JP3357858B2 - Analog-to-digital converter - Google Patents

Analog-to-digital converter

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JP3357858B2
JP3357858B2 JP08933599A JP8933599A JP3357858B2 JP 3357858 B2 JP3357858 B2 JP 3357858B2 JP 08933599 A JP08933599 A JP 08933599A JP 8933599 A JP8933599 A JP 8933599A JP 3357858 B2 JP3357858 B2 JP 3357858B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、アナログデジタ
ル変換器に関するものであり、例えば固体撮像素子に内
蔵して有効な回路である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an analog-to-digital converter, and is an effective circuit built in, for example, a solid-state imaging device.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体撮像素子に有効なアナログデジタル
変換器として、例えば特開平9−238286号公報に
記載された技術がある。しかしながら、アナログデジタ
ル変換特性としてさらなる改善が必要であることに本件
発明者は注目するものである。
2. Description of the Related Art As an analog-to-digital converter effective for a solid-state imaging device, there is a technique described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-238286. However, the present inventor has noticed that the analog-to-digital conversion characteristics require further improvement.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記のアナログデジタ
ル変換器は、画素から直流成分に多重されて出力される
信号成分を隣接する2時点でサンプリングし、そのサン
プル成分の差成分と、デジタル値に応じて変化する基準
電圧波形とを比較し、一致したときに対応する前記デジ
タル値を出力する単一スロープ型アナログデジタル変換
器である。
The above-described analog-to-digital converter samples a signal component multiplexed and output from a pixel into a DC component at two adjacent points in time, and converts the difference component of the sample component into a digital value. A single-slope analog-to-digital converter that compares a reference voltage waveform that changes accordingly and outputs the corresponding digital value when they match.

【0004】しかしこのアナログデジタル変換器では、
微少な入力電圧があったときと、ある所定の電圧を超え
る入力電圧があったときの変換特性に感度の違いがあ
る。このような違いがあると、固体撮像素子を暗い環境
で使用した場合と明るい環境で使用した場合の解像度が
異なることになる。
However, in this analog-to-digital converter,
There is a difference in sensitivity in conversion characteristics between when there is a very small input voltage and when there is an input voltage exceeding a predetermined voltage. If there is such a difference, the resolution will be different when the solid-state imaging device is used in a dark environment and in a bright environment.

【0005】そこでこの発明は、安定したアナログデジ
タル変換特性を得ることができるアナログデジタル変換
器を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an analog-to-digital converter capable of obtaining stable analog-to-digital conversion characteristics.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この発明に係るアナログ
デジタル変換器は、上記の目的を達成するために、入力
信号の電圧をしきい値電圧と比較し、この比較結果に応
じて出力電圧を反転させる反転型の電圧比較器と、初期
値から直線的に増加または減少するデジタル値を発生す
るデジタル値発生手段と、このデジタル値発生手段で発
生されるデジタル値に対応する基準電圧を発生する基準
電圧発生手段と、前記電圧比較器の出力電圧が反転した
時点で前記デジタル値発生手段で発生されるデジタル値
をアナログデジタル変換値として出力するデジタル値出
力手段と、一方端が入力端に接続され、前記入力端に供
給される直流成分に多重されて出力される信号を選択的
に導出する第1のスイッチ素子と、この第1のスイッチ
素子の他方端と前記電圧比較器の入力端との間に接続さ
れる第1のコンデンサと、一方端が前記第1のスイッチ
素子の他方端に接続される第2のコンデンサと、前記第
2のコンデンサの他方端と前記基準電圧発生手段の基準
電圧出力端との間に接続され、前記第1及び第2のコン
デンサによる直列回路を前記基準電圧出力端に選択的に
接続する第2のスイッチ素子と、前記電圧比較器の入力
出力端間を選択的に接続する第3のスイッチ素子と、前
記デジタル値発生手段のデジタル値発生タイミング、前
記第1乃至第3のスイッチ素子それぞれのオン・オフタ
イミングを制御するタイミング制御手段とを備え、 前記
タイミング制御手段は、前記第2のスイッチ素子をオ
フ、第3のスイッチ素子をオンとした状態で、第1の時
点で前記第1のスイッチ素子をオン状態とすることで、
前記入力端から第1の時点の信号電圧を取り込んで前記
しきい値電圧との第1の差電圧を前記第1のコンデンサ
にホールドし、続いて、前記第1のスイッチ素子のオン
状態を維持し、前記第3のスイッチ素子をオフとした状
態で、第2の時点で前記第2のスイッチ素子をオンとす
ることで、前記入力端から第2の時点の信号電圧を取り
込んで前記基準電圧との第2の差電圧を第2のコンデン
サにホールドし、続いて、前記第2のスイッチ素子のオ
ン状態を維持しつつ、第1のスイッチ素子をオフ状態と
することで、前記第1及び第2のコンデンサの直列接続
により前記第1の差電圧と前記第2の差電圧との差成分
を得るとともに、 この差成分と前記基準電圧との和成分
を前記電圧比較器の入力に与え、続いて、前記デジタル
値発生手段にデジタル値の増加または減少を開始させる
ことで、前記基準電圧を変化させ、これによって前記電
圧比較器の出力を高レベルから低レベルに反転させるよ
うにし、 前記基準電圧発生手段は、前記デジタル値発生
手段の動作開始前に、前記基準電圧波形のアナログデジ
タル変換特性の単調性を保持するとともに、前記差成分
と前記基準電圧との和成分をしきい値電圧と比較したと
きの前記電圧比較器の出力電圧が前記差成分の電圧レベ
ルによらず前記高レベルから開始されるに足りる基準電
圧波形を生成する期間を有することを特徴とする
An analog according to the present invention is provided.
Digital converter , input to achieve the above purpose
Compare the signal voltage to the threshold voltage and respond to this comparison.
Inverting voltage comparator that inverts the output voltage
Generate digital values that increase or decrease linearly from values
Digital value generating means and the digital value generating means
A reference that generates a reference voltage corresponding to the digital value generated
The voltage generating means and the output voltage of the voltage comparator are inverted
A digital value generated by the digital value generating means at a point in time
Output as analog-to-digital conversion value
Force means, one end of which is connected to the input end and which is connected to said input end.
Selects the output signal multiplexed with the supplied DC component.
And a first switch element derived from
Connected between the other end of the element and the input end of the voltage comparator.
A first capacitor, one end of which is the first switch
A second capacitor connected to the other end of the element;
2 and the reference of the reference voltage generating means.
A first output terminal connected to the first output terminal and a second output terminal;
Selectively connect a series circuit with a capacitor to the reference voltage output terminal.
A second switch element to be connected and an input of the voltage comparator
A third switch element for selectively connecting between output terminals;
Digital value generation timing of the digital value generation means, before
The on / off timer of each of the first to third switch elements
And a timing control means for controlling the timing, the
The timing control means turns off the second switch element.
In the first state with the third switch element turned on,
By turning on the first switch element at the point,
A signal voltage at a first time point is taken in from the input terminal,
A first difference voltage between the first capacitor and the first capacitor;
And then turn on the first switch element.
State while the third switch element is turned off.
In this state, the second switch element is turned on at a second point in time.
Thus, the signal voltage at the second point in time is obtained from the input terminal.
And a second difference voltage from the reference voltage
And then turn on the second switch element.
The first switch element is turned off while maintaining the on state.
To connect the first and second capacitors in series.
The difference component between the first difference voltage and the second difference voltage
With obtaining the sum component between the reference voltage and the difference component
To the input of the voltage comparator, followed by the digital
Causes the value generator to start increasing or decreasing the digital value
This changes the reference voltage, thereby changing the voltage.
Invert the output of the pressure comparator from high to low
And the reference voltage generating means generates the digital value.
Before the operation of the means starts, an analog digital
While maintaining the monotonicity of the
And the sum of the reference voltage and the threshold voltage
The output voltage of the voltage comparator at the time of
Reference voltage sufficient to start from the high level
It is characterized by having a period for generating a pressure waveform .

