JP4366646B2 - AD conversion circuit and solid-state imaging device - Google Patents

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Description

この発明は、例えば固体撮像素子からの出力信号のように、変動する直流成分に多重された信号成分を正確に導出するAD変換回路及び撮像装置に関するものである。     The present invention relates to an AD conversion circuit and an imaging apparatus that accurately derive a signal component multiplexed with a varying DC component, such as an output signal from a solid-state imaging device.

近年、撮像素子として、CMOSイメージセンサが注目を浴びている。これは、雑音低減回路を同一チップ上に搭載することでCCD撮像素子と同程度の感度が実現できるうえ、低電圧動作・低消費電力であり、AD変換器等の撮像素子周辺回路の搭載が容易という点から注目されている。中でも、AD変換器の搭載は、カメラ設計技術の中でも難しい高SN比のアナログ回路の設計がカメラ設計者に必要なくなるという点で意味深く、最も注目されている。     In recent years, CMOS image sensors have attracted attention as imaging devices. This is because the noise reduction circuit can be mounted on the same chip to achieve the same level of sensitivity as a CCD image sensor, with low voltage operation and low power consumption. It is attracting attention because of its ease. Among them, the mounting of an AD converter is significant and has received the most attention in that the design of an analog circuit having a high S / N ratio, which is difficult among camera design techniques, is no longer necessary for the camera designer.

AD変換器の搭載手法の1つとして、列並列型がある。これは、画素列毎にAD変換器を有することで、信号検出とAD変換に要する時間を画素周期から行周期にまで延ばすことが可能となる。AD変換器の雑音帯域幅を低下させ、信号SN比を向上させることができるという特徴を有している。例えば,ハイビジョン用の200万画素の撮像素子の場合には、1画素の周期は13.47nsに対し、行周期は26.94μsと2,200倍の開きがある。この行周期のほとんどをAD変換に使い、画素からの信号検出に2%しか使用しないとしても、電荷電圧変換器の出す白色雑音を44画素分の時間で平均化して捕らえることができ、雑音量は信号を平均化する時間の平方根に反比例するため、雑音量を約1/7と大幅に低減することができ、カメラ感度を向上できる。      One of the AD converter mounting methods is a column parallel type. By having an AD converter for each pixel column, it is possible to extend the time required for signal detection and AD conversion from the pixel cycle to the row cycle. The noise bandwidth of the AD converter can be reduced and the signal S / N ratio can be improved. For example, in the case of an image sensor with 2 million pixels for high vision, the cycle of one pixel is 13.47 ns, and the row cycle is 26.94 μs, which is an increase of 2,200 times. Even if most of this row period is used for AD conversion and only 2% is used for signal detection from pixels, the white noise produced by the charge-voltage converter can be averaged and captured over a period of 44 pixels, and the amount of noise Is inversely proportional to the square root of the time to average the signal, so that the amount of noise can be greatly reduced to about 1/7 and the camera sensitivity can be improved.

列並列型には画素列毎のAD変換器の変換特性にばらつきがあると、縦線状の固定パターン雑音が発生するという欠点があった。この欠点を解消する従来技術としては、図16に示すように、AD変換器の電圧比較器に使う増幅器7の閾値電圧ばらつきと入力信号VLに含まれる低周波雑音を増幅器の自己クランプ動作により相殺し、それぞれの入力信号と共通の参照電圧波形とを比較して電圧比較器7の出力が反転するタイミングでディジタル値を決定するものがある。このため、たとえ電圧比較器7の閾値電圧や増幅率にばらつきがあってもAD変換器の変換利得ばらつきは発生せず、縦線状の固定パターン雑音の発生しないSN比の良好なAD変換器となる。      The column parallel type has a drawback that vertical line-shaped fixed pattern noise is generated when there is variation in the conversion characteristics of the AD converter for each pixel column. As a conventional technique for solving this drawback, as shown in FIG. 16, the threshold voltage variation of the amplifier 7 used for the voltage comparator of the AD converter and the low frequency noise included in the input signal VL are canceled by the self-clamping operation of the amplifier. In some cases, each input signal is compared with a common reference voltage waveform, and the digital value is determined at the timing when the output of the voltage comparator 7 is inverted. For this reason, even if there are variations in the threshold voltage and amplification factor of the voltage comparator 7, there is no variation in the conversion gain of the AD converter, and there is no vertical line-shaped fixed pattern noise. It becomes.

しかしながら、従来のAD変換器では、入力信号成分と参照電圧を1階調ずつ順次比較するため、出力ディジタル値の階調数の回数の電圧比較が必要となる。つまり、nビットのディジタル値を決定するためには2回の電圧比較が必要となる。例えば、8ビットのディジタル値に対しては256回の電圧比較で決定できるが、12ビットのディジタル値を得るためには4,096回、16ビットのディジタル値に対しては65,536回の電圧比較が必要となる。12ビット以上のディジタル値を得るための比較回数は画素周期と水平周期の比より大きく、画素周期に対応する周波数よりも高い周波数のクロックが必要となる問題ばかりでなく、広帯域幅の反転増幅器が必要となり、結果として雑音帯域幅も増えるため雑音が増加するという問題点があった。
特開平9−247494号公報
However, since the conventional AD converter sequentially compares the input signal component and the reference voltage one gradation at a time, voltage comparison of the number of gradations of the output digital value is required. That is, 2 n voltage comparisons are required to determine an n-bit digital value. For example, an 8-bit digital value can be determined by 256 voltage comparisons, but to obtain a 12-bit digital value 4,096 times and for a 16-bit digital value 65,536 times A voltage comparison is required. The number of comparisons for obtaining a digital value of 12 bits or more is larger than the ratio of the pixel period to the horizontal period, and not only a problem that requires a clock with a frequency higher than the frequency corresponding to the pixel period, but also a wideband inverting amplifier. As a result, there is a problem that noise increases because the noise bandwidth also increases.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-247494

解決しようとする問題点は、従来のAD変換器で高分解能にするには、入力信号成分と参照信号を比較する回数を増やさねばならず、そのため1回あたりの比較にかけられる時間が短くなり、広帯域のアナログ系が必要とされ、雑音量が増加するという点である。     The problem to be solved is that in order to achieve high resolution with a conventional AD converter, the number of comparisons between the input signal component and the reference signal must be increased, and therefore the time required for each comparison is shortened. A broadband analog system is required, and the amount of noise increases.

上記課題を解決するために、この発明に係るAD変換回路では、入力信号成分と参照信号の比較をする電圧比較器を、第1のクランプ手段により所定の時点の電圧を一致させた前記2つの信号電圧差を増幅する第1の差動増幅器と、第1の差動増幅器の出力信号を選択的に積算する積算手段と、第1の差動増幅器の出力信号と積算手段の出力信号を加算する加算手段と、加算手段の出力信号をサンプルホールドする第1サンプルホールド手段と、第1の差動増幅器の出力信号と第1のサンプルホールド手段の出力信号との電位差を増幅する第2の差動増幅器の構成にする。     In order to solve the above-described problem, in the AD converter circuit according to the present invention, the voltage comparator for comparing the input signal component and the reference signal has the above two voltages obtained by matching the voltages at a predetermined time by the first clamping means. A first differential amplifier for amplifying the signal voltage difference; an integrating means for selectively integrating the output signal of the first differential amplifier; and adding the output signal of the first differential amplifier and the output signal of the integrating means Adding means, first sample hold means for sample-holding the output signal of the adder means, and second difference for amplifying the potential difference between the output signal of the first differential amplifier and the output signal of the first sample-hold means Use a dynamic amplifier configuration.

まず、入力端子に無信号レベルが与えられている時に第1のクランプ手段で第1の増幅器の入力電圧を同じにし、積算手段をリセットし、加算手段の出力信号を第1のサンプルホールド手段にサンプルし、保持する。その後、入力端子に信号レベルを与え、参照信号としてn段の階段波形を与える。階段波形のレベルが入力信号レベルを超えたところで第2の差動増幅器が反転する。このタイミングにより上位のディジタル値を決定するとともに、参照信号が入力信号レベルを超過した分の電圧を第1の差動増幅器で増幅し第1のサンプルホールド手段にサンプルホールドする。     First, when no signal level is given to the input terminal, the first clamp means makes the input voltage of the first amplifier the same, resets the integrating means, and outputs the output signal of the adding means to the first sample hold means. Sample and hold. Thereafter, a signal level is given to the input terminal, and an n-step staircase waveform is given as a reference signal. When the level of the staircase waveform exceeds the input signal level, the second differential amplifier is inverted. The upper digital value is determined based on this timing, and the voltage corresponding to the reference signal exceeding the input signal level is amplified by the first differential amplifier and sample-held in the first sample-and-hold means.

