JP5011538B2 - Cyclic analog-digital converter and image sensor device - Google Patents

Cyclic analog-digital converter and image sensor device Download PDF

Info

Publication number
JP5011538B2
JP5011538B2 JP2007094678A JP2007094678A JP5011538B2 JP 5011538 B2 JP5011538 B2 JP 5011538B2 JP 2007094678 A JP2007094678 A JP 2007094678A JP 2007094678 A JP2007094678 A JP 2007094678A JP 5011538 B2 JP5011538 B2 JP 5011538B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
signal
gain
cyclic
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2007094678A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008252792A (en
Inventor
祥二 川人
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shizuoka University NUC
Original Assignee
Shizuoka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shizuoka University NUC filed Critical Shizuoka University NUC
Priority to JP2007094678A priority Critical patent/JP5011538B2/en
Publication of JP2008252792A publication Critical patent/JP2008252792A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5011538B2 publication Critical patent/JP5011538B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Facsimile Heads (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Image Input (AREA)

Description

本発明は、巡回型アナログ・ディジタル(A/D)変換器、イメージセンサデバイス、および巡回型A/D変換によりアナログ値からディジタル値を生成する方法に関する。   The present invention relates to a cyclic analog-to-digital (A / D) converter, an image sensor device, and a method for generating a digital value from an analog value by cyclic A / D conversion.

非特許文献1には、イメージセンサのカラムに集積化された巡回型A/D変換器が記載されている。また、非特許文献2には、世界で初めて12ビット分解能の実現した巡回型A/D変換器が記載されている。この巡回型A/D変換器は、非常にダイナミックレンジの広いCMOSイメージセンサに適用されている。さらに、特許文献1には、イメージセンサ用A/D変換アレイが記載されている。非特許文献1の巡回型A/D変換器では、イメージセンサの画素によって発生されるノイズをキャンセルするためのアンプと合わせて、1チャネル当たり3個のアンプが必要であり、これらは大きなエリアを必要とし、また多数のアンプは消費電力の増大になる。一方、特許文献1のA/D変換器は、ノイズキャンセルと巡回型A/D変換すると共に、アンプの数を削減することが可能である。
S. Decker, R. D. Mcgrath, K. Brehmer, C. G. Sodini, “A 256 x 256 CMOS imagingarray with wide dynamic range pixels and column parallel digital output,” IEEE J. Solid-StateCircuits, vol. 33, no. 12, pp. 2081-2091, Dec. 1998. M. Mase, S. Kawahito, M. Sasaki, Y. Wakamori, A 19.5b Dynamic Range CMOS Image Sensor with 12b Column-Parallel Cyclic A/D Converters,Dig. Tech. Papers, Int. Solid-Sate Circuits Conf., No. 19.3 (2005). 特開2005−136540号公報
Non-Patent Document 1 describes a cyclic A / D converter integrated in an image sensor column. Non-Patent Document 2 describes the world's first cyclic A / D converter with 12-bit resolution. This cyclic A / D converter is applied to a CMOS image sensor having a very wide dynamic range. Further, Patent Document 1 describes an A / D conversion array for an image sensor. In the cyclic A / D converter of Non-Patent Document 1, three amplifiers per channel are required together with amplifiers for canceling noise generated by the pixels of the image sensor. Necessary and many amplifiers increase power consumption. On the other hand, the A / D converter disclosed in Patent Document 1 can reduce the number of amplifiers while performing noise cancellation and cyclic A / D conversion.
S. Decker, RD Mcgrath, K. Brehmer, CG Sodini, “A 256 x 256 CMOS imaging array with wide dynamic range pixels and column parallel digital output,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, no. 12, pp. 2081-2091, Dec. 1998. M. Mase, S. Kawahito, M. Sasaki, Y. Wakamori, A 19.5b Dynamic Range CMOS Image Sensor with 12b Column-Parallel Cyclic A / D Converters, Dig. Tech. Papers, Int.Solid-Sate Circuits Conf., No. 19.3 (2005). JP 2005-136540 A

A/D変換により3値のディジタル値を生成することによって、比較回路への精度要求を緩めることができる。しかしながら、3値のディジタル値を生成するA/D変換器では、2個の比較器が必要である。また、内部D/A変換回路で用いる参照電圧のために、電圧源(+Vref/4、−Vref/4)が必要である。このための回路に加えて、この信号を提供するための配線領域も必要となる。比較回路の回路構成も、3値のディジタル値を生成するために複雑になる。さらに、D/A変換回路は、ゼロを含む3つの信号の切り替えを行うので、この切り替えに起因してコード依存のオフセット電圧が生じることがあり、この結果、変換精度が低下する。また、このA/D変換器は冗長コードを生成するので、A/D変換器の出力には、非冗長表現のビット数に比べて約2倍のビット幅に信号を記憶する回路と、それらの信号を水平走査するための回路が必要になる。このA/D変換器をイメージセンサと集積化するイメージセンサデバイスでは、これらの回路をセルアレイに近接して配置することが必要である。 By generating ternary digital values by A / D conversion, it is possible to relax the accuracy requirement for the comparison circuit. However, an A / D converter that generates ternary digital values requires two comparators. Moreover, voltage sources (+ V ref / 4, −V ref / 4) are necessary for reference voltages used in the internal D / A conversion circuit. In addition to the circuit for this purpose, a wiring area for providing this signal is also required. The circuit configuration of the comparison circuit is also complicated because it generates ternary digital values. Furthermore, since the D / A conversion circuit switches three signals including zero, a code-dependent offset voltage may occur due to this switching, resulting in a decrease in conversion accuracy. Since this A / D converter generates a redundant code, the output of the A / D converter includes a circuit for storing a signal with a bit width approximately twice the number of bits of the non-redundant expression, A circuit for horizontally scanning these signals is required. In an image sensor device in which this A / D converter is integrated with an image sensor, it is necessary to arrange these circuits close to the cell array.

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、3値のディジタル値を用いること無く比較回路への精度要求を緩めることができる巡回型A/D変換器を提供することを目的とし、また巡回型A/D変換器を用いるイメージセンサデバイスを提供することを目的とし、さらに巡回型A/D変換によりアナログ値からディジタル値を生成する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a cyclic A / D converter that can relax the accuracy requirement of a comparison circuit without using a ternary digital value. It is an object of the present invention to provide an image sensor device using a cyclic A / D converter, and to provide a method of generating a digital value from an analog value by cyclic A / D conversion.

本発明の一側面は、M+1ビットのディジタル値を生成するためにN回(N>M+1)の巡回動作を行う巡回型A/D変換器である。この巡回型A/D変換器は、(a)2未満であるの所定の利得Gの増幅を提供するゲインステージと、(b)巡回型アナログ・ディジタル変換器への入力信号またはゲインステージからの変換信号に応じて2値のディジタル値を生成する比較回路と、(c)比較回路からの制御信号に応じたD/A信号をゲインステージに提供するD/A変換回路とを備える。ゲインステージは、D/A信号に応じた巡回動作を行って変換信号を生成する。   One aspect of the present invention is a cyclic A / D converter that performs N (N> M + 1) cyclic operations to generate an M + 1-bit digital value. The cyclic A / D converter includes (a) a gain stage that provides amplification of a predetermined gain G that is less than 2, and (b) an input signal to the cyclic analog-to-digital converter or from the gain stage. A comparison circuit that generates a binary digital value according to the conversion signal, and (c) a D / A conversion circuit that provides a D / A signal according to the control signal from the comparison circuit to the gain stage. The gain stage performs a cyclic operation according to the D / A signal to generate a converted signal.

利得2倍のゲインステージを用いる巡回型A/D変換器では、比較回路のオフセット誤差の影響により、変換結果が、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えてしまうとき、大きな変換誤差が生じる。一方、本発明の巡回型A/D変換器によれば、ゲインステージの利得が2未満の所定値であるので、変換結果が、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えることはなく、比較回路に対する要求精度を緩和できる。   In a cyclic A / D converter using a gain stage of twice the gain, when the conversion result exceeds the maximum value or minimum value allowed in the A / D conversion due to the influence of the offset error of the comparison circuit, A large conversion error occurs. On the other hand, according to the cyclic A / D converter of the present invention, since the gain of the gain stage is a predetermined value less than 2, the conversion result exceeds the maximum value or minimum value allowed in the A / D conversion. The accuracy required for the comparison circuit can be relaxed.

また、この巡回型A/D変換器は、(d)利得Gに関連づけられた補正係数を用いて比較回路からのN個のディジタル値を補正して、M+1ビットのディジタル値を生成する補正回路を備える。2未満の利得のゲインステージを用いることによる変換誤差は、比較的少なく回数の巡回変換の増加により生成する追加のディジタル値(N−M−1)を生成すると共に、利得Gに関連づけられた補正係数を用いてA/D変換ディジタル値(Nビット)を補正することにより除くことができ、この結果、本発明の巡回型A/D変換器は、所望のビット数(M+1)のディジタル値を提供する。   Further, this cyclic A / D converter (d) corrects N digital values from the comparison circuit using a correction coefficient associated with the gain G, and generates a M + 1 bit digital value. Is provided. The conversion error due to the use of a gain stage with a gain of less than 2 generates an additional digital value (N-M-1) that is generated by a relatively small increase in the number of cyclic conversions and a correction associated with the gain G. The A / D conversion digital value (N bits) can be eliminated by correcting the coefficient. As a result, the cyclic A / D converter according to the present invention converts the digital value of the desired number of bits (M + 1). provide.

本発明の巡回型A/D変換器では、補正回路は、N個のディジタル値と補正係数との積和演算値を生成する回路を含むことができる。この巡回型A/D変換器によれば、積和演算回路により、2未満の利得のゲインステージを用いることによる変換誤差を含むディジタル値から、補正されたディジタル値を生成できる。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the correction circuit may include a circuit that generates a product-sum operation value of N digital values and correction coefficients. According to this cyclic A / D converter, a corrected digital value can be generated from a digital value including a conversion error caused by using a gain stage having a gain of less than 2 by a product-sum operation circuit.

本発明の巡回型A/D変換器では、ゲインステージは、利得に関連づけられたキャパシタンス比を提供するキャパシタ値の第1および第2のキャパシタと、第1および第2のキャパシタのキャパシタンス比による利得での増幅を行うための演算増幅回路とを含むことができる。キャパシタンス比によって、好適な精度で2未満のゲインステージ利得が提供される。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the gain stage includes first and second capacitors having a capacitance value that provides a capacitance ratio associated with the gain, and gain due to the capacitance ratio of the first and second capacitors. And an operational amplifier circuit for amplifying the signal. The capacitance ratio provides a gain stage gain of less than 2 with suitable accuracy.

本発明の巡回型A/D変換器では、第1のキャパシタは、巡回型アナログ・ディジタル変換器の入力からのアナログ信号を第1の期間中に受け、第1の期間の後の第2の期間にD/A変換回路と演算増幅回路の入力との間に接続されると共に、第2の期間の後の第3の期間に演算増幅回路の出力に接続され、第2のキャパシタは、第1の期間中にアナログ信号を受けると共に、第2および第3の期間に演算増幅回路の入力と出力との間に接続されることができる。この巡回型A/D変換器によれば、キャパシタンス比によって規定される利得で、巡回型A/D変換器の動作が提供される。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the first capacitor receives an analog signal from the input of the cyclic analog-digital converter during the first period, and the second capacitor after the first period. The second capacitor is connected between the D / A conversion circuit and the input of the operational amplifier circuit during the period, and is connected to the output of the operational amplifier circuit during the third period after the second period. The analog signal can be received during one period and can be connected between the input and output of the operational amplifier circuit during the second and third periods. According to this cyclic A / D converter, the operation of the cyclic A / D converter is provided with a gain defined by the capacitance ratio.

