CN103477628A - 斜坡信号发生电路及包括该电路的图像传感器和摄像装置 - Google Patents

Abstract

斜坡信号发生电路(130)包括参考电压发生部(134)，该参考电压发生部(134)在模数转换电路(120)进行比较动作之前，将参考信号(Vr)的电压变成对参考信号(Vr)和模拟输入信号(Vs1～Vsn)之间的电压差进行补偿的比较器设定电压(VR)，并随着开始比较动作，以比较器设定电压(VR)为起点输出斜坡信号，并且具有在比较动作之前对比较器设定电压(VR)加上规定的增强电压(VA)的功能。

Description

斜坡信号发生电路及包括该电路的图像传感器和摄像装置

技术领域

本发明涉及一种图像传感器及摄像装置，特别是涉及一种向该图像传感器及摄像元件所具有的单斜率型(single slope)(还能称作积分型或计数型)模数转换电路(在下文中记作ADC(Analog-to-Digital Converter))输出参考信号的斜坡信号发生电路。

背景技术

迄今为止，采用列并行AD转换方式(column parallel AD conversio n)的图像传感器正得到开发和应用，在该列并行AD转换方式下，对应着图像传感器的像素阵列中的每一列分别设置ADC，并在水平扫描期间内一次对像素阵列的一行像素输出信号进行AD(Analog-to-Digital)转换处理。在该列并行AD转换方式下，由于受到由像素间距决定的各列面积的制约，一般经常使用电路规模较小的单斜率型ADC(例如专利文献1)。单斜率型ADC使与计数器的计数值相关的斜坡信号作为参考信号输入ADC的比较器中，并根据模拟输入信号(像素输出信号)与该参考信号相一致时的计数值，将AD转换结果作为数字信号输出。

图12是表示现有图像传感器的结构示例的方框图。

列并行ADC(单斜率型ADC)620包括比较器660(661～66p)(p为自然数)和计数器670(671～67p)。并且，列并行ADC620在比较器660中对从斜坡信号发生电路630输出的参考信号Vr和从像素阵列610输出的像素信号Vs1～Vsp进行比较，并根据由计数器670(671～67p)对比较结果Vc1～Vcp进行计数的结果，输出AD转换结果(数字信号)。

安装在图像传感器中的列并行ADC620通过一般被称作数字CDS(Correlated Double Sampling：相关双采样)的一系列动作进行AD转换。数字CDS是通过进行像素信号Vs1～Vsp的复位电平的AD转换和信号电平的AD转换这两次AD转换，将这两次AD转换的差作为像素信号Vs1～Vsp的AD转换结果，来抑制起因于像素阵列610的像素及比较器660的特性偏差的固定模式噪声。

利用图13的时序图对数字CDS的动作情况进行具体的说明。

首先，在从时刻T30到时刻T31的期间，复位电平电压V1作为像素信号Vsx(x＝1～p)被从像素阵列610中输出。斜坡信号发生电路630所输出的参考信号Vr被设定成预先由控制电路640设定好的起始电压VI。在该状态下，控制电路640将复位信号CRST设定为“L”，使比较器660复位。具体而言，例如图14所示，比较器66x(x＝1～p)由包括输入电容3a、3b的差分放大器和包括输入电容3c的反相(INV)放大器3i构成。并且，若被输入复位信号CRST，复位晶体管3f、3g、3h就会使差分晶体管3d、3e的栅极和漏级之间以及INV放大器3i的输入端和输出端之间产生短路，从而比较器66x被复位到平衡状态。

在从时刻T31到时刻T32的期间，控制电路640对比较器输出初始化控制信号Sr进行驱动。于是，斜坡信号发生电路630将参考信号Vr从起始电压VI变成比较器初始化电压VR，并保持该电压。在此，比较器初始化电压VR是对比较器66x初始化之后的参考信号Vr与像素信号Vsx之间的电压差(即，比较动作)进行补偿的、比预先由控制电路640设定的起始电压VI高出补偿电压的电压。由此，比较器66x(x＝1～p)就从平衡状态被确定(初始化)成比较结果Vcx(x＝1～p)为“H”的状态。

在时刻T32，控制电路640开始驱动计数器用时钟CK，参考信号Vr成为以比较器初始化电压VR为起点的倾斜状斜坡信号。随着开始输出斜坡信号，计数器67x(x＝1～p)从起始计数值开始降值计数，并开始与第一次AD转换相关的比较动作。

在时刻T33，若比较器66x中的参考信号Vr与像素信号Vsx(复位电平电压V1)相一致，比较结果Vcx就转变成“L”，计数器67x停止降值计数，并保持此时的计数值(计数宽度Vd)。

在从时刻T34到时刻T35的期间，控制电路640再次驱动比较器输出初始化控制信号Sr。于是，斜坡信号发生电路630再次将参考信号Vr变成比较器初始化电压VR，由此比较结果Vcx(x＝1～p)被初始化到“H”状态。从像素阵列610中输出已变成复位电平电压V2的像素信号Vsx，并保持待机直到状态稳定为止。

在时刻T35，控制电路640开始驱动计数器用时钟CK，参考信号Vr成为以比较器初始化电压VR为起点的倾斜状斜坡信号。并且，随着开始输出斜坡信号，计数器67x以在第一次AD转换中保持的计数值为起点开始升值计数，并开始与第二次AD转换相关的比较动作。

在时刻T36，若比较器66x中的参考信号Vr与像素信号Vsx(复位电平电压V2)相一致，比较结果Vcx就转变成“L”，计数器67x停止升值计数，并保持此时的计数值。该时刻T33的计数值与时刻T36的计数值之差等于第一次AD转换与第二次AD转换之间的差值，即成为像素信号Vsx的振幅之差(V1-V2)的AD转换结果。

近年来，在数字相机系统中，像素的数量正在进一步增加。借助高清晰度视频摄像功能的安装等，得以推进驱动图像传感器的高速化。在该高速化下，使用上述数字CDS的AD转换存在下述问题，从而提出了用以解决该问题的技术方案。

例如，伴随上述高速化，应用了使用时钟的上升沿和下降沿这两沿时间的DDR(Double-Data-Rate，双数据速率)方式。在上述示例(专利文献1)中，时钟信号线将同一时钟供向斜坡信号发生电路630和计数器670。为此，就要在很长的距离上设置时钟信号线。并且，若该时钟的频率增大，起因于布线电阻以及/或者布线电容的负载就会引起时钟波形钝化以及占空比劣化，从而存在AD转换的DNL(Differential Non-Linearity，微分非线性)特性劣化的问题。

