JPWO2007055114A1 - 相関二重サンプリング回路及びサンプルホールド回路 - Google Patents
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Abstract
複数に等分割したサンプリング容量を備えた相関二重サンプリング回路において、入力信号を複数のサンプリングポイントでサンプリングし、平均化スイッチを閉じることでサンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求める。これにより、入力信号に重畳した高周波ノイズを低減し、サンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値の差分を出力する。
Description
本発明は、相関二重サンプリング回路及びサンプルホールド回路に関する。
従来より、携帯電話カメラやデジタルスチールカメラ等のアナログ画像信号処理回路では、外乱等の同相ノイズを除去するために、シングルエンド型から差動型の構成が一般的に用いられている。CCD(Charge Coupled Device)やCMOSセンサ等のイメージセンサ出力信号は、相関二重サンプリング回路でサンプリングされ、後段の増幅器へと送られる。
近年、イメージセンサの高画素化が進み、読み出し周波数が高くなってきたため、センサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合、S/Nが劣化して高品質の画像信号処理が難しくなるという課題があった。
図7は、従来の相関二重サンプリング回路(Correlated Double Sampling)の構成を示す図であり、図8は、従来の相関二重サンプリング回路のタイミングチャート図である。
図7において、103,104,107〜116はスイッチ素子、117,118はフィードバック容量、119,120は入力端子、122,123は出力端子、125は演算増幅器、121は入力端子、124は出力端子、701,702はサンプリング容量である。
図7に示すように、入力端子119にイメージセンサ出力信号のフィードスルー部の電圧VOBが入力され、入力端子120にイメージセンサ出力信号のデータ部の電圧VDataが入力される。そして、図8に示すように、フィードスルー部はサンプリングポイント801、データ部はサンプリングポイント802においてサンプリングされる。
そして、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合における相関二重サンプリング回路の出力電圧は、フィードスルー部のサンプリングポイント801の高周波ノイズレベルをΔVOB、データ部のサンプリングポイント802の高周波ノイズレベルをΔVData、出力端子122の電圧をVoutp、出力端子123の電圧をVoutn、サンプリング容量701,702の容量値をCs、フィードバック容量117,118の容量値をCfとすると、相関二重サンプリング回路の出力電圧ΔVoは、(1)式のような関係となる。
(1)式より、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部の高周波ノイズレベルΔVOBとデータ部の高周波ノイズレベルΔVDataとがCs/Cf倍され、S/Nが劣化することが分かる。
特許文献1には、イメージセンサと相関二重サンプリング回路との間にローパスフィルタを挿入することでイメージセンサ出力信号の高周波ノイズを低減する方法が開示されている。
また、特許文献2には、サンプリング回路の数を増やすことでセンサ信号を複数のサンプリングポイントでサンプリングし、サンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求めることでセンサ信号の高周波ノイズレベルを低減する方法が開示されている。
特開平5−68210号公報
特開2005−167790号公報
上述したように、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合にはS/Nが劣化するため、ローパスフィルタを追加したり、サンプリング回路の数を増やすことで高周波ノイズを低減するようにしているが、従来構成に比べて回路規模及び消費電力が増大するという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、イメージセンサの出力信号に重畳したノイズを低減し、S/Nを向上できる相関二重サンプリング回路を提供することにある。
すなわち、本発明は、相関二重サンプリング回路のサンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割し、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をN箇所(Nは2以上の整数)のサンプリングポイントでサンプリングし、平均化スイッチによりN個に等分割されたサンプリング容量を並列に接続することで、サンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求めるようにした。
さらに、イメージセンサ出力信号のデータ部をN箇所のサンプリングポイントでサンプリングし、N個に等分割されたサンプリング容量を並列に接続することでサンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求めるようにしている。
