JP2021164041A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021164041A JP2021164041A JP2020063292A JP2020063292A JP2021164041A JP 2021164041 A JP2021164041 A JP 2021164041A JP 2020063292 A JP2020063292 A JP 2020063292A JP 2020063292 A JP2020063292 A JP 2020063292A JP 2021164041 A JP2021164041 A JP 2021164041A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- unit
- analog
- circuit
- level
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
- H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
Abstract
Description
本開示は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部を有する半導体デバイスに関する。 The present disclosure relates to a semiconductor device having an analog-to-digital converter that converts an analog signal into a digital signal.
アナログデジタル変換処理を行いたいアナログ信号と、参照信号とを比較するとともに、比較処理結果に基づくカウント動作有効期間にカウント処理を行なうことで得られるカウント値に基づいて単位信号のデジタルデータを取得する方式のアナログデジタル変換器が知られている(例えば特許文献1参照)。また、このようなアナログデジタル変換器において、アナログデジタル変換処理の多重化を行う技術が知られている(例えば特許文献2参照)。多重化を行うアナログデジタル変換処理では、
リセットレベル(P相)及び信号レベル(D相)のそれぞれについてnビットのアナログデジタル変換処理を所定回数(W回)だけ繰り返して行ない、各回のデジタル値を加算するデジタル積分処理が実行される。このように、W回のアナログデジタル変換処理によって得られるデジタル信号データはW倍となる。一方、W回のアナログデジタル変換処理に含まれるノイズは√W倍となる。これにより、アナログ領域での処理では存在しないアナログデジタル変換に伴う量子化ノイズや回路ノイズなどのランダムノイズの問題が緩和され、低ノイズ化を実現できる。
The analog signal to be subjected to analog-digital conversion processing is compared with the reference signal, and the digital data of the unit signal is acquired based on the count value obtained by performing the count processing during the count operation valid period based on the comparison processing result. A method analog-digital converter is known (see, for example, Patent Document 1). Further, in such an analog-to-digital converter, a technique for multiplexing analog-to-digital conversion processing is known (see, for example, Patent Document 2). In analog-to-digital conversion processing that performs multiplexing,
The n-bit analog-to-digital conversion process is repeated for each of the reset level (P phase) and the signal level (D phase) a predetermined number of times (W times), and the digital integration process of adding the digital values of each time is executed. In this way, the digital signal data obtained by the analog-to-digital conversion process W times is multiplied by W. On the other hand, the noise included in the W analog-to-digital conversion process is √W times. As a result, the problem of random noise such as quantization noise and circuit noise associated with analog-digital conversion, which does not exist in processing in the analog region, can be alleviated, and noise reduction can be realized.
しかしながら、P相及びD相のそれぞれについてnビットのアナログデジタル変換処理をW回繰り返して行なう場合、P相及びD相のアナログデジタル変換処理を1回行う場合と比較して、変換時間がそれぞれW倍になる。このため、従来の技術は、アナログデジタル変換処理期間が増大し、変換速度が低下するという問題を有している。 However, when the n-bit analog-to-digital conversion process is repeated W times for each of the P-phase and the D-phase, the conversion time is W, respectively, as compared with the case where the analog-digital conversion process of the P-phase and the D-phase is performed once. Double. Therefore, the conventional technique has a problem that the analog-to-digital conversion processing period increases and the conversion speed decreases.
本開示の目的は、アナログデジタル変換処理における変換速度の低下を抑制するとともに低ノイズ化を図ることができる半導体デバイスを提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of suppressing a decrease in conversion speed in analog-to-digital conversion processing and reducing noise.
上記目的を達成するために、本開示の一態様による半導体デバイスは、参照信号生成部から供給されてレベルが漸次変化する参照信号とアナログの処理対象信号とを比較する比較部、及びアナログデジタル変換用のカウントクロック信号の供給を受けて前記比較部の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部を有し、前記カウンタ部の出力データに基づき前記処理対象信号のデジタルデータを取得するアナログデジタル変換部と、前記処理対象信号に対するアナログデジタル変換処理を、リセットレベルに対して実行する回数と信号レベルに対して実行する回数とを異ならせて制御する第一制御部、及び前記アナログデジタル変換処理の結果に対してデジタル積分処理を実行するように前記アナログデジタル変換部を制御する第二制御部を有する制御部とを備える。 In order to achieve the above object, the semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes a comparison unit that compares a reference signal supplied from a reference signal generation unit and whose level gradually changes with an analog processing target signal, and an analog digital conversion. An analog-digital conversion unit that has a counter unit that receives the supply of the count clock signal for counting and performs a counting operation based on the comparison result of the comparison unit, and acquires digital data of the processing target signal based on the output data of the counter unit. The first control unit that controls the number of times the analog-digital conversion process for the signal to be processed is executed for the reset level and the number of times the analog-digital conversion process is executed for the signal level are different, and the result of the analog-digital conversion process. A control unit having a second control unit that controls the analog-digital conversion unit so as to execute a digital integration process is provided.
〔第1実施形態〕
本開示の第1実施形態による半導体デバイスについて図1から図7を用いて説明する。本実施形態による半導体デバイスとして、固体撮像装置を例にとって説明する。まず、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置の概略構成について図1から図3を用いて説明する。
[First Embodiment]
The semiconductor device according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 7. As a semiconductor device according to the present embodiment, a solid-state image sensor will be described as an example. First, a schematic configuration of a solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
図1は、本実施形態による半導体デバイスとしてのCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a CMOS solid-state image sensor (CMOS image sensor) as a semiconductor device according to the present embodiment.
固体撮像装置1は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子を含む複数個の画素が行および列に配列された(すなわち2次元マトリクス状の)画素部を有している。固体撮像装置1は、列並列に設けられて各画素から出力される電圧信号に対して相関2重サンプリング(CorrelatedDoubleSampling:CDS)処理を実行する相関2重サンプリング機能部及びアナログデジタル変換(Analog Digital Converter:ADC)を実行するアナログデジタル変換部などを有している。以下、相関2重サンプリングを「CDS」と略記し、アナログデジタルを「AD」と略記し、アナログデジタル変換部を「ADC」と略記する場合がある。
The solid-
「列並列にCDS処理機能部及びAD変換部が設けられている」とは、垂直列の垂直信号線19に対して実質的に並列に複数のCDS処理機能部及びデジタル変換部が設けられていることを意味する。複数の各機能部は、デバイスを平面視したときに、ともに画素部10に対して列方向の一方の端縁側(図の下側に配されている出力側)にのみ配されている形態を有していてもよいし、画素部10に対して列方向の一方の端縁側(図の下側に配されている出力側)とその反対側である他方の端縁側(図の上側)に分けて配されている形態を有していてもよい。後者の場合、行方向の読出走査(水平走査)を行なう水平走査部も、各端縁側に分けて配されて、それぞれが独立に動作可能に構成するのがよい。
"The CDS processing function unit and the AD conversion unit are provided in parallel in the column" means that a plurality of CDS processing function units and the digital conversion unit are provided substantially in parallel with the
たとえば、列並列にCDS処理機能部及びAD変換部が設けられている典型例としては、撮像部の出力側に設けたカラム領域と呼ばれる部分に、CDS処理機能部及びデジタル変換部を垂直列ごとに設け、順次出力側に読み出すカラム型のものである。また、カラム型に限らず、隣接する複数(たとえば2つ分)の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部及びAD変換部を割り当てる形態や、N本おき(Nは、自然数すなわち正の整数:間にN−1本を配する)のN本分の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部及びAD変換部を割り当てる形態などを採ることもできる。 For example, as a typical example in which a CDS processing function unit and an AD conversion unit are provided in parallel in columns, a CDS processing function unit and a digital conversion unit are provided for each vertical column in a portion called a column region provided on the output side of the imaging unit. It is a column type that is provided in the above and is read out to the output side in sequence. Further, not limited to the column type, one CDS processing function unit and AD conversion unit are assigned to a plurality of adjacent (for example, two) vertical signal lines 19 (vertical columns), and every N lines (N is , Natural numbers, that is, positive integers: N-1 lines are arranged between them) N vertical signal lines 19 (vertical columns) are assigned one CDS processing function unit and AD conversion unit. You can also.
カラム型を除く何れの形態も、複数の垂直信号線19(垂直列)が1つのCDS処理機能部及びデジタル変換部を共通に使用する構成となるので、画素部10側から供給される複数列分の画素信号を1つのCDS処理機能部及びAD変換部に供給する切替回路(スイッチ)が設けられる。なお、後段の処理によっては、出力信号を保持する記憶部を設けるなどの対処が必要になる。
In all forms except the column type, since a plurality of vertical signal lines 19 (vertical columns) are configured to use one CDS processing function unit and a digital conversion unit in common, a plurality of columns supplied from the
何れにしても、複数の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やAD変換部を割り当てる形態などを採ることで、各画素信号の信号処理を画素列単位で読み出した後に行なうことができ、同様の信号処理を各単位画素内で行なうものに比べて、各単位画素内の構成を簡素化し、イメージセンサの多画素化、小型化、低コスト化などに対応できる。 In any case, the signal processing of each pixel signal is read out in pixel column units by adopting a form in which one CDS processing function unit or AD conversion unit is assigned to a plurality of vertical signal lines 19 (vertical columns). It can be performed later, and the configuration in each unit pixel can be simplified as compared with the case where the same signal processing is performed in each unit pixel, and it is possible to cope with the increase in the number of pixels, the miniaturization, the cost reduction, and the like of the image sensor.
また、列並列に配された複数の信号処理部にて1行分の画素信号を同時並行処理することができるので、出力回路側やデバイスの外部で1つのCDS処理機能部及びAD変換部にて処理を行なう場合に比べて、信号処理部を低速で動作させることができ、消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利である。逆に言えば、消費電力や帯域性能などを同じにする場合、センサ全体の高速動作が可能となる。 Further, since a plurality of signal processing units arranged in parallel in columns can simultaneously process pixel signals for one row, one CDS processing function unit and AD conversion unit can be used on the output circuit side or outside the device. The signal processing unit can be operated at a lower speed than the case of performing the processing, which is advantageous in terms of power consumption, band performance, noise, and the like. Conversely, if the power consumption and bandwidth performance are the same, the entire sensor can operate at high speed.
なお、カラム型の構成の場合、低速で動作させることができ消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利であるとともに切替回路(スイッチ)が不要である利点もある。以下の実施形態では、特に断りのない限り、このカラム型で説明する。 In the case of the column type configuration, it can be operated at a low speed, which is advantageous in terms of power consumption, band performance, noise, etc., and also has an advantage that a switching circuit (switch) is not required. In the following embodiments, this column type will be described unless otherwise specified.
図1に示すように、本実施形態による固体撮像装置1は、画素形状が概ね正方状の複数の単位画素3が行および列(つまり正方格子状)に配列された画素部(撮像部)10と、画素部10の外側に設けられた駆動制御部7と、カラム処理部26と、カラム処理部26にAD変換用の参照電圧を供給する参照信号生成部27と、出力回路28とを備えている。
As shown in FIG. 1, in the solid-
カラム処理部26の前段又は後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つAGC(Auto Gain Control)回路などをカラム処理部26と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部26の前段でAGCを行なう場合にはアナログ増幅となり、カラム処理部26の後段でAGCを行なう場合にはデジタル増幅となる。nビットのデジタルデータを単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。
If necessary, an AGC (Auto Gain Control) circuit or the like having a signal amplification function may be provided in the same semiconductor region as the
駆動制御部7は、画素部10の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば、駆動制御部7としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路(列走査回路)12と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路(行走査回路)14と、内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部20とを備えている。
The drive control unit 7 has a control circuit function for sequentially reading the signals of the
図1中、通信・タイミング制御部20の近傍に点線で示すように、固体撮像装置1は、高速クロック生成部の一例であって、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成するクロック変換部23を備えていてもよい。通信・タイミング制御部20は、端子5aを介して入力される入力クロック信号(マスタークロック信号)CLK0やクロック変換部23で生成された高速クロック信号に基づいて内部クロック信号を生成する。
As shown by a dotted line in the vicinity of the communication /
クロック変換部23で生成された高速クロック信号を源とする信号を用いることで、AD変換処理などを高速に動作させることができるようになる。また、高速クロック信号を用いて、高速の計算を必要とする動き抽出や圧縮処理を行なうことができる。また、カラム処理部26から出力されるパラレルデータをシリアルデータ化して固体撮像装置1の外部に映像データD1を出力することもできる。こうすることで、固体撮像装置1は、AD変換されたデジタルデータのビット分よりも少ない端子で高速動作出力する構成を採ることができる。
By using a signal originating from a high-speed clock signal generated by the
クロック変換部23は、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成する逓倍回路を内蔵している。クロック変換部23は、通信・タイミング制御部20から低速クロック信号CLK2を受け取り、受け取ったクロック信号CLK2を元にして2倍以上高い周波数のクロック信号を生成する。クロック変換部23の逓倍回路としては、k1を低速クロック信号CLK2の周波数の倍数としたときk1逓倍回路を設ければよく、周知の様々な回路を利用することができる。
The
図1では、簡単のため行及び列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の単位画素3が配置されて画素部10が構成される。単位画素3は、典型的には、受光素子(電荷生成部)としてのフォトダイオードと、増幅用の半導体素子(たとえばトランジスタ)を有する画素内アンプとを有している。
In FIG. 1, a part of rows and columns is omitted for the sake of simplicity, but in reality, tens to thousands of
画素内アンプとしては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。画素内アンプの一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、及びフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、CMOSセンサとして汎用的な4つのトランジスタで構成されたものを使用することができる。 As the intra-pixel amplifier, for example, an amplifier having a floating diffusion amplifier configuration is used. As an example of the in-pixel amplifier, for the charge generation unit, a read selection transistor which is an example of a charge reading unit (transfer gate unit / reading gate unit), a reset transistor which is an example of a reset gate unit, and a vertical selection transistor are used. , And an amplification transistor having a source follower configuration, which is an example of a detection element for detecting a potential change of floating diffusion, can be used as a CMOS sensor composed of four general-purpose transistors.
