CN1134565A - 半导体器件及电路，相关计算器件，信号转换器及信号处理系统 - Google Patents

半导体器件及电路，相关计算器件，信号转换器及信号处理系统 Download PDF

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Abstract

一种半导体器件，其中每一电容器的一端通过一开关连接到对应的多输入端子之一，并且电容器的其它端子共同连接到一读出放大器，电容器的至少一个的其它端子通过一第二开关共同连接到该读出感放大器，由此减小了电路规模，增加运算速度，改进了运算精度，并节省了功耗。

Description

半导体器件及电路，相关计算器件，信号转换器及信号处理系统
本发明涉及半导体器件，相关计算器件，信号转换器，应用该半导体器件的信号处理系统，并特别涉及可进行并行算术运算的半导体器件，应用该器件的半导体电路，和相关计算器件，诸如A/D和D/A转换器的信号转换器，和应用该半导体器件的信号处理系统，例如用于处理图象信号的系统。
在普通进行并行算术运算处理的半导体器件中，由于随着要对其进行并行算术运算的信号数目的增加电路的规模不断增加，半导体器件的制造成本在增加，并且生产量降低。由于通过例如导线传送的信号的延迟量的增加或由于在电路规模增加时电路中的算术运算次数的增加，故运算速度降低。此外，功耗显著地增加了。
以上器件例如将通过考虑图1所示的固体图象拾取器件的情形进行说明。在图1所示的器件中，在其传感器60中图象拾取元件41是二维设置的，并且该传感器是作为面传感器，从该传感器60所输出的时间序列模拟信号由一A/D转换器40转换为数字信号，并暂时存储在一帧存储器39中。这些信号由一算术运算电路38进行处理，并且被处理的信号从一算术运算输出电路50输出。更具体而言，通过执行在不同时刻所得的数据之间的相关计算，一物体等等的移动量(ΔX，ΔY)可被输出。这一固体图象拾取器件的传感器60具有许多输出端子。帧存储器39和算术运算电路38也有许多输出端子。在图1的固体图象拾取器件中，对于来自这些输出端子的信号进行了并行算术运算处理以便缩短处理时间，或减少了处理步骤的数目以降低物理电路的规模，从而提高了处理速度并实现了实时处理。
可是，为了进行动态图象的实时处理，算术运算处理中的算术运算次数和处理步骤的数目是很大的，并为了获得具有较高真实感的图象，电路的规模要继续增加，结果是低处理速度。例如，可处理已提出的作为动态图象以实际速度解压缩/压缩方法的MPEG2方法的设备仍然在研制中。上述并行算术运算处理的问题不仅包括运算速度降低的问题，而且还包括电路的规模增加时功耗增加的问题。此外，还提出了制造成本的增加的问题和电路规模增加时产量降低的问题。
而且在Nikkei Electronics＂Economical Majority Logic IC Re-alized by CMOS＂，1973，11.5.pp.132-144.透露了对于算术运算处理电路有效的多数决定逻辑电路。但是，这一电路是作为数字信号处理方法之一的一种多数决定逻辑电路，并且是基于CMOS技术的。这种情形下，同样由于基于CMOS技术的元件数目的增加，及算术运算处理阶段数目的增加，类似地提出了电路规模增加，功耗增加及运算速度降低的问题。
本发明是在考虑了上述问题作出的，并且其目的是提供能够减小电路规模，增加运算速度，并节省功耗的半导体器件，并提供应用该半导体器件的半导体电路，相关计算器件，信号转换器，和信号处理系统。
本发明的另一目的是提供一种半导体器件，其中每一电容器的一端通过一开关连接到对应的多输入端子之一，并且电容器的其它端子共同连接到一读出放大器，该电容器的至少一个的其它端子通过一第二开关共同连接到该读出感放大器，提供了具有该半导体器件的半导体电路，和应用该半导体电路的相关计算器件，信号转换器，及信号处理系统。
图1是解释固体图象拾取器件的结构的原理框图；
