TW200915732A - A/D conversion circuit, control method of A/D conversion circuit, solid-state imaging device, and imaging apparatus - Google Patents
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Description
200915732 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於A(類比）/D(數位）轉換電路、類比/數位轉 換電路之控制方法、固體攝像裝置及攝像裝置，特別係關 於具有比較器之類比/數位轉換電路、該類比/數位轉換電 ' 路之控制方法、使用該類比/數位轉換電路之固體攝像裝 • 置及具有該固體攝像裝置之攝像裝置。 【先前技術】 | ; 在固體攝像裝置’例如CMOS (Complementary Metal
Oxide Semiconductor ;互補型金屬氧化物半導體）中，有 難以兼顧電路部分之小面積化與雜訊減低之課題。以往， 作為CMOS影像感測器之雜訊減低技術，有下列技術（例如 參照專利文獻1):在配置於像素陣列部之像素排列之各行 而讀出來自像素之信號之讀出電路（行電路）中，利用開關 電容器電路’藉電容比運算雜訊帶狹窄之信號而將信號放 大’將放大後之信號輸入換算，以施行雜訊減低。 (j 在此信號放大電路單純地組合在面積之點上有利之積分 型類比/數位轉換電路時’可實現一面謀求雜訊之減低， 一面可施行類比/數位轉換之讀出電路。 [專利文獻1]日本特開2005-269471號公報 【發明内容】 [發明所欲解決之問題] 在上述先前技術中，配置於像素陣列部之像素排列之各 行而讀出來自像素之信號之讀出電路之電路部分分為信號 128880.doc 200915732 放大部與類比/數位轉換部，故作為讀出電路之總面積即 使在各電路中謀求面積之最適化，也不能達到信號放大電 路與類比/數位轉換電路之單純之組合以下之面積。 具體而5 ’由於讀出電路係利用開關電容器電路構成之 信號放大電路執行作為信號放大之功能，構成類比/數位 轉換電路之比較器執行像素信號與i個以上之參考直流電 壓之信號比較之功能之久$你& 之各自獨立之功能電路所構成，故該 讀出電路所佔之面積不得不增大。 目此，本發明之目的在於提供可削減讀出電路(行電路) 所佔之面積之類比/數位轉換電路、該類比/數位轉換電路 之控制方法、使用該類比/數位轉換電路之固體攝像裝置 及具有該固體攝像裝置之攝像裝置。 [解決問題之技術手段] 本發明之類比/數位轉換電路之構成係包含下列各構 件：輸入電I，其係一端被依序供應輸 ^運算放大器；第旧關’其係連接於前述輸入電2 ㈣與前述運算放大器之第i輸人端之間，在信號放大動 作之時成為通電狀態；反饋電容，其係一端連接於前述運 算放大器之第m人端；第2„ ’其係連接於前述反饋電 容之他端與前述運算放大器之輸出端之間，將儲存於前述 輸入電容之電荷轉送至前述反饋電容時成為通電狀態：第 3開關，其係在前述輸入信號被供應至前述輸入電容之— 端時或類比/數位轉換動作之時，將特定電壓選擇性地供 應至前述反饋電容之他端側；第4開關，其係在前述輪入 128880.doc 200915732 k號被供應至前述輸入電容之一端時，選擇性地使前述運 算放大器之第1輸入端與輸出端之間短路；第5開關，其係 在刖述輸入k號及前述基準信號被供應至前述輸入電容之 一端時，將前述特定電壓供應至前述運算放大器之第2輪 入端；及帛6開Μ，λ係在類比/數位轉換動作之時成為通 電狀態，而將傾斜狀之參考電壓供應至前述運算放大器之 第2輸入端。
在上述構成之類比/數位轉換電路中，首先，使前述第工 開關、則述第3開關、前述第4開關及前述第5開關成為通 電狀態而將輸入信號抽樣保持於前述輸入電容；接著，使 前述第2開關成為通電狀態，使前述第3開關及前述第4開 關成為斷電狀態而將基準信號供應至前述輸入電容之一 端，以將前述輸入電容之儲存電荷轉送至前述反饋電容， 藉此施行信號放大動作。而且’在前述信號放大動作後， 使前述第1開關、前述第2開關、前述第4開關成為斷電狀 態，使前述第3開關及前述第5開關成為通電狀態而經由該 第5開關，將傾斜狀之參考電壓供應至前述運算放大器之 第2輸入端’藉此施行類比/數位轉換動作。 [發明之效果] 依據本發明，使用類比/數位轉換電路之電路構成元 件’在不同之時間使信號放大之動作執行，可使電路構^ 元件以類比/數位轉換與信號放大共通化，故與在類比/數 位轉換電路單純地組合信號放大電路之情形相比，可削減 類比/數位轉換電路所佔之面積。 