JP2014140212A - Solid state imaging device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce accurate digital data while adopting a successive approximation technique in performing an analog-digital conversion process in multiple stages.SOLUTION: An AD converter provided includes a ramp waveform signal generation section 14 for generating a ramp voltage on the basis of a count signal from a counter 15, a signal conversion section 13, and a control section 18. The signal conversion section 13 includes a sample-and-hold circuit for holding an input signal voltage, a successive approximation capacitor group 16 for outputting a plurality of bias voltages in accordance with a connection combination of a predetermined number of capacitors having different capacitance values, and a comparison section 17 for comparing the signal voltage with one of the ramp voltage and the bias voltage. The control section 18 generates a digital signal of the signal voltage on the basis of the result of comparison in the comparison section 17 between the bias voltage and the signal voltage and the result of comparison in the comparison section 17 between the ramp voltage and the signal voltage, and acquires data for calibration of the successive approximation capacitor group 16 on the basis of the connection combination of capacitors and the ramp voltage.

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device.

従来、動作方式の異なる複数種類のアナログデジタル変換器が知られている。そのような動作方式としては、いわゆるカウンタ・ランプ方式や逐次比較方式が知られている。カウンタ・ランプ方式においては、電圧値が一定の傾きで変化するランプ電圧とアナログ信号とをコンパレータで比較し、これらの2つの電圧が一致するまでのカウント数からアナログ信号のデジタル値が得られる。逐次比較方式においては、複数の容量の組み合わせによって生成される参照電圧とアナログ信号とをコンパレータで比較しながら参照電圧をアナログ信号に漸近させ、そのときのコンパレータの出力がアナログ信号のデジタル値として得られる。   Conventionally, a plurality of types of analog-digital converters having different operation methods are known. As such an operation method, a so-called counter / ramp method or successive approximation method is known. In the counter ramp method, a ramp voltage whose voltage value changes with a constant slope is compared with an analog signal by a comparator, and a digital value of the analog signal is obtained from the number of counts until these two voltages match. In the successive approximation method, the comparator compares the reference voltage generated by the combination of multiple capacitors and the analog signal with the comparator, and asymptotically approximates the reference voltage to the analog signal, and the output of the comparator at that time is obtained as the digital value of the analog signal. It is done.

また、アナログ信号を上位ビットと下位ビットとに分けて2段階でデジタル変換するアナログデジタル変換器が知られている(例えば、特許文献1参照。)。   There is also known an analog-digital converter that divides an analog signal into upper bits and lower bits and performs digital conversion in two stages (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−243324号公報JP 2007-243324 A

特許文献1のように複数の動作方式を組み合わせる場合、アナログデジタル変換器の高速化を図るためには逐次比較方式が好適である。しかしながら、逐次比較方式で用いられる容量の容量値には製造誤差によってばらつきが生じやすい。これによりバイアス電圧の電圧値が不正確になると、正確なデジタルデータが得られないという問題がある。   When combining a plurality of operation methods as in Patent Document 1, the successive approximation method is suitable for speeding up the analog-digital converter. However, the capacitance values of the capacitors used in the successive approximation method tend to vary due to manufacturing errors. As a result, if the voltage value of the bias voltage becomes inaccurate, there is a problem that accurate digital data cannot be obtained.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数段階でアナログデジタル変換処理を行うアナログデジタル変換器において、逐次比較方式を採用しつつ正確なデジタルデータを得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances described above, and in an analog-digital converter that performs analog-digital conversion processing in a plurality of stages, solid-state imaging capable of obtaining accurate digital data while adopting a successive approximation method An object is to provide an apparatus.

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、複数の画素がマトリックス状に配置された画素部と、前記複数の画素から信号電圧を読み出す垂直シフトレジスタおよび水平シフトレジスタと、該垂直シフトレジスタおよび水平シフトレジスタによって読み出された信号電圧をデジタル変換するアナログデジタル変換器とを備える固定撮像装置であって、前記アナログデジタル変換器が、クロック信号を所定の方向へカウントし、カウント信号を出力するカウンタと、前記カウント信号に基づきランプ波形信号を発生するランプ波形信号発生部と、複数の信号変換部と、該信号変換部を制御する制御部とを備え、前記信号変換部の各々は、入力されてきた信号の電圧をサンプリングして保持するサンプルホールド回路と、2倍ごとに容量値が異なる所定の数の容量を有し、これらの容量の接続を変更することによりレベルの異なるバイアス電圧を出力する逐次比較容量群と、前記ランプ波形信号の電圧および前記バイアス電圧の一方が選択された選択電圧と、前記サンプルホールド回路で保持された電圧および所定の参照電圧の一方とを加算した加算電圧を出力する電圧加算部と、前記サンプルホールド回路で保持された電圧および前記所定の参照電圧のうち他方である非加算対象電圧と前記加算電圧とを比較する比較部とを備え、前記制御部が、前記バイアス電圧を前記選択電圧として前記電圧加算部で加算された前記加算電圧と前記非加算対象電圧とを前記容量の前記所定の数の接続組合せにおいて前記比較部によって比較した結果に基づき生成された第1のデジタルデータと、前記ランプ波形信号の電圧を前記選択電圧として前記電圧加算部で加算された前記加算電圧と前記非加算対象電圧とを前記比較部で比較した結果に基づき生成された第2のデジタルデータとに基づき、前記サンプルホールド回路に保持された電圧をデジタル変換するとともに、前記逐次比較容量群の前記容量の接続組合せと、前記ランプ波形信号発生部が発生する信号とに基づき前記逐次比較容量群のキャリブレーション用データを取得し、前記画素部、前記垂直シフトレジスタおよび前記水平シフトレジスタが、1つの半導体基板に形成され、前記画素部、前記垂直シフトレジスタおよび前記水平シフトレジスタを除く他の構成が、もう1つの半導体基板に形成され、これら2つの半導体基板が、その板厚方向に積層されていることを特徴とする固体撮像装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention relates to a pixel portion in which a plurality of pixels are arranged in a matrix, a vertical shift register and a horizontal shift register that read a signal voltage from the plurality of pixels, and a signal read by the vertical shift register and the horizontal shift register A fixed imaging device comprising an analog-digital converter for digitally converting a voltage, wherein the analog-digital converter counts a clock signal in a predetermined direction and outputs a count signal, and a ramp based on the count signal A ramp waveform signal generator for generating a waveform signal; a plurality of signal converters; and a controller for controlling the signal converter. Each of the signal converters samples a voltage of an input signal. A sample-and-hold circuit that holds and a predetermined number of capacitors whose capacitance values are different every two times. A successive comparison capacitor group that outputs bias voltages of different levels by changing the connection of the capacitors, a selection voltage in which one of the voltage of the ramp waveform signal and the bias voltage is selected, and held by the sample hold circuit A voltage adding unit that outputs an addition voltage obtained by adding one of the voltage and a predetermined reference voltage; a voltage held by the sample hold circuit; and a non-addition target voltage that is the other of the predetermined reference voltage and the addition voltage A comparison unit, and the control unit uses the bias voltage as the selection voltage to add the addition voltage added by the voltage addition unit and the non-addition target voltage to the predetermined number of capacitors. In the connection combination, the first digital data generated based on the result of comparison by the comparison unit and the voltage of the ramp waveform signal are selected. Based on the second digital data generated based on the comparison result of the addition voltage added by the voltage addition unit as the voltage and the non-addition target voltage by the comparison unit, the voltage is held in the sample hold circuit. Digitally converting the voltage, acquiring calibration data of the successive approximation capacitor group based on a connection combination of the capacitors of the successive approximation capacitor group and a signal generated by the ramp waveform signal generation unit, and the pixel unit The vertical shift register and the horizontal shift register are formed on one semiconductor substrate, and other configurations excluding the pixel portion, the vertical shift register and the horizontal shift register are formed on another semiconductor substrate. Provided is a solid-state imaging device in which two semiconductor substrates are stacked in the thickness direction.