本発明の巡回型A/D変換器では、第1のキャパシタのキャパシタ値は第2のキャパシタのキャパシタ値よりも小さい。この巡回型A/D変換器によれば、キャパシタを用いることによって、好適な精度で2未満の利得がゲインステージに提供される。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the capacitor value of the first capacitor is smaller than the capacitor value of the second capacitor. According to this cyclic A / D converter, by using a capacitor, a gain of less than 2 is provided to the gain stage with suitable accuracy.

本発明の巡回型A/D変換器では、補正回路の補正係数は、さらに演算増幅回路の有限利得誤差に関連づけられていてもよい。この巡回型A/D変換器によれば、補正回路は、演算増幅回路の有限利得誤差に関する誤差も低減できる。また、本発明の巡回型A/D変換器では、補正回路の補正係数は、さらにキャパシタンス比のミスマッチに関連づけられていてもよい。この巡回型A/D変換器によれば、補正回路は、キャパシタンス比のミスマッチに関する誤差も低減できる。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the correction coefficient of the correction circuit may be further associated with a finite gain error of the operational amplifier circuit. According to this cyclic A / D converter, the correction circuit can also reduce errors related to the finite gain error of the operational amplifier circuit. In the cyclic A / D converter of the present invention, the correction coefficient of the correction circuit may be further associated with a capacitance ratio mismatch. According to this cyclic A / D converter, the correction circuit can also reduce errors related to capacitance ratio mismatch.

本発明の巡回型A/D変換器では、補正回路は、M+1ビットの第1の積和演算値を生成する回路と、Nビットの第2の積和演算を生成する回路とを含み、M+1ビットのディジタル値は第1および第2の積和演算値から生成されることができる。この巡回型A/D変換器によれば、キャパシタンス比のミスマッチの誤差補正が為されるとき、誤差のディジタル補正のための補正値は、2つの積和演算値によって生成される。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the correction circuit includes a circuit that generates an M + 1-bit first product-sum operation value and a circuit that generates an N-bit second product-sum operation, and M + 1 The digital value of the bit can be generated from the first and second multiply-accumulate values. According to this cyclic A / D converter, when the error correction of the mismatch of the capacitance ratio is performed, a correction value for digital correction of the error is generated by two product-sum operation values.

本発明の巡回型A/D変換器では、比較回路は、受けた信号を単一の参照信号と比較することができる。この巡回型A/D変換器によれば、ゲインステージの利得が2未満なので、入力信号を単一の参照信号と比較する比較回路を用いても、変換結果が、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えることはない。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the comparison circuit can compare the received signal with a single reference signal. According to this cyclic A / D converter, since the gain of the gain stage is less than 2, even if a comparison circuit that compares the input signal with a single reference signal is used, the conversion result is acceptable in the A / D conversion. Never exceed the maximum or minimum value.

本発明の巡回型A/D変換器では、ゲインステージは、全差動回路を含むと共に非反転信号および反転出力信号を提供しており、比較回路は、非反転出力信号および反転出力信号を受ける差動回路を含むことができる。この巡回型A/D変換器によれば、ゲインステージの利得が2未満なので、非反転出力信号および反転出力信号を受ける差動回路を比較回路として用いても、変換結果が、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えることはない。   In the cyclic A / D converter of the present invention, the gain stage includes a fully differential circuit and provides a non-inverted signal and an inverted output signal, and the comparison circuit receives the non-inverted output signal and the inverted output signal. A differential circuit may be included. According to this cyclic A / D converter, since the gain of the gain stage is less than 2, even if a differential circuit that receives a non-inverted output signal and an inverted output signal is used as a comparison circuit, the conversion result is A / D converted. Does not exceed the maximum or minimum value allowed.

本発明に係る別の側面は、イメージセンサデバイスである。このイメージセンサデバイスはイメージセンサセルのセルアレイと、上記いずれかの巡回型アナログ・ディジタル変換器の回路アレイとを備え、巡回型アナログ・ディジタル変換器は、イメージセンサセルの少なくとも一のカラムからの信号を処理する。   Another aspect according to the present invention is an image sensor device. The image sensor device includes a cell array of image sensor cells and a circuit array of any one of the cyclic analog-digital converters described above, and the cyclic analog-digital converter receives signals from at least one column of the image sensor cells. Process.

本発明のイメージセンサデバイスでは、イメージセンサセルは、リセットレベルに対応する第1の信号と信号レベルに対応する第2の信号を提供し、ゲインステージは、非反転入力および反転入力を有すると共に全差動構成の演算増幅回路を含み、ゲインステージは、イメージセンサセルからの第1および第2の信号の一方を非反転入力に受けると共に、イメージセンサセルからの第1および第2の信号の他方を反転入力に受ける。このイメージセンサデバイスによれば、イメージセンサセルのリセットレベルをキャンセルすることができる。   In the image sensor device of the present invention, the image sensor cell provides a first signal corresponding to the reset level and a second signal corresponding to the signal level, and the gain stage has a non-inverting input and an inverting input and all The gain stage includes one of the first and second signals from the image sensor cell at the non-inverting input and the other of the first and second signals from the image sensor cell. Is received at the inverted input. According to this image sensor device, the reset level of the image sensor cell can be canceled.

本発明に係る別の側面は、巡回型A/D変換によりアナログ値からディジタル値を生成する方法である。この方法は、(a)巡回型A/D変換器の2未満の利得Gを有するゲインステージを用いて巡回型A/D変換を行って、2未満の利得に起因する非線形誤差を含むNビットディジタル値を生成するステップと、(b)前記利得Gに関連づけられた係数を用いた補正を前記Nビットのディジタル値に施して、前記非線形誤差が改善されたM+1ビット(N>M+1)のディジタル値を生成するステップとを含む。   Another aspect of the present invention is a method for generating a digital value from an analog value by cyclic A / D conversion. In this method, (a) a cyclic A / D conversion is performed using a gain stage having a gain G of less than 2 of a cyclic A / D converter, and N bits including a nonlinear error due to a gain of less than 2 are included. Generating a digital value; and (b) M + 1 bit (N> M + 1) digital with improved non-linear error by applying correction using a coefficient associated with the gain G to the N bit digital value. Generating a value.

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。   The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以上説明したように、本発明によれば、3値のディジタル値を用いることない回路構成を可能にする巡回型アナログ・ディジタル変換器が提供される。また、本発明によれば、この巡回型アナログ・ディジタル変換器を用いるイメージセンサデバイスが提供される。さらに、本発明によれば、巡回型A/D変換によりアナログ値からディジタル値を生成する方法が提供される。   As described above, according to the present invention, there is provided a cyclic analog-digital converter that enables a circuit configuration without using ternary digital values. In addition, according to the present invention, an image sensor device using the cyclic analog-digital converter is provided. Furthermore, according to the present invention, there is provided a method for generating a digital value from an analog value by cyclic A / D conversion.

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の巡回型A/D変換器、およびイメージセンサデバイスに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。   The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the cyclic A / D converter and the image sensor device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、巡回型A/D変換器を概略的に示す図面である。図2は、巡回型A/D変換器の入出力の関係を示す図面である。巡回型A/D変換器11は、M+1ビットのディジタル値を生成するためにN回(N>M+1)の巡回動作を行う。巡回型A/D変換器11は、2未満である所定の利得Gの増幅を提供するゲインステージ13と、比較回路15と、D/A変換回路17とを備える。比較回路15は、巡回型A/D変換器11への入力信号VINまたはゲインステージ13からの変換信号SCONVに応じて2値のディジタル値SDIGを生成する。D/A変換回路17は、比較回路15からの制御信号SCONTに応じたD/A信号SD/Aをゲインステージ13に提供する。ゲインステージ13は、D/A信号SD/Aに応じた巡回動作を行って変換信号SCONVを生成する。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a cyclic A / D converter. FIG. 2 is a diagram showing the input / output relationship of the cyclic A / D converter. The cyclic A / D converter 11 performs N (N> M + 1) cyclic operations to generate a digital value of M + 1 bits. The cyclic A / D converter 11 includes a gain stage 13 that provides amplification of a predetermined gain G that is less than 2, a comparison circuit 15, and a D / A conversion circuit 17. Comparator circuit 15 generates a digital value S DIG binary depending on the conversion signal S CONV from the input signal V IN, or gain stage 13 to the cyclic A / D converter 11. The D / A conversion circuit 17 provides the D / A signal S D / A corresponding to the control signal S CONT from the comparison circuit 15 to the gain stage 13. The gain stage 13 generates a conversion signal S CONV by performing a cyclic operation according to the D / A signal SD / A.

利得2倍のゲインステージを用いる巡回型A/D変換器では、変換結果が、比較回路のオフセット誤差の影響により、A/D変換おいて許容される範囲(つまり、最大値〜最小値の範囲)を超えてしまうとき、大きな変換誤差が生じる。一方、巡回型A/D変換器11によれば、図2(A)および図2(B)に示されるように、ゲインステージ13の利得が2未満の所定値であるので、変換結果が破線で示される特性を示すときでも、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えることはなく、範囲VFRに入る。このため、比較回路15に対する要求精度を緩和できる。例えば、比較回路15におけるオフセット誤差を小さくするための負担が軽減される。また、範囲VFRから外れることによる大きな誤差の発生頻度が低減される。好ましい利得の範囲は、ばらつきを考慮して1.95以下であり、ディジタル補正の実現容易性を考慮して1.6以上であることが好ましい。 In a cyclic A / D converter using a gain stage having a gain of 2 times, the conversion result is allowed in the A / D conversion due to the influence of the offset error of the comparison circuit (that is, the range between the maximum value and the minimum value). ), A large conversion error occurs. On the other hand, according to the cyclic A / D converter 11, the gain of the gain stage 13 is a predetermined value less than 2 as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). Even when the characteristic indicated by (1) is shown, the maximum or minimum value allowed in the A / D conversion is not exceeded, and the range VFR is entered. Therefore, the required accuracy for the comparison circuit 15 can be relaxed. For example, the burden for reducing the offset error in the comparison circuit 15 is reduced. In addition, the frequency of occurrence of large errors due to deviation from the range V FR is reduced. A preferable gain range is 1.95 or less in consideration of variation, and is preferably 1.6 or more in consideration of ease of realization of digital correction.

巡回型A/D変換器11は、比較回路15からのN個のディジタル値を受ける補正回路19を備える。補正回路19は、利得Gに関連づけられた補正係数を用いて比較回路15からのN個のディジタル値を補正して、M+1ビットのディジタル値を生成する。2未満の利得のゲインステージ13を用いることによる変換誤差は、追加のディジタル値(N−M)を生成すると共に、利得Gに関連づけられた補正係数を用いてA/D変換ディジタル値(Nビット)を補正することにより除くことができる。追加のディジタル値のための余計な巡回変換の回数は、後の説明から理解されるように、比較的少ない。この補正の結果、巡回型A/D変換器11は、所望のビット数(M+1)のディジタル値を提供する。   The cyclic A / D converter 11 includes a correction circuit 19 that receives N digital values from the comparison circuit 15. The correction circuit 19 corrects the N digital values from the comparison circuit 15 using the correction coefficient associated with the gain G to generate an M + 1 bit digital value. The conversion error due to the use of the gain stage 13 with a gain of less than 2 produces an additional digital value (N−M) and uses an A / D converted digital value (N bits) with a correction factor associated with the gain G. ) Can be removed by correcting. The number of extra cyclic transformations for the additional digital values is relatively small, as will be understood from the following description. As a result of this correction, the cyclic A / D converter 11 provides a digital value having a desired number of bits (M + 1).

