JP4469989B2 - N-bit A / D converter - Google Patents
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本発明は、NビットA/D変換器に関する。 The present invention relates to an N-bit A / D converter.
非特許文献1には、イメージセンサのカラムに集積化された巡回型A/D変換器が記載されている。特許文献1には、イメージセンサ用A/D変換アレイが記載されている。このA/D変換アレイによれば、従来の巡回型A/D変換器に比べて増幅器の数とキャパシタの数を減らし、さらにイメージセンサの画素で発生するノイズをキャンセルできる。非特許文献2には、ダイナミックレンジの広いCMOSイメージセンサの読み出しのために巡回型A/D変換器に応用している。巡回型A/D変換器はイメージセンサの画素アレイのカラムに集積化されている。
非特許文献1の巡回型A/D変換器では、イメージセンサの画素部で発生するノイズをキャンセルするためのアンプと合わせて、1チャネルあたり、3つのアンプが必要である。このため、A/D変換器の占有面積が大きく、その消費電力も大きい。これに対して、特許文献1のA/D変換器によれば、1つのアンプを用いて、ノイズキャンセルと巡回型A/D変換を行うことができる。また、非特許文献2に記載されているように、この巡回型A/D変換器をCMOSイメージセンサのカラムに集積化して、12ビットの分解能が達成された。
In the cyclic A / D converter of
上記の説明のように、巡回型A/D変換器は、比較的少ない回路規模で、比較的高速動作を実現でき、高分解能に適する。この他の構成例としては、次のようなものがある。この例では、単位回路を二段縦続に接続すると共に、一段目の入力を二段目の出力に帰還経路を介して接続した回路を用いて巡回型A/D変換を行う。各単位回路では、入力信号の2倍増幅を行うと共に、比較器からの変換結果に応じて参照電圧の加算または減算を行っている。単位回路が二段縦続に接続されているので、1クロックあたり2ビットのA/D変換値を生成できる。例えば、A/D変換を5回繰り返せば、10ビットのA/D変換値を得ることができる。また、非特許文献2に記載された巡回型A/D変換器は、CMOSイメージセンサのカラムに集積化されたA/D変換器として、世界で初めて12ビット分解能を実現した
As described above, the cyclic A / D converter can realize a relatively high speed operation with a relatively small circuit scale and is suitable for high resolution. Other configuration examples include the following. In this example, cyclic A / D conversion is performed using a circuit in which unit circuits are connected in two stages and a first stage input is connected to a second stage output via a feedback path. Each unit circuit amplifies the input signal twice and adds or subtracts a reference voltage according to the conversion result from the comparator. Since the unit circuits are connected in cascade in two stages, it is possible to generate an A / D conversion value of 2 bits per clock. For example, if A / D conversion is repeated five times, a 10-bit A / D conversion value can be obtained. The cyclic A / D converter described in Non-Patent
しかしながら、巡回型A/D変換器においてさらに分解能を向上させるためには、その回路内で用いるキャパシタのばらつき(ミスマッチ)に起因するA/D変換精度の劣化を防ぐ必要がある。また、巡回型A/D変換器の演算増幅回路の利得が有限値であることに起因するA/D変換精度の劣化を防ぐ必要がある。これらの要因により精度劣化を改善できなければ、12ビットを超える分解能を実現することは困難である。 However, in order to further improve the resolution in the cyclic A / D converter, it is necessary to prevent deterioration in A / D conversion accuracy due to variation (mismatch) of capacitors used in the circuit. In addition, it is necessary to prevent deterioration in A / D conversion accuracy due to the fact that the gain of the operational amplifier circuit of the cyclic A / D converter is a finite value. If accuracy deterioration cannot be improved due to these factors, it is difficult to realize a resolution exceeding 12 bits.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、回路素子に起因するA/D変換精度の劣化を低減可能なNビットA/D変換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an N-bit A / D converter capable of reducing deterioration in A / D conversion accuracy caused by circuit elements.
本発明の一側面は、回路素子に起因する変換誤差を補正可能なNビットA/D変換器を提供する。このNビットA/D変換器は、(a)アナログ信号を受ける入力、出力、並びに入力および出力を有する演算増幅回路を含むゲインステージと、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じたディジタル信号を提供するA/D変換用比較回路と、前記ディジタル信号に応答して制御信号を生成する論理回路と、前記制御信号に応じて前記ゲインステージに電圧信号を提供するD/A変換回路とを含む巡回型A/D変換回路と、(b)前記ゲインステージに起因する変換誤差のために格納されたディジタル係数と共に前記巡回型A/D変換回路からのディジタル信号から生成されるビット列とを用いて前記ディジタル信号に前記変換誤差の補正を施すことによって補正ディジタル値を生成するディジタル回路とを含む。前記変換誤差は、前記ゲインステージのキャパシタの容量値のミスマッチ誤差および前記演算増幅回路の有限利得誤差の少なくともいずれかの誤差を含み、前記ゲインステージは、第1のキャパシタと第2のキャパシタとを含み、前記第1のキャパシタは、第1の期間中に前記アナログ信号を受け、前記第1の期間の後の第2の期間に前記D/A変換回路と前記演算増幅回路の前記入力との間に接続されると共に、前記第2の期間の後の第3の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続され、前記第2のキャパシタは、前記第1の期間中に前記アナログ信号を受けると共に、前記第2および第3の期間に前記演算増幅回路の前記入力と前記出力との間に接続される。
本発明の一側面に係るNビットA/D変換器において、前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含む。前記ディジタル回路は、前記ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正するための第1の回路と、前記有限利得誤差に起因する変換誤差を補正するための第2の回路とを含む。前記第1の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記ミスマッチ誤差の補正用の第1のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する第1の加算器と、前記第1のディジタル係数値と前記加算値とを乗算して第1の乗算値を生成する第1の乗算器と、を含む。前記第2の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第3のレジスタと、前記有限利得誤差の補正のための第2のディジタル係数値を格納する第4のレジスタと、前記第3のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する第2の加算器と、前記第2のディジタル係数値と前記加算値とを乗算して第2の乗算値を生成する第2の乗算器とを含む。前記ディジタル回路は、前記第1の乗算値と前記第2の乗算値を加算する第3の加算器を含む。前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供する。前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する。
本発明の一側面に係るNビットA/D変換器において、前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含む。前記ディジタル回路は、前記ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正するための第1の回路を含む。前記第1の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記ミスマッチ誤差の補正用のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する加算器と、前記ディジタル係数値と前記加算値とを乗算する乗算器とを含む。前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供する。前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する。
本発明の一側面に係るNビットA/D変換器において、前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含み、前記ディジタル回路は、前記有限利得誤差に起因する変換誤差を補正するための第2の回路を含む。前記第2の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記有限利得誤差の補正用のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する加算器と、前記ディジタル係数値と前記加算値とを乗算する乗算器とを含む。前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供する。前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する。
One aspect of the present invention provides an N-bit A / D converter capable of correcting a conversion error caused by a circuit element. The N-bit A / D converter includes (a) an input for receiving an analog signal, an output, and a gain stage including an operational amplifier circuit having the input and output, and a digital signal corresponding to the signal from the output of the gain stage An A / D conversion comparison circuit that provides a control signal, a logic circuit that generates a control signal in response to the digital signal, and a D / A conversion circuit that provides a voltage signal to the gain stage in response to the control signal A cyclic A / D conversion circuit including the bit string generated from the digital signal from the cyclic A / D conversion circuit together with a digital coefficient stored for the conversion error caused by the gain stage. And a digital circuit for generating a corrected digital value by correcting the conversion error on the digital signal. The conversion error includes at least one of a mismatch error of capacitance values of capacitors of the gain stage and a finite gain error of the operational amplifier circuit, and the gain stage includes a first capacitor and a second capacitor. The first capacitor receives the analog signal during a first period, and receives the analog signal between the D / A conversion circuit and the input of the operational amplifier circuit in a second period after the first period. And connected to the output of the operational amplifier circuit in a third period after the second period, and the second capacitor receives the analog signal during the first period At the same time, it is connected between the input and the output of the operational amplifier circuit in the second and third periods.
In the N-bit A / D converter according to one aspect of the present invention, the output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor in the third period, and the gain stage includes the gain stage, Further included is a third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit in a second period and connected to the first input of the operational amplifier circuit in the third period. The digital circuit includes a first circuit for correcting a conversion error caused by the mismatch error, and a second circuit for correcting a conversion error caused by the finite gain error. The first circuit includes a plurality of first registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a second register for storing a first digital coefficient value for correcting the mismatch error, and the first circuit. A first adder for adding a digital value of one register to generate an added value; and a first multiplier for multiplying the first digital coefficient value by the added value to generate a first multiplied value And a vessel. The second circuit includes a plurality of third registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a fourth register for storing a second digital coefficient value for correcting the finite gain error, A second adder that adds the digital values of the third register to generate an added value; and a second adder that multiplies the second digital coefficient value and the added value to generate a second multiplied value. And a multiplier. The digital circuit includes a third adder that adds the first multiplication value and the second multiplication value. The A / D conversion comparison circuit provides the digital signal during the first to third periods. The D / A conversion circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage during the second period, and supplies the voltage to the third capacitor of the gain stage during the third period. Provide a signal.
In the N-bit A / D converter according to one aspect of the present invention, the output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor in the third period, and the gain stage includes the gain stage, Further included is a third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit in a second period and connected to the first input of the operational amplifier circuit in the third period. The digital circuit includes a first circuit for correcting a conversion error caused by the mismatch error. The first circuit includes a plurality of first registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a second register for storing digital coefficient values for correcting the mismatch error, and the first register. An adder for adding the digital values to generate an added value, and a multiplier for multiplying the digital coefficient value by the added value. The A / D conversion comparison circuit provides the digital signal during the first to third periods. The D / A conversion circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage during the second period, and supplies the voltage to the third capacitor of the gain stage during the third period. Provide a signal.
In the N-bit A / D converter according to one aspect of the present invention, the output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor in the third period, and the gain stage includes the gain stage, The digital circuit further includes a third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit in a second period and connected to the first input of the operational amplifier circuit in the third period. A second circuit for correcting a conversion error caused by the finite gain error; The second circuit includes a plurality of first registers that store a bit string corresponding to the number of correction target bits, a second register that stores a digital coefficient value for correcting the finite gain error, and the first circuit An adder for adding the digital values of the registers to generate an added value; and a multiplier for multiplying the digital coefficient value by the added value. The A / D conversion comparison circuit provides the digital signal during the first to third periods. The D / A conversion circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage during the second period, and supplies the voltage to the third capacitor of the gain stage during the third period. Provide a signal.
