JP2005323331A - Ad変換方法およびad変換装置並びに物理量分布検知の半導体装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電圧比較部252とカウンタ部254とを有するカラムAD回路25を垂直信号線19ごとに設ける。電圧比較部252は、行制御線15ごとに垂直信号線19を経由し入力される画素信号と参照電圧RAMPとを比較し、リセット成分や信号成分の各大きさに対応した時間軸方向に大きさを持つパルス信号を生成する。カウンタ部254は、電圧比較部252の比較完了までパルス信号の幅をクロックCK0でカウントし、比較完了時点のカウント値を保持する。通信・タイミング制御部20は、1回目は電圧比較部252でリセット成分を比較処理しカウンタ部254がダウンカウントする一方、2回目は電圧比較部252で信号成分を比較処理しカウンタ部254がアップカウントするように制御する。
【選択図】図1
Description
図9は、AD変換装置を画素部と同一の半導体基板に搭載した従来例のCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。図9に示すように、この固体撮像装置1は、複数の単位画素3が行および列に配列された画素部(撮像部)10と、画素部10の外側に設けられた駆動制御部7と、カウンタ部(CNT)24と、垂直列ごとに配されたカラムAD回路25を有するカラム処理部26と、カラム処理部26のカラムAD回路25にAD変換用の参照電圧を供給するDAC(Digital Analog Converter)を有して構成された参照信号生成部27と、減算回路29を有して構成された出力回路28とを備えている。
図1は、本発明に係る半導体装置の第1実施形態であるCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。なお、このCMOS固体撮像装置は、本発明に係る電子機器の一態様でもある。
参照信号生成部27は、DA変換回路(DAC;Digital Analog Converter)27aを有して構成されており、通信・タイミング制御部20からの制御データCN4で示される初期値からカウントクロックCK0に同期して、階段状の鋸歯状波(ランプ波形)を生成して、カラム処理部26の個々のカラムAD回路25に、この生成した鋸歯状波をAD変換用の参照電圧(ADC基準信号)として供給するようになっている。なお、図示を割愛しているが、ノイズ防止用のフィルタを設けるとよい。
図2は、図1に示した第1実施形態の固体撮像装置1のカラムAD回路25における動作を説明するためのタイミングチャートである。
図3は、本発明の第2実施形態に係るCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。この第2実施形態の固体撮像装置1は、第1実施形態の固体撮像装置1に対して、カラムAD回路25の構成を変形している。
図4は、図3に示した第2実施形態の固体撮像装置1のカラムAD回路25における動作を説明するためのタイミングチャートである。カラムAD回路25におけるAD変換処理は、第1実施形態と同様である。ここではその詳細な説明を割愛する。
図5は、本発明の第3実施形態に係るCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)に使用される電圧比較部252の概略回路図である。この第3実施形態の固体撮像装置1は、第1実施形態の固体撮像装置1に対して、電圧比較部252の構成を工夫することで、リセット成分ΔVのばらつきに左右されずに比較期間を設定できるようにする点に特徴を有する。以下具体的に説明する。
図6は、第3実施形態の固体撮像装置1のカラムAD回路25における動作を説明するためのタイミングチャートである。ここでは、第1実施形態に対する変形例で示している。
図7は、第4実施形態の固体撮像装置1のカラムAD回路25における動作を説明するためのタイミングチャートである。この第4実施形態は、第2実施形態に対して、第3実施形態と同様に、電圧比較部252の構成を工夫することで、リセット成分ΔVのばらつきに左右されずに比較期間を設定できるようにする点に特徴を有する。カラムAD回路25におけるAD変換処理は、動作点リセット部330の動作を除いて、基本的には第2実施形態と同様である。
Claims (37)
- 基準成分と信号成分とを含んで表されるアナログの処理対象信号の前記基準成分と前記信号成分との差信号成分をデジタルデータに変換するAD変換方法であって、
1回目の処理として、前記基準成分と前記信号成分のうちの何れか一方に応じた信号と、前記デジタルデータに変換するための参照信号とを比較するとともに、この比較処理と並行してダウンカウントモードおよびアップカウントモードのうちの何れか一方のモードでカウント処理を行ない、前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持し、
この後、2回目の処理として、前記基準成分と前記信号成分のうちの他方と前記参照信号とを比較するとともに、この比較処理と並行して前記ダウンカウントモードおよび前記アップカウントモードのうちの他方のモードでカウント処理を行ない、前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持する
ことを特徴とするAD変換方法。 - 前記ダウンカウントモードと前記アップカウントモードとにおける各カウント処理を、アップダウンカウンタを共通に用いつつ、その処理モードを切り替えて行なう
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記2回目の処理における前記カウント処理を、前記1回目の処理において保持しておいたカウント値から開始する
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、先ず、前記比較処理を行なう比較部を所定の動作基準値にリセットし、この後に、前記比較部に前記参照信号を供給して前記比較処理と前記カウント処理を開始する
