JP4953970B2 - Physical quantity detection device and driving method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、可視光、電磁波、アルファ線、およびベータ線などの粒子放射線などの物理量分布を検知するための2次元物理量検知装置に関し、より詳細には、行列状に配列された光電変換素子などのセンシング素子と、センシング素子からの出力信号を受けるA/D変換回路とが設けられた固体撮像素子、および撮像システムに関する。   The present invention relates to a two-dimensional physical quantity detection device for detecting a physical quantity distribution of particle radiation such as visible light, electromagnetic waves, alpha rays, and beta rays, and more specifically, photoelectric conversion elements arranged in a matrix, etc. The present invention relates to a solid-state imaging device provided with a sensing element and an A / D conversion circuit receiving an output signal from the sensing element, and an imaging system.

従来、イメージセンサとして主流であったCCD(Charge Coupled Device;電荷結合素子)型センサ(以後、「CCDセンサ」と称する)に加えて、今日ではロジックLSIに使われている標準プロセスを活用したMOS型のイメージセンサ(以後、「MOSセンサ」と称する)が広く市場に出回るようになった。MOSセンサは、CCDセンサとは異なり、各種アナログ回路やデジタル回路を画素アレーと同一基板上に集積化できるという特徴を備えている。CCDセンサでは、アナログ信号増幅機能やA/D変換機能に特化したアナログフロントエンドプロセサ(以後、AFE)や、AFEの機能を備えたデジタル信号処理プロセッサ(以後、DSP)など、A/D変換機能を備えた別個のチップを画素アレーに接続することで、はじめてデジタル出力を得ることができる。これに対し、MOSセンサでは、画素アレーとともにA/D変換回路を同一チップ上に集積したものが既に製品化されている。   In addition to the CCD (Charge Coupled Device) type sensor (hereinafter referred to as “CCD sensor”), which has been the mainstream as an image sensor, MOS utilizing the standard process used in logic LSIs today. Type image sensors (hereinafter referred to as “MOS sensors”) have become widely available on the market. Unlike the CCD sensor, the MOS sensor has a feature that various analog circuits and digital circuits can be integrated on the same substrate as the pixel array. In CCD sensors, analog front-end processors (hereinafter referred to as AFE) specialized for analog signal amplification functions and A / D conversion functions, and digital signal processing processors (hereinafter referred to as DSPs) equipped with AFE functions are used for A / D conversion. A digital output can be obtained only by connecting a separate chip having a function to the pixel array. On the other hand, a MOS sensor in which an A / D conversion circuit and a pixel array are integrated on the same chip has already been commercialized.

MOSセンサが搭載するA/D変換回路には、AFEに広く搭載されている方式でもあるパイプライン型A/D変換方式や、1ライン分の画素データを同時並列的にA/D変換するカラム型A/D変換方式、さらには、すべての画素データを同時並列的にA/D変換する方式まで多岐にわたる方式の提案がある。カラム型A/D変換方式だけに絞っても、例えば、特許文献1〜3に示される構成のものがある。   The A / D conversion circuit mounted on the MOS sensor includes a pipeline type A / D conversion method that is also widely used in AFE, and a column that performs A / D conversion of pixel data for one line simultaneously in parallel. There are various types of proposals including a type A / D conversion method, and a method of performing A / D conversion on all pixel data simultaneously and in parallel. Even if only the column-type A / D conversion method is selected, for example, there are configurations shown in Patent Documents 1 to 3.

図16は、特許文献1に記載された第1の従来例に係るMOSセンサの構成を示す図である。   FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a MOS sensor according to a first conventional example described in Patent Document 1. In FIG.

第1の従来例に係るMOSセンサは、画素1101の列毎に、比較器1107およびデジタルメモリ1108で構成されたカラムA/D変換回路1106を備えている。バイナリカウンタ1104から出力されるバイナリ値は、D/A変換回路(以後、DACと称す)1105に入力される。DAC1105は、入力されたバイナリ値に応じたアナログランプ電圧(三角波)1122を生成し、このアナログランプ電圧1122を参照電位として比較器1107に出力する。バイナリカウンタ1104の出力はバイナリ→グレイコード変換器1115にも入力され、グレイコードに変換された後、各列のデジタルメモリ1108に分配される。各カラムA/D変換回路1106内の比較器1107のもう一方の入力部には、画素1101から読み出し信号線1103を介して画素信号が入力される。   The MOS sensor according to the first conventional example includes a column A / D conversion circuit 1106 configured by a comparator 1107 and a digital memory 1108 for each column of pixels 1101. The binary value output from the binary counter 1104 is input to a D / A conversion circuit (hereinafter referred to as DAC) 1105. The DAC 1105 generates an analog ramp voltage (triangular wave) 1122 corresponding to the input binary value, and outputs the analog ramp voltage 1122 to the comparator 1107 as a reference potential. The output of the binary counter 1104 is also input to a binary → Gray code converter 1115, converted into a Gray code, and then distributed to the digital memory 1108 of each column. A pixel signal is input from the pixel 1101 through the readout signal line 1103 to the other input portion of the comparator 1107 in each column A / D conversion circuit 1106.

次に、第1の従来例に係るMOSセンサのA/D変換動作を説明する。まず、クロック生成回路1120から入力されるクロック信号1121に同期して、バイナリカウンタ1104がその初期値からカウントを開始すると同時に、DAC1105がアナログランプ電圧1122の生成を開始する。そして、各列の画素1101からの読み出し信号と、バイナリカウンタ1104の計数値と同期して変化する共通のアナログランプ電圧1122とが各列の比較器1107に入力される。これと並行して、バイナリカウンタ1104の計数値はバイナリ→グレイコード変換器1115でグレイコード計数値1124に変換され、デジタルメモリ1108に分配される。ある列の比較器1107への2つの入力信号の大小関係が入れ替わると、その比較器1107の出力信号が反転し、その列のデジタルメモリ1108はバイナリ→グレイコード変換器1115が出力するグレイコード計数値1124を保持する。比較器1107に入力されるアナログランプ電圧1122とデジタルメモリ1108に入力されるグレイコード計数値1124とはバイナリカウンタ1104を介して互いに同期しているので、以上の動作により、画素からの読み出し信号(アナログ信号)がデジタルメモリに保持された値(デジタル信号)にA/D変換されることとなる。   Next, the A / D conversion operation of the MOS sensor according to the first conventional example will be described. First, in synchronization with the clock signal 1121 input from the clock generation circuit 1120, the binary counter 1104 starts counting from its initial value, and at the same time, the DAC 1105 starts generating the analog ramp voltage 1122. Then, a readout signal from the pixel 1101 in each column and a common analog ramp voltage 1122 that changes in synchronization with the count value of the binary counter 1104 are input to the comparator 1107 in each column. In parallel with this, the count value of the binary counter 1104 is converted into the gray code count value 1124 by the binary → Gray code converter 1115 and distributed to the digital memory 1108. When the magnitude relationship between the two input signals to the comparator 1107 in a certain column is switched, the output signal of the comparator 1107 is inverted, and the digital memory 1108 in that column stores the gray code meter output from the binary → Gray code converter 1115. The numerical value 1124 is held. Since the analog ramp voltage 1122 input to the comparator 1107 and the gray code count value 1124 input to the digital memory 1108 are synchronized with each other via the binary counter 1104, the readout signal (( Analog signal) is A / D converted into a value (digital signal) held in the digital memory.

このように、特許文献1に示された第1の従来例に係るMOSセンサでは、デジタルメモリに供給するデジタル値の表現方法としてグレイコードを用いている。これにより、グレイコード計数値1124は常にハミング距離が最小の「1」で遷移するため、クロックとして分配されるビット間にスキューがあっても、サンプリング誤差を小さくすることができる。また、グレイコードでは前後の計数値において、全ビット中のうち1つのビットしか反転しないため、ノイズが抑制されている。また、消費電力の低減も図ることができる。   As described above, in the MOS sensor according to the first conventional example disclosed in Patent Document 1, the gray code is used as a method for expressing the digital value supplied to the digital memory. As a result, the Gray code count value 1124 always transitions with a minimum Hamming distance of “1”, so that even if there is a skew between the bits distributed as the clock, the sampling error can be reduced. Further, in the Gray code, only one bit among all the bits is inverted in the preceding and following count values, so noise is suppressed. In addition, power consumption can be reduced.

図17は、特許文献2や特許文献3に記載された第2の従来例に係るMOSセンサの構成を示す図である。同図を用いて、もう1つのカラム型A/D変換回路を含む第2の従来例に係るMOSセンサの構成を説明する。   FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a MOS sensor according to a second conventional example described in Patent Document 2 and Patent Document 3. In FIG. The configuration of the MOS sensor according to the second conventional example including another column type A / D conversion circuit will be described with reference to FIG.

第2の従来例に係るMOSセンサは、画素1101の列毎に、比較器1107とカラムカウンタ1208とで構成されたカラムA/D変換回路1106を備えている。クロック生成回路1120はクロック信号1121をバイナリカウンタ1104だけでなく、カラムA/D変換回路1106内のカラムカウンタ1208にも供給する。バイナリカウンタ1104から出力されるバイナリ値はD/A変換回路(DAC)1105に入力され、DAC1105は入力されたバイナリ値に従ってアナログランプ電圧(三角波)1122を生成する。このアナログランプ電圧1122は参照電位として比較器1107に入力される。比較器1107のもう一方の入力には、画素1101から読み出し信号線1103を介して画素信号が入力される。   The MOS sensor according to the second conventional example includes a column A / D conversion circuit 1106 configured by a comparator 1107 and a column counter 1208 for each column of the pixels 1101. The clock generation circuit 1120 supplies the clock signal 1121 not only to the binary counter 1104 but also to the column counter 1208 in the column A / D conversion circuit 1106. The binary value output from the binary counter 1104 is input to a D / A conversion circuit (DAC) 1105, and the DAC 1105 generates an analog ramp voltage (triangular wave) 1122 according to the input binary value. The analog ramp voltage 1122 is input to the comparator 1107 as a reference potential. A pixel signal is input from the pixel 1101 through the readout signal line 1103 to the other input of the comparator 1107.

図17に示す第2の従来例に係るMOSセンサでは、カラムA/D変換回路アレーに供給される信号は、クロック生成回路1120で生成されたクロック信号1121だけである。   In the MOS sensor according to the second conventional example shown in FIG. 17, the only signal supplied to the column A / D conversion circuit array is the clock signal 1121 generated by the clock generation circuit 1120.

次に、第2の従来例に係るMOSセンサのA/D変換動作を説明する。   Next, the A / D conversion operation of the MOS sensor according to the second conventional example will be described.

まず、カラムA/D変換回路1106内のカラムカウンタ1208およびバイナリカウンタ1104を初期化信号(図示せず)により初期化し、DAC1105からアナログランプ電圧1122の初期値を比較器1107の一方の入力部に供給しておく。次に、選択した行の画素1101から画素信号を読み出し、比較器1107の他方の入力部に供給する。この状態で、バイナリカウンタ1104およびカラムカウンタ1208へのクロック信号1121の入力を開始することで、バイナリカウンタ1104がその初期値からカウントを開始する。すると、DAC1105もバイナリカウンタ1104の計数値に従ってアナログランプ電圧1122の生成を初期値から開始する。また、カラムA/D変換回路1106内のカラムカウンタ1208も、入力されるクロック信号1121の計数を開始する。   First, the column counter 1208 and the binary counter 1104 in the column A / D conversion circuit 1106 are initialized by an initialization signal (not shown), and the initial value of the analog ramp voltage 1122 is input from the DAC 1105 to one input unit of the comparator 1107. Keep supplying. Next, a pixel signal is read from the pixels 1101 in the selected row and supplied to the other input portion of the comparator 1107. In this state, by starting input of the clock signal 1121 to the binary counter 1104 and the column counter 1208, the binary counter 1104 starts counting from its initial value. Then, the DAC 1105 also starts generating the analog ramp voltage 1122 from the initial value according to the count value of the binary counter 1104. The column counter 1208 in the column A / D conversion circuit 1106 also starts counting the input clock signal 1121.

次いで、ある列の比較器1107に入力される2つの信号の大小関係が入れ替わり、その比較器1107の出力信号が反転すると、その列のカラムカウンタ1208に入力されるクロック信号1121がマスクされ、カラムカウンタ1208はその時点での計数値を保持する。アナログランプ電圧1122とカラムカウンタ1208の計数値とはクロック信号1121により互いに同期しているので、以上の動作により、画素からの読み出し信号(アナログ信号)がデジタルメモリに保持された値(デジタル信号)にA/D変換されることとなる。   Next, when the magnitude relationship between the two signals input to the comparator 1107 in a certain column is switched and the output signal of the comparator 1107 is inverted, the clock signal 1121 input to the column counter 1208 in that column is masked, and the column The counter 1208 holds the count value at that time. Since the analog ramp voltage 1122 and the count value of the column counter 1208 are synchronized with each other by the clock signal 1121, the value (digital signal) in which the readout signal (analog signal) from the pixel is held in the digital memory by the above operation. A / D conversion is performed.

以上で説明した2つのA/D変換方式は、カラムA/D変換方式の中でも、特にランプ型A/D変換(Ramp Run-up ADC)と呼ばれる種類のもので、A/D変換一般の方式分類によると、いずれもカウンティングADC(計数型A/D変換)と呼ばれる種類のものである。参照電位として三角波を用いることは、画素からのアナログ信号電位を時間の長さに変換するのと等価であり、さらに固定周波数のクロック信号を用いて時間の長さを計ることでA/D変換を実現するため、この名称がある。   The two A / D conversion methods described above are of a type called a ramp type A / D conversion (Ramp Run-up ADC) among column A / D conversion methods, and are generally used for A / D conversion. According to the classification, all are of a kind called counting ADC (counting A / D conversion). Using a triangular wave as a reference potential is equivalent to converting an analog signal potential from a pixel into a length of time, and A / D conversion is performed by measuring the length of time using a fixed frequency clock signal. There is this name to realize.

例えば、10bitのA/D変換であれば、画素からの信号とDACで生成される参照電位(アナログランプ電圧)との比較を行うとき、10bitの階調数分(すなわち1024回)カウントする必要がある。画素からの信号が1つだけであれば、その信号電位と参照電位の大小関係が反転した段階でA/D変換が完了し、以後の比較動作は不要となるが、MOS型センサに搭載する場合のように、たとえば1行分の画素を並列でA/D変換する場合、すべての画素で変換が完了しているかどうかを通常の構成では確認できないので、いずれにせよ1024回の比較動作が必要となる。   For example, in the case of 10-bit A / D conversion, when comparing a signal from a pixel with a reference potential (analog ramp voltage) generated by a DAC, it is necessary to count the number of gradations of 10 bits (that is, 1024 times). There is. If there is only one signal from the pixel, A / D conversion is completed at the stage where the magnitude relationship between the signal potential and the reference potential is inverted, and the subsequent comparison operation becomes unnecessary, but it is mounted on the MOS type sensor. As in the case, for example, when A / D conversion is performed on pixels for one row in parallel, it is not possible to confirm whether conversion has been completed for all the pixels with a normal configuration. Necessary.

ここで、具体的製品の例として、携帯電話のカメラを考えてみる。携帯電話でもMegaクラスの画素数が普通となってきており、たとえば500万画素、フレームレートが15frame/secというスペックが必要である。   Here, consider a mobile phone camera as an example of a specific product. The number of Mega class pixels has become common even in mobile phones. For example, specifications of 5 million pixels and a frame rate of 15 frames / sec are required.

説明を容易にするため、500万画素の画素アレーの縦横比を2000行×2500列として、さらに単純化のためにブランキング期間がないものとすると、1行の読み出し期間は、
15frame/sec×2000行/frame=30Kline/sec
となる。つまり、1行の読み出しレートは30KHzとなる。
For ease of explanation, assuming that the aspect ratio of a pixel array of 5 million pixels is 2000 rows × 2500 columns and there is no blanking period for further simplification, the readout period of one row is
15frame / sec × 2000 lines / frame = 30Kline / sec
It becomes. That is, the readout rate for one row is 30 KHz.

この製品に「ランプ型A/D変換」を適用する場合、10bitA/D変換であれば、1行の読み出し時間にその階調数210=1024回の比較をする必要があり、1行の読み出しレートの約千倍、30MHz程度でデジタルメモリに出力するカウンタの計数値を変える必要がある。 When "lamp type A / D conversion" is applied to this product, if it is 10 bit A / D conversion, it is necessary to compare the number of gradations 2 10 = 1024 times during the readout time of one row. It is necessary to change the count value of the counter to be output to the digital memory at about 1000 times the read rate and about 30 MHz.