比較回路15は、比較器21と、比較器21の出力信号SDIGからD/A変換回路の制御信号SCONT(φ、φ)を生成する制御回路23とを含む。制御回路23は、比較器21の出力信号SDIGおよび外部信号φc2を受ける論理積回路23aと、比較器21の出力信号の反転信号を生成するインバータ23bと、比較器21の出力信号SDIGの反転信号_SDIGおよび外部信号φc2を受ける論理積回路23cとを含む。論理積回路23a、23bは、外部信号φc2によって制御される。 The comparison circuit 15 includes a comparator 21 and a control circuit 23 that generates a control signal S CONTN , φ P ) of the D / A conversion circuit from the output signal SDIG of the comparator 21. Control circuit 23, AND circuit 23a receiving the output signal S DIG and an external signal φc2 the comparator 21, and an inverter 23b for generating an inverted signal of the output signal of the comparator 21, the output signal S DIG comparator 21 receiving an inverted signal _S DIG and the external signal phi c2 and a logical product circuit 23c. The AND circuits 23a and 23b are controlled by an external signal φc2 .

ゲインステージ13は、主要な回路素子として、第1および第2のキャパシタ25、27(第3および第4のキャパシタ35、37)並びに演算増幅回路29を含む。ゲインステージ13は、キャパシタ25、27(35、37)に選択的に接続される反転入力13a(非反転入力13c)と、演算されたアナログ信号を提供する非反転出力13b(反転出力13d)とを含む。ゲインステージ13は、クロック生成回路31からのタイミング信号に応答する多数のスイッチを含み、これらは後ほど説明される。これらのスイッチは、例えばMOSアナログスイッチにより実現される。   The gain stage 13 includes first and second capacitors 25 and 27 (third and fourth capacitors 35 and 37) and an operational amplifier circuit 29 as main circuit elements. The gain stage 13 includes an inverting input 13a (non-inverting input 13c) that is selectively connected to the capacitors 25 and 27 (35, 37), and a non-inverting output 13b (inverting output 13d) that provides a calculated analog signal. including. The gain stage 13 includes a number of switches responsive to timing signals from the clock generation circuit 31, which will be described later. These switches are realized by, for example, MOS analog switches.

また、D/A変換回路17は、比較器21からの制御信号SCONTに応答して動作する複数のスイッチ33a、33b、33c、33dを含む。スイッチ33aは、電圧VRNを提供する電圧源39aとゲインステージ13の第1のD/A入力13eとの間に接続されている。スイッチ33bは、電圧VRPを提供する電圧源39bとゲインステージ13の第1のD/A入力13eとの間に接続されている。スイッチ33cは、電圧源39bとゲインステージ13の第2のD/A入力13fとの間に接続されている。スイッチ33dは、電圧源39aとゲインステージ13の第2のD/A入力13fとの間に接続されている。スイッチ33a、33cは、クロックφに応答して動作すると共に、スイッチ33b、33dは、クロックφに応答して動作する。 The D / A conversion circuit 17 includes a plurality of switches 33a, 33b, 33c, and 33d that operate in response to the control signal S CONT from the comparator 21. The switch 33 a is connected between the voltage source 39 a that provides the voltage V RN and the first D / A input 13 e of the gain stage 13. Switch 33b is connected between the first D / A input 13e of the voltage source 39b and the gain stage 13 which provides a voltage V RP. The switch 33c is connected between the voltage source 39b and the second D / A input 13f of the gain stage 13. The switch 33d is connected between the voltage source 39a and the second D / A input 13f of the gain stage 13. Switch 33a, 33c is adapted to operate in response to the clock phi N, switch 33b, 33d operates in response to the clock phi P.

第1および第2のキャパシタ25、27のキャパシタンス比(C/C)は、利得Gに関連づけられており、ゲインステージ13は、キャパシタンス比による利得Gでの信号増幅を演算増幅回路29を用いて行う。2個のキャパシタのキャパシタンス比を用いることにより、好適な精度で2未満のゲインステージ利得Gが提供される。 The capacitance ratio (C 1 / C 2 ) of the first and second capacitors 25 and 27 is related to the gain G, and the gain stage 13 performs signal amplification at the gain G based on the capacitance ratio by the operational amplifier circuit 29. To do. Using a capacitance ratio of two capacitors provides a gain stage gain G of less than 2 with good accuracy.

図3は、巡回型A/D変換器のためのタイミングチャートを示す図面である。クロック生成回路31は、図3に示される代表的なクロック信号を生成する。概略的には、第1の期間Tには、第1のキャパシタ25(第3のキャパシタ35)は、ゲインステージ13の入力13a(入力13c)からのアナログ信号VIP(VIN)を受ける。また、第1の期間Tの後の第2の期間Tには、第1のキャパシタ25(第3のキャパシタ35)は、D/A変換回路17と演算増幅回路29の反転入力29a(非反転入力29c)との間に接続される。さらに、第1のキャパシタ25(第3のキャパシタ35)は、第2の期間Tの後の第3の期間Tに演算増幅回路29の非反転出力29b(反転出力29d)に接続される。第1の期間Tには、第2のキャパシタ27(第4のキャパシタ37)は、アナログ信号VIP(VIN)を受ける。第2および第3の期間T、Tには、第2のキャパシタ27(第4のキャパシタ37)は、演算増幅回路29の非反転入力29a(反転入力29c)と反転出力29b(非反転出力29b)との間に接続される。1未満のキャパシタンス比(C/C)によって規定される利得Gのゲインステージ13を用いて、巡回型A/D変換動作が提供される。 FIG. 3 is a timing chart for the cyclic A / D converter. The clock generation circuit 31 generates a representative clock signal shown in FIG. Schematically, in the first period T 1, the first capacitor 25 (third capacitor 35) receives the analog signal V IP from the input 13a of the gain stage 13 (input 13c) (V IN) . In the second period T 2 after the first period T 1 , the first capacitor 25 (third capacitor 35) is connected to the D / A conversion circuit 17 and the inverting input 29 a (the operational amplifier circuit 29). Non-inverting input 29c). Furthermore, the first capacitor 25 (third capacitor 35) is connected to the non-inverting output 29b of the operational amplifier circuit 29 (the inverted output 29d) the third period T 3 after the second period T 2 . The first period T 1, the second capacitor 27 (fourth capacitor 37) receives the analog signal V IP (V IN). In the second and third periods T 2 and T 3 , the second capacitor 27 (fourth capacitor 37) is connected to the non-inverting input 29a (inverting input 29c) and the inverting output 29b (non-inverting) of the operational amplifier circuit 29. Output 29b). A cyclic A / D conversion operation is provided using a gain stage 13 with a gain G defined by a capacitance ratio (C 1 / C 2 ) of less than 1 .

この巡回型A/D変換器11では、キャパシタ25(キャパシタ35)のキャパシタ値はキャパシタ27(キャパシタ37)のキャパシタ値よりも小さい。図1に示される一例の回路では、キャパシタ25(キャパシタ35)のキャパシタ値C(=7C)はキャパシタ27(キャパシタ37)のキャパシタ値C(=8C)よりも小さい。キャパシタ比C/C=7/8=0.875である。 In the cyclic A / D converter 11, the capacitor value of the capacitor 25 (capacitor 35) is smaller than the capacitor value of the capacitor 27 (capacitor 37). In the example circuit shown in FIG. 1, the capacitor value C 1 (= 7C) of the capacitor 25 (capacitor 35) is smaller than the capacitor value C 2 (= 8C) of the capacitor 27 (capacitor 37). The capacitor ratio C 1 / C 2 = 7/8 = 0.875.

巡回型A/D変換器11では、比較回路15は、巡回型アナログ・ディジタル変換器の入力またはゲインステージ13の出力からの入力信号VIP、SCONVを単一の参照信号と比較することができる。ゲインステージ13の利得Gが2未満なので、入力信号VIP、SCONVを単一の参照信号と比較する比較回路を用いても、変換結果が、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えることはない。或いは、比較回路15は、全差動回路を含むゲインステージ13からの非反転出力信号VOPおよび反転出力信号VONを受ける差動回路を含むことができる。この差動回路を比較回路として用いても、変換結果が、A/D変換おいて許容される最大値または最小値を超えることはない。 In the cyclic A / D converter 11, the comparison circuit 15 can compare the input signals V IP and S CONV from the input of the cyclic analog-digital converter or the output of the gain stage 13 with a single reference signal. it can. Since the gain G of the gain stage 13 is less than 2, even if a comparison circuit that compares the input signals V IP and S CONV with a single reference signal is used, the conversion result is the maximum value allowed in the A / D conversion or The minimum value is never exceeded. Alternatively, the comparison circuit 15 may include a differential circuit for receiving the non-inverted output signals V OP and the inverted output signal V ON from the gain stage 13 which includes a fully differential circuit. Even if this differential circuit is used as a comparison circuit, the conversion result does not exceed the maximum value or minimum value allowed in the A / D conversion.

図4は、一例の比較回路の回路図である。比較回路15は、比較器61と、ラッチ回路63とを含む。比較器61は、入力信号を受けるトランジスタMN1、MN2を含む差動部61bと、バイアス信号Vbnを受けるトランジスタMN5を含む電流源61aと、第1の負荷部61cと、第2の負荷部61dと、等化部61eとを含む。トランジスタMN1、MN2のソースは共通ノードに接続され、共通ノードは電流源61aに接続されている。差動部61bのトランジスタMN1、MN2のドレインは、それぞれ、第1の負荷部61cのトランジスタMP1、MP2のドレインに接続されており、トランジスタMP1、MP2は交差結合されている。第1の負荷部61cのトランジスタMP1、MP2は、トランジスタMN3、MN4を含む第2の負荷部61dに接続され、トランジスタMN3、MN4は交差結合されている。差動部61bのトランジスタMN1、MN2は、それぞれ、信号Vop、Vonを提供する一対の出力ノードに接続されており、この一対の出力は、制御信号φcに応答する等化部61eによって等化される。等化部61eのトランジスタMP3は、一対の出力ノード間に接続されている。比較器61は、制御信号φcに応答して動作するトランジスタMN6、MN7を含み、トランジスタMN6は、第2の負荷部61c、61dをパワーダウンモードにし、トランジスタMN7は差動部61bをパワーダウンモードにする。比較器61の出力は、ラッチ回路63の入力に接続されている。ラッチ回路63は、交差結合された多入力の論理ゲートを含み、CMOS技術を用いるときには、例えば2個の否定論理積(NAND)ゲートを用いることができる。   FIG. 4 is a circuit diagram of an example comparison circuit. The comparison circuit 15 includes a comparator 61 and a latch circuit 63. The comparator 61 includes a differential unit 61b including transistors MN1 and MN2 that receive input signals, a current source 61a that includes a transistor MN5 that receives a bias signal Vbn, a first load unit 61c, and a second load unit 61d. And an equalizing unit 61e. The sources of the transistors MN1 and MN2 are connected to the common node, and the common node is connected to the current source 61a. The drains of the transistors MN1 and MN2 of the differential unit 61b are respectively connected to the drains of the transistors MP1 and MP2 of the first load unit 61c, and the transistors MP1 and MP2 are cross-coupled. The transistors MP1 and MP2 of the first load unit 61c are connected to the second load unit 61d including the transistors MN3 and MN4, and the transistors MN3 and MN4 are cross-coupled. The transistors MN1 and MN2 of the differential unit 61b are connected to a pair of output nodes that provide signals Vop and Von, respectively, and the pair of outputs are equalized by an equalization unit 61e that responds to the control signal φc. The The transistor MP3 of the equalizing unit 61e is connected between a pair of output nodes. The comparator 61 includes transistors MN6 and MN7 that operate in response to the control signal φc. The transistor MN6 sets the second load units 61c and 61d to the power down mode, and the transistor MN7 sets the differential unit 61b to the power down mode. To. The output of the comparator 61 is connected to the input of the latch circuit 63. The latch circuit 63 includes a cross-coupled multi-input logic gate. When using the CMOS technology, for example, two NAND (NAND) gates can be used.