このNビットA/D変換器によれば、ゲインステージは、第1の期間中に前記アナログ信号を標本化し、第2および第3の期間に演算増幅回路の出力に演算値を生成すると共にこの演算値を次の演算のために標本化する。また、ディジタル回路は、ディジタル回路に格納されおりゲインステージに起因する変換誤差のためのディジタル係数を用いて、巡回型A/D変換回路からのディジタル信号に変換誤差補正を行うので、アナログ信号に対応した補正ディジタル値が得られる。また、ゲインステージは、巡回型A/D変換のために単一の演算増幅回路を用いるので、変換誤差補正のための回路が簡素になる。 According to this N-bit A / D converter, the gain stage samples the analog signal during the first period, and generates an arithmetic value at the output of the operational amplifier circuit during the second and third periods. Sample the computed value for the next computation. In addition, the digital circuit performs conversion error correction on the digital signal from the cyclic A / D conversion circuit using the digital coefficient for conversion error caused by the gain stage stored in the digital circuit. Corresponding corrected digital values are obtained. In addition, since the gain stage uses a single operational amplifier circuit for cyclic A / D conversion, the circuit for correcting the conversion error is simplified.
本発明に係るNビットA/D変換器では、前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されている。前記A/D変換用比較回路は、前記第1および第3の期間に前記ディジタル信号を提供し、前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記電圧信号を前記ゲインステージに提供する。 In the N-bit A / D converter according to the present invention, the output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor during the third period. The A / D conversion comparison circuit provides the digital signal during the first and third periods, and the D / A conversion circuit provides the voltage signal to the gain stage during the second period. .
このNビットA/D変換器では、ゲインステージは、主要な構成要素として演算増幅回路並びに第1および第2のキャパシタを含むので、変換誤差補正のための回路が非常に簡素になる。第2の期間に、演算増幅回路の出力に演算値を生成すると共に、A/D変換を行う。第3の期間に、演算増幅回路の出力に生成された演算値を次の演算のために標本化する。 In this N-bit A / D converter, the gain stage includes the operational amplifier circuit and the first and second capacitors as main components, so that the circuit for correcting the conversion error becomes very simple. In the second period, an arithmetic value is generated at the output of the operational amplifier circuit and A / D conversion is performed. In the third period, the operation value generated at the output of the operational amplifier circuit is sampled for the next operation.
本発明に係るNビットA/D変換器では、前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含み、前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供し、前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する。 In the N-bit A / D converter according to the present invention, the output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor during the third period, and the gain stage includes the second stage A third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit in a period and connected to the first input of the operational amplifier circuit in the third period, and further comprising the comparison circuit for A / D conversion Provides the digital signal in the first to third periods, and the D / A converter circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage in the second period; The voltage signal is provided to the third capacitor of the gain stage during the third period.
このNビットA/D変換器では、ゲインステージは、主要な構成要素として演算増幅回路並びに第1〜第3のキャパシタを含むので、変換誤差補正のための回路が簡素になる。第2の期間に、第1および第2のキャパシタを用いて演算増幅回路の出力に演算値を生成し、この値をA/D変換を行うと共に、演算増幅回路の出力に生成された演算値を次の演算のために第3のキャパシタに標本化する。また、第3の期間に、第2および第3のキャパシタを用いて演算増幅回路の出力に演算値を生成し、この値をA/D変換を行うと共に、演算増幅回路の出力に生成された演算値を更なる次の演算のために第1のキャパシタに標本化する。 In this N-bit A / D converter, the gain stage includes the operational amplifier circuit and the first to third capacitors as main components, so that the circuit for correcting the conversion error is simplified. In the second period, the first and second capacitors are used to generate a calculation value at the output of the operational amplifier circuit, and A / D conversion is performed on this value, and the calculation value generated at the output of the operational amplifier circuit Is sampled into a third capacitor for the next operation. Further, during the third period, the second and third capacitors are used to generate a calculation value at the output of the operational amplifier circuit, and this value is A / D converted and generated at the output of the operational amplifier circuit. The computed value is sampled on the first capacitor for further computations.
本発明に係るNビットA/D変換器では、前記ディジタル回路は、前記ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正するための第1の回路を含むことができ、また前記有限利得誤差に起因する変換誤差を補正するための第2の回路を含むことができる。前記第1の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記ミスマッチ誤差の補正用の第1のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する第1の加算器と、前記第2のディジタル係数値と前記加算値とを乗算して第1の乗算値を生成する第1の乗算器とを含む。前記第2の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第3のレジスタと、前記有限利得誤差の補正用の第2のディジタル係数値を格納する第4のレジスタと、前記第3のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する第2の加算器と、前記第2のディジタル係数値と前記加算値とを乗算して第2の乗算値を生成する第2の乗算器とを含む。前記ディジタル回路は、前記第1の乗算値と前記第2の乗算値を加算する第3の加算器を更に含む。 In the N-bit A / D converter according to the present invention, the digital circuit may include a first circuit for correcting a conversion error caused by the mismatch error, and a conversion caused by the finite gain error. A second circuit for correcting the error may be included. The first circuit includes a plurality of first registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a second register for storing a first digital coefficient value for correcting the mismatch error, and the first circuit. A first adder for adding a digital value of one register to generate an added value; and a first multiplier for generating a first multiplied value by multiplying the second digital coefficient value by the added value Including The second circuit includes a plurality of third registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a fourth register for storing a second digital coefficient value for correcting the finite gain error, A second adder for adding the digital values of the third register to generate an added value; and a second adder for multiplying the second digital coefficient value and the added value to generate a second multiplied value. And a multiplier. The digital circuit further includes a third adder that adds the first multiplication value and the second multiplication value.
このNビットA/D変換器によれば、ディジタル回路が第1の回路を含むとき、ディジタル回路は、ミスマッチ誤差補正の対象ビット数に応じたビット列とミスマッチ誤差補正用のディジタル係数値とを用いて、ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正できる。補正対象ビット数に応じたビット列は、第1の回路内の複数の第1のレジスタに格納され、ミスマッチ誤差補正用のディジタル係数値は第2のレジスタに格納される。このNビットA/D変換器では、第1の加算器を用いて第1のレジスタのディジタル値を加算した後に、対応するディジタル係数値とこの加算値とを第1の乗算器を用いて乗算する。この第1の乗算値を用いて、アナログ信号に対応した補正ディジタル値を生成する。 According to the N-bit A / D converter, when the digital circuit includes the first circuit, the digital circuit uses a bit string corresponding to the number of bits for mismatch error correction and a digital coefficient value for mismatch error correction. Thus, the conversion error due to the mismatch error can be corrected. A bit string corresponding to the number of correction target bits is stored in a plurality of first registers in the first circuit, and a digital coefficient value for mismatch error correction is stored in a second register. In this N-bit A / D converter, after adding the digital value of the first register using the first adder, the corresponding digital coefficient value and this added value are multiplied using the first multiplier. To do. A corrected digital value corresponding to the analog signal is generated using the first multiplication value.
また、このNビットA/D変換器によれば、ディジタル回路が第2の回路を含むとき、ディジタル回路は、有限利得誤差補正の対象ビット数に応じたビット列と有限利得誤差補正用のディジタル係数値とを用いて、有限利得誤差に起因する変換誤差を補正できる。補正対象ビット数に応じたビット列は、第1の回路内の複数の第3のレジスタに格納され、ミスマッチ誤差補正用のディジタル係数値は第4のレジスタに格納される。このNビットA/D変換器では、第2の加算器を用いて第1のレジスタのディジタル値を加算した後に、対応するディジタル係数値とこの加算値とを第2の乗算器を用いて乗算する。この第2の乗算値を用いて、アナログ信号に対応した補正ディジタル値を生成する。 Further, according to the N-bit A / D converter, when the digital circuit includes the second circuit, the digital circuit includes a bit string corresponding to the number of bits subject to finite gain error correction and a digital function for finite gain error correction. The conversion error due to the finite gain error can be corrected using the numerical value. A bit string corresponding to the number of bits to be corrected is stored in a plurality of third registers in the first circuit, and a digital coefficient value for mismatch error correction is stored in a fourth register. In this N-bit A / D converter, after adding the digital value of the first register using the second adder, the corresponding digital coefficient value and this added value are multiplied using the second multiplier. To do. A corrected digital value corresponding to the analog signal is generated using the second multiplication value.
さらに、このNビットA/D変換器によれば、ディジタル回路が第1および第2の回路を含むとき、ミスマッチ誤差に起因する変換誤差と有限利得誤差に起因する変換誤差との両方を補正できる。このために、ディジタル回路は、誤差要因毎の補正用の計算値を加算する演算回路を含み、例えば、第1の乗算値と前記第2の乗算値を加算する第3の加算器を更に含み、この加算値を用いて、アナログ信号に対応した補正ディジタル値を生成する。 Furthermore, according to the N-bit A / D converter, when the digital circuit includes the first and second circuits, both the conversion error caused by the mismatch error and the conversion error caused by the finite gain error can be corrected. . For this purpose, the digital circuit includes an arithmetic circuit that adds a correction calculation value for each error factor, and further includes, for example, a third adder that adds the first multiplication value and the second multiplication value. Using this added value, a corrected digital value corresponding to the analog signal is generated.
本発明に係るNビットA/D変換器では、前記ゲインステージは、前記第2、第3の期間における動作を第4の期間に繰り返す。このNビットA/D変換器によれば、繰り返しに所望のビット数のディジタル値を得ることができると共に、所望のビット数からなる上位ディジタル値を補正することができる。 In the N-bit A / D converter according to the present invention, the gain stage repeats the operations in the second and third periods in the fourth period. According to the N-bit A / D converter, a digital value having a desired number of bits can be obtained repeatedly, and an upper digital value having a desired number of bits can be corrected.
本発明に係るNビットA/D変換器では、前記ディジタル回路におけるディジタル演算は、冗長二進表現を用いて行われ、前記ディジタル回路が生成する前記補正ディジタル値は冗長二進表現で表され、当該NビットA/D変換器は、前記補正ディジタル値の冗長二進表現を非冗長二進表現に変換する回路を含むことができる。 In the N-bit A / D converter according to the present invention, the digital operation in the digital circuit is performed using a redundant binary representation, and the corrected digital value generated by the digital circuit is represented in a redundant binary representation, The N-bit A / D converter may include a circuit that converts a redundant binary representation of the corrected digital value into a non-redundant binary representation.