この計算では、A/D変換回路が画素からデータを受け取るまでの待機期間やA/D変換結果の出力メモリへの転送期間、すなわちA/D変換としての比較動作ができない期間を考慮しておらず、また、上記画素数以外にOB(Optical Black)画素期間やブランキング期間を除いているため、実際には、この見積り周波数よりも高い周波数(たとえば50MHz程度)になる。
特開2005−347931号公報(第2図) USP5,877,715 特開2005−323331号公報
In this calculation, a standby period until the A / D conversion circuit receives data from the pixel and a transfer period of the A / D conversion result to the output memory, that is, a period during which comparison operation as A / D conversion cannot be performed are taken into consideration. In addition, since the OB (Optical Black) pixel period and the blanking period are excluded in addition to the number of pixels, the frequency actually becomes higher than the estimated frequency (for example, about 50 MHz).
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-347931 (FIG. 2) USP 5,877,715 JP 2005-323331 A

ランプ型A/D変換に限らず、1行分の画素を同時に変換するカラム型のA/D変換では、A/D変換レートは以下の式で決まる。   Not only the ramp type A / D conversion but also the column type A / D conversion in which pixels for one row are converted simultaneously, the A / D conversion rate is determined by the following equation.

変換レート =(フレームレート)×(1フレームの行数)
ここで、「1フレームの行数」とは、実際に有効な画素を読み出す期間だけでなく、OB画素からの信号を読み出す期間やブランキング期間も含むものとする。
Conversion rate = (frame rate) x (number of lines in one frame)
Here, the “number of rows in one frame” includes not only a period for reading an effective pixel but also a period for reading a signal from an OB pixel and a blanking period.

1フレームの行数は画素数のほぼ平方根に相当するが、近年、ディジタルスチルカメラ(DSC)の分野での画素数増大が激しいのはよく知られているところである。また、DSCでも動画撮影などのニーズが強まっており、画素数もフレームレートも高まる傾向にある。したがって上式から、カラム型A/D変換の変換レートも高まる傾向にあるといえる。   Although the number of rows in one frame corresponds to approximately the square root of the number of pixels, it is well known that the number of pixels in the field of digital still cameras (DSC) has increased dramatically in recent years. In addition, DSC has a growing need for moving image shooting, and the number of pixels and the frame rate tend to increase. Therefore, it can be said from the above formula that the conversion rate of the column type A / D conversion tends to increase.

さて、ランプ型A/D変換回路などのカラム型で且つ計数型のA/D変換回路における単位時間あたりの比較回数(すなわちデジタルメモリに分配するカウンタ値の変化の回数。以後、比較周波数と称す)は、A/D変換の階調数や上記変換レートと以下のような関係にある。   Now, the number of comparisons per unit time in a column-type and count-type A / D conversion circuit such as a ramp-type A / D conversion circuit (that is, the number of changes in the counter value distributed to the digital memory, hereinafter referred to as comparison frequency). ) Has the following relationship with the number of gradations of A / D conversion and the conversion rate.

比較周波数 = (階調数)/[{1/(変換レート)}−υ]
階調数 = 2(変換ビット幅)
ここでυは、A/D変換としての比較動作ができない期間である。υをゼロと近似すると、単に
比較周波数 = (階調数)×(変換レート)
となる。つまり、ランプ型A/D変換回路には、変換ビット幅が1ビット増えるだけで、変換のための比較周波数が2倍に増えるという特徴があることがわかる。
Comparison frequency = (number of gradations) / [{1 / (conversion rate)} − υ]
Number of gradations = 2 (conversion bit width)
Here, υ is a period during which comparison operation as A / D conversion is not possible. When υ is approximated to zero, simply comparison frequency = (number of gradations) x (conversion rate)
It becomes. That is, it can be seen that the ramp type A / D conversion circuit has a feature that the comparison frequency for conversion is doubled only by increasing the conversion bit width by one bit.

例えば、先に述べた500万画素のイメージセンサにおけるA/D変換の比較周波数への影響は、10bitのA/D変換ビット幅を11bitに増やす場合と、500万画素を4倍の2000万画素に増やす場合とで同じであることがわかる。   For example, the influence on the comparison frequency of A / D conversion in the image sensor of 5 million pixels described above is that the 10-bit A / D conversion bit width is increased to 11 bits, and 5 million pixels is quadrupled 20 million pixels. It can be seen that this is the same as when the number is increased.

しかしながら、画質の向上という観点から、A/D変換の変換精度も求められるようになってきており、ビット幅として14bitや16bitという潜在ニーズも出てきている。   However, from the viewpoint of improving the image quality, the conversion accuracy of A / D conversion is also required, and there is a potential need of 14 bits or 16 bits as a bit width.

A/D変換のビット幅が14bitの場合、先に説明した500万画素のデジタルメモリに出力するカウンタの周波数はビット幅が10bitの時の16倍の800MHzとなり、16bitの場合には、ビット幅が10bitの時の64倍の3.2GHzにもなるため、デジタルメモリ部へのカウンタ計数値信号の分配に不具合を生じる。   When the bit width of A / D conversion is 14 bits, the frequency of the counter output to the digital memory of 5 million pixels described above is 800 MHz which is 16 times the bit width of 10 bits, and in the case of 16 bits, the bit width Is 3.2 GHz, which is 64 times that of 10 bits, which causes a problem in the distribution of the counter count value signal to the digital memory unit.

具体的には以下の不具合が発生する。
(1) チップ内であっても、特にGHzオーダーのクロックは、その発生が極めて困難である。
(2) 仮にクロックを発生することができても、1行の画素数分の回路が配線負荷となり、かつ配線が長く寄生RCが大きいため、デジタルメモリの全領域で正しく駆動するのは困難である。
(3)クロックドライバの能力強化、デジタルメモリの両側からの駆動、リピーターの挿入などの対策も考えられるが、何とか動作可能な駆動波形を得ることができたとしても、消費電力が大幅に増大するため、解決手段として適切でない。また複数列毎に1個のリピーターを入れる方法だと、その周期でのノイズが画像に発生することが懸念される。また全列にリピーターを入れるのは、消費電力のさらなる増大とチップ面積の増大に加えて、リピーターによるクロックの遅延が大きくなり、ランプ型A/D変換回路の本来の動作ができなくなる懸念もある。
Specifically, the following problems occur.
(1) Even in a chip, it is extremely difficult to generate a clock in the GHz order.
(2) Even if a clock can be generated, a circuit for the number of pixels in one row becomes a wiring load, and the wiring is long and the parasitic RC is large, so that it is difficult to drive correctly in the entire area of the digital memory. is there.
(3) Although measures such as enhancement of the clock driver capability, driving from both sides of the digital memory, and insertion of a repeater can be considered, even if a drive waveform capable of operating is managed, the power consumption increases significantly. Therefore, it is not appropriate as a solution. In addition, when one repeater is inserted for each of a plurality of columns, there is a concern that noise in that cycle is generated in the image. In addition, repeaters are added to all the columns. In addition to further increase in power consumption and chip area, there is a concern that the delay of the clock due to the repeater becomes large and the original operation of the ramp type A / D converter circuit cannot be performed. .

以下では、特に上記(2)の不具合について詳述する。ランプ型A/D変換回路は、1列、または複数の画素列に1つ設けるのが普通である。したがって、例えば1列毎にランプ型A/D変換回路を備える場合、デジタルメモリの各ビットに供給すべきクロック信号は、1行の画素数(上述した500万画素の場合、2500列)分のデジタルメモリをその負荷とすることになる。また、配線の長さは画素数だけでなく画素の大きさにも依存するが、いわゆる大判と呼ばれるイメージセンサの場合、35mmフィルムサイズ相当の撮像面を持つので、配線の長さはフィルムの横の長さである36mmにもなり、従って、寄生RCも相当な大きさとなる。   In the following, the problem (2) above will be described in detail. Normally, one lamp type A / D conversion circuit is provided for one column or a plurality of pixel columns. Therefore, for example, when a ramp-type A / D conversion circuit is provided for each column, the clock signal to be supplied to each bit of the digital memory is equivalent to the number of pixels in one row (2,500 columns in the case of 5 million pixels described above). Digital memory is the load. Although the length of the wiring depends not only on the number of pixels but also on the size of the pixel, an image sensor called a large format has an imaging surface equivalent to a 35 mm film size. Therefore, the parasitic RC is also considerably large.

図18(a)は、例えば図16に示す第1の従来例と同タイプのMOSセンサのデジタルメモリに供給されるクロック信号とデジタルメモリの位置の関係を概略的に示す図であり、(b)は、クロック周波数がfである場合の(a)における点Aと点Cでのクロック波形を示す図であり、(c)は、クロック周波数が2fである場合の(a)における点Aと点Cでのクロック波形を示す図である。なお、ここで示すMOSセンサは、バイナリ→グレイコード変換器1115は設けられていないものとする。   FIG. 18A is a diagram schematically showing the relationship between the clock signal supplied to the digital memory of the MOS sensor of the same type as the first conventional example shown in FIG. 16 and the position of the digital memory, for example. ) Is a diagram showing clock waveforms at point A and point C in (a) when the clock frequency is f, and (c) is point A and point A in (a) when the clock frequency is 2f. FIG. 6 is a diagram showing a clock waveform at a point C. Note that the MOS sensor shown here is not provided with the binary → Gray code converter 1115.

図18(a)に示すように、クロック生成回路1120(あるいはバイナリ→グレイコード変換器1115)から点A、点B、点Cと離れるに従って、クロック波形は寄生RC成分により鈍ってゆく。このような場合、図18(b)、(c)に示すように、点Aではいずれの周波数でも問題は生じないが、点CではRC負荷が大きくなるため、立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに大きく延びる。このため、周波数2fでは特にクロック信号がフルスイングすることができず、信号振幅が小さくなっている。このように、変換精度を高めるために周波数を上げる程、クロック信号の供給源からの距離が長い列でのA/D変換動作に不具合が生じる可能性が高くなってしまう。   As shown in FIG. 18A, the clock waveform becomes dull due to the parasitic RC component as it moves away from the clock generation circuit 1120 (or binary → Gray code converter 1115) from point A, point B, and point C. In such a case, as shown in FIGS. 18 (b) and 18 (c), there is no problem at point A at any frequency, but at point C, the RC load increases, so both the rise time and fall time are large. Extend. For this reason, especially at the frequency 2f, the clock signal cannot fully swing, and the signal amplitude is small. Thus, as the frequency is increased in order to increase the conversion accuracy, there is a higher possibility that a problem occurs in the A / D conversion operation in a column having a long distance from the clock signal supply source.

図16に示す第1の従来例では、最下位ビットをグレイコード表現とし、それ以外のビットをバイナリ表現とすることで、バイナリ表現のみを用いる場合に比べて必要とされるスイッチングレート(周波数)を半分にすることができる。   In the first conventional example shown in FIG. 16, the least significant bit is represented by a Gray code representation, and the other bits are represented by a binary representation, so that the switching rate (frequency) required compared to the case where only the binary representation is used. Can be halved.

しかしながら、これだけでは、14bitでのクロック周波数が400MHz、16bitでの周波数が1.6GHzになるだけであり、難易度が幾分下がったとはいえ、上で述べた3つの課題は残ったままである。   However, with this alone, the clock frequency at 14 bits is only 400 MHz and the frequency at 16 bits is 1.6 GHz, and the difficulty is somewhat lowered, but the above three problems remain.

本発明の目的は、画素数やフレームレート、および変換ビット幅などが増加しても高画質で高速処理が可能な固体撮像装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of high-speed and high-speed processing even when the number of pixels, the frame rate, the conversion bit width, and the like are increased.

上記の課題を解決するため、本願発明者らは、種々の検討を重ね、各A/D変換回路内にラッチを設け、当該ラッチにクロック信号、あるいはクロック信号をグレイコードや位相シフトコードに変換したものの値を保持させることで、A/D変換値の下位ビットを表現させることに想到した。これにより、クロック信号の最大周波数を上げることなく、変換時間も変えずにA/D変換値のビット幅を増やすことが可能となる。あるいは、A/D変換値のビット幅を増やさない場合には、クロック信号の最大周波数を下げることができる。特に、ラッチに保持させる値をグレイコード表現や位相シフトコード表現にする場合には、ハミング距離を常に最小の1にすることができ、ビット間にスキューがあってもサンプリング誤差の影響を最小に抑えることができる。また、計数値による消費電流の変化が小さいので、ノイズの発生を抑制することができ、バイナリコードを用いる場合に比べて消費電力の低減も図ることができる。特に、位相シフトコードを用いれば、クロック信号の周波数と処理時間を同じにした場合にビット精度を高めることができる。   In order to solve the above problems, the inventors of the present application have made various studies, provided a latch in each A / D conversion circuit, and converted the clock signal or the clock signal into a gray code or a phase shift code in the latch. It was conceived that the lower bits of the A / D conversion value were expressed by holding the value of the A / D conversion value. As a result, the bit width of the A / D conversion value can be increased without increasing the maximum frequency of the clock signal and without changing the conversion time. Alternatively, when the bit width of the A / D conversion value is not increased, the maximum frequency of the clock signal can be lowered. In particular, when the value held in the latch is expressed as a Gray code expression or a phase shift code expression, the Hamming distance can always be set to the minimum 1, and even if there is a skew between bits, the influence of the sampling error is minimized. Can be suppressed. In addition, since the change in current consumption due to the count value is small, the generation of noise can be suppressed, and the power consumption can be reduced as compared with the case where binary code is used. In particular, if the phase shift code is used, the bit accuracy can be improved when the frequency of the clock signal is the same as the processing time.

すなわち、本発明の物理量検知装置は、物理量を検知する感応素子が行列状に配置されてなる感応素子アレーと、前記感応素子の1列、または複数列ごとに設けられ、各列の前記感応素子から出力される信号をデジタル信号に変換するためのカラムA/D変換回路と、各列の前記カラムA/D変換回路から出力されるデジタル信号を伝送する出力信号バスと、前記カラムA/D変換回路にカウンタ用クロック信号とラッチ用クロック信号とを供給するクロック生成回路と、三角波を出力するD/Aコンバータとを備えた物理量検知装置であって、前記各カラムA/D変換回路は、所定の期間に前記感応素子から出力される前記信号と前記三角波の電位とを比較する比較器と、前記カウンタ用クロック信号のパルスをカウントするとともに、前記比較器の出力が変化する時点での計数値を保持するカラムカウンタと、前記ラッチ用クロック信号を受け、前記比較器からの出力が変化する時点での前記ラッチ用クロック信号の値を保持する1個または複数個のラッチを有し、前記カラムカウンタの計数値と前記ラッチが保持する値とを組み合わせて表現されるA/D変換値に応じた大きさの前記デジタル信号を前記出力信号バスに出力する。   That is, the physical quantity detection device of the present invention is provided with a sensitive element array in which sensitive elements for detecting a physical quantity are arranged in a matrix, and one or more rows of the sensitive elements, and the sensitive elements in each row. A column A / D conversion circuit for converting a signal output from the digital signal into a digital signal, an output signal bus for transmitting a digital signal output from the column A / D conversion circuit in each column, and the column A / D A physical quantity detection device comprising a clock generation circuit that supplies a counter clock signal and a latch clock signal to a conversion circuit, and a D / A converter that outputs a triangular wave, wherein each column A / D conversion circuit includes: A comparator that compares the signal output from the sensitive element and the potential of the triangular wave during a predetermined period, and counts the pulses of the counter clock signal; A column counter that holds a count value at the time when the output of the comparator changes, and a latch clock signal that receives the latch clock signal and holds the value of the latch clock signal at the time when the output from the comparator changes 1 The digital signal having a size corresponding to an A / D conversion value expressed by combining a count value of the column counter and a value held by the latch is provided to the output signal bus. Output.

この構成により、ラッチにA/D変換値の一部のビット(特に下位ビット)を保持させることができる。これにより、カラムカウンタに供給するカウンタ用クロック信号の最大周波数を低減することができる。また、同じ周波数で処理時間を同じとした場合には、従来の物理量検知装置に比べてビット精度を大きく向上させることが可能となる。ラッチに保持させるラッチ用クロック信号はバイナリコード、グレイコード、位相シフトコードなどで表現されていてもよいが、特にグレイコードや位相シフトコードを用いることが好ましい。中でも、位相シフトコードを用いるとカウンタ用クロック信号およびラッチ用クロック信号の周波数を変えることなくA/D変換のビット精度を大きく向上させることが可能となるので、より好ましい。   With this configuration, a part of bits (particularly, lower bits) of the A / D conversion value can be held in the latch. Thereby, the maximum frequency of the counter clock signal supplied to the column counter can be reduced. Further, when the processing time is the same at the same frequency, the bit accuracy can be greatly improved as compared with the conventional physical quantity detection device. The latch clock signal held in the latch may be expressed by a binary code, a gray code, a phase shift code, or the like, but it is particularly preferable to use a gray code or a phase shift code. Among these, the use of a phase shift code is more preferable because it can greatly improve the bit accuracy of A / D conversion without changing the frequencies of the counter clock signal and the latch clock signal.