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記信号成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、前記比較部に対する前記リセットの処理を行なわずに、前記比較部に前記参照信号を供給して前記比較処理と前記カウント処理を開始する
ことを特徴とする請求項4に記載のAD変換方法。 - 前記1回目の処理は、前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行ない、
前記2回目の処理は、前記信号成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記基準成分についての処理は、前記ダウンカウントモードにて行ない、
前記信号成分についての処理は、前記アップカウントモードにて行なう
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記基準成分についての前記比較処理の最長期間は、前記信号成分についての前記比較処理の最長期間よりも短くする
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記1回目の処理と前記2回目の処理のそれぞれについての前記参照信号の変化特性を同じにする
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前回の処理対象信号について、前記2回目の処理にて保持した前記カウント値をさらに別のデータ記憶部に保持しておき、
今回の処理対象信号について、前記1回目の処理と前記2回目の処理とを行なう際に、前記データ記憶部からの前記カウント値の読出処理を並行して行なう
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記処理対象信号は、入射された電磁波に対応する電荷を生成する電荷生成部および前記電荷生成部により生成された電荷に応じた単位信号を生成する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が行列状に配された、物理量分布検知のための半導体装置における、前記単位信号生成部により生成され列方向に出力されたアナログの単位信号である
ことを特徴とする請求項1に記載のAD変換方法。 - 前記単位信号生成部により生成され列方向に出力される前記アナログの単位信号を行単位で取り込み、
この行単位で、前記単位構成要素のそれぞれについて、前記1回目の処理と前記2回目の処理とを行なう
ことを特徴とする請求項11に記載のAD変換方法。 - 前記基準成分は、前記単位信号の雑音を含むリセット成分である
ことを特徴とする請求項11に記載のAD変換方法。 - 基準成分と信号成分とを含んで表されるアナログの処理対象信号の前記基準成分と前記信号成分との差信号成分をデジタルデータに変換するAD変換装置であって、
前記基準成分および前記信号成分のそれぞれに応じた信号と前記デジタルデータに変換するための参照信号とを比較する比較部と、
前記比較部における比較処理と並行して、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの何れか一方のモードでカウント処理を行ない、前記比較部における前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部と
を備えたことを特徴とするAD変換装置。 - 前記デジタルデータに変換するための参照信号を生成し前記比較部に供給する参照信号生成部
をさらに備えたことを特徴とする請求項14に記載のAD変換装置。 - 前記カウンタ部は、共通のカウンタ回路で構成され、かつ前記アップカウントモードと前記ダウンカウントモードとを切替可能に構成されている
ことを特徴とする請求項14に記載のAD変換装置。 - 前記比較部が前記基準成分と前記信号成分の何れについて前記比較処理を行なっているのかに応じて前記カウンタ部における前記カウント処理のモードを切り替える制御部
をさらに備えたことを特徴とする請求項14に記載のAD変換装置。 - 前記制御部は、2回目の処理における前記カウント処理を、1回目の処理において保持しておいたカウント値から開始させる
ことを特徴とする請求項17に記載のAD変換装置。 - 前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、先ず、前記比較部を前記基準成分を読み出す動作基準値にリセットし、この後に、前記比較部に前記参照信号を供給して前記比較処理と前記カウント処理を開始する
ことを特徴とする請求項14に記載のAD変換装置。 - 前記信号成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、前記比較部に対する前記リセットの処理を行なわずに、前記比較部に前記参照信号を供給して前記比較処理と前記カウント処理を開始する
ことを特徴とする請求項19に記載のAD変換装置。 - 前記比較部は、前記処理対象信号が入力される入力端子および出力端子を有する第1のトランジスタと、前記参照信号が入力される入力端子および出力端子を有する第2のトランジスタとが差動対を構成するように接続された差動トランジスタ対部と、前記トランジスタの前記入力端子と前記出力端子とを接続可能に構成された前記リセットを行なう動作点リセット部とを備え、
前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、前記トランジスタの前記入力端子と前記出力端子とを一時的に接続するよう前記動作点リセット部を制御することで前記リセットを行なう
ことを特徴とする請求項19に記載のAD変換装置。 - 前記制御部は、1回目の処理は前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行ない、2回目の処理は前記信号成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なうように制御する
ことを特徴とする請求項17に記載のAD変換装置。 - 前記制御部は、前記比較部が前記基準成分について前記比較処理を行なう際には前記カウンタ部が前記ダウンカウントモードにて前記カウント処理を行ない、前記比較部が前記信号成分について前記比較処理を行なう際には前記カウンタ部が前記アップカウントモードにて前記カウント処理を行なうように、前記カウンタ部における前記カウント処理のモードを切り替える
