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JP2011205393A - Solid-state imaging apparatus, and method of driving the same - Google Patents

Solid-state imaging apparatus, and method of driving the same Download PDF

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JP2011205393A JP2010070530A JP2010070530A JP2011205393A JP 2011205393 A JP2011205393 A JP 2011205393A JP 2010070530 A JP2010070530 A JP 2010070530A JP 2010070530 A JP2010070530 A JP 2010070530A JP 2011205393 A JP2011205393 A JP 2011205393A
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transistor
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Masayuki Uno
正幸 宇野
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RINIASERU DESIGN KK
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RINIASERU DESIGN KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that the power consumption of a drive circuit of an inputted counter data signal increases when a clock frequency is raised in a latch circuit with an SRAM structure or a DRAM structure, in a column-parallel AD conversion circuit constituted of a comparator and a latch circuit that takes a counter value therein.SOLUTION: An imaging apparatus has a latch circuit structure in which differential input transistors M11a and M21a to which differential data signals D1 and D1x are given and switching transistors M31a and M41a controlled by an output of a comparator are provided in series to each inverter of a latch circuit configured by two pairs of CMOS inverters with positive feedback constitution. In addition, a data signal amplitude is reduced.

Description

本発明は固体撮像装置に関するものであり、特に列並列アナログ・デジタル変換回路(列並列AD変換回路)を有するCMOSイメージセンサの消費電力を低減することを可能とする固体撮像装置およびその駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state image pickup device, and more particularly to a solid-state image pickup device capable of reducing power consumption of a CMOS image sensor having a column parallel analog-digital conversion circuit (column parallel AD conversion circuit) and a driving method thereof. .

1次元状に画素が配列されたラインセンサや2次元に配列された2次元エリアセンサとして、CMOSイメージセンサが知られている。このCMOSイメージセンサは周辺回路を同一チップ上に形成することが可能であり、列毎にAD変換回路を設けて行単位で並列にAD変換を可能とする列並列AD変換回路を有するCMOSイメージセンサが実現されている。   A CMOS image sensor is known as a line sensor in which pixels are arranged in a one-dimensional manner or a two-dimensional area sensor in which pixels are arranged in a two-dimensional manner. In this CMOS image sensor, a peripheral circuit can be formed on the same chip, and a CMOS image sensor having a column parallel AD conversion circuit that is provided with an AD conversion circuit for each column and enables AD conversion in parallel in units of rows. Is realized.

代表的な列並列AD変換回路として、比較器で画素信号とカウンタ値に連動した参照信号とを比較して、比較器出力が反転したときのカウンタ値を複数ビットのラッチ回路で取り込み、そのラッチ回路に保持されたデータをデジタル信号とするシングルスロープ型AD変換方式が開発されている。さらにその方式の応用として、AD変換動作を画素がリセットされたリセット信号と、フォトダイオード信号が蓄積された積分信号との2回行い、2つのデジタル信号の差分をとる、デジタル2重サンプリングAD変換方式も実現されている。   As a typical column parallel AD conversion circuit, a comparator compares a pixel signal with a reference signal linked to a counter value, and takes in a counter value when the comparator output is inverted by a multi-bit latch circuit, and latches it. A single slope AD conversion method has been developed in which data held in a circuit is a digital signal. In addition, as an application of the method, the AD conversion operation is performed twice for the reset signal in which the pixel is reset and the integration signal in which the photodiode signal is accumulated, and the difference between the two digital signals is obtained. A method has also been realized.

このようなAD変換回路に用いられるラッチ回路として図11(a)に示すSRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)構成のラッチ回路や、下記非特許文献1に示された、図11(b)のDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)構成のラッチ回路が知られている。   As a latch circuit used in such an AD converter circuit, an SRAM (static random access memory) configuration latch circuit shown in FIG. 11A or a non-patent document 1 shown in FIG. A latch circuit having a DRAM (dynamic random access memory) configuration is known.

これらの図11(a)および(b)の回路は比較器が接続するタイミング制御端子Cinがオン信号のときにスイッチトランジスタM51,M52あるいはM61がオン状態となり、データ入力端子DおよびDxより与えられるデータ信号にラッチ回路の状態が書き換えられ、タイミング制御端子Cinがオン信号からオフ信号に反転したときの状態が保持される。なお、ここでデータ入力端子Dxはデータ入力端子Dの反転信号を表している。   In the circuits of FIGS. 11A and 11B, when the timing control terminal Cin connected to the comparator is an ON signal, the switch transistors M51, M52 or M61 are turned on, and are supplied from the data input terminals D and Dx. The state of the latch circuit is rewritten to the data signal, and the state when the timing control terminal Cin is inverted from the on signal to the off signal is maintained. Here, the data input terminal Dx represents an inverted signal of the data input terminal D.

図11(b)におけるゲートに制御信号Selが与えられたトランジスタM63は保持したデータを読み出すときに選択され、データ入力線が接続されるデータ入力端子Dよりデータの出力も可能としている。図11(a)の構成もデータ入力端子DおよびDxより出力が可能である。
しかしながら、同じデータ信号線を書き込みと読み出しで共用する場合は、AD変換と同時にデータ読み出しはできないため、ラッチ回路を2組設けて書き込み(AD変換)と読み出しを交互に行う必要がある。また、ラッチ回路と読み出し用回路を別に設けて、データ入力信号線とデータ出力信号線を別々とする構成も知られている。
The transistor M63 to which the control signal Sel is applied to the gate in FIG. 11B is selected when the held data is read, and data can be output from the data input terminal D to which the data input line is connected. The configuration of FIG. 11A can also be output from the data input terminals D and Dx.
However, when the same data signal line is shared for writing and reading, data reading cannot be performed simultaneously with AD conversion. Therefore, it is necessary to provide two sets of latch circuits and perform writing (AD conversion) and reading alternately. There is also known a configuration in which a latch circuit and a read circuit are provided separately, and data input signal lines and data output signal lines are separated.

ラッチ回路のタイミング制御端子Cinに接続される比較器出力は、オン信号からオフ信号に反転するステップ状の信号となるが、特許文献1に示す構成では、D型フリップフロップを組み合わせて構成されたクロック同期回路にて、ステップ状の比較器出力波形からパルス状の出力波形に変換してラッチ回路に与えている。この構成では、ラッチ回路のタイミング制御端子Cinがオン信号となる時間を短くすることができる。   The comparator output connected to the timing control terminal Cin of the latch circuit is a step-like signal that is inverted from the on signal to the off signal. However, in the configuration shown in Patent Document 1, the D-type flip-flop is combined. The clock synchronous circuit converts the stepped comparator output waveform into a pulsed output waveform and applies it to the latch circuit. With this configuration, it is possible to shorten the time during which the timing control terminal Cin of the latch circuit is turned on.

特開2000―349638JP 2000-349638

K. Findlater, R. Henderson, D. Baxter, J. E. D. Hurwitz, L. Grant, Y. Cazaux, F. Roy, D. Herault, and Y. Marcellier, "SXGA Pinned photodiode CMOS image sensor in 0.35μm technology," IEEE International Solid-State Circuits Conference, vol. XLVI, pp. 218 - 219, February 2003.K. Findlater, R. Henderson, D. Baxter, JED Hurwitz, L. Grant, Y. Cazaux, F. Roy, D. Herault, and Y. Marcellier, "SXGA Pinned photodiode CMOS image sensor in 0.35μm technology," IEEE International Solid-State Circuits Conference, vol. XLVI, pp. 218-219, February 2003.

