CN102334293A - 模拟/数字变换器、图像传感器系统、照相机装置 - Google Patents

模拟/数字变换器、图像传感器系统、照相机装置 Download PDF

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Abstract

模拟/数字变换器包括n个比较器(102、102、……)，该n个比较器以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个输入电压，分别对电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号(REF)的电压值和对应于自己的输入电压进行比较。n个比较器的每一个包括分别提供参考信号(REF)和输入电压(VP1)的差动晶体管(M102、M103)。差动晶体管(M102)由参考信号被提供到各自的栅极的、串联连接的p个单位晶体管(M121、M122、……、M12p)构成，差动晶体管(M103)由输入电压被提供到各自的栅极的、串联连接的p个单位晶体管(M131、M132、……、M13p)构成。

Description

模拟/数字变换器、图像传感器系统、照相机装置
技术领域
本发明涉及模拟/数字变换器以及包括该模拟/数字变换器的图像传感器系统，更详细地说，涉及模拟/数字变换器的集成化技术。
背景技术
在CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器系统中，使用包括与图像传感器的多个像素列分别对应的多个ADC部的模拟/数字变换器(例如，列ADC)。ADC部将来自对应于该ADC部的像素列的像素电压变换为数字值，例如由比较器、计数器、数字存储器等构成。
在这样的图像传感器系统中，与像素列对应地，以一定的单元间隔(cell pitch)配置有数百至数千个ADC部。因此，ADC部必须构成在该单元间隔内。但是，因为近年来，对图像传感器的小型化和高像素化的要求提高，单元间隔极端地变窄为数μm以下，产生了在ADC部中使用的晶体管的尺寸的最大值受到单元间隔的限制的问题。
此外，随着要求高速且高精度的数码单镜头照相机、或在夜间也需要高灵敏度图像的监视、车载摄像头等的普及，要求图像传感器系统实现高灵敏度和低噪声。为了实现这些，必须提高模拟/数字变换器的性能(例如，强化对于电源电压变动的耐性、抑制元件偏差、低噪声化等)，作为它的对策，扩大在图像传感器系统(尤其是，ADC部)中使用的晶体管的沟道长度是很重要的。
如上所述，在模拟/数字变换器中，要求兼顾高集成化和性能提高。另外，这样的模拟变换器并不限定于图像传感器系统，还能够利用于其他的技术领域(例如，液晶驱动器或PDP驱动器等面板驱动器)。
作为解决上述的要求的方法，已知专利文献1。在专利文献1的光电变换装置中，包括恒流电路的多个放大电路排列在规定的重复方向上，恒流电路包括场效应晶体管。并且，场效应晶体管的沟道长度方向与相对放大电路的重复方向垂直的方向一致。通过这样构成，不会受到单元间隔的限制。可扩大场效应晶体管的沟道长度。
专利文献1：日本特开2005-217158号公报
近年来，为了提高模拟/数字变换器的性能，除了扩大晶体管的沟道长度外，还要求扩大晶体管的沟道宽度。例如，为了模拟/数字变换器中包含的比较器的比较精度的提高和比较器的高速化，要求增加比较器中包含的差动晶体管的沟道长度和沟道宽度这两者，且增加差动晶体管的互导(gm)。
但是，在专利文献1的技术中，由于使晶体管的沟道长度方向与垂直于放大电路的重复方向的方向一致，所以晶体管的沟道宽度受到单元间隔的限制，难以任意地设定晶体管的沟道长度和沟道宽度这两者。因此，由于不能扩大晶体管的沟道长度和沟道宽度这两者，所以不能提高模拟/数字变换器的性能。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够兼顾高集成化和性能提高的模拟/数字变换器以及图像传感器系统。
根据本发明的一个方面，模拟/数字变换器包括：参考信号生成电路，生成电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号；n个比较器，以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个(n为2以上的整数)输入电压，分别对所述参考信号的电压值和对应于自己的输入电压进行比较；n个计数器，分别对应于所述n个比较器，分别与规定时钟同步地执行计数动作，输出对应于自己的比较器的输出反转时的计数值；以及n个数字存储器，分别对应于所述n个计数器，分别保持从对应于自己的计数器输出的计数值，所述n个比较器的每一个包括分别提供所述参考信号和对应于该比较器的输入电压的第一和第二差动晶体管，所述第一差动晶体管由所述参考信号被提供到各自的栅极的、串联连接的p个(p为2以上的整数)第一单位晶体管构成，所述第二差动晶体管由所述输入电压被提供到各自的栅极的、串联连接的p个第二单位晶体管构成。在所述模拟/数字变换器中，通过将第一和第二差动晶体管分别分割为p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管，所以能够在比较器的单元间隔内构成第一和第二差动晶体管。此外，由于能够任意地设定第一和第二差动晶体管的各自的沟道长度和沟道宽度的双方，所以能够提高比较器的比较精度。
另外，优选地，在所述n个比较器的每一个中，所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管排列在与所述第一方向正交的第二方向上，以使各自的沟道长度方向与所述第一方向一致，所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管各自的沟道长度小于相当于所述第一方向上的所述单元间隔的长度的单元间隔宽度。
此外，也可以在所述n个比较器的每一个中，以沿着所述第二方向延伸的直线为基准线，与所述p个第一单位晶体管线对称地排列所述p个第二单位晶体管，以使所述p个第二单位晶体管通过位于该比较器的单元间隔内的基准点。通过这样构成，由于能够在n个比较器的每一个中确保第一和第二差动晶体管的差动特性，所以能够提高比较器的比较精度。
此外，也可以将在所述n个比较器的每一个中包含的第k个(1≤k≤p)第一单位晶体管和第k个第二单位晶体管配置成在所述第一方向上排列在同一条线上，所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管的各自的沟道长度小于所述单元间隔宽度的1/2。通过这样构成，能够抑制因晶体管的配置位置引起的比较器之间的特性偏差。此外，能够抑制比较器的电路面积的增大。
或者，也可以将在所述n个比较器的每一个中包含的p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管配置成在所述第一方向上不会相邻于与该比较器相邻的其他的比较器所包含的p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管。通过这样构成，能够扩大第一和第二差动晶体管的沟道长度，能够进一步提高比较器的性能。
或者，也可以在所述n个比较器的每一个中，以位于该比较器的单元间隔内的基准点为中心，与所述p个第一单位晶体管点对称地排列所述p个第二单位晶体管。通过这样构成，由于能够在n个比较器的每一个中确保第一和第二差动晶体管的差动特性，所以能够提高比较器的比较精度。
另外，也可以是所述p个第一单位晶体管具有相互相同的沟道长度，所述p个第二单位晶体管具有相互相同的沟道长度。通过这样构成，能够防止在半导体基板(用于形成模拟/数字变换器的半导体基板)上产生无用区域(不能形成元件的区域)。
或者，也可以是所述p个第一单位晶体管具有互不相同的沟道长度，所述p个第二单位晶体管具有互不相同的沟道长度。通过这样构成，与单位晶体管的每一个具有相互相同的沟道长度的情况相比，能够削减分别构成第一和第二差动晶体管的单位晶体管的个数。
此外，所述n个比较器的每一个还包括用于对所述第一和第二差动晶体管提供基准电流的电流源晶体管，所述电流源晶体管由用于供给所述基准电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。由此，通过将比较器的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，从而能够在比较器的单元间隔内构成比较器的电流源晶体管。此外，由于能够任意地设定n个比较器的每一个所包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，所以能够提高n个比较器的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