本発明によれば、サンプルホールド回路が保持する電圧は、逐次比較容量群が生成する複数のバイアス電圧と比較部によって比較されることにより一部が逐次比較方式によってデジタル変換され、また、ランプ波形信号発生部が発生するランプ波形信号と比較部によって比較されることにより他の部分がカウンタ・ランプ方式によってデジタル変換される。これら2つのデジタルデータからサンプルホールド回路に入力された信号の電圧のデジタル信号が得られる。   According to the present invention, the voltage held by the sample-and-hold circuit is partly digitally converted by the successive approximation method by comparing with a plurality of bias voltages generated by the successive approximation capacitor group by the comparison unit, and the ramp waveform By comparing the ramp waveform signal generated by the signal generator with the comparator, the other part is digitally converted by the counter ramp method. From these two digital data, a digital signal having the voltage of the signal input to the sample and hold circuit is obtained.

この場合に、ランプ波形信号発生部が発生する電圧値が既知の電圧と逐次比較容量群の容量が発生するバイアス電圧とを比較部によって比較することにより、各容量の容量値のばらつきの情報を含むキャリブレーション用のデータが得られる。このキャリブレーション用データを用いて逐次比較方式によって変換されたデジタルデータを補償することにより、正確なデジタルデータを得ることができる。   In this case, by comparing the voltage generated by the ramp waveform signal generation unit with a voltage with a known voltage value and the bias voltage generated by the capacitance of the successive approximation capacitor group by the comparison unit, information on variation in the capacitance value of each capacitor can be obtained. Including calibration data is obtained. Accurate digital data can be obtained by compensating the digital data converted by the successive approximation method using the calibration data.

上記発明においては、前記複数の信号変換部が、前記画素部の画素列に対応して設けられていてもよい。   In the above invention, the plurality of signal conversion units may be provided corresponding to the pixel columns of the pixel unit.

本発明によれば、複数段階でアナログデジタル変換処理を行うアナログデジタル変換器において、逐次比較方式を採用しつつ正確なデジタルデータを得ることができるという効果を奏する。   According to the present invention, in an analog-digital converter that performs analog-digital conversion processing in a plurality of stages, there is an effect that accurate digital data can be obtained while adopting a successive approximation method.

本発明の一実施形態に係るアナログデジタル変換器およびこれを備える固体撮像装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the analog-digital converter which concerns on one Embodiment of this invention, and a solid-state imaging device provided with the same. 図1の信号変換回路の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the signal converter circuit of FIG. 図2のDAC回路の構成を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a DAC circuit in FIG. 2. 図1のアナログデジタル変換器の動作の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of operation | movement of the analog-digital converter of FIG. 図2の信号変換回路による上位ビットのデジタル変換の動作の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an operation of high-order bit digital conversion by the signal conversion circuit of FIG. 2. 図2の信号変換回路による上位ビットのデジタル変換の動作のもう1つの例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating another example of the operation of high-order bit digital conversion by the signal conversion circuit of FIG. 2. 図3のDAC回路の変形例の構成を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a modified example of the DAC circuit of FIG. 3. 図7のDAC回路を備える変形例に係る固体撮像装置のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the calibration operation | movement of the solid-state imaging device which concerns on the modification provided with the DAC circuit of FIG. 図8のフローチャートの容量26校正ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the capacity | capacitance 26 calibration routine of the flowchart of FIG. 図8のフローチャートの容量25校正ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the capacity | capacitance 25 calibration routine of the flowchart of FIG. 図1の固体撮像装置の変形例の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the modification of the solid-state imaging device of FIG. 図1の固体撮像装置の動作の変形例を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart showing a modification of the operation of the solid-state imaging device of FIG. 1.

以下に、本発明の一実施形態に係るアナログデジタル(AD)変換器1およびこれを備える固体撮像装置100について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置100は、図1に示されるように、複数の画素2が行列方向に配列されてなる画素アレイ(画素部)3と、画素2から信号電圧を読み出す垂直シフトレジスタ4および水平シフトレジスタ5と、これらのシフトレジスタ4,5によって読み出された信号電圧をデジタル変換するAD変換器1と、該AD変換器1の周辺に設けられた周辺回路とを備えている。
Hereinafter, an analog-to-digital (AD) converter 1 according to an embodiment of the present invention and a solid-state imaging device 100 including the same will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 100 according to this embodiment includes a pixel array (pixel unit) 3 in which a plurality of pixels 2 are arranged in a matrix direction, and a vertical shift register that reads a signal voltage from the pixels 2. 4 and a horizontal shift register 5, an AD converter 1 for digitally converting a signal voltage read by these shift registers 4, 5, and a peripheral circuit provided around the AD converter 1. .

これらの構成のうち、画素アレイ3および2つのシフトレジスタ4,5は1つの半導体基板100aに形成され、他の構成はもう1つの半導体基板100bに形成されている。これらの半導体基板100a,100bは、その板厚方向に積層される。このようにすることで、1つの半導体基板に全ての回路を形成した場合と比べて半導体基板100a,100bの面積を縮小し、固体撮像装置1が搭載される装置の小型化を図ることができる。   Among these configurations, the pixel array 3 and the two shift registers 4 and 5 are formed on one semiconductor substrate 100a, and the other configurations are formed on another semiconductor substrate 100b. These semiconductor substrates 100a and 100b are stacked in the thickness direction. By doing in this way, compared with the case where all the circuits are formed on one semiconductor substrate, the area of the semiconductor substrates 100a and 100b can be reduced, and the device on which the solid-state imaging device 1 is mounted can be downsized. .

符号6は、一方の半導体基板100a上の水平シフトレジスタ5から、他方の半導体基板100b上のAD変換器1が備えるサンプルホールド回路12(後述)に信号を伝達する配線を示している。配線6は、画素アレイ3の各列と対応して列の数と同じ数が設けられていてもよい。または、配線6は、複数の列と対応して設けられ、複数の列の画素2の信号が同一の配線6で伝達されてもよい。   Reference numeral 6 denotes a wiring for transmitting a signal from the horizontal shift register 5 on one semiconductor substrate 100a to the sample hold circuit 12 (described later) included in the AD converter 1 on the other semiconductor substrate 100b. The wiring 6 may be provided in the same number as the number of columns corresponding to each column of the pixel array 3. Alternatively, the wiring 6 may be provided corresponding to a plurality of columns, and signals of the pixels 2 in the plurality of columns may be transmitted through the same wiring 6.

