JP2007208815A - High-precision cyclic a/d converter and image sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、巡回型A/D変換器における変換誤差を減少させる技術に関する。 The present invention relates to a technique for reducing a conversion error in a cyclic A / D converter.
スイッチトキャパシタを用いたパイプラインA/D変換器において、容量のミスマッチをキャンセルする方法については、非特許文献1に開示されている。また、スイッチトキャパシタを用いてアンプをシェアするパイプラインA/D変換器において、アンプのオフセット電圧と1/fノイズを約1/3にする方法が、非特許文献2に開示されている。
巡回型A/D変換器において、アンプを共有し、またイメージセンサのカラムでノイズキャンセル機能を持たせる方法については、本発明者が既に特許出願をしている(特許文献1参照)。
In the cyclic A / D converter, the inventor has already filed a patent application regarding a method of sharing an amplifier and providing a noise canceling function in the column of the image sensor (see Patent Document 1).
巡回型A/D変換器は、一般的に利得が2である増幅器と、サンプリングホールド回路と、比較器と、比較結果を入力信号から差し引く減算回路とにより構成されている。
本発明は、反転増幅器とキャパシタとにより、サンプリングホールド回路を省略しつつ、巡回型A/D変換器を構成したものである。
The cyclic A / D converter generally includes an amplifier having a gain of 2, a sampling hold circuit, a comparator, and a subtraction circuit that subtracts a comparison result from an input signal.
In the present invention, a cyclic A / D converter is constituted by an inverting amplifier and a capacitor while omitting a sampling and holding circuit.
図1に、容量のミスマッチ誤差をキャンセルする巡回型A/D変換器を示す。その動作原理を説明する図を図2に示す。また、動作タイミングを図3に示す。各スイッチは図示されない制御回路からの制御信号φ0〜φ5,φcにより制御される。一部のスイッチはデコーダ(4)の出力信号φDにより制御される。
第1のキャパシタ(以下「C1」という),第2のキャパシタ(以下「C2」という)及び補正用の第3のキャパシタ(以下「C3」という)は、すべて同じ容量C1=C2=C3である。
最初のサンプリングは、図2(a)のように、C1, C2を並列に接続して、入力信号をサンプリングする。C3は、このとき、差動入力−差動出力を有するアンプ(1)の反転入出力間に接続され、入出力間はスイッチで短絡されているのでC3の両端の電圧は0になっている。このとき、2つの比較器(2,3)は、入力信号差をサンプリングして判定し、最上位桁を決定する。1サイクルあたり1.5bのA/D変換を行うため、2つの比較器を有しており、図4の特性図に従って、参照電圧をVRとして、±VR/4をしきい値として判定する。
第1の比較器(2)は、Vin>VR/4の範囲で出力(D0)が"1"となり、Vin≦VR/4の範囲で出力(D0)が"0"となる。第2の比較器(3)は、Vin≧-VR/4の範囲で出力(D1)が"1"となり、Vin<-VR/4の範囲で出力(D1)が"0"となる。
図1のディジタル出力D0, D1と図4のD、及び比較器への入力信号Vin(=Vinp - Vinn)との関係は、次式のようになる。
FIG. 1 shows a cyclic A / D converter for canceling a capacity mismatch error. A diagram for explaining the operation principle is shown in FIG. The operation timing is shown in FIG. Each switch is controlled by control signals φ0 to φ5 and φc from a control circuit (not shown). Some switches are controlled by the output signal φD of the decoder (4).
The first capacitor (hereinafter referred to as “C1”), the second capacitor (hereinafter referred to as “C2”), and the third capacitor for correction (hereinafter referred to as “C3”) all have the same capacitance C1 = C2 = C3. .
In the first sampling, as shown in FIG. 2A, C1 and C2 are connected in parallel to sample the input signal. At this time, C3 is connected between the inverting input and output of the amplifier (1) having a differential input and a differential output, and the input and output are short-circuited by a switch, so the voltage at both ends of C3 is 0. . At this time, the two comparators (2, 3) determine by sampling the input signal difference and determine the most significant digit. In order to perform A / D conversion of 1.5b per cycle, two comparators are provided, and the reference voltage is determined as VR and ± VR / 4 is determined as a threshold according to the characteristic diagram of FIG.
In the first comparator (2), the output (D0) becomes “1” in the range of Vin> VR / 4, and the output (D0) becomes “0” in the range of Vin ≦ VR / 4. In the second comparator (3), the output (D1) becomes “1” in the range of Vin ≧ −VR / 4, and the output (D1) becomes “0” in the range of Vin <−VR / 4.
The relationship between the digital outputs D0 and D1 in FIG. 1, D in FIG. 4, and the input signal Vin (= Vinp−Vin) to the comparator is as follows.
