JP2006157335A - Analog front-end circuit for image sensor - Google Patents

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Masahiro Higuchi
真浩 樋口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To amplify an image sensor output signal at a high amplification factor with low power consumption and high quality, and to enable adaptation to high-speed operation. <P>SOLUTION: A correlative double-sampling amplifying circuit 15 is constituted by cascading two stages of amplifying circuits 1 and 2 having the same constitution and take partial charge of the amplification factor, respectively. The amplifying circuits 1 and 2 are each achieved by an inverter type amplifier comprising a small number of elements and the amplification factor of the amplifying circuit 2 of the second stage is set low to secure offset removing performance. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、CCD、CMOSセンサ等の各種イメージセンサを用いてカメラシステムを構成する際のアナログフロントエンド回路において、イメージセンサ出力信号を高品質に増幅する技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for amplifying an image sensor output signal with high quality in an analog front end circuit when a camera system is configured using various image sensors such as a CCD and a CMOS sensor.

従来、カメラシステムにおいてCCDやCMOSセンサ等のイメージセンサの出力信号の各種画像処理等をデジタル信号処理で行うための前処理として、一般的に相関二重サンプリング回路(以下、CDS回路という。)と、可変増幅器と、ADコンバータとを有するアナログフロントエンド回路が用いられてきた。   Conventionally, as a pre-process for performing various image processing of output signals of an image sensor such as a CCD or CMOS sensor by digital signal processing in a camera system, a correlated double sampling circuit (hereinafter referred to as a CDS circuit) is generally used. An analog front-end circuit having a variable amplifier and an AD converter has been used.

CDS回路の役割は、イメージセンサ出力信号に含まれる低周波の容量性ノイズを除去するために、イメージセンサ出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を画素信号として取り出すものであり、その際に後段の可変増幅器で良好な信号増幅を可能にするための基本増幅も行っている。   The role of the CDS circuit is to remove the low-frequency capacitive noise contained in the image sensor output signal by calculating the difference voltage between the black level during the feedthrough period of the image sensor output signal and the signal level during the charge signal output period. The signal is extracted as a signal, and at that time, basic amplification is also performed to enable good signal amplification with a variable amplifier at the subsequent stage.

CDS回路の出力信号は、ADコンバータの入力ダイナミックレンジに最適となるように可変増幅器で適度に増幅されたうえ、ADコンバータによりデジタル信号へ変換される。可変増幅器の出力は、イメージセンサが光学的に遮断された状態におけるデジタル信号値がシステムの黒レベル値に合致するようにクランプ制御により適当な電圧にクランプされる。   The output signal of the CDS circuit is appropriately amplified by a variable amplifier so as to be optimal for the input dynamic range of the AD converter, and then converted into a digital signal by the AD converter. The output of the variable amplifier is clamped to an appropriate voltage by clamp control so that the digital signal value when the image sensor is optically shut off matches the black level value of the system.

一方、イメージセンサ出力信号は、光学的に遮断された状態では、ある振幅をオフセットとして出力する。このオフセットが大きいと、CDS回路後段の可変増幅器で高い増幅がかけられた場合に、前記クランプ制御の追従性能を劣化させてしまい、処理系の黒レベルのランダムな変動を引き起こし、例えば画面の横筋ノイズ等の原因となる。この問題を回避するための技術は既に提案されている(特許文献1参照)。   On the other hand, the image sensor output signal outputs a certain amplitude as an offset when optically blocked. If this offset is large, when high amplification is applied by the variable amplifier at the rear stage of the CDS circuit, the follow-up performance of the clamp control is deteriorated, causing random fluctuations in the black level of the processing system. Cause noise. A technique for avoiding this problem has already been proposed (see Patent Document 1).

この提案によれば、光学的に遮断された状態のCDS回路の出力信号の振幅を打ち消すように、CDS回路の入力信号に対してオフセット除去をかけることでオフセットが除去された信号に対して可変増幅され、クランプ制御の安定性を保つことができる。   According to this proposal, an offset removal is applied to the input signal of the CDS circuit so as to cancel the amplitude of the output signal of the CDS circuit in an optically interrupted state, thereby making it variable for the signal from which the offset is removed. It is amplified and the stability of clamp control can be maintained.

