JP2017126810A - Amplifier and image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明の実施形態は、増幅器およびイメージセンサに関する。 Embodiments described herein relate generally to an amplifier and an image sensor.
従来、オペアンプ・ベースの増幅器が広く用いられている。例えばオペアンプの一方の入力端子に容量C1を接続し、オペアンプの出力を、この一方の入力端子に容量C2を介して負帰還させる回路が知られている。オペアンプの他方の入力端子は、グランド電圧等の電源電圧に接続される。この回路の入出力特性は、
上記とは別の増幅器の実装方法として、コンパレータ・ベース・スイッチト・キャパシタ(CBSC:COMPATATOR BASED SWITCHED CAPACITOR)増幅器が知られている。このCBSC増幅器も、コンパレータの遅延特性のために、増幅器の出力電圧がオーバーシュートすることにより、精度の高い増幅が難しい問題があった。 As another amplifier mounting method, a comparator based switched capacitor (CBSC) amplifier is known. This CBSC amplifier also has a problem that it is difficult to amplify with high accuracy because the output voltage of the amplifier overshoots due to the delay characteristic of the comparator.
本発明の実施形態は、精度の高い増幅を低消費電力で実現することを目的とする。 An object of the present invention is to realize high-precision amplification with low power consumption.
本発明の実施形態としての増幅器は、第1の容量と、第2の容量と、第1のスイッチと、電流源と、第2のスイッチと、制御電圧供給部と、コンパレータを備える。前記第1の容量は、第1の電源電圧が与えられる第1の端子に一端が接続される。前記第2の容量は、一端が前記第1の容量の他端に接続される。前記第1のスイッチは、前記第1および第2の容量間の接続ノードを、第2の電源電圧が与えられる第2の端子に接続する。前記電流源は、第3の電源電圧が与えられる第3の端子に一端が接続される。前記第2のスイッチは、前記電流源の他端と前記第2の容量の他端間を接続する。前記出力端子は、前記第2の容量の他端に接続される。前記制御電圧供給部は、前記出力端子へ制御電圧を供給する。前記コンパレータは、前記接続ノードの電圧と、入力信号と差分に応じて、前記第2のスイッチを制御する。 An amplifier according to an embodiment of the present invention includes a first capacitor, a second capacitor, a first switch, a current source, a second switch, a control voltage supply unit, and a comparator. One end of the first capacitor is connected to a first terminal to which a first power supply voltage is applied. One end of the second capacitor is connected to the other end of the first capacitor. The first switch connects a connection node between the first and second capacitors to a second terminal to which a second power supply voltage is applied. One end of the current source is connected to a third terminal to which a third power supply voltage is applied. The second switch connects the other end of the current source and the other end of the second capacitor. The output terminal is connected to the other end of the second capacitor. The control voltage supply unit supplies a control voltage to the output terminal. The comparator controls the second switch according to a voltage of the connection node, an input signal, and a difference.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る増幅器の回路図である。図1の増幅器は、コンパレータ(比較器)100と、容量CCP1および容量CCP2、スイッチ105、106、電流源108、制御電圧供給回路110、電源端子VCM、電源端子VREF、電源端子GNDを備える。制御電圧供給回路110は、制御電圧生成器109とスイッチ107とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram of an amplifier according to the first embodiment. 1 includes a comparator (comparator) 100, a capacitor C CP1 and a capacitor C CP2 ,
コンパレータ100は、2つの入力端子101、102を有する。入力端子101には、増幅対象となる入力電圧VPIXが与えられる。この入力電圧は、一例として、直流電圧である。一方、入力端子102は、容量CCP1および容量CCP2間の接続ノード104に接続され、接続ノード104のVFB電圧が与えられる。コンパレータ100は、入力端子101、102に入力された電圧を比較し、差分に応じた電圧を出力することで、スイッチ107を制御する。例えば、入力端子102に入力された電圧が、入力端子101に入力された電圧よりも大きいときは、ハイレベル(またはローレベル)の電圧を出力して、スイッチ107をオンにし、入力端子102に入力された電圧が、入力端子101に入力された電圧以下になったときは、ローレベル(またはハイレベル)の電圧を出力して、スイッチ107をオフにする。コンパレータ100の例として、オペアンプを用いることができる。ただし、2つの入力電圧を比較し、その差分に応じた電圧を出力する素子または回路であれば、オペアンプに限られず、任意の素子または回路を利用できる。
The
容量CCP1の一端と容量CCP2の一端とが互いに接続され、この接続部が接続ノード104を形成する。接続ノード104はスイッチ105を介して、電源端子VCMに、接続されている。電源端子VCMには、電源電圧VCMが与えられる。なお、容量CCP1および容量CCP2のキャパシタンスを、それぞれCCP1およびCCP2によって表す。
One end of the capacitor C CP1 and one end of the capacitor C CP2 are connected to each other, and this connection portion forms the
スイッチ105の一端は、接続ノード104に接続され、スイッチ105の他端は、電源端子VCMに接続されている。スイッチ105は、MOSトランジスタ、またはバイポーラトランジスタなど、任意のスイッチング素子で構成できる。
