JP6691668B2 - 信号処理装置、制御方法、撮像素子、並びに、電子機器 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(イメージセンサ)
2.第2の実施の形態(イメージセンサ)
3.第3の実施の形態(イメージセンサ)
4.第4の実施の形態(イメージセンサの他の構成例)
5.第5の実施の形態(撮像装置)
<比較部の消費電力と応答速度>
アナログの単位信号とデジタルデータに変換するためのランプ状の参照信号を比較するとともに、この比較処理と並行してカウント処理を行ない、比較処理が完了した時点のカウント値に基づいて単位信号のデジタルデータを取得する、いわゆるシングルスロープ積分型あるいはランプ信号比較型といわれるA/D変換方式がある。
そこで、複数の信号の信号レベルを比較する比較部の差動段の電流量を制御し、その比較部が複数の信号の信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、その比較期間以外の期間の電流量を低減させるようにする。
このような本技術を適用した撮像素子の一実施の形態であるイメージセンサの主な構成例を、図3に示す。図3に示されるイメージセンサ100は、被写体からの光を光電変換して画像データとして出力するデバイスである。例えば、イメージセンサ100は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)を用いたCMOSイメージセンサ、CCD(Charge Coupled Device)を用いたCCDイメージセンサ等として構成される。
画素アレイ101の主な構成例を図4に示す。上述したように、画素領域(画素アレイ101)には、複数の単位画素が面状に並べられて配置されている。図4の例の場合、M×N個の単位画素141(単位画素141−11乃至単位画素141−MN)が、M行N列の行列状(アレイ状)に並べられて配置されている(M、Nは任意の自然数)。以下において、単位画素141−11乃至単位画素141−MNを互いに区別して説明する必要が無い場合、単位画素141と称する。単位画素141の並べ方は任意であり、例えば、所謂ハニカム構造等のように、行列状以外の並べ方であってもよい。
図5は、単位画素141の回路構成の主な構成の例を示す図である。図5に示されるように、単位画素141は、フォトダイオード(PD)151、転送トランジスタ152、リセットトランジスタ153、増幅トランジスタ154、およびセレクトトランジスタ155を有する。
次に、図6を参照して、A/D変換部103(図3)の構成例について説明する。図6に示されるように、A/D変換部103は、カラムA/D変換部161−1乃至カラムA/D変換部161−Nを有する。以下において、カラムA/D変換部161−1乃至カラムA/D変換部161−Nを互いに区別して説明する必要が無い場合、カラムA/D変換部161と称する。カラムA/D変換部161は、画素アレイ101のカラム(単位画素列)毎に設けられている。
次に、図7を参照して、カラムA/D変換部161(図6)の構成例について説明する。図7に示されるように、カラムA/D変換部161は、比較部171、カウンタ172、キャパシタ173、およびキャパシタ174を有する。
比較部181の主な構成例を図8に示す。図8に示されるように、比較部181は、図中左に示される差動段と、図中右に示される増幅段とを有する。比較部181は、その差動段として、トランジスタ201およびトランジスタ乃至トランジスタ204、入力端子205および入力端子206、スイッチ207およびスイッチ208、並びに、キャパシタ173およびキャパシタ174を有する。また、比較部181は、その差動段として、スイッチ211、電流源部212、スイッチ213、および電流源部214を有する。さらに、比較部181は、その増幅段として、トランジスタ221、電流源部222、スイッチ223、キャパシタ224、および出力端子225を有する。
制御部111は、制御線132(制御線132A乃至制御線132E)を介して制御信号を供給することにより、比較部181(スイッチ207、スイッチ208、スイッチ211、スイッチ213、およびスイッチ223)を制御する。例えば、カラムA/D変換部161が相関二重サンプリング(CDS(Correlated Double Sampling))によりA/D変換を行うとする。そのカラムA/D変換部161が単位画素141から読み出された信号をA/D変換する間(A/D変換期間)において、制御部111は、図9に示されるタイミングチャートのように、比較部181を制御する。
また、制御部111が、比較部181がオートゼロを行うオートゼロ期間(時刻t1乃至時刻t2)の電流量を、比較期間に対して低減させることにより、比較部181の出力遅延を低減し、その応答速度を向上させることができる。図10乃至図14を参照して説明する。
以上のような制御を行う制御部111により実行される制御処理の流れの例を、図15のフローチャートを参照して説明する。
以上においては、比較部181の差動段に、直列に接続される電流源部(電流源部212および電流源部214)とスイッチ(スイッチ211およびスイッチ213)が2組設けられ、それらが互いに並列に配置されるように説明したが、比較部181の構成は、制御部111がスイッチを制御することにより電流量を制御することができる限り任意であり、この例に限定されない。
<比較部の他の構成>
なお、電流源部の電流量の制御方法は、第1の実施の形態において上述したスイッチを用いた制御に限定されない。例えば、電流源部のゲート電位を下げることにより、比較期間以外の期間の電流量を比較期間よりも低減させるようにしてもよい。