シングルスロープ型AD変換方式やデジタル2重サンプリングAD変換方式では、ビット数を増やすにはカウンタのカウント値も大きくしなければならず、同じ時間でAD変換を行うためにはクロック周波数を高くする必要がある。さらに、画素アレイ数が大きくなると1行あたりのAD変換時間を短くする必要があるため、さらに高いクロック周波数が必要となる。   In the single slope AD conversion method and the digital double sampling AD conversion method, the count value of the counter must be increased to increase the number of bits, and the clock frequency must be increased to perform AD conversion in the same time. There is. Furthermore, since the AD conversion time per row needs to be shortened as the number of pixel arrays increases, a higher clock frequency is required.

カウンタ回路のクロック周波数が高くなると、このカウンタ値を、列毎に設けられたラッチ回路に入力データ信号を与えるために必要な駆動回路の消費電力が大きくなるという問題が発生する。特に、画素数が多くなると列数増大にともなって駆動しなければならない寄生容量が大きくなるため駆動回路の消費電力が非常に大きくなる。   When the clock frequency of the counter circuit is increased, there arises a problem that the power consumption of the driving circuit required for supplying the counter value with the input data signal to the latch circuit provided for each column increases. In particular, as the number of pixels increases, the parasitic capacitance that must be driven increases as the number of columns increases, so that the power consumption of the drive circuit becomes very large.

図11(a)および(b)のラッチ回路はともに、タイミング制御端子Cinがオン信号のときはスイッチトランジスタM51,M52またはM61がオン状態となるため、データ入力端子DおよびDxの入力容量が大きくなる。   In both of the latch circuits of FIGS. 11A and 11B, the switch transistors M51, M52, or M61 are turned on when the timing control terminal Cin is on, so that the input capacitances of the data input terminals D and Dx are large. Become.

図11(a)の入力容量はCMOSインバータの入出力端子がデータ入力端子に接続されるため入力容量が大きいとともに、データ入力が反転するたびに、CMOSインバータの貫通電流も流れるため、消費電力が大きくなる。   The input capacity of FIG. 11A is large because the input / output terminal of the CMOS inverter is connected to the data input terminal, and the through current of the CMOS inverter also flows whenever the data input is inverted. growing.

図11(b)のダイナミック型ではスイッチトランジスタM61のチャージインジェクションの影響を低く抑えるために寄生容量Cpをある程度以上大きくしなければならず入力容量が大きくなるため消費電力が大きくなる。   In the dynamic type of FIG. 11B, the parasitic capacitance Cp must be increased to some extent in order to suppress the influence of the charge injection of the switch transistor M61, and the power consumption increases because the input capacitance increases.

このように、図11(a)および(b)のラッチ回路はタイミング制御端子Cinがオン信号のときにデータ入力端子の入力容量が大きく、データ信号駆動回路の消費電力が増大するという課題がある。さらに、タイミング制御端子Cinがオン信号とオフ信号のときではデータ入力端子の入力容量が大きく変わるため、同一データ線上の設けられたラッチ回路のタイミング制御端子Cinの状態によりデータ信号線の配線遅延時間が変わるという課題も有している。   As described above, the latch circuits of FIGS. 11A and 11B have a problem that the input capacity of the data input terminal is large when the timing control terminal Cin is an ON signal, and the power consumption of the data signal driving circuit increases. . In addition, when the timing control terminal Cin is an ON signal and an OFF signal, the input capacitance of the data input terminal changes greatly. Therefore, the wiring delay time of the data signal line depends on the state of the timing control terminal Cin of the latch circuit provided on the same data line. Has the problem of changing.

このデータ信号線の配線遅延時間が変わるという問題は、デジタル2重サンプリングAD変換方式のように、画素のリセット信号と積分信号との2回のAD変換により差分を行う方式の場合に、配線遅延時間の変動が差分されたデジタル信号に誤差が残留するという問題を生じさせる。   This problem of changing the wiring delay time of the data signal line is caused by the wiring delay in the case of a method in which a difference is obtained by two AD conversions of a pixel reset signal and an integration signal, such as a digital double sampling AD conversion method. There arises a problem that an error remains in a digital signal in which time fluctuations are differentiated.

デジタル2重サンプリングAD変換方式では、列回路のオフセット電圧ばらつきとともに、比較器の遅延時間ばらつきや参照信号の配線遅延およびカウンタデータ信号の配線遅延も差分により補正されるため、高速なクロックを使用可能としている。しかしながら、データ信号線の配線遅延時間が変わると、クロックの高速化が困難となる。   In the digital double sampling AD conversion method, not only the offset voltage variation of the column circuit, but also the delay time variation of the comparator, the wiring delay of the reference signal and the wiring delay of the counter data signal are corrected by the difference, so a high-speed clock can be used. It is said. However, if the wiring delay time of the data signal line is changed, it is difficult to increase the clock speed.

また、特許文献1に示されているような、ステップ状の比較器出力をパルス状に変換してタイミング制御端子Cinに入力すれば、ラッチ回路の書き込み状態の時間を短くできるため、入力容量が増大する時間を短縮できるとともに、配線遅延時間の変動も小さくできる。しかしながら、クロック周波数が高くなるとパルス波形を生成する回路の消費電力が高くなるとともに、精度よくパルス波形を生成することが困難となるため、高速なクロック周波数では比較器出力はステップ波形としなければならない。   Also, as shown in Patent Document 1, if the stepped comparator output is converted into a pulse shape and input to the timing control terminal Cin, the write state time of the latch circuit can be shortened. The increase time can be shortened and the fluctuation of the wiring delay time can be reduced. However, the higher the clock frequency, the higher the power consumption of the circuit that generates the pulse waveform and the more difficult it is to generate the pulse waveform with high accuracy. Therefore, the comparator output must be a step waveform at a high clock frequency. .

このようにカウンタのクロック周波数が高くなると、比較器出力をステップ波形としなければならず、タイミング制御端子Cinがオン状態のラッチ回路はデータ入力端子の入力容量増大により駆動回路の消費電流増大が問題となる。また、タイミング制御端子Cinがオン状態とオフ状態でラッチ回路の入力容量が変わり、データ信号線の配線遅延時間が変わるため、高速なクロック周波数の適用が困難となる。   When the clock frequency of the counter becomes high in this way, the comparator output must have a step waveform, and the latch circuit with the timing control terminal Cin turned on has a problem of increased current consumption of the drive circuit due to an increase in the input capacity of the data input terminal. It becomes. In addition, the input capacitance of the latch circuit changes depending on whether the timing control terminal Cin is on or off, and the wiring delay time of the data signal line changes, making it difficult to apply a high-speed clock frequency.