图2是说明本发明的半导体器件的一较佳电路结构的原理电路图；
图3是说明图2中所示的器件的驱动定时的一例的时序图；
图4是说明本发明的半导体电路的一例的原理电路图；
图5A和5B是表示锁存电路结构的例子的原理电路图；
图6是说明图4中所示的电路的驱动定时的一例的时序图；
图7是说明在图4中的电路用作相关计算电路情形下输入和输出之间的关系的图表；
图8是说明本发明的半导体电路用作信号转换器的情形的原理电路图；
图9是说明在A/D中模拟信号和数字信号之间的关系的图表；
图10是说明本发明用于象运动检测器件的一个信号处理系统的情形的原理框图；
图11A是说明本发明用于象图象处理设备的一个信号处理系统的情形的原理框图；
图11B是说明图11A中的光接收部分结构的一例的原理框图；
图11C是说明图11A中所示信号处理系统的操作的一例的视图。
本发明中，为了实现上述目的，每一电容器的一端通过一第一开关器件连接到一对应的多输入端子，该电容器的至少一个的其它端子通过一第二开关器件共同连接到一读出感放大器。
即，通过以上结构，可获得诸如小的电路规模，高的运算速度，和高的算术运算精度的效果。
以上半导体器件中，由于读出放大器的输出通过一锁存器连接到至少一个多输入端子，多数决定算术运算电路可以简单的电路通过根据电容器之间电容数值的差别进行加权而实现。
此外，制备等每一个同于以上半导体器件的多个半导体器件，并且来自该多个半导体器件的第一半导体器件的输出/或来自该第一半导体器件的被反相的输出被输入到第二半导体器件，从而用一个具有小数目的处理步骤并能够高速处理的电路实现了相关操作或者多数决定算术操作电路。
使用以上半导体器件的半导体电路中，当对应于多输入端子的电容器的最小电容量以C表示时，共同连接的电容器的全部电容量数值最小电容量C的奇数个，从而以比较简单的结构实现了多数决定算术操作电路。
当使用以上半导体电路形成用于通过以相关系数比较进行相关算术操作的相关操作器件时，使用数字值的二进制转换或n-基数转换可以一简单的结构实现。而且，包含以上半导体器件的A/D转换器通过该半导体器件接收模拟信号，并输出对应于该模拟信号的数字信号。用这一结构，可实现用于多位数字值的具有小数目处理步骤的高精度A/D转换器。类似地，包含以上半导体器件的D/A转换器通过该半导体器件接收数字信号，并输出对应于该数字信号的模拟信号。用这一结构，可实现具高处理速度的D/A转换器。
包含以上相关操作器件或诸如以上的A/D或D/A转换器的信号转换器的信号处理系统可作为具有小的电路规模和高操作速度的简单结构的高性能系统实现，这按普通技术是不能实现的。这系统包括，例如，用于接收图象信号的图象输入装置，并且该系统用于图象信号的压缩/解压缩技术。该系统还包括用于存储信息的存储器，并可用于诸如图象/声音信号的压缩/解压缩和图象的内插/稀疏。
在运用和使用以上半导体器件中，当该器件包含用于使得读出放大器的输入端子复位的复位器件时，由该复位器件进行的复位操作所需的时间可通过ON/OFF-控制第二开关器件改变，因而大大缩短了多数决定算术运算电路或相关操作电路的处理时间。
以下将参照附图详述本发明的较佳实施例。
(第一实施例)
图2是说明本发明的半导体器件第一实施例的原理图。参见图2，该半导体器件包括一复位开关1，电容器2和2-A，信号转接开关3，一读出放大器5，读出放大器5中的一反相器6，读出放大器5中的一第二反相器4，用于复位反相器6输入端子的一个第二复位开关7，一个第二复位电源8，一个第一复位电源10，一个输出端子11，和连接到电容器2的共用连接端子的寄生电容9。然而，本发明不限于这一寄生电容9。该半导体器件还包括一输入连接计数开关13。
图3示出本实施例的操作定时的一例。以下将参照图3说明本实施例的操作。首先，输入连接计数开关13由脉冲 启动，并且图2中最下面的电容器2-A被连接到读出放大器5的输入。然后，所有的开关1由复位脉冲
Figure A9610133000092
