JP6681616B2 - A / D converter, image sensor device, and method for generating digital signal from analog signal - Google Patents
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本発明は、A/D変換器、イメージセンサデバイス及びアナログ信号からディジタル信号を生成する方法に関する。 The present invention relates to an A / D converter, an image sensor device and a method for generating a digital signal from an analog signal.
特許文献1には、A/D変換器が記載されている。このA/D変換器では、入力されたアナログ信号に対して積分型(又はフォールディング積分型)A/D変換動作が行われると共に、フォールディング積分型A/D変換の残差アナログ信号に対して巡回型A/D変換動作が行われる。フォールディング積分型A/D変換では、入力信号の標本化及び標本値の積分を繰り返しながらA/D変換のための演算が行われることにより、アナログ信号からディジタル信号が得られる。
特許文献1に記載されたA/D変換器では、積分によるノイズ低減を図りながらフォールディング動作によってダイナミックレンジが拡大される。入力信号に対する積分動作の回数は、ダイナミックレンジといったA/D変換器の性能に影響を及ぼす。そこで、A/D変換器における積分動作の高速化が望まれていた。
In the A / D converter described in
そこで、本発明は、積分動作の高速化によりA/D変換器の性能を向上させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to improve the performance of the A / D converter by speeding up the integration operation.
本発明の一側面は、シングルエンド構成のA/D変換器であって、ディジタル値に変換されるアナログ信号を受ける入力、第1の演算値及び第2の演算値を出力する出力、並びに、第1の入力、第2の入力及び出力を含む演算増幅回路を有するゲインステージと、第1の演算値及び第2の演算値の一方と変換参照電圧とを利用して、一又は複数のビットを含むディジタル信号を生成するA/D変換回路と、ディジタル信号を利用して制御信号を生成する論理回路と、クロック信号を生成するクロック発生回路と、第1の出力及び第2の出力を有し、第1の基準参照電圧及び第2の基準参照電圧の少なくともいずれか一方を、制御信号を利用して第1の出力及び第2の出力を介して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、第1の容量部及び第2の容量部を含む前段容量部を含み、演算増幅回路の第2の入力は、基準電位を受け、第1の基準参照電圧は、第2の基準参照電圧より高く、ゲインステージは、スイッチ回路を含み、スイッチ回路は、クロック信号を利用して、演算増幅回路の第1の入力に第1の容量部及び第2の容量部の一方を接続し、基準電位に第1の容量部及び第2の容量部の他方を接続し、A/D変換器は、第1の演算値を生成する第1のA/D変換動作と、第2の演算値を生成する第2のA/D変換動作と、を行い、第1のA/D変換動作では、ゲインステージが、第1の格納動作及び第1の演算動作を並行して行う第1の動作と、第2の格納動作及び第2の演算動作を並行して行う第2の動作と、を交互に行い、第1の格納動作では、入力から供給されるアナログ信号が第1の容量部に格納され、第1の演算動作では、第2の容量部に基づく第1の演算値がゲインステージの出力に生成され、第2の格納動作では、入力から供給されるアナログ信号が第2の容量部に格納され、第2の演算動作では、第1の容量部に基づく第1の演算値がゲインステージの出力に生成され、第2のA/D変換動作では、ゲインステージが、第3の格納動作を行う第3の動作と、第4の演算動作を行う第4の動作と、を交互に行い、第3の格納動作では、第1の演算値又は第2の演算値が前段容量部に格納され、第4の演算動作では、前段容量部に基づく第2の演算値がゲインステージの出力に生成される。 One aspect of the present invention is a single-ended A / D converter, which has an input for receiving an analog signal converted into a digital value, an output for outputting a first operation value and a second operation value, and Using a gain stage having an operational amplifier circuit including a first input, a second input and an output, one of the first operational value and the second operational value, and the conversion reference voltage, one or more bits An A / D conversion circuit that generates a digital signal including a signal, a logic circuit that generates a control signal using the digital signal, a clock generation circuit that generates a clock signal, and a first output and a second output. Then, a D / A conversion circuit that provides at least one of the first reference voltage and the second reference voltage to the gain stage via the first output and the second output using the control signal. And The gain stage includes a pre-capacitance section including a first capacitance section and a second capacitance section, a second input of the operational amplifier circuit receives a reference potential, and a first reference reference voltage is a second reference voltage. Above the reference voltage, the gain stage includes a switch circuit that utilizes the clock signal to connect one of the first capacitance section and the second capacitance section to the first input of the operational amplifier circuit. , The other of the first capacitance section and the second capacitance section is connected to the reference potential, and the A / D converter generates the first calculation value by the first A / D conversion operation and the second calculation. A second A / D conversion operation for generating a value, and in the first A / D conversion operation, the gain stage performs the first storage operation and the first arithmetic operation in parallel. The first operation and the second operation of performing the second storing operation and the second arithmetic operation in parallel are alternately performed, and the first operation In the storing operation, the analog signal supplied from the input is stored in the first capacitance section, and in the first arithmetic operation, the first arithmetic value based on the second capacitance section is generated at the output of the gain stage. In the second storage operation, the analog signal supplied from the input is stored in the second capacitance section, and in the second calculation operation, the first calculation value based on the first capacitance section is generated at the output of the gain stage. , In the second A / D conversion operation, the gain stage alternately performs the third operation of performing the third storing operation and the fourth operation of performing the fourth arithmetic operation to obtain the third storing operation. In the operation, the first calculated value or the second calculated value is stored in the pre-stage capacitance section, and in the fourth calculation operation, the second calculated value based on the pre-stage capacitance section is generated at the output of the gain stage.
このA/D変換器によれば、同一の回路構成において動作手順の制御を行うことにより、フォールディング積分型のA/D変換を行うための第1のA/D変換動作と、巡回型のA/D変換を行うための第2のA/D変換動作とが実現される。ここで、第1のA/D変換動作では、ゲインステージが、第1の格納動作及び第1の演算動作を並行して行う第1の動作と、第2の格納動作及び第2の演算動作を並行して行う第2の動作と、を交互に行う。この動作によれば、格納動作と演算動作とが並行して行われるので、1クロックあたりの処理数が増加する。従って、A/D変換器における積分動作が高速化されるので、A/D変換器の性能を向上させることができる。 According to this A / D converter, the first A / D conversion operation for performing the folding integral type A / D conversion and the cyclic type A / D conversion are performed by controlling the operation procedure in the same circuit configuration. A second A / D conversion operation for performing / D conversion is realized. Here, in the first A / D conversion operation, the gain stage performs the first storage operation and the first arithmetic operation in parallel, and the second storage operation and the second arithmetic operation. And the second operation which is performed in parallel are alternately performed. According to this operation, the storing operation and the arithmetic operation are performed in parallel, so that the number of processes per clock increases. Therefore, since the integration operation in the A / D converter is speeded up, the performance of the A / D converter can be improved.
第1の容量部は、第1のキャパシタを含み、第2の容量部は、第2のキャパシタを含み、ゲインステージは、第3のキャパシタを含み、第1の格納動作では、第1のキャパシタがゲインステージの入力と基準電位との間に接続されることにより、アナログ信号が第1のキャパシタに格納され、第1の演算動作では、第2のキャパシタがD/A変換回路の第2の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、且つ、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第2のキャパシタに基づく第1の演算値がゲインステージの出力に生成され、第2の格納動作では、第2のキャパシタがゲインステージの入力と基準電位との間に接続されることにより、アナログ信号が第2のキャパシタに格納され、第2の演算動作では、第1のキャパシタがD/A変換回路の第1の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、且つ、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第1のキャパシタに基づく第1の演算値がゲインステージの出力に生成され、第3の格納動作では、第1のキャパシタ及び第2のキャパシタが演算増幅回路の出力と基準電位との間に接続され、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第1の演算値又は第2の演算値が第1のキャパシタ及び第2のキャパシタに格納され、第4の演算動作では、第1のキャパシタがD/A変換回路の第1の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第2のキャパシタがD/A変換回路の第2の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第1のキャパシタ及び第2のキャパシタに基づく第2の演算値がゲインステージの出力に生成されてもよい。 The first capacitance section includes a first capacitor, the second capacitance section includes a second capacitor, the gain stage includes a third capacitor, and the first storage operation includes the first capacitor. Is connected between the input of the gain stage and the reference potential, whereby the analog signal is stored in the first capacitor, and in the first arithmetic operation, the second capacitor is connected to the second capacitor of the D / A conversion circuit. The second capacitor is connected between the output and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit. A first calculated value based on the capacitor of is generated at the output of the gain stage, and in the second storing operation, the second capacitor is connected between the input of the gain stage and the reference potential, thereby providing an analog signal. Second capacitor In the second arithmetic operation, the first capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is operational amplified in the second arithmetic operation. By connecting between the output of the circuit and the first input of the operational amplifier circuit, a first calculated value based on the first capacitor is generated at the output of the gain stage, and in the third storing operation, The first capacitor and the second capacitor are connected between the output of the operational amplifier circuit and the reference potential, and the third capacitor is connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit. Accordingly, the first calculated value or the second calculated value is stored in the first capacitor and the second capacitor, and in the fourth arithmetic operation, the first capacitor outputs the first output of the D / A conversion circuit. Connected to the first input of the operational amplifier circuit. , The second capacitor is connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit. A second calculated value based on the first capacitor and the second capacitor may be generated at the output of the gain stage by being connected to the input.
このA/D変換器によれば、格納動作と演算動作とが並行して行われるので、1クロックあたりの処理数が増加する。従って、A/D変換器における積分動作が高速化されるので、A/D変換器の性能を向上させることができる。 According to this A / D converter, the storage operation and the arithmetic operation are performed in parallel, so that the number of processes per clock increases. Therefore, since the integration operation in the A / D converter is speeded up, the performance of the A / D converter can be improved.
