JP4157083B2 - オンチップ半列並列パイプラインアナログ‐デジタル変換器を具えるイメージセンサ - Google Patents
オンチップ半列並列パイプラインアナログ‐デジタル変換器を具えるイメージセンサ Download PDFInfo
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Description
(1)フォトン−電荷変換と、
(2)画像電荷の蓄積と、
(3)電荷検出領域への電荷の転送前における、この電荷検出領域の既知の状態へのリセットと、
(4)電荷増幅を伴う電荷検出領域への電荷の転送と、
(5)読み出しのための画素の選択と、
(6)画素電荷を表す信号の増幅及び出力と
の必要機能を実行する。光電荷は、電荷蓄積領域から電荷検出領域へ移動させる際に増幅することができる。電荷検出領域における電荷を代表的にはソースホロワ出力トランジスタによって画素出力電圧に変換する。
として表す。ここで、VAAは電源電圧であり、IAAはVAAから流れる平均電流である。この場合、変換レートは、
として近似しうる。ここで、Tframe はフレーム時間である。
により与えられる。ここで、gm は増幅器の“実効”相互コンダクタンスであり、Cはその“実効”負荷キャパシタンスである。MOSトランジスタの相互コンダクタンスgm は
に比例する、すなわち、
が成立する為、電力消費量の比
は、
により表すことができる。
図4は、本発明の代表的な実施例に応じて構成した半列並列パイプラインアナログ‐デジタル変換器を動作させる第1の方法を示す代表的なタイミング図である。以下に詳細に説明するように、本発明は(図2及び3につき説明した)通常の逐次近似式ADC又はシングルスロープ式ADCの代わりにパイプラインアナログ‐デジタル変換器を用いる。本発明により実行する各アナログ‐デジタル変換自体はパイプライン化される。更に、図6〜9につき以下に詳細に説明するように、1つの画素アレイからの複数の列が1つのアナログ‐デジタル変換器を共有する。従って、本発明は半列並列パイプラインアナログ‐デジタル変換器構成を利用するものである。
ここで、tSTAGE は、パイプラインアナログ‐デジタル変換の1段当り必要とする時間であり、tS/H は、サンプル‐ホールド処理に必要とする時間であり、Nbit は、アナログ‐デジタル変換のビット数であり、Ncol は、アナログ‐デジタル変換器を共有する列数である。
ここで、Ncol =Ncol ′、tS/H =tS/H ′及び
であると仮定すると、この本発明の第1の動作方法によれば、図3に示す従来の列並列構成に比べ、行時間が短くなり、フレームレート及びデータスループットが高くなる。
として表される。データ読み出しレートは、データ読み出し期間が行時間よりも短くなるように選択する。
である場合には、本発明のこの第2の動作方法によると、図3に示す従来の列並列アナログ‐デジタル変換器構成の動作よりも行時間が短くなり、従って、フレームレート及びデータスループットが高くなる。
である場合には、本発明のこの第2の動作方法によると、列当り1つのADCを用いる従来の列並列ADC構成の場合に比べて、行時間が短くなり、従って、フレームレート及びデータスループットが高くなる。
Claims (40)
- 複数の行及び列に編成した画素のアレイと、
複数のサンプル‐ホールド回路であって、各サンプル‐ホールド回路が前記アレイの列にそれぞれ電気接続されてそれぞれの列からのアナログ信号をサンプル‐ホールド処理するようにしてある当該サンプル‐ホールド回路と、
複数のパイプラインアナログ‐デジタル変換器であって、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のサンプル‐ホールド回路にそれぞれ電気接続されてこれら複数のサンプル‐ホールド回路からのホールド処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するようにしてある当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器と
を具えている撮像装置であって、
各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、これらパイプライン段の個数は、当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器が接続されるサンプル‐ホールド回路の個数に等しくした撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が1つよりも多い複数のサンプル‐ホールド回路に接続されている撮像装置。
- 請求項1に記載の撮像装置において、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が12個のサンプル‐ホールド回路に接続されている撮像装置。
- 請求項1に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器に接続されてこれらパイプラインアナログ‐デジタル変換器の全てからのデジタルデータを記憶する第1のメモリバンクと、
この第1のメモリバンクに接続され、この第1のメモリバンクからの記憶されたデジタルデータが入力されてこれを記憶する第2のメモリバンクと、
この第2のメモリバンクに接続され、この第2のメモリバンクを制御してこれに記憶されたデジタルデータを出力する列スキャナと
を具える撮像装置。 - 請求項4に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記サンプル‐ホールド回路と前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器との間に接続された第1の組のスイッチと、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器と前記第1のメモリバンクとの間に接続された第2の組のスイッチと、