上記課題を解決するために本発明においては、行列状の画素アレイを有し、その画素アレイの信号を行単位で読み出し、画素の読み出し信号電圧とカウンタ値に連動して電圧が単調に増減する参照電圧とを比較する比較器と、前記比較器が反転するタイミングにおけるカウンタ値を取り込み保持するための複数ビットのラッチ回路とで構成されるAD変換回路が列毎に設けられた固体撮像装置において、前記1ビットあたりのラッチ回路が、前記比較器出力が接続するタイミング制御端子と、前記カウンタ値のいずれか1ビットのデータ信号が接続される差動構成の第1および第2のデータ入力端子とを有し、前記第1および第2のデータ入力端子がゲートに接続されソースが第1の電源に接続された差動構成の第1および第2のトランジスタと、前記第1および第2のトランジスタと第2の電源との間にそれぞれ直列に設けられた、互いに一方の入力端子が他方の出力端子に接続される正帰還構成の第1および第2のCMOSインバータと、前記第1のCMOSインバータと前記第1のトランジスタで構成される直列回路にさらに直列に挿入されゲートが前記タイミング制御端子に接続された第3のトランジスタと、前記第2のCMOSインバータと前記第2のトランジスタで構成される直列回路にさらに直列に挿入されゲートが前記タイミング制御端子に接続された第4のトランジスタと、前記第1のCMOSインバータの出力端子と前記第2の電源の間に設けられゲートが前記タイミング制御端子に接続された前記第3のトランジスタと反対極性の第5のトランジスタと、前記第2のCMOSインバータの出力端子と前記第2の電源の間に設けられゲートが前記タイミング制御端子に接続された前記第4のトランジスタと反対極性の第6のトランジスタとで構成されていることを特徴とする固体撮像装置としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention has a matrix-like pixel array, reads signals of the pixel array in units of rows, and the voltage monotonously increases / decreases in conjunction with the pixel readout signal voltage and the counter value. In a solid-state imaging device in which an AD conversion circuit including a comparator for comparing a reference voltage and a multi-bit latch circuit for capturing and holding a counter value at a timing when the comparator is inverted is provided for each column The first and second data input terminals having a differential configuration in which the latch circuit per bit is connected to a timing control terminal to which the comparator output is connected and any one bit data signal of the counter value is connected. First and second transistors having a differential configuration in which the first and second data input terminals are connected to the gate and the source is connected to the first power source. And a first feedback circuit and a second feedback circuit configured in series between the first and second transistors and the second power source, each having one input terminal connected to the other output terminal. A CMOS inverter; a third transistor inserted in series in a series circuit comprising the first CMOS inverter and the first transistor; and a gate connected to the timing control terminal; and the second CMOS inverter And a fourth transistor having a gate connected to the timing control terminal, and an output terminal of the first CMOS inverter and the second power supply. A fifth transistor having a polarity opposite to that of the third transistor having a gate connected to the timing control terminal, and a second CMOS inverter A solid-state imaging device comprising a sixth transistor having a polarity opposite to that of the fourth transistor provided between an output terminal and the second power supply and having a gate connected to the timing control terminal It is said.

このようなラッチ回路の構成ではデータ入力端子は第1および第2のトランジスタのゲートのみが接続するだけであり、このトランジスタ寸法を最小寸法とすることで、入力容量を最小限とすることができ、データ信号線の駆動回路の消費電力を下げることができる。また、第1および第2のトランジスタは常にソースが接地されているためラッチ回路の入力容量はタイミング制御信号の状態にかかわらず一定であり、データ信号線の配線遅延時間も常に一定となる。したがって、データ信号線の配線遅延時間に関わるAD変換誤差は、2回のAD変換を行うデジタル2重サンプリングAD変換方式にて誤差を正確に減算することが可能となり、高速なクロック周波数が適用可能となる。   In such a latch circuit configuration, only the gates of the first and second transistors are connected to the data input terminal, and the input capacitance can be minimized by minimizing the transistor size. The power consumption of the data signal line driving circuit can be reduced. Further, since the sources of the first and second transistors are always grounded, the input capacitance of the latch circuit is constant regardless of the state of the timing control signal, and the wiring delay time of the data signal line is also always constant. Therefore, the AD conversion error related to the wiring delay time of the data signal line can be accurately subtracted by a digital double sampling AD conversion method in which AD conversion is performed twice, and a high-speed clock frequency can be applied. It becomes.

請求項2に係わる本発明では、請求項1に係わる発明において前記1ビットあたりのラッチ回路の第3および第4のトランジスタの配置が、一例として、前記第1および第2のトランジスタのドレインと前記第1および第2のCMOSインバータとの間に、それぞれ設けられていると特定している。   In the present invention according to claim 2, in the invention according to claim 1, the arrangement of the third and fourth transistors of the latch circuit per bit is, for example, the drains of the first and second transistors and the It is specified that each is provided between the first and second CMOS inverters.

請求項2に係わる発明において前記1ビットあたりのラッチ回路の第1および第2のトランジスタが、同じデータ入力信号線上に設けられた複数列のラッチ回路で共用されていることが望ましい。これによりデータ入力信号線上に接続される入力トランジスタ数を削減でき入力容量が低減されるため、データ信号線駆動回路の消費電力をさらに下げることができる。   In the invention according to claim 2, it is desirable that the first and second transistors of the latch circuit per bit are shared by a plurality of columns of latch circuits provided on the same data input signal line. As a result, the number of input transistors connected on the data input signal line can be reduced and the input capacitance is reduced, so that the power consumption of the data signal line driving circuit can be further reduced.

請求項4に係わる本発明では、請求項1係わる発明において、前記1ビットあたりのラッチ回路の第3および第4のトランジスタの配置が、他の一例として、前記第1および第2のCMOSインバータを構成するnMOSトランジスタとpMOSとトランジスタとの間にそれぞれ設けられていると特定している。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the arrangement of the third and fourth transistors of the latch circuit per bit is different from the first and second CMOS inverters as another example. It is specified that each of the nMOS transistor, the pMOS, and the transistor is provided.

請求項1から請求項4のいずれか一項に係わる本発明において、前記ラッチ回路の第1および第2のデータ入力端子に与えるデータ信号の電圧振幅が前記第1および第2の電源の電位差よりも小さい振幅となっていることが望ましい。このように振幅を小さくすることで、データ信号線駆動回路の消費電力をさらに下げることができる。   5. The present invention according to claim 1, wherein a voltage amplitude of a data signal applied to the first and second data input terminals of the latch circuit is determined by a potential difference between the first and second power supplies. It is desirable that the amplitude be small. By reducing the amplitude in this way, the power consumption of the data signal line driver circuit can be further reduced.

請求項1から請求項4のいずれか一項に係わる本発明において、前記ラッチ回路の第1または第2のデータ入力端子に入力されるデータ信号の一方の入力信号が固定電圧であり他方のデータ信号の電圧振幅が前記第1および第2の電源の電位差よりも小さい振幅となっていることが望ましい。これにより、データ信号線の駆動回路がひとつになるため駆動回路の消費電力をさらに低減できる。   5. The present invention according to claim 1, wherein one input signal of the data signal input to the first or second data input terminal of the latch circuit is a fixed voltage and the other data It is desirable that the voltage amplitude of the signal is smaller than the potential difference between the first and second power sources. As a result, the data signal line drive circuit becomes one, so that the power consumption of the drive circuit can be further reduced.

ラッチ回路の入力容量が低減できるため、データ信号線駆動回路の消費電力を小さくすることができる。また、ラッチ回路のタイミング制御端子の状態によりデータ入力端子の入力容量が変わらないため、データ信号線の配線遅延時間は常に一定となり、配線遅延時間を補正することが容易となるため、高速のクロック周波数を適用することが可能となる。さらにデータ入力端子にあたえるデータ信号の振幅を小さくすることで、駆動回路のさらなる消費電力低減が可能となる。   Since the input capacity of the latch circuit can be reduced, the power consumption of the data signal line driver circuit can be reduced. In addition, since the input capacitance of the data input terminal does not change depending on the state of the timing control terminal of the latch circuit, the wiring delay time of the data signal line is always constant and the wiring delay time can be easily corrected. It becomes possible to apply a frequency. Further, by reducing the amplitude of the data signal applied to the data input terminal, the power consumption of the drive circuit can be further reduced.