One end of the
容量CCP2の一端は、接続ノード104に接続され、容量CCP2の他端は、電源端子VREFに接続されている。電源端子VREFには電源電圧VREFが与えられる。電源電圧VREFは、電源電圧VCMと同じ電圧、例えば同じ電圧源により生成された電圧でもよい。
One end of the capacitor C CP2 is connected to the
容量CCP1の一端は、接続ノード104に接続され、容量CCP1の他端は、出力端子VSIGに接続される。また、容量CCP1の他端は、出力端子VSIGと並行に、スイッチ106に接続されている。出力端子VSIGからは、本増幅器により増幅された電圧が出力される。
One end of the capacitor C CP1 is connected to the
スイッチ106の一端は、容量CCP1の他端に接続され、スイッチ106の他端は、電流源108に接続されている。スイッチ106は、MOSトランジスタ、またはバイポーラトランジスタなど、任意のスイッチング素子で構成できる。
One end of the
電流源108の一端は、スイッチ106の他端に接続され、電流源108の他端は、電源端子GNDに接続されている。電源端子GNDには、所定の電源電圧GND(例えばグランド電圧)が与えられる。
One end of the
出力端子VSIGは、制御電圧供給回路110に接続されている。制御電圧供給回路110は、所定の制御電圧を生成する制御電圧生成器109とスイッチ107を備え、スイッチ107を制御することで、制御電圧の出力端子VSIGへの供給を制御する。スイッチ107の一端は、出力端子VSIGに接続され、スイッチ107の他端は、制御電圧生成器109に接続されている。スイッチ107は、MOSトランジスタ、またはバイポーラトランジスタなど、任意のスイッチング素子で構成できる。なお、スイッチ107は、制御電圧生成器109の内部に配置されてもよい。制御電圧生成器109が生成する所定の制御電圧は、電源端子VCMの電圧VCMに、予め定めた電圧VCTRLを加算した電圧(VCM+VCTRL)である。
The output terminal V SIG is connected to the control voltage supply circuit 110. The control voltage supply circuit 110 includes a
スイッチ105、107は、外部から与える制御信号に応じて、オンまたはオフされる。外部から与える制御信号は、ハイレベルまたはローレベルの電圧を有し、ハイレベルまたはローレベルかに応じて、スイッチ105、107はオン・オフされる。ハイレベルのとき、オン、ローレベルのときオフにされ、あるいはこの逆に動作する。スイッチ106は、コンパレータ100の出力に応じて、オンまたはオフされるようになっている。例えば、コンパレータ100の出力が、ハイレベルのとき、オン、ローレベルのときオフにされる。あるいは、この逆の動作でもよい。なお、スイッチ106も、スイッチ105、107と同様に、外部から与える制御信号に応じて、オン・オフを制御されもよい。
The
以下、本増幅器の動作の概要を説明し、その後、図2のタイミング・チャートを用いて、詳細な動作を示す。 Hereinafter, the outline of the operation of the present amplifier will be described, and then the detailed operation will be described using the timing chart of FIG.
本増幅器の動作として、増幅動作の開始前の一定期間P1、スイッチ105、106、107はオンにされている。このとき、制御電圧生成器109から制御電圧(VCM+VCTRL)が、出力端子VSIGに与えられており、出力端子VSIGの電圧VSIGは、VCM+VCTRLである。また接続ノード104の電圧は、接続ノード104が、スイッチ105を介して電源端子VCMに接続されているから、VCMである。よって、容量CCP2の両端には、電源電圧VREFと電源電圧VCMが印加され、容量CCP1の両端には電源電圧VCMと、制御電圧VCM+VCTRLが印加される。これにより、各容量に電荷がチャージされる。
As an operation of this amplifier, the fixed period P1 and the
コンパレータ100の入力端子102には、接続ノード104の電圧VFBが入力される。入力端子101へ入力される電圧(増幅対象の直流電圧)VPIXは、電圧VCM以下の範囲で設定されている。コンパレータ100は、入力端子101に入力される電圧VPIXより、入力端子102に入力される電圧VFBが大きいときは(VCM>VPIX)、スイッチ106をオンにする。入力端子102の入力電圧VFBが、一方の入力端子101の入力電圧VPIX以下となったとき(VCM<=VPIX)、スイッチ106をオフにする。ここでは、VFB(=VCM)>VPIXのため、スイッチ106はオンの状態である。このように、増幅動作の開始前に、スイッチ105、106、107をオンにして、各容量を充電するフェーズを、初期フェーズと呼ぶ。
The voltage V FB of the
外部からの制御信号により、ある時刻(時刻T1とする)で、スイッチ105、107をオフにすることで、増幅フェーズに移行する。このとき、電流源ICPにより、電源電圧VREFから、容量CCP1、CCP2を介して、電源電圧GNDへの電流パスが形成される。つまり、電流源ICPによって、容量CCP1,CCP2から電荷が引き抜かれる。これにより、接続ノード104の電圧VFBは、ある傾きSRVFBで減少し、出力端子VSIGの電圧VSIGも、別のある傾きSRVSIGで減少する。このような、ある傾きで減少する電圧のグラフをランプ波とも呼ぶ。接続ノード104の電圧VFBの傾きSRVFB、出力端子VSIGの電圧VSIGの傾きSRVSIGは、容量CCP1および容量CCP2に応じて、以下のように決まる。
By turning off the
出力端子VSIGの電圧VSIGの傾きSRVSIGは、式(1)により表される。
ここで、「CCP1//CCP2」は、容量CCP1,CCP2の合成キャパシタンスを表す。容量CCP1、CCP2は直列に接続されているため、合成キャパシタンスは、(CCP1×CCP2)/(CCP1+CCP2)である。 Here, “C CP1 // C CP2 ” represents the combined capacitance of the capacitors C CP1 and C CP2 . Since the capacitors C CP1 and C CP2 are connected in series, the combined capacitance is (C CP1 × C CP2 ) / (C CP1 + C CP2 ).
接続ノード104の電圧VFBの傾きSRVFBは、容量分割により、式(2)により表される。
入力端子102の電圧VFBが、入力端子101の電圧VPIX以下になったとき、コンパレータ100の出力は反転し、このとき、スイッチ106がオフにされる。具体的に、
つまり、入力された電圧VPIXが、増幅率Mで増幅されて、出力端子VSIGから出力される。式(3)および式(4)から、2個の容量CCP1、CCP2のキャパシタンスに基づき、コンパレータの増幅率Mを制御できることが分かる。 That is, the input voltage V PIX is amplified by the amplification factor M and output from the output terminal V SIG . It can be seen from the equations (3) and (4) that the amplification factor M of the comparator can be controlled based on the capacitances of the two capacitors C CP1 and C CP2 .