或いは、本発明に係るNビットA/D変換器は、当該NビットA/D変換器は、補正されていないディジタル値の冗長二進表現を非冗長二進表現に変換する回路を含むことができる。前記ディジタル回路におけるディジタル演算は、非冗長二進表現で用いて行われ、前記ディジタル回路は、非冗長二進表現で表される補正ディジタル値を生成する。 Alternatively, the N-bit A / D converter according to the present invention may include a circuit that converts a redundant binary representation of an uncorrected digital value into a non-redundant binary representation. it can. Digital operations in the digital circuit are performed using a non-redundant binary representation, and the digital circuit generates a corrected digital value represented in the non-redundant binary representation.
本発明に係るNビットA/D変換器は、例えばイメージセンサに用いることができる。このイメージセンサは、アレイ状に配置された複数の画素を含む画素アレイを備え、各画素は、該画素の浮遊拡散層がリセット状態にあるとき第1の信号を生成すると共に、前記画素の浮遊拡散層が光誘起電荷の蓄積状態にあるとき第2の信号を生成し、また、イメージセンサは、上記のいずれかに記載されており画素アレイのカラム線にそれぞれ直接に接続された複数の巡回A/D変換器とを備える。前記画素は、前記画素の浮遊拡散層がリセット状態にあるとき第1の信号を生成すると共に、前記画素の浮遊拡散層が光誘起電荷の蓄積状態にあるとき第2の信号を生成するイメージセンサ素子を含む。 The N-bit A / D converter according to the present invention can be used for an image sensor, for example. The image sensor includes a pixel array including a plurality of pixels arranged in an array, and each pixel generates a first signal when the floating diffusion layer of the pixel is in a reset state, and the floating of the pixel A second signal is generated when the diffusion layer is in a photo-induced charge accumulation state, and the image sensor includes a plurality of circuits each of which is directly connected to the column line of the pixel array as described above. And an A / D converter. The pixel generates a first signal when the floating diffusion layer of the pixel is in a reset state, and generates a second signal when the floating diffusion layer of the pixel is in a photo-induced charge accumulation state. Including elements.
このNビットA/D変換器によれば、イメージセンサの画素からのアナログ信号をディジタル信号に変換できる。 According to the N-bit A / D converter, an analog signal from a pixel of the image sensor can be converted into a digital signal.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、回路素子に起因するA/D変換精度の劣化を低減可能なNビットA/D変換器が提供される。 As described above, according to the present invention, an N-bit A / D converter capable of reducing deterioration in A / D conversion accuracy caused by circuit elements is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のNビットA/D変換器に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Next, embodiments of the N-bit A / D converter according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
(第1の実施の形態)
図1は、イメージセンサを示す図面である。図2は、NビットA/D変換器を示す図面である。図3は、巡回型A/D変換器を示す図面である。図4は、巡回型A/D変換器のためのタイミングチャートを示す図面である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an image sensor. FIG. 2 is a diagram illustrating an N-bit A / D converter. FIG. 3 is a diagram showing a cyclic A / D converter. FIG. 4 is a diagram showing a timing chart for the cyclic A / D converter.
図1を参照すると、CMOSイメージセンサ1では、セルアレイ2の行に垂直シフトレジスタ3が接続されており、セルアレイ2の列にはA/D変換器アレイ4が接続されている。A/D変換器アレイ4は、アレイ状に配列された複数のA/D変換器を含む。各A/D変換器として巡回A/D変換回路11を使用できる。NビットA/D変換器11は、CMOSイメージセンサ1において用いられており、回路素子に起因する変換誤差を補正可能である。CMOSイメージセンサ1のセルアレイ2では、例えばCMOSイメージセンサ画素2aが行方向および列方向に配列されている。図1には、CMOSイメージセンサ画素2aの一例が示されている。画素2aは、リセット状態における第1の信号S1と光誘起信号出力における第2の信号S2とを生成する。A/D変換器11の入力13が画素2aに接続されている。A/D変換器アレイ4には、データレジスタ5が接続されており、画素2aからの信号に対応するA/D変換値がデータレジスタ5に格納される。データレジスタ5は、水平シフトレジスタ6からの信号に応答して、巡回A/D変換回路11の回路素子に起因する変換誤差を補正するためのディジタル回路12へA/D変換値を提供する。ディジタル回路12は、Nビットのディジタルコードのための補正されたディジタル信号を生成し、この補正ディジタル信号は冗長表現−非冗長表現変換回路7に提供される。冗長表現−非冗長表現変換回路7は、画素2aからの信号に対応した非冗長表現のディジタルコードを生成する。
Referring to FIG. 1, in the
画素2aは、フォトダイオードDFが、イメージに関連する一画素分の光(Optical Signal)を受ける。選択トランジスタMSのゲートは、行方向に伸びる行選択線Siに接続されている。リセットトランジスタMRのゲートはリセット線Riに接続されている。転送トランジスタMTのゲートは、行方向に伸びる転送選択線に接続されている。フォトダイオードDFの一端は転送トランジスタMTを介して浮遊拡散層FDに接続されている。浮遊拡散層FDは、リセットトランジスタMRを介してリセット電位線Resetに接続されると共に、トランジスタMAのゲートに接続されている。トランジスタMAの一電流端子(例えばドレイン)は、選択トランジスタMSを介して列線8に接続されている。トランジスタMAは、浮遊拡散層FDの電荷量に応じて電位を選択トランジスタMSを介して列線に提供する。
In the
この構造の画素において、ノイズキャンセル動作は、以下のように行われる。まず、リセット制御信号RをリセットトランジスタMRに提供し、浮遊拡散層FDをリセットする。増幅トランジスタMAを介して、このリセットレベルを読み出す。画素2aは、浮遊拡散層FDがリセット状態にあるとき第1の信号S1を生成する。次いで、電荷転送制御信号TXを転送トランジスタMTに供給し、フォトダイオードDFから光誘起信号電荷を浮遊拡散層FDに転送する。この後、トランジスタMAを介して、この信号レベルを読み出す。画素2aの浮遊拡散層FDが光誘起電荷の蓄積状態にあるとき第2の信号S2を生成する。NビットA/D変換器4を用いて、イメージセンサ1の画素2aからのアナログ信号をディジタル信号に変換できる。
In the pixel having this structure, the noise canceling operation is performed as follows. First, to provide a reset control signal R to the reset transistor M R, it resets the floating diffusion layer FD. Through the amplification transistor M A, read out the reset level. The
図1および図2を参照すると、NビットA/D変換器4aは、アナログ信号を入力にうける巡回型A/D変換回路11と、巡回型A/D変換回路11に接続されておりアナログ信号に対応したディジタル信号を生成するディジタル回路12とを含む。
Referring to FIGS. 1 and 2, the N-bit A /
図3を参照すると、巡回型A/D変換回路11は、アナログ信号を受ける入力11inおよび出力11outを有しており、また、ゲインステージ15と、A/D変換用比較回路17と、論理回路19と、D/A変換回路21とを含む。ゲインステージ15は演算増幅回路23を有しており、演算増幅回路23は、入力23aおよび出力23bを有する。ゲインステージ15は、第1の期間T1にアナログ信号VINを標本化し、第2および第3の期間T2、T3に演算増幅回路23の出力23bに演算値を生成すると共に演算増幅回路23の出力23bに生成された演算値を次の演算のために標本化する。ゲインステージ15は、例えば第1のキャパシタ25と第2のキャパシタ27とを含み、第1のキャパシタ25は、第1の期間T1にアナログ信号VINを受け、第2の期間T2にD/A変換回路21と演算増幅回路23の入力23aとの間に接続されると共に、第3の期間T3に演算増幅回路23の出力23bとD/A変換回路21との間に接続される。第2のキャパシタ27は、第1の期間T1にアナログ信号VINを受けると共に、第2および第3の期間T2、T3に演算増幅回路23の入力23aと出力23cとの間に接続される。
Referring to FIG. 3, the cyclic A /
A/D変換用比較回路17は、ゲインステージ23の出力23bからの信号に応じた所定の表現(例えば、冗長二進表現)のディジタル信号SDIGを提供する。論理回路19は、ディジタル信号SDIGに応答して制御信号SCONTを生成する。D/A変換回路21は、制御信号SCONTに応じて、ゲインステージ23の入力15cに電圧信号−VR、+VRまたはゼロを提供する。ディジタル回路12は、ゲインステージ15に起因する変換誤差のためのディジタル値を格納すると共に、A/D変換用比較回路17からのディジタル値SDIGからなるビット列に変換誤差の補正を施すことによって、アナログ信号VINに対応した補正ディジタル値SOUTを生成する。変換誤差は、ゲインステージ15のキャパシタの容量値のミスマッチ誤差および演算増幅回路15の有限利得誤差の少なくともいずれかの誤差を含む。
The A / D
ゲインステージ15は、第2、第3の期間T2、T3における動作を第4の期間T4に繰り返す。この巡回型A/D変換器11によれば、繰り返しに所望のビット数のデジタル値を得ることができると共に、所望な上位ビット数の補正を行うことができる。
The
A/D変換用比較回路17は、第1および第3の期間T1、T3にディジタル信号SDIGを提供する。D/A変換回路21は、第2の期間T2に電圧信号SA/Dをゲインステージ15の入力15cに提供する。第2の期間T2に、演算増幅回路23の出力23bに演算値を生成すると共に、A/D変換を行い、第3の期間T3に、演算増幅回路の出力に生成された演算値を次の演算のために標本化する。ゲインステージ15は、巡回型A/D変換のために単一の演算増幅回路23を用いるので、変換誤差補正のための回路が簡素になる。
The A / D
図3に示されたスイッチのためのクロック信号および図4のタイミングチャートに示されたクロック信号は、クロック発生器35によって生成される。
The clock signal for the switch shown in FIG. 3 and the clock signal shown in the timing chart of FIG. 4 are generated by a
A/D変換回路17内の比較器17a、17bには、参照値+VR/4および−VR/4が供給される。A/D変換回路17は、図5に示されるように、3つの入力電圧Viの領域に対して、ゲインステージ15の出力15bに生成される出力値VOにディジタル値(+1、0、−1)を割り当てる。ゲインステージ15の出力15bは、キャパシタ端27bに接続されている。
ゲインステージのディジタル信号は「−1」、「0」、「+1」の3値を取るので、一ゲインステージあたり1.5ビットのA/D変換を行っていると考えることができる。
Reference values + V R / 4 and −V R / 4 are supplied to the
Since the digital signal of the gain stage takes the three values “−1”, “0”, and “+1”, it can be considered that 1.5-bit A / D conversion is performed per gain stage.
