JP2017046318A - 半導体集積回路及びイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】小面積、広ダイナミックレンジ且つ低ノイズでＡＤ変換する。【解決手段】実施形態によれば、半導体集積回路は、比較器と、複数の第１キャパシタを有するキャパシタ部と、第２キャパシタと、スイッチと、デジタル信号生成部と、を備える。前記比較器は、第１入力ノードの第１電圧又は第２電圧と第２入力ノードの第３電圧とを比較した結果を出力ノードから出力する。前記複数の第１キャパシタは、前記第２入力ノードに接続された一端と、第１又は第２参照電圧が供給される他端と、をそれぞれ有する。前記第２キャパシタは、第３参照電圧又はランプ電圧が供給される一端と、前記第２入力ノードに接続された他端と、を有する。前記スイッチは、前記第２入力ノードと前記出力ノードとの間に接続される。前記デジタル信号生成部は、前記比較結果に基づいて前記第１デジタル信号を生成する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、半導体集積回路及びイメージセンサに関する。

イメージセンサの画素から読み出された電圧値は、カラム毎に設けられたＡＤ変換器によってデジタル信号に変換される。このＡＤ変換器として、小面積であるシングルスロープ型ＡＤ変換器（以下、ＳＳＡＤＣと称す）が用いられる場合が多い。ＳＳＡＤＣでは、ランプ電圧の傾きを大きくする程、ダイナミックレンジを広くできるが、ノイズが大きくなってしまう。

特開２０１４−７５８４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、小面積、広ダイナミックレンジ且つ低ノイズでＡＤ変換できる半導体集積回路及びイメージセンサを提供することである。

実施形態によれば、半導体集積回路は、比較器と、複数の第１キャパシタを有するキャパシタ部と、第２キャパシタと、スイッチと、デジタル信号生成部と、を備える。前記比較器は、前記第１電圧又は前記第２電圧が供給される第１入力ノードと、第３の電圧が供給される第２入力ノードと、出力ノードと、を有し、前記第１電圧又は前記第２電圧と前記第３電圧とを比較した結果を前記出力ノードから出力する。前記複数の第１キャパシタは、前記第２入力ノードに接続された一端と、第１参照電圧又は第２参照電圧が供給される他端と、をそれぞれ有する。前記第２キャパシタは、第３参照電圧又はランプ電圧が供給される一端と、前記第２入力ノードに接続された他端と、を有する。前記スイッチは、前記第２入力ノードと前記出力ノードとの間に接続される。前記デジタル信号生成部は、前記比較結果に基づいて前記第１デジタル信号を生成する。

第１の実施形態に係るイメージセンサの概略構成を示すブロック図である。 画素の内部構成の一例を示す回路図である。 信号変換部の構成を示す回路図である。 （ａ），（ｂ）は、各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。 ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。 出力部の構成を示すブロック図である。 （ａ），（ｂ）は、第１キャパシタ間のオフセットコード測定時の各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 第１キャパシタ間のオフセットコード測定時の各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 図１０，１１に対応するＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。 各第１キャパシタにより生じるオフセットコードを取得する処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、第１の比較例のＡＤ変換器の主要部の回路図であり、（ｂ）は、このＡＤ変換器のタイミング図である。 （ａ）は、第２の比較例のＡＤ変換器の主要部の回路図であり、（ｂ）は、このＡＤ変換器のタイミング図である。 （ａ）は、第２の比較例のノイズを説明する図であり、（ｂ）は、第１の実施形態のノイズを説明する図である。 第２の実施形態に係る信号変換部の構成を示す回路図である。 第３の実施形態に係る信号変換部の構成を示す回路図である。 ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。 （ａ）は、第２デジタル信号と生成回数とビットシフト量との対応関係を示す図であり、（ｂ）は、Ｍ＝２の場合のビットシフト例を示す図である。 第４の実施形態に係る信号変換部の構成を示す回路図である。 （ａ），（ｂ）は、シングルスロープＡＤ変換の各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、シングルスロープＡＤ変換の各動作段階における信号変換部の接続状態を示す図である。 ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。 第２デジタル信号と生成回数とビットシフト量との対応関係を示す図である。 単位キャパシタによる第３電圧Ｖｘのシフト量と、第２デジタル信号の１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量との関係を示す図である。 第５の実施形態に係る信号変換部の構成を示す回路図である。 ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。 第３キャパシタによる第３電圧Ｖｘのシフト量と、第２デジタル信号の１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量との関係を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るイメージセンサの概略構成を示すブロック図である。イメージセンサは、複数の画素１と、ロウデコーダ（Row Decoder）２と、信号変換部３と、出力部４と、を備える。これらの少なくとも一部を半導体集積回路として実装することができる。

画素１はマトリクス状に配置されており、水平（カラム）方向の画素数をｎ列および垂直（ロウ）方向の画素数をｍ行とする。各画素１は照射された光の強度に応じた電圧Ｖｐｉｘを生成する。そして、ｋ列目に属する画素は、生成された電圧Ｖｐｉｘを信号線Ｖｐｉｘ（ｋ）に出力する（ｋは、０〜ｎ−１）。なお、以下では、記号「Ｖｐｉｘ（ｋ）」等を、信号線（あるいは端子）の名称としても使用するし、当該信号線（あるいは端子）の電圧値としても使用する。

画素１は、いわゆる相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）を行うために、光が照射されない場合の電圧Ｖｐｉｘ（以下、リセット電圧（第１電圧）Ｖｒｓｔと称す）、および、光が照射された場合の電圧Ｖｐｉｘ（以下、信号電圧（第２電圧）Ｖｓｉｇと称す）を生成する。

ロウデコーダ２はｍ行のうちの１つを順繰りに選択する。これにより、選択された行に属するｎ個の画素が生成する電圧Ｖｐｉｘ（ｋ）が信号線Ｖｐｉｘ（ｋ）にそれぞれ読み出される。

信号変換部３は１列の画素につき１つ配置されており、合計ｎ個配置されている。言い換えると、信号線Ｖｐｉｘ（０）〜Ｖｐｉｘ（ｎ−１）に対応してそれぞれ信号変換部３（０）〜３（ｎ−１）が設けられる。信号変換部３（ｋ）は、画素１から読み出されたリセット電圧Ｖｒｓｔおよび信号電圧Ｖｓｉｇを、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ｋ）および第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）に変換する。

出力部４は、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ｋ）および第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）に基づいて、第１デジタル信号Ｄｏｕｔを出力する。

信号変換部３と出力部４は、ＡＤ変換器として動作し、画素毎に、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差を第１デジタル信号Ｄｏｕｔに変換する。

図２は、画素１の内部構成の一例を示す回路図である。なお、図２に示す回路図はあくまで一例であり、種々の変形回路が考えられる。

画素１は、ｎＭＯＳトランジスタＱｎ１〜Ｑｎ４と、光電変換を行うフォトダイオードＰＤとを有する。トランジスタＱｎ１は、ドレインが電源端子Ｖｄｄに接続され、ゲートにリセット信号ＲＥＳＥＴが入力され、ソースがフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。トランジスタＱｎ２は、ドレインがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ゲートに読み出し信号ＲＥＡＤが入力され、ソースがフォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードは接地端子に接続されている。

トランジスタＱｎ３は、ドレインが電源端子Ｖｄｄに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ソースがトランジスタＱｎ４のドレインに接続されている。トランジスタＱｎ４は、ゲートにアドレス信号ＡＤＤが入力され、ソースから電圧Ｖｐｉｘが生成される。トランジスタＱｎ４のソースは信号線Ｖｐｉｘ（ｋ）と接続されており、電圧Ｖｐｉｘは信号線Ｖｐｉｘ（ｋ）に出力される。

アドレス信号ＡＤＤ、リセット信号ＲＥＳＥＴおよび読み出し信号ＲＥＡＤは、例えばロウデコーダ２により生成される。

画素１は以下のように動作してリセット電圧Ｖｒｓｔおよび信号電圧Ｖｓｉｇを生成する。

まず、リセット信号ＲＥＳＥＴがハイに設定される。これによりトランジスタＱｎ１がオンし、フローティングディフュージョンＦＤは所定の電圧に初期化される。その後、リセット信号ＲＥＳＥＴはロウに設定される。ここでアドレス信号ＡＤＤがハイに設定されると、トランジスタＱｎ４がオンする。これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電圧に応じたリセット電圧Ｖｒｓｔが信号線Ｖｐｉｘ（ｋ）に出力される。