あるいは、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線に接続された増幅用トランジスタと、電荷生成部をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線を介して走査される読出選択用トランジスタ(転送ゲート部)を有する、3つのトランジスタで構成されたものを使用することもできる。 Alternatively, an amplification transistor connected to the drain line for amplifying the signal voltage corresponding to the signal charge generated by the charge generator, a reset transistor for resetting the charge generator, and transfer from the vertical shift register. It is also possible to use a transistor composed of three transistors having a read selection transistor (transfer gate portion) scanned via wiring.
画素部10は、画像を取り込む有効領域である有効画像領域(有効部)10aの他に、有効画像領域(有効部)10aの周囲に配されて光学的黒を与える基準画素領域を有している。一例としては、垂直列方向の上下に数行(たとえば1〜10行)分の光学的黒を与える基準画素が配列され、また、有効画像領域(有効部)10aを含む水平行における左右に数画素〜数10画素(たとえば3〜40画素)分の光学的黒を与える基準画素が配列される。
The
光学的黒を与える基準画素は、その受光面側が、フォトダイオードなどからなる電荷生成部に光が入らないように、遮光される。この基準画素からの画素信号は、映像信号の黒基準に使われる。 The reference pixel that imparts optical black is shielded from light so that the light receiving surface side thereof does not allow light to enter the charge generating portion made of a photodiode or the like. The pixel signal from this reference pixel is used as a black reference for the video signal.
また、本実施形態の固体撮像装置1は、画素部10をカラー撮像対応にしている。すなわち、画素部10における各電荷生成部(フォトダイオードなど)の電磁波(本例では光)が入射される受光面には、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れかの色フィルタ(不図示)が設けられている。
Further, in the solid-
本実施形態では、いわゆるベイヤ(Bayer)配列の基本形のカラーフィルタが用いられており、正方格子状に配された単位画素3が赤(R)、緑(G)及び青(B)の3色カラーフィルタに対応するように、色分離フィルタの繰返単位が2画素×2画素で配されて画素部10を構成している。
In the present embodiment, a so-called Bayer array basic color filter is used, and the
たとえば、奇数行奇数列には第1の色(たとえば赤:R)を感知するための第1のカラー画素が配され、奇数行奇偶数列および偶数行奇数列には第2の色(たとえば緑:G)を感知するための第2のカラー画素が配され、偶数行偶数列には第3の色(例えば青:B)を感知するための第3のカラー画素が配されている。これにより、画素部10には、行ごとに異なったR/G、又はG/Bの2色のカラー画素が市松模様状に配置されている。
For example, the odd-numbered rows and odd-numbered columns have a first color pixel for detecting the first color (for example, red: R), and the even-numbered rows and odd-numbered columns and the even-numbered rows and odd-numbered columns have a second color (for example, green). : A second color pixel for detecting G) is arranged, and a third color pixel for detecting a third color (for example, blue: B) is arranged in even rows and even columns. As a result, two color pixels of R / G or G / B, which are different for each row, are arranged in the
このようなベイヤ配列の基本形のカラーフィルタの色配列は、行方向及び列方向の何れについても、R/GまたはG/Bの2色が2つごとに繰り返される。 In the color arrangement of the basic color filter of such a Bayer arrangement, two colors of R / G or G / B are repeated every two in both the row direction and the column direction.
また、駆動制御部7の他の構成要素として、水平走査回路12、垂直走査回路14、及び通信・タイミング制御部20が設けられている。水平走査回路12は、カラム処理部26からカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。駆動制御部7の各構成要素は、画素部10とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体デバイスの一例である固体撮像素子(撮像デバイス)として構成される。
Further, as other components of the drive control unit 7, a
単位画素3は、行選択のための行制御線15を介して垂直走査回路14に接続されている。また、単位画素3は、垂直信号線19を介してカラムAD回路25が垂直列ごとに設けられているカラム処理部26に接続されている。ここで、行制御線15は垂直走査回路14から画素に入る配線全般を示す。
The
水平走査回路12や垂直走査回路14は、後述のようにデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部20から与えられる制御信号CN1,CN2に応答してシフト動作(走査)を開始するようになっている。このため、行制御線15には、単位画素3を駆動するための種々のパルス信号(たとえば、リセットパルスRST、転送パルスTRF、DRN制御パルスDRNなど)が含まれる。
The
通信・タイミング制御部20は、図示しないが、端子5aを介してマスタークロック信号CLK0を受け取り、また端子5bを介して動作モードなどを指令するデータDATAを受け取り、さらに固体撮像装置1の情報を含むデータを出力する通信インタフェースの機能ブロックを備える。また、通信・タイミング制御部20は、画素部10から出力される処理対象信号に対するアナログデジタル変換処理を、リセットレベルに対して実行する回数と信号レベルに対して実行する回数とを異ならせて制御する第一制御部201を有している。また、通信・タイミング制御部20は、カラムAD回路25(アナログデジタル変換部の一例、詳細は後述する)でのアナログデジタル変換処理の結果に対してデジタル積分処理を実行するようにカラムAD回路25を制御する第二制御部202を有している。つまり、通信・タイミング制御部20は、第一制御部201及び第二制御部202を有する制御部の一例に相当する。第一制御部201及び第二制御部202は、各部の動作に必要なクロック信号や所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータとしての機能を発揮するように構成されている。
Although not shown, the communication /
たとえば、通信・タイミング制御部20は、水平アドレス信号を水平デコーダ12aへ出力し、垂直アドレス信号を垂直デコーダ14aへ出力する。水平デコーダ12aは、通信・タイミング制御部20から入力される水平アドレス信号に対応する列を選択する。また、垂直デコーダ14aは、通信・タイミング制御部20から入力される垂直アドレス信号に対応する行を選択する。
For example, the communication /
この際、単位画素3を2次元マトリックス状に配置してあるので、画素信号生成部5により生成され垂直信号線19を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で(列並列で)アクセスし取り込む(垂直)スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号(本例ではデジタル化された画素データ)を出力側へ読み出す(水平)スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。勿論、スキャン読みに限らず、読み出したい単位画素3を直接にアドレス指定することで、必要な単位画素3の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。
At this time, since the
また、本実施形態における通信・タイミング制御部20では、端子5aを介して入力されるマスタークロック(マスタークロック)信号CLK0と同じ周波数のクロック信号CLK1や、クロック信号CLK1を2分周したクロック信号やクロック信号CLK1を2分周よりも分周した低速のクロック信号を固体撮像装置1内の各部、たとえば水平走査回路12、垂直走査回路14、カラム処理部26などに供給する。以下、2分周したクロック信号やそれ2分周したクロック信号の周波数以下の周波数のクロック信号全般を纏めて、低速クロック信号CLK2と称する。
Further, in the communication /
垂直走査回路14は、画素部10の行を選択し、選択した行に必要なパルス信号を供給するものである。たとえば、垂直走査回路14は、垂直方向の読出行を規定する(画素部10の行を選択する)垂直デコーダ14aと、垂直デコーダ14aにて規定された読出アドレス上(行方向)の単位画素3に対する行制御線15にパルス信号を供給して駆動する垂直駆動回路14bとを有する。なお、垂直デコーダ14aは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。
The
水平走査回路12は、低速クロック信号CLK2に同期してカラム処理部26のカラムAD回路25を順番に選択し、選択したカラムAD回路25から出力される信号を水平信号線(水平出力線)18に導くものである。たとえば、水平走査回路12は、水平方向の読出列を規定する(カラム処理部26内の個々のカラムAD回路25を選択する)水平デコーダ12aと、水平デコーダ12aにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部26の各信号を水平信号線18に導く水平駆動回路12bとを有する。なお、水平信号線18は、たとえばカラムAD回路25が取り扱うビット数n(nは正の整数)分、たとえば10(=n)ビットならば、そのビット数分に対応して10本配置される。
The
このような構成の固体撮像装置1において、単位画素3から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線19を介して、カラム処理部26のカラムAD回路25に供給される。
In the solid-
カラム処理部26の各カラムAD回路25は、1列分の画素の信号を受けて、受けた信号を処理する。たとえば、カラムAD回路25のそれぞれは、たとえば低速クロック信号CLK2と同等の周波数を有するカウントクロック信号CK0を用いて、アナログ信号をたとえば10ビットのデジタルデータに変換できるように構成されている。するADC(Analog Digital Converter)回路を持つ。
Each
詳細は後述するが、カラムAD回路25は、参照信号生成部27から入力されるランプ状の参照信号(参照電圧)RAMP及び垂直信号線19を介して入力されたアナログの画素信号を比較する電圧比較部252と、参照信号RAMPの供給と同時にカウントクロック信号CK0でのカウント(計数)を開始して電圧比較部252の出力信号が例えば高レベルから低レベルに切り替わった時点のカウント数を保持するカウンタ部254を有している。
Although the details will be described later, the
また、この際、回路構成を工夫することで、AD変換とともに、垂直信号線19を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベル)と真の(受光光量に応じた)信号レベルVsigとの差分をとる処理を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ(Fixed Pattern Noise:FPN)やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除くことができる。
Further, at this time, by devising the circuit configuration, the signal level (noise level) immediately after the pixel reset and the true (noise level) and the true (noise level) of the voltage mode pixel signal input via the
カラムAD回路25でデジタル化された画素データは、水平走査回路12からの水平選択信号により駆動される図示しない水平選択スイッチを介して水平信号線18に伝達され、さらに出力回路28に入力される。なお、カラムAD回路25がアナログ信号をデジタルデータに変換するビット数は、10ビットに限られず、10ビット未満(たとえば8ビット)や10ビットを超えるビット数(たとえば14ビット)など、その他の値としてもよい。
The pixel data digitized by the
このような構成によって、電荷生成部としての受光素子が行列状に配された画素部10からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列状に配された画素部10に対応する1枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部10全体の画素信号の集合で示されることとなる。
With such a configuration, pixel signals are sequentially output for each vertical column for each row from the
<カラムAD回路と参照信号生成部の詳細>
参照信号生成部27は、画素部10における色分解フィルタを構成する色フィルタの色の種類や配列に応じて、AD変換用の参照信号を発生する機能要素であるデジタルアナログ変換回路(Digital Analog Converter:DAC)を個別に備える。以下、デジタルアナログを「DA」と称し、デジタルアナログ変換回路を「DAC」と称する場合がある
<Details of column AD circuit and reference signal generator>
The reference
使用する画素部10(デバイス)を決めると、色分解フィルタにおける色フィルタの色の種類や配列は決まり、2次元格子位置における任意位置の色フィルタが何色であるのかを一義的に特定することができる。色フィルタの行方向および列方向の各繰返しサイクルも、その配列によって一義的に決まり、列並列に設けたカラムAD回路25のそれぞれが処理対象とする1つの処理対象行には、色分解フィルタで使用される全色分ではなく、繰返しサイクルで決まるより少ない所定色の組合せの画素信号のみが存在することなる。
When the pixel unit 10 (device) to be used is determined, the color type and arrangement of the color filter in the color separation filter are determined, and the number of colors of the color filter at an arbitrary position in the two-dimensional lattice position is uniquely specified. Can be done. Each repetition cycle in the row direction and the column direction of the color filter is also uniquely determined by the arrangement, and one processing target row to be processed by each of the
本実施形態では、この性質に着目し、電圧比較部252とカウンタ部254とでカラムAD回路25を構成するに当たり、電圧比較部252に供給するAD変換用の参照信号を発生する機能要素である、個別の参照信号生成出力部の一例であるDA変換回路を、色分解フィルタで使用される全色分設けるのではなく、先ず画素信号の読出単位である行方向に関して、色フィルタの繰返しサイクル内に存在する所定色の色フィルタの組合せに応じた数分だけとすることで、2次元における色フィルタの繰返しサイクル内に存在する色フィルタの全色分より少なくする。本実施形態における画素部10には、赤色又は緑色に対応する画素信号が出力されて偶数列の垂直信号線19と、緑色又は青色に対応する画素信号が出力されて奇数列の垂直信号線19とが配置されている。このため、参照信号生成部27は、偶数列の垂直信号線19から出力される画素信号と比較される参照信号RAMPaを生成するDA変換回路27aと、奇数列の垂直信号線19から出力される画素信号と比較される参照信号RAMPbを生成するDA変換回路27bとを有している。
In the present embodiment, paying attention to this property, it is a functional element that generates a reference signal for AD conversion supplied to the
固体撮像装置1は、DA変換回路27aから出力される参照信号RAMPaが入力される信号線252aと、DA変換回路27bから出力される参照信号RAMPbが入力される信号線252aとを有している。信号線252am252bには、共通の色特性を持つ色フィルタに対応する電圧比較部252が接続されている。すなわち、偶数列の垂直信号線19から出力される画素信号を処理対象信号とする偶数列目の電圧比較部252は、信号線252aに接続されている。奇数列の垂直信号線19から出力される画素信号を処理対象信号とする奇数列目の電圧比較部252は、信号線252bに接続されている。これにより、偶数列目の電圧比較部252のそれぞれには、共通の信号線252aを介して参照信号RAMPaが伝達し、奇数列目の電圧比較部252のそれぞれには、共通の信号線252bを介して参照信号RAMPbが伝達するように構成される。
The solid-
なお、読出単位に応じた行方向とは異なる方向である異方向、すなわち垂直列方向に関しては、カラー画素の色特性に対応した変化特性(具体的には傾き)や、黒基準や回路オフセット成分などの色特性とは異なる非色特性の観点で規定された初期値を持って変化する色対応参照信号生成部を、垂直列方向における色フィルタの繰返しサイクル内に存在する所定色の色フィルタの組合せに応じた数分だけ、個別のDA変換回路(参照信号生成出力部)のそれぞれに設け、その各出力の何れか一方を、処理対象行の切り替えに応じて選択する構成とすることができる。 Note that in a different direction, that is, a vertical column direction, which is a direction different from the row direction according to the reading unit, the change characteristic (specifically, the inclination) corresponding to the color characteristic of the color pixel, the black reference, and the circuit offset component. A color correspondence reference signal generator that changes with an initial value defined from the viewpoint of non-color characteristics different from color characteristics such as, is a color filter of a predetermined color that exists in the repetition cycle of the color filter in the vertical column direction. It is possible to provide each of the individual DA conversion circuits (reference signal generation output unit) for a number of colors according to the combination, and select one of the outputs according to the switching of the processing target line. ..