ここで、コンパレータ100が仮に遅延のない、理想的なコンパレータの場合を考える。理想的なコンパレータでは、入力電圧VPIXが、電圧VFBに一致した(あるいは下回った)時点で、コンパレータの出力が、反転し、スイッチ106がオフになる。
Here, consider the case where the
しかしながら、入力電圧VPIXと電圧VFBが一致し、その大小関係が逆転してから、実際にコンパレータの出力として反映されるまでに、コンパレータの内部で遅延が生じる。したがって、この遅延の時間をtCMPと表すと、実際には、入力電圧VPIXが電圧VFBに一致した時刻(時刻T2とする)から、遅延時間tCMP経過後に、コンパレータ100の出力が反転する(たとえばコンパレータの出力が、ハイレベルからローレベルになる)。この遅延時間tCMPのため、入力端子102の電圧VFBは、電圧VPIXと一致した後も、電圧VPIXよりもある電圧Vofsだけ、余分にオーバーシュートする。これにより、出力電圧VSIGも、理想的なコンパレータの場合に比べて、ある電圧(オーバーシュート電圧VOSとする)だけ、余分にオーバーシュートする。
However, there is a delay in the comparator from when the input voltage V PIX and the voltage V FB coincide and the magnitude relationship is reversed until it is actually reflected as the output of the comparator. Therefore, when this delay time is expressed as t CMP , the output of the
上述の出力電圧VSIGに対するオーバーシュート電圧VOSは、以下の式(5)により表される。
式(5)から、出力電圧VSIGに対するオーバーシュート電圧VOSは、SRVSIG(VSIGのスルーレート)またはSRVFB(VFBのスルーレート)が高くなるほど、また、遅延時間tCMPが長いほど、大きくなる。本実施形態では、この出力電圧VSIGに対するオーバーシュート電圧VOSを、制御電圧生成器109が生成する制御電圧を調整することでキャンセルする工夫を行っている。
From equation (5), the overshoot voltage V OS with respect to the output voltage V SIG increases as SR VSIG (V SIG slew rate) or SR VFB (V FB slew rate) increases and the delay time t CMP increases. ,growing. In the present embodiment, the overshoot voltage V OS with respect to the output voltage V SIG is devised to cancel by adjusting the control voltage generated by the
より詳細に、本実施形態において、コンパレータ100の出力反転後(スイッチ106がオフになった後)の出力電圧VSIGは、コンパレータ100の遅延を考慮して、式(6)で表される。式(6)において、Vofsは、上述したように、入力端子102の電圧VFBが電圧VPIXよりも余分に下回った分(オーバーシュートした分)の電圧を表す。VCTRLは、上述したように、制御電圧生成器109が生成する制御電圧VCM+VCTRLのうち、VCMに上乗せした分の電圧である。
よって、出力電圧VSIGに対するオーバーシュート電圧は、出力端子VSIGに与える制御電圧(VCM+VCTRL)を制御することによって、任意に制御することができる。 Therefore, the overshoot voltage with respect to the output voltage V SIG can be arbitrarily controlled by controlling the control voltage (V CM + V CTRL ) given to the output terminal V SIG .
式(6)から、VCTRL = M・Vofsとなるように、制御電圧(VCM+VCTRL)を調整すれば、
図2は、図1の増幅器の動作のタイミング・チャートである。紙面に沿って横方向は時間軸に対応する。各電圧VFB、VCM、VSIG、VPIXのグラフが示される。なお、これらのグラフは、電圧VCMを基準として、その電圧からの距離(差)に応じた位置に描かれている。 FIG. 2 is a timing chart of the operation of the amplifier of FIG. The horizontal direction along the paper corresponds to the time axis. A graph of each voltage V FB , V CM , V SIG , V PIX is shown. Note that these graphs, as the reference voltage V CM, depicted in a position corresponding to the distance (difference) from the voltage.
以下の説明では、増幅率M=2として、入力電圧VPIXの2倍の電圧(2×VPIX)を、出力電圧VSIGとして得る(より正確には、VCMとの差が、VPIXに対して2倍の電圧を得る)場合を想定している。 In the following description, with the amplification factor M = 2, a voltage (2 × V PIX ) that is twice the input voltage V PIX is obtained as the output voltage V SIG (more precisely, the difference from V CM is V PIX Is obtained).
W1は、接続ノード104の電圧VFB(入力端子102に入力される電圧VFB)のグラフ、W2は、出力端子VSIGの電圧のグラフを示す。最初の初期フェーズでは、スイッチ105、106、107がオンであり、入力端子102の電圧VFBはVCMに一致し、出力端子VSIGの電圧は、VCM+VCTRLに一致する。また、VCTRL = M・Vofsとなるように設定されている。コンパレータ100の入力端子101には、増幅対象となる入力電圧VPIXが与えられている。
W1 is a graph of the voltage V FB at the connection node 104 (the voltage V FB inputted to the input terminal 102), W2 represents a graph of the voltage at the output terminal V SIG. In the first initial phase, the
時刻T1で、外部から与える制御信号により、スイッチ105、107をオフにすると、増幅フェーズに移行する。このとき、グラフW1に示すように、電圧VFBは、前述した傾きSRVFBで減少し、時刻T2で入力電圧VPIXと、入力端子102の電圧VFBが一致する。コンパレータ100の遅延により、この時点では、コンパレータ100の出力は反転せず、遅延時間tCMP後の時刻T3で、コンパレータ100の出力が反転し、スイッチ106がオフになる。このとき入力端子102の電圧VFBは、入力電圧VPIXを、電圧Vofsだけオーバーシュートする。
At time T1, when the