これにより、高周波ノイズレベルを低減することができる。また、サンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割することで複数のサンプリング値の平均値を求めるために平均化スイッチが追加されているが、このサンプリングスイッチのサイズを1/Nにすることができるため、回路面積は従来に比べてほとんど変わらないうえに、新たに追加した回路は他にはないため消費電力も増加しない。
また、複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数を可変にするクロック回路をさらに備え、サンプリング周波数を可変することで相関二重サンプリング回路のフィルタ特性を可変にし、低減させたい周波数帯域を可変にできる。
以上のように、本発明によれば、相関二重サンプリング回路において、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、イメージセンサ出力信号に重畳した高周波ノイズを低減することができる。
101 サンプリング容量
102 サンプリング容量
103 サンプリングスイッチ
104 サンプリングスイッチ
105 平均化スイッチ
106 平均化スイッチ
119 フィードスルー部の信号入力端子
120 データ部の信号入力端子
122 相関二重サンプリング回路の出力端子
123 相関二重サンプリング回路の出力端子
301 フィードスルー部のサンプリングポイント
302 フィードスルー部のサンプリングポイント
303 データ部のサンプリングポイント
304 データ部のサンプリングポイント
401 サンプリングスイッチ
402 平均化スイッチ
403 サンプリング容量
406 電圧フォロア
407 サンプルホールド回路
601 相関二重サンプリング回路
602 クロック回路
605 ノイズ検出回路
606 ノイズ比較回路
904 サンプルホールド回路
102 サンプリング容量
103 サンプリングスイッチ
104 サンプリングスイッチ
105 平均化スイッチ
106 平均化スイッチ
119 フィードスルー部の信号入力端子
120 データ部の信号入力端子
122 相関二重サンプリング回路の出力端子
123 相関二重サンプリング回路の出力端子
301 フィードスルー部のサンプリングポイント
302 フィードスルー部のサンプリングポイント
303 データ部のサンプリングポイント
304 データ部のサンプリングポイント
401 サンプリングスイッチ
402 平均化スイッチ
403 サンプリング容量
406 電圧フォロア
407 サンプルホールド回路
601 相関二重サンプリング回路
602 クロック回路
605 ノイズ検出回路
606 ノイズ比較回路
904 サンプルホールド回路
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
<実施形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。以下、サンプリング容量を2個に等分割した場合の相関二重サンプリング回路について説明する。
図1は、本発明の実施形態1に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。以下、サンプリング容量を2個に等分割した場合の相関二重サンプリング回路について説明する。
図1において、101,102はサンプリング容量、103,104,107〜116はスイッチ素子、117,118はフィードバック容量、119,120は入力端子、122,123は出力端子、125は演算増幅器、121は入力端子、124は出力端子である。
図1に示すように、相関二重サンプリング回路の入力端子119にはイメージセンサ出力信号のフィードスルー部の信号が入力され、入力端子120にはイメージセンサ出力信号のデータ部の信号が入力される。
サンプリング容量101,102はそれぞれ2個に等分割されており、その分割された容量値はそれぞれCs/2となっている。
図2は、本実施形態1に係る相関二重サンプリング回路のタイミングチャート図である。図2に示すように、サンプリング容量101の分割数に対応して設けられたサンプリングスイッチ103を閉じ、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をサンプリングポイント301,302でサンプリングする。そして、サンプリング容量102の分割数に対応して設けられたサンプリングスイッチ104を閉じ、データ部をサンプリングポイント303,304でサンプリングする。
次に、平均化スイッチ105,106を閉じ、サンプリングポイント301,302、及びサンプリングポイント303,304でそれぞれサンプリングされたサンプリング値の平均値を算出する。
そして、サンプリング値が平均化された後、相関二重サンプリング回路はフィードスルー部のサンプリング値の平均値とデータ部のサンプリング値の平均値との差分を出力する。ここで、サンプリング周波数fsは1/Tsとなる。
ここで、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合、フィードスルー部のサンプリングポイント301の電圧をVOB+ΔVOB1、サンプリングポイント302の電圧をVOB+ΔVOB2、データ部のサンプリングポイント303の電圧をVData+ΔVData1、サンプリングポイント304の電圧をVData+ΔVData2、出力端子122の電圧をVoutp、出力端子123の電圧をVoutn、フィードバック容量117,118の容量値をCfとすると、相関二重サンプリング回路の出力電圧ΔVoは、(2)式のような関係となる。