第1の容量部は、第1のキャパシタ及び第4のキャパシタを含み、第2の容量部は、第2のキャパシタ及び第5のキャパシタを含み、ゲインステージは、第3のキャパシタを含み、第1の格納動作では、第1のキャパシタがゲインステージの入力と演算増幅回路の第2の入力との間に接続されることにより、アナログ信号が第1のキャパシタに格納され、第1の演算動作では、第2のキャパシタがD/A変換回路の第1の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第2のキャパシタに基づく第1の演算値がゲインステージの出力に生成され、第2の格納動作では、第2のキャパシタがゲインステージの入力と演算増幅回路の第2の入力との間に接続されることにより、アナログ信号が第2のキャパシタに格納され、第2の演算動作では、第1のキャパシタがD/A変換回路の第1の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第1のキャパシタに基づく第1の演算値がゲインステージの出力に生成され、第2のA/D変換動作の第3の動作は、第3の格納動作と並行して行われる第3の演算動作をさらに含み、第2のA/D変換動作の第4の動作は、第4の演算動作と並行して行われる第4の格納動作をさらに含み、第3の格納動作では、第1のキャパシタ及び第4のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第2の入力との間に接続されることにより、第1の演算値又は第2の演算値が第1のキャパシタ及び第4のキャパシタに格納され、第3の演算動作では、第2のキャパシタがD/A変換回路の第1の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第5のキャパシタがD/A変換回路の第2の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第2の演算値がゲインステージの出力に生成され、第4の格納動作では、第2のキャパシタ及び第5のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第2の入力との間に接続されることにより、第2の演算値が第2のキャパシタ及び第5のキャパシタに格納され、第4の演算動作では、第1のキャパシタがD/A変換回路の第1の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第4のキャパシタがD/A変換回路の第2の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続され、第3のキャパシタが演算増幅回路の出力と演算増幅回路の第1の入力との間に接続されることにより、第2の演算値がゲインステージの出力に生成されてもよい。 The first capacitance unit includes a first capacitor and a fourth capacitor, the second capacitance unit includes a second capacitor and a fifth capacitor, the gain stage includes a third capacitor, In the first storage operation, the first capacitor is connected between the input of the gain stage and the second input of the operational amplifier circuit, so that the analog signal is stored in the first capacitor and the first operation operation is performed. Then, the second capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit. Is connected to the input of the gain capacitor, a first calculated value based on the second capacitor is generated at the output of the gain stage, and in the second storing operation, the second capacitor is calculated from the input of the gain stage. Second amplifier circuit By being connected to the input, the analog signal is stored in the second capacitor, and in the second arithmetic operation, the first capacitor causes the first output of the D / A conversion circuit and the first output of the operational amplifier circuit to change. The third capacitor connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit so that the first calculated value based on the first capacitor is connected. Is generated at the output of the gain stage, and the third operation of the second A / D conversion operation further includes a third arithmetic operation performed in parallel with the third storage operation. The fourth operation of the converting operation further includes a fourth storing operation performed in parallel with the fourth arithmetic operation, and in the third storing operation, the first capacitor and the fourth capacitor are the operational amplifier circuit. To be connected between the output and the second input of the operational amplifier circuit Therefore, the first calculated value or the second calculated value is stored in the first capacitor and the fourth capacitor, and in the third calculation operation, the second capacitor becomes the first output of the D / A conversion circuit. A fifth capacitor connected between the first input of the operational amplifier circuit and a fifth capacitor connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit; Is connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit to generate a second operation value at the output of the gain stage, and in the fourth storage operation, the second capacitor And the fifth capacitor is connected between the output of the operational amplifier circuit and the second input of the operational amplifier circuit, whereby the second calculated value is stored in the second capacitor and the fifth capacitor, and In the arithmetic operation of No. 4, the first capacitor is the first capacitor of the D / A conversion circuit. 1 is connected to the first input of the operational amplifier circuit, and a fourth capacitor is connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, The second calculated value may be generated at the output of the gain stage by connecting the third capacitor between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit.
このA/D変換器は、第2のA/D変換動作において、ゲインステージが、第3の格納動作及び第3の演算動作を並行して行う第3の動作と、第4の格納動作及び第4の演算動作を並行して行う第4の動作と、を交互に行う。この動作によれば、第2のA/D変換動作における格納動作と演算動作とが並行して行われるので、1クロックあたりの処理数が増加する。従って、A/D変換器の性能をさらに向上させることができる。 In this A / D converter, in the second A / D conversion operation, the gain stage performs a third storage operation and a third arithmetic operation in parallel, a fourth storage operation, and a third storage operation. The fourth operation, which performs the fourth arithmetic operation in parallel, and the fourth operation are performed alternately. According to this operation, the storage operation and the arithmetic operation in the second A / D conversion operation are performed in parallel, so that the number of processes per clock increases. Therefore, the performance of the A / D converter can be further improved.
本発明の別の側面は、イメージセンサデバイスである。イメージセンサデバイスは、イメージセンサセルのアレイを含むセルアレイと、セルアレイに接続されており複数のA/D変換器を含む変換器アレイと、を備え、A/D変換器の各々は、セルアレイのカラム線を介してイメージセンサセルに接続されており、A/D変換器の各々は、上記した、A/D変換器である。このイメージセンサデバイスによれば、A/D変換器がシングルエンド型で構成されるので、イメージセンサデバイスの面積を小さくできる。 Another aspect of the present invention is an image sensor device. The image sensor device includes a cell array including an array of image sensor cells and a converter array connected to the cell array and including a plurality of A / D converters, each A / D converter being a column of the cell array. Each of the A / D converters is connected to the image sensor cell via a wire, and is the above-mentioned A / D converter. According to this image sensor device, since the A / D converter is a single-ended type, the area of the image sensor device can be reduced.
本発明の更なる別の側面は、上記したA/D変換器を用いてアナログ信号からディジタル信号を生成する方法である。この方法は、入力から供給されるアナログ信号を第1の容量部に格納する第1の格納動作としての第1の格納ステップ、及び、第2の容量部に基づく第1の演算値をゲインステージの出力に生成する第1の演算動作としての第1の演算ステップ、を並行して行う第1のステップと、入力から供給されるアナログ信号を第2の容量部に格納する第2の格納動作としての第2の格納ステップ、及び、第1の容量部に基づく第1の演算値をゲインステージの出力に生成する第2の演算動作としての第2の演算ステップ、を並行して行う第2のステップと、第1のステップ及び第2のステップを所定回数繰り返して行う積分型A/D変換ステップと、積分型A/D変換ステップにおける第1の演算値である残差アナログ信号を前段容量部に格納する動作を行う第3のステップと、前段容量部に基づく第2の演算値をゲインステージの出力に生成する第4の演算動作としての第4の演算ステップを行う第4のステップと、第2の演算値を前段容量部に格納する第3の格納動作としての第3の格納ステップを行う第5のステップと、第4のステップ及び第5のステップを所定回数繰り返して行う巡回型A/D変換ステップと、を有する。 Yet another aspect of the present invention is a method of generating a digital signal from an analog signal using the A / D converter described above. According to this method, a first storing step as a first storing operation of storing an analog signal supplied from an input in a first capacitance section, and a gain calculation of a first calculated value based on a second capacitance section And a second storing operation for storing the analog signal supplied from the input in the second capacitance section. Second storage step as a second calculation step and a second calculation step as a second calculation operation for generating a first calculation value based on the first capacitance section at the output of the gain stage. And the integration type A / D conversion step in which the first step and the second step are repeated a predetermined number of times, and the residual analog signal which is the first calculation value in the integration type A / D conversion step Motion to store And a fourth calculation step as a fourth calculation operation for generating a second calculation value based on the preceding capacitance section at the output of the gain stage, and a second calculation A fifth step of performing a third storage step as a third storage operation of storing a value in the preceding-stage capacitance section, and a cyclic A / D conversion step of repeating the fourth step and the fifth step a predetermined number of times. And.
この方法によれば、シングルエンド構成のA/D変換器を用いて、入力されたアナログ信号がフォールディング積分によりA/D変換され、その残差アナログ信号が巡回型A/D変換されることにより、両A/D変換の結果からアナログ信号に対応するディジタル信号が生成される。ここでフォールディング積分によるA/D変換では、第1の格納動作及び第1の演算動作を並行して行う第1の動作と、第2の格納動作及び第2の演算動作を並行して行う第2の動作と、が交互に行われる。この動作によれば、格納動作と演算動作とが並行して行われるので、1クロックあたりの処理数が増加する。従って、A/D変換器における積分動作が高速化されるので、A/D変換動作の性能を向上させることができる。
According to this method, the input analog signal is A / D converted by folding integration and the residual analog signal is cyclic A / D converted using the single-ended A / D converter. , A digital signal corresponding to an analog signal is generated from the results of both A / D conversions. Here, in the A / D conversion by folding integration, the first operation that performs the first storage operation and the first arithmetic operation in parallel, and the second operation that performs the second storage operation and the second arithmetic operation in parallel The
本発明によれば、積分動作の高速化によりA/D変換器の性能が向上する。 According to the present invention, the performance of the A / D converter is improved by speeding up the integration operation.
<第1の実施形態>
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A/D変換器、イメージセンサデバイス、及びアナログ信号からディジタル信号を生成する方法の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。
<First Embodiment>
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 A / D converter, the image sensor device, and the method for generating a digital signal from an analog signal of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. If possible, the same parts are designated by the same reference numerals.
