DE60114870T2

DE60114870T2 - A/d-umsetzer und festkörperkamera

Info

Publication number: DE60114870T2
Application number: DE60114870T
Authority: DE
Inventors: Kazuki Hamamatsu-shi FUJITA; Seiichiro Hamamatsu-shi Mizuno
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: US6670903B2; AU2002227521A1; EP1330037B1; DE60114870D1; EP1330037A4; EP1330037A1; JP2002043941A; JP4489914B2; WO2002011290A1; US20030179125A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine A/D-Umwandlungsvorrichtung, die einen analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt, und eine Festkörperbildsensorvorrichtung, die die A/D-Umwandlungsvorrichtung enthält.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Festkörperbildsensorvorrichtung umfasst mehrere Photodetektoren, die ein- oder zweidimensional angeordnet sind, und eine Integrierschaltung, die den von jedem Photodetektor ausgegebenen Strom in eine Spannung umwandelt. Bei der Festkörperbildsensorvorrichtung geben die jeweiligen Photodetektoren Strom mit Werten aus, die der Intensität des einfallenden Lichts entsprechen. Die Integrierschaltung gibt Spannungen mit Werten aus, die den Stromwerten entsprechen. Zur Bilderfassung ermittelt man auf der Grundlage der Spannungswerte die Intensitätsverteilung des einfallenden Lichts.
Einige Festkörperbildsensorvorrichtungen umfassen ferner eine A/D-Umwandlungsschaltung, die einen von der Integrierschaltung ausgegebenen Spannungswert (analogen Wert) in einen digitalen Wert umwandelt. In diesem Fall wird die Intensität des einfallenden Lichts als digitaler Wert erfasst und kann von einem Computer oder dergleichen zu einem Bild verarbeitet werden.
Im Allgemeinen ist der Bedarf dafür gestiegen, die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der A/D-Umwandlung auch bei der Festkörperbildsensorvorrichtung zu erhöhen. Bei einer in Quellenangabe 1 (Yuh-Min Lee et al. "A 13-b 2.5-MHz Self-Calibrated Pipelined A/D Converter In 3 μm CMOS", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 26, Nr. 4, S. 628–636 (1991)) beschriebenen A/D-Umwandlungsvorrichtung sind beispielsweise mehrere Einheiten, die jeweils aus einer Abtast-Halte-Schaltung, einer A/D-Umwandlungsschaltung, einer D/A-Umwandlungsschaltung und einer Verstärkungsschaltung bestehen, kaskadiert.
In einer gegebenen Einheit der A/D-Umwandlungsvorrichtung wird ein von der Abtast-Halte-Schaltung ausgegebener analoger Wert von der A/D-Umwandlungsschaltung in einen digitalen Wert umgewandelt, und der digitale Wert wird von der D/A-Umwandlungsschaltung in einen analogen Wert umgewandelt. Die Differenz zwischen den analogen Werten, die jeweils von der Abtast-Halte-Schaltung und der D/A-Umwandlungsschaltung ausgegeben werden, wird von der Verstärkungsschaltung verstärkt. Die verstärkte Differenz (analoger Wert) wird in die Abtast-Halte-Schaltung der nächsten Einheit eingegeben. Diese A/D-Umwandlungsvorrichtung erhöht durch Fließbandverarbeitung die Geschwindigkeit.
Bei einer in Quellenangabe 2 (Steven Decker et al. "A 256 × 256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-Parallel Digital Output", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 33, Nr. 12, S. 2081–2091 (1998)) beschriebenen A/D-Umwandlungsvorrichtung sind zwei Einheiten, die jeweils aus einer Vergleichsschaltung (1-Bit-A/D-Umwandlungsschaltung), einer Verstärkungsschaltung (Verstärkungsfaktor: 2) und einer Additionsschaltung bestehen, in einem Stromkreis angeordnet.
In einer gegebenen Einheit dieser A/D-Umwandlungsvorrichtung wird ein analoger Eingangswert von der Vergleichsschaltung in einen digitalen 1-Bit-Wert umgewandelt, und der digitale Wert wird von der Verstärkungsschaltung zweimal verstärkt. Zu dem von der Verstärkungsschaltung ausgegebenen analogen Wert wird einem von der Vergleichsschaltung ausgegebenen digitalen 1-Bit-Wert entsprechend ein vorgegebener analoger Wert addiert oder davon abge zogen. Der entstehende Wert wird an die nächste Einheit ausgegeben.
Die A/D-Umwandlungsvorrichtung realisiert insgesamt einen kleinen Schaltungsmaßstab durch Verkleinern der Schaltungsmaßstäbe für die Vergleichsschaltung, die Verstärkungsschaltung und die Additionsschaltung jeder Einheit und wiederholtes Betreiben der beiden in einem Stromkreis angeordneten Einheiten.