导通使多输入端子侧电容器2和2-A的每一个的一个端子复位。第一复位电源10的复位电压最好为大约1/2信号振幅。但是复位电压不限于此，而是可以使用其它电压。另外，可以使用多个电压。几乎在同时，通过启动第二复位开关7使得读出放大器5中的反相器6的输入端子复位。这种情形下，选择第二复位电源8的复位电压为接近反相器6的输出被反相的逻辑反相电压的值。当复位脉冲
Figure A9610133000093
关断时，电容器2和2-A的每一个的两端保持在相应的复位电位。
当每一转接开关3由一转移脉冲
Figure A9610133000094
启动时，信号被转移到电容器2的一端，并且电容器一端的电压从复位电压例如2.5V变到电压VX。例如，设C是电容器2的电容量，C0是寄生电容的电容量。当N个电容器2彼此并连时，电容器2的共用连接端子的电位从反相器6的复位电位对于由电容量分除而输入的一个信号作如下改变：
|C×(2.5－VX)/(N×C＋C0)|…(1)
当反相器6的输入端子电压从接近逻辑反相电压改变时，反相器6的输出端子电压因此被反相。当信号输入到N个输入时，N个电容量分除输出的和被输入到反相器6的输入端子。如果该N个输入的和是设定了一正电压，反相器6的输入端子转移到高于逻辑反相电压的一个电位，并且一个高电平信号输出到读出放大器5的输出端子11。另一方面，如果和设定了一负电压，反相器6的输入端子转移到低于逻辑反相电压的一个电位，并输出一个低电平信号。
本实施例中，各个输入信号基于输入信号的幅度和接收信号的电容器2和2-A的电容量对应于所要进行的处理被加权，并且这些信号同时在读出放大器5受到并行算术运算。当脉冲 被置为低电位，并且开关13关断时，图2中最下面的电容器2-A从读出放大器5的输入断开。这时，对于除去最下面的输入以外的N-1个输入进行算术运算。当算术运算的逻辑改变时，反相器6的输入端子处的电压对于输入信号从复位电压作如下改变：
|C×(2.5－VX)/((N－1)×C＋C0))|…(2)
即，这一改变量大于方程式(1)所给出的量为
(N×C＋C0)/((N－1)×C＋C0)(倍)…(3)
由于改变量的这一增加，由噪声所引起的运算误差减少了，并改进了算术运算电路精度。即由于本发明中输入逻辑计数开关，同以往的并行算术运算电路比较，可以用简单的结构和高的S/N比率实现多算术运算逻辑。此外，每一算术运算逻辑可被设计使得算术运算的精度最大。
在本实施例中，每一个具有电容量C的N个电容器2和2-A是彼此连接的。然而，本发明是不限于此的，电容器的电容量对于各个输入端子可以彼此不同。通过开关13连接的电容器的数目不限于一个。例如明显的是可以制备多个电容器2-A和多个开关13，或多个电容器2-A可以连接到一个开关13。另一方面，可以应用这些结构的组合。应用这样的结构，可形成所需要的算术运算逻辑。而且，明显地，通过彼此连接与图2的电路相同的多个电路，可形成所需要的算术运算逻辑。
在第一实施例的电路中，各个输入信号基于输入信号的幅度和接收信号的电容器2和2-A的电容量对应于所要进行的处理被加权，并且这些信号同时在读出放大器5受到并行算术处理。这一加权操作可通过应用脉冲 启动开关13进行。在以往的器件中，并行算术处理操作的数目增加，并且由于例如通过连接导线传送的信号的延迟，输入信号彼此相对地延迟，或由于电路结构的复杂所引起的串音使得噪声混入信号。根据以上的结构，这些缺陷可被抑制。结果可实现高速高精度的并行算术处理。
例如即使输入端子的数目增加，电路规模的增加也仅仅是用于加权运算的电容器和开关数目与其成比率的增加，并且算术运算处理可满意地进行。同以往的并行算术处理电路比较可达到电路规模的降低和产品的改进。此外，由于电路规模降低，和操作速度提高，功耗的节约更不在话下。
(第二实施例)