また、本発明の物理量検知装置の駆動方法は、物理量を検知する感応素子が行列状に配置されてなる感応素子アレーと、前記感応素子の1列、または複数列ごとに設けられ、各々が比較器と、カラムカウンタと、1個または複数個のラッチとを有し、各列の前記感応素子から出力される信号をデジタル信号に変換するためのカラムA/D変換回路と、各列の前記カラムA/D変換回路から出力されるデジタル信号を伝送する出力信号バスと、前記カラムA/D変換回路にカウンタ用クロック信号とs個のラッチ用クロック信号とを供給するクロック生成回路と、三角波を出力するD/Aコンバータとを備えた物理量検知装置の駆動方法であって、前記比較器が、前記感応素子から読み出された信号の電位と前記三角波の電位とを所定の期間に比較するステップ(a)と、前記比較器による比較開始時から、前記カラムカウンタが前記カウンタ用クロック信号のパルスをカウントするステップ(b)と、前記ステップ(b)の後、前記比較器からの出力が変化する時点で前記カラムカウンタに入力される前記カウンタ用クロック信号がマスクされ、前記カウンタ部の計数値を保持するステップ(c)と、前記ステップ(b)の後、前記比較器からの出力が変化する時点でのs個の前記ラッチ用クロック信号のそれぞれの電位を前記ラッチが保持するステップ(d)と、前記ステップ(d)で前記ラッチが保持する値を下位mビットとし、前記ステップ(c)で保持された前記カラムカウンタの計数値と組み合わせて表現される値をもとにして、所定の電圧のデジタル信号を前記カラムA/D変換回路が前記出力信号バスに出力するステップ(e)とを備えている。   Further, the driving method of the physical quantity detection device of the present invention is provided with a sensitive element array in which sensitive elements for detecting a physical quantity are arranged in a matrix, and for each of the sensitive elements, or for each of a plurality of lines, and each of them is compared. A column A / D conversion circuit for converting a signal output from the sensitive element of each column into a digital signal, and a column A / D conversion circuit having a counter, a column counter, and one or a plurality of latches; An output signal bus for transmitting a digital signal output from the column A / D conversion circuit, a clock generation circuit for supplying a counter clock signal and s latch clock signals to the column A / D conversion circuit, and a triangular wave A D / A converter that outputs a D / A converter, wherein the comparator has a signal potential read from the sensitive element and a potential of the triangular wave in a predetermined period. A comparison step (a), a step (b) in which the column counter counts pulses of the counter clock signal from the start of comparison by the comparator, and a step from the comparator after the step (b). The counter clock signal input to the column counter at the time when the output changes is masked, and the step (c) for holding the count value of the counter unit, and after the step (b), from the comparator The latch holds the potential of each of the s latch clock signals at the time when the output changes, and the value held by the latch in the step (d) is the lower m bits, Based on the value expressed in combination with the count value of the column counter held in step (c), a digital signal of a predetermined voltage is applied to the column. / D conversion circuit and a step (e) to be output to the output signal bus.

この方法によれば、カラムカウンタに保持された計数値とラッチに保持されたラッチ用クロック信号(あるいは位相シフトコードやグレイコードなどに変換されたラッチ用クロック信号)の値とを組み合わせて感応素子から読み出した信号のA/D変換を行うので、A/D変換のビット精度を維持したままクロック信号の周波数を低減することが可能になる。また、クロック信号の周波数を所定値に維持したままビット精度を向上させることができる。   According to this method, the count value held in the column counter and the value of the latch clock signal held in the latch (or the latch clock signal converted into a phase shift code, gray code, etc.) are combined to provide a sensitive element. Since the A / D conversion of the signal read from the A / D converter is performed, the frequency of the clock signal can be reduced while maintaining the bit accuracy of the A / D conversion. In addition, the bit accuracy can be improved while maintaining the frequency of the clock signal at a predetermined value.

ランプ波参照方式のカラムA/D変換回路のそれぞれに、A/D変換の下位ビットを保持するラッチを設けることで、カウンタ用クロック信号の周波数を上げることなく、同じA/D変換時間で、A/D変換の分解能を向上させることが可能となる。   By providing a latch that holds the lower bits of A / D conversion in each of the column A / D conversion circuits of the ramp wave reference method, the same A / D conversion time can be obtained without increasing the frequency of the counter clock signal. It becomes possible to improve the resolution of A / D conversion.

これにより、画質向上のため変換ビット幅や画素数を増やす場合、あるいは、高速化のためにフレームレートを上げる場合にも、カウンタ用クロック信号の波形なまり等による不具合の発生を抑えることができる。   Thereby, even when the conversion bit width and the number of pixels are increased for improving the image quality, or when the frame rate is increased for increasing the speed, it is possible to suppress the occurrence of problems due to the waveform rounding of the counter clock signal.

以下では、図面を参照して本発明の各実施形態として二次元アレータイプのMOSセンサについて説明する。ただし、これは一例であって、本発明に係る構成あるいは駆動方法は、光や放射線など、外部から入力される電磁波に対して感応する単位構成要素をライン状もしくは行列状に複数個配置してなる物理量分布検知用の半導体装置に広く適用できる。   Hereinafter, a two-dimensional array type MOS sensor will be described as each embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, this is merely an example, and the configuration or driving method according to the present invention includes a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from the outside, such as light and radiation, arranged in a line or a matrix. The present invention is widely applicable to semiconductor devices for physical quantity distribution detection.

以下、第1および第2の実施形態の固体撮像装置では、画素からの読み出した信号レベルから同じく画素から読み出したリセットレベルをオフセットとして差し引く、いわゆるCDS(相関二重サンプリング)動作をS/H(サンプルホールド)容量などを用いてアナログ領域で行うのが普通であるが、本発明のポイントには直接関係しないので、説明をシンプルにするために省略している。   Hereinafter, in the solid-state imaging devices according to the first and second embodiments, a so-called CDS (correlated double sampling) operation in which the reset level read from the pixel is subtracted as an offset from the signal level read from the pixel as S / H ( Usually, it is performed in the analog region using a sample hold capacitor, etc., but since it is not directly related to the point of the present invention, it is omitted for the sake of simplicity.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置(MOSセンサ)の構成を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a solid-state imaging device (MOS sensor) according to the first embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態のMOSセンサは、画素(感応素子)101が行列状に配置されてなる画素アレー(感応素子アレー)102と、画素101の1列、または複数列ごとに設けられ、画素101から出力される信号をデジタル信号に変換するためのカラムA/D変換回路106と、カラムA/D変換回路106で変換、保持されたデジタル信号の出力制御を行う列走査手段(図示せず)と、カラムA/D変換回路106から出力されるデジタル信号を伝送する出力信号バス126、127と、クロック信号(カウンタ用クロック信号およびラッチ用クロック信号)を供給するクロック生成回路120と、バイナリカウンタ104と、D/A変換回路(DAC;参照電位発生回路)105と、入力部に出力信号バス126、127が接続される出力バッファ109とを備えている。ここで、画素とは、少なくともフォトダイオードやフォトゲートなどの光感応素子を含み、光電変換により生じた信号を読み出すためのデバイス構造や、初期化動作を可能とする構造が必要に応じて設けられた単位素子のことである。なお、図1は、列ごとにカラムA/D変換回路106が設けられている例を示している。   As shown in the figure, the MOS sensor of this embodiment includes a pixel array (sensitive element array) 102 in which pixels (sensitive elements) 101 are arranged in a matrix, and one column or a plurality of columns of pixels 101. A column A / D conversion circuit 106 that is provided and converts a signal output from the pixel 101 into a digital signal, and a column scanning unit that performs output control of the digital signal converted and held by the column A / D conversion circuit 106 (Not shown), output signal buses 126 and 127 for transmitting digital signals output from the column A / D conversion circuit 106, and a clock generation circuit for supplying clock signals (counter clock signal and latch clock signal) 120, a binary counter 104, a D / A conversion circuit (DAC; reference potential generation circuit) 105, and output signal buses 126, 127 at input portions. And an output buffer 109 connected. Here, a pixel includes at least a photosensitive element such as a photodiode or a photogate, and a device structure for reading a signal generated by photoelectric conversion and a structure that enables an initialization operation are provided as necessary. It is a unit element. FIG. 1 shows an example in which a column A / D conversion circuit 106 is provided for each column.

各カラムA/D変換回路106は、比較器107と、ラッチ308と、カラムカウンタ208とを有している。   Each column A / D conversion circuit 106 includes a comparator 107, a latch 308, and a column counter 208.

クロック生成回路120は、クロック信号121をバイナリカウンタ104、カラムカウンタ208、およびラッチ308に供給する。バイナリカウンタ104はバイナリ値をDAC105に供給し、DAC105は、入力されたバイナリ値に従ってアナログランプ電圧(三角波)122を生成する。このアナログランプ電圧122は参照電位として比較器107に入力される。比較器107のもう一方の入力には、画素101から読み出し信号線103を介して読み出された画素信号が入力され、比較器107からの出力はカラムカウンタ208とラッチ308に入力される。   The clock generation circuit 120 supplies the clock signal 121 to the binary counter 104, the column counter 208, and the latch 308. The binary counter 104 supplies a binary value to the DAC 105, and the DAC 105 generates an analog ramp voltage (triangular wave) 122 according to the input binary value. The analog ramp voltage 122 is input to the comparator 107 as a reference potential. A pixel signal read from the pixel 101 via the read signal line 103 is input to the other input of the comparator 107, and an output from the comparator 107 is input to the column counter 208 and the latch 308.

本実施形態のMOSセンサは、カラムA/D変換回路106内にカラムカウンタ208が設けられている点は図17に示すMOSセンサと同じであるが、比較器107からの信号出力を受けてデジタル値を確定する機構として、カラムカウンタ208に加えてラッチ308が設けられている点が当該従来のMOSセンサと異なっている。   The MOS sensor of this embodiment is the same as the MOS sensor shown in FIG. 17 in that a column counter 208 is provided in the column A / D conversion circuit 106. However, it receives a signal output from the comparator 107 and receives a digital signal. The mechanism for determining the value is different from the conventional MOS sensor in that a latch 308 is provided in addition to the column counter 208.

次に、本実施形態のMOSセンサにおけるA/D変換動作を説明する。   Next, an A / D conversion operation in the MOS sensor of this embodiment will be described.

まず、カラムA/D変換回路106内のカラムカウンタ208およびバイナリカウンタ104を初期化信号(図示せず)により初期化し、DAC105からアナログランプ電圧122の初期値を比較器107の一方の入力部に供給しておく。次いで、選択した行の画素101から画素信号を読み出し、比較器107の他方の入力部に当該画素信号を供給する。この状態で、クロック生成回路120からのクロック信号121の入力を開始することで、バイナリカウンタ104がその初期値からカウントを開始する。すると、DAC105もバイナリカウンタ104の計数値に従ってアナログランプ電圧122の生成をその初期値から開始する。また、これと同時にカラムA/D変換回路106内のカラムカウンタ208も、入力されるクロック信号(カウンタ用クロック信号)121の計数を開始する。   First, the column counter 208 and the binary counter 104 in the column A / D conversion circuit 106 are initialized by an initialization signal (not shown), and the initial value of the analog ramp voltage 122 is supplied from the DAC 105 to one input unit of the comparator 107. Keep supplying. Next, a pixel signal is read from the pixels 101 in the selected row, and the pixel signal is supplied to the other input unit of the comparator 107. In this state, when the input of the clock signal 121 from the clock generation circuit 120 is started, the binary counter 104 starts counting from the initial value. Then, the DAC 105 also starts generating the analog ramp voltage 122 from its initial value according to the count value of the binary counter 104. At the same time, the column counter 208 in the column A / D conversion circuit 106 also starts counting the input clock signal (counter clock signal) 121.

次いで、ある列の比較器107に入力される2つの信号の大小関係が入れ替わると、比較器出力信号123が反転する。すると、当該列のカラムカウンタ208に入力されるクロック信号(カウンタ用クロック信号)121がマスクされ、これと同時にカラムカウンタ208の計数が止まり、カラムカウンタ208にその計数値が保持される。これと同じく、比較器出力信号123の反転により、ラッチ308は、カラムカウンタ208の計数停止と同じタイミングでクロック信号(ラッチ用クロック信号)121をデータとして保持する。アナログランプ電圧122とカラムカウンタ208の計数値はクロック信号121により同期しているので、以上の動作により、画素101からの読み出し信号(アナログ信号)がカラムカウンタ208およびラッチ308に保持された値(デジタル信号)にA/D変換されることとなる。なお、以上のA/D変換動作が全ての列の画素信号について各列の比較器出力信号123の反転タイミングの違いを除き、同時並行的に行われる。バイナリカウンタ104が所定のビット幅のカウントを終了した後、列走査手段(図示せず)によって列ごとにラッチ308からの出力とカラムカウンタ208からの出力とが同時に読み出され、出力バッファ109からA/D変換値が出力される。   Next, when the magnitude relationship between the two signals input to the comparator 107 in a certain column is switched, the comparator output signal 123 is inverted. Then, the clock signal (counter clock signal) 121 input to the column counter 208 of the column is masked, and at the same time, the column counter 208 stops counting and the column counter 208 holds the count value. Similarly, by the inversion of the comparator output signal 123, the latch 308 holds the clock signal (latch clock signal) 121 as data at the same timing as the counting stop of the column counter 208. Since the analog ramp voltage 122 and the count value of the column counter 208 are synchronized by the clock signal 121, the value (the analog signal) read out from the pixel 101 is held in the column counter 208 and the latch 308 by the above operation ( A / D conversion into a digital signal). The A / D conversion operation described above is performed in parallel for all pixel signals except for the difference in inversion timing of the comparator output signal 123 for each column. After the binary counter 104 finishes counting a predetermined bit width, an output from the latch 308 and an output from the column counter 208 are simultaneously read for each column by a column scanning unit (not shown), and the output buffer 109 An A / D conversion value is output.

次に、図2を用いて、カラムA/D変換回路106内にラッチ308を追加することで、どのような効果が得られるかを説明する。図2(a)は、第2の従来例に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路における動作波形を示す図であり、(b)は、本実施形態のMOSセンサのA/D変換回路における動作波形を示す図である。なお、各列の比較器107、1107ではそれぞれの列の画素信号を同時に比較するため、図2(a)、(b)では参考のため、比較器出力信号が反転した特定の列のカラムカウンタやラッチが保持する値をそのまま実線で示し、反転していない列での値の変化を破線で示す。   Next, the effect obtained by adding the latch 308 in the column A / D conversion circuit 106 will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a diagram showing operation waveforms in the column A / D conversion circuit of the MOS sensor according to the second conventional example, and FIG. 2B is a diagram in the A / D conversion circuit of the MOS sensor of this embodiment. It is a figure which shows an operation | movement waveform. Note that the comparators 107 and 1107 in each column simultaneously compare the pixel signals in the respective columns. In FIGS. 2A and 2B, for reference, the column counter in a specific column in which the comparator output signal is inverted. And the value held by the latch is shown as a solid line as it is, and the change of the value in the non-inverted column is shown as a broken line.

以下の説明では、カラムカウンタ208のビット幅をkビットとし、計数値をCount[k−1:0]とし、ラッチ308が保持、出力する値をLatch[0]と表記する。また、図2(b)には、クロック信号121、および比較器出力信号123の波形も記載している。カラムカウンタ208としては、例えばクロック信号121の立下りエッジで値が変化する構成を仮定する。また、比較器出力信号123について、画素信号とアナログランプ電圧122との大小関係が反転する前の信号はH、反転後の信号はLとする。   In the following description, the bit width of the column counter 208 is k bits, the count value is Count [k-1: 0], and the value held and output by the latch 308 is expressed as Latch [0]. FIG. 2B also shows the waveforms of the clock signal 121 and the comparator output signal 123. As the column counter 208, for example, a configuration in which the value changes at the falling edge of the clock signal 121 is assumed. As for the comparator output signal 123, the signal before the magnitude relationship between the pixel signal and the analog ramp voltage 122 is inverted is H, and the signal after the inversion is L.

図2(a)に示すように、第2の従来例に係るMOSセンサでは、比較器出力信号が反転した時点以降のカラムカウンタの計数値がA/D変換結果のデジタル値を表しており、Count[3:0]が二進数で「1010」という結果を得ていることが分かる(図2(a)に付した○印部分参照)。なお、下から5bit(bit4)以上の上位ビットは表記を省略している。   As shown in FIG. 2A, in the MOS sensor according to the second conventional example, the count value of the column counter after the time when the comparator output signal is inverted represents the digital value of the A / D conversion result, It can be seen that Count [3: 0] has a binary result of “1010” (see the circled portion attached to FIG. 2A). Note that the upper bits of 5 bits (bit 4) or more from the bottom are not shown.