(2)式より、イメージセンサ出力信号の高周波ノイズレベルはサンプリングポイントによって異なるため、サンプリング周波数1/Tsやサンプリングポイントを変えて高周波ノイズレベルが最も低減する最適なサンプリングポイントでサンプリングすることで、高周波ノイズレベルは従来に比べて1/2となることが分かる。
次に、サンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割した場合における、相関二重サンプリング回路の構成について図3を用いて説明する。
図3に示すように、サンプリング容量201,202はそれぞれN個に等分割されており、その分割された容量値はそれぞれCs/Nとなっている。また、サンプリングスイッチ203,204、及び平均化スイッチ205,206が、サンプリング容量201,202の分割数に対応して設けられている。
ここで、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合、相関二重サンプリング回路の出力電圧ΔVoは、(3)式のような関係となる。
(3)式より、イメージセンサ出力信号の高周波ノイズレベルはサンプリングポイントによって異なるため、サンプリング周波数1/Tsやサンプリングポイントを変えて高周波ノイズレベルが最も低減する最適なサンプリングポイントでサンプリングすることで、高周波ノイズレベルは従来に比べて1/Nとなることが分かる。
以上のように、本実施形態1に係る相関二重サンプリング回路によれば、高周波ノイズレベルの低減方法としてサンプリング容量101,102を必要に応じて分割すればよく、さらに、1つのサンプリング容量101,102をN個に等分割しているだけなので、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、イメージセンサ出力信号に重畳した高周波ノイズレベルを1/Nに低減できる。
なお、本実施形態1では、サンプリング容量101,102をN個に等分割したものについて説明したが、等分割に限定するものではなく、複数個に分割するようにしても構わない。
<実施形態2>
図4は、本発明の実施形態2に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。図4に示す相関二重サンプリング回路は、図9に示すような、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をサンプリングする側にサンプルホールド回路904を設けた従来の相関二重サンプリング回路に対して、本発明の特徴であるサンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割する手法を適用したものである。
図4は、本発明の実施形態2に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。図4に示す相関二重サンプリング回路は、図9に示すような、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をサンプリングする側にサンプルホールド回路904を設けた従来の相関二重サンプリング回路に対して、本発明の特徴であるサンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割する手法を適用したものである。
図4に示すように、サンプルホールド回路407のサンプリング容量403はN個(Nは2以上の整数)に等分割されており、その分割された容量値はCsh/Nとなっている。ここで、401はサンプリングスイッチ、404はスイッチ素子、405は入力端子、406は複数のサンプリングポイントでサンプリングした電圧の平均値をゲイン1倍で増幅する電圧フォロワである。
そして、サンプリング容量403の分割数に応じて設けられた平均化スイッチ402を閉じることで、サンプリングにより得られたフィードスルー部の複数のサンプリング値の平均値が算出される。データ部の信号は、サンプリング容量202でN回サンプリングされる。
図4における相関二重サンプリング回路のサンプリング容量201は、回路の差動性を保持するために、サンプルホールド回路407のサンプリングにより得られたフィードスルー部のサンプリング値の平均値を再度サンプリングするものであり、N個に等分割されている。サンプリング容量202も同様にN個に等分割されている。
これ以降の処理は前記実施形態1と同様であり、相関二重サンプリング回路の出力電圧ΔVoは、上述した(3)式のような関係となる。
図5は、本実施形態2に係る相関二重サンプリング回路のタイミングチャート図を示す。以下、サンプリング容量を2個に等分割した場合の相関二重サンプリング回路について説明する。
本実施形態2に係る相関二重サンプリング回路においても、上述した(3)式より、イメージセンサ出力信号の高周波ノイズレベルはサンプリングポイントによって異なるため、サンプリング周波数1/Tsやサンプリングポイントを変えて高周波ノイズレベルが最も低減する最適なサンプリングポイントでサンプリングすることで、高周波ノイズレベルは従来に比べて1/Nとなることが分かる。
図6は、本実施形態1又は2に係る相関二重サンプリング回路601に、複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数1/Tsを可変可能にするクロック回路602を設けた場合の構成を示す図である。
図6に示すように、クロック回路602によってサンプリング周波数1/Tsを可変とすることで、相関二重サンプリング回路601のフィルタ特性を変えることができ、低減させたい周波数帯域を変えることが可能になる。なお、603は入力端子、604は出力端子である。