此外，所述模拟/数字变换器还包括n个放大器，该n个放大器以规定的单元间隔排列在所述第一方向上，且分别对应于所述n个输入电压，分别放大对应于自己的输入电压后提供给对应于自己的比较器，所述n个放大器的每一个包括用于供给规定电流的电流源晶体管，所述n个放大器的每一个所包含的电流源晶体管由用于供给所述规定电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。由此，通过将放大器的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，从而能够在放大器的单元间隔内构成放大器的电流源晶体管。此外，由于能够任意地设定n个放大器的每一个所包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，所以能够提高n个放大器的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
根据本发明的其他方面，图像传感器系统包括：n×m个像素部，排列成分别生成与入射光量对应的电荷的n列m行的二维矩阵状；垂直扫描电路，以行为单位选择所述n×m个像素部；n个读出电路，分别对应于所述n×m个像素部的n个像素列，分别生成与由通过所述垂直扫描电路选择的n个像素部中对应于自己的像素部生成的电荷相对应的像素电压；将由所述n个读出电路生成的n个像素电压变换为n个数字值的所述模拟/数字变换器；以及水平扫描电路，将通过所述模拟/数字变换器获得的n个数字值作为摄像数据来依次传送。在上述图像传感器系统中，由于能够兼顾模拟/数字变换器的高集成化和性能提高，因此能够对图像传感器进行高集成化，并且能够提供高清晰的摄像数据。
另外，也可以是所述n个读出电路的每一个包括与对应于该读出电路的像素部一同构成源极跟踪电路的电流源晶体管，所述n个读出电路的每一个包含的电流源晶体管由用于供给读出电流的基准电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。由此，通过将读出电路的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，从而能够在读出电路的单元间隔内构成读出电路的电流源晶体管。此外，由于能够任意地设定在n个读出电路的各自中包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，所以能够提高n个读出电路的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
根据本发明的其他方面，模拟/数字变换器包括：参考信号生成电路，生成电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号；n个比较器，以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个输入电压，分别对所述参考信号的电压值和对应于自己的输入电压进行比较；n个计数器，分别对应于所述n个比较器，分别与规定时钟同步地执行计数动作，输出在对应于自己的比较器的输出反转时的计数值；以及n个数字存储器，分别对应于所述n个计数器，分别保持从对应于自己的计数器输出的计数值，所述n个比较器的每一个包括用于供给基准电流的电流源晶体管，所述电流源晶体管由用于供给所述基准电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。在所述模拟/数字变换器中，通过将比较器的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，从而能够在比较器的单元间隔内构成比较器的电流源晶体管。此外，由于能够任意地设定在n个比较器的每一个中包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，所以能够提高n个比较器的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
根据本发明的其他方面，模拟/数字变换器包括：参考信号生成电路，生成电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号；n个放大器，以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个输入电压，分别放大对应于自己的输入电压；n个比较器，分别对应于所述n个放大器，分别对所述参考信号的电压值和由对应于自己的放大器放大的输入电压进行比较；n个计数器，分别对应于所述n个比较器，分别与规定时钟同步地执行计数动作，输出对应于自己的比较器的输出反转时的计数值；以及n个数字存储器，分别对应于所述n个计数器，分别保持从对应于自己的计数器输出的计数值，所述n个放大器的每一个包括用于供给规定电流的电流源晶体管，所述电流源晶体管由用于供给所述规定电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。在所述模拟/数字变换器中，通过将放大器的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，从而能够在放大器的单元间隔内构成放大器的电流源晶体管。此外，由于能够任意地设定在n个放大器的每一个中包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，所以能够提高n个放大器的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
根据本发明的其他方面，图像传感器系统包括：n×m个像素部，排列成分别生成与入射光量对应的电荷的n列m行的二维矩阵状；垂直扫描电路，以行为单位选择所述n×m个像素部；n个读出电路，分别对应于所述n×m个像素部的n个像素列，分别生成与由通过所述垂直扫描电路选择的n个像素部中对应于自己的像素部生成的电荷对应的像素电压；模拟/数字变换器，将由所述n个读出电路生成的n个像素电压变换为n个数字值；以及水平扫描电路，将通过所述模拟/数字变换器获得的n个数字值作为摄像数据来依次传送，所述n个读出电路的每一个包括与对应于该读出电路的像素部一同构成源极跟踪电路的电流源晶体管，所述电流源晶体管由用于供给读出电流的基准电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。在所述图像传感器系统中，通过将读出电路的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，从而能够在读出电路的单元间隔内构成读出电路的电流源晶体管。此外，由于能够任意地设定在n个读出电路的每一个中包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，所以能够提高n个读出电路的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
根据本发明的其他方面，半导体集成电路包括在半导体基板上形成的多个单位晶体管，通过串联连接和/或并联连接所述多个单位晶体管中的两个以上的单位晶体管，从而构成具有期望的沟道长度和期望的沟道宽度的晶体管。在所述半导体集成电路中，通过准备多个单位晶体管，能够自由地设定由两个以上的单位晶体管构成的晶体管的沟道长度和沟道宽度，能够提高设计自由度。
(发明效果)
如上所述，能够兼顾模拟/数字变换器的高集成化和性能提高。
附图说明
图1是表示实施方式1的图像传感器系统的结构例的图。
图2是用于说明图1所示的像素部、读出电路以及偏置电路的结构例的图。
图3是图1所示的图像传感器系统的概要布局图。
图4是表示图1所示的比较器的结构例的图。
图5是用于说明晶体管特性的图。
图6是用于说明图1所示的比较器的布局例1的图。
图7是用于说明图1所示的比较器的布局例2的图。
图8是用于说明图1所示的比较器的布局例3的图。
图9是用于说明图1所示的比较器的布局例4的图。
图10是用于说明模拟/数字变换器的变形例的图。
图11是表示图10所示的放大器的结构例的图。
图12是表示图10所示的放大器的变形例的图。
图13是表示图1所示的读出电路和偏置电路的变形例的图。
图14是表示实施方式2的图像传感器系统的结构例的图。
图15是表示图14所示的比较器的结构例的图。
图16是用于说明图14所示的比较器的布局例1的图。
图17是用于说明图14所示的比较器的布局例2的图。
图18是用于说明包括图1或图14所示的图像传感器系统的照相机装置的图。
