JP2022146691A - 比較器、ａｄ変換器、固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents

比較器、ａｄ変換器、固体撮像装置及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】比較結果の誤反転を抑制する。【解決手段】比較器は、入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を解除する論理固定部と、を備える。【選択図】図５

Description

本開示による実施形態は、比較器、ＡＤ変換器、固体撮像装置及び電子機器に関する。
固体撮像装置の信号読み出し側に、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）が設けられる。ＡＤＣ用の比較器に、画素信号と参照信号とを比較する差動入力回路と、この差動入力回路による出力信号に正帰還をかけて、比較器による比較結果の信号の遷移時間を高速化する正帰還回路と、が搭載される場合がある（特許文献１、２参照）。
国際公開第２０１６／００９８３２号 特許第６７６０２５８号公報
しかしながら、差動入力回路と正帰還回路との間のノードは、差動入力回路の出力信号が反転するまでの間、フローティング状態になる。オフ状態のトランジスタを介して電源からのリーク電流がフローティング状態のノードに流れると、ノードの電圧レベルが上昇する可能性がある。この場合、ＡＤ変換期間の終了までに、正帰還がかかることにより比較結果が誤反転してしまう問題があった。
そこで、本開示では、比較結果の誤反転を抑制することができる比較器、ＡＤ変換器、固体撮像装置及び電子機器を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本開示によれば、
入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を解除する論理固定部と、
を備える、比較器が提供される。
前記論理固定部は、第１基準電圧ノードと接続される前記比較部から前記出力信号線に流れるリーク電流を、第２基準電圧ノードに流すように、前記出力信号線の論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定してもよい。
前記論理固定部は、前記比較部から前記出力信号線上の第１ノードに流れるリーク電流を、複数のリーク電流パスを介して前記出力信号線上の第２ノード及び前記第２基準電圧ノードに流すことにより、前記第１ノードから前記第２ノードに流れるリーク電流を前記第２基準電圧ノードに流すように、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定してもよい。
前記論理固定部は、
前記出力信号線上の第１ノードと第２ノードとの間に接続され、ゲートが前記第１ノードと電気的に接続される第１トランジスタと、
前記第１ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２トランジスタ、及び、前記第２ノードと前記第２基準電圧ノードとの間に接続される第３トランジスタの少なくとも一方と、
前記第３トランジスタのゲートと、前記第２基準電圧ノードと、の間に接続され、ゲートが前記第１ノードと電気的に接続される第４トランジスタと、
前記第３トランジスタのゲートと、第３基準電圧ノードと、の間に接続される第５トランジスタと、
を有し、
前記出力信号の論理が反転するまで前記第３トランジスタをオンすることにより、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定してもよい。
前記論理固定部は、
前記第２トランジスタのゲートに入力される第１初期化信号に基づいて前記第１ノードの電圧レベルを前記第２基準電圧ノードに基づいて初期化することにより、前記第１トランジスタ及び前記第４トランジスタをオフし、
前記第５トランジスタのゲートに入力される第２初期化信号に基づいて前記第３トランジスタのゲートの電圧レベルを前記第３基準電圧ノードに基づいて初期化することにより、前記第３トランジスタをオンするとともに、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理にしてもよい。
前記論理固定部は、
前記比較部から前記第１ノードに流れるリーク電流を、オフ状態の前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタを介して、それぞれ前記第２ノード及び前記第２基準電圧ノードに流し、
オフ状態の前記第１トランジスタを介して前記第１ノードから前記第２ノードに流れるリーク電流を、オン状態の前記第３トランジスタを介して前記第２基準電圧ノードに流すように、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定してもよい。
前記論理固定部は、オフ状態の前記第５トランジスタを介して前記第３基準電圧ノードから前記第３トランジスタのゲートに流れるリーク電流を、オフ状態の前記第４トランジスタを介して、前記第２基準電圧ノードに流してもよい。
前記論理固定部は、
前記第１ノードに出力される前記出力信号の論理が反転するタイミングで前記第４トランジスタをオンすることにより、前記第３トランジスタをオフして前記第２ノードの論理の固定を解除し、
前記第１ノードに出力される前記出力信号の論理が反転するタイミングで前記第１トランジスタをオンすることにより、前記出力信号を前記第２ノードに供給してもよい。
前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタは、同じ導電型のトランジスタであり、
前記第５トランジスタは、前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタとは異なる導電型のトランジスタであってもよい。
前記第２トランジスタのゲートと、前記第５トランジスタのゲートと、の間に接続されるインバータをさらに備えてもよい。
前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、前記第４トランジスタ及び前記第５トランジスタは、同じ導電型のトランジスタであり、
前記第５トランジスタのゲートは、前記第２トランジスタのゲートに入力される信号と同じ信号が入力されてもよい。
前記比較部は、前記比較部の第１基準電圧ノードと、前記出力信号線と、の間に接続される第６トランジスタを有し、
前記第６トランジスタの閾値電圧は、前記論理固定部が有するトランジスタの閾値電圧と略同じであってもよい。
前記比較部は、前記比較部の第１基準電圧ノードと、前記出力信号線と、の間に接続される第６トランジスタを有し、
前記第６トランジスタの閾値電圧は、前記論理固定部が有するトランジスタの閾値電圧よりも低くてもよい。
前記出力信号に基づいて、前記比較器の比較結果信号の論理が反転するときの遷移速度を高速化する正帰還回路をさらに備え、
前記論理固定部は、第４基準電圧ノードと接続される前記正帰還回路から前記出力信号線に流れるリーク電流を、第２基準電圧ノードに流すように、前記出力信号線の論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定してもよい。
前記第４基準電圧ノードよりも高い第１基準電圧ノードの電圧で動作する前記比較部の前記出力信号を、前記第４基準電圧ノードの電圧に対応する信号に変換する電圧変換回路をさらに備えてもよい。
本開示によれば、入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
を備える比較器と、
前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
を備える、ＡＤ変換器が提供される。
本開示によれば、入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
を備える比較器と、
前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
を備えるＡＤ変換器と、
画素に入射された光を受光して光電変換することで生成された電荷信号を、前記入力信号として前記比較部に出力する画素回路と、
を備える、固体撮像装置が提供される。
前記画素回路が配置される第１チップと、
前記第１チップと積層され、前記論理固定部が配置される第２チップと、をさらに備えてもよい。
前記ＡＤ変換器は、画素ごとに配置されてもよい。
本開示によれば、入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
を備える比較器と、
前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
を備えるＡＤ変換器と、
画素に入射された光を受光して光電変換することで生成された電荷信号を、前記入力信号として前記比較部に出力する画素回路と、
を備える固体撮像装置
を備える、電子機器が提供される。