于是，在专利文献2中公开了下述技术，即：对供向斜坡信号发生电路的时钟进行分频使其频率降低，并将低通滤波器(LPF(Low Pass Filter))插入斜坡信号发生电路的输出信号线中，对斜坡信号波形进行平滑。由此，能够防止起因于时钟波形钝化及占空比劣化的DNL特性劣化。

如上所述，数字CDS的AD转换是经两次AD转换实现的，不过从实现高速驱动的观点出发，优选能够尽量缩短AD转换期间。

于是，在专利文献3中，作为缩短数字CDS的AD转换期间的技术，公开了在斜波(ramp wave)发生期间(例如图13的降值计数期间及升值计数期间)中加大斜波的线性期间的技术。具体而言，斜坡信号发生电路的输出部由缓冲器驱动，且连接有很多ADC。并且，在设置于该斜坡信号发生电路的输出部中的缓冲器的输入部设置有用以平滑毛刺噪声(glitch noise)的LPF。通过切换该毛刺平滑用LPF的时间常数，从而能够改善斜波输出开始时的钝化。

在专利文献4中，作为改善斜波发生器的高速响应性的技术，公开了一种通过在相同时刻使斜波与矩形波相加而能实现高速斜波发生的技术。

专利文献1：日本公开特许公报特开2006-340044号公报

专利文献2：日本公开特许公报特开2009-077172号公报

专利文献3：美国专利申请公开第2010/0271248号说明书

专利文献4：日本公开特许公报特开2006-337139号公报

发明内容

—发明所要解决的技术问题—

不过，在上述现有技术下，当特别是由于布线连接以及/或者伴随像素数量增加的ADC增加而导致对参考信号的输入负载增大等引起的过大负载加在参考信号上时，为了同时实现准确的AD转换和缩短AD转换期间，而存在尚未解决的问题。

例如，在专利文献2的结构下，虽然通过对时钟分频和插入LPF，能够抑制由于高速时钟的波形钝化引起的线性劣化，但这会助长斜波输出开始时的波形钝化，而很难缩短AD转换期间。

在专利文献3的结构下，虽然经由切换毛刺平滑用LPF的时间常数，而得以在斜坡信号发生电路的输出缓冲器的输入部中，使斜坡波形的上升响应变快，但无法避免由于输出缓冲器输出后的布线连接以及ADC的输入负载所引起的波形钝化问题。

专利文献4公开了一种改善斜波发生器的输出波形的上升响应的技术，而矩形波发生部及波形加法部等的电路规模较大，当安装在图像传感器及摄像装置中时就会存在较大的弊病。进而，与专利文献3中的技术相同，无法避免由于输出负载增大(布线连接以及ADC的输入负载)所引起的波形钝化问题。

下面，利用图15到图17，对由于斜坡信号发生电路的输出负载增大(布线连接以及ADC的输入负载)所引起的波形钝化问题进行具体的说明。

图15是表示安装在现有图像传感器中的列并行ADC620进行数字CDS的第一次AD转换动作时的参考信号Vr(Vre)的瞬态特性的图。

在时刻T40，从斜坡信号发生电路630中输出的参考信号Vr从起始电压VI变成比较器初始化电压VR。并且，在时刻T41，以比较器初始化电压VR为起点，以规定斜度在时间上产生倾斜的斜坡信号作为参考信号Vr输出。不过，由于参考信号布线路径上的负载以及很多共同连接起来的列并行ADC620的比较器660(661～66p)的负载，例如离斜坡信号发生电路630最远的那一列的比较器66p的输入部中的参考信号Vre就成为具有图15中用粗实线示出的瞬态特性的信号，该参考信号Vre被传送到比较器66p中。

在此，为了能够准确地进行AD转换，需要相对于计数器670的一个计数期间而言参考信号Vre发产生变化的电压宽度一定(也就是说，参考信号Vre的倾斜到达直线区域)。不过，在图15中参考信号Vre的倾斜到达直线区域的点为A点，在到达A点为止的这段期间都没有准确地进行AD转换。

不过，在图15的示例中，由于参考信号Vre在成为起始电压VI之前到达了直线区域，因而能够准确地进行数字CDS的第一次AD转换。

具体而言，数字CDS的第一次AD转换是对几乎没有因入射光量而产生变化的像素信号的复位电平进行转换，并且比较器660构成为包括图14所示的输入电容3a、3b。并且，由于比较器660先被初始化以后再进行比较动作，因而理想的是在输入到列并行ADC620中的参考信号Vre与图15中的起始电压VI相等时比较结束。因此，只要在像素信号Vsx与参考信号Vre相一致时参考信号Vre的斜坡波形的倾斜到达直线区域即可。也就是说，在图15的示例中，由于参考信号Vre在成为起始电压VI之前就到达了直线区域，因而能准确地进行数字CDS的第一次AD转换。

图16是表示图15的参考信号Vr与参考信号Vre之间的差分特性的图。能将该差成为规定值的时刻看作到达了直线区域的时刻，因而与图15相同可以说在A点到达了直线区域。

不过，在进一步实现了高速化的情况下(例如在缩短了图15中比较器初始化电压VR的输出期间(T40～T41的期间)的情况下)，在斜坡信号发生电路630开始输出斜坡信号时参考信号Vre就会从低于C点的电压(远离比较器初始化电压VR的电压)开始跃变。也就是说，到达直线区域的期间要晚于A点。

可以认为：在图像传感器的像素数量增加了的情况下，也会出现同样的问题，并且由于起因于所连接的列并行ADC620的比较器660以及/或者布线增加的负载增大所造成的参考信号Vre延迟会进一步增大。因此，在图15中，当参考信号Vre的电压达到起始电压VI时，就可能出现参考信号Vre未到达直线区域的状态。

