JP4479235B2

JP4479235B2 - 信号出力装置、信号処理装置、固体撮像装置、インタフェース装置、電子機器ならびにインタフェース装置の動作方法

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Publication number: JP4479235B2
Application number: JP2003429121A
Authority: JP
Inventors: 圭司馬渕
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005191800A

Description

本発明は、信号の周波数が異なる複数の動作モードを取り扱う信号出力装置、信号処理装置、固体撮像装置、インタフェース装置、電子機器ならびにインタフェース装置の動作方法に関する。

差動インタフェースとして、例えばＬＶＤＳ（Low Voltage Differential signaling:低電圧差動通信）が知られている。図７は従来の差動インタフェース（ＬＶＤＳ）を説明する回路図である。この差動インタフェースにおいて、ドライバ側では信号の０、１に応じて例えば３.５ｍＡの電流源から送られる電流の向きを制御する。この差動インタフェースでは、差動インピーダンス１００Ωの伝送線路の先に１００Ωの終端抵抗が設けられている。レシーバ側では、この終端抵抗に現われる３５０ｍＶの電位差を増幅する。

ＬＶＤＳは数百ＭＨｚ以上の信号のインタフェースとして、低消費電力、小ノイズ輻射、高外来ノイズ耐性、低価格の特徴を持つ（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。

ここで、固体撮像装置としてＣＭＯＳセンサが有る。ＣＭＯＳセンサは、半導体基板の上に光を電気信号に変換する画素が行列上に多数並んでおり、さらに同一基板上に画素を駆動する回路や画素の信号を処理、出力する回路が集積されている。ＣＭＯＳセンサは高画素、高フレームレートの出力の場合は大量の画像データを非常に高い周波数で出力する必要があるとともに、間引きや加算機能を備えることが容易で、動作モードによって、１枚あたりの画像データが数分の１から数百分の１になるモードが有る。

また、監視用や通信の帯域が限られたＴＶ電話など、フレームレートを落として良い場合が有り、このときも単位時間当たりの画像データは少なくなる。例えば、３００万画素のＣＭＯＳセンサの全画素出力を１０ビット、３０フレーム／秒のシリアル出力で信号出力を行う場合は、約１．３ＧＨｚの周波数になる。これを、通常は単にモニタリングをしておけばいい場合は、間引きや加算により、例えば１０万画素の画像を７．５フレーム／秒で出力すればよいとすると、約１０ＭＨｚでよい。

特開２０００−０４１０７２号公報ナショナルセミコンダクターコーポレーション、"ＬＶＤＳ入門"、[online]、２００３年、[平成１５年１１月１８日検索]、インターネット＜URL:http://www.national.com/JPN/appinfo/lvds/files/ch1.pdf＞

このように、ＣＭＯＳセンサは単位時間に同一チップから出すべきデータの量が、動作モードによって、例えば数百倍変動する。つまり、高画素、高速のＣＭＯＳセンサは大量のデータを低消費電力で出力しなければならないことから、ＣＭＯＳセンサにＬＶＤＳのような差動インタフェースを用いると有効である。

しかし、用途によっては、高画素高速で動作するのは肝心な場合だけで、ほとんどの期間は少量のデータを出力していればよいというものがある。ＬＶＤＳは、数百ＭＨｚ以上といった高速の場合は、消費電力の増大が抑えられるので低消費電力だが、百ＭＨｚ以下といった低速の場合は、消費電力が下がらないので単にＨｉｇｈ，Ｌｏｗの電圧値で出力するよりも消費電力を食ってしまう。特に、通常はモニタリングしていてシャッタが切られたときだけ全画素出力するデジタルカメラや、不審者を発見したときだけ解像度をあげる電池駆動の監視カメラなどのように、肝心なとき以外はできるだけ消費電力を下げたい場合には不向きである。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明のインタフェース装置は、固体撮像素子から入力される信号に基づいて定電流源から供給される電流の流れる向きを２つの端子間で切り替えるドライバと、前記２つの端子に接続され前記電流を流す伝送線路と、前記伝送線路の他端に設けられ前記伝送線路を終端する終端抵抗部と、前記終端抵抗部の両端に表れる電圧を増幅するレシーバと、前記終端抵抗部に設けられ、前記信号の周波数が異なる少なくとも２つの動作モードに応じて前記伝送線路の終端部を開閉するスイッチ部とを有し、前記信号の周波数が高い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、前記信号の周波数が低い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とするものである。

