JP2003289251A - デジタル/アナログ変換器 - Google Patents

デジタル/アナログ変換器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 貯蔵されるイメージの明るさに対して微細調
整が可能な、CMOS型イメージセンサのデジタル/ア
ナログ変換器を提供する。 【解決手段】 デジタル/アナログ変換器において、複
数個のアナログ電圧を出力する抵抗列の各区間の抵抗値
に加重特性を持たせて選定することにより、所望の電圧
分布で分圧した複数のアナログ電圧を出力する分圧器
と、デジタル制御コードに応じて前記分圧器の出力中の
いずれか一つを選択して出力するスイッチ部と、前記ス
イッチ部の出力をバッファリングして出力する出力手段
とを備えてなることを特徴とする。出力アナログ電圧の
値によりイメージセンサ用のランプ信号の傾斜を決め
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、CMOS型イメ
ージセンサ回路で用いられるデジタル/アナログ変換器
に関し、特に、入力されるデジタル制御コードによって
ピクセル信号の増幅率が線型的に変化するようにしたデ
ジタル/アナログ変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、イメージセンサは、光に反応す
る半導体の性質を用いて、画像を捕獲(capture)するデ
バイスをいう。自然界に存在する被写体の各部分は、光
の明るさ及び波長などが互い異なるため、感知するデバ
イスの各画素で異なる電気的な値を呈するが、その電気
的な値を信号処理が可能なレベルに作ることがイメージ
センサの役割である。
【0003】近来、このようなイメージセンサは、各種
保安装備、画像会議用カメラ、デジタルスチルカメラ、
PCカメラ、映像情報を伝達する機能を備えた次世代個
人用携帯通信端末などに適用されて、脚光を浴びてい
る。
【0004】イメージセンサには、CCD(Charge-Coup
led Device)型イメージセンサとCMOS(Complementar
y Metal-Oxide-Semiconductor)型イメージセンサがある
が、現在、CMOS型イメージセンサは、CCDイメー
ジセンサに比べて駆動方式が簡便であり、多様なスキャ
ンニング(scanning)方式の具現が可能であり、シングル
プロセシング(single processing)回路を一つのチップ
に集積し得るため、製品の小型化が可能であり、またC
MOSテクノロジ(technology)を使用するため、製造コ
ストを低減し得るし、電力消耗もCCDに比べてはるか
に小さいという長所があるので、その使用分野がますま
す拡張されている。
【0005】通常、CMOS型イメージセンサは、フォ
トダイオードから出力される被写体に対応するアナログ
データ信号と、基準クロックによって一定に減少する参
照信号としてのランプ(ramp)信号とを比較する比較器
と、ランプ信号が出力される際に計数を始めるカウンタ
と、比較器で比較した結果の値に応じてカウンタでの計
数値をデジタルデータ値で貯蔵するラッチとを備えて構
成されている。
【0006】一方、上述した動作をするために、CMO
S型イメージセンサには、各種の制御信号を出力するデ
ジタル制御部があり、デジタル制御部は、デジタル/ア
ナログ変換器を用いて、使用者がデジタル制御コードを
入力して画像の明るさに応じて、貯蔵されるデジタルデ
ータ値の範囲(例えば、0〜255)を決める機能を果
たす。デジタル制御コードとは、使用者が任意に入力し
て、外部光の明るさに応じて貯蔵するデジタルデータ値
の範囲を調節し得る制御コードである。
【0007】CMOS型イメージセンサでは、デジタル
データ値の範囲(例えば、0〜255)を決めるため、
デジタル制御部にデジタル/アナログ変換器を具備し、
デジタル/アナログ変換器から出力される出力電圧によ
って、基準クロックにより減少されるランプ信号の単位
電圧が決定される。
【0008】例えば、入力されたデジタル制御コードが
二進数の「00001」である場合、貯蔵可能なデジタ
ルデータ値の範囲は、二進数の「00000000〜1
1111111」(十進数の0〜255)になり、入力