本開示に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。 画素の詳細構成例を示すブロック図である。 比較回路の詳細構成例を示すブロック図である。 画素回路の詳細構成について説明する図である。 第１実施形態による比較回路の構成の一例を示す回路図である。 第１実施形態による比較回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 第１実施形態による比較回路の動作の一例を示す回路図である。 図７Ａに続く、比較回路の動作の一例を示す回路図である。 図７Ｂに続く、比較回路の動作の一例を示す回路図である。 第１比較例による比較回路の構成の一例を示す回路図である。 第１比較例による比較回路の各ノードの電圧レベルを示す概略図である。 第２比較例による比較回路の構成の一例を示す回路図である。 第２比較例による比較回路の各ノードの電圧レベルを示す概略図である。 第２実施形態による比較回路の構成の一例を示す回路図である。 第３実施形態による比較回路の構成の一例を示す回路図である。 ２枚の半導体基板を積層することで固体撮像装置を構成する概念図である。 ２枚の半導体基板で固体撮像装置を構成する場合の回路構成例を示す図である。 本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
以下、図面を参照して、比較器、ＡＤ変換器、固体撮像装置及び電子機器の実施形態について説明する。以下では、比較器、ＡＤ変換器、固体撮像装置及び電子機器の主要な構成部分を中心に説明するが、比較器、ＡＤ変換器、固体撮像装置及び電子機器には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。
＜固体撮像装置の概略構成例＞
図１は、本開示に係る固体撮像装置の概略構成を示している。
図１の固体撮像装置１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１１に、画素２１が２次元アレイ状に配列された画素アレイ部２２を有する。画素アレイ部２２には、時刻コード発生部２６で生成された時刻コードを各画素２１に転送する時刻コード転送部２３も設けられている。そして、半導体基板１１上の画素アレイ部２２の周辺には、画素駆動回路２４、DAC（D/A Converter）２５、時刻コード発生部２６、垂直駆動回路２７、出力部２８、及びタイミング生成回路２９が形成されている。
２次元アレイ状に配列された画素２１のそれぞれには、図２を参照して後述するように、画素回路４１とADC４２が設けられており、画素２１は、画素内の受光素子（例えば、フォトダイオード）で受光した光量に応じた電荷信号を生成し、デジタルの画素信号SIGに変換して出力する。
画素駆動回路２４は、画素２１内の画素回路４１（図２）を駆動する。DAC２５は、時間経過に応じてレベル（電圧）が単調減少するスロープ信号である参照信号（基準電圧信号）REFを生成し、各画素２１に供給する。時刻コード発生部２６は、各画素２１が、アナログの画素信号SIGをデジタルの信号に変換（AD変換）する際に使用される時刻コードを生成し、対応する時刻コード転送部２３に供給する。時刻コード発生部２６は、画素アレイ部２２に対して複数個設けられており、画素アレイ部２２内には、時刻コード発生部２６に対応する数だけ、時刻コード転送部２３が設けられている。即ち、時刻コード発生部２６と、そこで生成された時刻コードを転送する時刻コード転送部２３は、１対１に対応する。
垂直駆動回路２７は、画素２１内で生成されたデジタルの画素信号SIGを、タイミング生成回路２９から供給されるタイミング信号に基づいて、所定の順番で出力部２８に出力させる制御を行う。画素２１から出力されたデジタルの画素信号SIGは、出力部２８から固体撮像装置１の外部へ出力される。出力部２８は、黒レベルを補正する黒レベル補正処理やCDS(Correlated Double Sampling；相関２重サンプリング)処理など、所定のデジタル信号処理を必要に応じて行い、その後、外部へ出力する。
タイミング生成回路２９は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、生成した各種のタイミング信号を、画素駆動回路２４、DAC２５、垂直駆動回路２７等に供給する。
固体撮像装置１は、以上のように構成されている。なお、図１では、上述したように、固体撮像装置１を構成する全ての回路が、１つの半導体基板１１上に形成されるように説明したが、後述するように、固体撮像装置１を構成する回路を複数枚の半導体基板１１に分けて配置する構成とすることもできる。
＜画素の詳細構成例＞
図２は、画素２１の詳細構成例を示すブロック図である。
画素２１は、画素回路４１とADC（AD変換器）４２で構成されている。
画素回路４１は、受光した光量に応じた電荷信号をアナログの画素信号SIGとしてADC４２に出力する。ADC４２は、画素回路４１から供給されたアナログの画素信号SIGをデジタル信号に変換する。
ADC４２は、比較回路５１（比較器）とデータ記憶部５２で構成される。
比較回路５１は、DAC２５から供給される参照信号REFと画素信号SIGを比較し、比較結果を表す比較結果信号として、出力信号VCOを出力する。比較回路５１は、参照信号REFと画素信号SIGが同一（の電圧）になったとき、出力信号VCOを反転させる。
比較回路５１は、差動入力回路６１、電圧変換回路６２、及び正帰還回路（PFB:positive feedback）６３により構成されるが、詳細は図３を参照して後述する。
データ記憶部５２には、比較回路５１から出力信号VCOが入力される他、垂直駆動回路２７から、画素信号の書き込み動作であることを表すWR信号、画素信号の読み出し動作であることを表すRD信号、及び、画素信号の読み出し動作中における画素２１の読み出しタイミングを制御するWORD信号が、垂直駆動回路２７から供給される。また、時刻コード転送部２３を介して、時刻コード発生部２６で生成された時刻コードも供給される。
データ記憶部５２は、WR信号及びRD信号に基づいて、時刻コードの書き込み動作と読み出し動作を制御するラッチ制御回路７１と、時刻コードを記憶するラッチ記憶部７２で構成される。
ラッチ制御回路７１は、時刻コードの書き込み動作においては、比較回路５１からHi（High）の出力信号VCOが入力されている間、時刻コード転送部２３から供給される、単位時間ごとに更新される時刻コードをラッチ記憶部７２に記憶させる。そして、参照信号REFと画素信号SIGが同一（の電圧）になり、比較回路５１から供給される出力信号VCOがLo(Low)に反転されたとき、供給される時刻コードの書き込み（更新）を中止し、最後にラッチ記憶部７２に記憶された時刻コードをラッチ記憶部７２に保持させる。ラッチ記憶部７２に記憶された時刻コードは、画素信号SIGと参照信号REFが等しくなった時刻を表しており、画素信号SIGがその時刻の基準電圧であったことを示すデータ、即ち、デジタル化された光量値を表す。
参照信号REFの掃引が終了し、画素アレイ部２２内の全ての画素２１のラッチ記憶部７２に時刻コードが記憶された後、画素２１の動作が、書き込み動作から読み出し動作に変更される。
ラッチ制御回路７１は、時刻コードの読み出し動作においては、読み出しタイミングを制御するWORD信号に基づいて、画素２１が自分の読み出しタイミングとなったときに、ラッチ記憶部７２に記憶されている時刻コード（デジタルの画素信号SIG）を、時刻コード転送部２３に出力する。時刻コード転送部２３は、供給された時刻コードを、列方向（垂直方向）に順次転送し、出力部２８に供給する。
以下では、時刻コードの書き込み動作においてラッチ記憶部７２に書き込まれる時刻コードと区別するため、時刻コードの読み出し動作においてラッチ記憶部７２から読み出される出力信号VCOが反転したときの反転時刻コードである、画素信号SIGがその時刻の基準電圧であったことを示すデジタル化された画素データを、AD変換画素データとも称する。
＜比較回路の構成例＞
図３は、比較回路５１を構成する差動入力回路６１、電圧変換回路６２、及び正帰還回路６３の詳細構成を示す回路図である。
差動入力回路６１は、画素２１内の画素回路４１から出力された画素信号SIGと、DAC２５から出力された参照信号REFとを比較し、画素信号SIGが参照信号REFよりも高いときに所定の信号（電流）を出力する。
差動入力回路６１は、差動対となるトランジスタ８１及び８２、カレントミラーを構成するトランジスタ８３及び８４、入力バイアス電流Vbに応じた電流IBを供給する定電流源としてのトランジスタ８５、並びに、差動入力回路６１の出力信号HVOを出力するトランジスタ８６により構成されている。
トランジスタ８１、８２、及び８５は、NMOS(Negative Channel MOS)トランジスタで構成され、トランジスタ８３、８４、及び８６は、PMOS(Positive Channel MOS)トランジスタで構成される。
差動対となるトランジスタ８１及び８２のうち、トランジスタ８１のゲートには、DAC２５から出力された参照信号REFが入力され、トランジスタ８２のゲートには、画素２１内の画素回路４１から出力された画素信号SIGが入力される。トランジスタ８１と８２のソースは、トランジスタ８５のドレインと接続され、トランジスタ８５のソースは、所定の電圧VSS（VSS＜VDD2＜VDD1）に接続されている。
