JP4654857B2 - Ｄａ変換装置、ａｄ変換装置、半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ（Digital to Analogue ）変換装置と、このＤＡ変換装置を備えたＡＤ変換装置や、撮像装置などの半導体装置に関する。より詳細には、行列状に配列されたセル配列構造の電流源セルを備える電流源セルマトリクスを利用したＤＡ変換の仕組みに関する。

電子機器においては、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換装置が種々使用されている。

たとえば、光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素（たとえば画素）をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。

たとえば、映像機器の分野では、物理量のうちの光（電磁波の一例）を検知するＣＣＤ（Charge Coupled Device ）型あるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）型の固体撮像装置が使われている。これらは、単位構成要素（固体撮像装置にあっては画素）によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。ここで“固体”とは半導体製であることを意味している。

また、固体撮像装置の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子（ＡＰＳ；Active Pixel Sensor ／ゲインセルともいわれる）構成の画素を備えた増幅型固体撮像装置がある。たとえば、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の多くはそのような構成をなしている。

このような増幅型固体撮像装置において画素信号を外部に読み出すには、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を任意に選択して読み出すようにしている。つまり、増幅型固体撮像装置は、アドレス制御型の固体撮像装置の一例である。

たとえば、単位画素がマトリクス状に配されたＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子の一種である増幅型固体撮像素子は、画素そのものに増幅機能を持たせるために、ＭＯＳ構造などの能動素子（ＭＯＳトランジスタ）を用いて画素を構成している。すなわち、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷（光電子）を前記能動素子で増幅し、画像情報として読み出す。

この種のＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子では、たとえば、画素トランジスタが２次元行列状に多数配列されて画素部が構成され、ライン（行）ごとあるいは画素ごとに入射光に対応する信号電荷の蓄積が開始され、その蓄積された信号電荷に基づく電流または電圧の信号がアドレス指定によって各画素から順に読み出される。ここで、ＭＯＳ（ＣＭＯＳを含む）型においては、アドレス制御の一例として、１行分を同時にアクセスして行単位で画素信号を画素部から読み出して外部に出力する方式が多く用いられている。また、画素部から読み出されたアナログの画素信号を、アナログ−デジタル変換装置（ＡＤ変換装置；Analog Digital Converter）にてデジタル信号に変換してから外部に出力する方式が採られることもある（たとえば特許文献１，２を参照）。

特開２０００−１５２０８２号公報 特開２００２−２３２２９１号公報

上記特許文献１，２に記載のように、ＡＤ変換の方式には回路規模や処理速度や分解能などの観点から様々なものがあり、その中には、アナログの単位信号とデジタル信号に変換するための単調に変化する参照信号と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信号を取得する、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ＡＤ変換方式があり、単調に変化する参照信号の生成に、ＤＡ変換装置を使用することがある。

ここで、ＤＡ変換装置にも、回路規模や処理速度や分解能などの観点から様々なものがあり、その中には、所定の電流値に重付けされた多数の電流源セルを使用し、この電流源セル群の中から多ビットデジタル入力信号に基づいて所定の電流源セルを選択して、この選択した電流源セルの定電流出力を加算出力することで、デジタル入力信号値に応じたアナログ電流出力を得る方式を採るものがある。

またこの種のＤＡ変換装置においては、デジタル入力信号に応じた電流源セルを選択するに当たり、一律に重付けされた多数の電流源セルを使用し、多ビットデジタル入力信号を１０進法にデコードし、そのデコード値に応じた数の電流源セルを選択するデコード方式（特許文献３参照）、２のべき乗（もしくは２のべき乗分の１）に重付けされた電流を出力する複数の電流源セルを使用し、多ビットデジタル入力信号のビット値に応じた電流源セルを選択するバイナリ方式、多ビットデジタル入力信号を上位ビットと下位ビットとに分け、上位ビットに関してはデコード方式を適用し下位ビットに関してはバイナリ方式を適用する複合方式（特許文献４参照）がある。

特開平５−１９１２９０号公報 特開平１１−１７５４５号公報

ここで、複合方式においては、上位ビット側では、一律に重付けされた多数の電流源セルを用意し、多ビットデジタル入力信号を１０進法にデコードし、デコード値をラッチに保持して電流源セルを選択し、下位ビット側では、上位ビット側の電流源セルに対して２のべき乗分の１に重付けされた電流値の電流源セルを用意し、多ビットデジタル入力信号の下位ビット値をラッチに保持して電流源セルを選択し、上位／下位でそれぞれラッチに保持したデータ値に基づいて選択された電流源セルの出力電流を合成することで、デジタル入力信号値に応じたアナログ電流出力を得る。なお、上位ビット側のデコードに関しては、フルデコードを行なうようになっている。

しかしながら、従来の複合方式では、フルデコード方式の上位ビット側とバイナリ方式の下位ビット側とが独立して動作するようになっており、たとえラッチタイミングが同じであったとしても、入力デジタル信号が高速になると、フルデコード方式とバイナリ方式を同時に動作させても、高速かつ確実にデコードとラッチを動作させて電流源セルを選択するのが困難となる。これは、特にフルデコード方式は高速化に不向きである点が原因である。その結果として、グリッチの発生やミスコードが発生し、安定なアナログ信号を得ることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、グリッチの発生やミスコードが発生の問題を解消し得るＤＡ変換の仕組みを提供することを目的とする。たとえば、いわゆるシングルスロープ積分型のＡＤ変換方式に使用される単調に変化する参照信号の生成に好適なＤＡ変換の仕組みを提供することを目的とする。

本発明においては、特許文献４と同様に、デジタル入力を上位ビットと下位ビットとに分けて電流源セルを選択制御することとする。このため、先ず、上位ビット制御部により選択制御される上位電流源セル部には、同一の定電流を出力する複数の上位電流源セルを設け、下位ビット制御部により選択制御される下位電流源セル部には、ビットの重付け電流を出力する下位定電流源セルを設ける。

ここで、下位ビット制御部は、入力されたカウントクロックに基づいて分周動作を行なう分周器を使用することで、２のべき乗分の１の分周クロックをビットデータとして生成し、この分周クロック（つまりビットデータ）を選択制御信号として使用して、対応する電流値に重付けされた下位電流源セルを選択する。また、上位ビット制御部は、下位ビット制御部の分周動作における桁上がりもしくは桁下がりを示す信号をシフトクロックとして使用してシフトレジスタのシフト出力を順次アクティブにしていき、このシフト出力を選択制御信号として使用することで上位電流源セルを順次選択する。

下位ビット制御部はカウントクロックに基づいて分周動作を行なうし、上位ビット制御部は、この分周動作に付随して生成される桁上がりもしくは桁下がりを示す信号をシフトクロックとして使用しシフト動作を行なうので、下位ビット制御部と上位ビット制御部とは、独立した動作ではなく連係（同期）した動作を行なうようになるし、上位ビット制御部は、確実に次のビットデータに対応した電流源セルを選択できるようになる。

本発明によれば、デジタル入力を上位ビットと下位ビットとに分けて対応する電流源セルを選択制御するに際し、下位ビット側に関しては、分周動作、つまりバイナリカウンタ動作を行なうことで、下位ビットそのものに対応する分周クロックで２のべき乗分の１で重付けされた下位電流源セルを選択し、上位ビット側に関しては、この分周動作に付随して生成される桁上がりもしくは桁下がりを示す信号をシフトクロックとして使用しシフトレジスタに対するシフト動作を行ない、各シフトレジスタのシフト出力を選択制御信号として使用して同じ電流値に重付けされた上位電流源セルを選択するようにした。

このため、下位ビット制御部と上位ビット制御部とは、独立した動作ではなく連係した動作を行なうようになり、デコード方式の上位ビット側とバイナリ方式の下位ビット側とが独立して動作することにより生じ得るグリッチやミスコードの発生を防止することができる。この結果、単調な変化特性を呈する参照信号が要求されるいわゆるシングルスロープ積分型のＡＤ変換方式に好適なＤＡ変換装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像装置の一例である、ＣＭＯＳ撮像素子をデバイスとして使用した場合を例に説明する。また、ＣＭＯＳ撮像素子は、全ての画素がＮＭＯＳあるいはＰＭＯＳよりなるものであるとして説明する。

ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはＭＯＳ型の撮像デバイスに限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置の全てに、後述する全ての実施形態が同様に適用できる。

＜固体撮像装置の構成＞
図１は、本発明に係る半導体装置の一実施形態であるＣＭＯＳ固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略構成図である。なお、このＣＭＯＳ固体撮像装置は、電子機器の一態様でもある。

固体撮像装置１は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部の一例）を含む複数個の画素が行および列に配列された（すなわち２次元マトリクス状の）画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部やデジタル変換部（ＡＤＣ；Analog Digital Converter）などが列並列に設けられているものである。

“列並列にＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられている”とは、垂直列の垂直信号線１９に対して実質的に並列に複数のＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられていることを意味する。複数の各機能部は、デバイスを平面視したときに、ともに画素部（撮像部）１０に対して列方向の一方の端縁側（図の下側に配されている出力側）にのみ配されている形態のものであってもよいし、画素部１０に対して列方向の一方の端縁側（図の下側に配されている出力側）とその反対側である他方の端縁側（図の上側）に分けて配されている形態のものであってもよい。後者の場合、行方向の読出走査（水平走査）を行なう水平走査部も、各端縁側に分けて配して、それぞれが独立に動作可能に構成するのがよい。

たとえば、列並列にＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられている典型例としては、撮像部の出力側に設けたカラム領域と呼ばれる部分に、ＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を垂直列ごとに設け、順次出力側に読み出すカラム型のものである。また、カラム型に限らず、隣接する複数（たとえば２つ分）の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態や、Ｎ本おき（Ｎは正の整数；間にＮ−１本を配する）のＮ本分の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることもできる。

カラム型を除くものは、何れの形態も、複数の垂直信号線１９（垂直列）が１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を共通に使用する構成となるので、画素部１０側から供給される複数列分の画素信号を１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部に供給する切替回路（スイッチ）を設ける。なお、後段の処理によっては、出力信号を保持するメモリを設けるなどの対処が必要になる。

何れにしても、複数の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることで、各画素信号の信号処理を画素列単位で読み出した後に行なうことで、同様の信号処理を各単位画素内で行なうものに比べて、各単位画素内の構成を簡素化し、イメージセンサの多画素化、小型化、低コスト化などに対応できる。

また、列並列に配された複数の信号処理部にて１行分の画素信号を同時並行処理することができるので、出力回路側やデバイスの外部で１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部にて処理を行なう場合に比べて、信号処理部を低速で動作させることができ、消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利である。逆に言えば、消費電力や帯域性能などを同じにする場合、センサ全体の高速動作が可能となる。

なお、カラム型の構成の場合、低速で動作させることができ消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利であるとともに切替回路（スイッチ）が不要である利点もある。以下の実施形態では、特に断りのない限り、このカラム型で説明する。

図１に示すように、固体撮像装置１は、画素形状が概ね正方状の複数の単位画素３が行および列（つまり正方格子状）に配列された画素部（撮像部）１０と、画素部１０の外側に設けられた駆動制御部７と、カラム処理部２６と、カラム処理部２６にＡＤ変換用の参照電圧を供給する参照信号生成部２７と、出力回路２８とを備えている。

なお、カラム処理部２６の前段または後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つＡＧＣ(Auto Gain Control) 回路などをカラム処理部２６と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部２６の前段でＡＧＣを行なう場合にはアナログ増幅、カラム処理部２６の後段でＡＧＣを行なう場合にはデジタル増幅となる。ｎビットのデジタル信号を単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。

駆動制御部７は、画素部１０の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば、駆動制御部７としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路（列走査回路）１２と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路（行走査回路）１４と、内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部２０とを備えている。

なお、図中、通信・タイミング制御部２０の近傍に点線で示すように、高速クロック生成部の一例であって、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成するクロック変換部２３を設けるようにしてもよい。通信・タイミング制御部２０は、端子５ａを介して入力される入力ロック（マスタークロック）CLK0やクロック変換部２３で生成された高速クロックに基づいて内部クロックを生成する。

クロック変換部２３で生成された高速クロックを源とする信号を用いることで、ＡＤ変換処理などを高速に動作させることができるようになる。また、高速クロックを用いて、高速の計算を必要とする動き抽出や圧縮処理を行なうことができる。また、カラム処理部２６から出力されるパラレルデータをシリアルデータ化してデバイス外部に映像データＤ１を出力することもできる。こうすることで、ＡＤ変換されたデジタル信号のビット分よりも少ない端子で高速動作出力する構成を採ることができる。

クロック変換部２３は、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成する逓倍回路を内蔵している。このクロック変換部２３は、通信・タイミング制御部２０から低速クロックCLK2を受け取り、それを元にして２倍以上高い周波数のクロックを生成する。クロック変換部２３の逓倍回路としては、ｋ１を低速クロックCLK2の周波数の倍数としたときｋ１逓倍回路を設ければよく、周知の様々な回路を利用することができる。

図１では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の単位画素３が配置されて画素部１０が構成される。この単位画素３は、典型的には、受光素子（電荷生成部）としてのフォトダイオードと、増幅用の半導体素子（たとえばトランジスタ）を有する画素内アンプとから構成される。

画素内アンプとしては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、ＣＭＯＳセンサとして汎用的な４つのトランジスタからなる構成のものを使用することができる。

あるいは、特許第２７０８４５５号公報に記載のように、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線（ＤＲＮ）に接続された増幅用トランジスタと、電荷生成部をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線（ＴＲＦ）を介して走査される読出選択用トランジスタ（転送ゲート部）を有する、３つのトランジスタからなる構成のものを使用することもできる。

画素部１０は、画像を取り込む有効領域である有効画像領域（有効部）の他に、光学的黒を与える基準画素領域が、有効画像領域の周囲に配されて構成される。一例としては、垂直列方向の上下に数行（たとえば１〜１０行）分の光学的黒を与える基準画素が配列され、また、有効画像領域１０ａを含む水平行における左右に数画素〜数１０画素（たとえば３〜４０画素）分の光学的黒を与える基準画素が配列される。

光学的黒を与える基準画素は、その受光面側が、フォトダイオードなどからなる電荷生成部に光が入らないように、遮光される。この基準画素からの画素信号は、映像信号の黒基準に使われる。

また、この固体撮像装置１は、画素部１０をカラー撮像対応にしている。すなわち、画素部１０における各電荷生成部（フォトダイオードなど）の電磁波（本例では光）が入射される受光面には、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れかの色フィルタが設けられている。

図示した例は、いわゆるベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列の基本形のカラーフィルタを用いており、正方格子状に配された単位画素３が赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色カラーフィルタに対応するように、色分離フィルタの繰返単位が２画素×２画素で配されて画素部１０を構成している。

たとえば、奇数行奇数列には第１のカラー（赤；Ｒ）を感知するための第１のカラー画素を配し、奇数行偶数列および偶数行奇数列には第２のカラー（緑；Ｇ）を感知するための第２のカラー画素を配し、偶数行偶数列には第３のカラー（青；Ｂ）を感知するための第３のカラー画素を配しており、行ごとに異なったＲ／Ｇ、またはＧ／Ｂの２色のカラー画素が市松模様状に配置されている。

このようなベイヤ配列の基本形のカラーフィルタの色配列は、行方向および列方向の何れについても、Ｒ／ＧまたはＧ／Ｂの２色が２つごとに繰り返される。

単位画素３は、行選択のための行制御線１５を介して垂直走査回路１４と、また垂直信号線１９を介してカラムＡＤ回路２５が垂直列ごとに設けられているカラム処理部２６と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線１５は垂直走査回路１４から画素に入る配線全般を示す。

水平走査回路１２は、カラム処理部２６からカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。水平走査回路１２や垂直走査回路１４などの駆動制御部７の各要素は、画素部１０とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子（撮像デバイス）として構成される。

水平走査回路１２や垂直走査回路１４は、後述のようにデコードを含んで構成され、通信・タイミング制御部２０から与えられる制御信号ＣＮ１，ＣＮ２に応答してシフト動作（走査）を開始するようになっている。このため、行制御線１５には、単位画素３を駆動するための種々のパルス信号（たとえば、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＦ、ＤＲＮ制御パルスＤＲＮなど）が含まれる。

通信・タイミング制御部２０は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータＴＧ（読出アドレス制御装置の一例）の機能ブロックと、端子５ａを介してマスタークロックCLK0を受け取り、また端子５ｂを介して動作モードなどを指令するデータＤＡＴＡを受け取り、さらに固体撮像装置１の情報を含むデータを出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。

たとえば、水平アドレス信号を水平デコード１２ａへ、また垂直アドレス信号を垂直デコード１４ａへ出力し、各デコード１２ａ，１４ａは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。

この際、単位画素３を２次元マトリックス状に配置してあるので、単位画素３により生成され垂直信号線１９を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で（列並列で）アクセスし取り込む（垂直）スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号（本例ではデジタル化された画素データ）を出力側へ読み出す（水平）スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。勿論、スキャン読みに限らず、読み出したい単位画素３を直接にアドレス指定することで、必要な単位画素３の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。

また、通信・タイミング制御部２０では、端子５ａを介して入力されるマスタークロック（マスタークロック）CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを２分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査回路１２、垂直走査回路１４、カラム処理部２６などに供給する。以下、２分周したクロックやそれ以下の周波数のクロック全般を纏めて、低速クロックCLK2という。

垂直走査回路１４は、画素部１０の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出行を規定する（画素部１０の行を選択する）垂直デコード１４ａと、垂直デコード１４ａにて規定された読出アドレス上（行方向）の単位画素３に対する行制御線１５にパルスを供給して駆動する垂直駆動回路１４ｂとを有する。なお、垂直デコード１４ａは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。

水平走査回路１２は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部２６のカラムＡＤ回路２５を順番に選択し、その信号を水平信号線（水平出力線）１８に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する（カラム処理部２６内の個々のカラムＡＤ回路２５を選択する）水平デコード１２ａと、水平デコード１２ａにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部２６の各信号を水平信号線１８に導く水平駆動回路１２ｂとを有する。なお、水平信号線１８は、たとえばカラムＡＤ回路２５が取り扱うビット数ｎ（ｎは正の整数）分、たとえば１０（＝ｎ）ビットならば、そのビット数分に対応して１０本配置される。

このような構成の固体撮像装置１において、単位画素３から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線１９を介して、カラム処理部２６のカラムＡＤ回路２５に供給される。

カラム処理部２６の各カラムＡＤ回路２５は、１列分の画素の信号を受けて、その信号を処理する。たとえば、各カラムＡＤ回路２５は、アナログ信号を、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば１０ビットのデジタル信号に変換するＡＤＣ(Analog Digital nverter)回路を持つ。

カラム処理部２６におけるＡＤ変換処理としては、行単位で並列に保持されたアナログ信号を、列ごとに設けられたカラムＡＤ回路２５を使用して、行ごとに並列にＡＤ変換する方法を採る。この際には、たとえば、特許公報第２５３２３７４号や学術文献“コラム間ＦＰＮのないコラム型ＡＤ変換器を搭載したＣＭＯＳイメージセンサ”（映情学技法,ＩＰＵ２０００−５７，ｐｐ．７９−８４）などに示されているシングルスロープ積分型（あるいはランプ信号比較型）のＡＤ変換の手法を使用する。この手法は、簡単な構成でＡＤ変換器が実現できるため、並列に設けても回路規模が大きくならないという特徴を有している。

ＡＤＣ回路の構成については、詳細は後述するが、変換開始から参照電圧RAMPと処理対象信号電圧とが一致するまでの時間に基づいて、アナログの処理対象信号をデジタル信号に変換する。このための仕組みとしては、原理的には、コンパレータ（電圧比較器）にランプ状の参照電圧RAMPを供給すると同時にクロック信号でのカウント（計数）を開始し、垂直信号線１９を介して入力されたアナログの画素信号を参照電圧RAMPと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行なう。

