JP2010056707A - Analog/digital converter, analog/digital conversion method, imaging device, and driving method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analog/digital converter which can perform high-speed processing. <P>SOLUTION: Among a plurality of analog signals to which an analog/digital conversion is performed in a previous timing, a down count ramp wave L<SB>N</SB>in which a voltage value which is larger than a voltage value V<SB>(N-1)</SB>indicating a maximum voltage value by a predetermined voltage d (d1 and d2) is made an initial voltage value (D<SB>p</SB>and D<SB>D</SB>)is generated. By using the ramp wave L<SB>N</SB>thus generated, the analog/digital conversion is performed in a subsequent timing. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はアナログデジタル変換器(ADC:Analog to Digital Converter)及びアナログデジタル変換方法、並びに撮像装置及びその駆動方法に関する。詳しくは、アナログ信号を時間に変換することによって、アナログ値をデジタル値に変換するADC及びその変換方法、並びにこうしたADCを備える撮像装置及びその駆動方法に係るものである。   The present invention relates to an analog-to-digital converter (ADC), an analog-digital conversion method, an imaging apparatus, and a driving method thereof. Specifically, the present invention relates to an ADC that converts an analog value into a digital value by converting an analog signal into time, a conversion method thereof, an imaging apparatus including such an ADC, and a driving method thereof.

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサ等の固体撮像素子は、近年、広く用いられている。具体的には、例えば、携帯電話等の各種携帯端末機器に搭載される撮像装置や、デジタルスチールカメラあるいはデジタルビデオカメラ等の撮像装置の画像入力装置(撮像デバイス)として広く用いられている(例えば、特許文献1参照。)。   In recent years, solid-state imaging devices such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type image sensors have been widely used. Specifically, for example, it is widely used as an image input device (image pickup device) of an image pickup apparatus mounted on various portable terminal devices such as a mobile phone or an image pickup apparatus such as a digital still camera or a digital video camera (for example, , See Patent Document 1).

図6はCMOS型イメージセンサを説明するための模式図である。ここで示すCMOS型イメージセンサは、画素アレイ部202と、垂直走査回路203と、カラム信号処理部204と、水平走査回路206とを有する。   FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a CMOS image sensor. The CMOS image sensor shown here includes a pixel array unit 202, a vertical scanning circuit 203, a column signal processing unit 204, and a horizontal scanning circuit 206.

ここで、画素アレイ部202は、光電変換素子を有する多数の画素201がマトリクス状に配列されて構成されており、垂直走査回路203は、画素アレイ部202の各画素を1行ずつ選択して各画素のシャッタ動作や読み出し動作を制御する。   Here, the pixel array unit 202 is configured by a large number of pixels 201 having photoelectric conversion elements arranged in a matrix, and the vertical scanning circuit 203 selects each pixel of the pixel array unit 202 row by row. Controls the shutter operation and readout operation of each pixel.

また、カラム信号処理部204は、画素アレイ部202からの信号を1行ずつ読み出して、列毎に所定の信号処理を行なう。なお、信号処理としては、例えば、CDS処理(画素トランジスタの閾値のバラツキに起因する固定パターンノイズを除去する処理)、AGC(オートゲインコントロール)処理、アナログデジタル変換処理等がある。   The column signal processing unit 204 reads out signals from the pixel array unit 202 row by row and performs predetermined signal processing for each column. Signal processing includes, for example, CDS processing (processing for removing fixed pattern noise caused by variations in threshold values of pixel transistors), AGC (auto gain control) processing, analog-digital conversion processing, and the like.

更に、水平走査回路206は、カラム信号処理部の信号を1つずつ選択して水平信号線205に導く様に構成されており、データ信号処理部(図示せず)によって、水平信号線205からの信号を意図した出力形態にデータ変換を行なう。   Further, the horizontal scanning circuit 206 is configured to select the signals of the column signal processing unit one by one and guide them to the horizontal signal line 205. From the horizontal signal line 205 by the data signal processing unit (not shown), The data is converted to the intended output form.

また、画素アレイ部の各画素201は、図7で示す様に、光電変換素子101に加えて、転送トランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104及び選択トランジスタ105の4つのトランジスタを有する回路構成となっている。ここでは、これらトランジスタ102〜105として、nチャネル型のMOSトランジスタを用いた回路例を示している。なお、光電変換素子としては、例えばフォトダイオードが考えられる。   Further, each pixel 201 in the pixel array unit has a circuit configuration including four transistors of a transfer transistor 102, a reset transistor 103, an amplification transistor 104, and a selection transistor 105 in addition to the photoelectric conversion element 101, as shown in FIG. It has become. Here, a circuit example using n-channel MOS transistors as these transistors 102 to 105 is shown. For example, a photodiode can be considered as the photoelectric conversion element.

ここで、転送トランジスタ102は、フォトダイオード101のカソード電極とFD(フローティングディフュージョン)部106との間で接続され、転送ゲートパルスTGが与えられる転送制御線111にゲート電極が接続されている。また、リセットトランジスタ103は、電源Vddにドレイン電極が、FD部106にソース電極が、リセットパルスRSが与えられるリセット制御線112にゲート電極がそれぞれ接続されている。   Here, the transfer transistor 102 is connected between the cathode electrode of the photodiode 101 and the FD (floating diffusion) unit 106, and the gate electrode is connected to the transfer control line 111 to which the transfer gate pulse TG is applied. In the reset transistor 103, a drain electrode is connected to the power source Vdd, a source electrode is connected to the FD unit 106, and a gate electrode is connected to a reset control line 112 to which a reset pulse RS is applied.

更に、増幅トランジスタ104は、FD部106にゲート電極が、電源Vddにドレイン電極が、選択トランジスタ105のドレイン電極にソース電極がそれぞれ接続されている。また、選択トランジスタ105は、選択パルスSELが与えられる選択制御線113にゲート電極が接続され、垂直信号線216にソース電極がそれぞれ接続されている。なお、垂直信号線は同垂直信号線に定電流を供給する定電流源217と接続されると共に、カラム信号処理部とも接続されている。   Further, in the amplification transistor 104, the gate electrode is connected to the FD portion 106, the drain electrode is connected to the power supply Vdd, and the source electrode is connected to the drain electrode of the selection transistor 105. The selection transistor 105 has a gate electrode connected to a selection control line 113 to which a selection pulse SEL is applied and a source electrode connected to a vertical signal line 216. The vertical signal line is connected to a constant current source 217 that supplies a constant current to the vertical signal line, and is also connected to a column signal processing unit.

図8は、増幅トランジスタ104及び選択トランジスタ105を除く画素部分の断面構造を示す模式図である。   FIG. 8 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a pixel portion excluding the amplification transistor 104 and the selection transistor 105.

p型基板131の表層部にn型拡散領域132,133,134が形成されている。また、p型基板131の上には、n型拡散領域132とn型拡散領域133との間の上方にゲート電極135が、n型拡散領域133とn型拡散領域134との間の上方にゲート電極136が、それぞれ図示しないゲート酸化膜(SiO)を介して形成されている。 N-type diffusion regions 132, 133, and 134 are formed in the surface layer portion of the p-type substrate 131. In addition, on the p-type substrate 131, a gate electrode 135 is provided above the space between the n-type diffusion region 132 and the n-type diffusion region 133, and above the space between the n-type diffusion region 133 and the n-type diffusion region 134. gate electrode 136 is formed via a respective not shown gate oxide film (SiO 2).

図7との対応関係において、フォトダイオード101は、p型基板131とn型拡散領域132とのpn接合によって形成されている。転送トランジスタ102は、n型拡散領域132及びn型拡散領域133とその間のゲート電極135とによって形成されている。リセットトランジスタ103は、n型拡散領域133及びn型拡散領域134とその間のゲート電極136とによって形成されている。   In correspondence with FIG. 7, the photodiode 101 is formed by a pn junction between a p-type substrate 131 and an n-type diffusion region 132. The transfer transistor 102 is formed by an n-type diffusion region 132 and an n-type diffusion region 133 and a gate electrode 135 therebetween. The reset transistor 103 is formed by an n-type diffusion region 133 and an n-type diffusion region 134 and a gate electrode 136 therebetween.

n型拡散領域133はFD部106となり、増幅トランジスタ104のゲート電極と電気的に接続される。リセットトランジスタ103のドレイン領域となるn型拡散領域134には電源電位Vddが与えられる。そして、フォトダイオード101を除くp型基板131の上面は、遮光層137によって覆われている。   The n-type diffusion region 133 becomes the FD portion 106 and is electrically connected to the gate electrode of the amplification transistor 104. A power supply potential Vdd is applied to the n-type diffusion region 134 which becomes the drain region of the reset transistor 103. The upper surface of the p-type substrate 131 excluding the photodiode 101 is covered with a light shielding layer 137.

次に、図8の断面図を基にして、図9の波形図を用いて画素201の回路動作について説明する。   Next, the circuit operation of the pixel 201 will be described using the waveform diagram of FIG. 9 based on the cross-sectional view of FIG.

図8に示す様に、フォトダイオード101に光が照射されると、光の強さに応じて電子(−)と正孔(+)の対が誘起される(光電変換)。また、図9において、時刻T1で選択トランジスタ105のゲート電極に選択パルスSELが印加され、同時にリセットトランジスタ103のゲート電極にリセットパルスRSが印加される。その結果、リセットトランジスタ103が導通状態になり、時刻T2でFD部106が電源電位Vddにリセットされる。   As shown in FIG. 8, when the photodiode 101 is irradiated with light, a pair of electrons (−) and holes (+) is induced according to the intensity of light (photoelectric conversion). In FIG. 9, the selection pulse SEL is applied to the gate electrode of the selection transistor 105 at the time T <b> 1, and the reset pulse RS is simultaneously applied to the gate electrode of the reset transistor 103. As a result, the reset transistor 103 becomes conductive, and the FD portion 106 is reset to the power supply potential Vdd at time T2.