信号電圧Ｖｓｉｇを生成するために、画素１に光が照射された状態で、読み出し信号ＲＥＡＤはハイに設定される。これによりトランジスタＱｎ２がオンする。フォトダイオードＰＤには照射された光の強度（明るさ）に応じた電流が流れる。この電流は、光の強度が高いほど大きくなる。光の強度が高いほどフローティングディフュージョンＦＤの電圧は低くなる。その後、読み出し信号ＲＥＡＤはロウに設定される。ここでアドレス信号ＡＤＤがハイに設定されると、このフローティングディフュージョンＦＤの電圧に応じた信号電圧Ｖｓｉｇが信号線Ｖｐｉｘ（ｋ）に出力される。

図３は、信号変換部３（ｋ）の構成を示す回路図である。信号変換部３（ｋ）は、比較器１１，１２と、キャパシタ１３と、キャパシタ部１４と、第２キャパシタ１５と、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２と、エッジ検出器１６と、第１制御部１７と、第２制御部１８と、を備える。

比較器１１は、非反転入力ノード（第１入力ノード）１１ａと、反転入力ノード（第２入力ノード）１１ｂと、反転出力ノード１１ｃと、非反転出力ノード１１ｄと、を有する。比較器１１は、非反転入力ノード１１ａの電圧と反転入力ノード１１ｂの第３電圧Ｖｘとを比較して、比較結果を反転出力ノード１１ｃ及び非反転出力ノード１１ｄから出力する。非反転入力ノード１１ａには、電圧Ｖｐｉｘとしてリセット電圧Ｖｒｓｔ又は信号電圧Ｖｓｉｇが供給される。

比較器１２は、反転出力ノード１１ｃから反転入力ノード１２ａにキャパシタ１３を介して供給される比較結果と、非反転出力ノード１１ｄから非反転入力ノード１２ｂに供給される比較結果と、を比較して、比較結果Ｃｏｍｐｏを出力ノードから出力する。比較結果Ｃｏｍｐｏは、比較器１１の非反転出力ノード１１ｄの比較結果と等しい。

スイッチＲＳＴ１は、反転入力ノード１１ｂと非反転出力ノード１１ｄとの間に接続されている。スイッチＲＳＴ２は、比較器１２の反転入力ノード１２ａと出力ノードとの間に接続されている。

なお、比較器１２、キャパシタ１３及びスイッチＲＳＴ２は、設けなくてもよい。この場合、比較器１１は、反転出力ノード１１ｃを有さず、非反転出力ノード１１ｄから比較結果Ｃｏｍｐｏを出力する。

キャパシタ部１４は、第１キャパシタ２１〜２３と、スイッチＳ１〜Ｓ６と、を有する。キャパシタ部１４は、３ビットの第２デジタル信号Ｄに応じて、スイッチＳ１〜Ｓ６を切り替え、第１キャパシタ２１〜２３のそれぞれに第１参照電圧Ｖｒｅｆ１又は第２参照電圧Ｖｒｅｆ２を供給する。

ここでは、一例として３ビットの第２デジタル信号Ｄについて説明するが、任意の複数ビットでもよい。第１キャパシタは、第２デジタル信号Ｄのビット数と同数設けられ、スイッチは、第１キャパシタの数の２倍設けられる。

第１キャパシタ２１〜２３は、反転入力ノード１１ｂに接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１又は第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、をそれぞれ有する。第１参照電圧Ｖｒｅｆ１は、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２より高い。

第１キャパシタ２１〜２３の容量値は、単位容量値Ｃの２のべき乗倍に重み付けされている。第１キャパシタ２１の容量値はＣであり、第１キャパシタ２２の容量値は２Ｃであり、第１キャパシタ２３の容量値は４Ｃである。

各スイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５は、対応する第１キャパシタの他端に接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される他端と、を有する。

各スイッチＳ２，Ｓ４，Ｓ６は、対応する第１キャパシタの他端に接続された一端と、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、を有する。

スイッチＳ１，Ｓ２は、第２デジタル信号Ｄの１ビット目（最下位ビット）Ｄ［０］により制御される。スイッチＳ３，Ｓ４は、第２デジタル信号Ｄの２ビット目Ｄ［１］により制御される。スイッチＳ５，Ｓ６は、第２デジタル信号Ｄの３ビット目（最上位ビット）Ｄ［２］により制御される。

このような構成により、第２デジタル信号Ｄに応じて第３電圧Ｖｘが変化する。つまり、キャパシタ部１４は、キャパシタ型ＤＡＣとして構成されている。

第２キャパシタ１５は、第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０又はランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給される一端と、反転入力ノード１１ｂに接続された他端と、を有する。ランプ電圧Ｖｒａｍｐは、時間経過に応じて増加又は減少する電圧である。第２キャパシタ１５の容量値はＣである。

エッジ検出器１６は、比較結果Ｃｏｍｐｏの立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジを検出して、出力信号の電圧レベルをハイレベル又はローレベルに切り替える。

第１制御部１７は、シングルスロープＡＤ変換を制御すると共に、ＣＤＳを行う。具体的には、第１制御部１７は、エッジ検出器１６の出力信号に基づいて、第３デジタル信号Ｄ３および第４デジタル信号Ｄ４を生成すると共に、第４デジタル信号Ｄ４と第３デジタル信号Ｄ３との差を第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）として出力する。また、第１制御部１７は、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２を制御する。

第２制御部１８は、逐次比較（ＳＡＲ： Successive Approximation Resistor）ＡＤ変換を制御する。具体的には、第２制御部１８は、エッジ検出器１６の出力信号に基づいて第２デジタル信号Ｄを設定し、設定された第２デジタル信号Ｄを第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ｋ）として出力する。

第１制御部１７、第２制御部１８及び出力部４は、比較結果Ｃｏｍｐｏに基づいて第１デジタル信号Ｄｏｕｔを生成するデジタル信号生成部として機能する。

次に、信号変換部３（ｋ）のＡＤ変換動作について説明する。

図４〜図６は、各動作段階における信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図４〜図６では、接続状態の説明に関連する構成を図示し、他の構成は図示を省略している。図７は、ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。図７では、ランプ電圧Ｖｒａｍｐは時間経過に応じて減少する。

図４（ａ）は、初期化（リセット）時の信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図４（ａ）は、図７の時刻ｔ１以降、時刻ｔ２までの接続状態を示す。

第２制御部１８は、第２デジタル信号Ｄとして“１１１”を供給し、スイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ５をオンさせ、スイッチＳ２，Ｓ４，Ｓ６をオフさせる。これにより、第１キャパシタ２１〜２３の一端には、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される。

第１制御部１７は、リセット電圧Ｖｒｓｔ及び第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０が供給された状態で、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２を導通させる（時刻ｔ１）。これにより、反転入力ノード１１ｂにリセット電圧Ｖｒｓｔがサンプル・ホールドされる。よって、第３電圧Ｖｘはリセット電圧Ｖｒｓｔと略等しくなる。

図４（ｂ）は、リセット電圧ＶｒｓｔのシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図４（ｂ）は、図７の時刻ｔ２以降、時刻ｔ５までの接続状態を示す。

第１制御部１７は、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２を非導通にさせる（時刻ｔ２）。その後、リセット電圧Ｖｒｓｔ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第１制御部１７は第３電圧Ｖｘがリセット電圧Ｖｒｓｔに達するまでの経過時間に応じて第３デジタル信号Ｄ３を生成する。ランプ電圧Ｖｒａｍｐの減少に応じて、第３電圧Ｖｘも減少する。図７の例では、経過時間は、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが減少し始める時刻ｔ３から、時刻ｔ４までである。

これにより、画素からのノイズ、第１キャパシタ２１〜２３に蓄積された比較器１１のオフセット電圧、及び、ｋＴＣノイズを含むリセット電圧ＶｒｓｔがＡＤ変換される。

ここで、第１キャパシタ２１〜２３のミスマッチなどに対する冗長性を持たせるため、ランプ電圧Ｖｒａｍｐの変化量は、第２デジタル信号Ｄの１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量より大きい。ランプ電圧Ｖｒａｍｐの最大値は、第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０より高い。