イメージセンサ出力信号を最適に処理するために必要なCDS回路の増幅率は通常4dB〜6dB程度であるが、この増幅率は、従来のイメージセンサの飽和出力電圧が約500mV〜1V程度であり、後段アナログ処理のダイナミックレンジに最適な増幅となるよう決定されている。   The amplification factor of the CDS circuit necessary for optimally processing the image sensor output signal is usually about 4 dB to 6 dB, and this amplification factor is such that the saturation output voltage of the conventional image sensor is about 500 mV to 1 V, The amplification is determined to be optimal for the dynamic range of the subsequent analog processing.

近年では、イメージセンサの画素数として数百万画素の高画素のものが利用されるようになり、画像の精細化に伴い、高画質化への要求が高まってきている。動作周波数は、例えば200万画素であれば19MHz、300万画素であれば25MHz程度と、画素数が上がるにつれてアナログフロントエンド回路を構成する各増幅器の周波数帯域を高くする必要が生じる。従来のイメージセンサを用いたシステムでは、前述のとおりCDS回路の増幅率があまり高くないので画素数の増加に伴う処理の高速化に対しては、S/N比及び周波数特性を満足するCDS回路の実現は、大きなデメリットを伴うことなく容易である。   In recent years, a high number of pixels of several million pixels has been used as the number of pixels of an image sensor, and the demand for higher image quality has increased with the refinement of images. The operating frequency is, for example, 19 MHz for 2 million pixels and about 25 MHz for 3 million pixels. As the number of pixels increases, it is necessary to increase the frequency band of each amplifier constituting the analog front-end circuit. In a system using a conventional image sensor, the CDS circuit has an amplification factor that is not so high as described above. Therefore, a CDS circuit that satisfies the S / N ratio and the frequency characteristics for high-speed processing accompanying an increase in the number of pixels. The realization of is easy without significant disadvantages.

一方、最近ではカメラ機能が携帯機器に搭載されるようになり、画質向上に加えて低消費電力化も強く要望されるようになり、これらの要望に応えるために、低消費電力に特化した高画素の新しいイメージセンサが開発された。   On the other hand, recently, camera functions have been installed in mobile devices, and in addition to improving image quality, there has been a strong demand for low power consumption. To meet these demands, we have specialized in low power consumption. A new high-pixel image sensor has been developed.

このイメージセンサの主な特徴としては、CCDよりも高い感度、低消費電力である他に、出力信号振幅が100mV以下と従来のイメージセンサよりも小さいという点がある。よって、このイメージセンサを用いたシステムを構成するためには、まずCDS回路の増幅率として18dB程度の高い増幅が必要となる。   The main features of this image sensor are that it has a higher sensitivity and lower power consumption than a CCD, and an output signal amplitude of 100 mV or less, which is smaller than that of a conventional image sensor. Therefore, in order to construct a system using this image sensor, it is first necessary to have a high amplification of about 18 dB as the amplification factor of the CDS circuit.

そこで、高い増幅率で数百万画素のシステム動作周波数に応答できる低消費電力かつ低雑音のCDS回路の実現が関心事となっている。
国際公開第99/23819号パンフレット
Therefore, realization of a low power consumption and low noise CDS circuit capable of responding to a system operating frequency of several million pixels with a high amplification factor has become a concern.
International Publication No. 99/23819 Pamphlet

従来のCDS回路に比べて特に増幅率を高く上げながら、イメージセンサのS/N比の劣化を抑え、かつ高速動作に対応可能な方法として、従来のアナログフロントエンド回路の初段に高性能な増幅回路を追加する方法が考えられる。   As a method that suppresses the degradation of the S / N ratio of the image sensor and supports high-speed operation while raising the amplification factor especially higher than that of the conventional CDS circuit, high-performance amplification at the first stage of the conventional analog front-end circuit A method of adding a circuit is conceivable.

しかし、要求性能の高さから簡単な回路構成では実現が難しく、増幅回路の回路規模や消費電力の増加によるデメリットが大きい。   However, it is difficult to realize with a simple circuit configuration due to the high required performance, and there are great demerits due to the increase in circuit scale and power consumption of the amplifier circuit.

