JP2011066773A - Analog-digital conversion circuit and imaging apparatus mounted with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子などから出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換するアナログデジタル変換回路、およびそれを搭載した撮像装置に関する。 The present invention relates to an analog-to-digital conversion circuit that converts an analog voltage output from an imaging element or the like into a digital value, and an imaging apparatus equipped with the analog-to-digital conversion circuit.
アナログデジタル変換回路(以下適宜、A/D変換回路と表記する)は、LSIの基本素子として、様々な分野に広く利用されている。A/D変換回路には様々な種類があり、その一つにシングルスロープ型A/D変換回路がある。シングルスロープ型A/D変換回路には比較器および記憶部が含まれる。当該比較器は、入力アナログ電圧と、クロックに同期して単調増加または単調減少する参照電圧とを比較する。当該記憶部は、比較結果が反転したときの情報(たとえば、クロック数)を、上記入力アナログ電圧に対応するデジタル値として記憶する。 An analog-digital conversion circuit (hereinafter referred to as an A / D conversion circuit as appropriate) is widely used in various fields as a basic element of an LSI. There are various types of A / D conversion circuits, one of which is a single slope type A / D conversion circuit. The single slope type A / D conversion circuit includes a comparator and a storage unit. The comparator compares the input analog voltage with a reference voltage that monotonously increases or monotonously decreases in synchronization with the clock. The storage unit stores information (for example, the number of clocks) when the comparison result is inverted as a digital value corresponding to the input analog voltage.
シングルスロープ型A/D変換回路は、構成が簡素で、オフセットなどの影響を後段のデジタル回路で補正しやすいといった性質から、CCD(Charge Coupled Devices)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像素子に広く用いられている。 Single-slope A / D converters are simple in structure, and can easily compensate for the effects of offsets with subsequent digital circuits. Therefore, CCD (Charge Coupled Devices) sensors, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors, etc. It is widely used for solid-state imaging devices.
図1は、従来技術1に係るシングルスロープ型A/D変換回路500の構成を示す図である。図2は、従来技術1に係るシングルスロープ型A/D変換回路500の動作例を示す図である。従来技術1に係るシングルスロープ型A/D変換回路500にて、比較回路(以下適宜、コンパレータと表記する)CPの反転入力端子には、容量Cを介して入力信号ΔVが入力され、その非反転入力端子には、分解能に応じたステップ段数を持つランプ波Vrpが入力される。コンパレータCPは、入力信号ΔVとランプ波Vrpとを逐次比較し、その大小関係が反転したとき、出力信号Voutを反転させる。この出力信号Voutが反転した瞬間のデータが、後段の図示しないメモリに記憶され、デジタル処理される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a single slope type A /
図3は、従来技術2に係るシングルスロープ型A/D変換回路600の構成を示す図である。図4は、従来技術2に係るシングルスロープ型A/D変換回路600に供給されるランプ波rampを説明するための図である。従来技術2に係るシングルスロープ型A/D変換回路600は、各コンパレータの反転入力端子に複数種類のランプ波が入力可能な構成である。ここでは、変換期間を2段階のフェーズに分割し、第1フェーズでは1種類のランプ波ramp1しか使用されないが、第2フェーズでは初期レベルが異なる複数種類のランプ波ramp1、2、3、・・・のなかから、第1フェーズでの変換結果に応じて1つが選択される。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a single slope type A /
上述した従来技術1に係るシングルスロープ型A/D変換回路では、分解能の増加に応じてランプ波のステップ段数が増加し、それに応じて変換時間も延びる。たとえば、10ビットの分解能を持つランプ波は1024段のステップが必要となり、12ビットの分解能を持つランプ波は4096段のステップが必要となる。このように、分解能を2ビットを増加させると、ステップ段数が4倍になり、変換時間も4倍になる。
In the single slope type A / D conversion circuit according to the above-described
上述した従来技術2に係るシングルスロープ型A/D変換回路では、ランプ波を2段階に分割することにより、変換時間を短縮している。たとえば、10ビット(ステップ段数=1024)を、4ビット(ステップ段数=16)と6ビット(ステップ段数=64)とに分割することにより、ステップ段数を1024から80に減少させることができる。ただし、複数種類のランプ波を生成する必要があるため、回路規模が大きくなりやすいという面がある。また、各ランプ波間のバラツキが大きい場合、変換精度が低下する可能性があるという面もある。
In the single slope type A / D conversion circuit according to the above-described
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、シングルスロープ型A/D変換回路にて、回路規模の増大を抑制しながら、変換時間を短縮する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for shortening the conversion time while suppressing an increase in circuit scale in a single slope A / D conversion circuit.