時刻ｔ５の後、電圧Ｖｐｉｘは変化して、時刻ｔ６以降、信号電圧Ｖｓｉｇが供給される。時刻ｔ６以降、時刻ｔ９まで、逐次比較ＡＤ変換が行われる。

第２制御部１８は、第３デジタル信号Ｄ３が生成された後、信号電圧Ｖｓｉｇ及び第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０が供給された状態で、比較結果Ｃｏｐｍｏに基づいて、第３電圧Ｖｘが信号電圧Ｖｓｉｇに近づくように第２デジタル信号Ｄの各ビットを逐次設定する。

図５（ａ）は、信号電圧Ｖｓｉｇの逐次比較ＡＤ変換時（３ビット目判定時）の信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図５（ａ）は、図７の時刻ｔ６以降、時刻ｔ７までの接続状態を示す。

第２制御部１８は、まず、第２デジタル信号Ｄの３ビット目Ｄ［２］を“０”に変更し、スイッチＳ５をオフに切り替え、スイッチＳ６をオンに切り替える（時刻ｔ６）。これにより、第３電圧Ｖｘは低下する。この例では、低下した第３電圧Ｖｘは、信号電圧Ｖｓｉｇより高いとする。

図５（ｂ）は、信号電圧Ｖｓｉｇの逐次比較ＡＤ変換時（２ビット目判定時）の信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図５（ｂ）は、図７の時刻ｔ７以降、時刻ｔ８までの接続状態を示す。

第２制御部１８は、第３電圧Ｖｘが信号電圧Ｖｓｉｇより高かったため、第２デジタル信号Ｄの３ビット目Ｄ［２］を“０”に確定する。また、第２制御部１８は、第２デジタル信号Ｄの２ビット目Ｄ［１］を“０”に変更し、スイッチＳ３をオフに切り替え、スイッチＳ４をオンに切り替える（時刻ｔ７）。これにより、図７に示すように、時刻ｔ７において第３電圧Ｖｘは信号電圧Ｖｓｉｇより低くなる。

図６（ａ）は、信号電圧Ｖｓｉｇの逐次比較ＡＤ変換時（１ビット目判定時）の信号変換部３（ｋ）の接続を示す図である。図６（ａ）は、図７の時刻ｔ８以降、時刻ｔ９までの接続状態を示す。

第２制御部１８は、第３電圧Ｖｘが信号電圧Ｖｓｉｇより低かったため、第２デジタル信号Ｄの２ビット目Ｄ［１］を“１”に確定し、スイッチＳ３をオンに戻し、スイッチＳ４をオフに戻す（時刻ｔ８）。また、第２制御部１８は、第２デジタル信号Ｄの１ビット目Ｄ［０］を“０”に変更し、スイッチＳ１をオフに切り替え、スイッチＳ２をオンに切り替える（時刻ｔ８）。これにより、図７に示すように、時刻ｔ８において第３電圧Ｖｘは増加し、信号電圧Ｖｓｉｇより高くなる。

図６（ｂ）は、信号電圧ＶｓｉｇのシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図６（ｂ）は、図７の時刻ｔ９以降、時刻ｔ１２までの接続状態を示す。

第２制御部１８は、第２デジタル信号Ｄの１ビット目Ｄ［０］を“０”に確定する。よって、第２デジタル信号Ｄは“０１０”に設定され、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ｋ）として出力される。

第１制御部１７は、第２デジタル信号Ｄが設定され、且つ、信号電圧Ｖｓｉｇ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第３電圧Ｖｘが信号電圧Ｖｓｉｇに達するまでの経過時間に応じて第４デジタル信号Ｄ４を生成する。図７の例では、経過時間は、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが減少し始める時刻ｔ１０から、時刻ｔ１１までである。これにより、逐次比較ＡＤ変換による残差がＡＤ変換される。残差とは、逐次比較ＡＤ変換後の第３電圧Ｖｘと信号電圧Ｖｓｉｇとの差である。

第１制御部１７は、第４デジタル信号Ｄ４と第３デジタル信号Ｄ３との差（第４デジタル信号Ｄ４から第３デジタル信号Ｄ３を減算した値）を第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）として出力する。

時刻ｔ１２以降、電圧Ｖｐｉｘは変化して、次のロウの画素のリセット電圧Ｖｒｓｔが供給される。時刻ｔ１３以降、時刻ｔ１以降と同様の処理が行われる。つまり、時刻ｔ１から時刻１３の期間は、画素１の１列分の処理を行う１水平期間（１Ｈ）と等しい。

なお、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが時間経過に応じて増加する場合には、図８に示す波形になる。この場合も、基本的な動作原理は上述したものと同じである。但し、第１制御部１７は、第３デジタル信号Ｄ３から第４デジタル信号Ｄ４を減算した値を第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）として出力する。

図９は、出力部４の構成を示すブロック図である。出力部４は、パラレル・シリアル変換部３１と、オフセットコード算出部３２と、ＳＲＡＭ３３と、オフセット補正部（マージ部）３４と、ゲインエラー算出部３５と、ＳＲＡＭ３６と、ゲインエラー補正部３７と、を有する。

パラレル・シリアル変換部３１は、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（０）〜Ｄｏｕｔ＿ｍ（ｎ−１）及び第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（０）〜Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｎ−１）の中から、指定されたカラムアドレスＣＡＤＤに対応する第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）及び第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ａ）を出力する。

オフセットコード算出部３２は、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）及びカラムアドレスＣＡＤＤに応じたオフセットコードが格納されているアドレスを算出し、ＳＲＡＭ３３に供給する。

第１キャパシタ２１〜２３のミスマッチにより、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）のコード間で第３電圧Ｖｘはオフセット電圧を含んでいるため、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）もオフセット電圧起因のオフセットコードを含んでいる。ＡＤ変換の精度を向上するためには、オフセットコードを補正する必要がある。そこで、ＳＲＡＭ３３は、カラムアドレスＣＡＤＤ毎に、第１キャパシタ２１〜２３のミスマッチによるオフセットコードを記憶している。ＳＲＡＭ３３は、オフセットコード算出部３２からのアドレス指定に従ってオフセットコードを読み出し、オフセット補正部３４に供給する。

オフセット補正部３４は、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）と第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ａ）とオフセットコードとをマージして、第１デジタル信号Ｄｏｕｔを生成する。具体的には、第１デジタル信号Ｄｏｕｔは、｛１１・・・１（＝Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）のビット数だけ１が並んだデジタル値）−第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）｝×２＾（第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ａ）のビット数）×３／４（＝Ｄｏｕｔ＿ｍ（ａ）＿演算値）と、第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ａ）との和からオフセットコードを減算することで得られる。得られた第１デジタル信号Ｄｏｕｔは、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差を表すが、ゲインエラーも含んでいる。

ゲインエラー算出部３５は、カラムアドレスＣＡＤＤに応じたゲインエラーコードが格納されているアドレスを算出し、ＳＲＡＭ３６に供給する。

ＳＲＡＭ３６は、カラムアドレスＣＡＤＤ毎にゲインエラーコードを記憶している。ＳＲＡＭ３６は、アドレス指定に従ってゲインエラーコードを読み出し、ゲインエラー補正部３７に供給する。

ゲインエラー補正部３７は、ゲインエラーコードと第１デジタル信号Ｄｏｕｔとを演算することにより、第１デジタル信号Ｄｏｕｔに含まれるゲインエラーを補正する。得られた第１デジタル信号Ｄｏｕｔは、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差を表す。

カラムアドレスＣＡＤＤを順次変更することにより、各画素からのリセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差を第１デジタル信号Ｄｏｕｔに順次変換できる。

第１キャパシタ２１〜２３のミスマッチによるオフセットコードは、予め次のように測定しておき、ＳＲＡＭ３３に記憶しておく。

図１０，１１は、第１キャパシタ２１，２２間のオフセットコード測定時の各動作段階における信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図１０，１１では、第１キャパシタ２１〜２３は、それぞれミスマッチΔＣ０，ΔＣ１又はΔＣ２を含んでいる。図１２は、図１０，１１に対応するＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。

図１０（ａ）は、初期化（リセット）時の信号変換部３（ｋ）の接続状態を示す図である。図１０（ａ）は、図１２の時刻ｔ２２までの接続状態を示す。

第２制御部１８は、第２デジタル信号Ｄとして“１０１”を供給する。これにより、第１キャパシタ２１，２３の一端には、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給され、第１キャパシタ２２の一端には、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される。