また、この際、回路構成を工夫することで、ＡＤ変換とともに、垂直信号線１９を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶsig との差分をとる処理を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Pattern Noise ）やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除くことができる。

このカラムＡＤ回路２５でデジタル化された画素データは、水平走査回路１２からの水平選択信号により駆動される図示しない水平選択スイッチを介して水平信号線１８に伝達され、さらに出力回路２８に入力される。なお、１０ビットは一例であって、１０ビット未満（たとえば８ビット）や１０ビットを超えるビット数（たとえば１４ビット）など、その他のビット数としてもよい。

このような構成によって、電荷生成部としての受光素子が行列状に配された画素部１０からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列状に配された画素部１０に対応する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部１０全体の画素信号の集合で示されることとなる。

＜カラムＡＤ回路と参照信号生成部の詳細＞
参照信号生成部２７は、画素部１０における色分解フィルタを構成する色フィルタの色の種類や配列に応じて、ＡＤ変換用の参照信号を発生する機能要素であるＤＡ変換回路（ＤＡＣ；Digital Analog Converter）を個別に備える。詳細については後述するが、本実施形態の参照信号生成部２７は、電流出力型のＤＡ変換回路を採用している。

使用する画素部１０（デバイス）を決めると、色分解フィルタにおける色フィルタの色の種類や配列は決まり、２次元格子位置における任意位置の色フィルタが何色であるのかを一義的に特定することができる。色フィルタの行方向および列方向の各繰返しサイクルも、その配列によって一義的に決まり、列並列に設けた各カラムＡＤ回路２５が処理対象とする１つの処理対象行には、色分解フィルタで使用される全色分ではなく、繰返しサイクルで決まるより少ない所定色の組合せの画素信号のみが存在することなる。

本実施形態では、この性質に着目し、比較回路とカウンタとでＡＤ変換回路を構成するに当たり、比較回路に供給するＡＤ変換用の参照信号を発生する機能要素である、色対応の個別の参照信号生成出力部の一例であるＤＡ変換回路を、色分解フィルタで使用される全色分設けるのではなく、先ず画素信号の読出単位である行方向に関して、色フィルタの繰返しサイクル内に存在する所定色の色フィルタの組合せに応じた数分だけとすることで、２次元における色フィルタの繰返しサイクル内に存在する色フィルタの全色分より少なくする。たとえば、処理対象行が何れであっても、その行内にはｘ（ｘは２以上の正の整数）色しか存在しない場合、そのｘ色に対応した色別の参照信号を比較回路に供給すればよく、ｘ個のＤＡ変換回路を用意すればよい。

なお、色対応の変化特性や初期値を持つ個別の参照信号を比較回路に供給するという観点では、処理対象行の切替えに対処する必要がある。このためには、ｘ個のＤＡ変換回路のそれぞれについて、さらに、行方向と直交する列方向について、その時点の処理色に対する参照信号を供給するための切替機構を設けるのがよい。

つまり、読出単位に応じた行方向とは異なる方向である異方向、すなわち垂直列方向に関しては、カラー画素の色特性に対応した変化特性（具体的には傾き）や、黒基準や回路オフセット成分などの色特性とは異なる非色特性の観点で規定された初期値を持って変化する色対応参照信号生成部を、垂直列方向における色フィルタの繰返しサイクル内に存在する所定色の色フィルタの組合せに応じた数分だけ、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれに設け、その色対応の参照信号生成出力部にて生成されるそれぞれの参照信号の何れか一方を選択して比較回路に供給する選択部を設ける構成にする。

この場合、たとえばベイヤ配列のように、２次元における色フィルタの繰返しサイクル内に、同色の色フィルタが存在する場合、この同色の色フィルタに関しては、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれが、１つの色対応参照信号生成部を兼用（共用）する構成とすることもできる。

何れの構成でも、参照信号生成出力部の一例である各ＤＡ変換回路のそれぞれは、処理対象行が切り替わることで、その処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号（アナログ基準電圧）の変化特性（具体的には傾き）を、色フィルタすなわちアナログの画素信号の特性に応じて切り替えて出力する。また、初期値に関しては、たとえば黒基準や回路のオフセット成分など、色特性とは異なる観点に基づいて設定することとなる。

こうすることで、参照電圧発生器（本例ではＤＡ変換回路に相当）やこの参照電圧発生器からの配線を色分解フィルタを構成する色フィルタの数よりも少なくすることができる。また、色フィルタごとに参照電圧発生器を用意した場合に必要とされていた（特許文献１参照）、各参照電圧発生器からのアナログ基準電圧（本例の参照信号に相当）を選択的に出力する垂直列ごとの選択手段（マルチプレクサ）も不要となるので、回路規模を縮小できる。カラー画素に応じた参照信号を比較器の入力側に伝達する信号線の数を、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分の数よりも少なくすることができる。

なお、本実施形態では採用しないが、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれに対して、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、対応するカラー画素の色特性に対応した変化特性（具体的には傾き）や、黒基準や回路オフセット成分などの色特性とは異なる観点に基づく初期値を、通信・タイミング制御部２０から設定するようにしてもよい。こうすることで、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれに色対応参照信号生成部や色対応参照信号生成部の何れかを選択する選択部を設ける必要がなくなる。

つまり、考え方としては、変化特性（具体的には傾き）や初期値を、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、ＤＡ変換回路に設定するようにすれば、色フィルタのそれぞれに応じた色対応参照信号生成部と色対応参照信号生成部を処理対象行に応じて切り替える選択部を設ける必要がなく、参照信号生成部２７の全体構成の規模をさらに縮小することができる。ただしこの場合、参照信号生成部２７の制御系の処理が複雑になる可能性がある。

本例では、固体撮像装置１としては、ベイヤ方式の基本配列のものを使用しており、先にも述べたように、色フィルタの繰返しは２行および２列ごととなる。行単位で画素信号を読み出して、垂直信号線１９ごとに、列並列に設けた各カラムＡＤ回路２５に画素信号を入力するので、１つの処理対象行には、Ｒ／ＧまたはＧ／Ｂの何れか２色のみの画素信号が存在する。よって、本例では、奇数列に対応したＤＡ変換回路２７ａと偶数列に対応したＤＡ変換回路２７ｂとを設けることとする。

さらに、各ＤＡ変換回路から独立に出力されるそれぞれの参照信号RAMPa ，RAMPb をそれぞれ独立した共通参照信号線２５１ａ，２５１ｂ（纏めて２５１ともいう）で電圧比較部２５２まで伝達することとする。各共通参照信号線２５１ａ，２５１ｂには、それぞれ複数の電圧比較部２５２ａ（奇数列のもの）、電圧比較部２５２ｂ（偶数列のもの）が接続される。

この際には、共通の色特性を持つ色フィルタに対応する複数の電圧比較部２５２ａ，２５２ｂに、それぞれ独立した共通参照信号線２５１ａ，２５１ｂを介して実質的に直接に伝達するように構成する。共通参照信号線２５１ａ，２５１ｂを介して実質的に直接に伝達するとは、共通参照信号線２５１ａ，２５１ｂと、それに対応する列の電圧比較部２５２ａ，２５２ｂ（それぞれ複数がである）との間には、マルチプレクサなどの選択手段が存在しないことを意味する。この点は、各アナログ参照電圧発生装置から出力される参照信号を垂直列ごとに設けられる比較器の入力側まで伝達し、それぞれの比較器の入力側直前に各アナログ参照電圧発生装置からの参照信号の何れか１つを選択的に出力する選択手段（マルチプレクサ）を設けている特許文献１の構成とは大きく異なる。

各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４（ＣＮ４ａ，ＣＮ４ｂ）で示される初期値から、通信・タイミング制御部２０からのカウントクロックＣＫdaca， ＣＫdacb（カウントクロックＣＫ０と同じでもよい）に同期して、階段状の鋸歯状波（ランプ電圧）を生成して、カラム処理部２６の対応する個々のカラムＡＤ回路２５に、この生成した鋸歯状波をＡＤ変換用の参照信号（ＡＤＣ基準信号）RAMPa ，RAMPb として供給するようになっている。なお、図示を割愛しているが、ノイズ防止用のフィルタを設けるとよい。

ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、本実施形態特有の機能として、所定位置の画素信号Ｖｘにおける信号成分Ｖsig について電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とを用いてＡＤ変換処理を行なう際には、それぞれが発する参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧を、画素の特性や回路ばら付きを反映させて、リセット成分ΔＶについてのＡＤ変換処理時とは異なる値に設定するとともに、色フィルタの配列を考慮して画素特性に適合するようにそれぞれの傾きβａ，βｂを設定する点に特徴を有する。

具体的には、先ず信号成分Ｖsig についての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖas、Ｖbsに関しては、任意の複数の黒基準を生成する画素から得られる信号を元に算出されたものとする。なお、黒基準を生成する画素は、カラー画素外に配置された電荷生成部をなす光電変換素子としてのフォトダイオードなど上に遮光層を有する画素とする。その配置場所や配置数などの配置形態および遮光手段は、特に限定されず、公知の仕組みを採ることができる。

また、この初期電圧は、各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂの特性によりそれぞれ生じる固有のばらつき成分を含むものとする。通常は、各初期電圧Ｖas、Ｖbsは、リセット成分ΔＶについての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖar、Ｖbrに対して、それぞれオフセットOFFa，OFFb分だけ低くする。

リセット成分ΔＶについての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖar、Ｖbrを同じにしていても、通常は、オフセットOFFa，OFFb分は異なる値となるので、信号成分Ｖsig についての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖas、Ｖbsは異なるものとなる。

なお信号成分Ｖsig についての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖas、Ｖbsは、黒基準を生成する画素から得られる信号以外にも任意のオフセットを含むものとしてもよい。

参照信号生成部２７の各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂが行なうオフセットOFFa，OFFb分の制御は、たとえば任意の複数の黒基準を生成する基準画素から得られる信号を元に初期電圧を算出する機能を通信・タイミング制御部２０に持たせ、この通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４で示される初期値に基づいて行なうようにしてもよい。もちろん、ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂが、初期電圧を算出する機能を持ち、自身で初期電圧を算出するようにしてもよい。

あるいは、チップ内の通信・タイミング制御部２０やＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂに、参照電圧の初期電圧を算出する機能を持つのではなく、チップ外の外部システムで黒基準を生成する基準画素から得られる信号を元に初期電圧を算出し、端子５ｂを介して動作モードの一部として初期電圧を示す情報を通信・タイミング制御部２０に通知し、この通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４で参照信号生成部２７に通知するようにしてもよい。

なお、参照信号生成部２７が発する階段状の参照信号、詳しくはＤＡ変換回路２７ａが発する参照信号RAMPa およびＤＡ変換回路２７ｂが発する参照信号RAMPb は、クロック変換部２３からの高速クロック、たとえば逓倍回路で生成される逓倍クロックを元に生成することで、端子５ａを介して入力されるマスタークロックCLK0に基づき生成するよりも高速に変化させることができる。

通信・タイミング制御部２０から参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂに供給する制御データＣＮ４ａ，ＣＮ４ｂは、比較処理ごとのランプ電圧の傾き（変化の度合い；時間変化量）を指示する情報も含んでいる。

カラムＡＤ回路２５は、参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａで生成される参照信号RAMPと、行制御線１５（Ｖ１，Ｖ２，…）ごとに単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ１，Ｈ２，…）を経由し得られるアナログの画素信号とを比較する電圧比較部（コンパレータ）２５２と、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間をカウントし、その結果を保持するカウンタ部２５４とを備えて構成されｎビットＡＤ変換機能を有している。

通信・タイミング制御部２０は、電圧比較部２５２が画素信号のリセット成分ΔＶと信号成分Ｖsig の何れについて比較処理を行なっているのかに応じてカウンタ部２５４におけるカウント処理のモードを切り替える制御部の機能を持つ。この通信・タイミング制御部２０から各カラムＡＤ回路２５のカウンタ部２５４には、カウンタ部２５４がダウンカウントモードで動作するのかアップカウントモードで動作するのかを指示するための制御信号ＣＮ５が入力されている。

電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPは、他の電圧比較部２５２の入力端子RAMPと共通に、参照信号生成部２７で生成される階段状の参照信号RAMPが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直列の垂直信号線１９が接続され、画素部１０からの画素信号電圧が個々に入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。

カウンタ部２５４のクロック端子ＣＫには、他のカウンタ部２５４のクロック端子ＣＫと共通に、通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０が入力されている。

このカウンタ部２５４は、その構成については図示を割愛するが、ラッチで構成されるデータ記憶部の配線形態を同期カウンタ形式に変更することで実現でき、１本のカウントクロックＣＫ０の入力で、内部カウントを行なうようになっている。カウントクロックＣＫ０も、階段状の電圧波形と同様に、クロック変換部２３からの高速クロック（たとえば逓倍クロック）を元に生成することで、端子５ａを介して入力されるマスタークロックCLK0より高速にすることができる。

ｎ個のラッチの組合せでｎビットのカウンタ部２５４を実現でき、２系統のｎ個のラッチで構成されるデータ記憶部の回路規模に対して半分になる。加えて、列ごとのカウンタ部が不要になるから、全体としては、大幅にコンパクトになる。

ここで、カウンタ部２５４は、詳細は後述するが、カウントモードに拘わらず共通のアップダウンカウンタ（Ｕ／Ｄ ＣＮＴ）を用いて、ダウンカウント動作とアップカウント動作とを切り替えて（具体的には交互に）カウント処理を行なうことが可能に構成されている点に特徴を有する。また、カウンタ部２５４は、カウント出力値がカウントクロックＣＫ０に同期して出力される同期カウンタを使用する。

なお、同期カウンタの場合、すべてのフリップフロップ（カウンタ基本要素）の動作がカウントクロックＣＫ０で制限される。よって、より高周波数動作が要求される場合には、カウンタ部２５４としては、その動作制限周波数が最初のフリップフロップ（カウンタ基本要素）の制限周波数でのみ決められるため高速動作に適する非同期カウンタの使用がより好ましい。

カウンタ部２５４には、水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して制御パルスが入力される。カウンタ部２５４は、カウント結果を保持するラッチ機能を有しており、制御線１２ｃを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ出力値を保持する。

このような構成のカラムＡＤ回路２５は、先にも述べたように、垂直信号線１９（Ｈ１，Ｈ２，…）ごとに配置され、列並列構成のＡＤＣブロックであるカラム処理部２６が構成される。

個々のカラムＡＤ回路２５の出力側は、水平信号線１８に接続されている。先にも述べたように、水平信号線１８は、カラムＡＤ回路２５のビット幅であるｎビット幅分の信号線を有し、図示しないそれぞれの出力線に対応したｎ個のセンス回路を経由して出力回路２８に接続される。

このような構成において、カラムＡＤ回路２５は、水平ブランキング期間に相当する画素信号読出期間において、カウント動作を行ない、所定のタイミングでカウント結果を出力する。すなわち、先ず、電圧比較部２５２では、参照信号生成部２７からのランプ波形電圧と、垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧とを比較し、双方の電圧が同じになると、電圧比較部２５２のコンパレータ出力が反転（本例ではＨレベルからＬレベルへ遷移）する。

カウンタ部２５４は、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期してダウンカウントモードもしくはアップカウントモードでカウント動作を開始しており、コンパレータ出力の反転した情報がカウンタ部２５４に通知されると、カウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する。

この後、カウンタ部２５４は、所定のタイミングで水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して入力される水平選択信号ＣＨ（ｉ）によるシフト動作に基づいて、記憶・保持した画素データを、順次、カラム処理部２６外や画素部１０を有するチップ外へ出力端子５ｃから出力する。

なお、本実施形態の説明としては直接関連しないため特に図示しないが、その他の各種信号処理回路なども、固体撮像装置１の構成要素に含まれる場合がある。

＜参照信号生成部の機能説明＞
図２は、固体撮像装置１において使用される参照信号生成部２７のＤＡ変換回路（ＤＡＣ）の機能を説明する図である。

ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、通信・タイミング制御部２０からＤＡＣ用のカウントクロックＣＫdac の供給を受け、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbに同期して、たとえば線形的に減少する階段状の鋸歯状波（ランプ波形）を生成し、カラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２に、この生成した鋸歯状波をＡＤ変換用の参照電圧（ＡＤＣ基準信号）として供給する。

ここで、ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、先ず、制御データＣＮ４に含まれている比較処理ごとのランプ電圧の初期値を指示する情報に基づき初期電圧を設定するとともに、制御データＣＮ４に含まれている比較処理ごとのランプ電圧の傾き（変化率）を指示する情報に基づき、１クロック当たりの電圧変化分ΔRAMPを設定し、単位時間（カウントクロックＣＫdac ）ごとに１ずつカウント値を変化させるようにする。実際には、カウントクロックＣＫdac の最大カウント数（たとえば１０ビットで１０２４など）に対しての最大電圧幅を設定するだけでよい。初期電圧を設定するための回路構成はどのようなものであってもよい。

こうすることで、ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、制御データＣＮ４に含まれている初期値を示す電圧（たとえば３．０Ｖ）から、１つのカウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbごとにΔRAMPずつ電圧を低下させる。

また、単位画素３からの画素信号（詳しくは真の信号成分）に対する係数を設定する際は、通信・タイミング制御部２０は、係数１を設定するカウントクロックＣＫdac1の基準周期に対して１／ｍ分周したカウントクロックＣＫdacmをＤＡ変換回路２７ａに供給する。ＤＡ変換回路２７ａは、制御データＣＮ４に含まれている初期値を示す電圧（たとえば３．０Ｖ）から、１つのカウントクロックＣＫdacmごとにΔRAMPずつ電圧を低下させる。

こうすることで、電圧比較部２５２に供給される参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きが、カウントクロックＣＫdac1（＝ＣＫ０）で参照信号RAMPa ，RAMPb を生成する場合に対して、１／ｍ倍となり、カウンタ部２５４にては、同じ画素電圧に対して、カウント値がｍ倍となる、すなわち係数としてｍを設定できる。

つまり、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbの周期を調整することで参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きを変えることができる。たとえば、基準に対して１／ｍ分周したクロックを使うと傾きが１／ｍとなる。カウンタ部２５４でのカウントクロックＣＫ０を同一とすれば、カウンタ部２５４にては、同じ画素電圧に対して、カウント値がｍ倍となる、すなわち係数としてｍを設定できる。つまり、参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きを変えることで、後述する差分処理時の係数を調整することができる。

図２から分かるように、参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きが大きい程、単位画素３に蓄積された情報量に掛かる係数は小さく、傾きが小さい程係数が大きいことになる。たとえば、カウントクロックＣＫdac1の基準周期に対して１／２分周したカウントクロックＣＫdac2を与えることで、係数を“２”に設定でき、１／４分周したカウントクロックＣＫdac4を与えることで、係数を“４”に設定できる。なお、ｎ／ｍ分周したカウントクロックＣＫdacnm を与えることで、係数をｍ／ｎに設定することもできる。

傾きを調整することでＡＤ変換時にアナログゲインを制御できることになる。つまり、係数を調整することで参照電圧の傾きを調整できるのであるが、参照電圧の傾きを変えることで、単位時間当たりの参照信号の振幅を調整でき、これは比較対象である画素信号に対してのゲイン調整として機能させることができるようになる。またこの傾きを、ＤＡ変換中に動的に切り替える（ＣＫ０よりも高周波数にして漸次傾きを大きくする）ことで、アナログ信号に対してγ（ガンマ）補正を加えた形態でＡＤ変換処理ができるようにもなる。

このように、カウントクロックＣＫdacmごとにΔRAMPずつ電圧を変化（本例では低下）させるようにしつつ、参照信号生成部２７に与えるカウントクロックＣＫdacnm の周期を調整することで、簡単かつ精度よく係数を設定することができる。なお、画素信号の信号成分Ｖsig についてのカウント処理のモードを調整することで係数の符号（＋／−）を指定することができる。