下面，详细说明这种状态对AD转换特性造成的影响。

图17是表示图15的状态下参考信号Vre的电压波形与AD转换特性之间的关系的图。在图17中，例如当数字CDS的第二次AD转换时的像素信号的信号电平为暗时(作为电压来说是接近复位电平的电压)，比较结束时(D点)的斜坡信号的倾斜就处于比理想更为平缓的状态，相对于一个计数期间而言参考信号Vre的变化较小。也就是说，AD转换的计数数量增大，AD转换增益处于比理想更高的状态(F点)。另一方面，当上述信号电平为标准时(一般来说为数百mV左右)，比较结束时(E点)的斜坡信号的倾斜与理想的参考信号(参考信号Vr)相等，因而AD转换增益与理想的增益相等(G点)。

如上所述，若在参考信号Vre的电压达到了起始电压VI时参考信号Vre未到达直线区域，则在像素信号Vsx的振幅较小的范围内，列并行ADC620的线性就会产生劣化。

本发明正是鉴于所述问题而完成的，其目的在于：提供一种斜坡信号发生电路，该斜坡信号发生电路在单斜率型ADC的AD转换中，特别是在由于布线连接以及ADC的输入负载等引起的过大负载加在参考信号上的情况下，也能够实现准确的AD转换，同时还能够缩短AD转换所需的时间。

—用以解决技术问题的技术方案—

本发明的一个形态为：一种斜坡信号发生电路，其将以规定斜度在时间上产生倾斜的斜坡信号作为参考信号向单斜率型模数转换电路输出，所述模数转换电路具有在一输入端接收所述参考信号并在另一输入端接收模拟输入信号的比较器，并根据由所述比较器进行的比较动作的结果，将所述模拟输入信号转换成数字信号。并且，所述斜坡信号发生电路包括参考电压发生部，该参考电压发生部在所述比较动作之前，将所述参考信号的电压变成对所述比较器的所述一输入端和所述另一输入端的电压差进行补偿的比较器设定电压，并随着开始所述比较动作，以所述比较器设定电压为起点输出所述斜坡信号，并且，所述斜坡信号发生电路具有：在所述比较动作之前对所述比较器设定电压加上规定的增强电压的功能。

由此，在模数转换电路(ADC)进行比较动作之前，参考信号的电压变成对ADC的比较器的两个输入端的电压差进行补偿的、即对比较动作进行补偿的比较器设定电压，并被加上规定的增强电压，该电压就作为参考信号输出。由此，不仅由于对比较器的两个输入端的电压差进行补偿而能实现对比较器的比较动作的补偿，而且即使在施加了由于布线连接以及ADC的输入负载等引起的过大负载的情况下，也能对ADC的比较器的输入部中参考信号的上升进行支持。由此，能够使在斜坡信号发生电路的输出部与ADC的比较器的输入部中斜坡信号的倾斜大致相等为止的期间缩短。也就是说，能够实现准确的AD转换，同时还能够缩短AD转换所需的时间。

并且，上述形态的斜坡信号发生电路优选：具有对从所述比较动作开始前将所述参考信号的电压变成所述比较器设定电压以及加上所述增强电压起到开始输出所述斜坡信号为止的期间进行改变的功能。

由此，能够使对从加上增强电压起到开始输出斜坡信号为止的这段期间长度的控制、与对增强电压的电压值的控制结合起来进行。由此，能够将AD转换期间调整成最短时间。

所述模数转换电路也可以是这样的，即：该模数转换电路具有对所述比较器的比较时间进行计数的计数器，并根据由所述计数器进行计数的结果，生成所述数字信号。并且，上述形态的斜坡信号发生电路优选：具有相对于所述模数转换电路所具有的计数器的计数开始时刻，改变所述斜坡信号的输出开始时刻的功能。

由此，能够对从加上增强电压起到开始输出斜坡信号为止的这段期间的长度进行控制，并且能够相对于ADC所具有的计数器的计数开始时刻来设定斜坡信号的输出开始时刻。由此，在斜坡信号发生电路所输出的斜坡波形的倾斜较平缓的情况(即AD转换增益较高的情况)下，当输入ADC的比较器中的参考信号的振幅较小时，能够很难产生在规定的降值计数期间内AD转换未结束的情况。

上述形态的斜坡信号发生电路也可以是这样的，即：其包括时间差测量部、时间差比较部及增强电压控制部，该时间差测量部对从所述参考电压发生部的输出电压到达规定电压时起到所述比较器的所述一输入端上的电压到达所述规定电压时为止的时间差进行测量，该时间差比较部对由所述时间差测量部测量到的所述斜坡信号输出期间初期的所述时间差即第一时间差、与由该时间差测量部测量到的所述斜坡信号的倾斜稳定时的所述时间差即第二时间差进行比较，该增强电压控制部根据由所述时间差比较部进行比较的结果对所述增强电压进行控制，使所述第一时间差和所述第二时间差相一致。

由此，在斜坡信号的输出期间的初期和斜坡信号的倾斜稳定时，分别对斜坡信号发生电路的输出电压与比较器的一输入端的电压达到规定电压时为止的时间差进行测量，并根据对上述所测量到的时间差进行比较的结果，来控制增强电压。也就是说，能够根据该时间差的比较结果进行反馈控制。由此，利用例如摄像装置的图像输出为无效的期间等反复实施上述动作，从而能够将增强电压控制在最适当的值上。进而，即使在所述电压路径上的负载在装置间存在偏差的情况下，也能利用反馈控制，获得使AD转换特性保持良好，同时还能抑制特性偏差的效果。

上述形态的斜坡信号发生电路也可以是这样的，即：其包括输出电压测量部、参考电压测量部、时间差测量部、电压比较部以及增强电压控制部，该输出电压测量部对所述参考电压发生部的输出电压进行测量，该参考电压测量部对所述比较器的所述一输入端上的电压进行测量，该时间差测量部对从所述参考电压发生部的输出电压到达规定电压时起到所述比较器的所述一输入端上的电压到达所述规定电压时为止的时间差进行测量，该电压比较部对在所述斜坡信号输出期间初期的规定时间由所述输出电压测量部测量到的第一电压、与在从所述规定时间起经过了由所述时间差测量部测量到的所述时间差时由所述参考电压测量部测量到的第二电压进行比较，该增强电压控制部根据由所述电压比较部进行比较的结果对所述增强电压进行控制，使所述第一电压和所述第二电压相一致。