128880.doc 200915732 【實施方式】 以下，參照圖式詳細說明有關本發明之實施型態。 圖1係表示適用本發明之固體攝像裝置，例如CMOS影像 感測器之構成例之系統構成圖。 如圖1所示，本適用例之CMOS影像感測器1 〇係呈現具有 將含光電轉換元件之單位像素（以下也有僅記述為「像 素」之情形）20二維配置成矩陣狀而構成之像素陣列部i i 與其週邊電路之構成。 像素陣列部11之週邊電路例如為垂直掃描電路丨2、行電 路13、水平掃描電路14及輸出電路15等，被積體於與像素 陣列部11相同之晶片（半導體基板）上。 相對於在像素陣列部11之矩陣狀之像素排列，在各像素 行布線垂直信號線111，在各像素列布線驅動控制線，例 如轉送控制線112、重設控制線113及選擇控制線114(參照 圖2) 〇 垂直掃描電路12係由移位暫存器或位址解碼器等所構 成，一面在電子快門列與讀出列分別以列為單位向垂直方 向（上下方向）掃描像素陣列部丨丨之各像素2〇，一面對電子 快門列執行掃除該狀像㈣之㈣狀電子 ^讀出列施行該列之像㈣之信號之讀“之讀出動 在此’雖省略圖示，但垂直掃描電路12係 以列為單位依序選擇像素2〇，一;、有-面 素2〇之信妒之讀“ _灯-賈出讀出列之各像 作用之讀出掃描系統、與對相同於比 128880.doc 200915732 快門逮度之時間份 之電子快Η掃描系 “ °賣出掃撝系統之讀出掃描提前對應於 之列(電子快門列)施行電子快門動作用 統之構成。 攸光電轉換部之不要之電荷被電子快 快門掃描所重設之時間至像素2〇之信號被讀出掃^系= 讀出之時間之期間為在像素2。之信號電二單 之儲存期間(曝光期間)。即，所謂 ^存於光電轉換部之信號電荷之重設(掃除)== 後重新開始施行信號電荷之儲存之動作。 其“ —行電路13係依照像素陣列部u之像素排列之例如各像素 灯I7目對於像素行以utl之對應關係被配置，且讀出由 被垂直掃描電路12之垂直掃描所選擇之讀出列(選擇列)之 各像素20經由垂直信號線⑴被輸出之信號之讀出電路， 對此讀出之像素信號施行特定之信號處理，並一時地保持 信號處理後之像素信號。 更具體而言’行電路13例如係對由選擇列之各像素聰 由垂直信號線111被輸出之像素信號，藉由CDS (― ⑽心SampHng ;關聯雙重抽樣）處理，執行減低重設雜 訊及放大電晶體24(參照圖2)之臨限值誤差等之像素固有之 固定圖案雜訊之雜訊減低處理等各種信號處理。 仃電路1 3進-步具有將類比像素信號轉換成數位像素信 號之A(類比）/D(數位）轉換電路。在本實施型態中係以使 用於此行電路13之類比/數位轉換電路之具體的構成及動 作為特徵’有關其詳細，留待後述。 128880.doc 200915732 又’在此’雖依照像轉列部u之像素排狀各單 =置行電路u，但也可採用依照各複數行逐_設置而在複 订間以時間分隔方式使用1個行電路i 3之構成。 水平掃描電路U係由移位暫存器或位址解碼器等所構 成，在依照像素陣列部11之各像素行配置之行電路13中， 藉由逐次輸出水平選標脈播^U1 擇脈衝φΗΐ〜φΗη，依序驅動例如設於 行電路13之輸出段之水平選擇開關(未圖示)，將一時地保 持於行電路13之像素信號讀出至水平掃描線16。 〃 輸^路15係對被水平掃料16傳送之像素信號施行種 種之#號處理。作為—例，在輸出電路 調整、行㈣補正、色相關處理等之信號處理 僅施行緩衝處理之情形。 作為垂直掃描電路12、行電路13、水平掃描電路14及輸 出電路15等之動作之基準之時間信號及控制信號係在未圖 不之時間控制電路（時間產生器）所產生。 (像素電路） 圖2係表示單位像素2〇之電路構成之一例之電路圖。 本電路例之單位像素2G係除了光電轉換㈣，例如光電 二極體2i以外，例如具有轉送電晶體。、重設電晶體& 放大電晶體24'選擇電晶體25之4個電晶體之像素電路。 在此’作為此等電晶體22〜25，例如使㈣通道之M〇s電 晶體，但不限定於此。 轉送電晶體22連接於光電二極體21之陰極f極與浮動擴 散部（以T記述為印部）26之間，藉由將轉送脈衝供應 128880.doc -10· 200915732 至閘極電極（控制電極），將被光電二極體21光電轉換且儲 存於此之信號電荷（在此為電子）轉送至FE^p26。FD部26執 行作為將信號電荷轉換成電壓信號之電荷電壓轉換部之功 月&。 重設電晶體23係分別將汲極電極連接至電源電壓VDD之 像素電源，將源極電極連接至FE^p26，在由光電二極體Η 向FD部26之信號電荷之轉送之前，將重設脈衝rst供應至 閘極電極，藉以將FD部26之電位重設成電源電壓VDD。 ( 放大電晶體24係分別將閘極電極連接至FE^p %，將汲 極電極連接至電源電壓VDD之像素電源，輸出被重設電晶 體23重設後之FD部26之電位作為重設位準（p相信號），更 輸出被轉送電晶體22轉送信號電荷後26之電位作為 信號位準（D相信號）。 選擇電晶體25例如係分別將沒極電極連接至放大電晶體 24之源極電極，將源極電極連接至垂直信號線^，將選 #脈衝SEL供應至閘極電極’藉以使像素2〇成為選擇狀態 〇 …放大電晶體24輸出之信號輸出至垂直信號線ui: 關於選擇電晶體25，也可採用連接於像素電源與放大電晶 體24之沒極電極之間之構成。 又，在此，雖列舉適用於具有轉送電晶體22、重設電晶 體23、放大電晶體24、選擇雷曰加# k擇電日日體25之4個電晶體構成之 單位像素20之CMOS影像感測器之情形為例，但不限定於 此適用例。 具體上’也可省略選擇電晶體25，藉由採用可切換電源 128880.doc ,, 200915732 電壓VDD之電壓值之構成，而可適用於具有使放大電晶體 24帶有選擇電晶體25之功能之3個電晶體構成之單位像素 之CMOS影像感測器等。 [類比/數位轉換電路] 接著，利用圖3具體地說明有關作為本實施型態之特徵 之類比/數位轉換電路。圖3係表示本發明之一實施型態之 類比/數位轉換電路3〇之電路構成之電路圖。 (類比/數位轉換電路之電路構成） '' 本實施型態之類比/數位轉換電路30係由10個開關 SW1〜SW10、2個電容Cl、C2及1個運算放大器OP所構 成。由選擇列之各像素20經由垂直信號線1丨丨供應至此類 比/數位轉換電路30作為輸入信號vin。 開關SW1係依照控制信號φϊη1執行關（on)/開（〇ff)動作而 選擇性地取入輸入信號Vin。開關SW2係依照控制信號 Φίη2執行關/開動作而選擇性地取入基準信號vref。電容 C1係輸入電容，其一端共通地連接至開關swi、SW2之各 u 輸出端。 開關S W3(第1開關）係其一端連接於輸入電容C1之他 端，其他端連接於運算放大器OP之反轉㈠輸入端（第1輸入 端）’依照控制信號Φί執行關/開動作而適宜地連接開關 SW3之他端與運算放大器ΟΡ之反轉輸入端。開關sw4係依 照控制信號<Din3執行關/開動作而選擇性地將共通信號 Vcom供應至開關SW3之輸入端側。 電容C2係反饋電容’其一端連接至運算放大器〇p之反 128880.doc •12- 200915732 轉輸入端。開關（第2開關、& & 開關）SW5係其一端連接於反饋電容 C2之他端，其他端連接於 伐孓連算放大|§ OP之輸出端，依照 控制信號Ob執行關/開動作， 切作藉以將反饋電容C2選擇性地 連接至運算放大器Op，g絲认 之反轉輸入端與輸出端之間。 開關SW6(第3開關）係依昭 低，、，、控制k娩<Dbcom執行關/開動 作而選擇性地將特定電壓，例如共通信號^⑽之電壓供 應至饋電容C2之他端側。開關（第4開關）SW7係依照控制 信號如執行關/開動作而選擇性地將運算放大器〇p之反轉 輸入端與輸出端之間短路。 開關(第6開關)SW8係依照控制信號執行關/開動作 而選擇性地取人由參考電屢產生㈣供應之斜坡（Ramp; 傾斜狀）波形之參考電壓Vsw而供應至運算放大器〇p之非 反轉（+)輸入端（第2輸入端）。 開關（第5開關）SW9係依照控制信號^⑽執行關/開動 作而選擇性地取入共通信號Vc〇m而供應至運算放大器仰 之非反轉輸人端。開關SW_依照控制信號如吨執㈣〆 開動作而選擇性地取入比較基準電壓Vcmp而供應至運算 放大器OP之非反轉輸入端。 上述構成之本實施型態之類比/數位轉換電路3〇之特徵 在於將輸入信號Vin放大後，施行類比/數位轉換，即，除 了類比/數位轉換功能外，具有信號放大功能。 (類比/數位轉換電路之電路動作） 以下，就本實施型態之類比/數位轉換電路3〇之電路動 作，分為信號放大之情形與類比/數位轉換之情形具體地 128880.doc 13 200915732 加以說明。 <信號放大之情形> 5之動作説明圖 省略與信號放 首先’就信號放大之情形，利關4、圖 及圖6之時間圖予以說W圖4、圖5中， 大之動作無關之開關。 •抽樣相 準Γ下6中，在時細，控制信號咖成為高位 4 Η，，位準），_請1成為通電狀態時，輸入 信號I被輪入至輸入電容C1之一端側而將在運二 OP之假想接地點(反轉輸入端)之電壓與輸入信號Vin之差 刀之電壓儲存（抽樣保持）於輸人電容C1作為電荷。 