次に、グラフW2について説明する。初期フェーズ時、出力端子VSIGの電圧は、VCM+VCTRLである。時刻T1で、スイッチ105、107がオフにされると、出力電圧VSIGは、傾きSRVSIGで減少する。時刻T2で、入力電圧VPIXと、入力端子102の電圧VFBが一致してから、遅延時間tCMP後の時刻T3で、コンパレータ100の出力が反転する。これにより、スイッチ106がオフになり、このときの容量CCP1および容量CCP2の電荷により、出力電圧VSIGが保持される。出力電圧VSIGの値は、式(6)からM(VPIX+Vofs)−VCTRLであり、VCTRL = M・VofsとなるようにVCTRLが設定されていることから、2×VPIXとなる。よって、入力端子102の電圧VFBにおける電圧Vofs分のオーバーシュートに係わらず、入力電圧を、所望の増幅率M(=2)で増幅した電圧が得られる。
Next, the graph W2 will be described. During the initial phase, the voltage at the output terminal V SIG is V CM + V CTRL . When the
ここで、本実施形態との比較用に、制御電圧生成器109により生成する制御電圧を、電源端子VCMと同じ電源電圧VCMとした場合(すなわちVCTRL=0とした場合)の出力端子の電圧グラフをグラフW3として示す。この場合、初期フェーズ時、出力端子のVSIGの電圧は、電源電圧VCMに一致する。時刻T1で、スイッチ105、107がオフにされると、出力電圧VSIGは、傾きSRVSIGで減少する。時刻T2で、入力電圧VPIXと、入力端子102の電圧VFBが一致してから、遅延時間tCMP後の時刻T3で、コンパレータ100の出力が反転し、これにより、スイッチ106がオフになる。このときの出力電圧VSIGは、入力電圧VPIXを所望の増幅率M(=2)で増幅した電圧(2×VPIX)に対し、オーバーシュート電圧Vos(=M・Vofs)だけ、オーバーシュートする。上述した本実施形態のグラフW2は、VCTRL = M・Vofsとしており、これは、比較用のグラフW3をVCTRLだけ、上に上昇させたものに一致する。つまり、本実施形態では、出力端子VSIGに、オーバーシュート電圧Vos分の電圧をVCMに上乗せした電圧を初期フェーズ時に与えることで、出力電圧VSIGのオーバーシュートをキャンセルすることができる。
Here, the output terminal of the comparison between the present embodiment, when the control voltage generated by the
以上、本実施形態によれば、初期フェーズ時に出力端子VSIGに与える電圧を制御することで、コンパレータ100の遅延に起因して発生するオーバーシュート電圧を防止できる。よって、コンパレータの遅延時間を考慮しつつ、入力電圧を、高い精度かつ低消費電力で、増幅できる。
As described above, according to the present embodiment, the overshoot voltage generated due to the delay of the
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態に係る増幅器の回路図である。図1に示した第1の実施形態の増幅器との差分は、制御電圧供給回路110(制御電圧生成器109とスイッチ107)が除去され、これとは別の構成を有する制御電圧供給回路210とスイッチ111が追加された点である。また、出力端子VSIGは、スイッチ105の一端に接続され、スイッチ105を介して電源端子VCMに接続されている。制御電圧供給回路210は、スイッチ201、202、203、204を備える。なお、図1のスイッチ106は、ここではNMOSトランジスタ206として具体化した例で示されている。スイッチ201、202、203、204は、MOSトランジスタ、バイポーラトランジスタなど、任意のスイッチング素子で構成できる。スイッチ111は、外部の制御信号に応じて動作し、スイッチ105がオンのときオン、スイッチ105がオフのときオフであるように、スイッチ105と同期して動作する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram of an amplifier according to the second embodiment. The difference from the amplifier of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the control voltage supply circuit 110 (the
スイッチ201、202、203、204は、キャパシタCCP1の両端と、接続ノード104および出力端子VSIGとの接続関係を切り換える役割を有する。スイッチ201、202、203、204は、外部から与えられる制御信号に応じて、オンまたはオフされるようになっている。スイッチ201、202がオンで、スイッチ203、204がオフのとき、キャパシタCCP1の一端は接続ノード104に接続され、他端は出力端子VSIGに接続される。一方、スイッチ201、202がオフで、スイッチ203、204がオンのとき、キャパシタCCP1の一端は出力端子VSIGに接続され、他端は接続ノード104に接続される。これらのスイッチ201、202、203、204により、キャパシタCCP1の両端と、接続ノード104および出力端子VSIGとの接続関係を逆にすることで、容量CCP1の極性を反転させ、接続ノード104の電圧を出力端子VSIGに制御電圧として与えることができる。
The
第1の実施形態では、初期フェーズ時に出力端子VSIGに、制御電圧(VCM+VCTRL)を与え、このとき、VCTRL = M・VofsとなるようにVCTRLを調整することで、オーバーシュート電圧をキャンセルした。本実施形態では、初期フェーズ時に出力端子VSIGに与える電圧はVCMとしつつ、増幅動作の開始時に容量CCP1の極性を反転させることで、オーバーシュート電圧の一部をキャンセルする。 In the first embodiment, the output terminal V SIG during the initial phase, the control voltage applied to (V CM + V CTRL), this time, by adjusting the V CTRL such that V CTRL = M · V ofs, over Canceled the shoot voltage. In the present embodiment, the voltage applied to the output terminal V SIG at the initial phase is V CM, and a part of the overshoot voltage is canceled by inverting the polarity of the capacitor CC 1 at the start of the amplification operation.
図4は、図3の増幅器の動作のタイミング・チャートである。紙面に沿って横方向は時間軸に対応する。各電圧VFB、VCM、VSIG、VPIXのグラフが示される。 FIG. 4 is a timing chart of the operation of the amplifier of FIG. The horizontal direction along the paper corresponds to the time axis. A graph of each voltage V FB , V CM , V SIG , V PIX is shown.