FD部106がリセットされると、このリセット時のFD部106の電位がリセットレベルVnとして増幅トランジスタ104を介して信号線216に出力される。このリセットレベルは、画素201固有のノイズ成分に対応したものとなる。リセットパルスRSは、所定の期間(時刻T1〜T3)のみアクティブ("H"レベル)状態となる。FD部106は、リセットパルスRSがアクティブ状態から非アクティブ("L"レベル)状態に遷移した後もリセットされた状態を保っている。このリセット状態にある期間がリセット期間となる。   When the FD unit 106 is reset, the potential of the FD unit 106 at the time of reset is output to the signal line 216 through the amplification transistor 104 as the reset level Vn. This reset level corresponds to a noise component specific to the pixel 201. The reset pulse RS is in an active (“H” level) state only for a predetermined period (time T1 to T3). The FD unit 106 maintains the reset state even after the reset pulse RS transitions from the active state to the inactive ("L" level) state. The period in this reset state is the reset period.

次に、選択信号SELがアクティブ状態のままで、時刻T4で転送トランジスタ102のゲート電極に転送ゲートパルスTGが印加される。すると、転送トランジスタ102が導通状態となり、フォトダイオード101で光電変換され、蓄積された信号電荷がFD部106に転送される。その結果、FD部106の電位が信号電荷の電荷量に応じて変化する(時刻T4〜T5)。このときのFD部106の電位が信号レベルVsとして増幅トランジスタ104を介して信号線216に出力される(信号読み出し期間)。そして、信号レベルVsとリセットレベルVnとの差分RSI1が、ノイズ成分を除去した純粋な画素信号レベルとなる。   Next, the transfer gate pulse TG is applied to the gate electrode of the transfer transistor 102 at time T4 while the selection signal SEL remains active. Then, the transfer transistor 102 becomes conductive, photoelectrically converted by the photodiode 101, and the accumulated signal charge is transferred to the FD unit 106. As a result, the potential of the FD portion 106 changes according to the amount of signal charges (time T4 to T5). The potential of the FD unit 106 at this time is output as a signal level Vs to the signal line 216 through the amplification transistor 104 (signal reading period). The difference RSI1 between the signal level Vs and the reset level Vn becomes a pure pixel signal level from which noise components are removed.

通常、明るい物体を撮像した方が、暗い物体を撮像するよりもフォトダイオード101に蓄積される電荷が多いので、垂直信号線216上におけるレベル差RSI1は大きくなる。   Usually, when a bright object is imaged, more charge is accumulated in the photodiode 101 than when a dark object is imaged, so the level difference RSI1 on the vertical signal line 216 is larger.

ところで、画素アレイ部202の各画素201からは、信号電荷に応じた電気信号が順に読み出されることとなるが、各画素201から読み出されたアナログの電気信号を、ADCにてデジタル信号に変換して外部に出力する方式が一般に採用されている。なお、ADCにてデジタル信号に変換して外部に出力する点については、例えば、特許文献2や特許文献3に記載がなされている。   By the way, an electric signal corresponding to the signal charge is sequentially read from each pixel 201 of the pixel array unit 202. The analog electric signal read from each pixel 201 is converted into a digital signal by the ADC. Thus, a method of outputting to the outside is generally adopted. For example, Patent Document 2 and Patent Document 3 describe the point of being converted into a digital signal by the ADC and output to the outside.

以下、図面を用いて従来のADCの一例について説明を行なう。なお、図10は従来のADCの構成を説明するための模式図であり、図11は従来のADCの原理を説明するための模式図である。   Hereinafter, an example of a conventional ADC will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the configuration of the conventional ADC, and FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the principle of the conventional ADC.

図10で示す従来のADC301は、カウンタクロック供給線302と、コンパレータ304と、カウンタ305から構成されている。   A conventional ADC 301 shown in FIG. 10 includes a counter clock supply line 302, a comparator 304, and a counter 305.

ここで、カウンタクロック供給線302にはカウンタクロックが供給され、デジタルアナログ変換器(DAC:Digital to Analog Converter)303はカウンタクロック供給線302と接続されている。また、コンパレータ304はDAC303と接続されており、カウンタ305はコンパレータ304及びカウンタクロック供給線302と接続されている。   Here, a counter clock is supplied to the counter clock supply line 302, and a digital-to-analog converter (DAC) 303 is connected to the counter clock supply line 302. The comparator 304 is connected to the DAC 303, and the counter 305 is connected to the comparator 304 and the counter clock supply line 302.

上記したDAC303には、カウンタクロック供給線302を介してカウンタクロック(図11中の"カウンタクロック"参照。)が入力される。そして、カウンタクロックの立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングでその出力値が一定割合で減少するランプ波(アナログ信号)を出力する様に構成されている(図11中の"DAC出力(ランプ波)"参照。)。なお、DAC303から出力されるランプ波は全てのコンパレータ304に共通して供給される。   A counter clock (see “counter clock” in FIG. 11) is input to the above-described DAC 303 via the counter clock supply line 302. A ramp wave (analog signal) whose output value decreases at a constant rate at the rising and falling timings of the counter clock is output (see “DAC output (ramp wave)” in FIG. 11). .) Note that the ramp wave output from the DAC 303 is supplied to all the comparators 304 in common.

また、上記したコンパレータ304では、画素アレイ部202(画素201)から読み出されたアナログ信号である画素出力(図11中の"画素出力値"参照。)とランプ波が入力される。そして、画素出力とランプ波の関係が「(ランプ波)>(画素出力)」の場合にはハイレベル(Hレベル)信号を出力し、「(ランプ波)<(画素出力)」の場合にはローレベル(Lレベル)信号を出力する様に構成されている(図11中の"コンパレータ出力"参照。)。   The comparator 304 receives a pixel output (refer to “pixel output value” in FIG. 11) and a ramp wave, which are analog signals read from the pixel array unit 202 (pixel 201). When the relationship between the pixel output and the ramp wave is “(ramp wave)> (pixel output)”, a high level (H level) signal is output, and when “(ramp wave) <(pixel output)”. Is configured to output a low level (L level) signal (see "Comparator Output" in FIG. 11).

更に、上記したカウンタ305はDDR(Double Date Rate)カウンタであり、入力されるカウンタクロックの立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングの両方でカウントを行なう様に構成されている(図11中の"カウンタ出力"参照。)。また、上記したカウンタ305は、コンパレータ304からの出力信号がLレベルとなったタイミングでカウントが停止する様に構成されている。   Further, the counter 305 is a DDR (Double Date Rate) counter, and is configured to count at both the rising timing and falling timing of the input counter clock ("counter output" in FIG. 11). reference.). The counter 305 is configured to stop counting when the output signal from the comparator 304 becomes L level.

上記の様に構成されたADCでは、コンパレータの出力がHレベル信号からLレベル信号に反転したタイミング、即ち、ランプ波が画素出力よりも小さくなったタイミングでカウントを停止する。そして、その時のカウント値を画素出力のデジタル値として出力し、画素出力(電気信号)を時間に変換することでアナログ値(画素出力)をデジタル値(カウント値)に変換しているのである。   In the ADC configured as described above, the count is stopped at the timing when the output of the comparator is inverted from the H level signal to the L level signal, that is, when the ramp wave becomes smaller than the pixel output. The count value at that time is output as a digital value of the pixel output, and the analog value (pixel output) is converted into a digital value (count value) by converting the pixel output (electric signal) into time.

以下、図12を参照して具体的に説明を行なう。ここで、図中符合V(N−1)は第(N−1)行目の画素出力(アナログ値)を示し、図中符合Vは第N行目の画素出力(アナログ値)を示している。また、図中符合Lはランプ波の波形を示している。なお、図12では説明の便宜上、V(N−1)とVの双方を示しているが、実際にはV(N−1)が出力された後にVが出力されるものである。 Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIG. Here, symbol V (N−1) in the figure indicates the pixel output (analog value ) of the (N−1) th row, and symbol V N in the figure indicates the pixel output (analog value) of the Nth row. ing. In the figure, the symbol L indicates the waveform of the ramp wave. In FIG. 12, for convenience of explanation, both V (N−1) and V N are shown, but in reality, V N is output after V (N−1) is output.

上記の様に構成されたADCでは、第(N−1)行目の画素のリセットレベルVnをデジタル変換するために、DACから出力されるランプ波とリセットレベルVnの交点(出力値が同一となったタイミング)のカウント値を決定する。即ち、ランプ波の減少と共にカウントを開始し、第(N−1)行目の画素のリセットレベルVnとランプ波との交点でのカウント値を第(N−1)行目の画素のリセットレベルVnのカウント値(デジタル値)として決定する。   In the ADC configured as described above, in order to digitally convert the reset level Vn of the pixels in the (N−1) -th row, the intersection of the ramp wave output from the DAC and the reset level Vn (with the same output value) Count value) is determined. That is, the count is started as the ramp wave decreases, and the count value at the intersection of the reset level Vn of the pixel on the (N-1) th row and the ramp wave is set to the reset level of the pixel on the (N-1) th row. It is determined as the count value (digital value) of Vn.

具体的には、図12中符合t1で示すタイミングでランプ波の減少と共にカウントを開始する。そして、第(N−1)行目の画素のリセットレベルVnとランプ波との交点(符合P(N−1)で示す点)でカウントを停止し、その時のカウント値を第(N−1)行目の画素のリセットレベルVnのカウント値(デジタル値)として決定するのである。 Specifically, the count starts with the decrease of the ramp wave at the timing indicated by the symbol t1 in FIG. Then, the count is stopped at the intersection of the reset level Vn of the pixel in the (N−1) th row and the ramp wave (the point indicated by the symbol P (N−1) ), and the count value at that time is the (N−1) th count value. This is determined as the count value (digital value) of the reset level Vn of the pixels in the row.