次に、参照信号として、上位のディジタル値の決定時に与えた階段波のステップ電圧に対し1/2ずつ減少させた振幅の信号をm回発生させる。毎回、この参照信号は第1の差動増幅器で増幅され加算手段を経由して、第1のサンプルホールド手段の出力信号と第2の差動増幅器により比較される。第2の差動増幅器の出力が反転しない場合は積算手段で第1の差動増幅器の出力信号を積算するとともに、第2の差動増幅器の出力に応じて下位ディジタル値の上位から1ビットずつディジタル値を決定する。このようにして得られた上位と下位のディジタル値を合成することで、AD変換されたディジタル信号が得られる。     Next, as a reference signal, a signal having an amplitude reduced by ½ with respect to the step voltage of the staircase wave given at the time of determining the upper digital value is generated m times. Each time, the reference signal is amplified by the first differential amplifier and is compared by the second differential amplifier with the output signal of the first sample and hold means via the adding means. When the output of the second differential amplifier is not inverted, the output signal of the first differential amplifier is integrated by the integrating means, and the lower digital value is bit by bit from the upper order according to the output of the second differential amplifier. Determine the digital value. By synthesizing the upper and lower digital values obtained in this way, an AD-converted digital signal is obtained.

上位のディジタル値を決定する際の階段波形はn段、下位はmビットのディジタル値なので、(n×2)諧調のディジタル値を(n+m)回の電圧比較で得ることができる。上位のディジタル値を決定した際の残差電圧を増幅した増幅器と同じ増幅器で下位の上位のディジタル値を決定する際の参照電圧を増幅するため、増幅器の利得がばらついたとしても影響を与えないという特徴がある。 Since the staircase waveform when determining the upper digital value is n steps and the lower step is an m-bit digital value, an (n × 2 m ) gradation digital value can be obtained by (n + m) voltage comparisons. Amplifies the reference voltage when determining the lower digital value with the same amplifier that amplified the residual voltage when determining the higher digital value, so there is no effect even if the gain of the amplifier varies. There is a feature.

また、前記の積算手段と加算手段は、クランプ手段とその出力をサンプルホールドしクランプ電圧として帰還する手段で実現することもできる。     Further, the integrating means and the adding means can be realized by a clamp means and a means for sampling and holding the output and feeding back as a clamp voltage.

さらに、参照電圧は出力ディジタル値に係わらず常に同一の波形を発生すれば良いため、複数のAD変換手段で同一の参照電圧発生手段を共用でき、変換特性ばらつきをなくすことができる。     Furthermore, since the reference voltage only needs to always generate the same waveform regardless of the output digital value, the same reference voltage generating means can be shared by a plurality of AD converting means, and variations in conversion characteristics can be eliminated.

以上説明したようにこの発明によれば、雑音除去機能のあるAD変換器の電圧比較回数を少なくすることができ、このため1回当たりの比較時間が長くとれアナログ信号処理回路の帯域幅を狭くでき、結果として雑音量を低下できる。また、参照電圧発生手段を共用することにより、複数の特性のそろったAD変換器ができるため、1行分の信号を一斉にAD変換し順次選択してディジタルの走査信号を出力する固体撮像素子に特に有効である。     As described above, according to the present invention, the number of times of voltage comparison of the AD converter having a noise removal function can be reduced, so that the comparison time per time can be increased and the bandwidth of the analog signal processing circuit is reduced. As a result, the amount of noise can be reduced. In addition, since the AD converter having a plurality of characteristics can be obtained by sharing the reference voltage generating means, the solid-state image pickup element that simultaneously AD-converts signals for one row and sequentially selects and outputs a digital scanning signal. Is particularly effective.

本発明では、入力信号成分を参照階段波と比較して上位のディジタル値を決定するとともに、その時の残差電圧情報を保持し、残差電圧情報から下位のディジタル値を決定し、上位下位のディジタル値を合成してAD変換値を求めることを最も主要な特徴とする。     In the present invention, the upper digital value is determined by comparing the input signal component with the reference step wave, the residual voltage information at that time is retained, the lower digital value is determined from the residual voltage information, and the upper and lower digital values are determined. The most important feature is to obtain an AD conversion value by synthesizing digital values.

図1はこの発明の第一の実施例に係るAD変換回路のブロック図、図2は図1のAD変換制御回路109の詳細ブロック図、図3はAD変換動作のタイミング図、図4は参照電圧発生回路のブロック図、図5は参照電圧発生回路の動作タイミング図である。     1 is a block diagram of an AD conversion circuit according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a detailed block diagram of the AD conversion control circuit 109 of FIG. 1, FIG. 3 is a timing diagram of AD conversion operation, and FIG. FIG. 5 is a block diagram of the voltage generation circuit, and FIG. 5 is an operation timing chart of the reference voltage generation circuit.

入力端子101には、固体撮像素子からの読み出し信号(撮像信号)Vinが供給される。この入力端子101から入力された信号は、クランプ回路102を介して差動増幅器104に入力される。差動増幅器104のもう一方の入力は、参照電圧発生器103の出力信号が入力され、差電圧を増幅した電圧Va1が差動増幅器104から出力される。差動増幅器104の出力Va1は、加算器105と積算回路106に入力される。加算手段105は差動増幅器104の出力Va1と積算回路106の出力Vsumの和を電圧比較器108とサンプルホールド回路107に出力する。サンプルホールド回路107は、SHP信号が高レベルの期間にサンプルし、低レベルの期間は電圧をホールドした信号電圧Vshを電圧比較器108に出力する。電圧比較器108は、加算器105の出力Va2がサンプルホールドされた電圧Vshより高い場合に高レベル、低い場合に低レベルを出力する。この電圧比較器108の出力はAD変換制御回路109に入力され、AD変換されたディジタル値を出力端子111から出力する。タイミング発生回路110は、AD変換動作に必要な各種パルスを発生し、各部に供給する。     A read signal (imaging signal) Vin from the solid-state imaging device is supplied to the input terminal 101. A signal input from the input terminal 101 is input to the differential amplifier 104 via the clamp circuit 102. The other input of the differential amplifier 104 is input with the output signal of the reference voltage generator 103, and a voltage Va1 obtained by amplifying the differential voltage is output from the differential amplifier 104. The output Va1 of the differential amplifier 104 is input to the adder 105 and the integrating circuit 106. The adding means 105 outputs the sum of the output Va1 of the differential amplifier 104 and the output Vsum of the integrating circuit 106 to the voltage comparator 108 and the sample hold circuit 107. The sample hold circuit 107 samples the SHP signal during the high level, and outputs the signal voltage Vsh holding the voltage to the voltage comparator 108 during the low level period. The voltage comparator 108 outputs a high level when the output Va2 of the adder 105 is higher than the sampled and held voltage Vsh, and outputs a low level when it is lower. The output of the voltage comparator 108 is input to an AD conversion control circuit 109, and an AD converted digital value is output from an output terminal 111. The timing generation circuit 110 generates various pulses necessary for the AD conversion operation and supplies them to each unit.

以下、図3のタイミング図を用いて、入力信号電圧Vsigが基準信号の階段波のステップ電圧Vstepの5.4倍の場合を例にして、AD変換の動作について説明する。AD変換に先立ち、無信号期間PCでは各種の初期化を行う。撮像素子からの入力信号Vin は、信号期間の前に毎回変動する基準レベルVrが入力される。この変動成分を取り除くために高レベルのクランプパルスCP1がクランプ回路102に与えられ、参照信号発生器103の出力信号Vrefと同一電位にされた信号Vin’が差動増幅器104へ出力される。積算器106には初期化信号RSTが与えられ、上位のAD変換が終了するまで0が出力され、加算器105の出力Va2は、サンプルホールド回路107でサンプルホールドされる。また、STパルスによりSRフリップフロップ203はリセットされ、SRフリップフロップ205・211はセットされる。     Hereinafter, the AD conversion operation will be described with reference to the timing chart of FIG. 3, taking as an example the case where the input signal voltage Vsig is 5.4 times the step voltage Vstep of the staircase wave of the reference signal. Prior to AD conversion, various initializations are performed in the non-signal period PC. The input signal Vin from the image sensor is input with a reference level Vr that varies every time before the signal period. In order to remove this fluctuation component, a high level clamp pulse CP 1 is applied to the clamp circuit 102, and a signal Vin ′ having the same potential as the output signal Vref of the reference signal generator 103 is output to the differential amplifier 104. The accumulator 106 is supplied with the initialization signal RST, and 0 is output until the upper AD conversion is completed. The output Va2 of the adder 105 is sampled and held by the sample and hold circuit 107. The SR flip-flop 203 is reset by the ST pulse, and the SR flip-flops 205 and 211 are set.