なお、ここで示した参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きを利用した係数の設定手法は一例であって、このような手法に限定されない。たとえば、参照信号生成部２７に与えるカウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbの周期を一定にしつつ、カウンタ出力値をｘ、制御データＣＮ４に含まれているランプ電圧の傾き（変化率）βとするとｙ＝α（初期値）−β＊ｘによって算出される電位を出力するなど、制御データＣＮ４に含まれているランプ電圧の傾き（変化率）を指示する情報により、１つのカウントクロックＣＫdac ごとの電圧変化分ΔRAMPを調整するなど、任意の回路を用いることができる。ランプ電圧の傾きすなわちＲＡＭＰスロープの傾きβの調整は、たとえばクロック数を変える以外に、単位電流源の電流量を変えることによって、クロック当たりのΔRAMPを調整することで実現できる。

オフセットを与え得るα（初期値）や傾きを与え得るβ（係数）の設定手法は、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbごとに少しずつ電圧変化するランプ波形を発生させる回路構成に応じたものとすればよい。一例としては、ランプ波形を発生させる回路を、定電流源の組合せと、その定電流源の何れか（１つもしくは任意数の複数）を選択する選択回路とで構成する場合、オフセットを与えるα（初期値）や傾きを与えるβ（係数）は何れも、定電流源を用いて、その定電流源に流れる電流を調整することで実現できる。

参照信号の生成手法に拘わらず、参照信号を、カラー画素の色特性に応じた傾きを持つとともに、たとえば黒基準や回路のオフセット成分など、色特性とは異なる観点に基づく初期値を持つようにすることで、色特性の観点と色特性とは異なる観点の双方について好適な参照信号を用いてＡＤ変換処理を行なうことができるようになる。

＜固体撮像装置の動作＞
図３は、図１に示した固体撮像装置１のカラムＡＤ回路２５における基本動作である信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。

画素部１０の各単位画素３で感知されたアナログの画素信号をデジタル信号に変換する仕組みとしては、たとえば、所定の傾きで下降するランプ波形状の参照信号RAMPと単位画素３からの画素信号における基準成分や信号成分の各電圧とが一致する点を探し、この比較処理で用いる参照信号RAMPの生成時点から、画素信号における基準成分や信号成分に応じた電気信号と参照信号とが一致した時点までをカウントクロックでカウント（計数）することで、基準成分や信号成分の各大きさに対応したカウント値を得る手法を採る。

ここで、垂直信号線１９から出力される画素信号は、時間系列として、基準成分としての画素信号の雑音を含むリセット成分ΔＶの後に信号成分Ｖsig が現れるものである。１回目の処理を基準成分（リセット成分ΔＶ）について行なう場合、２回目の処理は基準成分（リセット成分ΔＶ）に信号成分Ｖsig を加えた信号についての処理となる。以下具体的に説明する。

１回目の読出しのため、先ず通信・タイミング制御部２０は、モード制御信号ＣＮ５をローレベルにしてカウンタ部２５４をダウンカウントモードに設定するとともに、リセット制御信号ＣＮ６を所定期間アクティブ（本例ではハイレベル）にしてカウンタ部２５４のカウント値を初期値“０”にリセットさせる（ｔ９）。そして、任意の行Ｖαの単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ１，Ｈ２，…）への１回目の読出しが安定した後、通信・タイミング制御部２０は、参照信号生成部２７に向けて、参照信号RAMPa ，RAMPb 生成用の制御データＣＮ４ａ，ＣＮ４ｂを供給する。

これを受けて、参照信号生成部２７においては、先ず、Ｖα行上に存在する一方の色（奇数列のＲまたはＧ）のカラー画素特性に合わせた傾きβａを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持った参照信号RAMPa をＤＡ変換回路２７ａにて生成し、奇数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

同様に、Ｖα行上に存在する他方の色（偶数列のＧまたはＢ）のカラー画素特性に合わせた傾きβｂを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持った参照信号RAMPb をＤＡ変換回路２７ｂにて生成し、偶数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

電圧比較部２５２は、このRAMP波形の比較電圧と画素部１０から供給される任意の垂直信号線１９（Ｖα）の画素信号電圧とを比較する。

また、電圧比較部２５２の入力端子RAMPへの参照信号RAMPa ，RAMPb の入力と同時に、電圧比較部２５２における比較時間を、行ごとに配置されたカウンタ部２５４で計測するために、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期して（ｔ１０）、カウンタ部２５４のクロック端子に通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０を入力し、１回目のカウント動作として、初期値“０”からダウンカウントを開始する。すなわち、負の方向にカウント処理を開始する。

電圧比較部２５２は、参照信号生成部２７からのランプ状の参照信号RAMPと垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧Ｖｘとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をＨレベルからＬレベルへ反転させる（ｔ１２）。つまり、リセット成分Ｖrst に応じた電圧信号と参照信号RAMPとを比較して、リセット成分Ｖrst の大きさに対応した時間経過後にアクティブロー（Ｌ）のパルス信号を生成して、カウンタ部２５４に供給する。

この結果を受けて、カウンタ部２５４は、コンパレータ出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する（ｔ１２）。つまり、電圧比較部２５２に供給するランプ状の参照信号RAMPの生成とともにダウンカウントを開始し、比較処理によってアクティブロー（Ｌ）のパルス信号が得られるまでクロックＣＫ０でカウント（計数）することで、リセット成分Ｖrst の大きさに対応したカウント値を得る。

通信・タイミング制御部２０は、所定のダウンカウント期間を経過すると（ｔ１４）、電圧比較部２５２への制御データの供給と、カウンタ部２５４へのカウントクロックＣＫ０の供給とを停止する。これにより、電圧比較部２５２は、ランプ状の参照信号RAMPの生成を停止する。

この１回目の読出し時は、画素信号電圧ＶｘにおけるリセットレベルＶrst を電圧比較部２５２で検知してカウント動作を行なっているので、単位画素３のリセット成分ΔＶを読み出していることになる。

このリセット成分ΔＶ内には、単位画素３ごとにばらつく雑音がオフセットとして含まれている。しかし、このリセット成分ΔＶのばらつきは一般に小さく、またリセットレベルＶrst は概ね全画素共通であるので、任意の垂直信号線１９の画素信号電圧Ｖｘにおけるリセット成分ΔＶの出力値はおおよそ既知である。

したがって、１回目のリセット成分ΔＶの読出し時には、RAMP電圧を調整することにより、ダウンカウント期間（ｔ１０〜ｔ１４；比較期間）を短くすることが可能である。本実施形態では、リセット成分ΔＶについての比較処理の最長期間を、７ビット分のカウント期間（１２８クロック）にして、リセット成分ΔＶの比較を行なっている。

続いての２回目の読出し時には、リセット成分ΔＶに加えて、単位画素３ごとの入射光量に応じた電気信号成分Ｖsig を読み出し、１回目の読出しと同様の動作を行なう。すなわち、先ず通信・タイミング制御部２０は、モード制御信号ＣＮ５をハイレベルにしてカウンタ部２５４をアップカウントモードに設定する（ｔ１８）。そして、任意の行Ｖαの単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ１，Ｈ２，…）への２回目の読出しが安定した後、通信・タイミング制御部２０は、信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換処理のため、参照信号RAMPa生成用の制御データＣＮ４ａ（ここではオフセットOFFaと傾きβａを含む）をＤＡ変換回路２７ａに供給するとともに、参照信号RAMPb生成用の制御データＣＮ４ｂ（ここではオフセットOFFbと傾きβｂを含む）をＤＡ変換回路２７ｂに供給する。

これを受けて、参照信号生成部２７においては、先ず、Ｖα行上に存在する一方の色（奇数列のＲまたはＧ）のカラー画素特性に合わせた傾きβａを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持つとともに、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖarに対してオフセットOFFaだけ下がった参照信号RAMPa をＤＡ変換回路２７ａにて生成し、奇数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

同様に、Ｖα行上に存在する他方の色（偶数列のＧまたはＢ）のカラー画素特性に合わせた傾きβｂを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持つとともに、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖbrに対してオフセットOFFbだけ下がった参照信号RAMPb をＤＡ変換回路２７ｂにて生成し、偶数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

電圧比較部２５２は、このRAMP波形の比較電圧と画素部１０から供給される任意の垂直信号線１９（Ｖｘ）の画素信号電圧とを比較する。

先にも述べたように、このときの各参照電圧の初期電圧は、任意の複数の黒基準を生成する画素から得られる信号を元に算出されたものであり、ＤＡ変換回路２７ａから発せられる参照信号RAMPa とＤＡ変換回路２７ｂから発せられる参照信号RAMPb とでそれぞれ生ずる固有のばらつき成分を含む異なった値（オフセットOFFaおよびオフセットOFFb）となる。また、参照電圧の初期電圧は、黒基準を生成する画素から得られる信号以外にも任意のオフセットを含む場合もある。

電圧比較部２５２の入力端子RAMPへの参照信号RAMPa ，RAMPa の入力と同時に、電圧比較部２５２における比較時間を、行ごとに配置されたカウンタ部２５４で計測するために、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期して（ｔ２０）、カウンタ部２５４のクロック端子に通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０を入力し、２回目のカウント動作として、１回目の読出し時に取得された単位画素３のリセット成分ΔＶに対応するカウント値から、１回目とは逆にアップカウントを開始する。すなわち、正の方向にカウント処理を開始する。

電圧比較部２５２は、参照信号生成部２７からのランプ状の参照信号RAMPと垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧Ｖｘとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をＨレベルからＬレベルへ反転させる（ｔ２２）。つまり、信号成分Ｖsig に応じた電圧信号と参照信号RAMPとを比較して、信号成分Ｖsig の大きさに対応した時間経過後にアクティブロー（Ｌ）のパルス信号を生成して、カウンタ部２５４に供給する。

この結果を受けて、カウンタ部２５４は、コンパレータ出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する（ｔ２２）。つまり、電圧比較部２５２に供給するランプ状の参照信号RAMPの生成とともにダウンカウントを開始し、比較処理によってアクティブロー（Ｌ）のパルス信号が得られるまでクロックＣＫ０でカウント（計数）することで、信号成分Ｖsig の大きさに対応したカウント値を得る。

通信・タイミング制御部２０は、所定のダウンカウント期間を経過すると（ｔ２４）、電圧比較部２５２への制御データの供給と、カウンタ部２５４へのカウントクロックＣＫ０の供給とを停止する。これにより、電圧比較部２５２は、ランプ状の参照信号RAMPの生成を停止する。

この２回目の読出し時は、画素信号電圧Ｖｘにおける信号成分Ｖsig を電圧比較部２５２で検知してカウント動作を行なっているので、単位画素３の信号成分Ｖsig を読み出していることになる。

ここで、本実施形態においては、カウンタ部２５４におけるカウント動作を、１回目の読出し時にはダウンカウント、２回目の読出し時にはアップカウントとしているので、カウンタ部２５４内で自動的に、式（１）で示す減算が行なわれ、この減算結果に応じたカウント値がカウンタ部２５４に保持される。

ここで、式（１）は、式（２）のように変形でき、結果としては、カウンタ部２５４に保持されるカウント値は信号成分Ｖsig に応じたものとなる。

つまり、上述のようにして、１回目の読出し時におけるダウンカウントと２回目の読出し時におけるアップカウントといった、２回の読出しとカウント処理によるカウンタ部２５４内での減算処理によって、単位画素３ごとのばらつきを含んだリセット成分ΔＶとカラムＡＤ回路２５ごとのオフセット成分とを除去することができ、単位画素３ごとの入射光量に応じた信号成分Ｖsig に黒基準成分の補正を加えた信号についてのデジタル信号のみを簡易な構成で取り出すことができる。この際、回路ばらつきやリセット雑音も除去できる利点がある。

よって、本実施形態のカラムＡＤ回路２５は、アナログの画素信号をデジタルの画素データに変換するデジタル変換部としてだけでなく、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部としても動作することとなる。

また、式（２）で得られるカウント値が示す画素データは正の信号電圧を示すので、補数演算などが不要となり、既存のシステムとの親和性が高い。

ここで、２回目の読出し時は、入射光量に応じた信号成分Ｖsig を読み出すので、光量の大小を広い範囲で判定するために、アップカウント期間（ｔ２０〜ｔ２４；比較期間）を広く取り、電圧比較部２５２に供給するランプ電圧を大きく変化させる必要がある。

そこで本実施形態では、信号成分Ｖsig についての比較処理の最長期間を、１０ビット分のカウント期間（１０２４クロック）にして、信号成分Ｖsig の比較を行なっている。つまり、リセット成分ΔＶ（基準成分）についての比較処理の最長期間を、信号成分Ｖsig についての比較処理の最長期間よりも短くする。リセット成分ΔＶ（基準成分）と信号成分Ｖsig の双方の比較処理の最長期間すなわちＡＤ変換期間の最大値を同じにするのではなく、リセット成分ΔＶ（基準成分）についての比較処理の最長期間を信号成分Ｖsig についての比較処理の最長期間よりも短くすることで、２回に亘るトータルのＡＤ変換期間が短くなるように工夫する。

この場合、１回目と２回目との比較ビット数が異なるが、通信・タイミング制御部２０から制御データを参照信号生成部２７に供給して、この制御データに基づいて参照信号生成部２７にてランプ電圧を生成するようにすることで、ランプ電圧の傾きすなわち参照信号RAMPの変化率を１回目と２回目とで同じにする。デジタル制御でランプ電圧を生成するので、ランプ電圧の傾きを１回目と２回目とで同じにすることが容易である。これにより、ＡＤ変換の精度を等しくできるため、アップダウンカウンタによる式（１）で示した減算結果が正しく得られる。

２回目のカウント処理が完了した後の所定のタイミングで（ｔ２８）、通信・タイミング制御部２０は水平走査回路１２に対して画素データの読出しを指示する。これを受けて、水平走査回路１２は、制御線１２ｃを介してカウンタ部２５４に供給する水平選択信号ＣＨ（ｉ）を順次シフトさせる。

こうすることで、カウンタ部２５４に記憶・保持した式（２）で示されるカウント値、すなわちｎビットのデジタル信号で表された画素データが、ｎ本の水平信号線１８を介して、順次、カラム処理部２６外や画素部１０を有するチップ外へ出力端子５ｃから出力され、その後、順次行ごとに同様の動作が繰り返されることで、２次元画像を表す映像データＤ１が得られる。

以上説明したように、固体撮像装置によれば、アップダウンカウンタを用いつつ、その処理モードを切り替えて２回に亘ってカウント処理を行なうようにした。また、行列状に単位画素３が配列された構成において、カラムＡＤ回路２５を垂直列ごとに設けた列並列カラムＡＤ回路で構成した。

ここで、比較回路とカウンタとでＡＤ変換回路を構成するに当たり、比較回路に供給するＡＤ変換用の参照信号を発生する機能要素であるＤＡ変換回路を、カラー画像撮像に使用する色分解フィルタにおける色フィルタの全色分を用意するのではなく、色の種類や配列で決まる色の繰返しサイクルに応じた所定色の組合せに応じた分だけ設けるようにした。また、処理対象行が切り替わることで、その処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号（アナログ基準電圧）の変化特性（具体的には傾き）や初期値を、色フィルタすなわちアナログの画素信号の特性に応じて切り替えるようにした。

これにより、参照電圧発生器として機能するＤＡ変換回路や参照電圧発生器からの配線を色分解フィルタを構成する色フィルタの数よりも少なくすることができ、また、色フィルタごとに参照電圧発生器を用意した場合に必要となるアナログ基準電圧（参照信号）を選択的に出力するマルチプレクサも不要となるので、大幅に回路規模が縮小できる。

また、処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号の変化特性（具体的には傾き）を切替設定するようにしたので、画素部１０を構成する各カラー画素の特性に応じて互いに異なる基準電圧を各々生成して比較処理を行なうことによって、単位画素から出力されるアナログの画素信号をデジタル信号に変換する際、各々のカラーに応じて参照信号の傾きを調節することで、各カラーの特性を緻密に制御することができる。

加えて、ＤＡ変換回路が発する参照信号の初期値をＤＡ変換回路で生ずる固有のばらつき成分や黒基準成分に応じて切替設定するようにしたので、回路ばらつきを補正できるとともに、黒基準成分の補正を加えた信号のみについて簡易な構成でＡＤ変換することができる。

さらに、基準成分（リセット成分）と信号成分との減算処理が２回目のカウント結果として垂直列ごとに直接に取得することができ、基準成分と信号成分のそれぞれのカウント結果を保持するメモリ装置をカウンタ部が備えるラッチ機能で実現でき、ＡＤ変換されたデータを保持する専用のメモリ装置をカウンタとは別に用意する必要がない。

加えて、基準成分と信号成分との差を取るための特別な減算器が不要になる。よって、従来構成よりも、回路規模や回路面積を少なくすることができ、加えて、雑音の増加や電流あるいは消費電力の増大を解消することができる。

また、比較部とカウンタ部でカラムＡＤ回路（ＡＤ変換部）を構成したので、ビット数によらずカウンタ部を動作させるカウントクロック１本とカウントモードを切り替える制御線とでカウント処理を制御でき、従来構成で必要としていたカウンタ部のカウント値をメモリ装置まで導く信号線が不要になり、雑音の増加や消費電力の増大を解消することができる。

つまり、ＡＤ変換装置を同一チップ上に搭載した固体撮像装置１において、電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とを対にしてＡＤ変換部としてのカラムＡＤ回路２５を構成するとともに、カウンタ部２５４の動作としてダウンカウントとアップカウントとを組み合わせて使用しつつ、処理対象信号の基本成分（本実施形態ではリセット成分）と信号成分との差をデジタル信号にすることで、回路規模や回路面積や消費電力、あるいは他の機能部と間のインタフェース用配線の数や、この配線によるノイズや消費電流などの問題を解消することができる。

なお、図示を割愛するが、カウンタ部２５４の後段に、このカウンタ部２５４の保持したカウント結果を保持するｎビットのメモリ装置としてのデータ記憶部を設けてもよい。データ記憶部には、通信・タイミング制御部２０からのメモリ転送指示パルスが入力され、また、水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して制御パルスが入力される。データ記憶部は、制御線１２ｃを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ部２５４から取り込んだカウント値を保持する。水平走査回路１２は、カラム処理部２６の各電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とが、それぞれが担当する処理を行なうのと並行して、各データ記憶部が保持していたカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。このような構成にすると、パイプライン処理が実現できる。

すなわち、カウンタ部２５４の動作前に、通信・タイミング制御部２０からのメモリ転送指示パルスに基づき、前行Ｈｘ−１の処理時におけるカウント結果をデータ記憶部に転送する。

図３に示した動作では、処理対象の画素信号における２回目の読出処理、すなわちＡＤ変換処理が完了した後でなければ画素データをカラム処理部２６の外部に出力することができないので、読出処理には制限があるのに対して、カウンタ部２５４の後段にデータ記憶部を設けると、処理対象の画素信号における１回目の読出処理（ＡＤ変換処理）に先立って前回の減算処理結果を示すカウント値をデータ記憶部に転送することができ、読出処理には制限がない。

よって、このような構成を採ることで、カウンタ部２５４のカウント動作すなわちＡＤ変換処理と、カウント結果の水平信号線１８への読出動作とを独立して制御可能であり、ＡＤ変換処理と外部（先ずは水平信号線１８）への信号の読出動作とを独立・並行して行なうパイプライン動作が実現できる。

＜参照信号生成部の構成；具体例＞
図４は、参照信号生成部２７の具体的な構成例を示す図である。先にも述べたが、参照信号生成部２７の基本構成として、電流出力型のＤＡ変換回路を採用している。電流出力型のＤＡ変換回路は、行列状に配列されたセル配列を備える電流源セルマトリクス形のものとなっている。

従来、この電流出力型のＤＡ変換回路としては、同一の定電流を生成すべく所定の電流値に重付けされた複数の電流源セルを使用し、この電流源セルの中から多ビットデジタル入力信号のデータ値に応じた電流源セルを選択して、この選択電流源セルの定電流出力を加算出力させることにより、デジタル入力信号値に応じたアナログ電流出力を得るようにしたものが提供されている。