また、第(N−1)行目の画素の信号レベルVsをデジタル変換するために、DACから出力されるランプ波と信号レベルVsの交点(出力値が同一となったタイミング)のカウント値を決定する。即ち、ランプ波の減少と共にカウントを開始し、第(N−1)行目の画素の信号レベルVsとランプ波との交点でのカウント値を第(N−1)行目の画素の信号レベルVsのカウント値(デジタル値)として決定する。   Further, in order to digitally convert the signal level Vs of the pixel on the (N−1) th row, the count value of the intersection (the timing at which the output value becomes the same) of the ramp wave output from the DAC and the signal level Vs is calculated. decide. That is, the count starts with the decrease of the ramp wave, and the count value at the intersection of the signal level Vs of the pixel in the (N−1) th row and the ramp wave is the signal level of the pixel in the (N−1) th row. It is determined as the count value (digital value) of Vs.

具体的には、図12中符合t2で示すタイミングでランプ波の減少と共にカウントを開始する。そして、第(N−1)行目の画素の信号レベルVsとランプ波との交点(符合D(N−1)で示す点)でカウントを停止し、その時のカウント値を第(N−1)行目の画素の信号レベルVsのカウント値(デジタル値)として決定するのである。 Specifically, the count starts with the decrease of the ramp wave at the timing indicated by the symbol t2 in FIG. Then, the count is stopped at the intersection of the signal level Vs of the pixel in the (N−1) th row and the ramp wave (the point indicated by the symbol D (N−1) ), and the count value at that time is the (N−1) th count value. It is determined as the count value (digital value) of the signal level Vs of the pixel in the row.

同様に、第N行目の画素のリセットレベルVnをデジタル変換するために、DACから出力されるランプ波とリセットレベルVnの交点(出力値が同一となったタイミング)のカウント値を決定する。即ち、ランプ波の減少と共にカウントを開始し、第N行目の画素のリセットレベルVnとランプ波との交点でのカウント値を第N行目の画素のリセットレベルVnのカウント値(デジタル値)として決定する。   Similarly, in order to digitally convert the reset level Vn of the pixel in the Nth row, the count value of the intersection (the timing at which the output value becomes the same) between the ramp wave output from the DAC and the reset level Vn is determined. That is, the count starts when the ramp wave decreases, and the count value at the intersection of the reset level Vn of the pixel in the Nth row and the ramp wave is the count value (digital value) of the reset level Vn of the pixel in the Nth row. Determine as.

具体的には、図12中符合t3で示すタイミングでランプ波の減少と共にカウントを開始する。そして、第N行目の画素のリセットレベルVnとランプ波との交点(符合Pで示す点)でカウントを停止し、その時のカウント値を第N行目の画素のリセットレベルVnのカウント値(デジタル値)として決定するのである。 Specifically, the count starts with the decrease of the ramp wave at the timing indicated by the symbol t3 in FIG. Then, the count at the intersection between the reset level Vn and the ramp wave of the N-th row of pixels (points indicated by a symbol P N) stops, the count value of the reset level Vn of the N-th row of the pixel count value at that time It is determined as (digital value).

また、第N行目の画素の信号レベルVsをデジタル変換するために、DACから出力されるランプ波と信号レベルVsの交点(出力値が同一となったタイミング)のカウント値を決定する。即ち、ランプ波の減少と共にカウントを開始し、第N行目の画素の信号レベルVsとランプ波との交点でのカウント値を第N行目の画素の信号レベルVsのカウント値(デジタル値)として決定する。   Further, in order to digitally convert the signal level Vs of the pixel in the Nth row, the count value of the intersection (the timing at which the output value becomes the same) between the ramp wave output from the DAC and the signal level Vs is determined. That is, the count starts when the ramp wave decreases, and the count value at the intersection of the signal level Vs of the pixel in the Nth row and the ramp wave is the count value (digital value) of the signal level Vs of the pixel in the Nth row. Determine as.

具体的には、図12中符合t4で示すタイミングでランプ波の減少と共にカウントを開始する。そして、第N行目の画素の信号レベルVsとランプ波との交点(符合Dで示す点)でカウントを停止し、その時のカウント値を第N行目の画素の信号レベルVsのカウント値(デジタル値)として決定するのである。 Specifically, the count starts with the decrease of the ramp wave at the timing indicated by the symbol t4 in FIG. Then, the N-th row of stops counting at the intersection (the point indicated by a symbol D N) between the signal level Vs and the ramp wave of the pixel, the count value of the signal level Vs of the N-th row of the pixel count value at that time It is determined as (digital value).

以上の様にして、画素出力(電気信号)を時間に変換し、アナログ値(画素出力)をデジタル値(カウント値)に変換しているのである。   As described above, the pixel output (electric signal) is converted into time, and the analog value (pixel output) is converted into a digital value (count value).

ここで、上記ではランプ波の値が一定割合で減少する場合(ダウンカウントのランプ波の場合)を例に挙げて説明を行なっているが、出力値が一定割合で増加するアップカウントのランプ波を用いても良い。   Here, the case where the value of the ramp wave decreases at a constant rate (in the case of the down-count ramp wave) is described as an example, but the up-count ramp wave whose output value increases at a constant rate is described. May be used.

なお、従来のADCでは、DACからの出力波形(ランプ波)は画素出力によらず常に同一である。即ち、第(N−1)行目の画素出力をアナログデジタル変換する場合であっても、第N行目の画素出力をアナログデジタル変換する場合であっても、図中符合Lで示すランプ波を使用している。   In the conventional ADC, the output waveform (ramp wave) from the DAC is always the same regardless of the pixel output. That is, even when the pixel output of the (N-1) th row is converted from analog to digital, or when the pixel output of the Nth row is converted from analog to digital, the ramp wave indicated by the symbol L in the figure. Is used.

従って、どの様な画素出力であったとしても、リセットレベルVnをデジタル変換するために要する期間(P相読み出し期間)及び信号レベルVsをデジタル変換するために要する期間(D相読み出し期間)は一定である。   Accordingly, regardless of the pixel output, the period required for digital conversion of the reset level Vn (P-phase readout period) and the period required for digital conversion of the signal level Vs (D-phase readout period) are constant. It is.

特開平10−126697号公報JP 10-1226697 A 特開2000−152082号公報JP 2000-152082 A 特開2002−232291号公報JP 2002-232291 A

ところで、近年では、撮像装置の処理速度の向上が強く求められており、それに伴って、ADCにおける処理速度の向上が求められている。   Incidentally, in recent years, there has been a strong demand for an improvement in the processing speed of the imaging apparatus, and accordingly, an improvement in the processing speed in the ADC has been demanded.

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、高速処理に対応可能なADC及びアナログデジタル変換方法、並びに高速処理に対応可能な撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an ADC and an analog-digital conversion method capable of high-speed processing, an imaging apparatus capable of high-speed processing, and a driving method thereof. To do.

上記の目的を達成するために、本発明に係るアナログデジタル変換器では、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、デジタル信号に変換されるそれぞれのアナログ信号に対応して設けられ、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える。   In order to achieve the above object, in the analog-digital converter according to the present invention, among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is predetermined. Generate a down-count reference signal with a voltage value that is larger than the voltage as the initial voltage value, or the voltage value of the analog signal that indicates the minimum voltage value among the multiple analog signals converted to digital signals at the previous timing A reference signal generator for generating an up-count reference signal with a voltage value smaller than a predetermined voltage as an initial voltage value, and corresponding analog signals to be converted into digital signals. A comparison unit that compares the voltage value of the analog signal converted into a signal with the voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit; And a counter for counting a count value when the comparison processing by the comparing unit is completed.

また、本発明に係るアナログデジタル変換器では、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、デジタル信号に変換されるそれぞれのアナログ信号に対応して設けられ、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える。   In the analog-digital converter according to the present invention, among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is stored as the maximum voltage value, or Among a plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing, voltage value storage means for storing the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value as the minimum voltage value, and stored in the voltage value storage means Generate a down-count reference signal with a voltage value larger than the maximum voltage value by a predetermined voltage as an initial voltage value, or a voltage value smaller by a predetermined voltage than the minimum voltage value stored in the voltage value storage means Corresponding to each analog signal converted to a digital signal A comparison unit that compares the voltage value of the analog signal that is provided and is converted to a digital signal at a later timing with the voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit, and the comparison processing by the comparison unit is completed And a counter for counting the count value at the time point.

また、本発明に係るアナログデジタル変換器では、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、デジタル信号に変換されるそれぞれのアナログ信号に対応して設けられ、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える。   In the analog-digital converter according to the present invention, the voltage value larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value by a predetermined voltage among the plurality of analog signals converted into the digital signal at the previous timing is maximized. Store as a voltage value or store a voltage value smaller than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value as a minimum voltage value among a plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing. Generating a voltage value storage means and a reference signal for down-counting using the maximum voltage value stored in the voltage value storage means as an initial voltage value, or the minimum voltage value stored in the voltage value storage means Corresponding to each analog signal converted to a digital signal A comparison unit that compares the voltage value of the analog signal that is provided and is converted to a digital signal at a later timing with the voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit, and the comparison processing by the comparison unit is completed And a counter for counting the count value at the time point.