一方、図2(b)に示すように、本実施形態のMOSセンサでも、比較器出力信号123が反転した時点以降のカラムカウンタ208の計数値およびラッチ308の出力値(保持値)がA/D変換結果のデジタル値を表す。ただし、従来のMOSセンサと異なり、同じ値のCount[3:0]に加えて、Latch[0]=1を得ており、同じ周波数、同じ時間で比べた場合、本実施形態のMOSセンサでは、クロック周波数を上げずに下位ビット側の精度を向上できていることが分かる。最下位ビットは上位ビットに比べて値の変動が激しいが、本実施形態のMOSセンサでは、下位ビットの精度を向上できるので、画素数やフレームレートを増加させてもA/D変換動作に不具合が生じず、画質の劣化を抑えることができる。なお、最下位ビットをラッチ308の出力だけで表現させる場合、カラムカウンタに供給される信号の最大周波数を第2の従来例のMOSセンサにおける最大周波数の半分にしつつ、A/D変換のビット幅を増やすことができる。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, also in the MOS sensor of this embodiment, the count value of the column counter 208 and the output value (holding value) of the latch 308 after the time when the comparator output signal 123 is inverted are A / Represents the digital value of the D conversion result. However, unlike the conventional MOS sensor, Latch [0] = 1 is obtained in addition to the same value of Count [3: 0]. When compared at the same frequency and the same time, the MOS sensor of this embodiment It can be seen that the accuracy on the lower bit side can be improved without increasing the clock frequency. Although the value of the least significant bit varies more rapidly than the most significant bit, the MOS sensor of this embodiment can improve the accuracy of the least significant bit, so even if the number of pixels or the frame rate is increased, the A / D conversion operation is defective. Does not occur and deterioration of image quality can be suppressed. When the least significant bit is expressed only by the output of the latch 308, the maximum frequency of the signal supplied to the column counter is half the maximum frequency in the MOS sensor of the second conventional example, and the bit width of the A / D conversion. Can be increased.

そもそも、従来のカラムカウンタ方式でA/D変換結果として得ることができるデータの最大周波数は、カラムカウンタに供給されるクロック信号の周波数の半分にしかならない。しかしながら、本実施形態のMOSセンサによれば、クロック信号をそのままデータとして扱い、ラッチ308に供給することで、A/D変換に要する時間を増やすことなく分解能の向上を図ることができる。   In the first place, the maximum frequency of data that can be obtained as an A / D conversion result by the conventional column counter method is only half the frequency of the clock signal supplied to the column counter. However, according to the MOS sensor of this embodiment, the clock signal is handled as data as it is and supplied to the latch 308, so that the resolution can be improved without increasing the time required for A / D conversion.

ここで、仮に、カラムカウンタ208の計数値がクロック信号121の立ち上がりエッジで変化する場合について検討する。   Here, let us consider a case where the count value of the column counter 208 changes at the rising edge of the clock signal 121.

図3(a)は、第2の従来例に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路における動作波形を示す図であり、(b)は、本実施形態のMOSセンサのカラムA/D変換回路における動作波形を示す図である。   FIG. 3A is a diagram showing operation waveforms in the column A / D conversion circuit of the MOS sensor according to the second conventional example, and FIG. 3B is a column A / D conversion circuit of the MOS sensor of this embodiment. It is a figure which shows the operation | movement waveform in.

第2の従来例に係るMOSセンサでは、図3(a)と図2(a)との比較から分かるように、クロック信号の立ち上がりエッジで計数値が変化する場合と立ち下がりエッジで計数値が変化する場合とでは、クロック信号が反転するだけでA/D変換結果への影響はない。   In the MOS sensor according to the second conventional example, as can be seen from the comparison between FIG. 3A and FIG. 2A, the count value changes at the rising edge and the falling edge of the clock signal. In the case of changing, only the clock signal is inverted, and there is no influence on the A / D conversion result.

これに対し、本実施形態のMOSセンサでは、図3(b)と図2(b)との比較から分かるように、クロック信号の立ち上がりエッジで計数値が変化する場合と立ち下がりエッジで計数値が変化する場合とでは、クロック信号が反転するだけでなく、Latch[0]のデータも反転する。このため、カラムカウンタ208がクロック信号121の立ち上がりエッジで変化する場合には、A/D変換結果の最下位ビットの1/0が、先の場合と逆になることがわかる。従って、この場合、図4に示すように、本実施形態のMOSセンサの構成に変更を加えればよい。   On the other hand, in the MOS sensor of this embodiment, as can be seen from the comparison between FIG. 3B and FIG. 2B, the count value changes at the rising edge of the clock signal and the count value at the falling edge. Is changed, not only the clock signal is inverted, but also the data of Latch [0] is inverted. Therefore, when the column counter 208 changes at the rising edge of the clock signal 121, 1/0 of the least significant bit of the A / D conversion result is reversed from the previous case. Therefore, in this case, as shown in FIG. 4, the configuration of the MOS sensor of this embodiment may be changed.

図4は、本実施形態のMOSセンサの変形例を示す図である。本変形例のMOSセンサは、破線で示したインバータ119をいずれか一方の箇所に挿入する以外は、図1に示す本実施形態のMOSセンサと同じ構成である。   FIG. 4 is a diagram showing a modification of the MOS sensor of this embodiment. The MOS sensor of the present modification has the same configuration as the MOS sensor of the present embodiment shown in FIG. 1 except that the inverter 119 indicated by a broken line is inserted into one of the locations.

図4に示すように、最下位ビットを示す値が反転するのを防ぐためには、インバータ119をクロック生成回路120とラッチ308との間に設ければよい。これにより、クロック信号121を反転させた信号(反転クロック信号141)がラッチ308に入力されるので、最下位ビットの反転は解消できる。   As shown in FIG. 4, an inverter 119 may be provided between the clock generation circuit 120 and the latch 308 in order to prevent the value indicating the least significant bit from being inverted. As a result, a signal (inverted clock signal 141) obtained by inverting the clock signal 121 is input to the latch 308, so that the inversion of the least significant bit can be eliminated.

あるいは、インバータ119をラッチ308からの信号読み出し経路である出力信号バス127上に挿入しても最下位ビットの反転は解消できる。これにより、カラムカウンタ208に供給するクロック信号とラッチに供給するクロック信号とを共用できるので、ラッチにクロック信号を供給するための信号線の本数を減らすことができる。また、いずれの場合も全ての列に対してインバータを1つ追加するだけであるので、面積の増加も小さく、製造も容易である。   Alternatively, even if the inverter 119 is inserted on the output signal bus 127 that is a signal reading path from the latch 308, the inversion of the least significant bit can be eliminated. Thus, since the clock signal supplied to the column counter 208 and the clock signal supplied to the latch can be shared, the number of signal lines for supplying the clock signal to the latch can be reduced. In either case, since only one inverter is added to all the columns, the increase in the area is small and the manufacture is easy.

なお、図1に示すすべての構成は同一の半導体基板上に形成することが可能であるため、A/D変換を固体撮像装置の外部で行うCCDセンサに比べて部品点数を減らし、撮像装置(カメラセットなど)のサイズを小さくすることができる。   Since all the structures shown in FIG. 1 can be formed on the same semiconductor substrate, the number of components is reduced compared to a CCD sensor that performs A / D conversion outside the solid-state imaging device, and the imaging device ( The size of the camera set etc. can be reduced.

(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係るMOSセンサの構成を示す図である。同図において、図1に示す第1の実施形態のMOSセンサと同じ機能、構成を有する回路・部材については説明を省略あるいは簡略化する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a MOS sensor according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the description of the circuits and members having the same functions and configurations as those of the MOS sensor of the first embodiment shown in FIG. 1 is omitted or simplified.

図5に示すように、本実施形態のMOSセンサは、画素アレー102から比較器107への接続は第1の実施形態のMOSセンサと同じである。ただし、各カラムA/D変換回路106は、比較器107およびカラムカウンタ208に加え、2m−1ビット・ラッチ408を有している点で第1の実施形態のカラムA/D変換回路と異なっている。カラムA/D変換回路106は、図5に示す例では列ごとに設けられている。 As shown in FIG. 5, the MOS sensor of this embodiment has the same connection from the pixel array 102 to the comparator 107 as the MOS sensor of the first embodiment. However, each column A / D conversion circuit 106 is different from the column A / D conversion circuit of the first embodiment in that it includes a 2 m−1 bit latch 408 in addition to the comparator 107 and the column counter 208. Is different. The column A / D conversion circuit 106 is provided for each column in the example shown in FIG.

また、本実施形態のMOSセンサは、クロック信号121を受けるπ/2m−1位相シフトコード生成回路112と、2m−1ビット・ラッチ408からの出力信号を伝達する出力信号バス128上に設けられた位相シフトコード/バイナリ変換器113とをさらに備えている。π/2m−1位相シフトコード生成回路112は、位相がπ/2m−1ずつずれたm個のクロック信号(ラッチ用クロック信号)を出力する。 In addition, the MOS sensor of the present embodiment has a π / 2 m−1 phase shift code generation circuit 112 that receives the clock signal 121 and an output signal bus 128 that transmits an output signal from the 2 m−1 bit latch 408. And a phase shift code / binary converter 113 provided. The π / 2 m-1 phase shift code generation circuit 112 outputs m clock signals (latch clock signals) whose phases are shifted by π / 2 m-1 .

クロック生成回路120はクロック信号121をバイナリカウンタ104に加えて、カラムA/D変換回路106内のカラムカウンタ208、および2m−1ビット・ラッチ408にも供給する。 The clock generation circuit 120 supplies the clock signal 121 to the binary counter 104 and also supplies it to the column counter 208 and the 2 m−1 bit latch 408 in the column A / D conversion circuit 106.

バイナリカウンタ104から出力されるバイナリ値はDAC105に入力され、DAC105は、入力されたバイナリ値に従ってアナログランプ電圧(三角波)122を生成する。このアナログランプ電圧122は参照電位として比較器107の入力部に入力される。比較器107のもう一方の入力部には、画素101から読み出し信号線103を介して読み出された画素信号が入力される。比較器107からの出力はカラムカウンタ208と2m−1ビット・ラッチ408とに入力される。 The binary value output from the binary counter 104 is input to the DAC 105, and the DAC 105 generates an analog ramp voltage (triangular wave) 122 according to the input binary value. The analog ramp voltage 122 is input to the input unit of the comparator 107 as a reference potential. A pixel signal read from the pixel 101 via the read signal line 103 is input to the other input unit of the comparator 107. The output from the comparator 107 is input to the column counter 208 and the 2 m−1 bit latch 408.

以上のように、本実施形態のMOSセンサの特徴は、位相シフトコードに変換された値が入力される2m−1ビット・ラッチ408と、2m−1ビット・ラッチ408からの出力信号をバイナリ値に戻す位相シフトコード/バイナリ変換器113とを備えていることにある。なお、本明細書において、「位相シフトコード」とは、値が1増減する場合にビットが1つだけ変化する二進数であって、値が増えるに従って下位ビットから上位ビットへとビットが1つずつ順次変化していくコードのことを意味する。すなわち、ビット幅をPとするときの位相シフトコードでは、「全ビットゼロ」→「最下位ビットのみ1」→「下位2ビットのみが11」、・・・と順次1が増え、全ビットが1になると、今度は最下位ビットのみ0、下位2ビットが00、と順次0が増え、全ビットがゼロで元に戻る。よって、位相シフトコードでは、計2P通りの区別ができる。例えば、P=4の場合の位相シフトコード表現は以下の通りである。 As described above, characteristics of the MOS sensor of this embodiment includes a 2 m-1 bit latch 408 converted value to the phase shift code is entered, the output signal from the 2 m-1 bit latches 408 And a phase shift code / binary converter 113 for returning to a binary value. In this specification, the “phase shift code” is a binary number in which only one bit changes when the value increases or decreases by one, and one bit from the lower bit to the upper bit as the value increases. It means a code that changes sequentially. That is, in the phase shift code when the bit width is P, “all bits zero” → “only the least significant bit is 1” → “only the lower 2 bits are 11”,. Then, only the least significant bit is 0, the lower 2 bits are 00, and 0 is sequentially increased. Therefore, a total of 2P distinctions can be made with the phase shift code. For example, the phase shift code expression when P = 4 is as follows.

0:0000
1:0001
2:0011
3:0111
4:1111
5:1110
6:1100
7:1000
8:0000
図6は、第2の実施形態に係るMOSセンサにおいて、A/D変換値の下位4ビット分を位相シフトコードに置き換えた場合の波形図である。同図から分かるように、π/2m−1位相シフトコード生成回路112は、クロック信号121と同一の周波数を持ち、π/2m−1ずつ位相がずれた信号を2m−1ビット・ラッチ408にそれぞれ供給する。図6では、下位4ビットをシフトコードで表現する例を示している。この場合、2m−1ビット・ラッチ408は少なくとも24−1=8個のラッチで構成されていることになる。
0: 0000
1: 0001
2: 0011
3: 0111
4: 1111
5: 1110
6: 1100
7: 1000
8: 0000
FIG. 6 is a waveform diagram when the lower 4 bits of the A / D conversion value are replaced with the phase shift code in the MOS sensor according to the second embodiment. As can be seen from the figure, the π / 2 m−1 phase shift code generation circuit 112 has a frequency that is the same as that of the clock signal 121 and outputs a signal shifted in phase by π / 2 m−1 by 2 m−1 bits. Each is supplied to a latch 408. FIG. 6 shows an example in which the lower 4 bits are expressed by a shift code. In this case, the 2 m-1 bit latch 408 is composed of at least 2 4-1 = 8 latches.

次に、本実施形態に係るMOSセンサのA/D変換動作を説明する。   Next, the A / D conversion operation of the MOS sensor according to this embodiment will be described.

まず、前もってカラムA/D変換回路106内のカラムカウンタ208、バイナリカウンタ104、およびπ/2m−1位相シフトコード生成回路112を初期化信号(図示せず)により初期化し、DAC105からアナログランプ電圧122の初期値を比較器107の一方の入力部に供給しておく。次いで、選択した行の画素101から画素信号を読み出し、比較器107の他方の入力部に当該画素信号を供給する。この状態で、クロック生成回路120からのクロック信号121の入力を開始することで、バイナリカウンタ104がその初期値からカウントを開始する。すると、DAC105もバイナリカウンタ104の計数値に従ってアナログランプ電圧122の生成を初期値から開始する。また、クロック信号(カウンタ用クロック信号)121の供給開始とともに、カラムA/D変換回路106内のカラムカウンタ208も、クロック信号121の計数を開始する。これと同時に、π/2m−1位相シフトコード生成回路112も位相シフトコードの生成を開始する。 First, the column counter 208, the binary counter 104, and the π / 2 m-1 phase shift code generation circuit 112 in the column A / D conversion circuit 106 are initialized with an initialization signal (not shown) in advance, and the analog ramp is output from the DAC 105. An initial value of the voltage 122 is supplied to one input unit of the comparator 107. Next, a pixel signal is read from the pixels 101 in the selected row, and the pixel signal is supplied to the other input unit of the comparator 107. In this state, when the input of the clock signal 121 from the clock generation circuit 120 is started, the binary counter 104 starts counting from the initial value. Then, the DAC 105 also starts generating the analog ramp voltage 122 from the initial value according to the count value of the binary counter 104. At the same time as the supply of the clock signal (counter clock signal) 121 starts, the column counter 208 in the column A / D conversion circuit 106 also starts counting the clock signal 121. At the same time, the π / 2 m-1 phase shift code generation circuit 112 also starts generating a phase shift code.

その後、ある列の比較器107への2つの入力信号の大小関係が入れ替わると、その比較器107の比較器出力信号123が反転する。すると、当該列のカラムカウンタ208へのクロック信号121がマスクされ、これと同時にカラムカウンタ208の計数が止まり、カラムカウンタ208にその計数値が保持される。これと同じく、比較器出力信号123の反転により、2m−1ビット・ラッチ408は、カラムカウンタ208の計数停止と同じタイミングで位相シフトコード125をデータとして保持する。アナログランプ電圧122とカラムカウンタ208およびπ/2m−1位相シフトコード生成回路112などの計数値はクロック信号121により互いに同期しているので、以上の動作により、画素101からの読み出し信号(アナログ信号)がカラムカウンタ208および2m−1ビット・ラッチ408に保持された値(デジタル信号)にA/D変換されることとなる。 Thereafter, when the magnitude relationship between the two input signals to the comparator 107 in a certain column is switched, the comparator output signal 123 of the comparator 107 is inverted. Then, the clock signal 121 to the column counter 208 of the column is masked, and at the same time, the column counter 208 stops counting and the column counter 208 holds the count value. Similarly, by the inversion of the comparator output signal 123, the 2 m−1 bit latch 408 holds the phase shift code 125 as data at the same timing as the counting of the column counter 208 is stopped. Since the analog ramp voltage 122, the column counter 208, and the count values of the π / 2 m-1 phase shift code generation circuit 112 and the like are synchronized with each other by the clock signal 121, the readout signal (analogue) from the pixel 101 is obtained by the above operation. Signal) is A / D converted into a value (digital signal) held in the column counter 208 and the 2 m−1 bit latch 408.

