JP4560205B2 - A/d変換器及びそれを用いた固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ入力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器及びそれを用いた固体撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図13は従来例のA/D変換器を示すブロック図である。図13においてはカウンタ1、D/A変換器2がランプ波形発生器として用いられ、比較器3でアナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号を比較することにより、アナログ入力のA/D変換を行うA/D変換器の例である。例えば、カウンタ1には基本クロックが入力されており、カウンタ1は0からカウントアップしていく。それに伴いD/A変換器2の出力も増加し、あるところで比較器3に入力されているアナログ入力と等しくなって、比較器3の出力が反転する。比較器3の出力はカウンタ1の動作を制御し、比較器3の出力が反転したところでカウンタ1の動作が停止し、そのデジタル出力がアナログ入力信号に応じたデジタル値になることでA/D変換を行う。
【0003】
図14は図13のA/D変換器をセンサ出力のA/D変換に用いた固体撮像装置の例を示す図である。カウンタ1、D/A変換器2、比較器3、発振器4によってA/D変換器が構成され、各垂直信号線6毎にこのA/D変換器が接続されている。センサはセンサセル5がn行m列に配列された2次元センサの構成で、各垂直信号線毎に備えられたA/D変換器に各垂直信号線に接続されたセンサ出力が垂直シフトレジスタ7により転送される。発振器4からのクロックを受けたカウンタ1は、例えば、0からカウント動作を行い、そのデジタル出力を受けたD/A変換器2の出力は、その一方の入力が各垂直信号線6に接続された比較器3のもう一方の入力に接続されているので、カウンタ1のカウントアップに伴いアナログ出力電圧は上昇し、センサ出力に等しくなったところで比較器3の出力が反転し、その時のカウンタ1のデジタル値を保存するようにレジスタ8を駆動する。各レジスタ8に保存されたデジタル値は、各センサのA/D変換結果であり、端子9からそのデジタル値が出力される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この従来のA/D変換器においては、D/A変換器の出力のセトリング時間がカウンタの1カウント分の動作に最低限必要な時間より通常長くなってしまう。そのため、比較器3での比較動作に必要な時間もそれに伴ない長くなり、A/D変換器における変換速度はD/A変換器が制限することになり、変換速度の向上が難しいという問題があった。図15はカウンタ1に入力されるクロックと、それに伴ない出力電圧が変化するD/A変換器2の出力を示している。クロックの周期のミニマム値はD/A変換器2のセトリング時間で制限されることがこの図15から分かる。
【0005】
また、D/A変換器2のセトリング時間ぎりぎりまでカウンタ1のクロック周波数を増加させると、デジタル回路であるカウンタ1の発するスイッチングノイズの影響を受け易くなり、D/A変換器2の出力とアナログ入力信号との差が小さい場合、そのスイッチングノイズによって比較器3が誤動作を起こす可能性が高くなるという問題もあった。特に、図14のようなセンサに用いる場合は、センサにレジスタやカウンタ等のスイッチングノイズを発生するデジタル回路が近接して配置されることが多く、そのノイズの影響をセンサが受け、S/N比が悪化してしまうという問題があった。
【0006】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、A/D変換精度を保ちつつA/D変換速度を向上することが可能なA/D変換器及びそれを用いた固体撮像装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るA/D変換器は、クロック信号をカウントするカウンタと、前記カウンタの出力をアナログ信号に変換するD/A変換器と、アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号を比較し、その出力によって前記カウンタを制御する比較器とを含み、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号が等しくなった時に前記カウンタの出力値を前記アナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力するA/D変換器において、前記比較器から出力される、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じて、前記クロック信号の周波数を、当該クロック信号を分周する分周器の分周率を制御することにより減少させる周波数制御手段を備えたことを特徴とする。
【0008】
また、本発明に係るA/D変換器は、クロック信号をカウントするカウンタと、前記カウンタの出力をアナログ信号に変換するD/A変換器と、アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号を比較し、その出力によって前記カウンタを制御する比較器とを含み、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号が等しくなった時に前記カウンタの出力値を前記アナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力するA/D変換器において、前記D/A変換器は出力増幅器を含み、前記比較器から出力される、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じて前記出力増幅器のバイアス電流を減少させることを特徴とする。
【0009】