また、本発明の電子機器は、固体撮像素子から入力される信号に基づいて定電流源から供給される電流の流れる向きを２つの端子間で切り替えるドライバと、前記２つの端子に接続され前記電流を流す伝送線路と、前記伝送線路の他端に設けられ前記伝送線路を終端する終端抵抗部と、前記終端抵抗部の両端に表れる電圧を増幅するレシーバと、前記終端抵抗部に設けられ、前記信号の周波数が異なる少なくとも２つの動作モードに応じて前記伝送線路の終端部を開閉するスイッチ部と、を有するインタフェース装置を備え、前記信号の周波数が高い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、前記信号の周波数が低い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とするものである。

また、本発明の電子機器は、光を電気信号に変換する複数の画素を備える固体撮像装置と、前記固体撮像装置から入力される信号に基づいて定電流源から供給される電流の流れる向きを２つの端子間で切り替えるドライバと、前記２つの端子に接続され前記電流を流す伝送線路と、前記伝送線路の他端に設けられ前記伝送線路を終端する終端抵抗部と、前記終端抵抗部の両端に表れる電圧を増幅して出力するレシーバと、前記終端抵抗部に設けられ、前記信号の周波数が異なる少なくとも２つの動作モードに応じて前記伝送線路の終端部を開閉するスイッチ部とを有するインタフェース装置と、前記インタフェース装置から出力される信号を処理する信号処理装置と、から構成され、前記信号の周波数が高い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、前記信号の周波数が低い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とするものである。

また、本発明は、前記電子機器において、前記信号の周波数が高い動作モードとしての、前記固体撮像装置から全画素の信号を読み出すモードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、前記信号の周波数が低い動作モードとしての、前記固体撮像装置から画素数を減らして信号を読み出すモードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とするものである。

このような本発明では、信号の周波数が異なる複数の動作モードのうちいずれかを選択して信号の処理を行うにあたり、信号の周波数が高い動作モードでの信号処理に対応しつつ、信号の周波数が低い動作モードでの消費電力の低減を図ることができるようになる。

したがって、本発明によれば、高速インタフェースを用いながらもデータレートが低速の時にはその消費電力を低減することができ、高速信号処理と低速信号処理時の消費電力低減とを両立することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。なお、本実施形態では、電子機器としてＣＭＯＳセンサから成る固体撮像装置を用いたカメラモジュールを例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明する模式平面図である。すなわち、この固体撮像装置１はＣＭＯＳセンサから成る画素１０が複数マトリクス状に配置された画素部１１を有し、この画素部１１の周辺に通信・タイミング生成回路１２、Ｖ駆動回路１３、カラムＡＤ回路１４、Ｈ駆動回路１５、信号処理回路１６およびドライバ１７が設けられた構成となっている。

画素部１１には、光を電気信号に変換する画素（ＣＭＯＳセンサ）１０が縦横複数個配列され、２次元で画像信号を取得できるようになっている。通信・タイミング生成回路１２は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また、固体撮像装置１の情報を含むデータを出力する。また、固体撮像装置１の各部の動作に必要なクロックやパルスを供給する。

Ｖ駆動回路１３は、画素部１１の行を選択し、その行に必要なパルスを供給する。カラムＡＤ回路１４は画素部１１の列に対応して設けられており、１行分の画素の信号を受けてその信号をＡＤ変換する。なお、カラムＡＤ回路１４では、同時にＣＤＳ（Correlated Double Sampling：固定パターンノイズ除去の処理）や信号増幅を行ってもよい。

Ｈ駆動回路１５は、カラムＡＤ回路１４を順番に選択し、その信号を水平信号線に導く。水平信号線は、例えばカラムＡＤ回路１４が１０ｂｉｔなら、例えばそれぞれのｂｉｔに対応して１０本配置される。なお、図１では１本のみが示されている。

信号処理回路１６は、水平信号線の信号を処理してドライバ１７に渡す処理を行う。信号処理としては、例えば、バッファリングだけする場合もあるし、その前に黒レベル調整、列ばらつき補正、信号増幅、色関係処理、パラレルシリアル変換などを行うこともある。ドライバ１７はその出力を差動化し、外部に出力する。