図5を参照すると、巡回型A/D変換動作のための差動回路構成による回路接続が示さている。引き続く説明から、巡回型A/D変換動作はシングルエンド回路構成によっても可能であること、また全差動構成によっても可能であることが理解される。図5の回路素子に、図1に示された対応する回路素子の参照符号が付されている。図5の(a)部、(b)部および(c)部における回路接続は、それぞれ、図3に示された第1、第2および第3の期間T、T、Tに対応する。 Referring to FIG. 5, a circuit connection by a differential circuit configuration for a cyclic A / D conversion operation is shown. From the following description, it is understood that the cyclic A / D conversion operation can be performed by a single-ended circuit configuration and also by a fully differential configuration. The circuit elements of FIG. 5 are labeled with the corresponding circuit element reference numbers shown in FIG. The circuit connections in the parts (a), (b) and (c) of FIG. 5 correspond to the first, second and third periods T 1 , T 2 and T 3 shown in FIG. 3, respectively. To do.

図5の(a)部を参照すると、サンプリングに対応する期間Tにおける回路接続が示されている。クロックφ、φ、φに応答して、スイッチ41a(41b)、43a(43b)、45a(45b)、47a(47b)が閉じられる。クロックφ、φに応答して、スイッチ49a(49b)、51a(51b)、53が開かれる。 Referring to part (a) of FIG. 5, the circuit connections in period T 1 corresponding to the sampling is shown. In response to the clocks φ S , φ 0 , φ 2 , the switches 41a (41b), 43a (43b), 45a (45b), 47a (47b) are closed. In response to the clocks φ 3 and φ 1 , the switches 49a (49b), 51a (51b) and 53 are opened.

第1の期間Tには、キャパシタ25(キャパシタ35)の一端25a(35a)は、ゲインステージ13の入力13a(入力13c)からのアナログ信号VIP(VIN)をスイッチ41a(41b)を介して受ける。キャパシタ27(キャパシタ37)の一端27a(37a)は、アナログ信号VIP(VIN)をスイッチ43a(43b)を介して受ける。キャパシタ25(キャパシタ35)の他端25b(35b)は、演算増幅回路29の非反転入力29a(反転入力29c)にスイッチ47a(47b)を介して接続される。図5の(a)部の回路接続では、演算増幅回路29の非反転入力29cは、接地(仮想接地)に接続されている。演算増幅回路29の反転入力29a(非反転入力29c)は反転出力29b(反転出力29b)とスイッチ45a(45b)を介して接続されて、演算増幅回路29がリセットされる。キャパシタ25(キャパシタ35)の他端25b(25b)の電位も、演算増幅回路29の利得が無限大である理想条件では接地電位になる。 In the first period T1, one end 25a (35a) of the capacitor 25 (capacitor 35) switches the analog signal V IP (V IN ) from the input 13a (input 13c) of the gain stage 13 to the switch 41a (41b). Receive through. One end 27a (37a) of the capacitor 27 (capacitor 37) receives the analog signal V IP (V IN ) via the switch 43a (43b). The other end 25b (35b) of the capacitor 25 (capacitor 35) is connected to a non-inverting input 29a (inverting input 29c) of the operational amplifier circuit 29 via a switch 47a (47b). In the circuit connection of part (a) in FIG. 5, the non-inverting input 29c of the operational amplifier circuit 29 is connected to the ground (virtual ground). The inverting input 29a (non-inverting input 29c) of the operational amplifier circuit 29 is connected to the inverting output 29b (inverted output 29b) via the switch 45a (45b), and the operational amplifier circuit 29 is reset. The potential of the other end 25b (25b) of the capacitor 25 (capacitor 35) also becomes the ground potential under ideal conditions where the gain of the operational amplifier circuit 29 is infinite.

比較回路15は、アナログ信号VIP(VIN)をスイッチ43a(43b)を介して受けて、受けたアナログ信号に応じたディジタル値SDIGを生成する。制御信号φ、φに応答して、D/A変換回路17のスイッチ33a〜33dは開かれている。比較器15を動作させて、入力信号VIP(VIN)に対する1ビットのA/D変換を行って信号SDIGを生成する。これは、A/D変換の最上位の桁(MSB)の値となる。 The comparison circuit 15 receives the analog signal V IP (V IN ) via the switch 43a (43b) and generates a digital value SDIG corresponding to the received analog signal. In response to the control signals φ P and φ N , the switches 33a to 33d of the D / A conversion circuit 17 are opened. The comparator 15 is operated to perform 1-bit A / D conversion on the input signal V IP (V IN ) to generate a signal SDIG . This is the value of the most significant digit (MSB) of A / D conversion.

図5の(b)部を参照すると、第1の演算のための期間Tにおける回路接続が示されている。クロックφ、φに応答して、スイッチ49a(49b)、47a(47b)が閉じられる。クロックφ、φ、φに応答して、スイッチ41a(41b)、43a(43b)、45a(45b)、51a(51b、53)が開かれる。 Referring to part (b) of FIG. 5, the circuit connections in the period T 2 of the order of the first arithmetic is shown. In response to the clocks φ 3 and φ 2 , the switches 49a (49b) and 47a (47b) are closed. In response to the clocks φ S , φ 0 , φ 1 , the switches 41a (41b), 43a (43b), 45a (45b), 51a (51b, 53) are opened.

第2の期間Tには、キャパシタ27(キャパシタ37)の他端27b(37b)は演算増幅回路29の反転入力29aに接続され、一端27a(37a)は演算増幅回路29の非反転出力29bにスイッチ49a(49b)を介して接続される。キャパシタ25(キャパシタ35)の他端25b(35b)は演算増幅回路29の反転入力29aにスイッチ47a(47b)を介して接続される。D/A変換回路17は、制御信号φ、φに応答してスイッチ33a〜33dを開閉して、式(1)に従って動作する。

Figure 0005011538

D/A変換回路17は、キャパシタ25(キャパシタ35)の一端25a(35a)にD/A信号SD/Aを加える。ゲインステージ13は、アンプの有限利得誤差、キャパシタミスマッチやオフセット電圧を無視できるとき、式(2)に従って動作する。
Figure 0005011538

ここで、V=VRP−VRNである。ゲインステージ13の利得は2未満であるので、キャパシタンス比C/Cは1未満のある値である。演算増幅回路29の非反転出力29cには、新たな値Vが生成される。 The second period T 2, the other end 27b of the capacitor 27 (capacitor 37) (37b) is connected to the inverting input 29a of the operational amplifier circuit 29, one end 27a (37a) is non-inverted output 29b of the operational amplifier circuit 29 Are connected to each other via a switch 49a (49b). The other end 25b (35b) of the capacitor 25 (capacitor 35) is connected to the inverting input 29a of the operational amplifier circuit 29 via a switch 47a (47b). The D / A conversion circuit 17 opens and closes the switches 33a to 33d in response to the control signals [phi] P and [phi] N, and operates according to the equation (1).
Figure 0005011538

The D / A conversion circuit 17 applies a D / A signal S D / A to one end 25a (35a) of the capacitor 25 (capacitor 35). The gain stage 13 operates according to the equation (2) when the finite gain error of the amplifier, capacitor mismatch, and offset voltage can be ignored.
Figure 0005011538

Here, V R = V RP −V RN . Since the gain of the gain stage 13 is less than 2, the capacitance ratio C 1 / C 2 is a value less than 1. A new value V O is generated at the non-inverted output 29 c of the operational amplifier circuit 29.

利得Gは、例えば2−0.125=1.875とする。2未満の利得における入力と出力の関係は、図2に示されている。これにより、3値のA/D変換と同様に、比較器の精度要求を緩和することができる。利得が2の場合は、比較器に誤差が生じると、巡回型A/D変換において許容される最大値である範囲(−VREF〜+VREF)を超えることになり、大きな誤差が発生する。一方、本実施の形態に係るA/D変換器では、破線で示したように誤差を生じても、それによって出力が範囲(−VREF〜+VREF)を超えない範囲であれば、誤差とならない。例えば、利得1.875では、参照電圧VREFが1ボルトであれば、比較器の誤差の許容値は64mVとなる。   The gain G is, for example, 2-0.125 = 1.875. The relationship between input and output at a gain of less than 2 is shown in FIG. As a result, as with the ternary A / D conversion, the accuracy requirement of the comparator can be relaxed. When the gain is 2, if an error occurs in the comparator, it exceeds the range (−VREF to + VREF), which is the maximum value allowed in the cyclic A / D conversion, and a large error occurs. On the other hand, in the A / D converter according to the present embodiment, even if an error occurs as shown by the broken line, an error does not occur if the output does not exceed the range (−VREF to + VREF). For example, at a gain of 1.875, if the reference voltage VREF is 1 volt, the allowable error of the comparator is 64 mV.

図5の(c)部を参照すると、第2の演算のための期間Tにおける回路接続が示されている。クロックφ、φに応答して、スイッチ49a(49b)、51a(51b、53)が閉じられる。クロックφ、φ、φに応答して、スイッチ41a(41b)、43a(43b)、45a(45b)、47a(47b)が開かれる。 Referring to part (c) of FIG. 5, the circuit connections are shown in the period T 2 of the order of the second arithmetic. In response to the clocks φ 3 and φ 1 , the switches 49a (49b) and 51a (51b and 53) are closed. In response to the clocks φ S , φ 0 , φ 2 , the switches 41a (41b), 43a (43b), 45a (45b), 47a (47b) are opened.

第3の期間Tには、キャパシタ27(キャパシタ37)の他端27b(37b)は演算増幅回路29の反転入力29aに接続され、一端27a(37a)は演算増幅回路29の非反転出力29bに接続される。キャパシタ25(キャパシタ35)の一端25a(35a)は演算増幅回路29の非反転出力29aにスイッチ51a(51b)を介して接続され、他端25b(35b)は接地電位(仮想接地)に接続される。演算増幅回路29の非反転出力29bには、比較器15が接続される。比較器15を動作させて、演算増幅回路29の演算値に対する1ビットのA/D変換を行って信号SDIGを生成する。これは、A/D変換の最上位の次の桁(MSB−1)の値となる。キャパシタ25、27には、A/D変換の最上位の次の桁の値に対応する電荷が格納されている。 The third period T 3, the other end 27b of the capacitor 27 (capacitor 37) (37b) is connected to the inverting input 29a of the operational amplifier circuit 29, one end 27a (37a) is non-inverted output 29b of the operational amplifier circuit 29 Connected to. One end 25a (35a) of the capacitor 25 (capacitor 35) is connected to the non-inverted output 29a of the operational amplifier circuit 29 via the switch 51a (51b), and the other end 25b (35b) is connected to the ground potential (virtual ground). The The comparator 15 is connected to the non-inverted output 29 b of the operational amplifier circuit 29. The comparator 15 is operated to perform 1-bit A / D conversion on the operation value of the operational amplifier circuit 29 to generate the signal SDIG . This is the value of the most significant next digit (MSB-1) of the A / D conversion. The capacitors 25 and 27 store charges corresponding to the value of the next highest digit of the A / D conversion.

