JP2018125623A - Ad conversion device and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、AD変換装置及び撮像装置に関する。 The present invention relates to an AD conversion apparatus and an imaging apparatus.
従来、CCDやCMOSをはじめとする撮像装置が多様な用途で使用されている。一般に、撮像装置は、マトリックス状に配置された複数の画素の列(カラム)ごとに、AD変換装置(Analog Digital Converter)を備えている。AD変換装置は、入射光の光量を表すアナログの電気信号(画素信号)が画素から入力され、この画素信号をデジタル化する。 Conventionally, imaging devices such as CCDs and CMOSs are used for various purposes. In general, an imaging apparatus includes an AD converter (Analog Digital Converter) for each of a plurality of pixel columns arranged in a matrix. The AD converter receives an analog electrical signal (pixel signal) representing the amount of incident light from a pixel and digitizes the pixel signal.
ここで、画素信号は、リセット成分に信号成分が加わった形態で出力される。このため、AD変換装置では、相関2重サンプリング(Correlated Double Sampling:CDS)を実行する。CDSは、リセット成分に応じた信号電圧と信号成分に応じた信号電圧との差を取ることで、有効な信号成分を取り出す技術である。 Here, the pixel signal is output in a form in which the signal component is added to the reset component. For this reason, the AD converter performs correlated double sampling (CDS). CDS is a technique for extracting an effective signal component by taking a difference between a signal voltage corresponding to a reset component and a signal voltage corresponding to the signal component.
例えば、特許文献1には、ランプ波形発生器、比較器、及びアップダウンカウンタを備えたAD変換装置が開示されている。このAD変換装置は、リセット成分をAD変換するときはダウンカウントし、信号成分をAD変換するときはアップカウントする。これにより得られたカウント値は、リセット成分が除去された信号成分がデジタル化されたものとなる。
For example,
また、固体撮像装置の高速化を実現するためには、クロックの高速化、及びカウンタの低消費電力化が必要となる。このために、特に高速動作が要求される下位ビットに関して、グレイコードを用いたカウンタを用いたAD変換装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このような構成とすることで、クロックの高速化に対応し、また、バイナリコードでの問題点であるビットの同時反転を避けることができる。 In order to realize a high speed solid-state imaging device, it is necessary to increase the clock speed and reduce the power consumption of the counter. For this reason, an AD converter using a counter using a Gray code has been proposed particularly for lower bits that require high-speed operation (see, for example, Patent Document 2). By adopting such a configuration, it is possible to cope with an increase in clock speed and to avoid simultaneous inversion of bits, which is a problem in the binary code.
しかしながら、リセット成分及び信号成分をカウントするためにアップダウンカウンタが必要であるため、素子数が多くなり、カラムのレイアウトサイズが大きくなるという問題点がある。また、アップカウントとダウンカウントとを切替えるための時間が必要となり、AD変換に要する時間が長くなるという問題点がある。 However, since an up / down counter is required to count the reset component and the signal component, there are problems that the number of elements increases and the column layout size increases. In addition, it takes time to switch between up-counting and down-counting, and there is a problem that the time required for AD conversion becomes long.
また、グレイコードのカウンタを用いた場合、CDSにおいてリセット成分と信号成分との差を取るために、リセット成分と信号成分のそれぞれのグレイコードをバイナリコードに変換する必要がある。このため、回路や制御が複雑になるという問題点がある。 Further, when a gray code counter is used, it is necessary to convert each gray code of the reset component and the signal component into a binary code in order to take a difference between the reset component and the signal component in the CDS. For this reason, there exists a problem that a circuit and control become complicated.
本発明は、このような事情に鑑み、レイアウトサイズを抑え、AD変換に要する時間を短縮し、複雑な構成となることを回避できるAD変換装置及び撮像装置を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide an AD conversion apparatus and an imaging apparatus that can suppress the layout size, reduce the time required for AD conversion, and avoid a complicated configuration.
上記課題を解決する本発明の態様は、リセット成分と信号成分とを含むアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換装置であって、時間経過に伴い信号レベルが変化する第1参照信号及び第2参照信号と、前記アナログ信号とを比較する比較部と、クロックの供給を受け、当該クロック及び前記比較部の比較結果に基づいてカウンタークロックを生成し、当該カウンタークロックをアップカウントするカウント部と、を備え、前記カウント部は、前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに前記カウンタークロックをアップカウントし、前記比較部が前記第2参照信号と前記信号成分とを比較して出力を反転させたときに前記カウンタークロックのアップカウントを停止することを特徴とするAD変換装置にある。 An aspect of the present invention that solves the above-described problem is an AD conversion apparatus that converts an analog signal including a reset component and a signal component into a digital signal, and includes a first reference signal and a second reference signal that change in signal level over time. A comparison unit that compares a reference signal and the analog signal; a supply unit that receives a clock; generates a counter clock based on the comparison result of the clock and the comparison unit; and a count unit that counts up the counter clock; And the counting unit counts up the counter clock when the comparing unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, and the comparing unit counts the second reference signal. When the output is inverted by comparing the signal component with the signal component, the up-counting of the counter clock is stopped In D converter.
第1の態様では、アナログ信号をデジタル化したカウント値を得ることができる。このカウント値は、第1参照信号から第2参照信号までの間のクロックをカウントした固定のオフセット値を減ずるだけで、リセット成分が除去された真の信号成分からなるデジタル信号となる。このように、AD変換装置は、固定のオフセット値を減ずるだけで真の信号成分からなるデジタル信号を得ることが可能なカウント値を得ることができる。また、カウント値をカウントするカウンタとしてアップカウンタのみで実現することができる。すなわち、相関二重サンプリングを実施するために従来のアップダウンカウンタを用いないので、大幅に素子数を削減することができ、レイアウトのサイズを小型化することができるとともに、回路の構成が複雑化することを回避できる。また、アップダウンカウンタを用いる場合では、アップカウントとダウンカウントを切替えるための切替え時間が必要になるが、本発明ではこのような切替え時間は不要となる。したがって、より高速なAD変換を行うことができる。 In the first aspect, a count value obtained by digitizing an analog signal can be obtained. The count value becomes a digital signal composed of a true signal component from which the reset component has been removed by simply subtracting the fixed offset value obtained by counting the clocks between the first reference signal and the second reference signal. As described above, the AD conversion apparatus can obtain a count value that can obtain a digital signal composed of true signal components only by reducing the fixed offset value. Further, it can be realized only by an up counter as a counter for counting the count value. In other words, since the conventional up / down counter is not used to perform correlated double sampling, the number of elements can be greatly reduced, the layout size can be reduced, and the circuit configuration is complicated. Can be avoided. Further, in the case of using an up / down counter, a switching time for switching between the up-count and the down-count is required, but in the present invention, such a switching time is unnecessary. Therefore, faster AD conversion can be performed.
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部は、前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させてから、前記比較部が前記第2参照信号と前記信号成分とを比較して出力を反転させるまでの間にカウンターイネーブル信号を生成するカウンターイネーブル信号生成部と、前記カウンターイネーブル信号と前記クロックとを入力として前記カウンタークロックを出力するANDゲートと、前記ANDゲートにより出力される前記カウンタークロックをアップカウントするアップカウンタとを備えることを特徴とするAD変換装置にある。 According to a second aspect of the present invention, in the AD conversion device according to the first aspect, the counting unit is configured such that the comparison unit compares the first reference signal with the reset component and inverts the output. A counter enable signal generator for generating a counter enable signal before the comparator compares the second reference signal with the signal component and inverts the output; and inputs the counter enable signal and the clock An AD converter comprising: an AND gate that outputs the counter clock; and an up counter that counts up the counter clock output by the AND gate.
第2の態様では、カウント部を簡易な回路構成で実現することができる。 In the second aspect, the count unit can be realized with a simple circuit configuration.
本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部は、前記第1参照信号の終了から前記第2参照信号の開始までの間に、強制的にアップカウントを開始させることを特徴とするAD変換装置にある。 According to a third aspect of the present invention, in the AD conversion device according to the first or second aspect, the counting unit is forced between the end of the first reference signal and the start of the second reference signal. The AD converter is characterized by starting up-counting automatically.
第3の態様では、リセット成分を検出できない場合であっても、本来出力されるべきデジタル信号に近い値を出力することができる。 In the third aspect, even if the reset component cannot be detected, a value close to the digital signal that should be output can be output.