されたデジタル制御コードが二進数の「00010」で
あれば、デジタルデータ値の範囲は、二進数の「000
00000〜01111111」(十進数の0〜12
7)になる。また、入力されたデジタル制御コードが二
進数の「00100」であれば、デジタルデータ値の範
囲は、二進数の「00000000〜0011111
1」(十進数の0〜63)になり、入力されたデジタル
制御コードが二進数の「01000」であれば、デジタ
ルデータ値の範囲は、二進数の「00000000〜0
0011111」(十進数の0〜31)になる。
【0009】デジタルデータ値の範囲が大きければ大き
いほど、より明るく画面を貯蔵するが、デジタルデータ
値が255の場合がは、127である場合より2倍ほど
明るく画面を処理することになる。したがって、暗い所
を明るく見るためには、デジタル制御コードの値を小さ
くして、貯蔵されるデジタルデータ値の範囲を大きくす
ればよい。
【0010】図4は、従来のCMOS型イメージセンサ
で用いられるデジタル/アナログ変換器を、説明の簡略
のため、3ビットで具現した場合の回路図を示す。図4
に示すように、デジタル/アナログ変換器は、基準電圧
を均等に分ける分圧器部10と、分圧された電圧を出力
部にスイッチングするスイッチ部20と、スイッチ部2
0によって選定された電圧を出力する出力部30とで構
成されている。
【0011】分圧器10は、基準電圧Vref と接地との
間に直列に接続された8個の抵抗Rで構成される。スイ
ッチ部20は、デコードされたデジタル値により、ただ
一つの経路のみが選択されるように、複数個のNチャネ
ルMOSトランジスタで構成される。出力部30は、出
力端が負入力端(−)にフィードバック接続されてバッ
ファをなす演算増幅器で構成される。このように演算増
幅器を構成すれば、ゲインが1であるバッファとして動
作する。
【0012】以下、図4を参照しながらデジタル/アナ
ログ変換器の動作を例にして説明する。例えば、基準電
圧Vref が「1V」であり、「001」のデジタル制御
コードがスイッチ部20に入力されると、スイッチ部2
0への入力信号の/b1(b1バー)、/b2(b2バー)、b3を
入力されるスイッチがターンオンされて、出力部30に
1/8Vの電圧が出力される。また、デジタル制御コー
ドを「001」から「100」に順次増加させると、デ
ジタル/アナログ変換器の出力値もそれぞれ1/8V、
2/8V、3/8V、4/8Vに増加することになる。
すなわち、デジタル/アナログ変換器の抵抗値Rが一定
であるため、入力されるデジタル制御コードに対して出
力電圧も一定の間隔で増加する。
【0013】ところで、実際には、CMOS型イメージ
センサにおけるデジタル/アナログ変換器は、32個の
抵抗列を用いて、32個の電圧値を出力し、デジタル制
御コードは5ビットで構成することになる。それらの電
圧値は、CMOS型イメージセンサの比較器に入力され
るランプ信号の単位電圧ステップを決定することにな
る。ランプ信号は、クロックによって単位電圧(例え
ば、1/256V)ずつ減少することになるが、比較器
に入力される前に、デジタル/アナログ変換器の出力値
によって単位電圧の大きさが決定されることになる。
【0014】例えば、デジタル制御コードが2進数の
「00001」であれば、デジタル/アナログ変換器の
出力は1/32Vの電圧が出力され、この電圧値によっ
てランプ信号の単位ステップ電圧は1/256Vが出力
され、デジタル制御コードが2進数の「00010」で
あれば、デジタル/アナログ変換器の出力は2/32V
の電圧が出力され、この電圧値によってランプ信号の単
位ステップ電圧は2/256Vになる。以後、デジタル
制御コードが順に「00011」〜「00100」に増
加されれば、CMOS型イメージセンサのランプ信号の
単位ステップ電圧は、3/256V、4/256Vに増
加することになる。
【0015】ここで、ランプ信号の単位ステップ電圧に
ついて説明すれば、それはランプ信号の一クロック当た
り減少する電圧である。単位ステップ電圧が小さければ
小さいほど、ランプ信号は多くのクロック数の間に減少
し、単位ステップ電圧が大きければ大きいほど、少ない
クロック数の間に減少することになるが、ランプ信号の
一周期の減少の間に用いられるクロックの数がイメージ