図5の(d)部を参照すると、これ以降の動作として、第1および第2の演算を所望の回数だけ繰り返すステップが示されている。つまり、図5(b)に示される回路接続において、キャパシタ25、27に格納された電荷に第1の演算を施す。演算増幅回路29は、式(2)に従って動作する。次いで、比較器15を動作させて、演算増幅回路29の演算値に対する1ビットのA/D変換を行って信号SDIGを生成する。キャパシタ25、27には、この値に対応する電荷が格納されている。このような巡回により、一連のA/D変換値を順次に生成する。利得2のゲインステージを用いると、非線形誤差を含まないディジタル値(2進数)の生成に好適であるが、2未満の利得を有するゲインステージ13を用いると、A/D変換されたディジタル値には大きな非線形誤差が含まれる。しかしながら、巡回型A/D変換器11では、2未満の利得Gを有するゲインステージ13を用いてA/D変換を行って、2未満の利得に起因する所定の非線形誤差を含むNビットディジタル値を生成する。この後に、図5の(e)部に示されるステップにおいて、利得Gに関連づけられた係数を用いた補正をNビットのディジタル値に施して、上記の非線形誤差が改善されたMビット(M>M)のディジタル値を生成する。 Referring to part (d) of FIG. 5, as a subsequent operation, a step of repeating the first and second calculations a desired number of times is shown. That is, in the circuit connection shown in FIG. 5B, the first calculation is performed on the charges stored in the capacitors 25 and 27. The operational amplifier circuit 29 operates according to the equation (2). Next, the comparator 15 is operated to perform 1-bit A / D conversion on the operation value of the operational amplifier circuit 29 to generate a signal SDIG . The capacitors 25 and 27 store charges corresponding to this value. Through such a cycle, a series of A / D conversion values are sequentially generated. Using a gain stage with a gain of 2 is suitable for generating a digital value (binary number) that does not include a nonlinear error, but using a gain stage 13 having a gain of less than 2 results in an A / D converted digital value. Contains a large non-linear error. However, the cyclic A / D converter 11 performs A / D conversion using a gain stage 13 having a gain G less than 2, and an N-bit digital value including a predetermined nonlinear error caused by a gain less than 2 Is generated. Thereafter, in the step shown in part (e) of FIG. 5, a correction using a coefficient associated with the gain G is applied to the N-bit digital value so that the above-described nonlinear error is improved to M bits (M> M) is generated.

上記のように生成されたディジタル値の列(ディジタルコード)は、ゲインステージ13の利得が2未満のある値(設定値)であることにより大きな誤差を含んでいるが、補正回路19を用いたディジタル領域での補正によって、誤差のないディジタル値を生成することができる。つまり、繰り返しの後に、ゲインステージ13の利得Gに関連づけられた補正係数と一連のA/D変換値との演算により、アナログ信号に対応してM+1ビット(N>M+1)のディジタル値を生成する。   The digital value sequence (digital code) generated as described above includes a large error due to the gain of the gain stage 13 being a certain value (set value) less than 2, but the correction circuit 19 is used. Digital values without errors can be generated by correction in the digital domain. That is, after the repetition, a digital value of M + 1 bits (N> M + 1) corresponding to the analog signal is generated by calculating a correction coefficient associated with the gain G of the gain stage 13 and a series of A / D conversion values. .

引き続き、この補正について説明する。ゲインステージ13の利得が2未満のあるので、式(2)を変形して、

Figure 0005011538

と書き直す。シンボル「a」は1未満の正の数である。アナログ入力信号に対応する真のディジタル値を「X」と記す。ディジタル値XはVIN/Vをディジタル化した値である。式(3)を更に書き換えて式(4)を得る。
Figure 0005011538

第1回目のA/D変換による値Xは、
Figure 0005011538

と表される。第2回目以降の巡回動作についても、第1回A/D変換と同様に行って、
Figure 0005011538

を得る。第i回目の演算増幅器の出力Xと記し、1ビットのA/D変換値をDと記す。 Next, this correction will be described. Since the gain of the gain stage 13 is less than 2, the equation (2) is modified,
Figure 0005011538

And rewrite. The symbol “a” is a positive number less than one. The true digital value corresponding to the analog input signal is denoted as “X 0 ”. Digital value X 0 is a value obtained by digitizing the V IN / V R. Equation (3) is further rewritten to obtain equation (4).
Figure 0005011538

The value X 1 of the first round of A / D conversion,
Figure 0005011538

It is expressed. For the second and subsequent rounds, the same as the first A / D conversion,
Figure 0005011538

Get. Marked output X i of the i-th operational amplifier, referred to 1-bit A / D conversion value D i.

式(6)を用いて

Figure 0005011538

を得る。これを変形して式(8)を得る。
Figure 0005011538

は、必要な分解能を得るためのN回の巡回後の残差であり、この値を無視できるので、
Figure 0005011538

と見なす。式(8)は
Figure 0005011538

となる。Dは巡回動作で得られた値であり、「a」は、意図的に減らされた利得差を表す。したがって、この演算により、A/D変換器への入力信号Xに対応する正確なディジタル値が求められる。 Using equation (6)
Figure 0005011538

Get. This is transformed to obtain equation (8).
Figure 0005011538

X N is the residual after N cycles to obtain the required resolution, and this value can be ignored, so
Figure 0005011538

Is considered. Equation (8) is
Figure 0005011538

It becomes. Di is a value obtained by the cyclic operation, and “a” represents a gain difference that is intentionally reduced. Therefore, by this operation, exact digital value corresponding to the input signal X 0 to the A / D converter is required.

M+1ビット分解能のA/D変換器の非直線性誤差の最大値を0.25LSBとすると、Xの絶対値の最大は1であり、1LSB=1/2M−1であり

Figure 0005011538

であるので、両辺の対数を取ると、
Figure 0005011538

となる。例えば、a=0.125、M=14であるとき、N=16.54ビット、すなわち17ビットに相当する巡回が必要である。 When the maximum value of the non-linearity error of the A / D converter of M + 1 bit resolution and 0.25 LSB, the maximum of the absolute value of X N is 1, be 1LSB = 1/2 M-1
Figure 0005011538

So, taking the logarithm of both sides,
Figure 0005011538

It becomes. For example, when a = 0.125 and M = 14, N = 16.54 bits, that is, a cycle corresponding to 17 bits is required.

図6は、積分非直線性誤差を示している。上記の演算により、正確なディジタル値が得られることをシミュレーションによって確認した。図6(a)は、17回の巡回動作により変換値に対する積分非直線性誤差を示し、図6(B)は18回の巡回動作により変換値に対する積分非直線性誤差を示している。いずれもの結果からも、14ビットA/D変換器として十分な線形性が得られることが示されている。   FIG. 6 shows the integral nonlinearity error. It was confirmed by simulation that an accurate digital value was obtained by the above calculation. FIG. 6A shows the integral nonlinearity error with respect to the converted value by 17 round operations, and FIG. 6B shows the integral nonlinearity error with respect to the transformed value by 18 round operations. Both results show that sufficient linearity can be obtained as a 14-bit A / D converter.

また、式(10)は、A/D変換器への入力信号Xに対応する所望の精度のディジタル値は、各巡回動作により生成されるDと、利得差aから求められる補正係数との積和演算により求められることを示している。したがって、補正回路19は、N個のディジタル値と補正係数との積和演算値を提供する演算回路65を含むことができる。演算回路65により、2未満の利得のゲインステージ13を用いることによる変換誤差を含むディジタル値から、補正されたディジタル値を生成できる。 Further, equation (10), the digital value of the desired accuracy corresponding to the input signal X 0 to the A / D converter, a D i generated by the cyclic operation, the correction coefficient obtained from the gain difference a It is obtained by the product-sum operation. Therefore, the correction circuit 19 can include an arithmetic circuit 65 that provides a product-sum operation value of N digital values and correction coefficients. The arithmetic circuit 65 can generate a corrected digital value from a digital value including a conversion error caused by using the gain stage 13 having a gain of less than 2.

引き続き、本実施の形態の巡回型A/D変換器について説明する。ゲインステージのキャパシタにキャパシタンスミスマッチおよび演算増幅回路に有限利得誤差があるとき、
場合には、式(5)は修正され、式(13)と表される。

Figure 0005011538

ここで、シンボル「m」は、キャパシタンスミスマッチ誤差を示し、シンボル「g」は演算増幅回路に有限利得誤差を示している。既に説明された手順と同様にして、式(14)が得られる。m=(C−C)/C、g=(C+C+C)/(C×GFG)である。「C」は仮想接地点におけるキャパシタンスを示す。「GFG」は、演算増幅回路のオープン・ループ・ゲインである。
Figure 0005011538

式(14)は、キャパシタミスマッチ及び有限利得誤差が十分小さければ、
Figure 0005011538

と書き直される。この式によれば、補正回路17は、M+1ビットの第1の積和演算値を提供する第1の演算回路と、Nビットの第2の積和演算値を提供する第2の演算回路とを含むことができる。キャパシタンス比のミスマッチの誤差補正が為されるとき、誤差のディジタル補正のための補正値は2つの演算回路によって生成される。つまり、利得に関する誤差だけでなく、キャパシタンスミスマッチ誤差および有限利得誤差が補正されたディジタル値が得られる。式(15)において「M」は、誤差の補正に必要な精度を得るための演算の桁数に関連しており、補正のためにD〜Dを使うことを意味する。式(15)は、イメージセンサデバイス(例えば、CMOSイメージセンサデバイス)のようなA/D変換器アレイに対して誤差補正を行うとき、回路構成を簡単化するために有用である。 Next, the cyclic A / D converter of this embodiment will be described. When there is a capacitance mismatch in the capacitor of the gain stage and a finite gain error in the operational amplifier circuit,
In that case, equation (5) is modified and expressed as equation (13).
Figure 0005011538

Here, the symbol “m” indicates a capacitance mismatch error, and the symbol “g” indicates a finite gain error in the operational amplifier circuit. Similar to the procedure already described, equation (14) is obtained. m = (C 2 −C 1 ) / C 1 , g = (C 1 + C 2 + C i ) / (C 2 × G FG ). “C i ” indicates the capacitance at the virtual ground point. “G FG ” is an open loop gain of the operational amplifier circuit.
Figure 0005011538

Equation (14) is: if the capacitor mismatch and the finite gain error are small enough,
Figure 0005011538

Rewritten. According to this equation, the correction circuit 17 includes a first arithmetic circuit that provides an M + 1-bit first product-sum operation value, and a second arithmetic circuit that provides an N-bit second product-sum operation value. Can be included. When the error correction of the capacitance ratio mismatch is performed, a correction value for digital correction of the error is generated by two arithmetic circuits. That is, not only the gain-related error but also the digital value in which the capacitance mismatch error and the finite gain error are corrected is obtained. In Expression (15), “M” relates to the number of digits of calculation for obtaining the accuracy required for error correction, and means that D 0 to D M are used for correction. Equation (15) is useful for simplifying the circuit configuration when performing error correction on an A / D converter array such as an image sensor device (eg, a CMOS image sensor device).

式(15)において、

Figure 0005011538

を用いて書き換えると、式(15)は、
Figure 0005011538

と表される。アンプの有限利得誤差が既知であれば、式(16)は定数であるので、誤差補正は、補正係数と各ビットDとの積和演算と、キャパシタミスマッチの係数「m」に関連する係数との乗算により得られる。 In equation (15),
Figure 0005011538

(15) can be rewritten using
Figure 0005011538

It is expressed. Since the equation (16) is a constant if the finite gain error of the amplifier is known, the error correction is performed by multiplying the correction coefficient by each bit D i and a coefficient related to the coefficient “m” of the capacitor mismatch. Is obtained by multiplication with.

この積和演算の量を削減するために、例えばいくつかの桁(複数桁、例えば3桁)をまとめて行うのが有効である。

Figure 0005011538

を計算する部分の一例を説明する。図7は、3桁ずつの演算を行う組み合わせを示す図面である。すでに説明したように、変換値Dは−1または+1をとるので、8通りの組み合わせが存在する。例えば
Figure 0005011538

式(19)に関しては、予め
Figure 0005011538

を計算して記憶回路(例えば、レジスタ)に格納しておけば、D、D、Dに応じて式(20)の値のいずれかを選択する演算と、その計算結果の極性反転の演算とにより
Figure 0005011538

が求められる。 In order to reduce the amount of the product-sum operation, it is effective to perform several digits (for example, a plurality of digits, for example, three digits) collectively.
Figure 0005011538

An example of the part for calculating is described. FIG. 7 is a diagram showing a combination for performing an operation by three digits. As already described, since the conversion value D i takes −1 or +1, there are eight combinations. For example
Figure 0005011538

Regarding equation (19),
Figure 0005011538

Is calculated and stored in a memory circuit (for example, a register), an operation for selecting one of the values of the expression (20) according to D 0 , D 1 , D 2 , and polarity inversion of the calculation result With the operation of
Figure 0005011538

Is required.