本発明の第4の態様は、第1から第3の何れか一つの態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部は、前記カウンタークロックの立ち上がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに、前記クロックがロウレベルときは前記クロックをそのまま用い、前記クロックがハイレベルのときは前記クロックを反転させて用いることを特徴とするAD変換装置にある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the AD converter according to any one of the first to third aspects, the counting unit includes a double data rate counter that up-counts rising edges of the counter clock, When the comparison unit compares the first reference signal with the reset component and inverts the output, the clock is used as it is when the clock is at a low level, and the clock is inverted when the clock is at a high level. It is in an AD converter characterized by being used.
第4の態様について説明する。本態様のダブルデータレートカウンタは、クロックの立ち上がりでカウントを開始し、終了時のクロックのハイレベル又はロウレベルを保持して最下位ビットとすることでダブルデータレートを実現している。第4の態様により、カウント開始時のクロックの状態に関わらず、常にクロックの立ち上がりからカウントを開始できるため、最下位ビットも含めた正しいAD変換を行うことができる。 The fourth aspect will be described. The double data rate counter according to the present embodiment realizes the double data rate by starting counting at the rising edge of the clock and holding the high level or low level of the clock at the end to set the least significant bit. According to the fourth aspect, counting can always be started from the rising edge of the clock regardless of the state of the clock at the start of counting, so that correct AD conversion including the least significant bit can be performed.
本発明の第5の態様は、第1から第3の何れか一つの態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部は、前記カウンタークロックの立ち下がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに、前記クロックがハイレベルであるときは前記クロックをそのまま用い、前記クロックがロウレベルであるときは前記クロックを反転させて用いることを特徴とするAD変換装置にある。 According to a fifth aspect of the present invention, in the AD converter according to any one of the first to third aspects, the count unit includes a double data rate counter that counts up the falling edge of the counter clock. When the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, the clock is used as it is when the clock is at a high level, and the clock is used when the clock is at a low level. An AD converter characterized in that the clock is inverted and used.
第5の態様では、本態様のダブルデータレートカウンタは、クロックの立ち下りでカウントを開始し、終了時のクロックのハイレベル又はロウレベルを保持して最下位ビットとすることでダブルデータレートを実現している。第5の態様により、カウント開始時のクロックの状態に関わらず、常にクロックの立ち下りからカウントを開始できるため、最下位ビットも含めた正しいAD変換を行うことができる。 In the fifth mode, the double data rate counter of this mode starts counting at the falling edge of the clock, and realizes the double data rate by holding the high level or low level of the clock at the end and setting it as the least significant bit doing. According to the fifth aspect, counting can always be started from the falling edge of the clock regardless of the state of the clock at the start of counting, so that correct AD conversion including the least significant bit can be performed.
本発明の第6の態様は、第1から第3の何れか一つの態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部は、前記カウンタークロックの立ち上がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに前記クロックがハイレベルであるときは、前記ダブルデータレートカウンタによりアップカウントされたカウント値に1を加算することを特徴とするAD変換装置にある。 According to a sixth aspect of the present invention, in the AD converter according to any one of the first to third aspects, the counting unit includes a double data rate counter that up-counts rising edges of the counter clock, If the clock is high when the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, 1 is added to the count value up-counted by the double data rate counter The present invention is an AD converter characterized by
第6の態様では、ダブルレートカウンタがクロックの立ち上がりからアップカウントを開始しない場合であっても、最下位ビットも含めた正しいカウント値を出力することができる。 In the sixth aspect, even when the double rate counter does not start up-counting from the rising edge of the clock, a correct count value including the least significant bit can be output.
本発明の第7の態様は、第1から第3の何れか一つの態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部は、前記カウンタークロックの立ち下がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに前記クロックがロウレベルであるときは、前記ダブルデータレートカウンタによりアップカウントされたカウント値に1を加算することを特徴とするAD変換装置にある。 According to a seventh aspect of the present invention, in the AD converter according to any one of the first to third aspects, the count unit includes a double data rate counter that counts up the falling edge of the counter clock. If the clock is low when the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, 1 is added to the count value up-counted by the double data rate counter The present invention is an AD converter characterized by
第7の態様では、ダブルレートカウンタがクロックの立ち下がりからアップカウントを開始しない場合であっても、最下位ビットも含めた正しいカウント値を出力することができる。 In the seventh aspect, even when the double rate counter does not start up-counting from the falling edge of the clock, a correct count value including the least significant bit can be output.
本発明の第8の態様は、第1から第7の何れか一つの態様に記載のAD変換装置において、前記カウント部でカウントされたカウント値から所定値を減じた差分をデジタル信号として出力する減算部とを備え、前記減算部は、前記カウント値から、前記所定値として、第1参照信号の開始から第2参照信号の開始までの間に供給される前記クロックをカウントしたオフセット値を減じた差分をデジタル信号として出力することを特徴とするAD変換装置にある。 According to an eighth aspect of the present invention, in the AD converter according to any one of the first to seventh aspects, a difference obtained by subtracting a predetermined value from the count value counted by the counting unit is output as a digital signal. A subtracting unit, and the subtracting unit subtracts an offset value obtained by counting the clock supplied between the start of the first reference signal and the start of the second reference signal as the predetermined value from the count value. The AD converter is characterized in that the difference is output as a digital signal.
第8の態様では、画素信号から相関2重サンプリングを施した真の信号成分からなるデジタル信号(撮像データ)を出力することができる。 In the eighth aspect, it is possible to output a digital signal (imaging data) including a true signal component obtained by performing correlated double sampling from a pixel signal.
本発明の第9の態様は、第8の態様に記載するAD変換装置と、光電変換素子により入射光からリセット成分と信号成分とを含むアナログ信号を出力する単位画素とを備え、前記アナログ信号を前記AD変換装置でデジタル信号に変換して撮像データを出力することを特徴とする撮像装置にある。 A ninth aspect of the present invention includes the AD converter according to the eighth aspect and a unit pixel that outputs an analog signal including a reset component and a signal component from incident light by a photoelectric conversion element, and the analog signal Is converted into a digital signal by the AD converter and the imaging data is output.
第9の態様では、単位画素から得られたアナログの画素信号がAD変換装置でデジタル化されて、撮像データを得ることができる。また、AD変換装置は、アナログ信号をデジタル化するために相関2重サンプリングを行うが、このときに用いるカウンタとしてアップカウンタのみで実現することができる。すなわち、相関二重サンプリングを実施するために従来のアップダウンカウンタを用いないので、大幅に素子数を削減することができ、撮像装置のレイアウトのサイズを小型化することができるとともに、回路の構成が複雑化することを回避できる。また、アップダウンカウンタを用いる場合では、アップカウントとダウンカウントを切替えるための切替え時間が必要になるが、本発明ではこのような切替え時間は不要となる。したがって、撮像装置はより高速なAD変換を行い、高速にデジタル信号(撮像データ)を出力することができる。 In the ninth aspect, an analog pixel signal obtained from a unit pixel is digitized by an AD converter, and imaging data can be obtained. The AD converter performs correlated double sampling in order to digitize an analog signal, and can be realized by using only an up counter as a counter used at this time. In other words, since the conventional up / down counter is not used to perform correlated double sampling, the number of elements can be greatly reduced, the size of the layout of the imaging device can be reduced, and the circuit configuration can be reduced. Can be prevented from becoming complicated. Further, in the case of using an up / down counter, a switching time for switching between the up-count and the down-count is required, but in the present invention, such a switching time is unnecessary. Therefore, the imaging apparatus can perform faster AD conversion and output a digital signal (imaging data) at a higher speed.
本発明の第10の態様は、第1から第7の何れか一つの態様に記載するAD変換装置と、光電変換素子により入射光からリセット成分と信号成分とを含むアナログ信号を出力する単位画素と、遮光された前記単位画素である遮光画素と、前記単位画素からのアナログ信号を入力とする前記AD変換装置から得られた前記カウント値と、前記遮光画素からのアナログ信号を入力とする前記AD変換装置から得られた前記カウント値との差分を撮像データとして出力する信号処理部と、を備えることを特徴とする撮像装置にある。 A tenth aspect of the present invention is a unit pixel that outputs an analog signal including a reset component and a signal component from incident light by the photoelectric conversion element and the AD conversion device according to any one of the first to seventh aspects. The light-shielded pixel that is the light-shielded unit pixel, the count value obtained from the AD converter that receives an analog signal from the unit pixel, and the analog signal from the light-shielded pixel as input. A signal processing unit that outputs a difference from the count value obtained from the AD converter as imaging data.