この場合、たとえばベイヤ配列のように、2次元における色フィルタの繰返しサイクル内に、同色の色フィルタが存在する場合、この同色の色フィルタに関しては、個別のDA変換回路(参照信号生成出力部)のそれぞれが、1つの色対応参照信号生成部を兼用(共用)する構成とすることもできる。 In this case, when a color filter of the same color exists in the repeating cycle of the color filter in two dimensions, for example, a bayer array, the individual DA conversion circuit (reference signal generation output unit) is used for the color filter of the same color. Each of the above may be configured to also (share) one color-corresponding reference signal generation unit.
あるいは、個別のDA変換回路(参照信号生成出力部)のそれぞれに対して、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、対応するカラー画素の色特性に対応した変化特性(具体的には傾き)や、黒基準や回路オフセット成分などの色特性とは異なる観点に基づく初期値を、通信・タイミング制御部20から設定するようにしてもよい。こうすることで、個別のDA変換回路(参照信号生成出力部)のそれぞれに色対応参照信号生成部や色対応参照信号生成部の何れかを選択する選択部を設ける必要がなくなる。
Alternatively, for each of the individual DA conversion circuits (reference signal generation output unit), each time the processing target line is switched, the color combination that constitutes the repeating unit of the color filter array is changed due to the switching. Then, the communication /
何れの構成でも、各DA変換回路(参照信号生成出力部)のそれぞれは、処理対象行が切り替わることで、その処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、DA変換回路が発する参照信号(アナログ基準電圧)の変化特性(具体的には傾き)を、色フィルタすなわちアナログの画素信号の特性に応じて切り替えて出力する。また、初期値に関しては、たとえば黒基準や回路のオフセット成分など、色特性とは異なる観点に基づいて設定することとなる。 In any configuration, in each of the DA conversion circuits (reference signal generation output unit), the DA conversion circuit switches according to the switching of the predetermined color combination existing in the processing target line by switching the processing target line. The change characteristic (specifically, the gradient) of the output reference signal (analog reference voltage) is switched and output according to the characteristic of the color filter, that is, the analog pixel signal. Further, the initial value is set based on a viewpoint different from the color characteristics, such as a black reference and an offset component of a circuit.
こうすることで、参照電圧発生器(本例ではDA変換回路に相当)やこの参照電圧発生器からの配線を色分解フィルタを構成する色フィルタの数よりも少なくすることができる。また、色フィルタごとに参照電圧発生器を用意した場合に必要とされていた、各参照電圧発生器からのアナログ基準電圧(本例の参照信号に相当)を選択的に出力する垂直列ごとの選択手段(マルチプレクサ)も不要となるので、回路規模を縮小できる。カラー画素に応じた参照信号を比較器の入力側に伝達する信号線の数を、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分の数よりも少なくすることができる。 By doing so, the number of wires from the reference voltage generator (corresponding to the DA conversion circuit in this example) and the reference voltage generator can be reduced to be smaller than the number of color filters constituting the color separation filter. In addition, for each vertical column that selectively outputs the analog reference voltage (corresponding to the reference signal in this example) from each reference voltage generator, which was required when a reference voltage generator was prepared for each color filter. Since the selection means (multiplexer) is not required, the circuit scale can be reduced. The number of signal lines that transmit the reference signal corresponding to the color pixel to the input side of the comparator can be smaller than the number of color components of the color filter for capturing a color image.
また、変化特性(具体的には傾き)や初期値を、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、DA変換回路に設定するようにすれば、色フィルタのそれぞれに応じた色対応参照信号生成部と色対応参照信号生成部を処理対象行に応じて切り替える選択部を設ける必要がなく、参照信号生成部27の全体構成の規模をさらに縮小することができる。
In addition, the change characteristics (specifically, the inclination) and the initial value are DA-converted according to the change of the color combination constituting the repeating unit of the color filter array due to the switching each time the processing target row is switched. If it is set in the circuit, it is not necessary to provide a selection unit for switching between the color-corresponding reference signal generation unit and the color-corresponding reference signal generation unit according to the processing target line according to each of the color filters, and the reference
本例では、固体撮像装置1としては、ベイヤ方式の基本配列のものを使用しており、先にも述べたように、色フィルタの繰返しは2行および2列ごととなる。行単位で画素信号を読み出して、垂直信号線19ごとに、列並列に設けた各カラムAD回路25に画素信号を入力するので、1つの処理対象行には、R/G又はG/Bの何れか2色のみの画素信号が存在する。よって、本例では、奇数列に対応したDA変換回路27aと偶数列に対応したDA変換回路27bとが設けられている。
In this example, the solid-
DA変換回路27a,27bは、通信・タイミング制御部20からの制御データCN4(CN4a,CN4b)で示される初期値から、通信・タイミング制御部20からのカウントクロック信号CKdaca,CKdacb(カウントクロック信号CK0と同じでもよい)に同期して、レベル(例えば電圧レベル)が漸次変化する階段状の鋸歯状波の信号(ランプ電圧)を生成して信号線252aに出力する。カラム処理部26の対応する個々のカラムAD回路25は、DA変換回路27a,27bで生成された鋸歯状波の信号をAD変換用の参照信号(ADC基準信号)RAMPa,RAMPbとして用いるようになっている。なお、図示を割愛しているが、ノイズ防止用のフィルタを設けられていてもよい。
The
DA変換回路27a,27bは、所定位置の画素信号Vxにおける信号成分Vsigについて電圧比較部252とカウンタ部254とを用いてAD変換処理を行なう際には、それぞれが発する参照信号RAMPa,RAMPbの初期電圧を、画素の特性や回路ばらつきを反映させて、リセット成分ΔVについてのAD変換処理時とは異なる値に設定するとともに、色フィルタの配列を考慮して画素特性に適合するようにそれぞれの傾きβa,βbを設定してもよい。
When the
具体的には、先ず信号成分Vsigについての参照信号RAMPa,RAMPbの初期電圧Vas、Vbsに関しては、任意の複数の黒基準を生成する画素から得られる信号を元に算出されたものとする。なお、黒基準を生成する画素は、カラー画素外に配置された電荷生成部32をなす光電変換素子としてのフォトダイオードなどの上に遮光層を有する画素とする。その配置場所や配置数などの配置形態及び遮光手段は、特に限定されず、公知の仕組みを採ることができる。 Specifically, first, it is assumed that the reference signals RAMPa and RAMPb initial voltages Vas and Vbs for the signal component Vsig are calculated based on the signals obtained from the pixels that generate an arbitrary plurality of black references. The pixel that generates the black reference is a pixel that has a light-shielding layer on a photodiode or the like as a photoelectric conversion element that forms a charge generation unit 32 arranged outside the color pixel. The arrangement form such as the arrangement place and the number of arrangements and the light-shielding means are not particularly limited, and a known mechanism can be adopted.
また、この初期電圧は、DA変換回路27a,27bの特性によりそれぞれ生じる固有のばらつき成分を含むものとする。通常は、初期電圧Vas、Vbsは、リセット成分ΔVについての参照信号RAMPa,RAMPbの初期電圧Var、Vbrに対して、それぞれオフセットOFFa,OFFb分だけ低くする。
Further, it is assumed that this initial voltage includes a unique variation component generated by the characteristics of the
リセット成分ΔVについての参照信号RAMPa,RAMPbの初期電圧Var、Vbrを同じにしていても、通常は、オフセットOFFa,OFFb分は異なる値となるので、信号成分Vsigについての参照信号RAMPa,RAMPbの初期電圧Vas、Vbsは異なるものとなる。 Even if the initial voltages Var and Vbr of the reference signals RAMPa and RAMPb for the reset component ΔV are the same, the offsets OFFa and OFFb usually have different values. The voltages Vas and Vbs are different.
なお、信号成分Vsigについての参照信号RAMPa,RAMPbの初期電圧Vas、Vbsは、黒基準を生成する画素から得られる信号以外にも任意のオフセットを含むものとしてもよい。 The initial voltages Vas and Vbs of the reference signals RAMPa and RAMPb for the signal component Vsig may include an arbitrary offset in addition to the signal obtained from the pixel that generates the black reference.