上位のディジタル値を決定するための第1のAD変換期間AD1においては、基準レベルVrに本来の信号出力Vsigが重畳されて入力される。クランプ回路102の出力Vin’は期間PCでクランプされているため、差動増幅器104はクランプ後に発生した入力信号の電圧変化すなわち本来の信号出力Vsigと参照電圧Vrefの電圧変化の差を増幅する。     In the first AD conversion period AD1 for determining the upper digital value, the original signal output Vsig is superimposed on the reference level Vr. Since the output Vin ′ of the clamp circuit 102 is clamped in the period PC, the differential amplifier 104 amplifies the voltage change of the input signal generated after clamping, that is, the difference between the original signal output Vsig and the reference voltage Vref.

参照電圧発生器103は、例えば図4のブロック図の回路で、図5のタイミングにしたがって次のように階段波の参照電圧Vrefを発生する。演算増幅器404の利得は非常に高いので、反転入力端子の電位Visは実質的に0となる仮想接地となっている。キャパシタ406・407は同一の静電容量値を有し、階段波発生時にはスイッチ408が閉じられている。初期化期間PCの前にスイッチ405は閉じられ、すでにキャパシタ406と407は放電されている。スイッチ402が端子bに接続されている時にキャパシタ403には、(キャパシタ403の静電容量)×(定電圧源401の電圧)の電荷が蓄えられる。スイッチ402が端子aに接続されると、キャパシタ403の電荷が全てキャパシタ406と407に転送される。このとき演算増幅器404の出力Vrefの変化がVstepとなるように、キャパシタ403,406,407の静電容量と定電圧源401の電圧が設定されている。このスイッチ402の端子b→a→bの切り替えをn回行うと、ステップ電圧Vstepのn段の階段波が参照電圧として出力される。 The reference voltage generator 103 is, for example, the circuit of the block diagram of FIG. 4 and generates the staircase reference voltage Vref as follows according to the timing of FIG. Since the gain of the operational amplifier 404 is very high, the potential Vis of the inverting input terminal is a virtual ground that is substantially zero. The capacitors 406 and 407 have the same capacitance value, and the switch 408 is closed when a staircase wave is generated. Prior to the initialization period PC, the switch 405 is closed and the capacitors 406 and 407 have already been discharged. When the switch 402 is connected to the terminal b, the capacitor 403 stores a charge of (capacitance of the capacitor 403) × (voltage of the constant voltage source 401). When the switch 402 is connected to the terminal “a”, all charges of the capacitor 403 are transferred to the capacitors 406 and 407. At this time, the capacitances of the capacitors 403, 406, and 407 and the voltage of the constant voltage source 401 are set so that the change in the output Vref of the operational amplifier 404 becomes Vstep. When the switching of the terminal b → a → b of the switch 402 is performed n times, an n-step staircase of the step voltage Vstep is output as a reference voltage.

階段波の第6段で信号出力Vsigを超えるので、加算器105の出力電圧Va2はサンプルホールド回路107の出力電圧Vshを超え、電圧比較器108が高レベルを出力する。電圧比較器108の高レベル出力はOR回路201を経由して、AND回路202に与えられると、クロック信号CK1がSRフリップフロップ203のセット入力に与えられるようになり、SRフリップフロップ203はセットされる。これにより、AND回路204を経由して、クロック信号CK2がSRフリップフロップ112のリセット入力に与えられるようになり、SRフリップフロップ205がクロック信号CK2に同期してリセットされる。したがって、AND回路206からは、参照電圧Vrefの電圧変化が信号電圧成分Vsig以上になった直後のCK1からCK2までのタイミングで高レベルとなる上位ディジタル値決定信号GHが生成される。     Since the signal output Vsig is exceeded at the sixth stage of the staircase wave, the output voltage Va2 of the adder 105 exceeds the output voltage Vsh of the sample hold circuit 107, and the voltage comparator 108 outputs a high level. When the high level output of the voltage comparator 108 is supplied to the AND circuit 202 via the OR circuit 201, the clock signal CK1 is supplied to the set input of the SR flip-flop 203, and the SR flip-flop 203 is set. The As a result, the clock signal CK2 is supplied to the reset input of the SR flip-flop 112 via the AND circuit 204, and the SR flip-flop 205 is reset in synchronization with the clock signal CK2. Therefore, the AND circuit 206 generates an upper digital value determination signal GH that becomes a high level at the timing from CK1 to CK2 immediately after the voltage change of the reference voltage Vref becomes equal to or higher than the signal voltage component Vsig.

この上位ディジタル値決定信号GHにより、タイミング発生回路110から出力される参照電圧発生器103の階段波と同期したディジタル値CNTが、データラッチ207にラッチされAD変換の上位ディジタル値の5が決定される。また、上位ディジタル値決定信号GHはOR回路208を経由してサンプルホールド回路107に与えられ、この時の加算器105の出力Va2をサンプルホールドする。サンプルホールドされる電圧(以下残差電圧と記す。)は、VrefとVin’の差電圧(6−5.4)×Vstep(以下、超過電圧と記す。)を差動増幅器104が増幅した電圧となる。     Based on this higher-order digital value determination signal GH, the digital value CNT synchronized with the staircase wave of the reference voltage generator 103 output from the timing generation circuit 110 is latched in the data latch 207 and the higher-order digital value 5 of AD conversion is determined. The Further, the upper digital value determination signal GH is given to the sample hold circuit 107 via the OR circuit 208, and the output Va2 of the adder 105 at this time is sampled and held. The voltage that is sampled and held (hereinafter referred to as the residual voltage) is a voltage obtained by amplifying the difference voltage between Vref and Vin ′ (6-5.4) × Vstep (hereinafter referred to as excess voltage) by the differential amplifier 104. It becomes.

信号電圧Vsigが参照電圧発生器103の発生する階段波の振幅以上の場合には、電圧比較器107の出力は高レベルとならないが、この場合には変換されたディジタル値が最大値になるのが望ましく、このためにOR回路201が設けられている。OR回路201には、第1のAD変換期間AD1の参照電圧の階段波のピークで高レベルとなるパルスHCを与えることで、上位ディジタル値決定信号GHを発生させる。この時、差動増幅器104の出力Va1はクランプ時より低く、サンプルホールド回路106はこの電圧を保持し、信号電圧VsigがAD変換範囲以上であったことを記憶する。入力信号Vsigと第1のAD変換期間AD1後のサンプルホールド回路106の出力の関係は図6のようになる。AD変換範囲外の入力信号に対しては実線のように直線性がなくても良く、差動増幅器104の増幅率を高く設定できるため、サンプルホールド回路106で発生する雑音の影響を受けにくくできる。     When the signal voltage Vsig is equal to or larger than the amplitude of the staircase wave generated by the reference voltage generator 103, the output of the voltage comparator 107 does not become high level, but in this case, the converted digital value becomes the maximum value. For this purpose, an OR circuit 201 is provided. The OR circuit 201 is supplied with a pulse HC that becomes a high level at the peak of the staircase wave of the reference voltage in the first AD conversion period AD1, thereby generating the upper digital value determination signal GH. At this time, the output Va1 of the differential amplifier 104 is lower than that at the time of clamping, and the sample hold circuit 106 holds this voltage, and memorizes that the signal voltage Vsig is not less than the AD conversion range. The relationship between the input signal Vsig and the output of the sample hold circuit 106 after the first AD conversion period AD1 is as shown in FIG. An input signal outside the AD conversion range may not be linear as shown by a solid line, and the amplification factor of the differential amplifier 104 can be set high, so that it can be hardly affected by noise generated in the sample hold circuit 106. .

このようにして、第1のAD変換が行われたのち、入力端子の電圧は無信号レベルVr’にされ、下位のディジタル値を決定するための第2のAD変換を開始する。     In this way, after the first AD conversion is performed, the voltage at the input terminal is set to the no-signal level Vr ′, and the second AD conversion for determining the lower digital value is started.