論理回路19は、第1〜第3のスイッチ51a〜51cをそれぞれ制御するための制御信号φ0、φP、φNを生成する。ディジタル信号D1、D0の値は、制御信号φ0、φP、φNのうちのいずれがアクティブになるかを決定する。これらの3領域に対して3値のA/D変換を行って「−1」、「0」、「+1」のディジタルコードを割り当てる。最初のコードは最上位桁(MSB)になる。
The
D/A変換器21は、ゲインステージ15内のキャパシタ端25bおよびキャパシタ端27bに制御信号φ0、φP、φNに応じた所定の電圧を提供する。D/A変換器21は、ゲインステージ15の入力15cに接続された出力21aを有する。第1の電圧源49aは電圧+VRを提供する。第2の電圧源49bは電圧−VRを提供する。第1の電圧源49aの出力は、スイッチ51aを介して出力21aに接続されており、第2の電圧源49bの出力は、スイッチ51bを介して出力21aに接続されている。出力21aは、スイッチ51cを介して接地に接続されている。
The D /
つまり、A/D変換回路17の出力は、冗長ディジタルコードを提供し、この冗長ディジタルコードに応答して、制御回路19は、D/A変換回路21を制御するための制御信号SCONTを生成する。例えば、巡回A/D変換動作において12ビットの分解能のA/D変換値を得るためには、11回の巡回動作が必要である。
That is, the output of the A /
このNビットA/D変換器4によれば、ディジタル回路12が、ゲインステージ23に格納されおりゲインステージ23に起因する変換誤差のためのディジタル値を用いて、A/D変換用比較回路17からのディジタル信号SDIGに直接に変換誤差補正を行うので、アナログ信号VINに対応した補正ディジタル値SOUTが得られる。また、ゲインステージ15は、巡回型A/D変換のために単一の演算増幅回路23を用いるので、変換誤差補正のための回路が簡素になる。巡回型A/D変換器11の構成としては、1段のゲインステージまたは2段のゲインステージを含む。
According to the N-bit A /
1段のゲインステージを含む巡回型A/D変換器では、第1の期間T1には、第1および第2のキャパシタ25、27の一端25a、27aにアナログ信号Vinを受け、他端25bは、演算増幅回路23の第1の入力(例えば反転入力)23aに接続される。演算増幅回路23の第2の入力23c(例えば非反転入力)は接地(全差動構成においては仮想接地)に接続されると共に、演算増幅回路23の入力23aと出力23bが接続されているので、他端25bの電位は、演算増幅回路23の入力23cの電位に実質的に等しくなる。第2の期間T2では、第1のキャパシタ25の一端25aは、D/A変換回路21に接続されると共に、他端25bは演算増幅回路23の入力23aに接続される。また、第2のキャパシタ27の一端27aは、演算増幅回路23の出力23cに接続されると共に、他端27bは、演算増幅回路23の入力23aに接続される。第3の期間T3では、第1のキャパシタ25の一端25aは、演算増幅回路23の出力23bに接続されると共に、他端25bは接地に接続される。また、第2のキャパシタ27の一端27aは、演算増幅回路23の出力23cに接続されると共に、他端27bは、演算増幅回路23の入力23aに接続される。つまり、第3の期間T3では、演算増幅回路23の出力23bは、第1および第2のキャパシタ25、27の一端25a、27aに接続されており、他端25bは、演算増幅回路23の入力23aに接続される。ゲインステージ15の主要な構成要素は、巡回型A/D変換のために単一の演算増幅回路23、第1および第2のキャパシタ25、27であるので、変換誤差補正のための回路が非常に簡素になる。
In the cyclic A / D converter including one gain stage, the analog signal Vin is received at one
次いで、図3、図4および図6を参照しながら、巡回型A/D変換器の動作を説明するこの動作により、アナログ信号(例えばイメージセンサの画素からの読み出し信号)をディジタル信号に変換する方法が提供される。 Next, an analog signal (for example, a read signal from a pixel of an image sensor) is converted into a digital signal by this operation for explaining the operation of the cyclic A / D converter with reference to FIGS. 3, 4, and 6. A method is provided.
図6(a)は、第1の標本化ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図3の回路図において、クロックφsd、φ2、φ3、φsに応答してスイッチ31a、33、35a、37を閉じる。クロックφ3_Bに応答してスイッチ35bを開く。他のスイッチ39、41を開く。第1の期間T1に、入力15aにキャパシタ端25aをスイッチ31aを介して接続すると共にキャパシタ端25bを演算増幅回路23の入力23aにスイッチ33を介して接続する。また、入力15aにキャパシタ端27aをスイッチ35aを介して接続すると共に、キャパシタ端27bを演算増幅回路23の入力23aに接続されている。信号VINに対応した電荷Q1を第1のキャパシタ25にスイッチ31を介して標本化する。また、第2のキャパシタ27にも、信号VINに対応した電荷Q2がスイッチ35aを介して格納される。
FIG. 6A is a diagram showing connection of main circuit elements in the first sampling step. In the circuit diagram of FIG. 3, the
また、A/D変換用比較回路17は、信号VINを第1および第2の参照値(比較器17a、17bにおける参照値−VR/4および+VR/4)と比較してディジタル値を生成する。つまり、2つの比較器17a、17bを用いて最初のA/D変換動作を行ってディジタル信号SDIGを生成する。
The A / D
図6(b)は、A/D変換ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図3の回路図において、クロックφ2、φ3_Bに応答するスイッチ33、35bを閉じる。他のスイッチ31a、35a、37、39、41を開く。第3の期間T3に、演算増幅回路23の反転入力23aにキャパシタ端25bを接続する。D/A変換回路21は電圧信号をキャパシタ25の一端25aに印加する。D/A変換回路21からの電圧信号SA/Dは、最初のA/D変換値に対応したディジタル値に応じて決定される。この印加に応じて、第1および第2の電荷Q1、Q1の再配置を行って演算増幅回路23の出力23bに演算値を生成する。演算増幅回路23の出力23bの電圧VOは、
と表される。キャパシタンス比C2/C1=1であり、シンボルDは、最初のA/D変換値に対応したディジタル値に応じて決定される値であり、(+1、0、−1)のいずれかである。このステップにおいて、A/D変換器の基本演算動作を行う。基本演算動作としては、サンプルされた信号を2倍増幅し、D/A変換回路からの電圧信号をゲインステージに印加する。
FIG. 6B is a diagram showing connection of main circuit elements in the A / D conversion step. In the circuit diagram of FIG. 3, the
It is expressed. The capacitance ratio C 2 / C 1 = 1, and the symbol D is a value determined according to the digital value corresponding to the first A / D conversion value, and is any one of (+1, 0, −1) is there. In this step, the basic arithmetic operation of the A / D converter is performed. As a basic arithmetic operation, the sampled signal is amplified twice and the voltage signal from the D / A conversion circuit is applied to the gain stage.
図6(c)は、第2の標本化ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図3の回路図において、クロックφ1、φ1d、φ3_Bに応答するスイッチ39、41、35bを閉じる。他のスイッチ31a、35a、33、37を開く。第3の期間T3に、演算増幅回路23の出力23bにキャパシタ端25aを接続し、演算増幅回路23の出力23bにキャパシタ端27aを接続して、演算値VOに対応する電荷を第1および第2のキャパシタ25、27に格納する。下位ビットのための引き続くA/D変換のための信号をキャパシタ25、27に格納できる。また、信号VOを第1および第2の参照値(比較器17a、17bにおける参照値−VR/4およびVR/4)と比較してディジタル値を生成する。つまり、2つの比較器17a、17bを用いてMSBの次のビットのためのA/D変換動作を行う。
FIG. 6C is a diagram showing connection of main circuit elements in the second sampling step. In the circuit diagram of FIG. 3, the
また、この方法では、A/D変換ステップと第2の標本化ステップとを繰り返すことができる。繰り返しにおける各A/D変換ステップでは、演算増幅回路23の出力は、
であり、キャパシタンス比C2/C1=1であり、シンボルD0は、A/D変換値に対応したディジタル値に応じて決定される(+1、0、−1)値のいずれかである。所望の回数の繰り返しにより、所望の分解能の多ビットのA/D変換を行うことができる。
In this method, the A / D conversion step and the second sampling step can be repeated. In each A / D conversion step in the repetition, the output of the
And the capacitance ratio C 2 / C 1 = 1, and the symbol D 0 is one of the (+1, 0, −1) values determined according to the digital value corresponding to the A / D conversion value. . By repeating the desired number of times, multi-bit A / D conversion with a desired resolution can be performed.
再び図2を参照すると、ディジタル回路12が示されている。既に説明したように、ディジタル回路12を用いて、ゲインステージ23に起因する変換誤差の補正をA/D変換用比較回路17からのディジタル信号SDIGに直接に行って、アナログ信号VINに応した補正ディジタル値SOUTが得られる。
Referring again to FIG. 2, the
ゲインステージ15のキャパシタ比は望ましくは1であるが、製造上のばらつき等により、比C2/C1は1からずれる。このずれを△C21=C2−C1、em=△C21/C1
と表す。キャパシタミスマッチを考慮すると、入力VINのための演算増幅回路23の出力値は、
となる。
VO/VR=(2+em)×VIN/VR−(1+em)×D0において、値VO/VRをA/D変換したときに得られるディジタル値X1を表すと、
とあり、ここで、シンボルX0は、入力信号VINをディジタル値に変換したときの、ミスマッチ誤差を含まない真値である。誤差は(X0−D0)×emである。 このA/D変換において、ディジタル値X1に対するミスマッチ起因誤差E1は、
である。ここで、シンボルEmは、ミスマッチをディジタル値として測定した値である。
式(6)は、真値X0が得られれば、この誤差を正確に計算できることを示している。しかし、実際にはミスマッチ誤差を含むA/D変換値を用いることになるが、これに含まれる誤差が十分小さければ、ディジタル補正を行うための十分な精度で誤差を求めることができる。
The capacitor ratio of the
It expresses. Considering the capacitor mismatch, the output value of the
It becomes.
V O / V R = (2 + e m) × V IN / V R - In (1 + e m) × D 0, to represent the digital value X 1 obtained values V O / V R when converted A / D,
That there is, where the symbol X 0 is the time obtained by converting the input signal V IN to a digital value, the true value does not contain a mismatch error. Error is (X 0 -D 0) × e m. In this A / D conversion, the mismatch caused error E 1 for the digital value X 1 is
It is. Here, the symbol E m is a value obtained by measuring the mismatch as a digital value.
Equation (6), as long obtain the true values X 0, it indicates that the error can be accurately computed. However, in practice, an A / D conversion value including a mismatch error is used. If the error included in the A / D conversion value is sufficiently small, the error can be obtained with sufficient accuracy for performing digital correction.