図1は、第1の実施形態に係るA/D変換器11の回路図である。A/D変換器11は、いわゆるフォールディング積分型のA/D変換である第1のA/D変換動作と、巡回型A/D変換である第2のA/D変換動作を、同一の回路構成を用いて実施する。A/D変換器11は、当該A/D変換器11が含むスイッチの時系列の制御パターンの変更により、第1のA/D変換動作及び第2のA/D変換動作を実現する。
FIG. 1 is a circuit diagram of the A /
このA/D変換器11は、ゲインステージ15と、A/D変換回路17と、論理回路19と、D/A変換回路21とを備える。また、A/D変換器11は、参照電圧発生回路37及びクロック発生器(クロック発生回路)41を含む。
The A /
ゲインステージ15は、入力15a、及び出力15bを含む。入力15aは、ディジタル値に変換されるアナログ信号VINを受ける。出力15bは、第1の演算値VOP1及び第2の演算値VOP2を提供する。また、ゲインステージ15は、前段容量部20、シングルエンド型の演算増幅回路23、及びスイッチ回路60を含む。
The
前段容量部20は、第1の容量部としての第1のキャパシタ25、及び第2の容量部としての第2のキャパシタ27を含む。また、ゲインステージ15は、演算増幅回路23の帰還容量としての第3のキャパシタ29を含む。
The
第1のキャパシタ25、第2のキャパシタ27、及び第3のキャパシタ29は、各種の信号値の格納及び演算のための容量である。ここで、第3のキャパシタ29の容量C2は、第1のキャパシタ25の容量C1aより大きい。また、第3のキャパシタ29の容量C2は、第2のキャパシタ27の容量C1bより大きい。これにより、フォールディング積分型A/D変換である第1のA/D変換動作において入力されるアナログ信号VOP1は、その容量比(C1a/C2,C1b/C2)に従って減衰されて積分される。従って、フォールディング積分型A/D変換において出力されるアナログ信号VINの電圧範囲も、第1のキャパシタ25と第2のキャパシタ27との容量比に従って小さくなるので、シングルエンド構成により当該A/D変換器11を構成できる。
The
第3のキャパシタ29の容量は、第1のキャパシタ25の容量又は第2のキャパシタ27の容量の2倍である。即ち、C1a=1/2×C2及びC1b=1/2×C2といった関係が成立する。このような第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27を含むA/D変換器11によれば、フォールディング積分型A/D変換において入力されるアナログ信号VINは、1/2に減衰されてサンプリング及び積分される。従って、フォールディング積分型A/D変換において出力されるアナログ信号である第1の演算値VOP1の電圧範囲も、第1のキャパシタ25と第2のキャパシタ27との容量比に従って1/2となる。従って、巡回型A/D変換である第2のA/D変換動作において、シングルエンド構成のA/D変換器に適した入力電圧が提供される。
The capacity of the
演算増幅回路23は、第1の入力23a、出力23b、及び第2の入力23cを含む。第1の入力23aは、反転入力端子である。第2の入力23cは、非反転入力端子である。出力23bは、出力端子である。従って、出力23bの信号の位相は、第1の入力23aに与えられた信号の位相と反転する。第2の入力23cは、基準電位線LCOMに接続される。第2の入力23cは、基準電位VCOMを受ける。
The
ゲインステージ15は、複数のスイッチ43,47,49,51,53,55,57,59,61,63,67を含む。図1に示されるスイッチ43,47,49,51,53,55,57,59,61,63,67の配置は一例である。これらのスイッチ43,47,49,51,53,55,57,59,61,63,67の制御は、クロック発生器41によって行われる。スイッチ回路60は、スイッチ47,49,55,57を含む。スイッチ回路60は、クロック信号(φ11,φ21,φ12,φ22)を利用して、演算増幅回路23の第1の入力23aに第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27の一方を接続させ、基準電位線LCOMに第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27の他方を接続させる。具体的には、スイッチ47は、基準電位線LCOMに第1のキャパシタ25を接続させる。スイッチ49は、演算増幅回路23の第1の入力23aに第1のキャパシタ25を接続させる。スイッチ55は、基準電位線LCOMに第2のキャパシタ27を接続させる。スイッチ57は、演算増幅回路23の第1の入力23aに第2のキャパシタ27を接続させる。
The
基準電圧源33,35は、参照電圧発生回路37へ第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLを供給する。
The
参照電圧発生回路37は、第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLの少なくとも一方に基づき、第1の変換参照電圧VRCH及び第2の変換参照電圧VRCLの少なくとも一方を生成する。
The reference
A/D変換回路17は、ゲインステージ15の出力15bから出力される第1の演算値VOP1又は第2の演算値VOP2に基づき、参照電圧発生回路37から提供される変換参照電圧VRCH,VRCLに応じたディジタル信号Dを生成する。例えば、第1のA/D変換動作では、第1の変換参照電圧VRCHとして電圧VRC1Hが参照電圧発生回路37からA/D変換回路17へ提供される。また、第2のA/D変換動作では、第1の変換参照電圧VRCHとして電圧VRC2Hが参照電圧発生回路37からからA/D変換回路17へ供給され、第2の変換参照電圧VRCLとして電圧VRC2Lが参照電圧発生回路37からからA/D変換回路17へ供給される。
The A /
論理回路19は、ディジタル信号Dに応じた制御信号VCONT(例えばφDH,φDL,φDS)を生成する。
The
D/A変換回路21は、第1の出力21a、第2の出力21b、及びスイッチ回路31を含む。D/A変換回路21は、第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLの少なくともいずれか一方を、制御信号VCONTに基づくスイッチ回路31の動作により、第1の出力21a及び第2の出力21bの少なくとも一方を介してゲインステージ15に提供する。
The D /
ここで、スイッチ回路31は、スイッチ31a,31bを動作させることにより第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLをそれぞれ第1の出力21a及び第2の出力21bに供給する。スイッチ回路31は、スイッチ31a,31cを動作させることにより第1の基準参照電圧VRHを第1の出力21a及び第2の出力21bの両方に供給する。スイッチ回路31は、スイッチ31b,31cを動作させることにより第2の基準参照電圧VRLを第1の出力21a及び第2の出力21bの両方に供給する。D/A変換回路21の第1の出力21aは、スイッチ63を介して第1のキャパシタ25の一端25aに接続される。D/A変換回路21の第2の出力21bは、スイッチ67を介して第2のキャパシタ27の一端27aに接続される。スイッチ31a,31b,31cの開閉は、それぞれ、論理回路19からの制御信号φDH,φDS,φDLによって制御されるので、ディジタル信号B1,B0の値は、制御信号φDH,φDS,φDLのうちのいずれがアクティブになるかを決定する。
Here, the
ゲインステージ15は、図2に示されるように、第1の格納動作ST1a及び第1の演算動作ST1bを並行して行う第1の動作ST1と、第2の格納動作ST2a及び第2の演算動作ST2bを並行して行う第2の動作ST2と、を交互に行う。また、ゲインステージ15は、第3の格納動作ST3aを行う第3の動作ST3と、第4の演算動作ST4bを行う第4の動作ST4と、を交互に行う。
As shown in FIG. 2, the
第1の演算動作ST1b及び第2の演算動作ST2bでは、演算増幅回路23、第1のキャパシタ25、第2のキャパシタ27、及び第3のキャパシタ29により第1の演算値VOP1を生成する。
In the first arithmetic operation ST1b and the second arithmetic operation ST2b, the
第1の格納動作ST1aでは、第1のキャパシタ25は、ゲインステージ15の入力15aから供給されるアナログ信号VINを格納する。
In the first storage operation ST1a, the
第2の格納動作ST2aでは、第2のキャパシタ27は、ゲインステージ15の入力15aから供給されるアナログ信号VINを格納する。
In the second storage operation ST2a, the
第1の演算動作ST1bでは、第2の格納動作ST2aにおいてアナログ信号VINが第2のキャパシタ27に格納された場合には、第2のキャパシタ27がD/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第1の演算動作ST1bでは、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。上述した第2のキャパシタ27、第3のキャパシタ29と、演算増幅回路23との接続により、第1の演算値VOP1がゲインステージ15の出力15bに生成される。
In the first arithmetic operation ST1b, when the analog signal V IN is stored in the
第2の演算動作ST2bでは、第1のキャパシタ25がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第2の演算動作ST2bでは、第1の演算動作ST1bと同様に、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。上述した第1のキャパシタ25、第3のキャパシタ29と、演算増幅回路23との接続により、第1の演算値VOP1がゲインステージ15の出力15bに生成される。
In the second arithmetic operation ST2b, the
ゲインステージ15は、第3の格納動作ST3aを行う第3の動作ST3と、第4の演算動作ST4bを行う第4の動作ST4と、を交互に行う。
The
第3の格納動作ST3aでは、第1の演算値VOP1又は第2の演算値VOP2を第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27に格納する。第4の演算動作ST4bでは、演算増幅回路23、第1のキャパシタ25、第2のキャパシタ27、及び第3のキャパシタ29により第2の演算値VOP2を生成する。すなわち、第4の演算動作ST4bでは、第1のキャパシタ25がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続され、第2のキャパシタ27がD/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続され、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成により、第2の演算値VOP2がゲインステージ15の出力15bに生成される。
In the third storage operation ST3a, the first calculated value V OP1 or the second calculated value V OP2 is stored in the
次に、図2、図3及び図4を参照して、A/D変換器11において行われる積分型A/D変換ステップとしての第1のA/D変換動作、及び巡回型A/D変換ステップとしての第2のA/D変換動作について説明する。
Next, with reference to FIGS. 2, 3 and 4, the first A / D conversion operation as the integral A / D conversion step performed in the A /
まず、A/D変換器11における第1のA/D変換動作を説明する。図2の(a)部に示されるように、第1のA/D変換動作は、第1のキャパシタ25を利用する第1の動作ST1と、第2のキャパシタ27を利用する第2の動作ST2とを含む。すなわち、図1に示されたA/D変換器11によれば、第1のA/D変換動作に含まれる格納処理と演算処理とが、第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27によって並列処理される。従って、1クロックあたりの処理数を増加させ得るので、A/D変換器11における積分動作を高速化させることができる。
First, the first A / D conversion operation in the A /
以下に説明する各ステップにおける格納動作及び演算動作は、スイッチ回路31及びスイッチ43,47,49,51,53,55,57,59,61,63,67により実現される。
The storage operation and the arithmetic operation in each step described below are realized by the
まず、A/D変換器11は、第1の初期格納ステップSTf1を行う。この動作では、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=1,φ22=0,φ3=0,φR=1,φS=1,φSl1=1,φSl2=0,φP1=0,φN1=1)により、スイッチ43,47,55,57,59,67は導通とされ、スイッチ49,51,57,61,63は非導通とされる。
First, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15は、図3の(a)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25は、ゲインステージ15の入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。また、演算増幅回路23の出力23bは、演算増幅回路23の第1の入力23aに接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15の入力15aを介して受けたアナログ信号VINが第1のキャパシタ25に格納される。また、第2のキャパシタ27は、D/A変換回路21の第2の出力21bと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、D/A変換回路21の第2の出力21bから供給された第2の基準参照電圧VRLが第2のキャパシタ27に格納される。また、第3のキャパシタ29は、演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。
According to the above clock signal, the
第1の初期格納ステップSTf1において第1のキャパシタ25(容量C1a)に蓄積される電荷(Q1a)は、式(1)により示される。
続いて、A/D変換器11は、第2のステップとしての第2の動作ST2を行う。第2の動作ST2は、第2の演算ステップとしての第2の演算動作ST2b、及び第2の格納ステップとしての第2の格納動作ST2aを含む。この第2のステップでは、クロック信号(φ11=0,φ21=1,φ12=1,φ22=0,φ3=0,φR=0,φS=1,φSl1=0,φSl2=1,φP1=1,φN1=0)により、スイッチ43,49,55,61,63は導通とされ、スイッチ47,51,53,57,59,67は非導通とされる。
Then, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15は、図3の(b)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25は、D/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。第3のキャパシタ29は、演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第1のキャパシタ25に格納されたアナログ信号VINに対応する第1の演算値VOP1がゲインステージ15の出力15bに生成される。すなわち、第2の演算ステップとしての第2の演算動作ST2bが行われる。