本発明のある態様のアナログデジタル変換回路は、固定の傾きで電圧レベルが上昇または下降するランプ波電圧を受け、そのランプ波電圧の傾きを調整して出力する傾き調整回路と、デジタル値に変換すべきアナログ電圧と、傾き調整回路から入力されるランプ波電圧とを比較する比較回路と、比較回路の出力が反転したタイミングに応じて、アナログ電圧に対応するデジタル値を決定するデジタル処理回路と、を備える。 An analog-digital conversion circuit according to an aspect of the present invention receives a ramp wave voltage whose voltage level rises or falls with a fixed slope, adjusts the slope of the ramp wave voltage, and outputs it, and converts it to a digital value A comparison circuit that compares the analog voltage to be compared with the ramp wave voltage input from the slope adjustment circuit, and a digital processing circuit that determines a digital value corresponding to the analog voltage according to the timing at which the output of the comparison circuit is inverted .
本発明の別の態様は、撮像装置である。この装置は、撮像素子と、撮像素子から出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換する上述したアナログデジタル変換回路と、を備える。 Another aspect of the present invention is an imaging apparatus. This apparatus includes an image sensor and the above-described analog-digital conversion circuit that converts an analog voltage output from the image sensor into a digital value.
本発明によれば、シングルスロープ型A/D変換回路にて、回路規模の増大を抑制しながら、変換時間を短縮することができる。 According to the present invention, it is possible to shorten the conversion time while suppressing an increase in circuit scale in the single slope type A / D conversion circuit.
図5は、本発明の実施の形態に係るシングルスロープ型A/D変換回路100の構成を示す図である。当該A/D変換回路100は、コンパレータCP、第1容量C1、短絡スイッチSW1、傾き調整回路10およびデジタル処理回路20を備える。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the single slope type A /
コンパレータCPは、デジタル値に変換すべきアナログ電圧と、傾き調整回路10から入力されるランプ波電圧とを比較し、その比較結果をデジタル処理回路20に出力する。コンパレータCPの反転入力端子は第1容量C1に接続され、コンパレータCPの非反転入力端子は傾き調整回路10に接続され、コンパレータCPの出力端子はデジタル処理回路20に接続される。コンパレータCPの非反転入力端子と出力端子とは、短絡スイッチSW1を介して接続される。
The comparator CP compares the analog voltage to be converted into a digital value and the ramp wave voltage input from the
第1容量C1は、その入力端子で入力アナログ信号Vinをサンプリングする。第1容量C1の出力端子はコンパレータCPの反転入力端子に接続される。なお、コンパレータCPの反転入力端子に入力される上記アナログ電圧は、第1容量C1の入力端子に入力される入力アナログ信号Vinの電圧そのものであってもよいし、所定のリセット電圧と当該入力アナログ信号Vinの電圧との差分電圧であってもよい。 The first capacitor C1 samples the input analog signal Vin at its input terminal. The output terminal of the first capacitor C1 is connected to the inverting input terminal of the comparator CP. The analog voltage input to the inverting input terminal of the comparator CP may be the voltage of the input analog signal Vin input to the input terminal of the first capacitor C1, or a predetermined reset voltage and the input analog signal. It may be a differential voltage with respect to the voltage of the signal Vin.
短絡スイッチSW1は、オンすることにより、コンパレータCPをユニティ・ゲイン・バッファ状態にすることができる。これにより、第1容量C1の入力端子に入力アナログ信号Vinがサンプリングされる前に、コンパレータCPのオフセット電圧を第1容量C1に記憶させることができ、コンパレータCPの増幅時(=比較時)にそのオフセット電圧を自動的にキャンセルすることができる。 By turning on the short-circuit switch SW1, the comparator CP can be brought into a unity gain buffer state. Thus, before the input analog signal Vin is sampled at the input terminal of the first capacitor C1, the offset voltage of the comparator CP can be stored in the first capacitor C1, and when the comparator CP is amplified (= compared). The offset voltage can be canceled automatically.