ここで、参照信号生成部が、先のタイミングでデジタル信号に変換されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号若しくは最小の電圧値を示すアナログ信号に基づいて参照信号を生成することによって、カウント動作期間の短縮化が実現する。即ち、先のタイミングでデジタル信号に変換されたアナログ信号から後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の範囲を予測し、予測範囲を走査する参照信号を生成することによって、カウント動作期間の短縮化が実現する。   Here, the reference signal generation unit generates the reference signal based on the analog signal indicating the maximum voltage value or the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals converted into digital signals at the previous timing. As a result, the count operation period can be shortened. That is, by predicting a range of an analog signal converted into a digital signal at a later timing from an analog signal converted into a digital signal at a previous timing, and generating a reference signal that scans the predicted range, Shortening is realized.

また、参照信号生成部で生成された参照信号を複数の比較部が共通して使用するために、ダウンカウントの参照信号の場合には、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を基準としている。同様に、参照信号生成部で生成された参照信号を複数の比較部が共通して使用するために、アップカウントの参照信号の場合には、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を基準としている。   In addition, in the case of a down-count reference signal, a plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing in order to use the reference signal generated by the reference signal generation unit in common with a plurality of comparison units. Of these, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is used as a reference. Similarly, in the case of an up-count reference signal, a plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing in order for a plurality of comparison units to use the reference signal generated by the reference signal generation unit in common. Among the signals, the voltage value of an analog signal indicating the minimum voltage value is used as a reference.

なお、上述の基準となる電圧値と初期電圧値との差分(所定電圧)は、先のタイミングでデジタル信号に変換されたアナログ信号に基づいて予測される後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の範囲から決定される。   Note that the difference (predetermined voltage) between the reference voltage value and the initial voltage value is converted into a digital signal at a timing predicted based on the analog signal converted into a digital signal at the previous timing. Determined from the range of the analog signal.

また、上記の目的を達成するために、本発明に係るアナログデジタル変換方法では、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成工程と、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成工程で生成される参照信号とを比較する比較工程と、該比較工程が完了した時点のカウント値を計数するカウント計数工程とを備える。   In order to achieve the above object, in the analog-digital conversion method according to the present invention, among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is used. Generates a reference signal for down-counting with a voltage value larger by a predetermined voltage as an initial voltage value, or an analog signal indicating the minimum voltage value among a plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing. A reference signal generation step of generating an up-count reference signal using a voltage value smaller than the voltage value by a predetermined voltage as an initial voltage value, a voltage value of an analog signal converted into a digital signal at a later timing, and the reference signal A comparison step for comparing the reference signal generated in the generation step and a count counter for counting the count value at the time when the comparison step is completed Provided with a door.

ここで、参照信号生成工程により、先のタイミングでデジタル信号に変換されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号若しくは最小の電圧値を示すアナログ信号に基づいて参照信号を生成するによって、カウント動作期間の短縮化が実現する。即ち、先のタイミングでデジタル信号に変換されたアナログ信号から後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の範囲を予測し、予測範囲を走査する参照信号を生成することによって、カウント係数工程の短縮化が実現する。   Here, by generating the reference signal based on the analog signal indicating the maximum voltage value or the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals converted into the digital signals at the previous timing by the reference signal generation step. Thus, the count operation period can be shortened. That is, by predicting a range of an analog signal converted into a digital signal at a later timing from an analog signal converted into a digital signal at a previous timing, and generating a reference signal that scans the predicted range, Shortening is realized.

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置では、入射光に応じたアナログ信号を蓄積する画素がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、読み出しが行なわれるそれぞれの画素に対応して設けられ、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える。   In order to achieve the above object, in the imaging apparatus according to the present invention, readout is performed at a timing earlier with a pixel array unit in which pixels that accumulate analog signals corresponding to incident light are arranged in a matrix. Generating a down-count reference signal with an initial voltage value that is a voltage value larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals generated by a plurality of pixels, or Up-count reference signal with a voltage value that is a predetermined voltage smaller than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals generated by the plurality of pixels read out at the timing of And a reference signal generation unit for generating a pixel and a pixel which is provided corresponding to each pixel to be read out and read out at a later timing A comparison unit that compares the voltage value of the analog signal and the voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit, and a counter that counts the count value when the comparison processing by the comparison unit is completed Prepare.

また、本発明に係る撮像装置では、入射光に応じたアナログ信号を蓄積する画素がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、読み出しが行なわれるそれぞれの画素に対応して設けられ、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える。   In the imaging device according to the present invention, an analog signal generated by a pixel array unit in which pixels that accumulate analog signals corresponding to incident light are arranged in a matrix and a plurality of pixels that have been read out at the previous timing. Among the signals, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is stored as the maximum voltage value, or the minimum voltage value among the analog signals generated by a plurality of pixels read out at the previous timing Voltage value storage means for storing a voltage value of an analog signal indicating the minimum voltage value, and a down-counting operation using a voltage value that is larger than the maximum voltage value stored in the voltage value storage means by a predetermined voltage as an initial voltage value. Generates a reference signal or counts up using a voltage value that is smaller than the minimum voltage value stored in the voltage value storage unit by a predetermined voltage as an initial voltage value A reference signal generation unit that generates a reference signal, a voltage value of an analog signal that is provided corresponding to each pixel that is read out and is read out at a later timing, and the reference signal generation A comparison unit that compares the voltage value of the reference signal generated by the unit, and a counter that counts the count value when the comparison process by the comparison unit is completed.

また、本発明に係る撮像装置では、入射光に応じたアナログ信号を蓄積する画素がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、読み出しが行なわれるそれぞれの画素に対応して設けられ、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える。   In the imaging device according to the present invention, an analog signal generated by a pixel array unit in which pixels that accumulate analog signals corresponding to incident light are arranged in a matrix and a plurality of pixels that have been read out at the previous timing. Among the signals, a voltage value larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value by a predetermined voltage is stored as the maximum voltage value, or an analog generated by a plurality of pixels read out at the previous timing Among the signals, voltage value storage means for storing a voltage value smaller than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value by a predetermined voltage as the minimum voltage value, and the maximum voltage value stored in the voltage value storage means Generate a down-count reference signal with an initial voltage value, or up-count with the minimum voltage value stored in the voltage value storage means as an initial voltage value A reference signal generation unit that generates a reference signal, a voltage value of an analog signal that is provided corresponding to each pixel that is read out and is read out at a later timing, and the reference signal generation A comparison unit that compares the voltage value of the reference signal generated by the unit, and a counter that counts the count value when the comparison process by the comparison unit is completed.

ここで、参照信号生成部が、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号に基づいて参照信号を生成することによって、カウント動作期間の短縮化が実現する。同様に、参照信号生成部が、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号に基づいて参照信号を生成することによって、カウント動作期間の短縮化が実現する。
即ち、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号から後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の範囲を予測し、予測範囲を走査する参照信号を生成することによって、カウント動作期間の短縮化が実現する。
Here, the reference signal generation unit generates the reference signal based on the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals generated in the pixels that have been read out at the previous timing. Is shortened. Similarly, the reference signal generation unit generates the reference signal based on the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals generated in the pixels that have been read out at the previous timing. Is shortened.
That is, the analog signal generated at the pixel read out at a later timing is predicted from the analog signal generated at the pixel read out at the previous timing, and a reference signal for scanning the predicted range is generated. By doing so, the count operation period can be shortened.

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置の駆動方法では、マトリクス状に配列された画素で入射光に応じたアナログ信号を蓄積する蓄積工程と、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成工程と、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成工程で生成された参照信号とを比較する比較工程と、該比較工程が完了した時点のカウント値を計数するカウント計数工程とを備える。   In order to achieve the above object, in the driving method of the imaging apparatus according to the present invention, an accumulation process for accumulating analog signals corresponding to incident light in pixels arranged in a matrix and reading at the previous timing are performed. A reference signal for down-counting is generated with a voltage value that is a predetermined voltage larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals generated by the plurality of pixels performed, or Of the analog signals generated by the plurality of pixels that have been read out at the previous timing, the initial voltage value is a voltage value that is a predetermined voltage smaller than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value. A reference signal generation step for generating a reference signal, a voltage value of an analog signal generated by a pixel read out at a later timing, and the reference signal generation Comprising a comparison step for comparing the reference signal generated by the extent, and a count counting step for counting a count value of the time the comparison process is completed.

ここで、参照信号生成工程により、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号に基づいて参照信号を生成するによって、カウント計数工程の短縮化が実現する。同様に、参照信号生成工程により、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号に基づいて参照信号を生成するによって、カウント計数工程の短縮化が実現する。
即ち、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号から後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の範囲を予測し、予測範囲を走査する参照信号を生成することによって、カウント計数工程の短縮化が実現する。
Here, the reference signal generation step generates the reference signal based on the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals generated by the pixels that have been read out at the previous timing. Shortening is realized. Similarly, the reference signal generation step generates the reference signal based on the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals generated by the pixels that have been read out at the previous timing. Shortening is realized.
That is, the analog signal generated at the pixel read out at a later timing is predicted from the analog signal generated at the pixel read out at the previous timing, and a reference signal for scanning the predicted range is generated. By doing so, the count counting step can be shortened.

本発明を適用したADC及びアナログデジタル変換方法、並びに撮像装置及びその駆動方法では、カウント動作期間(カウント計数工程)の短縮化が実現し、高速処理への対応が可能となる。   In the ADC and analog-to-digital conversion method to which the present invention is applied, the imaging apparatus, and the driving method thereof, the count operation period (count counting process) is shortened, and high-speed processing can be supported.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図1は本発明を適用した撮像装置の一例であるCMOS型イメージセンサを説明するための模式図である。ここで示すCMOS型イメージセンサは、画素アレイ部22と、垂直走査回路23と、カラム信号処理部24と、水平走査回路26と、DAC3と、メモリ8を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings to facilitate understanding of the present invention.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a CMOS image sensor which is an example of an imaging apparatus to which the present invention is applied. The CMOS image sensor shown here includes a pixel array unit 22, a vertical scanning circuit 23, a column signal processing unit 24, a horizontal scanning circuit 26, a DAC 3, and a memory 8.