第１制御部１７は、リセット電圧Ｖｒｓｔ及び第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０が供給された状態で、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２を導通させる（時刻ｔ２１）。これにより、反転入力ノード１１ｂにリセット電圧Ｖｒｓｔがサンプル・ホールドされる。

図１０（ｂ）は、参照電圧のシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３（ｋ）の接続を示す図である。図１０（ｂ）は、図１２の時刻ｔ２２以降、時刻ｔ２５までの接続状態を示す。

第１制御部１７は、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２を非導通にさせる（時刻ｔ２２）。その後、リセット電圧Ｖｒｓｔ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第３電圧Ｖｘがリセット電圧Ｖｒｓｔに達するまでの経過時間（時刻ｔ２３からｔ２４）に応じて、第１制御部１７は第３デジタル信号Ｄ３を生成する。

次に、時刻ｔ２６において、第２制御部１８は、第２デジタル信号Ｄとして“１１０”を供給する。これにより、第１キャパシタ２２，２３の一端には、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給され、第１キャパシタ２１の一端には、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される。これにより、図１２に示すように、時刻ｔ２６において第３電圧Ｖｘは増加し、リセット電圧Ｖｒｓｔより高くなる。

図１１は、第１キャパシタ２１，２２の差分のシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３（ｋ）の接続を示す図である。図１１は、図１２の時刻ｔ２７以降、時刻ｔ３０までの接続状態を示す。

第１制御部１７は、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第３電圧Ｖｘがリセット電圧Ｖｒｓｔに達するまでの経過時間（時刻ｔ２８からｔ２９）に応じて第４デジタル信号Ｄ４を生成する。

得られた第４デジタル信号Ｄ４と第３デジタル信号Ｄ３との差は、第１キャパシタ２２と第１キャパシタ２１との間のミスマッチＣ＋（ΔＣ１−ΔＣ０）に比例した値を表す。得られた差と、ミスマッチの無い理想的な場合の第４デジタル信号Ｄ４と第３デジタル信号Ｄ３との差との相違を、キャパシタ２２とキャパシタ２１との間のオフセットコードとして取得する。

このような一連の処理を、以下のように繰り返し行い、各第１キャパシタ２１〜２３により生じるオフセットコードを取得する。

図１３は、各第１キャパシタ２１〜２３により生じるオフセットコードを取得する処理を示すフローチャートである。ここでは、第１キャパシタ２１〜２３の数がＮ＋１の場合を説明する。

まず、Ｉ＝Ｎに設定する（ステップＳＴ１）。

次に、第２デジタル信号Ｄ［Ｎ］〜Ｄ［Ｉ＋１］＝１，Ｄ［Ｉ］＝０，Ｄ［Ｉ−１］〜Ｄ［０］＝１に設定する（ステップＳＴ２）。Ｉ＝Ｎの場合には、Ｄ［Ｎ］＝Ｄ［Ｉ］＝０とする。

次に、ＡＤ変換を行い、第３デジタル信号Ｄ３を生成する（ステップＳＴ３）。

次に、Ｄ［Ｎ］〜Ｄ［Ｉ］＝１，Ｄ［Ｉ−１］〜Ｄ［０］＝０に設定する（ステップＳＴ４）。

次に、ＡＤ変換を行い、第４デジタル信号Ｄ４を生成する（ステップＳＴ５）。

次に、第４デジタル信号Ｄ４と第３デジタル信号Ｄ３との差を計算する（ステップＳＴ６）。この差は、［Ｃ＋｛ΔＣＩ−（ΔＣ（Ｉ−１）＋・・・＋ΔＣ０）｝］に比例する。Ｉ＝０の場合、この差は、Ｃ＋ΔＣ０に比例する。

次に、Ｉ＞０である場合（ステップＳＴ７；Ｙｅｓ）、Ｉ＝Ｉ−１として（ステップＳＴ８）、ステップＳＴ２に戻る。Ｉ＞０でない場合（ステップＳＴ７；Ｎｏ）、処理を終了する。

ステップＳＴ６で得られたＮ＋１個の差に基づいて、ミスマッチΔＣ０、ΔＣ１、・・・、ΔＣ（Ｎ−１）、ΔＣＮに対応するオフセットコードが算出でき、算出されたオフセットコードがＳＲＡＭ３３に格納される。

ここで、比較例のＡＤ変換器について説明する。

図１４（ａ）は、第１の比較例のＡＤ変換器の主要部の回路図であり、図１４（ｂ）は、このＡＤ変換器のタイミング図である。

このＡＤ変換器では、最初に傾きの大きいランプ電圧Ｖｒａｍｐ＿ｃを用いてフルレンジをスイープし、電圧Ｖｐｉｘ１又はＶｐｉｘ２を粗く判定する（図１４（ｂ）の第１ステップ）。次に、判定結果に基づいて、傾きの小さい複数のランプ電圧Ｖｒａｍｐ１〜Ｖｒａｍｐ３から１つを選択し、選択されたランプ電圧を用いて、電圧Ｖｐｉｘ１又はＶｐｉｘ２を狭い範囲で細かくシングルスロープＡＤ変換する（図１４（ｂ）の第２ステップ）。

これにより、ダイナミックレンジを広くできると共に、傾きの小さいランプ電圧でＡＤ変換できるため、ノイズを低減できる。しかし、複数のランプ電圧Ｖｒａｍｐ１〜Ｖｒａｍｐ３を生成する必要があるため、面積と電力が大きい。

図１５（ａ）は、第２の比較例のＡＤ変換器の主要部の回路図であり、図１５（ｂ）は、このＡＤ変換器のタイミング図である。

このＡＤ変換器では、最初にスイッチＳｘを一定期間だけ導通させてキャパシタ型ＤＡＣ１４Ｘに電圧Ｖｐｉｘをサンプル・ホールドし、電圧ＶＡと基準電圧Ｖｒｅｆ１との逐次比較動作を行いながらデジタル信号の各ビットを逐次設定する（時刻ｔ１ｘまで）。次に、残差の電圧ＶＡを、ランプ電圧Ｖｒａｍｐを用いてシングルスロープＡＤ変換する（時刻ｔ１ｘ以降）。最後に、逐次比較により設定されたデジタル信号と、シングルスロープＡＤ変換によるデジタル信号とをマージすることで、電圧Ｖｐｉｘに対応するデジタル信号が得られる。このようなＡＤ変換動作を、電圧Ｖｐｉｘがリセット電圧Ｖｒｓｔである場合と、信号電圧Ｖｓｉｇである場合とで行い、得られた２つのデジタル信号の差分を取る（ＣＤＳ）。

この構成では、ダイナミックレンジを広くできると共にノイズを低減できる。また、１つのランプ電圧Ｖｒａｍｐを生成すれば良いため、第１の比較例よりも面積と電力を小さくできる。

しかし、リセット電圧Ｖｒｓｔをサンプル・ホールドした時と、信号電圧Ｖｓｉｇをサンプル・ホールドした時とにおいて、互いに相関の無いｋＴＣノイズＶｎ＿ｒｓｔ，Ｖｎ＿ｓｉｇがキャパシタ型ＤＡＣ１４Ｘのキャパシタに保持される。そのため、図１６（ａ）に示すように、リセット電圧ＶｒｓｔをＡＤ変換したデジタル信号ＡＤ［Ｖｒｓｔ＋Ｖｎ＿ｒｓｔ］と、信号電圧ＶｓｉｇをＡＤ変換したデジタル信号ＡＤ［Ｖｓｉｇ＋Ｖｎ＿ｓｉｇ］との差分を取っても、ｋＴＣノイズＶｎ＿ｒｓｔ，Ｖｎ＿ｓｉｇはキャンセルできず、第１の比較例よりもノイズが増加する。ｋＴＣノイズを低減するためには、キャパシタ型ＤＡＣ１４Ｘのキャパシタの値を大きくする必要がある。