ことを特徴とする請求項17に記載のAD変換装置。 - 前記参照信号生成部は、前記1回目の処理と前記2回目の処理のそれぞれについての前記参照信号の変化特性を同じにする
ことを特徴とする請求項15に記載のAD変換装置。 - 前回の処理対象信号について、前記カウンタ部にて保持した前記カウント値を保持するデータ記憶部と、
今回の処理対象信号について、前記比較部と前記カウンタ部とが、それぞれが担当する処理を行なうのと並行して、前記データ記憶部から前記カウント値を読み出す読出走査部と
をさらに備えたことを特徴とする請求項14に記載のAD変換装置。 - 入射された電磁波に対応する電荷を生成する電荷生成部および前記電荷生成部により生成された電荷に応じた、基準成分と信号成分とを含んで表されるアナログの単位信号を生成する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が行列状に配された物理量分布検知のための半導体装置であって、
前記信号成分のデジタルデータを生成するための参照信号と前記基準成分および前記信号成分のそれぞれとに対応する信号とを比較する比較部と、
前記比較部における比較処理と並行して、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの何れか一方のモードでカウント処理を行ない、前記比較部における前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部と
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 前記デジタルデータに変換するための参照信号を生成し前記比較部に供給する参照信号生成部
をさらに備えたことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記比較部と前記カウンタ部とを有して構成されるAD変換部を、前記単位構成要素の列の並び方向である行方向に複数備えている
ことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記比較部は、前記単位信号生成部により生成され列方向に出力される前記アナログの単位信号を行単位で取り込み、
前記比較部および前記カウンタ部は、前記行単位で、前記単位構成要素のそれぞれについて、それぞれが担当する処理を行なう
ことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記比較部が前記基準成分と前記信号成分の何れについて前記比較処理を行なっているのかに応じて前記カウンタ部における前記カウント処理のモードを切り替える制御部
をさらに備えたことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、先ず、前記比較部を前記基準成分を読み出す動作基準値にリセットし、この後に、前記比較部に前記参照信号を供給して前記比較処理と前記カウント処理を開始する
ことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記信号成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、前記比較部に対する前記リセットの処理を行なわずに、前記比較部に前記参照信号を供給して前記比較処理と前記カウント処理を開始する
ことを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。 - 前記比較部は、前記処理対象信号が入力される入力端子および出力端子を有する第1のトランジスタと、前記参照信号が入力される入力端子および出力端子を有する第2のトランジスタとが差動対を構成するように接続された差動トランジスタ対部と、前記トランジスタの前記入力端子と前記出力端子とを接続可能に構成された前記リセットを行なう動作点リセット部とを備え、
前記基準成分について前記比較処理と前記カウント処理を行なう際には、前記トランジスタの前記入力端子と前記出力端子とを一時的に接続するよう前記動作点リセット部を制御することで前記リセットを行なう
ことを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。 - 前記比較部は、前記基準成分として、前記単位信号の雑音を含むリセット成分を取り込む
ことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記電荷生成部は、前記電磁波としての光を受光して、この受光した光に対応する電荷を生成する光電変換素子を有している
ことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 前記単位信号生成部は、増幅用の半導体素子を有する
ことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。 - 基準成分と信号成分とを含んで表されるアナログの処理対象信号の前記基準成分と前記信号成分との差信号成分をデジタルデータに変換するための参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記基準成分と前記信号成分のそれぞれに応じた信号と、前記参照信号生成部が生成した参照信号とを比較する比較部と、
前記比較部における比較処理と並行して、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの何れか一方のモードでカウント処理を行ない、前記比較部における前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部と、
前記比較部が前記基準成分と前記信号成分の何れについて前記比較処理を行なっているのかに応じて前記カウンタ部における前記カウント処理のモードを切り替える制御部と
を備えたことを特徴とする電子機器。
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