第2のAD変換期間AD2では、参照信号発生器103は振幅がVstepの1/2倍ずつ減少する方形波を、図4の回路構成に図5に示すタイミングでスイッチ動作させることで次のように発生する。スイッチ408が閉じた状態で、スイッチ405を閉じキャパシタ406と407を放電し、スイッチ405を開いてからスイッチ402を端子aに切り替え、キャパシタ406と407を電圧Vstepに充電する。     In the second AD conversion period AD2, the reference signal generator 103 switches the square wave whose amplitude is reduced by 1/2 of Vstep by the timing shown in FIG. 5 in the circuit configuration of FIG. Occurs. With the switch 408 closed, the switch 405 is closed and the capacitors 406 and 407 are discharged. After the switch 405 is opened, the switch 402 is switched to the terminal a, and the capacitors 406 and 407 are charged to the voltage Vstep.

スイッチ408を開きキャパシタ407の電圧Vstrが影響を受けないようにしてから、スイッチ405を閉じキャパシタ406のみを放電する。スイッチ405を開いてからスイッチ408を閉じると、キャパシタ406と407で電荷は再分配される。キャパシタ406と407の静電容量は同じなので、電荷は1/2ずつ分配され、充電電圧は(Vstep/2)になる。したがって、演算増幅器404からは振幅が(Vstep/2)の方形波状の参照電圧出力Vrefが出力される。さらに、スイッチ405とスイッチ408の開閉を繰り返すことで、1/2倍ずつ減少する方形波が参照電圧出力Vrefとして出力される。     After opening the switch 408 so that the voltage Vstr of the capacitor 407 is not affected, the switch 405 is closed and only the capacitor 406 is discharged. When switch 405 is opened and then switch 408 is closed, the charge is redistributed by capacitors 406 and 407. Since the capacitances of the capacitors 406 and 407 are the same, the charge is distributed by ½, and the charging voltage becomes (Vstep / 2). Accordingly, the operational amplifier 404 outputs a square-wave reference voltage output Vref having an amplitude of (Vstep / 2). Furthermore, by repeatedly opening and closing the switches 405 and 408, a square wave that decreases by a factor of 1/2 is output as the reference voltage output Vref.

このように発生された振幅がVstepの1/2倍ずつ減少する方形波状の参照電圧Vrefは、差動増幅器104で増幅され、加算器105を経由して電圧比較器108に入力される。サンプルホールド回路107に保持されている信号は第1のAD変換期間AD1の超過電圧を差動増幅器104で増幅し加算器105を経由した電圧なので、超過電圧分と参照電圧を比較した結果が電圧比較器108から出力されることになる。     The square-wave-like reference voltage Vref in which the amplitude thus generated decreases by 1/2 times Vstep is amplified by the differential amplifier 104 and input to the voltage comparator 108 via the adder 105. Since the signal held in the sample hold circuit 107 is a voltage obtained by amplifying the excess voltage in the first AD conversion period AD1 by the differential amplifier 104 and passing through the adder 105, the result of comparing the excess voltage with the reference voltage is the voltage. It is output from the comparator 108.

超過電圧(0.6×Vstep)より参照電圧(Vstep/2)は小さいので、電圧比較器108から低レベルが出力され、OR回路208を経由してNOT回路209から高レベルのGL信号が出力され、下位ディジタル値の最上位ビット決定パルスL1はAND回路210−1を経由してSRフリップフロップ211−1をリセットする。下位ディジタル値の最上位ビットD1は0になる。     Since the reference voltage (Vstep / 2) is smaller than the excess voltage (0.6 × Vstep), a low level is output from the voltage comparator 108 and a high level GL signal is output from the NOT circuit 209 via the OR circuit 208. Then, the most significant bit determination pulse L1 of the lower digital value resets the SR flip-flop 211-1 via the AND circuit 210-1. The most significant bit D1 of the lower digital value becomes zero.

また、AND回路213はSUP信号を通過させ、SRフリップフロップ215はセットされ、SUM信号が高レベルとなり、積算器106は差動アンプ104の出力信号を積算する。この積算動作により、積算器の出力Vsumはサンプルホールド回路106の出力Vshに近付く。また、加算器105の出力がVshより大きくなりGL信号が低レベルになっても、SRフリップフロップ211と215へのセットやリセットの入力が低レベルになるだけで出力は保持される。SUM信号が低レベルになると、NOT回路214がSRフリップフロップ215をリセットし、SUM信号が低レベルとなる。     The AND circuit 213 passes the SUP signal, the SR flip-flop 215 is set, the SUM signal becomes high level, and the integrator 106 integrates the output signal of the differential amplifier 104. Due to this integration operation, the output Vsum of the integrator approaches the output Vsh of the sample hold circuit 106. Even if the output of the adder 105 becomes larger than Vsh and the GL signal becomes low level, the output is held only by setting and reset inputs to the SR flip-flops 211 and 215 being low level. When the SUM signal becomes low level, the NOT circuit 214 resets the SR flip-flop 215, and the SUM signal becomes low level.

次に参照電圧発生器103は、Vstep/4の振幅の信号を発生する。積算器106には、Vstep/2を増幅器104で増幅した電圧が保持されているため、加算器105の出力は(Vstep/2+Vstep/4=0.75×Vstep)を増幅器104で増幅したのと同じ電圧となる。超過電圧(0.6×Vstep)より参照電圧(0.75×Vstep)は大きいので、電圧比較器108から高レベルが出力され、OR回路208を経由してNOT回路209から低レベルのGL信号が出力され、下位ディジタル値のビット決定パルスL2はAND回路210−2でブロックされ、SRフリップフロップ211−1はセットされたままになり、下位ディジタル値の上位から2番目のビットD1は1になる。また、AND回路213はSUP信号をブロックし、SUM信号は出力されず、積算器106に保持されている信号は変わらない。      Next, the reference voltage generator 103 generates a signal having an amplitude of Vstep / 4. Since the voltage obtained by amplifying Vstep / 2 by the amplifier 104 is held in the accumulator 106, the output of the adder 105 is (Vstep / 2 + Vstep / 4 = 0.75 × Vstep) amplified by the amplifier 104. It becomes the same voltage. Since the reference voltage (0.75 × Vstep) is larger than the excess voltage (0.6 × Vstep), a high level is output from the voltage comparator 108, and a low level GL signal is output from the NOT circuit 209 via the OR circuit 208. Is output, bit decision pulse L2 of the lower digital value is blocked by AND circuit 210-2, SR flip-flop 211-1 remains set, and the second most significant bit D1 of the lower digital value is set to 1. Become. Further, the AND circuit 213 blocks the SUP signal, the SUM signal is not output, and the signal held in the accumulator 106 is not changed.

さらに下位のビットに対しても同様の操作を繰り返すことで、SRフリップフロップ211に変換値が順次確定され、積算器106の保持している信号はサンプルホールド回路107に保持されている信号に下側から近付いていく。     Further, by repeating the same operation for the lower bits, the converted values are sequentially determined in the SR flip-flop 211, and the signal held in the integrator 106 is changed to the signal held in the sample hold circuit 107. Approach from the side.

このようにして決定された上位と下位のディジタル値は、ゲート信号ADCK
のタイミングでデータラッチ212に取り込まれ、全ビットタイミングの揃ったAD変換値が出力端子111に出力される。
The upper and lower digital values thus determined are the gate signal ADCK.
Are taken into the data latch 212, and an AD conversion value with all the bit timings is output to the output terminal 111.

以上述べたように、比較回数が上位ディジタル値を決定する際のn回と下位ディジタル値を決定する際のm回の合計(n+m)回で、(n×2)階調のディジタル値を得ることができる。図3ではn=8,m=6の時を図示しているが、例えばn=16,m=12の組み合わせでも良く、この場合にはたった28回の電圧比較で65,536階調つまり16ビットのAD変換を実現することもでき、アナログ信号処理を狭帯域化できるため低雑音で高分解能なAD変換が可能となる。 As described above, the digital value of (n × 2 m ) gradations is obtained by a total of (n + m) times of n times when the number of comparisons determines the upper digital value and m times when the lower digital value is determined. Obtainable. FIG. 3 shows the case of n = 8 and m = 6. However, for example, a combination of n = 16 and m = 12 may be used. In this case, 65,536 gradations, that is, 16 in only 28 voltage comparisons. Bit AD conversion can also be realized, and analog signal processing can be narrowed, so that low noise and high resolution AD conversion is possible.