符号说明：1、2-图像传感器系统；10-摄像电路；11-垂直扫描电路；12、22-模拟/数字变换器；13-水平扫描电路；14-定时控制电路；100-像素部；101-参考信号生成电路；102、202-比较器；103-计数器；104-数字存储器；105-放大器；110-读出电路；111-偏置电路；PD-光电二极管；MT-传送晶体管；MR-复位晶体管；MA-放大晶体管；MS-选择晶体管；M101、M101a-电流源晶体管；M102、M103、M102a、M103a-差动晶体管；M104、M105-负载晶体管；M106、M106a-电流源晶体管；M107、M107a-电流反射镜晶体管；I1-电流源；M108-电流源晶体管；M109-驱动晶体管；M121、M122、……、M12p-单位晶体管；M131、M132、……、M13p-单位晶体管；M161、M162、……、M16p-单位晶体管；M171、M172、……、M17p-单位晶体管；M181、M182、……、M18p-单位晶体管；31-透镜；32-数据校正电路；33-数据显示电路；34-编解码处理电路；35-数据记录电路；36-控制器；37-主时钟生成电路；38-操作部。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明实施方式。另外，图中对相同或者相应的部分赋予相同的符号，不重复对于它们的说明。
(实施方式1)
图1表示实施方式1的图像传感器系统的结构例。图像传感器系统1包括图像传感器10、垂直扫描电路11、模拟/数字变换器12、水平扫描电路13以及定时控制电路14。
图像传感器系统10包括：以n列m行(n、m为2以上的整数)的二维矩阵状排列的n×m个像素部100、100、……、100；以规定的单元间隔(例如，像素间隔)在规定的重复方向(例如，图像传感器10的行方向)上配置的n个读出电路110、110、……、110；以及偏置电路111。n×m个像素部100、100、……、100的每一个生成对应于入射光量的电荷。垂直扫描电路11响应控制信号C1，一条条按顺序输出m条行选择信号S1、S2、……、Sm，从而以行为单位选择像素部100、100、……、100。读出电路110、110、……、110分别对应于n×m个像素部的n个像素列(即，n根列信号线L1、L2、……、Ln)，生成与由通过垂直扫描电路11选择的n个像素部100、100、……、100中对应于该读出电路110的像素部100生成的电荷对应的像素电压VP1、VP2、……、VPn。
【像素部、读出电路、偏置电路的结构例】
例如，如图2所示，像素部100、100、……、100的每一个都包括光电二极管PD、传送晶体管MT、复位晶体管MR、放大晶体管MA以及开关晶体管MS，读出电路110、110、……、110的每一个都包括电流源晶体管M106，偏置电路111包括电流源I1和电流反射镜晶体管M107。向电流源晶体管M106的栅极提供来自偏置电路111的基准电压VR，电流源晶体管M106将对应于基准电压VR的读出电流提供给列信号线(在图2中列信号线L1)。电流反射镜晶体管M107与在读出电路110、110、……、110的每一个中包含的电流源晶体管M106一同构成电流反射镜电路，且输出对应于来自电流源I1的电流的基准电压VR。
【像素电压的读出动作】
这里，参照图2说明像素电压VP1、VP2、……、VPn的读出动作。首先，垂直扫描电路11输出行选择信号S1，从而将开关晶体管MS设定为导通状态。由此，在被提供行选择信号S1的n个像素部100、100、……、100的每一个中，放大晶体管MA的漏极连接到对应于该像素部的读出电路所包含的电流源晶体管M106的源极。即，由通过垂直扫描电路11选择的n个像素部100、100、……、100的每一个包含的放大晶体管MA、和对应于该像素部的读出电路所包含的电流源晶体管M106构成源极跟踪电路。在这样的状态下，垂直扫描电路11输出复位信号RST，从而将复位晶体管MR设定为导通状态。由此，对浮动扩散(floating diffusion)部FD(放大晶体管MA的栅极节点)的电压进行初始化。接着，若光入射到光电二极管PD，则光电二极管PD生成对应于入射光量的电荷。垂直扫描电路11输出传送信号TR，从而将传送晶体管MR设定为导通状态。由此，在光电二极管PD中生成的电荷被传送到浮动扩散部FD。由此，在列信号线L1中，生成对应于传送到浮动扩散部FD的电荷和电流源晶体管M106的读出电流的像素电压VP1。与此相同地，在列信号线L2、L3、……、Ln中，分别生成对应于浮动扩散部FD的电荷和电流源晶体管M106的读出电流的像素电压VP2、VP3、……、VPn。
另外，也可以在像素部100、100、……、100的每一个中不设置传送晶体管MT，而是将在光电二极管PD中生成的电荷直接提供给浮动扩散部FD。此外，像素部100、100、……、100的每一个也可以不包括开关晶体管MS。此时，垂直扫描电路11也可以按n×m个像素部100、100、……、100的m个像素行的每行控制传送信号TR和复位信号RST，以使以行为单位选择n×m个像素部100、100、……、100(即，n个像素部100、100、……、100的电荷分别被传送到列信号线L1、L2、……、Ln)。
【模拟/数字变换器】
返回到图1，模拟/数字变换器12是将经由列信号线L1、L2、……、Ln而提供的像素电压(输入电压)VP1、VP2、……、VPn分别变换为数字值D1、D2、……、Dn的器件，包括参考信号生成电路101、n个比较器102、102、……、102、n个计数器103、103、……、103以及n个数字存储器104、104、……、104。参考信号生成电路101生成电压值随着时间的经过而增加(或者减少)的参考信号REF(例如，倾斜波等)。例如，参考信号生成电路101响应于控制信号C2而开始输出参考信号REF，与时钟CLK1同步地使参考信号REF的电压值缓慢增加(或者减少)。n个比较器102、102、……、102以规定的单元间隔排列在规定的重复方向(例如，图像传感器10的行方向)上。此外，n个比较器102、102、……、102分别对应于n个像素电压VP1、VP2、……、VPn，对参考信号REF的电压值和对应于该比较器102的像素电压VP1、VP2、……、VPn进行比较。n个计数器103、103、……、103分别对应于n个比较器102、102、……、102，分别被提供n个比较器的输出电压VC1、VC2、……、VCn。此外，计数器103、103、……、103响应于控制信号C3而开始与时钟CLK2同步的计数动作(增加计数或者减少计数)，将对应于该计数器的比较器102的输出电压反转时的计数值作为数字值D1、D2、……、Dn来输出。数字存储器104、104、……、104分别对应于n个计数器103、103、……、103，响应于控制信号C4而保持来自n个计数器103、103、……、103的数字值D1、D2、……、Dn。
【水平扫描电路】
水平扫描电路13响应于控制信号C5，一个一个按顺序选择数字存储器104、104、……、104，从而将在数字存储器104、104、……、104中分别保持的数字值D1、D2、……、Dn作为摄像数据DDD来传送。
【定时控制电路】
定时控制电路14根据控制信号C1、C2、C3、C4、C5，对垂直扫描电路11、参考信号生成电路101、计数器103、103、……、103、数字存储器104、104、……、104以及水平扫描电路13进行控制。例如，定时控制电路14根据控制信号C1控制垂直扫描电路11的动作，以使垂直扫描电路11在适当的时刻输出传送信号TR、复位信号RST以及行选择信号S1、S2、……、Sn。此外，定时控制电路14输出时钟CLK1、CLK2。
【概要布局】
图3表示图1所示的图像传感器系统的概要布局的例子。如图3所示，比较器102、102、……、102在图像传感器10的行方向上重复排列。单元间隔宽度CP(重复方向上的比较器102的单元间隔的长度)是由图像传感器10的像素间隔决定的。例如，比较器102的单元间隔宽度CP相当于全部单元长度LLL除以图像传感器10的列数(即，比较器的个数)而得到的长度。此外，在隔着q个(q为2以上的整数)的像素列而配置一个比较器102的情况下，也可以将全部单元长度LLL除以“图像传感器10的列数/q(即，比较器的个数/q)”而得到的长度作为比较器102的单元间隔。另外，也可以在图像传感器10的两端(即，列信号线L1、L2、……、Ln的两端)设置模拟/数字变换器12。
【比较器】
图4表示图1所示的比较器102的结构例。比较器102包括电流源晶体管M101、差动晶体管M102、M103以及负载晶体管M104、M105。
电流源晶体管M101向差动晶体管M102、M103提供基准电流。电流源晶体管M101的源极连接到提供接地电压GND的接地节点，向电流源晶体管M101的栅极提供用于供给基准电流的偏置电压VB1。
向差动晶体管M102、M103分别提供参考信号REF和对应于该比较器102的输入电压(这里是输入电压VP1)。此外，差动晶体管M102由p个(p为2以上的整数)单位晶体管M121、M122、……、M12p构成。单位晶体管M121、M122、……、M12p串联连接在电流源晶体管M101的漏极和负载晶体管M104的漏极之间，向各自的栅极提供参考信号REF。与此相同地，差动晶体管M103由向各自的栅极提供输入电压VP1的串联连接的p个单位晶体管M131、M132、……、M13p构成。差动晶体管M102、M103的源极(这里是单位晶体管M121、M131的源极)连接到电流源晶体管M101的漏极。另外，也可以向差动晶体管M102的栅极(单位晶体管M121、M122、……、M12p的栅极)提供输入电压VP1，向差动晶体管M103的栅极(单位晶体管M131、M132、……、M13p的栅极)提供参考信号REF。