電流源セルを選択するための回路方式としては、デコード方式やバイナリ方式や、その両者を組み合わせた複合方式のものを中心として多数の方式が採用されているが、中でも、上位ビットと下位ビットの２段階に分けてデジタル入力信号をアナログ信号に変換する方式が広く知られている（たとえば特開平１１−１７５４５号公報を参照）。

しかしながら従来の複合方式の構成では、入力デジタル信号に対して、上位ビット側では１０進法にデコードされ、下位ビット側ではバイナリ方式に分割する方式が用いられており、さらにデコード方式では、マトリクス状に配列された定電流源セルの選択をデコードとラッチで行なう。そのため入力デジタル信号が高速になると、デコード方式とバイナリ方式で分割された装置を同時に動作させることと、高速かつ確実にデコードとラッチを動作させてセルを選択するのが困難となる。その結果として、グリッチの発生やミスコードの発生原因を生成し安定な動作の実現を困難としてしまう。

そこで、本実施形態では、このような問題を解消し得る仕組みを採用する。以下具体的に説明する。

図４に示すように、参照信号生成部２７（ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂ）をなす本実施形態のＤＡ変換部３００は、当該ＤＡ変換部３００の全体を制御するとともに定電流源選択制御部の機能も備えた本実施形態の特徴部分であるＤＡＣ制御部３１０と、複数の電流源セル（定電流源）を具備してなる電流源セル部３５０と、参照信号の振幅に関わる電流源セル部３５０内の各電流源セルの動作電流を設定する電流設定部としての電圧振幅制御部３６０とを備えている。

ＤＡＣ制御部３１０は、ＤＡＣ制御部３１０内の各部の動作を制御するブロック制御部３２０と、処理対象の入力デジタル信号Ｄinの入力段に配され下位ビットの制御処理を担当する下位ビット制御部３３０と処理対象の入力デジタル信号Ｄinの入力段に配され上位ビットの制御処理を担当する上位ビット制御部３４０とを備えている。

電流源セル部３５０は、所定の重み電流を出力する複数種類の下位電流源セル３５３を持つ下位電流源セル部３５２と、行列状に配列されそれぞれ同一（一律）の所定の重み電流を出力する上位電流源セル３５５を持つ上位電流源セル部３５４とを有する。

下位電流源セル部３５２には、デジタル入力信号の下位ビットの各ビットに１個ずつ対応する下位側ｊビットを担当するｊ個の下位電流源セル３５３が並列に設けられる。下位電流源セル３５３の出力端は、各下位電流源セル３５３の出力電流を合成するための選択出力線３９６に接続される。選択出力線３９６は、ＤＡＣ出力端子DACoutに接続される。

下位電流源セル部３５２の各下位電流源セル３５３の電流値の重付けは、上位電流源セル部３５４の各上位電流源セル３５５の電流値に対して、それぞれ１／２，１／４，…，１／２＾ｊとされる。各下位電流源セル３５３は、入力デジタル信号Ｄinの下位ｊビットのそれぞれに対応するビットの論理値（“１”または“０”）に応じて、下位ビット制御部３３０によって個別に選択されるようになっている。入力デジタル信号Ｄinの下位ｊビットに基づいて下位ビット制御部３３０によって選択された下位電流源セル３５３の出力電流は、ＤＡＣ出力端子DACoutにて、一方が基準電圧Ｖref と接続された基準抵抗３９８により加算出力される。

上位電流源セル部３５４には、上位側ｉビットを担当する少なくとも２＾ｉ個（好ましくは（２＾ｉ）＋ｙ（ｙは任意）個）の上位電流源セル３５５が２次元マトリクス状に設けられる。その周りには、各上位電流源セル３５５を選択するべく、上位電流源セル３５５のマトリクス配置に応じたマトリクス選択線３５８を有する。

上位電流源セル部３５４は、上位ビット制御部３４０により、デジタル入力信号の上位ビットデータ値に応じた数の上位電流源セル３５５が選択されるようになっている。選択された上位電流源セル３５５の出力電流は下位電流源セル部３５２と同様に、ＤＡＣ出力端子DACoutにて加算出力される。この加算電流Ｉdac と基準抵抗３９８の抵抗値Ｒref との積により、ＤＡＣ出力端子DACoutの出力電圧が規定される。

電圧振幅制御部３６０内には、電流量調整用の電流源セルが設けられており、この電流量調整用の電流源セルが、電流源セル部３５０内の各電流源セル３５３，３５５との間でカレントミラーを構成するようになっている。これにより、電流源セル部３５０内の各電流源セル３５３，３５５の動作電流を設定することで、任意の設定されたゲインで動作するＤＡ変換回路が実現できるようになり、動作電流を調整することで、たとえば、−３ｄＢから２０ｄＢまでゲインを可変できる。後述するように、電流源セル部３５０はデジタル信号で制御されるので、ＤＡ変換部３００は、所望の入力デジタル信号Ｄinを所望のゲインでアナログ出力できるＤＡ変換回路として動作可能となる。

ブロック制御部３２０は、通信・タイミング制御部２０から供給される多ビットデジタル信号Ｄinに基づいて、上位ビット制御部３４０と下位ビット制御部３３０とを制御する。一例として、上位ｉビットについては１０進数にデコードし、そのデコード値に基づいてシフトレジスタ部３４２内のシフトレジスタを制御する。

またブロック制御部３２０は、ＤＡＣモード、ＤＡＣ開始、あるいはＤＡＣ解像度などを制御するための各種の制御信号J320が入力されるようになっており、入力デジタル信号Ｄin（たとえばデコード値）やこれらの制御信号J320に基づいて、下位ビット制御部３３０を制御する制御信号J330を下位ビット制御部３３０に供給するとともに、上位ビット制御部３４０を制御する制御信号J340を上位ビット制御部３４０に供給する。

制御信号J330としては、たとえば分周処理部３３２の出力を一定の論理レベル（ここではクリア値）にするリセット信号が存在する。また、制御信号J340としては、たとえばシフトレジスタ部３４２の出力を一定の論理レベル（ここではクリア値やフル値）にするリセット信号およびセット信号が存在する。

またブロック制御部３２０には、ＤＡ変換用のカウントクロックＣＫdac が外部クロックとして通信・タイミング制御部２０から入力されるようになっており、このカウントクロックＣＫdac を整形して、内部カウントクロックＣＫcnt として下位ビット制御部３３０に供給するようになっている。

また、ブロック制御部３２０は、上位電流源セル部３５４の上位電流源セル３５５の使用する数を規定することで、ＤＡ変換のデジタル解像度（たとえばｉビットの“ｉ”）を規定するべく、その制御のための制御信号J342を上位ビット制御部３４０に供給するようにもなっている。この制御信号J342としては、たとえば、各シフトレジスタの活性化を制御するイネーブル信号を使用することができる。各シフトレジスタの出力イネーブル（ＯＥ）端子に供給するイネーブル信号をアクティブにしたときには、各シフトレジスタの出力が有効となるが、イネーブル信号をインアクティブにして各シフトレジスタの出力を無効とする（たとえば非反転出力端子ＱをＬレベル、反転出力端子ｘＱをＨレベルに維持する）ことで、各シフトレジスタの活性化を制御することができるのである。

たとえば、最大解像度としてｉビット分（２＾ｉ個）の上位電流源セル３５５を持つ上位電流源セル部３５４において、たとえば純粋にビット単位で解像度を制御する場合であれば、ｘ（ｘ≦ｉ）ビットの解像度で使用する場合には、２＾ｘ個の上位電流源セル３５５のみが活性化するように制御する。この場合、制御信号J342としてはｉ本（制御信号J342_1〜_i）あればよい。

制御信号J342_1は１個目の上位電流源セル３５５の活性化を制御し、制御信号J342_2は２個目〜２＾２個目までの上位電流源セル３５５の活性化を制御し、以下同様に、制御信号J342_1〜_xは、１＋２＾（ｘ−１）個目〜２＾ｘ個目までの上位電流源セル３５５の活性化を制御するために使用される。つまり、総数２＾ｉ（＋ｙ個があってもよい）の上位電流源セル３５５をｘ個のブロックに分割し、予め所望のデジタル解像度に対応した上位電流源セル３５５のみが使用されるように選択しておく。

下位ビット制御部３３０は、ブロック制御部３２０から供給された内部カウントクロックＣＫcnt をカウントするカウンタ（つまりクロックを分周する分周器）を具備してなる分周処理部３３２と、ＤＡ変換部３００の出力に現われ得るグリッチを抑制する複数のグリッチ抑制回路を具備してなるグリッチ抑制処理部３３６とを備えている。グリッチ抑制回路は、下位電流源セル部３５２に設けられる電流源セルの数と同数分（ｊ個）が設けられる。

分周処理部３３２は、１クロック期間で１ＬＳＢに相当するＤＡ変換を実行可能とするべく設けられており、具体的には、２のべき数分の１を生成する（ｊ−１）個の分周器を有し、事実上のカウントクロックＣＫcnt そのものの１分周クロックと分周器で分周した（ｊ−１）ビットの下位ビットバイナリ出力、すなわち１／２，１／４，…，１／２＾（ｊ−１）の分周クロックを選択制御信号としてグリッチ抑制処理部３３６の対応するグリッチ抑制回路に供給する（詳細は後述する）。つまり、下位ｊビットのバイナリデータに相当する出力となる１／２＾ｋ（ｋは０からｊ−１まで）分周クロックをグリッチ抑制処理部３３６_j-kに供給する。この分周処理部３３２は、下位電流源セル部３５２に設けられるｊ個の下位電流源セル３５３に対してのセレクタとして機能する。

グリッチ抑制処理部３３６は、各分周クロックを、各グリッチ抑制回路によりグリッチ抑制処理を行なってから、１／２＾ｋ（ｋは０〜（ｊ−１））分周クロックに対して１／２＾（ｊ−ｋ）の電流値を持つ電流源セルというように、下位電流源セル部３５２の対応する下位電流源セル３５３に供給する。たとえば、１分周クロックに対しては１／２＾ｊの電流値を持つ下位電流源セル３５３_jに接続され、１／２分周クロックに対しては１／２＾（ｊ−１）の電流値を持つ下位電流源セル３５３_j-1に接続され、１／４分周クロックに対しては１／２＾（ｊ−２）の電流値を持つ下位電流源セル３５３_j-2に接続され、以下同様に、１／２＾（ｊ−２）分周クロックに対しては１／４の電流値を持つ下位電流源セル３５３_2に接続され１／２＾（ｊ−１）分周クロックに対しては１／２の電流値を持つ下位電流源セル３５３_1に接続される。

また、下位ビット制御部３３０は、下位電流源セル部３５２の各下位電流源セル３５３を選択するべく、下位電流源セル３５３の数に応じた選択線３３８を有し、選択線３３８を制御することで、デジタル入力信号の下位ビットデータ値に相当する下位電流源セル３５３を選択する。本構成例の場合、分周処理部３３２と下位電流源セル部３５２との間の選択線３３８上にグリッチ抑制処理部３３６が設けられることになる。

グリッチ抑制処理部３３６は、詳細は後述するが、分周処理部３３２からの分周クロックに基づいて、正論理出力Ｑと負論理出力ｘＱとを各出力端子から略同時に出力する（以下相補出力をするともいう）ように構成されており、選択線３３８としては、それに応じて２本の選択線が各下位電流源セル３５３（詳細にはその差動スイッチ入力端）に接続されるようになっている。

また、下位ビット制御部３３０は、桁上がり時もしくは桁下がり時を示す信号をシフトクロックＣＫsrとして上位ビット制御部３４０のシフトレジスタ部３４２に供給するシフト制御部３３３を備えている。たとえば、シフト制御部３３３は、桁上がり時を示すシフトクロックＣＫsrを生成するべく、分周処理部３３２の下位ビットバイナリ出力の内の１／２＾（ｊ−１）分周クロックを論理反転するバッファ機能を有するインバータ３３４を備えている。分周処理部３３２は、１／２＾（ｊ−１）分周クロックをインバータ３３４を介して逆相にし、その変化エッジの一方を利用することで、シフトクロックＣＫsrとして、上位ビット制御部３４０に供給する。

もちろん、シフト制御部３３３のこのような構成は一例であって、たとえばアップカウント動作時に生成可能なキャリー（Carry ）パルスを桁上がり時を示すシフトクロックＣＫsrとして使用することもできるし、ダウンカウント動作時に生成可能なボロー（Borrow）パルスを桁下がり時を示すシフトクロックＣＫsrとして使用することもできる。

上位ビット制御部３４０は、上位ｉビット分（２＾ｉ個）のシフトレジスタを具備したシフトレジスタ部３４２と、ＤＡ変換部３００の出力に現われ得るグリッチを抑制する複数のグリッチ抑制回路を具備してなるグリッチ抑制処理部３４６とを備えている。グリッチ抑制回路は、上位電流源セル部３５４に設けられる電流源セルの数と同数分（２＾ｉ個）が設けられる。シフトレジスタ部３４２には、下位ビット制御部３３０からシフトクロックＣＫsrが供給されるようになっている。

シフトレジスタ部３４２は、上位ｉビットの各データ値に相当するＤＡ変換を実行可能とするべく設けられており、具体的には、上位ｉビットのデジタル信号に順次対応するように縦続接続されたシフトレジスタを備え、下位ビット制御部３３０から供給されるシフトクロックＣＫsrに基づいて、そのシフト出力端子を順次所定方向にアクティブに（活性化）することで、入力デジタル信号の上位ｉビットを１０進数にデコードしたデータ値をシフト出力端子に出力する。

シフトレジスタの各シフト出力は選択制御信号として、それぞれグリッチ抑制処理部３４６の対応するグリッチ抑制回路に供給される（詳細は後述する）。グリッチ抑制処理部３４６は、各シフト出力を、各グリッチ抑制回路によりグリッチ抑制処理を行なってから、上位電流源セル部３５４の対応する上位電流源セル３５５に供給する。

また、上位ビット制御部３４０は、上位電流源セル部３５４の各上位電流源セル３５５を選択するべく、上位電流源セル３５５の数に応じたマトリクス選択線３４８（マトリクス選択線３５８に対応するもの）を有し、マトリクス選択線３４８を制御することで、デジタル入力信号の上位ビットデータ値に相当する上位電流源セル３５５を選択する。本構成例の場合、シフトレジスタ部３４２と上位電流源セル部３５４との間のマトリクス選択線３４８上にグリッチ抑制処理部３４６が設けられることになる。

グリッチ抑制処理部３４６は、詳細は後述するが、シフトレジスタ部３４２から出力されるシフト出力に基づいて相補出力をするように構成されており、上位電流源セル部３５４の周りに配されたマトリクス選択線３５８としては、各出力Ｑ，ｘＱに応じて２本の選択線が各上位電流源セル３５５（詳細にはその差動スイッチ入力端）に接続されるようになっている。

なお、シフトレジスタ部３４２は、ブロック制御部３２０から供給されるデジタル解像度制御用の制御信号J342_1〜_iがシフトレジスタの出力イネーブル端子に供給され、たとえばｘ（ｘ≦ｉ）ビットの解像度で使用する場合には、予め、２＾ｘ個のシフトレジスタのみが活性化するようにされる。

制御信号J342_1は１個目のシフトレジスタの活性化を制御し、制御信号J342_2は２個目〜２＾２個目までのシフトレジスタの活性化を制御し、以下同様に、制御信号J342_1〜_xは、１＋２＾（ｘ−１）個目〜２＾ｘ個目までのシフトレジスタの活性化を制御するために使用される。つまり、総数２＾ｉ（＋ｙ個があってもよい）のシフトレジスタをｘ個のブロックに分割することで、予め所望のデジタル解像度に対応したシフトレジスタのみが使用されるように選択しておき、これにより所望のデジタル解像度に対応した上位電流源セル３５５のみが使用されるようにする。

もちろん、デジタル解像度はビット単位で制御することに限らず任意の値ｚで制御することもできる。たとえば、上位ｉビットが７ビットで任意のｙが８でブロックを４つのシフトレジスタで区切ったｚが３４の場合、予め設定された所望のデジタル解像度に対応した制御信号がｚごとにシフトレジスタに入力される。

上位ビット制御部３４０は、デジタル入力信号の上位ビットデータ値に相当する数の上位電流源セル３５５を選択することで、上位ビットデータ分のＤＡ変換を行なう。この際、デジタル解像度に対応した数のシフトレジスタや上位電流源セル３５５のみが活性化するように制御することで、設定されたデジタル解像度に達した時点以降は事実上ＤＡ変換が行なわれないようにする。つまり、上位ビット制御部３４０は、下位ビット制御部３３０から供給されるシフトクロックＣＫsrに基づいて上位ビットデータに基づいてＤＡ変換を開始するととともに、自動的に、所望のデジタル解像度に達した時点でＤＡ変換が停止するようになる。

シフトレジスタ部３４２は、下位ビット制御部３３０から供給されるシフトクロックＣＫsrに基づいて、縦続接続されたシフトレジスタのシフト出力端子を順次所定方向にアクティブ（活性化）にする。ここで「所定方向」とは、下位ビット制御部３３０が桁上がり動作時の場合には、シフトアップを示すシフトクロックＣＫsrが供給されるので、１つの上位電流源セル３５５がさらに活性化される方向にシフト動作を行なう。一方、下位ビット制御部３３０が桁下がり動作時の場合には、シフトダウンを示すシフトクロックＣＫsrが供給されるので、その時点において不活性化している最終段の上位電流源セル３５５が不活性化される方向にシフト動作を行なう。

つまり、このＤＡ変換部３００は、詳細は後述するが、高速性と確実にビットをカウントするために、クロックカウンタとして動作する分周処理部３３２と上位ビット制御部３４０とを用いることで、必要なビット数を上位ｉビットと下位ｊビットに分割する。下位ｊビットに関しては、分周処理部３３２にて２のべき数分の１を生成するとともに、下位電流源セル部３５２に設けられるｊ個の下位電流源セル３５３に対してのセレクタとして機能する分周処理部３３２で、下位電流源セル部３５２の下位電流源セル３５３を選択駆動する。また、上位ｉビットに関しては、分周処理部３３２からのシフトクロックＣＫsrに基づいて上位ビット制御部３４０のシフトレジスタを１クロックごとに所定方向に活性化／不活性化させることで、上位電流源セル部３５４の上位電流源セル３５５を選択駆動する。

こうすることで、バイナリカウンタ方式で制御される下位電流源セル部３５２とデコード方式で制御される上位電流源セル部３５４の動作が連動して行なわれるようになり、入力デジタル信号が高速になっても、バイナリ方式とデコード方式で分割された電流源セル部３５０をほぼ同時に動作させることができ、その結果として、入力デジタル信号に対応する分の電流源セル３５３，３５５を高速かつ確実に選択することがでるようになる。これにより、高速動作時においても、グリッチの発生やミスコードの発生が生じないようにすることができ、安定したＤＡ変換動作が実現可能となる。

つまり、本実施形態のＤＡ変換部３００は、ｎビットのデジタル信号を、上位ｉビットと下位ｊビットに分割し（ｎ＝ｉ＋ｊ）、上位ビットでは上位電流源セル３５５に対して同じ重みを持つ電流値を上位デジタル信号に応じて生成すべく一律に重付けしたマトリクス型電流源セル構成の上位電流源セル部３５４を構成し、上位電流源セル部３５４を上位ビット制御部３４０によりデコード方式で制御し、下位ビットでは下位電流源セル３５３に対して２のべき数分の１の重みを持つ電流値を生成すべく重付けされた並列型電流源セルの下位電流源セル部３５２を構成し、この下位電流源セル部３５２を下位ビット制御部３３０によりバイナリカウンタ方式で制御するようにしている。

そして、下位ビット制御部３３０における桁上がりもしくは桁下がりに連動して上位ビット制御部３４０に内蔵のシフトレジスタを桁上がりや桁下がりに対応する方向にシフト動作させることで、入力デジタル値に対応する分の下位の下位電流源セル３５３と上位の上位電流源セル３５５の選択動作がほぼ同時に行なわれるようにする点に大きな特徴を有している。以下、それぞれの機能部の詳細と、その動作の詳細について、具体的に説明する。

