出电路；
第2比较器，其对输入模拟信号的电压值与来自所述斜波输出电路的输出电压的电压值进行比较；以及
计数器，与所述第1比较器的比较结果同步地开始向上计数或者向下计数，并且接收由所述第2比较器得到的比较结果，将所述模拟信号与所述输出电压之间的大小关系反转时的计数值作为数字信号进行输出。
8.一种照相机，其特征在于包括：
权利要求6中记载的斜波输出电路；
摄像面，以矩阵状配置有将被摄体的影像光电转换为电信号的多个摄像元件；
多个第2比较器，作为模拟信号接收由属于所述摄像面的每列的各所述摄像元件得到的所述电信号，对所述模拟信号的电压值与来自所述斜波输出电路的输出电压的电压值进行比较；以及
多个计数器，其对应所述多个比较器的各自而设置，与所述第1比较器的比较结果同步地进行向上计数或向下计数，并且接收由所述多个第2比较器的各自得到的比较结果，将对应的所述模拟信号与所述输出电压之间的大小关系反转时的各计数值作为数字信号进行输出。
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