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0008】図1において、破線で囲む部分PBは、固体
撮像素子の画素部であり、光電変換素子PDのカソード
は、直列にリセットスイッチ素子RD,読み出しスイッ
チ素子RSを介して直流電源100に接続されている。
スイッチ素子RDとRSの接続点は、電流増幅素子Q1のゲ
ートに接続されている。この電流増幅素子Q1の一方の
電極(ドレイン)は、直流電源100に接続され、他方
の電極(ソース)は、定電流源11を介して接地されて
いる。
In FIG. 1, a portion PB surrounded by a broken line is a pixel portion of the solid-state imaging device, and a cathode of the photoelectric conversion device PD is connected in series to a DC power supply 100 via a reset switch device RD and a read switch device RS. Have been.
The connection point between the switch elements RD and RS is connected to the gate of the current amplification element Q1. One electrode (drain) of the current amplifying element Q1 is connected to the DC power supply 100, and the other electrode (source) is grounded via the constant current source 11.

【0009】またこの電極(ソース)は、信号出力ノー
ドとして引き出され、アナログデジタル(AD)変換部
13に導かれている。AD変換部13は、スイッチ素子
S1が入力ノードに設けられる。このスイッチ素子S1の
出力ノードは、コンデンサC1とC2の各一方の電極に接
続されている。コンデンサC2の他方の電極には、スイ
ッチ素子S2を介して基準電圧発生回路14からの基準電
圧が供給されるように構成される。コンデンサC2の他
方の電極は、インバータA1とスイッチ素子S3との並列
回路を介してラッチ回路15のゲート信号入力端に接続
されている。
The electrode (source) is drawn out as a signal output node, and is led to an analog-to-digital (AD) converter 13. The AD converter 13 is a switch element
S1 is provided at the input node. The output node of the switch element S1 is connected to one electrode of each of the capacitors C1 and C2. The other electrode of the capacitor C2 is configured to be supplied with the reference voltage from the reference voltage generation circuit 14 via the switch element S2. The other electrode of the capacitor C2 is connected to a gate signal input terminal of the latch circuit 15 via a parallel circuit of the inverter A1 and the switch element S3.

【0010】ラッチ回路15には、カウンタ16からの
カウントデータが供給されている。また、このカウント
データは、基準電圧発生回路14にも供給されている。
基準電圧発生回路14は、カウントデータの値に対応し
た振幅の電圧を出力する。タイミング回路17は、各ス
イッチ素子をオンオフさせるためのタイミングパルスや
カウンタ16のリセットパルス及びクロックを出力する
回路である。
The count data from the counter 16 is supplied to the latch circuit 15. The count data is also supplied to the reference voltage generation circuit 14.
The reference voltage generation circuit 14 outputs a voltage having an amplitude corresponding to the value of the count data. The timing circuit 17 is a circuit that outputs a timing pulse for turning on / off each switch element, a reset pulse of the counter 16, and a clock.

