JP2009296423A - 固体撮像装置、撮像装置、電子機器、ad変換装置、ad変換方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】参照信号SLP_ADC と画素信号電圧VxのP相・D相のそれぞれについて比較し、比較の結果に基づきカウントクロックCKcnt1をカウントする。カウント結果のデータはP相・D相の差分の信号データDsig となりCDS処理も行なわれる。この際、画素信号電圧VxのP相・D相のそれぞれについてnビットのAD変換処理をW回繰り返して行ない、それらを加算してデジタル積分処理を実行する。アナログ領域で加算を行なうことによる弊害は発生しない。信号データはW倍となるがノイズは√W倍となると考えられる。アナログ領域での処理では存在し得ないAD変換に伴う量子化ノイズや回路ノイズなどのランダムノイズの問題が緩和される。
【選択図】図3B
Description
図1は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態であるCMOS型の固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の第1実施形態の概略構成図である。なお、この固体撮像装置は、本発明に係る電子機器の一態様でもある。
参照信号比較型のAD変換に当たっては、変換開始(比較処理の開始)から変換終了(比較処理の終了)までの時間に基づいてカウント動作有効期間(その期間を示す信号をカウントイネーブル信号ENと称する)を決定し、カウントイネーブル信号ENに基づきアナログの処理対象信号をデジタルデータに変換する。
図2は、第1実施形態の固体撮像装置1Aにおいて使用される参照信号生成部27AのDA変換部270Aの構成例を示す図である。DA変換部270Aは、定電流源の組合せで構成されている電流源部302と、カウンタ部312と、オフセット生成部314と、電流源制御部316と、基準電流値I_0を設定する基準電流源部330を備え、電流出力型のDA変換回路となっている。電流源部302の電流出力端には、電流電圧変換用の素子として、抵抗値R_340の抵抗素子340が接続されている。
図3〜図3Bは、第1実施形態の固体撮像装置1Aの動作を説明する図である。ここで、図3はAD変換処理とCDS処理に着目した固体撮像装置1の簡易的な回路構成図である。図3Aは多重加算AD変換の動作を説明するイメージ図である。図3Bは、第1実施形態の固体撮像装置1Aにおける多重加算AD変換とデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。
図4は、第1実施形態の固体撮像装置1Aの動作とフレームレートとの関係を説明する図である。特に、第1実施形態の仕組みにおける静止画撮影動作のイメージ図である。
図5〜図5Cは、第2実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図5は、第2実施形態の固体撮像装置の概略構成図である。図5Aは、第2実施形態(第1例)の固体撮像装置1B_1に使用されるスイッチ部258B_1を説明する図である。図5Bは、第2実施形態(第2例)の固体撮像装置1B_2に使用されるスイッチ部258B_2を説明する図である。図5Cは、第2実施形態(第3例)の固体撮像装置1B_3に使用されるスイッチ部258B_3を説明する図である。
たとえば、図5B(2−1)は、通常の1回積分AD変換処理を実行する場合を示している。最上位のスイッチ制御信号SW13はインアクティブのままとしておき、残りのスイッチ制御信号SW00〜SW12を任意の順で(たとえば昇順で)切り替えていき、それに連動して、対応するビット位置のラッチ制御信号LAT00 〜LAT12 を任意の順で(たとえば昇順で)切り替えていく。
図6および図6Aは、第3実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図6は、第3実施形態の固体撮像装置1Cの概略構成図である。ここでは、第1実施形態に対する変形例で示すが、第2実施形態に対しても同様の変形を加えることができる。図6Aは、第3実施形態の固体撮像装置1Cの動作を説明する図である。
図7〜図7Bは、第4実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図7は、第4実施形態の固体撮像装置1Dの概略構成図である。ここでは、第1実施形態に対する変形例で示すが、第2実施形態に対しても同様の変形を加えることができる。図7Aは、第4実施形態の固体撮像装置1Dにおいて使用される参照信号生成部27Dの構成例を示す図である。図7Bは、第4実施形態の固体撮像装置1Dにおける参照信号生成部27(DA変換部270)の動作を説明する図である。
図8および図8Aは、第5実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図8は、第5実施形態の固体撮像装置1Eの概略構成図である。ここでは、第1実施形態に対する変形例で示すが、第2〜第4実施形態に対しても同様の変形を加えることができる。図8Aは、第5実施形態の固体撮像装置1Eの動作を説明するためのタイミングチャートである。