此時，控制信號Φί、、¥〇爪同時成為 位準，故如圖4所示’開關SW3、SW6、SW7、SW9也成為 通電狀態。由於開關SW6、SW9成為通電狀態，反饋電容 之兩鈿之電位均成為共通信號Ve〇m ， 反饋電容以電荷被初始化為零。 储存於 在時刻112，控制信號φ3成為低位準（以下記述為"L"位 準），在時刻tl3，控制信號®bc〇m成為，，L"位準，開關 SW6、S W7成為斷電狀態時，負反饋會經由反饋電容匚2施 加至運算放大器0P，故運算放大器〇p之反轉輸入端之電 位成為共通彳§ ·5虎Vc〇ni之電壓。 •轉送相 其後’在時刻tl4，控制信號饥成為”H”位準，接著，在 時刻U5 ’控制信號φίηι成為"L"位準，代之，在時刻116， 128S80.doc -14- 200915732 控制仏號Φίη2成為"η”位準時，如圖$所示，開關SW2、 S W5成為通電狀態，開關s w丨成為斷電狀態。 開關SW2成為通電狀態，基準信號Vref;^供應至輸入電 容ci之一端側時，儲存於輸入電容以之電荷經由開關sw3 被轉送至反饋電容C2。而，最後，在運算放大器〇p之輸 出端會顯現以電容Cl、C2之電容比C1/C2、輸入電壓差與 共通信號Vcom之電壓表示之（C1/C2) · (vin_Vref) + Vc〇mi 電壓。 如此’輸入信號Vin會被電容以' C2之電容比C1/C2信 號放大。而，產生運算放大器〇p之輸出電壓即 (C1/C2) · (Vin-Vref)+Vcom2電壓之電荷會被儲存於反饋 電容C2。 又，在此，在信號輸入中，雖藉開關SW1、SW2之切換 而依序輸入輸入信號Vin與基準信號Vref，但也可不藉開 關SW1、SW2之切換而依序輸入隨時間而變化之信號，具 體上依序輸入前述之P相信號（重設位準）與D相信號（信號 位準）。 13… <施行積分運算之情形> 重複執行希望次數之上述信號放大用之積分動作之積分 運算時:可進—步將信號放大。利用圖7之時間圖說明此 積分運算之動作。在此’將希望次數，即積分次數設定為 N次而進行說明。此積分次數N由設計者任意決定。 在圖7之時間圖中，時刻t21，當於在圖6之時間圖之 時刻⑴〜⑴。# ’執行產生上述抽樣相及轉送相之各動作 128880.doc 15 200915732 之信號放大後之電壓，即（cl/C2).(Vin_Vref)+Vc〇m之電 壓之電荷會被儲存於反饋電容C2。 在時刻t27，控制信號⑽成為"L ”位準，開關咖成為斷 電狀態時，反饋電容C2之他端側成為高阻抗狀態。 其次，在時刻t28,控制信號职心成為"l"=準，開關 SW2成為斷電狀態後，在時刻m ’控制信號如成為"η"位 準’ 關SW7成為通電狀態而將運算放大器〇p之反轉輸入 端與輸出端短路，同時，控制信號_成為"h”位準開 關s W1成為通電狀態而取入輸入信號Vin。將運算放大器 op之反轉輸人端與輸出端短路時，決定於此短路電壓與輸 入信號Vin之電壓之電荷會被儲存於輸入電容ci。 其後，依序在時刻t30，控制信號如成為"L"位準，在時 刻t3i，控制信號Φίη1成為"L"位準，開關請？、_依序 成為斷電狀態，接著，在時刻t32，控制信號奶、畅瑪 成為"H”位準’開關SW5、_均成為通電狀態，藉前述 之轉送相之動作而儲存於輸人電容C1之電荷會被轉送至反 饋電容C2。 於是’本次被轉送至反饋電容以電荷會與前次被轉送 至反饋電容a之電荷合成，故運算放大器〇p之輪出電壓 成為2(C1/C2) · (Vin_Vref)+VeGm。重複此種積分運算動作 N人時，最後，可由運算放大器〇p輸出電壓n(ci,/c2).⑺^ Vref)十Vcom之電愿。 在N_人之積分運算結束時，由於控制信號成為"l"位 準，開關SW5成為斷電狀態，控制信號奶⑶爪成為，η”位 128880.doc 200915732 準’開關SW6成為通電狀態’故運算放大器〇p之反轉輸入 端之電壓成為N(C1/C2) · (Vin-Vref)+VCom之電壓。 如此，為容易瞭解起見，假設C1=C2時，藉由重複執行 以電谷比C1/C2信號放大輸入信號Vin之積分運算之動作N 次，即可將輸入信號Vin放大成N倍。 - 在此，在著眼於由像素2〇經由垂直信號線}丨丨輸入至行 電路13之隨機雜訊之類比/數位轉換電路3〇中，由於以輸 入電容c 1抽樣保持被輸入之隨機雜訊VinN共N次而在反饋 電容C2將其相加，故雜訊之分散成為N倍，由類比/數位轉 換電路30輸出之VoutN約為# · vinN。因此，即使輸入信 號Vin被放大成]^倍，隨機雜訊也只有約為#倍，故可獲 得S/N良好之像素信號。 <類比/數位轉換之情形> 其次，利用圖8、圖9之動作說明圖及圖1〇之時間圖，說 明有關類比/數位轉換之情形。在圖9中，省略與類比/數位 轉換之動作無關之開關SW1〜SW3、SW5、SW7、SW9及輸 ϋ 入電容C1。 在圖1〇之時間圖中，在控制信號成為"L"位準，開關 SW5成為斷電狀態之時刻，由前述之電容比C1/C2之信 號放大動作轉移至類比/數位轉換動作，使運算放大器〇p • 執行作為比較器之動作。 、下為令易瞭解起見，列舉運算放大器〇p之反轉輸 入端之電壓為（Cl/C2) · (Vin_Vref)+Vc〇m之電壓之情形為 例加以說明。 128880.doc -17- 200915732 •比較相 信號放大後，在時刻t41，開關SW5成為斷電，接著， 在時刻t42，控制信號〇i成為"L"位準時，開關SW3成為斷 電狀態。其後，在時刻t43，控制信號(j)bcom、Φειηρ成為 "Η"位準，開關SW6、SW10成為通電狀態。 開關S W6成為通電狀態時，共通信號Vcom之電壓被供 應至反饋電容C2之輸出側（他端側）。此時，反饋電容（^之 輸出側之電壓Vcom也可異於初始化時之電壓。此電壓 ( Vc〇m被調整為比較器（運算放大器OP)之動作電壓。 又，開關SW10成為通電狀態時，比較基準電壓vcmp被 供應至運算放大器OP之非反轉輸入端。藉此，使運算放大 器OP執行作為比較器之動作，將電壓（cl/C2).(Vin-Vref) 與比較基準電壓Vcmp作比較。 在此比較動作中’（C1/C2) · (Vin-Vref)>VCmP時，中止 信號放大用之積分運算之動作，（cl/C2).(vin_Vref)SVcmp 時，回到抽樣相而再一次施行積分運算之動作（適應積分 I ^ 動作）。 •類比/數位轉換相 其後，在時刻t44，控制信號成為”H”位準，開關 SW8成為通電狀態時，斜坡波形之參考電壓Vsw被供應至 運算放大器OP之非反轉輸入端。此參考電壓Vs^係類比/ 數位轉換所需之以時間上某一定傾度變化之電壓。 而，利用以此參考電壓Vsw為比較基準電壓，比較參考 電壓Vsw與輪入電壓（C1/C2) · (vin_Vref)之比較器（運算放 128880.doc -18- 200915732 大器OP)、及如圖9所示連接於比較器之輸出側之計數器 42，構成本實施型態之類比/數位轉換電路3〇，即積分型 類比/數位轉換電路。 在此積为型類比/數位轉換電路3〇中，計數器42係與特 定週期之時脈ck同步地施行計數動作，並在參考電壓Vsw 供應至運算放大器OP之非反轉輸入端之時間（時刻Μ4)開 始计數動作。而，計數器42係響應輸入電壓（C1/C2) · (vin·
Vref)超過參考電壓Vsw時之運算放大器〇p之輸出（比較輸 C 5 出）而停止計數動作。 即，執行作為比較器之動作之運算放大器〇p將輸入電 虔（C1/C2) · (Vin_Vref)與斜坡波形之參考電壓Vsw作比較 而達成將輸入電壓（C1/C2) · (Vin_Vref)轉換成時間軸方向 之資訊之作用。 而，計數器42係在運算放大器〇p之比較動作之開始時 刻至結束時刻之期間争，與時脈CK同步地施行計數動 作，而達成將時間軸方向之資訊轉換成計數值（數位值）之 ’ 作用。其結果，將輸入電壓（Cl/C2).(Vin-Vref)轉換成數 位值。 <積分運算後施行類比/數位轉換之情形> 圖11絲示藉冑分運算之動似大信號後施行類比/數 位轉換之情形之時間關係。 圖11之時間圖之時刻t28〜t32對應於圖7之時間圖之時刻 圖11之時間圖之時刻t4丨〜t44對應於圖丨〇之時間 圖之時刻t41〜t44。 128880.doc -19- 200915732 即，在積分期間 分運算之動作相同 行與依據圖10之時 之動作。 中’施行與依據圖7之時間圖之前述積 之動作，在類比/數位轉換期間中，施 間圖之前述類比/數位轉換之動作相同 又在上述電路動作之說明中，首先施行依據電容比 C1/C2之信號放大’或依據積分運算之信號放大，但也可 在施行依據電*比Cl/C2之信號放大，或依據積分運算之 L號放大之刖’使電路執行作為比較器之動作而判斷輸入 ^號Vin之大* ’以對應於輸人信號*之大小之放大率施 行信號放大。 具體s之，判斷輸入信號vin之大小，輸入信號yin在特 定臨限值以上之情形，以相對較低之放大率放大，輸入信 號Vin小於特定臨限值之情形，以相對較大之放大率放大 時，即可施行對應於輸入信號vin之大小之適切之信號放 大0 信號放大之放大率決定於電容比C1 /C2。因此，依照輸 入信號Vin之大小改變電容ci、C2之至少一方之電容值 時’即可設定對應於輸入信號Vin之大小之放大率。 (本實施型態之作用效果） 如以上所說明，除了積分型類比/數位轉換之動作所需 之運算放大器OP、反饋電容C2及開關SW6、SW8(參照圖 9)以外，至少包含輸入電容C1及開關SW3〜SW4、SW7、 SW9、SW10，採用在適當之時間關/開控制此等開關 SW3〜SW4、SW7、SW9、SW10之構成時，可在放大輸入 128880.doc -20- 200915732 信號Vin後施行類比/數位轉換，故可實現具有信號放大功 能之類比/數位轉換電路3〇。 如此，使用類比/數位轉換電物之電路構成元件’在 不同之時間使其執行信號放大之動作時，可使電路構成元 件共通使用於類比/數位轉換與信號放大，故與㈣分型 類比/數位轉換電路單純地組合信號放大電路之情形相 比可削減類比/數位轉換電路所佔之面積。 又，若輸入信號Vin為小振幅時，可藉積分運算之效 果，以輸入換算減低有關輸入信號％之雜訊，故可獲得 S/N良好之積分型類比/數位轉換電路。 另外，輸入信號Vin為小振幅之情形，可藉信號放大功 此放大輸入信號Vin，故可粗化參考電麼^之時間的傾 度’其結果，可達成類比/數位轉換之高速化與低耗電力 化。不粗化參考電塵Vsw之時間的傾度之情形，可 運昇之效果’謀求小振幅時之分解能力之提高。 又’在上述實施型態中’雖列舉將類比/數位轉換電路 =二於行電路13内之情形為例加以說明，但也同樣適用 於配置於輸出電路15或其後段之情形。 但味使用作為配置於行電路13内之類比/數位轉換電路 之月形，例如在各像素行配置行電路丨3之情形，可在各 像素仃削減類比/數位轉換電路所佔之面積，故可大幅 減仃電路部全體所佔之面積，故其效果極大。 又，本實施型態之類比/數位轉換電路3〇並不限定岗 於以物理量檢知對應於可見光光量之信號電荷之單位：素 128880.doc -21 - 200915732 配置成矩陣狀所構成之CMOS影像感測器10等之固體攝像 裝置，也可使用作為具有信號放大功能之一般的積分型類 比/數位轉換電路。 但’藉由適用於CMOS影像感測器10等之固體攝像襞 置，可獲得如以下之作用效果。即，適用於固體攝像裝置 之情形，可依各像素改變放大率而施行類比/數位轉換。 此情形，可將圖3之共通電壓Vcom切換成比較基準電壓 Vcmp而作為比較之臨限值。
在固體攝像裝置中，小振幅之像素信號（輸入信號）成為 低照度時之信號。因此，由前述之作用效果之說明可知： 在低照度區域中，可減低像素信號之雜訊，並可謀求類比/ 數位轉換之高速化與低耗電力化或分解能力之提高。 又’大振幅之像素信號成為高照度時之信號。此高照度 區域為短雜訊具有支配性之區域’不需要高的分解能力。 因此，在高照度時’粗化分解能力時，可達成類比/數位 轉換動作之高速化。 [變形例] 本發明並不限於適用於檢知可見光之入射光量之分佈而 t圖像攝像之㈣攝像裝置’也可適用於以圖像攝像紅外 線或粒子等之入射量之分佈之固體攝像裝置、及作 意義而檢知㈣及靜電電容等其他物理量之分佈 象之指紋檢測感測器等之固體攝像裝置（物理 量为佈檢知裝置）之全般。 又’固體攝像裝置既可為形成作為單晶片之型態，也可 128880.doc •22· 200915732 為將攝像部、與信號處理部或光學系統匯總而封裝之 攝像功能之模組狀之型態。 〃 又，本發明不㈣於對固體攝像裝置之適用，也可適用 於攝像裝置。在此，所謂攝像裝置，係指數位靜物攝影機 及攝錄影機等攝影機系統、及行動電話等具有攝像功能之 電子機器。又，也有以裝載於電子機器之上述模組狀之型 態，即以攝影機模組作為攝像裝置之情形。 [攝像裝置] 圖12係表示本發明之攝像裝置之構成之一例之區塊圖。 如圖12所示，本發明之攝像裝置50具有含透鏡群51之光學 系統、固體攝像裝置52、攝影機信號處理電路之DSP電路 53、巾貞記憶體54、顯示|置55、記錄裝置％、操作系統η &電«統58等’呈現DSP電路53、中貞記憶體M、顯示裝 置55、記錄裝置56、操作系統57及電源系統μ經由匯流排 線59相互連接之構成。 透鏡群5 1係取入來自被照體之入射光（像光）而成像於固 體攝像裝置52之攝像面上。固體攝像裝置52係將藉透鏡群 51而成像於攝像面上之入射光之光量以像素單位轉換成電 氣k號而輸出作為像素信號。作為此固體攝像裝置5 2，使 用前述之實施型態之CMOS影像感測器1 〇。 顯示裝置55係由液晶顯示裝置及有機eL (eiectro luminescence ;電致發光）顯示裝置等之面板型顯示裝置所 構成，可顯示固體攝像裝置52所攝像之動晝或靜止畫。