図10は、サンプリングポイントの最適化を実現するためにクロックタイミングをフィードバック調整するための回路構成例を示す。(3)式より、相関二重サンプリング回路601の出力信号のノイズ電圧は、
で表される。
サンプリング周波数fnの変更は、クロック制御回路602内のPLL(Phase-locked loop)の分周比を変更することにより行う。PLLは、外部から入力された入力信号(基準周波数)と、電圧に応じて周波数が変化する電圧制御発振回路(Voltage Controlled Oscillator:以下、VCOという)の出力信号との位相差をVCOにフィードバックすることにより同期するものである。
図11は、クロック制御回路602内部の回路構成図である。61は2つの信号間の位相差を比較して差信号を出力する位相周波数比較器、62は交流成分をカットするループフィルタ、63はVCO、64はVCO63の出力をN分の1に分周して出力するN分周器、65は分周比セレクタ、66はカウンタである。
ここで、N分周器64における分周比は、カウンタ66の出力値によって決定される。具体的に、カウンタ66の出力値が”0”のときには分周比N0、カウンタ66の出力値が”1”のときには分周比N1となり、このように決定された分周比に基づいてサンプリング周波数fnが決定する。
以下、サンプリング容量Csを2個に分割し、サンプリング周波数を2回変更させる場合について考える。この場合には、カウンタ66として1bitカウンタを使用する。
イメージセンサの無効画素領域から出力される信号を用いて、クロック制御回路602内のカウンタ66は”0”を出力し、予め決められたサンプリング周波数(f0)でサンプリングする。出力されるノイズ電圧をノイズ検出回路605で検出し、その検出したノイズ電圧をノイズ比較回路606内の格納レジスタに保持しておく。
図12より、サンプリング周波数f0時のフィードスルー部のノイズ電圧をΔVOBn0,ΔVOBn1、データ部のノイズ電圧をΔVDatan0,ΔVDatan1すると、検出したノイズ電圧レベルVnoiseは、(4)式より、
で表される。次に、カウンタ66の出力値が”1”になり、分周比セレクタ65により設定された分周比に切り替え、その時に設定されるサンプリング周波数f1のノイズ電圧Vnoiseをノイズ検出回路605で検出し、ノイズ比較回路606内の格納レジスタで保持する。その時のノイズ電圧は、
で表される。ここで、(ΔVData−ΔVOB)>(ΔV’Data−ΔV’OB)と仮定すると、
Vnoise(f0)>Vnoise(f1)
となる。この2つのノイズ電圧をノイズ比較回路606で比較し、ノイズ電圧が小さい方のサンプリング周波数になるように、分周比セレクタ65において分周比を選択する。
Vnoise(f0)>Vnoise(f1)
となる。この2つのノイズ電圧をノイズ比較回路606で比較し、ノイズ電圧が小さい方のサンプリング周波数になるように、分周比セレクタ65において分周比を選択する。
このようにサンプリング周波数を変えることで、最適なサンプリングポイントでセンサー出力信号をサンプリングすることができる。なお、本実施形態では、PLLを用いてサンプリング周波数を調整するようにした形態について説明したが、この形態に限定するものではなく、サンプリング周波数を固定として位相関係を調整するようにしても同様の結果を得ることができる。
以上のように、本発明の実施形態2に係る相関二重サンプリング回路によれば、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、サンプリング容量をN個に等分割し、複数のサンプリング値の平均値を求めるための平均化スイッチを追加するといった簡単な構成にするだけで、イメージセンサ出力信号に重畳した高周波ノイズを1/Nに低減できる。
また、図6に示したように、複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数1/Tsを可変可能にするクロック回路を備えるようにすれば、相関二重サンプリング回路のフィルタ特性を可変にし、低減させたい周波数帯域を可変とすることができる。
なお、本実施形態2では、差動型の相関二重サンプリング回路について説明したが、この形態に限定するものではなく、シングルエンドの相関二重サンプリング回路においても適用できる。
以上説明したように、本発明の相関二重サンプリング回路は、サンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割することで、入力信号に重畳した高周波ノイズレベルを低減できるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。特に、携帯電話カメラ、デジタルスチールカメラ、スキャナー等のアナログ画像信号処理回路に有用である。
本発明は、相関二重サンプリング回路及びサンプルホールド回路に関する。
従来より、携帯電話カメラやデジタルスチールカメラ等のアナログ画像信号処理回路では、外乱等の同相ノイズを除去するために、シングルエンド型から差動型の構成が一般的に用いられている。CCD(Charge Coupled Device)やCMOSセンサ等のイメージセンサ出力信号は、相関二重サンプリング回路でサンプリングされ、後段の増幅器へと送られる。
近年、イメージセンサの高画素化が進み、読み出し周波数が高くなってきたため、センサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合、S/Nが劣化して高品質の画像信号処理が難しくなるという課題があった。