また、本発明に係るA/D変換器は、クロック信号をカウントするカウンタと、前記カウンタの出力をアナログ信号に変換するD/A変換器と、アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号を比較し、その出力によって前記カウンタを制御する比較器とを含み、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号が等しくなった時に前記カウンタの出力値を前記アナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力するA/D変換器において、前記カウンタ又は前記クロック信号を発生するクロック発生器の出力インピーダンスを、前記比較器から出力される、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じて増大させることを特徴とする。
【0010】
本発明に係る固体撮像装置は、マトリクス状に配列されたセンサセルと、前記A/D変換器とを有し、前記センサセルの出力が前記アナログ入力信号として前記比較器に与えられることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明のA/D変換器の第1の実施形態の構成を示すブロック図である。なお、図1では図13の従来のA/D変換器と同一部分は同一符号を付している。図1において、1カウンタであり、発振器4からのクロック信号を受けてカウント動作を行う。このカウンタ1の出力はD/A変換器2のデジタル入力端子に入力され、カウンタ1からのデジタル値に応じたアナログ出力を比較器3の一方の入力端子に出力する。
【0012】
比較器3のもう一方の入力端子にはアナログ入力信号が入力され、このアナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号を比較し、その結果を出力12としてカウンタ1に出力することで、カウンタ1のカウント動作を制御する。そして、アナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号が等しくなった時に比較器3の出力が反転し、それに応じてカウンタ2のカウント動作を停止させ、その時のカウンタ2の出力値をアナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力することでA/D変換を行う。
【0013】
また、比較器3はもう一つの出力信号10を出力する。即ち、アナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号との差の大きさを表わす差信号10を発振器4、D/A変換器2、カウンタ1に出力する。11はA/D変換されたデジタルを出力する出力端子である。発振器4はこの比較器3からの差信号10に応じて発振器4のクロック信号の周波数を制御するように構成されている。また、詳しく後述するようにD/A変換器2は差信号10の大きさでその出力のスルーレートやリンギングを左右するバイアス電流が制御され、カウンタ1は差信号10の大きさで各ゲートに直列に挿入されたトランジスタのオン抵抗が制御され、ゲートの出力インピーダンスを制御することにより、そのスイッチングノイズの大きさが制御される。
【0014】
図2は比較器3からの差信号10に応じて発振器4のクロック周波数が変化している様子を示している。横軸は時間、縦軸はD/A変換器2の出力である。時間t1まではアナログ入力電圧VinとD/A変換器2の出力電圧との差が十分大きく、発振器4のクロック周波数はその設定可能な最大値になっており、D/A変換器2のセトリング時間よりも短い周期になっている。時間t1になるとD/A変換器2の出力はV1に達し、アナログ入力Vinとの差が小さくなったところで発振器4のクロック周期を長くし(この例では3倍としている)、D/A変換器2のセトリング時間より大きな値として、比較器3での比較動作を精度よく行うことを可能としている。
【0015】
ここで、発振器4としては、例えば、VCO(電圧制御発振器)が用いられ、差信号10に応じて発振器4のクロック信号の周波数を変化させることが可能である。また、図2では時間t1でクロック周期を約3倍に長くしているが、差信号に応じてリニアにクロック周期を変化させてもよい。
【0016】
図3はカウンタ1のロジック回路内のゲート回路を示すもので、特に比較器等の外来スイッチングノイズの影響を受けやすい回路に対し、スイッチングノイズを抑制するための回路である。ゲート回路(この例ではM2,M3で構成されるCMOSインバータ)にMOSトランジスタM1,M4を挿入して、そのゲート電圧を制御することによりCMOSインバータの出力インピーダンスを制御し、スイッチングノイズを制御している。なお、図3の15は高電位電源、16はインバータ入力端子、17は同出力端子、18と19は比較器3から出力される差信号の入力端子である。端子18,19には後述する図10の比較器から差信号が入力される。
【0017】
ここで、図2における時間t1までのアナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号との差が大きい時は、端子18の電圧はGNDレベル、端子19の電圧は高電位電源電圧付近にあり、トランジスタM1,M4はオンである。そのため、CMOSインバータの出力インピーダンスは低く、高速駆動を可能にする設定を行う。また、図2の時間t1に達したところで端子18の電位は徐々に増加し、端子19の電位は逆に減少するように設定することでインバータの出力インピーダンスは大きくなり、高速駆動ができなくなる一方、スイッチングノイズは小さくなる。このインバータの入力信号の関係を図4に示す。なお、図3の回路は発振器4を構成するロジック回路内の各ゲート回路に設けてもよい。
【0018】
図5は典型的なD/A変換器2の構成例を示す回路図である。I1〜Inはバイナリーの電流源、21は定電圧源、22は差動アンプ、23はI1〜Inの電流を電圧に変換するための抵抗、24はD/A変換器の出力端子、25は差動アンプ22のバイアス電流を制御するための端子である。端子25には比較器3の差信号10が入力され、差動アンプ22のバイアス電流は比較器3の差信号10によって制御される。そして、電流源I1〜Inの電流をスイッチ26で切り換え、その電流を抵抗23で電圧に変換することでD/A変換を行う。
【0019】
図6は図5の差動アンプ22の典型的な例を示す回路図である。I1,I2はバイアス電流源、C1は位相補償容量であるが、バイアス電流I1の値を変えることで図7に示すように差動アンプ22の出力の過渡応答が変化する。即ち、バイアス電流を低くすればAのようにリンギングのない緩やかな応答になり、大きくすればBのようにリンギングは出るが速い応答になる。なお、図6においてM1〜M5はMOSトランジスタである。