これに対して、本実施形態では、リセット電圧Ｖｒｓｔ又は信号電圧Ｖｓｉｇは、比較器１１の非反転入力ノード１１ａに供給されている。そして、スイッチＲＳＴ１，ＲＳＴ２を導通させることで、リセット電圧Ｖｒｓｔは、反転入力ノード１１ｂに接続されたキャパシタ部１３にサンプル・ホールドされる。信号電圧ＶｓｉｇのＡＤ変換は、信号電圧Ｖｓｉｇをサンプル・ホールドすることなく、キャパシタ部１３にサンプル・ホールドされたリセット電圧Ｖｒｓｔを信号電圧Ｖｓｉｇに近づけることで行われる。つまり、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇの差を第１デジタル信号ＤｏｕｔにＡＤ変換する間、リセット電圧Ｖｒｓｔのサンプル・ホールド時に１回だけｋＴＣノイズＶｎ＿ｒｓｔがサンプル・ホールドされる。

そのため、リセット電圧Ｖｒｓｔに基づく第３デジタル信号Ｄ３に含まれるｋＴＣノイズＶｎ＿ｒｓｔと、信号電圧Ｖｓｉｇに基づく第４デジタル信号Ｄ４に含まれるｋＴＣノイズＶｎ＿ｒｓｔは、等しい。よって、第４デジタル信号Ｄ４と第３デジタル信号Ｄ３との差分を取ることによって、ｋＴＣノイズＶｎ＿ｒｓｔはキャンセルされる（図１６（ｂ））。従って、本実施形態では、第２の比較例よりもｋＴＣノイズの分だけ、第１デジタル信号Ｄｏｕｔのノイズを低減できる。

また、１つのランプ電圧を生成すればよいので、第１の比較例よりも面積と電力も小さくできる。従って、小面積、広ダイナミックレンジ且つ低ノイズでＡＤ変換できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、比較器１１の動作点を一定にする。

図１７は、第２の実施形態に係る信号変換部３Ａ（ｋ）の構成を示す回路図である。図１７では、第１の実施形態の図３と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

信号変換部３Ａ（ｋ）は、図３の構成に加え、入力キャパシタ１９と、第２スイッチＲＳＴ３と、を更に備える。比較器１２、キャパシタ１３、スイッチＲＳＴ２、エッジ検出器１６、第１制御部１７、及び、第２制御部１８は、図示を省略している。

入力キャパシタ１９は、電圧Ｖｐｉｘとしてリセット電圧Ｖｒｓｔ又は信号電圧Ｖｓｉｇが供給される一端を有する。

比較器１１の反転入力ノード（第１入力ノード）１１ｂは、入力キャパシタ１９の他端に接続されている。比較器１１は、反転入力ノード１１ｂの第３電圧Ｖｙと非反転入力ノード（第２入力ノード）１１ａの第４電圧Ｖｘとを比較して、比較結果を出力する。

第２スイッチＲＳＴ３は、非反転入力ノード１１ａと、第４参照電圧Ｖｒｅｆ３が供給される参照電圧ノードＮ１との間に接続されている。

第１キャパシタ２１〜２３と第２キャパシタ１５の一端は、非反転入力ノード１１ａに接続されている。

第１制御部１７は、リセット電圧Ｖｒｓｔ及び第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０が供給された状態で、第１及び第２スイッチＲＳＴ１〜ＲＳＴ３を導通させた後、第１及び第２スイッチＲＳＴ１〜ＲＳＴ３を非導通にさせる。これにより、キャパシタ部１４に第４参照電圧Ｖｒｅｆ３がサンプル・ホールドされる。第１制御部１７は、その後、リセット電圧Ｖｒｓｔ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第４電圧Ｖｘが第３電圧Ｖｙに達するまでの経過時間に応じて第３デジタル信号Ｄ３を生成する。

第２制御部１８は、第３デジタル信号Ｄ３が生成された後、信号電圧Ｖｓｉｇ及び第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０が供給された状態で、第４電圧Ｖｘが第３電圧Ｖｙに近づくように第２デジタル信号Ｄの各ビットを逐次設定する。

そして、第１制御部１７は、第２デジタル信号Ｄが設定され、且つ、信号電圧Ｖｓｉｇ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第４電圧Ｖｘが第３電圧Ｖｙに達するまでの経過時間に応じて第４デジタル信号Ｄ４を生成する。

その他の動作は、第１の実施形態と同一である。

第１の実施形態では、初期化時にリセット電圧Ｖｒｓｔをサンプル・ホールドしているため、リセット電圧Ｖｒｓｔが比較器１１の動作点になる。リセット電圧Ｖｒｓｔは、画素のミスマッチにより、画素毎に異なる。そのため、測定する画素毎に、比較器１１の動作点が変化して、比較器１１の特性が変化する可能性がある。これにより、ＡＤ変換の精度が低下する可能性がある。

一方、本実施形態によれば、初期化時に第４参照電圧Ｖｒｅｆ３をサンプル・ホールドしているため、リセット電圧Ｖｒｓｔによらず、比較器１１の動作点を一定にできる。従って、測定する画素１によらず比較器１１の特性を一定にできるため、ＡＤ変換の精度をより高めることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、複数回供給されたランプ電圧Ｖｒａｍｐを用いて、シングルスロープＡＤ変換を複数回行う。

図１８は、第３の実施形態に係る信号変換部３Ｂ（ｋ）の構成を示す回路図である。図１８では、第１の実施形態の図３と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

信号変換部３Ｂ（ｋ）は、図３の構成に加え、設定部４１を更に備える。第１制御部１７Ｂ、第２制御部１８、設定部４１及び出力部４は、デジタル信号生成部として機能する。また、ランプ電圧Ｖｒａｍｐは２^Ｍ回供給される（Ｍは１以上の整数）。以下、Ｍ＝２の一例を説明する。

図１９は、ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。

時刻ｔ４１までの動作は、第１の実施形態と同じである。

時刻ｔ４１から時刻ｔ４２までの間、同じランプ電圧Ｖｒａｍｐが繰り返し４回供給される。第１制御部１７Ｂは、リセット電圧Ｖｒｓｔが供給された状態でランプ電圧Ｖｒａｍｐが複数回供給された場合、第３デジタル信号Ｄ３を複数回生成する。第１制御部１７Ｂは、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給される度に、第１の実施形態と同様に第３デジタル信号Ｄ３を生成する。従って、第３デジタル信号Ｄ３は、４回生成される。

時刻ｔ４３の後、信号電圧Ｖｓｉｇが供給される。図１９では、リセット電圧Ｖｒｓｔに近い信号電圧Ｖｓｉｇが供給される暗時と、暗時の信号電圧Ｖｓｉｇより低い信号電圧Ｖｓｉｇが供給される明時と、を示している。

時刻ｔ４３から時刻ｔ４４の間、第２制御部１８は、第１の実施形態と同様に、逐次比較ＡＤ変換によって第２デジタル信号Ｄを設定する。時刻ｔ４４において、例えば、暗時の第２デジタル信号Ｄは“１１１”に設定され、明時の第２デジタル信号Ｄは“００１”に設定される。

時刻ｔ４５から時刻ｔ４７までの間、同じランプ電圧Ｖｒａｍｐが繰り返し４回供給される。第１制御部１７Ｂは、第２デジタル信号Ｄが設定された後、信号電圧Ｖｓｉｇが供給された状態でランプ電圧Ｖｒａｍｐが複数回供給された場合、第４デジタル信号Ｄ４を、第２デジタル信号Ｄに応じて定められる生成回数生成する。第１制御部１７Ｂは、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給される度に、第１の実施形態と同様に第４デジタル信号Ｄ４を生成する。

設定部４１は、第２デジタル信号Ｄに応じて、リセット電圧Ｖｒｓｔと信号電圧Ｖｓｉｇとの差が大きい程、生成回数を少なく設定すると共にビットシフト量を大きく設定する。設定部４１は、図２０（ａ）に示すような対応関係を保持している。図２０（ａ）は、第２デジタル信号Ｄと生成回数とビットシフト量との対応関係を示す図である。Ｍ＝２の場合、暗時（Ｄ＝“１１１”）の生成回数は４回であり、明時（Ｄ＝“００１”）の生成回数は１回である（図示せず）。

これにより、時刻ｔ４５から時刻ｔ４７の間に、暗時では、第４デジタル信号Ｄ４は４回生成され、明時では、第４デジタル信号Ｄ４は１回生成される。ランダムノイズに対する要求が厳しい暗時では、第４デジタル信号Ｄ４を４回生成することにより、ランダムノイズを抑制できる。明時では、ショットノイズが支配的なため、ランダムノイズに対する要求は緩い。そのため、第４デジタル信号Ｄ４を１回又は暗時よりも少ない回数だけ生成することで、消費電力を減らすことができる。