また、単に従来のCDS回路の増幅率を高く上げる方法では、低電力の制約下では動作周波数特性を確保し難く出力セットリングが劣化するので、高速動作時には可変増幅器のサンプリング点のジッタによって、ランダムノイズの要因となる。加えて、従来の画質改善技術である前述のオフセット除去手段を設けても、CDS回路の増幅率が上がるとオフセット除去のフィードバックループゲインが増大し、CDS回路の入力に残存するオフセット除去手段の精度以下の僅かな誤差がCDS回路の増幅率で増幅され、フィードバックの安定性が劣化するため、CDS回路の出力に無視できないオフセットが残留してしまう可能性がある。すると、後段の可変増幅器の設定増幅率が高い場合にはクランプ制御の追従安定性を損なうことにもなりうる。   In addition, in the method of simply increasing the amplification factor of the conventional CDS circuit, it is difficult to ensure the operating frequency characteristics under the constraint of low power, and the output settling deteriorates. Therefore, at high speed operation, randomness is caused by jitter at the sampling point of the variable amplifier. Causes noise. In addition, even if the above-described offset removal means, which is a conventional image quality improvement technique, is provided, the feedback loop gain for offset removal increases as the amplification factor of the CDS circuit increases, and the accuracy of the offset removal means remaining at the input of the CDS circuit. The following slight error is amplified by the amplification factor of the CDS circuit, and the stability of feedback deteriorates. Therefore, there is a possibility that an offset that cannot be ignored remains in the output of the CDS circuit. Then, when the set amplification factor of the subsequent stage variable amplifier is high, the tracking stability of the clamp control may be impaired.

本発明は、消費電力、回路規模の増大を従来の方法よりも少なく抑えながら、これらの課題を解決する高い増幅率のCDS回路を実現するアナログフロントエンド回路を提案するものである。   The present invention proposes an analog front-end circuit that realizes a CDS circuit with a high amplification factor that solves these problems while suppressing an increase in power consumption and circuit scale as compared with a conventional method.

上記課題を解決するために、本発明によるアナログフロントエンド回路では、CDS回路を2段構成とした。すなわち、イメージセンサの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を所定の増幅率で増幅し出力する第1の増幅回路と、当該第1の増幅回路の信号出力における前記イメージセンサの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルに応じた第1の電圧レベルと前記電荷信号出力期間の信号レベルに応じた第2の電圧レベルの差信号を所定の増幅率で増幅し所定の基準電圧を基準に出力する第2の増幅回路とを縦続接続して構成した。   In order to solve the above problems, the analog front end circuit according to the present invention has a two-stage CDS circuit. That is, a first amplifier circuit that amplifies and outputs a difference voltage between the black level of the feedthrough period of the output signal of the image sensor and the signal level of the charge signal output period at a predetermined amplification rate, and the first amplifier circuit In a signal output, a difference signal between a first voltage level corresponding to the black level in the feedthrough period of the output signal of the image sensor and a second voltage level corresponding to the signal level in the charge signal output period is a predetermined amplification factor. A second amplifier circuit that amplifies and outputs a predetermined reference voltage as a reference is connected in cascade.

また、前記第1及び第2の増幅回路の構成は、イメージセンサが光学的に遮断された状態におけるイメージセンサの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応じたオフセット電圧を除去するためのオフセット除去手段をCDS回路に対して組み合わせた構成である。   The first and second amplifier circuits are configured such that the voltage difference between the black level in the feedthrough period of the output signal of the image sensor and the signal level in the charge signal output period when the image sensor is optically cut off. The offset removing means for removing the offset voltage corresponding to the above is combined with the CDS circuit.

更に、この第1及び第2のCDS回路は回路構成が同じものとなっており、特に低雑音とするために、できるだけ素子数の少ない構成である。   Further, the first and second CDS circuits have the same circuit configuration, and are configured to have as few elements as possible in order to reduce noise particularly.

また他の実現方法として、第2の増幅回路の増幅率を第1の増幅回路の増幅率よりも低く設定し、第1の増幅回路のオフセット除去手段を省き、第2の増幅回路にのみオフセット除去手段を含むようにする方法もある。   As another implementation method, the amplification factor of the second amplification circuit is set lower than the amplification factor of the first amplification circuit, the offset removal means of the first amplification circuit is omitted, and only the second amplification circuit is offset. There is also a method of including removal means.

なお、前記の新開発のイメージセンサは、出力信号波形が基準電圧より下向きに出力する種類と上向きに出力する種類とがある。これに対応する方法は一般的な差動増幅器の差動入力の正と負を入れ替えると極性反転が可能であることを利用し、CDS回路の信号出力と前記所定の基準電圧との差信号を可変の増幅率で増幅する可変増幅器を入力極性切替機能付き差動増幅器で構成した。   The newly developed image sensor includes a type in which the output signal waveform is output downward from the reference voltage and a type in which the output signal waveform is output upward. A method corresponding to this utilizes the fact that polarity inversion is possible by switching the positive and negative of the differential input of a general differential amplifier, and the difference signal between the signal output of the CDS circuit and the predetermined reference voltage is obtained. A variable amplifier that amplifies at a variable amplification factor is composed of a differential amplifier with an input polarity switching function.