According to the above clock signal, the
第1の初期格納ステップSTf1に続いて行われる第2の演算動作ST2bにおいて、D/A変換回路21は、第2の基準参照電圧VRLを第1の出力21a及びスイッチ63を介して第1のキャパシタ25の一端25aに提供する。なお、このような動作は、第1の初期格納動作STf1に続いて行われる第2の演算動作ST2bのみに行われる。2回目以降の演算動作では、A/D変換回路17が生成するディジタル値に基づいてD/A変換回路21が動作する。この動作については後述する。
In the second arithmetic operation ST2b performed following the first initial storage step STf1, D / A
そして、第2の演算動作ST2bにおいて生成される第1の演算値VOP1は、式(2A)により示され、C1aとC2の関係が式(2B)とすると、式(2C)により示される。
第2のステップにおいて、第2のキャパシタ27は、ゲインステージ15の入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15の入力15aを介して受けたアナログ信号VINが第2のキャパシタ27に格納される。すなわち、第2の格納ステップとしての第2の格納動作ST2aが行われる。第2のキャパシタ27(容量C1b)に蓄積される電荷(Q1b)は、式(3)により示される。
続いて、A/D変換器11は、ディジタル信号D(=B1)の値に従って、第1のステップとしての第1の動作ST1を行う。第1の動作ST1は、第1の演算ステップとしての第1の演算動作ST1b、及び第1の格納ステップとしての第1の格納動作ST1aを含む。この第1のステップでは、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=0,φ22=1,φ3=0,φR=0,φS=1,φSl1=1,φSl2=0,φP1=0,φN1=1)により、スイッチ43,47,57,59,67は導通とされ、スイッチ49,51,53,55,61,63は非導通とされる。
Then, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15は、図3の(c)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25は、ゲインステージ15の入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15の入力15aを介して受けたアナログ信号VINが第1のキャパシタ25に格納される。すなわち、第1の格納ステップとしての第1の格納動作ST1aが行われる。
According to the above clock signal, the
また、第2のキャパシタ27は、D/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。さらに、第3のキャパシタ29は、演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第2のキャパシタ27に格納されたアナログ信号VINに対応する第1の演算値VOP1がゲインステージ15の出力15bに生成される。すなわち、第1の演算ステップとしての第1の演算動作ST1bが行われる。
The
第1の演算動作ST1bでは、A/D変換回路17は、1つのコンパレータ17aを用いてディジタル信号Dを生成する。この場合には、ディジタル信号Dは、1ビット(B1)のみであり、2値を表せる。コンパレータ17aにおいて基準として用いられる信号は、変換参照電圧VRC1Hである。コンパレータ17aは、以下のように動作する。
VOP1,VOP2>VRC1Hであるとき B1=1
VOP1,VOP2≦VRC1Hであるとき B1=0
In the first arithmetic operation ST1b, the A /
When V OP1 , V OP2 > V RC1H , B 1 = 1
When V OP1 and V OP2 ≦ V RC1H B 1 = 0
D/A変換回路21は、コンパレータ17aからのディジタル信号B1に基づく制御信号VCONTに応じて、以下のような制御を行う。
B1=1であるとき:VDA1=VRH,VDA2=VRL
B1=0であるとき:VDA1=VDA2=VRL
The D /
When B 1 = 1: V DA1 = V RH , V DA2 = V RL
When B 1 = 0: V DA1 = V DA2 = V RL
第1の演算動作ST1bにおいて生成される第1の演算値VOP1は、式(4A)により示され、C1bとC2の関係が式(4B)とすると、式(4C)により示される。式(4C)におけるΔVRは下記式(4D)により示される。
続いて、ディジタル信号D(2)の値に応じて、A/D変換器11は、図3の(b)部に示される、第2のステップとしての第2の動作ST2を行う。すなわち、A/D変換器11は、第1のステップ及び第2のステップを所定回数繰り返して行う積分型A/D変換ステップを実施する。具体的に、積分型A/D変換ステップでは、第1の初期格納動作STf1の後に、第2のステップが実行される。この第2のステップでは、第2の演算動作ST2bと同時に第2の格納動作ST2aが実行される。第2のステップの後に、第1のステップが実行される。この第1のステップでは、第1の演算動作ST1bと同時に第1の格納動作ST1aが実行される。そして再び、第2のステップが実行される。この第2のステップでは、第2の演算動作ST2bと同時に第2の格納動作ST2aが実行される。このように、積分型A/D変換ステップでは、第1のステップST1と第2のステップST2とを繰り返す。
Then, according to the value of the digital signal D (2), the A /
第1のA/D変換動作において、第1の演算ステップ及び第1の格納ステップをM回繰り返して、サンプリング及び積分を行ったときの第1の演算値VOP1は、式(5A)により示される。式(5A)におけるΔVRは下記式(5B)により示される。
なお、以上の説明は、第1の初期格納動作STf1に続いて行われる第2の演算動作における参照電圧VRIとして第2の基準参照電圧VRLを採用した場合の例である。これに対して、第1の初期格納動作STf1に続いて行われる第2の演算動作における参照電圧VRIとして第1の基準参照電圧VRHを採用してもよい。 The above description is an example in which the second reference voltage V RL is adopted as the reference voltage V RI in the second arithmetic operation performed subsequent to the first initial storage operation STf1. On the other hand, the first standard reference voltage V RH may be adopted as the reference voltage V RI in the second arithmetic operation performed subsequent to the first initial storage operation STf1.
次に、図2及び図4を参照して、A/D変換器11における、巡回型A/D変換ステップとしての第2のA/D変換動作について説明する。図2の(b)部に示されるように、第2のA/D変換動作は、第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27を利用する第3のステップとしての第3の動作ST3、及び第4のステップとしての第4の動作ST4を含む。
Next, with reference to FIG. 2 and FIG. 4, a second A / D conversion operation as a cyclic A / D conversion step in the A /
まず、A/D変換器11は、第3のステップとしての第3の動作ST3を行う。第3の動作ST3は、第2の初期格納ステップSTf2としての第3の格納動作ST3aを含む。この第3のステップでは、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=1,φ22=0,φ3=1,φR=0,φS=0,φSl1=1,φSl2=1,φP1=0,φN1=0)により、スイッチ47,51,55,59,61は導通とされ、スイッチ43,49,53,57,63,67は非導通とされる。
First, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15は、図4の(a)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25は、演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。また、第2のキャパシタ27は、演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。第3のキャパシタ29は、演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。第3のキャパシタ29の一端29aは、スイッチ51,59を介して第1のキャパシタ25の一端25aに接続される。第3のキャパシタ29の一端29aは、スイッチ51,61を介して第2のキャパシタ27の一端27aにも接続される。この回路構成によれば、第3のキャパシタ29に蓄積されていた残差アナログ信号である第1の演算値VOP1が第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27に格納される。すなわち、第3の格納ステップとしての第3の格納動作ST3aが行われる。
According to the above clock signal, the
また、第1の演算値VOP1がゲインステージ15の出力15bを介してコンパレータ17a,17bに提供される。コンパレータ17a,17bは、提供された第1の演算値VOP1に基づき、ディジタル信号B1,B0を生成する。ディジタル値B1,B0の生成については後述する。
Further, the first calculation value V OP1 is provided to the
続いて、A/D変換器11は、第3の動作ST3に引き続き、ディジタル信号D(=B1+B0)の値に従って、第4のステップとしての第4の動作ST4を行う。第4の動作ST4は、第4の演算ステップとしての第4の演算動作ST4bを含む。この第4のステップでは、クロック信号(φ11=0,φ21=1,φ12=0,φ22=1,φ3=0,φR=0,φS=0,φSl1=0,φSl2=0,φP=1,φN=1)により、スイッチ49,57,63,67は導通とされ、スイッチ43,47,51,53,55,59,61は非導通とされる。
Then, following the third operation ST3, the A /
上記したクロック信号によれば、第1のキャパシタ25、第2のキャパシタ27及び第3のキャパシタ29と、演算増幅回路23とは、図4の(b)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25は、D/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。第2のキャパシタ27は、D/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。第3のキャパシタ29は、演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、演算増幅回路23、第1のキャパシタ25、第2のキャパシタ27及び第3のキャパシタ29により第2の演算値VOP2が生成される。すなわち、第4の演算ステップとしての第4の演算動作ST4bが行われる。
According to the above clock signal, the
ここで、D/A変換回路21の第1の出力21a及び第2の出力21bには、コンパレータ17a,17bからのディジタル信号D(=B1+B0)に従ってスイッチ回路31が制御され、第1の基準参照電圧VRH又は第2の基準参照電圧VRLが提供される。
Here, the
コンパレータ17a,17bは、A/D変換回路17に含まれる。コンパレータ17aは、入力アナログ信号(例えば、第1の演算値VOP1又は第2の演算値VOP2)を第1の変換参照電圧VRC2Hと比較することにより、比較結果信号B1を提供する。また、コンパレータ17bは、入力アナログ信号を第2の変換参照電圧VRC2Lと比較することにより、比較結果信号B0を提供する。変換参照電圧VRC2H,VRC2Lは、参照電圧発生回路37から提供される。ディジタル信号Dは、A/D変換値を示す。ディジタル信号Dは、例えば2ビット(B0,B1)を有しており、各ビット(B0,B1)は、「1」又は「0」を取り得る。ディジタル信号Dは、(D=B0+B1)と表される。A/D変換器11では、ビット(B0,B1)の組み合わせにより1回の積分動作又は一巡回ごとのディジタル値は第1の値(D=0)、第2の値(D=1)及び第3の値(D=2)を有する。すなわち、コンパレータ17a,17bは、以下のように動作する。
VOP1,VOP2>VRC2Hのとき D=2(B1=1,B0=1)
VRC2L<VOP1,VOP2≦VRC2Hのとき D=1(B1=0,B0=1)
VOP1,VOP2≦VRC2Lのとき D=0(B1=0,B0=0)
The
When V OP1 and V OP2 > V RC2H , D = 2 (B 1 = 1 and B 0 = 1)
When V RC2L <V OP1 , V OP2 ≤ V RC2H , D = 1 (B 1 = 0, B 0 = 1)
When V OP1 and V OP2 ≤V RC2L D = 0 (B 1 = 0, B 0 = 0)
ディジタル信号が「D=2」のときには、D/A変換回路21の第1の出力21a及び第2の出力21bから第1の基準参照電圧VRHが提供されるように制御されながら図4の(b)部に示された動作が行われる。一方、ディジタル信号が「D=0」のときには、D/A変換回路21の第1の出力21a及び第2の出力21bから第2の基準参照電圧VRLが提供されるように制御されながら図4の(b)部に示された動作が行われる。さらに、ディジタル信号が「D=1」のときには、D/A変換回路21の第1の出力21a及び第2の出力21bからそれぞれ第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLが提供されるように制御されながら図4の(b)部に示された動作が行われる。
When the digital signal is “D = 2”, the
第1のA/D変換動作において1個のコンパレータ17aが用いられるとき、参照電圧発生回路37は、第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLに基づき、電圧VRC1Hを生成する。また、第2のA/D変換動作において2個のコンパレータ17a,17bが用いられるとき、参照電圧発生回路37は、第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLに基づき、電圧VRC2H,VRC2Lを生成する。参照電圧発生回路37は、第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLと、第1のA/D変換動作における第1の変換参照電圧VRC1Hと、第2のA/D変換動作における第1の変換参照電圧VRC2H及び第2の変換参照電圧VRC2Lと、の関係が以下に示されるように動作する。このように第1のA/D変換動作における第1の変換参照電圧VRC1Hと、第2のA/D変換動作における第1の変換参照電圧VRC2H及び第2の変換参照電圧VRC2Lが生成されるので、第1のA/D変換動作及び第2のA/D変換動作が適切に実施される。
VRC1H=(VRH+VRL)/2
(VRH+VRL)/2<VRC2H<VRH
VRL<VRC2L<(VRH+VRL)/2
When one
V RC1H = (V RH + V RL ) / 2
(V RH + V RL ) / 2 <V RC2H <V RH
V RL <V RC2L <(V RH + V RL ) / 2