ここで、画素アレイ部22は、光電変換素子を有する多数の画素21がマトリクス状に配列されて構成されており、垂直走査回路23は、画素アレイ部22の各画素を1行ずつ選択して各画素のシャッタ動作や読み出し動作を制御する。   Here, the pixel array unit 22 is configured by a large number of pixels 21 having photoelectric conversion elements arranged in a matrix, and the vertical scanning circuit 23 selects each pixel of the pixel array unit 22 row by row. Controls the shutter operation and readout operation of each pixel.

また、カラム信号処理部24は、画素アレイ部22からの信号を1行ずつ読み出して、列毎に所定の信号処理を行なう。なお、信号処理としては、従来のCMOS型イメージセンサと同様に、CDS処理、AGC処理、アナログデジタル変換処理等がある。   The column signal processing unit 24 reads signals from the pixel array unit 22 row by row and performs predetermined signal processing for each column. Signal processing includes CDS processing, AGC processing, analog-digital conversion processing, and the like, as in a conventional CMOS image sensor.

更に、水平走査回路26は、カラム信号処理部の信号の1つずつを選択して水平信号線25に導く様に構成されており、データ信号処理部(図示せず)によって、水平信号線25からの信号を意図した出力形態にデータ変換を行なう。   Further, the horizontal scanning circuit 26 is configured to select each signal of the column signal processing unit and guide it to the horizontal signal line 25. The horizontal signal line 25 is selected by a data signal processing unit (not shown). The data is converted to the intended output form.

また、画素アレイ部の各画素21は、従来と同様に、光電変換素子11に加えて、転送トランジスタ12、リセットトランジスタ13、増幅トランジスタ14及び選択トランジスタ15の4つのトランジスタを有する回路構成となっている(図7参照)。ここでは、これらトランジスタ12〜15として、nチャネル型のMOSトランジスタを用いた回路例を示している。なお、光電変換素子としては、例えばフォトダイオードが考えられる。   Each pixel 21 of the pixel array unit has a circuit configuration including four transistors, that is, a transfer transistor 12, a reset transistor 13, an amplification transistor 14, and a selection transistor 15 in addition to the photoelectric conversion element 11, as in the conventional case. (See FIG. 7). Here, a circuit example using n-channel MOS transistors as the transistors 12 to 15 is shown. For example, a photodiode can be considered as the photoelectric conversion element.

ここで、転送トランジスタ12は、フォトダイオード11のカソード電極とFD部16との間で接続され、転送ゲートパルスTGが与えられる転送制御線17にゲート電極が接続されている。また、リセットトランジスタ13は、電源Vddにドレイン電極が、FD部16にソース電極が、リセットパルスRSが与えられるリセット制御線18にゲート電極がそれぞれ接続されている。   Here, the transfer transistor 12 is connected between the cathode electrode of the photodiode 11 and the FD unit 16, and the gate electrode is connected to the transfer control line 17 to which the transfer gate pulse TG is applied. In the reset transistor 13, a drain electrode is connected to the power source Vdd, a source electrode is connected to the FD unit 16, and a gate electrode is connected to a reset control line 18 to which a reset pulse RS is applied.

更に、増幅トランジスタ14は、FD部16にゲート電極が、電源Vddにドレイン電極が、選択トランジスタ15のドレイン電極にソース電極がそれぞれ接続されている。また、選択トランジスタ15は、選択パルスSELが与えられる選択制御線19にゲート電極が接続され、垂直信号線30にソース電極がそれぞれ接続されている。なお、垂直信号線は同垂直信号線に定電流を供給する定電流源31と接続されると共に、カラム信号処理部とも接続されている。   Further, the amplification transistor 14 has a gate electrode connected to the FD portion 16, a drain electrode connected to the power supply Vdd, and a source electrode connected to the drain electrode of the selection transistor 15. The selection transistor 15 has a gate electrode connected to a selection control line 19 to which a selection pulse SEL is applied and a source electrode connected to a vertical signal line 30. The vertical signal line is connected to a constant current source 31 that supplies a constant current to the vertical signal line, and is also connected to a column signal processing unit.

なお、画素部分の断面構造については、上記した従来の構造と全く同一であるために、ここでの記載は省略する(図8参照)。   Note that the cross-sectional structure of the pixel portion is exactly the same as the above-described conventional structure, and thus description thereof is omitted (see FIG. 8).

また、カラム信号処理部24に垂直信号線30毎に設けられているADC1は、従来のADCと同様に、コンパレータ4と、カウンタ5から構成されている。   Further, the ADC 1 provided for each vertical signal line 30 in the column signal processing unit 24 includes a comparator 4 and a counter 5 like the conventional ADC.

ここで、カウンタクロック供給線(図示せず)にはカウンタクロックが供給され、DAC3はカウンタクロック供給線と接続されている。また、コンパレータ4はDAC3と接続されており、カウンタ5はコンパレータ4及びカウンタクロック供給線と接続されている。   Here, a counter clock is supplied to a counter clock supply line (not shown), and the DAC 3 is connected to the counter clock supply line. The comparator 4 is connected to the DAC 3, and the counter 5 is connected to the comparator 4 and the counter clock supply line.

上記したDAC3には、カウンタクロック供給線を介してカウンタクロックが入力される。そして、カウンタクロックの立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングでその出力値が一定割合で減少するダウンカウントのランプ波(アナログ信号)を出力する様に構成されている。具体的には、メモリ8に記憶された電圧値よりも所定電圧だけ高い電圧値を初期電圧値(ランプ波スタート電圧)とし、この初期電圧値から一定割合で減少するダウンカウントのランプ波を出力する様に構成されている。
なお、DAC3から出力されるランプ波は全てのコンパレータ4に共通して供給される。
A counter clock is input to the above-described DAC 3 via a counter clock supply line. A down-count ramp wave (analog signal) whose output value decreases at a constant rate at the rising timing and falling timing of the counter clock is output. Specifically, a voltage value higher than the voltage value stored in the memory 8 by a predetermined voltage is set as an initial voltage value (ramp wave start voltage), and a down-count ramp wave that decreases at a constant rate from the initial voltage value is output. It is configured to do.
The ramp wave output from the DAC 3 is supplied to all the comparators 4 in common.

また、メモリ8には、先のタイミングで各ADCによってデジタル変換を行なったアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を記憶することが可能に構成されている。   Further, the memory 8 is configured to be able to store the voltage value of an analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals digitally converted by each ADC at the previous timing.

以下、図面を参照して本発明を適用したCMOS型撮像装置のDACで出力されるランプ波について具体的に説明を行なう。ここで、図中符合V(N−1)は第(N−1)行目の画素出力値(アナログ値)のうち、最大の電圧値を示す画素出力値を示している。また、図中符合L(N−1)は第(N−1)行目の画素出力時のランプ波の波形を示し、図中符合Lは第N行目の画素出力時のランプ波の波形を示している。 The ramp wave output from the DAC of the CMOS image pickup apparatus to which the present invention is applied will be specifically described below with reference to the drawings. Here, the symbol V (N−1) in the figure indicates the pixel output value indicating the maximum voltage value among the pixel output values (analog values) in the (N−1) th row. In the figure, symbol L (N-1) indicates the waveform of the ramp wave when the pixel of the (N-1) th row is output, and symbol L N in the diagram indicates the waveform of the ramp wave when the pixel of the Nth row is output. The waveform is shown.

更に、第(N−1)行目の画素出力値V(N−1)のリセットレベルの出力値をP(N−1)で示し、第(N−1)行目の画素出力値V(N−1)の信号レベルの出力値をD(N−1)で示している。 Further, the output value of the reset level of the pixel output value V (N−1) of the (N−1) th row is denoted by P (N−1) , and the pixel output value V ( N ) of the (N−1) th row. the output value of the signal levels of the N-1) are shown in D (N-1).

また、以下では、第(N−1)行目の画素で生成された信号電荷のアナログデジタル変換を行い、その後に、第N行目の画素で生成された信号電荷のアナログデジタル変換を行なう場合を例に挙げて説明を行なう。即ち、先のタイミングで第(N−1)行目の画素で生成された信号電荷のアナログデジタル変換がなされ、後のタイミングで第N行目の画素で生成された信号電荷のアナログデジタル変換がなされる場合を例に挙げて説明を行なう。   In the following, the analog / digital conversion of the signal charges generated in the pixels in the (N−1) th row is performed, and then the analog / digital conversion of the signal charges generated in the pixels in the Nth row is performed. An example will be described. That is, the analog / digital conversion of the signal charges generated in the pixels of the (N−1) th row is performed at the previous timing, and the analog / digital conversion of the signal charges generated in the pixels of the Nth row is performed at the later timing. An explanation will be given by taking the case of being made as an example.

上記の様に構成されたDACでは、リセットレベルの出力値P(N−1)及び信号レベルの出力値D(N−1)がメモリ8に記憶され、メモリ8に記憶されたP(N−1)及びD(N−1)に基づいて第N行目の画素出力時のランプ波Lが生成されることとなる。 In the DAC configured as described above, the reset level output value P (N−1) and the signal level output value D (N−1) are stored in the memory 8, and the P (N− Based on 1) and D (N−1) , the ramp wave L N at the time of pixel output in the Nth row is generated.