本発明のアナログフロントエンド回路によれば、従来のイメージセンサの場合に比べて増幅率を高く上げた場合でも、CDS回路の1段目と2段目の増幅回路により1段あたりの増幅率を下げることができ、少ない消費電力のもとで高速動作が可能となる。   According to the analog front end circuit of the present invention, even when the amplification factor is increased as compared with the case of the conventional image sensor, the amplification factor per stage is increased by the first and second amplification circuits of the CDS circuit. And can be operated at high speed with low power consumption.

またCDS回路の増幅率が上がることによるオフセット除去性能の劣化についても従来システム同等の性能を維持することができ、イメージセンサの特性を十分に生かせるシステムを構成できる。   Further, the deterioration of the offset removal performance due to the increase in the amplification factor of the CDS circuit can maintain the same performance as the conventional system, and a system that can fully utilize the characteristics of the image sensor can be configured.

以下、本発明による実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係るアナログフロントエンド回路の概略構成例を示している。図1において、相関二重サンプリング増幅回路15は、1段目増幅回路1及び2段目増幅回路2から構成される。1段目増幅回路1を構成するCDS回路4aは、イメージセンサ11の出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を所定の増幅率で増幅する。まず、1段目オフセット除去回路5aはイメージセンサ11が光学的に遮断された状態における1段目CDS回路4aの出力信号からイメージセンサ11の出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応じたオフセット電圧を検出して1段目CDS回路4aの入力信号からオフセット分を除去する。このとき、2段目増幅回路2を構成するオフセット除去回路5bも同時に2段目CDS回路4bの出力信号から前段CDS回路4aの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルに相当する電圧レベルと電荷信号出力期間の信号レベルに相当する電圧レベルとの差電圧に応じたオフセット電圧を検出して2段目CDS回路4bの入力信号からオフセット分を除去する。   FIG. 1 shows a schematic configuration example of an analog front end circuit according to the present invention. In FIG. 1, the correlated double sampling amplifier circuit 15 includes a first stage amplifier circuit 1 and a second stage amplifier circuit 2. The CDS circuit 4a constituting the first stage amplifier circuit 1 amplifies the difference voltage between the black level in the feedthrough period of the output signal of the image sensor 11 and the signal level in the charge signal output period with a predetermined amplification factor. First, the first-stage offset removal circuit 5a performs the black level and charge signal output period of the feedthrough period of the output signal of the image sensor 11 from the output signal of the first-stage CDS circuit 4a in a state where the image sensor 11 is optically cut off. The offset voltage corresponding to the difference voltage from the signal level of the first is detected, and the offset is removed from the input signal of the first stage CDS circuit 4a. At this time, the offset removal circuit 5b constituting the second stage amplifier circuit 2 also simultaneously receives the voltage level corresponding to the black level of the feedthrough period of the output signal of the previous stage CDS circuit 4a from the output signal of the second stage CDS circuit 4b and the charge signal. An offset voltage corresponding to the voltage difference from the voltage level corresponding to the signal level in the output period is detected, and the offset is removed from the input signal of the second-stage CDS circuit 4b.

相関二重サンプリング増幅回路15の増幅率は両CDS回路4a,4bの各々の増幅率を掛け合わせたものとなるが、1段目CDS回路4aの増幅率を2段目CDS回路4bの増幅率よりできるだけ高くなるように割り当てる。   The amplification factor of the correlated double sampling amplifier circuit 15 is obtained by multiplying the amplification factors of the two CDS circuits 4a and 4b. The amplification factor of the first stage CDS circuit 4a is multiplied by the amplification factor of the second stage CDS circuit 4b. Assign as high as possible.

2段目CDS回路4bには、1段目オフセット除去回路5aによりオフセット除去された信号が入力されるが、1段目CDS回路4aの増幅率が非常に高いのでオフセット除去性能が劣化し若干のオフセットが残留する。しかし、2段目CDS回路4bの増幅率は低いので後段のオフセット除去回路5bが良好に機能し、2段目CDS回路4bの出力オフセットを最小に抑えることができる。   The signal from which the offset is removed by the first-stage offset removal circuit 5a is input to the second-stage CDS circuit 4b. However, since the amplification factor of the first-stage CDS circuit 4a is very high, the offset removal performance is deteriorated and slightly increased. An offset remains. However, since the amplification factor of the second stage CDS circuit 4b is low, the subsequent stage offset removal circuit 5b functions well, and the output offset of the second stage CDS circuit 4b can be minimized.