负载晶体管M104、M105的源极分别连接到提供电源电压VDD的电源节点，负载晶体管M104、M105的漏极分别连接到差动晶体管M102、M103的漏极(这里是单位晶体管M12p、M13p的漏极)。此外，负载晶体管M104的栅极连接到负载晶体管M105的栅极和负载晶体管M104的漏极。即，负载晶体管M104、M105构成电流反射镜电路。另外，也可以不连接负载晶体管M104的栅极和负载晶体管M104的漏极，而是向负载晶体管M104、M105的栅极提供偏置电压。或者，比较器102也可以包括在电源节点和差动晶体管M102的漏极之间连接的电阻元件以及在电源节点和差动晶体管M103的漏极之间连接的电阻元件，来代替负载晶体管M104、M105。由此，比较器102也可以具有完全差动型的结构。
【晶体管特性】
这里，参照图5A、图5B，说明图4所示的单位晶体管M121、M122、……、M12p和单位晶体管M131、M132、……、M13p的晶体管特性。
《nMOS晶体管M10》
首先，说明图5A所示的nMOS晶体管M10的晶体管特性。在图5A中，Vgs、Vds、Ids分别表示nMOS晶体管M10的栅极-源极间电压、漏极-源极间电压、漏极-源极间电流。
(1)饱和区域
在nMOS晶体管M10在饱和区域内工作的情况下(Vgs＜Vds+Vt)，漏极-源极间电流Ids如以下的(式A)所示。
Ids＝1/2·μ·Cox·W/L·(Vgs-Vt)2……(式A)
(2)非饱和区域
另一方面，在nMOS晶体管M10在非饱和区域内工作的情况下(Vgs≥Vds+Vt)，漏极-源极间电流Ids如以下的(式B)所示。
Ids＝μ·Cox·W/L·{(Vgs-Vt)·Vds-1/2·Vds2}……(式B)
另外，“Vt”表示nMOS晶体管M10的阈值电压，“W/L”表示nMOS晶体管M10的沟道宽度/沟道长度，“μ”表示载流子迁移率，“Cox”表示栅极氧化膜。其中，这里，为了简化说明，忽略了沟道长度调制系数λ、基板偏压效应系数γ。
《nMOS晶体管M1、M2之1》
接着，参照图5B，说明串联连接的nMOS晶体管M1、M2的晶体管特性。在图5B中，Vgs、Vds1、Ids1分别表示nMOS晶体管M1的栅极-源极间电压、漏极-源极间电压、漏极-源极间电流，Ids2表示nMOS晶体管M2的漏极-源极间电流，Vds表示nMOS晶体管M1的源极和nMOS晶体管M2的漏极间电压。另外，在这里，设为nMOS晶体管M1、M2的各自的沟道宽度/沟道长度为W/(L/2)。即，设为nMOS晶体管M1、M2的沟道长度为nMOS晶体管M10的沟道长度的1/2。此时，nMOS晶体管M1始终在非饱和区域(Vgs≥Vds1+Vt)内工作。
(1)饱和区域
在nMOS晶体管M2在饱和区域内工作的情况下((Vgs-Vds1)＜{(Vds-Vds1)+Vt})，漏极-源极间电流Ids1、Ids2如以下的(式1)、(式2)所示。
Ids1＝μ·Cox·W/(L/2)·{(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12}……(式1)
Ids2＝1/2·μ·Cox·W/(L/2)·(Vgs-Vds1-Vt)2……(式2)
这里，由于Ids1＝Ids2，所以通过(式1)、(式2)，求出以下的(式3)。
(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12＝1/4·(Vgs-Vt)2……(式3)
若将(式3)代入(式1)，则求出以下的(式4)。
Ids1＝1/2·μ·Cox·W/L·(Vgs-Vt)2……(式4)
由此，nMOS晶体管M2在饱和区域内工作时的晶体管特性式(式4)与nMOS晶体管M10在饱和区域内工作时的晶体管特性式(式A)相等。
(2)非饱和区域
另一方面，nMOS晶体管M2在非饱和区域内工作的时，((Vgs-Vds1)≥{(Vds-Vds1)+Vt})，漏极-源极间电流Ids1、Ids2如以下的(式5)、(式6)所示。
Ids1＝μ·Cox·W/(L/2)·{(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12}……(式5)
Ids2＝μ·Cox·W/(L/2)·{(Vgs-Vds1-Vt)·(Vds-Vds1)-1/2·(Vds-Vds1)2}……(式6)
这里，由于Ids1＝Ids2，所以通过(式5)、(式6)，求出以下的(式7)。
(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12＝1/2·{(Vgs-Vt)·Vds-1/2·Vds2}……(式7)
若将(式7)代入(式5)，则求出以下的(式8)。
Ids1＝μ·Cox·W/L·{(Vgs-Vt)·Vds-1/2·Vds2}……(式8)
由此，nMOS晶体管M2在非饱和区域内工作时的晶体管特性式(式8)与nMOS晶体管M10在非饱和区域内工作时的晶体管特性式(式B)相等。
《nMOS晶体管M1、M2之2》
另外，nMOS晶体管M1、M2也可以具有互不相同的W/L。这里，说明在图5B中nMOS晶体管M1、M2的沟道宽度/沟道长度分别为W/(L/3)、W/(2L/3)的例子(即，nMOS晶体管M1、M2的沟道长度分别为nMOS晶体管M10的沟道长度的1/3、2/3的例子)。
(1)饱和区域
当nMOS晶体管M2在饱和区域内工作时，漏极-源极间电流Ids1、Ids2如以下的(式11)、(式12)所示。
Ids1＝μ·Cox·W/(2L/3)·{(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12}……(式11)
Ids2＝1/2·μ·Cox·W/(L/3)·(Vgs-Vds1-Vt)2……(式12)
这里，由于Ids1＝Ids2，所以通过(式11)、(式12)，求出以下的(式13)。
(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12＝1/3·(Vgs-Vt)2……(式13)
若将(式13)代入(式11)，则求出以下的(式14)。
Ids1＝1/2·μ·Cox·W/L·(Vgs-Vt)2……(式14)
由此，nMOS晶体管M2在饱和区域内工作时的晶体管特性式(式14)与nMOS晶体管M10在饱和区域内工作时的晶体管特性式(式A)相等。
(2)非饱和区域
另一方面，当nMOS晶体管M2在非饱和区域内工作时，漏极-源极间电流Ids1、Ids2如以下的(式15)、(式16)所示。
Ids2＝μ·Cox·W/(2L/3)·{(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12}……(式15)
Ids1＝μ·Cox·W/(L/3)·{(Vgs-Vds1-Vt)·(Vds-Vds1)-1/2·(Vds-Vds1)2}……(式16)
这里，由于Ids1＝Ids2，所以通过(式15)、(式16)，求出以下的(式17)。
(Vgs-Vt)·Vds1-1/2·Vds12＝2/3·{(Vgs-Vt)·Vds-1/2·Vds2}……(式17)
若将(式17)代入(式15)，则求出以下的(式18)。
Ids1＝μ·Cox·W/L·{(Vgs-Vt)·Vds-1/2·Vds2}……(式18)
由此，nMOS晶体管M2在非饱和区域内工作时的晶体管特性式(式18)与nMOS晶体管M10在非饱和区域内工作时的晶体管特性式(式B)相等。
另外，虽然在这里省略了说明，但是在将nMOS晶体管M1、M2的沟道长度分别设为nMOS晶体管M10的沟道长度的2/3、1/3的情况下(相互替换了nMOS晶体管M1、M2的情况下)，也表示与nMOS晶体管M10相同的晶体管特性。此外，在串联连接了各自的沟道长度的总值与nMOS晶体管M10的沟道长度相等的3个以上的nMOS晶体管，且对各自的栅极提供了相同的电压的情况下，也表示与nMOS晶体管M10相同的晶体管特性。由此，通过串联连接多个单位晶体管并向各自的栅极提供相同的电压(或者，相同的信号)，从而能够构成具有与多个单位晶体管的各自的沟道长度的总值相等的沟道长度的晶体管。即，在图4所示的比较器102中，能够由单位晶体管M121、M122、……、M12p构成具有与单位晶体管M121、M122、……、M12p的沟道长度的总值相等的沟道长度的差动晶体管M102。对于单位晶体管M131、M132、……、M13p也是相同的。