【0020】
従って、図2の時間t1まではアナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号との差が大きいので、D/A変換器2の出力にリンギングが出ても問題はないため、比較器3の差信号に応じて図6のバイアス電流I1の電流を大きくし、応答を速くすることで図1のA/D変換速度を向上させている。また、図2の時間t1以降はアナログ入力信号とD/A変換器2の出力信号との差が小さいので、比較器3の差信号に応じてD/A変換器2の出力にリンギングが出ないように図6のバイアス電流I1の電流を小さくするように制御している。
【0021】
図8は図1の比較器3の構成例を示す回路である。31は電源、32は負極性入力端子、33は正極性入力端子、34は正極性差信号出力端子、35は負極性差信号出力端子、36は出力端子、M1〜M5はPMOSトランジスタ、M6,M7はNMOSトランジスタ、I1,I2はバイアス電流源である。入力端子32と33にはアナログ入力信号とD/A変換器2からの出力信号が入力される。この時、入力端子32の電位と入力端子33との電位差の大きさによって、図9に示すように各出力端子34,35,36の電位は変化する。出力端子34,35の差信号はカウンタ1の入力端子(図3)18,19に出力され、出力端子36の出力信号はカウンタ1にオン、オフを制御する信号として出力される。また、比較器3の差信号(どちらか一方)はD/A変換器2(図6)にバイアス電流を制御する信号として出力される。
【0022】
図10は本発明のA/D変換器の第2の実施形態を示すブロック図である。本実施形態では、図1の実施形態に更に分周器40を追加し、発振器4の出力を分周してカウンタ1に入力している。本実施形態では、比較器3の差信号出力で直接発振器4のクロック周期を制御する代わりに、分周器40の分周比を制御することで図1と同様の効果を得るものである。これは、発振器4として水晶等の高精度の発振器を用いる場合が多く、その出力クロックを直接制御することは難しいことがあるが、この場合には分周器40の分周率を制御することによってクロック周波数を変えられるので実際的である。また、分周器40のロジック回路に図3の回路を設けてもよい。
【0023】
図11は図10のA/D変換器を用いた固体撮像装置の例を示すブロック図である。ここではn行m列に2次元に配列されたエリアセンサを例にしているが、ラインセンサでもまったく同様の動作、効果が得られる。5はn×mにマトリクス状に配列されたセンサセル、7は垂直シフトレジスタ、4は発振器であり、その出力は分周器40に供給されている。1はカウンタであり、分周器40からのクロックを受けてカウント動作を行う。2はD/A変換器であり、カウンタ1からのデジタル信号を受け、それに応じたアナログ信号を発生し、比較器3の一方の入力に供給する。
【0024】
また、10は図10における比較器3の差信号10と等しいもので、図10と同様にD/A変換器2、カウンタ1、分周器40に出力される。図10におけるアナログ入力信号の代わりにセンサ信号出力が比較器3に入力される以外は構成及び動作とも同様である。このように上記実施形態のA/D変換器を用いることにより、センサ出力のアナログ信号をA/D変換する際に、その変換速度、変換精度を同時に向上させることが可能である。なお、図11の固体撮像装置では図10のA/D変換器を用いた場合の例を示しているが、図1のA/D変換器を用いても良いことはもちろんである。
【0025】
次に、図11の固体撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。図12は図11の固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の例を示すブロック図である。なお、図11の固体撮像装置は図10のA/D変換器を用いているが、図1のA/D変換器を用いた固体撮像装置であっても良い。図12において、101はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、102は被写体の光学像を固体撮像素子104に結像させるレンズ、103はレンズ102を通った光量を可変するための絞り、104はレンズ102で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。固体撮像素子104としては、前述のように第1、第2の実施形態のA/D変換器を用いた固体撮像装置であり、例えば、図11のものを用いるものとする。
【0026】
105は固体撮像素子104から出力される画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、106は固体撮像素子104や信号処理部105に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、107は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、108は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、109は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、110は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、111は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【0027】
次に、図12のスチルビデオカメラの撮影時の動作について説明する。バリア101がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部107は絞り103を開放にし、固体撮像素子104から出力された信号は内部のA/D変換器で変換された後、信号処理部105に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部107で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部107は絞りを制御する。
【0028】