EP 1154483 legt eine A/D-Umwandlungseinrichtung offen, die dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die in der Quellenangabe 1 beschriebene A/D-Umwandlungsvorrichtung erreicht durch die fließbandartige Anordnung eine hohe Geschwindigkeit. Wenn sich die Anzahl der Bit eines digitalen Wertes erhöht, wird der Schaltungsmaßstab größer. Die A/D-Umwandlungsvorrichtung muss nicht nur mit der A/D-Umwandlungsschaltung, sondern auch mit der D/A-Umwandlungsschaltung ausgestattet sein, wodurch sich der Schaltungsmaßstab vergrößert. Die Genauigkeit des ermittelten digitalen Wertes wird des Weiteren von einem D/A-Umwandlungsfehler beeinflusst.
Die in Quellenangabe 2 beschriebene A/D-Umwandlungsvorrichtung erzielt durch Verkleinern des Maßstabes aller Schaltungen in jeder Einheit und Anordnen der beiden Einheiten in einem Stromkreis insgesamt einen kleinen Schaltungsmaßstab. Ein Signal durchläuft jedoch eine Anzahl von Einheiten aus Vergleichsschaltungen, Verstärkungsschaltungen und Additionsschaltungen, die der Anzahl von Bit eines digitalen Wertes entspricht. Die Genauigkeit des ermittelten digitalen Wertes wird in großem Maße durch einen Fehler jeder Schaltung in jeder Einheit beinflusst. Wenn die Kennlinien der Vergleichsschaltung, der Verstär kungsschaltung und der Additionsschaltung in jeder Einheit nicht richtig angepasst sind, dann beeinflusst diese Fehlanpassung auch die Genauigkeit des ermittelten digitalen Wertes.
Die vorliegende Erfindung soll die herkömmlichen Beeinträchtigungen überwinden, und ihre Aufgabe besteht darin, eine A/D-Umwandlungsvorrichtung mit einem kleinen Schaltungsmaßstab und einem geringen A/D-Umwandlungsfehler bereitzustellen sowie eine Festkörperbildsensorvorrichtung, die die A/D-Umwandlungsvorrichtung enthält.
Eine A/D-Umwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen einem ersten analogen Wert, der in eine A/D-Umwandlungsschaltung eingegeben wird, und einem zweiten analogen Wert, der einem von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen digitalen Wert entspricht, verstärkt und die verstärkte Differenz nach der Eingabe des ersten analogen Wertes als ein dritter analoger Wert an einen Eingangsanschluss der A/D-Umwandlungsschaltung zurückgeführt wird.
Die A/D-Umwandlungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verbindungsschaltkreis umfasst, der selektiv entweder den ersten oder den dritten analogen Wert in die A/D-Umwandlungsschaltung eingibt.
Anders ausgedrückt umfasst die A/D-Umwandlungsvorrichtung (A) einen Verbindungsschaltkreis mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Anschluss, der entweder den ersten oder den zweiten Anschluss mit dem dritten Anschluss verbindet, (B) eine A/D-Umwandlungsschaltung, die von dem dritten Anschluss des Verbindungsschaltkreises einen analogen Wert empfängt, den analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt und den digitalen Wert ausgibt, (C) eine Verstärkungsschaltung, die eine Differenz zwischen einem analogen Wert, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen digitalen Wert entspricht, und dem in die A/D-Umwandlungsschaltung eingegebenen analogen Wert verstärkt und den verstärkten analogen Wert an den zweiten Anschluss des Verbindungsschaltkreises ausgibt, und (D) Steuermittel zum Steuern des Umschaltens der Verbindung zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Anschluss des Verbindungsschaltkreises.
Bei der A/D-Umwandlungsvorrichtung wird ein in den ersten Anschluss des Verbindungsschaltkreises eingegebener analoger Wert unter der Steuerung des Steuermittels über den dritten Anschluss in die A/D-Umwandlungsschaltung eingegeben. Der analoge Wert wird von der A/D-Umwandlungsschaltung in einen digitalen Wert umgewandelt, und der digitale Wert wird von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegeben.
Um einen digitalen Wert mit einer größeren Anzahl Bit zu erhalten, wird die Differenz zwischen einem analogen Wert, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen digitalen Wert entspricht, und einem in die A/D-Umwandlungsschaltung eingegebenen analogen Wert von der Verstärkungsschaltung verstärkt. Der verstärkte analoge Wert wird über den zweiten und den dritten Anschluss des Verbindungsschaltkreises in die A/D-Umwandlungsschaltung eingegeben. Der analoge Wert wird von der A/D-Umwandlungsschaltung in einen digitalen Wert (der niedrigerwertigen Bit entspricht als ein bereits ausgegebener digitaler Wert) umgewandelt. Der digitale Wert wird von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegeben. Dieser Vorgang kann wiederholt werden.
Die A/D-Umwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die A/D-Umwandlungsschaltung den digitalen Wert von n Bit (n ist eine ganze Zahl von mindestens 1) ausgibt und die Verstärkungsschaltung die Differenz um 2ⁿ verstärkt. In diesem Fall erfolgt die A/D-Umwandlung am effizientesten.