ここで、固体撮像装置１は複数の動作モードに対応している。一つは高速のデータレートを使用する全画素読み出しモードであり、全画素の信号を順に読み出す。他に低速のデータレートを使用する間引き加算モードがあり、解像度を落として数分の１から数百分の１の画像データを出力する。したがって、全画素読み出しモードでは信号の周波数が高く（例えば、約１．３ＧＨｚ）、加算モードでは信号の周波数が低くなり（例えば、約１０ＭＨｚ）、各々のモードで取り扱う信号の周波数が異なる。

図２は、図１に示す固体撮像装置を用いたカメラモジュールの構成図である。カメラモジュール１００は、絞りＳおよびレンズＬを介して取得した光をＣＭＯＳセンサである固体撮像装置１の画素で電気信号に変換し、この信号を画像処理装置であるＤＳＰ（Digital Signal Processor）２に出力する。ＤＳＰ２では、固体撮像装置１から受けた信号に対してホワイトバランス調整、輪郭強調、データ圧縮などをして出力する。また、固体撮像装置１におけるＣＭＯＳセンサの電子シャッタの調整や、絞りＳの調整などの制御も行う。

ここで、固体撮像装置１と次段ＩＣであるＤＳＰ２との間のインタフェース装置５０について説明する。インタフェース装置５０は、例えば固体撮像装置１とＤＳＰ２との間で信号の受け渡しを行うもので、ドライバ５１およびレシーバ５２から構成される。なお、図２における固体撮像装置１のドライバ５１は、図１における固体撮像装置１のドライバ１７と対応している。

図３は本実施形態に係るインタフェース装置（その１）を説明する回路図である。このインタフェース装置５０はＬＶＤＳ（Low Voltage Differential signaling）から成るものであるが、電流源の電流が１．７ｍＡと３．５ｍＡの２種類選択できる点で従来のＬＶＤＳと異なる。

すなわち、信号の周波数が異なる複数の動作モードを備える場合、各動作モードに応じて電流源の電流値を切り換える切り換え手段であるスイッチＳＷ１、ＳＷ２を備えている。これにより、高速のデータレートを使用する全画素読み出しモードでは、３．５ｍＡを選択し、通常のＬＶＤＳでの出力を行う。一方、低速のデータレートを使用する間引き加算モードでは１．７ｍＡを選択し、約１／２の電流値で出力を行う。

このとき、１００Ωの終端抵抗に表れる電圧は約半分の１７０ｍＶとなる。次段ＩＣのレシーバ５２では、間引き加算モードでは、この１７０ｍＶを増幅する。データレートが数分の１以下なので、１７０ｍＶの入力を増幅することは可能である。これによって、インタフェースで消費する電力を約１／２にすることができる。

次に、このインタフェース装置の動作方法を説明する。先ず、全画素読み出しモード（高周波動作モード）では、切り換え手段であるスイッチＳＷ１を閉、スイッチＳＷ２を開にして、３．５ｍＡの電流源を選択する。この状態でドライバ５１のＩＮに、例えばＬｏｗからＨｉｇｈに遷移する信号が入力されると、レシーバにおける３．５ｍＡ電流の向きが変化し、レシーバ５２の終端抵抗の両端Ａ−Ｂには、終端抵抗１００Ωに応じた電圧３５０ｍＶが反転して発生する。この場合の信号の状態を図４（ａ）に示す。

一方、間引き加算モード（低周波動作モード）では、切り換え手段であるスイッチＳＷ１を開、スイッチＳＷ２を閉にして、１．７ｍＡの電流源を選択する。この状態でＩＮに、例えばＬｏｗからＨｉｇｈに遷移する信号が入力されると、レシーバにおける１．７ｍＡの電流の向きが変化し、レシーバ５２の終端抵抗の両端Ａ−Ｂには、終端抵抗１００Ωに応じた電圧１７０ｍＶが反転して発生する。この場合の信号の状態を図４（ｂ）に示す。