参照信号生成部27のDA変換回路27a,27bが行なうオフセット分の制御は、たとえば任意の複数の黒基準を生成する基準画素から得られる信号を元に初期電圧を算出する機能を通信・タイミング制御部20に持たせ、通信・タイミング制御部20からの制御データCN4で示される初期値に基づいて行なうようにしてもよい。もちろん、DA変換回路27a,27bが、初期電圧を算出する機能を持ち、自身で初期電圧を算出するようにしてもよい。
The offset control performed by the
あるいは、チップ内の通信・タイミング制御部20やDA変換回路27a,27bに、参照電圧の初期電圧を算出する機能を持つのではなく、チップ外の外部システムで黒基準を生成する基準画素から得られる信号を元に初期電圧を算出し、端子5bを介して動作モードの一部として初期電圧を示す情報を通信・タイミング制御部20に通知し、通信・タイミング制御部20からの制御データCN4で参照信号生成部27に通知するようにしてもよい。
Alternatively, the communication /
なお、参照信号生成部27が発する階段状の参照信号、詳しくはDA変換回路27aが発する参照信号RAMPaおよびDA変換回路27bが発する参照信号RAMPbは、クロック変換部23からの高速クロック信号、たとえば逓倍回路で生成される逓倍クロックを元に生成することで、端子5aを介して入力されるマスタークロック信号CLK0に基づき生成するよりも高速に変化させることができる。
The stepped reference signal emitted by the reference
通信・タイミング制御部20から参照信号生成部27のDA変換回路27aに供給する制御データCN4a,CN4bは、比較処理ごとのランプ電圧の傾き(変化の度合い;時間変化量)を指示する情報も含んでいる。
The control data CN4a and CN4b supplied from the communication /
カラム処理部26は、垂直信号線19と同数のカラムAD回路25を有している。複数のカラムAD回路25は、互いに同じ構成を有している。カラムAD回路25は、参照信号生成部27から供給されてレベルが漸次変化する参照信号RAMPa,RAMPbと垂直信号線19から入力される画素信号(アナログの処理対象信号の一例)とを比較する電圧比較部(比較部の一例)252を有している。また、カラムAD回路25は、アナログデジタル変換用のカウントクロック信号CK0の供給を受けて電圧比較部252の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部254を有している。カラムAD回路25は、カウンタ部254の出力データに基づき画素信号のデジタルデータを取得するように構成されている。
The
より具体的には、カラムAD回路25は、参照信号生成部27のDA変換回路27aで生成される参照信号RAMPa又はDA変換回路27bと、行制御線15(H0,H1,…)ごとに単位画素3から垂直信号線19(V0,V1,…)を経由し得られるアナログの画素信号とを比較する電圧比較部252と、電圧比較部252が比較処理を完了するまでの時間をカウントし、その結果を保持するカウンタ部254とを有している。カラム処理部26は、アナログデジタル変換によって生成されるデジタルデータのビット数と同数のカラムAD回路25を有している。本実施形態では、カラム処理部26は、n個のカラムAD回路25を有しているので、nビットAD変換機能を有している。
More specifically, the
通信・タイミング制御部20は、電圧比較部252が画素信号のリセット成分ΔVと信号成分Vsigの何れについて比較処理を行なっているのかに応じてカウンタ部254におけるカウント処理のモードを切り替える制御部の機能を持つ。通信・タイミング制御部20から各カラムAD回路25のカウンタ部254には、カウンタ部254がダウンカウントモードで動作するのかアップカウントモードで動作するのかを指示するためのモード選択信号CN5が入力されている。
The communication /
偶数列目の電圧比較部252の一方の入力端子は、信号線252aに接続され、偶数列目の電圧比較部252の他方の入力端子は、偶数列の垂直信号線19に接続されている。これにより、偶数列目の電圧比較部252の一方の入力端子には、参照信号生成部27で生成される階段状の参照信号RAMPaが入力され、偶数列目の電圧比較部252の他方の入力端子には、それぞれ対応する偶数列の垂直信号線19から出力される画素信号の画素電圧V0,V2,・・・,Vn−2が個々に入力される。奇数列目の電圧比較部252の一方の入力端子は、信号線252bに接続され、奇数列目の電圧比較部252の他方の入力端子は、奇数列の垂直信号線19に接続されている。これにより、奇数列目の電圧比較部252の一方の入力端子には、参照信号生成部27で生成される階段状の参照信号RAMPbが入力され、奇数列目の電圧比較部252の他方の入力端子には、それぞれ対応する奇数列の垂直信号線19から出力される画素信号の画素電圧V1,・・・,Vn−1が個々に入力される。
One input terminal of the
電圧比較部252は、例えばコンパレータ回路で構成されている。偶数列目の電圧比較部252は、参照信号RAMPaの信号レベル(例えば電圧値)が垂直信号線19から出力される画素信号の信号レベル(例えば電圧値)と同じか小さい場合には信号レベルが高レベルの出力信号を出力する。一方、偶数列目の電圧比較部252は、参照信号RAMPaの信号レベル(例えば電圧値)が垂直信号線19から出力される画素信号の信号レベル(例えば電圧値)よりも大きい場合には信号レベルが低レベル(基準電位レベル、すなわちグランドレベル)の出力信号を出力する。
The
奇数列目の電圧比較部252は、参照信号RAMPbの信号レベル(例えば電圧値)が垂直信号線19から出力される画素信号の信号レベル(例えば電圧値)と同じか小さい場合には信号レベルが高レベルの出力信号を出力する。一方、奇数列目の電圧比較部252は、参照信号RAMPbの信号レベル(例えば電圧値)が垂直信号線19から出力される画素信号の信号レベル(例えば電圧値)よりも大きい場合には信号レベルが低レベル(基準電位レベル、すなわちグランドレベル)の出力信号を出力する。電圧比較部252の出力信号はカウンタ部254に供給される。
The
ここで、カウンタ部254の概略構成について図2及び図3を用いて説明する。
図2に示すように、複数のカウンタ部254は、互いに同一の構成を有している。カウンタ部254は、カウンタ回路254aと、積算回路254bと、ラッチ回路254cとを有している。
Here, the schematic configuration of the
As shown in FIG. 2, the plurality of
カウンタ回路254aは、通信・タイミング制御部20から入力されるカウントクロック信号CK0をカウント(計数)するように構成されている。カウンタ回路254aには、電圧比較部252の出力端子が接続されている。カウンタ回路254aは、例えば電圧比較部252の出力信号が低レベルになると、クロック信号CL0の入力が停止されるように構成されている。これにより、カウンタ回路254aは、参照信号RAMPa(又は参照信号RAMPb)の信号レベルが垂直信号線19から出力される画素信号の信号レベルよりも大きくなると、カウントを停止し、停止した時点のデジタルデータを保持できる。また、カウンタ回路254aは、カウントを停止した時点のデジタルデータを積算回路254bに出力するように構成されている。さらに、カウンタ回路254aは、カウントを停止した時点の値をしめすデジタルデータを、積算回路254bで演算された演算結果のデジタルデータに変更して保持するように構成されている。カウンタ回路254aの具体的な構成は後述する。
The
積算回路254bは、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数と、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数とに基づいて、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の結果又は信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の結果に所定の演算処理を実行するように構成されている。したがって、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数をN(Nは自然数)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数をM(MはNと異なる自然数)とすると、カラムAD回路25は、リセットレベル(P相)のAD変換処理の結果をM/N倍とする第一演算又は信号レベル(D相)のAD変換処理の結果をN/M倍とする第二演算を実行する積算回路254b(デジタル演算部の一例)を有している。
The integrating
積算回路254bは、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数Mがリセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数Nよりも小さい場合には第一演算を実行し、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数Mがリセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数Nよりも大きい場合に第二演算を実行するように構成されている。本実施形態では、回数M(例えば3回)が回数N(例えば1回)よりも大きいので、積算回路254bは、リセットレベル(P相)に対して実行されたAD変換処理の結果をM/N倍とする第一演算(積算)を実行する。より具体的には、積算回路254bは、参照信号RAMPa(又は参照信号RAMPb)の信号レベルが垂直信号線19から出力されるリセットレベルよりも大きくなることによって停止した時点の値を示すデジタルデータ(AD変換処理の結果)をM/N倍とする積算処理を実行し、当該積算処理によって得られたデジタルデータをカウンタ回路254aに出力する。
The integrating
ラッチ回路254cは、通信・タイミング制御部20及びカウンタ回路254aに接続されている。ラッチ回路254cは、通信・タイミング制御部20に設けられた第二制御部202から出力される制御信号CN7に基づいて、カウンタ回路254aに保持されているデジタルデータを記憶するように構成されている。また、ラッチ回路254cは、水平走査回路12及び水平信号線18に接続されている。ラッチ回路254cは、水平走査回路12から水平選択信号CHが入力されると記憶しているデジタルデータを水平信号線18に出力するように構成されている。
The
図3に示すように、カウンタ回路254aは、直列に接続された複数(本実施形態ではn個)のDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1を有している。初段のDフリップフロップ回路DFF0のクロック入力端子CKと通信・タイミング制御部20との間には、スイッチSWcが接続されている。スイッチSWcは、電圧比較部252から出力される信号レベルに基づいて形成される制御信号で開閉が制御されるようになっている。当該制御信号は、電圧比較部252から出力される信号レベルが低レベルになった時点から所定の期間だけ低レベルになる。このため、スイッチSWcは、当該所定の期間だけオフ状態(オープン状態)となる。スイッチSWcには、通信・タイミング制御部20から出力されるカウントクロック信号CK0が入力される。このため、Dフリップフロップ回路DFF0のクロック入力端子CKには、当該所定の期間にはカウントクロック信号CK0が入力されなくなる。このため、カウンタ回路254aは、当該所定の期間ではカウント(計数)を停止する。また、カウンタ回路254aは、一定の信号レベルのカウントクロック信号CK0がDフリップフロップ回路DFF0のクロック入力端子CKに入力されている期間もカウント(計数)を停止する。
As shown in FIG. 3, the
初段以外のDフリップフロップ回路DFF1〜DFFn−1のそれぞれのクロック入力端子CKは、前段のDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−2(Dフリップフロップ回路DFFn−2は不図示)の反転出力端子/Qに接続されている。また、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの入力端子Dは、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの反転出力端子/Qに接続されている。このように、本実施形態におけるカウンタ回路254aは、非同期式のカウンタ回路構成を有している。
The clock input terminals CK of the D flip-flop circuits DFF1 to DFFn-1 other than the first stage are the inverting output terminals / Q of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-2 (D flip-flop circuits DFFn-2 are not shown) in the previous stage. It is connected to the. Further, each input terminal D of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1 is connected to each inverting output terminal / Q of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1. As described above, the
カウンタ回路254aは、Dフリップフロップ回路DFF1〜DFFn−1のそれぞれの非反転出力端子Q及び反転出力端子/Qに入力端子が接続されたマルチプレクサMX0〜MXn−1を有している。マルチプレクサMX0〜MXn−1の出力信号bit[0]〜bit[n−1]がカウンタ回路254aの出力するデジタルデータとなる。マルチプレクサMX0〜MXn−1は、通信・タイミング制御部20から出力されるモード選択信号CN5に基づいて、非反転出力端子Q及び反転出力端子/Qから出力される信号を出力信号bit[0]〜bit[n−1]として出力する。具体的には、マルチプレクサMX0〜MXn−1は、モード選択信号CN5に基づいてカウンタ回路254aがアップカウンタとして機能する場合には、非反転出力端子Qから出力される信号を出力信号bit[0]〜bit[n−1]として出力する。一方、マルチプレクサMX0〜MXn−1は、モード選択信号CN5に基づいてカウンタ回路254aがダウンカウンタとして機能する場合には、反転出力端子/Qから出力される信号を出力信号bit[0]〜bit[n−1]として出力する。
The
Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1は、積算回路254b(図2参照)の積算処理の結果である積算回路254bから出力される出力信号の信号レベルに応じてリセット又はプリセットされるように構成されている。すなわち、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1は、積算回路254b(図2参照)から出力される出力信号の信号レベルが低レベル(デジタルデータのビット値が「0」)の場合にリセットされる。一方、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1は、積算回路254bから出力される出力信号の信号レベルが高レベル(デジタルデータのビット値が「1」)の場合にプリセットされる。たとえば、Dフリップフロップ回路DFF0は、積算回路254bから出力されるデジタルデータの最小ビットのビット値が「0」の場合にはリセット(「0」の値が保持)され、積算回路254bから出力されるデジタルデータの最小ビットのビット値が「1」の場合にはプリセット(「1」の値が保持)される。これにより、カウンタ回路254aは、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1によって積算回路254bの積算処理の結果を保持できる。
The D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1 are configured to be reset or preset according to the signal level of the output signal output from the
カウンタ部254は、1本のカウントクロック信号CK0の入力で、内部カウントを行なうようになっている。カウントクロック信号CK0も、階段状の電圧波形と同様に、クロック変換部23からの高速クロック(たとえば逓倍クロック)を元に生成することで、端子5aを介して入力されるマスタークロックCLK0より高速にすることができる。
The
カウンタ部254は、1系統のDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1によってアップカウント及びダウンカウントを実行することができるので、アップカウント用及びダウンカウント用を別系統に有する場合と比較して、回路規模の削減を図ることができる。
Since the