Eine Festkörperbildsensorvorrichtung, die ein Objekt erfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: (A) einen Photodetektor, der einen Strom mit einem Wert ausgibt, der der Intensität von einfallendem Licht entspricht, (B) eine Integrierschaltung, die den vom Photodetektor ausgegebenen Strom aufnimmt und integriert und einen dem Stromwert entsprechenden Spannungswert ausgibt, und (C) eine A/D-Umwandlungsvorrichtung, die die von der Integrierschaltung ausgegebene Spannung aufnimmt und den Spannungswert in einen digitalen Wert umwandelt.
Gemäß der Festkörperbildsensorvorrichtung wird vom Photodetektor Strom mit einem Wert, der der Intensität des einfallenden Lichts im Photodetektor entspricht, ausgegeben und von der Integrierschaltung integriert. Die Integrierschaltung gibt eine Spannung mit einem Wert aus, der dem Stromwert entspricht. Der von der Integrierschaltung ausgegebene Spannungswert (analoger Wert) wird von der A/D-Umwandlungsvorrichtung in einen digitalen Wert umgewandelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Festkörperbildsensorvorrichtung 1 mit einer A/D-Umwandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt,
2 ist ein Schaltplan, der eine Integrierschaltung 10 zeigt,
3 ist ein Schaltplan, der eine A/D-Umwandlungsschaltung 30 zeigt,
4 ist ein Schaltplan, der einen Abschnitt der A/D-Umwandlungsschaltung 30 mit variabler Kapazität C₃₀₀ zeigt,
5 ist ein Schaltplan, der eine Verstärkungsschaltung 40 zeigt, und
die 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H, 6I, 6J und 6K sind Zeitdiagramme, die die Funktionsweise der Festkörperbildsensorvorrichtung 1 erläutern.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Bei der Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen die gleichen Teile, und auf eine wiederholte Beschreibung davon wird verzichtet.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Festkörperbildsensorvorrichtung 1 mit einer A/D-Umwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt. Die Festkörperbildsensorvorrichtung 1 umfasst M (M ist eine ganze Zahl von mindestens 1) Einheiten 100₁ bis 100_M und eine Steuerschaltung 200. Die Einheiten 100_m (m ist eine beliebige ganze Zahl von (einschließlich) 1 bis (einschließlich) M) weisen die gleiche Anordnung auf. Jede Einheit umfasst mehrere Sätze Photodioden (Photodetektoren) PD und Schalter SW, eine Integrierschaltung 10, einen Verbindungsschaltkreis 20, eine A/D-Umwandlungsschaltung 30, eine Verstärkungsschaltung 40 und einen Schalter SW₅.
Die A/D-Umwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform enthält den Verbindungsschaltkreis 20, die A/D-Umwandlungsschaltung 30, die Verstärkungsschaltung 40 und die Steuerschaltung 200.
Jede Photodiode PD in jeder Einheit 100_m weist einen geerdeten Anodenanschluss auf und einen Kathodenanschluss, der über einen entsprechenden Schalter SW mit dem Eingangsanschluss der Integrierschaltung 10 verbunden ist. Die Photodiode PD gibt an die Integrierschaltung 10 einen Strom aus, der der Intensität des einfallenden Lichts entspricht. Die Integrierschaltung 10 jeder Einheit 100_m empfängt und integriert den von der Photodiode PD ausgegebenen Strom und gibt an den Verbindungsschaltkreis 20 eine Spannung mit einem Wert A₁ aus, der dem Stromwert entspricht.
Der Verbindungsschaltkreis 20 jeder Einheit 100_m besitzt einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluss 20a, 20b und 20c. Zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss 20a und 20c ist ein Schalter SW₂₁ angeordnet, während zwischen dem zweiten und dem dritten Anschluss 20b und 20c ein Schalter SW₂₂ angeordnet ist.
Der erste Anschluss 20a ist mit dem Ausgangsanschluss der Integrierschaltung 10 verbunden, der zweite Anschluss 20b mit dem Ausgangsanschluss der Verstärkungsschaltung 40 und der dritte Anschluss 20c mit dem Eingangsanschluss der A/D-Umwandlungsschaltung 30. Der Verbindungsschaltkreis 20 schließt entweder den Schalter SW₂₁ oder SW₂₂ und verbindet entweder den Ausgangsanschluss der Integrierschaltung 10 oder den der Verstärkungsschaltung 40 mit dem Eingangsanschluss der A/D-Umwandlungsschaltung 30.
Die A/D-Umwandlungsschaltung 30 jeder Einheit 100_m nimmt eine von dem dritten Anschluss 20c des Verbindungsschaltkreises 20 ausgegebene Spannung auf. Ein in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebener Spannungswert (analoger Wert) A₂ ist der von der Integrierschaltung 10 ausgegebene Spannungswert A₁ oder ein Spannungswert A₄, der dem Öffnen/Schließen der Schalter SW₂₁ und SW₂₂ des Verbindungsschaltkreises 20 entsprechend von der Verstärkungsschaltung 40 ausgegeben wird.