＜全体動作の概要＞
図５は、下位ビット制御部３３０と上位ビット制御部３４０を中心とするＤＡ変換部３００の全体の動作概要を説明するタイミングチャートである。ここでは、下位ｊビットが５の場合であって、上位電流源セル部３５４には２＾ｉ個の上位電流源セル３５５が設けられる場合で示す。

なお、図では、下位ビット制御部３３０の分周処理部３３２から出力される各分周クロックと、上位ビット制御部３４０のシフトレジスタ部３４２から出力される各シフト出力とともに各カウンタ値に相当するデジタルコードも示している。なお、デジタルコードはヘキサデータ（Ｈｅｘ）で示しているが、１０進数でも２進数でもよい。

分周処理部３３２およびシフトレジスタ部３４２の各出力がローレベル時に各電流源セル３５３，３５５がオンするものとする。したがって、初期値においては、分周処理部３３２およびシフトレジスタ部３４２の各出力はＨレベルとなり、全ての電流源セル３５３，３５５はオフするものとする。

分周処理部３３２は、リセット＝ＨＩＧＨ、イネーブル＝ＨＩＧＨのときに、分周処理部３３２に入力クロックを伝えることができるようになる。したがって、リセット状態（リセット信号＝ＬＯＷ、または、イネーブル信号＝ＬＯＷ）では全ての分周クロック出力はハイレベルとなり各電流源セル３５３，３５５はオフ状態になる。初期状態（リセット）からイネーブル信号によって動作は開始されるとし、セット信号はリセット状態においてシフトレジスタの一部をオンさせたいときに使用するものである。

先ず分周処理部３３２内においては、１分周クロックがＨレベルに遷移するときに１／２分周器はスイッチング動作が行なわれ、１／１６分周器は１分周クロックが１６回Ｈレベルに遷移したときにスイッチングが行なわれる。

また、シフトレジスタ部３４２内においては、分周処理部３３２の１／１６分周器から出力される１／１６分周クロックに基づいて生成したシフトクロックＣＫsrを使用してシフト動作するため、１６クロックごとに、シフトレジスタの出力が順に活性化していく。

図示した例では、１／１６分周クロックが２回目にＨレベルに遷移するとき、シフトレジスタの非反転出力がＨレベルに遷移するとともに反転出力がＬレベルに遷移し、１番目の上位電流源セル３５５_1がオンする。このように、各１６分周クロックがＨレベルに遷移する度に順番にシフトレジスタの非反転出力がＨレベルに遷移するとともに反転出力がＬレベルに遷移し、対応するｋ番目の下位電流源セル３５３_kがオンしていき、制御信号J330，J340がリセット信号を出力しない限り、最後の２＾ｉ番目の上位電流源セル３５５_2^iがオンするまで続けられる。

＜電流源セルの基本構成＞
図６は、電流源セル部３５０に設けられる各電流源セル３５３，３５５の基本的な構成例（基本電流源セルの概念図）を示した図である。基本電流源セル５００は、相補出力型となっている下位ビット制御部３３０および上位ビット制御部３４０に応じて、相補信号を受けて動作するようになっている。

たとえば、図６に示すように、基本電流源セル５００は、単位電流源５１０と、この単位電流源５１０の出力電流を切り替える切替スイッチ５２０とを有している。

単位電流源５１０は、基準電流源として機能するＮＭＯＳ型のトランジスタ５１２を有して構成されている。また、切替スイッチ５２０は、２つのＮＭＯＳ型のトランジスタ５２４，５２６が差動接続されて構成されている。トランジスタ５２４は差動スイッチ１として機能し、トランジスタ５２６は差動スイッチ２として機能する。

トランジスタ５１２は、ソース端子がアナロググランド線５９０に接続され、ドレイン端子がトランジスタ５２４，５２６のソース端子に共通に接続されている。また、そのゲート端子には、全てのセルに共通して印加されるバイアス電圧Ｖｂが電流制御線５９２を介して電圧振幅制御部３６０からカレントミラー方式で印加され、電位差Ｖgsによってトランジスタ５１２が流す電流の値が左右される。

切替スイッチ５２０を構成する２つのトランジスタ５２４，５２６は、各ゲート端子にそれぞれ互いに相補的な制御信号Ｑin，ｘＱin（ｘは論理反転信号を示す）が入力され、ドレイン端子には、それぞれ引出線５９４，５９６が接続されている。たとえば、トランジスタ５２４のゲート端子にアクティブＨの制御信号（非反転入力）Ｑinが入力され、そのドレイン端子が引出線５９４に接続され、引出線５９４が、電流出力用の選択出力線３９６として使用される。一方、トランジスタ５２６のゲート端子に制御信号（反転入力）ｘＱinが入力され、そのドレイン端子が引出線５９６に接続され、この引出線５９６が、電源Ｖddに接続される。全体としては、ＤＡ変換に関わる選択出力線３９６に対しては、制御信号（非反転入力）ＱinとしてアクティブＨが入力されトランジスタ５２４がオンすることで電流源セルがオンするように動作する。

＜電流源セル部の詳細＞
図７は、電流源セル部３５０の詳細な構成例を示す図である。個々の電流源セルは、図６に示す基本電流源セル５００を採用するが、それぞれに供給する動作電流と、その組合せの数を調整することで、ビット対応の重付け電流値を生成する電流源セル３５３，３５５が構成されるようにする。基本的には、トランジスタ５１２のゲートに与える電位を調整して、所定の出力電流に重付けされた電流値を持つ基本電流源を用意し、その基本電流源に対応して、同電位のゲート入力に対して２のべき乗もしくは２のべき乗分の１で比例する電流を出力できる電流源セルを設ける。

具体的には、先ず、１／２＾（ｊ−１）分周クロックに対応する１／２の電流値を持つ下位電流源セル３５３_1を、図６に示す基本電流源セル５００の構成そのもので形成する。出力電流（１／２の電流値）の大きさはトランジスタ５１２のゲートに入力される電位に依存しており、先にも説明したように電圧振幅制御部３６０により制御される。

この下位電流源セル３５３_1と同様のものを２つ並列に設けることで、上位電流源セル部３５４に設けられる“１”の電流値を持つ上位電流源セル３５５を設ける。この上位電流源セル３５５を、ｉ個（もしくはｙ個をさらに追加してもよい）用意することで、上位電流源セル部３５４が構成される。

また、１／４，…，１／２＾ｊに重み付けされた下位電流源セル３５３_2，…，３５３_jに関しては、先ず、１／２の出力電流を持つ下位電流源セル３５３_1の出力電流を基準に、カレントミラーで、２＾（ｊ−１）個に分流することで、１／２＾ｊに重み付けされた電流を出力する電流源５３０を設ける。そして、この１／２＾ｊの電流値で動作する図６に示す構成の基本電流源セル５００を所定の重みの数に相当する分だけ並列に設けることで、１／４，…，１／２＾ｊの重みを持つ定電流を生成する下位電流源セル３５３_2，…，３５３_jを形成する。こうすることで、相対比精度を出しやすい同サイズの素子だけを用いて、重みの異なる電流を出力する電流源セルを高精度に構成することができる。

電流源５３０は、たとえば図示するように、下位電流源セル３５３_1や基本電流源である上位電流源セル３５５に対して同電位がゲートに供給されるトランジスタ５３２と、トランジスタ５３２の出力側（ドレイン端子側）に配され、カレントミラー接続された２つのＰＭＯＳ型のトランジスタ５３４，５３６と、トランジスタ５３４の出力側（ドレイン端子側）に配されゲートとドレインとが接続された２＾（ｊ−１）個のＮＭＯＳ型のトランジスタ５３８とを有して構成されている。

トランジスタ５３２，５３８のソース端子はアナロググランド線５９０に接続され、トランジスタ５３４，５３６のソース端子は電源線５９１に接続される。このような構成により、１つのトランジスタ５３８は、１／２＾ｊに重み付けされた電流を出力する電流源として機能するようになる。互いに並列接続したＭＯＳ型のトランジスタ５３８のゲートを同一の基準電圧で制御して定電流動作させ、複数の同特性のトランジスタ５３８によって電流源セルの分岐路を形成することにより、精度の高い電流分岐路を形成することができる。

また、１つのトランジスタ５３８と、下位電流源セル３５３_2，…，３５３_j内の個々のトランジスタ５１２とをカレントミラー構成にし、トランジスタ５１２を持つ図６に示す構成の基本電流源セル５００を、それぞれの重み電流値に対応する分だけ並列に設けることで、たとえば下位電流源セル３５３_2は１／４（＝１／２＾２）の重みを持つ電流を出力し、下位電流源セル３５３_3は１／８（＝１／２＾３）の重みを持つ電流を出力し、下位電流源セル３５３_4は１／１６（＝１／２＾４）の重みを持つ電流を出力し、下位電流源セル３５３_j（ｊ＝５）は１／３２（＝１／２＾５）の重みを持つ電流を出力するようになる。

このような構成によれば、サイズや形状を極端に異形化した素子を使用することなく、またデジタル入力信号の上位ビットに対応する上位電流源セル部３５４での素子数を大幅に増やすことなく、相対比精度を出しやすい同サイズの素子だけを使用して、重みの異なる電流源セルを高精度に構成することができ、回路規模をそれほど増大させることなくＤＡ変換の分解能を高めることができる。

また、上位電流源セル部３５４はデジタル入力信号の上位ビットのデータ値（１０進数）に応じた数が選択されるようにし、下位電流源セル部３５２は入力信号の下位ビットのビット値（ビットデータそのもの）に応じて選択されるようにすることで、下位電流源セルの追加によりビット分解能を高めることができる。

加えて、下位電流源セル部３５２として、所定桁の桁値に対応する基本電流（前例では６ビット目の重み“１”）に対して１／２の重みの電流値を生成する下位電流源セル３５３_1と、基本電流を２のべき数分の１（１／２＾ｊ）に等しく分岐路（前例のトランジスタ５３２に相当）に分流させることにより１つの分岐路から基本電流に対して２のべき数分の１の電流を出力電流として取り出すようにすることで、同一サイズの素子でもって精度の高い電流源セルを得ることができる。

また、電流源セルをＭＯＳトランジスタを用いた定電流回路で構成するとともに、その定電流回路の電流重付けを複数の同特性のＭＯＳトランジスタの並列接続数によって構成することで、製造バラツキなどの影響を受けることなく、高い相対精度を得ることができる。

なお、この例では、１／２の重み電流値を出力する電流源セルを基本要素として上位電流源セル３５５と下位電流源セル３５３_1とを構成し、下位電流源セル３５３_1の動作電流値を２＾（ｊ−１）に分流して１／２＾ｊ（前例ではｊ＝５であるので１／３２）の重み電流値を出力する電流源５３０を形成し、この１／２＾ｊの重み電流値を出力する電流源セルを基本要素として下位電流源セル部３５２内の残りの下位電流源セル３５３_2〜３５５_jを構成していたが、これは一例に過ぎず、２のべき乗分の１に重み付けされた電流を出力可能な構成であれば、その具体的な構成はどのようなものであってもよい。ただし、図７に示す構成を採った場合と同様に、重みの異なる電流を高精度に出力することのできるようにする点に留意するのがよい。

＜分周処理部の詳細＞
図８は、分周処理部３３２の詳細な構成例を示す図である。ここでは、下位ｊビットのｊが５である場合について示す。ブロック制御部３２０から供給される内部カウントクロックＣＫcnt に同期した分周クロックを出力する構造となっている。ここでは、ダウンカウント動作を行なう事例で示す。

具体的には、図示するように、分周処理部３３２は、１分周クロック出力のための縦続された２つのインバータ６０２，６０４を備えるとともに、１／２，…，１／２＾ｊ分周クロック出力のためのＤ型フリップフロップ（ラッチ；以下Ｄ−ＦＦという）６１０が４段縦続接続された構成を備えている。インバータ６０４の出力が１分周クロックとして対応するグリッチ抑制処理部３３６_jに入力され、また各Ｄ−ＦＦ６１０の非反転出力端子Ｑの出力が１／２＾ｋ（ｋは１からｊ−１まで）分周クロックとして対応するグリッチ抑制処理部３３６_j-kに入力される。

段間には、少なくとも直前のＤ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑが入力されるゲート（インバータやＮＡＮＤ）６２０およびインバータ６２２の縦続構成と、極性の異なる相補（コンプリメンタリ）型のトランジスタを用いたトランスファーゲート回路（１入力−１出力型のスイッチ）６３２，６３４を組み合わせたスイッチ回路６３０とが配されている。また、Ｄ−ＦＦ６１０の非反転出力端子Ｑにはインバータ６２１が接続され、このインバータ６２１を介して分周クロックが後段に出力されるようになっている。なお、最終段のＤ−ＦＦ６１０_ 4の非反転出力端子Ｑの出力信号は、そのままシフト制御部３３３にも供給されるようになっている。

Ｄ−ＦＦ６１０のクロック入力端子CKには、クロックゲート回路６８０を介してゲートされた後の内部カウントクロックＣＫcnt1が共通に供給されるとともに、各リセット入力端子Ｒには制御信号J330の１つとしてリセット信号（アクティブロー）がブロック制御部３２０から共通に供給されるようになっている。クロックゲート回路６８０には、インバータ、ＮＡＮＤ、トランスファーゲートなどの各種のゲートが設けられており、内部カウントクロックＣＫcnt をリセット信号とイネーブル信号とに基づいてゲートした後、内部カウントクロックＣＫcnt1をＤ−ＦＦ６１０に供給する。

イネーブル信号は分周器としてのＤ−ＦＦ６１０におけるクロック入力に対して制御するようになっており、イネーブル信号がアクティブのときにのみＤ−ＦＦ６１０がイネーブルになる。その結果、Ｄ−ＦＦ６１０は、イネーブル信号がアクティブのときにのみ内部カウントクロックＣＫcnt に同期した動作をするとともに、イネーブル信号によってＤ−ＦＦ６１０をイネーブルにしない限り、Ｄ−ＦＦ６１０の出力は固定される。つまり、イネーブル信号によって分周器としての各Ｄ−ＦＦ６１０の活性化を制御することができる。

ゲート６２０は段間ごとに入力ゲート数が異なり、１段目と２段目の間は１入力であり事実上インバータと同様で、２段目と３段目の間は２入力のＮＡＮＤであり他方の入力端子に１段目のＤ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑが入力される。また、３段目と４段目の間は３入力のＮＡＮＤであり、２つ目の入力端子に２段目のＤ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑが入力され、３つ目の入力端子に１段目のＤ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑが入力される。

トランスファーゲート回路６３２は、直後のＤ−ＦＦ６１０の反転出力ｘＱ（図ではＱに上バーを付して示す）が入力され、トランスファーゲート回路６３４は直後のＤ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑが入力され、両者の出力が共通に直後のＤ−ＦＦ６１０のＤ入力端子に供給される。

トランスファーゲート回路６３２，６３４は、Ｐｃｈ（ｃｈ；チャネル）のＭＯＳトランジスタｐ１とＮｃｈのＭＯＳトランジスタｎ１とをソース同士およびドレイン同士を接続してなるＣＭＯＳスイッチで構成されており、各ゲートが、インバータ６２２を介した相補信号で同時にオン／オフ駆動される。また、この相補信号がトランスファーゲート回路６３２，６３４に対して互いに逆相で供給されることで、トランスファーゲート回路６３２，６３４が逆相でオン／オフ制御されるようになっている。

ＣＭＯＳスイッチとしては、トランジスタｐ１，ｎ１のどちらか一方のみのＰｃｈ型ＭＯＳトランジスタやＮｃｈ型ＭＯＳトランジスタによるスイッチでもよいが、その場合、閾値電圧Ｖｔｈがスイッチ性能に影響を与える問題があるため、本構成例では、ｐ１，ｎ１の両方を利用して、相補信号を用いて同時にオンさせることのできるＣＭＯＳスイッチを採用する。

これら対のＭＯＳトランジスタｐ１，ｎ１を同時にオンさせることで、１つのＭＯＳトランジスタでスイッチを構成した場合よりも、オン時の抵抗値を小さくできる利点がある。また、何れか一方が開放故障を起した場合でも、スイッチとしての機能を維持できる利点もある。

このような構成によれば、先ず、１分周クロック（＝内部カウントクロックＣＫcnt ）がＨレベルに遷移するときにＤ−ＦＦ６１０_1にて２分周クロックのスイッチング動作が行なわれる。また、１／４分周クロック以降についてのＤ−ＦＦ６１０に関しては、それよりも前段の全てのＤ−ＦＦ６１０の非反転出力ＱがＨレベルのときに、トランスファーゲート回路６３２がオン、トランスファーゲート回路６３４がオフとなり、自身の反転出力ｘＱがＤ入力端子に供給されるようになっており、このときに内部カウントクロックＣＫcnt が入力されると、その立上りエッジに同期して（つまりＨレベルに遷移するとき）出力Ｑ，ｘＱの論理を反転する。

その結果、先ず、１分周クロックの２つ分で１／２分周クロックの１周期が完結し、内部カウントクロックＣＫcnt を１／２に分周する機能を果たすことになる。以下同様に、１分周クロックの２＾ｋ分で１／２＾ｋ分周クロックの１周期が完結し、内部カウントクロックＣＫcnt を１／２＾ｋに分周する機能を果たすことになり、その結果を受けて下位電流源セル３５３_1〜_5がオン／オフ動作することで下位ｊビットのＤＡ変換が実行される。

たとえば、先ず、初期状態では、ブロック制御部３２０からの内部カウントクロックＣＫcnt の供給が停止されクロック入力端子CKはＬレベルにされるとともに、ブロック制御部３２０から制御信号J340の１つとしてリセット信号（アクティブロー）が各Ｄ−ＦＦ６１０のリセット入力端子Ｒに供給され、各Ｄ−ＦＦ６１０はリセットされるので、非反転出力端子ＱがＬレベル、反転出力端子ｘＱがＨレベルに設定される。

このため、初期値においては、全ての分周器の出力がＨ状態となり、これがグリッチ抑制処理部３３６を介して下位電流源セル３５３に供給されるので、全ての下位電流源セル３５３はオフされる。具体的には、１／２＾ｋ（ｋは０からｊ−１まで）分周クロックのリセットレベル（インバータ６０４の出力とＤ−ＦＦ６１０の非反転出力のＬレベル）が、対応するグリッチ抑制処理部３３６_j-kを介して下位電流源セル３５３に供給され、全ての下位電流源セル３５３はオフ状態とされる。

次に、内部カウントクロックＣＫcnt と同期して１分周クロックがインバータ６０４から出力され、これがグリッチ抑制処理部３３６_5を介して下位電流源セル３５３_5に入力される。結果的には、内部カウントクロックＣＫcnt そのもので、１／２＾ｊ（本例では１／３２）の重付け電流により、最下位ビットのデジタル信号に関するＤＡ変換が実行される。

また、１分周クロックがＨレベルに遷移するごとに１段目のＤ−ＦＦ６１０_1の出力が論理反転し、非反転出力端子Ｑから出力される１／２分周クロックが、グリッチ抑制処理部３３６_4を介して下位電流源セル３５３_4に入力され、１／２＾（ｊ−１）（本例では１／１６）の重付け電流により、２ビット目のデジタル信号に関するＤＡ変換が実行される。

また、Ｄ−ＦＦ６１０_1の非反転出力ＱとＤ−ＦＦ６１０_2の各出力Ｑ，ｘＱによってＤ−ＦＦ６１０_2のＤ入力端子の論理状態が規定され、１／２分周クロックがＨレベルに遷移するごとに２段目のＤ−ＦＦ６１０_2の出力が論理反転する。この結果、Ｄ−ＦＦ６１０_2は、Ｄ−ＦＦ６１０_1の２周期に１回のエッジが発生することから、１つ上位のビット制御を実現し、下位電流源セル３５３_3のオン／オフ状態を制御する。つまり、非反転出力端子Ｑから出力される１／４分周クロックが、グリッチ抑制処理部３３６_3を介して下位電流源セル３５３_3に入力され、１／２＾（ｊ−２）（本例では１／８）の重付け電流により、３ビット目のデジタル信号に関するＤＡ変換が実行される。