固体撮像装置100は、以下のような動作により画素2の信号電圧をデジタル信号として外部に出力する。
まず、垂直シフトレジスタ4が、画素アレイ3のうち1行目の画素2を選択する。水平シフトレジスタ5は、垂直シフトレジスタ4によって選択された1行目の画素2から信号電圧を受け取り、AD変換器1に出力する。AD変換器1によって信号電圧から変換された1行分の画素2のデジタル信号はメモリ回路7に記憶され後にパラレルシリアル変換回路8によってパラレル信号からシリアル信号に変換され、LVDSのようなシリアルデジタル出力回路9から図示しない外部の回路に出力される。これにより、1行目の画素2の信号電圧をデジタル信号として外部に出力する。
The solid-state imaging device 100 outputs the signal voltage of the pixel 2 to the outside as a digital signal by the following operation.
First, the vertical shift register 4 selects the pixels 2 in the first row in the pixel array 3. The horizontal shift register 5 receives a signal voltage from the pixels 2 in the first row selected by the vertical shift register 4 and outputs the signal voltage to the AD converter 1. The digital signal of the pixels 2 for one row converted from the signal voltage by the AD converter 1 is stored in the memory circuit 7 and then converted from the parallel signal to the serial signal by the parallel-serial conversion circuit 8 and serial digital output such as LVDS. The signal is output from the circuit 9 to an external circuit (not shown). Thereby, the signal voltage of the pixels 2 in the first row is output to the outside as a digital signal.

固体撮像装置100は、垂直シフトレジスタ4によって選択する画素アレイ3の行を1行ずつずらしながら、1行分ずつ画素2の信号電圧をデジタル信号として外部に出力する。
図中、符号10は電源回路、符号11は各回路を駆動するためのパルスを発生するパルス発生回路を示している。
The solid-state imaging device 100 outputs the signal voltage of the pixel 2 for each row as a digital signal to the outside while shifting the row of the pixel array 3 selected by the vertical shift register 4 one row at a time.
In the figure, reference numeral 10 denotes a power supply circuit, and reference numeral 11 denotes a pulse generation circuit that generates a pulse for driving each circuit.

次に、本実施形態に係るAD変換器1の構成および作用について詳細に説明する。
AD変換器1は、画素2からの信号電圧の上位ビットを逐次比較方式によりデジタル変換する構成と、下位ビットをカウンタ・ランプ方式を用いてデジタル変換する構成とを備えている。具体的には、AD変換器1は、画素アレイ3の各列に対応して設けられた複数のサンプルホールド回路(信号変換部)12および信号変換回路(信号変換部)13と、これらの信号変換回路13にランプ電圧(ランプ波形信号)を供給するランプ波形発生回路(ランプ波形信号発生部)14と、クロック信号をカウントするカウンタ回路(カウンタ)15とを備えている。
Next, the configuration and operation of the AD converter 1 according to this embodiment will be described in detail.
The AD converter 1 has a configuration in which the upper bits of the signal voltage from the pixel 2 are digitally converted by a successive approximation method and a configuration in which the lower bits are digitally converted by using a counter / ramp method. Specifically, the AD converter 1 includes a plurality of sample and hold circuits (signal conversion units) 12 and signal conversion circuits (signal conversion units) 13 provided corresponding to the respective columns of the pixel array 3, and these signals. A ramp waveform generation circuit (ramp waveform signal generation unit) 14 that supplies a ramp voltage (ramp waveform signal) to the conversion circuit 13 and a counter circuit (counter) 15 that counts clock signals are provided.

なお、図1には、サンプルホールド回路12および信号変換回路13が、画素アレイ3の各列に対して1つずつ設けられた構成が示されているが、これに代えて、サンプルホールド回路12および信号変換回路13が画素アレイ3の複数の列に対して1つずつ設けられていてもよい。   Although FIG. 1 shows a configuration in which one sample hold circuit 12 and one signal conversion circuit 13 are provided for each column of the pixel array 3, instead of this, the sample hold circuit 12 is provided. One signal conversion circuit 13 may be provided for each of a plurality of columns of the pixel array 3.

図2は、各信号変換回路13の構成を示す平面図である。信号変換回路13は、図2に示されるように、DAC回路(逐次比較容量群、電圧加算部)16と、コンパレータ(比較部)17と、制御回路(制御部)18とを備えている。各信号変換回路13の入力端はスイッチSWinを介して対応するサンプルホールド回路12に接続されている。   FIG. 2 is a plan view showing the configuration of each signal conversion circuit 13. As shown in FIG. 2, the signal conversion circuit 13 includes a DAC circuit (successive comparison capacitor group, voltage addition unit) 16, a comparator (comparison unit) 17, and a control circuit (control unit) 18. The input end of each signal conversion circuit 13 is connected to the corresponding sample and hold circuit 12 via a switch SWin.

コンパレータ17は、DAC回路16からの出力電圧Vdacが反転端子に入力され、参照電圧Vが非反転端子に入力される。参照電圧Vは、例えば、0Vである。コンパレータ17は、これら2つの電圧Vdac,Vの大きさを比較する。比較の結果、コンパレータ17の出力は、電圧Vdacが参照電圧Vよりも小さい場合には「high」となり、電圧Vdacが参照電圧Vよりも大きい場合には「low」となる。コンパレータ17から出力された信号レベルはラッチ回路19によってラッチされる。ラッチ回路19は、ラッチした信号レベルを制御回路18および各信号変換回路13の後段に設けられたメモリ回路7に出力する。 Comparator 17, the output voltage Vdac from DAC circuit 16 is input to the inverting terminal, the reference voltage V 0 is input to the non-inverting terminal. The reference voltage V 0 is, for example, 0V. Comparator 17, the two voltage Vdac, compares the magnitude of V 0. Result of the comparison, the output of the comparator 17, when the voltage Vdac smaller than the reference voltage V 0 when "high" and the voltage Vdac greater than the reference voltage V 0 becomes "low". The signal level output from the comparator 17 is latched by the latch circuit 19. The latch circuit 19 outputs the latched signal level to the control circuit 18 and the memory circuit 7 provided in the subsequent stage of each signal conversion circuit 13.

カウンタ回路15は、制御回路18からの指示に基づき、図示しないクロック回路が発生したクロック信号のカウント動作を開始する。
ランプ波形発生回路14は、カウンタ回路15のカウント動作の開始に同期して、時間軸方向に一定の傾きで電圧値が小さくなるランプ電圧Vrampを発生してDAC回路16に出力する。
The counter circuit 15 starts counting a clock signal generated by a clock circuit (not shown) based on an instruction from the control circuit 18.
The ramp waveform generation circuit 14 generates a ramp voltage Vramp that decreases in voltage with a constant slope in the time axis direction in synchronization with the start of the count operation of the counter circuit 15 and outputs the ramp voltage Vramp to the DAC circuit 16.