2個のコンパレータ17a,17bが用いられるとき、D/A変換回路21のスイッチ回路31は、制御信号VCONTに応答して、第1の出力21aに第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLのいずれかを提供する。また、スイッチ回路31は、制御信号VCONTに応答して、第2の出力21bに第1の基準参照電圧VRH及び第2の基準参照電圧VRLのいずれかを提供する。
When the two
第1の出力21aに提供される電圧をVDA1とし、第2の出力21bに提供される電圧をVDA2とすると、D/A変換回路21は、論理回路19からの制御信号VCONTに応答して、例えば、下記のような制御を行う。
第1の条件(D=2)が満たされるとき:VDA1=VDA2=VRH
第2の条件(D=1)が満たされるとき:VDA1=VRH,VDA2=VRL
第3の条件(D=0)が満たされるとき:VDA1=VDA2=VRL
When the voltage provided to the
When the first condition (D = 2) is satisfied: V DA1 = V DA2 = V RH
When the second condition (D = 1) is satisfied: V DA1 = V RH , V DA2 = V RL
When the third condition (D = 0) is satisfied: V DA1 = V DA2 = V RL
続いて、ゲインステージ15は、第4の演算動作ST4bに引き続き、図4の(a)部に示される、第3の格納ステップとしての第3の格納動作ST3aを行う。第3の格納動作ST3aでは、第4の演算動作ST4bにおける第2の演算値VOP2を第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27に格納する。
Subsequently, the
そして、ゲインステージ15は、巡回型A/D変換動作として、第3の動作ST3及び第4の動作ST4を所定回数繰り返して行う。
Then, the
このA/D変換器11によれば、第1のキャパシタ25及び第2のキャパシタ27により、アナログ信号VINを交互にサンプリング(格納)することで、同じA/D変換時間に対して積分動作の回数を約2倍まで高め、巡回型A/D変換動作でゲインを2倍にすることで、より高速且つ低ノイズのA/D変換動作を実現できる。
According to this A /
<第2の実施形態>
次に、第2の実施形態に係るA/D変換器、及び当該A/D変換器を用いたアナログ信号からディジタル信号を生成する方法について説明する。
<Second Embodiment>
Next, an A / D converter according to the second embodiment and a method of generating a digital signal from an analog signal using the A / D converter will be described.
図5は、第2の実施形態に係るA/D変換器11Aの回路図である。A/D変換器11Aは、第1の実施形態に係るA/D変換器11と同様に、いわゆるフォールディング積分型のA/D変換である第1のA/D変換動作と、巡回型A/D変換である第2のA/D変換動作を、同一の回路構成を用いて実施する。ゲインステージ15Aの前段容量部20Aは、第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26を含む第1の容量部と、第4のキャパシタ26及び第5のキャパシタ28を含む第2の容量部と、を有する。また、A/D変換器11Aのゲインステージ15Aは、スイッチ67,69,71,73をさらに含む。このような構成を含むゲインステージ15Aによれば、積分型A/D変換動作における格納動作及び演算動作を並列して行うことできる。さらに、ゲインステージ15Aによれば、巡回型A/D変換動作における格納動作及び演算動作を並列して行うことできる。
FIG. 5 is a circuit diagram of the A /
図5に示される追加されたスイッチ67,69,71,73の配置は一例である。これらのスイッチ67,69,71,73の制御は、クロック発生器41によって行われる。スイッチ63は、D/A変換回路21の第1の出力21aに第1のキャパシタ25を接続する。スイッチ67は、D/A変換回路21の第1の出力21aに第2のキャパシタ27を接続する。スイッチ65は、D/A変換回路21の第2の出力21bに第4のキャパシタ26を接続する。スイッチ69は、D/A変換回路21の第2の出力21bに第5のキャパシタ28を接続する。スイッチ71は、第1のキャパシタ25の一端25aを第4のキャパシタ26の一端26aに接続させる。スイッチ73は、第2のキャパシタ27の一端27aを第5のキャパシタ28の一端28aに接続させる。
The arrangement of the added switches 67, 69, 71, 73 shown in FIG. 5 is an example. The control of these
図6の(b)部に示されるように、ゲインステージ15Aによって行われる動作では、第3の動作ST3が第3の格納動作ST3aと並行して行う第3の演算動作ST3bをさらに含み、第4の動作ST4が第4の演算動作ST4bと並行して行う第4の格納動作ST4aをさらに含む。
As shown in part (b) of FIG. 6, in the operation performed by the
第1の演算動作ST1b及び第2の演算動作ST2bでは、演算増幅回路23、第1のキャパシタ25、第2のキャパシタ27、第3のキャパシタ29により第1の演算値VOP1を生成する。
In the first arithmetic operation ST1b and the second arithmetic operation ST2b, the
第1の格納動作ST1aでは、第1のキャパシタ25は、ゲインステージ15Aの入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15Aの入力15aから供給されるアナログ信号VINは、第1のキャパシタ25に格納される。
In the first storage operation ST1a, the
第1の格納動作ST1aと並行して行われる第1の演算動作ST1bでは、第2のキャパシタ27がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第1の格納動作ST1aでは、第3のキャパシタ29は、演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aに接続される。この回路構成によれば、第1の演算値VOP1がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。
In the first arithmetic operation ST1b performed in parallel with the first storage operation ST1a, the
第2の格納動作ST2aでは、第2のキャパシタ27は、ゲインステージ15Aの入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15Aの入力15aから供給されるアナログ信号VINが第2のキャパシタ27に格納される。
In the second storage operation ST2a, the
第2の格納動作ST2aと並行して行われる第2の演算動作ST2bでは、第1のキャパシタ25がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第2の演算動作ST2bでは、第1の演算動作ST1bと同様に、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第1の演算値VOP1がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。
In the second arithmetic operation ST2b performed in parallel with the second storage operation ST2a, the
第3の格納動作ST3aでは、第1のキャパシタ25が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。また、第4のキャパシタ26が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、第1の演算値VOP1又は第2の演算値VOP2が第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26に格納される。
In the third storage operation ST3a, the
第3の格納動作ST3aと並行して行われる第3の演算動作ST3bでは、第2のキャパシタ27がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第5のキャパシタ28がD/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。さらに、第3の演算動作ST3bでは、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第2の演算値VOP2がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。
In the third arithmetic operation ST3b performed in parallel with the third storage operation ST3a, the
第4の格納動作ST4aでは、第2のキャパシタ27が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。また、第5のキャパシタ28が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、第2の演算値VOP2が第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26に格納される。
In the fourth storage operation ST4a, the
第4の格納動作ST4aと並行して行われる第4の演算動作ST4bでは、第1のキャパシタ25がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第4のキャパシタ26がD/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。さらに、第4の演算動作ST4bでは、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第2の演算値VOP2がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。
In the fourth arithmetic operation ST4b performed in parallel with the fourth storage operation ST4a, the
次に、図7を参照して、A/D変換器11Aにおいて行われる積分型A/D変換ステップとしての第1のA/D変換動作、及び巡回型A/D変換ステップとしての第2のA/D変換動作について説明する。
Next, with reference to FIG. 7, a first A / D conversion operation as an integral A / D conversion step performed in the A /
まず、A/D変換器11Aにおける第1のA/D変換動作を説明する。図6の(a)部は、ゲインステージ15Aにおいて行われる第1のA/D変換動作を示す。以下に説明する各ステップにおける格納動作及び演算動作は、スイッチ43,47,49,51,53,55,57,59,61,63,65,67,69,71,73により実現される。
First, the first A / D conversion operation in the A /
A/D変換器11Aは、第1のステップとしての第1の動作ST1を行う。具体的には、A/D変換器11Aは、第1の初期格納ステップとしての第1の格納動作STf1を行う。ゲインステージ15Aには、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=0,φ22=0,φ3=0,φR=1,φS=1,φSl1=1,φSl2=0,φP1=0,φN1=0,φP2=0,φN2=0,φM1=0,φM2=0)が入力される。このクロック信号によれば、スイッチ43,47,53,59が導通とされ、スイッチ49,51,55,57,61,63,65,67,69,71,73が非導通とされる。
The A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15Aは、図7の(a)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25がゲインステージ15Aの入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。また、演算増幅回路23の出力23bは、演算増幅回路23の第1の入力23aに接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15Aの入力15aを介して受けたアナログ信号VINが第1のキャパシタ25に格納される。
According to the clock signal described above, the
第1の初期格納ステップSTf1において第1の容量部を構成する第1のキャパシタ25(容量C1aa)に蓄積される電荷(Q1a)は、式(6)により示される。
続いて、A/D変換器11Aは、ディジタル信号D(=B1)の値に従って、第2のステップとしての第2の動作ST2を行う。第2の動作ST2は、第2の演算ステップとしての第2の演算動作ST2b及び第2の格納ステップとしての第2の格納動作ST2aを含む。ゲインステージ15Aには、クロック信号(φ11=0,φ21=1,φ12=1,φ22=0,φ3=0,φR=0,φS=1,φSl1=0,φSl2=1,φP1=1,φN1=0,φP2=0,φN2=0,φM1=0,φM2=0)が入力される。このクロック信号によれば、スイッチ43,49,55,61,63が導通とされ、スイッチ47,51,57,53,59,65,67,69,71,73が非導通とされる。
Then, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15Aは、図7の(b)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第1のキャパシタ25に格納されたアナログ信号VINに対応する第1の演算値VOP1がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。すなわち、第2の演算ステップとしての第2の演算動作ST2bが行われる。
According to the above clock signal, the
また、上記したクロック信号によれば、第2のキャパシタ27がゲインステージ15Aの入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15Aの入力15aを介して受けたアナログ信号VINが第2のキャパシタ27に格納される。すなわち、第2の格納ステップとしての第2の格納動作ST2aが行われる。
Further, according to the above clock signal, the
続いて、A/D変換器11Aは、ディジタル信号D(=B1)の値に従って、第1のステップとしての第1の動作ST1を行う。第1の動作ST1は、第1の演算ステップとしての第1の演算動作ST1b及び第1の格納ステップとしての第1の格納動作ST1aを含む。ゲインステージ15Aには、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=0,φ22=1,φ3=0,φR=0,φS=1,φSl1=1,φSl2=0,φP1=0,φN1=0,φP2=1,φN2=0,φM1=0,φM2=0)が入力される。このクロック信号によれば、スイッチ43,47,57,59,67が導通とされ、スイッチ49,51,53,55,61,63,65,69,71,73が非導通とされる。