トランジスタ８１のドレインは、カレントミラー回路を構成するトランジスタ８３及び８４のゲート及びトランジスタ８３のドレインと接続され、トランジスタ８２のドレインは、トランジスタ８４のドレイン及びトランジスタ８６のゲートと接続されている。トランジスタ８３、８４、及び８６のソースは、第１電源電圧VDD1に接続されている。
電圧変換回路６２は、例えば、NMOS型のトランジスタ９１で構成される。トランジスタ９１のドレインは、差動入力回路６１のトランジスタ８６のドレインと接続され、トランジスタ９１のソースは、正帰還回路６３内の所定の接続点に接続され、トランジスタ８６のゲートは、バイアス電圧VBIASに接続されている。
差動入力回路６１を構成するトランジスタ８１乃至８６は、第１電源電圧VDD1までの高電圧で動作する回路であり、正帰還回路６３は、第１電源電圧VDD1よりも低い第２電源電圧VDD2で動作する回路である。電圧変換回路６２は、差動入力回路６１から入力される出力信号HVOを、正帰還回路６３が動作可能な低電圧の信号（変換信号）LVIに変換して、正帰還回路６３に供給する。
バイアス電圧VBIASは、定電圧で動作する正帰還回路６３の各トランジスタ１０１乃至１０５を破壊しない電圧に変換する電圧であれば良い。例えば、バイアス電圧VBIASは、正帰還回路６３の第２電源電圧VDD2と同じ電圧（VBIAS＝VDD2）とすることができる。
正帰還回路６３は、差動入力回路６１からの出力信号HVOが第２電源電圧VDD2に対応する信号に変換された変換信号LVIに基づいて、画素信号SIGが参照信号REFよりも高いときに反転する比較結果信号を出力する。また、正帰還回路６３は、比較結果信号として出力する出力信号VCOが反転するときの遷移速度を高速化する。
正帰還回路６３は、５つのトランジスタ１０１乃至１０５で構成される。ここで、トランジスタ１０１、１０２、及び１０４は、PMOSトランジスタで構成され、トランジスタ１０３及び１０５は、NMOSトランジスタで構成される。
電圧変換回路６２の出力端であるトランジスタ９１のソースは、トランジスタ１０２及び１０３のドレインと、トランジスタ１０４及び１０５のゲートに接続されている。トランジスタ１０１及び１０４のソースは、第２電源電圧VDD2に接続され、トランジスタ１０１のドレインは、トランジスタ１０２のソースと接続され、トランジスタ１０２のゲートは、正帰還回路６３の出力端でもあるトランジスタ１０４及び１０５のドレインと接続されている。トランジスタ１０３及び１０５のソースは、所定の電圧VSSに接続されている。トランジスタ１０１と１０３のゲートには、初期化信号INIが供給される。
トランジスタ１０４と１０５はインバータ回路を構成し、それらのドレインどうしの接続点は、比較回路５１が出力信号VCOを出力する出力端となっている。
＜画素回路の詳細構成例＞
図４を参照して、画素回路４１の詳細構成について説明する。
図４は、図３に示した比較回路５１に、画素回路４１の詳細を追加して示した回路図である。
画素回路４１は、光電変換素子としてのフォトダイオード（PD）１２１、排出トランジスタ１２２、転送トランジスタ１２３、リセットトランジスタ１２４、及び、FD(浮遊拡散層)１２５で構成されている。
排出トランジスタ１２２は、露光期間を調整する場合に使用される。具体的には、露光期間を任意のタイミングで開始したいときに排出トランジスタ１２２をオンさせると、それまでの間にフォトダイオード１２１に蓄積されていた電荷が排出されるので、排出トランジスタ１２２がオフされた以降から、露光期間が開始されることになる。
転送トランジスタ１２３は、フォトダイオード１２１で生成された電荷をFD１２５に転送する。リセットトランジスタ１２４は、FD１２５に保持されている電荷をリセットする。FD１２５は、差動入力回路６１のトランジスタ８２のゲートに接続されている。これにより、差動入力回路６１のトランジスタ８２は、画素回路４１の増幅トランジスタとしても機能する。
リセットトランジスタ１２４のソースは、差動入力回路６１のトランジスタ８２のゲート、及び、FD１２５に接続されており、リセットトランジスタ１２４のドレインは、トランジスタ８２のドレインと接続されている。従って、FD１２５の電荷をリセットするための固定のリセット電圧がない。これは、差動入力回路６１の回路状態を制御することで、FD１２５をリセットするリセット電圧を、参照信号REFを用いて任意に設定可能であるためである。
＜第１実施形態＞
［比較回路の構成］
図５は、第１実施形態による比較回路５１の構成の一例を示す回路図である。
差動入力回路６１は、上記のように、入力信号（画素信号SIG）と参照信号REFとの比較に基づいた出力信号HVOを出力する。また、差動入力回路６１（比較部）の出力信号線ＳＬ１は、図３及び図４に示す出力信号HVOが通過する。電圧変換回路６２の出力信号線ＳＬ２は、図３及び図４に示す変換信号LVIが通過する。比較部の出力信号線として、出力信号線ＳＬ１、ＳＬ２の両方が含まれてもよい。
なお、基準電圧ノードVDD1は、例えば、基準電圧ノードVDDHである。基準電圧ノードVDD2は、例えば、基準電圧ノードVDDLである。基準電圧ノードVSSは、例えば、グランドノードGNDである。
以下では、電圧変換回路６２が設けられる場合について説明する。しかし、電圧変換回路６２が設けられなくてもよい。この場合、出力信号線ＳＬ２は出力信号線ＳＬ１に対応し、基準電圧ノードVDD2は基準電圧ノードVDD1と同じ電圧レベルである。
正帰還回路６３は、図３及び図４に示すインバータ回路（トランジスタ１０４、１０５）に代えて、ＮＯＲゲート１０６を有する。ＮＯＲゲート１０６の２つの入力端子のうち一方は、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２に接続され、他方には、駆動信号FORCEVCOが入力される。ＮＯＲゲート１０６は、入力信号の否定論理和を正帰還信号としてトランジスタ１０２のゲートに出力する。図５に示す正帰還回路６３は、図３及び図４に示す正帰還回路６３とほぼ同様に動作する。また、トランジスタ１０１のゲートは、初期化信号INI2が入力される。初期化信号INI2は、図３及び図４に示すように、初期化信号INIと同じでよい。
比較回路５１は、論理固定部６４をさらに備える。
論理固定部６４は、差動入力回路６１と正帰還回路６３との間に接続される。より詳細には、論理固定部６４は、電圧変換回路６２と正帰還回路６３との間に接続される。論理固定部６４は、差動入力回路６１の出力信号HVOの論理が反転するまで、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２の論理を第１論理に固定する。第１論理は、例えば、Loである。論理固定部６４は、例えば、電圧レベルを固定させるように、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２の論理を固定する。また、論理固定部６４は、差動入力回路６１の出力信号HVOの論理が反転するタイミングで、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２の論理の固定を解除する。これにより、図７Ｂを参照して後で説明するように、比較回路５１の比較結果信号（出力信号VCO）の論理の誤反転を抑制することができる。
論理固定部６４は、第１トランジスタ６４１と、第２トランジスタ６４２と、第３トランジスタ６４３と、第４トランジスタ６４４と、第５トランジスタ６４５と、を有する。
なお、第２トランジスタ６４２及び第３トランジスタ６４３のいずれか一方は、論理固定部６４に含まれず、図３及び図４に示す正帰還回路６３のトランジスタ１０３であってもよい。以下では、図５に示すように、第３トランジスタ６４３が論理固定部６４に含まれないトランジスタ１０３であるとして説明する。
第１トランジスタ６４１は、出力信号線ＳＬ２上の第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に接続される。第１ノードＮ１は、差動入力回路６１と第１トランジスタ６４１との間の出力信号線ＳＬ２上に配置される。第２ノードＮ２は、第１トランジスタ６４１と正帰還回路６３との間の出力信号線ＳＬ２上に配置される。第１トランジスタ６４１のゲートは、第１ノードＮ１と電気的に接続される。第１トランジスタ６４１は、例えば、NMOSトランジスタである。
第２トランジスタ６４２は、第１ノードＮ１と、基準電圧ノードVSS（第２基準電圧ノード）と、の間に接続される。第２トランジスタ６４２のゲートは、初期化信号INIが入力される。第２トランジスタ６４２は、例えば、NMOSトランジスタである。
第３トランジスタ６４３は、第２ノードＮ２と基準電圧ノードVSSとの間に接続される。差動入力回路６１の出力信号HVOがオンするまで、第３トランジスタ６４３がオン状態になることにより、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２の論理を第１論理に固定することができる。第３トランジスタ６４３のゲートは、第３ノードＮ３と電気的に接続される。第３トランジスタ６４３は、例えば、NMOSトランジスタである。