図7はこの発明の第二の実施例に係るAD変換回路のブロック図、図9はその動作を説明するためのタイミング図である。図1に示した回路に対応するもので、同一のブロックには同一の符号を付けている。異なっているのは、加算器105と積算器106がクランプ回路701と初期化機能付きのサンプルホールド回路702で置き換えられていることであり、以下この部分についてのみ説明する。     FIG. 7 is a block diagram of an AD conversion circuit according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a timing chart for explaining the operation thereof. This corresponds to the circuit shown in FIG. 1, and the same reference numerals are assigned to the same blocks. The difference is that the adder 105 and the accumulator 106 are replaced with a clamp circuit 701 and a sample hold circuit 702 with an initialization function, and only this part will be described below.

初期化機能付きのサンプルホールド回路702の詳細ブロック図を図8に示す。無信号期間PCと第1のAD変換期間AD1では、高レベルの初期化信号RSTによりスイッチ803が閉じられ、キャパシタ804は定電圧源806の電位に初期化され、バッファアンプ805から一定電圧が出力される。また無信号期間PCでクランプパルスCP2が与えられ、クランプ回路701の出力は所定電圧にバイアス点が設定される。第1のAD変換期間AD1では、差動増幅器104の出力の電圧変化と同じ電圧変化がクランプ回路701の出力に生じるため、クランプ回路701の出力は図1の加算器105の出力と同じになり、電圧比較器108の出力の反転するタイミングで上位ディジタル値が決定されるとともに、サンプルホールド回路106には参照信号超過分を差動増幅器104で増幅した電圧とサンプルホールド回路702の初期化電圧の和が保持される。     A detailed block diagram of the sample and hold circuit 702 with an initialization function is shown in FIG. In the no-signal period PC and the first AD conversion period AD1, the switch 803 is closed by the high level initialization signal RST, the capacitor 804 is initialized to the potential of the constant voltage source 806, and a constant voltage is output from the buffer amplifier 805. Is done. Also, the clamp pulse CP2 is given during the no-signal period PC, and the bias point is set to a predetermined voltage for the output of the clamp circuit 701. In the first AD conversion period AD1, the same voltage change as the output voltage of the differential amplifier 104 is generated in the output of the clamp circuit 701. Therefore, the output of the clamp circuit 701 is the same as the output of the adder 105 in FIG. The upper digital value is determined at the timing when the output of the voltage comparator 108 is inverted, and the sample hold circuit 106 is supplied with the voltage obtained by amplifying the reference signal excess by the differential amplifier 104 and the initialization voltage of the sample hold circuit 702. The sum is preserved.

第2のAD変換期間AD2では、参照信号発生器103の発生する振幅が1/2倍ずつ減少する方形波列の低レベルの期間にクランプパルスCP2が与えられる。このため、クランプ回路701の出力は方形波の高レベル期間にサンプルホールド回路702の出力電圧Vsumと差動増幅器104により増幅された参照信号発生器103の出力電圧変化が加算された信号が出力され、電圧比較器108でサンプルホールド回路106に保持されている電圧と比較される。クランプ回路701の出力がサンプルホールド回路106の出力電圧より低い時には、AD変換制御回路109からSUM信号が発生され、このときのクランプ回路701の出力がサンプルホールド回路106に取り込まれる。また、クランプ回路701の出力がサンプルホールド回路106の出力電圧より高い時には、SUM信号は低レベルでサンプルホールド回路106の出力は変化しない。したがって、サンプルホールド回路106の出力電圧は、サンプルホールド回路106に保持された電圧に下側から順次近付き、下位のディジタル値が決定され、上位ディジタル値と合成してAD変換値が決定できる。     In the second AD conversion period AD2, the clamp pulse CP2 is given during the low level period of the square wave train in which the amplitude generated by the reference signal generator 103 is reduced by a factor of 1/2. Therefore, the output of the clamp circuit 701 is a signal obtained by adding the output voltage Vsum of the sample and hold circuit 702 and the output voltage change of the reference signal generator 103 amplified by the differential amplifier 104 during the high level period of the square wave. The voltage comparator 108 compares the voltage with the voltage held in the sample hold circuit 106. When the output of the clamp circuit 701 is lower than the output voltage of the sample hold circuit 106, the SUM signal is generated from the AD conversion control circuit 109, and the output of the clamp circuit 701 at this time is taken into the sample hold circuit 106. When the output of the clamp circuit 701 is higher than the output voltage of the sample and hold circuit 106, the SUM signal is low and the output of the sample and hold circuit 106 does not change. Therefore, the output voltage of the sample hold circuit 106 approaches the voltage held in the sample hold circuit 106 sequentially from the lower side, the lower digital value is determined, and the AD conversion value can be determined by combining with the upper digital value.

図10は本発明の第3の実施例に係る固体撮像素子のブロック図、図11はその動作を説明するためのタイミング図である。画素が1列に並んだ所謂ラインセンサであり、図では代表として2画素分のみ示している。     FIG. 10 is a block diagram of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a timing diagram for explaining the operation thereof. This is a so-called line sensor in which pixels are arranged in a line, and in the figure, only two pixels are shown as a representative.

画素1000は、光電変換機能と電荷蓄積機能を有した光ダイオード1001と、その信号電荷を読み出すためのスイッチ1002と、読み出された信号電荷量を電圧に変換するためのキャパシタ1004と、信号読み出しに先だってキャパシタ1004をリセットするためのスイッチ1003と、低インピーダンスの電圧出力を得るためのMOSトランジスタ1005と定電流源1006のソースフォロア回路で構成されている。なお、キャパシタ1004は高い電荷電圧変換利得を得るため、キャパシタ素子が設けられず、MOSトランジスタ1005とスイッチ1002,1003の寄生容量のみで構成されていても良い。     The pixel 1000 includes a photodiode 1001 having a photoelectric conversion function and a charge storage function, a switch 1002 for reading the signal charge, a capacitor 1004 for converting the read signal charge amount into a voltage, and signal reading Prior to this, a switch 1003 for resetting the capacitor 1004, a MOS transistor 1005 for obtaining a low-impedance voltage output, and a source follower circuit of a constant current source 1006 are formed. Note that the capacitor 1004 may not be provided with a capacitor element in order to obtain a high charge-voltage conversion gain, and may be configured only by the parasitic capacitance of the MOS transistor 1005 and the switches 1002 and 1003.

光ダイオード1001から信号の読み出しに先だって、RSパルスによってスイッチ1003を閉じキャパシタ1004を放電する。この際にスイッチ1003のオン抵抗による熱雑音が発生するため、ソースフォロア回路の出力VA1,Va2,…には電圧変動が生じるが、CPパルスが与えられ、AD変換部1007のクランプ動作によりキャンセルされる。     Prior to reading a signal from the photodiode 1001, the switch 1003 is closed by the RS pulse to discharge the capacitor 1004. At this time, thermal noise due to the on-resistance of the switch 1003 is generated, so that voltage fluctuations occur in the outputs VA1, Va2,... Of the source follower circuit. The

読み出しパルスRDが与えられると、読み出しスイッチ1002が閉じられ、光ダイオード1001から信号電荷がキャパシタ1004に転送され、信号電荷量に比例した電圧変化に変換される。この電圧変化は、ソースフォロア回路の出力VA1,Va2,…に電圧変化として出力され、AD変換部1007へ入力される。     When the read pulse RD is given, the read switch 1002 is closed, the signal charge is transferred from the photodiode 1001 to the capacitor 1004, and is converted into a voltage change proportional to the signal charge amount. This voltage change is output as a voltage change to the outputs VA1, Va2,... Of the source follower circuit and input to the AD conversion unit 1007.

AD変換部1007は前述のAD変換動作を行い真の信号である入力信号の変化電圧を、第1のAD変換期間AD1では参照信号Vrefの階段波と比較して上位のディジタル値を決定し、第2のAD変換期間AD2では前記階段波のステップ電圧を1/2倍ずつに減じた振幅の参照信号Vrefとを用いて下位のディジタル値を上位ビットから1ビットずつ決定する。     The AD conversion unit 1007 performs the above-described AD conversion operation and determines the upper digital value by comparing the change voltage of the input signal, which is a true signal, with the step wave of the reference signal Vref in the first AD conversion period AD1. In the second AD conversion period AD2, the lower digital value is determined bit by bit from the upper bit using the reference signal Vref having an amplitude obtained by subtracting the step voltage of the staircase wave by ½.

このように決定されたディジタル値は、クロック信号ADCKのタイミングでラッチされ、走査回路1009を経由して出力端子1011から順時出力される。また、この走査出力と同時に画素から次の信号を読み出してAD変換が行なわれる。     The digital value determined in this way is latched at the timing of the clock signal ADCK and is output sequentially from the output terminal 1011 via the scanning circuit 1009. Simultaneously with this scanning output, the next signal is read from the pixel and AD conversion is performed.