Then, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15Aは、図7の(c)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25がゲインステージ15Aの入力15aと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、ゲインステージ15Aの入力15aを介して受けたアナログ信号VINが第1のキャパシタ25に格納される。すなわち、第1の格納ステップとしての第1の格納動作ST1aが行われる。
According to the above clock signal, the
また、第2のキャパシタ27がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。そして、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第2のキャパシタ27に格納されたアナログ信号VINに対応する第1の演算値VOP1がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。すなわち、第1の演算ステップとしての第1の演算動作ST1bが行われる。
Further, the
続いて、ディジタル信号D(=B1)の値に応じて、A/D変換器11Aは、図7の(b)部に示される、第2のステップとしての第2の動作ST2を行う。すなわち、A/D変換器11Aは、第1のステップ(図7の(c)部参照)及び第2のステップ(図7の(b)部参照)を所定回数繰り返して行う積分型A/D変換ステップを行う。
Then, according to the value of the digital signal D (= B 1 ), the A /
第1のA/D変換動作において、第1の演算ステップ及び第1の格納ステップをM回繰り返して、サンプリング及び積分を行ったときの第1の演算値VOP1は、式(7A)により示される。また、C1aa及びC1baは下記式(7B)及式(7C)により示される。なお、第2の実施形態におけるフォールディング積分型のA/D変換動作は、第1の実施形態におけるフォールディング積分型のA/D変換動作と全く同じ動作である。従って、式(7A)は、式(5A)と全く同じである。
次に、A/D変換器11Aにおける、巡回型A/D変換ステップとしての第2のA/D変換動作について説明する。図6の(b)部に示されるように、第2のA/D変換動作は、第3のステップとしての第3の動作ST3、及び第4のステップとしての第4の動作ST4を含む。
Next, the second A / D conversion operation as the cyclic A / D conversion step in the A /
まず、A/D変換器11Aは、第3のステップとしての第3の動作ST3を行う。第3の動作ST3は、第2の初期格納ステップSTf2としての第3の格納動作ST3aを含む。ゲインステージ15Aには、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=0,φ22=0,φ3=1,φR=0,φS=0,φSl1=1,φSl2=0,φP1=0,φN1=0,φP2=0,φN2=0,φM1=1,φM2=0)が入力される。このクロック信号によれば、スイッチ47,51,59,71が導通とされ、スイッチ43,49,53,55,57,61,63,65,67,69,73が非導通とされる。
First, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15Aは、図8の(a)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、残差アナログ信号である第1の演算値VOP1が第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26に格納される。すなわち、第3の格納ステップとしての第3の格納動作ST3aが行われる。
According to the above clock signal, the
続いて、A/D変換器11Aは、ディジタル信号D(=B1+B0)の値に従って、第4のステップとしての第4の動作ST4を行う。第4の動作ST4は、第4の演算ステップとしての第4の演算動作ST4b及び第4の格納ステップとしての第4の格納動作ST4aを含む。ゲインステージ15Aには、クロック信号(φ11=0,φ21=1,φ12=1,φ22=0,φ3=1,φR=0,φS=0,φSl1=0,φSl2=1,φP1=1,φN1=1,φP2=0,φN2=0,φM1=0,φM2=1)が入力される。このクロック信号によれば、スイッチ49,51,55,61,63,65,73が導通とされ、スイッチ43,47,53,57,59,67,69,71が非導通とされる。
Then, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15Aは、図8の(b)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第4のキャパシタ26がD/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第2の演算値VOP2がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。すなわち、第4の演算ステップとしての第4の演算動作ST4bが行われる。
According to the above clock signal, the
また、第2のキャパシタ27及び第5のキャパシタ28が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、第2の演算値VOP2が第2のキャパシタ27及び第5のキャパシタに格納される。すなわち、第4の格納ステップとしての第4の格納動作ST4aが行われる。
Further, the
続いて、A/D変換器11Aは、ディジタル信号D(=B1+B0)の値に従って、第5のステップとしての第3の動作ST3を行う。第3の動作ST3は、第3の演算ステップとしての第3の演算動作ST3b及び第3の格納ステップとしての第3の格納動作ST3aを含む。ゲインステージ15Aには、クロック信号(φ11=1,φ21=0,φ12=0,φ22=1,φ3=1,φR=0,φS=0,φSl1=1,φSl2=0,φP1=0,φN1=0,φP2=1,φN2=1,φM1=1,φM2=0)が入力される。このクロック信号によれば、スイッチ47,51,57,59,67,69,71が導通とされ、スイッチ43,49,53,55,61,63,65,73が非導通とされる。
Then, the A /
上記したクロック信号によれば、ゲインステージ15Aは、図8の(c)部に示されるような回路を構成する。具体的には、第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26が演算増幅回路23の出力23bと基準電位線LCOMとの間に接続される。この回路構成によれば、第4の演算動作ST4bにおいて生成された第2の演算値VOP2が第1のキャパシタ25及び第4のキャパシタ26に格納される。すなわち、第3の格納ステップとしての第3の格納動作ST3aが行われる。
According to the clock signal described above, the
第2のキャパシタ27がD/A変換回路21の第1の出力21aと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。また、第5のキャパシタ28がD/A変換回路21の第2の出力21bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。さらに、第3のキャパシタ29が演算増幅回路23の出力23bと演算増幅回路23の第1の入力23aとの間に接続される。この回路構成によれば、第2の演算値VOP2がゲインステージ15Aの出力15bに生成される。すなわち、第3の演算ステップとしての第3の演算動作ST3bが行われる。
The
そして、ゲインステージ15Aは、巡回型A/D変換動作として、第3の動作ST3及び第4の動作ST4を所定回数だけ繰り返し行う。
Then, the
<第3の実施形態> <Third Embodiment>
本発明の別の側面は、イメージセンサデバイスである。図9は、イメージセンサの画素を示す図面である。このイメージセンサデバイスは、イメージセンサセル2aのアレイを含むセルアレイと、セルアレイに接続されており複数のA/D変換器11を含む変換器アレイとを備える。A/D変換器11の各々は、セルアレイのカラム線8を介してイメージセンサセル2aに接続される。A/D変換器11を備えるイメージセンサデバイスによれば、高感度で高速動作が可能であり、且つ広いダイナミックレンジを実現することができる。
Another aspect of the present invention is an image sensor device. FIG. 9 is a view showing pixels of the image sensor. This image sensor device includes a cell array including an array of
イメージセンサセル2aは、例えばCMOSイメージセンサセルの構造を有する。フォトダイオードDFが、イメージに関連する一画素分の光Lを受ける。選択トランジスタMSのゲートは、行方向に伸びるロウ選択線Sに接続される。リセットトランジスタMRのゲートはリセット線Rに接続される。転送トランジスタMTのゲートは、行方向に伸びる転送選択線に接続される。フォトダイオードDFの一端は転送トランジスタMTを介して浮遊拡散層FDに接続される。浮遊拡散層FDは、リセットトランジスタMRを介してリセット電位線Resetに接続されると共に、トランジスタMAのゲートに接続される。トランジスタMAの一電流端子(例えばドレイン)は、選択トランジスタMSを介してカラム線8に接続される。トランジスタMAは、選択トランジスタMSを介して浮遊拡散層FDの電荷量に応じた電位をカラム線に提供する。
The
この構造のイメージセンサセル2aは、リセットレベルを示す第1の信号と該リセットレベルに重畳された信号レベルを示す第2の信号とを生成可能である。即ち、イメージセンサセル2aは、まず、リセット制御信号をリセットトランジスタMRに提供し、浮遊拡散層FDをリセットする。トランジスタMAを介して、このリセットレベルを読み出す。次いで、電荷転送制御信号TXを転送トランジスタMTに供給し、フォトダイオードDFから光誘起信号電荷を浮遊拡散層に転送する。この後、トランジスタMAを介して、この信号レベルを読み出す。このように、画素であるイメージセンサセル2aは、リセットレベルを示す第1の信号S1と該リセットレベルに重畳された信号レベルを示す第2の信号S2とを生成可能である。
The
ここで、変換器アレイは、第1の実施形態に係るA/D変換器11に代えて、第2の実施形態に係るA/D変換器11Aを有していてもよい。すなわち、1個のイメージセンサセル2aに対して、1個のA/D変換器11Aが接続されていてもよい。このような構成によれば、1個のA/D変換器11Aで積分型A/D変換動作及び巡回型A/D変換動作を行えるので、イメージセンサデバイスにおけるA/D変換器11Aの回路面積を小さくすることができる。
Here, the converter array may include the A /
また、1個のイメージセンサセル2aに対して、A/D変換器11とA/D変換器11Aとが接続された構成とすることもできる。具体的には、イメージセンサセル2aの出力ラインにA/D変換器11のゲインステージ15Aの入力15aが接続される。そして、A/D変換器11のゲインステージ15Aの出力15bには、A/D変換器11Aのゲインステージ15Aの入力15aが接続される。この構成によれば、積分型A/D変換動作をA/D変換器11で行い、巡回型A/D変換動作をA/D変換器11Aで行う。従って、積分型A/D変換動作と巡回型A/D変換動作とが並列処理(パイプライン処理)できるので、A/D変換器の性能をさらに向上させることができる。
It is also possible to have a configuration in which the A /
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The present invention has been described in detail above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
例えば、A/D変換器11,11Aは、イメージセンサセル2aからの信号に対する相関2重サンプリング(CDS)処理を適用してもよい。この処理は、アナログ領域で行ってもよいし(アナログCDS)、ディジタル領域で行ってもよい(ディジタルCDS)。
For example, the A /
2a…イメージセンサセル、11,11A…A/D変換器、15,15A…ゲインステージ、15a…入力、15b…出力、17…A/D変換回路、17a,17b…コンパレータ、19…論理回路、20…前段容量部、21…D/A変換回路、21a…第1の出力、21b…第2の出力、23…演算増幅回路、23a…第1の入力、23c…第2の入力、23b…出力、25…第1のキャパシタ(第1の容量部)、27…第2のキャパシタ(第2の容量部)、33,35…基準電圧源、37…参照電圧発生回路、41…クロック発生器、60…スイッチ回路、D…ディジタル値、ST1…第1の動作、ST1a…第1の格納動作、ST1b…第1の演算動作、ST2…第2の動作、ST2b…第2の格納動作、ST2a…第2の演算動作、ST3…第3の動作、ST3a…第3の格納動作、ST3b…第3の演算動作、ST4…第4の動作、ST4b…第4の演算動作、ST4a…第4の格納動作、VIN…アナログ信号、VOP1…第1の演算値、VOP2…第2の演算値、VRH…第1の基準参照電圧、VRL…第2の基準参照電圧、VCOM…基準電位。 2a ... Image sensor cell, 11, 11A ... A / D converter, 15, 15A ... Gain stage, 15a ... Input, 15b ... Output, 17 ... A / D conversion circuit, 17a, 17b ... Comparator, 19 ... Logic circuit, 20 ... Preceding capacity part, 21 ... D / A conversion circuit, 21a ... 1st output, 21b ... 2nd output, 23 ... Operation amplification circuit, 23a ... 1st input, 23c ... 2nd input, 23b ... Output, 25 ... First capacitor (first capacitance section), 27 ... Second capacitor (second capacitance section), 33, 35 ... Reference voltage source, 37 ... Reference voltage generation circuit, 41 ... Clock generator , 60 ... Switch circuit, D ... Digital value, ST1 ... First operation, ST1a ... First storing operation, ST1b ... First arithmetic operation, ST2 ... Second operation, ST2b ... Second storing operation, ST2a ... second arithmetic operation, T3 ... third operation, ST3a ... third store operation, ST3b ... third arithmetic operation, ST4 ... fourth operation, ST4b ... fourth arithmetic operation, ST4a ... fourth storage operation, V IN ... Analog Signal, V OP1 ... First operation value, V OP2 ... Second operation value, V RH ... First reference reference voltage, V RL ... Second reference reference voltage, V COM ... Reference potential.