図7は、従来の相関二重サンプリング回路(Correlated Double Sampling)の構成を示す図であり、図8は、従来の相関二重サンプリング回路のタイミングチャート図である。
図7において、103,104,107〜116はスイッチ素子、117,118はフィードバック容量、119,120は入力端子、122,123は出力端子、125は演算増幅器、121は入力端子、124は出力端子、701,702はサンプリング容量である。
図7に示すように、入力端子119にイメージセンサ出力信号のフィードスルー部の電圧VOBが入力され、入力端子120にイメージセンサ出力信号のデータ部の電圧VDataが入力される。そして、図8に示すように、フィードスルー部はサンプリングポイント801、データ部はサンプリングポイント802においてサンプリングされる。
そして、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合における相関二重サンプリング回路の出力電圧は、フィードスルー部のサンプリングポイント801の高周波ノイズレベルを△VOB、データ部のサンプリングポイント802の高周波ノイズレベルを△VData、出力端子122の電圧をVoutp、出力端子123の電圧をVoutn、サンプリング容量701,702の容量値をCs、フィードバック容量117,118の容量値をCfとすると、相関二重サンプリング回路の出力電圧△Voは、(1)式のような関係となる。
(1)式より、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部の高周波ノイズレベル△VOBとデータ部の高周波ノイズレベル△VDataとがCs/Cf倍され、S/Nが劣化することが分かる。
特許文献1には、イメージセンサと相関二重サンプリング回路との間にローパスフィルタを挿入することでイメージセンサ出力信号の高周波ノイズを低減する方法が開示されている。
また、特許文献2には、サンプリング回路の数を増やすことでセンサ信号を複数のサンプリングポイントでサンプリングし、サンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求めることでセンサ信号の高周波ノイズレベルを低減する方法が開示されている。
特開平5−68210号公報
特開2005−167790号公報
上述したように、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合にはS/Nが劣化するため、ローパスフィルタを追加したり、サンプリング回路の数を増やすことで高周波ノイズを低減するようにしているが、従来構成に比べて回路規模及び消費電力が増大するという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、イメージセンサの出力信号に重畳したノイズを低減し、S/Nを向上できる相関二重サンプリング回路を提供することにある。
すなわち、本発明は、相関二重サンプリング回路のサンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割し、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をN箇所(Nは2以上の整数)のサンプリングポイントでサンプリングし、平均化スイッチによりN個に等分割されたサンプリング容量を並列に接続することで、サンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求めるようにした。
さらに、イメージセンサ出力信号のデータ部をN箇所のサンプリングポイントでサンプリングし、N個に等分割されたサンプリング容量を並列に接続することでサンプリングにより得られた複数のサンプリング値の平均値を求めるようにしている。
これにより、高周波ノイズレベルを低減することができる。また、サンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割することで複数のサンプリング値の平均値を求めるために平均化スイッチが追加されているが、このサンプリングスイッチのサイズを1/Nにすることができるため、回路面積は従来に比べてほとんど変わらないうえに、新たに追加した回路は他にはないため消費電力も増加しない。
また、複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数を可変にするクロック回路をさらに備え、サンプリング周波数を可変することで相関二重サンプリング回路のフィルタ特性を可変にし、低減させたい周波数帯域を可変にできる。
以上のように、本発明によれば、相関二重サンプリング回路において、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、イメージセンサ出力信号に重畳した高周波ノイズを低減することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
<実施形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。以下、サンプリング容量を2個に等分割した場合の相関二重サンプリング回路について説明する。
図1は、本発明の実施形態1に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。以下、サンプリング容量を2個に等分割した場合の相関二重サンプリング回路について説明する。
図1において、101,102はサンプリング容量、103,104,107〜116はスイッチ素子、117,118はフィードバック容量、119,120は入力端子、122,123は出力端子、125は演算増幅器、121は入力端子、124は出力端子である。