相関二重サンプリング増幅回路15の出力信号は、可変増幅器(GCA)3によりADコンバータ(ADC)12の入力ダイナミックレンジに最適な振幅へ増幅され、イメージセンサ11の黒レベルに相当するADコンバータ12の出力値が所望のデジタル値に一致するように可変増幅器3の出力がクランプ回路14により所望の電圧にクランプされる。   The output signal of the correlated double sampling amplifier circuit 15 is amplified by the variable amplifier (GCA) 3 to the optimum amplitude for the input dynamic range of the AD converter (ADC) 12, and the AD converter 12 corresponding to the black level of the image sensor 11 is amplified. The output of the variable amplifier 3 is clamped to a desired voltage by the clamp circuit 14 so that the output value matches the desired digital value.

図2は、図1中の1段目及び2段目増幅回路1,2の詳細構成を示している。図1の相関二重サンプリング増幅回路15の実際の適用方法としては、まずイメージセンサ11の出力信号を外付け部品のコンデンサ13で受け、この外付けコンデンサ13によりAC成分を伝達させるのが一般的である。コンデンサ13の出力信号はバイアス回路9で適当なDC電圧にバイアスされ、ソースフォロアバッファ10を経由して1段目増幅回路1に入力される。   FIG. 2 shows a detailed configuration of the first-stage and second-stage amplifier circuits 1 and 2 in FIG. As an actual application method of the correlated double sampling amplifier circuit 15 of FIG. 1, first, the output signal of the image sensor 11 is first received by a capacitor 13 as an external component, and the AC component is transmitted by this external capacitor 13. It is. The output signal of the capacitor 13 is biased to an appropriate DC voltage by the bias circuit 9 and input to the first stage amplifier circuit 1 via the source follower buffer 10.

1段目増幅回路1におけるCDS回路4aは、サンプリング容量Cs1、フィードバック容量Cf1、インバータ型増幅器6a、スイッチS1〜S3、基準電圧源7から構成されるインバータ型スイッチドキャパシタ回路である。インバータ型の極めて素子数の少ない回路とすることで、電力と雑音を低減する効果が得られる。オフセット除去回路5aの出力とインバータ型増幅器6aの入力との間には、オフセット除去容量Coff1が介在している。   The CDS circuit 4 a in the first stage amplifier circuit 1 is an inverter type switched capacitor circuit including a sampling capacitor Cs 1, a feedback capacitor Cf 1, an inverter type amplifier 6 a, switches S 1 to S 3, and a reference voltage source 7. By using an inverter type circuit with a very small number of elements, an effect of reducing power and noise can be obtained. An offset removal capacitor Coff1 is interposed between the output of the offset removal circuit 5a and the input of the inverter type amplifier 6a.

2段目増幅回路2におけるCDS回路4bも同様のインバータ型スイッチドキャパシタ回路であって、Cs2はサンプリング容量、Cf2はフィードバック容量、6bはインバータ型増幅器、S4〜S6はスイッチ、8は基準電圧源である。オフセット除去回路5bの出力とインバータ型増幅器6bの入力との間には、オフセット除去容量Coff2が介在している。   The CDS circuit 4b in the second stage amplifier circuit 2 is also a similar inverter type switched capacitor circuit, where Cs2 is a sampling capacitor, Cf2 is a feedback capacitor, 6b is an inverter type amplifier, S4 to S6 are switches, and 8 is a reference voltage source. It is. An offset removal capacitor Coff2 is interposed between the output of the offset removal circuit 5b and the input of the inverter type amplifier 6b.

図3は、図2の回路の動作を示すタイミングチャート図である。なお、ここではスイッチS1〜S6の制御は、H期間で閉じ、L期間で開くものとする。   FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the circuit of FIG. Here, the control of the switches S1 to S6 is closed in the H period and opened in the L period.