なお、カウンタ部254が同期カウンタの場合、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1の動作がカウントクロック信号CK0で制限される。よって、より高周波数動作が要求される場合には、カウンタ部254としては、その動作制限周波数が最初の初段のDフリップフロップ回路DFF0の制限周波数でのみ決められるため高速動作に適する非同期カウンタの使用がより好ましい。
When the
図1に戻って、カウンタ部254には、水平走査回路12から制御線12cを介して制御パルスが入力される。カウンタ部254は、カウント結果を保持するラッチ回路254cを有しており、制御線12cを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ出力値を保持する。
Returning to FIG. 1, a control pulse is input to the
このような構成のカラムAD回路25は、先にも述べたように、複数の垂直信号線19から出力される画素信号の画素電圧V0,V1,…ごとに配置され、列並列構成のADCブロックであるカラム処理部26が構成される。
As described above, the
個々のカラムAD回路25の出力側は、水平信号線18に接続されている。先にも述べたように、水平信号線18は、カラムAD回路25のビット幅であるnビット幅分の信号線を有し、図示しないそれぞれの出力線に対応したn個のセンス回路を経由して出力回路28に接続される。
The output side of each
このような構成において、カラムAD回路25は、水平ブランキング期間に相当する画素信号読出期間において、カウント動作を行ない、所定のタイミングでカウント結果を出力する。すなわち、先ず、電圧比較部252では、参照信号生成部27からのランプ波形電圧と、垂直信号線19を介して入力される画素信号電圧とを比較し、双方の電圧が同じになると、電圧比較部252のコンパレータ出力が反転(本例ではHレベルからLレベルへ遷移)する。
In such a configuration, the
カウンタ部254は、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期してダウンカウントモード又はアップカウントモードでカウント動作を開始しており、コンパレータ出力の反転した情報がカウンタ部254に通知されると、カウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ(保持・記憶)することでAD変換を完了する。
The
この後、カウンタ部254は、所定のタイミングで水平走査回路12から制御線12cを介して入力される水平選択信号CH(i)によるシフト動作に基づいて、記憶・保持した画素データを、順次、カラム処理部26外や画素部10を有するチップ外へ出力端子5cから出力する。
After that, the
なお、本実施形態の説明としては直接関連しないため特に図示しないが、その他の各種信号処理回路なども、固体撮像装置1の構成要素に含まれる場合がある。
Although not shown in particular because the description of the present embodiment is not directly related, various other signal processing circuits and the like may be included in the components of the solid-
<固体撮像装置の動作>
本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置1の動作について図4を用いて説明する。図4は、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を3回(M=3)とした場合の固体撮像装置1における多重加算AD変換及びデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。図4中の「Slope」は参照信号RAMPを示し、図4中の「Signal」は垂直信号線19から出力される画素信号を示し、図4中の「CK0」はカウントクロック信号CK0を示し、図4中の「カウンタ出力」はカウンタ部254のカウンタ回路254a(図2参照)の出力信号(ラッチ回路254cに出力される信号)を示している。
<Operation of solid-state image sensor>
The operation of the solid-
図4に示すように、先ず、リセットレベル(P相)に対するAD処理時には、カウンタ部254に設けられたDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1(図3参照)のカウント値が初期値「0」にリセットされる。次に、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定して、電圧比較部252(図1及び図2参照)による参照信号RAMPとリセットレベルSrstとの比較処理とカウンタ部254によるカウント処理を並行して動作させる。これにより、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理を行なう。これにより、1回目の処理が終わったカウンタ部254に設けられたカウンタ回路254aには、リセットレベルSrstの大きさに対応したデジタル値Drstを示す(符号を加味すれば−Drstを示す)カウント値が保持される。
As shown in FIG. 4, first, at the time of AD processing for the reset level (P phase), the count value of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1 (see FIG. 3) provided in the
カウンタ部254は、積算回路254b(図2参照)においてデジタル値Drstに3(=M/N)を積算するデジタル積算処理を実行し、演算結果のデジタル値3・Drstをカウンタ回路254aに保持する。
The
続いて、1回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、信号レベル(P相)の読出し及びAD変換時に取得された画素信号の画素電圧VxのリセットレベルSrstに対応するデジタル値3・Drst(ここでは負の値となっている)をスタート点として、カウンタ部254をリセットレベル(P相)とは逆のアップカウントモードに設定し、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254aによるカウント処理とを並行して動作させる。こうして、1回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理が実行される。これにより、1回目の信号レベル(D相)のAD変換処理が終わったカウンタ部254には、「−2・Drst+Dsig」(=−3・Drst+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the first signal level (D phase), the
続いて、2回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、1回目のカウント結果(−2・Drst+Dsig)をスタート点として、1回目と同じアップカウントモードで、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254aによるカウント処理とを並行して動作させる。こうして、2回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理が実行される。これにより、2回目の処理が終わったカウンタ部254には、「−Drst+2・Dsig」(=−2・Drst+Dsig+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the second signal level (D phase), the reference signal by the
続いて、3回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、2回目のカウント結果(−Drst+2・Dsig)をスタート点として、1回目及び2回目と同じアップカウントモードで、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254aによるカウント処理とを並行して動作させる。こうして、3回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理が実行される。これにより、3回目の処理が終わったカウンタ部254には、「3・Dsig」(=−Drst+2・Dsig+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the third signal level (D phase), the
このように、本実施形態では、リセットレベル(P相)に対するN回(本例では1回)を連続したダウンカウントモードでの参照信号比較型のAD変換処理を実行し、当該AD変換処理の結果をM/Nでデジタル積算処理を実行する。引き続き、当該デジタル積算処理の結果をカウンタ回路254aのスタートの値として、信号レベル(D相)に対するM回(本例では3回)連続したアップカウントモードでの参照信号比較型のAD変換処理を実行する。こうすることで、リセットレベル(P相)についてのN回分のデータ(符号を加味すると負の値)とD相についてのM回分のデータとの加算演算処理がなされる。これにより、本実施形態では、信号レベル(D相)に対するAD変換処理よりもリセットレベル(P相)に対するAD変換処理の実行回数を減らすことができる。その結果、固体撮像装置1におけるAD変換処理の全体の実行期間の短縮化を図ることができる。また、同じリセットレベルSrst及び信号レベルSsigのCDS処理を行ない、かつ加算する動作を行なうことができる。このような、M回のサンプリングによるAD変換処理とCDS処理とを、多重加算AD変換処理、デジタル積分処理N回及びM回の加算AD変換処理あるいはM回の積分AD変換処理などと称する。
As described above, in the present embodiment, the reference signal comparison type AD conversion process is executed in the continuous down count mode N times (once in this example) for the reset level (P phase), and the AD conversion process is performed. The result is digitally integrated by M / N. Subsequently, using the result of the digital integration processing as the start value of the
この多重加算AD変換処理によって得られた加算データM・Dsigは水平転送によって出力回路28に送られる。出力回路28は、デジタル信号処理によって加算データを信号レベル(D相)に対するAD変換処理の実行回数Mで割り算をすることで、加算平均されたデータDsigを取得する。信号成分はM倍となるがランダムノイズは√M倍になる。このため、ノイズ特性(S/N)を改善できる。
The added data M · Dsig obtained by this multiple addition AD conversion process is sent to the
次に、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置1の効果について図5から図7を用いて説明する。図5は、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(M=1)とした場合の従来の固体撮像装置における多重加算AD変換及びデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。図6は、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を3回(N=3)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を3回(M=3)とした場合の従来の固体撮像装置における多重加算AD変換及びデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。図7は、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を3回(N=3)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(M=1)とした場合の本実施形態による固体撮像装置1における多重加算AD変換及びデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。
Next, the effect of the solid-
図5に示すように、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(M=1)とした場合の多重加算AD変換及びデジタルCDSの期間は、期間Tconv1となる。 As shown in FIG. 5, the number of AD conversion processes executed for the reset level (P phase) is set to 1 (N = 1), and the AD conversion process executed for the signal level (D phase) is performed. When the number of times is one (M = 1), the period of the multiple addition AD conversion and the digital CDS is the period Tconv1.
図6に示すように、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数Mを3回とした場合、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数Mを1回とした場合と比較して、当該AD変換処理の期間は3倍になる。一方、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理を実行する際の最初の期間T1は、3回の当該AD変換処理における共通の期間である。同様に、信号レベル(D相)に対するAD変換処理を実行する際の最初の期間T2は、3回の当該AD変換処理における共通の期間である。このため、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理及び信号レベル(D相)に対するAD変換処理の3回ずつの全期間は、期間Tconv1の3倍にならず、図6に示す例では約2.3倍となる。すなわち、S/N比が√3倍改善するものの、A/D変換処理速度は1/2.3倍に低下する。 As shown in FIG. 6, when the number of AD conversion processes M executed for the signal level (D phase) is set to 3, the number of AD conversion processes M executed for the signal level (D phase) M. The period of the AD conversion process is tripled as compared with the case where is set to once. On the other hand, the first period T1 when the AD conversion process for the reset level (P phase) is executed is a common period in the AD conversion process three times. Similarly, the first period T2 when the AD conversion process for the signal level (D phase) is executed is a common period in the three AD conversion processes. Therefore, the total period of each of the three times of the AD conversion process for the reset level (P phase) and the AD conversion process for the signal level (D phase) is not three times the period Tconv1, and in the example shown in FIG. 6, it is about 2. It will be tripled. That is, although the S / N ratio is improved by √3 times, the A / D conversion processing speed is reduced by 1 / 2.3 times.