由此，根据在斜坡信号输出期间的初期的规定时间测量到的第一电压、与在从测量到第一电压的规定时间起经过了用时间差测量部测量到的时间差时所测得的第二电压之间的比较结果，来控制增强电压。也就是说，能够根据该第一电压与第二电压之间的比较结果进行反馈控制。由此，利用例如摄像装置的图像输出为无效的期间等反复实施上述动作，从而能够将增强电压控制在最适当的值上。进而，即使在所述电压路径上的负载在装置间存在偏差的情况下，也能利用反馈控制，获得使AD转换特性保持良好，同时还能抑制特性偏差的效果。

—发明的效果—

根据本发明，在将斜坡信号作为参考信号向单斜率型ADC输出的斜坡信号发生电路中，特别是在信号传送路径中存在过大负载的情况下，也能够实现准确的AD转换，同时还能够缩短AD转换所需的时间。

特别是，通过将本发明应用于安装在图像传感器中的列并行ADC(单斜率型ADC)中，而能够大幅度缩短降值计数的AD转换期间，由此即使像素数量增加也能够进行高速驱动。

附图说明

图1是示意地示出各个实施方式所涉及的摄像装置的方框图。

图2是示意地示出各个实施方式所涉及的图像传感器的方框图。

图3是表示第—实施方式所涉及的斜坡信号发生电路的参考信号波形之一例的图。

图4是表示第一实施方式所涉及的斜坡信号发生电路中参考信号延迟前后的差分特性的图。

图5是表示第一实施方式所涉及的斜坡信号发生电路的结构示例及外围电路的连接示例的图。

图6是用以说明第一实施方式所涉及的时间差测量部的动作情况的图。

图7中(a)是表示第一实施方式所涉及的参考电压发生部的结构之一例的图，(b)是用以说明参考电压发生部的动作情况的图。

图8是表示第一实施方式所涉及的参考电压发生部的其它结构示例的图。

图9是表示第一实施方式所涉及的参考电压发生部的其它结构示例的图。

图10是表示第二实施方式所涉及的斜坡信号发生电路的结构示例及外围电路的连接示例的图。

图11是用以说明第二实施方式所涉及的电压测量部及时间差测量部的动作情况的图。

图12是表示现有图像传感器的结构示例的方框图。

图13是用以说明现有图像传感器的动作情况的时序图。

图14是表示现有ADC所具有的比较器的内部电路之一例的图。

图15是表示现有斜坡信号发生电路的参考信号波形之一例的图。

图16是表示现有斜坡信号发生电路中参考信号延迟前后的差分特性的图。

图17是用以说明现有斜坡信号发生电路中参考信号与ADC的AD转换特性之间关系的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

在此，数字CDS的AD转换由两次AD转换构成，由于第二次AD转换是对像素信号的信号电平进行转换，因而需要根据入射光量对具有各种电压振幅的信号进行转换，从而在系统上就需要一个相当于ADC的所有量子计数的期间以作为AD转换期间。相对于此，由于第一次AD转换是对所有像素中几乎相等的复位电平进行转换，所以能够在包括降值计数宽度偏差的范围内将降值计数期间规定得很短。为此，在下述各个实施方式中，在数字CDS进行的两次AD转换中，着眼于对几乎没有因入射光量而产生变化的像素信号的复位电平进行转换的第一次AD转换，对缩短该第一次AD转换动作时间的情况进行说明。此外，就实施准确的AD转换这一点而言，通过实施下述实施方式，不仅在数字CDS的第一次AD转换中，在第二次AD转换中也是有效的。

＜第一实施方式＞

图1是示意地示出第一实施方式所涉及的摄像装置的方框图。在图1中，摄像装置包括图像传感器100和数字视频处理装置200。

数字视频处理装置200具有微型计算机CPU201，利用来自微型计算机CPU201的串行控制信号D(m-1：0)(m是2以上的自然数)对图像传感器100进行控制，并根据从图像传感器100输入的数字信号(ADC输出信号)进行视频信号处理。

图2是示意地示出第一实施方式所涉及的图像传感器100的方框图。在图2中，图像传感器100包括：像素阵列110、列并行ADC(单斜率型ADC)120、斜坡信号发生电路130、控制电路140以及控制寄存器150。

像素阵列110是由光电二极管和放大器构成的单位像素呈矩阵状二维布置而成的，同时并行输出已在属于所选一行的n个(n为自然数)单位像素的所对应的单位像素中被光电转换了的像素信号Vs1～Vsn。

在本实施方式中，作为列并行ADC120使用的是单斜率型ADC。列并行ADC120包括后述比较器160(161～16n)和计数器170(171～17n)(参照图5)。并进行下述动作，即：利用各自的比较器160(161～16n)对来自斜坡信号发生电路130的参考信号Vr(Vre)和从像素阵列110中输出的模拟输入信号即像素信号Vs1～Vsn进行比较，根据像素信号Vs1～Vsn与参考信号Vr(Vre)相一致时(后述比较结果Vc1～Vcn反转时)的计数值，输出AD转换结果(数字信号)。

在图像传感器100中，从微型计算机CPU201中输出的串行控制信号D(m-1：0)经由控制寄存器150被输入控制电路140中。控制电路140对斜坡信号发生电路130及列并行ADC120进行控制。斜坡信号发生电路130接收来自控制电路140的控制信号后，将以规定斜度在时间上产生倾斜的斜坡信号作为参考信号Vr输出。

图3是表示在本实施方式所涉及的参考信号中，斜坡信号发生电路130的输出部中的参考信号Vr(下文中称作参考信号Vr)以及离斜坡信号发生电路130最远的那一列的列并行ADC120的比较器16n的输入部中参考信号Vre(下文中称作参考信号Vre)的瞬态特性示例的图。在图3中，细线表示参考信号Vr，粗线表示参考信号Vre。在时刻T10，斜坡信号发生电路130根据来自控制电路140的控制信号，将参考信号Vr从起始电压VI变成将增强电压VA加在比较器初始化电压VR上而得到的比较器初始化电压VE。在从时刻T10到时刻T11的期间，从斜坡信号发生电路130持续输出比较器初始化电压VE。此时，参考信号Vre受到由于所连接的负载产生的瞬态特性的影响，显示出粗线所示的变化。并且，在将斜坡信号作为参考信号Vr从斜坡信号发生电路130中输出的时刻T11，斜坡信号发生电路130将参考信号Vr从比较器初始化电压VE变成比较器初始化电压VR，将斜坡信号作为参考信号Vr输出。于是，此时参考信号Vre达到较比较器初始化电压VR高出电压AV的斜坡开始电压Vrs(图3中的B点)。此外，一般来说，在欲使图3中到达B点的时刻提前的情况下，通过使开始输出斜坡信号的时刻和开始后述列并行ADC120的计数器170的计数时刻提前，并且提高增强电压VA，即提高比较器初始化电压VE就能够实现。