Claims (4)
ディジタル値に変換されるアナログ信号を受ける入力、第1の演算値及び第2の演算値を出力する出力、並びに、第1の入力、第2の入力及び出力を含む演算増幅回路を有するゲインステージと、
前記第1の演算値及び前記第2の演算値の一方と変換参照電圧とを利用して、一又は複数のビットを含むディジタル信号を生成するA/D変換回路と、
前記ディジタル信号を利用して制御信号を生成する論理回路と、
クロック信号を生成するクロック発生回路と、
第1の出力及び第2の出力を有し、第1の基準参照電圧及び第2の基準参照電圧の少なくともいずれか一方を、前記制御信号を利用して前記第1の出力及び前記第2の出力を介して前記ゲインステージに提供するD/A変換回路と、を備え、
前記ゲインステージは、第1の容量部及び第2の容量部を含む前段容量部を含み、
前記第1の容量部は、第1のキャパシタを含み、
前記第2の容量部は、第2のキャパシタを含み、
前記演算増幅回路の前記第2の入力は、基準電位を受け、
前記第1の基準参照電圧は、前記第2の基準参照電圧より高く、
前記ゲインステージは、スイッチ回路及び第3のキャパシタを含み、
前記スイッチ回路は、前記クロック信号を利用して、前記演算増幅回路の前記第1の入力に前記第1の容量部及び前記第2の容量部の一方を接続し、前記基準電位に前記第1の容量部及び前記第2の容量部の他方を接続し、
前記A/D変換器は、前記第1の演算値を生成する第1のA/D変換動作と、前記第2の演算値を生成する第2のA/D変換動作と、を行い、
前記第1のA/D変換動作では、前記ゲインステージが、第1の格納動作及び第1の演算動作を並行して行う第1の動作と、第2の格納動作及び第2の演算動作を並行して行う第2の動作と、を交互に行い、
前記第1の格納動作では、前記入力から供給される前記アナログ信号が前記第1の容量部に格納され、
前記第1の格納動作では、前記第1のキャパシタが前記ゲインステージの前記入力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続されることにより、前記アナログ信号が前記第1のキャパシタに格納され、
前記第1の演算動作では、前記第2の容量部に基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第1の演算動作では、前記第2のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第2の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、且つ、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第2のキャパシタに基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2の格納動作では、前記入力から供給される前記アナログ信号が前記第2の容量部に格納され、
前記第2の格納動作では、前記第2のキャパシタが前記ゲインステージの前記入力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続されることにより、前記アナログ信号が前記第2のキャパシタに格納され、
前記第2の演算動作では、前記第1の容量部に基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2の演算動作では、前記第1のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第1の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、且つ、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第1のキャパシタに基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2のA/D変換動作では、前記ゲインステージが、第3の格納動作を行う第3の動作と、第4の演算動作を行う第4の動作と、を交互に行い、
前記第3の格納動作では、前記第1の演算値又は前記第2の演算値が前記前段容量部に格納され、
前記第3の格納動作では、前記第1のキャパシタ及び第2のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続され、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第1の演算値又は前記第2の演算値が前記第1のキャパシタ及び第2のキャパシタに格納され、
前記第4の演算動作では、前記前段容量部に基づく前記第2の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第4の演算動作では、前記第1のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第1の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第2のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第2の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第1のキャパシタ及び前記第2のキャパシタに基づく前記第2の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成される、A/D変換器。 A single-ended A / D converter,
A gain stage having an input for receiving an analog signal converted into a digital value, an output for outputting a first calculated value and a second calculated value, and an operational amplifier circuit including a first input, a second input and an output When,
An A / D conversion circuit that generates a digital signal including one or more bits by using one of the first operation value and the second operation value and the conversion reference voltage,
A logic circuit that generates a control signal using the digital signal;
A clock generation circuit for generating a clock signal,
A first output and a second output, and using the control signal, at least one of a first reference voltage and a second reference voltage, the first output and the second reference voltage. A D / A conversion circuit that provides the gain stage through an output,
The gain stage includes a pre-capacitance unit including a first capacitance unit and a second capacitance unit,
The first capacitance section includes a first capacitor,
The second capacitance section includes a second capacitor,
The second input of the operational amplifier circuit receives a reference potential,
The first reference voltage is higher than the second reference voltage,
The gain stage includes a switch circuit and a third capacitor ,
The switch circuit uses the clock signal to connect one of the first capacitance section and the second capacitance section to the first input of the operational amplifier circuit, and to connect the first potential to the reference potential. And the other of the second capacitance portion and
The A / D converter performs a first A / D conversion operation for generating the first operation value and a second A / D conversion operation for generating the second operation value,
In the first A / D conversion operation, the gain stage performs a first storage operation and a first arithmetic operation in parallel, and a second storage operation and a second arithmetic operation. Alternately perform the second operation performed in parallel,
In the first storing operation, the analog signal supplied from the input is stored in the first capacitance section,
In the first storing operation, the first capacitor is connected between the input of the gain stage and the second input of the operational amplifier circuit so that the analog signal is transferred to the first capacitor. Stored in
In the first arithmetic operation, the first arithmetic value based on the second capacitance section is generated at the output of the gain stage,
In the first arithmetic operation, the second capacitor is connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is connected. A capacitor is connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit so that the first calculated value based on the second capacitor is the output of the gain stage. Is generated in
In the second storing operation, the analog signal supplied from the input is stored in the second capacitance section,
In the second storing operation, the second capacitor is connected between the input of the gain stage and the second input of the operational amplifier circuit so that the analog signal is transferred to the second capacitor. Stored in
In the second arithmetic operation, the first arithmetic value based on the first capacitance section is generated at the output of the gain stage,
In the second arithmetic operation, the first capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is connected. A capacitor is connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit so that the first calculated value based on the first capacitor is the output of the gain stage. Is generated in
In the second A / D conversion operation, the gain stage alternately performs a third operation of performing a third storing operation and a fourth operation of performing a fourth arithmetic operation,
In the third storing operation, the first calculated value or the second calculated value is stored in the preceding stage capacitance section,
In the third storing operation, the first capacitor and the second capacitor are connected between the output of the operational amplifier circuit and the second input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is By connecting between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit, the first calculated value or the second calculated value is changed to the first capacitor and the second capacitor. Stored in the capacitor of
In the fourth arithmetic operation, the second arithmetic value based on the pre-capacitance unit is generated at the output of the gain stage,
In the fourth arithmetic operation, the first capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the second capacitor is The third capacitor is connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplification circuit, and the third capacitor is connected to the output of the operational amplification circuit and the output of the operational amplification circuit. An A / D converter that is connected to a first input to generate the second calculated value based on the first capacitor and the second capacitor at the output of the gain stage; .