如上所述，通过将差动晶体管M102分割为p个单位晶体管M121、M122、……、M12p，能够在比较器102的单元间隔内构成差动晶体管M102。此外，能够任意地设定差动晶体管M102的沟道长度。例如，能够将差动晶体管M102的沟道长度设置得比比较器102的单元间隔宽度(CP)长。此外，由于也可以不需要使单位晶体管M121、M122、……、M12p的沟道宽度方向与比较器102的重复方向一致，所以能够任意地设定差动晶体管M102的沟道宽度。另外，对于差动放大器M103也是相同的。由此，由于能够任意地设定差动晶体管M102、M103的沟道长度和沟道宽度这两者，所以能够确保差动晶体管M102、M103的互导(gm)，能够实现比较器102的比较精度的提高和比较器102的高速化。
此外，由于能够兼顾模拟/数字变换器12的高集成化和性能提高，所以能够使图像传感器10高像素化，能够正确地提供高清晰的摄像数据DDD。
【布局例1】
接着，参照图6说明图1所示的比较器102、102、……、102的布局例1。这里，例示了n＝4、p＝2的情况(以下，对于图7、图8、图9、图16、图17也是相同的)。
在比较器102、102、……、102的每一个中，单位晶体管M121、M122和单位晶体管M131、M132排列在Y轴方向(与X轴方向正交的方向)上，以使各自的沟道长度方向与X轴方向(重复方向)一致。此外，单位晶体管M121、M122、M131、M132的各自的沟道长度(L)比比较器102的单元间隔宽度(CP)短。因此，由于能够将单位晶体管M121、M122、M131、M132配置在比较器102的单元间隔宽度内，所以能够提高比较器102的集成度。
此外，在比较器102、102、……、102的每一个中，以沿着Y轴方向延伸的直线为基准线与单位晶体管M121、M122线对称地配置单位晶体管M131、M132，以使通过该比较器102的单元间隔内的基准点(例如，单位晶体管M121、M131的源极和电流源晶体管M101的漏极的连接节点NN)。通过这样构成，能够确保差动晶体管M102、M103的差动特性，能够提高比较器102的比较精度。
此外，在比较器102、102、……、102的每一个中包含的单位晶体管M121配置为在X轴方向(重复方向)上分别排列于同一条直线上。对于单位晶体管M121、M131、M132也是相同的。即，在比较器102、102、……、102的每一个中包含的第k个单位晶体管M12k(1≤k≤p)和第k个单位晶体管M13k配置为在X轴方向上分别排列于同一条直线上。另外，单位晶体管M121、M122、M131、M132的各自的沟道长度(L)比比较器102的单元间距宽度(CP)的1/2短。通过这样构成，能够抑制因晶体管的配置引起的比较器的特性偏差。例如，能够抑制比较器102、102、……、102之间的固定模式噪声。此外，能够抑制比较器102、102、……、102的电路面积的增大。
【布局例2】
接着，参照图7说明图1所示的比较器102、102、……、102的布局例2。
在图7所示的布局例中，与图6相同地，以沿着Y轴方向延伸的直线为基准线线对称地配置单位晶体管M121、M122和单位晶体管M131、M132，以使通过比较器102的单元间隔内的基准点(例如，连接节点NN)。其中，在图7中，在比较器102、102、……、102的每一个中包含的单位晶体管M121、M122、M131、M132配置成在X轴方向上不会相邻于与该比较器相邻的其他的比较器所包含的单位晶体管M121、M122、M131、M132的任一个。通过这样构成，能够在X轴方向(重复方向)上部分扩大比较器102、102、……、102的单元间隔。即，能够在X轴方向上扩大单位晶体管M121、M122、……、M12p和单位晶体管M131、M132、……、M13p的形成区域。因此，能够扩大单位晶体管M121、M122、……、M12p和单位晶体管M131、M132、……、M13p的沟道长度(L)，其结果，能够扩大差动晶体管M102、M103的沟道长度。由此，能够进一步提高比较器102的性能。
【布局例3】
接着，参照图8说明图1所示的比较器102、102、……、102的布局例3。
在比较器102、102、……、102的每一个中，单位晶体管M121、M122和单位晶体管M131、M132在Y轴方向(与X轴方向正交的方向)上排列成各自的沟道长度方向与X轴方向一致。
此外，在比较器102、102、……、102的每一个中，以该比较器102的单元间隔内的基准点(例如，单位晶体管M121、M131的源极和电流源晶体管M101的漏极的连接节点NN)为中心与单位晶体管M121、M122点对称地配置单位晶体管M131、M132。通过这样构成，能够确保差动晶体管M102、M103的差动特性，能够提高比较器102的比较精度。
此外，在比较器102、102、……、102的每一个中包含的第k个单位晶体管M12k(1≤k≤p)配置成在X轴方向上分别排列在同一条直线上。与此相同地，在比较器102、102、……、102的每一个中包含的第k个单位晶体管M13k配置成在X轴方向上分别排列在同一条直线上。另外，此时，单位晶体管M121、M122、M131、M132的各自的沟道长度(L)比比较器102的单元间距宽度(CP)短。通过这样构成，与图6的布局例相比，更能够扩大单位晶体管M121、M122、……、M12p和单位晶体管M131、M132、……、M13p的沟道长度，其结果，能够扩大差动晶体管M102、M103的沟道长度。由此，能够进一步提高比较器102的性能。
【布局例4】
接着，参照图9说明图1所示的比较器102、102、……、102的布局例4。
在图9所示的布局例中，与图8相同地，以比较器102的单元间隔内的基准点为中心(例如，连接节点NN)点对称地配置单位晶体管M121、M122和单位晶体管M131、M132。其中，在图9中，在比较器102、102、……、102的每一个中包含的单位晶体管M121、M122、M131、M132配置成在X轴方向上不会相邻于与该比较器相邻的其他的比较器所包含的单位晶体管M121、M122、M131、M132的任一个。通过这样构成，能够在X轴方向(重复方向)上部分扩大比较器102、102、……、102的单元间隔，所以能够扩大单位晶体管M121、M122、……、M12p和单位晶体管M131、M132、……、M13p的沟道长度(L)。由此，能够扩大差动晶体管M102、M103的沟道长度，能够进一步提高比较器102的性能。
(实施方式1的变形例)
【单位晶体管的沟道长度】
另外，在比较器102、102、……、102的每一个中，单位晶体管M121、M122、……、M12p的每一个也可以具有相互相同的沟道长度。通过这样构成，能够防止在半导体基板(用于形成模拟/数字变换器的半导体基板)上产生无用的区域(不能形成元件的区域)。或者，单位晶体管M121、M122、……、M12p的每一个也可以具有相互不同的沟道长度。通过这样构成，与单位晶体管M121、M122、……、M12p的每一个具有相互相同的沟道长度的情况相比，能够削减构成差动晶体管M102的单位晶体管的个数。另外，对于单位晶体管M131、M132、……、M13p也是相同的。
【负载晶体管】
此外，在比较器102、102、……、102的每一个中，负载晶体管M104、M105也可以与差动晶体管M102、M103相同地由多个单位晶体管构成。例如，负载晶体管M104也可以由串联连接在电源节点和差动晶体管M102的漏极之间的多个单位晶体管构成。此外，构成负载晶体管M104、M105的多个单位晶体管既可以如图6、图7那样被配置成线对称，也可以如图8、图9那样被配置成点对称。
【放大器】
如图10所示，模拟/数字变换器12也可以还包括n个放大器105、105、……、105。放大器105、105、……、105以规定的单元间隔排列在规定的重复方向(例如，图像传感器10的行方向)上。此外，放大器105、105、……、105分别对应于n个像素电压VP1、VP2、……、VPn，放大对应于该放大器的像素电压，并将放大的像素电压VP1’、VP2’、……、VPn’输出到对应于该放大器的比较器。
例如，如图11所示，放大器105、105、……、105的每一个包括电流源晶体管M108以及驱动晶体管M109。向电流源晶体管M108的栅极提供用于供给规定电流的偏置电压VB2，电流源晶体管M108的源极连接到接地节点。向驱动晶体管M109的栅极提供对应于该放大器105的像素电压(这里是像素电压VP1)，驱动晶体管M109的源极连接到电源节点，驱动晶体管M109的漏极连接到电流源晶体管M108的漏极。
另外，如图12所示，放大器105、105、……、105的每一个也可以代替图11所示的电流源晶体管M108而包括由p个单位晶体管M181、M182、……、M18p构成的电流源晶体管M108a。单位晶体管M181、M182、……、M18p串联连接在接地节点和驱动晶体管M109的漏极之间，且各自的栅极被提供偏置电压VB2。由此，通过将电流源晶体管M108a分割为单位晶体管M181、M182、……、M18p，能够在放大器105的单元间隔内构成电流源晶体管M108a。此外，能够任意地设定在放大器105、105、……、105的每一个中包含的电流源晶体管M108a的沟道长度和沟道宽度，能够提高放大器105、105、……、105的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。由此，能够提高模拟/数字变换器12的性能。