傾き調整回路10は、図示しないランプ波生成回路から、固定の傾きで電圧レベルが順次上昇または下降するランプ波電圧を受け、そのランプ波電圧の傾きを調整して、コンパレータCPの非反転入力端子に出力する。傾き調整回路10の詳細な構成は後述する。なお、当該ランプ波生成回路には、クロックに応じてカウントアップまたはカウントダウンするカウントなどで構成される一般的なものを用いることができる。本実施の形態では、当該ランプ波生成回路は、ランプ波の傾きやステップ幅が固定の単純な構成のものを用いる。
The
デジタル処理回路20は、コンパレータCPの出力が反転したタイミングに応じて、変換対象とされるアナログ電圧に対応するデジタル値を決定する。デジタル処理回路20は、各種の論理回路およびメモリの任意の組み合わせにより構成することが可能である。プロセッサを含んで構成してもよい。
The
デジタル処理回路20は、A/D変換が単一のフェーズで実行される場合、コンパレータCPの出力が反転したタイミングのランプ波電圧に対応するデジタル値を、メモリに記憶する。A/D変換が複数のフェーズで実行される場合、最後のフェーズにおいてコンパレータCPの出力が反転したタイミングのランプ波電圧に対応するデジタル値を、メモリに記憶する。
When the A / D conversion is executed in a single phase, the
デジタル処理回路20は、A/D変換が複数のフェーズで実行される場合、傾き調整回路10に含まれる各種スイッチを制御することにより、傾き調整回路10が調整すべきランプ波の傾き、および第2フェーズ以降におけるランプ波の初期電圧レベルを設定する。この処理の詳細は後述する。
When the A / D conversion is executed in a plurality of phases, the
図6は、傾き調整回路10の詳細な構成を示す図である。傾き調整回路10は、抵抗ラダー15および第2容量C2を含む。傾き調整回路10では、抵抗ラダー15に含まれる複数の抵抗の分圧比が調整されることにより、ランプ波電圧の傾きが調整される。
FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of the
以下、抵抗ラダー15についてより具体的に説明する。本実施の形態では、電圧加算型のR−2R抵抗ラダーが用いられる。固定のランプ波電圧Vrpを受ける入力端子に、5つの2R抵抗(2Ra、2Rb、2Rc、2Rd、2Re)が、それぞれ5つのラダー制御スイッチ(SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SW2e)を介して並列に接続される。コンパレータCPの反転入力端子と接地端子との間に、5つのR抵抗(Ra、Rb、Rc、Rd、Re)が直列に接続される。
Hereinafter, the
2R抵抗(2Ra)のコンパレータCP側端子は、R抵抗(Ra)のコンパレータCP側端子に接続され、2R抵抗(2Rb)のコンパレータCP側端子は、R抵抗(Rb)のコンパレータCP側端子に接続され、2R抵抗(2Rc)のコンパレータCP側端子は、R抵抗(Rc)のコンパレータCP側端子に接続され、2R抵抗(2Rd)のコンパレータCP側端子は、R抵抗(Rd)のコンパレータCP側端子に接続され、2R抵抗(2Re)のコンパレータCP側端子は、R抵抗(Rd)の接地側端子に接続される。 The comparator CP side terminal of the 2R resistor (2Ra) is connected to the comparator CP side terminal of the R resistor (Ra), and the comparator CP side terminal of the 2R resistor (2Rb) is connected to the comparator CP side terminal of the R resistor (Rb). The comparator CP side terminal of the 2R resistor (2Rc) is connected to the comparator CP side terminal of the R resistor (Rc), and the comparator CP side terminal of the 2R resistor (2Rd) is connected to the comparator CP side terminal of the R resistor (Rd). The comparator CP side terminal of the 2R resistor (2Re) is connected to the ground side terminal of the R resistor (Rd).
2R抵抗の抵抗値はR抵抗の抵抗値の2倍である。したがって、このR−2R抵抗ラダーでは、4つのR抵抗(Ra、Rb、Rc、Rd)で構成される直列回路上の、どの接続点からみても抵抗値が2/3Rとなる。これらの接続点に流す電流をIとすると、各接続点にI・2/3R=Vの電圧が発生する。 The resistance value of the 2R resistor is twice the resistance value of the R resistor. Therefore, in this R-2R resistance ladder, the resistance value is 2 / 3R from any connection point on the series circuit composed of four R resistances (Ra, Rb, Rc, Rd). Assuming that the current flowing through these connection points is I, a voltage of I · 2 / 3R = V is generated at each connection point.
したがって、1段目のラダー制御スイッチSW2aのみがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧はVとなり、2段目のラダー制御スイッチSW2bのみがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧は1/2Vとなり、3段目のラダー制御スイッチSW2cのみがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧は1/4Vとなり、4段目のラダー制御スイッチSW2dのみがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧は1/8Vとなり、5段目のラダー制御スイッチSW2eのみがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧は1/16Vとなる。 Therefore, when only the first-stage ladder control switch SW2a is turned on, the output voltage of the R-2R resistor ladder becomes V, and when only the second-stage ladder control switch SW2b is turned on, the R-2R resistor When the ladder output voltage is 1 / 2V and only the third-stage ladder control switch SW2c is turned on, the output voltage of the R-2R resistor ladder becomes 1 / 4V, and only the fourth-stage ladder control switch SW2d is turned on. When turned on, the output voltage of the R-2R resistor ladder becomes 1 / 8V, and when only the fifth ladder control switch SW2e is turned on, the output voltage of the R-2R resistor ladder becomes 1 / 16V. .