ソースフォロア回路の出力電圧のばらつきはAD変換部1007のクランプ動作によりキャンセルされ、入力信号との比較に使われる参照信号Vrefは1つの参照信号発生器1008から全AD変換部1007に供給されるため変換利得ばらつきも発生しない。走査出力時間をAD変換時間にでき、AD変換に必要な電圧比較回数も少なくできるため、電圧比較器の信号帯域幅を狭くすることができる。したがって、低雑音で高分解能なディジタル出力の撮像素子を実現することができる。     The variation in the output voltage of the source follower circuit is canceled by the clamping operation of the AD converter 1007, and the reference signal Vref used for comparison with the input signal is supplied from one reference signal generator 1008 to all the AD converters 1007. There is no variation in conversion gain. Since the scan output time can be set to AD conversion time and the number of voltage comparisons necessary for AD conversion can be reduced, the signal bandwidth of the voltage comparator can be narrowed. Accordingly, it is possible to realize a digital output image sensor with low noise and high resolution.

図12は本発明の第4の実施例に係る固体撮像素子のブロック図、図13はその動作を説明するためのタイミング図である。画素が行列状に並んだ所謂エリアセンサであり、図では代表として縦方向・横方向それぞれ2画素分のみ示しており、図10と同一機能の構成要素には同一の符号を付している。     FIG. 12 is a block diagram of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a timing diagram for explaining the operation thereof. This is a so-called area sensor in which pixels are arranged in a matrix. In the drawing, only two pixels in the vertical direction and the horizontal direction are shown as representatives, and components having the same functions as those in FIG.

まず、第1行の画素信号を読み出すために、行選択パルスLS1を高レベルにし、列選択スイッチ1201−11,1201−12,…を閉じることで、第1行の画素1000−11,1000−12,…の信号が信号線VA1,Va2,…に出力される。このとき、リセットパルスRS1も与えられ、スイッチ1003−11,1003−12,…によりキャパシタ1004−11,1004−12,…は放電されている。信号線電圧VA1,Va2,…は、MOSトランジスタ1005の閾値電圧ばらつきやスイッチ1003のオン抵抗が発生する熱雑音により変動が生じるが、AD変換部1007のクランプ動作によりキャンセルされる。     First, in order to read out the pixel signals of the first row, the row selection pulse LS1 is set to the high level and the column selection switches 1201-11, 1201-12,. ,... Are output to the signal lines VA1, Va2,. At this time, the reset pulse RS1 is also given, and the capacitors 1004-11, 1004-12,... Are discharged by the switches 1003-11, 1003-12,. The signal line voltages VA1, Va2,... Vary due to threshold voltage variations of the MOS transistor 1005 and thermal noise generated by the on-resistance of the switch 1003, but are canceled by the clamp operation of the AD conversion unit 1007.

次に第1行の読み出しパルスRD1が与えられ、スイッチ1002‐11,1002‐12,…が閉じられると光ダイオード1001‐11,1002‐12,…からキャパシタ1004−11,1004−12,…へ信号電荷が転送され、信号線電圧VA1,Va2,…には信号電荷量に比例した電圧変化が生じる。     Next, when the read pulse RD1 of the first row is given and the switches 1002-11, 1002-12,... Are closed, the photodiodes 1001-11, 1002-12,. The signal charge is transferred, and a voltage change proportional to the signal charge amount occurs in the signal line voltages VA1, Va2,.

第1のAD変換期間AD1−1では、参照信号発生器1008から階段波が出力され、これと真の信号電圧である信号線電圧VA1,Va2,…に生じた電圧変化がそれぞれAD変換部1007−1,1007−2,…で比較され、上位ディジタル値が決定されるとともに、AD変換部にそれぞれ残差電圧が保持される。
In the first AD conversion period AD 1-1, a staircase wave is output from the reference signal generator 1008, and voltage changes generated in the signal line voltages VA 1, Va 2,. .., 1007-2,... Are compared to determine the upper digital value, and the residual voltage is held in the AD converter.

次に、行選択パルスLS1が低レベルにされ、FPパルスが高レベルになると、信号線電圧VA1,Va2,…はそれぞれスイッチ1202−1,1202−2,…で接地される。これにより第2のAD変換期間AD2−1にソースフォロア雑音がAD変換部1007に入らないようにしている。     Next, when the row selection pulse LS1 is set to the low level and the FP pulse is set to the high level, the signal line voltages VA1, Va2,... Are grounded by the switches 1202-1, 1202-2,. This prevents the source follower noise from entering the AD conversion unit 1007 during the second AD conversion period AD2-1.

第2のAD変換期間AD2では、前記階段波のステップ電圧を1/2倍ずつに減じた振幅の参照信号Vrefとを用いて下位のディジタル値を上位ビットから1ビットずつ決定する。このように決定されたディジタル値は、クロック信号ADCKのタイミングでラッチされ、走査回路1009を経由して出力端子1011から順時出力される。この第1行のAD変換値を走査出力している期間に、第2行の画素1000−21,1000−22,…から信号を読み出しAD変換が行なわれる。同様に、第n行の出力と第(n+1)行のAD変換とが同時実行される。     In the second AD conversion period AD2, the lower digital value is determined bit by bit from the upper bit using the reference signal Vref having an amplitude obtained by subtracting the step voltage of the staircase wave by 1/2. The digital value determined in this way is latched at the timing of the clock signal ADCK and is output sequentially from the output terminal 1011 via the scanning circuit 1009. In the period during which the AD conversion values of the first row are scanned and output, signals are read from the pixels 1000-21, 1000-22,. Similarly, the output of the nth row and the AD conversion of the (n + 1) th row are executed simultaneously.

ソースフォロア回路の出力電圧のばらつきはAD変換部1007のクランプ動作によりキャンセルされ、入力信号との比較に使われる参照信号Vrefは1つの参照信号発生器1008から全AD変換部1007に供給されるため変換利得ばらつきも発生しない。1行分の出力時間をAD変換時間にでき、AD変換に必要な電圧比較回数も少なくできるため、電圧比較にかけられる時間が長くなり、信号帯域幅を狭くすることができる。したがって、低雑音で高分解能なディジタル出力の撮像素子を実現することができる。     The variation in the output voltage of the source follower circuit is canceled by the clamping operation of the AD converter 1007, and the reference signal Vref used for comparison with the input signal is supplied from one reference signal generator 1008 to all the AD converters 1007. There is no variation in conversion gain. Since the output time for one row can be set to AD conversion time and the number of voltage comparisons required for AD conversion can be reduced, the time required for voltage comparison can be increased and the signal bandwidth can be reduced. Accordingly, it is possible to realize a digital output image sensor with low noise and high resolution.

図14は本発明の第5の実施例に係るCCD固体撮像素子のブロック図、図15はその動作を説明するためのタイミング図である。図では代表として縦方向・横方向それぞれ2画素分のみを示している。また、画素141と垂直転送CCD142は一般的なCCD固体撮像素子であるインターライン型CCDなので、画素から信号電荷を読み出しCCD電荷転送路142内を転送する動作タイミングは省略し、AD変換動作に係わるタイミングのみを示している。     FIG. 14 is a block diagram of a CCD solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a timing diagram for explaining the operation thereof. In the drawing, only two pixels in the vertical direction and the horizontal direction are shown as representatives. Further, since the pixel 141 and the vertical transfer CCD 142 are interline CCDs which are general CCD solid-state imaging devices, the operation timing for reading the signal charges from the pixels and transferring them in the CCD charge transfer path 142 is omitted, and the AD conversion operation is performed. Only the timing is shown.