記 錄裝置56係將固體攝像裝置52所攝像之動畫或靜止晝記錄 128880.doc -23- 200915732 於錄影帶及DVD (DigitaI Versatile Disc ;數位多用途光碟） 等記錄媒體。 操作系統57係在使用者之操作下，就本攝像裝置具有之 各種功能發出操作指令。電源系統58係將作為體電路 53、幅記憶體54、_示裝置55、記錄裝置％及操作系統π 之動作電源之各種電源適宜地供應至供應對象。 如上所述，在數位靜物攝影機及攝錄影機 '以及行動電 話等適合移動機器之攝影機模組等之攝像裝置中，使用前 述^實施型態之CMOS影像感測器1〇作為其固體攝像裝置 52時’在該CMOS影像感測㈣中，可削減具有類比/數位 轉換電路之;f了電路所佔之面積’故可有助於攝像裝置之小 型化。 【圖式簡單說明】 圖1係表示適用本發明之CM〇s影像感測器之構成例之系 統構成圖。
圖2係表示單位像素之電路構成之一例之電路圖。 圖3係表示本發明之一實施型態之類比/數位轉換電路之 電路構成之電路圖。 圖4係有關類比/數位轉換電路之信號放大之情形之動作 說明圖（其一）。 圖5係有關類比/數位轉換電路之信號放大之情形之動作 說明圖（其二）。 圖6係有關類比/數位轉換電路之信號放大之情形之供動 作說明用之時間圖。 128880.doc •24- 200915732 圖7係有關類比/數位轉換電路之積分運算之供動作說明 用之時間圖。 圖8係有關類峨位轉換電路之類崎位轉換之情形之 動作說明圖（其一）。 圖9係有關類比/數位轉換電路之類比/數位轉換之情形之 動作說明圖（其二）。 比/數位轉換之情形 圖1 〇係有關類比/數位轉換電路之類 之供動作說明用之時間圖。
圖11係表示藉積分運算之動作放 位轉換之情形之時間關係之時間圖。 大信號後施行類比/數 圖12係表示本發明之攝像裝置之構成之一例【主要元件符號說明】 之區塊圖
10 CMOS影像感測器 11 像素陣列部 12 垂直掃描電路 13 行電路 14 水平掃描電路 15 輸出電路 20 單位像素 21 光電二極體 22 轉送電晶體 23 重設電晶體 24 放大電晶體 25 選擇電晶體 128880.doc •25- 200915732 26 浮動擴散部（FD部） 30 類比/數位轉換電路 41 參考電壓產生源 42 計數器 Cl 輸入電容 C2 反饋電容 OP 運算放大器 SW1-SW10 開關
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Claims (1)
- 200915732 十、申請專利範固： i -種類比/數位轉換電路，其特徵在於包含： 輸入電容，其係一端被依序供應輸入信號與 號； ” 運算放大器； ★第1開關，其係連接於前述輸入電容之他端與前述運 算放大器之第!輸入端之間，在信號放大動作之 通電狀態； ' &饋電容’其係—端連接於前述運算放大器之第W 入端； 饰 a第2開關’其係連接於前述反饋電容之他端與前述運 算放大器之輪出端之間，將儲存於前述輸入電容之電荷 轉送至前述反饋電容時成為通電狀態； ° 第3開關’其係在前述輸入信號被供應至前述輪入電 容之-端時或類比/數位轉換動作之時，將㈣電壓選擇 性地供應至前述反饋電容之他端側； 帛4開關，其係在前述輸入信號被供應至前述輸入電 容之-端時’選擇性地使前述運算放大器之第！輸入端 與輸出端之間短路； 第L開關’其係在前述輸入信號及前述基準信號被供 應至前述輸人電容之-端時，將前述特定電麼供應至前 述運鼻放大器之第2輸入端；及 地第6開關，其係在類比/數位轉換動作之時成為通電狀 態，而將傾斜狀之參考電壓供應至前述運算放大器之第 128880.doc 200915732 2輸入端。 2. -種類比/數位轉換電路之控制方法，其特徵在於： 該類比/數位轉換電路之特徵係包含： 輸入電容； 運算放大器； 第1開關，其係連接於前述輸入電容之他端與前述 運算放大器之第1輸入端之間； 反饋電容，其係一端連接於前述運算放大器之第i 輸入端； 第2開關，其係連接於前述反饋電容之他端與前述 運算放大器之輸出端之間； 第3開關，其係將特定電壓選擇性地供應至前述反 饋電容之他端側； 第4開關’其係連接於前述運算放大器之第1輸入端 與輸出端之間； 第5開關’其係在前述輸入信號被供應至前述輸入 電容之一端時，將前述特定電壓供應至前述運算放大器 之第2輸入端；及 第6開關’其係將傾斜狀之參考電壓供應至前述運 算放大器之第2輸入端； 其中該類比/數位轉換電路之控制方法係： 首先，使前述第1開關、前述第3開關、前述第4開 關及前述第5開關成為通電狀態而將輸入信號抽樣保持 於前述輸入電容； 128880.doc 200915732 接著’使岫述第2開關成為通電狀態，使前述第3開 關及前述第4開關成為斷電狀態而將基準信號供應至前 述輸入電容之一端，以將前述輸入電容之儲存電荷轉送 至前述反饋電容，藉此施行信號放大動作； 在前述信號放大動作後，使前述第〗開關、前述第2 開關刖述第4開關成為斷電狀態，使前述第3開關及前 述第㈣成為通電狀態而經由該第5開關，將傾斜狀之 參考電麼供應至前述運算放大器之第2輸入端，藉此施 行類比/數位轉換動作。 