第４トランジスタ６４４は、第３トランジスタ６４３のゲート（第３ノードＮ３）と、基準電圧ノードVSSと、の間に接続される。第４トランジスタ６４４のゲートは、第１ノードＮ１と電気的に接続される。第４トランジスタ６４４は、例えば、NMOSトランジスタである。
第５トランジスタ６４５は、第３トランジスタ６４３のゲート（第３ノードＮ３）と、基準電圧ノードVDD2（第３基準電圧ノード）と、の間に接続される。基準電圧ノードVDD2は、例えば、基準電圧ノードVDD1と基準電圧ノードVSSとの間の電圧レベルを有する。第５トランジスタ６４５のゲートは、初期化信号XINIが入力される。初期化信号XINIは、初期化信号INIとは反対のレベルの信号である。第５トランジスタ６４５は、例えば、PMOSトランジスタである。すなわち、第５トランジスタ６４５は、第１トランジスタ６４１、第２トランジスタ６４２、第３トランジスタ６４３及び第４トランジスタ６４４とは異なる導電型のトランジスタである。
［比較回路の動作］
図６は、第１実施形態による比較回路５１の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図７Ａ～図７Ｃは、第１実施形態による比較回路５１の動作の一例を示す回路図である。トランジスタ上の丸印は、オン状態を示し、トランジスタ上のＸ印は、オフ状態を示す。実線の矢印は、オン状態のトランジスタに電流が流れることを示す。破線の矢印は、オフ状態のトランジスタにリーク電流が流れることを示す。
図６に示す例では、初期状態において、参照信号REFは持ち上げられている。
まず、時刻ｔ１において、ＡＤ変換前に比較回路５１の各ノード（第１ノードＮ１、第２ノードＮ２及び第３ノードＮ３）が初期状態にリセットされる。初期化信号INIは、LoからHiに遷移する。初期化信号XINIは、HiからLoに遷移する。また、参照信号REFの電圧レベルは、画素信号SIGの電圧レベルよりも高い。
図７Ａは、図６の時刻ｔ１における回路図を示す。
参照信号REFの電圧レベルが画素信号SIGの電圧レベルよりも高いため、図７Ａに示す差動入力回路６１のトランジスタ８６はオフ状態である。
また、初期化信号INI（第１初期化信号）がHiに遷移するため、第２トランジスタ６４２がオンする。これにより、第１ノードＮ１は、基準電圧ノードVSSと電気的に接続される。従って、図６に示すように、第１ノードＮ１の電圧レベルは低下して、第１ノードＮ１の論理はLoに遷移する。これにより、第１トランジスタ６４１及び第４トランジスタ６４４はオフする。
また、初期化信号XINI（第２初期化信号）がLoに遷移するため、第５トランジスタ６４５はオンする。これにより、第３ノードＮ３は、基準電圧ノードVDD2と電気的に接続されて充電される。従って、図６に示すように、第３ノードＮ３の電圧レベルは上昇して、第３ノードＮ３の論理はHiに遷移する。これにより、第３トランジスタ６４３はオンする。これにより、第２ノードＮ２は、基準電圧ノードVSSに電気的に接続される。従って、図６に示すように、第２ノードＮ２の電圧レベルは低下して、第２ノードＮ２の論理はLoに遷移する。また、第２ノードＮ２の論理がLoであるため、ＮＯＲゲート１０６により、トランジスタ１０２はオフする。
次に、時刻ｔ２において、初期化信号INIは、HiからLoに遷移する。初期化信号XINIは、LoからHiに遷移する。時刻ｔ２の後、ＡＤ変換が開始される。
次に、時刻ｔ３において、参照信号REFの掃引が開始される。差動入力回路６１のトランジスタ８６のゲートに接続される信号線Ｌ１の電圧レベルは、時間とともに徐々に低下する。
図７Ｂは、図６の時刻ｔ２から時刻ｔ４までの回路図を示す。時刻ｔ４は、差動入力回路６１の出力信号HVOの論理が反転するタイミングである時刻ｔ５の直前の時刻である。
参照信号REFの電圧レベルが画素信号SIGの電圧レベルよりも高いため、図７Ｂに示す差動入力回路６１のトランジスタ８６はオフ状態である。
また、初期化信号INIがLoであるため、第２トランジスタ６４２がオフ状態である。これにより、第１ノードＮ１は基準電圧ノードVSSから電気的に切り離される。初期化信号XINIがHiであるため、第５トランジスタ６４５はオフ状態である。これにより、第３ノードＮ３は基準電圧ノードVDD2から電気的に切り離される。他の第１トランジスタ６４１、第３トランジスタ６４３、第４トランジスタ６４４及び正帰還回路６３のトランジスタ１０２は、図７Ａと同様に、それぞれオフ状態、オン状態、オフ状態、オフ状態である。
ここで、トランジスタがオフ状態であっても、ソースとドレインとの間を流れるリーク電流が存在し得る。
トランジスタ８６をリーク電流パスとして、基準電圧ノードVDD1から出力信号線ＳＬ２の第１ノードＮ１にリーク電流が流れる。
オフ状態の第２トランジスタ６４２をリーク電流パスとして、第１ノードＮ１から基準電圧ノードVSSにリーク電流が流れる。オフ状態の第１トランジスタ６４１をリーク電流パスとして、第１ノードＮ１から第２ノードＮ２にリーク電流が流れる。オフ状態のトランジスタ８６を通過するリーク電流により、第１ノードＮ１が充電されて第１ノードＮ１の電圧レベルが上昇する可能性がある。しかし、オフ状態の第１トランジスタ６４１及び第２トランジスタ６４２がリーク電流パスとして機能し、トランジスタ８６を通過するリーク電流は、それぞれ第２ノードＮ２及び基準電圧ノードVSSに流れる。第１トランジスタ６４１をリーク電流パスとして第１ノードＮ１から第２ノードＮ２に流れるリーク電流は、オン状態の第３トランジスタ６４３により基準電圧ノードVSSに流れる。これにより、第１ノードＮ１の電圧レベルの上昇を抑制することができる。従って、図６に示すように、第１ノードＮ１の論理をLoに固定（維持）することができる。
オフ状態の第５トランジスタ６４５をリーク電流パスとして、基準電圧ノードVDD2から第３ノードＮ３にリーク電流が流れる。オフ状態の第４トランジスタ６４４をリーク電流パスとして、第３ノードＮ３から基準電圧ノードVSSにリーク電流が流れる。オフ状態の第４トランジスタ６４４を通過するリーク電流により、第３ノードＮ３の電荷が抜けて第３ノードＮ３の電圧レベルが低下する可能性がある。しかし、オフ状態の第５トランジスタ６４５を介した基準電圧ノードVDD2からのリーク電流パスにより、第３ノードＮ３の電圧レベルの低下を抑制することができる。従って、図６に示すように、第３ノードＮ３の論理をHiに固定することができる。この結果、第３トランジスタ６４３のオン状態を維持することができる。
また、第１ノードＮ１には、基準電圧ノードVSSへの２つのリーク電流パスである第１トランジスタ６４１及び第２トランジスタ６４２が接続されている。もし、第１ノードＮ１の電圧レベルが上昇すると、第４トランジスタ６４４のリーク電流が増大して、第３ノードＮ３の電荷が抜けてしまう。従って、第１ノードＮ１から基準電圧ノードVSSへのリーク電流パスの数は、多いほどより好ましい。
正帰還回路６３のオフ状態のトランジスタ１０２をリーク電流パスとして、基準電圧ノードVDD2から出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２にリーク電流が流れる。このリーク電流は、オン状態の第３トランジスタ６４３を通過して基準電圧ノードVSSへ捨てられる。これにより、第２ノードＮ２の電圧レベルの上昇を抑制することができる。従って、図６に示すように、第２ノードＮ２の論理をLoに固定することができる。
また、第１ノードＮ１及び第３ノードＮ３のそれぞれに、高電源側のリーク電流パスと低電源側のリーク電流パスとが配置されている。これにより、第１ノードＮ１及び第３ノードＮ３における電圧レベルがリーク電流によって変化しないように、固定することができる。この結果、第３トランジスタ６４３をオン状態で維持しやすくなり、第２ノードＮ２の論理をより固定しやすくすることができる。
このように、論理固定部６４は、基準電圧ノードVDD1（第１基準電圧ノード）と接続される差動入力回路６１から出力信号線ＳＬ１、ＳＬ２に流れるリーク電流を、基準電圧ノードVSSに流すように、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２の論理を第１論理に固定する。この結果、比較回路５１の比較結果の誤反転を抑制することができる。また、上記のように、第３ノードＮ３から基準電圧ノードVSSに電荷が抜けることを抑制するため、論理固定部６４は、差動入力回路６１から第１ノードＮ１に流れるリーク電流を、複数のリーク電流パスを介して、第２ノードＮ２及び基準電圧ノードVSSに流す。
なお、図７Ａにおいても、リーク電流は流れる。しかし、オフ状態のトランジスタ８６、１０２、第１トランジスタ６４１を流れるリーク電流は、図７Ｂと同様に、オン状態の第３トランジスタ６４３を通過して、基準電圧ノードVSSへ流れる。
次に、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、差動入力回路６１の出力信号HVOの論理が反転する。