此外，在图3中，虽然将参考信号Vr变成比较器初始化电压VR和加上增强电压VA能够同时进行，不过即使将参考信号Vr变成比较器初始化电压VR的时刻与加上增强电压VA的时刻错开也无妨。

图4是表示各个时刻的参考信号Vr与参考信号Vre之差的图。可以看出：相对于在现有结构下该差到达直线区域的点为A点而言，在本实施方式中在A’点就进入了基本呈直线的区域，直线区域得以扩大。

下面，对其具体的方法进行说明。

首先，当将斜坡信号作为参考信号Vr输出时，推导出为了使参考信号Vr与参考信号Vre之间的电压差到达直线区域所需的电压即斜坡开始电压Vrs。

在此，若将由于参考信号Vr的布线路径及列并行ADC120的比较器160的输入负载所引起的传送延迟时间设为τ，并将斜坡波形(斜坡信号)的斜率设为Gr，则直线区域中任意时刻的电压差ΔVr便成为：

ΔVr＝τ·Gr···(式1)。

在图3中，斜坡信号发生电路130开始输出斜坡信号时(时刻T11)的参考信号Vr为比较器初始化电压VR。因此，此时的Vrs能够用下面的式2求出。

Vrs＝VR-ΔVr

＝VR-τ·Gr···(式2)

由上述式2的结果来看，由于比较器初始化电压VR及斜坡信号的斜率Gr是已知的，所以为了求出斜坡开始电压Vrs，只要知道传送延迟时间τ或者电压差ΔVr的实际测量值即可。

在图3的示例中，由于斜坡波形朝向电压下降方向，因而成为：

Gr＜0

Vrs＞VR···(式3)。

由上述式3的结果看出，在斜坡信号发生电路130开始输出斜坡信号的时刻T11，为了使参考信号Vre与斜坡开始电压Vrs相一致，必然需要在图3中将现有比较器初始化电压VR变成满足VE＞Vrs这一条件的比较器初始化电压VE。

在此，就图3的参考信号Vr而言，如果能充分确保维持比较器初始化电压VE的期间，则通过使比较器初始化电压VE＝Vrs，从而在斜坡信号发生电路130开始输出斜坡信号时(时刻T11)，很容易就能够使参考信号Vre的电压与斜坡开始电压Vrs相一致。不过，为了缩短列并行ADC120的AD转换所需的时间，需要缩短到参考信号Vre的电压与斜坡开始电压Vrs相一致为止的时间，从而优选对增强电压VA(比较器初始化电压VE)进行控制。

进而，由于参考信号Vr路径上的负载偏差等，很难通过计算使比较器初始化电压VE(增强电压VA)与斜坡开始电压Vrs相一致。

因此，可以想到下述方法，即：例如，利用摄像装置的图像输出为无效的期间(例如电源启动后或垂直回描消隐(vertical blanking)期间等)，对斜坡信号发生电路130开始输出作为参考信号Vr的斜坡信号时的参考信号Vre的电压进行测量，并进行控制比较器初始化电压VE(增强电压VA)使该参考信号Vre的电压与斜坡开始电压Vrs相一致的校准之后，进入有效图像期间。

还可以想到下述校准方法，即：例如，在斜坡信号输出期间的初期和斜坡信号的倾斜稳定时，分别对参考信号Vr与参考信号Vre达到规定电压时为止的时间差进行测量，并根据对上述所测量到的时间差进行比较的结果，对比较器初始化电压VE进行控制。在下文中，示出了利用基于该时间差测量结果的反馈控制对比较器初始化电压VE进行控制的示例。

图5是表示第一实施方式所涉及的斜坡信号发生电路130的结构示例及外围电路的连接示例的图。

斜坡信号发生电路130包括：时间差测量部131、时间差比较部132、增强电压控制部133以及参考电压发生部134。

列并行ADC120为具有n列(n为自然数)的ADC，并包括比较器160(161～16n)和计数器170(171～17n)。比较器160(161～16n)分别对输入一输入端的参考信号Vrm、Vre和输入另一输入端的像素信号Vs1～Vsn进行比较。计数器170(171～17n)对比较器160(161～16n)的比较时间即从计数器170的计数开始时刻起到比较器160的输出反转为止的时间进行计数，并将基于该结果的模数转换结果作为数字信号输出。在此，参考信号Vrm指的是输入各个比较器161～16(n-1)的一输入端的参考信号。

控制电路140将复位信号CRST供给比较器160，并且将经由参考信号Vr规定对比较器160的输出状态进行初始化的时间的控制信号Sr供给斜坡信号发生电路130。控制电路140还将用以取得参考信号Vr的倾斜状斜坡信号输出期间与计数器170的计数值之间相关性的计数器用时钟CK供给计数器170，并且将用于斜坡信号生成的斜坡信号生成用时钟CKr供给斜坡信号发生电路130。控制电路140还将时间信号T1、T2供给时间差测量部131。

在此，在从斜坡信号发生电路130的输出部起到列并行ADC120的比较器160(161～16n)的各个输入部为止的布线路径上，存在布线电阻和布线电容。并且，与位于离斜坡信号发生电路130最远的那一列的比较器16n的输入端相连的参考信号Vre相对于参考信号Vr来说延迟时间最长。

因此，时间差测量部131在倾斜状斜坡信号期间的初期时刻即时刻T1和稳定时刻即时刻T2这两个时间点对上述延迟最长的参考信号Vre与参考信号Vr之间的时间差进行测量，并分别将时间差Δt1和时间差Δt2向时间差比较部132输出。此外，虽然在上面的说明中是对参考信号Vre与参考信号Vr之间的时间差进行了测量，不过即使对位于其它列的比较器160的输入部中的参考信号Vrm与参考信号Vr之间的时间差进行测量也无妨。不过，优选的是测量参考信号Vre与参考信号Vr之间的时间差。