Die A/D-Umwandlungsschaltung 30 wandelt den Eingangsspannungswert A₂ in einen digitalen Wert D mit n Bit (n ist eine ganze Zahl von mindestens 1) um und gibt den digitalen Wert D an den Schalter SW₅ aus. Die A/D-Umwandlungsschal tung 30 gibt gemäß der Differenz zwischen einem analogen Wert A₀, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebenen digitalen Wert D entspricht, und dem in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen analogen Wert A₂ einen analogen Wert A₃ an die Verstärkungsschaltung 40 aus.
Die Verstärkungsschaltung 40 jeder Einheit 100_m verstärkt die Differenz zwischen dem analogen Wert, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebenen digitalen Wert entspricht, und dem in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen analogen Wert A₂ auf der Grundlage des von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebenen analogen Wertes A₃. Die Verstärkungsschaltung 40 gibt den verstärkten analogen Wert A₄ an den zweiten Anschluss 20b des Verbindungsschaltkreises 20 aus.
Ein Anschluss des Schalters SW₅ jeder Einheit 100_m ist mit dem Ausgangsanschluss der A/D-Umwandlungsschaltung 30 verbunden, und seinen anderen Anschluss teilt er sich mit den restlichen Schaltern SW₅. Durch nacheinander erfolgendes Schließen der Schalter SW₅ werden von den entsprechenden A/D-Umwandlungsschaltungen 30 ausgegebene digitale Werte D aus den Einheiten 100_m ausgegeben.
Die Steuerschaltung 200 steuert den Gesamtbetrieb der Festkörperbildsensorvorrichtung 1. Die Steuerschaltung 200 steuert das Öffnen/Schließen des Schalters SW₅ und der Schalter in dem Verbindungsschaltkreis 20. Die Steuerschaltung 200 steuert außerdem das Öffnen/Schließen von Schaltern zwischen den Photodioden PD und der Integrierschaltung 10, von (nicht gezeigten) Schaltern in der A/D-Umwandlungsschaltung 30 und (nicht gezeigten) Schaltern in der Verstärkungsschaltung 40.
2 ist ein Schaltplan, der die Integrierschaltung 10 zeigt. In der Integrierschaltung 10 sind ein Verstärker A₁₁, ein Kondensator C₁₁ und ein Schalter SW₁₁ parallel zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss angeordnet. Der Kondensator C₁₁ ist zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₁₁ angeordnet und akkumuliert Strom, d.h. bei offenem Schalter SW₁₁ in den Eingangsanschluss eingehende Ladung.
Der Schalter SW₁₁ ist zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₁₁ angeordnet. Wenn der Schalter SW₁₁ geöffnet ist, akkumuliert der Kondensator C₁₁ Ladung, und wenn der Schalter SW₁₁ geschlossen ist, wird in dem Kondensator C₁₁ akkumulierte Ladung gelöscht.
3 ist ein Schaltplan, der die A/D-Umwandlungsschaltung 30 zeigt. Die A/D-Umwandlungsschaltung 30 umfasst eine Kapazitätsintegrierschaltung 310, eine Vergleichsschaltung 320 und eine Kapazitätssteuerung 330. Die Kapazitätsintegrierschaltung 310 umfasst einen Kondensator C₃₀₁, einen Verstärker A₃₀₁, einen Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ und einen Schalter SW₃₀₁.
Der Verstärker A₃₀₁ nimmt über den Kondensator C₃₀₁ an seinem invertierenden Eingangsanschluss einen von dem dritten Anschluss 20c des Verbindungsschaltkreises 20 ausgegebenen Spannungswert (analogen Wert) A₂ auf. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Verstärkers A₃₀₁ ist geerdet. Der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ weist eine steuerbare variable Kapazität auf. Der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₃₀₁ angeordnet und akkumuliert dem Eingangsspannungswert A₂ entsprechend Strom.
Der Schalter SW₃₀₁ ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₃₀₁ angeordnet. Wenn der Schalter SW₃₀₁ geöffnet ist, akkumuliert der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ Ladung, und wenn der Schalter SW₃₀₁ geschlossen ist, wird in dem Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ akkumulierte Ladung gelöscht. Die Kapazitätsintegrierschaltung 310 nimmt den vom Verbindungsschaltkreis 20 ausgegebenen Spannungswert A₂ auf, integriert ihn entsprechend der Kapazität des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ und gibt als Ergebnis der Integration eine Spannung aus.
Die Vergleichsschaltung 320 nimmt die von der Kapazitätsintegrierschaltung 310 ausgegebene Spannung an ihrem invertierenden Eingangsanschluss auf und gibt in einen nichtinvertierenden Eingangsanschluss einen vorgegebenen Referenzspannungswert V_ref ein. Die Vergleichsschaltung 320 vergleicht die beiden Spannungswerte und gibt ein Signal aus, das das Ergebnis des Vergleichs repräsentiert. Die Kapazitätssteuerung 330 empfängt ein von der Vergleichsschaltung 320 ausgegebenes Signal und gibt auf der Grundlage dieses Signals ein Kapazitätsbestimmungssignal C für das Steuern der Kapazität des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ aus. Wenn der Spannungswert und der Referenzspannungswert V_ref auf der Grundlage dieses Signals so bestimmt werden, dass sie bei einer vorgegebenen Auflösung miteinander übereinstimmen, dann gibt die Kapazitätssteuerung 330 einen digitalen Wert D aus, der dem Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ entspricht.