間引き加算モードでは発生する電圧が、全画素読み出しモードに比べて低く、信号の立ち上がりも多少鈍っているものの、信号の周波数が低いことからレシーバ５２の後段の回路でも取り扱うことができる。したがって、カメラモジュールなど、動作の大部分が間引き加算モードで使用される電子機器に本実施形態のインタフェース装置を用いることで、消費電力の低減を図ることが可能となる。

図５は本実施形態に係るインタフェース装置（その２）を説明する回路図である。このインタフェース装置５０はＬＶＤＳから成るものであるが、レシーバ５２の終端抵抗である１００Ωの抵抗に直列に切り換え手段であるスイッチＳＷ３が設けられている点、このようなスイッチが設けられていない従来のＬＶＤＳと相違する。

すなわち、このインタフェース装置５０では、信号の周波数が異なる複数の動作モードを備える場合、各動作モードに応じてドライバ５１およびレシーバ５２間のインピーダンスマッチング用の終端抵抗の値を切り換え手段であるスイッチＳＷ３で切り換えられるようになっている。

このインタフェース装置の動作方法としては、先ず、高速のデータレートを使用する全画素読み出しモード（高周波動作モード）では、スイッチＳＷ３を閉にする。これにより、レシーバ５２の端子間に終端抵抗１００Ωが接続される状態となり、通常のＬＶＤＳでのインタフェース構成となる。

この状態でドライバ５１のＩＮに、例えばＬｏｗからＨｉｇｈに遷移する信号が入力されると、レシーバにおける３．５ｍＡ電流の向きが変化し、レシーバ５２の終端抵抗の両端Ａ−Ｂには、終端抵抗１００Ωに応じた電圧３５０ｍＶが反転して発生する。また、レシーバ５２のＯＵＴ端子にはレシーバ５２の電源電圧である１．８Ｖが発生する。この場合の信号の状態を図６（ａ）に示す。

一方、低速のデータレートを使用する間引き加算モード（低周波動作モード）ではＳＷ３を開にする。このときに、インピーダンスマッチングが取れなくなるので、ＩＮに、例えばＬｏｗからＨｉｇｈに遷移する信号が入力されると、レシーバ５２の反射のために波形が乱れて高速インタフェースは取れなくなるが、ある程度時間が経つと、レシーバ５２側入力の一端は電源電圧側に、他端はグランド側に落着き、電流源は電流を流さなくなる。その結果、例えば１００ＭＨｚ以下のような低速では、レシーバ５２側は信号を間違えずに再現できるとともに、低消費電力化が達成される。この場合の信号の状態を図６（ｂ）に示す。レシーバ出力は図のように一時的に振動する場合もあるが、例えばローパスフィルタを通したり、あるいはレシーバ自身の周波数特性を落とすことで、低速の信号を再現できる。

上記２つの例のように、動作モードに応じてインタフェース装置の取り方を変えることで、データレートの低いモニタリング時にはインタフェースの消費電力を少なくし、データレートの高い全画素読み出し時だけインタフェースの消費電力が大きくなるようにできる。

例えば、デジタルカメラでは撮像時間のうち９９％以上がモニタリングであるので、この状態では上記説明したデータレートの低い場合（低周波動作モード）のインタフェース装置の構成をとる。これにより、インタフェース装置の消費電力を低減できる効果は非常に大きい。

一方、シャッタが押された場合など、全画素読み出しを行う高周波動作モードになった場合は、このモード変更と連動して上記説明したデータレートの高い場合（高周波動作モード）のインタフェース装置の構成をとる。これにより、高速インタフェースを実現できる。

なお、本実施形態のインタフェース装置５０は、カメラモジュールの出力と、カメラモジュールを内蔵したデジタルカメラや携帯電話内の次段ＩＣとの間のインタフェースとしても全く同様である。

また、ここではデータレートの高い場合と低い場合を全画素読み出しと間引き加算で説明したが、その他にも、圧縮率の低い場合（データレート高）と高い場合（データレート低）や、フレームレートの高い場合（データレート高）と低い場合（データレート低）なども同様である。もちろん、カメラモジュールに限らず、データレートが動作モードによって数倍以上変わるＩＣ等において同様に適用可能である。