図1に示すように、相関二重サンプリング回路の入力端子119にはイメージセンサ出力信号のフィードスルー部の信号が入力され、入力端子120にはイメージセンサ出力信号のデータ部の信号が入力される。
サンプリング容量101,102はそれぞれ2個に等分割されており、その分割された容量値はそれぞれCs/2となっている。
図2は、本実施形態1に係る相関二重サンプリング回路のタイミングチャート図である。図2に示すように、サンプリング容量101の分割数に対応して設けられたサンプリングスイッチ103を閉じ、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をサンプリングポイント301,302でサンプリングする。そして、サンプリング容量102の分割数に対応して設けられたサンプリングスイッチ104を閉じ、データ部をサンプリングポイント303,304でサンプリングする。
次に、平均化スイッチ105,106を閉じ、サンプリングポイント301,302、及びサンプリングポイント303,304でそれぞれサンプリングされたサンプリング値の平均値を算出する。
そして、サンプリング値が平均化された後、相関二重サンプリング回路はフィードスルー部のサンプリング値の平均値とデータ部のサンプリング値の平均値との差分を出力する。ここで、サンプリング周波数fsは1/Tsとなる。
ここで、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合、フィードスルー部のサンプリングポイント301の電圧をVOB+△VOB1、サンプリングポイント302の電圧をVOB+△VOB2、データ部のサンプリングポイント303の電圧をVData+△VData1、サンプリングポイント304の電圧をVData+△VData2、出力端子122の電圧をVoutp、出力端子123の電圧をVoutn、フィードバック容量117,118の容量値をCfとすると、相関二重サンプリング回路の出力電圧△Voは、(2)式のような関係となる。
(2)式より、イメージセンサ出力信号の高周波ノイズレベルはサンプリングポイントによって異なるため、サンプリング周波数1/Tsやサンプリングポイントを変えて高周波ノイズレベルが最も低減する最適なサンプリングポイントでサンプリングすることで、高周波ノイズレベルは従来に比べて1/2となることが分かる。
次に、サンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割した場合における、相関二重サンプリング回路の構成について図3を用いて説明する。
図3に示すように、サンプリング容量201,202はそれぞれN個に等分割されており、その分割された容量値はそれぞれCs/Nとなっている。また、サンプリングスイッチ203,204、及び平均化スイッチ205,206が、サンプリング容量201,202の分割数に対応して設けられている。
ここで、イメージセンサ出力信号に高周波ノイズが重畳した場合、相関二重サンプリング回路の出力電圧△Voは、(3)式のような関係となる。
(3)式より、イメージセンサ出力信号の高周波ノイズレベルはサンプリングポイントによって異なるため、サンプリング周波数1/Tsやサンプリングポイントを変えて高周波ノイズレベルが最も低減する最適なサンプリングポイントでサンプリングすることで、高周波ノイズレベルは従来に比べて1/Nとなることが分かる。
以上のように、本実施形態1に係る相関二重サンプリング回路によれば、高周波ノイズレベルの低減方法としてサンプリング容量101,102を必要に応じて分割すればよく、さらに、1つのサンプリング容量101,102をN個に等分割しているだけなので、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、イメージセンサ出力信号に重畳した高周波ノイズレベルを1/Nに低減できる。
なお、本実施形態1では、サンプリング容量101,102をN個に等分割したものについて説明したが、等分割に限定するものではなく、複数個に分割するようにしても構わない。
<実施形態2>
図4は、本発明の実施形態2に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。図4に示す相関二重サンプリング回路は、図9に示すような、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をサンプリングする側にサンプルホールド回路904を設けた従来の相関二重サンプリング回路に対して、本発明の特徴であるサンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割する手法を適用したものである。
図4は、本発明の実施形態2に係る相関二重サンプリング回路の構成を示す図である。図4に示す相関二重サンプリング回路は、図9に示すような、イメージセンサ出力信号のフィードスルー部をサンプリングする側にサンプルホールド回路904を設けた従来の相関二重サンプリング回路に対して、本発明の特徴であるサンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割する手法を適用したものである。
図4に示すように、サンプルホールド回路407のサンプリング容量403はN個(Nは2以上の整数)に等分割されており、その分割された容量値はCsh/Nとなっている。ここで、401はサンプリングスイッチ、404はスイッチ素子、405は入力端子、406は複数のサンプリングポイントでサンプリングした電圧の平均値をゲイン1倍で増幅する電圧フォロワである。
