WO2020090166A1 - Signal processing device, image sensor, image capture device, and information processing device - Google Patents
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Definitions
- the technology disclosed in the present specification relates to a signal processing apparatus that performs single-slope AD conversion, an image sensor used as a column ADC using the signal processing apparatus, an imaging apparatus, and an information processing apparatus.
- Solid-state imaging devices include amplification type solid-state imaging devices represented by MOS image sensors such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) and charge transfer type solid-state imaging devices represented by CCD (Charge Coupled Device) image sensors. ing. These solid-state imaging devices are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and various information terminals such as smartphones and tablets.
- MOS image sensors such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
- CCD Charge Coupled Device
- CMOS image sensors are widely used because of their low power supply voltage and power consumption.
- the CMOS image sensor also has an advantage that various functional circuits can be integrated in the same element. In particular, by mounting the AD converter in the same element and performing digital output, it is possible to reduce the influence of noise mixed during the processing of the pixel signal.
- the CMOS image sensor has an AD converter (AD Converter: ADC) that performs AD (Analog to Digital) conversion of an analog electric signal output by a pixel having a photoelectric conversion element such as a PD (Photo Diode) that performs photoelectric conversion.
- AD converter Analog to Digital
- a column AD conversion method is generally used in which AD converters are mounted in parallel in the row direction and the analog signals photoelectrically converted by pixels are AD-converted for each row and read.
- SSADC single-slope AD converter
- a comparator compares a reference signal called a ramp signal whose level changes with a constant slope with an electric signal output from a pixel, and a counter makes the levels of the reference signal and the electric signal coincide with each other.
- the electric signals output from the pixels are AD-converted by counting the time required to change the level of the reference signal up to.
- the CDS for obtaining the difference between the AD conversion result of the reset level which is the electric signal immediately after the pixel is reset and the AD conversion result of the signal level which is the electric signal corresponding to the charges accumulated in the PD of the pixel after the reset (Correlated Double Sampling: Correlated double sampling) is performed, and the difference obtained as a result of the CDS is output as a pixel value (for example, see Patent Document 1).
- the conventional SSADC it has become difficult for the conventional SSADC to meet all the requirements of high precision (or multi-bit), high speed (or high frame rate), and low power consumption. For example, as the resolution becomes higher as the number of bits increases, the count period increases, so that the AD conversion time becomes longer, the signal reading from the pixel becomes slower, and eventually high-speed imaging cannot be performed.
- the resolution of the SSADC is determined by the number of clocks that generate the ramp, but considering that the clock speed has already reached the upper limit, the AD conversion period doubles each time the resolution increases by 1 bit, resulting in higher accuracy. There is a limit to the compatibility of high speed operation with. If an attempt is made to improve the accuracy of the current 12 bits to 14 bits, the AD processing time will be quadrupled, resulting in a strict frame rate and increased power consumption of the ADC. As a solution for speeding up, there is AD cascading (or parallel processing), but further power consumption increases and there is a mounting problem.
- the object of the technique disclosed in the present specification is a signal processing device that performs single slope type AD conversion that realizes high accuracy, high speed, and low power consumption, and column AD conversion that enables high accuracy and high speed conversion.
- An object of the present invention is to provide an image sensor, an image pickup apparatus, and an information processing apparatus including a container.
- An amplifier that amplifies the analog signal
- a determination unit that determines the higher-order bits of the analog signal
- An adjustment unit that adjusts the level of the analog signal input to the amplifier based on the determination result of the determination unit
- a single-slope AD converter that AD-converts the lower bits of the analog signal using the level-adjusted output signal
- the judging unit is composed of an inverter, a capacitor, and a switch element, and judges the upper bit of the analog signal before being input to the amplifier.
- the determining unit determines the upper bit of the analog signal during D-phase settling in AD conversion of the analog signal. Further, the upper bit determined by the determination unit and the lower bit output from the AD conversion unit are connected to output a digital signal obtained by AD converting the analog signal.
- a signal processing device that performs single-slope AD conversion that achieves high accuracy, high speed, and low power consumption, and column AD conversion that enables high accuracy and high speed conversion. It is possible to provide an image sensor including a container, an imaging device, and an information processing device.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the image sensor 100.
- FIG. 2 is a diagram showing a main configuration example of the pixel array 101.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a main circuit configuration of the unit pixel 141.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration example of the AD conversion unit 103.
- FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an internal configuration example of the column AD conversion unit 161 that performs AD conversion by the single slope method.
- FIG. 6 is a diagram showing a timing chart when AD conversion is performed by the correlated double sampling method.
- FIG. 7 is a diagram showing each processing phase of AD conversion when the D-phase period is shortened.
- FIG. 8 is a diagram for explaining the D-phase comparison process in the multi-lamp method.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the image sensor 100.
- FIG. 2 is a diagram showing a main configuration example of the pixel array 101.
- FIG. 3 is a diagram
- FIG. 9 is a diagram for explaining the D phase comparison processing in the VSL shift method.
- FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration example of a signal processing circuit 1000 for AD converting the pixel signal VSL by the VSL shift method.