また、1段目および2段目のラダー制御スイッチSW2a、SW2bがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧はV+1/2V=3/2Vとなり、1段目、2段目および3段目のラダー制御スイッチSW2a、SW2b、SW2cがオンされた場合、当該R−2R抵抗ラダーの出力電圧はV+1/2V+1/4V=7/4Vとなる。
When the first and second ladder control switches SW2a and SW2b are turned on, the output voltage of the R-2R resistor ladder is V + 1 / 2V = 3 / 2V, and the first, second and third stages. When the ladder control switches SW2a, SW2b, and SW2c at the stage are turned on, the output voltage of the R-2R resistor ladder is V + 1 /
このように、5つのラダー制御スイッチ(SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SW2e)をオンオフ制御することにより、当該R−2R抵抗ラダーの分圧比を調整することができ、入力されるランプ波電圧Vrpの傾きを調整することができる。ランプ波の1ステップ期間を同じとした場合、当該傾きを大きくするほど、大きなステップ幅(すなわち、分解能が低い)のランプ波が得られ、当該傾きを小さくするほど、小さなステップ幅(すなわち、分解能が高い)のランプ波が得られる。 As described above, by turning on / off the five ladder control switches (SW2a, SW2b, SW2c, SW2d, SW2e), the voltage dividing ratio of the R-2R resistor ladder can be adjusted, and the input ramp wave voltage Vrp Can be adjusted. When one step period of the ramp wave is the same, a ramp wave having a larger step width (ie, lower resolution) is obtained as the slope is increased, and a smaller step width (ie, resolution is obtained as the slope is reduced). Is high).
この5つのラダー制御スイッチ(SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SW2e)のオンオフ制御は、図示しない制御部により実行されてもよいし、デジタル処理回路20により実行されてもよい。前者の例として、アプリケーションの要請で分解能を変更する必要がある場合などが挙げられる。たとえば、デジタルムービーカメラにおいて、静止画を撮影するときの分解能を、動画を撮影するときの分解能より高く設定し、撮影モードにより分解能を切り替えるなどの処理が考えられる。
The on / off control of the five ladder control switches (SW2a, SW2b, SW2c, SW2d, SW2e) may be executed by a control unit (not shown) or may be executed by the
第2容量C2は、当該A/D変換回路100がアナログ電圧を複数のフェーズでデジタル値に変換する場合、必須構成である。逆に、当該A/D変換回路100がアナログ電圧を単一のフェーズでデジタル値に変換する場合、必須構成ではない。
The second capacitor C2 is an essential configuration when the A /
第2容量C2は、抵抗ラダー15の出力端子とコンパレータCPの反転入力端子との間に接続される。第2容量C2の両端子に供給される参照直流電圧のレベルが調整されることにより、コンパレータCPに入力されるランプ波電圧の初期電圧レベルが調整される。
The second capacitor C2 is connected between the output terminal of the
以下、より具体的に説明する。第2容量C2の入力端子には、n(nは自然数)種類の直流電圧(Vdc1、Vdc2、・・・、Vdcn)が印加可能な構成となっている。同様に、第2容量C2の出力端子には、n種類の直流電圧(Vdc1、Vdc2、・・・、Vdcn)が印加可能な構成となっている。 More specific description will be given below. The input terminal of the second capacitor C2 is configured to be able to apply n (n is a natural number) types of DC voltages (Vdc1, Vdc2,..., Vdcn). Similarly, n types of DC voltages (Vdc1, Vdc2,..., Vdcn) can be applied to the output terminal of the second capacitor C2.
n種類の直流電圧(Vdc1、Vdc2、・・・、Vdcn)は、各フェーズにおけるランプ波の初期電圧レベル候補をすべて網羅した直流電圧である。たとえば、2段階のフェーズに分けてA/D変換する場合にて、第1フェーズで変換対象の電圧値がフルレンジの上半分に存在するか下半分に存在するかを判定し、第2フェーズでその存在するほうのレンジを探索範囲とする構成について考える。この場合、フルレンジの最低基準電圧(たとえば、グランド電圧)と、そのフルレンジの半分の中間電圧との2種類の直流電圧が必要となる。第1フェーズで変換対象の電圧値がフルレンジの上半分に存在する場合、第2フェーズでは当該中間電圧に対応する直流電圧が初期電圧レベルとして使用される。一方、第1フェーズで変換対象の電圧値が下半分に存在する場合、第2フェーズでは当該最低基準電圧に対応する直流電圧が初期電圧レベルとして使用される。なお、最低基準電圧の代わりに最高基準電圧(たとえば、電源電圧)が用いられてもよい。 The n types of DC voltages (Vdc1, Vdc2,..., Vdcn) are DC voltages that cover all initial voltage level candidates of the ramp wave in each phase. For example, when A / D conversion is performed in two phases, it is determined whether the voltage value to be converted exists in the upper half or the lower half of the full range in the first phase, and in the second phase. Consider a configuration in which the existing range is the search range. In this case, two types of DC voltages are required, ie, the lowest reference voltage (for example, ground voltage) in the full range and an intermediate voltage that is half the full range. When the voltage value to be converted exists in the upper half of the full range in the first phase, the DC voltage corresponding to the intermediate voltage is used as the initial voltage level in the second phase. On the other hand, when the voltage value to be converted exists in the lower half in the first phase, the DC voltage corresponding to the lowest reference voltage is used as the initial voltage level in the second phase. Note that the highest reference voltage (for example, power supply voltage) may be used instead of the lowest reference voltage.
n種類の直流電圧(Vdc1、Vdc2、・・・、Vdcn)を発生させる各電圧源と、第2容量C2の入力端子との間には、入力側制御スッチ(SW31b、SW32b、・・・、SW3nb)がそれぞれ接続される。同様に、n種類の直流電圧(Vdc1、Vdc2、・・・、Vdcn)を発生させる各電圧源と、第2容量C2の出力端子との間には、出力側制御スッチ(SW31a、SW32a、・・・、SW3na)がそれぞれ接続される。 Between each voltage source that generates n types of DC voltages (Vdc1, Vdc2,..., Vdcn) and the input terminal of the second capacitor C2, input side control switches (SW31b, SW32b,...,. SW3nb) are connected to each other. Similarly, output control switches (SW31a, SW32a,...) Are connected between each voltage source for generating n types of DC voltages (Vdc1, Vdc2,..., Vdcn) and the output terminal of the second capacitor C2. .., SW3na) are connected to each other.