そして、サンプリング容量403の分割数に応じて設けられた平均化スイッチ402を閉じることで、サンプリングにより得られたフィードスルー部の複数のサンプリング値の平均値が算出される。データ部の信号は、サンプリング容量202でN回サンプリングされる。
図4における相関二重サンプリング回路のサンプリング容量201は、回路の差動性を保持するために、サンプルホールド回路407のサンプリングにより得られたフィードスルー部のサンプリング値の平均値を再度サンプリングするものであり、N個に等分割されている。サンプリング容量202も同様にN個に等分割されている。
これ以降の処理は前記実施形態1と同様であり、相関二重サンプリング回路の出力電圧△Voは、上述した(3)式のような関係となる。
図5は、本実施形態2に係る相関二重サンプリング回路のタイミングチャート図を示す。以下、サンプリング容量を2個に等分割した場合の相関二重サンプリング回路について説明する。
本実施形態2に係る相関二重サンプリング回路においても、上述した(3)式より、イメージセンサ出力信号の高周波ノイズレベルはサンプリングポイントによって異なるため、サンプリング周波数1/Tsやサンプリングポイントを変えて高周波ノイズレベルが最も低減する最適なサンプリングポイントでサンプリングすることで、高周波ノイズレベルは従来に比べて1/Nとなることが分かる。
図6は、本実施形態1又は2に係る相関二重サンプリング回路601に、複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数1/Tsを可変可能にするクロック回路602を設けた場合の構成を示す図である。
図6に示すように、クロック回路602によってサンプリング周波数1/Tsを可変とすることで、相関二重サンプリング回路601のフィルタ特性を変えることができ、低減させたい周波数帯域を変えることが可能になる。なお、603は入力端子、604は出力端子である。
図10は、サンプリングポイントの最適化を実現するためにクロックタイミングをフィードバック調整するための回路構成例を示す。(3)式より、相関二重サンプリング回路601の出力信号のノイズ電圧は、
で表される。
サンプリング周波数fnの変更は、クロック制御回路602内のPLL(Phase-locked loop)の分周比を変更することにより行う。PLLは、外部から入力された入力信号(基準周波数)と、電圧に応じて周波数が変化する電圧制御発振回路(Voltage Controlled Oscillator:以下、VCOという)の出力信号との位相差をVCOにフィードバックすることにより同期するものである。
図11は、クロック制御回路602内部の回路構成図である。61は2つの信号間の位相差を比較して差信号を出力する位相周波数比較器、62は交流成分をカットするループフィルタ、63はVCO、64はVCO63の出力をN分の1に分周して出力するN分周器、65は分周比セレクタ、66はカウンタである。
ここで、N分周器64における分周比は、カウンタ66の出力値によって決定される。具体的に、カウンタ66の出力値が”0”のときには分周比N0、カウンタ66の出力値が”1”のときには分周比N1となり、このように決定された分周比に基づいてサンプリング周波数fnが決定する。
以下、サンプリング容量Csを2個に分割し、サンプリング周波数を2回変更させる場合について考える。この場合には、カウンタ66として1bitカウンタを使用する。
イメージセンサの無効画素領域から出力される信号を用いて、クロック制御回路602内のカウンタ66は”0”を出力し、予め決められたサンプリング周波数(f0)でサンプリングする。出力されるノイズ電圧をノイズ検出回路605で検出し、その検出したノイズ電圧をノイズ比較回路606内の格納レジスタに保持しておく。
図12より、サンプリング周波数f0時のフィードスルー部のノイズ電圧をΔVOBn0,ΔVOBn1、データ部のノイズ電圧をΔVDatan0,ΔVDatan1すると、検出したノイズ電圧レベルVnoiseは、(4)式より、
で表される。次に、カウンタ66の出力値が”1”になり、分周比セレクタ65により設定された分周比に切り替え、その時に設定されるサンプリング周波数f1のノイズ電圧Vnoiseをノイズ検出回路605で検出し、ノイズ比較回路606内の格納レジスタで保持する。その時のノイズ電圧は、
で表される。ここで、(ΔVData−ΔVOB)>(ΔV’Data−ΔV’OB)と仮定すると、
Vnoise(f0)>Vnoise(f1)
となる。この2つのノイズ電圧をノイズ比較回路606で比較し、ノイズ電圧が小さい方のサンプリング周波数になるように、分周比セレクタ65において分周比を選択する。
Vnoise(f0)>Vnoise(f1)
となる。この2つのノイズ電圧をノイズ比較回路606で比較し、ノイズ電圧が小さい方のサンプリング周波数になるように、分周比セレクタ65において分周比を選択する。
このようにサンプリング周波数を変えることで、最適なサンプリングポイントでセンサー出力信号をサンプリングすることができる。なお、本実施形態では、PLLを用いてサンプリング周波数を調整するようにした形態について説明したが、この形態に限定するものではなく、サンプリング周波数を固定として位相関係を調整するようにしても同様の結果を得ることができる。
以上のように、本発明の実施形態2に係る相関二重サンプリング回路によれば、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、サンプリング容量をN個に等分割し、複数のサンプリング値の平均値を求めるための平均化スイッチを追加するといった簡単な構成にするだけで、イメージセンサ出力信号に重畳した高周波ノイズを1/Nに低減できる。