図7に示すように、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を3回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(M=1)とした場合、こられのAD変換処理の期間は、期間Tconv1の1.4倍となり、図6に示す例よりも短くなる。さらに、本実施形態では、積算回路254bによって、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理結果をM/N倍(M>Nの場合)、あるいは信号レベル(D相)に対するAD変換処理結果をN/M倍(N>Mの場合)した後に、デジタルCDS処理を行う。図示は省略するが、本例の場合、P相のAD変換処理を3回行い、D相のAD変換処理を1回行った後に、D相のAD変換処理結果を3倍にして、デジタルCDS処理を行う。これによってP相に固定的に重畳するオフセット成分は、D相に固定的に重畳するオフセット成分と同量になるため、デジタルCDS処理によってキャンセルされる。
As shown in FIG. 7, the number of AD conversion processes executed for the reset level (P phase) is set to 3 times (N = 1), and the AD conversion process executed for the signal level (D phase) is performed. When the number of times is set to 1 (M = 1), the period of these AD conversion processes is 1.4 times the period Tconv1, which is shorter than the example shown in FIG. Further, in the present embodiment, the
以上説明したように、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置1は、参照信号生成部27から供給されてレベルが漸次変化する参照信号RAMPとアナログの処画像信号とを比較する電圧比較部252、及びアナログデジタル変換用のカウントクロック信号CK0の供給を受けて電圧比較部252の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部254を有し、カウンタ部254の出力データに基づき画像信号のデジタルデータを取得するカラムAD回路25と、画像信号に対するアナログデジタル変換処理を、リセットレベル(P相)に対して実行する回数と信号レベル(D相)に対して実行する回数とを異ならせて制御する第一制御部201、及びアナログデジタル変換処理の結果に対してデジタル積分処理を実行するようにカラムAD回路25を制御する第二制御部202を有する通信・タイミング制御部20とを備えている。
As described above, the solid-
このような構成を備える固体撮像装置1によれば、アナログデジタル変換処理における変換速度の低下を抑制するとともに低ノイズ化を図ることができる。
According to the solid-
〔第2実施形態〕
本開示の第2実施形態による半導体デバイスについて図8から図10を用いて説明する。本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、カウンタ部でのビットシフトによってデジタル積算処理を実行する点に特徴を有している。本実施形態による固体撮像装置の概略構成は上記第1実施形態による固体撮像装置1の概略構成と同様である。このため、上記第1実施形態による固体撮像装置1の構成要素と同様の作用・機能を奏する構成要素には、同一の参照符号を付して説明は省略する。
[Second Embodiment]
The semiconductor device according to the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 8 to 10. The solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment is characterized in that digital integration processing is executed by bit shifting in the counter unit. The schematic configuration of the solid-state image sensor according to the present embodiment is the same as the schematic configuration of the solid-
図8に示すように、本実施形態におけるカウンタ部254は、積算回路254bが設けられていない点を除いて、上記第1実施形態におけるカウンタ部254と同様の構成を有している。本実施形態では、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254dが積算回路254bの機能を発揮するようになっている。
As shown in FIG. 8, the
図9に示すように、カウンタ回路254dは、上記第1実施形態におけるカウンタ回路254aと同様に、直列に接続された複数(本実施形態ではn個)のDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1を有している。初段のDフリップフロップ回路DFF0のクロック入力端子CKと通信・タイミング制御部20との間には、スイッチSWc1が接続されている。スイッチSWc1は、上記第1実施形態におけるスイッチSWcと同様の機能を発揮するようになっている。
As shown in FIG. 9, the
カウンタ回路254dは、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの入力端子Dと、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの反転出力端子/Qとの間に接続されたスイッチSWc2を有している。これにより、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの入力端子Dと、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの反転出力端子/Qとは、スイッチSWc2によって接続及び切断されるようになっている。
The
カウンタ回路254dは、通信・タイミング制御部20に設けられた第二制御部202に接続された配線Lcと、配線LcとDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれの入力端子Dとの間にそれぞれ接続されたスイッチSWs1を有している。
The
カウンタ回路254dは、通信・タイミング制御部20に設けられた第二制御部202と、Dフリップフロップ回路DFF0の入力端子Dとの間に接続されたスイッチSWs2を有している。
The
カウンタ回路254dは、スイッチSWc1、スイッチSWc2、スイッチSWs1及びスイッチSWs2の開閉制御によって、カウンタ機能とシフトレジスタ機能とを切り替えることができる構成となっている。カウンタ回路254dは、スイッチSWc1及びSWc2がオン状態(接続状態)になり、スイッチSWs1及びスイッチSWs2がオフ状態(オープン状態)になると、カウンタ機能を発揮するようになる。カウンタ回路254dは、カウンタ機能を発揮して動作する場合には、上記第1実施形態におけるカウンタ回路254aと同様の動作によってカウントクロック信号CK0をカウントする。
The
一方、カウンタ回路254dは、スイッチSWc1及びSWc2がオフ状態(オープン状態)になり、スイッチSWs1及びスイッチSWs2がオン状態(接続状態)になると、シフトレジスタ機能を発揮するようになる。カウンタ回路254dは、シフトレジスタ機能を発揮して動作する場合には、第二制御部202から配線Lcに信号レベルが高レベルのパルス信号PSが入力される。パルス信号PSは、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1のそれぞれのクロック入力端子CKに入力されるので、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1は、入力端子Dに入力されているデータを保持する。初段のDフリップフロップ回路DFF0にはスイッチSWs1を介して低レベルの信号が入力されるので、Dフリップフロップ回路DFF0は、データ「0」を保持する。Dフリップフロップ回路DFF1〜DFFn−1はそれぞれ、前段のDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−2(Dフリップフロップ回路DFFn−2は不図示)に保持されたデータを保持する。これにより、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1に保持されていたデータは、1ビットシフトされる。このように、カウンタ回路254dは、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1に保持しているデータをビットシフトさせることにより、出力信号の値を2n倍(nは、カウンタ回路254dが変換するデジタルデータのビット数)とすることができる。これにより、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の結果をM/N倍とすることができる。但し、本実施形態では、M>Nの場合で、かつM/Nが2nである場合に限り、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の結果をM/N倍とすることができる。
On the other hand, the
このように、Dフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1、スイッチSWc1、スイッチSWc2、スイッチSWs1及びスイッチSWs2によってビットシフト回路が構成されている。このため、カラムAD回路25は、アナログの画素信号(処理対象信号の一例)をnビットのデジタル信号bit[0]〜bit[n−1]に変換するように構成されており、カウンタ部254は、カウント結果をビットシフトさせるビットシフト回路を有している。
As described above, the bit shift circuit is composed of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1, the switch SWc1, the switch SWc2, the switch SWs1 and the switch SWs2. Therefore, the
<固体撮像装置の動作>
本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置の動作について図10を用いて説明する。図10は、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を2回(M=2)とした場合の固体撮像装置における多重加算AD変換及びデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。図10中の「Slope」は参照信号RAMPを示し、図10中の「Signal」は垂直信号線19(図1参照)から出力される画素信号を示し、図10中の「CK0」はカウントクロック信号CK0を示し、図10中の「カウンタ出力」はカウンタ部254のカウンタ回路254d(図2参照)の出力信号(ラッチ回路254cに出力される信号)を示している。図10中の「count」はスイッチSWc1及びスイッチSWc2の開閉を制御する制御信号を示し、図10中の「shift」はスイッチSWs1及びスイッチSWs2の開閉を制御する制御信号を示し、図10中の「PS」は配線Lcに入力されるパルス信号PSを示している。
<Operation of solid-state image sensor>
The operation of the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the number of AD conversion processes executed for the reset level (P phase) is 1 (N = 1), and the number of AD conversion processes executed for the signal level (D phase) is 2. It is a timing chart for explaining the multiple addition AD conversion and the digital CDS in the solid-state image sensor when the number of times (M = 2) is set. “Slope” in FIG. 10 indicates a reference signal RAMP, “Signal” in FIG. 10 indicates a pixel signal output from the vertical signal line 19 (see FIG. 1), and “CK0” in FIG. 10 is a count clock. The signal CK0 is shown, and the “counter output” in FIG. 10 indicates the output signal (signal output to the
図10に示すように、先ず、リセットレベル(P相)に対するAD処理時には、カウンタ部254に設けられたDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1(図9参照)のカウント値が初期値「0」にリセットされる。次に、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定して、電圧比較部252(図8参照)による参照信号RAMPとリセットレベルSrstとの比較処理とカウンタ部254によるカウント処理を並行して動作させる。これにより、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理を行なう。これにより、1回目の処理が終わったカウンタ部254に設けられたカウンタ回路254dには、リセットレベルSrstの大きさに対応したデジタル値Drstを示す(符号を加味すれば−Drstを示す)カウント値が保持される。
As shown in FIG. 10, first, at the time of AD processing for the reset level (P phase), the count value of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1 (see FIG. 9) provided in the
ここで、スイッチSWc1及びスイッチSWc2の制御端子に低レベルの制御信号が入力され、スイッチSWc1及びスイッチSWc2がオフ状態(オープン状態)になる。また、スイッチSWs1及びスイッチSWs2の制御端子に高レベルの制御信号が入力され、スイッチSWs1及びスイッチSWs2がオン状態(ショート状態)になる。スイッチSWc1及びスイッチSWc2と、スイッチSWs1及びスイッチSWs2との動作は、ほぼ同時に制御される。さらに、スイッチSWc1及びスイッチSWc2がオフ状態となり、スイッチSWs1及びスイッチSWs2がオン状態となった後に、信号レベルが高レベルのパルス信号PSが配線Lcに入力される。これにより、カウンタ回路254dは、シフトレジスタ機能を発揮する。その結果、カウンタ回路254dは、デジタル値Drstに2(=M/N)を積算するデジタル積算処理を実行し、デジタル値2・Drstを保持する。
Here, a low-level control signal is input to the control terminals of the switch SWc1 and the switch SWc2, and the switch SWc1 and the switch SWc2 are turned off (open state). Further, a high level control signal is input to the control terminals of the switch SWs1 and the switch SWs2, and the switch SWs1 and the switch SWs2 are turned on (short state). The operations of the switch SWc1 and the switch SWc2 and the switches SWs1 and the switch SWs2 are controlled almost at the same time. Further, after the switch SWc1 and the switch SWc2 are turned off and the switch SWs1 and the switch SWs2 are turned on, the pulse signal PS having a high signal level is input to the wiring Lc. As a result, the
続いて、1回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、信号レベル(P相)の読出し及びAD変換時に取得された画素信号の画素電圧VxのリセットレベルSrstに対応するデジタル値2・Drst(ここでは負の値となっている)をスタート点として、カウンタ部254をリセットレベル(P相)とは逆のアップカウントモードに設定し、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254dによるカウント処理とを並行して動作させる。こうして、1回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理が実行される。これにより、1回目の信号レベル(D相)のAD変換処理が終わったカウンタ部254には、「−Drst+Dsig」(=−2・Drst+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the first signal level (D phase), the
続いて、2回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、1回目のカウント結果(−Drst+Dsig)をスタート点として、1回目と同じアップカウントモードで、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254aによるカウント処理とを並行して動作させる。こうして、2回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理が実行される。これにより、2回目の処理が終わったカウンタ部254には、「2・Dsig」(=−Drst+Dsig+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the second signal level (D phase), the reference signal RAMP by the
このように、本実施形態では、リセットレベル(P相)に対するN回(本例では1回)を連続したダウンカウントモードでの参照信号比較型のAD変換処理を実行し、当該AD変換処理の結果をビットシフトすることによってデジタル積算処理を実行する。引き続き、当該デジタル積算処理の結果をカウンタ回路254dのスタートの値として、信号レベル(D相)に対するM回(本例では2回)連続したアップカウントモードでの参照信号比較型のAD変換処理を実行する。こうすることで、リセットレベル(P相)についてのN回分のデータ(符号を加味すると負の値)とD相についてのM回分のデータとの加算演算処理がなされる。これにより、本実施形態では、信号レベル(D相)に対するAD変換処理よりもリセットレベル(P相)に対するAD変換処理の実行回数を減らすことができる。その結果、固体撮像装置1におけるAD変換処理の全体の実行期間の短縮化を図ることができる。また、同じリセットレベルSrst及び信号レベルSsigのCDS処理を行ない、かつ加算する動作を行なうことができる。
As described above, in the present embodiment, the reference signal comparison type AD conversion process is executed in the continuous down count mode N times (once in this example) for the reset level (P phase), and the AD conversion process is performed. The digital integration process is executed by bit-shifting the result. Subsequently, the result of the digital integration processing is used as the start value of the
この多重加算AD変換処理によって得られた加算データM・Dsigは水平転送によって出力回路28に送られる。出力回路28は、デジタル信号処理によって加算データを信号レベル(D相)に対するAD変換処理の実行回数Mで割り算をすることで、加算平均されたデータDsigを取得する。信号成分はM倍となるがランダムノイズは√M倍になる。このため、ノイズ特性(S/N)を改善できる。
The added data M · Dsig obtained by this multiple addition AD conversion process is sent to the
以上説明したように、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、上記第1実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置1と同様の効果が得られる。
As described above, the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment has the same effect as the solid-
〔第3実施形態〕
本開示の第3実施形態による半導体デバイスについて図11及び図12を用いて説明する。本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、カウンタ部に入力されるカウントクロック信号の周波数を変更できる点に特徴を有している。本実施形態による固体撮像装置の概略構成は上記第1実施形態による固体撮像装置1の概略構成と同様である。このため、上記第1実施形態による固体撮像装置1の構成要素と同様の作用・機能を奏する構成要素には、同一の参照符号を付して説明は省略する。
[Third Embodiment]
The semiconductor device according to the third embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 11 and 12. The solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment is characterized in that the frequency of the count clock signal input to the counter unit can be changed. The schematic configuration of the solid-state image sensor according to the present embodiment is the same as the schematic configuration of the solid-
図11に示すように、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、互いに周波数の異なる複数(本実施形態では2つ)のクロック信号CCLK1及びクロック信号CCLK2のうちの1つをカウンタ部254に供給されるカウントクロック信号CK0として選択するクロック信号選択部22を備えている。
As shown in FIG. 11, in the solid-state imaging device as a semiconductor device according to the present embodiment, one of a plurality of clock signals CCLK1 and clock signals CCLK2 having different frequencies (two in the present embodiment) is
クロック信号選択部22に入力されるクロック信号CCLK1及びクロック信号CCLK2は、通信・タイミング制御部20から供給される。クロック信号選択部22は、通信・タイミング制御部20に設けられた第二制御部202に制御されてクロック信号CCLK1及びクロック信号CCLK2の一方を選択する。ここで、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数をN(Nは自然数)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数をM(MはNと異なる自然数)とする。この場合、クロック信号選択部22は、第二制御部202に制御されて、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理を行う期間に供給するカウントクロック信号CK0と、信号レベル(D相)に対するAD変換処理を行う期間に供給するカウントクロック信号CK0との周波数の関係がM/N倍となるように、通信・タイミング制御部20から供給されるクロック信号を選択する。
The clock signal CCLK1 and the clock signal CCLK2 input to the clock
たとえば、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数Nが「1」であり、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数Mが「3」であるとする。この場合、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理を行う期間に供給するカウントクロック信号CK0の周波数に対し、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理を行う期間に供給するカウントクロック信号CK0の周波数を3倍とする。これにより、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の結果を3倍にすることができる。 For example, the number of AD conversion processes N executed for the reset level (P phase) is "1", and the number of AD conversion processes M executed for the signal level (D phase) is "3". Suppose there is. In this case, the AD conversion process executed for the reset level (P phase) is performed on the frequency of the count clock signal CK0 supplied during the period of performing the AD conversion process executed for the signal level (D phase). The frequency of the count clock signal CK0 supplied during the period is tripled. As a result, the result of the AD conversion process executed for the signal level (D phase) can be tripled.