図７Ｃは、図６の時刻ｔ５の回路図を示す。
参照信号REFと画素信号SIGとの間で電圧レベルが反転すると、トランジスタ８６がオンする。従って、差動入力回路６１の出力信号HVOの論理が反転する。これにより、第１ノードＮ１が基準電圧ノードVDD1によって充電され、第１ノードＮ１の電圧レベルが上昇する。この結果、第１ノードＮ１の論理がHiに遷移する。
第１ノードＮ１の電圧レベルが第４トランジスタ６４４の閾値電圧に達すると、第４トランジスタ６４４はオンする。これにより、第３ノードＮ３の電荷が基準電圧ノードVSSへ捨てられ、第３ノードＮ３の電圧レベルが低下する。この結果、第３ノードの論理がLoに遷移する。これにより、第３トランジスタ６４３がオフする。従って、第３トランジスタ６４３による第２ノードＮ２の論理の固定が解除される。
第１ノードＮ１の電圧レベルが第１トランジスタ６４１の閾値電圧に達すると、第１トランジスタ６４１はオンする。オン状態のトランジスタ８６を流れる電流は、第２トランジスタ６４２側には流れず、オン状態の第１トランジスタ６４１を通過して第２ノードＮ２に流れる。従って、電圧変換回路６２の変換信号LVI（差動入力回路６１の出力信号HVO）が第２ノードＮ２に供給される。なお、上記のように、第３トランジスタ６４３はオフ状態であるため、第２ノードＮ２の電圧レベル及び論理の固定は停止されている。従って、第２ノードＮ２が充電されて、第２ノードＮ２の電圧レベルが上昇する。この結果、第２ノードＮ２の論理がHiに遷移する。
時刻ｔ５において、第２ノードＮ２の電圧レベルが上昇すると、ＮＯＲゲート１０６の出力信号VCOの電圧レベルが低下する。出力信号VCOの電圧レベルが低下すると、トランジスタ１０２がオンすることにより出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２は基準電圧ノードVDD2と電気的に接続される。これにより、正帰還回路６３によって出力信号VCOの反転が高速化される。また、データ記憶部５２では、出力信号VCOが反転した時点の時刻データ（NビットのDATA[1]乃至DATA[N]）が記憶される。
時刻ｔ５よりも後の比較回路５１の動作は、例えば、図３のような、論理固定部６４が設けられない場合の比較回路５１の動作とほぼ同様である。
時刻ｔ５の後、読み出しタイミングを制御するWORD信号がHiとなり、Nビットのラッチ信号Col[n]（ｎ＝１乃至N）（不図示）が、データ記憶部５２のラッチ制御回路７１から出力される。
なお、CDS(Correlated Double Sampling；相関２重サンプリング)処理が行われてもよい。例えば、リセットレベルのP相データが取得された後、信号レベルのD相データが取得される。
以上のように、第１実施形態によれば、論理固定部６４は、差動入力回路６１の出力信号HVO（電圧変換回路６２の変換信号LVI）の論理が反転するまで、電圧レベルを維持するように、第２ノードＮ２の論理を第１論理に固定する。すなわち、論理固定部６４は、第２ノードＮ２をフローティング状態にしないようにする。これにより、トランジスタ８６のリーク電流による第２ノードＮ２の電圧レベルの上昇を抑制することができる。この結果、リーク電流による、比較回路５１の比較結果信号（出力信号VCO）の誤反転を抑制することができる。従って、比較回路５１の誤動作を抑制することができる。
また、ADC４２は、画素２１ごとに設けられる。したがって、論理固定部６４も、画素２１ごとに設けられる。なお、ADC４２は、複数の画素２１ごとに設けられてもよい。
＜第１比較例＞
図８は、第１比較例による比較回路５１ａの構成の一例を示す回路図である。図８に示す比較回路５１ａは、論理固定部６４が設けられておらず、図３に示す比較回路５１とほぼ同じである。
図８に示す例では、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの出力信号HVOの反転前において、トランジスタ８６、１０２、１０３はオフ状態である。従って、出力信号線ＳＬ２は、時刻ｔ５において差動入力回路６１の出力信号HVOが反転するまで、フローティング状態である。出力信号線ＳＬ２には、リーク電流Ｉｌｅａｋが流れ得る。例えば、トランジスタ８６、１０２を介して基準電圧ノードVDD1、VDD2から出力信号線ＳＬ２に流れるリーク電流Ｉｌｅａｋが、トランジスタ１０３を介して出力信号線ＳＬ２から基準電圧ノードVSSに流れるリーク電流Ｉｌｅａｋよりも大きい場合、出力信号線ＳＬ２が充電されて、出力信号線ＳＬ２の電圧レベルが上昇してしまう。
図９は、第１比較例による比較回路５１ａの各ノードの電圧レベルを示す概略図である。図９は、出力信号線ＳＬ２の電圧レベル及び比較回路５１の出力信号VCOを示す。縦軸は電圧レベルを示し、横軸は時間を示す。
図９に示すように、差動入力回路６１の出力信号HVOの論理が反転する前に、リーク電流Ｉｌｅａｋによって出力信号線ＳＬ２の電圧レベルが上昇してしまう。出力信号線ＳＬ２の電圧レベルの上昇により、出力信号VCOの電圧レベルが基準電圧ノードVDD2の電圧レベルから低下する。D相期間内で出力信号VCOの電圧レベルがトランジスタ１０２の閾値電圧Vthに達すると、正帰還がかかり誤反転が生じてしまう。すなわち、図９に示すように、D相期間が終わる前に、出力信号線ＳＬ２の電圧レベルが基準電圧ノードVDD2の電圧レベルになり、出力信号VCOがLoに遷移してしまう。
出力信号線ＳＬ２の電圧レベルは、図９の一点鎖線に示すように、基準電圧ノードVSSの電圧レベルで略一定であることが好ましい。しかし、上記のように、D相期間内で出力信号VCOに誤反転がすると、例えば、撮像画像に白飛びが生じてしまう。
これに対して、第１実施形態では、図７Ｂに示すように、出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２はフローティング状態ではなく、第３トランジスタ６４３によって基準電圧ノードVSSの電圧レベルに固定されている。これにより、トランジスタ８６、１０２を介して出力信号線ＳＬ２に流れるリーク電流Ｉｌｅａｋを、基準電圧ノードVSSに適切に捨てることができる。この結果、リーク電流Ｉｌｅａｋによる第２ノードＮ２の電圧レベルの上昇を抑制することができ、比較回路５１の比較結果信号（出力信号VCO）の誤反転を抑制することができる。
＜第２比較例＞
図１０は、第２比較例による比較回路５１ｂの構成の一例を示す回路図である。第２比較例では、トランジスタの閾値電圧を調整することにより、出力信号線ＳＬ２の電圧レベルの上昇が抑制される。
オフ状態のトランジスタのリーク電流Ｉｌｅａｋは、ゲートソース間電圧Vgs及び閾値電圧Vthを用いて、式１により表される。従って、リーク電流Ｉｌｅａｋは、閾値電圧に比例する。
Figure 2022146691000002
閾値電圧を調整することにより、出力信号線ＳＬ２に流れ込むリーク電流Ｉｌｅａｋに対して、出力信号線ＳＬ２からに流れ出るリーク電流Ｉｌｅａｋを相対的に増加することができる。例えば、トランジスタ１０２の閾値電圧を高くすることにより、トランジスタ１０２をリーク電流パスとして基準電圧ノードVDD2から出力信号線ＳＬ２に流れるリーク電流Ｉｌｅａｋを低減することができる。また、トランジスタ１０３の閾値電圧を低くすることにより、トランジスタ１０３を介して出力信号線ＳＬ２から基準電圧ノードVSSに流れるリーク電流Ｉｌｅａｋを増大させることができる。
図１１は、第２比較例による比較回路５１ｂの各ノードの電圧レベルを示す概略図である。図１１は、信号線Ｌ２の電圧レベル及び比較回路５１の出力信号VCOを示す。なお、図１１に示す破線は、図９に示す第１比較例による出力信号線ＳＬ２及び出力信号VCOの電圧レベルを示す。
図１１に示すように、トランジスタ１０２、１０３の閾値電圧の調整により、出力信号線ＳＬ２の電圧レベルの上昇速度を低減することができる。すなわち、出力信号線ＳＬ２の充電にかかる時間を長くして、ＡＤ期間終了までの出力信号VCOの誤反転を抑制することができる。
第２比較例では、図１０に示す電圧変換回路６２及び正帰還回路６３内で、例えば、カスコード接続されたトランジスタ１０１、１０２の閾値電圧が最も高く、ＮＯＲゲート１０６のトランジスタの閾値電圧が次に高く、トランジスタ１０３の閾値電圧が次に高く、トランジスタ９１の閾値電圧が最も低い。すなわち、電圧変換回路６２及び正帰還回路６３内で、閾値電圧を調整した４種類のトランジスタが用いられる。
しかし、複数の種類のトランジスタが用いられる場合、閾値電圧のばらつきの影響が大きく回路の安定性が劣化してしまう。また、次のタイプの回路の再設計時の検討項目が増加してしまう。すなわち、設計自由度が低下してしまう。
さらに、トランジスタごとに製造工程が必要になり、開発費が増加してしまう。また、トランジスタ１０３の閾値電圧を低くすることに伴うランダムノイズの影響が大きくなってしまう。この場合、例えば、フィルタとして機能するキャパシタ６５を追加する必要がある。キャパシタ６５は、例えば、MOS（Metal Oxide Semiconductor）キャパシタである。また、プロセス依存、すなわち、プロセス技術によるばらつきが大きく、汎用性及び設計自由度が低下してしまう。