図8は、上記の構成を提供する補正回路の一例を示す図面である。図8において、u(0)、u(0)、u(0)、u(0)等は、

Figure 0005011538

により規定される。式(17)の第2項の式(23)
Figure 0005011538

についても第1項と同様に計算される。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a correction circuit that provides the above-described configuration. In FIG. 8, u a (0), u b (0), u c (0), u d (0), etc. are
Figure 0005011538

It is prescribed by. Equation (23) in the second term of Equation (17)
Figure 0005011538

Is calculated in the same manner as the first term.

補正回路70は、第1の部分積和回路71(71a、71b、71c、71d、71e、71f)と、第2の部分積和回路73(73a、73b、73c)と、第1の加算回路75(75a、75b、75c、75d、75e)と、第2の加算回路77(77a、77b)と、第3の加算回路79と、第1の記憶回路81aと、第4の加算回路83と、第1の乗算回路85と、第2の記憶回路81bと、第2の乗算回路89と、第3の記憶回路81cとを含む。第1の部分積和回路71(71a、71b、71c、71d、71e、71f)の各々は、順に配列されたディジタル値Dの区分により規定されるグループ毎に部分積和値を提供する。第2の部分積和回路73(73a、73b、73c)の各々は、順に配列されたディジタル値Dの区分により規定されるグループ毎に部分積和値を提供する。第1の加算回路75(75a、75b、75c、75d、75e)は、第1の部分積和回路71からの部分積和値を加算して第1の部分加算値SPS1を生成する。加算回路77(77a、77b)は、第2の部分積和回路73からの部分積和値を加算して第2の部分加算値SPS2を生成する。乗算回路79は、キャパシタミスマッチmのための係数Kmと第2の部分加算値SPS2との乗算値SM1を提供する。記憶回路81aは、係数Kmを提供するために格納しており、例えば、ラインメモリを含む。回路83は、第1の回路69aからの第1の部分積和値SPS1と第2の回路69bからの乗算値SM1をとの加算値SA1を提供する。回路85は、利得および有限利得誤差gのための補正係数K(1−a)(1−g)と加算値SA1との乗算値SM2を提供する。記憶回路81bは、係数K(1−a)(1−g)を提供するために格納しており、例えばラインメモリを含む。回路89は、乗算値SM2とオフセット補正値SOFFSETとの加算値を提供する。記憶回路81cは、係数KOFFSETを提供するために格納しており、例えばラインメモリを含む。 The correction circuit 70 includes a first partial product-sum circuit 71 (71a, 71b, 71c, 71d, 71e, 71f), a second partial product-sum circuit 73 (73a, 73b, 73c), and a first addition circuit. 75 (75a, 75b, 75c, 75d, 75e), second adder circuit 77 (77a, 77b), third adder circuit 79, first memory circuit 81a, and fourth adder circuit 83 , A first multiplication circuit 85, a second storage circuit 81b, a second multiplication circuit 89, and a third storage circuit 81c. Each of the first partial product-sum circuits 71 (71a, 71b, 71c, 71d, 71e, 71f) provides a partial product-sum value for each group defined by the division of the digital values D i arranged in order. Each of the second partial product sum circuit 73 (73a, 73b, 73c) provides a partial product sum value for each group defined by division of the digital value D i arranged in order. The first adder circuit 75 (75a, 75b, 75c, 75d, 75e) generates a first partial sum value S PS1 by adding the partial product sum value from the first partial product sum circuit 71. The adder circuit 77 (77a, 77b) adds the partial product sum values from the second partial product sum circuit 73 to generate a second partial sum value SPS2 . The multiplication circuit 79 provides a multiplication value S M1 of the coefficient Km for the capacitor mismatch m and the second partial addition value S PS2 . The storage circuit 81a stores the coefficient Km and includes, for example, a line memory. The circuit 83 provides an addition value S A1 of the first partial product sum value S PS1 from the first circuit 69a and the multiplication value S M1 from the second circuit 69b. The circuit 85 provides a multiplication value S M2 of the correction coefficient K (1-a) (1-g) for the gain and finite gain error g and the addition value S A1 . The memory circuit 81b stores the coefficient K (1-a) (1-g) and includes, for example, a line memory. The circuit 89 provides an addition value of the multiplication value S M2 and the offset correction value S OFFSET . The storage circuit 81c stores the coefficient K OFFSET and includes, for example, a line memory.

第1の部分積和回路71a〜71fおよび第2の部分積和回路73a〜73cの各々は、q個のディジタル信号を受けるデコーダ87aと、記憶回路87b、87c、87d、87eと、デコーダ87aからのデコード信号に応じて記憶回路87b〜87eからの読み出し信号を選択するマルチプレクサ87fと、デコード信号に応じた符合をマルチプレクサ87fからの選択値に付す(負号の場合には補数を生成する)回路87gとを含む。記憶回路87b〜87eの個数は、例えば2q−1個である。 Each of the first partial product-sum circuits 71a to 71f and the second partial product-sum circuits 73a to 73c includes a decoder 87a that receives q digital signals, storage circuits 87b, 87c, 87d, and 87e, and a decoder 87a. Multiplexer 87f that selects read signals from the memory circuits 87b to 87e according to the decoded signal, and a circuit that adds a sign according to the decoded signal to the selected value from the multiplexer 87f (in the case of a negative sign, generates a complement) 87g. The number of the memory circuits 87b to 87e is, for example, 2q -1 .

これまでの説明から理解されるように、g=0と置くことにより、利得に関する誤差およびキャパシタンスミスマッチ誤差の補正が行われる。補正回路70の補正係数は、さらにキャパシタンス比のミスマッチに関連づけられている。また、m=0と置くことにより、利得に関する誤差および有限利得誤差の補正が行われる。補正回路70の補正係数は、さらに前記演算増幅回路の有限利得誤差に関連づけられている。さらに、g=0およびm=0と置くことにより、利得に関する誤差の補正が行われる。   As understood from the above description, by setting g = 0, an error relating to gain and a capacitance mismatch error are corrected. The correction coefficient of the correction circuit 70 is further associated with a capacitance ratio mismatch. Further, by setting m = 0, an error relating to gain and a finite gain error are corrected. The correction coefficient of the correction circuit 70 is further related to the finite gain error of the operational amplifier circuit. Further, by setting g = 0 and m = 0, an error related to gain is corrected.

図9は、イメージセンサ用のA/D変換器の一例を示す図面である。図10は、図9に示されたイメージセンサ用のA/D変換器のためのタイミングチャートの一例を示す図面である。イメージセンサデバイス1のA/D変換回路部91として、上記いずれかの巡回型アナログ・ディジタル変換器11aの回路アレイ95が示される。イメージセンサセル93aのセルアレイ93は、ロウおよびカラムに配列された複数のイメージセンサセル93aを含む。巡回型アナログ・ディジタル変換器11aは、イメージセンサ画素の少なくとも一のカラムからの信号を処理する。イメージセンサ画素としては、例えばCMOSイメージセンサセルを用いることができる。巡回型アナログ・ディジタル変換器11aの比較回路15からのディジタル値は、例えば補正回路70により補正される。イメージセンサデバイス91は、さらに、垂直走査回路97、水平走査回路等を含むことができる。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an A / D converter for an image sensor. FIG. 10 is a drawing showing an example of a timing chart for the A / D converter for the image sensor shown in FIG. As the A / D conversion circuit unit 91 of the image sensor device 1, the circuit array 95 of any one of the above cyclic analog / digital converters 11a is shown. The cell array 93 of the image sensor cell 93a includes a plurality of image sensor cells 93a arranged in rows and columns. The cyclic analog-digital converter 11a processes a signal from at least one column of image sensor pixels. As the image sensor pixel, for example, a CMOS image sensor cell can be used. The digital value from the comparison circuit 15 of the cyclic analog / digital converter 11 a is corrected by, for example, the correction circuit 70. The image sensor device 91 can further include a vertical scanning circuit 97, a horizontal scanning circuit, and the like.

イメージセンサセル93aは、リセットレベルに対応する第1の信号SRSと信号レベルに対応する第2の信号SSGを提供する。ゲインステージ13は全差動構成の演算増幅回路を含む。ゲインステージ13は、イメージセンサセル93aからの第1および第2の信号SRS、SSGの一方を非反転入力に受けると共に、第1および第2の信号の他方SRS、SSGを反転入力に受ける。イメージセンサ用のA/D変換器によれば、イメージセンサセル93aのリセットレベルをキャンセルすることができる。 Image sensor cells 93a provides a second signal S SG corresponding to the first signal S RS and the signal level corresponding to the reset level. The gain stage 13 includes an operational amplifier circuit having a fully differential configuration. The gain stage 13 receives one of the first and second signals S RS and S SG from the image sensor cell 93a at the non-inverting input and inputs the other S RS and S SG of the first and second signals as an inverting input. To receive. According to the A / D converter for the image sensor, the reset level of the image sensor cell 93a can be canceled.

図9及び図10を参照すると、A/D変換器11aは、第1の期間Tの第1の部分(リセットレベルサンプリング期間T1R)に第1の信号SRSをスイッチ41c、43cを介してサンプリングする。この結果、リセットレベルに対応する電荷が第1及び第2のキャパシタ25、27に格納される。A/D変換器11aは、第1の期間Tの第2の部分(信号レベルサンプリング期間T1S)に第2の信号SSGをスイッチ41b、43bを介してサンプリングする。この結果、リセットレベルに対応する電荷が第3及び第4のキャパシタ35、37に格納される。標本化された信号は比較回路17にも提供される。 Referring to FIGS. 9 and 10, A / D converter 11a is a first signal S RS via the switch 41c, 43c to the first portion of the first period T 1 (reset level sampling period T 1R) And sample. As a result, charges corresponding to the reset level are stored in the first and second capacitors 25 and 27. A / D converter 11a, the second signal S SG via switch 41b, and 43b sampling the first second portion of the period T 1 (signal level sampling period T 1S). As a result, charges corresponding to the reset level are stored in the third and fourth capacitors 35 and 37. The sampled signal is also provided to the comparison circuit 17.

第2の期間T2における第1の演算では、第3および第4のキャパシタ35、37に格納された電荷(信号レベル電荷)と、第1および第2のキャパシタ25、27に格納される電荷(リセットレベル電荷)との差分が取られると共に、D/A変換回路17からの信号SD/Aに応答して電荷の再配置が生じる。第3の期間T3における第2の演算では、この差分値に対応しており演算増幅回路13からの演算値のA/D変換を行うと共に、引き続く演算のための電荷を第1〜第4のキャパシタ25、27、35、37に格納する。そして、第1および第2の演算を繰り返す。 In the first calculation in the second period T2, the charge (signal level charge) stored in the third and fourth capacitors 35 and 37 and the charge stored in the first and second capacitors 25 and 27 ( A difference from the reset level charge) is taken, and charge rearrangement occurs in response to the signal SD / A from the D / A conversion circuit 17. In the second calculation in the third period T3, the A / D conversion of the calculation value from the operational amplifier circuit 13 corresponding to this difference value is performed, and the charges for the subsequent calculation are first to fourth. Store in capacitors 25, 27, 35 and 37. Then, the first and second calculations are repeated.