また、ＮＡＮＤゲート６２２_2によるＤ−ＦＦ６１０_1の非反転出力ＱおよびＤ−ＦＦ６１０_2の非反転出力Ｑと、Ｄ−ＦＦ６１０_3の各出力Ｑ，ｘＱとによって、Ｄ−ＦＦ６１０_3のＤ入力端子の論理状態が規定され、１／４分周クロックがＨレベルに遷移するごとに３段目のＤ−ＦＦ６１０_3の出力が論理反転する。この結果、Ｄ−ＦＦ６１０_3は、Ｄ−ＦＦ６１０_2の２周期に１回のエッジが発生することから、さらに１つ上位のビット制御を実現し、下位電流源セル３５３_2のオン／オフ状態を制御する。つまり、非反転出力端子Ｑから出力される１／８分周クロックが、グリッチ抑制処理部３３６_2を介して下位電流源セル３５３_2に入力され、１／２＾（ｊ−３）（本例では１／４）の重付け電流により、４ビット目のデジタル信号に関するＤＡ変換が実行される。

また、ＮＡＮＤゲート６２２_3によるＤ−ＦＦ６１０_1の非反転出力Ｑ、Ｄ−ＦＦ６１０_2の非反転出力Ｑ、およびＤ−ＦＦ６１０_3の非反転出力Ｑと、Ｄ−ＦＦ６１０_3の各出力Ｑ，ｘＱによってＤ−ＦＦ６１０_4のＤ入力端子の論理状態が規定され、１／８分周クロックがＨレベルに遷移するごとに４段目のＤ−ＦＦ６１０_4の出力が論理反転する。この結果、Ｄ−ＦＦ６１０_4は、Ｄ−ＦＦ６１０_3の２周期に１回のエッジが発生することから、さらに１つ上位のビット制御を実現し、下位電流源セル３５３_1のオン／オフ状態を制御する。つまり、非反転出力端子Ｑから出力される１／８分周クロックが、グリッチ抑制処理部３３６_1を介して下位電流源セル３５３_1に入力され、１／２＾（ｊ−４）（本例では１／２）の重付け電流により、５ビット目のデジタル信号に関するＤＡ変換が実行される。

＜シフトレジスタ部の詳細＞
図９は、シフトレジスタ部３４２の詳細な構成例を示す図である。ここでは、上位電流源セル部３５４には１の大きさの電流値を出力する上位ｉビット分（２＾ｉ個）の上位電流源セル３５５が設けられる場合について示す。

シフトレジスタ部３４２は、上位ｉビットの各データ値に相当するＤＡ変換を実行可能とするべく設けられており、具体的には、上位ｉビットのデジタル信号に順次対応するように縦続接続されたシフトレジスタ３４３を備え、下位ビット制御部３３０から供給されるシフトクロックＣＫsrに基づいて、そのシフト出力端子を順次アクティブＨにする。つまり、入力デジタル信号の上位ｉビットをデコードしたデータ値をシフト出力端子に出力する。このシフトレジスタ３４３の各シフト出力はそれぞれグリッチ抑制処理部３４６の対応するグリッチ抑制回路に供給される。グリッチ抑制処理部３４６は、各シフト出力を、各グリッチ抑制回路によりグリッチ抑制処理を行なってから、上位電流源セル部３５４の対応する上位電流源セル３５５に供給する。

具体的には、図示するように、シフトレジスタ部３４２は、上位ｉビット分（２＾ｉ個）の上位電流源セル３５５と同数のＤ−ＦＦで構成されたシフトレジスタ３４３を備え、各シフトレジスタ３４３が縦続接続されている。１段目のシフトレジスタ３４３のＤ入力端子は電源にプルアップされており、ｋ段目のシフトレジスタ３４３の非反転出力Ｑがｋ＋１段目のシフトレジスタ３４３のＤ入力端子に供給される。

シフトレジスタ３４３のクロック入力端子CKには、シフト制御部３３３から、シフトクロックＣＫsr、たとえば１／２＾（ｊ−１）分周クロックをインバータ３３４で論理反転して生成したものが共通に供給され、シフトクロックＣＫsrに同期した動作をするようになっている。また、各リセット入力端子Ｒには制御信号J340の一例としてリセット信号（アクティブロー）がブロック制御部３２０から共通に供給され、さらに各セット入力端子Ｓには制御信号J340の他の例としてセット信号（アクティブロー）がブロック制御部３２０から共通に供給される。

セット信号は、シフトレジスタ３４３のみに供給される信号である。本シフトレジスタ３４３ではセット信号の方に強制力を持たせており、リセット状態でセット（セット信号が接続されている電流源セルをオン）させたい場合のみに有効であるように意図させる。たとえば、出力参照信号にオフセットを設けたいときなどに有効となる。

このような構成により、シフトレジスタ部３４２は、初期状態でリセット信号によりリセットされ、その後セット信号によりセットされ、さらにイネーブル信号により所定数のシフトレジスタ３４３が活性化され、引き続き、シフトクロックＣＫsrに同期して、１段目から順に２＾ｉ番目まで順に活性化されていくので、“１”の重付けがされた上位電流源セル３５５が順にオンする。

これにより、シフトクロックＣＫsrに同期してかつ確実に１つずつ１倍の（“１”の重付けがされた）上位電流源セル３５５が活性化されるようになる。シフトクロックＣＫsrは、下位ビット制御部３３０における桁上がりもしくは桁下がりを示す情報であるので、シフトレジスタ部３４２とその制御の元での上位電流源セル部３５４によるシフトクロックＣＫsrに同期したＤＡ変換は、（ｊ＋１）ビット目より開始することになる。

またこのとき、制御信号J342により、上位電流源セル部３５４の上位電流源セル３５５の使用する数を規定することでＤＡ変換のデジタル解像度（ｘビットの“ｘ”）を規定するべく、その制御のためシフトレジスタ３４３の活性化数を規定する。つまり、予め所望のデジタル解像度に対応したシフトレジスタ３４３のみが使用されるように設定しておき、これにより所望のデジタル解像度に対応した上位電流源セル３５５のみが使用されるようにする。

たとえば、シフトレジスタ３４３のクロック入力端子CKにシフトクロックＣＫsrのアクティブエッジが入力されると、先ず１段目のシフトレジスタ３４３_1がそのＤ入力端子の状態であるＨレベルを非反転出力端子Ｑに出力するとともに、その反転出力端子ｘＱをＬレベルにする。この反転出力端子ｘＱのＬレベルの状態が対応するグリッチ抑制処理部３４６_1を介して上位電流源セル３５５_1に供給されオンする。

さらに、シフトレジスタ３４３のクロック入力端子CKに次のシフトクロックＣＫsrのアクティブエッジが入力されると、２段目のシフトレジスタ３４３_2がそのＤ入力端子の状態であるＨレベル（１段目のシフトレジスタ３４３_1の非反転出力端子の状態）を非反転出力端子Ｑに出力するとともに、その反転出力端子ｘＱをＬレベルにする。この反転出力端子ｘＱのＬレベルの状態が対応するグリッチ抑制処理部３４６_2を介して上位電流源セル３５５_2に供給されオンする。

以下同様にして、シフトレジスタ３４３のクロック入力端子CKに次のシフトクロックＣＫsrのアクティブエッジが入力されると、ｋ段目のシフトレジスタ３４３_kがそのＤ入力端子の状態であるＨレベル（ k-1段目のシフトレジスタ３４３_k-1 の非反転出力端子の状態）を非反転出力端子Ｑに出力するとともに、その反転出力端子ｘＱをＬレベルにする。この反転出力端子ｘＱのＬレベルの状態が対応するグリッチ抑制処理部３４６_kを介して上位電流源セル３５５_Kに供給されオンする。

このような動作を、予め使用可能に設定（活性化）された数に対応したシフトレジスタ３４３について連鎖的に行なうことで、所望のデジタル解像度に応じたアナログ電圧を生成することができる。活性化されていないシフトレジスタ３４３については、クロック入力端子CKにシフトクロックＣＫsrのアクティブエッジが入力されても、前段の非反転出力端子Ｑの状態に拘わらず非反転出力端子ＱをＬレベル、反転出力端子ｘＱをＨレベルに維持する。このため、設定されたデジタル解像度に達した時点以降は事実上ＤＡ変換が行なわれないようにすることができ、事実上、所望のデジタル解像度に達した時点で上位ビットについてのＤＡ変換が停止する。

たとえば、デジタル解像度を７ビットとする場合、２＾７番目のシフトレジスタ３４３がオンした時点で上位ビット制御部３４０と上位電流源セル部３５４によるＤＡ変換が停止する。また、所望の入力デジタル値（デジタルコード）の上位ビットデータに達した時点で下位ビット制御部３３０からのシフトクロックＣＫsrを停止させることで、上位ビットについてのＤＡ変換を停止させることもできる。

このＤＡ変換が停止するまでにおける選択出力線３９６に現われる各電流源セル３５３，３５５の出力電流を合成して基準抵抗３９８により電圧に変換すれば、ＤＡＣ出力端子DACoutの電圧レベルが漸次単調に変化する参照信号を生成することができる。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）のＡＤ変換に際して用いられる参照信号電圧の生成に好適なＤＡ変換装置となるのである。

また、本実施形態のＤＡ変換部３００は、シングルスロープ積分型のＡＤ変換に際して用いられる参照信号電圧生成用のＤＡ変換装置としての適用に限らず、一般的なＤＡ変換装置としても利用することができる。たとえば、入力デジタル信号に対応した値に達した時点でＤＡ変換処理を停止させた状態のＤＡＣ出力端子DACoutの電圧レベルを使用すれば、入力デジタル信号に対応したアナログ電圧を得ることができ、結果として、多ビット入力デジタル信号についてのＤＡ変換を行なうことができる。

なお、前例での停止タイミングの設定は上位ビット側についてのみ説明していたので、このままでは、下位ビット分の精度を補償することができない。しかしながら、下位ビットについても、上位ビット側が停止すべきデータに達しているときに、入力デジタル信号の下位ｊビットに対応した値に達した時点で内部カウントクロックＣＫcnt を停止させることで下位ビットについてのＤＡ変換処理を停止させるようにすることができる。この場合、多ビット入力デジタル信号に対応した値に達した時点でＤＡ変換処理を停止させた状態のＤＡＣ出力端子DACoutの電圧レベルを使用することで、多ビット入力デジタル信号に正確に対応したアナログ電圧を得ることができ、結果として、多ビット入力デジタル信号についての高精度のＤＡ変換を行なうことができるようになる。

＜グリッチ抑制処理部の詳細＞
図１０は、グリッチ抑制処理部３３６，３４６の詳細な構成例とその動作を説明する図である。図１０（Ａ）に示すように、グリッチ抑制処理部３３６，３４６は、縦続接続されたインバータ３８２，３８４で構成されている。前段のインバータ３８２は、入力された信号に対しての論理反転（位相反転）機能を持つ。また後段のインバータ３８４は、論理反転（位相反転）機能とディレイ量Δｔ０の遅延機能とを具備した遅延手段の一例である。

このような構成のグリッチ抑制処理部３３６，３４６は、インバータ３８４により遅延されていないトランジスタ５２４（差動スイッチ１）用の選択制御信号と、このインバータ３８４により遅延されたトランジスタ５２６（差動スイッチ２）用の反転選択制御信号とを相補信号として差動スイッチをなすトランジスタ５２４，５２６に供給する。

たとえば、グリッチ抑制処理部３３６については、図１０（Ａ１）に示すように、インバータ３８２には分周処理部３３２のインバータ６０４やＤ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑを供給し、インバータ３８２の出力である反転出力ｘＱを電流源セル３５３の差動スイッチ１として動作するトランジスタ５２４のゲートに供給し、インバータ３８４の出力である非反転出力を電流源セル３５３の差動スイッチ２として動作するトランジスタ５２６のゲートに供給する。

一方、グリッチ抑制処理部３４６については、図１０（Ａ２）に示すように、インバータ３８２に上位ビット制御部３４０のシフトレジスタ部３４２の各シフトレジスタ３４３からの反転出力ｘＱを供給し、インバータ３８２の出力である非反転出力Ｑを電流源セル３５５の差動スイッチ１として動作するトランジスタ５２４のゲートに供給し、インバータ３８４の出力である反転出力ｘＱを電流源セル３５５の差動スイッチ２として動作するトランジスタ５２６のゲートに供給する。

選択出力線３９６に現われるグリッジ成分は、図１０（Ｂ１）に示すように、差動スイッチへの相補入力の時間的なバラツキ（ディレイΔｔ１）のため、電流源セル３５３，３５５をなす差動スイッチとして動作するトランジスタ５２４，５２６への入力がともにＬレベルとなりともにオフとなる状態が存在する場合に、ともにオフ状態のときから選択出力線３９６におけるＤＡ変換出力に関わるトランジスタ５２４がオンしたときに生じ易い。これは、トランジスタ５２４，５２６がともにオフ状態のときには電流源セルからの出力電流が完全にゼロの状態にあり、このような状態から電流源セルを活性化させて突然に出力電流を発生させようとすることが原因であると考えられる。

これに対して、図１０（Ａ）に示すようなグリッチ抑制処理部３３６，３４６を介して電流源セル３５３，３５５の差動スイッチとして動作するトランジスタ５２４，５２６を制御すれば、図１０（Ｂ２）に示すように、インバータ３８４の出力であるトランジスタ５２６のゲート入力はインバータ３８２の出力よりもディレイΔｔ０期間後に活性化（ハイレベル）または不活性化（ローレベル）されるため、トランジスタ５２４が活性化されディレイΔｔ０後にトランジスタ５２６が不活性化される過程では、トランジスタ５２４，５２６がともにオフ状態のときからトランジスタ５２４がオンする状態を確実に避けることができ、グリッジの発生を抑制することができる。電流源セルからの出力は、常にどちらかのスイッチ（トランジスタ５２４，５２６）を通り電流を出力できる構造となるからである。

＜全体動作の纏め＞
上記のようなＤＡ変換部３００における全体の動作を纏めると以下のようになる。先ず、ＤＡ変換部３００は、通信・タイミング制御部２０からブロック制御部３２０に供給されるカウントクロックＣＫdac や入力デジタル信号Ｄinや制御信号J320による制御の元で動作する。ブロック制御部３２０は、準備段階として、先ず入力デジタル信号Ｄinをデコードし、下位ビット制御部３３０への内部カウントクロックＣＫcnt の供給を停止する。また、ブロック制御部３２０は、上位ビット制御部３４０や下位ビット制御部３３０に供給するセット信号やリセット信号を操作することで、ＤＡ変換の出力制御を行なう。

具体的には、先ず、初期状態にて、ブロック制御部３２０は、イネーブル信号をインアクティブにすることで内部カウントクロックＣＫcnt をゲートし、下位ビット制御部３３０への内部カウントクロックＣＫcnt1を遮断し、これにより、分周器として機能する全てのＤ−ＦＦ６１０と、全てのシフトレジスタ３４３とをリセットする。

次に、通信・タイミング制御部２０よりリセット信号をオフし、セット信号をオンした後、イネーブル信号をアクティブにする。これにより、ブロック制御部３２０は、内部カウントクロックＣＫcnt1を下位ビット制御部３３０に供給する。その結果、分周処理部３３２が内部カウントクロックＣＫcnt （実際にはクロックゲート回路６８０でゲートされた後の内部カウントクロックＣＫcnt1）に同期してカウント動作を開始し、各分周器の出力（Ｄ−ＦＦ６１０の非反転出力Ｑ）がグリッチ抑制処理部３３６に供給され、このグリッチ抑制処理部３３６のインバータ３８２にて位相反転され、さらに遅延素子として機能するインバータ３８４によってタイミングが制御される。そして、相補信号である２つのクロックＱ，ｘＱが、対応する下位電流源セル３５３に内蔵の差動スイッチ（トランジスタ５２４，５２６）に入力され、１／２＾ｋ（ｋはｊから１まで）に重付けされた下位電流源セル３５３がオンする。

同時に、分周処理部３３２によって１／２（ｊ−１）に分周された分周クロックはシフト制御部３３３によりシフトクロックＣＫsrに整形された後、上位ビット制御部３４０のシフトレジスタ部３４２に供給され、一様に重付けされた１倍の上位電流源セル３５５をスイッチングするために用いられる。たとえば、１番目のシフトレジスタ３４３がオンすることで、１番目の１倍の上位電流源セル３５５_1がオンするとともに、２番目のシフトレジスタ３４３のＤ入力端子が活性化（Ｈレベルに）され、次の１／２（ｊ−１）分周クロックの立上りエッジに反応して２番目のシフトレジスタ３４３の出力がオンすることで２番目の１倍の上位電流源セル３５５_2がオンする。

このように、下位ビット制御部３３０と上位ビット制御部３４０の内部カウントクロックＣＫcnt に基づく連携した動作により、ＤＡ変換部３００は、内部カウントクロックＣＫcnt に同期して、確実に階調を刻むＤＡ変換回路として機能するようになり、漸次変化する参照電圧を高精度で生成することができる。

なお、ここでは、漸次増加する方向に変化する参照電圧を生成するべく、電流源セル部３５０内の選択された電流源セル３５３，３５５による加算電流が増加する方向に電流源セル３５３，３５５の選択を制御していたが、電流源セル部３５０内の選択された電流源セル３５３，３５５による加算電流が減少る方向に電流源セル３５３，３５５の選択を制御すれば、漸次減少する方向に変化する参照電圧を生成することができる。

＜レイアウトについて＞
図１１および図１２は、ＤＡ変換部３００を構成するに当たってのレイアウト手法を説明する図である。半導体基板上にＤＡ変換部３００をなす分周処理部３３２やシフトレジスタ部３４２および各電流源セル３５３，３５５を配置する際には、クロックの供給遅延量と、シフトレジスタ間でのスキュー量とに注意を払う必要がある。

たとえば、分周処理部３３２の各分周器（本例ではＤ−ＦＦ６１０とその周辺回路）に供給される内部カウントクロックＣＫcnt にスキューが発生すると、各分周器のタイミングがずれ、微分非直線性（ＤＮＬ；Differential Non Linearity）が悪化する。また、２＾ｉ個を有するシフトレジスタ３４３に供給されるシフトクロックＣＫsrとのスキューも生じると微分非直線性が１ＬＳＢを超え、参照電圧としての精度が取れなくなる。

ここで、クロックスキューの発生は、主に、クロック信号線の引回しに起因した配線遅延が原因となる。したがって、デジタル信号処理回路におけるクロック信号の配線遅延が内部カウントクロックＣＫcnt に同期して動作するＤＡ変換部３００の動作限界を決めることになる。

また、電流源セル３５３，３５５をスイッチするタイミングにズレがあると、やはり微分非直線性が悪化する。このスイッチタイミングのズレは、電流源セル３５３，３５５をスイッチする信号（分周クロックとシフト出力）の引回しに起因した配線遅延が原因となる。したがって、クロックスキューと同様に、デジタル信号処理回路におけるスイッチ信号の配線遅延もＤＡ変換部３００の動作限界を決めることになる。

これらを考慮した場合、アナログの電流源セル電流源セル３５３，３５５の配置は、デジタル信号（ここでは分周クロックとシフト出力）の配線を重視したレイアウト構造を取る必要がある。具体的には、先ず、高速を実現するべく、全てのシフトレジスタ３４３間でクロックスキューが生じないように、下位ビット制御部３３０のシフト制御部３３３から出力されるシフトクロックＣＫsrの出力位置近傍（つまり物理的に近い位置）に１番目のシフトレジスタ３４３を配置し、残りのｉ番目までのシフトレジスタ３４３を、順番に折り返しも含めて、２次元マトリクス状に整列するように配置することである。