【0011】図2には、上記の回路の動作を説明するた
めの波形を示している。
FIG. 2 shows waveforms for explaining the operation of the above circuit.

【0012】リセットパルス(図2(a))によりスイ
ッチRSがオンすると、電流増幅素子Q1のゲートを高
電位にする。すると電流増幅素子Q1の出力電圧Vsi
gが高電位となり、次にスイッチ素子RSがオフ、スイ
ッチ素子S1がオンされ、更にスイッチ素子S3がオン
される。すると、出力電圧Vsigの電位VaとVth
1の差電位、つまり(Va−Vth1)がコンデンサC
1に蓄えられる。Vth1は、インバータA1の閾値電
圧である。なおインバータA1の閾値をVth1、ラッ
チ回路15の閾値をVth2とする。
When the switch RS is turned on by a reset pulse (FIG. 2A), the gate of the current amplifying element Q1 is set to a high potential. Then, the output voltage Vsi of the current amplification element Q1
g becomes high potential, then the switching element RS is turned off, the switching element S1 is turned on, and the switching element S3 is turned on. Then, the potentials Va and Vth of the output voltage Vsig
The difference potential of 1 , that is, (Va- Vth1 ) is
Stored in 1. Vth1 is a threshold voltage of the inverter A1. Note that the threshold value of the inverter A1 is Vth1,
The threshold value of the switching circuit 15 is set to Vth2.

【0013】次に、スイッチ素子S1のオン状態は維持
し、スイッチ素子RDをオンする。つまり光電変換素子
(フォトダイオード)PDに蓄積されている信号電荷を電
流増幅素子Q1のゲートに転送する。すると、電流増幅
素子Q1の出力電圧Vsigは、信号電荷(光電変換量)に
応じた電圧となる。ここでスイッチ素子S2をオンす
る。すると、このときの出力電圧Vbと基準電圧Vsawとの
差電圧、つまり(Vb−V0)がコンデンサC2に蓄えら
れる。
Next, the on state of the switch element S1 is maintained, and the switch element RD is turned on. That is, the signal charge stored in the photoelectric conversion element (photodiode) PD is transferred to the gate of the current amplification element Q1. Then, the output voltage Vsig of the current amplifying element Q1 becomes a voltage corresponding to the signal charge (the amount of photoelectric conversion). Here, the switch element S2 is turned on. Then, the difference voltage between the output voltage Vb and the reference voltage Vsaw at this time, that is, (Vb−V0) is stored in the capacitor C2.

【0014】次にスイッチ素子S1がオフされ、スイッ
チ素子S2のオン状態が維持され、基準電圧Vsawがカウ
ンタ16のカウント値に基づいて可変される。これによ
り基準電圧Vsawは、順次増加又は減少する。スイッチ素
子S1がオフした後は、スイッチ素子S2のみのオン状態が
維持される。
Next, the switch element S1 is turned off, the on state of the switch element S2 is maintained, and the reference voltage Vsaw is varied based on the count value of the counter 16. As a result, the reference voltage Vsaw increases or decreases sequentially. After the switch element S1 is turned off, only the switch element S2 is kept on.

【0015】ここで、インバータA1の入力電圧Vin
を見るとVin=Vsaw+(Vb−V0) −(Vb−
th1)となる。この式を変形するとVin=Vth1
(Vb−Va)+(Vsaw−V0)となる。つまりイ
ンバータA1の入力電圧Vinは、閾値電圧Vth1
と、入力電圧を2時点でサンプリングした電圧の電位差
(Vb−Va)と、基準電圧の変化幅(Vsaw−V
0)との和となる。ここで基準電圧の変化幅(Vsaw
−V0)と、電位差(Vb−Va)との和がゼロとなっ
たときに、Vin=Vth1(閾値電圧)となり、イン
バータA1は反転することができる。
Here, the input voltage Vin of the inverter A1 is
Looking at, Vin = Vsaw + (Vb−V0) − (Vb−V
th1). By transforming this equation, Vin =Vth1+
(Vb-Va) + (Vsaw-V0). That is,
The input voltage Vin of the inverter A1 is a threshold voltageVth1
And the potential difference between the voltages sampled at two points in time
(Vb−Va) and the reference voltage change width (Vsaw−V).
0). Here, the reference voltage change width (Vsaw
−V0) and the potential difference (Vb−Va) become zero.
When Vin =Vth1(Threshold voltage)
The barter A1 can be inverted.

【0016】基準電圧の変化幅(Vsaw−V0)と、
電位差(Vb−Va)との和がゼロとなることは、(V
saw−V0)+(Vb−Va)=0であり、(Vb−
Va)=−(Vsaw−V0)と表せる。図2の(g)
には基準電圧Vsawの変化の様子を示し、Vsaw−
V0=V1が閾値Vth1と等しくなった場合を示してい
る。このときは、インバータA1の出力電圧Voutは、
ハイレベルVHからローレベルVLに変化する。
The reference voltage change width (Vsaw-V0);
The fact that the sum with the potential difference (Vb−Va) becomes zero means that (V
(saw−V0) + (Vb−Va) = 0, and (Vb−
Va) = − (Vsaw−V0). (G) of FIG.
Shows how the reference voltage Vsaw changes, and Vsaw-
The case where V0 = V1 has become equal to the threshold value Vth1 is shown. At this time, the output voltage Vout of the inverter A1 is
It changes from the high level VH to the low level VL.