図3は、DAC回路16の構成を示す平面図である。図3には、5ビットのデジタルデータを生成する構成が例示されている。この構成において、DAC回路16は、7つの容量20〜26と、各容量20〜26に対応して設けられたスイッチSW0〜SW6とを備えている。容量20〜26の容量値はそれぞれ、最も小さい容量20,21の容量値をCとしたときに、C、C、2C、4C、8C、16Cおよび32C(Cは正の定数)である。   FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the DAC circuit 16. FIG. 3 illustrates a configuration for generating 5-bit digital data. In this configuration, the DAC circuit 16 includes seven capacitors 20 to 26 and switches SW0 to SW6 provided corresponding to the capacitors 20 to 26, respectively. The capacitance values of the capacitors 20 to 26 are C, C, 2C, 4C, 8C, 16C, and 32C (C is a positive constant), where C is the smallest capacitance value of the capacitors 20 and 21.

容量20〜26の上側電極は、スイッチSWinおよびコンパレータ17の反転入力端子に並列に接続されている。最も小さい容量値Cを有する一方の容量20の下側電極は、スイッチSW0の切り替えにより、ランプ波形発生回路14からランプ電圧Vrampが入力されるランプ入力端子またはグランド電圧GNDに接続される。他の容量21〜27の下側電極は、スイッチSW1〜SW6の切り替えにより、基準電圧Vrefまたはグランド電圧GNDに接続される。スイッチSW0〜SW6の切り替えは、制御回路18によって制御される。   The upper electrodes of the capacitors 20 to 26 are connected in parallel to the switch SWin and the inverting input terminal of the comparator 17. The lower electrode of one capacitor 20 having the smallest capacitance value C is connected to the lamp input terminal to which the ramp voltage Vramp is input from the ramp waveform generation circuit 14 or the ground voltage GND by switching the switch SW0. The lower electrodes of the other capacitors 21 to 27 are connected to the reference voltage Vref or the ground voltage GND by switching the switches SW1 to SW6. Switching of the switches SW0 to SW6 is controlled by the control circuit 18.

次に、このように構成されたAD変換器1の作用について、図4に示される例を用いて説明する。
水平シフトレジスタ5が読み出した1行分の画素2の信号電圧Vinは、対応する列のサンプルホールド回路12に入力されて該サンプルホールド回路12に保持される。次に、スイッチSWinが閉じられることにより、各サンプルホールド回路12は後段の対応する列の信号変換回路13に信号電圧Vinを出力する。このときに、制御回路18によりスイッチSW0〜SW6はグランド電圧GND側に切り替えられる。これにより、DAC回路16の出力電圧Vdacは信号電圧Vinと等しくなる。この後、スイッチSWinが開放されることにより、DAC回路16の出力電圧VdacはVinに保持される。
Next, the operation of the AD converter 1 configured as described above will be described using an example shown in FIG.
The signal voltage Vin of the pixels 2 for one row read out by the horizontal shift register 5 is input to the sample hold circuit 12 of the corresponding column and held in the sample hold circuit 12. Next, when the switch SWin is closed, each sample and hold circuit 12 outputs the signal voltage Vin to the signal conversion circuit 13 in the corresponding column in the subsequent stage. At this time, the switches SW0 to SW6 are switched to the ground voltage GND side by the control circuit 18. As a result, the output voltage Vdac of the DAC circuit 16 becomes equal to the signal voltage Vin. Thereafter, the switch SWin is opened, whereby the output voltage Vdac of the DAC circuit 16 is held at Vin.

次に、制御回路18は、ラッチ回路19から受け取った信号に基づいてSW1〜SW6を切り替え、コンパレータ17により電圧Vdacと参照電圧Vとを比較することにより、信号電圧Vinの上位5ビット分をデジタル変換する。 Next, the control circuit 18 switches the SW1~SW6 based on the signals received from the latch circuit 19, by comparing the reference voltage V 0 and voltage Vdac by the comparator 17, the upper 5 bits of the signal voltage Vin Digitally convert.

具体的には、まず、最も大きい容量値32Cを有する容量26のスイッチSW6を基準電圧Vref側に切り替える。これにより、DAC回路16の出力電圧VdacはVin−Vref/2となる。コンパレータ17は、出力電圧Vdacと参照電圧Vとを比較する。図4においては、Vdac>V、すなわち、Vin<Vref/2+Vであり、コンパレータ17の出力信号は「low」になり、最上位ビットのデジタル値として「0」が得られる。ラッチ回路19は、この信号レベルをラッチし、制御回路18とメモリ回路7に出力する。 Specifically, first, the switch SW6 of the capacitor 26 having the largest capacitance value 32C is switched to the reference voltage Vref side. As a result, the output voltage Vdac of the DAC circuit 16 becomes Vin−Vref / 2. Comparator 17 compares the output voltage Vdac and the reference voltage V 0. In FIG. 4, Vdac> V 0 , that is, Vin <Vref / 2 + V 0 , the output signal of the comparator 17 is “low”, and “0” is obtained as the digital value of the most significant bit. The latch circuit 19 latches this signal level and outputs it to the control circuit 18 and the memory circuit 7.

次に、制御回路18は、ラッチ回路19からの「low」の入力を受けて、スイッチSW6を基準電圧Vref側に接続したままとし、スイッチSW5を基準電圧Vref側に切り替える。これにより、DAC回路16の出力電圧VdacはVin−(Vref/2+Vref/4)となる。コンパレータ17は、出力電圧Vdacと参照電圧Vとを比較する。図4においては、Vdac<V、すなわち、Vin<Vref/2+Vref/4+Vであり、コンパレータの出力信号は「high」になり、上位2ビット目のデジタル値として「1」が得られる。ラッチ回路19は、信号レベルをラッチし、制御回路18とメモリ回路7に出力する。 Next, the control circuit 18 receives the “low” input from the latch circuit 19, keeps the switch SW 6 connected to the reference voltage Vref side, and switches the switch SW 5 to the reference voltage Vref side. As a result, the output voltage Vdac of the DAC circuit 16 becomes Vin− (Vref / 2 + Vref / 4). Comparator 17 compares the output voltage Vdac and the reference voltage V 0. In FIG. 4, Vdac <V 0 , that is, Vin <Vref / 2 + Vref / 4 + V 0 , the output signal of the comparator is “high”, and “1” is obtained as the digital value of the upper second bit. The latch circuit 19 latches the signal level and outputs it to the control circuit 18 and the memory circuit 7.

次に、制御回路18は、ラッチ回路19からの「high」の入力を受けて、スイッチSW5をグランド電圧GND側に切り替え、スイッチSW4を基準電圧Vref側に切り替える。これにより、DAC回路16の出力電圧VdacはVin−(Vref/2+Vref/8)となる。コンパレータ17は、出力電圧Vdacと参照電圧Vとを比較する。図4においては、Vdac>V、すなわち、Vin<Vref/4+Vref/8+Vであり、コンパレータ17の出力信号は「low」になり、上位3ビット目のデジタル値として「0」が得られる。 Next, upon receiving “high” input from the latch circuit 19, the control circuit 18 switches the switch SW5 to the ground voltage GND side and switches the switch SW4 to the reference voltage Vref side. As a result, the output voltage Vdac of the DAC circuit 16 becomes Vin− (Vref / 2 + Vref / 8). Comparator 17 compares the output voltage Vdac and the reference voltage V 0. In FIG. 4, Vdac> V 0 , that is, Vin <Vref / 4 + Vref / 8 + V 0 , the output signal of the comparator 17 is “low”, and “0” is obtained as the digital value of the upper third bit.