すなわち、入力を(1) -VRから-VR/4, (2) -VR/4からVR/4, (3) VR/4からVRの3領域に分割し、これらの領域に対して3値のA/D変換を行って-1, 0, 1のディジタルコードを割り当てる。最初のコードは最上位桁になる。
デコーダ(4)の出力はφc2が"1"のときに、φD0,φDN,φDPのいずれかが"1"になり、Vin>VR/4の場合はφDPが"1",-VR/4≦Vin≦VR/4の場合はφD0が"1",Vin<-VR/4の場合はφDNが"1"となるように動作する。
次に、図2(b)に移り、比較器の出力をデコーダ(4)によりデコードした出力をもちいてD/A変換器(5:以下「DAC」という)を制御し、2倍増幅して、DACの出力を引く基本演算を行う。このとき、各C3の一端はアンプ(1)の各出力に接続される。また、各C3の他端が相互に接続される。これは電位的に接地電位に接続されることと等価である。したがって、シングルエンドの反転増幅器を用いる際には、C3の他端を適切な接地電位に接続することとなる。これらの接続を、ここでは仮想的な接地電位に接続するという。増幅器としてシングルエンドの差動入力オペアンプ(6)を使用した回路例を図5に示す。
キャパシタの容量に誤差がなければ、その演算は、次式で表される。
That is, the input is divided into (1) -VR to -VR / 4, (2) -VR / 4 to VR / 4, and (3) VR / 4 to VR. A / D conversion of -1, 0, 1 is assigned. The first code is the most significant digit.
The output of the decoder (4) is that when φc2 is “1”, any of φD0, φDN, and φDP is “1”, and when Vin> VR / 4, φDP is “1”, −VR / 4 ≦ When Vin ≦ VR / 4, the operation is performed so that φD0 is “1”, and when Vin <−VR / 4, φDN is “1”.
Next, moving to FIG. 2 (b), a D / A converter (5: hereinafter referred to as "DAC") is controlled by using the output obtained by decoding the output of the comparator by the decoder (4), and amplified twice. , Basic operation to subtract DAC output. At this time, one end of each C3 is connected to each output of the amplifier (1). Moreover, the other end of each C3 is mutually connected. This is equivalent to being connected to the ground potential in terms of potential. Therefore, when using a single-ended inverting amplifier, the other end of C3 is connected to an appropriate ground potential. These connections are referred to herein as virtual ground potentials. A circuit example using a single-ended differential input operational amplifier (6) as an amplifier is shown in FIG.
If there is no error in the capacitance of the capacitor, the calculation is expressed by the following equation.
ここでVout=Voutp - Voutnである。
しかしながら、回路に用いる容量C1, C2に誤差があると次のような関係式になる。
これにより生じる誤差を低減するために、C3にこのときの出力電圧を記憶させる。
その後、図2(c)に移り、容量のC1とC2を入れ替えて、動作させる。このときの出力は、次式で与えられる。
Here, Vout = Voutp−Voutn.
However, if there is an error in the capacitors C1 and C2 used in the circuit, the following relational expression is obtained.
In order to reduce the error caused by this, the output voltage at this time is stored in C3.
Thereafter, the process moves to FIG. 2 (c), and the capacitors C1 and C2 are switched to operate. The output at this time is given by the following equation.
次に、図2(d)に移り、C3をアンプの入出力間に接続するとともに、C1に、そのときの出力電圧を記憶する。C3には、式(3)の電圧が記憶されていることから、C3と式(4)の電圧が記憶されたC2を並列に接続したときに、出力電圧は、次式のようになる。
ΔC3=C3−C1,ΔC2=C2−C1と置くと、
Next, moving to FIG. 2 (d), C3 is connected between the input and output of the amplifier, and the output voltage at that time is stored in C1. Since the voltage of equation (3) is stored in C3, when C3 and C2 in which the voltage of equation (4) is stored are connected in parallel, the output voltage is as follows.
If ΔC3 = C3-C1, ΔC2 = C2-C1,
と表される。これは、式(3)の
と比べると誤差が遙かに小さくなっている。例えば、ΔC2/C1=0.01,ΔC3/C1=0.01であったとして、式(6)の誤差の項 (ΔC3ΔC2)/C1(2C1+ΔC3+ΔC2) は、ほぼ0.00005 (0.005%)である。このように、容量のバラツキが1%程度あったとしても、その誤差を殆ど無視できる値にすることができる。
It is expressed. This is the equation (3)
The error is much smaller than that. For example, assuming that ΔC2 / C1 = 0.01 and ΔC3 / C1 = 0.01, the error term (ΔC3ΔC2) / C1 (2C1 + ΔC3 + ΔC2) in Equation (6) is approximately 0.00005 (0.005%). Thus, even if there is a variation in capacity of about 1%, the error can be made a value that can be almost ignored.