これに対して、第１実施形態では、トランジスタ１０２及び第３トランジスタ６４３（トランジスタ１０３）の閾値電圧を変更することなく、回路構成により出力信号線ＳＬ２の第２ノードＮ２の電圧レベルの上昇を抑制することができる。これにより、電圧変換回路６２のトランジスタ９１以外のトランジスタの種類を統一することができる。例えば、差動入力回路６１のトランジスタ８６（第６トランジスタ）、論理固定部６４が有するトランジスタ、及び、正帰還回路６３が有するトランジスタの閾値電圧は、略同じである。この結果、閾値電圧のばらつきによる回路の安定性の劣化を抑制することができる。また、設計自由度の低下を抑制することができる。
さらに、トランジスタごとの製造工程を共通化して開発費の増加を抑制することができる。また、トランジスタの閾値電圧を低下させる調整を行わないため、ランダムノイズの影響が大きくなることを抑制することができる。また、ノイズ低減用のキャパシタ６５が不要になり、低回路面積化及びチャージ電流を低減することができる。なお、第１実施形態では、第２比較例と比較して４つのトランジスタ（第１トランジスタ６４１、第２トランジスタ６４２、第４トランジスタ６４４及び第５トランジスタ６４５）が追加されている。しかし、キャパシタ６５の空きスペースに、追加された４つのトランジスタを配置することができる。また、汎用性及び設計自由度の低下を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
図１２は、第２実施形態による比較回路５１の構成の一例を示す回路図である。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、第５トランジスタ６４５のゲートへの初期化信号XINIの入力方法が異なっている。
論理固定部６４は、インバータＩＮＶをさらに備える。
インバータＩＮＶは、第２トランジスタ６４２のゲートと、第５トランジスタ６４５のゲートと、の間に接続される。インバータＩＮＶは、初期化信号INIの反転のパルスを生成する。従って、初期化信号INIが反転された信号が、初期化信号XINIに代えて、第５トランジスタ６４５のゲートに入力される。
第１実施形態では、第１比較例及び第２比較例と比較して、初期化信号XINIの追加によって配線が増加してしまう。画素アレイ部２２の外から引いてくる配線数が増えると、例えば、初期化信号INI及び駆動信号FORCEVCO等の他の配線の配線幅が狭くなってしまう可能性がある。
これに対して、第２実施形態では、インバータＩＮＶを設けることにより配線数の増加を抑制することができる。また、第２比較例と比較して、例えば、MOSキャパシタであるキャパシタ６５の空きスペースにインバータＩＮＶを配置することができ、必要なスペースの増大を抑制することができる。
＜第３実施形態＞
図１３は、第３実施形態による比較回路５１の構成の一例を示す回路図である。第３実施形態は、第５トランジスタ６４５の導電型が逆になっている点で、第１実施形態とは異なっている。
図１３に示す例では、第５トランジスタ６４５は、PMOSトランジスタではなく、NMOSトランジスタである。従って、第１トランジスタ６４１、第２トランジスタ６４２、第３トランジスタ６４３、第４トランジスタ６４４及び第５トランジスタ６４５は、全て同じ導電型の、NMOSトランジスタである。
また、第５トランジスタ６４５のゲートには、第２トランジスタ６４２のゲートに入力される初期化信号INIと同じ信号が入力される。これにより、初期化信号XINIの入力が不要になり、第２実施形態と同様に、配線数の増加を抑制することができる。
＜第４実施形態＞
第４実施形態は、第１実施形態と比較して、図５に示すトランジスタ８６の閾値電圧が異なる。トランジスタ８６（第６トランジスタ）の閾値電圧は、所定値よりも低い。トランジスタ８６の閾値電圧は、例えば、正帰還回路６３及び論理固定部６４が有するトランジスタの閾値電圧よりも低い。
論理固定部６４を追加することにより、図８を参照して説明した第１比較例と比較して、反転遅延が増大してしまう可能性がある。そこで、トランジスタ８６の駆動力を上げることにより、反転遅延の増大を抑制することができる。
第１比較例では、トランジスタ８６の駆動力を上げるために閾値電圧を下げると、トランジスタ８６のリーク電流が増大する。従って、比較回路５１ａの出力信号VCOの誤反転が生じやすくなってしまう。
これに対して、第４実施形態では、図７Ｂを参照して説明したように、論理固定部６４によって信号線Ｌ２の第２ノードＮ２は基準電圧ノードVSSと接続され、論理が固定される。従って、トランジスタ８６のリーク電流が増大しても、リーク電流は基準電圧ノードVSSに捨てられる。リーク電流による比較回路５１の比較結果信号の誤反転が抑制されているため、トランジスタ８６の閾値電圧を下げて、反転遅延の増大を抑制することができる。
＜複数基板構成＞
これまでの説明では、固体撮像装置１が、１枚の半導体基板１１上に形成されるものとして説明したが、複数枚の半導体基板１１に回路を作り分けることで、固体撮像装置１を構成してもよい。
図１４は、上側基板１１Aと下側基板１１Cの２枚の半導体基板１１を積層することで固体撮像装置１を構成する概念図を示している。
上側基板１１Aには、フォトダイオード１２１を含む画素回路４１が少なくとも形成されている。下側基板１１Cには、時刻コードを記憶するデータ記憶部５２と時刻コード転送部２３が少なくとも形成されている。上側基板１１Aと下側基板１１Cは、例えば、Cu-Cuなどの金属結合などにより接合される。
図１５は、上側基板１１Aと下側基板１１Cのそれぞれに形成される回路構成例を示している。
上側基板１１Aには、画素回路４１と、ADC４２のうちの差動入力回路６１のトランジスタ８１、８２、及び８５の回路が形成されている。なお、図１５では、画素回路４１の一部が示されている。下側基板１１Cには、トランジスタ８１、８２、及び８５を除くADC４２の回路と時刻コード転送部２３が形成されている。従って、論理固定部６４は、下側基板１１Cに配置される。なお、図１５では、データ記憶部５２及び時刻コード転送部２３は省略されている。
＜電子機器への適用例＞
本開示は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本開示は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
図１６は、本開示に係る電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図１６の撮像装置８００は、レンズ群などからなる光学部８０１、図１の固体撮像装置１の構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）８０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路８０３を備える。また、撮像装置８００は、フレームメモリ８０４、表示部８０５、記録部８０６、操作部８０７、および電源部８０８も備える。DSP回路８０３、フレームメモリ８０４、表示部８０５、記録部８０６、操作部８０７および電源部８０８は、バスライン８０９を介して相互に接続されている。
光学部８０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置８０２の撮像面上に結像する。固体撮像装置８０２は、光学部８０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置８０２として、図１の固体撮像装置１、即ち、画素信号をAD変換する際の判定速度を向上させつつ、消費電力を低減させた比較回路５１や、回路規模と消費電力を大幅に削減できる時刻コード転送部２３を有する固体撮像装置を用いることができる。
表示部８０５は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置８０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部８０６は、固体撮像装置８０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
操作部８０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置８００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部８０８は、DSP回路８０３、フレームメモリ８０４、表示部８０５、記録部８０６および操作部８０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
上述したように、固体撮像装置８０２として、上述したいずれかの構成を採用した固体撮像装置１を用いることで、AD変換の判定速度を高速化させつつ、消費電力を低減することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置８００においても、撮影の高速化と低消費電力を実現することができる。
上述した説明では、比較回路５１及びADC４２は、固体撮像装置１に組み込まれた部品として説明したが、それぞれ単独で流通する製品（比較器、AD変換器）とすることができる。