1段目増幅回路1の入力N1のフィードスルー期間内にスイッチS2が開き、スイッチS1,S3が閉じる。したがって、1段目インバータ型増幅器6aの入力と出力とがS3を介して短絡されるため、2段目増幅回路2の入力N2は、1段目インバータ型増幅器6aのスイッチング電圧Vbに均衡する。サンプリング容量Cs1には黒レベルとVbとの差電圧に応じた電荷が保持される。また、フィードバック容量Cf1には基準電圧源7の電圧とVbとの差電圧に応じた電荷が保持される。   The switch S2 is opened and the switches S1 and S3 are closed within the feedthrough period of the input N1 of the first stage amplifier circuit 1. Therefore, since the input and output of the first stage inverter type amplifier 6a are short-circuited via S3, the input N2 of the second stage amplifier circuit 2 is balanced with the switching voltage Vb of the first stage inverter type amplifier 6a. The sampling capacitor Cs1 holds a charge corresponding to the difference voltage between the black level and Vb. The feedback capacitor Cf1 holds a charge corresponding to the voltage difference between the voltage of the reference voltage source 7 and Vb.

次に、S1,S3が開き、S2が閉じると、インバータ型増幅器6aの増幅動作が可能となりN1の電圧変化量に応じてCs1,Cf1の電荷再配分が作用し、N2にはN1の信号が極性反転され、Cs1/Cf1の比率で振幅された信号が基準電圧源7の電圧を基準に、2段目増幅回路2の入力N2として出力される。   Next, when S1 and S3 are opened and S2 is closed, the amplification operation of the inverter-type amplifier 6a becomes possible, and charge redistribution of Cs1 and Cf1 acts according to the voltage change amount of N1, and the signal of N1 is applied to N2. A signal whose polarity is inverted and is amplified at a ratio of Cs1 / Cf1 is output as an input N2 of the second-stage amplifier circuit 2 with reference to the voltage of the reference voltage source 7.

一方、1段目オフセット除去回路5aはイメージセンサ11が光学的に遮断された状態におけるN2の電荷信号出力期間の信号レベルとN4との差電圧をオフセットとして検出し、N1の信号振幅からオフセット除去容量Coff1を介して電荷を抜くことでオフセットを除去するように働く。また、2段目オフセット除去回路5bはイメージセンサ11が光学的に遮断された状態におけるN3の電荷信号出力期間の信号レベルとN5との差電圧をオフセットとして検出し、N2の信号振幅からオフセット除去容量Coff2を介して電荷を抜くことでオフセットを除去するように働く。   On the other hand, the first-stage offset removal circuit 5a detects the difference voltage between the signal level of the charge signal output period of N2 and N4 as an offset when the image sensor 11 is optically cut off, and removes the offset from the signal amplitude of N1. It works to remove the offset by extracting the charge through the capacitor Coff1. The second-stage offset removal circuit 5b detects the difference voltage between the signal level of the charge signal output period of N3 and N5 as an offset when the image sensor 11 is optically cut off, and removes the offset from the signal amplitude of N2. It works to remove the offset by removing the charge through the capacitor Coff2.

2段目増幅回路2は、回路構成が1段目増幅回路1と同じものとするので動作の仕組みは前述と同じである。ただし、1段目増幅回路1と2段目増幅回路2とを同一のスイッチ制御タイミングで動作させるので、フィードスルー期間に2段目増幅回路2のサンプリング容量Cs2の両端が共にインバータスイッチング電圧Vbとなっている点がCs1の状態とは異なる。また、2段目増幅回路2の増幅率(Cs2/Cf2)は、1段目増幅回路1の増幅率(Cs1/Cf1)よりできるだけ小さく設定する。   Since the second-stage amplifier circuit 2 has the same circuit configuration as the first-stage amplifier circuit 1, the operation mechanism is the same as described above. However, since the first stage amplifier circuit 1 and the second stage amplifier circuit 2 are operated at the same switch control timing, both ends of the sampling capacitor Cs2 of the second stage amplifier circuit 2 are connected to the inverter switching voltage Vb during the feedthrough period. Is different from the state of Cs1. The amplification factor (Cs2 / Cf2) of the second-stage amplifier circuit 2 is set as small as possible from the amplification factor (Cs1 / Cf1) of the first-stage amplifier circuit 1.