たとえば、直流電圧Vdc1が初期電圧に決定された場合、ランプ波電圧Vrpの各ステップごとに、まず、出力側制御スッチSW31aがオンおよび入力側制御スッチSW31bがオフされ、対象ステップの電圧が第2容量C2に記憶される。つぎに、出力側制御スッチSW31aがオフおよび入力側制御スッチSW31bがオンされ、第2容量C2に記憶された電圧がコンパレータCPの非反転入力端子に出力される。このように、第2容量C2の入力端子と出力端子の両方に、n種類の直流電圧(Vdc1、Vdc2、・・・、Vdcn)を印加可能な構成により、ランプ波電圧の開始電圧レベルを様々な位置に設定することができる。 For example, when the DC voltage Vdc1 is determined as the initial voltage, for each step of the ramp voltage Vrp, first, the output side control switch SW31a is turned on and the input side control switch SW31b is turned off, and the voltage of the target step is the second voltage. Stored in the capacitor C2. Next, the output side control switch SW31a is turned off and the input side control switch SW31b is turned on, and the voltage stored in the second capacitor C2 is output to the non-inverting input terminal of the comparator CP. As described above, the start voltage level of the ramp wave voltage can be varied by the configuration in which n types of DC voltages (Vdc1, Vdc2,..., Vdcn) can be applied to both the input terminal and the output terminal of the second capacitor C2. Can be set to any position.
この出力側制御スッチ(SW31a、SW32a、・・・、SW3na)および入力側制御スッチ(SW31b、SW32b、・・・、SW3nb)のオンオフ制御は、図示しない制御部により実行されてもよいし、デジタル処理回路20により実行されてもよい。
The on / off control of the output side control switches (SW31a, SW32a,..., SW3na) and the input side control switches (SW31b, SW32b,..., SW3nb) may be executed by a control unit (not shown) or digitally. It may be executed by the
つぎに、当該A/D変換回路100がアナログ電圧を複数のフェーズでデジタル値に変換する場合の処理について説明する。以下、アナログ電圧を10ビットのデジタル値に変換する例を説明する。図1に示した従来技術1に係るA/D変換回路500で、10ビットのデジタル値に変換するには、1024のステップ段数を持つランプ波が必要である。以下の例では、5段階のフェーズに分割し、第1フェーズで上位1ビット、第2フェーズでそのつぎの1ビット、第3フェーズでそのつぎの1ビット、第4フェーズでそのつぎの1ビット、および第5フェーズで下位6ビットをそれぞれ変換する。そして、各フェーズで傾きの異なるランプ波を使用する。すなわち、傾きの異なる5種類のランプ波を使用する。
Next, processing when the A /
図7は、傾きの異なる5種類のランプ波を示す図である。第1フェーズでは、フルレンジの1/2のステップ幅を持つランプ波を使用する。第2フェーズでは、フルレンジの1/4のステップ幅を持つランプ波を使用する。第3フェーズでは、フルレンジの1/8のステップ幅を持つランプ波を使用する。第4フェーズでは、フルレンジの1/16のステップ幅を持つランプ波を使用する。第5フェーズでは、フルレンジの1/1024のステップ幅を持つランプ波を使用する。なお、第5フェーズのランプ波は便宜上、直線で描いている。このように、フェーズが進むにつれ、ランプ波の傾きは小さく変化していく。すなわち、より粗いレンジでの探索から、より細かいレンジでの探索に順次、切り替えられていく。 FIG. 7 is a diagram showing five types of ramp waves having different inclinations. In the first phase, a ramp wave having a step width of ½ of the full range is used. In the second phase, a ramp wave having a step width of 1/4 of the full range is used. In the third phase, a ramp wave having a step width of 1/8 of the full range is used. In the fourth phase, a ramp wave having a step width of 1/16 of the full range is used. In the fifth phase, a ramp wave having a step width of 1/1024 of the full range is used. The ramp wave of the fifth phase is drawn with a straight line for convenience. Thus, as the phase progresses, the slope of the ramp wave changes slightly. That is, the search is sequentially switched from the search in the coarser range to the search in the finer range.