また、上記実施形態では、高周波動作モードと低周波動作モードの２つのモードを切り換える場合について説明したが、３つ以上の動作周波数の異なるモードを切り換える場合でも、それぞれのモードに応じた電流源の電流値切り換えや、終端抵抗値の切り換えを行う構成にすれば適用できる。さらに電流源の電流値や終端抵抗値の切り換えを連続的に行うようにしてもよい。

上記説明した図３に示すドライバ５１の構成は、信号の周波数が異なる複数の動作モードに応じて信号を出力する信号出力装置として種々の回路に適用できる。また、図５に示すレシーバ５２の構成は、信号の周波数が異なる複数の動作モードに応じて入力した信号を処理し、出力する信号処理装置として種々の回路に適用できる。

また、上記説明した図３に示すドライバ５１の構成を図１に示す固体撮像装置１のドライバ１７として組み込んで１チップ構成にすることもできる。さらに、図３や図５に示すドライバ５１およびレシーバ５２の構成から成るインタフェース装置５０を１チップで構成してもよいし、図２に示す固体撮像装置１、ＤＳＰ２およびインタフェース装置５０を１チップで構成してもよい。

本実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明する模式平面図である。固体撮像装置を用いたカメラモジュールの構成図である。本実施形態に係るインタフェース装置（その１）を説明する回路図である。インタフェース装置（その１）の信号状態を示す図である。本実施形態に係るインタフェース装置（その２）を説明する回路図である。インタフェース装置（その２）の信号状態を示す図である。従来の差動インタフェース装置（ＬＶＤＳ）を説明する回路図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、２…ＤＳＰ、１０…画素、１１…画素部、１２…通信・タイミング生成回路、１３…Ｖ駆動回路、１４…カラムＡＤ回路、１５…Ｈ駆動回路、１６…信号処理回路、１７…ドライバ、５０…インタフェース装置、５１…ドライバ、５２…レシーバ、ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッチ

Claims

固体撮像素子から入力される信号に基づいて定電流源から供給される電流の流れる向きを２つの端子間で切り替えるドライバと、
前記２つの端子に接続され前記電流を流す伝送線路と、
前記伝送線路の他端に設けられ前記伝送線路を終端する終端抵抗部と、
前記終端抵抗部の両端に表れる電圧を増幅するレシーバと、
前記終端抵抗部に設けられ、前記信号の周波数が異なる少なくとも２つの動作モードに応じて前記伝送線路の終端部を開閉するスイッチ部と、
を有し、
前記信号の周波数が高い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、
前記信号の周波数が低い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とする
インタフェース装置。
固体撮像素子から入力される信号に基づいて定電流源から供給される電流の流れる向きを２つの端子間で切り替えるドライバと、
前記２つの端子に接続され前記電流を流す伝送線路と、
前記伝送線路の他端に設けられ前記伝送線路を終端する終端抵抗部と、
前記終端抵抗部の両端に表れる電圧を増幅するレシーバと、
前記終端抵抗部に設けられ、前記信号の周波数が異なる少なくとも２つの動作モードに応じて前記伝送線路の終端部を開閉するスイッチ部と、
を有するインタフェース装置を備え、
前記信号の周波数が高い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、
前記信号の周波数が低い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とする
電子機器。
光を電気信号に変換する複数の画素を備える固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から入力される信号に基づいて定電流源から供給される電流の流れる向きを２つの端子間で切り替えるドライバと、前記２つの端子に接続され前記電流を流す伝送線路と、前記伝送線路の他端に設けられ前記伝送線路を終端する終端抵抗部と、前記終端抵抗部の両端に表れる電圧を増幅して出力するレシーバと、前記終端抵抗部に設けられ、前記信号の周波数が異なる少なくとも２つの動作モードに応じて前記伝送線路の終端部を開閉するスイッチ部とを有するインタフェース装置と、
前記インタフェース装置から出力される信号を処理する信号処理装置と、から構成され、
前記信号の周波数が高い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、
前記信号の周波数が低い動作モードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とする
電子機器。
前記信号の周波数が高い動作モードとしての、前記固体撮像装置から全画素の信号を読み出すモードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を閉状態とし、
前記信号の周波数が低い動作モードとしての、前記固体撮像装置から画素数を減らして信号を読み出すモードでは、前記スイッチ部は前記伝送線路の終端部を開状態とする
請求項３記載の電子機器。