図6に示すように、位相シフトコードに置き換えられたビットを除く上位ビットはカラムカウンタ208で計数するが、このカラムカウンタ208は、π/2m−1位相シフトコード生成回路112の出力信号と同じ周波数のクロック信号で駆動すればよいことが分かる。従って、本実施形態のMOSセンサによれば、下位2m−1ビットをシフトコードに置き換えてカラムA/D変換回路106内のラッチに保持させることで、A/D変換のビット幅を従来のMOSセンサと同一にした場合にはクロック周波数を1/2m−1(図6の例では1/16)にすることができる。これとは逆に、従来のMOSセンサと同一のクロック周波数を適用した場合には、ビット精度を2m−1(図6の例では4ビット)も上げることができる。 As shown in FIG. 6, the higher-order bits excluding the bits replaced with the phase shift code are counted by the column counter 208. The column counter 208 uses the output signal of the π / 2 m−1 phase shift code generation circuit 112 and It can be seen that driving with clock signals of the same frequency is sufficient. Therefore, according to the MOS sensor of this embodiment, the lower 2 m−1 bits are replaced with the shift code and held in the latch in the column A / D conversion circuit 106, so that the A / D conversion bit width can be reduced. When the same as that of the MOS sensor, the clock frequency can be ½ m−1 (1/16 in the example of FIG. 6). On the contrary, when the same clock frequency as that of the conventional MOS sensor is applied, the bit accuracy can be increased by 2 m−1 (4 bits in the example of FIG. 6).

これは、例えば、従来のMOSセンサでは800MHzのクロック周波数が必要だったところ、本実施形態のMOSセンサでは50MHzでよくなるということであり、アレー状に並ぶカラムカウンタ208での信号波形なまりによる不具合が大幅に緩和されるだけでなく、クロック生成回路120に周波数逓倍機能を持たせない構成が可能になる。また、アレイ状に配置され、各列のA/D変換値を記憶するデジタルメモリ108を設ける場合にも、信号波形のなまりによる不具合の発生を抑えることができる。なお、本実施形態の例では、50MHzのクロック信号の位相を22.5度ずつずらした信号を生成する必要があるが、このためにはDLL(Delay Locked Loop)回路を搭載すればよい。   This is because, for example, a clock frequency of 800 MHz is necessary for the conventional MOS sensor, but 50 MHz is sufficient for the MOS sensor of this embodiment, and there is a problem due to rounding of the signal waveform in the column counter 208 arranged in an array. In addition to being greatly relaxed, a configuration in which the clock generation circuit 120 does not have a frequency multiplication function is possible. Further, when the digital memory 108 that is arranged in an array and stores the A / D conversion values of each column is provided, it is possible to suppress the occurrence of problems due to the rounding of the signal waveform. In the example of this embodiment, it is necessary to generate a signal in which the phase of the 50 MHz clock signal is shifted by 22.5 degrees. For this purpose, a DLL (Delay Locked Loop) circuit may be mounted.

また、位相シフトコードでは、値が1変化した場合に常に1ビットしか変化しないので、カラムA/D変換回路106からの出力電圧の変化を均一にすることができる上、信号の読み取り誤差を小さくすることができる。また、バイナリコードを用いる場合に比べ、消費電力の低減を図ることも可能である。   In addition, since the phase shift code always changes only 1 bit when the value changes by 1, the change in the output voltage from the column A / D conversion circuit 106 can be made uniform and the signal reading error can be reduced. can do. In addition, power consumption can be reduced as compared with the case of using binary code.

また、本実施形態のMOSセンサでは、A/D変換値を位相シフトコード/バイナリ変換器113を用いてシフトコード表現からバイナリコード表現に戻している。これにより、出力バッファ109に入力される信号の本数を減らすことができるので、特に、位相シフトコードで表現するビット数が多い場合には回路面積の縮小等の効果が得られる。また、シフトコードのままでMOSセンサの外部に出力した場合に比べて、DSP等での演算処理を容易にすることができる。   In the MOS sensor of this embodiment, the A / D conversion value is returned from the shift code representation to the binary code representation using the phase shift code / binary converter 113. As a result, the number of signals input to the output buffer 109 can be reduced. In particular, when the number of bits expressed by the phase shift code is large, an effect such as reduction in circuit area can be obtained. In addition, arithmetic processing by a DSP or the like can be facilitated as compared to the case where the shift code is output to the outside of the MOS sensor.

このように、本実施形態のMOSセンサによれば、画質向上のために変換ビット幅や画素数を増やす場合、高速化のためにフレームレートを上げる場合にカウンタ用クロック信号の波形なまり等による不具合の発生を抑えることが可能となる。   As described above, according to the MOS sensor of the present embodiment, when the conversion bit width and the number of pixels are increased for improving the image quality, and when the frame rate is increased for increasing the speed, the trouble due to the waveform rounding of the counter clock signal is caused. Can be suppressed.

なお、π/2m−1位相シフトコード生成回路112に代えてグレイコードを出力するグレイコード生成回路を設け、カラムA/D変換回路106内に設けられたラッチにグレイコードで下位ビットを表現する場合でも、従来のMOSセンサに比べてクロック周波数を低減したり、A/D変換のビット精度を向上させたりすることが可能となる。 A gray code generation circuit that outputs a gray code is provided in place of the π / 2 m-1 phase shift code generation circuit 112, and a lower bit is expressed by a gray code in a latch provided in the column A / D conversion circuit 106. Even in this case, the clock frequency can be reduced and the bit accuracy of A / D conversion can be improved as compared with the conventional MOS sensor.

(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係るMOSセンサの構成を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a MOS sensor according to the third embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態のMOSセンサは、画素アレー102から比較器への接続は第1の実施形態のMOSセンサと同じである。ただし、本実施形態のMOSセンサは、画素101の列毎に設けられたカラムA/D変換回路106内にUp/Downカウンタ(以後、U/Dカウンタと略す)218を有していることを特徴とする。また、本実施形態のMOSセンサはシーケンサ338を備えている。   As shown in the figure, the MOS sensor of this embodiment has the same connection from the pixel array 102 to the comparator as the MOS sensor of the first embodiment. However, the MOS sensor of this embodiment has an Up / Down counter (hereinafter abbreviated as a U / D counter) 218 in a column A / D conversion circuit 106 provided for each column of the pixels 101. Features. In addition, the MOS sensor of this embodiment includes a sequencer 338.

各カラムA/D変換回路106は、比較器107と、上述のU/Dカウンタ218と、Upカウント用ラッチ(以後、U用ラッチと略す)318と、Downカウント用ラッチ(以後、D用ラッチと略す)328とを有している。   Each column A / D conversion circuit 106 includes a comparator 107, the above-described U / D counter 218, an Up count latch (hereinafter abbreviated as a U latch) 318, and a Down count latch (hereinafter referred to as a D latch). 328).

クロック生成回路120は、クロック信号121をバイナリカウンタ104に加えて、各列のU/Dカウンタ218、U用ラッチ318およびD用ラッチ328にも供給する。バイナリカウンタ104から出力されるバイナリ値はDAC105に入力され、DAC105は、入力されたバイナリ値に従ってアナログランプ電圧(三角波)122を生成する。このアナログランプ電圧は参照電位として比較器107の入力部に入力される。比較器107のもう一方の入力には、画素101から読み出し信号線103を介して読み出された画素信号が入力される。そして、比較器出力信号123はU/Dカウンタ218、U用ラッチ318、およびD用ラッチ328に入力される。   The clock generation circuit 120 supplies the clock signal 121 to the binary counter 104 and also supplies it to the U / D counter 218, the U latch 318, and the D latch 328 of each column. The binary value output from the binary counter 104 is input to the DAC 105, and the DAC 105 generates an analog ramp voltage (triangular wave) 122 according to the input binary value. The analog ramp voltage is input to the input unit of the comparator 107 as a reference potential. A pixel signal read from the pixel 101 via the read signal line 103 is input to the other input of the comparator 107. The comparator output signal 123 is input to the U / D counter 218, the U latch 318, and the D latch 328.

次に、本実施形態に係るMOSセンサのA/D変換動作を説明する。   Next, the A / D conversion operation of the MOS sensor according to this embodiment will be described.

シーケンサ338は、MOSセンサ(あるいは撮像装置)の動作モードの切り替えを担っている。ここでは、シーケンサ338は、U/Dカウンタ218のカウント方向を制御するためのカウントモード切替信号130と、Upカウント時とDownカウント時で使用するラッチを切り替えるためのUp用ラッチ選択信号131と、Down用ラッチ選択信号132とを制御する。   The sequencer 338 is responsible for switching the operation mode of the MOS sensor (or imaging device). Here, the sequencer 338 includes a count mode switching signal 130 for controlling the count direction of the U / D counter 218, an Up latch selection signal 131 for switching between latches used at the Up count and the Down count, The down latch selection signal 132 is controlled.

まず、前もってカラムA/D変換回路106内のU/Dカウンタ218、およびバイナリカウンタ104を初期化信号(図示せず)により初期化し、DAC105からアナログランプ電圧122の初期値を比較器107の一方の入力部に供給しておく。また、先にDownカウントを行うとして、Down用ラッチ選択信号132でD用ラッチ328をアクティブ化し、カウントモード切替信号130でU/Dカウンタ218をダウンモード(Dモード)にしておく。次に、選択した行の画素101から当該画素101のリセットレベルを読み出し、これを比較器107の他方の入力部に供給する。それから、クロック生成回路120で生成されたクロック信号121の入力を開始することで、バイナリカウンタ104がその初期値からカウントを開始する。DAC105は、バイナリカウンタ104の計数値に従って、アナログランプ電圧122の生成を初期値から開始する。ここで、バイナリカウンタ104の計数方向はダウンカウント時とアップカウント時で常に同じである。また、クロック信号121の供給開始とともに、カラムA/D変換回路106内のU/Dカウンタ218も、入力されるクロック信号121のダウンカウントを開始する。   First, the U / D counter 218 and the binary counter 104 in the column A / D conversion circuit 106 are initialized by an initialization signal (not shown) in advance, and the initial value of the analog ramp voltage 122 is supplied from the DAC 105 to one of the comparators 107. To the input section. Also, assuming that the Down count is performed first, the D latch 328 is activated by the Down latch selection signal 132, and the U / D counter 218 is set to the down mode (D mode) by the count mode switching signal 130. Next, the reset level of the pixel 101 is read from the pixel 101 in the selected row, and this is supplied to the other input unit of the comparator 107. Then, by starting the input of the clock signal 121 generated by the clock generation circuit 120, the binary counter 104 starts counting from its initial value. The DAC 105 starts generating the analog ramp voltage 122 from the initial value according to the count value of the binary counter 104. Here, the counting direction of the binary counter 104 is always the same during down-counting and up-counting. In addition, when the supply of the clock signal 121 is started, the U / D counter 218 in the column A / D conversion circuit 106 also starts to count down the input clock signal 121.

その後、ある列の比較器107への2つの入力信号の大小関係が入れ替わると、その比較器107の比較器出力信号123が反転し、その列のU/Dカウンタ218へのクロック信号121がマスクされ、これと同時にU/Dカウンタ218の計数が止まり、U/Dカウンタ218にその計数値が保持される。これと同じく、比較器出力信号123の反転により、D用ラッチ328は、U/Dカウンタ218の計数停止と同じタイミングでクロック信号121をデータとして保持する。アナログランプ電圧122とU/Dカウンタ218の計数値、およびD用ラッチ328の値はクロック信号121により同期しているので、ここまでの動作により、画素101のリセットレベル(アナログ信号)がU/Dカウンタ218やD用ラッチ328に保持された値(デジタル信号)にA/D変換されたことになる。   Thereafter, when the magnitude relationship between the two input signals to the comparator 107 in a certain column is switched, the comparator output signal 123 of the comparator 107 is inverted, and the clock signal 121 to the U / D counter 218 in that column is masked. At the same time, the U / D counter 218 stops counting and the U / D counter 218 holds the count value. Similarly, by the inversion of the comparator output signal 123, the D latch 328 holds the clock signal 121 as data at the same timing as the U / D counter 218 stops counting. Since the analog ramp voltage 122, the count value of the U / D counter 218, and the value of the D latch 328 are synchronized with each other by the clock signal 121, the reset level (analog signal) of the pixel 101 is set to U / That is, A / D conversion is performed to a value (digital signal) held in the D counter 218 or the D latch 328.

次に、以下の手順でアップカウントを行う。   Next, up-counting is performed according to the following procedure.

まず、Up用ラッチ選択信号131でU用ラッチ318をアクティブ化し、カウントモード切替信号130でU/Dカウンタ218をアップモード(Uモード)にしておく。このとき、U/Dカウンタ218はDモードで保持した値をそのまま保持している。次に、選択した行の画素101から画素信号を読み出し、これを比較器107の他方の入力部に供給する。それから、クロック生成回路120で生成されたクロック信号121の入力を開始することで、バイナリカウンタ104がその初期値からカウントを開始する。DAC105は、バイナリカウンタ104の計数値に従って、アナログランプ電圧122の生成を初期値から開始する。また、クロック信号121の供給開始とともに、カラムA/D変換回路106内のU/Dカウンタ218も、入力されるクロック信号121のアップカウントを、その保持した値から開始する。その後、ある列の比較器107への2つの入力信号の大小関係が入れ替わると、その比較器107の比較器出力信号123が反転し、その列のU/Dカウンタ218へのクロック信号121がマスクされ、これと同時にU/Dカウンタ218の計数が止まり、U/Dカウンタ218にその計数値が保持される。このとき保持される値は、
(Uモードでのアップカウント数)−(Dモードでのダウンカウント数)
となっている。
First, the U latch 318 is activated by the Up latch selection signal 131, and the U / D counter 218 is set to the up mode (U mode) by the count mode switching signal 130. At this time, the U / D counter 218 holds the value held in the D mode as it is. Next, a pixel signal is read from the pixels 101 in the selected row and supplied to the other input unit of the comparator 107. Then, by starting the input of the clock signal 121 generated by the clock generation circuit 120, the binary counter 104 starts counting from its initial value. The DAC 105 starts generating the analog ramp voltage 122 from the initial value according to the count value of the binary counter 104. In addition, when the supply of the clock signal 121 is started, the U / D counter 218 in the column A / D conversion circuit 106 starts to count up the input clock signal 121 from the held value. Thereafter, when the magnitude relationship between the two input signals to the comparator 107 in a certain column is switched, the comparator output signal 123 of the comparator 107 is inverted, and the clock signal 121 to the U / D counter 218 in that column is masked. At the same time, the U / D counter 218 stops counting and the U / D counter 218 holds the count value. The value held at this time is
(Up count in U mode)-(Down count in D mode)
It has become.

これと同じく、比較器出力信号123の反転により、U用ラッチ318は、U/Dカウンタ218の計数停止と同じタイミングでクロック信号121をデータとして保持する。   Similarly, by the inversion of the comparator output signal 123, the U latch 318 holds the clock signal 121 as data at the same timing as the U / D counter 218 stops counting.

次に、U/Dカウンタ218から出力されたkビットのデータとU用ラッチ318から出力された1ビットのデータは、出力信号バス126、227でk+1ビットデータとして束ねられて、減算器117に入力される。また、D用ラッチ328から出力されたデータは、出力信号バス127、228を介して減算器117に入力される。次いで、減算器117から出力された画像信号は、出力信号バス230、出力バッファ109を介してMOSセンサの外部へと出力される。このように、アップカウント期間でのA/D変換値とダウンカウント期間でのA/D変換値との差分を求め、この差分に応じた信号を出力することで、A/D変換が行われる。   Next, the k-bit data output from the U / D counter 218 and the 1-bit data output from the U latch 318 are bundled as k + 1 bit data on the output signal buses 126 and 227, and are sent to the subtractor 117. Entered. The data output from the D latch 328 is input to the subtractor 117 via the output signal buses 127 and 228. Next, the image signal output from the subtractor 117 is output to the outside of the MOS sensor via the output signal bus 230 and the output buffer 109. In this way, A / D conversion is performed by obtaining a difference between the A / D conversion value in the up-count period and the A / D conversion value in the down-count period and outputting a signal corresponding to the difference. .

以上のように、U/Dカウンタ218を用いることで各列の画素からカラムA/D変換回路までのオフセットノイズの影響を除去することができるので、良好な出力画像を得ることができるようになる。   As described above, the use of the U / D counter 218 can eliminate the influence of offset noise from the pixels in each column to the column A / D conversion circuit, so that a good output image can be obtained. Become.

本実施形態のように、U/Dカウンタ218と1ビット分のラッチを各列のカラムA/D変換回路106に設ける場合でも、第1の実施形態のMOSセンサと同様に、ラッチに最下位ビットを表すデータを保持させることでクロック信号121の周波数を半減できる。あるいは、クロック信号121の周波数を変えない場合には、ラッチを設けない場合に比べてA/D変換の精度を1ビット分向上させることができる。   Even in the case where the U / D counter 218 and 1-bit latch are provided in the column A / D conversion circuit 106 of each column as in the present embodiment, as in the MOS sensor of the first embodiment, By holding data representing bits, the frequency of the clock signal 121 can be halved. Alternatively, when the frequency of the clock signal 121 is not changed, the accuracy of A / D conversion can be improved by one bit compared to the case where no latch is provided.