また、本開示は、固体撮像装置に限らず、他の半導体集積回路を有する半導体装置全般に対して適用可能である。
本開示の実施の形態は、上述した実施の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。
上述した各実施の形態の回路構成は、電子を電荷とする回路構成として説明したが、本開示は、正孔を電荷とする回路構成とすることもできる。また、上述した各回路構成において、トランジスタの極性（NMOSトランジスタとPMOSトランジスタ）を入れ替えた回路構成でも実現可能である。その場合、トランジスタに入力される制御信号は、HiとLowが反対の信号となる。
上述した各実施の形態では、参照信号REFが時間経過に応じてレベル（電圧）が単調減少するスロープ信号であるとして説明したが、参照信号REFは、時間経過に応じてレベル（電圧）が単調増加するスロープ信号とすることもできる。
その他、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。上述した実施の形態では説明していない他の実施の形態どうしを適宜組み合わせた形態も可能である。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
（１）入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を解除する論理固定部と、
を備える、比較器。
（２）前記論理固定部は、第１基準電圧ノードと接続される前記比較部から前記出力信号線に流れるリーク電流を、第２基準電圧ノードに流すように、前記出力信号線の論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、（１）に記載の比較器。
（３）前記論理固定部は、前記比較部から前記出力信号線上の第１ノードに流れるリーク電流を、複数のリーク電流パスを介して前記出力信号線上の第２ノード及び前記第２基準電圧ノードに流すことにより、前記第１ノードから前記第２ノードに流れるリーク電流を前記第２基準電圧ノードに流すように、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、（２）に記載の比較器。
（４）前記論理固定部は、
前記出力信号線上の第１ノードと第２ノードとの間に接続され、ゲートが前記第１ノードと電気的に接続される第１トランジスタと、
前記第１ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２トランジスタ、及び、前記第２ノードと前記第２基準電圧ノードとの間に接続される第３トランジスタの少なくとも一方と、
前記第３トランジスタのゲートと、前記第２基準電圧ノードと、の間に接続され、ゲートが前記第１ノードと電気的に接続される第４トランジスタと、
前記第３トランジスタのゲートと、第３基準電圧ノードと、の間に接続される第５トランジスタと、
を有し、
前記出力信号の論理が反転するまで前記第３トランジスタをオンすることにより、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の比較器。
（５）前記論理固定部は、
前記第２トランジスタのゲートに入力される第１初期化信号に基づいて前記第１ノードの電圧レベルを前記第２基準電圧ノードに基づいて初期化することにより、前記第１トランジスタ及び前記第４トランジスタをオフし、
前記第５トランジスタのゲートに入力される第２初期化信号に基づいて前記第３トランジスタのゲートの電圧レベルを前記第３基準電圧ノードに基づいて初期化することにより、前記第３トランジスタをオンするとともに、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理にする、（４）に記載の比較器。
（６）前記論理固定部は、
前記比較部から前記第１ノードに流れるリーク電流を、オフ状態の前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタを介して、それぞれ前記第２ノード及び前記第２基準電圧ノードに流し、
オフ状態の前記第１トランジスタを介して前記第１ノードから前記第２ノードに流れるリーク電流を、オン状態の前記第３トランジスタを介して前記第２基準電圧ノードに流すように、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、（４）又は（５）に記載の比較器。
（７）前記論理固定部は、オフ状態の前記第５トランジスタを介して前記第３基準電圧ノードから前記第３トランジスタのゲートに流れるリーク電流を、オフ状態の前記第４トランジスタを介して、前記第２基準電圧ノードに流す、（６）に記載の比較器。
（８）前記論理固定部は、
前記第１ノードに出力される前記出力信号の論理が反転するタイミングで前記第４トランジスタをオンすることにより、前記第３トランジスタをオフして前記第２ノードの論理の固定を解除し、
前記第１ノードに出力される前記出力信号の論理が反転するタイミングで前記第１トランジスタをオンすることにより、前記出力信号を前記第２ノードに供給する、（４）乃至（７）のいずれか一項に記載の比較器。
（９）前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタは、同じ導電型のトランジスタであり、
前記第５トランジスタは、前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタとは異なる導電型のトランジスタである、（４）乃至（８）のいずれか一項に記載の比較器。
（１０）前記第２トランジスタのゲートと、前記第５トランジスタのゲートと、の間に接続されるインバータをさらに備える、（９）に記載の比較器。
（１１）前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、前記第４トランジスタ及び前記第５トランジスタは、同じ導電型のトランジスタであり、
前記第５トランジスタのゲートは、前記第２トランジスタのゲートに入力される信号と同じ信号が入力される、（４）乃至（８）のいずれか一項に記載の比較器。
（１２）前記比較部は、前記比較部の第１基準電圧ノードと、前記出力信号線と、の間に接続される第６トランジスタを有し、
前記第６トランジスタの閾値電圧は、前記論理固定部が有するトランジスタの閾値電圧と略同じである、（１）乃至（１１）のいずれか一項に記載の比較器。
（１３）前記比較部は、前記比較部の第１基準電圧ノードと、前記出力信号線と、の間に接続される第６トランジスタを有し、
前記第６トランジスタの閾値電圧は、前記論理固定部が有するトランジスタの閾値電圧よりも低い、（１）乃至（１１）のいずれか一項に記載の比較器。
（１４）前記出力信号に基づいて、前記比較器の比較結果信号の論理が反転するときの遷移速度を高速化する正帰還回路をさらに備え、
前記論理固定部は、第４基準電圧ノードと接続される前記正帰還回路から前記出力信号線に流れるリーク電流を、第２基準電圧ノードに流すように、前記出力信号線の論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、（１）乃至（１３）のいずれか一項に記載の比較器。
（１５）前記第４基準電圧ノードよりも高い第１基準電圧ノードの電圧で動作する前記比較部の前記出力信号を、前記第４基準電圧ノードの電圧に対応する信号に変換する電圧変換回路をさらに備える、（１４）に記載の比較器。
（１６）入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
を備える比較器と、
前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
を備える、ＡＤ変換器。
（１７）入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
を備える比較器と、
前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
を備えるＡＤ変換器と、
画素に入射された光を受光して光電変換することで生成された電荷信号を、前記入力信号として前記比較部に出力する画素回路と、
を備える、固体撮像装置。
（１８）前記画素回路が配置される第１チップと、
前記第１チップと積層され、前記論理固定部が配置される第２チップと、をさらに備える、（１７）に記載の固体撮像装置。
（１９）前記ＡＤ変換器は、画素ごとに配置される、（１７）又は（１８）に記載の固体撮像装置。
（２０）入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
を備える比較器と、
前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
を備えるＡＤ変換器と、
画素に入射された光を受光して光電変換することで生成された電荷信号を、前記入力信号として前記比較部に出力する画素回路と、
を備える固体撮像装置
を備える、電子機器。
本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