まず、初期フェーズにおいて、外部から与える制御信号により、スイッチ105、206およびスイッチ201、202はオン、スイッチ203、204はオフとする。また、コンパレータ100の入力端子101には、初期電圧Viniを与える。この初期電圧は、電圧VCMに一致させる。
First, in the initial phase, the
この状態の下、時刻T11で、スイッチ105(およびスイッチ111)をオフにすることで、オーバーシュート電圧抽出フェーズに移行する。当該抽出フェーズに移行すると、接続ノード104の電圧VFBと出力端子VSIGの電圧VSIGが、容量CCP1および容量CCP2に応じて、それぞれ、ある傾きで低下し、時刻T11からコンパレータ100の遅延時間経過後の時刻T12で、コンパレータ100の出力が反転し、スイッチ206がオフになる。なお、強制的に、時刻T11からコンパレータ100の遅延時間経過後にスイッチ206をオフにする制御信号を与えてもよい。入力端子101には、VCMに一致する初期電圧Viniを与えたことから、オーバーシュート電圧VOSを、容量CCP1および容量CCP2に蓄積された電荷として抽出できる。時刻T12での出力端子VSIGの電圧は、時刻T11よりもオーバーシュート電圧VOSだけ低下し、また接続ノード104の電圧VFBは、Vofs(=VOS/M)だけ低下する。
Under this state, at time T11, the switch 105 (and the switch 111) is turned off to shift to the overshoot voltage extraction phase. After the transition to the extraction phase, the voltage V SIG of the voltage V FB and output terminal V SIG of the
時刻T12から一定時間後の時刻T13で、スイッチ201、202をオフにし、スイッチ203、204をオンにすることで、容量CCP1の極性を反転させる。この結果、容量CCP1の両端間の電圧分、出力端子VSIGの電圧を上昇させる。その後、続けて、増幅対象となる所望の入力電圧VPIXを、コンパレータ100の入力端子101に与え、時刻T14で、スイッチ206を、外部から与える制御信号によりオンにする。
At time T13 after a certain time from time T12, the
接続ノードの電圧(入力端子102の電圧)VFBおよび出力端子VSIGの電圧VSIGは、容量CCP1および容量CCP2に応じて、それぞれ、ある傾きで低下する。時刻T15で、入力電圧VPIXと入力端子102の電圧VFBが一致してから、遅延時間tCMP後の時刻T16で、コンパレータ100の出力が反転して、スイッチ206がオフになる。このとき、容量CCP1および容量CCP2に保持された電荷により、出力端子VSIGの電圧VSIGが固定される。
The voltage of the connection node (the voltage of the input terminal 102) V FB and the voltage V SIG of the output terminal V SIG decrease with a certain slope according to the capacitance C CP1 and the capacitance C CP2 , respectively. At time T15, after the input voltage V PIX and the voltage V FB of the
このときの出力電圧VSIGの値は、
(第3の実施形態)
図5に、第3の実施形態に係るCMOSイメージセンサのブロック図を示す。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a block diagram of a CMOS image sensor according to the third embodiment.
受光部301と、入力制御回路302と、増幅器(プログラマブル・ゲイン・アンプ)303と、アナログ・ディジタル(AD)変換器304、ディジタル回路305を備える。増幅器303は、第1または第2の実施形態に係る増幅器である。
A
受光部301では、受光した光の強さに応じた量の電荷を蓄積し、蓄積した電荷量に応じた電圧VPIXを出力する。入力制御回路302は、受光部301の出力電圧と、予め定めた電圧を有するリセット信号との一方を、外部から与えられる制御信号に応じて選択し、増幅器303へ入力する。リセット信号は、第2の実施形態の初期電圧と同じ電圧VCMである。この電圧は、一例として黒を表す信号(受光部での受光がない場合の信号)に相当する。入力制御回路302が、増幅器303の内部に設けられ、上記のいずれか一方の電圧を選択するスイッチとして構成されてもよい。
The
増幅器303は、入力制御回路302から入力された電圧を増幅し、増幅された電圧をAD変換器304に出力する。AD変換器304は、増幅器303により増幅された電圧をAD変換によりディジタルデータとして数値化する。ディジタル回路305は、電圧VPIXが増幅された信号のディジタルデータと、リセット信号が増幅された信号のディジタルデータとの差分をとるCDS(相関二重サンプリング:Correlated Double Sampling)処理を行う。これにより、増幅器303で生じるオーバーシュート電圧をより確実に低減させる。その他、ディジタル回路305は、CDS処理により得られたディジタルデータに対し、色調補正やノイズカットなどの任意の画像処理を行ってもよい。
The
一般的なCMOSイメージセンサでは、リセット信号と、実際の信号(入力信号VPIX)の両方を増幅器で増幅した後、A/D変換し、CDS処理により、その差分をとる。増幅器で生じるオーバーシュート電圧は、リセット信号と入力信号でほとんど変わらないため、CDSの処理をすることにより、オーバーシュート電圧はキャンセルされる。 In a general CMOS image sensor, both a reset signal and an actual signal (input signal V PIX ) are amplified by an amplifier, A / D converted, and the difference is obtained by CDS processing. Since the overshoot voltage generated in the amplifier hardly changes between the reset signal and the input signal, the overshoot voltage is canceled by performing the CDS process.
しかし、特に増幅器での増幅率を高く設定した場合、オーバーシュート電圧が非常に大きくなる。その結果、増幅器の後段に接続されるAD変換器のダイナミックレンジへの要求が、非常に高くなる。また、増幅器内の電流源のオーバードライブ電圧が確保できなくなり、これはアナログ的な歪の要因となる。 However, particularly when the amplification factor in the amplifier is set high, the overshoot voltage becomes very large. As a result, the demand for the dynamic range of the AD converter connected to the subsequent stage of the amplifier becomes very high. In addition, the overdrive voltage of the current source in the amplifier cannot be secured, which causes analog distortion.
本実施形態に係る増幅器303は、第1の実施形態で説明したように、オーバーシュート電圧をキャンセルする構成を備えているが、素子のマッチングや、寄生容量などの影響により、オーバーシュート電圧が残留する可能性もある。そのため、本実施形態では、リセット信号と実際の入力信号の両方を増幅器303で増幅した後、AD変換器304でA/D変換し、さらに、後段のディジタル回路305でCDS処理を行うことで、その差分を計算および出力する。これにより、増幅器303で残留したオーバードライブ電圧を確実にキャンセルする。
As described in the first embodiment, the
図6に、本実施形態に係る動作のタイミング・チャートを示す。紙面に沿って横方向は時間軸に対応する。各電圧VFB、VCM、VSIG、VPIXのグラフが示される。 FIG. 6 shows a timing chart of the operation according to the present embodiment. The horizontal direction along the paper corresponds to the time axis. A graph of each voltage V FB , V CM , V SIG , V PIX is shown.