図9および図9Aは、第6実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図9は、第6実施形態の固体撮像装置1Fにおけるノイズ特性に着目した簡易的な回路構成図である。図9Aは、第6実施形態の固体撮像装置1Fの動作を説明するタイミングチャートである。
図10〜図10Bは、第7実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図10は、第7実施形態の固体撮像装置1Gにおけるノイズ特性に着目した簡易的な回路構成図である。図10Aは、第7実施形態の固体撮像装置1Gの動作を説明するためのタイミングチャートである。図10Bは、第7実施形態の固体撮像装置1Gの動作における量子化ノイズを説明するための図である。
図11および図11Aは、第8実施形態の固体撮像装置を説明する図である。ここで、図11は、第8実施形態の固体撮像装置1Hの動作を説明するためのタイミングチャートである。図11Aは、第8実施形態の固体撮像装置1Hの動作の効果を説明する図である。
図12は、第9実施形態を説明する図である。第9実施形態は、前述の固体撮像装置1の各実施形態に採用していたAD変換処理の仕組みを、物理情報取得装置の一例である撮像装置に適用したものである。図12は、その撮像装置8の概略構成図である。
図13は、第10実施形態を説明する図である。第10実施形態は、前述の固体撮像装置1の各実施形態に採用していたAD変換処理の仕組みを電子機器に適用したものである。つまり、第10実施形態は、固体撮像装置以外の電子機器に本発明に係るAD変換処理方法やAD変換処理装置を適用する事例を示したものである。図13は、その電子機器の概略構成図である。
図14および図14Aは、第1比較例を説明する図である。第1比較例は、特開2006−222782号公報に記載されている仕組みである。図14に示すように、第1比較例では、多重積分型としてデジタル積分器を2段構成にし、2段目の分解能を高いものを使うことで平均化によるノイズの改善を行なっている。
図15および図15Aは、第2比較例を説明する図である。第2比較例は、特開2005−269471号公報に記載されている仕組みである。図15に示すように、第2比較例は、容量アンプ形式のカラム処理回路にて複数回のリセット電圧および信号電圧を、電圧モードにて加算読み出しするものである。
図16は、第3比較例を説明する図である。第3比較例は、特開2006−080937号公報に記載されている仕組みである。図16に示すように、第3比較例では、画素共有タイプで低照度、低露光時間時の使用において、加算によりS/Nの向上を行なうようにしている。
図17〜図17Bは、第4比較例を説明する図である。第4比較例は、特開2006−174325号公報に記載されている仕組みである。第4比較例で、複数の画素加算を行なう場合に、加重のかけ方として、容量の比率を変える(図17を参照)、蓄積時間を変える(図17Aを参照)、あるいは、アンプの増幅率を変える(図17Bを参照)というものである。
図示を割愛するが、たとえば特開2006−33454号公報には、第1の蓄積時間と第2の蓄積時間の画素信号を加算演算することによりダイナミックレンジの広い画像を取得する仕組みが開示されている(第5比較例と称する)。この方式は、要するに、蓄積時間が異なる同一画素の信号を加算することで出力画素データのレンジを広げるものである。同一画素(つまり同一蓄積時間)のP相・D相それぞれについて複数回の加算を行なう本実施形態の仕組みとは考え方が全く異なる。
Claims (23)
- レベルが漸次変化する参照信号を生成する所定の参照信号生成部から供給される前記参照信号とアナログの処理対象信号を比較する比較部およびAD変換用のカウントクロックの供給を受けて前記比較部の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部を有し、前記カウンタ部の出力データに基づき前記処理対象信号のデジタルデータを取得するAD変換部と、
前記処理対象信号について、nビットのAD変換処理をW回(Wは2以上の正の整数)繰り返して行なうデジタル積分処理を実行するように前記参照信号生成部および前記AD変換部を制御する駆動制御部と、
を備えた固体撮像装置。 - 前記駆動制御部は、前記処理対象信号についてnビットのAD変換処理を1回実行する通常処理と前記デジタル積分処理とを切り替える
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記処理対象信号を出力する単位画素が行列状に配置されている画素アレイ部を備え、
前記AD変換部は、前記画素アレイ部に対して列ごとに設けられており、
前記参照信号生成部は、各列の前記比較部に前記参照信号を共通に供給する
請求項1または2に記載の固体撮像装置。 - 前記単位画素から出力される処理対象信号は、リセットレベルと信号レベルを含み、
前記駆動制御部は、前記リセットレベルと前記信号レベルのそれぞれについて、前記デジタル積分処理を実行して得られた前記リセットレベルと前記信号レベルの各デジタルデータの差分をとるように制御する