また、図6に示したように、複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数1/Tsを可変可能にするクロック回路を備えるようにすれば、相関二重サンプリング回路のフィルタ特性を可変にし、低減させたい周波数帯域を可変とすることができる。
なお、本実施形態2では、差動型の相関二重サンプリング回路について説明したが、この形態に限定するものではなく、シングルエンドの相関二重サンプリング回路においても適用できる。
以上説明したように、本発明の相関二重サンプリング回路は、サンプリング容量をN個(Nは2以上の整数)に等分割することで、入力信号に重畳した高周波ノイズレベルを低減できるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。特に、携帯電話カメラ、デジタルスチールカメラ、スキャナー等のアナログ画像信号処理回路に有用である。
101 サンプリング容量
102 サンプリング容量
103 サンプリングスイッチ
104 サンプリングスイッチ
105 平均化スイッチ
106 平均化スイッチ
119 フィードスルー部の信号入力端子
120 データ部の信号入力端子
122 相関二重サンプリング回路の出力端子
123 相関二重サンプリング回路の出力端子
301 フィードスルー部のサンプリングポイント
302 フィードスルー部のサンプリングポイント
303 データ部のサンプリングポイント
304 データ部のサンプリングポイント
401 サンプリングスイッチ
402 平均化スイッチ
403 サンプリング容量
406 電圧フォロア
407 サンプルホールド回路
601 相関二重サンプリング回路
602 クロック回路
605 ノイズ検出回路
606 ノイズ比較回路
904 サンプルホールド回路
102 サンプリング容量
103 サンプリングスイッチ
104 サンプリングスイッチ
105 平均化スイッチ
106 平均化スイッチ
119 フィードスルー部の信号入力端子
120 データ部の信号入力端子
122 相関二重サンプリング回路の出力端子
123 相関二重サンプリング回路の出力端子
301 フィードスルー部のサンプリングポイント
302 フィードスルー部のサンプリングポイント
303 データ部のサンプリングポイント
304 データ部のサンプリングポイント
401 サンプリングスイッチ
402 平均化スイッチ
403 サンプリング容量
406 電圧フォロア
407 サンプルホールド回路
601 相関二重サンプリング回路
602 クロック回路
605 ノイズ検出回路
606 ノイズ比較回路
904 サンプルホールド回路
Claims (6)
- 入力信号を複数のサンプリングポイントでサンプリングするために複数個に分割され、各々が並列に接続されて構成されたサンプリング容量と、
前記サンプリング容量における分割された各容量にそれぞれ直列に接続された複数個のサンプリングスイッチと、
前記サンプリング容量における分割された各容量でそれぞれサンプリングされた複数のサンプリング値を平均化して平均値を算出するための平均化スイッチとを備えたことを特徴とする相関二重サンプリング回路。 - 入力信号を複数のサンプリングポイントでサンプリングするためにN個(Nは2以上の整数)に等分割され、各々が並列に接続されて構成されたサンプリング容量と、
前記サンプリング容量における等分割された容量にそれぞれ直列に接続されたN個のサンプリングスイッチと、
前記サンプリング容量における等分割された容量でそれぞれサンプリングされた複数のサンプリング値を平均化して平均値を算出するための平均化スイッチとを備えたことを特徴とする相関二重サンプリング回路。 - 請求項1又は2に記載された相関二重サンプリング回路において、
前記複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数を可変制御するクロック回路をさらに備えたことを特徴とする相関二重サンプリング回路。 - 請求項3において、
出力された信号のノイズレベルを検出するノイズ検出回路と、
前記ノイズ検出回路で検出したノイズレベルを保持し、予め設定されたクロックタイミングで検出されたノイズレベルと比較するノイズ比較回路とを備え、
前記クロック回路は、前記ノイズ比較回路で比較されたノイズレベルのうち最も低いクロックタイミングに調整する処理を、少なくとも1回行うように構成されていることを特徴とする相関二重サンプリング回路。 - 入力信号を複数のサンプリングポイントでサンプリングするためにN個(Nは2以上の整数)に等分割され、各々が並列に接続されて構成されたサンプリング容量と、
前記サンプリング容量における等分割された容量にそれぞれ直列に接続されたN個のサンプリングスイッチと、
前記サンプリング容量における等分割された容量でそれぞれサンプリングされた複数のサンプリング値を平均化して平均値を算出するための平均化スイッチと、
前記複数のサンプリングポイントをサンプリングするサンプリング周波数を可変制御するクロック回路と、
前記複数のサンプリングポイントでサンプリングした電圧の平均値をゲイン1倍で増幅する電圧フォロワとを備えたことを特徴とするサンプルホールド回路。 - 請求項1又は2において、
請求項5に記載のサンプルホールド回路を備えたことを特徴とする相関二重サンプリング回路。
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