図8は、図7に示した傾きの異なる5種類のランプ波を用いて、アナログ信号値が10ビットのデジタル信号値に変換される処理の一例を示す図である。第1フェーズでは、デジタル処理回路20は、コンパレータCPの出力が反転した、フルレンジ内の位置に応じて、第2フェーズの初期電圧レベルを決定する。ここでは、コンパレータCPの出力がフルレンジの下半分の範囲で反転したため、第2フェーズの初期電圧レベルは、フルレンジの最低基準電圧となる。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of processing in which an analog signal value is converted into a 10-bit digital signal value using the five types of ramp waves having different inclinations illustrated in FIG. 7. In the first phase, the
デジタル処理回路20は、決定した初期電圧レンジに設定するため、傾き調整回路10内の出力側制御スッチ(SW31a、SW32a、・・・、SW3na)および入力側制御スッチ(SW31b、SW32b、・・・、SW3nb)を制御する。また、ランプ波の傾きを第2フェーズの傾きに切り替えるため、傾き調整回路10内のラダー制御スイッチ(SW2a、SW2b、SW2c、SW2d、SW2e)を制御する。
The
第2フェーズでは、デジタル処理回路20は、コンパレータCPの出力が反転した、フルレンジの下半分レンジ内の位置に応じて、第3フェーズの初期電圧レベルを決定する。ここでは、コンパレータCPの出力がその下半分レンジの上半分レンジの範囲で反転したため、第3フェーズの初期電圧レベルは、フルレンジの1/4電圧となる。デジタル処理回路20は、決定した初期電圧レンジに設定するため、傾き調整回路10を制御する。以下、同様の処理を繰り返すことにより、第5フェーズでコンパレータCPの出力が反転した位置に対応するデジタル値を、最終結果とする。
In the second phase, the
以上の処理では、第1フェーズでステップ段数が2、第2フェーズでステップ段数が2、第3フェーズでステップ段数が2、第4フェーズでステップ段数が2、および第5フェーズでステップ段数が64必要であり、合計のステップ段数が72となる。このように、アナログ電圧を10ビットのデジタル値に変換するのに、従来技術1に係るA/D変換回路500では、1024のステップ段数が必要であったが、本実施の形態に係るA/D変換回路500では、72で足りる。
In the above processing, the number of step stages is 2 in the first phase, the number of step stages is 2 in the second phase, the number of step stages is 2 in the third phase, the number of step stages is 2 in the 4th phase, and the number of step stages is 64 in the 5th phase. This is necessary, and the total number of steps is 72. As described above, in order to convert the analog voltage into a 10-bit digital value, the A /
つぎに、アナログ電圧を3段階のフェーズで10ビットのデジタル値に変換する例を説明する。第1フェーズで上位2ビット、第2フェーズでそのつぎの2ビット、および第3フェーズで下位6ビットをそれぞれ変換する。そして、各フェーズで傾きの異なるランプ波を使用する。すなわち、傾きの異なる3種類のランプ波を使用する。 Next, an example in which an analog voltage is converted into a 10-bit digital value in three phases will be described. The upper 2 bits are converted in the first phase, the next 2 bits in the second phase, and the lower 6 bits in the third phase. A ramp wave having a different slope is used in each phase. That is, three types of ramp waves having different inclinations are used.
図9は、傾きの異なる3種類のランプ波を用いて、アナログ信号値を10ビットのデジタル信号値に変換する処理の一例を示す図である。この例では、第1フェーズでステップ段数が4、第2フェーズでステップ段数が4、および第3フェーズでステップ段数が64必要であり、合計のステップ段数が72となる。この例でも、図7に示した例と同様にステップ段数が72で足りる。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of processing for converting an analog signal value into a 10-bit digital signal value using three types of ramp waves having different inclinations. In this example, the number of step stages is 4 in the first phase, the number of step stages is 4 in the second phase, and the number of step stages is 64 in the third phase, and the total number of step stages is 72. In this example as well, 72 steps are sufficient as in the example shown in FIG.
このように、フェーズ数(すなわち、ランプ波の種類)および各ランプ波の傾きを自由に変更することができる。すなわち、ビット数の振り分けかたを任意に設定することができる。たとえば、アナログ電圧を10ビットのデジタル信号値に変換するのに、3段階のフェーズに分割し、第1フェーズで上位2ビット、第2フェーズでそのつぎの2ビット、第3フェーズで下位6ビットをそれぞれ変換してもよい。また、第1フェーズで上位1ビット、第2フェーズでそのつぎの3ビット、第3フェーズで下位6ビットをそれぞれ変換してもよい。また、2段階のフェーズに分割し、第1フェーズで上位4ビット、第2フェーズで下位6ビットをそれぞれ変換してもよい。 Thus, the number of phases (that is, the type of ramp wave) and the slope of each ramp wave can be freely changed. That is, it is possible to arbitrarily set how to distribute the number of bits. For example, to convert an analog voltage into a 10-bit digital signal value, it is divided into three phases, the upper 2 bits in the first phase, the next 2 bits in the second phase, and the lower 6 bits in the third phase May be converted respectively. Alternatively, the upper 1 bit may be converted in the first phase, the next 3 bits in the second phase, and the lower 6 bits in the third phase. Further, it may be divided into two stages, and the upper 4 bits may be converted in the first phase and the lower 6 bits may be converted in the second phase.