例えば、カラムA/D変換部161が相関二重サンプリング(CDS(Correlated Double Sampling))によりA/D変換を行うとする。制御部111は、そのカラムA/D変換部161が単位画素141から読み出された信号をA/D変換する間(A/D変換期間)において、図17に示されるタイミングチャートのように、比較部181を制御する。
また、この場合も第1の実施の形態の場合と同様に、制御部111が、比較部181がオートゼロを行うオートゼロ期間(時刻t1乃至時刻t2)の電流量を、比較期間に対して低減させることにより、比較部181の出力遅延を低減し、その応答速度を向上させることができる。
以上のような制御を行う制御部111により実行される制御処理の流れの例を、図18のフローチャートを参照して説明する。
本実施の形態の場合も、比較部181の構成は、制御部111がゲート電位VGを制御することにより電流量を制御することができる限り任意であり、この例に限定されない。例えば、第1の実施の形態のように、電流源部とスイッチの組を複数設けるようにしてもよい。また、制御部111が、第1の実施の形態において説明した制御方法と本実施の形態において説明した制御方法の両方を行うようにしてもよい。
<比較部の他の構成>
なお、制御部111が電流量を低減させる場合、その低減した電流量(または低減量)を制御することができるようにしてもよい。例えば、第1の実施の形態において上述したスイッチを用いた制御方法において、スイッチと電流源部の組が3以上並列に設けられるようにし、比較期間以外の期間においていずれのスイッチをオフにするかを制御部111が設定することができるようにしてもよい。
以上のような制御を行う制御部111により実行される制御処理の流れの例を、図21のフローチャートを参照して説明する。
なお、第2の実施の形態のようにゲート電位VGを制御する場合も、制御部111が、比較期間以外の期間において設定するゲート電位VGの値を設定することができるようにしてもよい。
<イメージセンサの物理構成>
なお、本技術を適用する撮像素子は、例えば、半導体基板が封止されたパッケージ(チップ)やそのパッケージ(チップ)が回路基板に設置されたモジュール等として実現することができる。例えば、パッケージ(チップ)として実現する場合、そのパッケージ(チップ)において撮像素子が、単一の半導体基板により構成されるようにしてもよいし、互いに重畳される複数の半導体基板により構成されるようにしてもよい。
例えば、A/D変換部103の構成例は、図6の例に限定されない。例えば、図23に示されるように、画素アレイ101において、所定数の単位画素141毎に画素ユニット440が形成され、A/D変換部103にはその画素ユニット440毎にA/D変換部(エリアA/D変換部)が設けられ、各エリアA/D変換部が、自身に割り当てられた画素ユニット440に属する各単位画素から読み出される信号をA/D変換するようにしてもよい。
<撮像装置>
なお、本技術は、撮像素子以外にも適用することができる。例えば、撮像装置のような、撮像素子を有する装置(電子機器等)に本技術を適用するようにしてもよい。図26は、本技術を適用した電子機器の一例としての撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。図26に示される撮像装置600は、被写体を撮像し、その被写体の画像を電気信号として出力する装置である。
(1) 複数の信号の信号レベルを比較する比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記複数の信号の信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる制御部
を備える信号処理装置。
(2) 前記比較部が、前記差動段に、互いに並列に接続される、電流を供給する電流源部と前記電流源部の電流の経路を切断することができるスイッチとの組を複数有し、
前記制御部は、前記複数の組の内の一部について、前記スイッチをオフにして前記電流源部が供給する電流の経路を切断することにより、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる
(1)に記載の信号処理装置。
(3) 前記制御部は、オフにする前記スイッチを設定し、前記比較期間以外の期間において、設定した前記スイッチをオフにする
(2)に記載の信号処理装置。
(4) 前記比較部が、前記差動段に、電流を供給する電流源部を有し、
前記制御部は、前記電流源部のゲート電位を下げることにより、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる
(1)乃至(3)のいずれかに記載の信号処理装置。
(5) 前記制御部は、前記比較期間に対して、前記比較部のオートゼロ期間の前記電流量を低減させる
(1)乃至(4)のいずれかに記載の信号処理装置。
(6) 前記比較部をさらに備える
(1)乃至(5)のいずれかに記載の信号処理装置。
(7) 前記比較部による前記複数の信号の信号レベルの比較の結果が変化するまでをカウントするカウンタをさらに備える
(6)に記載の信号処理装置。
(8) 前記複数の信号は、所定の参照信号と、単位画素から読み出された信号とを含む
(7)に記載の信号処理装置。
(9) 前記比較部は、
相関二重サンプリングのリセット期間において、前記参照信号と前記単位画素から読み出されたリセット信号とを比較し、
前記相関二重サンプリングの信号読み出し期間において、前記参照信号と前記単位画素から読み出された画素信号とを比較し、
前記制御部は、前記リセット期間の前記比較期間および前記信号読み出し期間の前記比較期間に対して、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる
(8)に記載の信号処理装置。
(10) 複数の信号の信号レベルを比較する比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記複数の信号の信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる
制御方法。
(11) 複数の単位画素が行列状に配置される画素アレイと、
前記画素アレイの前記単位画素から読み出された信号と所定の参照信号とで信号レベルを比較する比較部と、
前記比較部による前記信号レベルの比較の結果が変化するまでをカウントするカウンタと、
前記比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記単位画素から読み出された信号と前記参照信号とで信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる制御部と
を備える撮像素子。
(12) 被写体を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像により得られた画像データを画像処理する画像処理部と
を備え、
前記撮像部は、
複数の単位画素が行列状に配置される画素アレイと、
前記画素アレイの前記単位画素から読み出された信号と所定の参照信号とで信号レベルを比較する比較部と、
前記比較部による前記信号レベルの比較の結果が変化するまでをカウントするカウンタと、
前記比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記単位画素から読み出された信号と前記参照信号とで信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較期間以外の期間の前記電流量を低減させる制御部と
を備える電子機器。
Claims (11)
- 複数の信号の信号レベルを比較する比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記複数の信号の信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較部の入力信号を増幅させるトランジスタのドレインとゲートとを短絡させるオートゼロ期間の前記電流量を低減させる制御部
を備える信号処理装置。 - 前記比較部が、前記差動段に、互いに並列に接続される、電流を供給する電流源部と前記電流源部の電流の経路を切断することができるスイッチとの組を複数有し、
前記制御部は、前記複数の組の内の一部について、前記スイッチをオフにして前記電流源部が供給する電流の経路を切断することにより、前記オートゼロ期間の前記電流量を低減させる
請求項1に記載の信号処理装置。 - 前記制御部は、オフにする前記スイッチを設定し、前記オートゼロ期間において、設定した前記スイッチをオフにする
請求項2に記載の信号処理装置。 - 前記比較部が、前記差動段に、電流を供給する電流源部を有し、
前記制御部は、前記電流源部のゲート電位を下げることにより、前記オートゼロ期間の前記電流量を低減させる
請求項1に記載の信号処理装置。 - 前記比較部をさらに備える
請求項1に記載の信号処理装置。 - 前記比較部による前記複数の信号の信号レベルの比較の結果が変化するまでをカウントするカウンタをさらに備える
請求項5に記載の信号処理装置。 - 前記複数の信号は、所定の参照信号と、単位画素から読み出された信号とを含む
請求項6に記載の信号処理装置。 - 前記比較部は、
相関二重サンプリングのリセット期間において、前記参照信号と前記単位画素から読み出されたリセット信号とを比較し、
前記相関二重サンプリングの信号読み出し期間において、前記参照信号と前記単位画素から読み出された画素信号とを比較し、
前記制御部は、前記リセット期間の前記比較期間および前記信号読み出し期間の前記比較期間に対して、前記オートゼロ期間の前記電流量を低減させる
請求項7に記載の信号処理装置。 - 複数の信号の信号レベルを比較する比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記複数の信号の信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較部の入力信号を増幅させるトランジスタのドレインとゲートとを短絡させるオートゼロ期間の前記電流量を低減させる
制御方法。 - 複数の単位画素が行列状に配置される画素アレイと、
前記画素アレイの前記単位画素から読み出された信号と所定の参照信号とで信号レベルを比較する比較部と、
前記比較部による前記信号レベルの比較の結果が変化するまでをカウントするカウンタと、
前記比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記単位画素から読み出された信号と前記参照信号とで信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較部の入力信号を増幅させるトランジスタのドレインとゲートとを短絡させるオートゼロ期間の前記電流量を低減させる制御部と
を備える撮像素子。 - 被写体を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像により得られた画像データを画像処理する画像処理部と
を備え、
前記撮像部は、
複数の単位画素が行列状に配置される画素アレイと、
前記画素アレイの前記単位画素から読み出された信号と所定の参照信号とで信号レベルを比較する比較部と、
前記比較部による前記信号レベルの比較の結果が変化するまでをカウントするカウンタと、
前記比較部の差動段の電流量を制御し、前記比較部が前記単位画素から読み出された信号と前記参照信号とで信号レベルを比較する期間である比較期間に対して、前記比較部の入力信号を増幅させるトランジスタのドレインとゲートとを短絡させるオートゼロ期間の前記電流量を低減させる制御部と
を備える電子機器。
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