【0017】このとき、ラッチ回路15では、カウンタ
16のカウント値をラッチする。このラッチ回路15の
デジタル出力がアナログデジタル変換出力である。
At this time, the latch circuit 15 latches the count value of the counter 16. The digital output of the latch circuit 15 is an analog-to-digital conversion output.

【0018】上記のアナログデジタル変換器は電流増幅
素子Q1の出力側の信号線に重畳される直流成分(雑音
成分)に対しては感度を持たず、雑音低減回路として機
能する。
The analog-to-digital converter has no sensitivity to a DC component (noise component) superimposed on a signal line on the output side of the current amplifying element Q1, and functions as a noise reduction circuit.

【0019】図3は、上記のアナログデジタル変換器の
変換特性を説明するために示した図である。理想的な変
換特性は、特性線3Aで示すように直線であるべきであ
る。しかしながら、実際には、特性線3Bで示すよう
に、入力信号のレベルが低い範囲では、変換特性の変化
傾斜が他の範囲より大きい。このような特性線3Bで示
す特性であると、薄暗い環境で被写体を撮像したとき
に、映像の白部分と黒い部分との輝度変化が激しく不自
然となる。またカラーカメラを構成した場合にはRGB
の感度が異なり、結果として色毎に非線形状が異なるた
め無彩色の被写体に着色現象が発生してしまう。
FIG. 3 is a diagram for explaining the conversion characteristics of the analog-to-digital converter. The ideal conversion characteristic should be a straight line as shown by the characteristic line 3A. However, in practice, as shown by the characteristic line 3B, in the range where the level of the input signal is low, the change characteristic change slope is larger than the other ranges. With such a characteristic indicated by the characteristic line 3B, when an image of a subject is taken in a dimly lit environment, the luminance change between the white part and the black part of the video becomes severe and unnatural. When a color camera is configured, RGB
Are different, and as a result, the non-linear state is different for each color, so that an achromatic subject is colored.

【0020】このような特性を改善するために、この変
換器では、基準電圧の波形に対して後述するような対策
を図っている。
In order to improve such characteristics, the converter takes the following countermeasures against the waveform of the reference voltage.

【0021】まず、上記のような特性線3Bが生じる原
因を検討すると、図4に示すように、インバータA1と
並列に寄生容量Cpが生じていることが起因している。
First, considering the cause of the characteristic line 3B as described above, as shown in FIG. 4, the parasitic capacitance Cp is generated in parallel with the inverter A1.

【0022】ここでインバータA1の出力電圧の変化範
囲(VHとVLとの間)は有限である。インバータA1の出
力電圧が変化している途中で、インバータA1の入力静
電容量がミラー効果により大きくなる。
Here, the change range (between VH and VL) of the output voltage of the inverter A1 is finite. While the output voltage of the inverter A1 is changing, the input capacitance of the inverter A1 increases due to the Miller effect.

【0023】図5には、A1の閾値付近(出力電圧が
する領域)で入力静電容量が大きくなった様子を示し
ている。また図6(d)には、上記のコンデンサC1側
の入力電圧VMが、無信号時と有信号時とでどのように
変化するかを示している。無信号時には、VMとVout
は、図6(d), 図6(e)に点線で示すような関係であ
り、Vth2に対するクロスタイミングは、Vsawの
変換開始時点と一致する。しかし、入力信号Vbが存在
するときは、VMとVoutは、実線で示すような関係で
あり、図6(d)に示すように、VMがVbまで下が
る。この結果、Voutは、Vth2に対するクロスタイミ
ングが遅れる。そしてアナログデジタル変換特性はプラ
ス方向のずれを生じる。このずれを表したのが、先の図
3である。
[0023] Figure 5, variable threshold around (the output voltage of A1
Shows how the input capacitance is increased in the region) to reduction. FIG. 6D shows how the input voltage VM on the capacitor C1 changes between when there is no signal and when there is a signal. When there is no signal, VM and Vout
6 (d) and 6 (e) are shown as dotted lines, and the cross timing with respect to Vth2 coincides with the conversion start time of Vsaw. However, when the input signal Vb is present, the relationship between VM and Vout is as shown by a solid line, and as shown in FIG. 6D, VM drops to Vb. As a result, the cross timing of Vout with respect to Vth2 is delayed. Then, the analog-to-digital conversion characteristic shifts in the plus direction. FIG. 3 shows this shift.

【0024】そこでこの発明では、入力信号に対する出
力デジタル値が理想的な変換特性を持つように工夫する
ものである。この発明では、図7に示すように、基準電
圧Vsawの波形を制御することにより、アナログデジタル
変換特性をマイナス方向へ全体的にシフトさせるもので
ある。これにより、変換特性の非線型な部分が使用され
るのを無くし、直線的な変換特性が得られるようにして
いる。
Therefore, the present invention is devised so that the output digital value corresponding to the input signal has ideal conversion characteristics. In the present invention, as shown in FIG. 7, by controlling the waveform of the reference voltage Vsaw, the analog-to-digital conversion characteristics are shifted in the negative direction as a whole. This eliminates the use of a non-linear portion of the conversion characteristic, and obtains a linear conversion characteristic.

【0025】図8は、この発明の変換器のアナログデジ
タル変換特性である。
FIG. 8 shows the analog-digital conversion characteristics of the converter according to the present invention.