图6是表示上述时刻T1、T2及时间差Δt1、Δt2的关系之一例的图。在图6中，虚线表示参考信号Vr，实线表示参考信号Vre。假设参考信号Vr的斜度为负，并对这一情况进行说明。

在时刻T1，时间差测量部131保持参考信号Vr的电压以作为参考信号电压Vr1，并开始基于斜坡信号生成用时钟CKr的内部计数及对参考信号电压Vr1与参考信号Vre之间的比较。并且，时间差测量部131根据成为Vre≤Vr1时的内部计数值，将参考信号Vr和参考信号Vre成为参考信号电压Vr1的时间差即时间差Δt1向时间差比较部132输出。并且，时间差比较部132保持从时间差测量部131输出的时间差Δt1。

同样地，在时刻T2，时间差测量部131保持参考信号Vr的电压以作为参考信号电压Vr2，并开始基于斜坡信号生成用时钟CKr的内部计数及对参考信号电压Vr2与参考信号Vre之间的比较。并且，时间差测量部131根据成为Vre≤Vr2时的内部计数值，将参考信号Vr和参考信号Vre成为参考信号电压Vr2的时间差即时间差Δt2向时间差比较部132输出。并且，时间差比较部132保持从时间差测量部131输出的时间差Δt2。

时间差比较部132对时间差Δt1和时间差Δt2进行比较后，将比较结果向增强电压控制部133输出。增强电压控制部133根据来自时间差比较部132的比较结果，改变参考电压发生部134的比较器初始化电压VE(增强电压VA)。例如，增强电压控制部133进行下述改变，即：在Δt1＜Δt2的情况下，增强电压控制部133使比较器初始化电压VE上升；在Δt1＞Δt2的情况下，增强电压控制部133使比较器初始化电压VE下降。在此，优选增强电压控制部133的控制状态的更新与基于复位信号CRST的比较器160的复位(初始化)一样是在每一系列的AD转换动作中进行的。

通过在摄像装置的图像输出为无效的期间等反复进行上述动作，从而能够最佳化比较器初始化电压VE(增强电压VA)的设定。

在此，如果参考信号Vr具有理想的波形，时刻T1就被设定在开始输出斜坡信号生成用时钟CKr的时刻上。不过，由于实际的参考信号Vr的波形受到斜坡信号发生电路130的输出阻抗等的影响波形已产生钝化，因而优选将时刻T1设定在从开始输出斜坡信号生成用时钟CKr时算起经过了预定时间的时刻上。

图7(a)是表示参考电压发生部134的结构之一例的方框图。参考电压发生部134包括：控制切换部300、计数器301及DAC(Digital-to-AnalogConverter)302。图7(b)是示意地示出参考信号Vr的变化情况的图。

在图7(b)的时刻T21之前，控制切换部300根据已从控制电路140输入的控制信号(起始电压(VI)设定信号)，经由DAC302将参考信号Vr设为起始电压VI。并且，在时刻T21，控制切换部300根据已从增强电压控制部133输入的控制信号(增强电压(VE(VA))设定信号)，经由DAC302将参考信号Vr从起始电压VI变成加上增强电压VA后所得到的比较器初始化电压VE。若控制电路140在时刻T22开始供给斜坡信号生成用时钟CKr，计数器301就将已从控制电路140输入的比较器输出初始化电压(VR)设定代码设成计数的初始值，DAC302将参考信号Vr变成比较器初始化电压VR。然后，DAC302以该电压VR为起点，根据计数器301的计数值，将斜坡信号作为参考信号Vr输出。

此时，在图5中，控制电路140开始对计数器170供给计数器用时钟CK，计数器170便开始计数。具体而言，计数器170利用计数器用时钟CK，对用比较器160(161～16n)将来自像素阵列110的像素信号Vs1～Vsn与参考信号Vrm、Vre加以比较的比较结果反转为止的时间进行计数。

增强电压控制部133包括可逆计数器(up/down counter)，并根据时间差比较部132的比较结果，对向控制切换部300输出的数字代码进行加减控制，从而实现对比较器初始化电压VE的调整。此外，只要增强电压控制部133具有对比较器初始化电压VE进行调整的结构，则并不局限于上述结构，增强电压控制部133的结构可以结合参考电压发生部134的结构而改变，具有其它结构也无妨。

图8和图9是表示参考电压发生部134的其它结构示例的电路图。

图8示出的是利用梯形选择控制电路402选择梯形电阻(resistorladder)(增强电压用梯形电阻400及起始电压用梯形电阻401)的分压抽头，输出所希望的参考信号Vr的方式之一例。并且，起始电压VI是由根据来自控制电路140的控制信号(起始电压(VI)选择信号)选出的起始电压用梯形电阻401的分压抽头设定的。比较器初始化电压VE是由根据来自增强电压控制部133的控制信号(增强电压(VE)选择信号)选出的增强电压用梯形电阻400的分压抽头设定的。此时，比较器初始化电压VR为规定的固定电压。此外，比较器初始化电压VR可以使用预先设定好的电压VR，也可以从外部对电压VR进行设定。并且，根据斜坡信号生成用时钟CKr，朝着电压Vref一侧依次选择切换起始电压用梯形电阻401的分压抽头，并将斜坡信号作为参考信号Vr输出。

图9是使用了电流参照型DAC的方式之一例。根据分别从控制电路140及增强电压控制部133接收到的控制信号，对输出偏压电阻器500进行控制，从而对起始电压VI、比较器初始化电压VR及加上增强电压VA后所得到的比较器初始化电压VE进行设定。并且，根据接收了斜坡信号生成用时钟CKr的计数器501的计数值，对电流源的开关502进行开、关控制，将以规定斜度在时间上产生倾斜的斜坡信号作为参考信号Vr输出。此外，以规定斜度在时间上产生倾斜的斜坡信号可以为平滑的斜坡状波形，也可以为阶梯状波形，只要是以规定斜度在时间上产生倾斜的信号即可。

如上所述，在本实施方式中，通过比较参考信号Vr与参考信号Vre达到规定电压的时间差，并根据该比较结果实施校准，从而即使在过大负载加在参考信号Vr上的情况下，也能够使参考信号Vr与参考信号Vre之差尽早到达直线区域。由此，参考信号Vr与参考信号Vre之差的直线区域扩大，从而能够缩短AD转换的时间，并且即使在已缩短了AD转换时间的情况下也能实现准确的AD转换。进而，即使在所述电压路径上的负载在装置间存在偏差的情况下，也能利用反馈控制，获得使AD转换特性保持良好，同时还能抑制特性偏差的效果。