第10の態様では、カウント値からオフセット値を減ずるための手段として、黒レベル補正を行うだけで、自動的にオフセット値を減ずることができる。これにより、アナログ信号を黒レベル補正し、かつオフセット値が減じられた真の信号成分からなるデジタル信号(撮像データ)を得ることができる。このように本態様の撮像装置では、カウント値からオフセット値を減ずるための減算回路を特別に用意する必要がない。これにより、さらに回路の構造が複雑化することを避けることができる。 In the tenth aspect, as a means for subtracting the offset value from the count value, the offset value can be automatically reduced only by performing black level correction. Thereby, it is possible to obtain a digital signal (imaging data) composed of a true signal component in which the analog signal is black level corrected and the offset value is reduced. Thus, in the imaging apparatus of this aspect, it is not necessary to prepare a subtracting circuit for subtracting the offset value from the count value. Thereby, it is possible to avoid further complicating the circuit structure.
本発明によれば、レイアウトサイズを抑え、AD変換に要する時間を短縮し、複雑な構成となることを回避できるAD変換装置及び撮像装置が提供される。 According to the present invention, an AD conversion device and an imaging device that can suppress the layout size, reduce the time required for AD conversion, and avoid a complicated configuration are provided.
〈実施形態1〉
図1は、本実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、列並列ADC搭載のCMOSイメージセンサである。
<
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus according to the present embodiment. The imaging device of this embodiment is a CMOS image sensor with a column-parallel ADC.
撮像装置10は、光電変換素子を含む単位画素11が行列状(マトリックス状)に多数2次元配置されてなる画素アレイ部12、行走査回路13、カラム処理部14、参照電圧供給部15、列走査回路16、水平出力線17、タイミング制御回路18、及び信号処理部19を備えている。
The
タイミング制御回路18は、マスタークロックMCLKに基づいて、行走査回路13、カラム処理部14、参照電圧供給部15、及び列走査回路16などの動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成し、行走査回路13、カラム処理部14、参照電圧供給部15、及び列走査回路16などに対して与える。
Based on the master clock MCLK, the
画素アレイ部12の各単位画素11を駆動制御する周辺の駆動系や信号処理系、即ち行走査回路13、カラム処理部14、参照電圧供給部15、列走査回路16、水平出力線17、及びタイミング制御回路18などは、画素アレイ部12と同一のチップ(半導体基板)上に集積されている。
Peripheral driving systems and signal processing systems that drive and control each
単位画素11としては、ここでは図示を省略するが、光電変換素子(例えば、フォトダイオード)に加えて、例えば、当該光電変換素子で入射光を光電変換して得られる電荷をFD(フローティングディフュージョン)部に転送する転送トランジスタと、当該FD部の電位を制御するリセットトランジスタと、FD部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタとを有する3トランジスタ構成のものや、さらに画素選択を行うための選択トランジスタを別に有する4トランジスタ構成のものなどを用いることができる。単位画素11から出力されたアナログ信号をここでは画素信号と称する。
Although not shown here as the
画素アレイ部12には、単位画素11がm行n列分だけ2次元配置されるとともに、このm行n列の画素配置に対して行毎に行制御線21(21−1〜21−m)が配線され、列毎に列信号線22(22−1〜22−n)が配線されている。行制御線21−1〜21−mの各一端は、行走査回路13の各行に対応した各出力端に接続されている。行走査回路13は、シフトレジスタなどによって構成され、行制御線21−1〜21−mを介して画素アレイ部12の行アドレスや行走査の制御を行う。
In the
カラム処理部14は、例えば、画素アレイ部12の画素列毎、即ち列信号線22−1〜22−n毎に設けられたAD変換装置(以下、ADC)30−1〜30−nを有し、画素アレイ部12の各単位画素11から列毎に出力される画素信号をデジタル信号に変換して出力する。また、列信号線22−1〜22−nごとのADC30−1〜30−nを総称してADC30とも表記する。ADC30の詳細については後述する。
The
参照電圧供給部15は、時間経過に伴い信号レベルが傾斜状に変化する、いわゆるランプ(RAMP)波形の参照電圧を生成するものであり、具体的には、DAC(デジタル−アナログ変換回路)により参照電圧を生成する。なお、RAMP波形の参照電圧を生成する手段としては、DACに限られるものではない。
The reference
参照電圧供給部15は、タイミング制御回路18から与えられる制御信号により、タイミング制御回路18から与えられるクロックCLKに基づいてRAMP波形の参照電圧を生成し、カラム処理部14のADC30−1〜30−nに供給する。
The reference
列走査回路16は、シフトレジスタなどによって構成され、カラム処理部14におけるADC30−1〜30−nの列アドレスや列走査の制御を行う。この列走査回路16による制御の下に、ADC30−1〜30−nの各々でAD変換されたNビットのデジタル信号は順に水平出力線17を経由して出力される。水平出力線17はNビット幅分の信号線から構成されている。
The
また、撮像装置10は、暗電流の影響により黒レベルのばらつきを補正するための構成として、いわゆるOptical Black(OB)と呼ばれる画素(以降、遮光画素11Dと称する)を有している。遮光画素11Dの構成は、単位画素11と同じであるが、遮光された状態である。遮光画素11Dは、ADC30Dに接続されており、遮光画素11Dが出力したアナログ信号は、ADC30Dによりデジタル信号に変換される。このADC30Dの構成は上述したADC30と同じ構成である。
In addition, the
信号処理部19は、遮光されていない単位画素11から得られた画素信号と、遮光された遮光画素11Dから得られた画素信号との差分を取ることで黒レベルを補正する。詳細は後述するが、信号処理部19は、ADC30から得たデジタル信号、及びADC30Dから得たデジタル信号を入力とし、これらの差分を撮像データとして出力する。なお、信号処理部19は、このような黒レベル補正のみならず、例えば、デジタル信号のバッファリング、ばらつき補正、色調補正などの各種の画像処理機能を行ってもよい。また、信号処理部19は、Nビットのパラレルの撮像データをシリアルの撮像データに変換して撮像装置10の外部の装置に出力してもよい。
The
図2はADCのブロック図である。ADC30−1〜30−n、及びADC30Dは、何れも同じ構成であり、ここでは、ADC30−nについて説明する。
FIG. 2 is a block diagram of the ADC. The ADCs 30-1 to 30-n and the
ADC30−nは、比較部31と、CE生成回路32と、ANDゲート33と、アップカウンタ34とを備えている。なお、CE生成回路32、ANDゲート33、及びアップカウンタ34は、請求項に記載のカウント部の一実施例である。
The ADC 30-n includes a
比較部31は、画素アレイ部12のn列目の各単位画素11から出力される信号に応じた列信号線22−nの電位VSLと、参照電圧供給部15から供給される参照電圧の電位RAMPとを比較する。例えば、電位RAMPが電位VSLよりも大なるときに出力(Comp.out)がロウレベルになり、電位RAMPが電位VSL以下のときに出力(Comp.out)がハイレベルになる。
The
CE生成回路32は、比較部31の出力の立ち上がりエッジのみを検出し、その度に保持する値を反転させる。例えば、CE生成回路32をリセットしたときは、ロウレベルを保持する。次に、比較部31の出力の立ち上がりエッジを検出したときハイレベルを保持する。次に、比較部31の出力の立ち上がりエッジを検出したときロウレベルを保持する。このように、比較部31が第1参照信号とリセット成分とを比較して出力を反転させてから、比較部31が第2参照信号と信号成分とを比較して出力を反転させるまでの間に出力される信号をカウンターイネーブル信号と称し、以後、CE(Counter Enable)信号と略記する。CE信号は、ANDゲート33の入力となる。
The
ANDゲート33は、CE信号と、タイミング制御回路18から与えられるクロックCLKとの論理積を出力する。ANDゲート33の出力をカウンタークロック(Counter CLK)と称する。
The AND
アップカウンタ34は非同期カウンタであり、ANDゲート33からのカウンタークロックが与えられ、当該カウンタークロックに同期してアップカウントを行う。ここでは、アップカウンタ34はバイナリコードを用いたアップカウントを行う。ADC30のアップカウンタ34がカウントした値をカウント値と称する。なお、アップカウンタ34は、バイナリコードを用いたアップカウントに限らず、グレイコードを用いたアップカウントを行うものであってもよい。
The up
上述した構成の撮像装置10の動作について、図3のタイミングチャートを用いて説明する。同図では、RAMPを一点鎖線で表し、その他を実線で表している。
The operation of the
VSLは、単位画素11が出力した信号の電位を表し、RAMPは、参照電圧供給部15が出力したRAMP波形の参照電圧を表している。CLKは、タイミング制御回路18から与えられるクロックCLKを表している。Comp.outは、比較部31の出力を表し、CEは、CE生成回路32のCE信号を表し、Counter CLKは、ANDゲート33から出力されたカウンタークロックを表している。
VSL represents the potential of the signal output from the
単位画素11の具体的な動作については説明を省略するが、周知のように、単位画素11ではリセット動作と転送動作とが行われる。リセット動作では所定の電位にリセットされたときのFD部の電位がリセット成分として単位画素11から列信号線22−1〜22−nに出力される。転送動作では光電変換素子から光電変換による電荷が転送されたときのFD部の電位が信号成分として単位画素11から列信号線22−1〜22−nに出力される。同図では、Vrがリセット成分の電位であり、Vsがリセット成分を含んだ信号成分の電位である。
Although a description of a specific operation of the
RAMP波形は、第1参照信号Vref1及び第2参照信号Vref2を含んでいる。第1参照信号Vref1は、t0からt2までの時間経過に伴い基準電位V0から信号レベルが漸減しており、第2参照信号Vref2は、t3からt5までの時間経過に伴い基準電位V0から信号レベルが漸減している。第1参照信号Vref1は、リセット成分と比較され、第2参照信号Vref2と比較される。 The RAMP waveform includes a first reference signal V ref1 and a second reference signal V ref2 . The signal level of the first reference signal V ref1 gradually decreases from the reference potential V 0 with the lapse of time from t 0 to t 2 , and the second reference signal V ref2 is lapsed from the time of t 3 to t 5. the signal level from the accompanying reference potential V 0 which is gradually decreased. The first reference signal V ref1 is compared with the reset component and compared with the second reference signal V ref2 .