また、第1の実施形態のMOSセンサと同様に、本実施形態のMOSセンサにおいても、ラッチに入力する信号をU/Dカウンタ218用のクロック信号と兼用にした場合に、最下位ビットとなるべきラッチのデータの極性が逆になることがありえる。この場合、図9に示すように、インバータ119をクロック生成回路120とU用ラッチ318およびD用ラッチ328との間に設ければよい。あるいは、インバータ119を、信号出力バス127上に挿入してもよい。あるいは、U用とD用の1bitデータ出力の接続関係を入れ替えて、カウンタ出力をD用データとして束ねて、減算器の+側に入力し、U用データを減算器の−側に入力してもよい。これにより、ラッチにクロック信号を供給するための信号線の本数を減らすことができる。   Similarly to the MOS sensor of the first embodiment, in the MOS sensor of this embodiment, when the signal input to the latch is also used as the clock signal for the U / D counter 218, it becomes the least significant bit. The data polarity of the power latch can be reversed. In this case, as shown in FIG. 9, the inverter 119 may be provided between the clock generation circuit 120 and the U latch 318 and the D latch 328. Alternatively, the inverter 119 may be inserted on the signal output bus 127. Alternatively, the connection relationship between 1-bit data output for U and D is switched, the counter output is bundled as D-data, and input to the + side of the subtractor, and the U-data is input to the − side of the subtractor. Also good. As a result, the number of signal lines for supplying a clock signal to the latch can be reduced.

なお、詳述はしないが、図8に示すように、カラムA/D変換回路106内にそれぞれ2m−1個のUp用ラッチ、Down用ラッチ(U用2m−1ビット・ラッチ358、D用2m−1ビット・ラッチ368)を設け、位相シフトコードを適用する場合も、先に説明した第2の実施形態と同じクロック周波数の低減効果、またはA/D変換精度の向上効果を得ることができる。図8に示す本実施形態の変形例に係るMOSセンサは、図5に示す第2の実施形態のMOSセンサと同様に、π/2m−1位相シフトコード生成回路112と、入力されたデータの表現を位相シフトコードからバイナリコードに戻す位相シフトコード/バイナリ変換器113を備えている。ただし、位相シフトコード/バイナリ変換器113はU用ラッチデータを伝達するための出力信号バス227上とD用ラッチデータを伝達するための出力信号バス228上のそれぞれに設けられる。出力信号バス227上の位相シフトコード/バイナリ変換器113により出力されるバイナリ信号は、出力信号バス327を介して減算器117に入力される。また、出力信号バス228上の位相シフトコード/バイナリ変換器113により出力されるバイナリ信号は、出力信号バス348を介して減算器117に入力される。減算器117から出力されたフルビットの画像信号は、出力バッファ109からMOSセンサの外部へと出力される。 Although not described in detail, as shown in FIG. 8, 2 m−1 Up latches and Down latches (U 2 m−1 bit latches 358, Even when a 2 m-1 bit latch 368 for D is provided and a phase shift code is applied, the same clock frequency reduction effect or A / D conversion accuracy improvement effect as in the second embodiment described above can be obtained. Obtainable. The MOS sensor according to the modification of the present embodiment shown in FIG. 8 is similar to the MOS sensor of the second embodiment shown in FIG. 5 and the π / 2 m−1 phase shift code generation circuit 112 and the input data Is provided with a phase shift code / binary converter 113 for converting the expression of the above into a binary code from a phase shift code. However, the phase shift code / binary converter 113 is provided on the output signal bus 227 for transmitting the U latch data and on the output signal bus 228 for transmitting the D latch data. The binary signal output from the phase shift code / binary converter 113 on the output signal bus 227 is input to the subtractor 117 via the output signal bus 327. The binary signal output from the phase shift code / binary converter 113 on the output signal bus 228 is input to the subtractor 117 via the output signal bus 348. The full-bit image signal output from the subtractor 117 is output from the output buffer 109 to the outside of the MOS sensor.

以上、位相シフトコードを用いてA/D変換値の下位4ビットまでをラッチ用クロック信号を用いて表現する事例を説明した。画像信号の下位5ビット以上についても同様にラッチ用クロック信号を用いて表現することは可能であり、これにより、クロック用周波数を大きく低減することが可能である。ただし、ラッチ用クロック信号を供給するための配線本数が1ビット増えるごとに倍増するため、レイアウト面積の増加とクロック周波数の低減効果とのトレードオフを考慮して、用途に応じて最適なビット数を選択することが好ましい。   As described above, the case has been described in which the phase shift code is used to express the lower 4 bits of the A / D conversion value using the latch clock signal. Similarly, the lower 5 bits or more of the image signal can be expressed using the latch clock signal, and the clock frequency can be greatly reduced. However, since the number of wirings for supplying the latch clock signal is doubled every 1 bit, the optimum number of bits according to the application is considered in consideration of the trade-off between the increase in layout area and the effect of reducing the clock frequency. Is preferably selected.

なお、各実施形態のカラムA/D変換回路106において、デジタルメモリやカウンタに付随させるラッチなど、いずれもA/D変換のためのメモリないしラッチに説明を限定しているが、カラム型A/D変換は1水平走査期間(1H)という限られた時間に読み出しとA/D変換を並列で行うことが多い。すなわち、1ライン前にA/D変換したデータのチップ外部への読出しと現在のラインのA/D変換との並列動作を行うことが多い。この場合、カラムA/D変換回路106内に、下位ビットのデータを保持するラッチからの出力とカラムカウンタ(あるいはU/Dカウンタ)からの出力とを受け、A/D変換値を保持できる出力用のメモリをさらに設けてもよい。   In the column A / D conversion circuit 106 of each embodiment, the description is limited to a memory or latch for A / D conversion, such as a latch attached to a digital memory or a counter. In D conversion, reading and A / D conversion are often performed in parallel in a limited time of one horizontal scanning period (1H). That is, in many cases, a parallel operation of reading the data A / D converted one line before the outside of the chip and A / D conversion of the current line is performed. In this case, the column A / D conversion circuit 106 receives an output from a latch that holds lower-bit data and an output from a column counter (or U / D counter) and can output an A / D conversion value. An additional memory may be further provided.

図10は、第1の実施形態に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路106内に出力用メモリを設けた場合のMOSセンサを示す図である。この出力用メモリ250は、カラムカウンタ208に保持される上位kビットのデータをコピーするためのk個の出力用ラッチと、2m−1個のラッチに保持される下位mビットのデータをコピーするための2m−1個(図10の例では1個)の出力用ラッチとで構成される。なお、A/D変換のビット数をnビットとすると、n=k+mである。この場合、1行分の画素信号についてのA/D変換の終了時にそれぞれr個(ただし、r=k+2m−1)の出力用ラッチに保持された各列のA/D変換値を、制御線750を駆動する列走査手段(制御部)によって順次出力用データバスに読み出す。この読み出し動作とともに、次の行の画素のA/D変換を行う。この処理を順次行うことにより、A/D変換された1画面分の画素信号の出力を迅速に行うことができる。 FIG. 10 is a diagram showing a MOS sensor when an output memory is provided in the column A / D conversion circuit 106 of the MOS sensor according to the first embodiment. The output memory 250 copies k output latches for copying the upper k bits of data held in the column counter 208 and the lower m bits of data held in 2 m−1 latches. 2 m−1 ( 1 in the example of FIG. 10) output latches. If the number of bits for A / D conversion is n bits, n = k + m. In this case, the A / D conversion value of each column held in r (r = k + 2 m−1 ) output latches at the end of A / D conversion for one row of pixel signals is controlled. The data is sequentially read out to the output data bus by the column scanning means (control unit) that drives the line 750. A / D conversion of the pixels in the next row is performed along with this readout operation. By sequentially performing this process, it is possible to quickly output a pixel signal for one screen after A / D conversion.

また、ここまでの説明では、画素101から出力された画像信号の電圧がアナログランプ電圧122の電位と等しくなるまではカラムカウンタ208あるいはU/Dカウンタ218にカウンタ用クロック信号を供給し、画素101から出力された画像信号の電圧がランプ波の電位と等しくなる時点以後の期間、カラムカウンタ208あるいはU/Dカウンタ218へのクロック供給をマスクする手段を明示していない。しかし、このマスク手段としては、クロック信号121と比較器出力信号123とを入力とするANDゲートを入れるなど、一般的なマスク手法を利用することができる。   In the above description, the counter clock signal is supplied to the column counter 208 or the U / D counter 218 until the voltage of the image signal output from the pixel 101 becomes equal to the potential of the analog ramp voltage 122. Means for masking the clock supply to the column counter 208 or the U / D counter 218 during the period after the time point when the voltage of the image signal output from is equal to the potential of the ramp wave is not clearly shown. However, as this masking means, a general masking method such as inserting an AND gate having the clock signal 121 and the comparator output signal 123 as inputs can be used.

なお、画素101からの読出しシーケンスの一部として一般的に行われているアナログCDS動作について、第1〜第3の実施形態のMOSセンサは説明を分かりやすくするため省略した。しかし、各実施形態のMOSセンサにおいて、アナログCDS動作を行ってもよい。この場合、画素を1行ずつ、順次読み出していくシーケンスにおいて、1行分の処理時間(1H)の間に処理すべき項目が増えるが、本発明のMOSセンサを用いればA/D変換の高速化を図ることができるので、不具合なくCDS動作を行うことができる。   It should be noted that the MOS sensor of the first to third embodiments is omitted for easy understanding of the analog CDS operation generally performed as a part of the reading sequence from the pixel 101. However, an analog CDS operation may be performed in the MOS sensor of each embodiment. In this case, in the sequence of sequentially reading out pixels one by one, the number of items to be processed increases during the processing time (1H) for one row. However, if the MOS sensor of the present invention is used, the A / D conversion speed is increased. Therefore, the CDS operation can be performed without any trouble.

また、以上では、DAC105でアナログランプ電圧122を生成するためにカウンタ値を使う方法を説明したが、DAC105は、カウンタ値を使わずに、リセット信号で初期化され、クロック信号の入力により自走する方式のD/A変換回路であってもよい。   In the above, the method of using the counter value to generate the analog ramp voltage 122 by the DAC 105 has been described. However, the DAC 105 is initialized by the reset signal without using the counter value, and is free-running by the input of the clock signal. It may be a D / A conversion circuit of the type.

さらに、RC時定数による放電によりアナログランプ波を発生する方式等を本発明のA/D変換方法に適用した場合、クロック信号の入力が不要となり、D/A変換回路105内に設けられた容量の電位の初期化をリセット信号により行うだけでA/D変換を行うことができる。   Further, when a method of generating an analog ramp wave by discharging with an RC time constant is applied to the A / D conversion method of the present invention, it is not necessary to input a clock signal, and the capacitance provided in the D / A conversion circuit 105 The A / D conversion can be performed simply by initializing the potential of the signal with the reset signal.

また、位相シフトコードをそのまま出力すると出力バッファ109に入力される信号の本数が多くなるため、図5、図8などでは位相シフトコードで表現されたデータをバイナリコードに変換して出力することを前提に説明したが、位相シフトコードを適用するビット数が少ない場合、バイナリコードのみを用いる場合と比べても信号線の増加は少なくて済むので、位相シフトコードのデータをそのまま外部へ出力してもよい。   Further, if the phase shift code is output as it is, the number of signals input to the output buffer 109 increases, so in FIG. 5, FIG. 8, etc., the data expressed by the phase shift code is converted into a binary code and output. As explained above, if the number of bits to which the phase shift code is applied is small, the increase in signal lines is less than when only the binary code is used, so the phase shift code data is output to the outside as it is. Also good.

また、以上の説明では、位相シフトコードの生成回路とシフトコードからバイナリコードへの変換回路とを備えた構成を示したが、MOSセンサは、バイナリコードからグレイコードへの変換回路と、グレイコードからバイナリコードへの変換回路を備えた構成であってもよい。あるいは、バイナリコードからグレイコードへの変換回路のみを備え、グレイコードで画像信号を出力する方式であっても本発明のクロック周波数の低減効果やビット精度の向上効果は失われない。   In the above description, the configuration including the phase shift code generation circuit and the shift code-to-binary code conversion circuit has been described. However, the MOS sensor includes a binary code-to-grey code conversion circuit, a gray code, and the like. A configuration including a conversion circuit from a binary code to a binary code may be used. Alternatively, even in a system that includes only a binary code to gray code conversion circuit and outputs an image signal in gray code, the clock frequency reduction effect and bit accuracy improvement effect of the present invention are not lost.

また、いずれの実施形態においても、比較器107として2入力タイプのものを示したが、いわゆるチョッパー型の比較器を用いても本発明の効果を得ることができる。   In any of the embodiments, the two-input type comparator is shown as the comparator 107, but the effect of the present invention can be obtained even if a so-called chopper type comparator is used.

また、読み出し信号線103による画素と比較器107との接続関係は、分かりやすさを優先して単純な接続として説明したが、比較器107の入力側にアナログ信号増幅機能やCDS機能を有する回路を搭載するような構成であっても本発明の効果は失われない。   Further, the connection relationship between the pixel and the comparator 107 by the readout signal line 103 has been described as a simple connection in consideration of easy understanding, but a circuit having an analog signal amplification function and a CDS function on the input side of the comparator 107. Even if it is the structure which mounts, the effect of this invention is not lost.

また、出力バッファ109から出力された画像信号を処理するための画像処理回路(DSP回路)は画素アレー102と同一基板上に形成されていてもよいし、異なる基板上に形成されていてもよい。   The image processing circuit (DSP circuit) for processing the image signal output from the output buffer 109 may be formed on the same substrate as the pixel array 102 or may be formed on a different substrate. .

また、図8、図9に示すシーケンサ338は、第1および第2の実施形態に係るMOSセンサに設けられていてもよい。   Further, the sequencer 338 shown in FIGS. 8 and 9 may be provided in the MOS sensor according to the first and second embodiments.

(その他の実施形態)
以下に、図5および図8に示すMOSセンサにおいて、π/2m−1位相シフトコード生成回路112の具体構成について説明する。
(Other embodiments)
The specific configuration of the π / 2 m−1 phase shift code generation circuit 112 in the MOS sensor shown in FIGS. 5 and 8 will be described below.

−位相シフトコード生成回路の第1の構成例−
図11(a)、図12(a)は、ジョンソンカウンタを用いた第1の構成例に係る位相シフトコード生成回路を示す回路図であり、図11(b)、図12(b)は、それぞれ第1の構成例に係る位相シフトコード生成回路における信号波形を示す図である。図11(a)はビット数2m−1が2の場合であり、図12(a)は、ビット数2m−1が4の場合である。ここで、mはバイナリを用いた場合のビット数を意味する。
-First configuration example of phase shift code generation circuit-
FIGS. 11A and 12A are circuit diagrams showing a phase shift code generation circuit according to a first configuration example using a Johnson counter. FIGS. 11B and 12B are It is a figure which shows the signal waveform in the phase shift code generation circuit which concerns on a 1st structural example, respectively. FIG. 11A shows the case where the number of bits 2 m−1 is 2, and FIG. 12A shows the case where the number of bits 2 m−1 is 4. Here, m means the number of bits when binary is used.

図11(a)に示す位相シフトコード生成回路は、それぞれクロック信号CLK(ラッチ用クロック信号)を受けるD型フリップフロップ901a、901bと、J〔0〕を出力するインバータ902aと、J〔1〕を出力するインバータ902bとを有している。第1段のD型フリップフロップ901aの出力は第2段のD型フリップフロップ901bに入力され、このD型フリップフロップ901bの反転出力はD型フリップフロップ901aに入力されている。すなわち、D型フリップフロップ901a、901bは全体としてループを構成している。また、D型フリップフロップ901aの反転出力はインバータ902aに入力され、D型フリップフロップ901bの反転出力はインバータ902bに入力される。   The phase shift code generation circuit shown in FIG. 11A includes D-type flip-flops 901a and 901b that receive a clock signal CLK (latch clock signal), an inverter 902a that outputs J [0], and J [1]. And an inverter 902b. The output of the first-stage D-type flip-flop 901a is input to the second-stage D-type flip-flop 901b, and the inverted output of the D-type flip-flop 901b is input to the D-type flip-flop 901a. That is, the D flip-flops 901a and 901b constitute a loop as a whole. The inverted output of the D flip-flop 901a is input to the inverter 902a, and the inverted output of the D flip-flop 901b is input to the inverter 902b.

以上の構成により、図11(b)に示すように、初期値オールゼロの状態からCLKの周期分だけ位相が異なる位相シフトコードJ[1:0]を生成できる。   With the above configuration, as shown in FIG. 11B, a phase shift code J [1: 0] having a phase different from the initial value all zero state by the period of CLK can be generated.

また、図12(a)に示すように、4段のD型フリップフロップ901a、901b、901c、901dを通常のシフトレジスタと同様に直列に接続するとともに、最終段のD型フリップフロップ901dの反転出力を第1段のD型フリップフロップ901aに入力することで、インバータ902a、902b、902c、902dからそれぞれCLKの周期分だけ位相がずれたJ〔0〕、J〔1〕、J〔2〕、J〔3〕を出力できる。すなわち、図12(a)に示す構成によれば、図12(b)に示すように、初期値オールゼロの状態からCLKの周期分だけ位相が異なる位相シフトコードJ[3:0]を生成できる。   In addition, as shown in FIG. 12A, four stages of D-type flip-flops 901a, 901b, 901c, and 901d are connected in series like a normal shift register, and the D-stage flip-flop 901d of the final stage is inverted. By inputting the output to the first-stage D-type flip-flop 901a, J [0], J [1], J [2] whose phases are shifted from the inverters 902a, 902b, 902c, and 902d by the period of CLK, respectively. , J [3] can be output. That is, according to the configuration shown in FIG. 12A, as shown in FIG. 12B, a phase shift code J [3: 0] having a phase different from the initial value all zero state by the period of CLK can be generated. .