次に、固体撮像素子104から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部107で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子104から出力された画像信号は内部のA/D変換器でA/D変換され、信号処理部105を通り全体制御・演算107によりメモリ部108に書き込まれる。その後、メモリ部108に蓄積されたデータは全体制御・演算部107の制御により記録媒体制御I/F部109を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体110に記録される。また、外部I/F部111を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アナログ入力信号とD/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じてクロック信号の周波数を減少させることにより、A/D変換精度や変換速度を向上することができる。また、差信号の減少に応じてD/A変換器の出力増幅器のバイアス電流を減少させることにより、リンギングの発生を抑えることができ、A/D変換精度や変換速度を向上できる。更に、差信号の減少に応じてカウンタ又は分周器のゲート回路の出力インピーダンスを増大させることにより、スイッチングノイズの発生を抑制することができ、A/D変換精度を向上できる。また、本発明のA/D変換器を固体撮像装置に用いることにより、更に、装置の性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のA/D変換器の第1の実施形態を示すブロック図である。
【図2】図1のA/D変換器の比較器の差信号に応じて発振器のクロック周波数が変化する様子を示す図である。
【図3】カウンタのゲート回路を示す図である。
【図4】図3のゲート回路に対し比較器から入力される差信号を示す図である。
【図5】図1のA/D変換器に用いるD/A変換器の例を示す回路図である。
【図6】図5のD/A変換器に用いる差動アンプの例を示す回路図である。
【図7】図6の差動アンプのバイアス電流による過渡応答特性の変化を示す特性図である。
【図8】図1のA/D変換器に用いる比較器の例を示す図である。
【図9】図8の比較器の入力に対する出力変化を示す図である。
【図10】本発明のA/D変換器の第2の実施形態を示す図である。
【図11】図10のA/D変換器を用いた固体撮像装置の例を示す図である。
【図12】図11の固体撮像装置を用いた撮像システムの例を示すブロック図である。
【図13】従来例のA/D変換器を示す図である。
【図14】図13のA/D変換器を用いた固体撮像装置を示す図である。
【図15】図13のA/D変換器におけるカウンタのクロックとD/A変換器の出力を示す図である。
【符号の説明】
1 カウンタ
2 D/A変換器
3 比較器
4 発振器
5 センサセル
7 垂直シフトレジスタ
22 差動アンプ
40 分周器
Claims (5)
- クロック信号をカウントするカウンタと、前記カウンタの出力をアナログ信号に変換するD/A変換器と、アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号を比較し、その出力によって前記カウンタを制御する比較器とを含み、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号が等しくなった時に前記カウンタの出力値を前記アナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力するA/D変換器において、
前記比較器から出力される、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じて、前記クロック信号の周波数を、当該クロック信号を分周する分周器の分周率を制御することにより減少させる周波数制御手段を備えたことを特徴とするA/D変換器。 - 前記分周器の出力インピーダンスを前記差信号に応じて変化させることを特徴とする請求項1に記載のA/D変換器。
- クロック信号をカウントするカウンタと、前記カウンタの出力をアナログ信号に変換するD/A変換器と、アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号を比較し、その出力によって前記カウンタを制御する比較器とを含み、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号が等しくなった時に前記カウンタの出力値を前記アナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力するA/D変換器において、
前記D/A変換器は出力増幅器を含み、前記比較器から出力される、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じて前記出力増幅器のバイアス電流を減少させることを特徴とするA/D変換器。 - クロック信号をカウントするカウンタと、前記カウンタの出力をアナログ信号に変換するD/A変換器と、アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号を比較し、その出力によって前記カウンタを制御する比較器とを含み、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号が等しくなった時に前記カウンタの出力値を前記アナログ入力信号に応じたデジタル信号として出力するA/D変換器において、
前記カウンタ又は前記クロック信号を発生するクロック発生器の出力インピーダンスを、前記比較器から出力される、前記アナログ入力信号と前記D/A変換器の出力信号との差信号の減少に応じて増大させることを特徴とするA/D変換器。 - マトリクス状に配列されたセンサセルと、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のA/D変換器とを有し、
前記センサセルの出力が前記アナログ入力信号として前記比較器に与えられることを特徴とする固体撮像装置。
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