第１制御部１７Ｂは、経過時間をカウントするカウンタ４２を有する。第１制御部１７Ｂは、第４デジタル信号Ｄ４が生成回数生成された後、カウンタ４２及び比較器１１，１２の動作を停止させる。明時の場合、第４デジタル信号Ｄ４が１回生成された後の時刻ｔ４６から時刻ｔ４７の間、ランプ電圧Ｖｒａｍｐに応じて第３電圧Ｖｘは変化するが、カウンタ４２及び比較器１１，１２は動作せず、消費電力を低減できる。

この後、第１制御部１７Ｂは、第４デジタル信号Ｄ４の総和と第３デジタル信号Ｄ３の総和との差（第４デジタル信号Ｄ４の総和から第３デジタル信号Ｄ３の総和を減算した値）を第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）として出力する。

第１の実施形態と同様に、オフセット補正部３４は、第２デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｍ（ｋ）と第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）とオフセットコードとをマージして第１デジタル信号Ｄｏｕｔを生成する。

リセット電圧ＶｒｓｔがシングルスロープＡＤ変換される回数は、明時の信号電圧ＶｓｉｇがシングルスロープＡＤ変換される回数より多い。そのため、第３デジタル信号Ｄ３の総和のビット数は、明時の第４デジタル信号Ｄ４のビット数より多い。そこで、これらのビット数を等しくする処理を行う。

第１制御部１７Ｂは、第３デジタル信号Ｄ３の総和のビット数を、第２デジタル信号Ｄに応じて定められるビットシフト量だけ減らす。ビットシフト量は、図２０（ａ）の対応関係に従って設定される。ビット数が減らされた第３デジタル信号Ｄ３の総和のビット数は、第４デジタル信号Ｄ４の総和のビット数と等しい。

第１制御部１７Ｂは、第４デジタル信号Ｄ４の総和とビット数が減らされた第３デジタル信号Ｄ３の総和との差（第４デジタル信号Ｄ４の総和からビット数が減らされた第３デジタル信号Ｄ３の総和を減算した値）のビット数を、ビットシフト量だけ増やし、ビット数が増やされた差を第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）として出力する。ビット数を増やす処理は、出力部４で行っても良い。

図２０（ｂ）は、Ｍ＝２の場合のビットシフト例を示す図である。

この例では、１回に生成される第３デジタル信号Ｄ３及び第４デジタル信号Ｄ４は、それぞれ８ビットである。よって、４つの第３デジタル信号Ｄ３の総和は、１０ビットである。

暗時（Ｄ＝“１１１”）では、４つの第４デジタル信号Ｄ４の総和は、１０ビットである。ビットシフト量は０である。従って、１０ビットの第４デジタル信号Ｄ４の総和と、１０ビットの第３デジタル信号Ｄ３の総和との差（ＣＤＳ結果）は、１０ビットである。

明時（Ｄ＝“０００”）では、１つの第４デジタル信号Ｄ４が生成される。ビットシフト量は、２である。そこで、１０ビットの第３デジタル信号Ｄ３の総和を２ビット右にシフトして、８ビットにする。つまり、第３デジタル信号Ｄ３の総和の最下位から２ビットは、削除される。

従って、８ビットの第４デジタル信号Ｄ４の総和と、８ビットの第３デジタル信号Ｄ３の総和との差（ＣＤＳ結果）は、８ビットである。

最後に、上記差を２ビット左にシフトして、１０ビットにする。つまり、上記差の最下位から２ビットは、“００”になる。このようにして、明時においても、適切な第５デジタル信号Ｄｏｕｔ＿ｌ（ｋ）を得ることができる。

このように、本実施形態では、シングルスロープＡＤ変換を複数回行うので、第１の実施形態よりもノイズを低減できる。

また、ランプ電圧Ｖｒａｍｐを供給する回数は、１水平期間内に収まる範囲で任意に設定できるため、ノイズの低減量の調整範囲が広い。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１キャパシタ２３Ｃを複数の単位キャパシタ２５，２６に分割し、単位キャパシタ２５，２６に供給する電圧を切り替えることにより、シングルスロープＡＤ変換を複数回行う。

図２１は、第４の実施形態に係る信号変換部３Ｃ（ｋ）の構成を示す回路図である。図２１では、第３の実施形態の図１８と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。比較器１２、キャパシタ１３、スイッチＲＳＴ２、エッジ検出器１６、第１制御部１７Ｂ、第２制御部１８、及び、設定部４１は、図示を省略している。

キャパシタ部１４Ｃは、第１キャパシタ２４（容量値８Ｃ）を更に備える。即ち、第２デジタル信号Ｄは、４ビットである。単位容量値Ｃの４倍の容量値４Ｃを有する第１キャパシタ２３Ｃは、単位容量値Ｃの２倍の容量値２Ｃをそれぞれ有する２つの単位キャパシタ２５，２６に分割されている。第１キャパシタ２３Ｃは、図１８のキャパシタ２３に対応する。

各単位キャパシタ２５，２６は、反転入力ノード１１ｂに接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１又は第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、を有する。

各スイッチＳ５，Ｓ７は、対応する単位キャパシタの他端に接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される他端と、を有する。各スイッチＳ６，Ｓ８は、対応する単位キャパシタの他端に接続された一端と、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、を有する。

スイッチＳ９は、キャパシタ２４の他端に接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される他端と、を有する。スイッチＳ１０は、キャパシタ２４の他端に接続された一端と、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、を有する。

図２２，２３は、シングルスロープＡＤ変換の各動作段階における信号変換部３Ｃ（ｋ）の接続状態を示す図である。図２４は、ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。

図２２（ａ）は、１回目のシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３Ｃ（ｋ）の接続状態を示す図である。図２２（ａ）は、図２４の時刻ｔ５１以降、時刻ｔ５２までの接続状態を示す。

ランプ電圧Ｖｒａｍｐ（図示せず）は、時刻ｔ５１の後で増加を始め、時刻ｔ５５まで単調に増加し続ける。つまり、ランプ電圧Ｖｒａｍｐは、この期間に１回だけ供給される。ランプ電圧Ｖｒａｍｐの最小値は、第３参照電圧Ｖｒａｍｐ０より低い。

第１キャパシタ２１，２２，２４及び単位キャパシタ２５，２６の一端には、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給されている。時刻ｔ５２までの動作は、第３の実施形態と同じであり、第３デジタル信号Ｄ３が生成される。

第１制御部１７Ｂは、リセット電圧Ｖｒｓｔ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第３デジタル信号Ｄ３を生成した後、単位キャパシタ２５，２６と第１キャパシタ２２との何れかの他端に供給される電圧を切り替えて第３デジタル信号Ｄ３を生成する処理を１回以上（ここでは３回）行う。

図２２（ｂ）は、２回目のシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３Ｃ（ｋ）の接続状態を示す図である。図２２（ｂ）は、図２４の時刻ｔ５２以降、時刻ｔ５３までの接続状態を示す。

時刻ｔ５２において、第１キャパシタ２２に供給される電圧を第１参照電圧Ｖｒｅｆ１より低い第２参照電圧Ｖｒｅｆ２に切り替え、第３電圧Ｖｘを低下させる。時刻ｔ５２において低下した第３電圧Ｖｘは、時刻ｔ５１の後の増加直前の第３電圧Ｖｘと略等しい。第３電圧Ｖｘは、再びリセット電圧Ｖｒｓｔより低くなるため、ランプ電圧Ｖｒａｍｐの増加（即ち第３電圧Ｖｘの増加）によって再びシングルスロープＡＤ変換を行うことができる。

図２３（ａ）は、３回目のシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３Ｃ（ｋ）の接続状態を示す図である。図２３（ａ）は、図２４の時刻ｔ５３以降、時刻ｔ５４までの接続状態を示す。

時刻ｔ５３において、単位キャパシタ２５に供給される電圧を第２参照電圧Ｖｒｅｆ２に切り替え、第３電圧Ｖｘを低下させる。単位キャパシタ２５の容量値は第１キャパシタ２２の容量値と略等しいため、時刻ｔ５３において低下した第３電圧Ｖｘは、時刻ｔ５１の後の増加直前の第３電圧Ｖｘと略等しい。これにより、再びシングルスロープＡＤ変換を行うことができる。