此外，在图7(b)中，虽然将计数器170设定成从开始输出斜坡信号的时刻T22起接收计数器用时钟CK的供给对比较器输出开始计数，不过优选的是从开始供给斜坡信号生成用时钟CKr算起延迟了时间Δt1后再开始计数。由此，能够使计数器170从与斜坡信号输出时的参考信号Vr具有相等电压值的参考信号Vre开始计数，因而能够有效地活用降值计数范围。

在本实施方式中，也可以是这样的，即：就时间差测量部131的内部计数的方向而言，具有切换数字CDS进行的两次AD转换的第一次AD转换与第二次AD转换的升降计数方向的功能，并且在增强电压控制部133中分别对从时间差测量部131输出的时间差Δt1、Δt2进行累加。并且，此时增强电压控制部133根据上述累加结果对比较器初始化电压VE进行调整。此时不需要时间差比较部132。也就是说，能够在去掉了时间差比较部132的状态下获得与本实施方式相同的效果。

＜第二实施方式＞

图10是表示第二实施方式所涉及的斜坡信号发生电路的结构示例及外围电路的连接示例的图。在图10中对和图5相同的构成要素标注和图5相同的符号，在此省略对它们的详细说明。

在图10的斜坡信号发生电路130A中与图5的不同之处在于：包括电压比较部137以取代时间差比较部132，进而还包括电压测量部135和参考电压测量部136。在此，在摄像装置的图像输出为无效的期间等中反复进行控制比较器初始化电压VE的校准，在下文中将第一次进行的校准称作第一周期校准，将第二次进行的校准称作第二周期校准。

边参照图11，边对斜坡信号发生电路130A的动作情况进行说明。

在第一周期校准中，与第一实施方式相同，时间差测量部131对参考信号Vr和参考信号Vre之间的时间差进行测量。在本实施方式中，测量稳定时刻即时刻T2的时间差△t后，向参考电压测量部136输出。

接着，在第二周期校准中，电压测量部135对倾斜状斜坡信号期间的初期时刻即时刻T1的参考信号Vr的参考信号电压Vr1进行测量后，向电压比较部137输出。

参考电压测量部136对在时刻T1上加上从时间差测量部131输出的时间差△t后所得到的时刻(T1+△t)的参考信号Vre的参考信号电压Vr1’进行测量后，向电压比较部137输出。

电压比较部137对参考信号电压Vr1和参考信号电压Vr1’进行比较后，将比较结果向增强电压控制部133输出。并且，增强电压控制部133根据从电压比较部137输出的比较结果，对参考电压发生部134的比较器初始化电压VE进行调整。例如，增强电压控制部133进行下述调整，即：在Vr1＜Vr1’的情况下，增强电压控制部133使比较器初始化电压VE上升；在Vr1＞Vr1’的情况下，增强电压控制部133使比较器初始化电压VE下降。

在第三周期校准以后，能够通过在摄像装置的图像输出为无效的期间等中反复进行第二周期的动作，从而最佳化比较器初始化电压VE的设定。此外，也可以在第三周期校准以后除第二周期的动作外还进行第一周期的动作。例如，还可以在第三周期校准以后交替地进行第一周期的动作和第二周期的动作。

如上所述，在本实施方式中，通过比较规定时刻的参考信号Vr和参考信号Vre之间的电压差，并根据该比较结果实施校准，从而即使在过大负载加在参考信号Vr上的情况下，也能够使参考信号Vr与参考信号Vre之差尽早到达直线区域。由此，参考信号Vr与参考信号Vre之差的直线区域扩大，从而能够缩短AD转换的时间，并且即使在已缩短了AD转换时间的情况下也能够实现准确的AD转换。进而，即使在所述电压路径上的负载在装置间存在偏差的情况下，也能利用反馈控制，获得使AD转换特性保持良好，同时还能抑制特性偏差的效果。

在此，就n列ADC(比较器160)而言，只要进行参考信号布线的物理图案设计使各列之间的布线电阻及布线电容均等，各列之间的延迟时间就会相等，从而能够获得直线性在所有列上得以改善的效果。也就是说，通过根据第一和第二实施方式中参考信号Vr与参考信号Vre之间的时间差和电压差对比较器初始化电压VE进行控制，从而能够获得直线性在n列ADC的所有列上得以改善的效果。

此外，在以上说明中，虽然从斜坡信号发生电路130、130A输出的参考信号Vr的斜坡信号朝向电压的下降方向，不过上述式2中斜坡信号的斜率Gr也可以为正，即使斜坡信号朝向电压的上升方向也能够获得同样的效果。

优选能够使比较器初始化电压VR和增强电压VA彼此独立地发生变化。

优选斜坡信号发生电路130、130A具有下述功能，即：在比较器160的比较动作开始之前，对从将参考信号Vr的电压变成比较器初始化电压VE时起到开始输出斜坡信号为止的期间进行改变。并且，优选使对从变成比较器初始化电压VE时起到开始输出斜坡信号为止的期间的控制、与对比较器初始化电压VE的电压控制结合起来进行。由此，能够将AD转换期间调整成最短时间。

优选斜坡信号发生电路130具有下述功能，即：相对于计数器170的计数开始时刻而言，改变将斜坡信号作为参考信号Vr输出的输出开始时刻。由此，能够对从变成比较器初始化电压VE时起到开始输出斜坡信号为止的期间进行控制，并能相对于计数器170的计数开始时刻而言对斜坡信号的输出开始时刻进行设定。由此，在斜坡信号发生电路130所输出的斜坡信号(斜坡波形)的倾斜较平缓的情况(即AD转换增益较高的情况)下，当输入比较器160的参考信号Vrm、Vre的振幅较小时，能够很难产生在规定的降值计数期间内AD转换未结束的情况。