本発明を適用した第1実施形態のラッチ回路の回路図。The circuit diagram of the latch circuit of a 1st embodiment to which the present invention is applied. 本発明を適用した第1実施形態のラッチ回路を2ビット有する列AD変換回路2列分の回路図。1 is a circuit diagram for two columns of a column AD conversion circuit having 2 bits of a latch circuit according to a first embodiment to which the present invention is applied; 本発明を適用した第2実施形態のラッチ回路を2ビット有する列AD変換回路2列分の回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of two columns of column AD conversion circuits each having 2 bits of a latch circuit according to a second embodiment to which the present invention is applied. 本発明を適用した第3実施形態のラッチ回路の回路図。The circuit diagram of the latch circuit of a 3rd embodiment to which the present invention is applied. 本発明を適用した第4実施形態となるラッチ回路のデータ入力端子にあたえるデータ信号の駆動波形。The drive waveform of the data signal given to the data input terminal of the latch circuit which becomes 4th Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第5実施形態となるラッチ回路のデータ入力端子にあたえるデータ信号の駆動波形。The drive waveform of the data signal given to the data input terminal of the latch circuit which becomes 5th Embodiment to which this invention is applied. 列並列AD変換回路を有するCMOSイメージセンサのブロック図。1 is a block diagram of a CMOS image sensor having a column parallel AD conversion circuit. CMOSイメージセンサの画素構成を表す回路図。The circuit diagram showing the pixel structure of a CMOS image sensor. 列並列AD変換回路のブロック図。The block diagram of a column parallel AD conversion circuit. 列並列AD変換回路を有するCMOSイメージセンサのタイミングチャート。6 is a timing chart of a CMOS image sensor having a column parallel AD conversion circuit. 従来のラッチ回路例を表す回路図。The circuit diagram showing the example of the conventional latch circuit.

[第1実施形態]
本発明を適用した第1実施形態の固体撮像装置として、最初に全体構成を説明する。図7は本発明を適用する列並列AD変換回路を有するCMOSイメージセンサのブロック図である。2次元状に配列された画素101はデコーダまたはシフトレジスタで構成される行選択回路104からの行選択線102により選択された行の画素信号が、垂直読み出し線103に読み出される。
[First Embodiment]
First, the overall configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment to which the present invention is applied will be described. FIG. 7 is a block diagram of a CMOS image sensor having a column parallel AD conversion circuit to which the present invention is applied. For the pixels 101 arranged two-dimensionally, the pixel signal of the row selected by the row selection line 102 from the row selection circuit 104 constituted by a decoder or shift register is read out to the vertical readout line 103.

垂直読み出し線103に出力された画素信号は列毎に設けられた比較器106で、ランプ信号発生回路108で生成された参照電圧信号線111で与えられる参照電圧と比較される。この参照電圧はカウンタ回路109のカウンタ値に連動して電圧が変化する波形となっており、比較器106が反転したとき、すなわち画素信号と参照電圧が一致したときのカウンタ値が入力データ信号線112を介してラッチ回路107に書き込まれ保持される。このラッチ回路に保持されたカウンタ値は列選択回路105で選択されると、出力データ信号線113を介して、センスアンプ回路110を介してデジタル信号として出力される。   The pixel signal output to the vertical readout line 103 is compared with a reference voltage provided by a reference voltage signal line 111 generated by a ramp signal generation circuit 108 by a comparator 106 provided for each column. This reference voltage has a waveform in which the voltage changes in conjunction with the counter value of the counter circuit 109. When the comparator 106 is inverted, that is, when the pixel signal matches the reference voltage, the counter value is the input data signal line. It is written and held in the latch circuit 107 via 112. When the counter value held in the latch circuit is selected by the column selection circuit 105, it is output as a digital signal via the output data signal line 113 and the sense amplifier circuit 110.

図8に図7の101に示した画素の一例を示す。画素はフォトダイオードPDと、そのフォトダイオードの光電変換信号をフローティングディフュージョン領域(FD)に転送する転送トランジスタM71と、FDをリセットするリセット用トランジスタM72と、FDの電位を増幅出力する増幅用トランジスタM73と、その増幅出力信号を垂直信号線103に接続する行選択トランジスタM74により構成されている。ここで、トランジスタM71,M72,M74のゲートは図7に示された行選択線102を構成する制御信号線群であるTX,RST,READにそれぞれ接続され、図10のタイミングチャートに示されるように制御される。   FIG. 8 shows an example of the pixel indicated by 101 in FIG. The pixel includes a photodiode PD, a transfer transistor M71 that transfers a photoelectric conversion signal of the photodiode to a floating diffusion region (FD), a reset transistor M72 that resets the FD, and an amplification transistor M73 that amplifies and outputs the potential of the FD. And a row selection transistor M74 for connecting the amplified output signal to the vertical signal line 103. Here, the gates of the transistors M71, M72, and M74 are respectively connected to TX, RST, and READ that are control signal line groups constituting the row selection line 102 shown in FIG. 7, and as shown in the timing chart of FIG. Controlled.

図9に図7の比較器106およびラッチ回路107で構成される列AD変換回路のブロック図を示す。比較器106は通常、多段構成の増幅器で構成され、図9では増幅器A1,A2の2段構成としている。1段目の増幅器A1の入出力間には制御信号RCOMPで制御されるスイッチS1が設けられるとともに、垂直信号線に接続する信号入力端子Vsigと増幅器A1の反転入力端子は容量C1を介して接続されている。また、比較器の非反転入力端子には図7のランプ波形発生回路108の参照電圧入力端子Vrampに接続されている。   FIG. 9 shows a block diagram of a column AD conversion circuit composed of the comparator 106 and the latch circuit 107 of FIG. The comparator 106 is usually composed of a multi-stage amplifier, and in FIG. 9, it has a two-stage structure of amplifiers A1 and A2. A switch S1 controlled by a control signal RCOMP is provided between the input and output of the first stage amplifier A1, and the signal input terminal Vsig connected to the vertical signal line and the inverting input terminal of the amplifier A1 are connected via a capacitor C1. Has been. Further, the non-inverting input terminal of the comparator is connected to the reference voltage input terminal Vramp of the ramp waveform generating circuit 108 of FIG.

図9で比較器106に設けられたスイッチS1および容量C1は、画素信号のリセット直後のリセット信号と、フォトダイオード信号が転送された積分信号との、2回の読み出し信号の差分を比較器に入力するため設けられている。比較器106の構成はスイッチS1および容量C1を設けずに、垂直信号線を直接比較器に接続して2回の読み出しそれぞれをAD変換した後にデジタル信号にて差分を演算する構成とすることも可能である。   The switch S1 and the capacitor C1 provided in the comparator 106 in FIG. 9 use the difference between the two readout signals of the reset signal immediately after resetting the pixel signal and the integration signal to which the photodiode signal is transferred to the comparator. It is provided for input. The configuration of the comparator 106 may be such that the switch S1 and the capacitor C1 are not provided, and the vertical signal line is directly connected to the comparator and the two readouts are AD-converted and then the difference is calculated with a digital signal. Is possible.

比較器出力Coutはラッチ回路107に接続されている。ラッチ回路107はカウンタ値のビット数に対応した数の単位ラッチ回路で構成され、図9では3ビット分の11−1,11−2,11−3で示している。各単位ラッチ回路にはカウンタ回路109のカウンタ値がデータ信号線112−1,112−2,112−3を介して与えられており、それぞれのデータ信号をD1,D2,D3として表している。   The comparator output Cout is connected to the latch circuit 107. The latch circuit 107 is composed of a number of unit latch circuits corresponding to the number of bits of the counter value, and is indicated by 11-1, 11-2, and 11-3 for 3 bits in FIG. The counter value of the counter circuit 109 is given to each unit latch circuit via the data signal lines 112-1, 112-2, 112-3, and the respective data signals are represented as D1, D2, D3.

図7、8および9に示した回路は図10のタイミングチャートにしたがって動作する。図10でT1はリセット期間、T2は1回目の読み出し期間、T3は画素信号転送期間、T4は2回目の読み出し期間でAD変換動作が行われる。画素の信号出力はVsigにて示すように、T2の1回目の読み出し期間にてリセット信号が出力され、T4の2回目の読み出し期間にはそのリセット信号を基準に負の方向のフォトダイオード信号電圧Vsが加わった積分信号が出力される。したがって、1回目と2回の読み出し信号の差分は画素に積分されたフォトダイオード信号電圧Vsとなる。   The circuits shown in FIGS. 7, 8 and 9 operate according to the timing chart of FIG. In FIG. 10, T1 is a reset period, T2 is a first readout period, T3 is a pixel signal transfer period, and T4 is a second readout period. As indicated by Vsig, the pixel signal output is a reset signal output in the first readout period of T2, and the photodiode signal voltage in the negative direction with reference to the reset signal in the second readout period of T4. An integrated signal with Vs added is output. Therefore, the difference between the first and second readout signals is the photodiode signal voltage Vs integrated in the pixel.