引き続く下位ビットのA/D変換によって、
が得られる。更に巡回型A/D変換を行うと、i−1番目には、同様にして
が得られる。このキャパシタミスマッチによる誤差をi回目の出力で観測した場合、
である。M回の巡回A/D変換を行ったとき誤差の総和は、入力に換算したとき、
と表される。ディジタル値Xi−1は誤差を含まない値である。しかしながら、誤差を含まない真値は実際には得られないので、ディジタル値Xi−1をA/D変換によって得られた値で近似する。つまり、
である。式(11)を用いて式(10)を整理すると、
となる。この誤差Etotalを計算して、出力ディジタル値から差し引くことにより、ミスマッチ誤差補正が行える。
By subsequent A / D conversion of the lower bits,
Is obtained. Further, when cyclic A / D conversion is performed, the i-1th is similarly performed.
Is obtained. When the error due to this capacitor mismatch is observed at the i-th output,
It is. When M cyclic A / D conversions are performed, the total error is converted into input when
It is expressed. The digital value X i−1 is a value that does not include an error. However, since a true value that does not include an error cannot actually be obtained, the digital value X i-1 is approximated by a value obtained by A / D conversion. That means
It is. When formula (10) is rearranged using formula (11),
It becomes. The error E total is calculated and subtracted from the output digital value, whereby mismatch error correction can be performed.
同様にして、演算増幅回路に有限利得誤差がある場合のディジタル補正を説明する。1巡回目の演算は、次式で与えられる。
である。シンボルGFGはループゲインである。式(13)を書き換えると
となり、ここで、efg=(C1+C2+Ci)/(C2×GFG)であり、キャパシタンスCiは仮想接地点におけるキャパシタンスを示す。これをディジタル値で表すと
となる。同様に、i回目の巡回A/D変換のディジタル値は、
である。この誤差成分のうち、演算増幅回路の有限利得による誤差をi回目のA/D変換値で観測した場合、
である。従って、この誤差として、1回目からM回までの各巡回A/D変換の総和Etotalを求めると、入力に換算すれば次式となる。
これまでの説明から理解されるように、ディジタル値Xi−1は誤差を含まない値であるが、値Xi−1をA/D変換によって得られた値で近似する。つまり、
を得る。式(19)、(20)を式(18)に代入して整理すると、
を得る。
Similarly, digital correction when the operational amplifier circuit has a finite gain error will be described. The first round operation is given by the following equation.
It is. Symbol G FG is a loop gain. Rewriting equation (13)
Where e fg = (C 1 + C 2 + C i ) / (C 2 × G FG ), and capacitance C i indicates the capacitance at the virtual ground point. This can be expressed as a digital value.
It becomes. Similarly, the digital value of the i-th cyclic A / D conversion is
It is. Among these error components, when the error due to the finite gain of the operational amplifier circuit is observed by the i-th A / D conversion value,
It is. Therefore, when the total E total of the cyclic A / D conversions from the first time to the M times is obtained as this error, the following equation is obtained when converted to the input.
As understood from the above description, the digital value X i−1 is a value that does not include an error, but the value X i−1 is approximated by a value obtained by A / D conversion. That means
Get. Substituting Equations (19) and (20) into Equation (18) and rearranging,
Get.
有限利得誤差を示す式(22)と、ミスマッチ誤差を示す式(12)とを合わせて、
を得る。
The equation (22) indicating the finite gain error and the equation (12) indicating the mismatch error are combined,
Get.
この式は、誤差を計算すると共にこれを出力ディジタル値から差し引くことによって、誤差補正が行えることを示す。このとき、利用するディジタル値は、キャパシタミスマッチ誤差及び有限利得誤差が十分に小さい場合、有限の桁まで打ち切ることができる。また、打ち切った桁に係る係数の値を微調整することで、誤差補正の精度を高めることができる。 This equation shows that error correction can be performed by calculating the error and subtracting it from the output digital value. At this time, the digital value to be used can be cut to a finite digit when the capacitor mismatch error and the finite gain error are sufficiently small. In addition, the accuracy of error correction can be improved by finely adjusting the coefficient value related to the digit that has been cut off.
例えば、14ビットA/D変換において、em=−0.001(0.1%)、efg=−0.0005(0.05%)であるとき、誤差補正式として
を得る。図7は、補正式(23)を実現するディジタル補正回路を用いたときの微分非直線性誤差(補正有り)を示す。一方、図8は、ディジタル補正回路を使用しないときの微分非直線性誤差(補正無し)を示す。このように、利用するディジタル値は、有限の桁(式(23)では8桁)で打ち切ることができる。打ち切った桁にかかる係数の値を微調整することで、より高い精度で誤差補正を行うことができる。具体的には、8ビット分の補正を行うとき、ディジタル補正値Etotalは、例えば、下記の補正式を用いる。
式(24−1)を整理すると、式(24−2)が得られる。
For example, in the 14-bit A / D conversion, when e m = −0.001 (0.1%) and e fg = −0.0005 (0.05%), the error correction formula is
Get. FIG. 7 shows a differential nonlinearity error (with correction) when a digital correction circuit that realizes the correction formula (23) is used. On the other hand, FIG. 8 shows a differential nonlinearity error (no correction) when the digital correction circuit is not used. In this way, the digital value to be used can be cut off with a finite number of digits (eight digits in equation (23)). By finely adjusting the value of the coefficient applied to the truncated digit, error correction can be performed with higher accuracy. Specifically, when correcting for 8 bits, the digital correction value E total uses, for example, the following correction formula.
When formula (24-1) is arranged, formula (24-2) is obtained.
図9は、補正式(24−1)を実現するディジタル補正回路を用いたときの微分非直線性誤差(補正後)を示す。図8および図9の比較から、補正式(24)の利用は補正式(23)の利用よりも良いA/D変換結果を提供する。また、図10は、補正前の積分非直線性誤差を示す。図11は、補正式(24)を実現するディジタル補正回路を用いたときの積分非直線性誤差を示す。それぞれ、図10及び図11の比較から、積分非直線性誤差も十分な小さい値に収められる。 FIG. 9 shows a differential nonlinearity error (after correction) when a digital correction circuit that realizes the correction formula (24-1) is used. 8 and 9, the use of the correction formula (24) provides a better A / D conversion result than the use of the correction formula (23). FIG. 10 shows the integral nonlinearity error before correction. FIG. 11 shows an integral nonlinearity error when a digital correction circuit that realizes the correction equation (24) is used. From the comparison between FIG. 10 and FIG. 11, the integral nonlinearity error is also set to a sufficiently small value.
NビットA/D変換器4aにおいて巡回型A/D変換を行うと、各巡回ごとにそのミスマッチによる誤差が含まれる。しかしながら、A/D変換回路11はキャパシタ一組しか含まないので、ミスマッチの原因は同じである。このため、補正式が簡単な式で表される。したがって、補正回路を簡単化できるという利点がある。また、A/D変換回路11は演算増幅回路一個しか含まないので、有限利得誤差の原因は同じである。このため、演算増幅回路の有限利得による誤差も補正できる。
When cyclic A / D conversion is performed in the N-bit A /
式(24−2)は、
と表すと、
と表される。式(29)は、複数回の加算(例えば、3回)と複数回の乗算(例えば、2回)で補正値を計算できることを示している。補正のための回路は、例えば図2に示されたディジタル回路によって実現される。
Formula (24-2) is
And
It is expressed. Expression (29) indicates that the correction value can be calculated by a plurality of additions (for example, three times) and a plurality of multiplications (for example, two times). The correction circuit is realized by, for example, a digital circuit shown in FIG.
図2を参照すると、NビットA/D変換器4aは、あるカラムからの信号を処理するように設けられている。ディジタル回路12は、巡回型A/D変換器11からの巡回A/D変換毎のディジタル値の全てを格納する記憶回路51(例えば、ディジタル値D0〜D13を記憶するレジスタ)を含む。ディジタル回路12は、ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正するための第1の回路53を含むことができる。第1の回路53は、補正対象ビット数(例えば、ディジタル値D0〜D7)に応じたビット列を格納する複数の第1の記憶回路(例えば値Xm1、Xm2のための2個のレジスタ)55a、55bと、第1の記憶回路55a、55bのディジタル値を加算して加算値SUM1(Xm1+Xm2)を生成する第1の加算器57と、上記巡回型A/D変換器11におけるミスマッチ誤差補正用の第1のディジタル係数値(例えば係数Em)を格納する第2の記憶回路59(例えば係数Emのためのレジスタ)と、第1のディジタル係数値と加算値(Xm1+Xm2)とを乗算して第1の乗算値(Em×(Xm1+Xm2))を生成して第1の乗算値MP1を生成する第1の乗算器61とを含む。
Referring to FIG. 2, the N-bit A /
さらに、ディジタル回路12は、有限利得誤差に起因する変換誤差を補正するための第2の回路63を含むことができる。第2の回路63は、補正対象ビット数(例えば、ディジタル値D0〜D7)に応じたビット列を格納する複数の第3の記憶回路(例えば値Xg1、Xg2のための2個のレジスタ)65a、65bと、第3の記憶回路65a、65bのディジタル値を加算して加算値SUM2(Xg1+Xg2)を生成する第2の加算器67と、上記巡回型A/D変換器11における有限利得誤差補正用の第2のディジタル係数値(例えば係数Efg)を格納する第4の記憶回路69(例えば係数Efgのためのレジスタ)と、第2のディジタル係数値と加算値(Xg1+Xg2)とを乗算して第2の乗算値MP2(Efg×(Xg1+Xg2))を生成して第2の乗算値を生成する第2の乗算器71とを含む。
Further, the
そして、ディジタル回路12は、第1の乗算値MP1と第2の乗算値MP2を加算して加算値MP3を生成する第3の加算器73を含む。ディジタル回路12は、記憶回路51からディジタル値(例えばD0〜D13)と記憶回路75に格納された補正値(例えば係数E0)を加算して加算値SUM4を生成する加算器77を含み、この加算値SUM4は、加算器79によって加算値SUM3と加算される。加算器79は、補正されたディジタル値SOUTを生成する。ディジタル値SOUTは、冗長2進非冗長2進変換回路7に入力される。非冗長2進表現のディジタル値は、レジスタに格納される。本カラム用の係数E0はオフセット補正のための値を示す。この係数E0は、CMOSイメージセンサにおいてカラムにA/D変喚器をアレイ状に並べてA/D変換を行う場合に、オフセットばらつきによる縦筋ノイズを除去するのに有効である。
The
ディジタル値Xm1、Xm2、Xg1、Xg2は、例えば冗長2進数であり、ディジタル値Xm1+Xm2の加算とXg1+Xg2の加算を冗長2進数で加算すると共にこれらの加算値とEm、Efgとの乗算をそれぞれ取ることによって、誤差の補正値を求めることができる。この演算回路は、元の式(24)を直接に実現する演算回路に比べて回路構成が簡単化である。また、式(29)における加算は、冗長2進加算器で行うことができる。冗長2進加算器は桁上げ伝播が1段であるので、高速な加算を行うことができる。さらに、乗算器としては、Xm1+Xm2とXg1+Xg2を冗長2進表現で表し、係数Em、Efgを非冗長2進表現(例えば2の補数表現)で表すことによって、冗長2進表現の出力を提供する乗算器を用いることができる。このとき、冗長2進数で演算することによって、高速な乗算が可能となる。その後、冗長2進数を非冗長2進数に変換し、補正されたディジタル出力を得る。 The digital values X m1 , X m2 , X g1 , X g2 are, for example, redundant binary numbers, and the addition of the digital values X m1 + X m2 and the addition of X g1 + X g2 are added in redundant binary numbers and An error correction value can be obtained by multiplying each of E m and E fg . This arithmetic circuit has a simpler circuit configuration than an arithmetic circuit that directly realizes the original equation (24). Further, the addition in equation (29) can be performed by a redundant binary adder. Since the redundant binary adder has one stage of carry propagation, high-speed addition can be performed. Further, as a multiplier, X m1 + X m2 and X g1 + X g2 are represented by a redundant binary expression, and coefficients E m and E fg are represented by a non-redundant binary expression (for example, a two's complement expression), thereby providing redundant 2 A multiplier can be used that provides an output of a hexadecimal representation. At this time, high-speed multiplication is possible by calculating with redundant binary numbers. Thereafter, the redundant binary number is converted into a non-redundant binary number to obtain a corrected digital output.