具体的には、図2で示す様に、P(N−1)よりも所定電圧(d1)だけ大きな電圧値を初期電圧値Dとし、この初期電圧値Dからダウンクロックを開始するランプ波を生成する。この様にして、第N行目の画素出力値のリセットレベルの出力値Pのデジタル変換期間(P相読み出し期間)のランプ波を生成する。また、D(N−1)よりも所定電圧(d2)だけ大きな電圧値を初期電圧値とし、この初期電圧値Dからダウンクロックを開始するランプ波を生成する。この様にして、第N行目の画素出力値の信号レベルの出力値Dのデジタル変換期間(D相読み出し期間)のランプ波を生成する。 Specifically, as shown in Figure 2, P a large voltage value predetermined voltage (d1) only than (N-1) as an initial voltage value D p, lamp starts down clock from the initial voltage value D p Generate a wave. In this way, generating a ramp wave of the digital conversion period of the output value P N of the reset level of the N-th row of the pixel output values (P phase readout period). Also, the initial voltage value a large voltage value predetermined voltage (d2) only than D (N-1), to generate a ramp wave starts down clock from the initial voltage value D D. In this way, generating a ramp wave of the digital conversion period of the output value D N of the signal level of the N-th row of the pixel output values (D-phase readout period).

ここで、「所定電圧d1」は、先のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号と後のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号との差分として一般に考えられる電圧値である。そして、この様な所定電圧d1をP(N−1)と加算して初期電圧値Dが決定されている。従って、後のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号は初期電圧値D以下となると考えられる。 Here, the “predetermined voltage d1” is a voltage value generally considered as a difference between an analog signal digitally converted at the previous timing and an analog signal digitally converted at the later timing. The initial voltage value D P is determined such predetermined voltage d1 is added with P (N-1). Accordingly, the analog signals subjected to digital conversion timing after is considered to be equal to or less than the initial voltage value D P.

同様に、「所定電圧d2」は、先のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号と後のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号との差分として一般に考えられる電圧値である。そして、この様な所定電圧値d2をD(N−1)と加算して初期電圧値Dが決定されている。従って、後のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号は初期電圧値D以下となると考えられる。 Similarly, the “predetermined voltage d2” is a voltage value generally considered as a difference between an analog signal that has been digitally converted at a previous timing and an analog signal that has been digitally converted at a later timing. The initial voltage value D D is determined such predetermined voltage value d2 by adding a D (N-1). Accordingly, the analog signals subjected to digital conversion timing after is considered to be equal to or less than the initial voltage value D D.

以下、図3を参照して上記の様にして生成されたランプ波Lを用いた第N行目の画素出力値のアナログデジタル変換方法について説明を行なう。
先ず、第N行目の画素出力値のリセットレベルPをデジタル変換するために、DACから出力されるランプ波LとリセットレベルPの交点(出力値が同一となったタイミング)のカウント値を決定する。即ち、ランプ波の減少と共にカウントを開始し、第N行目の画素出力値のリセットレベルPとランプ波との交点のカウント値を第N行目の画素出力値のリセットレベルPのカウント値(デジタル値)として決定する。
Hereinafter, an analog-to-digital conversion method of the pixel output value of the Nth row using the ramp wave LN generated as described above will be described with reference to FIG.
First, the reset level P N of the N-th row of pixel output values to digital conversion, the count of the intersection of the ramp L N and the reset level P N which is output from the DAC (the timing at which the output value is the same) Determine the value. That starts counting with decreasing ramp, count reset level P N of the count value of the intersection between the reset level P N and the ramp wave of the N-th row of the pixel output values the N-th row of the pixel output values Determined as a value (digital value).

具体的には、図3中符合t1で示すタイミングでランプ波の減少と共にカウントを開始する。そして、第N行目の画素出力値のリセットレベルPとランプ波Lとの交点(符合Pで示す点)でカウントを停止し、その時のカウント値を第N行目の画素出力値のリセットレベルPのカウント値(デジタル値)として決定する。 Specifically, the count starts with the decrease of the ramp wave at the timing indicated by the symbol t1 in FIG. Then, the count is stopped at the intersection (point indicated by the symbol P) between the reset level P N of the pixel output value of the Nth row and the ramp wave L N, and the count value at that time is the value of the pixel output value of the Nth row. determined as the count value of the reset level P N (digital value).

また、第N行目の画素出力値の信号レベルDをデジタル変換するために、DACから出力されるランプ波Lと信号レベルDの交点(出力値が同一となったタイミング)のカウント値を決定する。即ち、ランプ波の減少と共にカウントを開始し、第N行目の画素出力値の信号レベルDとランプ波との交点のカウント値を第N行目の画素出力値の信号レベルDのカウント値(デジタル値)として決定する。 Further, the signal level D N of the N-th row of pixel output values to digital conversion, the count of the intersection of the ramp L N and the signal level D N output from the DAC (the timing at which the output value is the same) Determine the value. That starts counting with decreasing ramp, the count of the N-th row of the signal level of the pixel output values D N and the signal level of the N-th row of pixel output values, the count value of the intersection of the ramp wave D N Determined as a value (digital value).

具体的には、図3中符合t2で示すタイミングでランプ波の減少と共にカウントを開始する。そして、第N行目の画素出力値の信号レベルDとランプ波Lとの交点(符合Dで示す点)でカウントを停止し、その時のカウント値を第N行目の画素出力値の信号レベルDのカウント値(デジタル値)として決定する。 Specifically, the count starts with the decrease of the ramp wave at the timing indicated by the symbol t2 in FIG. Then, the count at the intersection of the first N signal level of the pixel of row output value D N and ramp L N (a point indicated by a symbol D) is stopped, the count value at that time of the N-th row of the pixel output values determined as a count value of the signal level D N (digital value).

ここで、本実施例のCMOS型イメージセンサでは、メモリ8に先のタイミングで各ADCによってデジタル変換を行なったアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を記憶する場合を例に挙げて説明を行なっている。しかしながら、先のタイミングでデジタル変換を行なったアナログ信号を基準として後のタイミング時のランプ波が生成できれば充分であり、メモリ8には初期電圧値を記憶可能に構成しても良い。即ち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値に所定電圧d1やd2を加算した初期電圧値DやDを記憶可能に構成しても良い。 Here, in the CMOS type image sensor of this embodiment, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals digitally converted by each ADC at the previous timing is stored in the memory 8 as an example. The explanation is given. However, it is sufficient that a ramp wave at a later timing can be generated on the basis of an analog signal that has been digitally converted at the previous timing, and the initial voltage value may be stored in the memory 8. That may be configured to initial voltage value D P and D D obtained by adding a predetermined voltage d1 and d2 to the voltage value of the analog signal indicative of the maximum voltage value to be stored.

また、本実施例のCMOS型イメージセンサでは、先のタイミングで第(N−1)行目の画素で生成された信号電荷が読み出され、後のタイミングで第N行目の画素で生成された信号電荷が読み出された場合を例に挙げて説明を行なっている。しかしながら、必ずしも第(N−1)行目の画素で生成された信号電荷が先のタイミングで読み出される必要はない。従って、先のタイミングで第N行目の画素で生成された信号電荷が読み出され、後のタイミングで第(N−1)行目の画素で生成された信号電荷が読み出されても良い。   In the CMOS image sensor of the present embodiment, the signal charges generated by the pixels in the (N−1) th row are read at the previous timing, and are generated by the pixels at the Nth row at the later timing. The case where the signal charges are read is described as an example. However, the signal charges generated by the pixels in the (N−1) th row are not necessarily read out at the previous timing. Therefore, the signal charge generated at the pixel in the Nth row at the previous timing may be read out, and the signal charge generated at the pixel at the (N−1) th row at the later timing may be read out. .

更に、本実施例のCMOS型イメージセンサでは、第(N−1)行目に属する画素と第N行目に属する画素といった具合に、隣接する画素を対象として後のタイミングでデジタル変換されるアナログ信号の範囲を予測する場合を例に挙げて説明を行なっている。しかしながら、必ずしも隣接する画素に基づいてアナログ信号の範囲を予測する必要はなく、第(N−3)行目に属する画素と第N行目に属する画素といった具合に、隣接しない画素に基づいてアナログ信号の範囲を予測しても良い。但し、隣接する2画素の場合には、一般に差分が小さいと考えられるが故に、隣接する画素に基づいてアナログ信号の範囲を予測した方がカウント動作期間のより一層の短縮化が期待できるものである。   Further, in the CMOS image sensor of this embodiment, an analog which is digitally converted at a later timing with respect to adjacent pixels, such as a pixel belonging to the (N-1) th row and a pixel belonging to the Nth row. The case where the signal range is predicted is described as an example. However, it is not always necessary to predict the range of the analog signal based on adjacent pixels. For example, a pixel belonging to the (N-3) th row and a pixel belonging to the Nth row can be analog based on non-adjacent pixels. The signal range may be predicted. However, in the case of two adjacent pixels, since the difference is generally considered to be small, it is expected that the count operation period can be further shortened by predicting the range of the analog signal based on the adjacent pixels. is there.

また、本実施例のCMOS型イメージセンサでは、上述の様に、第(N−1)行目に属する画素と第N行目に属する画素といった具合に、同一フレーム内の画素を対象としてアナログ信号の予測を行なう場合を例に挙げて説明を行なっている。しかしながら、必ずしも同一フレーム内の画素を対象とする必要はなく、例えば、同一画素における先のフレームのアナログ信号に基づいて、同一画素における後のフレームのアナログ信号を予測しても良い。   In the CMOS type image sensor of this embodiment, as described above, an analog signal for pixels in the same frame, such as a pixel belonging to the (N-1) th row and a pixel belonging to the Nth row, is used. The case where the prediction is performed is described as an example. However, it is not always necessary to target pixels in the same frame. For example, an analog signal in a subsequent frame in the same pixel may be predicted based on an analog signal in a previous frame in the same pixel.

また、本実施例のCMOS型イメージセンサでは、ダウンカウントのランプを使用する場合を例に挙げて説明を行なっているが、必ずしもダウンカウントである必要はなく、アップカウントのランプ波であっても良い。なお、アップカウントのランプ波を用いる場合には、先のタイミングでデジタル変換されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧とする。   In the CMOS type image sensor of this embodiment, a case where a down-count lamp is used has been described as an example. However, it is not always necessary to use a down-count lamp. good. When an up-count ramp wave is used, a voltage value that is smaller by a predetermined voltage than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals digitally converted at the previous timing is set as the initial voltage. .