以上のような2段構成の相関二重サンプリング増幅回路15によって、イメージセンサ11の信号振幅が(Cs1/Cf1)×(Cs2/Cf2)倍されてオフセット除去された信号と、2段目増幅回路2の基準電圧源8の電圧とが、可変増幅器3の入力に与えられる。可変増幅器3では両者の差をADコンバータ12の入力ダイナミックレンジに最適な振幅へ増幅する。   By the correlated double sampling amplifier circuit 15 having the above-described two-stage configuration, the signal amplitude of the image sensor 11 is multiplied by (Cs1 / Cf1) × (Cs2 / Cf2) and the offset is removed, and the second-stage amplifier circuit The voltage of the two reference voltage sources 8 is applied to the input of the variable amplifier 3. The variable amplifier 3 amplifies the difference between the two to an optimum amplitude for the input dynamic range of the AD converter 12.

図4は、図1及び図2中の可変増幅器3の構成例を示している。図4の可変増幅器3は、入力信号の正と負を切り替えるスイッチSp,Snと、差動増幅器AMPとを備えており、イメージセンサ11の出力信号の極性が逆極性で入力される場合には、スイッチSp,Snの切替を行うことで対応可能である。   FIG. 4 shows a configuration example of the variable amplifier 3 in FIGS. 1 and 2. The variable amplifier 3 in FIG. 4 includes switches Sp and Sn for switching between positive and negative of an input signal and a differential amplifier AMP. When the polarity of the output signal of the image sensor 11 is input with a reverse polarity, This can be handled by switching the switches Sp and Sn.

図5は、図1のアナログフロントエンド回路の変形例を示している。イメージセンサ11の特性として黒レベルのオフセットがもともと小さいことが明らかであれば、1段目増幅回路1のオフセット除去回路を省くことができ、更に回路規模、消費電力削減が可能となる。図5によれば、1段目増幅回路1にはオフセット除去回路が含まれないので図1の実施形態とは異なり、2段目CDS回路4bの入力にはオフセットを含んだ信号が入力される。ただし、2段目増幅回路2におけるオフセット除去回路5bの性能を落とさないために、ここでも1段目CDS回路4aの増幅率と2段目CDS回路4bの増幅率との分担割り当てとして、2段目CDS回路4bの増幅率をできるだけ低くなるように設定する。これによりオフセット除去を良好に機能させながら、高い増幅が可能となる。   FIG. 5 shows a modification of the analog front end circuit of FIG. If it is clear that the black level offset is originally small as a characteristic of the image sensor 11, the offset removal circuit of the first stage amplifier circuit 1 can be omitted, and further, the circuit scale and power consumption can be reduced. According to FIG. 5, since the first stage amplifier circuit 1 does not include an offset removal circuit, unlike the embodiment of FIG. 1, a signal including an offset is input to the input of the second stage CDS circuit 4b. . However, in order not to degrade the performance of the offset removal circuit 5b in the second stage amplifier circuit 2, here too, as a shared assignment between the amplification factor of the first stage CDS circuit 4a and the amplification factor of the second stage CDS circuit 4b, two stages are used. The amplification factor of the eye CDS circuit 4b is set to be as low as possible. As a result, high amplification is possible while the offset removal functions well.

図6は、図5中の1段目及び2段目増幅回路1,2の詳細構成を示している。両増幅回路1,2を構成するCDS回路4a,4bは、前述と同じくインバータ型スイッチドキャパシタ回路で構成される。動作説明は前述と等価であるので省略する。   FIG. 6 shows a detailed configuration of the first-stage and second-stage amplifier circuits 1 and 2 in FIG. The CDS circuits 4a and 4b constituting both amplifier circuits 1 and 2 are formed of inverter-type switched capacitor circuits as described above. The explanation of the operation is equivalent to that described above, and will be omitted.

本発明は、CCD、CMOSセンサをはじめ各種イメージセンサの出力をデジタル信号へ変換する過程のアナログ処理に関し、低消費電力で増幅率の高い信号増幅を可能とするものであり、携帯機器に搭載されるカメラシステム等に適用することができる。   The present invention relates to analog processing in the process of converting the output of various image sensors such as CCD and CMOS sensors into digital signals, and enables signal amplification with low power consumption and high amplification factor. It can be applied to a camera system or the like.