画素141で光電変換された信号電荷は、CCD電荷転送路142に読み出された後、下方向へ順時転送され、CCD電荷転送路の最終転送段電極142Lに低レベルが与えられた時に信号電荷は出力ゲート143を介して電荷電圧変換回路144に送られる。CCD撮像素子では転送効率を上げやすいため、信号電荷として電子が使われるので、電荷電圧変換回路144の出力VA1,Va2,…は負極性の信号になる。このため、参照電圧Vrefとして負極性の信号を与え、AD変換部146での大小比較も負極性信号として扱っている。また、負極性の参照電圧Vrefは、例えば図4の参照電圧発生回路においてスイッチ402−1の切り替えを反転させることで発生することができる。また、1つの電荷電圧変換回路144に対しスイッチ145を介して2つのAD変換部146を設け、画素信号が必要な第1のAD変換と不要な第2の第1のAD変換を同時に実行できるようにしている。     The signal charge photoelectrically converted by the pixel 141 is read out to the CCD charge transfer path 142 and then transferred sequentially downward, and the signal charge is given when a low level is applied to the final transfer stage electrode 142L of the CCD charge transfer path. The charge is sent to the charge / voltage conversion circuit 144 via the output gate 143. Since the CCD image pickup device easily increases the transfer efficiency, electrons are used as signal charges. Therefore, the outputs VA1, Va2,... Of the charge voltage conversion circuit 144 are negative signals. For this reason, a negative signal is given as the reference voltage Vref, and the magnitude comparison in the AD converter 146 is also handled as a negative signal. Further, the negative reference voltage Vref can be generated, for example, by inverting the switching of the switch 402-1 in the reference voltage generation circuit of FIG. In addition, two AD conversion units 146 are provided for one charge-voltage conversion circuit 144 via a switch 145, so that a first AD conversion that requires a pixel signal and an unnecessary second first AD conversion can be executed simultaneously. I am doing so.

電荷電圧変換回路144の初期化のために、リセットパルスRSを与えMOSトランジスタスイッチ144aを導通させ、電荷電圧変換用キャパシタ144bが初期化電圧VRDに設定され、MOSトランジスタ144cと低電流源144dのソースフォロアでバッファされ出力される。信号選択スイッチ145をa側に接続することで、AD変換部146−1a,146−2a,…に入力される。クランプパルスCPaを与えることで、電荷電圧変換回路144の出力に生じる電圧変動はAD変換部146−1a,146−2a,…でキャンセルされる。     In order to initialize the charge-voltage conversion circuit 144, a reset pulse RS is applied to turn on the MOS transistor switch 144a, the charge-voltage conversion capacitor 144b is set to the initialization voltage VRD, and the sources of the MOS transistor 144c and the low current source 144d Buffered and output by follower. By connecting the signal selection switch 145 to the a side, the signals are input to the AD conversion units 146-1a, 146-2a,. By providing the clamp pulse CPa, voltage fluctuations generated at the output of the charge-voltage conversion circuit 144 are canceled by the AD conversion units 146-1a, 146-2a,.

最終転送段電極142Lに低レベルのパルスを与えることで、1行分の画素141−11,141−12,…の信号電荷が電荷電圧変換回路144に転送され、真の信号電圧である電圧変化Vsig11,Vsig12,…がAD変換部146−1a,146−2a,…に入力される。第1のAD変換期間AD1では、参照信号発生器148aから負極性の階段波が出力され、これと真の信号電圧である信号線に生じた電圧変化Vsig11,Vsig12,…がそれぞれAD変換部146−1a,146−2a,…で比較され、上位ディジタル値が決定されるとともに、AD変換部にそれぞれ残差電圧が保持される。     By applying a low-level pulse to the final transfer stage electrode 142L, the signal charges of the pixels 141-11, 141-12,... For one row are transferred to the charge-voltage conversion circuit 144, and the voltage change that is the true signal voltage Vsig11, Vsig12,... Are input to the AD conversion units 146-1a, 146-2a,. In the first AD conversion period AD1, a negative step wave is output from the reference signal generator 148a, and the voltage changes Vsig11, Vsig12,... -1a, 146-2a,... To determine the upper digital value, and each residual voltage is held in the AD converter.

次に信号選択スイッチ145をb側に接続する。AD変換部146−1a,146−2a,…には直流バイアス電圧VBが入力され、第2のAD変換期間AD2が開始される。第2のAD変換期間AD2では、前記階段波のステップ電圧を1/2倍ずつに減じた振幅の参照信号Vrefとを用いてAD変換部146−1a,146−2a,…にそれぞれ保持されている残差電圧と比較することで、下位のディジタル値を上位ビットから1ビットずつ決定する。このように決定されたディジタル値は、クロック信号ADCKaのタイミングでラッチしてAD変換部146−1a,146−2a,…から出力される。また、第2のAD変換期間AD2では、電荷電圧変換回路144の出力はAD変換部146−1b,146−2b,…に接続され、参照信号発生器148aから出力された負極性の階段波で、第1のAD変換が同時に行われ、2行目の信号に対する上位ディジタル値が決定される。。     Next, the signal selection switch 145 is connected to the b side. The DC bias voltage VB is input to the AD conversion units 146-1a, 146-2a,..., And the second AD conversion period AD2 is started. In the second AD conversion period AD2, the reference signals Vref having an amplitude obtained by reducing the step voltage of the staircase wave by a factor of 1/2 are held in the AD conversion units 146-1a, 146-2a,. By comparing with the residual voltage, the lower digital value is determined bit by bit from the upper bit. The digital value determined in this way is latched at the timing of the clock signal ADCKa and output from the AD conversion units 146-1a, 146-2a,. In the second AD conversion period AD2, the output of the charge voltage conversion circuit 144 is connected to the AD conversion units 146-1b, 146-2b,..., And is a negative step wave output from the reference signal generator 148a. The first AD conversion is performed at the same time, and the upper digital value for the signal in the second row is determined. .

確定されたAD変換部146−1a,146−2a,…の出力ディジタル値DV1a,DV2a,…は、走査回路147により順時選択されて出力端子1011からディジタル出力信号P11,P12,…が出力される。この走査出力している期間に、AD変換部146−1b,146−2b,…では第2行の画素141−21,141−22,…信号の下位のAD変換が同時実行され、AD変換部146−1a,146−2a,…では第3行の画素信号の上位のAD変換が同時実行される。次の行以降もディジタル値の出力と上位と下位のAD変換が同時実行される。 The determined output digital values DV1a, DV2a,... Of the AD conversion units 146-1a, 146-2a,... Are sequentially selected by the scanning circuit 147, and the digital output signals P11, P12,. The During the scanning output period, the AD conversion units 146-1b, 146-2b,... Simultaneously execute lower-order AD conversion of the pixels 141-21, 141-22,. In 146-1a, 146-2a, ..., higher-order AD conversion of the pixel signals in the third row is simultaneously executed. From the next line onward, digital value output and upper and lower AD conversion are executed simultaneously.

この構成により、2行分の出力時間をAD変換時間にでき、AD変換に必要な電圧比較回数も少ないため、1回の電圧比較にかけられる時間がさらに長くでき、信号帯域幅を狭くすることができる。したがって、低雑音で高分解能なディジタル出力の撮像素子を実現することができる。     With this configuration, the output time for two rows can be converted to AD conversion time, and the number of voltage comparisons required for AD conversion is small, so that the time required for one voltage comparison can be further increased and the signal bandwidth can be narrowed. it can. Accordingly, it is possible to realize a digital output image sensor with low noise and high resolution.

AD変換回路のブロック図(実施例1)Block diagram of AD conversion circuit (Example 1) AD変換制御回路のブロック図(実施例1)Block diagram of AD conversion control circuit (first embodiment) AD変換動作のタイミング図(実施例1)AD conversion operation timing chart (Example 1) 参照電圧発生回路のブロック図(実施例1)Block diagram of reference voltage generation circuit (Example 1) 参照電圧発生回路の動作タイミング図(実施例1)Operational Timing Diagram of Reference Voltage Generation Circuit (Example 1) 入力信号との関係を説明するための図(実施例1)A diagram for explaining a relationship with an input signal (Example 1) AD変換回路のブロック図(実施例2)Block diagram of AD converter circuit (Example 2) 初期化機能付きのサンプルホールド回路のブロック図(実施例2)Block diagram of sample hold circuit with initialization function (Example 2) AD変換動作のタイミング図(実施例2)AD conversion operation timing diagram (Example 2) 固体撮像素子のブロック図(実施例3)Block diagram of solid-state image sensor (Example 3) 固体撮像素子の動作タイミング図(実施例3)Operation timing diagram of solid-state image sensor (Example 3) 固体撮像素子のブロック図(実施例4)Block diagram of solid-state image sensor (Example 4) 固体撮像素子の動作タイミング図(実施例4)Operation timing diagram of solid-state image sensor (Example 4) CCD固体撮像素子のブロック図(実施例5)Block diagram of a CCD solid-state image sensor (Example 5) CCD固体撮像素子の動作タイミング図(実施例5)Timing chart of operation of CCD solid-state image sensor (Example 5) CCD固体撮像素子のブロック図(従来例)Block diagram of CCD solid-state image sensor (conventional example)