図9に示した比較器106のスイッチS1は期間T2でオンして、1回目の読み出し期間のリセット信号が容量C1にサンプリングされる。2回目の読み出し期間T4では、フォトダイオード信号電圧Vsが容量C1を介して増幅器A1の反転入力端子に伝わる。その状態で非反転入力端子の参照電圧Vrampを単調に下げて反転入力端子と同電位となったときに比較器出力Coutが反転する。カウンタのデータ信号はD1,D2,D3にて示すようにカウンタ回路109に与える図10には図示していないクロックに同期してカウンタ値が順次かわり比較器出力Coutが反転したときのデータ信号がラッチ回路107に保持される。これデータ信号がフォトダイオード信号電圧Vsに対応したデジタル信号となる。   The switch S1 of the comparator 106 shown in FIG. 9 is turned on in the period T2, and the reset signal in the first reading period is sampled in the capacitor C1. In the second readout period T4, the photodiode signal voltage Vs is transmitted to the inverting input terminal of the amplifier A1 through the capacitor C1. In this state, the comparator output Cout is inverted when the reference voltage Vramp of the non-inverting input terminal is monotonously lowered to the same potential as the inverting input terminal. The data signal of the counter is given to the counter circuit 109 as indicated by D1, D2, and D3, and the data signal when the counter output Cout is inverted in response to the counter value sequentially in synchronization with a clock not shown in FIG. It is held in the latch circuit 107. This data signal becomes a digital signal corresponding to the photodiode signal voltage Vs.

このようにAD変換動作が行われるが、図9においてラッチ回路のデータ入力端子の入力容量が大きいと、データ信号線の容量が大きくなるため、カウンタ信号D1,D2,D3を駆動する駆動回路の消費電力が大きくなるという課題がある。そこで、本発明においては図1に示すラッチ回路を用いて、データ入力端子の入力容量低減を図っている。   In this way, the AD conversion operation is performed. However, if the input capacity of the data input terminal of the latch circuit in FIG. 9 is large, the capacity of the data signal line increases, so that the drive circuit for driving the counter signals D1, D2, D3 There is a problem that power consumption increases. Therefore, in the present invention, the latch circuit shown in FIG. 1 is used to reduce the input capacitance of the data input terminal.

図1はゲートがデータ信号線に接続するデータ入力端子DおよびDxにソースが第1の電源VSSに接続されたnMOSトランジスタM1,M2に、nMOSトランジスタM3,M4を介して、それぞれ一方の入力端子が他方の出力端子に接続されている正帰還構成の2組のCMOSインバータINV1,INV2が設けられた基本構成に、さらにCMOSインバータINV1の出力端子Qxと第2の電源VDDとの間、およびCMOSインバータINV2の出力端子Qと第2の電源VDDとの間にそれぞれ設けられたpMOSトランジスタM5,M6で構成されている。   FIG. 1 shows data input terminals D and Dx whose gates are connected to the data signal lines, and nMOS transistors M1 and M2 whose sources are connected to the first power supply VSS, and one input terminal via nMOS transistors M3 and M4. Is connected to the other output terminal in the basic configuration in which two sets of CMOS inverters INV1 and INV2 having a positive feedback configuration are provided, further between the output terminal Qx of the CMOS inverter INV1 and the second power supply VDD, and the CMOS. The pMOS transistors M5 and M6 are respectively provided between the output terminal Q of the inverter INV2 and the second power supply VDD.

トランジスタM3,M4,M5,M6のゲートは比較器出力が接続されるタイミング制御端子Cinに接続されており、タイミング制御端子Cinの電圧がVSS(Cin=0)のときにはトランジスタM3,M4はオフ状態、トランジスタM5,M6はオン状態となり、CMOSインバータINV1,INV2の出力端子Q,Qxともに電源VDDと同電位となるリセット状態となっている。   The gates of the transistors M3, M4, M5, and M6 are connected to the timing control terminal Cin to which the comparator output is connected. When the voltage of the timing control terminal Cin is VSS (Cin = 0), the transistors M3 and M4 are in the off state. The transistors M5 and M6 are turned on, and the output terminals Q and Qx of the CMOS inverters INV1 and INV2 are in a reset state in which the potential is the same as the power supply VDD.

タイミング制御端子Cinの電圧がVDD(Cin=1)のときにはトランジスタM3,M4がオン状態、トランジスタM5,M6はオフ状態となり、CMOSインバータINV1,INV2には、トランジスタM1,M2の電流が流れる。このとき、トランジスタM1,M2の電流はデータ入力端子Dの電位がデータ入力端子Dxよりも大きければ、CMOSインバータINV1の電流がINV2よりも大きくなるためCMOSインバータINV1の出力端子Qxの電位が下がり、CMOSインバータINV2の出力端子Qの電位が上がる。これらのインバータは正帰還がかかっているため小さな電位差が増幅され最終的に、出力端子QxはVSS(Qx=0)、出力端子QはVDD(Q=1)となる。この出力信号Q,Qxはデータ出力信号線に接続する読み出し用のバッファ回路を設けることで読み出すことができる。   When the voltage of the timing control terminal Cin is VDD (Cin = 1), the transistors M3 and M4 are turned on, the transistors M5 and M6 are turned off, and the currents of the transistors M1 and M2 flow through the CMOS inverters INV1 and INV2. At this time, if the potential of the data input terminal D is larger than that of the data input terminal Dx, the current of the transistors M1 and M2 becomes lower than the potential of the output terminal Qx of the CMOS inverter INV1 because the current of the CMOS inverter INV1 becomes larger than INV2. The potential of the output terminal Q of the CMOS inverter INV2 increases. Since these inverters are positively fed back, a small potential difference is amplified, and finally the output terminal Qx becomes VSS (Qx = 0) and the output terminal Q becomes VDD (Q = 1). The output signals Q and Qx can be read by providing a read buffer circuit connected to the data output signal line.

図1のラッチ回路はデータ入力端子D,DxがそれぞれトランジスタM1,M2のゲートにのみ接続されている構成であり、トランジスタM1,M2は最小寸法としても全く問題ないため、入力容量を小さくできる。また、トランジスタM1,M2のソースおよびドレインともに定常状態の電位はVSSとなるため、ゲートの入力容量は常に一定であり、変動がないという特徴を有している。また、データ入力端子の入力信号振幅はトランジスタM1,M2の電流値の大小がデータ入力により反転すればよいため、オフセット電圧ばらつきよりも大きい程度の、小さな振幅でも動作可能である。   The latch circuit of FIG. 1 has a configuration in which the data input terminals D and Dx are connected only to the gates of the transistors M1 and M2, respectively, and the transistors M1 and M2 have no problem even if they have the minimum dimensions, so that the input capacitance can be reduced. Further, since the steady-state potential of both the sources and drains of the transistors M1 and M2 is VSS, the input capacitance of the gate is always constant and has no characteristics. In addition, since the magnitude of the current value of the transistors M1 and M2 only needs to be inverted by data input, the input signal amplitude at the data input terminal can be operated with a small amplitude that is larger than the offset voltage variation.