なお、図示しない制御部、またはデジタル処理回路20は、このフェーズ数および各ランプ波の傾きをアプリケーションからの要求に応じて、適応的に変化させてもよい。
Note that the control unit (not shown) or the
図10は、傾きの異なる5種類のランプ波を用いて、アナログ信号値を10ビットのデジタル信号値に変換する処理の変形例を示す図である。本変形例は、図8に示した基本例と比較し、最後のフェーズにおけるランプ波の初期電圧レベルにオフセットを持たせる例である。図10にて、最後のフェーズにおける開始点(小)は、図8に示した基本例の開始点であり、最後のフェーズにおける開始点(大)は、本変形例の開始点である。すなわち、ランプ波電圧の上昇または下降する方向に対して逆方向に、所定の電圧幅、本来の開始点(すなわち、初期電圧レベル)よりずらされた位置に開始点が設定される。 FIG. 10 is a diagram illustrating a modification of the process of converting an analog signal value into a 10-bit digital signal value using five types of ramp waves having different inclinations. This modification is an example in which the initial voltage level of the ramp wave in the last phase is offset compared to the basic example shown in FIG. In FIG. 10, the starting point (small) in the last phase is the starting point of the basic example shown in FIG. 8, and the starting point (large) in the last phase is the starting point of this modification. That is, the starting point is set at a position shifted from the original starting point (that is, the initial voltage level) in a direction opposite to the direction in which the ramp wave voltage increases or decreases.
また、図10では、最後のフェーズにおけるランプ波の分解能が本来の分解能より増加されている。基本例では、最後のフェーズにおけるランプ波の本来の分解能は6ビットであるが、本変形例では分解能が7ビットである。すなわち、1ビット分、分解能が増加されている。図10にて、点線が描かれた右上がり線が、分解能が増大されたランプ波電圧を示す。分解能が6ビットの場合の探索電圧レンジR1と、分解能が7ビットの場合の探索電圧レンジR2を比較すると、後者のほうが広範囲であることが分かる。 In FIG. 10, the resolution of the ramp wave in the last phase is increased from the original resolution. In the basic example, the original resolution of the ramp wave in the last phase is 6 bits, but in this modification, the resolution is 7 bits. That is, the resolution is increased by 1 bit. In FIG. 10, a rising line with a dotted line indicates a ramp voltage with an increased resolution. Comparing the search voltage range R1 when the resolution is 6 bits and the search voltage range R2 when the resolution is 7 bits, it can be seen that the latter is wider.
以上説明したように本実施の形態によれば、ランプ波の傾きを調整することができる傾き調整回路10を用いることにより、シングルスロープ型A/D変換回路にて、回路規模の増大を抑制しながら、変換時間を短縮することができる。すなわち、傾き調整回路10に入力されるランプ波が1種類でよいため、ランプ波生成回路の構成を簡素化することができる。また、傾き調整回路10を抵抗ラダー15と第2容量C2で構成することにより、傾き調整回路10による回路規模の増大を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, by using the
また、A/D変換を複数のフェーズに分割して行うことにより、変換時間を大幅に短縮することができる。A/D変換を複数のフェーズに分割して行う場合、傾きの異なる複数種類のランプ波が必要であるが、本実施の形態では、傾きの異なる複数種類のランプ波を傾き調整回路10で生成することができる。その際、固定の1種類のランプ波をもとに、傾き調整回路10で傾きの異なる複数種類のランプ波を生成するため、別々のランプ波生成回路により別々に生成される場合と比較し、複数種類のランプ波間のバラツキを低減することができる。したがって、変換精度の低下を抑制することができる。
Further, by performing A / D conversion in a plurality of phases, the conversion time can be greatly shortened. When A / D conversion is performed by dividing into a plurality of phases, a plurality of types of ramp waves having different inclinations are necessary. In this embodiment, a plurality of types of ramp waves having different inclinations are generated by the
また、傾き調整回路10でランプ波の傾きを調整可能なことから、フェーズ数および各フェーズの分解能を柔軟に変更することができる。
In addition, since the slope of the ramp wave can be adjusted by the
また、最後のフェーズにおけるランプ波の初期電圧レベルにオフセットを持たせることにより、その初期電圧レベルの境界の信号も精度よく判定することができる。したがって、最後のフェーズの1つ前のフェーズにおいて判定エラーが発生した場合でも、その判定エラーの大半を検知して、補正することができる。図10では、最後のフェーズにおけるランプ波の、ある初期電圧レベルとその隣の初期電圧レベルとの中間地点までしか、オフセットの範囲をとらなかったが、その範囲をその隣の初期電圧レベルまで広げれば、さらに多くの上記判定エラーを検知することができる。 Further, by giving an offset to the initial voltage level of the ramp wave in the last phase, the signal at the boundary of the initial voltage level can also be accurately determined. Therefore, even when a determination error occurs in the phase immediately before the last phase, most of the determination error can be detected and corrected. In FIG. 10, the range of the offset was taken only to the intermediate point between the initial voltage level of the ramp wave in the last phase and the adjacent initial voltage level, but the range can be expanded to the adjacent initial voltage level. As a result, more determination errors can be detected.