前記第1のメモリバンクと前記第2のメモリバンクとの間に接続された第3の組のスイッチと、前記第2のメモリバンクと前記列スキャナとの間に接続された第4の組のスイッチと
を具える撮像装置。 - 請求項5に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、アナログ‐デジタル変換及びデータ読み出し処理が行われた際にサンプル‐ホールド処理を行わないようにする少なくとも1つのコントローラ
を具える撮像装置。 - 請求項5に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、サンプル‐ホールド処理と、アナログ‐デジタル変換処理と、データ読み出し処理とが同じ期間中に行われるようにする少なくとも1つのコントローラ
を具える撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、各パイプライン段が、
アナログ信号を入力してサンプル‐ホールド処理するように接続したパイプライン段サンプル‐ホールド回路と、
このパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号を受け、これらアナログ信号からkビットのデジタルデータを生ぜしめるように接続されたkビットアナログ‐デジタル変換器回路と、
このkビットアナログ‐デジタル変換器回路からのkビットのデジタルデータを受け、このkビットのデジタルデータからアナログ信号を生ぜしめるkビットデジタル‐アナログ変換器回路と、
このkビットデジタル‐アナログ変換器回路からのアナログ信号とパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号とを受け、その差出力を発生させる減算器と、
この差出力を増幅する増幅器と
を具える撮像装置。 - 請求項8に記載の撮像装置において、kビットが複数のデジタル‐アナログ変換器のデジタル分解能である撮像装置。
- 請求項1に記載の撮像装置において、前記アレイがCMOS撮像装置の画素を有している撮像装置。
- 複数の行及び列に編成した画素のアレイと、
複数のサンプル‐ホールド回路であって、各サンプル‐ホールド回路が前記アレイの列にそれぞれ電気接続されてそれぞれの列からのアナログ信号をサンプル‐ホールド処理するようにしてある当該サンプル‐ホールド回路と、
複数のパイプラインアナログ‐デジタル変換器であって、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のサンプル‐ホールド回路に半列並列的に電気接続されてこれら複数のサンプル‐ホールド回路からのホールド処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するようにしてある当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器と
を具えている撮像装置であって、
各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、これらパイプライン段の個数は、当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器が接続されるサンプル‐ホールド回路の個数に等しくした撮像装置。 - 請求項11に記載の撮像装置において、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が1つよりも多い複数のサンプル‐ホールド回路に接続されている撮像装置。
- 請求項11に記載の撮像装置において、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が12個のサンプル‐ホールド回路に接続されている撮像装置。
- 請求項11に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器に接続されてこれらパイプラインアナログ‐デジタル変換器の全てからのデジタルデータを記憶する第1のメモリバンクと、
この第1のメモリバンクに接続され、この第1のメモリバンクからの記憶されたデジタルデータが入力されてこれを記憶する第2のメモリバンクと、
この第2のメモリバンクに接続され、この第2のメモリバンクを制御してこれに記憶されたデジタルデータを出力する列スキャナと
を具える撮像装置。 - 請求項14に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記サンプル‐ホールド回路と前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器との間に接続された第1の組のスイッチと、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器と前記第1のメモリバンクとの間に接続された第2の組のスイッチと、
前記第1のメモリバンクと前記第2のメモリバンクとの間に接続された第3の組のスイッチと、
前記第2のメモリバンクと前記列スキャナとの間に接続された第4の組のスイッチと
を具える撮像装置。 - 請求項15に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、アナログ‐デジタル変換及びデータ読み出し処理が行われた際にサンプル‐ホールド処理を行わないようにする少なくとも1つのコントローラ
を具える撮像装置。 - 請求項15に記載の撮像装置において、この撮像装置が更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、サンプル‐ホールド処理と、アナログ‐デジタル変換処理と、データ読み出し処理とが同じ期間中に行われるようにする少なくとも1つのコントローラ
を具える撮像装置。 - 請求項11に記載の撮像装置において、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、各パイプライン段が、
アナログ信号を入力してサンプル‐ホールド処理するように接続したパイプライン段サンプル‐ホールド回路と、
このパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号を受け、これらアナログ信号からkビットのデジタルデータを生ぜしめるように接続されたkビットアナログ‐デジタル変換器回路と、
このkビットアナログ‐デジタル変換器回路からのkビットのデジタルデータを受け、このkビットのデジタルデータからアナログ信号を生ぜしめるkビットデジタル‐アナログ変換器回路と、
このkビットデジタル‐アナログ変換器回路からのアナログ信号とパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号とを受け、その差出力を発生させる減算器と、
この差出力を増幅する増幅器と
を具える撮像装置。 - 請求項18に記載の撮像装置において、kビットが複数のデジタル‐アナログ変換器のデジタル分解能である撮像装置。
- 請求項11に記載の撮像装置において、前記アレイがCMOS撮像装置の画素を有している撮像装置。
- プロセッサと、このプロセッサに接続された撮像装置とを具えるプロセッサシステムであって、前記撮像装置が、
複数の行及び列に編成した画素のアレイと、
複数のサンプル‐ホールド回路であって、各サンプル‐ホールド回路が前記アレイの列にそれぞれ電気接続されてそれぞれの列からのアナログ信号をサンプル‐ホールド処理するようにしてある当該サンプル‐ホールド回路と、
複数のパイプラインアナログ‐デジタル変換器であって、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のサンプル‐ホールド回路にそれぞれ電気接続されてこれら複数のサンプル‐ホールド回路からのホールド処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するようにしてある当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器と
を具えているプロセッサシステムであって、
各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、これらパイプライン段の個数は、当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器が接続されるサンプル‐ホールド回路の個数に等しくしたプロセッサシステム。 - 請求項21に記載のプロセッサシステムにおいて、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が1つよりも多い複数のサンプル‐ホールド回路に接続されているプロセッサシステム。
- 請求項21に記載のプロセッサシステムにおいて、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が12個のサンプル‐ホールド回路に接続されているプロセッサシステム。
- 請求項21に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器に接続されてこれらパイプラインアナログ‐デジタル変換器の全てからのデジタルデータを記憶する第1のメモリバンクと、
この第1のメモリバンクに接続され、この第1のメモリバンクからの記憶されたデジタルデータが入力されてこれを記憶する第2のメモリバンクと、
この第2のメモリバンクに接続され、この第2のメモリバンクを制御してこれに記憶されたデジタルデータを出力する列スキャナと
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項24に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記サンプル‐ホールド回路と前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器との間に接続された第1の組のスイッチと、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器と前記第1のメモリバンクとの間に接続された第2の組のスイッチと、
前記第1のメモリバンクと前記第2のメモリバンクとの間に接続された第3の組のスイッチと、
前記第2のメモリバンクと前記列スキャナとの間に接続された第4の組のスイッチと
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項25に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、アナログ‐デジタル変換及びデータ読み出し処理が行われた際にサンプル‐ホールド処理を行わないようにする少なくとも1つのコントローラ
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項25に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、サンプル‐ホールド処理と、アナログ‐デジタル変換処理と、データ読み出し処理とが同じ期間中に行われるようにする少なくとも1つのコントローラ
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項21に記載のプロセッサシステムにおいて、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、各パイプライン段が、
アナログ信号を入力してサンプル‐ホールド処理するように接続したパイプライン段サンプル‐ホールド回路と、
このパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号を受け、これらアナログ信号からkビットのデジタルデータを生ぜしめるように接続されたkビットアナログ‐デジタル変換器回路と、
このkビットアナログ‐デジタル変換器回路からのkビットのデジタルデータを受け、このkビットのデジタルデータからアナログ信号を生ぜしめるkビットデジタル‐アナログ変換器回路と、