また、本実施形態では、クロックCLKは、第1参照信号Vref1及び第2参照信号Vref2が生成されているときのみ発生するようになっている。 In the present embodiment, the clock CLK is generated only when the first reference signal V ref1 and the second reference signal V ref2 are generated.
行走査回路13による行走査によってある行iが選択され、その選択行iの単位画素11から列信号線22−1〜22−nへ画素信号が読み込まれ、比較部31に入力される。
A row i is selected by row scanning by the
次に、単位画素11から供給されたリセット成分からなる画素信号をデジタル化する。具体的には、参照電圧供給部15は、比較部31に第1参照信号Vref1の供給を開始する(時刻t0)。また、第1参照信号Vref1を供給している間、クロックCLKを供給する(時刻t0〜t2)。
Next, the pixel signal composed of the reset component supplied from the
時間経過にともない、第1参照信号Vref1は信号レベルが低下し、列信号線22−nの電位VSLとは、時刻t1において電位Vrで交わり、時刻t1〜t2ではリセット成分の電位Vrよりも電位が低くなる。
With time, the first reference signal V ref1 is the signal level decreases, the potential VSL of the column signal line 22-n, intersect at a potential Vr at time t 1, the
第1参照信号Vref1がリセット成分の電位Vrを下回ると、比較部31の出力がロウレベルからハイレベルに反転する(時刻t1)。CE生成回路32は、比較部31の出力の立ち上がりエッジを検出し、ハイレベルを保持し、ハイレベルのCE信号を出力する。ANDゲート33は、CE信号がハイレベルである間、クロックCLKをカウンタークロックとして出力する。すなわち、ANDゲート33は、第1参照信号Vref1とリセット成分の電位Vrとが等しくなった時刻t1から、第1参照信号Vref1が終わる時刻t2までの間に亘り、カウンタークロックを出力する。
When the first reference signal V ref1 falls below the reset component potential Vr, the output of the
アップカウンタ34は、ANDゲート33からカウンタークロックが入力されている間(時刻t1〜t2)、アップカウントする。この時点におけるカウント値は、ここでは、「0」からカウントして「C1」(正の整数)までカウントしたとする。 The up counter 34 counts up while the counter clock is input from the AND gate 33 (time t 1 to t 2 ). Here, it is assumed that the count value at this time is counted from “0” to “C 1 ” (positive integer).
次に、単位画素11から供給されたリセット成分及び信号成分からなる画素信号をデジタル化する。具体的には、参照電圧供給部15は、比較部31に第2参照信号Vref2の供給を開始する(時刻t3)。
Next, the pixel signal composed of the reset component and the signal component supplied from the
また、第2参照信号Vref2を供給している間、クロックCLKを供給する(時刻t3〜t5)。上述したように、CE生成回路32は、比較部31が出力した信号の立ち上がりエッジのみを検出する構成とした。そして、リセット成分の検出時に、CE生成回路32は、比較部31が出力した信号の立ち上がりエッジを検出した結果、ハイレベルを保持したままである。
Further, the clock CLK is supplied while the second reference signal V ref2 is supplied (time t 3 to t 5 ). As described above, the
このようなハイレベルのCE信号及びクロックCLKを入力とするので、ANDゲート33は、第2参照信号Vref2の供給開始時(時刻t3)からカウンタークロックを出力する。
Since such a high-level CE signal and the clock CLK are input, the AND
時間経過にともない、第2参照信号Vref2は信号レベルが低下し、列信号線22−nの電位VSLとは、時刻t4において電位Vsに交わり、時刻t4〜t5では電位Vsよりも電位が低くなる。
With the elapse of time, the second reference signal V ref2 is the signal level decreases, the potential VSL of the column signal line 22-n, intersects the potential Vs at time t 4, than the
第2参照信号Vref2がリセット成分を含む信号成分の電位Vsを下回ると、比較部31の出力がロウレベルからハイレベルに反転する(時刻t4)。CE生成回路32は、比較部31の出力の立ち上がりエッジを検出し、それまでに保持されていたハイレベルを反転してロウレベルを保持する。ANDゲート33は、CE信号がロウレベルとなったので、クロックCLKをカウンタークロックとして出力しない。
When the second reference signal V ref2 falls below the potential Vs of the signal component including the reset component, the output of the
このようにして、第2参照信号Vref2を開始した時刻t3から、第2参照信号Vref2とリセット成分を含む信号成分の電位Vsとが等しくなった時刻t4までの間に亘り、ANDゲート33からカウンタークロックが出力される。
In this way, from the time t 3 when started second reference signal V ref2, over until time t 4 when the potential Vs of the signal component comprising a second reference signal V ref2 and reset components are equal, the AND A counter clock is output from the
アップカウンタ34は、ANDゲート33からカウンタークロックが入力されている間(時刻t3〜t4)、アップカウントする。このアップカウントは、先に、時刻t1〜t2でカウントした値から続けてカウントする。カウントを停止した時刻t4における最終的なカウント値は「C」(正の整数)とする。 The up counter 34 counts up while the counter clock is input from the AND gate 33 (time t 3 to t 4 ). This up-counting is continued from the value previously counted at time t 1 to t 2 . The final count value counted at time t 4 when the stop is "C" (a positive integer).
時刻t3から時刻t4の間において、アップカウンタ34によりカウントされた値は「C2」(正の整数)とする。したがって、式1に示すように、カウント値Cは、カウント値C1とカウント値C2の和となる。
(式1)C=C1+C2
The value counted by the up counter 34 between time t 3 and time t 4 is “C 2 ” (a positive integer). Accordingly, as shown in
(Formula 1) C = C 1 + C 2
このようなCE生成回路32、ANDゲート33及びアップカウンタ34からなるカウント部では、クロックCLKと、比較部31における比較結果に基づいて、カウンタークロックを生成し、当該カウンタークロックをアップカウンタ34でアップカウントする。具体的には、比較部31が第1参照信号Vref1とリセット成分を表す電位Vrとを比較して出力を反転させたとき(時刻t1)に、アップカウンタ34がカウンタークロックをアップカウントしている。そして、当該カウント部では、比較部31が第2参照信号Vref2とリセット成分を含む信号成分を表す電位Vsとを比較して出力を反転させたとき(時刻t4)に、アップカウンタ34がカウンタークロックのアップカウントを停止している。
The counting unit including the
アップカウンタ34により出力されたカウント値Cから所定値を減じることで、単位画素11から得られた画素信号のうちリセット成分を除去した真の信号成分を得ることができる。この所定値とは、第1参照信号Vref1の開始(時刻t0)から第2参照信号Vref2の開始(時刻t3)までの間に供給されるクロックCLKをカウントしたオフセット値(図ではOffsetと表記してある)である。
By subtracting a predetermined value from the count value C output by the up counter 34, a true signal component obtained by removing the reset component from the pixel signal obtained from the
まず、カウント値Cからオフセット値を減じることで信号成分が得られることを説明する。 First, it will be described that a signal component is obtained by subtracting the offset value from the count value C.