或いは、NビットA/D変換器4aは、ディジタル補正に先立って冗長二進表現のディジタル値を非冗長二進表現のディジタル値に変換する回路7を含むことができる。この例の回路では、巡回型A/D変換器11は、冗長二進−非冗長二進表現変換回路7の入力に接続されており、巡回型A/D変換器11からの巡回A/D変換毎の全ディジタル値は、変換回路7内のレジスタに格納される。この回路7の出力は、ディジタル回路12の入力に接続される。このとき、ディジタル回路12におけるディジタル演算は、非冗長二進表現を用いて行われ、ディジタル回路12が生成する補正ディジタル値は非冗長二進表現で表される。ディジタル回路12は、変換回路7からの全ディジタル値を格納する記憶回路を含み、この値にディジタル補正を施す。ディジタル値Xm1、Xm2、Xg1、Xg2は、非冗長2進数であり、ディジタル値Xm1+Xm2の加算とXg1+Xg2の加算を非冗長2進数で加算すると共にこれらの加算値とEm、Efgとの乗算をそれぞれ取ることによって、誤差の補正値を求めることができる。この演算回路は、元の式(24)を直接に実現する演算回路に比べて回路構成が簡単化である。
Alternatively, the N-bit A /
A/D変換器アレイ4内のNビットA/D変換器4aからのディジタル値を単一のディジタル回路12を用いて処理する(図1に示されるような)回路では、ディジタル回路12の記憶回路59、75(必要な場合には、記憶回路69)は、それぞれ、各巡回型A/D変換器毎の補正係数Em、E0(必要な場合には、係数Efg)を格納するメモリであることができる。これらのメモリは、コントローラ81からの制御信号に応答して、ディジタル補正を行うために適切な係数を提供する。このために、コントローラ81は、カラム選択信号SEXTに応答して信号(例えば、アドレス信号)を生成する。記憶回路59、75(必要な場合には、記憶回路69)内のメモリは、このアドレス信号に応じた番地の記憶内容を提供する。したがって、巡回型A/D変換器毎の補正係数を用いて適切なディジタル補正が提供される。
In a circuit (as shown in FIG. 1) that processes the digital values from the N-bit A /
キャパシタミスマッチ誤差および有限利得誤差のいずれか一方の誤差補正を行うときは、図2に示されたディジタル回路12から所望の補正を行う回路(例えば、第1の回路または第2の回路)からの補正値を用いて、記憶回路51のディジタル値を補正すればよい。
When performing error correction of any one of the capacitor mismatch error and the finite gain error, a circuit (for example, a first circuit or a second circuit) that performs a desired correction from the
このような高精度のA/D変喚器をCMOSイメージセンサの周辺回路に組み込むことで、CCDイメージセンサよりもダイナミックレンジが広く低雑音で高性能なイメージセンサが実現できる。例えば、本実施の形態におけるNビットA/D変換器は、1つ演算増幅回路と2個のキャパシタとそれらを制御するスイッチ、1つ以上の比較器、及びA/D変換結果を格納するレジスタからなる。ディジタル補正回路は、A/D変換結果の上位側の数ビットの配置を調整して2つまたは4つのレジスタに記憶する。この配置の調整により、補正値を得るための計算が、冗長2進表現による加算および乗算を用いて行える(冗長2進加算器および冗長2進乗算器を用いる)。これを、イメージセンサのカラムに応用する場合、巡回型A/D変喚器はアレイ状にカラムに並べられる。巡回型A/D変喚器からのA/D変換値(補正前の)を水平走査により読み出す。この読み出しの後に、上記のディジタル補正を行って、補正されたディジタル値を得る。 By incorporating such a high-accuracy A / D converter in the peripheral circuit of the CMOS image sensor, a high-performance image sensor with a wider dynamic range and lower noise than a CCD image sensor can be realized. For example, the N-bit A / D converter in this embodiment includes one operational amplifier circuit, two capacitors, a switch for controlling them, one or more comparators, and a register for storing an A / D conversion result Consists of. The digital correction circuit adjusts the arrangement of several bits on the upper side of the A / D conversion result and stores them in two or four registers. By adjusting the arrangement, a calculation for obtaining a correction value can be performed using addition and multiplication in a redundant binary representation (using a redundant binary adder and a redundant binary multiplier). When this is applied to the column of the image sensor, the cyclic A / D converters are arranged in an array in the column. The A / D conversion value (before correction) from the cyclic A / D converter is read out by horizontal scanning. After this reading, the above digital correction is performed to obtain a corrected digital value.
従来、CMOSイメージセンサのカラムに集積化して実現したA/D変喚器は、12ビットが最高であったが、本発明のデジタル補正により、14ビットA/D変喚器が実現可能となる。最近、CMOSイメージセンサがCCDに対して優位に立てる特長として、高速読み出し機能が注目されている。この高速読み出しを行いながら、低ノイズで高品質の信号を読み出すためには、カラムでのA/D変換が有効である。しかしながら、カラムでのA/D変換では、その分解能が10ビット、せいぜい12ビット程度にとどまる。本発明の実施の形態では、14ビット分解能を有するA/D変換器が提供可能になる。これによって、CMOSイメージセンサの価値を一気に高めることができる。 Conventionally, an A / D converter realized by integrating it in a column of a CMOS image sensor has the highest 12 bits. However, the digital correction of the present invention makes it possible to realize a 14-bit A / D converter. . Recently, a high-speed readout function has attracted attention as a feature that makes CMOS image sensors superior to CCDs. In order to read a high-quality signal with low noise while performing this high-speed reading, A / D conversion in the column is effective. However, the A / D conversion in the column has a resolution of only 10 bits, and at most 12 bits. In the embodiment of the present invention, an A / D converter having a 14-bit resolution can be provided. As a result, the value of the CMOS image sensor can be increased at once.
(第2の実施の形態)
以上説明したような誤差補正は、巡回型A/D変換器11に限定されることなく、例えば、以下の巡回型A/D変換器11aにも用いることができる。図12は、巡回型A/D変換器を示す図面である。図13は、巡回型A/D変換器のためのタイミングチャートを示す図面である。図14(a)は、第1の標本化ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図14(b)は、A/D変換および第2の標本化ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図14(c)は、第2の標本化および第2のA/D変換ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。
(Second Embodiment)
The error correction as described above is not limited to the cyclic A /
図12を参照すると、巡回型A/D変換器11aは、ゲインステージ14と、A/D変換回路17と、論理回路19と、D/A変換回路21とを備える。ゲインステージ14は、ゲインステージ15に含まれる回路要素に加えて、第3のキャパシタ45を更に含む。ゲインステージ14は、図13および図14を参照しながら後ほど説明されるように、ゲインステージ15の第1の期間T1および第2の期間T2と同様な動作を行うことができる。ゲインステージ14の出力14bは、キャパシタ端27bに接続されている。A/D変換回路17は、ゲインステージ14の出力14bに生成される出力値VOにディジタル値(+1、0、−1)を割り当てる。
Referring to FIG. 12, the cyclic A /
第3のキャパシタ45は、第2の期間T2において、演算増幅回路23の出力23bの演算値を標本化する。第3の期間T3において、第2および第3のキャパシタ327、45および演算増幅回路23を用いて、第3のキャパシタ45に標本化された演算値にA/D変換器の基本演算動作を行う。基本演算動作では、サンプルされた信号を2倍増幅し、D/A変換回路からの電圧信号をゲインステージに印加する。この結果、演算増幅回路23の出力23bには、この基本演算動作に対応する演算値が生成される。この演算増幅回路23の演算値は、第3の期間T3において、第1のキャパシタ25に標本化される。
The
D/A変換器21は、標本化に使用される第3のキャパシタ55が追加されたので、これらに電圧信号を印加するために追加の回路を含む。D/A変換器21は、第1のキャパシタ端25aに制御信号φ01、φP1、φN1に応じた所定の電圧を提供すると共に、第3のキャパシタ端45aに制御信号φ02、φP2、φN2に応じた所定の電圧を提供する。D/A変換器21は、ゲインステージ14の入力14c、14dにそれぞれ接続された出力21a、21bを有する。第1の電圧源49aは電圧+VRを提供する。D/A変換器21は、第2の電圧源49bは電圧−VRを提供する。キャパシタ25のための回路部分に加えて、キャパシタ45のための回路部分を含む。D/A変換器21は、第1の電圧源49aの出力は、スイッチ52aを介して出力21bに接続されており、第2の電圧源49bの出力は、スイッチ52bを介して出力21bに接続されている。出力21bは、スイッチ52cを介して接地に接続されている。
Since the third capacitor 55 used for sampling is added, the D /
図12に示されたスイッチのためのクロック信号および図13のタイミングチャートに示されたクロック信号は、クロック発生器36によって生成される。ゲインステージ14は、1個の演算増幅回路23のみを含むけれども、第2の期間T2および第3の期間T3の各期間において、A/D変換器の基本演算動作と標本化の両方が行われる。第2の期間T2および第3の期間T3の動作のために、回路素子は以下のように接続される。ゲインステージ14は実質的に2段構成である。
The clock signal for the switch shown in FIG. 12 and the clock signal shown in the timing chart of FIG. 13 are generated by a
図13および図14に示された動作により、A/D変換器は画素出力信号VINのサンプリングを期間T1に行う。 With the operation shown in FIGS. 13 and 14, the A / D converter samples the pixel output signal VIN in the period T1.