3，如請求項2之類比/數位轉換電路之控制方法，其中 重複執行前述信號放大動作特定次數。 4.如請求項3之類比/數位轉換電路之控制方法，其中 在前述信號放大動作後，將前述運算放大器之第】輸 入端之電壓與基準㈣比較，若前述第i輸入端之電磨 大於前述基準電壓’則轉移至前述類比/數位轉換動作， 若前述第！輸入端之電壓為前述基準電壓以下，則重複 前述信號放大動作。 5·如請求項2之類比/數位轉換電路之控制方法，其中 在前述信號放大動作之前，虫丨中&丄α F心則，判疋則述輸入信號之大 小，依照該輸入信號之大小，囍山估& 精由使别述輸入電容與前 述反饋電容具有比率，或、 X精由重複施行對前述反饋電容 之電荷轉送’或藉由此等2種之細人 + . ^ 寸‘喱之組合，來設定前述信號 放大動作時之放大率。 ' 6. 一種固體攝像裝置，其特徵在於包含 128880.doc 200915732 成像及素陣列部，其係配置含光電轉換元件之單位像素而 二員比/數位轉換電路，其係將由前述像素陣列部之各像 素輸出之像素信號轉換成數位信號，· 前述類比/數位轉換電路係包含： 輪入電谷’其係一端被依岸批庙二 準信號； 知破依序供“述像素信號與基 運算放大器； =關，其係連接於前述輸八電容之他端與前述 大器之第1輸入端之間，在信號放大動作之時成 為通電狀態； 7 #之日予成 輸入=電容，其係一端連接於前述運算放大器之第！ =開關’其係連接於前述反饋電容之他端與前述 :算放大：之輸出端之間’將儲存於前述輸入電容之電 何轉送至珂述反饋電容時成為通電狀態； 第3開關，其係在前述像素信號被供應至 電谷之—端時或類比/數位轉換動作之時，將特定電壓選 擇性地供應至前述反饋電容之他端側； 第4開關’其係在前述像素信號被供應至前述輸入 電容之-端時，選擇性地使前述運算放大器之^輸入 端與輸出端之間短路； 第5開關’其係在前述像素信號及前述基準作號被 供應至前述輸人電容之-端時，將前述特^電麼供應至 128880.doc 200915732 前述運算放大器之第2輸入端；及 第6開關，其係在類比/數位轉換動作之時成為通電 狀態’將傾斜狀之參考„供應至前述運算放大器之第 2輸入端。 7. 如請求項6之固體攝像裝置，其中 月ύ述類比/數位轉換電路設於前述像素陣列部之像素排 列之各行或各複數行。 8. 如請求項6之固體攝像裝置，其中 則述像素信號係對應於被前述光電轉換元件光電轉換 之電荷之信號位準； 月ύ述基準彳5號係前述單位像素被重設時之重設位準。 9. 一種攝像裝置，其特徵在於包含·· 固體攝像裝置，其係包含：像素陣列部，其係配置含 光電轉換7C件之單位像素而成；及類比/數位轉換電路， 其係將由前述像素陣列部之各像素輸出之像素信號轉換 成數位信號；及 光學系統 面上成像； 其係使入射光在前述固體攝像裝置之攝像 月！）述類比/數位轉換電路係包含： 前述像素信號與基 輸入電容，其係一端被依序供應 準信號； 心丹欲人 與前述 之時成 第1開關，其係連接於前述輸入電容之 運算放大器之第1輸入端之間，在信號放大 128880.doc 200915732 為通電狀態； 反饋電容，a從 _ ± /、係端連接於前述運算放大器之第1 輸入端； 第2開。關’其係連接於前述反饋電容之他端與前述 .放大器之輪出端之間，將儲存於前述輸入電容之電 荷轉：至前述反饋電容時成為通電狀態； 第3開關，其係在前述像素信號被供應至前述輸入 電容之-端時或類比/數位轉換動作之時，將料電壓選 擇性地供應至前述反饋電容之他端側； 、第4開關’其係在前述像素信號被供應至前述輸入 電谷之一端時，選擇性地使前述運算放大器之第丨輸入 端與輸出端之間短路； 第5開關，其係在前述像素信號及前述基準信號被 供應至前述輸入電容之一端時，將前述特定電壓供應至 前述運算放大器之第2輸入端；及 第6開關，其係在類比/數位轉換動作之時成為通電 狀態’將傾斜狀之參考電壓供應至前述運算放大器之第 2輸入端。 128880.doc
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