ここで、第1参照信号Vref1の供給開始(時刻t0)から、第1参照信号Vref1が電位Vrと交わるまで(時刻t1)の間に、カウンタークロックが発生していると仮定し、その間にカウンタークロックをアップカウンタ34がカウントした値をC0とする。
Here, it is assumed that the counter clock is generated from the start of supply of the first reference signal V ref1 (time t 0 ) until the first reference signal V ref1 crosses the potential Vr (time t 1 ). In the meantime, a value obtained by counting the counter clock by the up
オフセット値は、第1参照信号Vref1の開始(時刻t0)から第2参照信号Vref2の開始(時刻t3)までの間に供給されるクロックCLKをカウントした値である。本実施形態では、第1参照信号Vref1が発生している間(時刻t0〜t2)のみでクロックCLKが発生するようにしたので、時刻t0から時刻t2までの間に発生したクロックCLKをカウントした値がオフセット値となる。 The offset value is a value obtained by counting the clock CLK supplied between the start of the first reference signal V ref1 (time t 0 ) and the start of the second reference signal V ref2 (time t 3 ). In the present embodiment, since the clock CLK is generated only while the first reference signal V ref1 is generated (time t 0 to t 2 ), the clock CLK is generated from time t 0 to time t 2 . A value obtained by counting the clock CLK is an offset value.
したがって、オフセット値は、式2に示すように、アップカウンタ34がカウンタークロックをカウントしたカウント値C1と、仮想的に想定したカウント値C0の和に等しい。
(式2)Offset=C0+C1
Therefore, as shown in
(Formula 2) Offset = C 0 + C 1
(式1)及び(式2)から、カウント値Cからオフセット値を減じた差は、式3に示すように、カウント値C2と、カウント値C0の差に等しい。
(式3)C−Offset=C2−C0
From (Equation 1) and (Equation 2), the difference obtained by subtracting the offset value from the count value C, as shown in
(Equation 3) C-Offset = C 2 -C 0
カウント値C0は、RAMP波形が基準電位V0からリセット成分の電位Vrに信号レベルが低下するまでの間にカウントされた値、すなわち、リセット成分をデジタル化した値である。 The count value C 0 is a value counted until the signal level of the RAMP waveform decreases from the reference potential V 0 to the reset component potential Vr, that is, a value obtained by digitizing the reset component.
カウント値C2は、RAMP波形が基準電位V0からリセット成分を含む信号成分の電位Vsに信号レベルが低下するまでの間にカウントされた値、すなわち、リセット成分を含む信号成分をデジタル化した値である。 Count value C 2 is counted value between the reference potential V 0 which is RAMP waveform until the signal level falls to the potential Vs of the signal components including a reset component, i.e., digitized signal components including the reset component Value.
カウント値C2からカウント値C0を減じた値は、真の信号成分をデジタル化した値(撮像データ)である。したがって、アップカウンタ34が出力するカウント値Cからオフセット値を減じることで得られる差分は、相関2重サンプリングを施して得られる真の信号成分をデジタル化した値となる。
Count value obtained by subtracting the count value C 0 C 2 to is a value obtained by digitizing a real signal component (imaging data). Therefore, the difference obtained by subtracting the offset value from the count value C output from the up
オフセット値は、第1参照信号Vref1が発生している時間に発生したクロックCLKをカウントしたものであるから、固定値である。したがって、オフセット値をカウントするためのカウンタは不要である。第1参照信号Vref1の時間的長さが定まれば、固定的にオフセット値を定めることができる。また、オフセット値は、全てのADC30に共通の値としてある。
The offset value is a fixed value because it is obtained by counting the clock CLK generated at the time when the first reference signal Vref1 is generated. Therefore, a counter for counting the offset value is not necessary. If the time length of the first reference signal V ref1 is determined, the offset value can be fixedly determined. The offset value is a value common to all
アップカウンタ34により得られたカウント値Cからオフセット値を減算する減算回路(請求項の減算部に該当する)を設けることで、真の信号成分をデジタル化した撮像データを得ることができる。しかしながら、次に説明する黒レベル補正を実行することで、減算回路を特別に設けなくても、カウント値Cに基づいて撮像データを得ることができる。このような処理は、信号処理部19により行われる。
By providing a subtracting circuit (corresponding to a subtracting unit in claims) for subtracting the offset value from the count value C obtained by the up counter 34, it is possible to obtain imaging data obtained by digitizing a true signal component. However, by executing the black level correction described below, it is possible to obtain imaging data based on the count value C without specially providing a subtracting circuit. Such processing is performed by the
信号処理部19は、一般的な撮像装置で行われる、暗電流の影響を除去するための回路を備えている。具体的には、信号処理部19は、アップカウンタ34から水平出力線17を介してカウント値Cが入力される。また、信号処理部19は、遮光画素11Dからの画素信号をデジタル化するADC30Dからもカウント値(以後、暗電流カウント値D と称する)が入力される。そして信号処理部19は、これらのカウント値Cと暗電流カウント値Dとの差分を撮像データとして出力する。
The
カウント値Cからオフセット値を減じた真の信号成分をSignalとすると、式3は式4のように表せる。ここで、黒レベルを補正しない場合における、真の信号成分には、暗電流成分が含まれているので、暗電流成分をDC(Dark Current)とすると、式5のように表すことができる。暗電流カウント値Dについても式5と同様にして式6のように表せる。
(式4)C−Offset=C2−C0=Signal
(式5)C=Signal+DC+Offset
(式6)D=0+DC+Offset
If the true signal component obtained by subtracting the offset value from the count value C is defined as Signal,
(Equation 4) C-Offset = C 2 -C 0 = Signal
(Formula 5) C = Signal + DC + Offset
(Formula 6) D = 0 + DC + Offset
暗電流カウント値Dは、遮光画素11Dのアナログ信号を元にしているので、信号成分がゼロであり、暗電流成分DCとオフセット値を含む。換言すれば、暗電流カウント値Dからオフセット値を減じた値は、暗電流のみの黒レベル信号を表す。オフセット値は、全てのADC30に共通であるので、式5から式6を引くと、式7に示すように、暗電流成分及びオフセット値が除去された真の信号成分を表すデジタル信号(撮像データ)となる。
(式7)C−D=Signal
Since the dark current count value D is based on the analog signal of the
(Formula 7) CD = Signal
このように、信号処理部19は、遮光されていない単位画素11のカウント値Cと、遮光された遮光画素11Dの暗電流カウント値Dとの差分をとる。これにより、暗電流成分DCを除去して黒レベル補正をすることができると同時に、オフセット値を減じ、相関2重サンプリングを実施したのと同様に、真の信号成分からなる撮像データを出力することができる。
As described above, the
ADC30において一連のCDS及びAD変換が行われた後、アップカウンタ34にはNビットのデジタル信号が保持される。そして、カラム処理部14の各ADC30−1〜30−nでAD変換されたNビットのデジタル信号は、列走査回路16による列走査により、Nビット幅の水平出力線17を経て順次信号処理部19へ出力される。信号処理部19により黒レベル補正及びオフセット値の減算が行われ、撮像データが出力される。その後、同様の動作が順次行毎に繰り返されることによって2次元画像が生成される。
After a series of CDS and AD conversion is performed in the
以上に説明したADC30(AD変換装置)は、マトリクス状に配置された単位画素11からアナログの画素信号をデジタル化してアップカウンタ34においてカウント値として保持する。このカウント値は、上述したように、固定のオフセット値を減ずるだけで真の信号成分からなるデジタル信号(撮像データ)となる。このように、本実施形態のADC30は、固定のオフセット値を減ずるだけで真の信号成分からなるデジタル信号を得ることが可能なカウント値を出力することができる。このようなカウント値を得るための構成として、アップカウンタ34で実現する。すなわち、相関二重サンプリングを実施するために従来のアップダウンカウンタを用いないので、大幅に素子数を削減することができ、ADC30並びに撮像装置10のレイアウトのサイズを小型化することができる。
The ADC 30 (AD converter) described above digitizes an analog pixel signal from the
また、アップダウンカウンタを用いる場合では、アップカウントとダウンカウントを切替えるための切替え時間が必要になる。図3でいえば、第1参照信号Vref1と第2参照信号Vref2との間(図3の時刻t2からt3)に切替え時間を要する。しかしながら、本実施形態のADC30では、このような切替え時間は不要となる。したがって、より高速なAD変換を行うことができ、また、1/fノイズの低減効果も期待できる。
In addition, when an up / down counter is used, a switching time for switching between an up count and a down count is required. In FIG. 3, a switching time is required between the first reference signal V ref1 and the second reference signal V ref2 (from time t 2 to t 3 in FIG. 3 ). However, in the
また、本実施形態では、バイナリコードを用いるアップカウンタ34を例に説明したが、グレイコードのアップカウンタを用いることもできる。グレイコードのアップカウンタを用いる場合であっても、CDS用にリセット信号を保持するメモリは不要である。
In this embodiment, the up-
このように、グレイコードのアップカウンタを用いても、CDS用のメモリや、CDS用にグレイコードからバイナリコードへ変換する回路が不要となり、回路や制御が複雑になることがない。そして、グレイコードのアップカウンタを用いることで、クロックの高速化及び低消費電力化を実現することができ、さらに、バイナリコードでの問題点であるビットの同時反転を避けることができる。 As described above, even if the gray code up-counter is used, the memory for CDS and the circuit for converting the gray code to the binary code for CDS become unnecessary, and the circuit and control are not complicated. By using a gray code up-counter, it is possible to realize a high-speed clock and low power consumption, and to avoid simultaneous inversion of bits, which is a problem in the binary code.