請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記デジタル積分処理を実行して得られたデジタルデータに対して、前記W回に対応した平均化を行なう平均化処理部を備えている
請求項1〜4の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記平均化処理部を、前記AD変換部の後段に備えている
請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記AD変換部は、2^(M−1)<W≦2^M(Mは1以上の正の整数)を満たす“n+M”ビット対応の前記カウンタ部と、取込みタイミングを規定する取込み制御信号に基づきデータ取り込み記憶するnビット対応のデータ記憶部と、接続タイミングを規定するスイッチ制御信号に基づき前記カウンタ部から出力される“n+M”ビット分のデータの内の上位nビット分のデータを選択して前記データ記憶部に渡すデータ選択部を有し、
前記データ記憶部と前記データ選択部とにより、前記平均化処理部の機能が果たされる 請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記データ記憶部のデータ入力端を共通に接続する共通配線を有し、
前記データ選択部は、前記カウンタ部のデータ出力端と前記共通配線の間に、前記スイッチ制御信号に基づき入出力の接続を切替え可能なスイッチを有し、
前記駆動制御部は、前記データ記憶部に渡すべき前記カウンタ部のデータ出力端から出力されるデータのビット位置に対応付けて、前記スイッチ制御信号と前記取込み制御信号を順次切り替える
請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記データ選択部は、入力端が前記カウンタ部のデータ出力端と接続され、出力端が前記データ記憶部のデータ入力端に接続された、前記スイッチ制御信号に基づき入出力の接続を切替え可能な、少なくとも前記入力端が2以上のスイッチを、前記データ記憶部のビット位置ごとに有し、
前記スイッチの各入力端は、前記データ記憶部に渡すべき前記カウンタ部のデータ出力端から出力されるデータのビット位置に対応するように接続されており、
前記駆動制御部は、データのビット位置に関わらず、前記カウンタ部から前記データ記憶部に一斉にデータが転送されるように、前記スイッチ制御信号と前記取込み制御信号のそれぞれを切り替える
請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記データ選択部は、前記処理対象信号についてnビットのAD変換処理を1回実行する通常処理時には、前記カウンタ部から出力される“n+M”ビット分のデータの内の下位nビット分のデータを選択して前記データ記憶部に渡す
請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記駆動制御部は、前記デジタル積分処理時の前記参照信号の傾きを、前記処理対象信号についてnビットのAD変換処理を1回実行する通常処理時に対してW倍で急峻にするように前記参照信号生成部を制御するとともに、前記デジタル積分処理時のカウント動作を前記通常処理時に対してW倍高速にするように前記カウンタ部を制御する
請求項1〜10の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記参照信号生成部を備え、
前記参照信号生成部は、参照信号生成用のカウントクロックの供給を受けてカウント動作を行なうカウンタ部を有し、前記カウンタ部から出力されるカウント値ごとに参照信号のレベルを変化させるものであり、
前記カウンタ部は、前記参照信号生成用のカウントクロックとして、前記デジタル積分処理時には前記通常処理時に対してW倍の周波数のものを使用する
請求項11に記載の固体撮像装置。 - 前記参照信号生成部は、参照信号生成用のカウントクロックの供給を受けてカウント動作を行なうカウンタ部と、前記カウンタ部から出力されるカウント値に対応する重みの電流を出力する電流源部と、抵抗素子を具備し前記電流源部から出力された電流が前記抵抗素子に流れることで前記電流に対応する電圧信号を生成するとともに電流電圧変換時の抵抗値を変更可能な電流電圧変換部を有し、
前記カウンタ部は、前記参照信号生成用のカウントクロックとして、前記デジタル積分処理時には前記通常処理時と同じ周波数のものを使用し、
前記電流電圧変換部は、電流電圧変換時の抵抗値を、前記デジタル積分処理時には前記通常処理時に対してW倍にする
請求項11に記載の固体撮像装置。 - 前記参照信号生成部は、参照信号生成用のカウントクロックの供給を受けてカウント動作を行なうカウンタ部と、前記カウンタ部から出力されるカウント値に対応する重みの電流を出力する電流源部と、抵抗素子を具備し前記電流源部から出力された電流が前記抵抗素子に流れることで前記電流に対応する電圧信号を生成するとともに電流電圧変換時の抵抗値を変更可能な電流電圧変換部を有し、