図11は、イメージセンサデバイスの一例を示す図面である。CMOSイメージセンサデバイス1では、セルアレイ2の行に垂直シフトレジスタ3が接続されており、セルアレイ2のカラムにはA/D変換器アレイ4が接続されている。A/D変換器アレイ4は、配列された複数のA/D変換器11aを含む。CMOSイメージセンサ1のセルアレイ2では、例えばCMOSイメージセンサ画素2aがロウ方向およびカラム方向に配列されている。図11には、イメージセンサセル93aの一例としてCMOSイメージセンサ画素2aが示されているが、この特定の回路構成にCMOSイメージセンサ画素が限定されることはない。A/D変換器アレイ4には、データレジスタ5が接続される。画素2aからの信号に対応するA/D変換値がデータレジスタ5に格納される。データレジスタ5は、水平シフトレジスタ6からの信号に応答して、巡回A/D変換器11aの回路素子に起因する変換誤差およびA/D変換器で作り込まれた非線形誤差を補正するためのディジタル回路70へA/D変換値を提供する。画素2aは、フォトダイオードDが、イメージに関連する一画素分の光(Optical Signal)を受ける。選択トランジスタMのゲートは、行方向に伸びる行選択線Siに接続されている。リセットトランジスタMのゲートはリセット線Riに接続されている。転送トランジスタMのゲートは、行方向に伸びる転送選択線に接続されている。フォトダイオードDの一端は転送トランジスタMを介して浮遊拡散層FDに接続されている。浮遊拡散層FDは、リセットトランジスタMを介してリセット電位線Resetに接続されると共に、トランジスタMのゲートに接続されている。トランジスタMの一電流端子(例えばドレイン)は、選択トランジスタMを介して列線8に接続されている。トランジスタMは、浮遊拡散層FDの電荷量に応じて電位を選択トランジスタMを介して列線に提供する。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an image sensor device. In the CMOS image sensor device 1, a vertical shift register 3 is connected to a row of the cell array 2, and an A / D converter array 4 is connected to a column of the cell array 2. The A / D converter array 4 includes a plurality of arranged A / D converters 11a. In the cell array 2 of the CMOS image sensor 1, for example, CMOS image sensor pixels 2a are arranged in the row direction and the column direction. Although the CMOS image sensor pixel 2a is shown in FIG. 11 as an example of the image sensor cell 93a, the CMOS image sensor pixel is not limited to this specific circuit configuration. A data register 5 is connected to the A / D converter array 4. An A / D conversion value corresponding to the signal from the pixel 2 a is stored in the data register 5. In response to the signal from the horizontal shift register 6, the data register 5 corrects a conversion error caused by the circuit elements of the cyclic A / D converter 11a and a non-linear error created by the A / D converter. An A / D conversion value is provided to the digital circuit 70. In the pixel 2a, the photodiode DF receives light for one pixel (Optical Signal) related to the image. The gate of the selection transistor M S is connected to the row select line Si extending in the row direction. The gate of the reset transistor M R is connected to a reset line Ri. The gate of the transfer transistor M T is connected to the transfer selection line extending in the row direction. One end of the photodiode D F is connected to the floating diffusion layer FD via the transfer transistor M T. Floating diffusion layer FD is connected to a reset potential line Reset via the reset transistor M R, is connected to the gate of the transistor M A. One current terminal (for example, drain) of the transistor M A is connected to the column line 8 via the selection transistor M S. Transistor M A is provided in the column line through the selection transistor M S a potential corresponding to the charge amount of the floating diffusion layer FD.

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

既に説明したように、本発明の実施の形態は、冗長コードを用いる3値のディジタル値をA/D変換を行わないので、比較器の数が少ない。このため、面積と消費電力が削減される。比較器に与える複数の参照電圧が不要になるので、参照電圧の配線のために面積が削減される。また、コード依存のオフセット電圧が発生しやすくなる3値の切り替え(ゼロを含む3値の参照電圧の切り替え)動作をD/A変換回路で行わないので、精度低下を招く問題を回避できる。さらに、冗長コードを用いるA/D変換器は、非冗長表現のディジタル値の約2倍のビット幅に信号を記憶する回路と、それらの信号を水平走査するための回路もカラムに集積化する必要があり、このために大きな面積が必要であるけれども、本実施の形態の回路構造では、1.2倍程度の面積増にまで小さくできる。   As already described, the embodiment of the present invention does not perform A / D conversion on the ternary digital value using the redundant code, and therefore the number of comparators is small. For this reason, an area and power consumption are reduced. Since a plurality of reference voltages applied to the comparator are not necessary, the area is reduced due to the wiring of the reference voltage. In addition, since the D / A conversion circuit does not perform a ternary switching operation (a switching of a ternary reference voltage including zero) in which a code-dependent offset voltage is likely to occur, it is possible to avoid a problem that causes a decrease in accuracy. Further, the A / D converter using the redundant code also integrates a circuit for storing a signal in a bit width of about twice the digital value of the non-redundant expression and a circuit for horizontally scanning these signals in the column. Although a large area is necessary for this purpose, the circuit structure of the present embodiment can be reduced to an area increase of about 1.2 times.

以上の結果、高精度化しやすく、また回路面積と消費電力の小さいCMOSイメージセンサ用A/D変換器が実現される。また、ディジタル補正技術を用いることによって、いまだ誰も実現していない14ビット相当の高分解能をもったA/D変換器をカラム並列型として実現できる。このような高性能なカラム並列A/D変換器は、ハイビジョン用イメージセンサ等において有用と考えられる。   As a result, an A / D converter for a CMOS image sensor that is easy to achieve high accuracy and has a small circuit area and low power consumption is realized. Further, by using the digital correction technique, an A / D converter having a high resolution equivalent to 14 bits, which has not been realized yet by anyone, can be realized as a column parallel type. Such a high-performance column parallel A / D converter is considered to be useful in an image sensor for high vision.

図1は、巡回型A/D変換器を概略的に示す図面である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a cyclic A / D converter. 図2は、巡回型A/D変換器の入出力の関係を示す図面である。FIG. 2 is a diagram showing the input / output relationship of the cyclic A / D converter. 図3は、巡回型A/D変換器のためのタイミングチャートを示す図面である。FIG. 3 is a timing chart for the cyclic A / D converter. 図4は、一例の比較回路の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of an example comparison circuit. 図5は、差動回路構成による回路接続を参照しながら、巡回型A/D変換動作のための主要なステップを示す図面である。FIG. 5 is a diagram showing main steps for a cyclic A / D conversion operation with reference to circuit connection based on a differential circuit configuration. 図6は、積分非直線性誤差を示す図面である。FIG. 6 is a diagram showing an integral nonlinearity error. 図7は、3桁ずつの演算を行う組み合わせを示す図面である。FIG. 7 is a diagram showing a combination for performing an operation by three digits. 図8は、上記の構成を提供する補正回路の一例を示す図面である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a correction circuit that provides the above-described configuration. 図9は、イメージセンサ用のA/D変換器の一例を示す図面である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an A / D converter for an image sensor. 図10は、図9に示されたイメージセンサ用のA/D変換器のためのタイミングチャートの一例を示す図面である。FIG. 10 is a drawing showing an example of a timing chart for the A / D converter for the image sensor shown in FIG. 図11は、イメージセンサデバイスの一例を示す図面である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an image sensor device.

符号の説明Explanation of symbols

11…巡回型A/D変換器、13…利得2未満のゲインステージ、15…比較回路、17…D/A変換回路、19…補正回路、21…比較器、23…制御回路、25、27、35、37…キャパシタ、29…演算増幅回路、29a…非反転入力、29b…反転出力、29c…反転入力、29d…非反転出力、39a、39b…電圧源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Cyclic A / D converter, 13 ... Gain stage less than gain 2, 15 ... Comparison circuit, 17 ... D / A conversion circuit, 19 ... Correction circuit, 21 ... Comparator, 23 ... Control circuit, 25, 27 , 35, 37 ... capacitors, 29 ... operational amplifier circuit, 29a ... non-inverting input, 29b ... inverting output, 29c ... inverting input, 29d ... non-inverting output, 39a, 39b ... voltage source

Claims (14)