<固体撮像装置の動作>
本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置の動作について図12を用いて説明する。図12は、リセットレベル(P相)に対して実行されるAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対して実行されるAD変換処理の回数を2回(M=2)とした場合の固体撮像装置における多重加算AD変換及びデジタルCDSを説明するタイミングチャートである。図12中の「Slope」は参照信号RAMPを示し、図12中の「Signal」は垂直信号線19(図1参照)から出力される画素信号を示し、図12中の「CK0」はカウントクロック信号CK0を示し、図12中の「カウンタ出力」はカウンタ部254のカウンタ回路254d(図2参照)の出力信号(ラッチ回路254cに出力される信号)を示している。
<Operation of solid-state image sensor>
The operation of the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 12, the number of AD conversion processes executed for the reset level (P phase) is 1 (N = 1), and the number of AD conversion processes executed for the signal level (D phase) is 2. It is a timing chart for explaining the multiple addition AD conversion and the digital CDS in the solid-state image sensor when the number of times (M = 2) is set. “Slope” in FIG. 12 indicates a reference signal RAMP, “Signal” in FIG. 12 indicates a pixel signal output from the vertical signal line 19 (see FIG. 1), and “CK0” in FIG. 12 is a count clock. The signal CK0 is shown, and the “counter output” in FIG. 12 indicates the output signal (signal output to the
図12に示すように、先ず、リセットレベル(P相)に対するAD処理時には、カウンタ部254に設けられたDフリップフロップ回路DFF0〜DFFn−1(不図示)のカウント値が初期値「0」にリセットされる。次に、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定して、電圧比較部252(図8参照)による参照信号RAMPとリセットレベルSrstとの比較処理とカウンタ部254によるカウント処理を並行して動作させる。リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の期間では、信号レベル(D相)に対するAD変換処理の期間におけるカウントクロック信号CK0の周波数に対して2倍の周波数のクロック信号CCLK1がカウントクロック信号CK0としてクロック信号選択部22によって選択される。これにより、1回目の処理が終わったカウンタ部254に設けられたカウンタ回路254dには、リセットレベルSrstの大きさに対応したデジタル値2・Drstを示す(符号を加味すれば−2・Drstを示す)カウント値が保持される。
As shown in FIG. 12, first, at the time of AD processing for the reset level (P phase), the count value of the D flip-flop circuits DFF0 to DFFn-1 (not shown) provided in the
続いて、1回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、信号レベル(P相)の読出し及びAD変換時に取得された画素信号の画素電圧VxのリセットレベルSrstに対応するデジタル値2・Drst(ここでは負の値となっている)をスタート点として、カウンタ部254をリセットレベル(P相)とは逆のアップカウントモードに設定し、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254dによるカウント処理とを並行して動作させる。1回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理で用いられたカウントクロック信号CK0の周波数は、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理で用いられたカウントクロック信号CK0の周波数の1/2である。このため、1回目の信号レベル(D相)のAD変換処理が終わったカウンタ部254には、「−Drst+Dsig」(=−2・Drst+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the first signal level (D phase), the
続いて、2回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理時には、1回目のカウント結果(−Drst+Dsig)をスタート点として、1回目と同じアップカウントモードで、電圧比較部252による参照信号RAMPと信号レベルSsigとの比較処理と、カウンタ部254に設けられたカウンタ回路254aによるカウント処理とを並行して動作させる。2回目の信号レベル(D相)に対するAD変換処理で用いられたカウントクロック信号CK0の周波数は、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理で用いられたカウントクロック信号CK0の周波数の1/2である。このため、2回目の処理が終わったカウンタ部254には、「2・Dsig」(=−Drst+Dsig+(Dsig+Drst))を示すカウント値が保持される。
Subsequently, during the AD conversion process for the second signal level (D phase), the reference signal RAMP by the
このように、本実施形態では、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理及び信号レベル(D相)に対するAD変換処理のそれぞれで用いるカウントクロック信号CK0の周波数を変更することにより、リセットレベル(P相)についてのN回分のデータ(符号を加味すると負の値)と信号レベル(D相)についてのM回分のデータとの加算演算処理がなされる。これにより、本実施形態では、信号レベル(D相)に対するAD変換処理よりもリセットレベル(P相)に対するAD変換処理の実行回数を減らすことができる。その結果、固体撮像装置におけるAD変換処理の全体の実行期間の短縮化を図ることができる。また、同じリセットレベルSrst及び信号レベルSsigのCDS処理を行ない、かつ加算する動作を行なうことができる。 As described above, in the present embodiment, the reset level (P phase) is changed by changing the frequency of the count clock signal CK0 used in each of the AD conversion process for the reset level (P phase) and the AD conversion process for the signal level (D phase). The addition operation processing of N times data (negative value when the code is added) for N times (phase) and M times data for signal level (D phase) is performed. Thereby, in the present embodiment, the number of executions of the AD conversion process for the reset level (P phase) can be reduced as compared with the AD conversion process for the signal level (D phase). As a result, the entire execution period of the AD conversion process in the solid-state image sensor can be shortened. Further, the CDS processing of the same reset level Srst and signal level Sig can be performed, and the operation of adding can be performed.
この多重加算AD変換処理によって得られた加算データM・Dsigは水平転送によって出力回路28に送られる。出力回路28は、デジタル信号処理によって加算データを信号レベル(D相)に対するAD変換処理の実行回数Mで割り算をすることで、加算平均されたデータDsigを取得する。信号成分はM倍となるがランダムノイズは√M倍になる。このため、ノイズ特性(S/N)を改善できる。
The added data M · Dsig obtained by this multiple addition AD conversion process is sent to the
以上説明したように、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、上記第1実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置1と同様の効果が得られる。
As described above, the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment has the same effect as the solid-
〔第4実施形態〕
本開示の第4実施形態による半導体デバイスについて図13を用いて説明する。本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、リセットレベルに対して画素信号を増幅する増幅器を備えている点に特徴を有している。本実施形態による固体撮像装置の概略構成は上記第1実施形態による固体撮像装置1と、リセットレベルに対して画素信号のレベルを増幅できる構成を備えている点を除いて同様である。このため、上記第1実施形態による固体撮像装置1の構成要素と同様の作用・機能を奏する構成要素には、同一の参照符号を付して説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
The semiconductor device according to the fourth embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. The solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment is characterized in that it includes an amplifier that amplifies a pixel signal with respect to a reset level. The schematic configuration of the solid-state image sensor according to the present embodiment is the same as that of the solid-
図13に示すように、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、リセットレベルに対して画素信号のレベル(信号レベルの一例)を増幅して出力する増幅器31を備えている。増幅器31は、垂直信号線19から出力される画素信号と電圧比較部252の一方の入力端子との間に配置されている。増幅器31は、垂直信号線19と1対1の関係で配置されている。
As shown in FIG. 13, the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment includes an
本実施形態による固体撮像装置は、増幅器31と電圧比較部252の一方の入力端子との間に配置されたスイッチSWaを有している。また、カラム処理部26は、リセットレベルの信号が入力される配線Lrと、配線Lrと電圧比較部252の一方の入力端子との間に配置されたスイッチSWrとを有している。
The solid-state image sensor according to the present embodiment has a switch SWa arranged between the
リセットレベルの信号は、画素信号とは別の経路から電圧比較部252に入力される。さらに、スイッチSWr及びスイッチSWaは、スイッチSWrがオン状態の場合にはスイッチSWaがオフ状態となり、スイッチSWrがオフ状態の場合にはスイッチSWaがオン状態となるように制御される。これにより、本実施形態による固体撮像装置は、信号レベル(D相)に対するAD変換処理においてリセットレベルの信号に対して増幅されたが画素信号をカラム処理部26に出力できる。
The reset level signal is input to the
信号レベル(D相)に対するAD変換処理において供給される画素信号の信号レベルが増幅されている。このため、画素信号は、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理において供給されるリセットレベルの信号よりもS/N比に対する寄与が大きい。増幅器31の増幅率が十分大きい場合、AD変換処理の結果に対して、リセットレベルのS/N比への寄与はほとんど無視できるようになる。すなわち、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の効果は薄くなり、信号レベル(D相)に対するAD変換処理における多重化効果がS/N比に対して支配的になる。たとえば、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対するAD変換処理の回数を3回(M=3)とする。すなわち、S/N比に対する寄与の大きい信号レベル(D相)に対するAD変換処理の回数が、S/N比に対する寄与の少ないリセットレベル(P相)に対するAD変換処理の回数よりも多くすることにより、S/N比を効果的に向上しつつ、AD変換処理の実行期間の増加を抑えることができる。
The signal level of the pixel signal supplied in the AD conversion process for the signal level (D phase) is amplified. Therefore, the pixel signal contributes more to the S / N ratio than the reset level signal supplied in the AD conversion process for the reset level (P phase). When the amplification factor of the
本実施形態による固体撮像装置の動作は、画素信号の信号レベルが異なる点を除いて、上記第1実施形態による固体撮像装置1の動作と同様であるため、説明は省略する。
Since the operation of the solid-
以上説明したように、本実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置は、上記第1実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置1と同様の効果が得られる。
As described above, the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the present embodiment has the same effect as the solid-
〔第5実施形態〕
本開示の第5実施形態による半導体デバイスについて図14を用いて説明する。本実施形態では、半導体デバイスとして、電極出力を差動増幅器で増幅して読み出す微小電極アレイデバイスを例にとって説明する。
[Fifth Embodiment]
The semiconductor device according to the fifth embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. In the present embodiment, as a semiconductor device, a microelectrode array device that amplifies and reads out the electrode output with a differential amplifier will be described as an example.
図14は、本実施形態による半導体デバイスとしての微小電極アレイデバイス50の概略構成を示すブロック図である。
図14に示すように、微小電極アレイデバイス50は、複数の読出セルがマトリクス状に配置された読出セル領域51と、複数の参照セルが配置された参照セル領域52とを有している。読出セル領域51は、差動増幅器の入力トランジスタの一方を構成する回路要素を配置した領域である。読出セル領域51は、たとえば、直上に生体細胞を培養し、その活動電位を取得する領域である。参照セル領域102は、差動増幅器の入力トランジスタのもう一方を構成する回路要素を配置した領域である。ここで、複数の読出セル領域51及び複数の参照セル領域52のうちの左端の一列を参照して説明する。
FIG. 14 is a block diagram showing a schematic configuration of the
As shown in FIG. 14, the
図14に示すように、読出セル領域51の左端の一列には、2つの読出セル511,512が配置され、参照セル領域52の左端の一列には、1つの参照セル521が配置されている。参照セル521は、読出セル511及び読出セル512によって共有されている。このため、読出セル511の入力トランジスタTrは、差動増幅器の一方を構成し、参照セル521の入力トランジスタTrは、当該差動増幅器の他方を構成する。また、読出セル512の入力トランジスタTrは、差動増幅器の一方を構成し、参照セル521の入力トランジスタTrは、当該差動増幅器の他方を構成する。
As shown in FIG. 14, two read
読出セル511の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrによって構成される差動増幅器は、読出セル511の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrのそれぞれが検出した電位の差分の電圧Vxを垂直信号線53に出力するように構成されている。同様に、読出セル512の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrによって構成される差動増幅器は、読出セル512の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrのそれぞれが検出した電位の差分の電圧Vxを垂直信号線53に出力するように構成されている。
The differential amplifier composed of the input transistor Tr of the read
垂直信号線53の端部には、上記第4実施形態による半導体デバイスとしての固体撮像装置に設けられた駆動制御部9と同様の駆動制御部54が接続されている。詳細な説明は省略するが、駆動制御部54は、駆動制御部9と同様に動作することができる。
A drive control unit 54 similar to the drive control unit 9 provided in the solid-state image sensor as a semiconductor device according to the fourth embodiment is connected to the end of the
垂直信号線53に供給される信号は、読出セル511の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrによって構成される差動増幅器又は読出セル512の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrによって構成される差動増幅器によって増幅されている。また、本実施形態では、これらの差動増幅器で増幅された信号と、リセットレベルの信号とは、2個のスイッチSWによって切り替えられて別の経路で電圧比較部55に入力される。
The signal supplied to the
このため、垂直信号線53から出力される信号は、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理において供給されるリセットレベルの信号よりもS/N比に対する寄与が大きい。当該差動増幅器の増幅率が十分大きい場合、AD変換処理の結果に対して、リセットレベルのS/N比への寄与はほとんど無視できるようになる。すなわち、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の効果は薄くなり、信号レベル(D相)に対するAD変換処理における多重化効果がS/N比に対して支配的になる。たとえば、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の回数を1回(N=1)とし、信号レベル(D相)に対するAD変換処理の回数を3回(M=3)とする。すなわち、S/N比に対する寄与の大きい信号レベル(D相)に対するAD変換処理の回数が、S/N比に対する寄与の少ないリセットレベル(P相)に対するAD変換処理の回数よりも多くすることにより、S/N比を効果的に向上しつつ、AD変換処理の実行期間の増加を抑えることができる。
Therefore, the signal output from the
このように、本実施形態による微小電極アレイデバイス50は、読出セル511の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrによって構成されてリセットレベルに対して信号レベルを増幅して出力する増幅器を備えている。また、微小電極アレイデバイス50は、読出セル512の入力トランジスタTr及び参照セル521の入力トランジスタTrによって構成されてリセットレベルに対して信号レベルを増幅して出力する増幅器を備えている。当該増幅器は、差動増幅器で構成されている。
As described above, the
以上説明したように、本実施形態による半導体デバイスとしての微小電極アレイデバイス50は、アナログデジタル変換処理における変換速度の低下を抑制するとともに低ノイズ化を図ることができる。
As described above, the
本開示は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。
上記第1から第5実施形態では、リセットレベル(P相)及び信号レベル(D相)のそれぞれに対するAD変換処理の回数は固定されているが、本開示はこれに限られない。たとえば、半導体デバイスは、リセットレベル(P相)に対するAD変換処理の回数と、信号レベル(D相)に対するAD変換処理の回数との少なくとも一方が変更できるように構成されていてもよい。たとえば、画素部や読出セル領域からデータを検出するフレームレートが通常よりも高くなった場合には、当該回数を減らし、通常のフレームレートの場合には当該回数を増加させてもよい。たとえば、半導体デバイスの利用者が当該回数を適宜変更できるように構成されていてもよい。
The present disclosure is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
In the first to fifth embodiments, the number of AD conversion processes for each of the reset level (P phase) and the signal level (D phase) is fixed, but the present disclosure is not limited to this. For example, the semiconductor device may be configured so that at least one of the number of AD conversion processes for the reset level (P phase) and the number of AD conversion processes for the signal level (D phase) can be changed. For example, when the frame rate for detecting data from the pixel portion or the read cell area becomes higher than usual, the number of times may be decreased, and in the case of a normal frame rate, the number of times may be increased. For example, it may be configured so that the user of the semiconductor device can appropriately change the number of times.