ディジタル値に変換されるアナログ信号を受ける入力、第1の演算値及び第2の演算値を出力する出力、並びに、第1の入力、第2の入力及び出力を含む演算増幅回路を有するゲインステージと、
前記第1の演算値及び前記第2の演算値の一方と変換参照電圧とを利用して、一又は複数のビットを含むディジタル信号を生成するA/D変換回路と、
前記ディジタル信号を利用して制御信号を生成する論理回路と、
クロック信号を生成するクロック発生回路と、
第1の出力及び第2の出力を有し、第1の基準参照電圧及び第2の基準参照電圧の少なくともいずれか一方を、前記制御信号を利用して前記第1の出力及び前記第2の出力を介して前記ゲインステージに提供するD/A変換回路と、を備え、
前記ゲインステージは、第1の容量部及び第2の容量部を含む前段容量部を含み、
前記第1の容量部は、第1のキャパシタ及び第4のキャパシタを含み、
前記第2の容量部は、第2のキャパシタ及び第5のキャパシタを含み、
前記演算増幅回路の前記第2の入力は、基準電位を受け、
前記第1の基準参照電圧は、前記第2の基準参照電圧より高く、
前記ゲインステージは、スイッチ回路及び第3のキャパシタを含み、
前記スイッチ回路は、前記クロック信号を利用して、前記演算増幅回路の前記第1の入力に前記第1の容量部及び前記第2の容量部の一方を接続し、前記基準電位に前記第1の容量部及び前記第2の容量部の他方を接続し、
前記A/D変換器は、前記第1の演算値を生成する第1のA/D変換動作と、前記第2の演算値を生成する第2のA/D変換動作と、を行い、
前記第1のA/D変換動作では、前記ゲインステージが、第1の格納動作及び第1の演算動作を並行して行う第1の動作と、第2の格納動作及び第2の演算動作を並行して行う第2の動作と、を交互に行い、
前記第1の格納動作では、前記入力から供給される前記アナログ信号が前記第1の容量部に格納され、
前記第1の格納動作では、前記第1のキャパシタが前記ゲインステージの前記入力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続されることにより、前記アナログ信号が前記第1のキャパシタに格納され、
前記第1の演算動作では、前記第2の容量部に基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第1の演算動作では、前記第2のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第1の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第2のキャパシタに基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2の格納動作では、前記入力から供給される前記アナログ信号が前記第2の容量部に格納され、
前記第2の格納動作では、前記第2のキャパシタが前記ゲインステージの前記入力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続されることにより、前記アナログ信号が前記第2のキャパシタに格納され、
前記第2の演算動作では、前記第1の容量部に基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2の演算動作では、前記第1のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第1の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第1のキャパシタに基づく前記第1の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2のA/D変換動作では、前記ゲインステージが、第3の格納動作を行う第3の動作と、第4の演算動作を行う第4の動作と、を交互に行い、
前記第3の格納動作では、前記第1の演算値又は前記第2の演算値が前記前段容量部に格納され、
前記第4の演算動作では、前記前段容量部に基づく前記第2の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第2のA/D変換動作の前記第3の動作は、前記第3の格納動作と並行して行われる第3の演算動作をさらに含み、
前記第2のA/D変換動作の前記第4の動作は、前記第4の演算動作と並行して行われる第4の格納動作をさらに含み、
前記第3の格納動作では、前記第1のキャパシタ及び前記第4のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続されることにより、前記第1の演算値又は前記第2の演算値が前記第1のキャパシタ及び前記第4のキャパシタに格納され、
前記第3の演算動作では、前記第2のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第1の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第5のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第2の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第2の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成され、
前記第4の格納動作では、前記第2のキャパシタ及び前記第5のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第2の入力との間に接続されることにより、前記第2の演算値が前記第2のキャパシタ及び前記第5のキャパシタに格納され、
前記第4の演算動作では、前記第1のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第1の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第4のキャパシタが前記D/A変換回路の前記第2の出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続され、前記第3のキャパシタが前記演算増幅回路の前記出力と前記演算増幅回路の前記第1の入力との間に接続されることにより、前記第2の演算値が前記ゲインステージの前記出力に生成される、A/D変換器。 A single-ended A / D converter,
A gain stage having an input for receiving an analog signal converted into a digital value, an output for outputting a first calculated value and a second calculated value, and an operational amplifier circuit including a first input, a second input and an output When,
An A / D conversion circuit that generates a digital signal including one or more bits by using one of the first operation value and the second operation value and the conversion reference voltage,
A logic circuit that generates a control signal using the digital signal;
A clock generation circuit for generating a clock signal,
A first output and a second output, and using the control signal, at least one of a first reference voltage and a second reference voltage, the first output and the second reference voltage. A D / A conversion circuit that provides the gain stage through an output,
The gain stage includes a pre-capacitance unit including a first capacitance unit and a second capacitance unit,
The first capacitance unit includes a first capacitor and a fourth capacitor,
The second capacitance unit includes a second capacitor and a fifth capacitor,
The second input of the operational amplifier circuit receives a reference potential,
The first reference voltage is higher than the second reference voltage,
The gain stage includes a switch circuit and a third capacitor ,
The switch circuit uses the clock signal to connect one of the first capacitance section and the second capacitance section to the first input of the operational amplifier circuit, and to connect the first potential to the reference potential. And the other of the second capacitance portion and
The A / D converter performs a first A / D conversion operation for generating the first operation value and a second A / D conversion operation for generating the second operation value,
In the first A / D conversion operation, the gain stage performs a first storage operation and a first arithmetic operation in parallel, and a second storage operation and a second arithmetic operation. Alternately perform the second operation performed in parallel,
In the first storing operation, the analog signal supplied from the input is stored in the first capacitance section,
In the first storing operation, the first capacitor is connected between the input of the gain stage and the second input of the operational amplifier circuit so that the analog signal is transferred to the first capacitor. Stored in
In the first arithmetic operation, the first arithmetic value based on the second capacitance section is generated at the output of the gain stage,
In the first arithmetic operation, the second capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is The first calculated value based on the second capacitor is generated at the output of the gain stage by being connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit. Is
In the second storing operation, the analog signal supplied from the input is stored in the second capacitance section,
In the second storing operation, the second capacitor is connected between the input of the gain stage and the second input of the operational amplifier circuit so that the analog signal is transferred to the second capacitor. Stored in
In the second arithmetic operation, the first arithmetic value based on the first capacitance section is generated at the output of the gain stage,
In the second arithmetic operation, the first capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the third capacitor is The first calculated value based on the first capacitor is generated at the output of the gain stage by being connected between the output of the operational amplifier circuit and the first input of the operational amplifier circuit. Is
In the second A / D conversion operation, the gain stage alternately performs a third operation of performing a third storing operation and a fourth operation of performing a fourth arithmetic operation,
In the third storing operation, the first calculated value or the second calculated value is stored in the preceding stage capacitance section,
In the fourth arithmetic operation, the second arithmetic value based on the pre-capacitance unit is generated at the output of the gain stage,
The third operation of the second A / D conversion operation further includes a third arithmetic operation performed in parallel with the third storage operation,
The fourth operation of the second A / D conversion operation further includes a fourth storage operation performed in parallel with the fourth arithmetic operation,
In the third storing operation, the first capacitor and the fourth capacitor are connected between the output of the operational amplifier circuit and the second input of the operational amplifier circuit, whereby the first capacitor and the fourth capacitor are connected. 1 calculated value or said 2nd calculated value is stored in said 1st capacitor and said 4th capacitor,
In the third arithmetic operation, the second capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the fifth capacitor is connected. The third capacitor is connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplification circuit, and the third capacitor is connected to the output of the operational amplification circuit and the output of the operational amplification circuit. Connecting to a first input to generate the second computed value at the output of the gain stage,
In the fourth storing operation, the second capacitor and the fifth capacitor are connected between the output of the operational amplifier circuit and the second input of the operational amplifier circuit, whereby the second capacitor and the fifth capacitor are connected. A calculated value of 2 is stored in the second capacitor and the fifth capacitor,
In the fourth arithmetic operation, the first capacitor is connected between the first output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplifier circuit, and the fourth capacitor is The third capacitor is connected between the second output of the D / A conversion circuit and the first input of the operational amplification circuit, and the third capacitor is connected to the output of the operational amplification circuit and the output of the operational amplification circuit. An A / D converter in which the second calculated value is generated at the output of the gain stage by being connected to a first input .
イメージセンサセルのアレイを含むセルアレイと、
前記セルアレイに接続されており複数のA/D変換器を含む変換器アレイと、を備え、
前記A/D変換器の各々は、前記セルアレイのカラム線を介して前記イメージセンサセルに接続されており、
前記A/D変換器の各々は、請求項1又は2に記載されたものである、イメージセンサデバイス。 An image sensor device,
A cell array including an array of image sensor cells,
A converter array connected to the cell array and including a plurality of A / D converters;
Each of the A / D converters is connected to the image sensor cell via a column line of the cell array,
An image sensor device, wherein each of the A / D converters is as described in claim 1 or 2 .
前記入力から供給される前記アナログ信号を前記第1の容量部に格納する前記第1の格納動作としての第1の格納ステップ、及び、前記第2の容量部に基づく前記第1の演算値を前記ゲインステージの前記出力に生成する前記第1の演算動作としての第1の演算ステップ、を並行して行う第1のステップと、
前記入力から供給される前記アナログ信号を前記第2の容量部に格納する前記第2の格納動作としての第2の格納ステップ、及び、前記第1の容量部に基づく前記第1の演算値を前記ゲインステージの前記出力に生成する前記第2の演算動作としての第2の演算ステップ、を並行して行う第2のステップと、
前記第1のステップ及び前記第2のステップを所定回数繰り返して行う積分型A/D変換ステップと、
前記積分型A/D変換ステップにおける前記第1の演算値である残差アナログ信号を前記前段容量部に格納する動作を行う第3のステップと、
前記前段容量部に基づく前記第2の演算値を前記ゲインステージの前記出力に生成する前記第4の演算動作としての第4の演算ステップを行う第4のステップと、
前記第2の演算値を前記前段容量部に格納する前記第3の格納動作としての第3の格納ステップを行う第5のステップと、
前記第4のステップ及び前記第5のステップを所定回数繰り返して行う巡回型A/D変換ステップと、を有するアナログ信号からディジタル信号を生成する方法。 A method for generating a digital signal from an analog signal using the A / D converter according to claim 1 or 2 .
A first storing step as the first storing operation for storing the analog signal supplied from the input in the first capacitance section, and the first calculated value based on the second capacitance section. A first step of performing in parallel a first operation step as the first operation, which is generated at the output of the gain stage,
A second storing step as the second storing operation of storing the analog signal supplied from the input in the second capacitance section, and the first operation value based on the first capacitance section. A second step of performing in parallel a second operation step as the second operation that is generated at the output of the gain stage;
An integration type A / D conversion step in which the first step and the second step are repeated a predetermined number of times;
A third step of performing an operation of storing the residual analog signal, which is the first calculated value in the integration type A / D conversion step, in the preceding stage capacitance section;
A fourth step of performing a fourth arithmetic step as the fourth arithmetic operation for generating the second arithmetic value based on the preceding stage capacitance section at the output of the gain stage;
A fifth step of performing a third storing step as the third storing operation of storing the second calculated value in the front-stage capacitance section;
A method of generating a digital signal from an analog signal, comprising: a cyclic A / D conversion step in which the fourth step and the fifth step are repeated a predetermined number of times.
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