列並列AD変換回路におけるラッチ回路の入力端子の接続を図2に示す。図2は図1のラッチ回路を2ビットとして列並列AD変換回路2列分を示している。カウンタのデータ信号線は差動構成のD1,D1xおよびD2,D2xである。1列目および2列目の入力信号をそれぞれVsig1,Vsig2、比較器を106−a,106−bとして、1列目の比較器出力は単位ラッチ回路11−1a,11−2aに接続し、2列目の比較器出力は単位ラッチ回路11−1b,11−2bに接続している。それぞれのラッチ回路のデータ入力トランジスタM11a,M11bはデータ信号線D1に、データ入力トランジスタM21a,M21bはデータ信号線D1xに、データ入力トランジスタM12a,M12bはデータ信号線D2に、データ入力トランジスタM22a,M22bはデータ信号線D2xに、それぞれ接続されている。なお、図2の比較器の構成には図9にて示したスイッチS1および容量C1は省略している。   FIG. 2 shows the connection of the input terminals of the latch circuit in the column parallel AD conversion circuit. FIG. 2 shows two columns of the column parallel AD conversion circuit with the latch circuit of FIG. 1 as 2 bits. The data signal lines of the counter are D1, D1x and D2, D2x having a differential configuration. The input signals of the first and second columns are Vsig1 and Vsig2, the comparators are 106-a and 106-b, respectively, and the comparator outputs of the first column are connected to the unit latch circuits 11-1a and 11-2a. The comparator outputs in the second column are connected to the unit latch circuits 11-1b and 11-2b. In each latch circuit, the data input transistors M11a and M11b are connected to the data signal line D1, the data input transistors M21a and M21b are connected to the data signal line D1x, the data input transistors M12a and M12b are connected to the data signal line D2, and the data input transistors M22a and M22b are connected. Are connected to the data signal line D2x, respectively. Note that the switch S1 and the capacitor C1 shown in FIG. 9 are omitted from the configuration of the comparator of FIG.

AD変換回路の分解能を上げるにはカウンタおよびラッチ回路のビット数を増やせばよい。ラッチ回路に保持されたデータの読み出し回路は図2には図示していないが、ラッチ回路毎に図11のような選択スイッチを有するSRAM構成またはDRAM構成の読み出し回路を設けて、データ信号を転送して読み出しを行えばよい。   In order to increase the resolution of the AD conversion circuit, the number of bits of the counter and the latch circuit may be increased. The read circuit for data held in the latch circuit is not shown in FIG. 2, but an SRAM or DRAM read circuit having a selection switch as shown in FIG. 11 is provided for each latch circuit to transfer the data signal. Then, reading may be performed.

図2からもわかるように、各データ信号線は各列1つのトランジスタのゲートにのみ接続されているので、ゲート寸法を最小として、データ信号線の容量を小さくでき、データ信号駆動回路の低消費電力化が可能である。また、データ信号線の配線抵抗が大きく列数が多い場合には列の配置に依存する配線遅延が大きくなるが、図2の構成はデータ信号線に接続したトランジスタのゲート容量は、比較器出力が1の場合でも0の場合でも変わらないため、配線遅延による列配置に依存した誤差を補正することは容易であるため、高いクロック周波数を適用して高分解能化が可能となる。   As can be seen from FIG. 2, since each data signal line is connected only to the gate of one transistor in each column, the gate size can be minimized, the capacity of the data signal line can be reduced, and the data signal driving circuit can be reduced in consumption. Electricity is possible. In addition, when the wiring resistance of the data signal line is large and the number of columns is large, the wiring delay depending on the arrangement of the columns becomes large. However, in the configuration of FIG. 2, the gate capacitance of the transistor connected to the data signal line is the comparator output. Therefore, it is easy to correct the error depending on the column arrangement due to the wiring delay. Therefore, it is possible to increase the resolution by applying a high clock frequency.

[第2実施形態]
データ信号線の容量をさらに低減して駆動回路のさらなる低消費電力化を可能とする回路構成を第2実施形態として図3に示す。図2と同じ構成要素には同一符号が与えられている。
[Second Embodiment]
A circuit configuration that further reduces the capacitance of the data signal line and enables further reduction in power consumption of the drive circuit is shown in FIG. 3 as a second embodiment. The same components as those in FIG. 2 are given the same reference numerals.

図3において図2の第1実施形態と異なるのは、データ信号線に接続するトランジスタを2列で共用している点のみである。データ信号線D1は図2のトランジスタM11a,M11bを図3ではトランジスタM11に、データ信号線D1xは図2のトランジスタM21a,M21bを図3ではトランジスタM21に、データ信号線D2は図2のトランジスタM12a,M12bを図3ではトランジスタM12に、データ信号線D2xは図2のトランジスタM22a,M22bを図3ではトランジスタM22に、それぞれ2列で共用するようにラッチ回路が変更されている。   3 is different from the first embodiment of FIG. 2 only in that the transistors connected to the data signal line are shared in two columns. 2 is the transistor M11 in FIG. 3, the data signal line D1x is the transistor M21a, M21b in FIG. 3 and the data signal line D2 is the transistor M12a in FIG. , M12b in FIG. 3 and the data signal line D2x are changed in the latch circuit so as to share the two transistors M22a and M22b in FIG.

これにともない、スイッチトランジスタM31aとM31b、M41aとM41b、M32aとM32bおよびM42aとM42bのそれぞれのソースを接続している。このため、例えば差動トランジスタM11とM22の電流は前記スイッチトランジスタがオンするとラッチ回路11−1aと11−1bの2列に流れることになるが、この電流の流れる時間はスイッチトランジスタがオンした直後の短時間のみなので、データの書き込み動作には全く影響をおよぼさない。また、仮に2列の比較器が同時に反転したとしても、列毎の差動の電流値がデータ入力端子信号と逆転しなければ問題ないため、データ入力端子の入力電圧振幅が大きければ全く問題ない。   Accordingly, the sources of the switch transistors M31a and M31b, M41a and M41b, M32a and M32b, and M42a and M42b are connected. For this reason, for example, the current of the differential transistors M11 and M22 flows in two rows of the latch circuits 11-1a and 11-1b when the switch transistor is turned on. Therefore, the data write operation is not affected at all. Even if two columns of comparators are simultaneously inverted, there is no problem if the differential current value for each column does not reverse with the data input terminal signal. .

図3よりわかるように、各データ信号線のトランジスタ数は入力トランジスタを2列で共有すると1/2に、4列で共有すると1/4となり、データ信号線の容量をさらに小さくできるので駆動回路もさらに低消費電力化が可能である。また、データ信号線の容量が小さくなるため配線遅延も小さくなるという優位点も有している。なお、仮に配線遅延が問題となる大きさでも、第1実施形態と同様にデータ信号線に接続するラッチ回路の入力容量値は比較器の信号状態に依存しないため、配線遅延による誤差を補正することは容易である。   As can be seen from FIG. 3, the number of transistors in each data signal line is ½ when the input transistors are shared by two columns and becomes ¼ when the input transistors are shared by four columns, so that the capacity of the data signal line can be further reduced. In addition, lower power consumption is possible. Further, since the capacity of the data signal line is reduced, the wiring delay is also reduced. Even if the wiring delay becomes a problem, the input capacitance value of the latch circuit connected to the data signal line does not depend on the signal state of the comparator, as in the first embodiment, so that the error due to the wiring delay is corrected. It is easy.

[第3実施形態]
第3実施形態として図4に図1と異なるラッチ回路の構成を示す。図1と同じ構成要素には同一符号が与えられている。図1と異なるのはトランジスタM3とM7およびM4とM8がそれぞれ入れ替わっている部分のみで他は変わらない。
[Third Embodiment]
As a third embodiment, FIG. 4 shows a configuration of a latch circuit different from FIG. The same components as those in FIG. 1 are given the same reference numerals. The only difference from FIG. 1 is that the transistors M3 and M7 and M4 and M8 are interchanged, respectively.