【0026】このような特性とするには、図7(g)の
Vsawの区間Tで示す範囲をアナログデジタル変換範囲
外の振幅とすればよい。このような振幅特性とした場
合、入力信号Vbが存在した場合,基準電圧の変化に伴
いVMは図7(h)の実線で示すように変化する。破線
は入力信号が無い場合のVMの変化である。無信号の場合
のインバータA1の出力Voutの変化は、図7()の
破線のように変化し時点t1で閾値(Vth2)に達した
後、カウンタ16のカウント値をラッチする。また、有
信号の場合のインバータA1の出力Voutは、図7
)の実線のように変化し時点t2で閾値に達した
後、カウンタ16のカウント値をラッチする
In order to obtain such characteristics, FIG.
The range indicated by the section T of Vsaw may be an amplitude outside the analog-to-digital conversion range. With such an amplitude characteristic, when the input signal Vb is present, the VM changes as shown by the solid line in FIG. The dashed line is the change in VM when there is no input signal. The change in the output Vout of the inverter A1 when there is no signal changes as indicated by the broken line in FIG. 7 ( i ), and after reaching the threshold value (Vth2) at time t1, the count value of the counter 16 is latched . The output Vout of the inverter A1 when there is a signal is shown in FIG.
After changing as indicated by the solid line in ( i ) and reaching the threshold value at time t2 , the count value of the counter 16 is latched .

【0027】つまり、この発明では、基準電圧に対し
て、そのアナログデジタル変換時との単調性を保持する
とともに、入力信号(2点のサンプル電圧の差成分)と
基準電圧波形とを比較する電圧比較器(インバータ)の
出力電圧が、前記差成分の大きさによらず同一の電圧か
ら開始されるに足りる信号期間を設けている。
That is, according to the present invention, the reference voltage is kept monotonic with the analog-to-digital conversion, and the voltage for comparing the input signal (difference component between the two sample voltages) with the reference voltage waveform. A signal period is provided for the output voltage of the comparator (inverter) to start from the same voltage regardless of the magnitude of the difference component.

【0028】[0028]

【0029】[0029]

【0030】上記の実施の形態は、基準電圧の波形を制
御することにより、AD変換特性を直線とした。しかしこ
れに限らず、他の実施の形態も可能である。インバータ
A1の入出力間に寄生容量Cpが生じないように回路的に対
策することも可能である。
In the above-described embodiment, the AD conversion characteristic is linearized by controlling the waveform of the reference voltage. However, the present invention is not limited to this, and other embodiments are possible. Inverter
It is also possible to take circuit measures to prevent the occurrence of the parasitic capacitance Cp between the input and output of A1.

【0031】図10には、回路構成により寄生容量Cpの
影響を無くし、アナログデジタル変換特性を改善する例
を示している。即ち、インバータA1の入力側に直列に
バッファアンプA2を接続する。そしてバッファアンプ
A2の入力側とインバータA1の出力側との間にスイッ
チS3AとS3Bとを直列接続する。さらにスイッチS
3AとS3Bの接続点とアースライン間にスイッチS3
Cを接続する。
FIG. 10 shows an example in which the influence of the parasitic capacitance Cp is eliminated by the circuit configuration to improve the analog-to-digital conversion characteristics. That is, the buffer amplifier A2 is connected in series to the input side of the inverter A1. Then, switches S3A and S3B are connected in series between the input side of the buffer amplifier A2 and the output side of the inverter A1. Further switch S
Switch S3 between the connection point of 3A and S3B and the earth line
Connect C.

【0032】このような構成とし、リセット時には、ス
イッチS3A,S3Bをオンし、基準電圧Vsawが変化
するときは、スイッチS3Cがオンされて、出力電圧の
変化が入力側に及ばないようにすることができる。
With such a configuration, the switches S3A and S3B are turned on at the time of reset, and when the reference voltage Vsaw changes, the switch S3C is turned on so that the change of the output voltage does not reach the input side. Can be.

【0033】しかしこの構成であると、回路規模の増
大、消費電力の増大があるので、これらの増大なく目的
を達成しようとするならば、先の実施の形態が好まし
い。
However, with this configuration, there is an increase in circuit scale and power consumption. Therefore, if the object is to be achieved without these increases, the above-described embodiment is preferable.

【0034】図11はこの発明のアナログデジタル変換
器を具体的に固体撮像素子の内部に組み込んだときの一
例を示す図である。この実施の形態は、固体撮像素子と
して、撮像部、ノイズキャンセル回路及び制御部を1チ
ップに構成した場合を示している。
FIG. 11 is a diagram showing an example when the analog-to-digital converter of the present invention is specifically incorporated in a solid-state image sensor. This embodiment shows a case in which an imaging unit, a noise canceling circuit, and a control unit are configured as one solid-state imaging device.

【0035】撮像部の1つの画素ブロックPB11を代
表してその構成を説明する。この画素ブロックPB11
は、電源100と接地電位間には、直列接続されたスイ
ッチ101と受光素子102があり、スイッチ101と
受光素子102間の接続点には、増幅器103の入力端
子が接続され、この増幅器103の出力端子はスイッチ
104を介して信号導出ライン(垂直ライン)VL1に
接続されている。
The structure of one pixel block PB11 of the imaging section will be described as a representative. This pixel block PB11
There is a switch 101 and a light receiving element 102 connected in series between a power supply 100 and a ground potential, and a connection point between the switch 101 and the light receiving element 102 is connected to an input terminal of an amplifier 103. The output terminal is connected to a signal derivation line (vertical line) VL1 via a switch 104.