センサで貯蔵するデジタルデータ値の範囲となる。すな
わち、デジタル制御コードが「00001」であれば、
比較器のランプ信号は、一クロック当たり1/256V
電圧が減少し、結局255番のクロックまでの間、ラン
プ信号が減少して行くことになる。これは、貯蔵し得る
デジタルデータ値の範囲が0〜255であるということ
を意味する。
【0016】図5は、CMOS型イメージセンサで用い
られるデジタル/アナログ変換器に入力されるデジタル
制御コードが2進数の「00001」である場合におけ
るCMOS型イメージセンサのランプ信号(線形減衰傾
斜波形)を示す波形図である。図5を参照しながら説明
すれば、デジタル制御コードが「00001」である場
合、クロックに従って単位電圧(1/256V)ずつラ
ンプ信号が減少することが分かる。したがって、この場
合、CMOS型イメージセンサに貯蔵可能なデジタルデ
ータ値の範囲は、0〜255である。
【0017】図6は、CMOS型イメージセンサで用い
られるデジタル/アナログ変換器に入力されるデジタル
制御コードが2進数の「00010」である場合におけ
るCMOS型イメージセンサのランプ信号を示す波形図
である。図6を参照しながら説明すれば、デジタル制御
コードが「00010」である場合、単位電圧が2/2
56Vで、その単位電圧ずつクロックによってランプ信
号が減少して行き、この場合には、CMOS型イメージ
センサに貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲は、0〜1
27である。また、図示してないが、デジタル制御コー
ドが「00100」であれば、単位電圧が4/256V
となり、デジタルデータ値の範囲が0〜63までの範囲
を有することになる。一方、上述したように、貯蔵され
るデジタルデータ値の範囲が大きいほど、画像について
の情報がより明るく貯蔵される。
【0018】図7は、CMOS型イメージセンサにおい
て、デジタル/アナログ変換器に入力されるデジタル制
御コード(5ビット構成の場合)に対して貯蔵可能なデ
ジタルデータ値の範囲を示すグラフであり、[表1]
は、これを図表で表したものである。
【0019】
【表1】
【0020】
【発明が解決しようとする課題】[表1]を参考しなが
ら説明すると、デジタル制御コードを順次に増加させて
行っても、貯蔵され得るデジタルデータ値の範囲は、同
じ割合では順次に減少して行かない。したがって、被写
体に対して貯蔵される画像の明るさは、デジタル制御コ
ードを線形的に変化させても、線型的には変化されな
い。また、暗い所で画像をより明るく貯蔵するため、使
用者がデジタル制御コードを操作しても、画像の明るさ
を精密には制御できない。
【0021】もちろん、デジタル制御コードが相対的に
大きい値である場合(例えば、00110)には、デジ
タル制御コードを操作することによって、比較的精密に
貯蔵される画像の明るさを操作できるが、その場合の微
細調整はあまり意味がないし、逆に実際に必要な部分
(例えば、デジタル制御コードが0001〜0100)
では、精密に画像の明るさを調整すべく、貯蔵されるデ
ジタルデータ値の範囲を精密に操作しようとしても、そ
うすることは困難である。
【0022】したがって、デジタルデータ値の範囲とデ
ジタル制御コードとの間の関係を線型的になるようにし
て、貯蔵される画像の明るさを精密に調整できるCMO
S型イメージセンサが要求される。そこで、この発明
は、上述した従来の問題に鑑みてなされたものであっ
て、この発明は、貯蔵される画像の明るさに対して微細
調整が可能な、CMOS型イメージセンサにおけるデジ
タル/アナログ変換器を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】前記の従来の問題点を解
決するため、この発明は、デジタル/アナログ変換器に
おいて、抵抗列を構成する各抵抗値の選定に加重特性を
持たせて、電圧分圧により複数個のアナログ電圧を出力
する分圧器と、デジタル制御コードに応じて前記抵抗列
からのアナログ電圧のうちのいずれか一つを選択して出
力するスイッチ部と、前記スイッチ部の出力をバッファ
リングして出力する出力手段とを備えてなることを特徴
とする。
【0024】また、この発明は、CMOS型イメージセ