Eine von der Kapazitätsintegrierschaltung 310 an die Vergleichsschaltung 320 ausgegebene Spannung wird auch als Spannungswert A₃ an die Verstärkungsschaltung 40 ausgegeben. Man erhält den Spannungswert A₃ durch Addieren des Referenzspannungswertes V_ref zu der Differenz zwischen dem analogen Wert A₀, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebenen digitalen Wert D entspricht, und dem in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen analogen Wert A₂ (A₂ – A₀ + V_ref).
4 ist ein Schaltplan, der den Abschnitt der A/D-Umwandlungsschaltung 30 mit variabler Kapazität C₃₀₀ zeigt.
Der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ umfasst die Kondensatoren C₃₁₁ bis C₃₁₄, die Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ und die Schalter SW₃₂₁ bis SW₃₂₄. Der Kondensator C_31n und der Schalter SW_31n sind in Form einer Kaskadenschaltung miteinander verbunden und zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers SW₃₀₁ angeordnet. Der Schalter SW_32n ist zwischen der Masse und dem Knoten zwischen dem Kondensator C_31n und dem Schalter SW_31n (n = 1 bis 4) angeordnet.
Die Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ und SW₃₂₄ bis SW₃₂₄ werden in Abhängigkeit von dem Kapazitätsbestimmungssignal C geöffnet/geschlossen, das von der Kapazitätssteuerung 330 ausgegeben wird. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren C₃₀₁ und C₃₁₁ bis C₃₁₄ entsprechen C311 = 2C312 = 4C313 = 8C314 (1a) C301 = 15C314 (1b)
Der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ ist vom Öffnungs-/Schließzustand der Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ und SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ abhängig. Insbesondere liegt der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ bei einem Maximalwert von 15C₃₁₄, wenn alle Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ geschlossen und alle Schalter SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ geöffnet sind.
Wenn von den Schaltern SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ nur der Schalter SW₃₁₄ geöffnet und von den Schaltern SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ nur der Schalter SW₃₂₄ geschlossen ist, liegt der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ bei 14C₃₁₄. Wenn von den Schaltern SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ nur der Schalter SW₃₁₃ geöffnet und von den Schaltern SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ nur der Schalter SW₃₂₃ geschlossen ist, liegt der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ bei 13C₃₁₄.
Wenn von den Schaltern SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ nur die Schalter SW₃₁₄ und SW₃₁₃ geöffnet und von den Schaltern SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ nur die Schalter SW₃₂₄ und SW₃₂₃ geschlossen sind, liegt der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ bei 12C₃₁₄. Auf diese Weise nimmt der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ abhängig vom Öffnen/Schließen der Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ und SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ einen beliebigen Wert von k·C₃₁₄ (k ist eine ganze Zahl von (einschließlich) 0 bis (einschließlich) 15) an.
Bei der A/D-Umwandlungsschaltung 30 wird der Öffnungs-/Schließzustand jedes Schalters des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ (d.h. der Kapazitätswert des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀) von der Kapazitätssteuerung 330 so gesteuert, dass der Absolutwert der Differenz zwischen dem Referenzspannungswert V_ref und einem von der Kapazitätsintegrierschaltung 310 ausgegebenen Spannungswert auf der Grundlage eines von der Vergleichsschaltung 320 ausgegebenen Wertes in einer Rückkopplungsschleife, die aus der Kapazitätsintegrierschaltung 310, der Vergleichsschaltung 320 und der Kapazitätssteuerung 330 besteht, minimal ist.
Wenn der Absolutwert der Differenz minimal ist, gibt die Kapazitätssteuerung 330 dem Öffnungs-/Schließzustand der vier Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ des Abschnittes mit variabler Kapazität C₃₀₀ entsprechend einen digitalen 4-Bit-Wert D aus. Des Weiteren gibt der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ einen Spannungswert A₃ (= A₂ – A₀ + V_ref) aus.
5 ist ein Schaltplan, der die Verstärkungsschaltung 40 zeigt. Bei der Verstärkungsschaltung 40 sind ein Schalter SW₄₂, ein Kondensator C₄₂, ein Schalter SW₄₄ und ein Verstärker A₄₁ zwischen Eingangs- und Ausgangsanschluss in Reihe geschaltet. Der Knoten zwischen dem Schalter SW₄₂ und dem Kondensator C₄₂ empfängt über einen Schalter SW₄₃ einen Referenzspannungswert V_ref. Der Knoten zwischen dem Konden sator C₄₂ und dem Schalter SW₄₄ empfängt den Referenzspannungswert Vref über einen Schalter SW₄₅.
Ein Kondensator C₄₁ und ein Schalter SW₄₁ sind zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₄₁ parallel geschaltet. Der Referenzspannungswert V_ref wird dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers C₄₁ zugeführt. Der Referenzspannungswert V_ref in der Verstärkungsschaltung 40 ist gleich dem in den nichtinvertierenden Eingangsanschluss der Vergleichsschaltung 320 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen Referenzspannungswert V_ref.