另外，模拟/数字变换器12也可以在n个比较器102、102、……、102和n个计数器103、103、……、103之间还包括n个放大器。这些n个放大器分别对输出电压VP1、VP2、……、VPn中、对应于该放大器的输出电压进行放大，并输出到对应于该放大器的计数器。此外，这些n个放大器既可以具有如图11所示的结构，也可以具有如图12所示的结构(包括由p个单位晶体管构成的电流源晶体管的结构)。此外，放大器的结构并不限于在这里示出的结构，只要是能够放大电压的结构，则可以是任意的结构。
【读出电路、偏置电路】
此外，如图13所示，读出电路110、110、……、110的每一个也可以代替如图2所示的电流源晶体管M106而包括由p个单位晶体管M161、M162、……、M16p构成的电流源晶体管M106a。单位晶体管M161、M162、……、M16p串联连接在接地节点和对应于读出电路110的列信号线(这里是列信号线L1)之间，且各自的栅极被提供基准电压VR。由此，通过将电流源晶体管M106a分割为单位晶体管M161、M162、……、M16p，能够在读出电路110的单元间隔内构成电流源晶体管M106a。此外，能够任意地设定在读出电路110、110、……、110的每一个中包含的电流源晶体管M106a的沟道长度和沟道宽度，能够提高读出电路110、110、……、110的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。由此，能够提高图像传感器系统1的性能。
此外，如图13所示，偏置电路111也可以代替如图2所示的电流反射镜晶体管M107而包括由p个单位晶体管M171、M172、……、M17p构成的电流反射镜晶体管M107a。尤其是，在读出电路110、110、……、110的每一个所包含的电流源晶体管由p个单位晶体管构成的情况下，优选将在偏置电路111中包含的电流反射镜晶体管由p个单位晶体管构成。通过这样构成，能够提高电流精度。
另外，也可以仅将读出电路110、110、……、110的电流源晶体管和偏置电路111的电流反射镜晶体管中的任一个由p个单位晶体管构成。通过这样构成，能够调整读出电路110、110、……、110的电流源晶体管和偏置电路111的电流反射镜晶体管的电流比。
【相关二次采样】
另外，图1所示的图像传感器系统1也可以具有相关二次采样(CDS：Correlated Double Sampling)功能。例如，定时控制电路14控制图像传感器系统1的各个部分，以使图像传感器系统1的各个部分按照如下方式工作。
首先，垂直扫描电路11输出行选择信号S1、S2、……、Sn中的任一个，来选择n个像素部100、100、……、100。接着，垂直扫描电路11对n×m个像素部100、100、……、100输出复位信号RST来对n×m个像素部100、100、……、100的电荷进行初始化，之后，参考信号生成电路101开始输出参考信号REF，计数器103、103、……、103开始计数动作，数字存储器104、104、……、104保持来自计数器103、103、……、103的数字值D1、D2、……、Dn。由此，获得相当于像素电压VP1、VP2、……、VPn的偏移量的数字值D1、D2、……、Dn。接着，垂直扫描电路11向n×m个像素部100、100、……、100输出传送信号TR，由此在n×m个像素部100、100、……、100的每一个中执行电荷传送(从光电二极管FD向浮动扩散部FD的电荷传送)，之后，参考信号生成电路101开始输出参考信号REF，计数器103、103、……、103开始计数动作。由此，获得相当于所选择的n个像素部100、100、……、100的像素电压VP1、VP2、……、VPn的数字值D1、D2、……、Dn。另外，在这些像素电压VP1、VP2、……、VPn中包括偏移(offset)。这里，数字存储器104、104、……、104从由计数器103、103、……、103获得的数字值D1、D2、……、Dn中减去偏移数字值(相当于偏移量的数字值)，并保持通过该减法运算而获得的数字值。
通过这样控制，能够除去附加在数字值D1、D2、……、Dn中的偏移。尤其是，在比较器102、102、……、102具有如图8或图9所示的点对称的布局的情况下，由于在比较器102、102、……、102的每一个中晶体管配置为点对称、但信号布线不是点对称，所以存在差动特性的恶化和偏移电压的附加的可能性，因此，施加相关二次采样会比较有效。
(实施方式2)
图14表示实施方式2的图像传感器系统2的结构例。图像传感器系统2代替图1所示的模拟/数字变换器12而包括模拟/数字变换器22。模拟/数字变换器22代替图1所示的n个比较器102、102、……、102而包括n个比较器202、202、……、202。其他结构与图1相同。
图15表示图14所示的比较器202的结构例。比较器202代替图4所示的电流源晶体管M101和差动晶体管M102、M103，包括电流源晶体管M101a和差动晶体管M102a、M103a。电流源晶体管M101a由p个单位晶体管M111、M112、……、M11p构成。单位晶体管M111、M112、……、M11p串联连接在接地节点和差动晶体管M102a(M103a)的漏极之间，且各自的栅极被提供偏置电压VB1。差动晶体管M102a、M103a的源极连接到电流源晶体管M101a的漏极(这里是单位晶体管M11p的漏极)。
如上所述，通过将电流源晶体管M101分割为p个单位晶体管M111、M112、……、M11p，从而能够在比较器202的单元间隔内构成电流源晶体管M101a。此外，能够任意地设定电流源晶体管M101a的沟道长度。例如，能够将电流源晶体管M101a的沟道长度设置得比比较器202的单元间隔宽度(CP)长。此外，由于也可以不需要使单位晶体管M111、M112、……、M11p的沟道宽度方向与比较器202的重复方向一致，所以能够任意地设定电流源晶体管M101a的沟道宽度。由此，由于能够任意地设定电流源晶体管M101a的沟道长度和沟道宽度这两者，所以能够提高比较器202、202、……、202的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。由此，能够提高模拟/数字变换器22的性能。
【布局例1】
接着，参照图16说明图14所示的比较器202、202、……、202的布局例1。
在比较器202、202、……、202的每一个中，单位晶体管M111、M112排列在Y轴方向上，以使各自的沟道长度方向与X轴方向一致。此外，单位晶体管M111、M112的各自的沟道长度(L)比比较器102的单元间隔宽度(CP)短。
此外，在比较器202、202、……、202的每一个中包含的单位晶体管M111配置成在X轴方向上分别排列在同一条直线上。对于单位晶体管M112也是相同的。即，在比较器202、202、……、202的每一个中包含的第k个单位晶体管M11k(1≤k≤p)配置成在X轴方向上分别排列在同一条直线上。另外，单位晶体管M111、M112的各自的沟道长度(L)比比较器102的单元间距宽度(CP)短。通过这样构成，能够将单位晶体管M111、M112配置在比较器202的单元间隔内，并且能够提高比较器202、202、……、202的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。这样的结构在单镜头照相机系统等列方向的像素数较多的情况下，尤其有效。
【布局例2】
接着，参照图17说明图14所示的比较器202、202、……、202的布局例2。
图17所示的布局例与图16相同，单位晶体管M111、M112排列在Y轴方向上，以使各自的沟道长度方向与X轴方向一致。其中，在图17中，在比较器202、202、……、202的每一个中包含的单位晶体管M111、M112排列成在X轴方向上不会相邻于与该比较器相邻的其他比较器所包含的单位晶体管M111、M112的任一个。通过这样构成，由于能够在X轴方向(重复方向)上部分扩大比较器202、202、……、202的单元间隔，所以能够扩大单位晶体管M111、M112、……、M11p的沟道长度(L)。由此，能够扩大电流源晶体管M111a的沟道长度，能够提高比较器202的性能(例如，强化对于电源电压的变动的耐性)。
(实施方式2的变形例)