本発明に係るアナログフロントエンド回路の概略構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of schematic structure of the analog front end circuit based on this invention. 図1中の1段目及び2段目増幅回路の詳細構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of a first stage and a second stage amplifier circuit in FIG. 1. 図2の回路の動作を示すタイミングチャート図である。FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the circuit of FIG. 2. 入力極性切替機能を持たせた図1及び図2中の可変増幅器の構成を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a variable amplifier in FIGS. 1 and 2 having an input polarity switching function. 図1の変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the modification of FIG. 図5中の1段目及び2段目増幅回路の詳細構成を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of the first-stage and second-stage amplifier circuits in FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

1 1段目増幅回路
2 2段目増幅回路
3 可変増幅器
4a,4b CDS回路
5a,5b オフセット除去回路
6a,6b インバータ型増幅器
7 1段目基準電圧源
8 2段目基準電圧源
9 バイアス回路
10 ソースフォロアバッファ
11 イメージセンサ
12 ADコンバータ
13 外付けコンデンサ
14 クランプ回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st stage amplifier circuit 2 2nd stage amplifier circuit 3 Variable amplifier 4a, 4b CDS circuit 5a, 5b Offset removal circuit 6a, 6b Inverter type amplifier 7 1st stage reference voltage source 8 2nd stage reference voltage source 9 Bias circuit 10 Source follower buffer 11 Image sensor 12 AD converter 13 External capacitor 14 Clamp circuit

Claims (5)

イメージセンサの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を所定の増幅率で増幅し、所定の第1基準電圧を基準に出力する第1の増幅回路と、前記第1の増幅回路の信号出力における前記イメージセンサの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルに応じた第1の電圧レベルと前記電荷信号出力期間の信号レベルに応じた第2の電圧レベルとの差信号を所定の増幅率で増幅し、所定の第2基準電圧を基準に出力する第2の増幅回路とを有する相関二重サンプリング増幅回路と、
前記相関二重サンプリング増幅回路の信号出力と前記所定の第2基準電圧との差信号を可変の増幅率で増幅する可変増幅器と、
前記可変増幅器のアナログ信号出力をデジタル信号へ変換するためのADコンバータと、
前記黒レベルに相当する前記ADコンバータの出力値が所望の値に合致するように前記ADコンバータのリファレンス電圧と相関付けられた電圧にクランプするクランプ回路とを備えたことを特徴とするアナログフロントエンド回路。
A first amplifying circuit for amplifying a difference voltage between a black level of a feedthrough period of an output signal of the image sensor and a signal level of a charge signal output period at a predetermined amplification rate and outputting a predetermined first reference voltage as a reference; A first voltage level corresponding to a black level of a feedthrough period of an output signal of the image sensor in a signal output of the first amplifier circuit, and a second voltage level corresponding to a signal level of the charge signal output period; A correlated double sampling amplifying circuit having a second amplifying circuit that amplifies the difference signal at a predetermined amplification factor and outputs the difference signal based on a predetermined second reference voltage;
A variable amplifier for amplifying a difference signal between the signal output of the correlated double sampling amplifier circuit and the predetermined second reference voltage with a variable amplification factor;
An AD converter for converting the analog signal output of the variable amplifier into a digital signal;
An analog front end comprising: a clamp circuit that clamps to a voltage correlated with a reference voltage of the AD converter so that an output value of the AD converter corresponding to the black level matches a desired value circuit.
前記第1及び第2の増幅回路のうち少なくとも前記第2の増幅回路には、前記イメージセンサが光学的に遮断された状態における前記イメージセンサの出力信号のフィードスルー期間の黒レベルと前記電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応じたオフセット電圧を除去するためのオフセット除去手段を含むことを特徴とする請求項1記載のアナログフロントエンド回路。   At least the second amplifier circuit of the first and second amplifier circuits includes a black level and a charge signal of a feedthrough period of an output signal of the image sensor in a state where the image sensor is optically cut off. 2. The analog front-end circuit according to claim 1, further comprising offset removing means for removing an offset voltage corresponding to a voltage difference from the signal level in the output period. 前記第1の増幅回路と前記第2の増幅回路との回路構成が同じであることを特徴とする請求項1又は2に記載のアナログフロントエンド回路。   3. The analog front end circuit according to claim 1, wherein the first amplifier circuit and the second amplifier circuit have the same circuit configuration. 前記第2の増幅回路の増幅率を、前記第1の増幅回路の増幅率よりも小さく設定したことを特徴とする請求項1又は2に記載のアナログフロントエンド回路。   3. The analog front end circuit according to claim 1, wherein an amplification factor of the second amplifier circuit is set smaller than an amplification factor of the first amplifier circuit. 前記可変増幅器は差動増幅器で構成され、かつ差動入力の正と負を切り替える機能を含んでいることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアナログフロントエンド回路。   5. The analog front end circuit according to claim 1, wherein the variable amplifier includes a differential amplifier and includes a function of switching between positive and negative of a differential input. 6.
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