なお、第1の構成例に係るジョンソンカウンタの場合、これを駆動するために周波数の高いクロック信号(図11、図12におけるCLK、図5におけるクロック信号121)の入力が必要である。しかし、位相シフトコード生成回路は全列のカラムA/D変換回路に対して1つ設けられていればよいため、位相シフトコード生成回路に高い周波数のクロック信号が供給されても、クロック信号のなまりが発生する等の不具合は起こらない。そのため、第1の構成例によれば、波形なまりなどの不具合を発生させることなく位相シフトコードを生成することが可能である。   In the case of the Johnson counter according to the first configuration example, it is necessary to input a high-frequency clock signal (CLK in FIGS. 11 and 12 and clock signal 121 in FIG. 5) in order to drive the counter. However, since only one phase shift code generation circuit needs to be provided for the column A / D conversion circuits in all columns, even if a high frequency clock signal is supplied to the phase shift code generation circuit, Problems such as rounding do not occur. Therefore, according to the first configuration example, it is possible to generate the phase shift code without causing problems such as waveform rounding.

図12(a)に示す位相シフトコード生成回路はビット数が2m−1=4の場合であり、これを第3の実施形態として説明したMOSセンサに搭載する場合、バイナリのみを用いてA/D変換する場合に比べて、信号の最大周波数を8分の1にすることができ、グレイコードのみの場合に比べて、4分の1の周波数にまで周波数を抑制することができる。あるいは、グレイコードのみを用いるA/D変換回路と同じ周波数のクロック信号を用いる場合、バイナリのみの場合に比べて3ビットの精度向上、グレイコードのみの場合に比べて2ビットの精度向上が可能である。 The phase shift code generation circuit shown in FIG. 12A is a case where the number of bits is 2 m−1 = 4, and when this is mounted on the MOS sensor described as the third embodiment, only binary is used. Compared to the case of / D conversion, the maximum frequency of the signal can be reduced to 1/8, and the frequency can be suppressed to a quarter of the frequency compared to the case of only the gray code. Or, when using a clock signal with the same frequency as the A / D converter circuit using only the Gray code, it is possible to improve the accuracy of 3 bits compared to the binary only, and improve the accuracy of 2 bits compared to the gray code only. It is.

なお、ビット数が2、4の場合の位相シフトコード生成回路の構成をそれぞれ説明したが、ビット数分のD型フリップフロップを直列に接続し、最終段のD型フリップフロップの反転出力を第1段のD型フリップフロップに入力することで、任意のビット幅に対応した位相シフトコード生成回路を構成することができる。   Although the configuration of the phase shift code generation circuit when the number of bits is 2 or 4 has been described, D-type flip-flops corresponding to the number of bits are connected in series, and the inverted output of the D-type flip-flop at the final stage is By inputting the signal to one stage of the D-type flip-flop, a phase shift code generation circuit corresponding to an arbitrary bit width can be configured.

−位相シフトコード生成回路の第2の構成例−
周波数が非常に高くなってきた場合、クロック信号を分配する際の波形なまりの問題以前に、素子性能の限界などから高速クロックの生成が困難になってくる。これに対して、遅延ロックループ回路(以下、DLL)を用いることで、入力クロック信号の周波数を位相シフトコード生成回路を生成する位相シフトコードと同じ周波数レベルに入力クロック周波数を抑えることができる。
-Second configuration example of phase shift code generation circuit-
When the frequency becomes very high, it becomes difficult to generate a high-speed clock due to limitations in device performance before the problem of rounding of the waveform when distributing the clock signal. On the other hand, by using a delay lock loop circuit (hereinafter referred to as DLL), the input clock frequency can be suppressed to the same frequency level as the phase shift code for generating the phase shift code generation circuit.

図13(a)〜(c)は、DLLを用いた第2の構成例に係る位相シフトコード生成回路を示す図である。   FIGS. 13A to 13C are diagrams illustrating a phase shift code generation circuit according to a second configuration example using a DLL.

まず、図13(a)に示す位相シフトコード生成回路の構成例は、位相比較器802と、電荷ポンプ回路803と、遅延部801とを有している。この構成例では、位相比較器802に入力されたクロック信号RCLK(ラッチ用クロック信号)を遅延部801により遅延し、DCLKとして出力する。具体的には、遅延量がちょうど1サイクルになるように、RCLKとDCLKとを位相比較器802で比較し、早い/遅いというずれに対してUPまたはDOWNの信号を生成し、電荷ポンプ回路803が位相比較器802からの信号を受けてこれに応じた電圧信号VCONを生成する。   First, the configuration example of the phase shift code generation circuit illustrated in FIG. 13A includes a phase comparator 802, a charge pump circuit 803, and a delay unit 801. In this configuration example, the clock signal RCLK (latch clock signal) input to the phase comparator 802 is delayed by the delay unit 801 and output as DCLK. Specifically, RCLK and DCLK are compared by the phase comparator 802 so that the delay amount is exactly one cycle, and an UP or DOWN signal is generated for the early / late difference, and the charge pump circuit 803 Receives a signal from the phase comparator 802 and generates a voltage signal VCON corresponding thereto.

遅延部801は、図13(b)に示すように、インバータ804を多段に接続してなるインバーターチェーンに負荷としての容量806をNMOSトランジスタスイッチ(以下、MOSスイッチと称す)805を介して付加した回路である。VCONはこの容量806に接続されるMOSスイッチ805のゲート電位を制御する。このVCONを高くすると、MOSスイッチ805のオン抵抗が小さくなり、容量が負荷として重くなり、遅延が大きくなる。逆にVCONの電位を低くするとMOSスイッチ805のオン抵抗が大きくなり、容量が負荷として軽くなり、遅延は小さくなる。   As shown in FIG. 13B, the delay unit 801 adds a capacitor 806 as a load via an NMOS transistor switch (hereinafter referred to as a MOS switch) 805 to an inverter chain formed by connecting inverters 804 in multiple stages. Circuit. VCON controls the gate potential of the MOS switch 805 connected to the capacitor 806. When this VCON is increased, the on-resistance of the MOS switch 805 is reduced, the capacity is increased as a load, and the delay is increased. Conversely, when the potential of VCON is lowered, the ON resistance of the MOS switch 805 is increased, the capacitance is reduced as a load, and the delay is reduced.

図14は、図13(a)、(b)に示すDLLの回路構成を利用し、π/2m−1ずつ位相がずれた信号を出力する位相シフトコード生成回路の構成例を示す図である。 FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of a phase shift code generation circuit that uses the DLL circuit configuration illustrated in FIGS. 13A and 13B and outputs a signal whose phase is shifted by π / 2 m−1 . is there.

図14に示すように、元のクロック信号(RCLK)と16個の遅延段を経た遅延クロック(DCLK)の位相を揃えるDLLの働きにより、遅延段毎に1サイクルの16分の1ずつ遅延(位相遅延π/8)させたクロック信号n〔1〕、n〔2〕、…、n〔15〕、n〔16〕(=DCLK)を得ることができる。このうち隣接する8つのノードからクロック信号(例えば、n〔1〕〜n〔8〕をクロックバッファ807によりバッファされたD〔1〕〜D〔8〕)を取り出すことで、図14に示す回路は位相シフトコード生成回路として使用可能になっている。なお、ノードn〔9〕〜n〔16〕からクロックを取り出す必要はないが、各遅延段における負荷を均等にしてタイミング精度を上げるために、これらのノードにもバッファを付ける方がより望ましい。   As shown in FIG. 14, a DLL that aligns the phases of the original clock signal (RCLK) and the delayed clock (DCLK) that has passed through 16 delay stages delays by 1/16 of one cycle per delay stage ( It is possible to obtain clock signals n [1], n [2],..., N [15], n [16] (= DCLK) with a phase delay π / 8). A circuit shown in FIG. 14 is obtained by extracting clock signals (for example, D [1] to D [8] in which n [1] to n [8] are buffered by the clock buffer 807) from eight adjacent nodes. Can be used as a phase shift code generation circuit. Although it is not necessary to extract the clock from the nodes n [9] to n [16], it is more desirable to buffer these nodes in order to increase the timing accuracy by equalizing the load in each delay stage.

以上では、特定のビット幅の位相シフトコードを生成する第2の構成例の位相シフトコード生成回路について説明したが、位相シフトコード生成回路中のシフトレジスタ段数、またはDLLの遅延段数を変えることで、ビット幅の異なる位相シフトコードを容易に生成することができる。   The phase shift code generation circuit of the second configuration example for generating the phase shift code having a specific bit width has been described above. However, by changing the number of shift register stages or the number of DLL delay stages in the phase shift code generation circuit. Thus, phase shift codes having different bit widths can be easily generated.

なお、図14に示す位相シフトコード生成回路はビット幅m=4の場合であり、これを第3の実施形態として説明したMOSセンサに搭載する場合、信号の最大周波数を、バイナリのみを用いてA/D変換を行う場合に比べて16分の1、グレイコードのみを用いてA/D変換を行う場合に比べて8分の1にまで抑制することができる。または、同じ周波数の信号を使う場合、バイナリのみの場合に比べて4ビット分の精度向上を実現でき、グレイコードのみの場合に比べて3ビット分の精度向上が可能である。   Note that the phase shift code generation circuit shown in FIG. 14 has a bit width of m = 4, and when this is mounted on the MOS sensor described as the third embodiment, the maximum frequency of the signal is only binary. It can be suppressed to 1/16 compared to the case where A / D conversion is performed, and to 1/8 compared to the case where A / D conversion is performed using only the gray code. Alternatively, when signals having the same frequency are used, an accuracy improvement of 4 bits can be realized as compared with the case of binary only, and an accuracy improvement of 3 bits can be achieved as compared with the case of only Gray code.

本発明のその他の実施形態において、ジョンソンカウンタを用いた位相シフトコード生成回路を搭載することで、RC負荷が大きいカラムA/D変換回路部などに分配するクロック信号、ないしは計数値信号に、むやみに急峻な立ち上がり・立下り特性を要求する必要がなくなるという効果を有する。   In another embodiment of the present invention, by mounting a phase shift code generation circuit using a Johnson counter, a clock signal distributed to a column A / D conversion circuit unit having a large RC load or a count value signal is inevitably generated. In addition, there is an effect that it is not necessary to request steep rise / fall characteristics.

また、DLLを用いた位相シフト生成回路を搭載することで、各列のカラムA/D変換回路に分配される(クロック)信号だけでなく、クロック生成回路で生成されるクロック信号に関しても、GHz級のクロック信号を生成をしなくてよいという設計上のスペック緩和が可能となる。そのため、撮像素子(固体撮像装置)に必須の高画質プロセスに対して必ずしも相容れない特性を備える高速CMOSプロセスを無理に融合する必要がなくなるという効果を有する。また、システムとしても撮像素子の中のノイズ低減や電磁輻射の低減につながるという効果を有する。   In addition, by mounting a phase shift generation circuit using DLL, not only the (clock) signal distributed to the column A / D conversion circuits of each column but also the clock signal generated by the clock generation circuit is GHz. The design specifications can be relaxed so that it is not necessary to generate a class clock signal. Therefore, there is an effect that it is not necessary to forcibly merge a high-speed CMOS process having characteristics that are not necessarily compatible with a high-quality process essential for an imaging element (solid-state imaging device). In addition, the system has an effect of reducing noise in the image sensor and reducing electromagnetic radiation.

また、図15(a)、(b)は、図5、図8に示す2m−1ビット位相シフトコード/バイナリ変換器113の構成例を示す図である。図15(a)は、ビット幅m=2の場合を示し、(b)は、ビット幅m=3の場合を示す。 FIGS. 15A and 15B are diagrams illustrating a configuration example of the 2 m−1 bit phase shift code / binary converter 113 illustrated in FIGS. 5 and 8. FIG. 15A shows the case where the bit width m = 2, and FIG. 15B shows the case where the bit width m = 3.

図15(a)に示すように、m=2の場合、位相シフトコード/バイナリ変換器に入力された位相シフトコードのPS〔0〕およびPS〔1〕は共に排他的論理和回路905に入力され、排他的論理和回路905でバイナリのBIN〔0〕に変換される。また、位相シフトコードの最上位ビットであるPS〔1〕はそのままバイナリの最上位ビットBIN〔1〕として出力される。   As shown in FIG. 15A, when m = 2, both the phase shift code PS [0] and PS [1] input to the phase shift code / binary converter are input to the exclusive OR circuit 905. Then, the exclusive OR circuit 905 converts it into binary BIN [0]. Further, PS [1], which is the most significant bit of the phase shift code, is output as binary most significant bit BIN [1] as it is.

また、図15(b)に示すように、m=3の場合、排他的論理和回路905が三個設けられ、一段目の排他的論理和回路905aにはPS〔0〕とPS〔2〕が入力され、同じく一段目の排他的論理和回路905bにはPS〔1〕とPS〔3〕が入力される。排他的論理和回路905a、905bの出力は二段目の排他的論理和回路905cに入力され、排他的論理和回路905cからはバイナリの最下位ビットBIN〔0〕が出力される。バイナリのBIN〔1〕は排他的論理和回路905bから出力され、バイナリの最上位ビットBIN〔2〕としては、位相シフトコードの最上位ビットPS〔3〕がそのまま出力される。このように、位相シフトコードからバイナリへの変換は、排他的論理和回路を組み合わせて容易に行うことができる。   Further, as shown in FIG. 15B, when m = 3, three exclusive OR circuits 905 are provided, and PS [0] and PS [2] are provided in the first exclusive OR circuit 905a. Similarly, PS [1] and PS [3] are input to the exclusive OR circuit 905b in the first stage. The outputs of the exclusive OR circuits 905a and 905b are input to the second-stage exclusive OR circuit 905c, and the binary least significant bit BIN [0] is output from the exclusive OR circuit 905c. The binary BIN [1] is outputted from the exclusive OR circuit 905b, and the most significant bit PS [3] of the phase shift code is outputted as it is as the most significant bit BIN [2] of the binary. As described above, the conversion from the phase shift code to the binary can be easily performed by combining the exclusive OR circuit.

以上説明したように、本発明の固体撮像装置およびその駆動方法は、光や放射線など種々の物理量分布を検知するための撮像装置に有用である。   As described above, the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention are useful for an imaging device for detecting various physical quantity distributions such as light and radiation.