１ 固体撮像装置、１１A 上側基板、１１C 下側基板、２１ 画素、４１ 画素回路、４２ ＡＤＣ、５１ 比較回路、５２ データ記憶部、６１ 差動入力回路、６２ 電圧変換回路、６３ 正帰還回路、６４ 論理固定部、６４１ 第１トランジスタ、６４２ 第２トランジスタ、６４３ 第３トランジスタ、６４４ 第４トランジスタ、６４５ 第５トランジスタ、ＩＮＶ インバータ、ＳＬ２ 出力信号線、Ｎ１ 第１ノード、Ｎ２ 第２ノード、Ｎ３ 第３ノード

Claims (20)

  1. 入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
    前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を解除する論理固定部と、
    を備える、比較器。
  2. 前記論理固定部は、第１基準電圧ノードと接続される前記比較部から前記出力信号線に流れるリーク電流を、第２基準電圧ノードに流すように、前記出力信号線の論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、請求項１に記載の比較器。
  3. 前記論理固定部は、前記比較部から前記出力信号線上の第１ノードに流れるリーク電流を、複数のリーク電流パスを介して前記出力信号線上の第２ノード及び前記第２基準電圧ノードに流すことにより、前記第１ノードから前記第２ノードに流れるリーク電流を前記第２基準電圧ノードに流すように、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、請求項２に記載の比較器。
  4. 前記論理固定部は、
    前記出力信号線上の第１ノードと第２ノードとの間に接続され、ゲートが前記第１ノードと電気的に接続される第１トランジスタと、
    前記第１ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２トランジスタ、及び、前記第２ノードと前記第２基準電圧ノードとの間に接続される第３トランジスタの少なくとも一方と、
    前記第３トランジスタのゲートと、前記第２基準電圧ノードと、の間に接続され、ゲートが前記第１ノードと電気的に接続される第４トランジスタと、
    前記第３トランジスタのゲートと、第３基準電圧ノードと、の間に接続される第５トランジスタと、
    を有し、
    前記出力信号の論理が反転するまで前記第３トランジスタをオンすることにより、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、請求項１に記載の比較器。
  5. 前記論理固定部は、
    前記第２トランジスタのゲートに入力される第１初期化信号に基づいて前記第１ノードの電圧レベルを前記第２基準電圧ノードに基づいて初期化することにより、前記第１トランジスタ及び前記第４トランジスタをオフし、
    前記第５トランジスタのゲートに入力される第２初期化信号に基づいて前記第３トランジスタのゲートの電圧レベルを前記第３基準電圧ノードに基づいて初期化することにより、前記第３トランジスタをオンするとともに、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理にする、請求項４に記載の比較器。
  6. 前記論理固定部は、
    前記比較部から前記第１ノードに流れるリーク電流を、オフ状態の前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタを介して、それぞれ前記第２ノード及び前記第２基準電圧ノードに流し、
    オフ状態の前記第１トランジスタを介して前記第１ノードから前記第２ノードに流れるリーク電流を、オン状態の前記第３トランジスタを介して前記第２基準電圧ノードに流すように、前記第２ノードの論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、請求項４に記載の比較器。
  7. 前記論理固定部は、オフ状態の前記第５トランジスタを介して前記第３基準電圧ノードから前記第３トランジスタのゲートに流れるリーク電流を、オフ状態の前記第４トランジスタを介して、前記第２基準電圧ノードに流す、請求項６に記載の比較器。
  8. 前記論理固定部は、
    前記第１ノードに出力される前記出力信号の論理が反転するタイミングで前記第４トランジスタをオンすることにより、前記第３トランジスタをオフして前記第２ノードの論理の固定を解除し、
    前記第１ノードに出力される前記出力信号の論理が反転するタイミングで前記第１トランジスタをオンすることにより、前記出力信号を前記第２ノードに供給する、請求項４に記載の比較器。
  9. 前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタは、同じ導電型のトランジスタであり、
    前記第５トランジスタは、前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタとは異なる導電型のトランジスタである、請求項４に記載の比較器。
  10. 前記第２トランジスタのゲートと、前記第５トランジスタのゲートと、の間に接続されるインバータをさらに備える、請求項９に記載の比較器。
  11. 前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、前記第４トランジスタ及び前記第５トランジスタは、同じ導電型のトランジスタであり、
    前記第５トランジスタのゲートは、前記第２トランジスタのゲートに入力される信号と同じ信号が入力される、請求項４に記載の比較器。
  12. 前記比較部は、前記比較部の第１基準電圧ノードと、前記出力信号線と、の間に接続される第６トランジスタを有し、
    前記第６トランジスタの閾値電圧は、前記論理固定部が有するトランジスタの閾値電圧と略同じである、請求項１に記載の比較器。
  13. 前記比較部は、前記比較部の第１基準電圧ノードと、前記出力信号線と、の間に接続される第６トランジスタを有し、
    前記第６トランジスタの閾値電圧は、前記論理固定部が有するトランジスタの閾値電圧よりも低い、請求項１に記載の比較器。
  14. 前記出力信号に基づいて、前記比較器の比較結果信号の論理が反転するときの遷移速度を高速化する正帰還回路をさらに備え、
    前記論理固定部は、第４基準電圧ノードと接続される前記正帰還回路から前記出力信号線に流れるリーク電流を、第２基準電圧ノードに流すように、前記出力信号線の論理を前記第２基準電圧ノードに基づいた前記第１論理に固定する、請求項１に記載の比較器。
  15. 前記第４基準電圧ノードよりも高い第１基準電圧ノードの電圧で動作する前記比較部の前記出力信号を、前記第４基準電圧ノードの電圧に対応する信号に変換する電圧変換回路をさらに備える、請求項１４に記載の比較器。
  16. 入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
    前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
    を備える比較器と、
    前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
    を備える、ＡＤ変換器。
  17. 入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
    前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
    を備える比較器と、
    前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
    を備えるＡＤ変換器と、
    画素に入射された光を受光して光電変換することで生成された電荷信号を、前記入力信号として前記比較部に出力する画素回路と、
    を備える、固体撮像装置。
  18. 前記画素回路が配置される第１チップと、
    前記第１チップと積層され、前記論理固定部が配置される第２チップと、をさらに備える、請求項１７に記載の固体撮像装置。
  19. 前記ＡＤ変換器は、画素ごとに配置される、請求項１７に記載の固体撮像装置。
  20. 入力信号と参照信号との比較に基づいた出力信号を出力する比較部と、
    前記出力信号の論理が反転するまで、前記比較部の出力信号線の論理を第１論理に固定し、前記出力信号の論理が反転するタイミングで、前記出力信号線の論理の固定を回路する論理固定部と、
    を備える比較器と、
    前記比較器の比較結果信号が反転したときの時刻コードを記憶するデータ記憶部と、
    を備えるＡＤ変換器と、
    画素に入射された光を受光して光電変換することで生成された電荷信号を、前記入力信号として前記比較部に出力する画素回路と、
    を備える固体撮像装置
    を備える、電子機器。
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