このようにタイミング制御端子Cinにゲートが接続するnMOSトランジスタM3の配置はデータ入力トランジスタM1とCMOSインバータINV1の直列回路上のどこでもよく、トランジスタM1と第1の電源VSSとの間に配置することも可能である。   Thus, the arrangement of the nMOS transistor M3 whose gate is connected to the timing control terminal Cin may be anywhere on the series circuit of the data input transistor M1 and the CMOS inverter INV1, or may be arranged between the transistor M1 and the first power supply VSS. Is possible.

このように、スイッチトランジスタM3,M4の配置が変わっても、図4のラッチ回路も第1実施形態と同様な特徴を有し、各データ信号線は各列1つのトランジスタのゲートにのみ接続されているので、ゲート寸法を最小として、データ信号線の容量を小さくでき、駆動回路の低消費電力化が可能である。また配線遅延が生じても、その遅延時間はタイミング制御端子Cinの入力信号に依存しないため配線遅延による誤差を補正することは容易である。   As described above, even if the arrangement of the switch transistors M3 and M4 is changed, the latch circuit of FIG. 4 has the same characteristics as the first embodiment, and each data signal line is connected only to the gate of one transistor in each column. Therefore, the gate size can be minimized, the capacity of the data signal line can be reduced, and the power consumption of the driving circuit can be reduced. Even if a wiring delay occurs, the delay time does not depend on the input signal of the timing control terminal Cin, so that it is easy to correct an error due to the wiring delay.

図1、図2、図3および図4に示したラッチ回路はnMOSトランジスタとpMOSトランジスタの極性および電源を入れ替えた構成としても、同様な動作が可能であり、同様な特徴を有する。   The latch circuits shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4 can operate similarly and have similar characteristics even when the polarity and power supply of the nMOS transistor and the pMOS transistor are switched.

[第4実施形態]
これまでの実施形態では、ラッチ回路の回路構成を示したが、これらのラッチ回路に入力するデータ信号の振幅を小さくする駆動方法を適用することでも駆動回路の消費電力を低減することが可能である。第4実施形態として駆動回路の振幅を小さくして消費電力を低減する駆動方法を図5に示すタイミングチャートを用いて説明する。
[Fourth Embodiment]
In the embodiments described so far, the circuit configuration of the latch circuit has been described. However, it is possible to reduce the power consumption of the drive circuit by applying a drive method that reduces the amplitude of the data signal input to the latch circuit. is there. As a fourth embodiment, a driving method for reducing power consumption by reducing the amplitude of a driving circuit will be described with reference to a timing chart shown in FIG.

図5は図10のタイミングチャートの期間T4におけるデータ信号D1,D2,D3およびそれらの反転信号D1x,D2x,D3xに低消費電力化を可能とするための出力信号波形を示している。データ信号D1,D2,D3は実線で、D1x,D2x,D3xは破線で示している。図10ではカウンタ信号はバイナリコードとしたが、図5ではデータ信号が反転する頻度が最小限のグレイコードを用いている。カウンタ信号の駆動回路は信号が反転したときのみに信号線の充放電を行い電力が消費されるので、グレイコードを用いることで、バイナリコードよりも消費電力が低減できる。   FIG. 5 shows output signal waveforms for enabling the power consumption of the data signals D1, D2, D3 and their inverted signals D1x, D2x, D3x in the period T4 of the timing chart of FIG. Data signals D1, D2, and D3 are indicated by solid lines, and D1x, D2x, and D3x are indicated by broken lines. In FIG. 10, the counter signal is a binary code, but in FIG. 5, a gray code with a minimum frequency of inversion of the data signal is used. The counter signal driving circuit charges and discharges the signal line only when the signal is inverted and consumes power. Therefore, the power consumption can be reduced as compared with the binary code by using the Gray code.

さらに、図5に示すように1と0のデータ信号の0に対応する電圧をVos、1に対応する電圧をVDDとして、0信号の電圧をグランド電位に相当する電源電圧VSSより大きくしている。通常のデジタル信号では0信号はグランド電位としてフルスケールの振幅を用いているが、第1、第2および第3の実施形態として図1、図2、図3および図4に示したラッチ回路は、データ入力信号としてオフセット電圧ばらつきによる誤動作を防ぐために、オフセット電圧ばらつきよりも大きな差動信号セットとすれば、必ずしもフルスケールの信号振幅とする必要がない。   Further, as shown in FIG. 5, the voltage corresponding to 0 of the data signals 1 and 0 is Vos, the voltage corresponding to 1 is VDD, and the voltage of the 0 signal is higher than the power supply voltage VSS corresponding to the ground potential. . In a normal digital signal, the zero signal uses a full-scale amplitude as the ground potential, but the latch circuits shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4 as the first, second and third embodiments In order to prevent malfunction due to variations in offset voltage as a data input signal, a full-scale signal amplitude is not necessarily required if the differential signal set is larger than the variation in offset voltage.

したがって、図5に示すようにデータ入力信号の振幅を小さくすれば、データが反転するときに駆動回路にてデータ信号線を充放電する電荷を、振幅に比例して小さくすることができる。このように、図5に示す小さな振幅の駆動波形の適用は、駆動回路の消費電力を低減できるという利点を有している。   Therefore, if the amplitude of the data input signal is reduced as shown in FIG. 5, the charge for charging / discharging the data signal line in the drive circuit when the data is inverted can be reduced in proportion to the amplitude. Thus, the application of the drive waveform with a small amplitude shown in FIG. 5 has an advantage that the power consumption of the drive circuit can be reduced.

[第5実施形態]
小さな振幅の差動データ信号セットを用いる他の信号波形を、本発明を適用した第5実施形態として図6に示す。データ信号D1,D2,D3を実線でそれらの反転信号D1x,D2x,D3xを破線で示している。
[Fifth Embodiment]
FIG. 6 shows another signal waveform using a differential data signal set having a small amplitude as a fifth embodiment to which the present invention is applied. Data signals D1, D2, and D3 are indicated by solid lines, and their inverted signals D1x, D2x, and D3x are indicated by broken lines.

図6にてデータ信号D1,D2,D3は図5と同様な波形であるが、反転信号D1x,D2x,D3xをデータ信号D1,D2,D3の0信号と1信号の電圧値のほぼ中間電位の固定電圧としている。このように対称でない差動データ信号セットを用いても、これまで示したラッチ回路はオフセット電圧ばらつきよりも大きな電位差を有する差動電圧セットであれば動作可能である。   In FIG. 6, the data signals D1, D2, and D3 have the same waveforms as those in FIG. 5, except that the inverted signals D1x, D2x, and D3x are substantially intermediate potentials between the voltage values of the 0 and 1 signals of the data signals D1, D2, and D3. The fixed voltage is. Even when such a non-symmetrical differential data signal set is used, the latch circuit shown so far can operate as long as the differential voltage set has a potential difference larger than the offset voltage variation.

図6に示す駆動波形では、一方の信号は固定電圧でよく、駆動回路を半分に削減できる。したがって、図6の示す駆動波形の適用は、駆動回路の消費電力をさらに低減できるという利点を有している。   In the drive waveform shown in FIG. 6, one signal may be a fixed voltage, and the drive circuit can be reduced to half. Therefore, the application of the drive waveform shown in FIG. 6 has the advantage that the power consumption of the drive circuit can be further reduced.