【0036】画素ブロックPB11について代表して説
明したが、他の画素ブロックも同様な構成である。画素
ブロックPB12〜PBnm(m水平方向画素番号、n
垂直方向画素番号)についても同様な構成である。画素
ブロックPB11、PB12、…PB1mは、第1の水
平ライン方向の画素列を示し、画素ブロックPB21、
PB22、…PB2mは、第2の水平ライン方向の画素
列を示す。各画素ブロック内は同様な構成であるから、
同一符号を付している。各画素ブロックの垂直方向の列
は、それぞれ信号導出ライン(垂直ライン)VL1〜V
Lmに共通に接続されている。
Although the pixel block PB11 has been described as a representative, other pixel blocks have the same configuration. Pixel blocks PB12 to PBnm (m horizontal pixel number, n
The same applies to the vertical pixel numbers. The pixel blocks PB11, PB12,... PB1m indicate pixel columns in the first horizontal line direction, and the pixel blocks PB21,.
PB2,... PB2m indicate pixel columns in the second horizontal line direction. Since each pixel block has the same configuration,
The same reference numerals are given. The columns in the vertical direction of each pixel block are signal derivation lines (vertical lines) VL1 to VL, respectively.
Lm.

【0037】各信号導出ラインVL1〜VLmには、そ
れぞれノイズキャンセル回路NR1〜NRmが接続され
ている。
Noise cancellation circuits NR1 to NRm are connected to the signal derivation lines VL1 to VLm, respectively.

【0038】各ノイズキャンセル回路は同じ構成である
から、1つを代表して説明する。信号導出ラインVL1
は、スイッチ2−1を介してコンデンサ3−1と4−1
の各一方の電極の接続点に接続されている。コンデンサ
3−1の他方の電極は、スイッチ5−1を介してD/A
変換器311の出力端子に接続されている。
Since each of the noise canceling circuits has the same configuration, only one will be described. Signal derivation line VL1
Are connected to the capacitors 3-1 and 4-1 via the switch 2-1.
Are connected to the connection point of one of the electrodes. The other electrode of the capacitor 3-1 is connected to the D / A via the switch 5-1.
It is connected to the output terminal of the converter 311.

【0039】先のコンデンサ4−1の他方の電極は、比
較器として動作するインバータ7−1の入力端子に接続
されると共に、スイッチ8−1を介してこのインバータ
7−1の出力端子に接続されている。このインバータ7
−1の出力端子は、制御部を構成するラッチ回路11−
1の駆動パルス入力端Gに接続されている。
The other electrode of the capacitor 4-1 is connected to the input terminal of the inverter 7-1 operating as a comparator and to the output terminal of the inverter 7-1 via the switch 8-1. Have been. This inverter 7
The output terminal of -1 is a latch circuit 11-
1 drive pulse input terminal G.

【0040】ノイズキャンセル回路NR2に対応して、
ラッチ回路11−2が設けられている。このラッチ回路
11−2の駆動パルス入力端Gには、ノイズキャンセル
回路NR2のインバータ7−1の出力が供給されてい
る。このようにノイズキャンセル回路NR1〜NRmに
対応してラッチ回路11−1〜11−mが設けらてお
り、これらのラッチ回路11−1〜11−mは、それぞ
れ対応するノイズキャンセル回路のインバータの出力が
反転した時点で、共通のカウンタ312のカウント値を
ラッチする。このカウンタ312の出力は、D/A変換
器311にも入力されている。
According to the noise cancel circuit NR2,
A latch circuit 11-2 is provided. The output of the inverter 7-1 of the noise cancel circuit NR2 is supplied to the drive pulse input terminal G of the latch circuit 11-2. As described above, the latch circuits 11-1 to 11-m are provided corresponding to the noise cancel circuits NR1 to NRm, and these latch circuits 11-1 to 11-m are connected to the inverters of the corresponding noise cancel circuits. When the output is inverted, the count value of the common counter 312 is latched. The output of the counter 312 is also input to the D / A converter 311.

【0041】各ノイズキャンセル回路NR1〜NRmの
基本動作は、図1で説明した通りであり、複数のノイズ
キャンセル回路NR1〜NRmに対して、D/A変換器
311が共有されている。カウンタ312は、水平ドラ
イブ信号HDの先頭でリセットされ、クロックCLOC
Kを計数している。この水平ドライブ信号HD及びクロ
ックCLOCKは、タイミング発生器313にも供給さ
れており、各種のスイッチ制御等のタイミング信号を生
成している。
The basic operation of each of the noise cancellation circuits NR1 to NRm is as described with reference to FIG. 1, and the D / A converter 311 is shared by the plurality of noise cancellation circuits NR1 to NRm. The counter 312 is reset at the beginning of the horizontal drive signal HD, and the clock CLOC
K is counted. The horizontal drive signal HD and the clock CLOCK are also supplied to the timing generator 313, and generate timing signals for various switch controls and the like.

【0042】ラッチ回路11−1〜1−mに対応して、
ラッチ回路12−1〜12−mが設けらている。これら
は、対応するラッチ回路11−1〜11−mにラッチさ
れているデジタル値を、水平ドライブ信号HDのタイミ
ングで一斉にラッチする。ラッチ回路12−1〜12−
mの出力端子は、走査スイッチ13−1〜13−mにそ
れぞれ接続されている。これらの走査スイッチ13−1
〜13−mは、1水平期間に次々とオンして、1走査分
の撮像信号のデジタル値を出力ライン70に導出する。
According to the latch circuits 11-1 to 1-m,
Latch circuits 12-1 to 12-m are provided. These latch the digital values latched by the corresponding latch circuits 11-1 to 11-m all at once with the timing of the horizontal drive signal HD. Latch circuits 12-1 to 12-
Output terminals of m are connected to the scanning switches 13-1 to 13-m, respectively. These scanning switches 13-1
13-m turn on one after another in one horizontal period, and derive the digital value of the imaging signal for one scan to the output line 70.