图4是说明本发明用于一相关计算电路的较佳实施例的电路结构的电路原理图。参见图4，这一电路包括比较器402，锁存电路12，和用于控制一开关13-A的脉冲产生电路14。该脉冲产生电路14装有一AND门15，一OR门16，一个EXNOR门17，和开关18与19。参见图4，该电路包括第一和第二加权输入端子403和404。具有连接到另一输入端子通路的电容器C的电容量二到四倍电容量的电容器被分别连接到端子403与404。从该电路的输出11是输出到一外部器件，并且通过锁存电路12也连接到加权输入端子403和404。
图5A和5B表示锁存电路12的例子。参见图5A，这一电路包括转接开关201-A和201-B及反相器202-A和202-B。当转接开关201-A被控制信号PH启动时，信号DATA被传送到反相器202-A的输入端子。当转接开关201-A被控制信号PH禁止时，转接开关201-B同时被启动形成反相器202-A和202-B的正环路，并保持对于信号DATA的锁存直到转接开关在下一个定时被启动。从反相器202-B得到关于输入信号的非反相输出Q，并从反相器202-A得到反相输出Q。
图5B表示锁存电路的另一结构。参见图5B，该锁存电路包括PMOS晶体管203和NMOS晶体管204。如图图5A中那样，信号DATA应用控制信号PH和反相控制信号PH传送，并且所传送的信号的数值被锁存直到控制信号PH下一个施加定时，于是输出非反相和反相输出Q和Q。在图5A和5B所示的电路中，应用反相器锁存二进制信号。另一方面，通过锁存电路可以锁存模拟数值和或多数值，并且本发明不是特定限于这些锁存的。例如，可应用通过向放大器电路的输入增加样本保持电路用于锁存模拟信号的电路。
图6是表示本实施例的操作时标的时序图。锁存电路12是由脉冲
Figure A9610133000121
所操作的。
将首先参照图4说明这一实施例的基本操作。如图在第一实施例中那样，由于脉冲
Figure A9610133000122
处于低电平，而脉冲
Figure A9610133000123
处于高电平(脉冲 置为低电平)，开关13-A和13-B被禁止，并且加权输入端子从读出放大器5断开。
然后，每一电容器2的两个端子的电压响应一复位脉冲 被复位到相应的复位电压。当每一转接开关3由转接脉冲 启动时，一信号被传送到对应的电容器2的一个端子，并且电容器2的一个端子处的电位改变到低或高电位。每一电容器2的共用连接端子通过电容量分除对应的输入改变。当一反相器6的输入端子电压从逻辑反相电压改变时，反相器6的输出端子电压继而被反相。当信号输入到N个输入时，N个电容量分除输出的和被输入到反相器6的输入端子。由于装到除去加权输入端子以外的输入端子的电容器2具有基本相同的电容值，如果N个输入的高电位信号的数目是多数，则反相器6的输入端子转移为高于逻辑反相电压的电位，并且向读出放大器5的输出端子11输出一高电平信号。另一方面，如果低电平信号的数目是多数，则输出一低电平信号。
通过以上结构，图4所示的电路用作为用于输出对应于多输入的多数的多数决定算术运算电路。以下将参照图4说明一个7-输入的相关运算电路。参见图4，七个信号连同相关系数输入到电容器402。
每一电容器402将每一输入信号与对应的相关系数比较。然后从每一电容器402的一个输出被输入到对应的转接开关3。如果高电平信号的数目是多数，即当七个输入中的四个是高电平信号时，则向输出11输出一高电平信号。图7中的列S3以输入的高电平信号数目为单位表示该电路的输出值。如该列所示，当输入的高电平信号的数目是四或更大时，输出值是“1”。这时，输出11同时被锁存电路12锁存。
由于脉冲
Figure A9610133000132
和 分别设置在高电平和低电平，OR门16和AND门15的输出被设置在高电平。结果，开关13-A启动，结果具有四倍于电容器2的电容量的加权端子的电容器4C连接到读出放大器5的输入端子。该电路中，这一操作等同于11(7＋4)个电容器C的共同连接。该电路是用作11-输入多数决定运算电路部件，其中前一算术运算的结果的反相信号施加于加权电容器4C。