各シフトレジスタ３４３へは、シフトクロックＣＫsrをツリー配線方式を採用して供給する。また、各シフトレジスタ３４３と対応するグリッチ抑制処理部３４６や上位電流源セル３５５へは、各選択制御信号を等長配線で供給するようにする。ツリー配線方式においては、できるだけシフトクロックＣＫsrの出力位置から、各段のシフトレジスタ３４３用の各配線を同一方向に引き回すようにする。

たとえば、図１１（Ａ）に示すように、下位ビットを担当する分周処理部３３２とそれに対応するグリッチ抑制処理部３３６および下位電流源セル部３５２（下位電流源セル３５３）を右下に配置し、残りの部分で、上位ビットを担当するシフトレジスタ部３４２の各シフトレジスタ３４３を、たとえば、下段では右側から左側に向けてシフトレジスタ３４３をデジタルコード（上位ｉビット分）の順番に並べ、上段では、残りのシフトレジスタ３４３について、下段に対して折り返すように、左側から右側に向けてシフトレジスタ３４３をデジタルコード（上位ｉビット分）の順番に並べることで、２列でデジタルコードの順番に配置する。

このような配置の各シフトレジスタ３４３には、下位ビット制御部３３０のシフト制御部３３３にて生成されるシフトクロックＣＫsr（本例では２＾（ｊ−１）分周クロック）が、全てのシフトレジスタ３４３にできるだけ最短で供給されるようにする。具体的には、下段の各シフトレジスタ３４３には、シフトレジスタ３４３のデジタルコードの順番で右側から左側に引きますが、上段の各シフトレジスタ３４３には、シフトレジスタ３４３のデジタルコードの順番とは逆に右側から左側に引き回す。なお、必要に応じて、図中に点線で示すように、バッファを介して、上段／下段の各内部カウントクロックＣＫcnt を供給するようにしてもよい。こうすることで、各段の対向する機能部分における遅延量を概ね同じにすることができる。最大クロック遅延量は、概ね同一行の右端と左端とで規定される。

これに対して、たとえば図１１（Ｂ）に示すように、下段および上段の何れについてもシフトレジスタ３４３のデジタルコードの順番で内部カウントクロックＣＫcnt の信号線を引きますと、１番目のシフトレジスタ３４３_1に供給される内部カウントクロックＣＫcnt と、たとえば最後のシフトレジスタ３４３_2^Jに供給される内部カウントクロックＣＫcnt との間の配線長が飛躍的に増加し、両者の遅延差は、図１１（Ａ）の場合に対して大幅に大きくなってしまい、最大クロック遅延量が概ね２倍になる。

また、分周処理部３３２の出力が最短で対応するグリッチ抑制処理部３３６に供給され、グリッチ抑制処理部３３６の出力が最短で対応する下位電流源セル３５３に供給されるように、分周処理部３３２の各分周器（本例ではＤ−ＦＦ６１０とその周辺回路）に対応するグリッチ抑制処理部３３６および下位電流源セル３５３を分周処理部３３２に近接するように右下に配置する。

また、上位ビットを担当するシフトレジスタ部３４２の各シフトレジスタ３４３の出力が最短で対応するグリッチ抑制処理部３４６に供給され、グリッチ抑制処理部３４６の出力が最短で対応する上位電流源セル３５５に供給されるように、グリッチ抑制処理部３４６および各上位電流源セル３５５を、２列で順番に配置された対応するシフトレジスタ３４３の近傍に配置する。こうすることで、全ての電流源セル３５３，３５５が１つのウェルの中に配置される構成を取る。

もちろん、２列で順番に配置することは必須ではなく、たとえば、４列に並べることもできる。たとえば、図１２（Ａ）に示すように、下位ビットを担当する分周処理部３３２とそれに対応するグリッチ抑制処理部３３６および下位電流源セル部３５２（下位電流源セル３５３）を右下に配置し、残りの部分で、上位ビットを担当するシフトレジスタ部３４２の各シフトレジスタ３４３を、たとえば、下側から１段目では右側から左側に向けてシフトレジスタ３４３をデジタルコードの順番（ｋ＝１からｐまで）に並べ、２段目では、１段目に対して折り返すように、左側から右側に向けてシフトレジスタ３４３をデジタルコードの順番（ｋ＝ｐ＋１からｑまで）に並べる。さらに、３段目では、２段目に対して折り返すように、右側から左側に向けてシフトレジスタ３４３をデジタルコードの順番（ｋ＝ｑ＋１からｒまで）に並べ、４段目では、３段目に対して折り返すように、左側から右側に向けてシフトレジスタ３４３をデジタルコードの順番（ｋ＝ｒ＋１から２＾ｉまで）に並べることで、４列でデジタルコードの順番に配置する。

このような配置の各シフトレジスタ３４３には、下位ビット制御部３３０のシフト制御部３３３にて生成されるシフトクロックＣＫsr（本例では２＾（ｊ−１）分周クロック）が、全てのシフトレジスタ３４３にできるだけ最短で供給されるようにする。具体的には、各段の各シフトレジスタ３４３について、右側から左側に内部カウントクロックＣＫcnt を引き回す。なお、必要に応じて、図中に点線で示すように、バッファを介して、各段の各内部カウントクロックＣＫcnt を供給するようにしてもよい。こうすることで、各シフトレジスタ３４３には、遅延量が一番小さい状態で入力されるようになる。こうすることで、各段の対向する機能部分における遅延量を概ね同じにすることができる。最大クロック遅延量は、概ね同一行の右端と左端とで規定される。

これに対して、たとえば図１２（Ｂ）に示すように、各段の何れについてもシフトレジスタ３４３のデジタルコードの順番で内部カウントクロックＣＫcnt の信号線を引きますと、１番目のシフトレジスタ３４３_1に供給される内部カウントクロックＣＫcnt と、最後のシフトレジスタ３４３_2^Jに供給される内部カウントクロックＣＫcnt との遅延差は、図１２（Ａ）の場合に対して大幅に大きくなってしまい、最大クロック遅延量は概ね４倍になる。

このように、本実施形態のＤＡ変換部３００によれば、下位ビット制御部３３０と上位ビット制御部３４０とで、内部カウントクロックＣＫcnt に基づく連携した動作を行なうようにしたので、高速かつ確実に所望の電流源セル３５３，３５５を選択することができるようになり、内部カウントクロックＣＫcnt に同期して、確実に階調を刻むＤＡ変換回路として機能するようになり、漸次変化する参照電圧を高精度で生成することができる。

従来、下位ビット側と上位ビット側とが独立して動作することにより生じていたグリッチの発生やミスコードの発生を飛躍的に低減できるようになり、安定したＤＡ変換を行なうことができる。

この結果、従来、困難とされてきた固体撮像素子などに必要とされる高精度な参照電圧の生成の高速化が容易に実現できるようになる。たとえば、２００ＭＨｚや３００ＭＨｚなどの高速クロックを基準とするＤＡ変換回路を提供することができる。回路規模は、特許文献４に記載の仕組みと同等でありながら、高速性（ここでは参照信号の変化特性が高速）や微分非直線性に優れたＤＡ変換装置を実現できる。

また、特に、単調な変化特性（たとえば単調増加性や単調減少性）が求められるシングルスロープ積分型（あるいはランプ信号比較型）のＡＤ変換に使用される高速参照信号の生成においては、微分非直線性やグリッチの発生が問題となるが、本実施形態では、配線遅延を重視したレイアウト構成を採るとともに、グリッチ抑制処理部３３６，３４６を設けるようにしたので、これらの問題をさらに確実に抑制することができ、たとえば３００ＭＨｚの高速ＤＡ変換回路を確実に実現できる。

また、ミスコードの発生も問題となるが、この点に関しては、たとえば上位ビット側では、同じ重み電流の上位電流源セル３５５をデジタルコードの分だけ設け、シフトレジスタを利用して、入力デジタル値Ｄinの上位ビットデータ値に対応する分だけ順番にオンさせるようにしたので、ビットカウント値に応じて出力電圧が順番に変化するようになるので、ミスコードやグリッチを確実に防止することができる。

また、下位ビット側では、バイナリ方式で制御することにし、同じ重み電流の電流源セルを、担当するビットの重みの分だけ設け、バイナリ出力を利用して、入力デジタル値Ｄinの下位ビットに対応する分をオンさせるようにしたので、バイナリ値に応じて出力電圧が順番に変化するようになるので、上位ビット側と同様に、ミスコードやグリッチを確実に防止することができる。

つまり、本実施形態のＤＡ変換部３００は、分周器とシフトレジスタを用いたデジタルブロックを有することで、グリッチを抑制した高速ＤＡ変換回路を実現でき、これによって、３００ＭＨｚ／１２ビット出力などの高速・高精度の動作を提供することができる。特に、積分非直線性よりも微分非直線性に高精度が要求されるシングルスロープ積分型のＡＤ変換に際して用いられる参照信号の生成に非常に好適なものとなる。

＜ガンマ補正へ適用＞
図１３〜図１５は、参照信号の傾きを動的に変える原理と、それを利用してガンマ補正を行なう仕組みを説明する図である。図５にて簡単に説明したが、ＤＡ変換部３００を動作させるクロックの周波数を変えることで、ＤＡ出力の変化特性（いわゆる傾き）を調整することができる。この性質を利用して、ＤＡ変換部３００にて生成される参照信号を利用してＡＤ変換を行なっている際に、途中でその傾きを変える（動的に変える）ことで、ガンマ補正を加えたＡＤ変換結果が得られるようになる。

たとえば、図１３に示す原理図では、通信・タイミング制御部２０からブロック制御部３２０に供給される制御信号J320の１つであるＤＡＣモード切替信号がＬレベルのとき、ブロック制御部３２０は、周波数ｆ１の内部カウントクロックＣＫcnt （図では１０ｂで示す）を下位ビット制御部３３０に常時供給する。これに対して、ＤＡＣモード切替信号がＨレベルのとき、ブロック制御部３２０は、当初は、周波数ｆ１よりも低い（たとえば周波数ｆ１／２の）内部カウントクロックＣＫcnt （図では１１ｂで示す）を下位ビット制御部３３０に供給する。このため、ＤＡ出力は、ＤＡＣモード切替信号＝Ｌのときよりもゆっくりと変化する（傾きが小さい）。ＤＡ出力をＡＤ変換の参照信号に用いた場合、傾きが小さいときにはＡＤ出力データがより大きくなる。このことは、アナログゲインを大きくしてＡＤ変換を行なっていることを意味する。

この後、ブロック制御部３２０は、ＤＡＣコードが所定値Ｄａに達した段階で、周波数ｆ１の内部カウントクロックＣＫcnt （図では１０ｂで示す）を下位ビット制御部３３０に供給する。このときには、ＤＡＣモード切替信号＝Ｌのときと同じ傾きでＤＡ出力が変化する。

さらに、ＤＡＣコードが所定値Ｄｂに達した段階で、周波数ｆ１よりも高い（たとえば周波数２＊ｆ１の）内部カウントクロックＣＫcnt （図では９ｂで示す）を下位ビット制御部３３０に供給する。このため、ＤＡ出力は、ＤＡＣモード切替信号＝Ｌのときよりも高速に変化する（傾きが大きい）。ＤＡ出力をＡＤ変換の参照信号に用いた場合、傾きが大きいときにはＡＤ出力データがより小さくなる。このことは、アナログゲインを小さくしてＡＤ変換を行なっていることを意味する。

なお、この例では、ＤＡ出力として、線形性を持ちつつ段階的に変化させるようにしているが、内部カウントクロックＣＫcnt の周波数をさらに多段階に分けて細かに変化させると、たとえば２次関数などの高次関数に従って連続的に漸次変化させることもできる。

たとえば、図１４および図１５は、その利用態様を説明する図である。ここでは、図１に示した固体撮像装置１のカラムＡＤ回路２５において時間加算処理を行なうことで、ダイナミックレンジを拡大する事例で説明する。

ここで時間加算処理は、積和演算処理機能として、時間加算処理を行なうことで、ダイナミックレンジの拡大を可能に構成した点に特徴を有する。ここで、時間加算処理を行なうに際しては、それぞれ異なる蓄積時間の元で取得された複数の処理対象画素信号を取り扱い、加算演算を行なう。これにより蓄積時間の異なる画像を合成した合成画像を、演算済み画像として取得できる。この演算済み画像（合成画像）は、ダイナミックレンジの広い画像となる。

時間加算処理として、蓄積時間の異なる画像を取り扱う場合、加算演算の対象画素は同一配列位置のものとする。また、蓄積時間の設定範囲としては、長時間蓄積側は概ね１フレーム期間近傍に蓄積時間を設定する。もちろん、電子シャッタ機能を使う場合には、さらに蓄積時間を短くすることもできる。これに対して、短時間蓄積側は、１水平期間（たとえば６４マイクロ秒）以下の蓄積時間とする。これは、水平行（走査線）ごとに走査する時間だけ蓄積期間がずれるというＣＭＯＳセンサ特有の性質を利用して、水平行（走査線）ごとに走査して画素信号を読み出す際に、同一水平期間内で、長時間蓄積側の画素信号の読み出しを行なった後に、短時間蓄積を行ない、直ぐにその短時間蓄積側の画素信号の読み出しを行なうためである。

カウンタ部２５４は、ｎビットのデジタル値を読み出した後も、そのデジタル値をカウンタ部２５４内部に保持することができる。時間加算処理時には、カウンタ部２５４のデータ保持特性を利用して、複数の画素信号についてのデジタル加算処理を行なう。

また、カウンタを利用して加算演算を行なう場合、処理対象画素信号のＡＤ変換処理におけるリセット成分ΔＶと信号成分Ｖsig とについてのカウントモードの組合せを同一にすればよい。すなわち、時間加算処理時には、たとえば、比較的長時間蓄積された第１の処理対象画素のＡＤ変換処理が完了した後にカウンタ部２５４をリセットしないで、リセット成分ΔＶと信号成分Ｖsig とについて、比較的短時間蓄積された第２の処理対象画素のＡＤ変換処理時のカウントモードの組合せと同一の組合せで各処理対象画素信号のＡＤ変換処理を行なうようにする。以下具体的に説明する。

図１４に示すように、比較的長時間蓄積された第１の処理対象画素の画素信号Ｖ１について、１回目の読出し時にダウンカウント処理をし、２回目の読出し時にアップカウント処理を行なうことでカウンタ部２５４内での減算処理によって、単位画素３の入射光量に応じた電気信号成分Ｖsig1のみを取り出すことができる（ｔ１０〜ｔ２４）。このときのカウンタ部２５４に保持される式（２）で表されるカウント値は、正の信号電圧Ｖsig1を示すｎビットのデジタル値である。

比較的短時間蓄積された第２の処理対象画素の画素信号Ｖ２についても、１回目の読出し時にダウンカウント処理をし２回目の読出し時にアップカウント処理を行なう、すなわち１番目の処理対象の画素信号についてのＡＤ変換処理時のカウントモードの組合せと同一の組合せでＡＤ変換処理を行なう（ｔ３０〜ｔ４４）。これにより、カウンタ部２５４内で自動的に、式（１）で示す減算が行なわれ、この減算結果に応じたカウント値がカウンタ部２５４に保持される。

ここで、比較的短時間蓄積された第２の処理対象画素の画素信号Ｖ２についてのＡＤ変換処理時は、比較的長時間蓄積された第１の処理対象画素の画素信号Ｖ１についてのＡＤ変換処理時のカウントモードの組合せと同一の組合せでＡＤ変換処理を行なうので、カウンタ部２５４に保持されるカウント値は、式（３）に示すように、信号成分Ｖsig2に応じたものとなるとともに、正の信号電圧（Ｖsig2）を示すｎビットのデジタル値である。なお、黒基準成分については割愛して示す。

よって、比較的長時間蓄積された第１の処理対象画素の画素信号Ｖ１についての２回目のカウント処理が完了した後に、比較的短時間蓄積された第２の処理対象画素の画素信号Ｖ２について、１回目のアップカウント処理を開始する際に、カウンタ部２５４に保持されているカウント値をリセットしないで引き続きカウント処理を行なうと、式（３）に対して式（２）のカウント値が加算される。

よって、比較的短時間蓄積された第２の処理対象画素の画素信号Ｖ２についての２回目のカウント処理が完了した後にカウンタ部２５４に保持されるカウント値は、式（４）に示すように、蓄積時間の異なる２つの画素信号Ｖ１，Ｖ２間での加算演算の結果（Ｖsig1＋Ｖsig2）を示すｎビットのデジタル値となる。

このように、蓄積時間の異なる複数の処理対象画素の画素信号についてＡＤ変換処理が完了した後の所定のタイミングで（ｔ４８）、通信・タイミング制御部２０は水平走査回路１２に対して画素データの読出しを指示する。これを受けて、水平走査回路１２は、制御線１２ｃを介してカウンタ部２５４に供給する水平選択信号ＣＨ（ｉ）を順次シフトさせる。

こうすることで、カウンタ部２５４に記憶・保持した式（４）で示されるカウント値、すなわち２つの画素信号Ｖ１，Ｖ２間での加算演算の結果（Ｖsig1＋Ｖsig2）を示すｎビットのデジタルデータが、ｎ本の水平信号線１８を介して、順次、カラム処理部２６外や画素部１０を有するチップ外へ出力端子５ｃから出力され、その後、順次他の行の画素信号についても同様の動作が繰り返されることで、蓄積時間の異なる複数の処理対象画素信号間での加算演算の結果を示す２次元の加算画像を表す演算データＤ２が得られる。

ここで、イメージセンサのダイナミックレンジが６０ｄＢあると仮定するとともに、長時間蓄積を１フレーム期間近傍の適当な期間、たとえば約１／１５ミリ秒程度に設定し、また短時間蓄積を１水平期間以下の適当な期間、たとえば約１／１５マイクロ秒程度に設定すると、長時間蓄積時間の光量に対するセンサ出力は、光量の変化に対し３桁まで対応することになる。また、短時間蓄積時間の光量に対するセンサ出力も、光量の変化に対し３桁まで対応することになるが、長時間蓄積時間で検出できる光量と３桁ずれることになる。

よって、第１と第２の蓄積時間の異なる出力を加算演算することで得られる加算演算の結果（Ｖsig1＋Ｖsig2）により、６桁すなわち１２０ｄＢのダイナミックレンジを実現できる。たとえば、長時間蓄積時間では飽和してしまう部分が存在する画像を、短時間蓄積時間で検出された画像で補うことができ、一方の蓄積時間だけでは画像出力できない飽和レベル以上についても、再現することができるようになる。

なお、“１フィールド周期”は、撮像面上を２次元走査して画像を読み出す期間（具体的には１垂直走査周期）であり、“１フレーム周期”は、撮像面上の全画素で画像を形成するに要する期間である。全ての行を順に垂直方向に走査する順次走査（プログレッシブ走査）を行なう場合は、“１フィールド周期”が“１フレーム周期”になる。これに対して、一方の垂直走査時には行を間引いて順に垂直方向に走査するとともに、他方の垂直走査時には一方の垂直走査時に間引いた行を補完するように垂直方向に走査する飛越し走査（インタレース走査）を行なう場合は、“ｋフィールド”が“１フレーム”になる。“ｋ”は間引きの程度によるもので、通常は、ｋ＝２とする。なお、順次走査であるのか飛越し走査であるのかに拘わらず、撮像面上を２次元走査して画像を読み出す１垂直走査周期を、広義の“１フレーム”ということもある。本願明細書においての説明におけるフレームは広義のフレームの意味で使用する。

ただし、実際には、図１４に示すような単純な加算処理では、光量に対するセンサ出力が視感度と適合した理想的なニー特性にはならない。すなわち、光量の対数に比例して明るさを識別するという人間の視覚特性に合わない。

この問題を解消するには、視感度を考慮するべく、比較処理に使用される参照信号の時間変化量を調整することで、加算演算における処理対象画像信号についての係数を設定するのが好ましい。特に、通常の蓄積時間であれば飽和してしまうような高レベルの信号を飽和することなくかつ視感度補正を実現するべく、比較的短時間の蓄積時間の元で取得された処理対象画像について、参照信号の時間変化量を調整するのが好ましい。