ンサにおいて、クロック信号によって一定の単位ステッ
プ電圧ずつ減少するランプ信号を出力するランプ信号制
御部と、前記単位ステップ電圧の大きさを決定するため
の基準電圧を出力するデジタル/アナログ変換器を備え
てなり、前記デジタル/アナログ変換器は、a)抵抗列
を構成する各抵抗値の選定に加重特性を持たせて、電圧
分圧により複数個のアナログ電圧を出力する分圧器と、
b)デジタル制御コードに応じて前記抵抗列からのアナ
ログ電圧のうちのいずれか一つを選択して出力するスイ
ッチ部と、c)前記スイッチ部の出力をバッファリング
して出力する出力手段とを備えてなることを特徴とす
る。
【0025】この発明は、貯蔵される画像の明るさに対
して微細調整を可能にするために、使用者が入力するデ
ジタル制御コードに応じて決められる、貯蔵可能なデジ
タルデータ値の範囲が線型性を有するCMOS型イメー
ジセンサに関するものである。このため、CMOS型イ
メージセンサのデジタル/アナログ変換器では、入力さ
れるデジタル制御コードによって出力される電圧が加重
分布特性を持ちながら出力されるようにする。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、この
発明の好ましい実施例を説明する。
【0027】図1は、デジタル/アナログ変換器がCM
OS型イメージセンサに適用されることを示すブロック
回路図である。図1に示すように、CMOS型イメージ
センサは、各単位ピクセルで外部光の強さに応じて生成
されるアナログデータ信号及び参照基準用のランプ信号
を入力される比較器600と、比較器600にランプ信
号を出力するランプ信号制御部500と、ランプ信号の
変化単位電圧を決定するデジタル/アナログ変換器40
0と、比較器600の出力によってアナログデータ信号
の値をデジタルデータ信号として貯蔵するラッチ700
と、ランプ信号によって計数を始めて、計数された値を
ラッチへ出力するカウンタ800とで構成される。
【0028】上述したように、CMOS型イメージセン
サでは、デジタルデータ値の範囲(例えば、0〜25
5)を決めるため、デジタル/アナログ変換器を備え、
デジタル/アナログ変換器から出力される出力電圧に応
じてランプ信号が基準クロックのステップごとに減少さ
れる単位電圧が決定されることになる。
【0029】図2は、この発明の好ましい実施例によ
る、CMOS型イメージセンサ用デジタル/アナログ変
換器を、説明の簡単のため、3ビットで具現した場合の
回路図である。図2を参照しながら説明すると、デジタ
ル/アナログ変換器は、分圧器部100、スイッチ部2
00、そして出力部300で構成される。分圧器100
は、直列接続された複数個の抵抗で構成され、基準電圧
Vrefを所定の分割比で分圧して各電圧をスイッチ部2
00へ出力する。図示された分圧器100は、3ビット
のデジタル/アナログ変換器における場合の例であっ
て、8個の抵抗を基準電圧Vrefと接地電位との間に直
列接続した場合である。8個の抵抗の相対値は、Vref
側から順に12R、12R、6R、6R、2R、2R、
2R、6Rである。ここで、Rは、単位抵抗値(Unit R
esistance)を表す。例えば、単位抵抗値がR=100
オームであれば、2Rは200オームになる。
【0030】スイッチ部200は、デコードされたデジ
タル制御コードにより、ただ一つの経路のみが選択され
でノードN7につながるように、複数個のスイッチ(N
MOSトランジスタ)が分圧器100と出力部300と
の間を連結する。
【0031】出力部300は、出力端が負入力端(−)
にフィードバックされてバッファをなす演算増幅器で構
成されている。演算増幅器の出力側を負入力側(−)に
フィードバックすると、正入力側(+)の電圧がそのま
ま出力側に現れるバッファとして動作する。
【0032】以下、図2を参照しながら、デジタル/ア
ナログ変換器の動作について説明する。基準電圧Vref
が「1V(ボルト)」であり、「110」の二進デジタル
制御コードがスイッチ部200に入力されると、スイッ
チ部200で入力信号b1、b2、/b3を入力されるスイッ
チがターンオンされて、出力部300に1/2V(ボル
ト)の電圧が出力される(分圧比=(6R+6R+2R