本発明を適用したCMOS型イメージセンサでは、第N行目の画素出力値のデジタル変換時に利用するランプ波Lを生成するにあたって、第(N−1)行目の画素出力値から初期電圧値を決定しているために、カウント動作期間の低減が実現する。
即ち、従来のADCでは、DACからの出力波形は画素出力によらず常に一定であり、Pをデジタル変換するためにカウンタを動作させる期間は図12中符合LPNで示す期間となっている。また、Dをデジタル変換するためにカウンタを動作させる期間は図12中符合DPNで示す期間となっている。これに対して、本発明を適用したCMOS型イメージセンサでは、第(N−1)行目の画素出力値から初期電圧値を決定しており、Pをデジタル変換するためにカウンタを動作させる期間は図3中符合MPNで示す期間である。また、Dをデジタル変換するためにカウンタを動作させる期間は図3中符合MDNで示す期間である。
In the CMOS image sensor to which the present invention is applied, when generating the ramp wave LN used at the time of digital conversion of the pixel output value of the Nth row, the initial voltage value is calculated from the pixel output value of the (N−1) th row. Therefore, the count operation period can be reduced.
That is, in the conventional ADC, the output waveform from the DAC is always constant irrespective of the pixel output period during which the counter is operated to digital conversion of the P N has a period shown in Figure 12 in sign L PN . Further, the period for operating the counter to digitally convert DN is a period indicated by the symbol DPN in FIG. On the other hand, in the CMOS type image sensor to which the present invention is applied, the initial voltage value is determined from the pixel output value of the (N−1) th row, and the counter is operated to digitally convert PN . period is a period shown in Figure 3 reference numeral M PN. The period during which the counter is operated to digital conversion of the D N is a period indicated in Figure 3 reference numeral M DN.

具体的には、ランプ波L(N−1)を第N行目の画素出力値のデジタル変換にも利用した場合には、第N行目の画素出力値のリセットレベルPのカウント値を決定するために、図4中符合Tで示す期間が必要となる。また、第N行目の画素出力値の信号レベルDのカウント値を決定するために、図4中符合Tで示す期間が必要となる。
これに対して、ランプ波Lを第N行目の画素出力値のデジタル変換に利用する場合には、第N行目の画素出力値のリセットレベルPのカウント値を決定するために、図3中符合MPNで示す期間である。また、第N行目の画素出力値の信号レベルDのカウント値を決定するために、図3中符合MDNで示す期間である。
Specifically, when a ramp L (N-1) were also utilized to digital conversion of the N-th row of pixel output values, the count value of the reset level P N of the N-th row of the pixel output values for determining, it is necessary period indicated in Fig sign T P. Further, in order to determine the count value of the signal level D N of the N-th row of pixel output values, it is necessary period indicated by a symbol T D in FIG.
In contrast, the ramp L N when using the digital conversion of the N-th row of pixel output values, to determine the count value of the reset level P N of the N-th row of pixel output values, it is a period indicated in Figure 3 reference numeral M PN. Further, in order to determine the count value of the signal level D N of the N-th row of pixel output values, a period indicated in Figure 3 reference numeral M DN.

上記の様に、カウンタの動作期間の短縮化が実現することによって、各画素のアナログデジタル変換時間の短縮化が実現し、そのことで、CMOS型撮像装置の動作の高速化が実現することとなる。   As described above, by shortening the operation period of the counter, it is possible to shorten the analog-digital conversion time of each pixel, thereby realizing a high-speed operation of the CMOS imaging device. Become.

また、ADCの消費電力の大部分をカウンタが占めていることに鑑みると、カウンタの動作期間の短縮化が実現することによって、ADCの消費電力の低減が実現し、そのことで、CMOS型撮像装置の消費電力の低減が実現することとなる。   In view of the fact that the counter occupies most of the power consumption of the ADC, the reduction of the power consumption of the ADC is realized by realizing the shortening of the operation period of the counter. Reduction of the power consumption of the apparatus will be realized.

ここで、第N行目の画素出力値のリセットレベルPが予測範囲(d1)以上に高電圧であり、初期電圧値Dよりも高い電圧値であった場合には、ランプ波Lとの交点が存在しないこととなり、リセットレベルPのカウント値が決定できないこととなる。
かかる場合には、DACの最大電圧値(>初期電圧値)からダウンカウントのランプ波を出力することでリセットレベルPとの交点を検出すべく対応すれば充分である。
Here, a reset level P N is a high voltage to the predicted range (d1) or more of the N-th row of pixel output values, when was a voltage value higher than the initial voltage value D P is ramp L N becomes that there is no intersection between the count value of the reset level P N is not be determined.
In such a case, it is sufficient to correspond to detect an intersection point between the reset level P N by outputting a ramp wave down-count from the maximum voltage value of the DAC (> initial voltage value).

同様に、第N行目の画素出力値の信号レベルDが予測範囲(d2)以上に高電圧であり、初期電圧値Dよりも高い電圧値であった場合には、ランプ波Lとの交点が存在しないこととなり、信号レベルDのカウント値が決定できないこととなる。
かかる場合には、DACの最大電圧値(>初期電圧値)からダウンカウントのランプ波を出力することで信号レベルDとの交点を検出すべく対応すれば充分である。
Likewise, a signal level D N is a high voltage to the predicted range (d2) above the N-th row of pixel output values, when was a voltage value higher than the initial voltage value D D is ramp L N It becomes that there is no intersection between the count value of the signal level D N is can not be determined.
In such a case, it is sufficient to correspond to detect the intersection of the signal level D N by outputting a ramp wave down-count from the maximum voltage value of the DAC (> initial voltage value).

具体的には、図5で示す様に、第N行目の画素出力値の信号レベルDをデジタル変換するために、図5中符号t5で示すタイミングでランプ波の減少を開始し、ランプ波と信号レベルDとの交点が見つからないままDACの最小電圧値に達したとする。かかる場合には、DACの最小電圧値に達しタイミング(図5中符合t6で示すタイミング)で、DACの最大電圧値からダウンカウントのランプ波を出力する。こうすることによって、ランプ波と信号レベルDとの交点Dが見つかり、第N行目の画素出力値のデジタル値が決定されることとなる。 Specifically, as shown in Figure 5, in order to digital conversion of the signal level D N of the N-th row of pixel output values, to start the reduction of the ramp at the timing shown in FIG. 5, reference numeral t5, ramp and the intersection between the wave and the signal level D N reaches a minimum voltage value of the DAC without finding. In such a case, a down-count ramp wave is output from the maximum voltage value of the DAC at the timing when the minimum voltage value of the DAC is reached (timing indicated by the symbol t6 in FIG. 5). By doing so, it found intersection D between the ramp and the signal level D N, so that the digital value of the N-th row of the pixel output value is determined.

なお、DACの最大電圧値からダウンカウントのランプ波を出力する場合であったとしても、従来のADCよりもカウント動作期間が増大することはない。即ち、従来のADCでは、DACの最大電圧値を初期電圧値としてダウンカウントのランプ波を生成しており、例え、最小電圧値に達した後に最大電圧値からダウンカウントのランプ波を出力したとしても、従来のADCと同期間のカウント動作期間となるのみである。   Even when a down-count ramp wave is output from the maximum voltage value of the DAC, the count operation period does not increase as compared with the conventional ADC. That is, in the conventional ADC, the maximum voltage value of the DAC is used as the initial voltage value to generate a down-count ramp wave. For example, after reaching the minimum voltage value, the down-count ramp wave is output from the maximum voltage value. However, this is only a counting operation period between the conventional ADC and the synchronization.

本発明を適用した撮像装置の一例であるCMOS型イメージセンサを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the CMOS type image sensor which is an example of the imaging device to which this invention is applied. ランプ波Lの生成を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the production | generation of the ramp wave LN . 第N行目の画素出力値のアナログデジタル変換を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the analog-digital conversion of the pixel output value of the Nth line. ランプ波L(N−1)を利用した場合のアナログデジタル変換を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining an analog-to-digital conversion when using ramp L (N-1). DACの最大電圧値からダウンカウントのランプ波を生成する場合を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the case where the ramp wave of a down count is produced | generated from the maximum voltage value of DAC. 従来のCMOS型イメージセンサを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conventional CMOS type image sensor. 画素アレイ部を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a pixel array part. 画素部分の断面構造を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the cross-sectional structure of a pixel part. 画素の回路動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the circuit operation | movement of a pixel. 従来のADCを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conventional ADC. 従来のADCの原理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the principle of conventional ADC. 従来のアナログデジタル変換を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conventional analog-digital conversion.