另外，比较器202、202、……、202的每一个也可以代替差动晶体管M102a、M103a而包括如图4所示的差动晶体管M102、M103。此外，读出电路110、110、……、110的每一个也可以包括如图13所示的电流源晶体管M106a(单位晶体管M161、M162、……、M16p)，偏置电路111也可以包括如图13所示的电流反射镜晶体管M107a(单位晶体管M171、M172、……、M17p)。即，除了比较器202、202、……、202的电流源晶体管之外，比较器202、202、……、202的差动晶体管和负载晶体管、读出电路110、110、……、110的电流源晶体管、偏置电路111的电流反射镜晶体管也可以由多个单位晶体管构成。另外，构成电流源晶体管M106a的单位晶体管M161、M162、……、M16p、构成电流反射镜晶体管M107a的单位晶体管M171、M172、……、M17p既可以排列成如图16那样，也可以排列成如图17那样。
此外，模拟/数字变换器22也可以还包括如图10所示的n个放大器105、105、……、105，也可以在n个比较器202、202、……、202和n个计数器103、103、……、103之间包括n个放大器。这些放大器既可以如图11所示那样构成，也可以如图12那样构成。另外，构成各个放大器的多个单位晶体管既可以排列成如图16那样，也可以排列成如图17那样。
此外，在比较器202、202、……、202的每一个中，单位晶体管M111、M112、……、M11p的每一个既可以具有相互相同的沟道长度，也可以具有互不相同的沟道长度。与此相同地，对于比较器202的负载晶体管、读出电路110的电流源晶体管、偏置电路111的电流反射镜晶体管、放大器的电流源晶体管的每一个而言，构成该晶体管的单位晶体管也可以具有相互相同的沟道长度，也可以具有互不相同的沟道长度。
(照相机装置)
如图18所示，图像传感器系统1、2还能够应用于照相机装置(例如，数码摄像机、数码相机、车载摄像头、监视摄像机等)。如图18所示的照相机装置除了图像传感器系统1之外，还包括透镜31、数据处理电路(数据校正电路32、数据显示电路33、编解码(codec)处理电路34、数据记录电路35等)、控制器36、主时钟生成电路37以及操作部38。另外，照相机装置可以是拍摄静止画面的装置、拍摄运动画面的装置或者拍摄这两种画面的装置中的任一种。
图像传感器系统1将经由透镜31入射的被摄体的影像变换为摄像数据DDD，并响应于来自控制器36的控制信号，将摄像数据DDD提供给数据校正电路32。数据校正电路32对来自图像传感器系统1的摄像数据DDD实施数据校正处理(伽马校正处理、白平衡处理、颜色分离处理等)，并将完成处理的摄像数据提供给数据显示电路33和编解码处理电路34。另外，数据校正电路32也可以将实施了相同的校正处理的摄像数据提供给数据显示电路33和编解码处理电路34，也可以将实施了对应于数据显示电路33的校正处理的摄像数据提供给数据显示电路33，并且将实施了对应于编解码处理电路34的校正处理的摄像数据提供给编解码处理电路34。数据显示电路33基于来自数据校正电路32的摄像数据，将影像显示在显示器中。编解码处理电路34通过规定的压缩方式对来自数据校正电路32的摄像数据进行压缩，并提供给数据记录电路35。数据记录电路35响应于控制器36的控制，将由编解码处理电路34压缩的摄像数据记录在记录介质(例如，半导体存储器、磁盘、光盘、存储卡等)中。该记录介质既可以内置在照相机装置中，也可以以可装卸的方式外置于照相机装置。控制器36响应于提供给操作部38的用户的操作，控制图像传感器系统1、数据校正电路32、数据显示电路33、编解码处理电路34、数据记录电路35以及主时钟生成电路37。此外，控制器36将控制数据Data提供给图像传感器系统1(例如，定时控制电路14)。主时钟生成电路37生成用于使图像传感器系统1工作的主时钟MCLK，并将主时钟MCLK提供给图像传感器系统1(例如，定时控制电路14)。操作部38由操作按钮(例如，静止画面拍摄的快门按钮、运动画面拍摄的开始按钮及停止按钮等)、操作杆、推动转盘(jog dial)、触摸面板等构成，将对应于用户操作的操作信号提供给控制器36。
如上所述，通过将图像传感器系统1(或者图像传感器2)搭载在照相机装置中，能够实现照相机装置的小型化和高像素化，并且能够正确地提供高清晰的摄像数据。
(其他实施方式)
在以上的说明中，说明了由“nMOS晶体管”构成电流源晶体管M101、M101a、差动晶体管M102、M102a、M103、M103a，由“pMOS晶体管”构成负载晶体管M104、M105的例子，但是在由“pMOS晶体管”构成电流源晶体管M101、M101a、差动晶体管M102、M102a、M103、M103a，且由“nMOS晶体管”构成负载晶体管M104、M105的情况下(逆转信号极性来使用的情况下)，也能够兼顾模拟/数字变换器的高集成化和性能提高。另外，对于其他结构(例如，放大器105)，也可以逆转信号极性来使用。
此外，也可以利用多个单位晶体管构成比较器的电流源晶体管、差动晶体管、负载晶体管、读出电路的电流源晶体管、偏置电路的电流反射镜晶体管以及放大器(在比较的前级设置的放大器、在比较器的后级设置的放大器)的电流源晶体管中的至少一个。例如，也可以仅将在n个比较器的每一个中包含的负载晶体管由多个单位晶体管构成。此外，也可以仅将在n个读出电路的每一个中包含的电流源晶体管由多个单位晶体管构成。由此，通过将在n个读出电路的每一个中包含的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，能够在读出电路的单元间隔内构成读出电路的电流源晶体管。此外，能够任意地设定在n个读出电路的每一个中包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，能够提高n个读出电路的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。此外，也可以仅将偏置电路的电流反射镜晶体管利用多个单位晶体管来构成，也可以仅将在n个放大器(在n个比较器的前级设置的n个放大器，或者在n个比较器的后级设置的n个放大器)的每一个中包含的电流源晶体管利用多个单位晶体管构成。由此，通过将在n个放大器的每一个中包含的电流源晶体管分割为多个单位晶体管，能够在放大器的单元间隔内构成放大器的电流源晶体管。此外，能够任意地设定在n个放大器的每一个中包含的电流源晶体管的沟道长度和沟道宽度，能够提高n个放大器的每一个中的对于电源电压的变动的耐性。
此外，也可以在半导体基板(用于形成模拟/数字变换器的半导体基板)上预先准备用于构成模拟/数字变换器12(22)的比较器102(202)的多个单位晶体管。即，模拟/数字变换器也可以包括用于构成n个比较器的多个单位晶体管。此时，通过串联连接两个以上的单位晶体管，并对串联连接的单位晶体管的每一个的栅极提供相同的电压(或者，相同的信号)，从而能够构成具有与串联连接的单位晶体管各自的沟道长度的总值相等的沟道长度的晶体管。此外，通过并联连接两个以上的单位晶体管，并对并联连接的单位晶体管各自的栅极提供相同的电压(或者，相同的信号)，从而能够构成具有与并联连接的单位晶体管各自的沟道宽度的总值相等的沟道宽度的晶体管。由此，通过在半导体基板上预先准备多个单位晶体管，从而能够自由地设定由两个以上的单位晶体管构成的晶体管的沟道长度和沟道宽度，能够提高设计自由度。例如，只要变更金属层或通孔层，就能够变更晶体管性能。
另外，优选用于构成n个比较器的多个单位晶体管(在半导体基板上预先准备的单位晶体管)排列在与重复方向正交的方向(Y轴方向)上，以使各自的沟道长度方向与重复方向(X轴方向)一致。此外，在半导体基板上预先准备的多个单位晶体管的每一个既可以具有相互相同的沟道长度(或者，沟道宽度)，也可以具有互不相同的沟道长度(或者，沟道宽度)。例如，在准备具有相同的沟道长度的多个单位晶体管的情况下，能够防止在半导体基板上产生无用区域(不能形成元件的区域)。另一方面，在准备具有不同的沟道长度的多个单位晶体管的情况下，能够扩大设计时的选择范围。
另外，除了模拟/数字变换器或图像传感器系统之外，上述的技术(通过在半导体基板上预先形成多个单位晶体管，且串联连接和/或并联连接多个单位晶体管中的两个以上的单位晶体管，从而构成具有期望的沟道长度和期望的沟道宽度的晶体管的技术)还可以应用于其他的半导体集成电路中。
(产业上的可利用性)
如以上所说明，由于上述的模拟/数字变换器和图像传感器系统能够兼顾高集成化和性能提高，所以在驱动包括图像传感器系统的照相机装置、显示面板的面板驱动器(例如，液晶驱动器或PDP驱动器)等中有用。

Claims (19)

1.一种模拟/数字变换器，其特征在于，包括：
参考信号生成电路，生成电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号；
n个比较器，以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个输入电压，分别对所述参考信号的电压值和对应于自己的输入电压进行比较，其中，n是2以上的整数；
n个计数器，分别对应于所述n个比较器，分别与规定时钟同步地执行计数动作，并输出对应于自己的比较器的输出反转时的计数值；以及
n个数字存储器，分别对应于所述n个计数器，分别保持从对应于自己的计数器输出的计数值，