さらに、本実施形態のADC30を備えた撮像装置10は、ADC30により得られたカウント値からオフセット値を減ずるための構成として、黒レベル補正を行う信号処理部19を用いた。このような信号処理部19を設けることで、黒レベル補正を行うとともに、相関2重サンプリングを実施し、画素信号に含まれるリセット成分を除去して真の信号成分からなる撮像データを得ることができる。黒レベル補正を行う信号処理部19は、従来の撮像装置が一般に備えるものである。このような信号処理部19を適用するだけでリセット成分を除去した撮像データが得られるので、ADC30により得られたカウント値からオフセット値を減ずるための減算回路を特別に用意する必要がない。これにより、さらに回路の構造が複雑化することを避けることができる。
Furthermore, the
〈実施形態2〉
本実施形態では、リセット成分を検出できない場合に対応したADC30について説明する。図4はADCのブロック図であり、図5はADCのタイミングチャートである。なお、実施形態1と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<
In the present embodiment, the
図4に示すように、本実施形態のADC30のCE生成回路32Aは、強制的にハイレベルのCE信号を出力させる機能が設けられている。CE生成回路32Aは、強制カウント開始信号(図ではForced Counter Startと記してある)がロウレベルであるときの動作は、実施形態1のCE生成回路32と同様である。強制カウント開始信号がハイレベルであるときは、入力のいかんに関わらず、CE信号としてハイレベルを出力する。
As shown in FIG. 4, the
第1参照信号Vref1が終了した後から、第2参照信号Vref2が開始するまでの間の任意のタイミングで、ハイレベルの強制カウント開始信号がCE生成回路32Aに与えられるようになっている。
A high-level forced count start signal is supplied to the
図5を用いて本実施形態のADC30の動作について説明する。
時間経過にともない、第1参照信号Vref1は信号レベルが低下するが、列信号線22−nの電位VSLとは交わらない場合がある。例えば、単位画素11に強い光が入射したとき、画素信号の信号量が大きいほど電位VSLは低いので、電位VSLが第1参照信号Vref1と交わらないような低いレベルとなることがある。
The operation of the
As the time elapses, the signal level of the first reference signal V ref1 decreases, but may not intersect with the potential VSL of the column signal line 22-n. For example, when strong light is incident on the
このような場合、CE生成回路32Aから出力されるCE信号はロウレベルのままである。したがって、第1参照信号Vref1(時刻t0〜t2)においては、ANDゲート33からカウンタークロックが出力されず、アップカウンタ34ではアップカウントが開始されない。
In such a case, the CE signal output from the
次に、第1参照信号Vref1の終了から第2参照信号Vref2の開始までの間(時刻t2〜t3)において、ハイレベルの強制カウント開始信号がCE生成回路32Aに与えられる。これにより、CE生成回路32Aは、次の比較部31からの出力の立ち上がりエッジを検出するまで(時刻t4まで)、ハイレベルを保持する。そして、ANDゲート33は、第2参照信号Vref2の間(時刻t3〜t4)、カウンタークロックを出力し、アップカウンタ34は、アップカウントを行う。その後は、実施形態1と同様に、アップカウンタ34でアップカウントされたカウント値Cから、暗電流カウント値Dを引くことで、撮像データが得られる。
Next, during the period from the end of the first reference signal V ref1 to the start of the second reference signal V ref2 (time t 2 to t 3 ), a high-level forced count start signal is given to the
仮に、CE生成回路32Aにプリセット機能が設けられていない場合、CE生成回路32Aから出力されるCE信号がロウレベルのままとなるから、ANDゲート33からカウンタークロックも出力されない。この結果、アップカウンタ34のカウント値Cはゼロとなり、黒色の撮像データとして出力される。つまり、実際には相当の明るさがあるにも関わらず、黒色の撮像データとして出力されてしまう。
If the
しかしながら、本実施形態のADC30によれば、CE生成回路32Aに強制的にアップカウンタ34のカウントを行う機能を設けることで、黒色ではなく、本来出力されるべき撮像データに近いものを出力することができる。
However, according to the
〈実施形態3〉
本実施形態では、アップカウンタとしてダブルデータレート(Double Data Rate;DDR)カウンタを用いるADC30について説明する。図6はADCのブロック図であり、図7はADC30のタイミングチャートである。なお、実施形態1と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<
In the present embodiment, an
図6に示すように、本実施形態のADC30は、比較部31が第1参照信号Vref1とリセット成分とを比較して出力を反転させたときに、クロックがロウレベルであれば、クロックをそのまま用い、クロックがハイレベルであればクロックを反転させて用いる。
As shown in FIG. 6, in the
このようなクロックの反転を行うための具体的な構成として、ADC30は、アップカウンタとしてDDRカウンタ34A、比較部31(図示せず)、CE生成回路32(図示せず)、クロック・クロックバー生成回路37(図では、CLK or CLKB生成回路)、ラッチ回路38、及びディレイ回路39を備えている。
As a specific configuration for performing such clock inversion, the
クロック・クロックバー生成回路37は、CE信号の立ち上がりエッジを検出したときに、クロックがハイレベルのときはそのままクロックを出力し、クロックがロウレベルのときはクロックを反転させたクロックバー(CLKB)を出力する回路である。
When the clock / clock
また、クロック・クロックバー生成回路37の出力は、ラッチ回路38に入力されて保持される。ディレイ回路39は、このラッチ回路38によるクロック・クロックバー生成回路37の出力を保持するために用いられる。
The output of the clock / clock
図7を用いて本実施形態のADC30の動作を説明する。同図のCLKは、クロックCLKを示し、CLKBは、クロックCLKを反転させたクロックバーを示している。また、時刻t1は、実施形態1(図3)に示したものと同様に、リセット成分を検出したとき(第1参照信号Vref1が電位Vrと交わるとき)を示している。時刻t4は、リセット成分を含む信号成分を検出したとき(第2参照信号Vref2が電位Vsと交わるとき)を示している。
The operation of the
まず、クロック・クロックバー生成回路37でCE信号の立ち上がりエッジが検出されたとき(時刻t1)、クロックCLKがロウレベルである場合について説明する。このとき、クロック・クロックバー生成回路37は、クロックCLKをそのまま出力する。したがって、DDRカウンタ34Aがカウンタークロックのカウントを開始するときは、カウンタークロックの立ち上がりで開始することになる。
First, a case where the clock CLK is at a low level when the rising edge of the CE signal is detected by the clock / clock bar generation circuit 37 (time t 1 ) will be described. At this time, the clock / clock
一方、クロック・クロックバー生成回路37でCE信号の立ち上がりエッジが検出されたとき(時刻t1)、クロックCLKがハイレベルである場合について説明する。このとき、クロック・クロックバー生成回路37は、クロックCLKを反転させたCLKBを出力する。このようにクロックCLKを反転させたので、DDRカウンタ34Aに与えられるカウンタークロックはクロックバーCLKBとなり、カウンタークロックのカウントを開始するときは、カウンタークロックの立ち上がり(ta)で開始することになる。
On the other hand, the case where the clock CLK is at the high level when the rising edge of the CE signal is detected by the clock / clock bar generation circuit 37 (time t 1 ) will be described. At this time, the clock / clock
仮に、クロック・クロックバー生成回路37がクロックCLKを反転させない場合、DDRカウンタ34Aは、CLKBではなく、CLKをアップカウントすることになる。カウンタークロックの立ち上がりをカウントするDDRカウンタ34Aである場合、次のカウンタークロックの立ち上がりまで(時刻t1からtbまで)、待機しなければならず、半周期以上遅れてしまう。
If the clock / clock
しかしながら、本実施形態のADC30では、CE信号の立ち上がりエッジを検出したときのクロックCLKがハイレベルであれば反転させる。これにより、DDRカウンタ34Aが常にカウンタークロックの立ち上がりからアップカウントを開始することができる。すなわち、上述したような次のカウンタークロックの立ち上がりまで待機することを回避することができる。また、DDRカウンタ34Aでカウンタークロックをアップカウントするので、カウンタの周波数を2倍にすることができ、ADC30によるAD変換を高速化することができる。
However, in the
なお、クロックの立ち下がりをカウントするDDRカウンタを用いる場合、次のように構成する。クロック・クロックバー生成回路37でCE信号の立ち上がりエッジが検出されたとき(時刻t1)、クロックCLKがハイレベルである場合、クロック・クロックバー生成回路37は、クロックCLKをそのまま出力する。一方、クロック・クロックバー生成回路37でCE信号の立ち上がりエッジが検出されたとき(時刻t1)、クロックCLKがロウレベルである場合、クロック・クロックバー生成回路37は、クロックCLKを反転させてクロックバーCLKBを出力する。このようにクロックCLKを反転させたので、DDRカウンタに与えられるカウンタークロックはクロックバーCLKBとなり、カウンタークロックのカウントを開始するときは、カウンタークロックの立ち下がりで開始することになる。これにより、DDRカウンタが常にクロックの立ち下がりからアップカウントを開始することができる。すなわち、次のクロックの立ち下がりまで待機することを回避することができる。