- FIG. 11 is a diagram showing a specific circuit configuration example of the adjusting unit 1002 and the column amplifier 160.
- FIG. 12 is a diagram showing an operation example of the adjusting unit 1002.
- FIG. 13 is a diagram showing an example of the level shift operation of the pixel signal VSL by the adjustment unit 1002.
- FIG. 14 is a diagram showing a circuit configuration example of the determination unit 1001.
- FIG. 15 is a diagram showing an operation timing chart of the determination unit 1001 in each processing phase of AD conversion.
- FIG. 16 is a diagram showing an operation example of the determination unit 1001.
- FIG. 17 is a diagram showing an operation example of the determination unit 1001.
- FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the 4-bit determination result of the inverter 1401 and the upper 2 bits output from the determination unit 1001.
- FIG. 19 is a diagram showing a configuration example of the image pickup apparatus 1900.
- FIG. 20 is a diagram showing a configuration example of the information processing device 2000.
- FIG. 1 shows a configuration example of an image sensor 100 to which the technique disclosed in this specification is applied.
- the image sensor 100 is a device that photoelectrically converts light from a subject and outputs it as image data, and is configured as a CMOS image sensor, a CCD image sensor, or the like.
- the illustrated image sensor 100 includes a pixel array 101, a reference voltage generation unit 102, an AD conversion unit 103, a horizontal transfer unit 104, a control unit 111, and a vertical scanning unit 112.
- the pixel array 101 is a pixel region in which unit pixels each having a photoelectric conversion element such as a PD are arranged in a plane or a curved surface.
- the analog signal read from each unit pixel is transmitted to the AD conversion unit 103 via any of the vertical signal lines 121-1 to 121-N.
- the vertical signal lines 121-1 to 121-N will be collectively referred to as the vertical signal lines 121 unless it is necessary to distinguish them from each other.
- the reference voltage generator 102 generates a reference signal (also referred to as a reference voltage) that serves as a reference signal for AD conversion by the AD converter 103.
- a ramp (Ramp) signal composed of a ramp wave (sawtooth wave) is used as a reference signal.
- the reference voltage generator 102 has, for example, a DA (Digital to Analog) converter (not shown), and the DA converter generates a ramp signal. This ramp signal is supplied to the AD conversion unit 103 via the reference signal line 122.
- the AD conversion unit 103 uses the reference signal to AD convert each analog signal read from each unit pixel in the pixel array 101 via the vertical signal lines 121-1 to 121-N. , And outputs the digital data for each column to the horizontal transfer unit 104 via the corresponding signal line of the signal lines 123-1 to 123-N.
- the signal lines 123-1 to 123-N are collectively referred to as the signal line 123 unless it is necessary to distinguish them from each other.
- the horizontal transfer unit 104 transfers the digital data supplied from the AD conversion unit 103 via the signal line 123 to the outside of the image sensor 100 via the signal line 124.
- the control unit 111 controls the operation of the entire image sensor 100 by controlling each unit of the image sensor 100. Specifically, the control unit 111 controls an operation such as generation of a ramp signal by the reference voltage generation unit 102 by supplying a control signal via the control line 131. In addition, the control unit 111 controls the AD conversion operation of the pixel signal (VSL) by the AD conversion unit 103 by supplying the control signal via the control line 132. The control unit 111 also controls the digital data transfer operation by the horizontal transfer unit 104 by supplying a control signal via the control line 133. Further, the control unit 111 controls the vertical scanning of the pixel array 101 by the vertical scanning unit 112 by supplying a control signal via the control line 134.
- the vertical scanning unit 112 controls the operation of the transistor of each unit pixel of the pixel array 101 by being controlled by the control unit 111 and supplying a control signal via the control lines 125-1 to 125-M. ..
- the control lines 125-1 to 125-M are collectively referred to as the control lines 125 unless it is necessary to distinguish them from each other.
- FIG. 2 shows a main configuration example of the pixel array 101.
- the pixel array 101 includes a plurality of unit pixels arranged in a plane.
- M ⁇ N unit pixels 141 (unit pixels 141-11 to unit pixels 141-MN) are arranged side by side in a matrix of M rows and N columns (array).
- M and N are arbitrary natural numbers).
- the unit pixels 141-11 to 141-MN are collectively referred to as the unit pixel 141 unless it is necessary to distinguish them from each other.
- the arrangement of the unit pixels 141 is arbitrary, and may be arranged other than the matrix, such as a so-called honeycomb structure.
- a vertical signal line 121 (vertical signal line 121-1 to vertical signal line 121-N) is formed for each column of the unit pixel 141 (hereinafter, also referred to as a unit pixel column). Then, each vertical signal line 121 is connected to each unit pixel of a column (unit pixel row) corresponding to itself, and a signal read from each unit pixel is sent to the AD conversion unit 103 (not shown in FIG. 2). To transmit.
- a control line 125 (control line 125-1 to control line 125-M) is formed for each row of unit pixels 141 (hereinafter, also referred to as a unit pixel row). Then, each control line 125 is connected to each unit pixel 141 of the unit pixel row corresponding to itself, and transmits the control signal supplied from the vertical scanning unit 112 to each unit pixel 141.