このように、制御回路18は、直前のコンパレータ17による比較結果に応じて基準電圧Vref側に切り替えるスイッチSW1〜6の組み合わせを変更することにより、容量によって生成されるバイアス電圧を、Vref/2,Vref/2+Vref/4,Vref/2+Vref/8,…と信号電圧Vinに漸近するように変化させる。そして、信号電圧Vinと各バイアス電圧との比較結果である「0」または「1」をそのビットのデジタル値とすることにより上位5ビット目までのデジタル値を得る。   As described above, the control circuit 18 changes the combination of the switches SW1 to SW6 to be switched to the reference voltage Vref side according to the comparison result by the immediately previous comparator 17, thereby changing the bias voltage generated by the capacitance to Vref / 2. Vref / 2 + Vref / 4, Vref / 2 + Vref / 8,... Are changed asymptotically to the signal voltage Vin. Then, “0” or “1”, which is a comparison result between the signal voltage Vin and each bias voltage, is used as the digital value of the bit to obtain the digital value up to the fifth bit.

ここで、制御回路18は、図5および図6に示されるように、コンパレータ17の出力が「0」であったときのDAC回路16のデジタルコード(図中、黒塗りライン参照。)を記憶し、上位5ビット分のコンパレータ17による比較が終了した後に、最後に記憶したデジタルコードに対応する出力電圧Vdacをもう一度生成させる。これにより、逐次比較方式によるデジタル変換動作は、出力電圧Vdacが参照電圧Vよりも大きい状態で終了することとなる。なお、図5および図6には、4ビットをデジタル変換する場合が例示されている。 Here, as shown in FIGS. 5 and 6, the control circuit 18 stores the digital code of the DAC circuit 16 when the output of the comparator 17 is “0” (see the black line in the figure). Then, after the comparison by the comparator 17 for the upper 5 bits is completed, the output voltage Vdac corresponding to the last stored digital code is generated once again. Accordingly, the digital converting operation by successive approximations, so that the output voltage Vdac is completed at a greater state than the reference voltage V 0. Note that FIGS. 5 and 6 illustrate a case where 4 bits are digitally converted.

次に、制御回路18は、信号電圧Vinの下位ビットをカウンタ・ランプ方式によってデジタル変換する。具体的には、制御回路18は、最も小さい容量値Cを有する容量20のスイッチSW0をランプ入力端子側に切り替える。これと共に、制御回路18は、カウンタ回路15にクロック信号のカウント開始を指示する。ランプ波形発生回路14は、カウンタ回路15のカウント動作開始を受けて、初期値を基準電圧Vrefとし、一定の傾きで小さくなるランプ電圧Vrampを出力する。コンパレータ17は、反転入力端子に入力される電圧Vdacを参照電圧Vと比較し、Vdac>Vrefの間は「low」を出力する。 Next, the control circuit 18 digitally converts the lower bits of the signal voltage Vin by the counter / ramp method. Specifically, the control circuit 18 switches the switch SW0 of the capacitor 20 having the smallest capacitance value C to the lamp input terminal side. At the same time, the control circuit 18 instructs the counter circuit 15 to start counting the clock signal. The ramp waveform generation circuit 14 receives the start of the count operation of the counter circuit 15, sets the initial value to the reference voltage Vref, and outputs a ramp voltage Vramp that decreases with a constant slope. The comparator 17 compares the voltage Vdac input to the inverting input terminal with the reference voltage V 0, and outputs “low” while Vdac> Vref.

カウンタ回路15は、ラッチ回路19から「low」が入力されている間、クロック信号の数をカウントし続け、ラッチ回路19からの入力が「high」に変化したときにカウントを停止する。カウンタ回路15がカウントしたクロック信号のカウント数を、信号電圧Vinの下位ビットのデジタルデータとして得られる。カウンタ回路15は、カウント数をメモリ回路7に出力する。
以上の2段階で生成された上位ビットのデジタルデータと下位ビットのデジタルデータを結合することにより、信号電圧Vinのデジタル信号が得られる。
The counter circuit 15 continues to count the number of clock signals while “low” is input from the latch circuit 19, and stops counting when the input from the latch circuit 19 changes to “high”. The count number of the clock signal counted by the counter circuit 15 is obtained as digital data of lower bits of the signal voltage Vin. The counter circuit 15 outputs the count number to the memory circuit 7.
The digital signal of the signal voltage Vin is obtained by combining the upper bit digital data and the lower bit digital data generated in the above two steps.

このように、本実施形態によれば、高速動作に適した逐次変換方式を採用しつつ、下位のデジタル変換に回路構成が簡素なカウンタ・ランプ方式を採用することにより、全体に占める面積および消費電力の割合が比較的大きい容量20〜26の数を削減し、回路の小型化および低消費電力化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, by adopting a sequential conversion method suitable for high-speed operation and adopting a counter / ramp method having a simple circuit configuration for lower-order digital conversion, the area and consumption of the entire circuit are reduced. The number of capacitors 20 to 26 having a relatively large power ratio can be reduced, and the circuit can be reduced in size and power consumption.

また、逐次比較方式による上位ビットのデジタル変換においてDAC回路16が出力する最後の電圧Vdacが参照電圧Vより大きくなるようにすることで、この後に行われるカウンタ・ランプ方式によるデジタル変換において経時的に減少するランプ電圧Vrampは参照電圧Vと確実に交差することとなる。これにより、下位ビットのデジタル変換動作を確実に実行することができる。 In addition, by making the last voltage Vdac output from the DAC circuit 16 larger than the reference voltage V 0 in the digital conversion of the higher-order bits by the successive approximation method, the digital conversion by the counter-ramp method to be performed over time is performed over time. The ramp voltage Vramp, which decreases to a certain level, reliably crosses the reference voltage V 0 . As a result, the lower-order bit digital conversion operation can be reliably executed.

次に、本実施形態に係るAD変換器1のキャリブレーション動作について説明する。キャリブレーション動作は、AD変換器1が信号電圧Vinのデジタル変換を実行する度に実行されてもよく、固体撮像装置100の電源が投入されたときや温度等の環境が変化したとき等のタイミングで実行されてもよい。   Next, the calibration operation of the AD converter 1 according to this embodiment will be described. The calibration operation may be performed every time the AD converter 1 performs digital conversion of the signal voltage Vin, and timing such as when the power of the solid-state imaging device 100 is turned on or an environment such as temperature changes. May be executed.

まず、ランプ波形発生回路14から電圧値が既知の校正電圧Vcalが、ランプ入力端子側に切り替えられたスイッチSW0を介して容量20の下側極板に印加される。このときに、他の容量21〜26の下側極板は、スイッチSW1〜6によりグランド電圧GNDに接続される。これにより、コンパレータ17の反転入力端子には電圧Vdac=−Vcalが入力される。校正電圧Vcalは、前述した逐次比較方式による信号電圧Vinの上位ビットのデジタル変換と同様にしてデジタル変換される。同様に、電圧値の異なる複数の校正電圧Vcalがデジタル変換される。   First, a calibration voltage Vcal having a known voltage value is applied from the ramp waveform generation circuit 14 to the lower electrode plate of the capacitor 20 via the switch SW0 switched to the lamp input terminal side. At this time, the lower plates of the other capacitors 21 to 26 are connected to the ground voltage GND by the switches SW1 to SW6. As a result, the voltage Vdac = −Vcal is input to the inverting input terminal of the comparator 17. The calibration voltage Vcal is digitally converted in the same way as the digital conversion of the upper bits of the signal voltage Vin by the successive approximation method described above. Similarly, a plurality of calibration voltages Vcal having different voltage values are digitally converted.