例如如果向输入端子七个输入中的四个是处于高电平，则锁存电路12的反相端子Q-置为低电平，并且一低电平信号施加到加权输入端子404。如果加到除去加权输入端子以外的输入端子的七个输入信号中的六个处于高电平，则11-输入多数决定算术运算电路判定为一总体中的多数，并输出一高电平信号。如果七个中的四个或更多或五个或更少处于高电平，则11-输入多数决定算术运算电路判定未达到多数，并输出一低电平信号。图7中的列S2表示加到七个输入的高电平信号的数目的单位中这些输出数值。如同该列所示，当高电平的输入数目是2，3，6，或7时，输出数值是“1”。类似地，由于脉冲
Figure A9610133000141
置为高电平，开关13-B启动，具有二倍于电容器2的电容量的加权端子的电容器2C连接到读出放大器5的输入端子。开关13-A根据图7中列S3和S2中所示的信号极性被进行ON/OFF-控制。在图4该电路中，这一操作等同于9(7＋2)个电容器C共同连接。这一电路用作为9一多数决定算术运算电路，其中前一算术运算结果的反相信号加到加权电容器2C。另外，这一操作等同于13(7＋2＋4)个电容器C的共同连接。这一电路用作为13-多数决定算术运算电路，其中前一算术运算结果的反相信号加到六个共同连接的电容器。
例如如果七个输入中的六个处于高电平，则图7中的输出S2处于高电平，并且锁存电路12的反相端子Q置为低电平。结果，低电平信号加到加权输入端子404和403。EXNOR门17的输出置为高电平，并且OR门16和AND门15的输出也置为高电平而启动开关13-A。然后这一电路用作为13-输入多数决定算术运算电路。如果所有的七个输入处于高电平，则13-输入多数决定算术运算电路判定为一总体中的多数，并输出一高电平信号。如果七个输入中的六个处于高电平，则1判定非多数，并输出一低电平信号。图7中的列S1表示加到七个输入的高电平信号的数目的单位中这些输出数值。
如图7所示，使用以上电路结构，信号和相关系数彼此重合的多个输入的输入数目，在转换成带有三个数字的二进制数时可以被输出。即，根据本实施例，以很小的的电路和低功耗即可进行相关计算。
通过以算术运算逻辑中的变化改变输入的并行连接的数目，可改进每一结构中的操作精度。
脉冲产生电路14的结构是不限于图4所示的结构的，也可使用其它结构。
如上所述，在第二实施例中，输入信号的幅度和接收该输入信号的电容器的电容量数值被适当确定，并且对各个输入信号根据所要执行的处理通过锁存电路加权到输出反馈的电平。这些信号在读出放大器中同时受到并行算术运算。这一实施例基本上与一个3-数字二进制算术运算电路一起示范了一个多数决定算术运算电路。这个结构可以满意的抑制在增加并行算术运算数目时等等，或由于串音造成噪声混入信号时，通过连接线路传输的信号的延迟所造成的输入信号的相对延迟。通过控制每一脉冲的提供时间易于获得带有多个数字的二进制算术运算结果。结果，可进行高速高精度的并行算术运算。
一算术运算电路是通过多输入端子与共用端子之间的电容器，加权电容器，和和对于加权电容器进行电连接/断开的开关所构成的。即，与以往的并行算术运算电路比较，可达到电路规模的大大减小和产量的增加。此外，由于电路规模降低和操作速度提高，功耗的节约更不在话下。
(第三实施例)
图8是说明本发明用于作为信号转换器的一个3-位的模拟到数字的转换电路(以下称为A/D转换器)的一个实施例的电路结构的原理电路图。参见图8，该A/D转换器包括：一模拟信号输入端子701，开关702，702A，707，707A，708，和708A，锁存电路12，具有装在模拟电路信号输入端子上的电容器2的电容量值一半的一个电容器703，每一具有装在模拟电路信号输入端子上的电容器2的电容量值1/4的电容器704和706，以及具有电容器2的电容量值1/8的电容器705。以下以使用5V电源的情形为例对操作进行说明。首先，读出放大器5的输入端子置为0V。这时输入端子701处于0V。当模拟信号输入端子701从0V变为一模拟信号电压，并且模拟输入信号变为等于或高于大约2.5V时，在算术运算电路部件中的读出放大器输入电位超过了逻辑反相电压(这种情形下设定为2.5V)，于是输出一高电平信号。