所述n个比较器的每一个都包括分别被提供所述参考信号和对应于该比较器的输入电压的第一和第二差动晶体管，
所述第一差动晶体管由所述参考信号被提供到各自的栅极的、串联连接的p个第一单位晶体管构成，其中，p是2以上的整数，
所述第二差动晶体管由所述输入电压被提供到各自的栅极的、串联连接的p个第二单位晶体管构成。
2.根据权利要求1所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中，所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管排列在与所述第一方向正交的第二方向上，以使各自的沟道长度方向与所述第一方向一致，
所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管各自的沟道长度小于相当于所述第一方向上的所述单元间隔的长度的单元间隔宽度。
3.根据权利要求2所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中，以沿着所述第二方向延伸的直线为基准线，与所述p个第一单位晶体管线对称地排列所述p个第二单位晶体管，以使所述p个第二单位晶体管通过位于该比较器的单元间隔内的基准点。
4.根据权利要求3所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中包含的第k个第一单位晶体管和第k个第二单位晶体管配置成在所述第一方向上排列在同一条线上，其中，1≤k≤p，
所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管各自的沟道长度小于所述单元间隔宽度的1/2。
5.根据权利要求3所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中包含的p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管配置成：在所述第一方向上不会相邻于与该比较器相邻的其他的比较器所包含的p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管。
6.根据权利要求2所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中，以位于该比较器的单元间隔内的基准点为中心，与所述p个第一单位晶体管点对称地排列所述p个第二单位晶体管。
7.根据权利要求6所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中包含的第k个第一单位晶体管和第k个第二单位晶体管配置成在所述第一方向上分别排列在同一条线上，其中，1≤k≤p，
所述p个第一单位晶体管和所述p个第二单位晶体管各自的沟道长度小于所述单元间隔宽度。
8.根据权利要求6所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
在所述n个比较器的每一个中包含的p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管配置成：在所述第一方向上不会相邻于与该比较器相邻的其他的比较器所包含的p个第一单位晶体管和p个第二单位晶体管。
9.根据权利要求1～8的任一项所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
所述p个第一单位晶体管具有相互相同的沟道长度，
所述p个第二单位晶体管具有相互相同的沟道长度。
10.根据权利要求1～8的任一项所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
所述p个第一单位晶体管具有互不相同的沟道长度，
所述p个第二单位晶体管具有互不相同的沟道长度。
11.根据权利要求1～10的任一项所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
所述n个比较器的每一个还包括用于对所述第一和第二差动晶体管提供基准电流的电流源晶体管，
所述电流源晶体管由用于供给所述基准电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。
12.根据权利要求1～11的任一项所述的模拟/数字变换器，其特征在于，
所述模拟/数字变换器还包括：n个放大器，以规定的单元间隔在所述第一方向上排列该n个放大器，且该n个放大器分别对应于所述n个输入电压，分别放大对应于自己的输入电压后提供给对应于自己的比较器，
所述n个放大器的每一个包括用于供给规定电流的电流源晶体管，
所述n个放大器的每一个所包含的电流源晶体管由用于供给所述规定电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。
13.一种图像传感器系统，其特征在于，包括：
n×m个像素部，排列成分别生成与入射光量对应的电荷的n列m行的二维矩阵状；
垂直扫描电路，以行为单位选择所述n×m个像素部；
n个读出电路，分别对应于所述n×m个像素部的n个像素列，分别生成与由通过所述垂直扫描电路选择的n个像素部中对应于自己的像素部生成的电荷相对应的像素电压；
权利要求1至12的任一项所述的模拟/数字变换器，将由所述n个读出电路生成的n个像素电压变换为n个数字值；以及
水平扫描电路，将通过所述模拟/数字变换器获得的n个数字值作为摄像数据来依次传送。
14.根据权利要求13所述的图像传感器系统，其特征在于，
所述n个读出电路的每一个包括与对应于该读出电路的像素部一同构成源极跟踪电路的电流源晶体管，
在所述n个读出电路的每一个中包含的电流源晶体管由用于供给读出电流的基准电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。
15.一种照相机装置，其特征在于，包括：
权利要求13或14所述的图像传感器系统；以及
数据处理电路，对从所述图像传感器系统传送的摄像数据进行处理。
16.一种模拟/数字变换器，其特征在于，包括：
参考信号生成电路，生成电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号；
n个比较器，以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个输入电压，分别对所述参考信号的电压值和对应于自己的输入电压进行比较；
n个计数器，分别对应于所述n个比较器，分别与规定时钟同步地执行计数动作，输出在对应于自己的比较器的输出反转时的计数值；以及
n个数字存储器，分别对应于所述n个计数器，分别保持从对应于自己的计数器输出的计数值，
所述n个比较器的每一个包括用于供给基准电流的电流源晶体管，
所述电流源晶体管由用于供给所述基准电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。
17.一种模拟/数字变换器，其特征在于，包括：
参考信号生成电路，生成电压值随着时间的经过而增加或者减少的参考信号；
n个放大器，以规定的单元间隔排列在第一方向上，且分别对应于n个输入电压，分别放大对应于自己的输入电压；
n个比较器，分别对应于所述n个放大器，分别对所述参考信号的电压值和由对应于自己的放大器放大的输入电压进行比较；
n个计数器，分别对应于所述n个比较器，分别与规定时钟同步地执行计数动作，输出在对应于自己的比较器的输出反转时的计数值；以及
n个数字存储器，分别对应于所述n个计数器，分别保持从对应于自己的计数器输出的计数值，
所述n个放大器的每一个包括用于供给规定电流的电流源晶体管，
所述电流源晶体管由用于供给所述规定电流的偏置电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。
18.一种图像传感器系统，其特征在于，包括：
n×m个像素部，排列成分别生成与入射光量对应的电荷的n列m行的二维矩阵状；
垂直扫描电路，以行为单位选择所述n×m个像素部；
n个读出电路，分别对应于所述n×m个像素部的n个像素列，分别生成与由通过所述垂直扫描电路选择的n个像素部中对应于自己的像素部生成的电荷对应的像素电压；
模拟/数字变换器，将由所述n个读出电路生成的n个像素电压变换为n个数字值；以及
水平扫描电路，将通过所述模拟/数字变换器获得的n个数字值作为摄像数据来依次传送，
所述n个读出电路的每一个包括与对应于该读出电路的像素部一同构成源极跟踪电路的电流源晶体管，
所述电流源晶体管由用于供给读出电流的基准电压被提供到各自的栅极的、串联连接的多个单位晶体管构成。
19.一种半导体集成电路，其特征在于，
包括在半导体基板上形成的多个单位晶体管，
通过串联连接和/或并联连接所述多个单位晶体管中的两个以上的单位晶体管，从而构成具有期望的沟道长度和期望的沟道宽度的晶体管。
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