本開示に係る技術は、以上のような半導体デバイスに適用することができる。 The technique according to the present disclosure can be applied to the above-mentioned semiconductor devices.
なお、本開示の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。 The embodiments of the present disclosure are not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the present disclosure. Further, the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and other effects may be obtained.
例えば、本開示は以下のような構成も取ることができる。 For example, the present disclosure may have the following structure.
(1)
参照信号生成部から供給されてレベルが漸次変化する参照信号とアナログの処理対象信号とを比較する比較部、及びアナログデジタル変換用のカウントクロック信号の供給を受けて前記比較部の比較結果に基づきカウント動作を行なうカウンタ部を有し、前記カウンタ部の出力データに基づき前記処理対象信号のデジタルデータを取得するアナログデジタル変換部と、
前記処理対象信号に対するアナログデジタル変換処理を、リセットレベルに対して実行する回数と信号レベルに対して実行する回数とを異ならせて制御する第一制御部、及び前記アナログデジタル変換処理の結果に対してデジタル積分処理を実行するように前記アナログデジタル変換部を制御する第二制御部を有する制御部と
を備える半導体デバイス。
(2)
前記リセットレベルに対して実行される前記アナログデジタル変換処理の回数をN(Nは自然数)とし、前記信号レベルに対して実行される前記アナログデジタル変換処理の回数をM(MはNと異なる自然数)とすると、
前記アナログデジタル変換部は、前記リセットレベルの前記アナログデジタル変換処理の結果をM/N倍とする第一演算又は前記信号レベルのアナログデジタル変換処理の結果をN/M倍とする第二演算を実行するデジタル演算部を有し、
前記デジタル演算部は、前記Mが前記Nよりも小さい場合には前記第一演算を実行し、前記Mが前記Nよりも大きい場合に前記第二演算を実行する
上記(1)に記載の半導体デバイス。
(3)
前記アナログデジタル変換部は、アナログの前記処理対象信号をnビットのデジタル信号に変換するように構成されており、
前記カウンタ部は、カウント結果をビットシフトさせるビットシフト回路を有する
上記(1)に記載の半導体デバイス。
(4)
互いに周波数の異なる複数のクロック信号のうちの1つを前記カウンタ部に供給されるカウントクロック信号として選択するクロック信号選択部を備える
上記(1)から(3)までのいずれか一項に記載の半導体デバイス。
(5)
前記リセットレベルに対して前記信号レベルを増幅して出力する増幅器を備える
上記(1)から(4)までのいずれか一項に記載の半導体デバイス。
(6)
前記増幅器は、差動増幅器で構成されている
上記(5)に記載の半導体デバイス。
(1)
Based on the comparison result of the comparison unit that compares the reference signal supplied from the reference signal generation unit and whose level gradually changes with the analog processing target signal, and the comparison unit that receives the supply of the count clock signal for analog-digital conversion. An analog-digital conversion unit that has a counter unit that performs a counting operation and acquires digital data of the signal to be processed based on the output data of the counter unit.
For the first control unit that controls the number of times the analog-to-digital conversion process for the signal to be processed is executed for the reset level and the number of times for the signal level to be executed differently, and for the result of the analog-digital conversion process. A semiconductor device including a control unit having a second control unit that controls the analog-to-digital conversion unit so as to execute a digital integration process.
(2)
The number of analog-to-digital conversion processes executed for the reset level is N (N is a natural number), and the number of analog-to-digital conversion processes executed for the signal level is M (M is a natural number different from N). ) Then
The analog-to-digital conversion unit performs a first operation for multiplying the result of the analog-digital conversion process at the reset level by M / N, or a second operation for multiplying the result of the signal level analog-digital conversion process by N / M. It has a digital arithmetic unit to execute
The semiconductor according to (1) above, wherein the digital arithmetic unit executes the first operation when M is smaller than N, and executes the second operation when M is larger than N. device.
(3)
The analog-to-digital conversion unit is configured to convert the analog signal to be processed into an n-bit digital signal.
The semiconductor device according to (1) above, wherein the counter unit has a bit shift circuit for bit-shifting the count result.
(4)
The item according to any one of (1) to (3) above, which includes a clock signal selection unit that selects one of a plurality of clock signals having different frequencies as a count clock signal supplied to the counter unit. Semiconductor device.
(5)
The semiconductor device according to any one of (1) to (4) above, comprising an amplifier that amplifies and outputs the signal level with respect to the reset level.
(6)
The semiconductor device according to (5) above, wherein the amplifier is composed of a differential amplifier.
1 固体撮像装置
3 単位画素
5 画素信号生成部
5a,5b 端子
5c 出力端子
7,9 駆動制御部
10 画素部
10a 有効画像領域(有効部)
12 水平走査回路(列走査回路)
12a 水平デコーダ
12b 水平駆動回路
12c 制御線
14 垂直走査回路(行走査回路)
14a 垂直デコーダ
14b 垂直駆動回路
15 行制御線
18 水平信号線(水平出力線)
19 垂直信号線
20 通信・タイミング制御部
22 クロック信号選択部
23 クロック変換部
25 カラムAD回路
26 カラム処理部
27 参照信号生成部
27a DA変換回路
27b DA変換回路
28 出力回路
31 増幅器
32 電荷生成部
51 読出セル領域
52 参照セル領域
53 垂直信号線
54 駆動制御部
55 電圧比較部
102 参照セル領域
201 第一制御部
202 第二制御部
252 電圧比較部
252a 信号線
252b 信号線
254 カウンタ部
254a,254d カウンタ回路
254b 積算回路
254c ラッチ回路
511,512 読出セル
521 参照セル
1 Solid-
12 Horizontal scanning circuit (row scanning circuit)
19
Claims (6)
前記処理対象信号に対するアナログデジタル変換処理を、リセットレベルに対して実行する回数と信号レベルに対して実行する回数とを異ならせて制御する第一制御部、及び前記アナログデジタル変換処理の結果に対してデジタル積分処理を実行するように前記アナログデジタル変換部を制御する第二制御部を有する制御部と
を備える半導体デバイス。 Based on the comparison result of the comparison unit that compares the reference signal supplied from the reference signal generation unit and whose level gradually changes with the analog processing target signal, and the comparison unit that receives the supply of the count clock signal for analog-digital conversion. An analog-digital conversion unit that has a counter unit that performs a counting operation and acquires digital data of the signal to be processed based on the output data of the counter unit.
For the first control unit that controls the number of times the analog-to-digital conversion process for the signal to be processed is executed for the reset level and the number of times for the signal level to be executed differently, and for the result of the analog-digital conversion process. A semiconductor device including a control unit having a second control unit that controls the analog-to-digital conversion unit so as to execute a digital integration process.
前記アナログデジタル変換部は、前記リセットレベルの前記アナログデジタル変換処理の結果をM/N倍とする第一演算又は前記信号レベルのアナログデジタル変換処理の結果をN/M倍とする第二演算を実行するデジタル演算部を有し、
前記デジタル演算部は、前記Mが前記Nよりも小さい場合には前記第一演算を実行し、前記Mが前記Nよりも大きい場合に前記第二演算を実行する
請求項1に記載の半導体デバイス。 The number of analog-to-digital conversion processes executed for the reset level is N (N is a natural number), and the number of analog-to-digital conversion processes executed for the signal level is M (M is a natural number different from N). ) Then
The analog-to-digital conversion unit performs a first operation for multiplying the result of the analog-digital conversion process at the reset level by M / N, or a second operation for multiplying the result of the signal level analog-digital conversion process by N / M. It has a digital arithmetic unit to execute
The semiconductor device according to claim 1, wherein the digital arithmetic unit executes the first operation when the M is smaller than N, and executes the second operation when the M is larger than N. ..
前記カウンタ部は、カウント結果をビットシフトさせるビットシフト回路を有する
請求項1に記載の半導体デバイス。 The analog-to-digital conversion unit is configured to convert the analog signal to be processed into an n-bit digital signal.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the counter unit has a bit shift circuit for bit-shifting the count result.
請求項1に記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising a clock signal selection unit that selects one of a plurality of clock signals having different frequencies as a count clock signal supplied to the counter unit.
請求項1に記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising an amplifier that amplifies and outputs the signal level with respect to the reset level.
請求項5に記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the amplifier is composed of a differential amplifier.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020063292A JP2021164041A (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Semiconductor device |
PCT/JP2021/005875 WO2021199753A1 (en) | 2020-03-31 | 2021-02-17 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020063292A JP2021164041A (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021164041A true JP2021164041A (en) | 2021-10-11 |
Family
ID=77930251
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020063292A Pending JP2021164041A (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Semiconductor device |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021164041A (en) |
WO (1) | WO2021199753A1 (en) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5347341B2 (en) * | 2008-06-06 | 2013-11-20 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, imaging device, electronic device, AD conversion device, AD conversion method |
JP5531797B2 (en) * | 2010-06-15 | 2014-06-25 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device and camera system |
CN111066240B (en) * | 2017-10-23 | 2024-03-19 | 索尼半导体解决方案公司 | Semiconductor device and potential measuring device |
-
2020
- 2020-03-31 JP JP2020063292A patent/JP2021164041A/en active Pending
-
2021
- 2021-02-17 WO PCT/JP2021/005875 patent/WO2021199753A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021199753A1 (en) | 2021-10-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11076119B2 (en) | Solid state imaging device, method of controlling solid state imaging device, and program for controlling solid state imaging device | |
JP4449565B2 (en) | Semiconductor device for physical quantity distribution detection | |
US7522082B2 (en) | Digital-to-analog converter, analog-to-digital converter, and semiconductor device | |
US7952630B2 (en) | Data processor, solid-state imaging device, imaging device, and electronic apparatus | |
EP2549743B1 (en) | Imaging apparatus | |
JP5426587B2 (en) | Solid-state imaging device and pixel averaging processing method thereof | |
US8659693B2 (en) | Solid-state image pickup element and camera system | |
KR101934696B1 (en) | Image sensor | |
JP4289244B2 (en) | Image processing method, semiconductor device for detecting physical quantity distribution, and electronic apparatus | |
US10523882B2 (en) | Ad converter, signal processing method, solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
KR20080067963A (en) | Solid-state imaging device and imaging apparatus | |
KR20080092862A (en) | Solid-state imaging device, method of driving the same, signal processing method for the same, and imaging apparatus | |
WO2021199753A1 (en) | Semiconductor device | |
JP2013187727A (en) | Solid state image sensor | |
WO2013027326A1 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2019033442A (en) | Imaging element and method for controlling the same |