【0043】図12(A)〜図12(M)には上記の撮
像素子の動作例を説明するためのタイミングチャートを
示している。図12(A)は水平ドライブ信号(H
D)、図12(B)、図12(C)は、垂直ラインVL
1、Vl2の信号電圧Vin1、Vin2である。図1
2(D)はスイッチ2−1〜2−mがオンオフするタイ
ミング、図12(E)はスイッチ5−1〜5−mがオン
オフするタイミング、図12(F)はスイッチ8−1〜
8−mがオンオフするタイミングである。図12(G)
はD/A変換器311から得られる基準電圧Vrefを
示している。図12(H)と図12(I)には、インバ
ータ7−1の入力と出力を示し、図12(J)と図12
(K)には、インバータ7−2の入力と出力を示してい
る。図12(L)、図12(M)には走査スイッチ13
−1、13−2のオンオフタイミングを示している。
FIGS. 12A to 12M are timing charts for explaining an example of the operation of the above-described image pickup device. FIG. 12A shows the horizontal drive signal (H
D), FIGS. 12B and 12C show the vertical line VL
1, Vl2 signal voltages Vin1 and Vin2. FIG.
2 (D) is a timing at which the switches 2-1 to 2-m are turned on / off, FIG. 12 (E) is a timing at which the switches 5-1 to 5-m are turned on / off, and FIG.
8-m is the timing of turning on and off. FIG. 12 (G)
Denotes a reference voltage Vref obtained from the D / A converter 311. FIGS. 12 (H) and 12 (I) show the input and output of the inverter 7-1, and FIGS.
(K) shows the input and output of the inverter 7-2. FIGS. 12 (L) and 12 (M) show the scanning switch 13.
-1 and 13-2 are shown.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によると安
定したアナログデジタル変換特性を得ることができ、良
好な撮像信号を得るのに寄与できる。
As described above, according to the present invention, stable analog-to-digital conversion characteristics can be obtained, which can contribute to obtaining good image pickup signals.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一実施の形態を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】図1の回路の基本動作を説明するために示した
波形図。
FIG. 2 is a waveform chart shown for explaining a basic operation of the circuit of FIG. 1;

【図3】アナログデジタル変換特性の問題点を説明する
図。
FIG. 3 is a diagram illustrating a problem of analog-to-digital conversion characteristics.

【図4】比較器に生じる問題点を説明するための図。FIG. 4 is a diagram illustrating a problem that occurs in a comparator.

【図5】図4の回路の寄生容量の影響を説明する図。FIG. 5 is a diagram illustrating the influence of the parasitic capacitance of the circuit of FIG. 4;

【図6】アナログデジタル変換動作における問題点を波
形で説明するための図。
FIG. 6 is a diagram for explaining a problem in an analog-to-digital conversion operation by using a waveform.

【図7】本発明の一実施の形態における波形を示す図。FIG. 7 is a diagram showing waveforms in one embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施の形態によりアナログデジタル
変換を行った場合の変換特性を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing conversion characteristics when analog-to-digital conversion is performed according to an embodiment of the present invention.

【図9】この発明の他の実施の形態を示す図。FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図10】この発明のアナログデジタル変換器が適用さ
れた固体撮像素子の説明図。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a solid-state imaging device to which the analog-to-digital converter of the present invention is applied.

【図11】図10の固体撮像素子の動作を説明するため
に示した波形図。
FIG. 11 is a waveform chart shown for explaining the operation of the solid-state imaging device of FIG . 10 ;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