Der Kondensator C₄₁ ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₄₁ angeordnet. Wenn der Schalter SW₄₁ geöffnet ist, akkumuliert der Kondensator C₄₁ Strom, d.h. vom Eingangsanschluss über den Kondensator C₄₂ eingehende Ladung. Der Schalter SW₄₁ ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers A₄₁ angeordnet. Wenn der Schalter SW₄₁ geöffnet ist, wird in dem Kondensator C₄₁ Ladung akkumuliert, und wenn der Schalter SW₄₁ geschlossen ist, wird in dem Kondensator C₄₁ akkumulierte Ladung gelöscht.
Die Verstärkungsschaltung 40 nimmt den von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen Spannungswert A₃ auf und subtrahiert zu vorgegebenen Zeitpunkten dem Öffnen/Schließen der Schalter SW₄₂ bis SW₄₅ entsprechend den Referenzspannungswert V_ref vom Spannungswert A₃. Die Verstärkungsschaltung 40 berechnet die Differenz (A₂ – A₀) zwischen dem analogen Wert A₀, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebenen digitalen Wert D entspricht, und dem in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen analogen Wert A₂. Die Verstärkungsschaltung 40 verstärkt diese Differenz um eine Verstärkung G entsprechend dem Verhältnis der Kapazitätswerte der Kondensatoren C₄₂ und C₄₁. Die Verstärkungs schaltung 40 gibt als Verstärkungsergebnis einen Spannungswert A₄ (= G·(A₂ – A₀)) an den zweiten Anschluss 20b des Verbindungsschaltkreises 20 aus.
Wenn die A/D-Umwandlungsschaltung 30 einen digitalen 4-Bit-Wert D ausgibt, wird die A/D-Umwandlung für eine Verstärkung G von 16 (=2⁴) in der Verstärkungsschaltung 40 effizient.
Es wird nun die Funktionsweise der Festkörperbildsensorvorrichtung 1 mit der A/D-Umwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform erläutert. Die Festkörperbildsensorvorrichtung 1 wird im Betrieb von der Steuerschaltung 200 gesteuert. Es wird nun der Fall beschrieben, bei dem die Intensität des auf jede Photodiode PD einfallenden Lichtes als digitaler 12-Bit-Wert ausgegeben wird.
Die 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H, 6I, 6J und 6K sind Zeitdiagramme, die die Funktionsweise der Festkörperbildsensorvorrichtung 1 erläutern.
Zum Zeitpunkt t1 wird der Schalter SW₁₁ der Integrierschaltung 10 geschlossen (6B), der Kondensator C₁₁ entladen und der von der Integrierschaltung 10 ausgegebene Spannungswert A₁ gelöscht (6C). In dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2 ist der Schalter SW₂₁ des Verbindungsschaltkreises 20 geschlossen, während der Schalter SW₂₂ geöffnet ist (6D und 6E). Der Schalter SW₃₀₁ der Kapazitätsintegrierschaltung 310 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ist geschlossen, und der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ wird entladen (6F). Alle Schalter SW₃₁₁ bis SW₃₁₄ sind geschlossen, und alle Schalter SW₃₂₁ bis SW₃₂₄ sind geöffnet.
Der Schalter SW₁₁ der Integrierschaltung 10 wird dann geöffnet (6B), und der Schalter SW₃₀₁ der Kapazitätsintegrierschaltung 310 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 wird geöffnet (6F). Nach dem Öffnen des Schalters SW₁₁ der Integrierschaltung 10 wird der Schalter SW zwischen der Photodiode PD und der Integrierschaltung 10 vorübergehend geschlossen und dann geöffnet (6A). Zum Zeitpunkt t2 wird der Schalter SW₂₁ des Verbindungsschaltkreises 20 geöffnet (6D).
Auf diese Weise akkumuliert der Kondensator C₁₁ der Integrierschaltung 10 im Zeitraum zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2 einen Ladungsbetrag, der der Intensität des einfallenden Lichtes in der Photodiode PD entspricht. Die Integrierschaltung 10 gibt eine Spannung mit dem entsprechenden Wert A₁ aus und über den Verbindungsschaltkreis 20 in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 ein. Der Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ der Kapazitätsintegrierschaltung 310 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 akkumuliert Ladung, die dem Spannungswert A₁ (=A₂) entspricht.
In dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t2 und t3 führt die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eine A/D-Umwandlung durch. Insbesondere öffnet/schließt der Betrieb der von der Kapazitätsintegrierschaltung 310, der Vergleichsschaltung 320 und der Kapazitätssteuerung 330 gebildeten Rückführschleife jeden Schalter des Abschnittes der Kapazitätsintegrierschaltung 310 mit variabler Kapazität C₃₀₀. Der Eingangsspannungswert (analoger Wert) A₂ wird in einen digitalen 4-Bit-Wert (D₁₁ bis D₈) umgewandelt, der ausgegeben wird. Die Kapazitätsintegrierschaltung 310 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 gibt den Spannungswert A₃ aus, der der Differenz zwischen dem Spannungswert A₀, der dem digitalen Wert D entspricht, und dem Eingangsspannungswert A₂ entspricht.
In dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t3 und Zeitpunkt t4 schließen sich die Schalter SW₅ der jeweiligen Einheiten 100_m nacheinander. Von den A/D-Umwandlungsschaltungen 30 der jeweiligen Einheiten 100_m ausgegebene digitale Werte D werden nacheinander ausgegeben (6G).
Nach dem Zeitpunkt t3 wird der Schalter SW₄₁ der Verstärkungsschaltung 40 geschlossen (6H), der Kondensator C₄₁ entladen und der von der Verstärkungsschaltung 40 ausgegebene Spannungswert A₄ gelöscht. Die Schalter SW₄₅ und SW₄₂ der Verstärkungsschaltung 40 werden vorübergehend geschlossen und dann geöffnet (6I). Wenn sich der Schalter SW₄₁ geöffnet hat, werden die Schalter SW₄₃ und SW₄₄ vorübergehend geschlossen und dann geöffnet (6J). Der Schalter SW₃₀₁ der Kapazitätsintegrierschaltung 310 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 wird vorübergehend geschlossen und dann geöffnet (6F). Der Schalter SW₂₂ des Verbindungsschaltkreises 20 wird vorübergehend geschlossen und dann geöffnet (6E).
In dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t3 und t4 wird der von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebene Spannungswert A₃ von der Verstärkungsschaltung 40 16-fach verstärkt. Die Verstärkungsschaltung 40 gibt den Spannungswert A₄ als Verstärkungsergebnis aus und über den Verbindungsschaltkreis 20 in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 ein (6K). Im Abschnitt mit variabler Kapazität C₃₀₀ der Kapazitätsintegrierschaltung 310 der A/D-Umwandlungsschaltung 30 wird Ladung akkumuliert, die dem Spannungswert A₄ (=A₂) entspricht.
In dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t4 und t5 führt die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eine A/D-Umwandlung durch. Die Funktionsweise der A/D-Umwandlungsschaltung 30 in diesem Zeitraum gleicht der in dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t2 und Zeitpunkt t3. Es sei angemerkt, dass es sich bei dem in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen Spannungswert A₂ um den Spannungswert A₄ handelt, der von der Verstärkungsschaltung 40 ausgegeben wird und den man durch Multiplizieren der Differenz (A₂ – A₀) zwischen dem analogen Wert A₀, der dem von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 ausgegebenen digitalen Wert D entspricht, und dem in dem Zeit raum zwischen Zeitpunkt t3 und Zeitpunkt t4 in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegebenen analogen Wert A₂ mit der Verstärkung G (=2⁴=16) erhält.
Das heißt, die A/D-Umwandlung in der A/D-Umwandlungsschaltung 30 in dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t4 und t5 verarbeitet eventuelle Reste aus der vorangegangenen A/D-Umwandlung in dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t2 und Zeitpunkt t3. Somit entspricht ein von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 nach dem Zeitpunkt t5 ausgegebener digitaler Wert (D₇ bis D₄) 4 niedrigerwertigen Bit als der vorangegangene, nach dem Zeitpunkt t3 ausgegebene digitale Wert (D₁₁ bis D₈).
Die nachfolgende Funktionsweise ist ebenfalls gleich. Insbesondere gleicht die Funktionsweise im Zeitraum zwischen Zeitpunkt t5 und Zeitpunkt t6 der in dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t3 und Zeitpunkt t4. Die Funktionsweise im Zeitraum zwischen Zeitpunkt t6 und Zeitpunkt t7 gleicht der in dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt t4 und Zeitpunkt t5. Ein von der A/D-Umwandlungsschaltung 30 nach dem Zeitpunkt t7 ausgegebener digitaler Wert (D₃ bis D₀) entspricht 4 niedrigerwertigen Bit als der vorangegangene, nach dem Zeitpunkt t5 ausgegebene digitale Wert (D₇ bis D₉).
Selbst die A/D-Umwandlungsschaltung 30, die einen analogen Wert in einen digitalen 4-Bit-Wert umwandelt, kann einen digitalen 4k-Bit-Wert (k ist eine ganze Zahl von mindestens 2) ermitteln, indem der Verbindungsschaltkreis 20 und die Verstärkungsschaltung 40 angeordnet werden, gegebenenfalls der Rest der A/D-Umwandlung in der A/D-Umwandlungsschaltung 30 wieder in die A/D-Umwandlungsschaltung 30 eingegeben und wiederholt eine A/D-Umwandlung durchgeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform gibt die A/D-Umwandlungsschaltung 30 einen digitalen 4-Bit-Wert aus, wobei aber die Anzahl der Bit eines digitalen Ausgabewertes variabel ist.
Bei dieser Ausführungsform kann eine konventionelle D/A-Umwandlungsschaltung entfallen, und sie eignet sich für das Anordnen vieler Einheiten 100₁ bis 100_M mit kleinem Schaltungsmaßstab.