When a DDR counter that counts the falling edge of the clock is used, the following configuration is used. When the rising edge of the CE signal is detected by the clock / clock bar generation circuit 37 (time t 1 ), when the clock CLK is at a high level, the clock / clock
〈実施形態4〉
本実施形態では、アップカウンタとしてダブルデータレート(Double Data Rate;DDR)カウンタを用いるADC30について説明する。図8はADCのブロック図である。なお、実施形態3と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<
In the present embodiment, an
図8に示すように、本実施形態のADC30は、比較部31が第1参照信号Vref1とリセット成分とを比較して出力を反転させたときに、クロックがハイレベルであれば、DDRカウンタ34Aによりアップカウントされたカウント値に1を加算する。
As shown in FIG. 8, the
このような処理を実現するための具体的な構成として、ADC30は、アップカウンタとしてDDRカウンタ34A、比較部31(図示せず)、CE生成回路32(図示せず)、クロックレベル検出回路40(図では、CLK H or L検出回路)、ラッチ回路41、及び加算部42を備えている。
As a specific configuration for realizing such processing, the
クロックレベル検出回路40は、実施形態1で説明したCE生成回路32の出力であるCE信号の立ち上がりエッジを検出したときのクロックCLKの信号レベルを保持する。
The clock
ラッチ回路41は、実施形態1で説明したCE生成回路32の出力であるCE信号がハイレベルであればクロックCLKをカウンタークロックとして出力し、ロウレベルになったとき、そのときのクロックCLKを保持する。ラッチ回路41の出力は、DDRカウンタ34Aに入力され、アップカウントされる。
The
加算部42は、クロックレベル検出回路40の出力がハイレベルであるならば、DDRカウンタ34Aでアップカウントされたカウント値に1を加算して出力し、クロックレベル検出回路40の出力がロウレベルであるならば、DDRカウンタ34Aでアップカウントされたカウント値をそのまま出力する。
If the output of the clock
実施形態3で述べたように、CE信号の立ち上がりエッジを検出したときにクロックCLKがハイレベルであると、DDRカウンタ34Aは、次のカウンタークロックの立ち上がりまで(時刻t1からtbまで)、待機しなければならない。この場合、DDRカウンタ34Aは、待機している間のカウンタークロックをカウントできないのであるから、最終的に出力するカウント値は、正しいカウント値よりも1少ない値である。
As described in
本実施形態のADC30は、CE信号の立ち上がりエッジを検出したときにクロックCLKがハイレベルであるときは、DDRカウンタ34Aが出力したカウント値に1を加算するので、正しいカウント値を出力することができる。
The
なお、クロックの立ち下がりをカウントするDDRカウンタを用いる場合、加算部42は、クロックレベル検出回路40の出力がロウレベルであるならば、DDRカウンタでアップカウントされたカウント値に1を加算して出力する。
When a DDR counter that counts the falling edge of the clock is used, the
CE信号の立ち上がりエッジを検出したときにクロックCLKがロウレベルであると、DDRカウンタは、次のクロックの立ち下がりまで待機しなければならない。この場合、DDRカウンタは、待機している間のクロックをカウントできないのであるから、最終的に出力するカウント値は、正しいカウント値よりも1少ない値である。本実施形態のADC30は、CE信号の立ち上がりエッジを検出したときにクロックCLKがロウレベルであるときは、DDRカウンタが出力したカウント値に1を加算するので、正しいカウント値を出力することができる。
If the clock CLK is at a low level when the rising edge of the CE signal is detected, the DDR counter must wait until the next falling clock. In this case, since the DDR counter cannot count the clock while waiting, the count value to be finally output is one less than the correct count value. The
〈他の実施形態〉
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
<Other embodiments>
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, the fundamental structure of this invention is not limited to what was mentioned above.
実施形態1〜実施形態4では、ADC30がカウントしたカウント値からオフセットを減算する手段として信号処理部19を用いたがこれに限定されない。例えば、各ADC30に、アップカウンタ34によりアップカウントされたカウント値から、オフセット値を減算するための減算回路を設けてもよい。このように減算回路を備えたADC30によれば、画素信号から相関2重サンプリングを施した真の信号成分からなるデジタル信号(撮像データ)を出力することができる。
In the first to fourth embodiments, the
実施形態1〜実施形態4では、オフセット値は、第1参照信号Vref1が発生しているときのみクロックCLKをカウントしたものであったが、これに限定されない。オフセット値は、第1参照信号Vref1の開始から第2参照信号Vref2の開始までの間に供給されるクロックCLKをカウントしたものであってもよい。図3の例でいえば、時刻t2〜t3においてもクロックCLKを発生させてもよい。この場合においても、アップカウンタ34(又はDDRカウンタ34A)によりアップカウントされたカウント値から、当該オフセット値を減算することで、リセット成分が除去された真の信号成分をデジタル化した撮像データを得ることができる。また、第1参照信号及び第2参照信号は、実施形態1〜実施形態4に例示したものに限定されない。少なくとも、時間経過に伴い、信号レベルが変化する波形であればよい。
In the first to fourth embodiments, the offset value is obtained by counting the clock CLK only when the first reference signal V ref1 is generated. However, the present invention is not limited to this. The offset value may be obtained by counting the clock CLK supplied from the start of the first reference signal Vref1 to the start of the second reference signal Vref2 . In the example of FIG. 3, the clock CLK may be generated also at times t 2 to t 3 . Even in this case, imaging data obtained by digitizing the true signal component from which the reset component is removed is obtained by subtracting the offset value from the count value up-counted by the up-counter 34 (or
実施形態1〜実施形態4では、ADC30は、撮像装置の画素信号を処理するために用いられたが、このような用途に限定されない。リセット成分と信号成分とを含むアナログ信号であれば、本発明のAD変換装置を適用することができる。例えば、上記実施形態で説明した光の他に、放射線などの電磁波を電気信号に変換する素子からアナログ信号をデジタル信号に変換する場合にも本発明のAD変換装置を適用することができる。
In the first to fourth embodiments, the
10…撮像装置、11…単位画素、11D…遮光画素、19…信号処理部、31…比較部、32、32A…CE生成回路、33…ANDゲート、34…アップカウンタ、34A…DDRカウンタ、37…クロック・クロックバー生成回路、38、41…ラッチ回路、39…ディレイ回路、40…クロックレベル検出回路、42…加算部
DESCRIPTION OF
本発明の第10の態様は、第6又は第7の態様に記載するAD変換装置と、光電変換素子により入射光からリセット成分と信号成分とを含むアナログ信号を出力する単位画素と、遮光された前記単位画素である遮光画素と、前記単位画素からのアナログ信号を入力とする前記AD変換装置から得られた前記カウント値と、前記遮光画素からのアナログ信号を入力とする前記AD変換装置から得られた前記カウント値との差分を撮像データとして出力する信号処理部と、を備えることを特徴とする撮像装置にある。
According to a tenth aspect of the present invention, the AD converter according to the sixth or seventh aspect, a unit pixel that outputs an analog signal including a reset component and a signal component from incident light by a photoelectric conversion element, and light shielding are provided. From the light-shielding pixel that is the unit pixel, the count value obtained from the AD converter that receives an analog signal from the unit pixel, and the AD converter that receives an analog signal from the light-shielded pixel And a signal processing unit that outputs the difference from the obtained count value as imaging data.