RS…リセットスイッチ素子、RD…読み出しスイッチ素
子、PD…光電変換素子、Q1…スイッチ素子、13…アナ
ログデジタル変換部、14…基準電圧変換部、15…ラ
ッチ回路、16…カウンタ、17…タイミング回路、S
1,S2,S3…スイッチ素子、C1,C2…コンデンサ、A1…イ
ンバータ。
RS: reset switch element, RD: read switch element, PD: photoelectric conversion element, Q1: switch element, 13: analog-to-digital converter, 14: reference voltage converter, 15: latch circuit, 16: counter, 17: timing circuit , S
1, S2, S3: switch element, C1, C2: capacitor, A1: inverter.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 入力信号の電圧をしきい値電圧と比較
し、この比較結果に応じて出力電圧を反転させる反転型
の電圧比較器と、 初期値から直線的に増加または減少するデジタル値を発
生するデジタル値発生手段と、 このデジタル値発生手段で発生されるデジタル値に対応
する基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、 前記電圧比較器の出力電圧が反転した時点で前記デジタ
ル値発生手段で発生されるデジタル値をアナログデジタ
ル変換値として出力するデジタル値出力手段と、 一方端が入力端に接続され、前記入力端に供給される直
流成分に多重されて出力される信号を選択的に導出する
第1のスイッチ素子と、 この第1のスイッチ素子の他方端と前記電圧比較器の入
力端との間に接続される第1のコンデンサと、 一方端が前記第1のスイッチ素子の他方端に接続される
第2のコンデンサと、 前記第2のコンデンサの他方端と前記基準電圧発生手段
の基準電圧出力端との間に接続され、前記第1及び第2
のコンデンサによる直列回路を前記基準電圧出力端に選
択的に接続する第2のスイッチ素子と、 前記電圧比較器の入力出力端間を選択的に接続する第3
のスイッチ素子と、 前記デジタル値発生手段のデジタル値発生タイミング、
前記第1乃至第3のスイッチ素子それぞれのオン・オフ
タイミングを制御するタイミング制御手段とを備え、 前記タイミング制御手段は、 前記第2のスイッチ素子をオフ、第3のスイッチ素子を
オンとした状態で、第1の時点で前記第1のスイッチ素
子をオン状態とすることで、前記入力端から第1の時点
の信号電圧を取り込んで前記しきい値電圧との第1の差
電圧を前記第1のコンデンサにホールドし、 続いて、前記第1のスイッチ素子のオン状態を維持し、
前記第3のスイッチ素子をオフとした状態で、第2の時
点で前記第2のスイッチ素子をオンとするこ とで、前記
入力端から第2の時点の信号電圧を取り込んで前記基準
電圧との第2の差電圧を第2のコンデンサにホールド
し、 続いて、前記第2のスイッチ素子のオン状態を維持しつ
つ、第1のスイッチ素子をオフ状態とすることで、前記
第1及び第2のコンデンサの直列接続により前記第1の
差電圧と前記第2の差電圧との差成分を得るとともに、
この差成分と前記基準電圧との和成分を前記電圧比較器
の入力に与え、 続いて、前記デジタル値発生手段にデジタル値の増加ま
たは減少を開始させることで、前記基準電圧を変化さ
せ、これによって前記電圧比較器の出力を高レベルから
低レベルに反転させるようにし、 前記基準電圧発生手段は、 前記デジタル値発生手段の動作開始前に、前記基準電圧
波形のアナログデジタル変換特性の単調性を保持すると
ともに、前記差成分と前記基準電圧との和成分をしきい
値電圧と比較したときの前記電圧比較器の出力電圧が前
記差成分の電圧レベルによらず前記高レベルから開始さ
れるに足りる基準電圧波形を生成する期間を有すること
を特徴とするアナログデジタル変換器。
An input signal voltage is compared with a threshold voltage.
And inverts the output voltage according to the comparison result.
And a digital value that increases or decreases linearly from the initial value.
Digital value generating means for raw, corresponding to the digital values generated by the digital value generating means
A reference voltage generating means for generating a reference voltage to be applied, and the digital signal when the output voltage of the voltage comparator is inverted.
Digital value generated by the digital value generation means
Digital value output means for outputting as a digital conversion value, one end of which is connected to the input terminal, and a direct value supplied to the input terminal.
Selectively derive the output signal multiplexed with the stream component
A first switch element, and the other end of the first switch element and the input of the voltage comparator.
A first capacitor connected between the first switch element and a first end of the first switch element;
A second capacitor, the other end of the second capacitor and the reference voltage generating means
Between the first and second reference voltage output terminals.
A series circuit of capacitors is selected for the reference voltage output terminal.
A second switch element that is selectively connected and a third switch element that is selectively connected between the input and output terminals of the voltage comparator.
Switch element, digital value generation timing of the digital value generation means,
ON / OFF of each of the first to third switch elements
Timing control means for controlling timing, wherein the timing control means turns off the second switch element and turns off the third switch element.
With the switch turned on, the first switch element
The first time from the input terminal by turning the
And a first difference from the threshold voltage
Holding a voltage on the first capacitor, and subsequently maintaining the ON state of the first switch element;
With the third switch element turned off, the second
Said second switching element is turned on and the child at the point, the
The signal voltage at the second point in time is taken from the input terminal and
Holds the second difference voltage from the voltage to the second capacitor
Then, while maintaining the ON state of the second switch element,
By turning off the first switch element,
The first and second capacitors are connected in series to form the first capacitor.
Obtaining a difference component between the difference voltage and the second difference voltage;
The sum of the difference component and the reference voltage is calculated by the voltage comparator.
Input to the input of the digital value, and then, the digital value generating means receives
Or start the decrease to change the reference voltage.
This causes the output of the voltage comparator to rise from a high level.
The reference voltage generation means is configured to invert the reference voltage before starting operation of the digital value generation means.
When maintaining the monotonicity of the analog-to-digital conversion characteristics of the waveform
In both cases, the sum component of the difference component and the reference voltage is a threshold.
Output voltage of the voltage comparator when compared with the
Starting from the high level regardless of the voltage level of the differential component
Have a period to generate a reference voltage waveform sufficient for
An analog-to-digital converter characterized by the following.
【請求項2】 前記デジタル値発生手段の動作開始前の
期間に生成される波形は、前記アナログデジタル変換を
実行する部分の波形を延長したものであることを特徴と
する請求項1記載のアナログデジタル変換器。
2. The method according to claim 1, further comprising the step of:
2. The analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the waveform generated during the period is obtained by extending the waveform of a portion for executing the analog-to-digital conversion.
【請求項3】 前記入力端に供給される信号成分は、個
体撮像素子の画素から読み出された信号成分であること
を特徴とする請求項1記載のアナログデジタル変換器。
3. The analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the signal component supplied to the input terminal is a signal component read from a pixel of the solid-state imaging device.
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