11−1,11−2,11−3,11−1a,11−1b,11−2a,11−2b 単位ラッチ回路
101 画素
102 行選択線
103 列信号線
104 垂直シフトレジスタ
105 水平シフトレジスタ
106,106−a,106−b 比較器
107 ラッチ回路
108 ランプ信号発生回路
109 カウンタ回路
110 センスアンプ
111 参照電圧信号線
112 入力データ信号線
113 出力データ信号線
M1,M2,M11a,M21a,M11b,M21b,M12a,M22a,M12b,M22b,M11,M12,M21,M22 データ入力トランジスタ
M3,M4,M5,M6,M31a,M41a,M31b,M41b,M32a,M42a,M32b,M42b,M51,M52,M61,M63 スイッチトランジスタ
M7,M8,M9,M10,M53,M54,M55,M56 CMOSインバータ用トランジスタ
M62 読み出し用トランジスタ
INV1,INV2 CMOSインバータ
PD フォトダイオード
M71,M72,M73,M74 画素用トランジスタ
Vsig,Vsig1,Vsig2 列信号線入力端子および入力信号
Vramp 参照電圧端子および参照電圧信号
VSS 第1の電源
VDD 第2の電源
D,Dx,D1,D1x,D2,D2x,D3,D3x データ信号端子およびデータ信号
Cin タイミング制御端子
Sel 選択信号端子
Q,Qx データ信号出力端子
S1 スイッチ
C1 容量
Cp 寄生容量
11-1, 11-2, 11-3, 11-1a, 11-1b, 11-2a, 11-2b Unit latch circuit 101 Pixel 102 Row selection line 103 Column signal line 104 Vertical shift register 105 Horizontal shift register 106, 106-a, 106-b Comparator 107 Latch circuit 108 Ramp signal generation circuit 109 Counter circuit 110 Sense amplifier 111 Reference voltage signal line 112 Input data signal line 113 Output data signal line
M1, M2, M11a, M21a, M11b, M21b, M12a, M22a, M12b, M22b, M11, M12, M21, M22 Data input transistor
M3, M4, M5, M6, M31a, M41a, M31b, M41b, M32a, M42a, M32b, M42b, M51, M52, M61, M63 Switch transistor
M7, M8, M9, M10, M53, M54, M55, M56 CMOS inverter transistors
M62 Read transistor
INV1, INV2 CMOS inverter
PD photodiode
M71, M72, M73, M74 Pixel transistors
Vsig, Vsig1, Vsig2 Column signal line input port and input signal
Vramp Reference voltage terminal and reference voltage signal
VSS First power supply
VDD Second power supply
D, Dx, D1, D1x, D2, D2x, D3, D3x Data signal terminal and data signal
Cin timing control pin
Sel selection signal terminal
Q, Qx data signal output pin
S1 switch
C1 capacity
Cp parasitic capacitance

Claims (6)

行列状の画素アレイを有し、その画素アレイの信号を行単位で読み出し、画素の読み出し信号電圧とカウンタ値に連動して電圧が単調に増減する参照電圧とを比較する比較器と、前記比較器が反転するタイミングにおけるカウンタ値を取り込み保持するための複数ビットのラッチ回路とを具備するAD変換回路が列毎に設けられた固体撮像装置において、
前記1ビットあたりのラッチ回路が、前記比較器出力が接続するタイミング制御端子と、前記カウンタ値のいずれか1ビットのデータ信号が接続される差動構成の第1および第2のデータ入力端子と、前記第1および第2のデータ入力端子がゲートに接続されソースが第1の電源に接続された差動構成の第1および第2のトランジスタと、前記第1および第2のトランジスタと第2の電源との間にそれぞれ直列に設けられた、互いに一方の入力端子が他方の出力端子に接続される正帰還構成の第1および第2のCMOSインバータと、前記第1のCMOSインバータと前記第1のトランジスタで構成される直列回路にさらに直列に挿入されゲートが前記タイミング制御端子に接続された第3のトランジスタと、前記第2のCMOSインバータと前記第2のトランジスタで構成される直列回路にさらに直列に挿入されゲートが前記タイミング制御端子に接続された第4のトランジスタと、前記第1のCMOSインバータの出力端子と前記第2の電源の間に設けられゲートが前記タイミング制御端子に接続された、前記第3のトランジスタと反対極性の第5のトランジスタと、前記第2のCMOSインバータの出力端子と前記第2の電源の間に設けられゲートが前記タイミング制御端子に接続された、前記第4のトランジスタと反対極性の第6のトランジスタと、を有することを特徴とする固体撮像装置。
A comparator having a matrix-like pixel array, reading out signals of the pixel array in units of rows, and comparing a readout signal voltage of the pixel with a reference voltage whose voltage monotonously increases or decreases in synchronization with a counter value; In a solid-state imaging device in which an AD conversion circuit including a plurality of bit latch circuits for capturing and holding a counter value at a timing at which the counter is inverted is provided for each column,
The latch circuit per bit includes a timing control terminal to which the comparator output is connected, and first and second data input terminals having a differential configuration to which any one bit data signal of the counter value is connected. The first and second transistors having a differential configuration in which the first and second data input terminals are connected to the gate and the source is connected to the first power source, the first and second transistors, and the second First and second CMOS inverters having a positive feedback configuration, each having one input terminal connected to the other output terminal, and the first CMOS inverter and the first CMOS inverter. A third transistor having a gate connected to the timing control terminal, a second CMOS inverter, and a second transistor. A gate connected between the output terminal of the first CMOS inverter and the second power source; and a fourth transistor having a gate connected to the timing control terminal. Connected to the timing control terminal, a fifth transistor having a polarity opposite to that of the third transistor, a gate provided between the output terminal of the second CMOS inverter and the second power source, and the timing control A solid-state imaging device comprising: a sixth transistor having a polarity opposite to that of the fourth transistor connected to a terminal.
前記1ビットあたりのラッチ回路の前記第3および第4のトランジスタが、前記第1および第2のトランジスタのドレインと前記第1および第2のCMOSインバータとの間に、それぞれ設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   The third and fourth transistors of the latch circuit per bit are provided between the drains of the first and second transistors and the first and second CMOS inverters, respectively. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein 前記1ビットあたりのラッチ回路の前記第1および第2のトランジスタが、同じデータ入力信号線上に設けられた複数列のラッチ回路で共用されていることを特徴とする、請求項2に記載の固体撮像装置。   3. The solid state according to claim 2, wherein the first and second transistors of the latch circuit per bit are shared by a plurality of columns of latch circuits provided on the same data input signal line. Imaging device. 前記1ビットあたりのラッチ回路の第3および第4のトランジスタが、前記第1および第2のCMOSインバータを構成するnMOSトランジスタとpMOSトランジスタとの間にそれぞれ設けられていること、を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   3. The third and fourth transistors of the latch circuit per bit are respectively provided between an nMOS transistor and a pMOS transistor that constitute the first and second CMOS inverters. Item 2. The solid-state imaging device according to Item 1. 前記ラッチ回路の第1および第2のデータ入力端子に与えるデータ信号の電圧振幅が前記第1および第2の電源の電位差よりも小さい振幅となっていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。   5. The voltage amplitude of a data signal applied to the first and second data input terminals of the latch circuit is smaller than the potential difference between the first and second power supplies. The driving method of the solid-state imaging device according to any one of the above. 前記ラッチ回路の第1または第2のデータ入力端子に入力されるデータ信号の一方の入力信号が固定電圧であり他方のデータ信号の電圧振幅が前記第1および第2の電源の電位差よりも小さい振幅となっていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。   One input signal of the data signal input to the first or second data input terminal of the latch circuit is a fixed voltage, and the voltage amplitude of the other data signal is smaller than the potential difference between the first and second power supplies. The driving method of the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein the amplitude is an amplitude.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015136016A (en) * 2014-01-16 2015-07-27 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device and imaging system
CN106656160A (en) * 2016-09-20 2017-05-10 上海集成电路研发中心有限公司 High-speed potential conversion circuit
JP2020088585A (en) * 2018-11-22 2020-06-04 キヤノン株式会社 Analog-digital conversion device, photoelectric conversion device, photoelectric conversion system, and mobile body

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