+2R+2R+6R)/(12R+12R+6R+6R
+2R+2R+2R+6R)=24R/48R=1/
2)。また、デジタル制御コードを「001」から「1
00」へと順に増加させれば、デジタル/アナログ変換
器の出力電圧もそれぞれ1/8V、1/6V、5/24
V、1/4Vと順に増加することになる。すなわち、デ
ジタル/アナログ変換器の分圧器100を構成する抵抗
列の各抵抗値を、均一分布ではなく、加重分布特性を持
たせて所望の値に設定することによって、入力されるデ
ジタル制御コードに対して出力アナログ電圧が一律に増
加するのではなく、所望の変化特性で増加して出力され
る。なお、実際には、デジタル制御コードは、例えば、
5ビットで構成し、分圧器の抵抗の数もそれに応じて、
例えば、32個設ける。図2の場合のデジタル制御コー
ドに対するアナログ出力電圧およびデジタルデータ値の
範囲の関係を[表2」に示す。この場合、Vref =1/
4V(ボルト)と対応させれば、前記の[表1]と同様の
数値関係で理解できる。
【0033】
【表2】
【0034】図3は、図2のデジタル/アナログ変換器
に入力されるデジタル制御コードに対して、CMOS型
イメージセンサが出力可能なデジタルデータ値の範囲に
関するグラフである。図3から分かるように、デジタル
制御コードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲
が線型的に近い変化特性を呈し、これによって所望のデ
ジタル制御コードを調節して画像の明るさをより細かく
調節することができる。また、暗い所をよく見るため
に、デジタル制御コードを調節して画像の明るさの微細
な調整が可能である。
【0035】結局、デジタル制御部のデジタル/アナロ
グ変換器の抵抗列の各抵抗値の設定を調整して、デジタ
ル制御コードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範
囲が線型性を有するようにしようとするのであるが、抵
抗列(例えば、32個の抵抗器)の各抵抗値の選定によ
って、直線性の程度(ある程度の曲線性は許容するとし
て)を所望の特性に調整することができる。したがっ
て、上述した32個の抵抗器からなる抵抗列をいくつか
の群に区分して、それぞれの群の中で各抵抗器の値に加
重特性(非均一分布)を持たせて近似的に線形性を持た
せることができ、さらに精密な線型性が要求されれば、
全ての抵抗値の加重特性(相対値変化)を調整(例え
ば、等比級数的に選定するなど)して所望の線形性を得
ることができる。
【0036】
【発明の効果】上述したデジタル/アナログ変換器は、
外部光に応じて画像を貯蔵するイメージセンサ装置にお
いて、ランプ信号を利用してデジタル信号値として貯蔵
される画像の明るさを所望の特性に調整することに使用
することができる。この発明によるCMOS型イメージ
センサは、画像の明るさをさらに細かく調節することが
でき、特に、暗い所の画像に対する明るさの調整をさら
に精密にすることができる。
【0037】
【付言】この発明は、上述の実施例に限られるものでは
ない。この発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、多様に
変更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 デジタル/アナログ変換器がCMOS イメ
ージセンサに適用されることを示すブロック回路図であ
る。
【図2】 CMOS型イメージセンサに用いられるこの
発明の好ましい実施例によるデジタル/アナログ変換器
を3ビット構成で具現した回路図である。
【図3】 この発明により具現されたデジタル/アナロ
グ変換器において、入力されるデジタル制御コードに対
して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲の関係を示すグ
ラフである。
【図4】 CMOS型イメージセンサで用いられる従来
のデジタル/アナログ変換器を3ビット構成で具現した
回路図である。
【図5】 CMOS型イメージセンサで用いられる従来
のデジタル/アナログ変換器に入力されるデジタル制御
コードが「1」である場合の、ランプ信号の電圧変化の
様子を示す波形図である。