本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置(MOSセンサ)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the solid-state imaging device (MOS sensor) which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)は、第2の従来例に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路における動作波形を示す図であり、(b)は、第1の実施形態に係るMOSセンサのA/D変換回路における動作波形を示す図である。(A) is a figure which shows the operation waveform in the column A / D conversion circuit of the MOS sensor which concerns on a 2nd prior art example, (b) is the A / D conversion circuit of the MOS sensor which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows the operation | movement waveform in. (a)は、第2の従来例に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路における動作波形を示す図であり、(b)は、第1の実施形態に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路における動作波形を示す図である。(A) is a figure which shows the operation | movement waveform in the column A / D conversion circuit of the MOS sensor which concerns on a 2nd prior art example, (b) is column A / D conversion of the MOS sensor which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows the operation | movement waveform in a circuit. 第1の実施形態に係るMOSセンサの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the MOS sensor which concerns on 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態に係るMOSセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the MOS sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態に係るMOSセンサにおいて、A/D変換値の下位4ビット分を位相シフトコードに置き換えた場合の波形図である。In the MOS sensor which concerns on 2nd Embodiment, it is a wave form diagram at the time of substituting the low-order 4 bits of A / D conversion value for the phase shift code. 本発明の第3の実施形態に係るMOSセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the MOS sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 第3の実施形態に係るMOSセンサの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the MOS sensor which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係るMOSセンサの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the MOS sensor which concerns on 3rd Embodiment. 第1の実施形態に係るMOSセンサのカラムA/D変換回路内に出力用メモリを設けた場合のMOSセンサを示す図である。It is a figure which shows a MOS sensor at the time of providing the memory for output in the column A / D conversion circuit of the MOS sensor which concerns on 1st Embodiment. (a)は、ジョンソンカウンタを用いた第1の構成例に係る2m−1ビット位相シフトコード生成回路を示す回路図であり、(b)は、第1の構成例に係る2m−1ビット位相シフトコード生成回路における信号波形を示す図である。(A) is a circuit diagram which shows the 2 m-1 bit phase shift code generation circuit which concerns on the 1st structural example using a Johnson counter, (b) is 2 m-1 which concerns on a 1st structural example. It is a figure which shows the signal waveform in a bit phase shift code generation circuit. (a)は、ジョンソンカウンタを用いた第1の構成例に係る2m−1ビット位相シフトコード生成回路を示す回路図であり(b)は、第1の構成例に係る2m−1ビット位相シフトコード生成回路における信号波形を示す図である。(A) is a circuit diagram showing a 2 m-1 bit phase shift code generation circuit according to a first configuration example using a Johnson counter, and (b) is a 2 m-1 bit according to the first configuration example. It is a figure which shows the signal waveform in a phase shift code generation circuit. (a)〜(c)は、DLLを用いた第2の構成例に係る2m−1ビット位相シフトコード生成回路を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the 2 m-1 bit phase shift code generation circuit based on the 2nd structural example using DLL. 図13(a)、(b)に示すDLLの回路構成を利用し、π/2m−1ずつ位相がずれた信号を出力する2m−1ビット位相シフトコード生成回路の構成例を示す図である。The figure which shows the structural example of the 2m-1 bit phase shift code generation circuit which outputs the signal which shifted the phase by (pi) / 2 m-1 using the circuit structure of DLL shown to Fig.13 (a), (b). It is. (a)、(b)は、図5、図8に示す2m−1ビット位相シフトコード/バイナリ変換器113の構成例を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the structural example of 2 m-1 bit phase shift code / binary converter 113 shown in FIG. 5, FIG. 第1の従来例に係るMOSセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the MOS sensor which concerns on a 1st prior art example. 第2の従来例に係るMOSセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the MOS sensor which concerns on a 2nd prior art example. (a)は、第1の従来例と同タイプのMOSセンサのデジタルメモリに供給されるクロック信号とデジタルメモリの位置の関係を概略的に示す図であり、(b)は、クロック周波数がfである場合の(a)における点Aと点Cでのクロック波形を示す図であり、(c)は、クロック周波数が2fである場合の(a)における点Aと点Cでのクロック波形を示す図である。(A) is a figure which shows roughly the relationship between the clock signal supplied to the digital memory of the MOS sensor of the same type as a 1st prior art example, and the position of a digital memory, (b) is a clock frequency f. Is a diagram showing clock waveforms at point A and point C in (a) in the case of (a), and (c) is a clock waveform at points A and C in (a) when the clock frequency is 2f. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 画素
102 画素アレー
103 読み出し信号線
104 バイナリカウンタ
105 DAC
106 カラムA/D変換回路
107 比較器
108 デジタルメモリ
109 出力バッファ
112 π/2m−1位相シフトコード生成回路
113 位相シフトコード/バイナリ変換器
117 減算器
119 インバータ
120 クロック生成回路
121 クロック信号
122 アナログランプ電圧
123 比較器出力信号
125 位相シフトコード
126、127、128、228、327、348 出力信号バス
130 カウントモード切替信号
131 Up用ラッチ選択信号
132 Down用ラッチ選択信号
141 反転クロック信号
208 カラムカウンタ
218 U/Dカウンタ
308 ラッチ
318 U用ラッチ
328 D用ラッチ
338 シーケンサ
358 U用2m−1ビット・ラッチ
368 D用2m−1ビット・ラッチ
408 2m−1ビット・ラッチ
801 遅延部
802 位相比較器
803 電荷ポンプ回路
804 インバータ
805 MOSスイッチ
806 容量
807 クロックバッファ
901a、901b、901c、901d D型フリップフロップ
902a、902b、902c、902d インバータ
905、905a、905b 排他的論理和回路
101 pixels
102 pixel array
103 Read signal line
104 Binary counter
105 DAC
106 Column A / D conversion circuit
107 comparator
108 Digital memory
109 Output buffer
112 π / 2 m−1 phase shift code generation circuit
113 Phase shift code / binary converter
117 Subtractor
119 inverter
120 clock generation circuit
121 clock signal
122 Analog lamp voltage
123 Comparator output signal
125 phase shift code
126, 127, 128, 228, 327, 348 Output signal bus
130 Count mode switching signal
131 Latch selection signal for Up
132 Down latch selection signal
141 Inverted clock signal
208 column counter
218 U / D counter
308 Latch
318 U latch
328 D latch
338 sequencer
358 U 2 m-1 bit latch
368 D 2 m-1 bit latch for D
408 2 m−1 bit latch 801 delay unit
802 Phase comparator
803 Charge pump circuit
804 inverter
805 MOS switch
806 capacity
807 clock buffer
901a, 901b, 901c, 901d D-type flip-flop
902a, 902b, 902c, 902d inverter
905, 905a, 905b exclusive OR circuit

Claims (15)

物理量を検知する感応素子が行列状に配置されてなる感応素子アレーと、
前記感応素子の1列、または複数列ごとに設けられ、各列の前記感応素子から出力される信号をデジタル信号に変換するためのカラムA/D変換回路と、
各列の前記カラムA/D変換回路から出力されるデジタル信号を伝送する出力信号バスと、
前記カラムA/D変換回路にカウンタ用クロック信号とラッチ用クロック信号とを供給するクロック生成回路と、
三角波を出力するD/Aコンバータとを備えた物理量検知装置であって、
前記各カラムA/D変換回路は、
所定の期間に前記感応素子から出力される前記信号と前記三角波の電位とを比較する比較器と、
前記カウンタ用クロック信号のパルスをカウントするとともに、前記比較器の出力が変化する時点での計数値を保持するカラムカウンタと、
前記ラッチ用クロック信号を受け、前記比較器からの出力が変化する時点での前記ラッチ用クロック信号の値を保持する1個または複数個のラッチを有し、前記カラムカウンタの計数値と前記ラッチが保持する値とを組み合わせて表現されるA/D変換値に応じた大きさの前記デジタル信号を前記出力信号バスに出力する物理量検知装置。
A sensitive element array in which sensitive elements for detecting physical quantities are arranged in a matrix;
A column A / D conversion circuit that is provided for each one or a plurality of rows of the sensitive elements, and converts a signal output from the sensitive elements of each row into a digital signal;
An output signal bus for transmitting a digital signal output from the column A / D conversion circuit of each column;
A clock generation circuit for supplying a counter clock signal and a latch clock signal to the column A / D conversion circuit;
A physical quantity detection device including a D / A converter that outputs a triangular wave,
Each of the column A / D conversion circuits is
A comparator that compares the signal output from the sensitive element with a potential of the triangular wave during a predetermined period;
A column counter that counts the pulses of the counter clock signal and holds a count value at the time when the output of the comparator changes;
Receiving one or more latches for receiving the latch clock signal and holding the value of the latch clock signal at the time when the output from the comparator changes, the count value of the column counter and the latch A physical quantity detection device that outputs the digital signal having a magnitude corresponding to an A / D conversion value expressed in combination with a value held by the output signal bus.
前記感応素子は受光部を有する画素であり、
前記感応素子アレーは画素アレーであり、
前記物理量検知装置は固体撮像装置であることを特徴とする請求項1に記載の物理量検知装置。
The sensitive element is a pixel having a light receiving portion,
The sensitive element array is a pixel array;
The physical quantity detection device according to claim 1, wherein the physical quantity detection device is a solid-state imaging device.
前記ラッチ用クロック信号は周波数が同じで位相が異なるs個の信号を含んでおり、
前記ラッチは複数個設けられ、且つ前記s個のクロック信号をそれぞれ保持しており、
前記ラッチに保持された値は前記A/D変換値の下位mビット(mは正の整数)を表現し、s=2(m−1) であることを特徴とする請求項1または2に記載の物理量検知装
置。
The latch clock signal includes a a frequency the same phase difference s number of signals,
A plurality of the latches are provided and hold the s clock signals, respectively.
The value held in the latch represents the lower m bits (m is a positive integer) of the A / D conversion value, and s = 2 (m-1). The physical quantity detection device described.
前記カウンタ用クロック信号の周波数は前記ラッチ用クロック信号と同じ周波数であることを特徴とする請求項3に記載の物理量検知装置。   4. The physical quantity detection device according to claim 3, wherein the frequency of the counter clock signal is the same as that of the latch clock signal. 前記各カラムA/D変換回路は、
前記カラムカウンタに保持された計数値と前記ラッチに保持された値とをコピーするための出力用メモリをさらに有しており、
前記物理量検知装置は、各列の前記出力用メモリに保持された前記A/D変換値を順次選択して前記出力信号バスに出力させる列選択手段をさらに備えていることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の物理量検知装置。
Each of the column A / D conversion circuits is
An output memory for copying the count value held in the column counter and the value held in the latch;
The physical quantity detection device further comprises column selection means for sequentially selecting the A / D conversion values held in the output memory for each column and outputting the selected values to the output signal bus. The physical quantity detection device according to any one of 1 to 4.
前記クロック生成回路から出力された周波数fのクロック信号から、周波数がfで位相がπ/sずつずれたs個の信号を生成して前記ラッチに供給する位相シフトコード生成回路をさらに備えていることを特徴とする請求項3に記載の物理量検知装置。   A phase shift code generation circuit that generates s signals having a frequency of f and a phase shifted by π / s from the clock signal of frequency f output from the clock generation circuit and supplies the generated signals to the latch; The physical quantity detection device according to claim 3. 位相シフトコードで表現された前記ラッチの出力をバイナリコード表現に変換する位相シフトコード/バイナリ変換器をさらに備えていることを特徴とする請求項6に記載の物理量検知装置。   The physical quantity detection device according to claim 6, further comprising a phase shift code / binary converter that converts an output of the latch expressed in a phase shift code into a binary code representation. 前記位相シフトコード生成回路には前記クロック信号が入力され、
前記位相シフトコード生成回路は複数の遅延段を含み、周波数が互いに同一で位相がπ/sずつずれたs個の信号を出力するDLL回路を有することを特徴とする請求項6または7に記載の物理量検知装置。
The clock signal is input to the phase shift code generation circuit,
8. The DLL circuit according to claim 6, wherein the phase shift code generation circuit includes a plurality of delay stages, and includes a DLL circuit that outputs s signals having the same frequency and a phase shifted by π / s. Physical quantity detector.
前記クロック生成回路から出力されたクロック信号を受け、前記D/Aコンバータにバイナリ値を出力するバイナリカウンタをさらに備え、
前記D/Aコンバータは、前記バイナリ値の入力に応じて前記三角波を出力することを特徴とする請求項1〜のうちいずれか1つに記載の物理量検知装置。
A binary counter that receives the clock signal output from the clock generation circuit and outputs a binary value to the D / A converter;
The D / A converter, a physical quantity detecting device according to any one of claims 1-8, characterized by outputting the triangular wave in response to an input of the binary value.
前記カラムカウンタでの計数値は、前記カウンタ用クロック信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジで変化することを特徴とする請求項1〜のうちいずれか1つに記載の物理量検知装置。 Count in the column counter, the physical quantity detecting device according to any one of claims 1-9, characterized in that changes on the rising or falling edge of the counter clock signal. 前記カラムカウンタでの計数値は前記カウンタ用クロック信号の立ち上がりエッジで変化し、
前記物理量検知装置は、前記クロック生成回路と各列の前記ラッチとの間に介設された第1のインバータ、または各列の前記ラッチからの出力信号を反転させる第2のインバータを備えていることを特徴とする請求項1〜10のうちいずれか1つに記載の物理量検知装置。
The count value in the column counter changes at the rising edge of the counter clock signal,
The physical quantity detection device includes a first inverter interposed between the clock generation circuit and the latch of each column, or a second inverter that inverts an output signal from the latch of each column. physical quantity detecting apparatus according to any one of claims 1-10, characterized in that.
前記ラッチに保持された値はバイナリコードにより前記A/D変換値の最下位側の1ビットまたは複数ビットを表現していることを特徴とする請求項1または2に記載の物理量検知装置。   The physical quantity detection device according to claim 1, wherein the value held in the latch represents one bit or a plurality of bits on the least significant side of the A / D conversion value by a binary code. 前記カラムカウンタは前記感応素子から出力された信号の上位ビットをアップカウントするとともに、リセット時に前記感応素子から出力された信号の上位ビットをダウンカウントするアップダウンカウンタであり、
前記ラッチは、前記感応素子から出力された信号の下位ビットを保持するアップ用ラッチと、リセット時の前記感応素子から出力される信号の下位ビットを保持するダウン用ラッチとで構成されており、
前記出力信号バスには、前記アップ用ラッチの出力、前記ダウン用ラッチの出力、および前記カラムカウンタにおけるアップカウント時の計数値とダウンカウント時の計数値の差分が列ごとに出力されることを特徴とする請求項1〜12のうちいずれか1つに記載の物理量検知装置。
The column counter is an up / down counter that counts up the high-order bits of the signal output from the sensitive element and down-counts the high-order bits of the signal output from the sensitive element at the time of resetting.
The latch includes an up latch that holds a lower bit of a signal output from the sensitive element, and a down latch that holds a lower bit of a signal output from the sensitive element at the time of reset,
The output signal bus outputs the output of the up latch, the output of the down latch, and the difference between the count value at the time of counting up and the count value at the time of down counting in the column counter for each column. physical quantity detecting apparatus according to any one of claims 1 to 12, characterized.
物理量を検知する感応素子が行列状に配置されてなる感応素子アレーと、前記感応素子の1列、または複数列ごとに設けられ、各々が比較器と、カラムカウンタと、1個または複数個のラッチとを有し、各列の前記感応素子から出力される信号をデジタル信号に変換するためのカラムA/D変換回路と、各列の前記カラムA/D変換回路から出力されるデジタル信号を伝送する出力信号バスと、前記カラムA/D変換回路にカウンタ用クロック信号とs個のラッチ用クロック信号とを供給するクロック生成回路と、三角波を出力するD/Aコンバータとを備えた物理量検知装置の駆動方法であって、
前記比較器が、前記感応素子から読み出された信号の電位と前記三角波の電位とを所定の期間に比較するステップ(a)と、
前記比較器による比較開始時から、前記カラムカウンタが前記カウンタ用クロック信号
のパルスをカウントするステップ(b)と、
前記ステップ(b)の後、前記比較器からの出力が変化する時点で前記カラムカウンタに入力される前記カウンタ用クロック信号がマスクされ、前記カラムカウンタの計数値を保持するステップ(c)と、
前記ステップ(b)の後、前記比較器からの出力が変化する時点でのs個の前記ラッチ用クロック信号のそれぞれの電位を前記ラッチが保持するステップ(d)と、
前記ステップ(d)で前記ラッチが保持する値を下位mビットとし、前記ステップ(c)で保持された前記カラムカウンタの計数値と組み合わせて表現される値をもとにして、所定の電圧のデジタル信号を前記カラムA/D変換回路が前記出力信号バスに出力するステップ(e)とを備えている物理量検知装置の駆動方法。
A sensing element array in which sensing elements for detecting a physical quantity are arranged in a matrix, and one or a plurality of columns of the sensing elements are provided, each including a comparator, a column counter, and one or a plurality of sensing elements. A column A / D conversion circuit for converting a signal output from the sensitive element in each column into a digital signal, and a digital signal output from the column A / D conversion circuit in each column. Physical quantity detection comprising: an output signal bus for transmission; a clock generation circuit for supplying a counter clock signal and s latch clock signals to the column A / D conversion circuit; and a D / A converter for outputting a triangular wave. A method for driving an apparatus, comprising:
The comparator compares the potential of the signal read from the sensitive element with the potential of the triangular wave for a predetermined period;
The column counter counting pulses of the counter clock signal from the start of comparison by the comparator;
After the step (b), the counter clock signal input to the column counter is masked when the output from the comparator changes, and the counter (c) holds the count value of the column counter ;
Step (d) in which the latch holds the potential of each of the s latch clock signals at the time when the output from the comparator changes after the step (b);
The value held by the latch in step (d) is the lower m bits, and based on the value expressed in combination with the count value of the column counter held in step (c), a predetermined voltage And a step (e) in which the column A / D conversion circuit outputs a digital signal to the output signal bus.
前記物理量検知装置は、前記各カラムA/D変換回路内に設けられ、前記カラムカウンタの出力部および前記ラッチの出力部に接続された出力用メモリと、列選択手段とをさらに備えており、
前記ステップ(e)では、全列分の前記感応素子から読み出された信号について前記ステップ(c)、(d)が終了した後、前記カラムカウンタと前記ラッチで保持されている全列分のデジタル信号を前記出力用メモリにコピーした後、前記感応素子アレーの次の選択行に対する、前記ステップ(a)の動作と並行して、前記列選択手段により前記出力用メモリから各列の前記デジタル信号を順次前記出力信号バスに読み出すことを特徴とする請求項14に記載の物理量検知装置の駆動方法。
The physical quantity detection device further includes an output memory provided in each column A / D conversion circuit, connected to an output unit of the column counter and an output unit of the latch, and a column selection unit.
In the step (e), after the steps (c) and (d) are completed for the signals read from the sensitive elements for all the columns, the signals for all the columns held by the column counter and the latch are stored. After copying the digital signal to the output memory, in parallel with the operation of the step (a) for the next selected row of the sensitive element array, the column selection means causes the digital of each column from the output memory. 15. The method of driving a physical quantity detection device according to claim 14 , wherein signals are sequentially read out to the output signal bus.
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