符号の説明Explanation of symbols

1 ADC
3 DAC
4 コンパレータ
5 カウンタ
8 メモリ
11 光電変換素子
12 転送トランジスタ
13 リセットトランジスタ
14 増幅トランジスタ
15 選択トランジスタ
16 FD部
17 転送制御線
18 リセット制御線
19 選択制御線
21 画素
22 画素アレイ部
23 垂直走査回路
24 カラム信号処理部
25 水平信号線
26 水平走査回路
30 垂直信号線
31 定電流源
1 ADC
3 DAC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Comparator 5 Counter 8 Memory 11 Photoelectric conversion element 12 Transfer transistor 13 Reset transistor 14 Amplification transistor 15 Selection transistor 16 FD part 17 Transfer control line 18 Reset control line 19 Selection control line 21 Pixel 22 Pixel array part 23 Vertical scanning circuit 24 Column signal Processing unit 25 Horizontal signal line 26 Horizontal scanning circuit 30 Vertical signal line 31 Constant current source

Claims (11)

先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、
デジタル信号に変換されるそれぞれのアナログ信号に対応して設けられ、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、
該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える
アナログデジタル変換器。
Generates a down-count reference signal with a voltage value that is a predetermined voltage higher than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing. Or, an up-count reference signal in which a voltage value that is smaller by a predetermined voltage than a voltage value of an analog signal indicating the minimum voltage value among a plurality of analog signals converted into a digital signal at the previous timing is an initial voltage value A reference signal generation unit for generating
A voltage value of an analog signal provided corresponding to each analog signal converted into a digital signal and converted into a digital signal at a later timing, and a voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit A comparison section to compare;
An analog-digital converter comprising: a counter that counts a count value when the comparison processing by the comparison unit is completed.
前記参照信号生成部は、前記ダウンカウントの参照信号が最小電圧値に達しても前記比較部による比較処理が完了しない場合には同参照信号生成部の最大電圧値からダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記アップカウントの参照信号が最大電圧値に達しても前記比較部による比較処理が完了しない場合には同参照信号生成部の最小電圧値からアップカウントの参照信号を生成する
請求項1に記載のアナログデジタル変換器。
The reference signal generation unit generates a down-count reference signal from the maximum voltage value of the reference signal generation unit when the comparison process by the comparison unit is not completed even when the down-count reference signal reaches a minimum voltage value. Alternatively, if the comparison process by the comparison unit is not completed even when the up-count reference signal reaches a maximum voltage value, the up-count reference signal is generated from the minimum voltage value of the reference signal generation unit. The analog-digital converter according to 1.
先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、
該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、
デジタル信号に変換されるそれぞれのアナログ信号に対応して設けられ、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、
該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える
アナログデジタル変換器。
Among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is stored as the maximum voltage value, or the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing Among analog signals, voltage value storage means for storing the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value as the minimum voltage value;
A reference signal for down-counting with a voltage value that is larger than the maximum voltage value stored in the voltage value storage means by a predetermined voltage as an initial voltage value is generated, or the minimum voltage stored in the voltage value storage means A reference signal generation unit that generates an up-count reference signal with a voltage value smaller than the value by a predetermined voltage as an initial voltage value;
A voltage value of an analog signal provided corresponding to each analog signal converted into a digital signal and converted into a digital signal at a later timing, and a voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit A comparison section to compare;
An analog-digital converter comprising: a counter that counts a count value when the comparison processing by the comparison unit is completed.
先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、
該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、
デジタル信号に変換されるそれぞれのアナログ信号に対応して設けられ、後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、
該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える
アナログデジタル変換器。
Among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing, a voltage value that is larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value by a predetermined voltage is stored as the maximum voltage value, or at the previous timing Voltage value storage means for storing, as a minimum voltage value, a voltage value smaller than a voltage value of an analog signal indicating a minimum voltage value among a plurality of analog signals converted into a digital signal by a predetermined voltage;
Generate a down-count reference signal with the maximum voltage value stored in the voltage value storage means as an initial voltage value, or increase the minimum voltage value stored in the voltage value storage means as an initial voltage value A reference signal generator for generating a reference signal for counting;
A voltage value of an analog signal provided corresponding to each analog signal converted into a digital signal and converted into a digital signal at a later timing, and a voltage value of the reference signal generated by the reference signal generation unit A comparison section to compare;
An analog-digital converter comprising: a counter that counts a count value when the comparison processing by the comparison unit is completed.
先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングでデジタル信号に変換された複数のアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成工程と、
後のタイミングでデジタル信号に変換されるアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成工程で生成される参照信号とを比較する比較工程と、
該比較工程が完了した時点のカウント値を計数するカウント計数工程とを備える
アナログデジタル変換方法。
Generates a down-count reference signal with a voltage value that is a predetermined voltage higher than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the plurality of analog signals converted into digital signals at the previous timing. Or, an up-count reference signal in which a voltage value that is smaller by a predetermined voltage than a voltage value of an analog signal indicating the minimum voltage value among a plurality of analog signals converted into a digital signal at the previous timing is an initial voltage value A reference signal generation step for generating
A comparison step of comparing a voltage value of an analog signal converted into a digital signal at a later timing with a reference signal generated in the reference signal generation step;
A count counting step of counting a count value at the time when the comparison step is completed.
入射光に応じたアナログ信号を蓄積する画素がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、
先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、
読み出しが行なわれるそれぞれの画素に対応して設けられ、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、
該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える
撮像装置。
A pixel array unit in which pixels that accumulate analog signals corresponding to incident light are arranged in a matrix;
Down-count reference with an initial voltage value that is larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals generated by a plurality of pixels that have been read out at the previous timing. A voltage value that is smaller than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals generated by a plurality of pixels that have generated signals or read at the previous timing by an initial voltage. A reference signal generation unit for generating a reference signal of an upcount as a value;
A voltage value of an analog signal that is provided corresponding to each pixel to be read and is generated at a later timing and a voltage value of a reference signal that is generated by the reference signal generation unit A comparison unit for comparing
An imaging apparatus comprising: a counter that counts a count value when the comparison processing by the comparison unit is completed.
入射光に応じたアナログ信号を蓄積する画素がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、
先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、
該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、
読み出しが行なわれるそれぞれの画素に対応して設けられ、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、
該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える
撮像装置。
A pixel array unit in which pixels that accumulate analog signals corresponding to incident light are arranged in a matrix;
Among analog signals generated by a plurality of pixels that have been read out at the previous timing, the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value is stored as the maximum voltage value, or read out at the previous timing. Voltage value storage means for storing the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals generated by the plurality of pixels as the minimum voltage value;
A reference signal for down-counting with a voltage value that is larger than the maximum voltage value stored in the voltage value storage means by a predetermined voltage as an initial voltage value is generated, or the minimum voltage stored in the voltage value storage means A reference signal generation unit that generates an up-count reference signal with a voltage value smaller than the value by a predetermined voltage as an initial voltage value;
A voltage value of an analog signal that is provided corresponding to each pixel to be read and is generated at a later timing and a voltage value of a reference signal that is generated by the reference signal generation unit A comparison unit for comparing
An imaging apparatus comprising: a counter that counts a count value when the comparison processing by the comparison unit is completed.
入射光に応じたアナログ信号を蓄積する画素がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、
先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を最大電圧値として記憶し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を最小電圧値として記憶する電圧値記憶手段と、
該電圧値記憶手段に記憶された前記最大電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、前記電圧値記憶手段に記憶された前記最小電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成部と、
読み出しが行なわれるそれぞれの画素に対応して設けられ、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成部で生成された参照信号の電圧値とを比較する比較部と、
該比較部による比較処理が完了した時点のカウント値を計数するカウンタとを備える
撮像装置。
A pixel array unit in which pixels that accumulate analog signals corresponding to incident light are arranged in a matrix;
Among analog signals generated by a plurality of pixels that have been read out at the previous timing, store a voltage value that is larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value by a predetermined voltage as the maximum voltage value, or Voltage value storage that stores, as a minimum voltage value, a voltage value that is smaller than a voltage value of an analog signal indicating the minimum voltage value by a predetermined voltage among the analog signals generated by a plurality of pixels that have been read out at the previous timing. Means,
Generate a down-count reference signal with the maximum voltage value stored in the voltage value storage means as an initial voltage value, or increase the minimum voltage value stored in the voltage value storage means as an initial voltage value A reference signal generator for generating a reference signal for counting;
A voltage value of an analog signal that is provided corresponding to each pixel to be read and is generated at a later timing and a voltage value of a reference signal that is generated by the reference signal generation unit A comparison unit for comparing
An imaging apparatus comprising: a counter that counts a count value when the comparison processing by the comparison unit is completed.
後のタイミングで読み出しが行なわれた画素は、先のタイミングで読み出しが行なわれた画素と隣接している
請求項6、請求項7または請求項8に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 6, 7 or 8, wherein a pixel that has been read at a later timing is adjacent to a pixel that has been read at a previous timing.
先のタイミングで読み出しが行なわれた画素と、後のタイミングで読み出しが行なわれた画素は同一画素である
請求項6、請求項7または請求項8に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 6, 7, or 8, wherein the pixel that has been read at the previous timing and the pixel that has been read at the later timing are the same pixel.
マトリクス状に配列された画素で入射光に応じたアナログ信号を蓄積する蓄積工程と、
先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最大の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ大きな電圧値を初期電圧値としたダウンカウントの参照信号を生成し、若しくは、先のタイミングで読み出しが行なわれた複数の画素で生成されたアナログ信号のうち、最小の電圧値を示すアナログ信号の電圧値よりも所定電圧だけ小さな電圧値を初期電圧値としたアップカウントの参照信号を生成する参照信号生成工程と、
後のタイミングで読み出しが行なわれた画素で生成されたアナログ信号の電圧値と、前記参照信号生成工程で生成された参照信号とを比較する比較工程と、
該比較工程が完了した時点のカウント値を計数するカウント計数工程とを備える
撮像装置の駆動方法。
An accumulation step of accumulating analog signals according to incident light in pixels arranged in a matrix;
Down-count reference with an initial voltage value that is larger than the voltage value of the analog signal indicating the maximum voltage value among the analog signals generated by a plurality of pixels that have been read out at the previous timing. A voltage value that is smaller than the voltage value of the analog signal indicating the minimum voltage value among the analog signals generated by a plurality of pixels that have generated signals or read at the previous timing by an initial voltage. A reference signal generation step of generating a reference signal of upcount as a value;
A comparison step of comparing a voltage value of an analog signal generated in a pixel read out at a later timing with a reference signal generated in the reference signal generation step;
And a count counting step of counting a count value at the time when the comparison step is completed.
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