M+1ビットのディジタル値を生成するためにN回(N>M+1)の巡回動作を行う巡回型アナログ・ディジタル変換器であって、
前記巡回型アナログ・ディジタル変換器への入力信号を受けると共に2未満である所定の利得Gの増幅を提供するゲインステージと、
前記入力信号または前記ゲインステージからの変換信号に応じて2値のディジタル値を生成する比較回路と、
前記比較回路からの制御信号に応じたD/A信号を前記ゲインステージに提供するD/A変換回路と、
前記利得Gに関連づけられた補正係数を用いて前記比較回路からのN個のディジタル値を補正して、前記M+1ビットのディジタル値を生成する補正回路と
を備え、
前記ゲインステージは、前記D/A信号に応じた巡回動作を行って前記変換信号を生成し、
前記補正回路は、前記N個のディジタル値と前記補正係数との積和演算値を生成する回路を含む、巡回型アナログ・ディジタル変換器。
A cyclic analog-digital converter that performs N (N> M + 1) cyclic operations to generate a digital value of M + 1 bits,
A gain stage that receives an input signal to the cyclic analog-to-digital converter and provides amplification of a predetermined gain G that is less than 2;
A comparator for generating a binary digital value in response to the input signal or the conversion signal from the gain stage;
A D / A conversion circuit for providing a D / A signal corresponding to a control signal from the comparison circuit to the gain stage;
A correction circuit that corrects N digital values from the comparison circuit using a correction coefficient associated with the gain G to generate the M + 1 bit digital value;
The gain stage performs a cyclic operation according to the D / A signal to generate the converted signal ,
The correction circuit includes a circuit that generates a product-sum operation value of the N digital values and the correction coefficient .
前記ゲインステージは、前記利得に関連づけられたキャパシタンス比を提供するキャパシタ値の第1および第2のキャパシタと、前記第1および第2のキャパシタの前記キャパシタンス比による前記利得での増幅を行うための演算増幅回路とを含む、請求項1に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。 The gain stage is for performing amplification at the gain according to the capacitance ratio of the first and second capacitors with a capacitor value providing a capacitance ratio associated with the gain, and the first and second capacitors. The cyclic analog-digital converter according to claim 1 , comprising an operational amplifier circuit. 前記第1のキャパシタは、前記巡回型アナログ・ディジタル変換器の前記入力からのアナログ信号を第1の期間中に受け、前記第1の期間の後の第2の期間に前記D/A変換回路と前記演算増幅回路の入力との間に接続されると共に、前記第2の期間の後の第3の期間に前記演算増幅回路の出力に接続され、
前記第2のキャパシタは、前記第1の期間中に前記アナログ信号を受けると共に、前記第2および第3の期間に前記演算増幅回路の前記入力と前記出力との間に接続される、請求項2に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。
The first capacitor receives an analog signal from the input of the cyclic analog-digital converter during a first period, and the D / A conversion circuit in a second period after the first period. And the input of the operational amplifier circuit, and is connected to the output of the operational amplifier circuit in a third period after the second period,
The second capacitor, together with receiving the analog signal during the first period, is connected between the input and the output of said second and third said operational amplifier circuit during the period, claims 2. The cyclic analog-digital converter described in 2 .
前記第1のキャパシタのキャパシタ値は前記第2のキャパシタのキャパシタ値よりも小さい、請求項2または請求項3に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。 The cyclic analog-digital converter according to claim 2 or 3 , wherein a capacitor value of the first capacitor is smaller than a capacitor value of the second capacitor. 前記補正回路の前記補正係数は、さらに、前記演算増幅回路の有限利得誤差および前記キャパシタンス比のミスマッチ誤差の少なくともいずれか一方に関連づけられている、請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。 The correction coefficient of the correction circuit further said that at least associated with one of mismatching errors of the finite gain error and the capacitance ratio of the operational amplifier circuit, in any one of claims 2 to 4 The described cyclic analog-to-digital converter. 前記補正回路は、M+1ビットの第1の積和演算値を生成する回路と、Nビットの第2の積和演算値を生成する回路とを含み、
前記M+1ビットのディジタル値は、前記第1および第2の積和演算値から生成される、請求項5に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。
The correction circuit includes a circuit that generates a first product-sum operation value of M + 1 bits and a circuit that generates a second product-sum operation value of N bits,
6. The cyclic analog-to-digital converter according to claim 5 , wherein the M + 1 bit digital value is generated from the first and second product-sum operation values.
前記比較回路は、受けた信号を単一の参照信号と比較する、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。 The cyclic analog-digital converter according to claim 1 , wherein the comparison circuit compares the received signal with a single reference signal. 前記ゲインステージは、全差動回路を含むと共に非反転出力信号および反転出力信号を提供しており、
前記比較回路は、前記非反転出力信号および前記反転出力信号を受ける差動回路を含む、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。
The gain stage includes a fully differential circuit and provides a non-inverted output signal and an inverted output signal,
The cyclic analog-digital converter according to any one of claims 1 to 6 , wherein the comparison circuit includes a differential circuit that receives the non-inverted output signal and the inverted output signal.
イメージセンサデバイスであって、
イメージセンサセルのセルアレイと、
前記イメージセンサセルの少なくとも一のカラムからの信号を処理するために、M+1ビットのディジタル値を生成するためにN回(N>M+1)の巡回動作を行う巡回型アナログ・ディジタル変換器と
を備え、
前記巡回型アナログ・ディジタル変換器は、
2未満であるの所定の利得Gの増幅を提供するゲインステージと、
前記巡回型アナログ・ディジタル変換器への入力信号または前記ゲインステージからの変換信号に応じて2値のディジタル値を生成する比較回路と、
前記比較回路からの前記ディジタル値に応じたD/A信号を前記ゲインステージに提供するD/A変換回路と
を備え、
前記イメージセンサデバイスは、前記利得Gに関連づけられた補正係数を用いて前記比較回路からのN個のディジタル値を補正して、前記M+1ビットのディジタル値を生成する補正回路を更に備え、
前記ゲインステージは、前記D/A信号に応じた巡回動作を行って前記変換信号を生成し、
前記補正回路は、前記N個のディジタル値と前記補正係数との積和演算値を生成する回路を含む、イメージセンサデバイス。
An image sensor device,
A cell array of image sensor cells;
A cyclic analog-to-digital converter that performs N (N> M + 1) cyclic operations to generate an M + 1 bit digital value to process a signal from at least one column of the image sensor cell. ,
The cyclic analog-digital converter is
A gain stage providing amplification of a predetermined gain G of less than 2;
A comparison circuit that generates a binary digital value in response to an input signal to the cyclic analog-digital converter or a conversion signal from the gain stage;
A D / A conversion circuit for providing a D / A signal corresponding to the digital value from the comparison circuit to the gain stage;
The image sensor device further includes a correction circuit that corrects N digital values from the comparison circuit using a correction coefficient associated with the gain G to generate the M + 1 bit digital value;
The gain stage performs a cyclic operation according to the D / A signal to generate the converted signal ,
The image sensor device , wherein the correction circuit includes a circuit that generates a product-sum operation value of the N digital values and the correction coefficient .
前記イメージセンサセルは、リセットレベルに対応する第1の信号と信号レベルに対応する第2の信号を提供し、
前記ゲインステージは、非反転入力および反転入力を有すると共に全差動構成の演算増幅回路を含み、
前記ゲインステージは、前記イメージセンサセルからの前記第1及び第2の信号の一方を前記非反転入力に受けると共に、前記イメージセンサセルからの前記第1及び第2の信号の他方を前記反転入力に受ける、請求項9に記載されたイメージセンサデバイス。
The image sensor cell provides a first signal corresponding to a reset level and a second signal corresponding to a signal level;
The gain stage includes a non-inverting input and an inverting input, and includes an operational amplifier circuit having a fully differential configuration,
The gain stage receives one of the first and second signals from the image sensor cell at the non-inverting input and receives the other of the first and second signals from the image sensor cell as the inverting input. The image sensor device according to claim 9 , wherein the image sensor device is received.
巡回型A/D変換によりアナログ値からディジタル値を生成する方法であって、
巡回型A/D変換器の2未満の利得Gを有するゲインステージを用いて巡回型A/D変換を行って、2未満の利得に起因する非線形誤差を含むNビットディジタル値を生成するステップと、
前記利得Gに関連づけられた係数を用いた補正を前記Nビットのディジタル値に施して、前記非線形誤差が改善されたM+1ビット(N>M+1)のディジタル値を生成するステップと
を含み、
前記M+1ビットのディジタル値を生成するステップにおいて、前記Nビットディジタル値と前記係数との積和演算値を生成することを特徴とする、方法。
A method of generating a digital value from an analog value by cyclic A / D conversion,
Performing a cyclic A / D conversion using a gain stage having a gain G of less than 2 of the cyclic A / D converter to generate an N-bit digital value including a non-linear error due to a gain of less than 2; ,
Wherein by performing correction using the coefficients associated with the gain G to the digital value of said N bits, saw including a step of generating a digital value of the M + 1 bit non-linear error is improved (N> M + 1),
A method of generating a product-sum operation value of the N-bit digital value and the coefficient in the step of generating the M + 1 bit digital value .
M+1ビットのディジタル値を生成するためにN回(N>M+1)の巡回動作を行う巡回型アナログ・ディジタル変換器であって、A cyclic analog-digital converter that performs N (N> M + 1) cyclic operations to generate a digital value of M + 1 bits,
前記巡回型アナログ・ディジタル変換器への入力信号を受けると共に2未満である所定の利得Gの増幅を提供するゲインステージと、  A gain stage that receives an input signal to the cyclic analog-to-digital converter and provides amplification of a predetermined gain G that is less than 2;
前記入力信号または前記ゲインステージからの変換信号に応じて2値のディジタル値を生成する比較回路と、  A comparator for generating a binary digital value in response to the input signal or the conversion signal from the gain stage;
前記比較回路からの制御信号に応じたD/A信号を前記ゲインステージに提供するD/A変換回路と、  A D / A conversion circuit for providing a D / A signal corresponding to a control signal from the comparison circuit to the gain stage;
前記利得Gに関連づけられた補正係数を用いて前記比較回路からのN個のディジタル値を補正して、前記M+1ビットのディジタル値を生成する補正回路と  A correction circuit that corrects N digital values from the comparison circuit using a correction coefficient associated with the gain G to generate the M + 1 bit digital value;
を備え、With
前記ゲインステージは、前記利得に関連づけられたキャパシタンス比を提供するキャパシタ値の第1および第2のキャパシタと、前記第1および第2のキャパシタの前記キャパシタンス比による前記利得での増幅を行うための演算増幅回路とを含み、前記D/A信号に応じた巡回動作を行って前記変換信号を生成する、巡回型アナログ・ディジタル変換器。  The gain stage is for performing amplification at the gain according to the capacitance ratio of the first and second capacitors with a capacitor value providing a capacitance ratio associated with the gain, and the first and second capacitors. A cyclic analog-digital converter that includes an operational amplifier circuit and performs the cyclic operation according to the D / A signal to generate the converted signal.
前記補正回路の前記補正係数は、さらに、前記演算増幅回路の有限利得誤差および前記キャパシタンス比のミスマッチ誤差の少なくともいずれか一方に関連づけられている、請求項12に記載された巡回型アナログ・ディジタル変換器。The cyclic analog-to-digital conversion according to claim 12, wherein the correction coefficient of the correction circuit is further related to at least one of a finite gain error of the operational amplifier circuit and a mismatch error of the capacitance ratio. vessel. M+1ビットのディジタル値を生成するためにN回(N>M+1)の巡回動作を行う巡回型アナログ・ディジタル変換器であって、A cyclic analog-digital converter that performs N (N> M + 1) cyclic operations to generate a digital value of M + 1 bits,
前記巡回型アナログ・ディジタル変換器への入力信号を受けると共に2未満である所定の利得Gの増幅を提供するゲインステージと、  A gain stage that receives an input signal to the cyclic analog-to-digital converter and provides amplification of a predetermined gain G that is less than 2;
前記入力信号または前記ゲインステージからの変換信号に応じて2値のディジタル値を生成する比較回路と、  A comparator for generating a binary digital value in response to the input signal or the conversion signal from the gain stage;
前記比較回路からの制御信号に応じたD/A信号を前記ゲインステージに提供するD/A変換回路と、  A D / A conversion circuit for providing a D / A signal corresponding to a control signal from the comparison circuit to the gain stage;
前記利得Gに関連づけられた補正係数を用いて前記比較回路からのN個のディジタル値を補正して、前記M+1ビットのディジタル値を生成する補正回路と  A correction circuit that corrects N digital values from the comparison circuit using a correction coefficient associated with the gain G to generate the M + 1 bit digital value;
を備え、With
前記ゲインステージは、前記D/A信号に応じた巡回動作を行って前記変換信号を生成し、全差動回路を含むと共に非反転出力信号および反転出力信号を提供しており、  The gain stage performs a cyclic operation according to the D / A signal to generate the converted signal, includes a fully differential circuit, and provides a non-inverted output signal and an inverted output signal,
前記比較回路は、前記非反転出力信号および前記反転出力信号を受ける差動回路を含む、巡回型アナログ・ディジタル変換器。  The comparison circuit includes a cyclic analog / digital converter including a differential circuit that receives the non-inverted output signal and the inverted output signal.
JP2007094678A 2007-03-30 2007-03-30 Cyclic analog-digital converter and image sensor device Active JP5011538B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007094678A JP5011538B2 (en) 2007-03-30 2007-03-30 Cyclic analog-digital converter and image sensor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007094678A JP5011538B2 (en) 2007-03-30 2007-03-30 Cyclic analog-digital converter and image sensor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008252792A JP2008252792A (en) 2008-10-16
JP5011538B2 true JP5011538B2 (en) 2012-08-29

Family

ID=39977165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007094678A Active JP5011538B2 (en) 2007-03-30 2007-03-30 Cyclic analog-digital converter and image sensor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5011538B2 (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5499027A (en) * 1994-02-24 1996-03-12 Massachusetts Institute Of Technology Digitally self-calibrating pipeline analog-to-digital converter

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008252792A (en) 2008-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5769178B2 (en) A / D converter
JP4793602B2 (en) A / D converter and readout circuit
KR101148169B1 (en) A/d conversion array and image sensor
US5929800A (en) Charge integration successive approximation analog-to-digital converter for focal plane applications using a single amplifier
JP5299876B2 (en) Analog-digital converter and method for generating digital signal corresponding to analog signal
JP2010104002A (en) Readout circuit and integrated circuit for x-ray pixel detector
JP4366501B2 (en) Image sensor with digital noise cancellation function
US6894631B1 (en) Pipeline ADC digital dithering for increased digital calibration resolution
KR101157749B1 (en) Cyclic analog/digital converter
JP4811339B2 (en) A / D converter
EP1339169B1 (en) Method of calibrating an analog-to-digital converter and a circuit implementing the same
JPWO2012111821A1 (en) A / D converter, image sensor device, and method for generating digital signal from analog signal
JP4370407B2 (en) Image sensor
JP4684028B2 (en) Pipeline A / D converter
JP4469989B2 (en) N-bit A / D converter
KR101644999B1 (en) Low-Power Analog Digital Converter By Using Time-Domain Multi-Stage Interpolation
JP5187782B2 (en) Cyclic A / D converter, image sensor device, and method for generating digital signal from analog signal
US20140252207A1 (en) Analog-to-digital converter and solid-state imaging device
JP5011538B2 (en) Cyclic analog-digital converter and image sensor device
JP2014239426A (en) Digital correction circuit for a/d conversion circuit, a/d conversion circuit, and image sensor device
JP4328863B2 (en) Cyclic A / D converter and image sensor
JP4423427B2 (en) Analog-digital converter and image sensing semiconductor device
JP4478798B2 (en) Cyclic A / D converter with offset reduction function and method for reducing offset voltage
JP2812169B2 (en) A / D converter
JP6771758B2 (en) A / D converter

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100317

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120214

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120410

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120508

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150