图9中的列S3表示输出结果。由于两个脉冲 和 都是处于低电平，开关708和708A是ON。因此，算术运算结果一旦输出就被锁存电路12锁存。开关702A响应脉冲
Figure A9610133000163
被启动。然后电容器703的一个端子响应脉冲
Figure A9610133000171
被置为5V。这时，电容器706的一个端子响应脉冲 而置为5V。脉冲 被关断而启动开关707A，从而输入来自锁存12的信号到电容器703和704，并同时电容器706的一个端子响应脉冲 被置为0V。这时，读出放大器的输入端子处的电位的变化由以下给出：
{C×VA－(C/2)×5－(C/4)×5}/(C＋C/2＋C/4)…(4)
其中AV是模拟输入信号电压。
从这公式可看到，模拟信号在当前定时处的电压VA等于或高于3.75V时，输出一高电平信号；电压VA等于或高于2.5V而低于3.75V时，输出一低电平信号。下面图9中的列S2的表示了输出结果。因而，响应脉冲
Figure A9610133000175
和
Figure A9610133000176
进行了类似的算术运算。下面图9中的列S1的表示了输出结果。如图9所示，应用以上结构，通过能够高速操作和功耗低的很小规模的电路结构，可实现用于转换模拟信号电压为3-位数字信号的A/D转换器及输出该数字信号。
本实施例中，描述了一个3-位A/D转换器。然而当然，本发明是不以此为限的，位数是可容易地增加。本实施例中，应用电容器的快速(flash)式A/D转换器为范例。然而本发明是不限于此的。
本实施例中，示范了相关操作器件和A/D转换器。然而本发明是不限于这些器件的。例如本发明可用于诸如数字到模拟转换器，加法器，减法器，等等各种其它逻辑电路，于是可得到与上述同样的效果。特别，当本发明用于D/A转换器时，如果接收LSB数据的输入端子的电容量由C表示，电容量只需设定为两倍于紧靠前面的最高有效位的数值，例如2C，4C，8C，...，于是实现了二进制D/A转换。这种情形下，由电容器共同连接端子的输出可被源随(sourcefollower)放大器接收。
如上所述，对应于多输入端子的电容器一侧的端子是共同连接到读出放大器的输入的，当连接到多输入端子的电容器最小值由C表示时，电容器的全部电容量几乎是C的奇数多个。
当相关操作器件没有控制输入端子时，所有连接到输入端子的电容量具有一最小值。另一方面，当相关操作器件有控制输入端子时，如以上实施例中所述，连接到控制输入端子的电容量是C的偶数个，如2C，4C等，于是这些端子和输入信号端子的奇数的电容量的总和是单位电容量C的几乎奇数多个。用这一结构，可准确地获得同所需标准数值的比较，从而改进了算术运算的精度。
已示范了相关操作器件。在二进制D/A转换器的情形下，如果最低有效位(LSB)的信号输出电容量表示为C，下一位的电容量为2C，再下一位的电容量为4C等等，即每一位的电容量设定为二倍于紧靠前面位的数值，于是多输入端子电容量的总和基本为C的奇数多个，于是实现了高精度的D/A转换器。至于A/D转换器，用于判定模拟信号电平是高于还是低于全量程的1/2的判定点的数目设定为奇数，即1，而用于判定模拟信号电平是高于还是低于全量程的1/4，2/4，3/4，4/4的判定点的数目也设定为一奇数，即3。于是连接到多输入端子电容量的总和可基本设定为最小电容量数值的奇数多个。由于这一结构可达到高精度的算术运算，于是可实现低功耗较高速的算术运算而无需装设任何不必要的大电容量。
(第四实施例)