デジタル変換して得られた校正電圧Vcalのデジタル信号は容量20〜26のキャリブレーション用データとして用いられる。すなわち、容量20〜26の容量値に製造誤差によるばらつきが存在する場合、校正電圧Vcalを実際にデジタル変換して得られたデジタル信号は、校正電圧Vcalから理論的に算出されるデジタル信号と異なる。そこで、これら2つのデジタル信号を対応付けたテーブルを、例えば、固体撮像装置100の外部に設けられた図示しない記憶装置に記憶しておく。これにより、AD変換器1によって得られた上位ビットのデジタル信号をテーブルに基づいて正しいデジタル信号に補償することができる。   The digital signal of the calibration voltage Vcal obtained by digital conversion is used as calibration data for capacitors 20 to 26. That is, when the capacitance values of the capacitors 20 to 26 vary due to manufacturing errors, the digital signal obtained by actually digitally converting the calibration voltage Vcal is different from the digital signal theoretically calculated from the calibration voltage Vcal. . Therefore, a table in which these two digital signals are associated with each other is stored in a storage device (not shown) provided outside the solid-state imaging device 100, for example. As a result, the high-order bit digital signal obtained by the AD converter 1 can be compensated to be a correct digital signal based on the table.

このように本実施形態によれば、信号電圧Vinの下位ビットのデジタル変換に用いられるランプ波形発生回路14を、校正電圧Vcalの生成にも用いることにより、従来別途備えられていた校正電圧を生成するための構成が不要となる。これにより、さらなる小型化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the ramp waveform generation circuit 14 used for digital conversion of the lower bits of the signal voltage Vin is also used to generate the calibration voltage Vcal, thereby generating a calibration voltage that has been separately provided conventionally. The structure for doing so becomes unnecessary. Thereby, further miniaturization can be achieved.

なお、本実施形態においては、下位ビットのデジタル変換において、電圧値が経時的に小さくなるランプ電圧Vrampを用いることとしたが、これに代えて、電圧値が経時的に大きくなるランプ電圧を用いることとしてもよい。この場合には、上位ビットのデジタル変換において、DAC回路16が最後に出力する電圧Vdacが参照電圧Vよりも小さくなるようにすればよい。すなわち、制御回路18は、コンパレータ17の出力が「high」であったときのDAC回路16のデジタルコードを記憶し、上位5ビット分のコンパレータ17による比較が終了した後に、最後に記憶したデジタルコードに対応する電圧Vdacをもう一度生成させればよい。 In this embodiment, in the low-order bit digital conversion, the ramp voltage Vramp whose voltage value decreases with time is used. Instead, a ramp voltage whose voltage value increases with time is used. It is good as well. In this case, the digital conversion of upper bits may be so DAC circuit 16 is smaller than the voltage Vdac reference voltage V 0 to be output finally. That is, the control circuit 18 stores the digital code of the DAC circuit 16 when the output of the comparator 17 is “high”, and after the comparison by the comparator 17 for the upper 5 bits is completed, the last stored digital code The voltage Vdac corresponding to can be generated once more.

また、図7に示すような回路形態により、キャリブレーションを行ってもよい。この実施形態では、図8のフローチャートに示すように、キャリブレーション動作が開始されると、スイッチSWinputを「2」側、スイッチSWcalを「2」側へ切り替え(ステップS1)、最も大きな容量値32Cを有する容量26から順番に校正を行う(ステップS2〜S7)。   Further, calibration may be performed by a circuit form as shown in FIG. In this embodiment, as shown in the flowchart of FIG. 8, when the calibration operation is started, the switch SWinput is switched to the “2” side and the switch SWcal is switched to the “2” side (step S1), and the largest capacitance value 32C is set. Calibration is carried out in order from the capacitor 26 having (Steps S2 to S7).

図9は、図8の容量26校正ルーチンS2を示している。図9に示すように、まず、スイッチSW6をグランド電圧GNDに接続し、スイッチSW0〜SW5を基準電圧Vrefに接続する(ステップS21)。このときのコンパレータ17の反転端子に入力される電圧V261を、ランプ波形発生回路14から電圧値が既知の校正電圧VcalをスイッチSWcalから入力することにより求める(ステップS22)。   FIG. 9 shows the capacity 26 calibration routine S2 of FIG. As shown in FIG. 9, first, the switch SW6 is connected to the ground voltage GND, and the switches SW0 to SW5 are connected to the reference voltage Vref (step S21). The voltage V261 input to the inverting terminal of the comparator 17 at this time is obtained by inputting the calibration voltage Vcal having a known voltage value from the ramp waveform generating circuit 14 from the switch SWcal (step S22).

次に、スイッチSW6を基準電圧Vrefに接続し、スイッチSW0〜SW5をグランド電圧GNDに接続する(ステップS23)。このときのコンパレータ17の反転端子に入力される電圧V262を、ランプ波形発生回路14から電圧値が既知の校正電圧VcalをスイッチSWcalから入力することにより求める(ステップS24)。   Next, the switch SW6 is connected to the reference voltage Vref, and the switches SW0 to SW5 are connected to the ground voltage GND (step S23). The voltage V262 input to the inverting terminal of the comparator 17 at this time is obtained by inputting the calibration voltage Vcal having a known voltage value from the ramp waveform generating circuit 14 from the switch SWcal (step S24).

次に、ステップS22,S24において取得された電圧261,262から容量26の校正データを演算する(ステップS25)。具体的には、容量20〜26の容量値の和をCtotとし、容量26の容量値をCtot/2+ΔC26、容量20〜25の容量値の和をCtot/2―ΔC26とすると、電圧V261,V262は以下の式によってそれぞれ表わされる。
V261=VrefX(Ctot/2−ΔC26)/Ctot
V262=VrefX(Ctot/2+ΔC26)/Ctot
これにより、電圧V261と電圧V262との差は以下となる。
V262−V261=VrefX(2XΔC26/Ctot)
よって、容量26の製造誤差による変換誤差は、(V262−V261)/2と求められ、これを容量26による変換時の校正データとして用いる。
Next, the calibration data of the capacitor 26 is calculated from the voltages 261 and 262 acquired in steps S22 and S24 (step S25). Specifically, assuming that the sum of the capacitance values of the capacitors 20 to 26 is Ctot, the capacitance value of the capacitor 26 is Ctot / 2 + ΔC26, and the sum of the capacitance values of the capacitors 20 to 25 is Ctot / 2−ΔC26, the voltages V261 and V262 Is represented by the following equations.
V261 = VrefX (Ctot / 2−ΔC26) / Ctot
V262 = VrefX (Ctot / 2 + ΔC26) / Ctot
Thereby, the difference between the voltage V261 and the voltage V262 is as follows.
V262-V261 = VrefX (2XΔC26 / Ctot)
Therefore, the conversion error due to the manufacturing error of the capacitor 26 is obtained as (V262−V261) / 2, and this is used as calibration data at the time of conversion by the capacitor 26.