このkビットデジタル‐アナログ変換器回路からのアナログ信号とパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号とを受け、その差出力を発生させる減算器と、
この差出力を増幅する増幅器と
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項28に記載のプロセッサシステムにおいて、kビットが複数のデジタル‐アナログ変換器のデジタル分解能であるプロセッサシステム。
- 請求項21に記載のプロセッサシステムにおいて、前記アレイがCMOS撮像装置の画素を有しているプロセッサシステム。
- プロセッサと、このプロセッサに接続された撮像装置とを具えるプロセッサシステムであって、前記撮像装置が、
複数の行及び列に編成した画素のアレイと、
複数のサンプル‐ホールド回路であって、各サンプル‐ホールド回路が前記アレイの列にそれぞれ電気接続されてそれぞれの列からのアナログ信号をサンプル‐ホールド処理するようにしてある当該サンプル‐ホールド回路と、
複数のパイプラインアナログ‐デジタル変換器であって、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のサンプル‐ホールド回路に半列並列的に電気接続されてこれら複数のサンプル‐ホールド回路からのホールド処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するようにしてある当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器と
を具えているプロセッサシステムであって、
各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、これらパイプライン段の個数は、当該パイプラインアナログ‐デジタル変換器が接続されるサンプル‐ホールド回路の個数に等しくしたプロセッサシステム。 - 請求項31に記載のプロセッサシステムにおいて、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が1つよりも多い複数のサンプル‐ホールド回路に接続されているプロセッサシステム。
- 請求項31に記載のプロセッサシステムにおいて、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が12個のサンプル‐ホールド回路に接続されているプロセッサシステム。
- 請求項31に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器に接続されてこれらパイプラインアナログ‐デジタル変換器の全てからのデジタルデータを記憶する第1のメモリバンクと、
この第1のメモリバンクに接続され、この第1のメモリバンクからの記憶されたデジタルデータが入力されてこれを記憶する第2のメモリバンクと、
この第2のメモリバンクに接続され、この第2のメモリバンクを制御してこれに記憶されたデジタルデータを出力する列スキャナと
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項34に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記サンプル‐ホールド回路と前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器との間に接続された第1の組のスイッチと、
前記パイプラインアナログ‐デジタル変換器と前記第1のメモリバンクとの間に接続された第2の組のスイッチと、
前記第1のメモリバンクと前記第2のメモリバンクとの間に接続された第3の組のスイッチと、
前記第2のメモリバンクと前記列スキャナとの間に接続された第4の組のスイッチと
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項35に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、アナログ‐デジタル変換及びデータ読み出し処理が行われた際にサンプル‐ホールド処理を行わないようにする少なくとも1つのコントローラ
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項35に記載のプロセッサシステムにおいて、このプロセッサシステムが更に、
前記第1、第2、第3及び第4の組のスイッチの動作を制御して、サンプル‐ホールド処理と、アナログ‐デジタル変換処理と、データ読み出し処理とが同じ期間中に行われるようにする少なくとも1つのコントローラ
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項31に記載のプロセッサシステムにおいて、各パイプラインアナログ‐デジタル変換器が複数のパイプライン段を有し、各パイプライン段が、
アナログ信号を入力してサンプル‐ホールド処理するように接続したパイプライン段サンプル‐ホールド回路と、
このパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号を受け、これらアナログ信号からkビットのデジタルデータを生ぜしめるように接続されたkビットアナログ‐デジタル変換器回路と、
このkビットアナログ‐デジタル変換器回路からのkビットのデジタルデータを受け、このkビットのデジタルデータからアナログ信号を生ぜしめるkビットデジタル‐アナログ変換器回路と、
このkビットデジタル‐アナログ変換器回路からのアナログ信号とパイプライン段サンプル‐ホールド回路からのアナログ信号とを受け、その差出力を発生させる減算器と、
この差出力を増幅する増幅器と
を具えるプロセッサシステム。 - 請求項38に記載のプロセッサシステムにおいて、kビットが複数のデジタル‐アナログ変換器のデジタル分解能であるプロセッサシステム。
- 請求項31に記載のプロセッサシステムにおいて、前記アレイがCMOS撮像装置の画素を有しているプロセッサシステム。
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