具体的には、図１５に示すように、短時間蓄積側の画素信号をＡＤ変換する際に、参照信号生成部２７にて発生させる参照信号RAMPを、線形に変化させずに、傾きを数段階に亘り変化させるのがよい。なお、このような線形性を持ちつつ段階的に変化させることに限らず、たとえば２次関数などの高次関数に従って連続的に漸次変化させてもよい。

このときの変化のさせ方としては、人間の目の感度の対数特性に合わせて、また人間の目が暗部での明るさの変化に敏感であることに適合するように暗部での階調精度を維持し、人間の目が明部での明るさの変化に鈍感であることに適合するように明部での階調精度を甘くする。具体的には、ＡＤ変換の初期において参照電位RAMPの傾きを小さくすることで係数を大きく設定（高ゲインにする）し、ＡＤ変換が進むに従って、参照電位RAMPの傾きを大きくするのがよい。人間の視覚特性に合わせて高輝度の範囲を圧縮した特性であるニー特性を実現する。

このような変化特性を与えるには、たとえばＤＡ変換回路２７ａがクロックごとにΔRAMPずつ電圧を低下させるようにしつつ、参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａに供給するカウントクロックＣＫdac の周期を、段階的に早めるようにする。たとえば、通信・タイミング制御部２０は、参照信号生成部２７に対して、ｔ４０時点からＴａ時点までは基準のカウントクロックＣＫdac に対して１／ｍａ（たとえば１／２）分周したクロックを供給して係数をｍａ（たとえば２倍）とする直線ｙ１（図１３の１１ｂに相当）に従った電位を与え、Ｔａ時点からＴｂ時点までは基準のカウントクロックＣＫdac を供給して直線ｙ２（図１３の１０ｂに相当）に従った電位を与え、Ｔｂ時点以降は基準のカウントクロックＣＫdac に対してｍｂ倍（たとえば２倍）したクロックを供給して係数を１／ｍｂ（たとえば１／２倍）とする直線ｙ３（図１３の９ｂに相当）に従った電位を与えるとよい。

あるいは、参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａに与えるカウントクロックＣＫdac の周期を一定にしつつ、カウンタ出力値をｘ、制御データＣＮ４に含まれているランプ電圧の傾き（変化率）βを段階的に調整する。たとえばｔ４０時点からＴａ時点まではｙ１＝α１（初期値）−β１＊ｘによって算出される電位を出力し、Ｔａ時点からＴｂ時点まではｙ２＝α２（初期値）−β２＊ｘによって算出される電位を出力し、Ｔｂ時点以降はｙ３＝α３（初期値）−β３＊ｘによって算出される電位を出力するようにしてもよい。ここで、α１＜α２＜α３であり、たとえば１／２：１：２などとし、またβ１＜β２＜β３である。

こうすることで、短時間蓄積時には高ゲインを持たせつつ、高輝度側では低ゲインにしてガンマ補正を施す、すなわち人間の視覚特性に合わせて高輝度の範囲を圧縮した特性であるニー特性を実現することができる。

なお、上記例では、折れ線状に参照信号RAMPを変化させる例で示したが、これに限らず、指数関数状や２次関数状などの非線形に参照信号RAMPが変化する特性としてもよい。

以上説明したように、時間加算処理の応用として、蓄積時間の異なる同一位置の複数の画素信号についてそれぞれカウント処理してＡＤ変換を行なう際に、各画素信号の内の一方について取得したデジタルデータを他方の画素信号（後のカウント処理の対象信号）のカウント処理の初期値とすることで、複数の単位画素３のうちの他方についてカウント処理にてＡＤ変換をした後には、自動的に全ての画素信号についての加算演算結果を示すｎビットのデジタルデータを取得して演算データＤ２として出力することができる。そして、本例においては、演算データＤ２として、より広い入射光量に対して飽和し難い信号出力が得られ、ダイナミックレンジを拡大可能なデータを取得できる。高ダイナミックレンジを実現しながらデジタル画像データのビット幅をｎビットに維持する、換言すればビット幅を圧縮することができる。白飛びや黒潰れの緩和された光量に対するダイナミックレンジの広い画像を取得することができるようになる。

加算器、ラインメモリ装置などの追加回路なしに、蓄積時間の異なる同一位置の複数の画素信号のデジタル値の加算演算をオンチップで実行することができる。蓄積時間の異なる画像をデジタル値で合成できるため、フレームメモリなどの外部回路の追加や、内部回路の追加を必要としないで、ワイドダイナミックレンジを簡易な構成で実現できる。

また、同一水平期間内で、長時間蓄積側の画素信号の読み出しを行なった後に、短時間蓄積を行ない、直ぐにその短時間蓄積側の画素信号の読み出しを行なうようにしているので、同じ行の長時間蓄積信号と短時間蓄積信号がほぼ同じタイミングで順次出力されるので、同時化のためのメモリが不要である。

また、蓄積時間の異なる２つ（必要に応じてさらに蓄積時間の異なる画素信号を増やしてもよい）の画素信号の合成によりダイナミックレンジを拡大するようにしているので、画素内メモリなど専用の画素構造を必要とせず、通常の画素構造のデバイスにも適用可能であり、センサデバイスとしての制限がない。

特に、シングルスロープ方式のＡＤ変換を行なう際に、参照信号生成部２７にて発生させる参照信号RAMPの傾きを漸次変化させるようにすれば、異なる蓄積時間の合成によりワイドダイナミックレンジを実現するだけに留まらず、感度特性にガンマ補正を施し、より自然なセンサ特性を実現することができる。異なる蓄積時間の間の感度差を自然に繋ぐことができ、より自然な画像を合成することができるようになる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

たとえば、上記実施形態では、画素部１０の読出し側に位置するカラム領域にＡＤ変換機能部を設けていたが、その他の箇所に設けることもできる。たとえば、水平信号線１８までアナログで画素信号を出力して、その後にＡＤ変換を行ない出力回路２８に渡すような構成としてもよい。

また、上記実施形態では、モード切替え後のカウント処理時に、切替え前の最終カウント値からカウント処理を開始するようにしていたが、カウント出力値がカウントクロックＣＫ０に同期して出力される同期式のアップダウンカウンタを用いる場合には、モード切替時に特段の対処を要することなく、このことを実現できる。

しかしながら、動作制限周波数が最初のフリップフロップ（カウンタ基本要素）の制限周波数でのみ決められ高速動作に適する利点がある非同期式のアップダウンカウンタを用いる場合には、カウントモードを切り替えた際、カウント値が破壊されてしまい、切替え前後で値を保ったまま連続しての正常なカウント動作が行なえない問題を有する。よって、モード切替え前のカウント値からモード切替え後のカウント処理を開始可能にする調整処理部を設けることが好ましい。なお、ここでは調整処理部の詳細については説明を割愛する。なお、複数の信号間で加算処理を行なう場合、前段と後段の各カウントモードを同じにすればよく、このような対処は不要である。

また、上記実施形態では、画素信号が、時間系列として、同一画素について、リセット成分ΔＶ（基準成分）の後に信号成分Ｖsig が現れ、後段の処理部が正極性（信号レベルが大きいほど正の値が大きい）の信号について処理するものに対応して、真の信号成分を求めるに際して、１回目の処理として、リセット成分ΔＶ（基準成分）について比較処理とダウンカウント処理を行ない、２回目の処理として、信号成分Ｖsig について比較処理とアップカウント処理を行なうようにしていたが、基準成分と信号成分が現れる時間系列に拘わらず、対象信号成分とカウントモードとの組合せや処理順は任意である。処理手順によっては、２回目の処理で得られるデジタルデータが負の値になることもあるが、その場合には、符号反転や補正演算をするなどの対処をすればよい。

もちろん、画素部１０のデバイスアーキテクチャとして、信号成分Ｖsig の後にリセット成分ΔＶ（基準成分）を読み込まなければならず、後段の処理部が正極性の信号について処理するものである場合には、１回目の処理として、信号成分Ｖsig について比較処理とダウンカウント処理を行ない、２回目の処理として、リセット成分ΔＶ（基準成分）について比較処理とアップカウント処理を行なうのが効率的である。

また、上記実施形態では、画素信号が、時間系列として、同一画素について、リセット成分ΔＶ（基準成分）の後に信号成分Ｖsig が現れるものとして、蓄積時間の異なる複数の画素信号間での加算演算をするに当たって、画素信号ごとに、真の信号成分を求める差分処理を行なうようにしていたが、リセット成分ΔＶ（基準成分）を無視できるなど、信号成分Ｖsig のみを対象としてもよい場合には、真の信号成分を求める差分処理を割愛することができる。

また、上記実施形態では、アップダウンカウンタを動作モードに拘わらず共通に使用しつつ、その処理モードを切り替えてカウント処理を行なうようにしていたが、ダウンカウントモードとアップカウントモードを組み合わせてカウント処理を行なうものであればよく、モード切替可能なアップダウンカウンタを用いた構成に限定されない。

また、上記実施形態では、ＮＭＯＳあるいはＰＭＯＳより構成されている単位画素が行列状に配されて構成されたセンサを一例に説明したが、これに限らず、一列に配されたラインセンサにも適用でき上記実施形態で説明したと同様の作用・効果を享受可能である。

また、上記実施形態では、アドレス制御により個々の単位画素からの信号を任意選択して読出可能な固体撮像装置の一例として、光を受光することで信号電荷を生成する画素部を備えたＣＭＯＳセンサを例に示したが、信号電荷の生成は、光に限らず、たとえば赤外線、紫外線、あるいはＸ線などの電磁波一般に適用可能であり、この電磁波を受けてその量に応じたアナログ信号を出力する素子が多数配列された単位構成要素を備えた半導体装置に、上記実施形態で示した事項を適用可能である。

また、上記実施形態で一例として説明したＡＤ変換回路は、固体撮像装置やその他の電子機器に組み込まれて提供されることに限らず、たとえばＩＣ（Integrated Circuit；集積回路）やＡＤ変換モジュールあるいはデータ処理モジュールなどのようにして、単独の装置として提供されてもよい。

この場合、比較部とカウンタ部とを備えたＡＤ変換装置（もしくはデータ処理装置）で提供してもよいが、ＡＤ変換用の参照信号を生成し比較部に供給する参照信号生成部や、カウンタ部におけるカウント処理のモードを制御する制御部も同一の半導体基板上に配したＩＣ（集積回路）や個別チップなどの組合せでなるモジュールに組み込んで提供してもよい。

これらを組み込んで提供することで、画像信号を生成する機能を実現するに当たって、比較部とカウンタ部の動作を制御するために必要な機能部を纏めて取り扱うことができ、部材の取扱いや管理が簡易になる。また、ＡＤ変換処理に必要な要素がＩＣやモジュールとして纏まって（一体となって）いるので、固体撮像装置やその他の電子機器の完成品の製造も容易になる

また、上記実施形態では、光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をするＣＭＯＳ型の固体撮像装置について例示したが、物理量の変化を検知するあらゆるものに、上記実施形態で説明した仕組みを適用でき、光などに限らず、たとえば、指紋に関する情報を圧力に基づく電気的特性の変化や光学的特性の変化に基づき指紋の像を検知する指紋認証装置（特開２００２−７９８４や特開２００１−１２５７３４などを参照）など、その他の物理的な変化を検知する仕組みにおいて、アナログ信号をデジタル信号に変換する際の仕組みとして、上記実施形態を同様に適用することができる。

本発明に係る半導体装置の一実施形態であるＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。 固体撮像装置において使用される参照信号生成部のＤＡ変換回路（ＤＡＣ）の機能を説明する図である。 図１に示した固体撮像装置のカラムＡＤ回路における基本動作である信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。 参照信号生成部の具体的な構成例を示す図である。 下位ビット制御部と上位ビット制御部を中心とするＤＡ変換部の全体の動作概要を説明するタイミングチャートである。 電流源セル部に設けられる各電流源セルの基本的な構成例（概念図）を示した図である。 電流源セル部の詳細な構成例を示す図である。 分周処理部の詳細な構成例を示す図である。 シフトレジスタ部の詳細な構成例を示す図である。 グリッチ抑制処理部の詳細な構成例とその動作を説明する図である。 ＤＡ変換部を構成するに当たってのレイアウト手法を説明する図（その１）である。 ＤＡ変換部を構成するに当たってのレイアウト手法を説明する図（その２）である。 参照信号の傾きを変える原理を説明する図である。 ダイナミックレンジ拡大を説明する図である。 ダイナミックレンジ拡大に参照信号の傾きを変えることを利用してガンマ補正を行なう事例を示す図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、３…単位画素、７…駆動制御部、１０…画素部、１２…水平走査回路、１４…垂直走査回路、１５…行制御線、１８…水平信号線、１９…垂直信号線、２０…通信・タイミング制御部、２４…カウンタ部、２５…カラムＡＤ回路、２６…カラム処理部、２７…参照信号生成部、２７ａ，２７ｂ…ＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）、２８…出力回路、３００…ＤＡ変換部、３１０…ＤＡＣ制御部（定電流源選択制御部）、３２０…ブロック制御部、３３０…下位ビット制御部、３３２…分周処理部、３３３…シフト制御部、３３６，３４６…グリッチ抑制処理部、３４０…上位ビット制御部、３４２…シフトレジスタ部、３５０…電流源セル部、３５２…下位電流源セル部、３５３…下位電流源セル、３５４…上位電流源セル部、３５５…上位電流源セル、３６０…電圧振幅制御部

Claims (9)

1. 同一の定電流を生成すべく一律に重付けされた複数の上位電流源セルを有する上位電流源セル部と、
   前記上位電流源セルに対して２のべき乗分の１の定電流を生成すべく重付けされた下位電流源セルを有する下位電流源セル部と、
   デジタル入力信号のデータ値に応じて、前記上位電流源セル部および前記下位電流源セル部の各電流源セルを選択する定電流源選択制御部とを備え、
   前記定電流源選択制御部は、入力されたカウントクロックに基づいて分周動作を行なう分周器を具備し、この分周動作により得られる２のべき乗分の１の分周クロックを選択制御信号として使用して、当該分周クロックに対応する電流値に重付けされた前記下位電流源セルを選択する下位ビット制御部と、前記上位電流源セルが有する前記上位電流源セルと同数のシフトレジスタを具備し、前記下位ビット制御部の分周動作における桁上がりもしくは桁下がりを示す信号をシフトクロックとして使用して前記シフトレジスタのシフト出力を順次アクティブにしていき、このシフト出力を選択制御信号として使用して、前記上位電流源セルを選択する上位ビット制御部とを有し、
   選択された電流源セルの定電流出力を加算出力することにより前記デジタル入力信号の値に応じた出力電流を得るＤＡ変換装置。
2. 前記上位電流源セル部は、デジタル入力信号の上位ビットのデータ値に応じた数の前記上位電流源セルを有し、前記下位電流源セル部は、デジタル入力信号の下位ビットのビット数に応じた数の前記下位電流源セルを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＤＡ変換装置。
3. 前記上位ビット制御部は、前記シフトレジスタの各シフト出力が、前記デジタル入力信号における上位ビットのデータ値と同じになった時点でシフト動作を停止する
   ことを特徴とする請求項２に記載のＤＡ変換装置。
4. 前記下位ビット制御部は、前記分周器から出力される各分周クロックが、前記デジタル入力信号における下位ビットのビットデータと同じになった時点で分周動作を停止する
   ことを特徴とする請求項３に記載のＤＡ変換装置。
5. 前記電流源セルは、定電流源と、相補信号に基づいて当該定電流源の出力電流を切り替える差動スイッチとを具備し、
   前記上位ビット制御部および前記下位ビット制御部の少なくとも一方は、入力信号を論理反転するとともに所定時間遅延させる遅延手段を具備し、当該遅延手段により遅延されていない入力信号と当該遅延手段により遅延された反転信号とを前記相補信号として前記差動スイッチに供給する手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＤＡ変換装置。
6. 前記下位ビット制御部から出力される前記シフトクロックの出力位置近傍に、１番目の前記シフトレジスタが配置され、折り返しも含めて残りの前記シフトレジスタが２次元マトリクス状に整列して配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＤＡ変換装置。
7. それぞれの前記シフトレジスタと、当該シフトレジスタに対応するそれぞれの前記シフトレジスタとが、等長配線されている
   ことを特徴とする請求項６に記載のＤＡ変換装置。
8. アナログ信号をデジタル信号に変換するための参照信号を生成する参照信号生成部と、前記アナログ信号と前記参照信号生成部により生成された参照信号とを比較する比較部と、この比較部における比較処理と並行して、所定のカウントクロックでカウント処理を行ない、前記比較部における比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部とを備えたＡＤ変換装置であって、
   前記参照信号生成部は、
   同一の定電流を生成すべく一律に重付けされた複数の上位電流源セルを有する上位電流源セル部と、
   前記上位電流源セルに対して２のべき乗分の１の定電流を生成すべく重付けされた下位電流源セルを有する下位電流源セル部と、
   デジタル入力信号のデータ値に応じて、前記上位電流源セル部および前記下位電流源セル部の各電流源セルを選択する定電流源選択制御部とを備え、
   前記定電流源選択制御部は、入力されたカウントクロックに基づいて分周動作を行なう分周器を具備し、この分周動作により得られる２のべき乗分の１の分周クロックを選択制御信号として使用して、当該分周クロックに対応する電流値に重付けされた前記下位電流源セルを選択する下位ビット制御部と、前記上位電流源セルが有する前記上位電流源セルと同数のシフトレジスタを具備し、前記下位ビット制御部の分周動作における桁上がりもしくは桁下がりを示す信号をシフトクロックとして使用して前記シフトレジスタのシフト出力を順次アクティブにしていき、このシフト出力を選択制御信号として使用して、前記上位電流源セルを選択する上位ビット制御部とを有し、
   選択された電流源セルの定電流出力を加算出力することにより前記デジタル入力信号の値に応じた出力電流に基づいて前記参照信号を生成する
   ことを特徴とするＡＤ変換装置。
9. 入射された電磁波に対応する電荷を生成する電荷生成部および前記電荷生成部により生成された電荷に応じたアナログの単位信号を生成する単位信号生成部を単位構成要素内に含む有効領域を備え、かつ前記単位信号をデジタル信号に変換する機能要素として、前記単位信号をデジタル信号に変換するための参照信号を生成する参照信号生成部と、前記単位信号と前記参照信号生成部により生成された参照信号とを比較する比較部と、この比較部における比較処理と並行して、所定のカウントクロックでカウント処理を行ない、前記比較部における比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部とを備えた、物理量分布検知のための半導体装置であって、
   前記参照信号生成部は、
   同一の定電流を生成すべく一律に重付けされた複数の上位電流源セルを有する上位電流源セル部と、
   前記上位電流源セルに対して２のべき乗分の１の定電流を生成すべく重付けされた下位電流源セルを有する下位電流源セル部と、
   デジタル入力信号のデータ値に応じて、前記上位電流源セル部および前記下位電流源セル部の各電流源セルを選択する定電流源選択制御部とを備え、
   前記定電流源選択制御部は、入力されたカウントクロックに基づいて分周動作を行なう分周器を具備し、この分周動作により得られる２のべき乗分の１の分周クロックを選択制御信号として使用して、当該分周クロックに対応する電流値に重付けされた前記下位電流源セルを選択する下位ビット制御部と、前記上位電流源セルが有する前記上位電流源セルと同数のシフトレジスタを具備し、前記下位ビット制御部の分周動作における桁上がりもしくは桁下がりを示す信号をシフトクロックとして使用して前記シフトレジスタのシフト出力を順次アクティブにしていき、このシフト出力を選択制御信号として使用して、前記上位電流源セルを選択する上位ビット制御部とを有し、
   選択された電流源セルの定電流出力を加算出力することにより前記デジタル入力信号の値に応じた出力電流に基づいて前記参照信号を生成する
   ことを特徴とする半導体装置。
   

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