Diese Ausführungsform benötigt keine D/A-Umwandlungsschaltung, die Genauigkeit eines ermittelten digitalen Wertes wird von einem D/A-Umwandlungsfehler nicht beeinflusst, und der A/D-Umwandlungsfehler ist gering. Diese Ausführungsform führt die A/D-Umwandlung mithilfe von Ladungserhaltung durch und erhöht die Anzahl der Bit, wodurch sich auch der A/D-Umwandlungsfehler verringert.
Wenn beispielsweise bei Verwendung der Festkörperbildsensorvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform ein bewegtes Bild mit geringer Genauigkeit, jedoch mit hoher Geschwindigkeit erfasst werden muss, erfolgt das Erfassen des bewegten Bildes durch Verringern der Anzahl der Wiederholungen der A/D-Umwandlung unter der Steuerung der Steuerschaltung 200. Wenn ein Standbild mit geringer Geschwindigkeit, jedoch mit hoher Genauigkeit erfasst werden muss, erfolgt das Erfassen des Standbildes durch Erhöhen der Anzahl der Wiederholungen der A/D-Umwandlung unter der Steuerung der Steuerschaltung 200. Durch bedarfsgemäßes Steuern der Anzahl der Wiederholungen der A/D-Umwandlung lässt sich die Betriebsgeschwindigkeit oder -genauigkeit bei der Bilderfassung erhöhen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann auf verschiedene Art und Weise modifiziert werden. Bei der Beschreibung der Funktionsweise gemäß der Ausführungsform kann man beispielsweise durch dreimaliges Wiederholen der 4-Bit-A/D-Umwandlung einen digitalen 12-Bit-Wert erhalten. Alternativ dazu kann man durch nur einmaliges Durchführen der A/D-Umwandlung einen digitalen 4-Bit-Wert, durch zweimaliges Durchführen der A/D-Umwandlung einen digitalen 8-Bit-Wert und durch viermaliges Durchführen der A/D-Umwandlung einen digitalen 16-Bit-Wert erhalten. Allgemein ausgedrückt kann man durch k-maliges Durchführen der A/D-Umwandlung einen digitalen 4k-Bit-Wert erhalten.
Bei der oben angeführten Ausführungsform gibt die A/D-Umwandlungsschaltung 30 durch eine A/D-Umwandlung einen digitalen 4-Bit-Wert aus. Die A/D-Umwandlungsschaltung 30 kann einen digitalen Wert mit einer anderen Bitanzahl ausgeben.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann auf eine A/D-Umwandlungsvorrichtung angewandt werden, die einen analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt, und auf eine Festkörperbildsensorvorrichtung, die die A/D-Umwandlungsvorrichtung enthält.

Claims

A/D-Umwandlungsvorrichtung, bei der eine Differenz zwischen einem ersten analogen Wert (A1), der in eine A/D-Umwandlungsschaltung (30) eingegeben wird, und einem zweiten analogen Wert, der einem von der A/D-Umwandlungsschaltung ausgegebenen digitalen Wert (D) entspricht, verstärkt und die verstärkte Differenz nach der Eingabe des ersten analogen Wertes als ein dritter analoger Wert (A4) an einen Eingangsanschluss der A/D-Umwandlungsschaltung zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: eine Kapazitätsintegrierschaltung (310), die dem eingegebenen ersten Analogsignal (A1) entsprechend Ladungen akkumuliert, eine Vergleichsschaltung (320), die einen Ausgangswert von der Kapazitätsintegrierschaltung und einen Referenzspannungswert (Vref) empfängt, eine Kapazitätssteuerung (330), die einen Kapazitätswert (C300) der Kapazitätsintegrierschaltung steuert, einen dem Kapazitätswert entsprechenden Betrag als digitalen Wert einstellt und den digitalen Wert ausgibt, wenn ein Ausgangssignal von der Vergleichsschaltung angibt, dass der Ausgangswert von der Kapazitätsintegrierschaltung und der Referenzspannungswert bei einer vorgegebenen Auflösung miteinander übereinstimmen, und eine Verstärkungsschaltung (40), die den Ausgangswert von der Kapazitätsintegrierschaltung verstärkt, der die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten analogen Wert nach der Ausgabe des digitalen Wertes darstellt, und den verstärkten Ausgangswert dem Eingangs anschluss der A/D-Umwandlungsschaltung als dritten analogen Wert (A4) zuführt.
A/D-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verbindungsschaltkreis (20) umfasst, der selektiv entweder den ersten oder den dritten analogen Wert in die A/D-Umwandlungsschaltung eingibt.
A/D-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die A/D-Umwandlungsschaltung den digitalen Wert von n Bit ausgibt, wobei n eine ganze Zahl, die nicht kleiner als 1 ist, und ein Faktor der Verstärkung 2ⁿ ist.
Festkörperbildsensorvorrichtung, die die in Anspruch 1 definierte A/D-Umwandlungsvorrichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswert von einer Integrierschaltung, die mit mehreren Photodetektoren verbunden ist, als erster analoger Wert in die A/D-Umwandlungsschaltung eingegeben wird.