第2の期間T3には、第3のキャパシタ45の一端45aは非反転出力23cにスイッチ41bを介して接続されると共に、他端45bはスイッチ39bを介して接地に接続される。第3の期間T3には第3のキャパシタ45の他端45bはスイッチ33bを介して反転入力23aに接続されると共に、第3のキャパシタ45の一端45aはD/A変換回路21に接続される。
In the second period T3, one
A/D変換回路17は、第1〜第3の期間T1、T2、T3にディジタル信号SDIGを提供する。D/A変換回路21は、第2の期間T2にゲインステージ14の第1のキャパシタ25に電圧信号を提供すると共に、第3の期間T3にゲインステージ14の第3のキャパシタ45に電圧信号を提供する。
The A /
巡回型A/D変換器11aによれば、第2の期間T2に、下位ビットのための引き続くA/D変換のための信号を第3のキャパシタ45に格納できる。また、第3の期間T3に、第3のキャパシタ45に格納された信号のA/D変換を行うと共に、更なる下位ビットのための引き続くA/D変換のために、演算増幅回路23の出力23bに生成された演算値は第1のキャパシタ25に格納される。ゲインステージ23は、第4の期間T4に第2および第3の期間T2、T3における動作を繰り返す。
According to the cyclic A /
図14(a)は、第1の標本化ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。まず、図12の回路図において、クロックPX_SIGに応答するスイッチ31aを閉じると共に、クロックPHI2、PHIS、PHI4_Bに応答するスイッチ33、37、35aを閉じる。他のスイッチ39、33b、41b、35bを開く。第1の期間T1に、イメージセンサ1のカラム線8にキャパシタ端25aをスイッチ31aを介して接続して、信号VINに対応した電荷Q1を第1のキャパシタ25に標本化する。また、演算増幅回路23の非反転入力23cは接地に接続されている。第2のキャパシタ27にも、スイッチ35aを介して信号VINに対応した電荷Q2が格納される。これらの演算値を比較器17を用いて参照値−VR/4および+VR/4と比較して、比較器17がディジタル値を生成する。このA/D変換動作は、MSBのためのディジタル値を提供する。
FIG. 14A is a diagram showing connection of main circuit elements in the first sampling step. First, in the circuit diagram of FIG. 12, the
図14(b)は、第2の標本化および第1のA/D変換ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図12の回路図において、クロックPHI2、PHI4、PHI5に応答するスイッチ33、39b、35b、41bを閉じる。他のスイッチ31a、39、41、35aを開く。第2の期間T2に、反転入力23aにキャパシタ端25bをスイッチ33を介して接続する。ディジタル値に応じた電圧信号を入力14cを介して第1のキャパシタ25の端子25aに印加することによって電荷Q1、Q2の再配置を行って、非反転出力23bに演算値を生成する。基本演算動作として、サンプルされた信号を2倍増幅し、D/A変換回路からの電圧信号をゲインステージに印加する。この演算値を比較器17a、17bを用いて参照値−VR/4および+VR/4と比較してディジタル値を生成して、A/D変換動作を行う。
FIG. 14B is a diagram showing connection of main circuit elements in the second sampling and the first A / D conversion step. In the circuit diagram of FIG. 12, the
図14(c)は、第3の標本化および第2のA/D変換ステップにおける主要な回路要素の接続を示す図面である。図12において、クロックPHI1、PHI2、PHI3、PHI4に応答するスイッチ33b、39、35b、41を閉じる。他のスイッチ31a、35a、33、39b、37を開く。第3の期間T3に、反転入力23aにキャパシタ端45bをスイッチ33bを介して接続する。ディジタル値に応じた電圧信号を入力14dを介して第3のキャパシタ45の端子45aに印加することによって電荷の再配置を行って、非反転出力23bに演算値を生成する。つまり、A/D変換器の基本演算動作を行う。この演算値を比較器17a、17bを用いて参照値−VR/4および+VR/4と比較してディジタル値を生成して、A/D変換動作を行う。
FIG. 14C is a diagram showing connection of main circuit elements in the third sampling and second A / D conversion steps. In FIG. 12, the
本発明の実施の形態のA/D変換器11aのディジタル値列にも同様に、上記のディジタル補正を行って、補正されたディジタル値を得ることができる。ディジタル回路12は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納するいくつかの記憶回路の数は必要に応じて変更される。また、これらの格納値を演算する加算器および乗算器の数も必要に応じて変更される。例えば、ディジタル回路12は、巡回型A/D変換器11からの巡回A/D変換ディジタル値の補正対象ビットを受け、補正対象ビットから生成された複数のビット列に第1の演算を施して第1の演算値を生成すると共に該第1の演算値にディジタル係数値との第2の演算を施して第2の演算値を生成する。ディジタル係数値は、補正対象となる変換誤差に応じて準備される。補正対象としては、例えば演算増幅回路の利得の有限性および/または複数のキャパシタ対のミスマッチ等がある。例示的に説明すれば、A/D変換器11aでは、A/D変換に2組のキャパシタを交互に使用するので、これ対応して、キャパシタミスマッチのために2組のキャパシタに対応した2つの係数Em1、Em2が準備される。これらの係数も更にメモリに格納され、また巡回A/D変換の奇数番目、偶数番目を示す信号に応じて選択される。この信号もコントローラ81が生成する。これらの変更により、CMOSイメージセンサのカラムに集積化して実現したA/D変喚器として、14ビット分解能を有するA/D変換器が提供可能になる。
Similarly, the digital value sequence of the A /
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、図1には、単一のディジタル回路にデータレジスタを介して複数の巡回型A/D変換回路が接続されているけれども、巡回型A/D変換回路毎にディジタル回路を設けることもできる。また、例えば、シングルエンド回路を用いて構成された回路に全差動構成の回路を用いることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. For example, although a plurality of cyclic A / D conversion circuits are connected to a single digital circuit via a data register in FIG. 1, a digital circuit may be provided for each cyclic A / D conversion circuit. . Further, for example, a fully differential circuit can be used for a circuit configured using a single-ended circuit. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
4a…NビットA/D変換器、11、11a…巡回型A/D変換回路、12…ディジタル回路、14、15…ゲインステージ、17…A/D変換用比較回路、19…論理回路、21…D/A変換回路、23…演算増幅回路、23a…演算増幅回路の入力、23b…演算増幅回路の出力、23c…演算増幅回路の出力、25…第1のキャパシタ、27…第2のキャパシタ、55…第3のキャパシタ、35、36…クロック生成器、51、55a、55b、59、65a、65b、69…記憶回路、53…第1の回路、63…第2の回路、57、67、73、77、79…加算器、61、71…乗算器、SDIG…冗長二進表現のディジタル信号、SCONT…制御信号、−VR、+VR…電圧参照信号、VIN…アナログ信号、SOUT…補正ディジタル値 4a: N-bit A / D converter, 11, 11a: Cyclic A / D converter circuit, 12: Digital circuit, 14, 15: Gain stage, 17: Comparison circuit for A / D conversion, 19: Logic circuit, 21 ... D / A conversion circuit, 23... Operational amplifier circuit, 23a... Input of operational amplifier circuit, 23b... Output of operational amplifier circuit, 23c... Output of operational amplifier circuit, 25. , 55 ... third capacitor, 35, 36 ... clock generator, 51, 55a, 55b, 59, 65a, 65b, 69 ... memory circuit, 53 ... first circuit, 63 ... second circuit, 57, 67 73, 77, 79 ... adders, 61, 71 ... multipliers, S DIG ... digital signals in redundant binary representation, S CONT ... control signals, -V R , + V R ... voltage reference signals, V IN ... analog signals , S OU ... correction digital value
Claims (4)
アナログ信号を受ける入力、出力、並びに入力および出力を有する演算増幅回路を含むゲインステージと、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じたディジタル信号を提供するA/D変換用比較回路と、前記ディジタル信号に応答して制御信号を生成する論理回路と、前記制御信号に応じて前記ゲインステージに電圧信号を提供するD/A変換回路とを含む巡回型A/D変換回路と、
前記ゲインステージに起因する変換誤差のために格納されたディジタル係数と共に前記巡回型A/D変換回路からのディジタル信号から生成されるビット列とを用いて前記ディジタル信号に前記変換誤差の補正を施すことによって補正ディジタル値を生成するディジタル回路と
を含み、
前記変換誤差は、前記ゲインステージのキャパシタの容量値のミスマッチ誤差および前記演算増幅回路の有限利得誤差の少なくともいずれかの誤差を含み、
前記ゲインステージは、第1のキャパシタと第2のキャパシタとを含み、前記第1のキャパシタは、第1の期間中に前記アナログ信号を受け、前記第1の期間の後の第2の期間に前記D/A変換回路と前記演算増幅回路の前記入力との間に接続されると共に、前記第2の期間の後の第3の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続され、前記第2のキャパシタは、前記第1の期間中に前記アナログ信号を受けると共に、前記第2および第3の期間に前記演算増幅回路の前記入力と前記出力との間に接続され、
前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、
前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含み、
前記ディジタル回路は、前記ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正するための第1の回路と、前記有限利得誤差に起因する変換誤差を補正するための第2の回路とを含み、
前記第1の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記ミスマッチ誤差の補正用の第1のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する第1の加算器と、前記第1のディジタル係数値と前記加算値とを乗算して第1の乗算値を生成する第1の乗算器と、を含み、
前記第2の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第3のレジスタと、前記有限利得誤差の補正のための第2のディジタル係数値を格納する第4のレジスタと、前記第3のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する第2の加算器と、前記第2のディジタル係数値と前記加算値とを乗算して第2の乗算値を生成する第2の乗算器とを含み、
前記ディジタル回路は、前記第1の乗算値と前記第2の乗算値を加算する第3の加算器を含み、
前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供し、
前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する、ことを特徴とするNビットA/D変換器。 An N-bit A / D converter capable of correcting a conversion error caused by a circuit element,
A gain stage including an input that receives an analog signal, an output, and an operational amplifier circuit having an input and an output; an A / D conversion comparison circuit that provides a digital signal according to a signal from the output of the gain stage; A cyclic A / D conversion circuit including a logic circuit that generates a control signal in response to a digital signal, and a D / A conversion circuit that provides a voltage signal to the gain stage according to the control signal;
The digital signal is corrected for the conversion error using a digital coefficient stored for the conversion error caused by the gain stage and a bit string generated from the digital signal from the cyclic A / D conversion circuit. And a digital circuit for generating a corrected digital value by
The conversion error includes at least one of a mismatch error of a capacitance value of a capacitor of the gain stage and a finite gain error of the operational amplifier circuit,
The gain stage includes a first capacitor and a second capacitor, wherein the first capacitor receives the analog signal during a first period and in a second period after the first period. It is connected between the D / A conversion circuit and the input of the operational amplifier circuit, and is connected to the output of the operational amplifier circuit in a third period after the second period. The capacitor receives the analog signal during the first period, and is connected between the input and the output of the operational amplifier circuit during the second and third periods ,
The output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor in the third period;
The gain stage further includes a third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit during the second period and connected to the first input of the operational amplifier circuit during the third period. ,
The digital circuit includes a first circuit for correcting a conversion error caused by the mismatch error, and a second circuit for correcting a conversion error caused by the finite gain error,
The first circuit includes a plurality of first registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a second register for storing a first digital coefficient value for correcting the mismatch error, and the first circuit. A first adder for adding a digital value of one register to generate an added value; and a first multiplier for multiplying the first digital coefficient value by the added value to generate a first multiplied value And
The second circuit includes a plurality of third registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a fourth register for storing a second digital coefficient value for correcting the finite gain error, A second adder that adds the digital values of the third register to generate an added value; and a second adder that multiplies the second digital coefficient value and the added value to generate a second multiplied value. And a multiplier
The digital circuit includes a third adder that adds the first multiplication value and the second multiplication value,
The A / D conversion comparator circuit provides the digital signal in the first to third periods;
The D / A conversion circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage during the second period, and supplies the voltage to the third capacitor of the gain stage during the third period. An N-bit A / D converter characterized by providing a signal .