Claims (10)
時間経過に伴い信号レベルが変化する第1参照信号及び第2参照信号と、前記アナログ信号とを比較する比較部と、
クロックの供給を受け、当該クロック及び前記比較部の比較結果に基づいてカウンタークロックを生成し、当該カウンタークロックをアップカウントするカウント部と、を備え、
前記カウント部は、
前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに前記カウンタークロックをアップカウントし、
前記比較部が前記第2参照信号と前記信号成分とを比較して出力を反転させたときに前記カウンタークロックのアップカウントを停止する
ことを特徴とするAD変換装置。 An AD converter for converting an analog signal including a reset component and a signal component into a digital signal,
A comparison unit that compares the analog signal with the first reference signal and the second reference signal whose signal levels change over time;
Receiving a clock, generating a counter clock based on the comparison result of the clock and the comparison unit, and a count unit for counting up the counter clock, and
The counting unit is
When the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, the counter clock is up-counted,
The AD conversion apparatus, wherein when the comparison unit compares the second reference signal and the signal component and inverts the output, the counter clock stops counting.
前記カウント部は、
前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させてから、前記比較部が前記第2参照信号と前記信号成分とを比較して出力を反転させるまでの間にカウンターイネーブル信号を生成するカウンターイネーブル信号生成部と、
前記カウンターイネーブル信号と前記クロックとを入力として前記カウンタークロックを出力するANDゲートと、
前記ANDゲートにより出力される前記カウンタークロックをアップカウントするアップカウンタとを備える
ことを特徴とするAD変換装置。 The AD converter according to claim 1,
The counting unit is
The comparison unit compares the first reference signal with the reset component and inverts the output until the comparison unit compares the second reference signal with the signal component and inverts the output. A counter enable signal generator for generating a counter enable signal in
An AND gate for receiving the counter enable signal and the clock and outputting the counter clock;
An AD conversion apparatus comprising: an up counter that counts up the counter clock output by the AND gate.
前記カウント部は、前記第1参照信号の終了から前記第2参照信号の開始までの間に、強制的にアップカウントを開始させる
ことを特徴とするAD変換装置。 In the AD converter according to claim 1 or 2,
The AD converter forcibly starts up counting from the end of the first reference signal to the start of the second reference signal.
前記カウント部は、
前記カウンタークロックの立ち上がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、
前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに、前記クロックがロウレベルときは前記クロックをそのまま用い、前記クロックがハイレベルのときは前記クロックを反転させて用いる
ことを特徴とするAD変換装置。 In the AD converter as described in any one of Claims 1-3,
The counting unit is
A double data rate counter for counting up the rising edge of the counter clock;
When the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, the clock is used as it is when the clock is at a low level, and the clock is inverted when the clock is at a high level. An AD converter characterized by being used.
前記カウント部は、
前記カウンタークロックの立ち下がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、
前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに、前記クロックがハイレベルであるときは前記クロックをそのまま用い、前記クロックがロウレベルであるときは前記クロックを反転させて用いる
ことを特徴とするAD変換装置。 In the AD converter as described in any one of Claims 1-3,
The counting unit is
A double data rate counter for counting up the falling edge of the counter clock;
When the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, the clock is used as it is when the clock is at a high level, and the clock is used when the clock is at a low level. An AD converter characterized in that the clock is inverted and used.
前記カウント部は、
前記カウンタークロックの立ち上がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、
前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに、前記クロックがハイレベルであるときは、前記ダブルデータレートカウンタによりアップカウントされたカウント値に1を加算する
ことを特徴とするAD変換装置。 In the AD converter as described in any one of Claims 1-3,
The counting unit is
A double data rate counter for counting up the rising edge of the counter clock;
When the comparison unit compares the first reference signal and the reset component and inverts the output, and the clock is at a high level, the count value incremented by the double data rate counter is set to 1. An AD converter characterized by adding.
前記カウント部は、
前記カウンタークロックの立ち下がりをアップカウントするダブルデータレートカウンタを備え、
前記比較部が前記第1参照信号と前記リセット成分とを比較して出力を反転させたときに、前記クロックがロウレベルであるときは、前記ダブルデータレートカウンタによりアップカウントされたカウント値に1を加算する
ことを特徴とするAD変換装置。 In the AD converter as described in any one of Claims 1-3,
The counting unit is
A double data rate counter for counting up the falling edge of the counter clock;
When the comparison unit compares the first reference signal with the reset component and inverts the output, when the clock is at a low level, the count value up-counted by the double data rate counter is set to 1. AD converter characterized by adding.
前記カウント部でカウントされたカウント値から所定値を減じた差分をデジタル信号として出力する減算部とを備え、
前記減算部は、前記カウント値から、前記所定値として、第1参照信号の開始から第2参照信号の開始までの間に供給される前記クロックをカウントしたオフセット値を減じた差分をデジタル信号として出力する
ことを特徴とするAD変換装置。 In the AD converter as described in any one of Claims 1-7,
A subtraction unit that outputs a difference obtained by subtracting a predetermined value from the count value counted by the count unit as a digital signal;
The subtracting unit obtains, as a digital signal, a difference obtained by subtracting an offset value obtained by counting the clock supplied between the start of the first reference signal and the start of the second reference signal as the predetermined value from the count value. An AD converter characterized by output.
光電変換素子により入射光からリセット成分と信号成分とを含むアナログ信号を出力する単位画素とを備え、前記アナログ信号を前記AD変換装置でデジタル信号に変換して撮像データを出力することを特徴とする撮像装置。 An AD conversion apparatus according to claim 8;
A unit pixel that outputs an analog signal including a reset component and a signal component from incident light by a photoelectric conversion element, and converts the analog signal into a digital signal by the AD converter and outputs imaging data; An imaging device.
光電変換素子により入射光からリセット成分と信号成分とを含むアナログ信号を出力する単位画素と、
遮光された前記単位画素である遮光画素と、
前記単位画素からのアナログ信号を入力とする前記AD変換装置から得られた前記カウント値と、前記遮光画素からのアナログ信号を入力とする前記AD変換装置から得られた前記カウント値との差分を撮像データとして出力する信号処理部と、を備える
ことを特徴とする撮像装置。 An AD conversion apparatus according to any one of claims 1 to 7,
A unit pixel that outputs an analog signal including a reset component and a signal component from incident light by a photoelectric conversion element;
A light-shielded pixel that is the light-shielded unit pixel;
A difference between the count value obtained from the AD converter that receives an analog signal from the unit pixel and the count value obtained from the AD converter that receives an analog signal from the light-shielded pixel An image pickup apparatus comprising: a signal processing unit that outputs the image data.
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