前記カウンタ部は、前記参照信号生成用のカウントクロックとして、前記デジタル積分処理時には前記通常処理時と同じ周波数のものを使用し、
前記電流源部は、前記カウント値に対応する重みを、前記デジタル積分処理時には前記通常処理時に対してW倍にする
請求項11に記載の固体撮像装置。 - 前記参照信号生成部は、前記デジタル積分処理における奇数回目の処理時と偶数回目の処理時で、前記参照信号の変化方向の逆転させる
請求項1〜14の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記参照信号生成部の前記カウンタ部は、アップカウントとダウンカウントを切替可能に構成されており、カウントモードを奇数回目と偶数回目とで異なるようにすることで、前記参照信号の変化方向の逆転させる
請求項15に記載の固体撮像装置。 - 前記AD変換部は、nビット対応の前記カウンタ部を有し、
前記駆動制御部は、前記デジタル積分処理時には、前記参照信号の傾きを前記処理対象信号についてnビットのAD変換処理を1回実行する通常処理時に対して2^(M−1)<W≦2^M(Mは1以上の正の整数)を満たすW倍で急峻にするように前記参照信号生成部を制御するとともに、カウント動作を前記通常処理時と同じ速度にして各回は“n−M”ビットの精度でカウント動作を行なうように前記カウンタ部を制御する
請求項1〜4の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記駆動制御部は、前記参照信号と前記AD変換用のカウントクロックの相対的な位相を1/WLSBずつシフトさせて各回の処理を実行するように前記参照信号生成部や前記カウンタ部を制御する
請求項17に記載の固体撮像装置。 - 前記駆動制御部は、前記デジタル積分処理における繰返し回数Wを利用して各処理対象信号についての係数設定を行なうことで、複数の処理対象信号の積和演算結果のデジタルデータを取得するように制御する、
請求項1〜18の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 電荷生成部および当該電荷生成部で生成された電荷に応じたリセットレベルと信号レベルを含む処理対象信号を出力するトランジスタを具備した単位画素が行列状に配置されている画素アレイ部と、
レベルが漸次変化する参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記処理対象信号の前記リセットレベルおよび前記信号レベルのそれぞれについて前記参照信号生成部から出力される参照信号を比較する比較部およびAD変換用のカウントクロックの供給を受けて前記比較部の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部を有し、前記カウンタ部の出力データに基づき前記リセットレベルと前記信号レベルの差分のデジタルデータを取得する、前記画素アレイ部に対して列ごとに設けられているAD変換部と、
前記リセットレベルおよび前記信号レベルのそれぞれについてnビットのAD変換処理をW回(Wは2以上の正の整数)繰り返すデジタル積分処理の動作を実行するように、前記参照信号生成部および前記AD変換部を制御する駆動制御部と、
前記駆動制御部を制御する主制御部と、
を備えている撮像装置。 - アナログの処理対象信号を生成する信号生成部と、
レベルが漸次変化する参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記信号生成部で生成される前記処理対象信号と前記参照信号生成部から供給される参照信号を比較する比較部と、
AD変換用のカウントクロックの供給を受けて前記比較部の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部と、
前記処理対象信号についてnビットのAD変換処理をW回(Wは2以上の正の整数)繰り返すデジタル積分処理の動作を実行するように、前記参照信号生成部、前記比較部、および前記カウンタ部を制御する制御部と、
を備えた電子機器。 - レベルが漸次変化する参照信号を生成する参照信号生成部と、
アナログの処理対象信号と前記参照信号生成部から出力される参照信号を比較する比較部と、
AD変換用のカウントクロックの供給を受けて前記比較部の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部と、
前記処理対象信号について、nビットのAD変換処理をW回(Wは2以上の正の整数)繰り返して行なうデジタル積分処理を実行するように、前記参照信号生成部、前記比較部、および前記カウンタ部を制御する制御部と、
を備えたAD変換装置。 - レベルが漸次変化する参照信号とアナログの処理対象信号を比較部により比較し、AD変換用のカウントクロックの供給を受けて前記比較の結果に基づきカウント動作をカウンタ部で行ない、前記カウンタ部の出力データに基づき前記処理対象信号のデジタルデータを取得する際に、前記処理対象信号についてnビットのAD変換処理をW回(Wは2以上の正の整数)繰り返して行なう
AD変換方法。
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