アナログ信号を受ける入力、出力、並びに入力および出力を有する演算増幅回路を含むゲインステージと、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じたディジタル信号を提供するA/D変換用比較回路と、前記ディジタル信号に応答して制御信号を生成する論理回路と、前記制御信号に応じて前記ゲインステージに電圧信号を提供するD/A変換回路とを含む巡回型A/D変換回路と、
前記ゲインステージに起因する変換誤差のために格納されたディジタル係数と共に前記巡回型A/D変換回路からのディジタル信号から生成されるビット列とを用いて前記ディジタル信号に前記変換誤差の補正を施すことによって補正ディジタル値を生成するディジタル回路と
を含み、
前記変換誤差は、前記ゲインステージのキャパシタの容量値のミスマッチ誤差および前記演算増幅回路の有限利得誤差の少なくともいずれかの誤差を含み、
前記ゲインステージは、第1のキャパシタと第2のキャパシタとを含み、前記第1のキャパシタは、第1の期間中に前記アナログ信号を受け、前記第1の期間の後の第2の期間に前記D/A変換回路と前記演算増幅回路の前記入力との間に接続されると共に、前記第2の期間の後の第3の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続され、前記第2のキャパシタは、前記第1の期間中に前記アナログ信号を受けると共に、前記第2および第3の期間に前記演算増幅回路の前記入力と前記出力との間に接続され、
前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、
前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含み、
前記ディジタル回路は、前記ミスマッチ誤差に起因する変換誤差を補正するための第1の回路を含み、
前記第1の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記ミスマッチ誤差の補正用のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する加算器と、前記ディジタル係数値と前記加算値とを乗算する乗算器とを含み、
前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供し、
前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する、ことを特徴とするNビットA/D変換器。 An N-bit A / D converter capable of correcting a conversion error caused by a circuit element,
A gain stage including an input that receives an analog signal, an output, and an operational amplifier circuit having an input and an output; an A / D conversion comparison circuit that provides a digital signal according to a signal from the output of the gain stage; A cyclic A / D conversion circuit including a logic circuit that generates a control signal in response to a digital signal, and a D / A conversion circuit that provides a voltage signal to the gain stage according to the control signal;
The digital signal is corrected for the conversion error using a digital coefficient stored for the conversion error caused by the gain stage and a bit string generated from the digital signal from the cyclic A / D conversion circuit. And a digital circuit for generating a corrected digital value by
The conversion error includes at least one of a mismatch error of a capacitance value of a capacitor of the gain stage and a finite gain error of the operational amplifier circuit,
The gain stage includes a first capacitor and a second capacitor, wherein the first capacitor receives the analog signal during a first period and in a second period after the first period. It is connected between the D / A conversion circuit and the input of the operational amplifier circuit, and is connected to the output of the operational amplifier circuit in a third period after the second period. The capacitor receives the analog signal during the first period, and is connected between the input and the output of the operational amplifier circuit during the second and third periods ,
The output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor in the third period;
The gain stage further includes a third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit during the second period and connected to the first input of the operational amplifier circuit during the third period. ,
The digital circuit includes a first circuit for correcting a conversion error caused by the mismatch error,
The first circuit includes a plurality of first registers for storing a bit string corresponding to the number of bits to be corrected, a second register for storing digital coefficient values for correcting the mismatch error, and the first register. An adder that adds the digital values of each other to generate an added value, and a multiplier that multiplies the digital coefficient value by the added value,
The A / D conversion comparator circuit provides the digital signal in the first to third periods;
The D / A conversion circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage during the second period, and supplies the voltage to the third capacitor of the gain stage during the third period. An N-bit A / D converter characterized by providing a signal .
アナログ信号を受ける入力、出力、並びに入力および出力を有する演算増幅回路を含むゲインステージと、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じたディジタル信号を提供するA/D変換用比較回路と、前記ディジタル信号に応答して制御信号を生成する論理回路と、前記制御信号に応じて前記ゲインステージに電圧信号を提供するD/A変換回路とを含む巡回型A/D変換回路と、
前記ゲインステージに起因する変換誤差のために格納されたディジタル係数と共に前記巡回型A/D変換回路からのディジタル信号から生成されるビット列とを用いて前記ディジタル信号に前記変換誤差の補正を施すことによって補正ディジタル値を生成するディジタル回路と
を含み、
前記変換誤差は、前記ゲインステージのキャパシタの容量値のミスマッチ誤差および前記演算増幅回路の有限利得誤差の少なくともいずれかの誤差を含み、
前記ゲインステージは、第1のキャパシタと第2のキャパシタとを含み、前記第1のキャパシタは、第1の期間中に前記アナログ信号を受け、前記第1の期間の後の第2の期間に前記D/A変換回路と前記演算増幅回路の前記入力との間に接続されると共に、前記第2の期間の後の第3の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続され、前記第2のキャパシタは、前記第1の期間中に前記アナログ信号を受けると共に、前記第2および第3の期間に前記演算増幅回路の前記入力と前記出力との間に接続され、
前記演算増幅回路の前記出力は、前記第3の期間に前記第1のキャパシタの一端に接続されており、
前記ゲインステージは、前記第2の期間に前記演算増幅回路の前記出力に接続されると共に前記第3の期間に前記演算増幅回路の前記第1の入力に接続される第3のキャパシタを更に含み、
前記ディジタル回路は、前記有限利得誤差に起因する変換誤差を補正するための第2の回路を含み、
前記第2の回路は、補正対象ビット数に応じたビット列を格納する複数の第1のレジスタと、前記有限利得誤差の補正用のディジタル係数値を格納する第2のレジスタと、前記第1のレジスタのディジタル値を加算して加算値を生成する加算器と、前記ディジタル係数値と前記加算値とを乗算する乗算器とを含み、
前記A/D変換用比較回路は、前記第1〜第3の期間に前記ディジタル信号を提供し、
前記D/A変換回路は、前記第2の期間に前記ゲインステージの前記第1のキャパシタに前記電圧信号を提供すると共に、前記第3の期間に前記ゲインステージの前記第3のキャパシタに前記電圧信号を提供する、ことを特徴とするNビットA/D変換器。 An N-bit A / D converter capable of correcting a conversion error caused by a circuit element,
A gain stage including an input that receives an analog signal, an output, and an operational amplifier circuit having an input and an output; an A / D conversion comparison circuit that provides a digital signal according to a signal from the output of the gain stage; A cyclic A / D conversion circuit including a logic circuit that generates a control signal in response to a digital signal, and a D / A conversion circuit that provides a voltage signal to the gain stage according to the control signal;
The digital signal is corrected for the conversion error using a digital coefficient stored for the conversion error caused by the gain stage and a bit string generated from the digital signal from the cyclic A / D conversion circuit. And a digital circuit for generating a corrected digital value by
The conversion error includes at least one of a mismatch error of a capacitance value of a capacitor of the gain stage and a finite gain error of the operational amplifier circuit,
The gain stage includes a first capacitor and a second capacitor, wherein the first capacitor receives the analog signal during a first period and in a second period after the first period. It is connected between the D / A conversion circuit and the input of the operational amplifier circuit, and is connected to the output of the operational amplifier circuit in a third period after the second period. The capacitor receives the analog signal during the first period, and is connected between the input and the output of the operational amplifier circuit during the second and third periods ,
The output of the operational amplifier circuit is connected to one end of the first capacitor in the third period;
The gain stage further includes a third capacitor connected to the output of the operational amplifier circuit during the second period and connected to the first input of the operational amplifier circuit during the third period. ,
The digital circuit includes a second circuit for correcting a conversion error caused by the finite gain error,
The second circuit includes a plurality of first registers that store a bit string corresponding to the number of correction target bits, a second register that stores a digital coefficient value for correcting the finite gain error, and the first circuit An adder that adds digital values of registers to generate an added value; and a multiplier that multiplies the digital coefficient value and the added value,
The A / D conversion comparator circuit provides the digital signal in the first to third periods;
The D / A conversion circuit provides the voltage signal to the first capacitor of the gain stage during the second period, and supplies the voltage to the third capacitor of the gain stage during the third period. An N-bit A / D converter characterized by providing a signal .
前記ディジタル回路におけるディジタル演算は、冗長二進表現を用いて行われ、前記ディジタル回路が生成する前記補正ディジタル値は冗長二進表現で表され、
当該NビットA/D変換器は、前記補正ディジタル値の冗長二進表現を非冗長二進表現に変換する回路を含む、ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載されたNビットA/D変換器。 The comparison circuit for A / D conversion generates a digital value of redundant binary representation for each conversion,
The digital operation in the digital circuit is performed using a redundant binary representation, and the corrected digital value generated by the digital circuit is represented in a redundant binary representation,
The N-bit A / D converter, a redundant binary representation of the corrected digital value including a circuit for converting the non-redundant binary representation, that in any one of claims 1 to 3, wherein The N-bit A / D converter described.
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