【図6】 CMOS型イメージセンサで用いられる従来
のデジタル/アナログ変換器に入力されるデジタル制御
コードが「2」である場合の、ランプ信号の電圧変化の
様子を示す波形図である。
【図7】 CMOS型イメージセンサにおいて、従来の
デジタル/アナログ変換器に入力されるデジタル制御コ
ードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲の関係
を示すグラフである。
【符号の説明】
100…分圧器、200…スイッチ部、300…出力
部。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 抵抗列を構成する各抵抗値の選定に加重
    特性を持たせて、電圧分圧により複数個のアナログ電圧
    を出力する分圧器と、 デジタル制御コードに応じて前記抵抗列からのアナログ
    電圧のうちのいずれか一つを選択して出力するスイッチ
    部と、 前記スイッチ部の出力をバッファリングして出力する出
    力手段とを備えてなるデジタル/アナログ変換器。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のデジタル/アナログ変
    換器において、 前記スイッチ部は、前記分圧器により分圧出力されたア
    ナログ電圧を前記出力手段に導く複数の伝達経路を有
    し、前記デジタル制御コードに応じて、前記伝達経路の
    うちのただ一つの経路のみが選択される複数個のスイッ
    チを備えてなることを特徴とするデジタル/アナログ変
    換器。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載のデジタル/アナログ変
    換器において、 前記複数個のスイッチは、トランジスタで具現されてい
    ることを特徴とするデジタル/アナログ変換器。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載のデジタル/アナログ変
    換器において、 前記出力手段は、出力端が負入力端に帰還接続されてい
    る演算増幅器を備えてなることを特徴とするデジタル/
    アナログ変換器。
  5. 【請求項5】 クロック信号によって一定の単位ステッ
    プ電圧ずつ減少するランプ信号を出力するランプ信号制
    御部と、 前記単位ステップ電圧の大きさを決定するための基準電
    圧を出力するデジタル/アナログ変換器を備えてなり、 前記デジタル/アナログ変換器は、 a)抵抗列を構成する各抵抗値の選定に加重特性を持た
    せて、電圧分圧により複数個のアナログ電圧を出力する
    分圧器と、 b)デジタル制御コードに応じて前記抵抗列からのアナ
    ログ電圧のうちのいずれか一つを選択して出力するスイ
    ッチ部と、 c)前記スイッチ部の出力をバッファリングして出力す
    る出力手段とを備えてなることを特徴とするCMOS型
    イメージセンサ。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載のCMOS型イメージセ
    ンサにおいて、 前記スイッチ部は、前記分圧器により分圧出力されたア
    ナログ電圧を前記出力手段に導く複数の伝達経路を有
    し、前記デジタル制御コードに応じて、前記伝達経路の
    うちのただ一つの経路のみが選択される複数個のスイッ
    チを備えてなることを特徴とするCMOS型イメージセ
    ンサ。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載のCMOS型イメージセ
    ンサにおいて、 前記複数個のスイッチは、トランジスタで具現されてい
    ることを特徴とするCMOS型イメージセンサ。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載のCMOS型イメージセ
    ンサにおいて、 前記出力手段は、出力端が負入力端に帰還接続されてい
    る演算増幅器を備えてなることを特徴とするCMOS型
    イメージセンサ。
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