このように誤差補正がなされた電圧がC1に記憶されるが、C2に記憶される電圧も誤差が補正されている。図2(d)の動作の後、図2(b)に移って、次の桁のA/D変換を実行するが、誤差が補正された電圧に対して演算が継続され、容量のバラツキの影響を受けないでA/D変換を行うことができる。
なお、ここでは、1.5bの演算を行う場合の構成について説明したが、これは、比較器を1個だけ用いた1bの演算を行う場合についても実現可能であることは容易に類推できる。
さらに、ここでは、差動回路を用いたが、シングルエンド型の回路でも、同様な動作による、容量のバラツキをキャンセルする回路が構成できることも容易に類推でき、これらを、本発明から除外するものではない。
ここまで説明した高精度の巡回型A/D変換器は、その部品点数が少ないため、CMOS撮像素子やCCD撮像素子のチップ上に組み込むこともできる。すなわち、各光検出素子から引き出された信号線のカラムにアレイ状に組み込んでも多くの面積を消費することがない。
The voltage subjected to error correction in this way is stored in C1, but the voltage stored in C2 is also corrected for error. After the operation of FIG. 2 (d), the process proceeds to FIG. 2 (b), and the A / D conversion of the next digit is executed, but the calculation is continued for the voltage whose error is corrected, and the variation in capacity is A / D conversion can be performed without being affected.
Here, the configuration in the case of performing the calculation of 1.5b has been described, but it can be easily analogized that this can also be realized in the case of performing the calculation of 1b using only one comparator.
Furthermore, although a differential circuit is used here, it can be easily analogized that a circuit that cancels variation in capacitance due to the same operation can be configured even with a single-ended circuit, and these are excluded from the present invention. is not.
Since the high-accuracy cyclic A / D converter described so far has a small number of parts, it can be incorporated on a chip of a CMOS image sensor or a CCD image sensor. That is, a large area is not consumed even if it is incorporated in an array in the signal line column led out from each photodetecting element.
以上に説明した構成により、キャパシタの容量誤差を補正して、高精度の巡回型A/D変換器が実用化できる。この構成は部品点数が少なく、CMOS撮像素子やCCD撮像素子のチップ上に組み込むこともでき、有用なものである。 With the configuration described above, a high-accuracy cyclic A / D converter can be put into practical use by correcting the capacitance error of the capacitor. This configuration is useful because it has a small number of components and can be incorporated on a chip of a CMOS image sensor or a CCD image sensor.
1 アンプ
2,3 比較器
4 デコーダ
5 D/A変換器(DAC)
6 差動入力オペアンプ
1
6 Differential input operational amplifier
Claims (4)
第2のフェーズで、前記制御手段は、第1のキャパシタの一端を前記反転増幅器の出力に接続し、第2のキャパシタの一端を前記D/A変換器の出力に接続し、第3のキャパシタの他端を仮想的な接地電位に接続し、
第3のフェーズで、前記制御手段は、第1のキャパシタの一端を前記D/A変換器の出力に接続し、第2のキャパシタの一端を前記反転増幅器の出力に接続し、第3のキャパシタの他端を切り離し、
第4のフェーズで、前記制御手段は、第1のキャパシタの一端を前記反転増幅器の出力に接続し、第1のキャパシタの他端を仮想的な接地電位に接続し、第3のキャパシタの他端を前記反転増幅器の入力に接続し、前記比較器は次の判定を行い、
その後、第2フェーズから第4フェーズまでを順次繰り返すことにより巡回的にA/D変換を行うことを特徴とする請求項1記載の高精度巡回型A/D変換器。 In the first phase, the control means connects one end of the first capacitor and the second capacitor to the input signal, and connects the other end of the first capacitor and the second capacitor to the input of the inverting amplifier. , One end of a third capacitor is connected to the output of the inverting amplifier, the other end of the third capacitor is connected to the input of the inverting amplifier, and the comparator determines the output of the inverting amplifier;
In the second phase, the control means connects one end of the first capacitor to the output of the inverting amplifier, connects one end of the second capacitor to the output of the D / A converter, and outputs a third capacitor. And connect the other end to a virtual ground potential
In the third phase, the control means connects one end of the first capacitor to the output of the D / A converter, connects one end of the second capacitor to the output of the inverting amplifier, Separate the other end of
In the fourth phase, the control means connects one end of the first capacitor to the output of the inverting amplifier, connects the other end of the first capacitor to a virtual ground potential, and other than the third capacitor. Connect the end to the input of the inverting amplifier, the comparator makes the following decision:
2. The high-accuracy cyclic A / D converter according to claim 1, wherein the A / D conversion is cyclically performed by sequentially repeating the second phase to the fourth phase.
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