続いて、図8の容量25校正ルーチンS3により容量25の校正を行う。図10に示すように、まず、スイッチSW6およびスイッチSW5をグランド電圧GNDに接続し、スイッチSW0〜4を基準電圧Vrefに接続する(ステップS31)。このときのコンパレータ17の反転端子に入力される電圧V251を、ランプ波形発生回路14から電圧値が既知の校正電圧VcalをスイッチSWcalから入力することにより求める(ステップS32)。   Subsequently, the capacity 25 is calibrated by the capacity 25 calibration routine S3 of FIG. As shown in FIG. 10, first, the switches SW6 and SW5 are connected to the ground voltage GND, and the switches SW0 to SW4 are connected to the reference voltage Vref (step S31). The voltage V251 input to the inverting terminal of the comparator 17 at this time is obtained by inputting the calibration voltage Vcal having a known voltage value from the ramp waveform generating circuit 14 from the switch SWcal (step S32).

次に、スイッチSW5を基準電圧Vrefに接続し、スイッチSW0〜4をグランド電圧GNDに接続する(ステップS33)。このときのコンパレータ17の反転端子に入力される電圧V252を、ランプ波形発生回路14から電圧値が既知の校正電圧VcalをスイッチSWcalから入力することにより求める(ステップS34)。   Next, the switch SW5 is connected to the reference voltage Vref, and the switches SW0 to SW4 are connected to the ground voltage GND (step S33). The voltage V252 input to the inverting terminal of the comparator 17 at this time is obtained by inputting the calibration voltage Vcal having a known voltage value from the ramp waveform generating circuit 14 from the switch SWcal (step S34).

次に、ステップS32,S34において取得された電圧251,252から容量25の校正データを演算する(ステップS35)。具体的には、容量25の容量値をCtot/4−ΔC26/2+ΔC25、容量20〜24の容量値の和をCtot/4−ΔC26/2―ΔC25とすると、電圧V251,V252は以下の式によってそれぞれ表わされる。
V251=VrefX(3XCtot/4−ΔC26/2−ΔC25)/Ctot
V252=VrefX(3XCtot/4−ΔC26/2+ΔC25)/Ctot
Next, the calibration data of the capacitor 25 is calculated from the voltages 251 and 252 acquired in steps S32 and S34 (step S35). Specifically, when the capacitance value of the capacitor 25 is Ctot / 4−ΔC26 / 2 + ΔC25 and the sum of the capacitance values of the capacitors 20 to 24 is Ctot / 4−ΔC26 / 2−ΔC25, the voltages V251 and V252 are expressed by the following equations. Each is represented.
V251 = VrefX (3XCtot / 4−ΔC26 / 2−ΔC25) / Ctot
V252 = VrefX (3XCtot / 4−ΔC26 / 2 + ΔC25) / Ctot

これにより、電圧V251と電圧V252との差は以下となる。
V252−V251=VrefX(2XΔC25/Ctot)
よって、容量25の製造誤差による変換誤差は、(V252−V251)/2と求められ、これを容量25による変換時の校正データとして用いる。
同様にして容量24〜21についても容量25,26と同様の容量で処理を行って校正データを得た後、スイッチSWinputを「1」側、スイッチSWcalを「1」側へ切り替え、キャリブレーションを終了する(ステップS8)。
Thereby, the difference between the voltage V251 and the voltage V252 is as follows.
V252−V251 = VrefX (2XΔC25 / Ctot)
Therefore, the conversion error due to the manufacturing error of the capacitor 25 is obtained as (V252−V251) / 2, and this is used as calibration data at the time of conversion by the capacitor 25.
Similarly, the capacitors 24 to 21 are processed in the same capacity as the capacitors 25 and 26 to obtain calibration data, and then the switch SWinput is switched to the “1” side and the switch SWcal is switched to the “1” side to perform calibration. The process ends (step S8).

また、本実施形態においては、固体撮像装置100を構成する回路が、2つの半導体基板100a,100bに分けて形成されていることとしたが、これに代えて、図11に示されるように、1つの半導体基板100cに形成されていることとしてもよい。
図11に示される例では、水平シフトレジスタ5が省略され、各列の画素2からの信号電圧Vinが直接サンプルホールド回路12に入力されるようになっている。
In the present embodiment, the circuit constituting the solid-state imaging device 100 is formed separately on the two semiconductor substrates 100a and 100b. Instead, as shown in FIG. It is good also as being formed in one semiconductor substrate 100c.
In the example shown in FIG. 11, the horizontal shift register 5 is omitted, and the signal voltage Vin from the pixel 2 of each column is directly input to the sample and hold circuit 12.

また、本実施形態においては、画素2の信号電圧Vinをデジタル変換する動作についてのみ説明したが、信号電圧Vinのデジタル変換に先立って画素2のノイズ電圧をデジタル変換することとしてもよい。   In the present embodiment, only the operation of digitally converting the signal voltage Vin of the pixel 2 has been described, but the noise voltage of the pixel 2 may be digitally converted prior to digital conversion of the signal voltage Vin.

画素2が有する信号電圧Vinをゼロにリセットする際にこのリセット動作に伴ってノイズ電圧が発生し、該ノイズ電圧がリセットされた後の画素2に保存される。したがって、次に画素2が受光して生成した信号電圧Vinはノイズ電圧に重畳され、これらの和が水平シフトレジスタ5によって読み出されることとなる。そこで、画素2をリセットした後にノイズ電圧を読み出し、その後に画素2が受光して生成された信号電圧Vinをノイズ電圧とともに読み出し、これらの差分から信号電圧Vinを算出することができる。   When the signal voltage Vin of the pixel 2 is reset to zero, a noise voltage is generated along with the reset operation, and is stored in the pixel 2 after the noise voltage is reset. Therefore, the signal voltage Vin generated by receiving light next by the pixel 2 is superimposed on the noise voltage, and the sum thereof is read out by the horizontal shift register 5. Therefore, it is possible to read out the noise voltage after resetting the pixel 2 and then read out the signal voltage Vin generated by receiving light from the pixel 2 together with the noise voltage, and calculate the signal voltage Vin from the difference therebetween.

ここで、固体撮像装置100は、図12に示されるように動作することとしてもよい。すなわち、画素アレイ3に配列されたm列の画素2のうち、1〜2/m列目の画素2について、水平シフトレジスタ5からサンプルホールド回路12への電圧の出力動作、デジタル変換動作およびデジタル信号の出力動作を行う。そして、残りのm/2+1〜m列目の画素2については、1〜2/m列目の画素2よりも1ステップずつ遅れて動作を行う。   Here, the solid-state imaging device 100 may operate as shown in FIG. That is, among the m columns of pixels 2 arranged in the pixel array 3, the voltage output operation from the horizontal shift register 5 to the sample hold circuit 12, the digital conversion operation, and the digital Perform signal output operation. Then, the remaining pixels 2 in the m / 2 + 1 to m-th columns are operated one step later than the pixels 2 in the 1-2 / m-th columns.