図２３（ｂ）は、４回目のシングルスロープＡＤ変換時の信号変換部３Ｃ（ｋ）の接続状態を示す図である。図２３（ｂ）は、図２４の時刻ｔ５４以降、時刻ｔ５５までの接続状態を示す。

時刻ｔ５４において、単位キャパシタ２６に供給される電圧を第２参照電圧Ｖｒｅｆ２に切り替え、第３電圧Ｖｘを低下させる。これにより、再びシングルスロープＡＤ変換を行うことができる。

このようにして、１つのランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給されている間にシングルスロープＡＤ変換を４回行い、４つの第３デジタル信号Ｄ３を生成することができる。時刻ｔ５５において、第１キャパシタ２２及び単位キャパシタ２５，２６には、再度、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される。

時刻ｔ５６以降、信号電圧Ｖｓｉｇが供給され、時刻ｔ５７まで、逐次比較ＡＤ変換が行われる。この時、スイッチＳ５，Ｓ７は同じ状態に制御され、スイッチＳ６，Ｓ８は同じ状態に制御される。これにより、第３の実施形態と同様に、容量値４Ｃのキャパシタ２３Ｃの他端に第１参照電圧Ｖｒｅｆ１又は第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される。従って、逐次比較ＡＤ変換は、第３の実施形態と同様に行われる。このように、単位キャパシタ２５，２６は、レベルシフトと逐次比較ＡＤ変換の両者において用いられる。

図示する例では、暗時には、第２デジタル信号Ｄは“１１１１”に設定され、明時には、第２デジタル信号Ｄは“０００１”に設定されている。

第１制御部１７Ｂは、逐次比較ＡＤ変換により第２デジタル信号Ｄが設定された後、第４デジタル信号Ｄ４を、第２デジタル信号Ｄに応じて定められる生成回数生成する。シングルスロープＡＤ変換できる回数（生成回数）は、設定された第２デジタル信号Ｄに応じて決まる。例えば、第２デジタル信号Ｄが“００００”の場合、単位キャパシタ２５，２６及び第１キャパシタ２２には第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給されている。よって、スイッチＳ３〜Ｓ８を切り替えても第３電圧Ｖｘを低下させることはできないため、シングルスロープＡＤ変換は１回だけ行える。そのため、生成回数は、例えば、図２５の対応関係に従って設定される。

図２５は、第２デジタル信号Ｄと生成回数とビットシフト量との対応関係を示す図である。暗時（Ｄ＝“１１１１”）の生成回数は４回であり、明時（Ｄ＝“０００１”）の生成回数は１回である。

第１制御部１７Ｂは、生成回数が複数の場合、信号電圧Ｖｓｉｇ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第４デジタル信号Ｄ４を生成した後、単位キャパシタ２５，２６と第１キャパシタ２２との何れかの他端に供給される電圧を切り替えて第４デジタル信号Ｄ４を生成する処理を１回以上行う。

ランプ電圧Ｖｒａｍｐ（図示せず）は、時刻ｔ５８の後で増加を始め、時刻ｔ６０まで単調に増加し続ける。つまり、ランプ電圧Ｖｒａｍｐは、この期間に１回だけ供給される。

暗時（Ｄ＝“１１１１”）には、時刻ｔ５８以降、時刻ｔ６０まで、シングルスロープＡＤ変換を４回行い、第４デジタル信号Ｄ４を４回生成する。この時の動作は、時刻ｔ５１からｔ５５までと同じである。

明時（Ｄ＝“０００１”）には、時刻ｔ５８以降、時刻ｔ５９まで、シングルスロープＡＤ変換を１回行い、第４デジタル信号Ｄ４を１回生成する。この後の時刻ｔ５９から時刻ｔ６０の間、カウンタ４２及び比較器１１，１２を停止させ、消費電力を低減できる。単位キャパシタ２５，２６及び第１キャパシタ２２の他端に供給される電圧も切り替えなくてよい。なお、時刻ｔ５９から時刻ｔ６０まで、第３電圧Ｖｘの波形の一部の図示を省略している。

この後、第３の実施形態と同様に、明時におけるビット数の調整、ＣＤＳ、及び、マージが行われ、第１デジタル信号Ｄｏｕｔが生成される。

図２６は、単位キャパシタ２５，２６による第３電圧Ｖｘのシフト量と、第２デジタル信号Ｄの１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量との関係を示す図である。単位キャパシタ２５，２６による第３電圧Ｖｘのシフト量は、第２デジタル信号Ｄの１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量の２倍である。これにより、第１キャパシタ２１，２２，２３Ｃ，２４のミスマッチなどに対する冗長性を持たせ、確実にシングルスロープＡＤ変換できる。

本実施形態によれば、第３の実施形態と同様に、シングルスロープＡＤ変換を複数回行うので、ノイズを低減できる。

また、１つの第１キャパシタ２３Ｃを複数の単位キャパシタ２５，２６に分割し、キャパシタを追加していないので、第３の実施形態と同等の面積を保つことができる。

また、第３の実施形態と比較して、短時間でシングルスロープＡＤ変換を複数回行うことができると共に、第３電圧Ｖｘを線形に増加させることができる。

第３の実施形態では、図示しないランプ電圧生成回路がランプ電圧Ｖｒａｍｐを複数回供給する際に、ランプ電圧生成回路の特性により、あるランプ電圧Ｖｒａｍｐから次のランプ電圧Ｖｒａｍｐに切り替える時に所定時間待つ必要がある（図１９参照）。そのため、シングルスロープＡＤ変換を同じ回数行うために、本実施形態よりも長時間を要する。また、第３の実施形態では、十分な時間待たずに次のランプ電圧Ｖｒａｍｐを供給する場合には、ランプ電圧生成回路の特性により、ランプ電圧Ｖｒａｍｐが非線形になる。よって、第３電圧Ｖｘが非線形に増加し、ＡＤ変換精度が悪化する可能性がある。

なお、容量値が４Ｃである第１キャパシタ２３Ｃを単位キャパシタ２５，２６に分割する一例について説明したが、容量値が８Ｃである第１キャパシタ２４も４つの単位キャパシタに分割すれば、シングルスロープＡＤ変換を８回行うことができる。また、更に大きい容量値の第１キャパシタを設け、これも単位キャパシタに分割してもよい。つまり、単位容量値Ｃの４倍以上の容量値を有する第１キャパシタの少なくとも何れかは、単位容量値Ｃの２倍の容量値をそれぞれ有する複数の単位キャパシタを含んでもよい。単位キャパシタの数は、目標とするノイズと面積とのトレードオフに応じて決定すればよい。

また、第１キャパシタ２４は設けなくてもよい。

また、シングルスロープＡＤ変換を複数回行う際、第１キャパシタ２２及び単位キャパシタ２５，２６に供給される電圧を切り替える順番は、特に限定されない。

（第５の実施形態）
第５の実施形態では、レベルシフト用の第３キャパシタ２８を追加し、第３キャパシタ２８に供給する電圧を切り替えることにより、シングルスロープＡＤ変換を複数回行う。

図２７は、第５の実施形態に係る信号変換部３Ｄ（ｋ）の構成を示す回路図である。図２７では、図１８と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。比較器１２、キャパシタ１３、スイッチＲＳＴ２、エッジ検出器１６、第１制御部１７Ｂ、第２制御部１８、及び、設定部４１は、図示を省略している。

信号変換部３Ｄ（ｋ）は、第３キャパシタ２８と、スイッチＳ７，Ｓ８と、を更に備える。第３キャパシタ２８は、反転入力ノード１１ｂに接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１又は第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、を有する。第３キャパシタ２８の容量値は、αＣである（αは１より大きい数）。

スイッチＳ７は、第３キャパシタ２８の他端に接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される他端と、を有する。スイッチＳ８は、第３キャパシタ２８の他端に接続された一端と、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、を有する。

ここでは、１つの第３キャパシタ２８を備える一例について説明するが、複数の第３キャパシタ２８を備えても良い。この場合、複数の第３キャパシタ２８は、反転入力ノード１１ｂに接続された一端と、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１又は第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給される他端と、をそれぞれ有する。各第３キャパシタ２８の容量値は、単位容量値Ｃより大きい。第３キャパシタ２８の数を増やす程、シングルスロープＡＤ変換の回数を増やすことができる。