符号の説明Explanation of symbols

101…入力端子
102,701…クランプ回路
103,148,1008…参照信号発生器
104…差動増幅器
105…加算器
106…積算回路
107,702…サンプルホールド回路
108…電圧比較器
109…AD変換制御回路
110…タイミング発生回路
111,1011…出力端子
141,1000…画素
142…CCD電荷転送路
143…出力ゲート
144…電荷電圧変換回路
146,1007…AD変換部
147,1009…走査回路
1006…低電流源
201,208…OR回路
202,204,206,210,213…AND回路
203,205,211,215…SRフリップフロップ
207,212…データラッチ
209,214…NOT回路
401,806…定電圧源
145,402,405,408,803,802,1002,1003,1201,1202…スイッチ
403,406,407,804,1004…キャパシタ
404…演算増幅器
801,805…バッファアンプ
1001…光ダイオード
1005…MOSトランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Input terminal 102,701 ... Clamp circuit 103,148,1008 ... Reference signal generator 104 ... Differential amplifier 105 ... Adder 106 ... Integration circuit 107,702 ... Sample hold circuit 108 ... Voltage comparator 109 ... AD conversion control Circuit 110 ... Timing generation circuits 111 and 1011 ... Output terminals 141 and 1000 ... Pixel 142 ... CCD charge transfer path 143 ... Output gate 144 ... Charge voltage conversion circuits 146 and 1007 ... AD converters 147 and 1009 ... Scan circuit 1006 ... Low current Sources 201, 208 ... OR circuits 202, 204, 206, 210, 213 ... AND circuits 203, 205, 211, 215 ... SR flip-flops 207, 212 ... Data latches 209, 214 ... NOT circuits 401, 806 ... Constant voltage source 145 , 402, 405, 408, 803 02,1002,1003,1201,1202 ... Switch 403,406,407,804,1004 ... capacitor 404 ... operational amplifier 801, 805 ... buffer amplifier 1001 ... photodiode 1005 ... MOS transistor

Claims (5)

入力信号と参照電圧とがそれぞれ入力に供給される第1の差動増幅器と、所定時点の前記第1の差動増幅器の入力電圧を一致させられるように供給経路の少なくとも一方に設けられた第1のクランプ手段と、前記第1の差動増幅器の出力信号を選択的に積算する積算手段と、前記積算手段の保持信号に前記第1の差動増幅器の出力信号を加算する加算手段と、前記加算手段の出力信号をサンプルホールドするための第1のサンプルホールド手段と、前記加算手段の出力信号と前記第1のサンプルホールド手段の出力信号との差電圧を増幅するための第2の差動増幅器と、前記参照電圧を発生する参照電圧発生手段とを少なくとも有し、前記入力信号の第1の時点においては、前記第1のクランプ手段にクランプ動作をさせるとともに前記第1のサンプルホールド手段に前記第1の差動増幅器の出力信号と初期化された前記積算手段の出力信号の加算信号をホールドさせ、前記入力信号の第2の時点においては前記参照電圧として階段波形を与え、前記第2の差動増幅器の出力が反転するタイミングに応じて上位のディジタル値を決定するとともに、前記第1のサンプルホールド手段に前記加算手段の出力電圧をホールドさせ、第3の時点においては第2の時点の参照電圧の階段波のステップ電圧に対して振幅を1/2倍ずつ低減した参照電圧を複数回発生させ、前記比較手段の出力が反転するか否かにより下位ディジタル値を上位から決定すると共に、前記比較手段の出力が反転しない場合は前記積算手段に前記第1の差動増幅器の出力信号を積算し、前記第1のサンプルホールド手段に保持された電圧をAD変換して下位のディジタル値を決定し、前記上位のディジタル値と前記下位のディジタル値を合成して出力する出力手段を有し、前記第1の時点と前記第2の時点の入力信号の差電圧に対応するディジタル値を得ることを特徴とするAD変換回路。 A first differential amplifier to which an input signal and a reference voltage are respectively supplied to the input and a first differential amplifier provided in at least one of the supply paths so as to match the input voltages of the first differential amplifier at a predetermined time point 1 clamping means, integrating means for selectively integrating the output signal of the first differential amplifier, and adding means for adding the output signal of the first differential amplifier to the holding signal of the integrating means; First sample hold means for sample-holding the output signal of the adder means, and a second difference for amplifying a difference voltage between the output signal of the adder means and the output signal of the first sample hold means And a reference voltage generating means for generating the reference voltage. At a first time point of the input signal, the first clamping means is caused to perform a clamping operation and the first voltage is supplied. The sample hold means holds the sum signal of the output signal of the first differential amplifier and the output signal of the integrating means initialized, and a staircase waveform is given as the reference voltage at the second time point of the input signal. The upper digital value is determined according to the timing at which the output of the second differential amplifier is inverted, and the output voltage of the adding means is held by the first sample-and-hold means. At a third time point, A reference voltage having an amplitude reduced by a factor of ½ with respect to the step voltage of the step voltage of the reference voltage at the second time point is generated a plurality of times, and the lower digital value is increased depending on whether the output of the comparison means is inverted or not. And when the output of the comparison means does not invert, the output signal of the first differential amplifier is integrated in the integration means, and the first sample hold Output means for A / D converting the voltage held in the stage to determine a lower digital value, and combining and outputting the upper digital value and the lower digital value; and outputting the first time and the first 2. An AD conversion circuit characterized in that a digital value corresponding to a difference voltage of an input signal at time 2 is obtained. 前記入力信号の供給経路に、前記入力信号と所定電圧を切り替えるための切り替え手段を有し、前記入力信号の第1および第2の時点においては前記切り替え手段により前記入力信号が選択され、前記入力信号の第3の時点においては前記切り替え手段により前記所定電圧が選択されることを特徴とする請求項1のAD変換回路。 The input signal supply path has switching means for switching between the input signal and a predetermined voltage, and the input signal is selected by the switching means at the first and second time points of the input signal, and the input 2. The AD converter circuit according to claim 1, wherein the predetermined voltage is selected by the switching means at a third time point of the signal. 前記第1の差動増幅器の出力信号を選択的に積算する積算手段は、前記第1の差動増幅器の出力信号をクランプするための第2のクランプ手段と、前記第2のクランプ手段の出力をサンプルホールドし前記第2のクランプ手段に帰還をかけるための第2のサンプルホールド手段とで構成されることを特徴とした請求項1から請求項2記載のAD変換回路。The integration means for selectively integrating the output signal of the first differential amplifier includes a second clamp means for clamping the output signal of the first differential amplifier, and an output of the second clamp means. 3. The AD conversion circuit according to claim 1, further comprising: second sample and hold means for sample-holding and applying feedback to the second clamp means. 複数の光電変換手段と、前記光電変換手段から信号電荷を読み出し信号電圧に変換する複数の信号検出手段と、前記信号検出手段に対応して設けられ信号電圧をディジタル値に変換する複数の請求項1から請求項3のいずれかに記載のAD変換回路と、前記複数のAD変換回路のディジタル値出力を順次選択して出力する手段を少なくとも有し、前記AD変換回路の前記参照電圧発生手段を複数のAD変換回路で共用することを特徴とする固体撮像装置。A plurality of photoelectric conversion means, a plurality of signal detection means for converting a signal charge from the photoelectric conversion means into a signal voltage, and a plurality of signal conversion circuits provided corresponding to the signal detection means for converting the signal voltage into a digital value. The AD converter circuit according to any one of claims 1 to 3, and at least means for sequentially selecting and outputting digital value outputs of the plurality of AD converter circuits, wherein the reference voltage generating means of the AD converter circuit includes: A solid-state image pickup device shared by a plurality of AD conversion circuits. 複数の光電変換手段と、前記光電変換手段から信号電荷を読み出し信号電圧に変換する複数の信号検出手段と、前記信号検出手段それぞれに対して信号電圧をディジタル値に変換する互いに異なった位相で動作する複数の請求項1から請求項4のいずれかに記載のAD変換回路と、前記複数のAD変換回路のディジタル値出力を順次選択して出力する手段を少なくとも有し、前記AD変換回路の前記参照電圧発生手段を複数のAD変換回路で共用することを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion means, a plurality of signal detection means for reading signal charges from the photoelectric conversion means and converting them into signal voltages, and the signal detection means operating at different phases for converting the signal voltages into digital values A plurality of AD converter circuits according to any one of claims 1 to 4 and means for sequentially selecting and outputting digital value outputs of the plurality of AD converter circuits; A solid-state imaging device characterized in that a reference voltage generating means is shared by a plurality of AD conversion circuits.
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