まず、リセットサンプリング(RSTサンプリング)フェーズを行う。このフェーズでは、増幅器303におけるコンパレータ100の入力端子101にリセット信号(電圧VCM)を与え、時刻T21で、スイッチ105、107をオフにする。以降は、第1の実施形態と同様の動作を行う。増幅後の信号は、残留オーバーシュート電圧Vos(理想的には0)であり、これが後段のAD変換器でディジタル化され、ディジタル回路305に入力される。
First, a reset sampling (RST sampling) phase is performed. In this phase, a reset signal (voltage V CM ) is applied to the
次に、セットサンプリング(SETサンプリング)フェーズに移行する。このフェーズでは、まず、時刻T22で、スイッチ105、106、107をオンにして、容量CCP1および容量CCP2を充電する。そして、時刻T23で、入力端子101に、入力信号の電圧VPIXを与え、スイッチ105、107をオフにする。以降、第1の実施形態と同様の動作を行う。増幅後の信号は、入力電圧VPIXを増幅したM・VPIXと、残留オーバーシュート電圧Vosとを加算した電圧(M・VPIX+Vos)である。この電圧が、後段のAD変換器304でディジタル化され、ディジタルデータがディジタル回路305に入力される。
Next, the process proceeds to a set sampling (SET sampling) phase. In this phase, first, at time T22, the
ディジタル回路305は、SETサンプリングフェーズで入力されたディジタルデータから、リセットサンプリングフェーズで入力されたディジタルデータを減算することで、オーバードライブ電圧をキャンセルする。すなわち、(M・VPIX+Vos)−Vos=M・VPIXとなり、実際の入力信号VPIXを、所望の増幅率Mで増幅した電圧のデータが得られる。
The
(第4の実施形態)
図7に、第4の実施形態に係る増幅器のブロック図を示す。第1の実施形態と異なり、容量CCP1およびCCP2のキャパシタンスが可変になっている。また電流源108の電流(バイアス電流)ICPが可変になっている。また、利得制御回路401が追加され、利得制御回路401は、容量CCP1およびCCP2のキャパシタンス、および電流源108の電流ICPを、端子402から与えられる指示信号に従って、制御する。指示信号は、例えば増幅器の増幅率Mを指定するものでもよいし、容量CCP1およびCCP2のキャパシタンス、および電流源108の電流ICPの値を指定した信号でもよい。増幅率Mが指定された場合は、増幅率Mに応じて、容量CCP1およびCCP2のキャパシタンス、および電流源108の電流ICPを制御する。例えば増幅率Mと、CCP1、CCP2と、ICPとを対応づけたテーブルに従って、これらの値を制御してもよいし、増幅率Mの値から、CCP1、CCP2、ICPをそれぞれ計算する関数に基づいて制御してもよい。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 shows a block diagram of an amplifier according to the fourth embodiment. Unlike the first embodiment, the capacitances of the capacitors C CP1 and C CP2 are variable. Further, the current (bias current) I CP of the
このようにCCP1、CCP2、ICPを制御することで、増幅率(利得)に関わらず、オーバーシュート量を抑制できる。以下、これについて詳細に説明する。 By controlling C CP1 , C CP2 , and I CP in this manner, the amount of overshoot can be suppressed regardless of the amplification factor (gain). This will be described in detail below.
コンパレータを用いた場合のオーバーシュート電圧は、第1の実施形態の式(1)および式(5)に示したように、バイアス電流ICP、容量CCP1、CCP2、およびコンパレータの遅延時間tCMPを用いて、
この場合、利得Mの設定に応じて、合成容量CCP1//CCP2の値が変化し、オーバーシュート電圧にも変化が生じる。例えば、ある利得の元ではオーバーシュート電圧がある値(例えば0)になったとしても、増幅率(利得)を変更するために各容量のキャパシタンスを変更した場合は、オーバーシュート電圧も、当該値から乖離した値となる。そこで、本実施形態では、利得調整の際に、CCP1とCCP2だけでなく、ICPも調整することで、オーバーシュート電圧の変動を抑制する。例えば合成容量CCP1//CCP2が大きいほど、ICPが大きくなるように制御する。これにより、利得の値にかかわらず、オーバーシュート電圧をある程度に抑えることができる。 In this case, the value of the combined capacitance C CP1 // C CP2 changes according to the setting of the gain M, and the overshoot voltage also changes. For example, even if the overshoot voltage becomes a certain value (for example, 0) under a certain gain, if the capacitance of each capacitor is changed in order to change the amplification factor (gain), the overshoot voltage is also the value. The value deviates from. Therefore, in the present embodiment, at the time of gain adjustment, not only C CP1 and C CP2 but also I CP is adjusted to suppress fluctuations in the overshoot voltage. For example, control is performed so that I CP increases as the combined capacity C CP1 // C CP2 increases. As a result, the overshoot voltage can be suppressed to some extent regardless of the gain value.
(第5の実施形態)
図8に、第5の実施形態に係る増幅器のブロック図を示す。第1の実施形態の増幅器(図1参照)に対して、容量CDCOCと、スイッチ501が追加されている。スイッチ501の一端は、コンパレータ100の出力に接続され、他端は、コンパレータ100の入力端子102に接続されている。また、容量CDCOCの一端は、入力端子102に接続され、他端は、接続ノード104に接続されている。この増幅器は、第1の実施形態の動作を開始する前に、コンパレータ100の入力端子102におけるコンパレータ入力換算DC(Direct Current)オフセットの抽出および補正を行い、その後に、第1の実施形態と同様の動作を行う。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a block diagram of an amplifier according to the fifth embodiment. A capacitor C DCOC and a
第1の実施形態で示したような増幅器では、コンパレータ入力換算DCオフセットの影響を受けやすい。例えば、コンパレータの入力端子102に、VofsのDCオフセットが入力された場合、出力信号VSIGは、
DCオフセットの抽出では、スイッチ501をオンにすることで、コンパレータ100の出力と入力端子102を接続し、容量CDCOCに、DCオフセットの電圧に応じた電荷を蓄積する。これをDCオフセット抽出フェーズと呼ぶ。このフェーズの動作イメージを図9(A)に示す。このとき、入力端子101の電圧をVCMとし、スイッチ105、106、107はオンにした状態で、DCオフセット抽出を行う。その後、DCオフセット補正フェーズに移行する。このフェーズでは、スイッチ501をオフにすることで、容量CDCOCに蓄積された電荷によりDCオフセットを補正(キャンセル)する。図10(B)にオフセット補正フェーズの動作イメージを示す。以降は、第1の実施形態と同様の動作(図2参照)を行う。
In the extraction of the DC offset, the
以下、本実施形態のDCオフセット抽出およびキャンセルの原理について、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the principle of DC offset extraction and cancellation according to this embodiment will be described in more detail.