具体而言，在上述斜坡信号的倾斜较平缓的情况下，当输入比较器160的参考信号Vrm、Vre的振幅较小时，从比较器160检测到比较相一致起到向计数器170传送比较结果Vcx为止的响应时间就有可能增长。为此，在设定好的增益(斜坡波形的倾斜)中就存在在规定的降值计数期间内未使AD转换结束的增益。此时，例如相对于计数器170的计数开始时刻而言，将使斜坡波形的开始时刻大幅度提前的、即参考信号Vr保持加上增强电压VA后所得到的比较器初始化电压VE(或者比较器初始化电压VR)的期间设定为例如接近零的较短的期间。并且，使比较器160检测到比较相一致的时间提前，并对比较器初始化电压VE的电压值和计数器170的开始时刻进行调整。由此，能够改善在降值计数期间内AD转换未结束的问题。

—产业实用性—

即使在参考信号的信号路径中存在过大负载的情况下进行高速驱动时，本发明所涉及的斜坡信号发生电路也能用作向需要高精度AD转换的单斜率型ADC供给参考信号的电路。

因此，本发明所涉及的斜坡信号发生电路对于安装在例如数码相机用图像传感器中的列并行ADC等特别有用。本发明所涉及的图像传感器作为例如数码相机用图像传感器是很有用的。

—符号说明—

100  图像传感器

110  像素阵列(像素阵列部)

120  列并行ADC(模数转换电路)

130、130A 斜坡信号发生电路

131  时间差测量部

132  时间差比较部

133  增强电压控制部

134  参考电压发生部

135  电压测量部(输出电压测量部)

136  参考电压测量部

137  电压比较部

160  比较器

170  计数器

200  数字视频处理装置

Vr、Vre、Vrm 参考信号

Vs1～Vsn 像素信号(模拟输入信号)

VR   比较器初始化电压(比较器设定电压)

VA   增强电压

VE   加上增强电压后所得到的比较器初始化电压

Δt1  时间差(第一时间差)

Δt2  时间差(第二时间差)

Vr1  参考信号电压(第一电压)

Vr1’ 参考信号电压(第二电压)

△t   时间差

D(m-1：0) 串行控制信号

Claims (9)

1.一种斜坡信号发生电路，其将以规定斜度在时间上产生倾斜的斜坡信号作为参考信号向单斜率型模数转换电路输出，其特征在于：

所述模数转换电路具有在一输入端接收所述参考信号并在另一输入端接收模拟输入信号的比较器，并根据由所述比较器进行的比较动作的结果，将所述模拟输入信号转换成数字信号，

所述斜坡信号发生电路包括参考电压发生部，该参考电压发生部在所述比较动作之前，将所述参考信号的电压变成对所述比较器的所述一输入端和所述另一输入端的电压差进行补偿的比较器设定电压，并随着开始所述比较动作，以所述比较器设定电压为起点输出所述斜坡信号，并且，

所述斜坡信号发生电路具有：在所述比较动作之前对所述比较器设定电压加上规定的增强电压的功能。

2.根据权利要求1所述的斜坡信号发生电路，其特征在于：

所述斜坡信号发生电路具有：在加上所述增强电压以后使所述斜坡信号回到所述比较器设定电压后再输出该斜坡信号的功能。

3.根据权利要求1所述的斜坡信号发生电路，其特征在于：

所述斜坡信号发生电路具有：分别对所述比较器设定电压和所述增强电压进行独立控制的功能。

4.根据权利要求1所述的斜坡信号发生电路，其特征在于：

所述斜坡信号发生电路具有：对从所述比较动作开始前将所述参考信号的电压变成所述比较器设定电压以及加上所述增强电压起到开始输出所述斜坡信号为止的期间进行改变的功能。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的斜坡信号发生电路，其特征在于：

所述模数转换电路具有对所述比较器的比较时间进行计数的计数器，并根据由所述计数器进行计数的结果，生成所述数字信号，

所述斜坡信号发生电路具有：相对于所述模数转换电路所具有的计数器的计数开始时刻，改变所述斜坡信号的输出开始时刻的功能。

6.根据权利要求1或5所述的斜坡信号发生电路，其特征在于：

所述斜坡信号发生电路包括：

时间差测量部，其对从所述参考电压发生部的输出电压到达规定电压时起到所述比较器的所述一输入端上的电压到达所述规定电压时为止的时间差进行测量，

时间差比较部，其对由所述时间差测量部测量到的所述斜坡信号输出期间初期的所述时间差即第一时间差、与由该时间差测量部测量到的所述斜坡信号的倾斜稳定时的所述时间差即第二时间差进行比较，以及

增强电压控制部，其根据由所述时间差比较部进行比较的结果对所述增强电压进行控制，使所述第一时间差和所述第二时间差相一致。

7.根据权利要求1或5所述的斜坡信号发生电路，其特征在于：

所述斜坡信号发生电路包括：

输出电压测量部，其对所述参考电压发生部的输出电压进行测量，

参考电压测量部，其对所述比较器的所述一输入端上的电压进行测量，

时间差测量部，其对从所述参考电压发生部的输出电压到达规定电压时起到所述比较器的所述一输入端上的电压到达所述规定电压时为止的时间差进行测量，

电压比较部，其对在所述斜坡信号输出期间初期的规定时间由所述输出电压测量部测量到的第一电压、与在从所述规定时间起经过了由所述时间差测量部测量到的所述时间差时由所述参考电压测量部测量到的第二电压进行比较，以及

增强电压控制部，其根据由所述电压比较部进行比较的结果对所述增强电压进行控制，使所述第一电压和所述第二电压相一致。

8.一种图像传感器，其特征在于：

该图像传感器包括：

权利要求1、6及7中任一项所述的斜坡信号发生电路，

像素阵列部，其为包含光电变换元件的单位像素呈矩阵状地二维布置而成，并且对应着所述单位像素的矩阵状布置中的每一列设置有列信号线，

行扫描单元，其对所述像素阵列部中按行选出的各个所述单位像素进行控制，并将该控制的结果向所述列信号线输出，以及

多个所述模数转换电路，其分别对应着所述单位像素的列而设，并且多个所述模数转换电路中的每一个模数转换电路接收作为所述模拟输入信号从所述行扫描单元经所述列信号线输出的模拟信号，并输出所述数字信号。

9.一种摄像装置，其特征在于：

该摄像装置包括：

权利要求8所述的图像传感器，以及

数字视频处理装置，其利用串行控制信号对所述图像传感器进行控制，并且根据从所述图像传感器的各个所述模数转换电路输出的所述数字信号，进行视频信号处理。

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