图10表示本发明的第四实施例的较好的结构。第四实施例中，本发明的半导体器件用于动态图象等的运动检测器件。参见图10，该装置包括：用于分别存储标准数据和参考数据的存储器61和62，一相关计算器件63，一个用于控制整个芯片的控制器件64，一个用于对相关结果求和的加法计算器件65，一个用于保持来自加法计算器件65的最小和数值的寄存器66，一个作为比较器和用于存储该最小值地址的器件的器件67，和作为输出缓存器和输出结果存储器的器件68。端子69接收标准数据串，并且端子70接收参考数据串以便同标准数据串比较。
存储器61和62包括例如SRAMs，并由普通的CMOS电路构成。由于器件63包含本发明的一个相关操作器件，提供给相关操作器件63的数据可以由并行计算处理。因此，器件63不仅能达到很高速的处理，并可由较少的元件构成，于是降低了芯片的尺寸和造价。相关计算结果通过加法计算器件65存储(评价)，并由器件67与寄存器66的内容进行比较，该寄存器存储在当前相关计算之前的最大相关计算结果(最小和)。如果当前计算结果小于前面的最小数值，则当前结果新存入寄存器66；如果前面结果小于当前结果，则保持前面结果。
以这样的操作，寄存器66中总是存储最大相关算术运算结果，并在完成所有数据串的计算时，从端子71输出最后的相关结果。该装置中，控制器件64，减法计算器件65，寄存器66，和器件67与68可由普通的CMOS电路构成。特别，当加法计算器件65采用本发明的电路结构时，可实现并行加法，于是实现了高速处理。如同上述，应用本发明，不仅实现了高速处理和低成本，而且由于算术运算是基于电容执行，故降低了耗电，于是实现了低功耗。因此，本发明可适用于手持设备，例如8-mm VTR相机等等。
(第五实施例)
本发明的第五实施例将参照图11A到11C进行说明。第五实施例结合本发明和光传感器(固体图象拾取元件)的技术提出在图象数据读出之前进行高速图象处理的结构。
图11A是表示本发明芯片总体结构的原理框图。图11B是表示本发明的芯片的一个象素部分的结构的原理电路图。图11C是说明本发明芯片的算术运算内容的视图。
参见图11A，该芯片包括：包含以矩阵形式装设的构成图象数据传感器件60的光电转换元件的光接收部分41，行存储器43，45，47，和49，相关计算器件44和48，以及算术运算输出器件50。图11B表示光接收部分41的一例。这部分包括耦合电容器51和52，用于分别连接双极型晶体管的光信号输出端子和图11A中的输出总线行42和46，连接到双极型晶体管的基区域的电容器54，和一个开关MOS晶体管55。输入到图象数据传感器件60的图象数据由每一双极型晶体管53的基区域进行光电转换。
对应于已进行光电转换的光载体(photocarriers)的输出被读出到双极型晶体管53的发射极，并通过电容器51和52对应于输入存储电荷信号提高了输出总线42和46的电位。应用上述操作，从列方向的象素输出的和被读出到存储器47，从行方向的象素输出的和被读出到存储器43。这种情形下，如果应用例如一解码器(图11A到11C中未示出)选择双极型晶体管的基电位通过每一象素区域的电容器54被提高了的区域，则可输出传感器件60上的任意区域上的X-和Y-方向的和。
如图11C所示，在上述结构中，当图象56在时间t1输入，而图象57在时间t2输入时，通过分别对这些图象在Y方向求和所得到的输出结果变成对应于图象位置的投影输出。即输出结果变为表示图11C中所示的车子运动状态的图象信号。这些数据分别存储在图11A中所示的行存储器47和49。类似地，通过对X方向的图象数据求和所得的数据存储在行存储器43和45。
从图11C所示的输出结果可见，两个图象的数据对应于图象的运动而位移。于是当相关计算器件48计算位移量时，可通过非常简单的方法检测出二维平面上的物体的运动。
上述的本发明的相关操作电路可用于图11A中所示的相关计算器件44和48。这些器件的每一个比普通电路具有较少的元件，并特别可处于传感器象素间距。这一结构是基于从面传感器输出的模拟信号进行算术运算的。然而，当本发明的A/D转换器装设在每一行存储器和输出总线之间时，自然可实现数字相关算术运算。