図9(A)に示したように、コンパレータの入力端子102の前段に、DCオフセット・キャンセル用の容量505(容量CDCOCに対応)が接続されている。まず、DCオフセット抽出フェーズで、コンパレータ(オペアンプ等)の入力端子102と出力を短絡する。このとき、コンパレータの出力Voと入力端子102の電圧は一致するから、オフセットがない理想的なコンパレータの場合、
一方、オフセットVofsがある場合、
(第6の実施形態)
第5の実施形態では、DCオフセット・キャンセル機能の付加のために、新たな容量CDCOCを追加したが、本実施形態では、これとは別の構成によりDCオフセット・キャンセルを実行する。
(Sixth embodiment)
In the fifth embodiment, a new capacitor CDOC is added to add a DC offset / cancellation function. However, in this embodiment, DC offset / cancellation is executed with a different configuration.
図10に、第6の実施形態に係る増幅器のブロック図を示す。図8に示されるDCオフセット・キャンセル用の容量CDCOCを、容量CCP2に含ませている。すなわち、本実施形態では、図8のDCオフセット・キャンセル用の容量CDCOCが除去され、スイッチ501の一端がコンパレータ100の出力に接続され、他端が接続ノード104および入力端子102に接続されている。
FIG. 10 shows a block diagram of an amplifier according to the sixth embodiment. A capacitor C DCOC for DC offset cancellation shown in FIG. 8 is included in the capacitor C CP2 . That is, in the present embodiment, the DC offset / cancellation capacitor DCCOC in FIG. 8 is removed, one end of the
DCオフセット抽出フェーズ時は、スイッチ105、106、107、501をオンにし、入力電圧VPIXとして電源電圧VCMを入力することで、容量CCP2にオフセット電圧Vofsを蓄積する。その電圧を保持した状態で、スイッチ105、107、501をオフにして、第1の実施形態と同様の動作を行う。これにより、DCオフセットをキャンセルした状態で動作させることが可能である。
When DC offset extraction phase turns on the switch 105,106,107,501, by inputting a power supply voltage V CM as the input voltage V PIX, storing the offset voltage V ofs the capacitance C CP2. With the voltage held, the
本実施形態によれば、第5の実施形態よりも、面積の増加を抑制できる。また、容量CDCOCに生じる寄生容量による容量分割に起因する、増幅器の利得の変化を抑制できる。
(第7の実施形態)
図11は、第7の実施形態に係るイメージセンサを示すブロックである。このイメージセンサは、CMOSイメージセンサであり、画素アレイ601と、行選択回路602と、読み出し回路603と、制御信号生成回路604とを備える。なお、上述の通り、イメージセンサは、図5に示したディジタル回路305をさらに備えた構成も可能である。
According to this embodiment, an increase in area can be suppressed as compared with the fifth embodiment. Further, it is possible to suppress a change in the gain of the amplifier due to the capacitance division due to the parasitic capacitance generated in the capacitor CDOC .
(Seventh embodiment)
FIG. 11 is a block diagram illustrating an image sensor according to the seventh embodiment. This image sensor is a CMOS image sensor, and includes a
画素アレイ601は、アレイ状に配列された複数の受光部611を備える。行選択回路602は、電圧VPIXを読み出す受光部1の行を選択する。読み出し回路603は、各受光部1が出力した電圧PIXを増幅し、増幅信号をディジタル信号に変換して出力する。読み出し回路603は、受光部1の列ごとに設けられた、複数の増幅器612及び複数のAD変換器613を備える。増幅器612は、上述の各実施形態のいずれであってもよい。制御信号生成回路604は、増幅器2やAD変換器3で利用される各種の制御信号を生成し、読み出し回路603に入力する。例えば、制御信号生成回路604は、図1の制御電圧生成器109、図5の入力制御回路302、または図7の利得制御回路の機能を備える。また制御信号生成回路604は、各実施形態で示したスイッチの制御信号を生成する。
The
このイメージセンサでは、画素アレイ601が光を照射されると、行選択回路602が画素アレイ101の行を選択し、選択された行の受光部1からそれぞれ電圧VPIXが出力される。電圧VPIXは、受光部611と対応する各列に設けられた増幅器612に入力される。増幅器612は、電圧VPIXを増幅した電圧VSIGを出力する。電圧VSIGは、受光部611と対応する各列に設けられたAD変換器613に入力され、ディジタル変換される。
In this image sensor, when the
上記では、CMOSイメージセンサの実施形態を示したが、CCDイメージセンサも、各実施形態の増幅器を用いて、同様にして実施可能である。 Although the embodiment of the CMOS image sensor has been described above, the CCD image sensor can be similarly implemented using the amplifier of each embodiment.
増幅器612は、上述の通り、低消費電力で、高精度な増幅が可能である。よって、本イメージセンサは、低消費電力かつ高精度な検出機能を備えたものとして実現できる。
As described above, the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
Claims (13)
一端が前記第1の容量の他端に接続された第2の容量と、
前記第1および第2の容量間の接続ノードを、第2の電源電圧が与えられる第2の端子に接続する第1のスイッチと、
第3の電源電圧が与えられる第3の端子に一端が接続された電流源と、
前記電流源の他端と前記第2の容量の他端間を接続する第2のスイッチと、
前記第2の容量の他端に接続された出力端子と、
前記出力端子へ制御電圧を供給する制御電圧供給部と、
入力信号と、前記接続ノードの電圧との差分に応じて、前記第2のスイッチを制御するコンパレータと、
を備えた増幅器。 A first capacitor having one end connected to a first terminal to which a first power supply voltage is applied;
A second capacitor having one end connected to the other end of the first capacitor;
A first switch connecting a connection node between the first and second capacitors to a second terminal to which a second power supply voltage is applied;
A current source having one end connected to a third terminal to which a third power supply voltage is applied;
A second switch connecting the other end of the current source and the other end of the second capacitor;
An output terminal connected to the other end of the second capacitor;
A control voltage supply unit for supplying a control voltage to the output terminal;
A comparator that controls the second switch according to a difference between an input signal and a voltage of the connection node;
With amplifier.