また、最後のフェーズにおけるランプ波の分解能を増やすことによっても、上記判定エラーの検知可能性を高めることができる。両者を併用することにより、上記判定エラーの検知可能性をさらに高めることができる。 Also, the possibility of detecting the determination error can be increased by increasing the resolution of the ramp wave in the last phase. By using both together, the detection possibility of the determination error can be further enhanced.
図11は、実施の形態に係るシングルスロープ型A/D変換回路100を搭載した撮像装置700の構成を示す図である。撮像装置700は、デジタルカメラであってもよいし、携帯電話機に搭載されたカメラモジュールであってもよい。撮像装置700は、撮像素子50、CDS回路60、シングルスロープ型A/D変換回路100およびランプ波生成回路70を備える。
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of an
撮像素子50は、CMOSイメージセンサまたはCCDイメージセンサを用いることができる。シングルスロープ型A/D変換回路100は、CDS回路60を介して撮像素子50から入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換する。ランプ波生成回路70は1種類のランプ波電圧を生成して、シングルスロープ型A/D変換回路100に供給する。本構成によれば、小型かつ処理時間が短い撮像装置を構築することができる。
The
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能である。また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and various modifications can be made to combinations of each component and each processing process. Those skilled in the art will appreciate that such modifications are also within the scope of the present invention.
たとえば、傾き調整回路10に含まれる抵抗ラダー15は、電圧加算型のR−2R抵抗ラダーに限ることなく、電流加算型のR−2R抵抗ラダーを用いてもよいし、複数の抵抗が直列に接続された抵抗列であってもよい。
For example, the
100 シングルスロープ型A/D変換回路、C1 第1容量、 SW1 短絡スイッチ、 C2 第2容量、 10 傾き調整回路、 15 抵抗ラダー、 CP コンパレータ、 20 デジタル処理回路。 100 single slope type A / D conversion circuit, C1 first capacitor, SW1 short-circuit switch, C2 second capacitor, 10 tilt adjustment circuit, 15 resistor ladder, CP comparator, 20 digital processing circuit.
Claims (5)
デジタル値に変換すべきアナログ電圧と、前記傾き調整回路から入力されるランプ波電圧とを比較する比較回路と、
前記比較回路の出力が反転したタイミングに応じて、前記アナログ電圧に対応するデジタル値を決定するデジタル処理回路と、
を備えることを特徴とするアナログデジタル変換回路。 A slope adjustment circuit that receives a ramp voltage whose voltage level rises or falls with a fixed slope, adjusts the slope of the ramp voltage, and outputs it;
A comparison circuit that compares an analog voltage to be converted into a digital value with a ramp voltage input from the slope adjustment circuit;
A digital processing circuit that determines a digital value corresponding to the analog voltage according to the timing at which the output of the comparison circuit is inverted;
An analog-digital conversion circuit comprising:
当該抵抗ラダーに含まれる複数の抵抗の分圧比が調整されることにより、前記ランプ波電圧の傾きが調整されることを特徴とする請求項1に記載のアナログデジタル変換回路。 The tilt adjustment circuit includes a resistance ladder,
The analog-digital conversion circuit according to claim 1, wherein the slope of the ramp wave voltage is adjusted by adjusting a voltage dividing ratio of a plurality of resistors included in the resistor ladder.
前記容量は、前記抵抗ラダーの出力端子と前記比較回路の入力端子との間に接続され、
前記容量の両端子に供給される参照直流電圧のレベルが調整されることにより、前記比較回路に入力されるランプ波電圧の初期電圧レベルが調整されることを特徴とする請求項2に記載のアナログデジタル変換回路。 The inclination adjustment circuit further includes a capacitor,
The capacitor is connected between an output terminal of the resistance ladder and an input terminal of the comparison circuit,
The initial voltage level of the ramp wave voltage input to the comparison circuit is adjusted by adjusting the level of the reference DC voltage supplied to both terminals of the capacitor. Analog-digital conversion circuit.
前記傾き調整回路は、フェーズが進むにつれ、前記ランプ波電圧の傾きを小さなものに変化させることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のアナログデジタル変換回路。 The analog-to-digital conversion circuit divides the analog voltage into a plurality of phases and converts it into the digital value,
4. The analog-digital conversion circuit according to claim 1, wherein the slope adjustment circuit changes the slope of the ramp wave voltage to a smaller one as the phase progresses. 5.
前記撮像素子から出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換する請求項1から4のいずれかに記載のアナログデジタル変換回路と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 An image sensor;
The analog-to-digital conversion circuit according to any one of claims 1 to 4, which converts an analog voltage output from the image sensor into a digital value;
An imaging apparatus comprising:
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