図２８は、ＡＤ変換動作時の電圧Ｖｐｉｘと第３電圧Ｖｘのタイミング図である。第３の実施形態との相違点を中心に説明する。

ランプ電圧Ｖｒａｍｐ（図示せず）は、時刻ｔ６１の後で減少を始め、時刻ｔ６３まで単調に減少し続ける。時刻ｔ６２までの動作は、第３の実施形態と同じであり、第３デジタル信号Ｄ３が生成される。この間、第３キャパシタ２８には、第２参照電圧Ｖｒｅｆ２が供給されている。

第１制御部１７Ｂは、リセット電圧Ｖｒｓｔ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第３デジタル信号Ｄ３を生成した後、何れかの第３キャパシタ２８の他端に供給される電圧を切り替えて第３デジタル信号Ｄ３を生成する処理を１回以上（ここでは１回）行う。

つまり、時刻ｔ６２において、第３キャパシタ２８に供給される電圧を第２参照電圧Ｖｒｅｆ２より高い第１参照電圧Ｖｒｅｆ１に切り替え、第３電圧Ｖｘを増加させ、再びシングルスロープＡＤ変換を行う。

このようにして、１つのランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給されている間にシングルスロープＡＤ変換を２回行い、２つの第３デジタル信号Ｄ３を生成することができる。時刻ｔ６３において、第３キャパシタ２８には、再度、第１参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給される。

時刻ｔ６４以降、信号電圧Ｖｓｉｇが供給され、時刻ｔ６５まで、逐次比較ＡＤ変換が行われ、第２デジタル信号Ｄが設定される。逐次比較ＡＤ変換の間、第３キャパシタ２８に供給される電圧は切り替えられない。

ランプ電圧Ｖｒａｍｐ（図示せず）は、時刻ｔ６６の後で減少を始め、時刻ｔ６８まで単調に減少し続ける。

第１制御部１７Ｂは、第２デジタル信号Ｄが設定された後、第４デジタル信号Ｄ４を、第２デジタル信号Ｄに応じて定められる生成回数生成する。第１制御部１７Ｂは、生成回数が複数の場合、信号電圧Ｖｓｉｇ及びランプ電圧Ｖｒａｍｐが供給された状態で、第４デジタル信号Ｄ４を生成した後、何れかの第３キャパシタ２８の他端に供給される電圧を切り替えて第４デジタル信号Ｄ４を生成する処理を１回以上（ここでは１回）行う。

暗時（Ｄ＝“１１１”）には、時刻ｔ６６以降、時刻ｔ６８まで、シングルスロープＡＤ変換を２回行い、第４デジタル信号Ｄ４を２回生成する。この時の動作は、時刻ｔ６１からｔ６３までと同じである。

明時（Ｄ＝“００１”）には、時刻ｔ６６以降、時刻ｔ６７まで、シングルスロープＡＤ変換を１回行い、第４デジタル信号Ｄ４を１回生成する。時刻ｔ６７から時刻ｔ６８の間、カウンタ４２及び比較器１１，１２を停止させる。第３キャパシタ２８の他端に供給される電圧も切り替えなくてよい。

この後、第３の実施形態と同様に、明時におけるビット数の調整、ＣＤＳ、及び、マージが行われ、第１デジタル信号Ｄｏｕｔが生成される。

図２９は、第３キャパシタ２８による第３電圧Ｖｘのシフト量と、第２デジタル信号Ｄの１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量との関係を示す図である。第３キャパシタ２８の容量値はαＣであるため、第３キャパシタ２８による第３電圧Ｖｘのシフト量は、第２デジタル信号Ｄの１ＬＳＢによる第３電圧Ｖｘの変化量のα倍である。これにより、第１キャパシタ２１〜２３のミスマッチなどに対する冗長性を持たせ、確実にシングルスロープＡＤ変換できる。

本実施形態によれば、第４の実施形態と同様の効果を得られる。

なお、第２の実施形態を、第３から第５の実施形態と組み合わせても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 画素
２ ロウデコーダ
３（ｋ），３Ａ（ｋ）〜３Ｄ（ｋ） 信号変換部
４ 出力部
１１，１２ 比較器
１３ キャパシタ
１４，１４Ｃ キャパシタ部
１５ 第２キャパシタ
ＲＳＴ１，ＲＳＴ２ スイッチ
１６ エッジ検出器
１７，１７Ｂ 第１制御部
１８ 第２制御部
１９ 入力キャパシタ
２１〜２４，２３Ｃ 第１キャパシタ
Ｓ１〜Ｓ１０ スイッチ
２５，２６ 単位キャパシタ
２８ 第３キャパシタ
ＲＳＴ３ 第２スイッチ
３１ パラレル・シリアル変換部
３２ オフセットコード算出部
３３ ＳＲＡＭ
３４ オフセット補正部（マージ部）
３５ ゲインエラー算出部
３６ ＳＲＡＭ
３７ ゲインエラー補正部
４１ 設定部
４２ カウンタ

Claims (5)

1. 第１電圧又は第２電圧が供給される第１入力ノードと、第３の電圧が供給される第２入力ノードと、出力ノードと、を有し、前記第１電圧又は前記第２電圧と前記第３電圧とを比較した結果を前記出力ノードから出力する比較器と、
   前記第２入力ノードに接続された一端と、第１参照電圧又は第２参照電圧が供給される他端と、をそれぞれ有する複数の第１キャパシタを有するキャパシタ部と、
   第３参照電圧又はランプ電圧が供給される一端と、前記第２入力ノードに接続された他端と、を有する第２キャパシタと、
   前記第２入力ノードと前記出力ノードとの間に接続されたスイッチと、
   前記比較結果に基づいて前記第１デジタル信号を生成するデジタル信号生成部と、
   を備える半導体集積回路。
2. 第１電圧又は第２電圧が供給される一端を有する入力キャパシタと、
   前記入力キャパシタの他端に接続された第１入力ノードと、第２入力ノードと、出力ノードと、を有し、前記第１入力ノードの第３電圧と前記第２入力ノードの第４電圧とを比較した結果を前記出力ノードから出力する比較器と、
   前記第２入力ノードに接続された一端と、第１参照電圧又は第２参照電圧が供給される他端と、をそれぞれ有する複数の第１キャパシタを有するキャパシタ部と、
   第３参照電圧又はランプ電圧が供給される一端と、前記第２入力ノードに接続された他端と、を有する第２キャパシタと、
   前記第１入力ノードと前記出力ノードとの間に接続された第１スイッチと、
   前記第２入力ノードと第４参照電圧が供給される参照電圧ノードとの間に接続された第２スイッチと、
   前記比較結果に基づいて前記第１デジタル信号を生成するデジタル信号生成部と、
   を備える半導体集積回路。
3. 前記複数の第１キャパシタの容量値は、単位容量値の２のべき乗倍に重み付けされ、
   前記単位容量値の４倍以上の容量値を有する前記第１キャパシタの少なくとも何れかは、前記単位容量値の２倍の容量値をそれぞれ有する複数の単位キャパシタを含み、
   前記各単位キャパシタは、前記第２入力ノードに接続された一端と、前記第１参照電圧又は前記第２参照電圧が供給される他端と、を有する、請求項１又は２に記載の半導体集積回路。
4. 前記第１電圧は、イメージセンサの画素に光が照射されないときのリセット電圧であり、
   前記第２電圧は、前記画素に光が照射されたときの信号電圧である、請求項１から請求項３の何れかに記載の半導体集積回路。
5. 画素と、
   前記画素に光が照射されないときのリセット電圧と、前記画素に光が照射されたときの信号電圧との差をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、を備え、
   前記ＡＤ変換器は、
   前記リセット電圧又は前記信号電圧が供給される第１入力ノードと、第２入力ノードと、出力ノードと、を有し、前記第１入力ノードの電圧と前記第２入力ノードの電圧とを比較して比較結果を前記出力ノードから出力する比較器と、
   前記第２入力ノードに接続された一端と、第１参照電圧又は第２参照電圧が供給される他端と、をそれぞれ有する複数の第１キャパシタを有するキャパシタ部と、
   第３参照電圧又はランプ電圧が供給される一端と、前記第２入力ノードに接続された他端と、を有する第２キャパシタと、
   前記第２入力ノードと前記出力ノードとの間に接続されたスイッチと、
   前記比較結果に基づいて前記デジタル信号を生成するデジタル信号生成部と、
   を有するイメージセンサ。

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