本发明的传感器元件包含一个双极型晶体管。然而本发明对于MOS晶体管或仅仅是没有装设任何放大晶体管的光电二极管也是有效的。
而且，这一实施例在不同时刻的数据串之间进行了相关算术运算。另外，当待识别的多模式数据的X-和Y-投影结果存储在一个存储器中时，也可实现模式识别。
如上所述，当结合本发明的象素输入器件和相关算术运算电路等时，可得到以下效果。
(1)由于不同于从传感器串行读出数据的处理，从传感器并行且同时读出的数据受到并行处理，可实现高速运动检测和模式识别处理。
(2)由于可通过没有外围电路的增大的尺寸的一个传感器芯片实现图象处理，可以低成本实现以下高级功能的产品：(a)用于转动TV屏幕向使用者方向的控制，(b)用于转动空调风向向使用者方向的控制，(c)8-mmVTR相机的跟踪控制，(d)工厂中的标签识别，(e)可自动识别人的接收机器人的制造，以及(f)用于车子的车间距离控制器的制造。已经描述了本发明的图象输入器件和电路的结合。本发明不仅对于图象数据而且对于例如音频数据的处理也是有效的。
如图2中所示，通过复位开关7和1待复位的电容量数值是依据开关13是启动还是禁止而变化的。即，当开关13被禁止时，加载电容(2-A)降低。于是复位所需的时间可减小。
这一实施例中，总操作时间可通过改变与开关13的状态相关的复位时间而减小。参见图2，电容器2-A的电容量设定为电容量C，并应用一开关13。然而，如上所述，如果制备各种电容数值，并增加开关的数目。则复位时间可大大缩短，因而可大大改进操作的精度。
已如上述，根据本发明，电容器通过第一开关器件连接到多输入端子，在电容器一侧的端子通过第二开关器件共同连接到读出放大器。应用这一结构，可获得诸如小的电路规模，高的操作速度和高的运算精度等各种效果。
此外，应用这一半导体器件于诸如多数决定算术运算电路或比较器，或应用并使用某些或全部效果算术运算电路，A/D转换器，和D/A转换器于信号处理电路，可实现小的电路规模，高的操作速度和高的运算精度。
注意，本发明不限于以上实施例和说明，在本发明的范围内可作出适当的修改。此外，很明显，本发明的半导体器件和半导体电路可用于除了以上所述的别的器件和电路上。

Claims (13)

1.一种半导体器件，其中每一电容器件的一端通过一第一开关器件连接到对应的多输入端子之一，并且所述电容器件的其它端子共同连接到一读出放大器，
其中所述电容器件的至少一些个的其它端子通过一第二开关器件连接到所述读出感放大器。
2.根据权项1的器件，其中从所述读出放大器的输出通过锁存器连接到所述多输入端子的至少一个。
3.具有权项1的多个半导体器件的半导体电路，其中从多个半导体器件的第一半导体器件的输出和/或第一半导体器件的输出的反相输出被输入到第二半导体器件。
4.应用权项1的半导体器件的半导体电路，其中当对应于所述输入端子的所述电容器的最小电容量以C表示时，共同连接的电容器的总电容量变为精确地或基本地是最小电容量C数值的奇数多个。
5.应用权项4的一个半导体电路进行相关算术运算的相关计算器件。
6.一种信号转换器，该转换器是包含权项1的半导体器件的一种A/D转换器，并输入一模拟信号到所述半导体器件及输出对应于该模拟信号的一数字信号。
7.一种信号转换器，该转换器是包含权项1的半导体器件的一种D/A转换器，并输入一数字信号到所述半导体器件及输出对应于该数字信号的一模拟信号。
8.一种包含权项5的相关计算器件的信号处理系统。
9.根据权项8的一个系统，还包括用于输入图象信号的图象输入器件。
10.根据权项8的一个系统，还包括用于存储信息的存储器件。
11.根据权项1的一种器件，还包括用于所述读出放大器的一个输入端子复位的复位器件，并且，其中所述复位器件复位操作所需的时间根据所述第二开关器件的启动/禁止状态被改变。
12.包含权项6的信号转换器的信号处理系统。
13.包含权项7的信号转换器的信号处理系统。
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