請求項1に記載の増幅器。 The control voltage supply unit includes a control voltage generator that generates the control voltage and a third switch, and supplies the control voltage by switching on and off of the third switch. The amplifier described in 1.
請求項2に記載の増幅器。 The amplifier according to claim 2, wherein the control voltage is a voltage determined based on the first power supply voltage and a voltage corresponding to an operation delay time of the comparator.
を備えた請求項2または3に記載の増幅器。 An initial phase for supplying the control voltage to the output terminal in a state where the first switch is on and the second switch is on, and after the initial phase, the first switch is turned off and connected to the output terminal. The amplifier according to claim 2, further comprising: an amplification phase that performs amplification by stopping supply of the control voltage.
前記制御電圧供給部は、第4のスイッチ、第5のスイッチ、第6のスイッチ、第7のスイッチを備え、
前記第4のスイッチの一端は前記第1の容量の他端に接続されて、前記接続ノードを形成し、前記第4のスイッチの他端は、前記第2の容量の一端に接続され、
前記第5のスイッチの一端は,前記第2の容量の他端に接続され、前記第5のスイッチの他端は、前記第2のスイッチと前記出力端子に接続され、
前記第6のスイッチの一端は、前記接続ノードに接続され、前記第6のスイッチの他端は、前記第2の容量の他端に接続され、
前記第7のスイッチの一端は、前記第2の容量の一端に接続され、前記第7のスイッチの他端は、前記第2のスイッチと前記出力端子に接続された
請求項1に記載の増幅器。 The output terminal is connected to the second terminal via the first switch;
The control voltage supply unit includes a fourth switch, a fifth switch, a sixth switch, and a seventh switch,
One end of the fourth switch is connected to the other end of the first capacitor to form the connection node, and the other end of the fourth switch is connected to one end of the second capacitor,
One end of the fifth switch is connected to the other end of the second capacitor, and the other end of the fifth switch is connected to the second switch and the output terminal,
One end of the sixth switch is connected to the connection node, the other end of the sixth switch is connected to the other end of the second capacitor,
The amplifier according to claim 1, wherein one end of the seventh switch is connected to one end of the second capacitor, and the other end of the seventh switch is connected to the second switch and the output terminal. .
請求項5に記載の増幅器。 The control voltage supply unit is configured to turn off the fourth switch and the fifth switch and turn on the sixth switch and the seventh switch while the first switch is off, so that the output The amplifier according to claim 5, wherein a voltage of the connection node is supplied to a terminal as the control voltage.
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の増幅器。 The amplifier includes a first phase that receives an input of a predetermined voltage signal different from the input signal and operates based on the predetermined voltage signal; and a first phase that operates based on the input signal; The amplifier according to any one of claims 1 to 6, wherein the first phase and the second phase are executed in this order or in the reverse order.
請求項7に記載の増幅器。 The amplifier according to claim 7, wherein the predetermined voltage signal has the same voltage as the first power supply voltage.
を備えた請求項1ないし8のいずれか一項に記載の増幅器。 A terminal for receiving a gain adjustment signal for the amplifier, and a gain control circuit for controlling the first capacitor, the second capacitor, and the current source according to a gain control signal received at the terminal. Item 9. The amplifier according to any one of Items 1 to 8.
前記コンパレータは、前記入力信号を受信する第1の入力端子と、前記接続ノードの電圧を受信する第2の入力端子とを有し、
前記第3の容量の一端が前記接続ノードに接続され、前記第3の容量の他端が前記第2の入力端子に接続され、
前記第8のスイッチの一端が前記第2の入力端子に接続され、前記第8のスイッチの他端が、前記コンパレータの出力に接続された
請求項1ないし9のいずれか一項に記載の増幅器。 A third capacitor and an eighth switch;
The comparator has a first input terminal that receives the input signal, and a second input terminal that receives the voltage of the connection node;
One end of the third capacitor is connected to the connection node, the other end of the third capacitor is connected to the second input terminal;
The amplifier according to any one of claims 1 to 9, wherein one end of the eighth switch is connected to the second input terminal, and the other end of the eighth switch is connected to an output of the comparator. .
前記コンパレータは、前記入力信号を受信する第1の入力端子と、前記接続ノードの電圧を受信する第2の入力端子とを有し、
前記第9のスイッチの一端は、前記第2の入力端子に接続され、前記第9のスイッチの他端が、前記コンパレータの出力に接続された
請求項1ないし9のいずれか一項に記載の増幅器。 A ninth switch,
The comparator has a first input terminal that receives the input signal, and a second input terminal that receives the voltage of the connection node;
The one end of the ninth switch is connected to the second input terminal, and the other end of the ninth switch is connected to the output of the comparator. amplifier.
前記受光部の出力信号を前記入力信号として受信し、前記出力信号の増幅を行う、請求項1ないし11のいずれか一項に記載の増幅器と、
前記増幅器により増幅された信号をアナログ・ディジタル変換するアナログ・ディジタル変換器と
を備えたイメージセンサ。 A light receiving unit that outputs a signal corresponding to the received light;
The amplifier according to any one of claims 1 to 11, which receives an output signal of the light receiving unit as the input signal and amplifies the output signal;
An image sensor comprising: an analog / digital converter that performs analog / digital conversion on the signal amplified by the amplifier.
請求項7に記載の増幅器を備え、
前記ディジタル回路は、前記第1フェーズで前記増幅器から出力された信号のディジタル信号と、前記第2フェーズで前記増幅器から出力された信号のディジタル信号の差分を計算する
請求項12に記載のイメージセンサ。 A digital circuit for processing the digital signal converted by the analog-digital converter;
An amplifier according to claim 7,
The image sensor according to claim 12, wherein the digital circuit calculates a difference between a digital signal output from the amplifier in the first phase and a digital signal output from the amplifier in the second phase. .
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