図中、Rは画素2の電圧をゼロにリセットする期間、Nはリセット後の画素2のノイズ電圧を水平シフトレジスタ5に読み出す期間、Tは画素2が備えるフォトダイオードが蓄積した信号電荷を信号電圧Vinに変換する期間、Sは画素2の信号電圧Vinとノイズ電圧とを水平シフトレジスタ5に読み出す期間を示している。
このように画素2を列によって半分に分けて時間差で処理することにより、途切れなく処理を行うことができる。
In the figure, R is a period during which the voltage of the pixel 2 is reset to zero, N is a period during which the noise voltage of the pixel 2 after reset is read out to the horizontal shift register 5, and T is a signal charge accumulated by the photodiode included in the pixel 2. A period S during which the voltage is converted into the voltage Vin indicates a period during which the signal voltage Vin and noise voltage of the pixel 2 are read out to the horizontal shift register 5.
In this way, by dividing the pixels 2 in half by columns and processing with time differences, the processing can be performed without interruption.

1 アナログデジタル変換器
2 画素
3 画素アレイ(画素部)
4 垂直シフトレジスタ
5 水平シフトレジスタ
6 配線
7 メモリ回路
8 パラレルシリアル変換回路
9 シリアルデジタル出力回路
10 電源回路
11 パルス発生回路
12 サンプルホールド回路(信号変換部)
13 信号変換回路(信号変換部)
14 ランプ波形発生回路(ランプ波形信号発生部)
15 カウンタ回路(カウンタ)
16 DAC回路(逐次比較容量群、電圧加算部)
17 コンパレータ(比較部)
18 制御回路(制御部)
19 ラッチ回路
20〜26 容量
100 固体撮像装置
100a,100b,100c 半導体基板
SWin,SW0〜SW6 スイッチ
Vin 信号電圧
Vref 基準電圧
参照電圧
Vramp ランプ電圧(ランプ波形信号)
1 Analog-digital converter 2 Pixel 3 Pixel array (pixel unit)
4 vertical shift register 5 horizontal shift register 6 wiring 7 memory circuit 8 parallel serial conversion circuit 9 serial digital output circuit 10 power supply circuit 11 pulse generation circuit 12 sample hold circuit (signal conversion unit)
13 Signal conversion circuit (signal conversion unit)
14 Ramp waveform generation circuit (ramp waveform signal generator)
15 Counter circuit (counter)
16 DAC circuit (successive comparison capacitor group, voltage adder)
17 Comparator (Comparator)
18 Control circuit (control unit)
19 latch circuit 20 to 26 volume 100 solid-state imaging device 100a, 100b, 100c semiconductor substrate SWin, SW0 to switch Vin signal voltage Vref reference voltage V 0 reference voltage Vramp ramp voltage (ramp waveform signal)

Claims (1)

複数の画素がマトリックス状に配置された画素部と、
前記複数の画素から信号電圧を読み出す垂直シフトレジスタおよび水平シフトレジスタと、
該垂直シフトレジスタおよび水平シフトレジスタによって読み出された信号電圧をデジタル変換するアナログデジタル変換器とを備える固定撮像装置であって、
前記アナログデジタル変換器が、
クロック信号を所定の方向へカウントし、カウント信号を出力するカウンタと、
前記カウント信号に基づきランプ波形信号を発生するランプ波形信号発生部と、
複数の信号変換部と、
該信号変換部を制御する制御部とを備え、
前記信号変換部の各々は、
入力されてきた信号の電圧をサンプリングして保持するサンプルホールド回路と、
2倍ごとに容量値が異なる所定の数の容量を有し、これらの容量の接続を変更することによりレベルの異なるバイアス電圧を出力する逐次比較容量群と、
前記ランプ波形信号の電圧および前記バイアス電圧の一方が選択された選択電圧と、前記サンプルホールド回路で保持された電圧および所定の参照電圧の一方とを加算した加算電圧を出力する電圧加算部と、
前記サンプルホールド回路で保持された電圧および前記所定の参照電圧のうち他方である非加算対象電圧と前記加算電圧とを比較する比較部とを備え、
前記制御部が、
前記バイアス電圧を前記選択電圧として前記電圧加算部で加算された前記加算電圧と前記非加算対象電圧とを前記容量の前記所定の数の接続組合せにおいて前記比較部によって比較した結果に基づき生成された第1のデジタルデータと、前記ランプ波形信号の電圧を前記選択電圧として前記電圧加算部で加算された前記加算電圧と前記非加算対象電圧とを前記比較部で比較した結果に基づき生成された第2のデジタルデータとに基づき、前記サンプルホールド回路に保持された電圧をデジタル変換するとともに、
前記逐次比較容量群の前記容量の接続組合せと、前記ランプ波形信号発生部が発生する信号とに基づき前記逐次比較容量群のキャリブレーション用データを取得し、
前記画素部、前記垂直シフトレジスタおよび前記水平シフトレジスタが、1つの半導体基板に形成され、
前記画素部、前記垂直シフトレジスタおよび前記水平シフトレジスタを除く他の構成が、もう1つの半導体基板に形成され、
これら2つの半導体基板が、その板厚方向に積層されていることを特徴とする固体撮像装置。
A pixel portion in which a plurality of pixels are arranged in a matrix;
A vertical shift register and a horizontal shift register for reading signal voltages from the plurality of pixels;
A fixed imaging device comprising an analog-to-digital converter for digitally converting a signal voltage read by the vertical shift register and the horizontal shift register,
The analog-digital converter is
A counter that counts a clock signal in a predetermined direction and outputs a count signal;
A ramp waveform signal generator for generating a ramp waveform signal based on the count signal;
A plurality of signal converters;
A control unit for controlling the signal conversion unit,
Each of the signal converters is
A sample hold circuit that samples and holds the voltage of the input signal; and
A successive-approximation capacitor group having a predetermined number of capacitances having different capacitance values every two times, and outputting bias voltages of different levels by changing the connection of these capacitors;
A voltage adding unit that outputs an addition voltage obtained by adding one of the voltage of the ramp waveform signal and the bias voltage selected and one of the voltage held by the sample hold circuit and a predetermined reference voltage;
A comparison unit that compares the voltage held by the sample hold circuit and the non-addition target voltage, which is the other of the predetermined reference voltage, and the addition voltage;
The control unit is
Generated based on a result of comparing the added voltage added by the voltage adding unit with the bias voltage as the selection voltage and the non-addition target voltage by the comparing unit in the predetermined number of connection combinations of the capacitors. The first digital data is generated based on the result of comparing the added voltage added by the voltage adding unit with the voltage of the ramp waveform signal as the selection voltage and the non-addition target voltage by the comparing unit. 2 and digitally converting the voltage held in the sample and hold circuit based on the digital data of 2;
Obtaining calibration data for the successive approximation capacitor group based on the connection combination of the capacitors of the successive approximation capacitor group and a signal generated by the ramp waveform signal generator;
The pixel portion, the vertical shift register and the horizontal shift register are formed on one semiconductor substrate,
Other configurations excluding the pixel portion, the vertical shift register, and the horizontal shift register are formed on another semiconductor substrate,
A solid-state imaging device in which these two semiconductor substrates are stacked in the thickness direction.
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