- the unit pixel 141 is connected to the vertical signal line 121 assigned to the column to which it belongs (unit pixel column) and the control line 125 assigned to the unit pixel row to which it belongs, and the control line 125 thereof.
- the electric signal obtained by itself is supplied to the AD conversion unit 103 via the vertical signal line 121.
- FIG. 3 shows a main circuit configuration example of the unit pixel 141.
- the unit pixel 141 shown in the figure includes a photodiode (PD) 151, a transfer transistor 152, a reset transistor 153, an amplification transistor 154, and a select transistor 155.
- PD photodiode
- the unit pixels 141-11 to 141-MN have the same configuration.
- the photodiode 151 photoelectrically converts the received light into a photocharge having a charge amount corresponding to the light amount, and accumulates the photocharge. The accumulated photocharge is read at a predetermined timing.
- the anode electrode of the photodiode 151 is connected to the ground of the pixel region (pixel ground), and the cathode electrode is connected to the floating diffusion (FD) via the transfer transistor 152.
- the cathode electrode of the photodiode 151 may be connected to a power source (pixel power source) in the pixel region, the anode electrode may be connected to the FD via the transfer transistor 152, and photocharges may be read out as photoholes.
- the transfer transistor 152 controls the reading of photocharges from the photodiode 151.
- the transfer transistor 152 has a drain electrode connected to the FD and a source electrode connected to the cathode electrode of the photodiode 151.
- a transfer control line (TRG) that transfers a transfer control signal supplied from the vertical scanning unit 112 is connected to the gate electrode of the transfer transistor 152. This TRG is included in the control line 125 in FIG.
- the photoelectric charge is not transferred from the photodiode 151 (the photoelectric charge is accumulated in the photodiode 151).
- the signal of TRG is on, the photocharges accumulated in the photodiode 151 are transferred to the FD.
- the reset transistor 153 resets the FD potential.
- the reset transistor 153 has a drain electrode connected to the power supply potential and a source electrode connected to the FD.
- a reset control line (RST) that transmits a reset control signal supplied from the vertical scanning unit 112 is connected to the gate electrode of the reset transistor 153. This RST is included in the control line 125 in FIG.
- the FD is disconnected from the power supply potential when the signal of RST (that is, the gate potential of the reset transistor 153) is in the off state.
- the signal of RST that is, the gate potential of the reset transistor 153
- the RST signal is in the ON state
- the electric charge of the FD is discarded in the power supply potential and the FD is reset.
- the amplification transistor 154 amplifies the potential change of the FD and outputs it as an electric signal (analog signal).
- the amplification transistor 154 has a gate electrode connected to the FD, a drain electrode connected to the source follower power supply voltage, and a source electrode connected to the drain electrode of the select transistor 155.
- the amplification transistor 154 outputs the potential of the FD reset by the reset transistor 153 to the select transistor 155 as a reset signal (reset level). Further, the amplification transistor 154 outputs the potential of the FD to which the photocharge is transferred by the transfer transistor 152 to the select transistor 155 as a pixel signal (light accumulation signal level).
- the select transistor 155 controls the output of the electric signal supplied from the amplification transistor 154 to the vertical signal line (VSL) 121 (that is, the AD conversion unit 103).
- the select transistor 155 has a drain electrode connected to the source electrode of the amplification transistor 154 and a source electrode connected to the vertical signal line 121.
- a select control line (SEL) that transmits a select control signal supplied from the vertical scanning unit 112 is connected to the gate electrode of the select transistor 155. This SEL is included in the control line 125 in FIG.
- the amplification transistor 154 and the vertical signal line 121 are electrically disconnected. Therefore, in this state, the reset signal or the pixel signal is not output from the unit pixel 141.
- the unit pixel 141 is in the selected state. That is, the amplification transistor 154 and the vertical signal line 121 are electrically connected, and the signal output from the amplification transistor 154 is supplied to the vertical signal line 121 as the pixel signal VSL of the unit pixel 141. That is, the reset signal and the pixel signal VSL are read from the unit pixel 141.
- FIG. 4 schematically shows a configuration example of the AD converter 103.
- the illustrated AD conversion unit 103 has N column AD conversion units 161-1 to 161-N corresponding to the number of columns of the unit pixel 141 of the pixel array 101.
- the column AD conversion units 161-1 to 161-N are collectively referred to as the column AD conversion unit 161, unless it is necessary to distinguish them from each other.
- the column AD converter 161 is provided for each column (unit pixel row) of the pixel array 101.
- Each column AD conversion unit 161 (column AD conversion unit 161-1 to column AD conversion unit 161-N) has a vertical signal line 121 (vertical signal line 121-1 to vertical signal line 121-N) of a column corresponding to itself. ) And the reference signal line 122 are connected. Further, column amplifiers 160-1 to 160-N for amplifying pixel signals are inserted on the vertical signal lines 121-1 to 121-N of each column. Hereinafter, the column amplifiers 160-1 to 160-N are collectively referred to as the column amplifier 160 unless it is necessary to distinguish them from each other. In the column amplifier 160, before the pixel signal VSL transferred through the vertical signal line 121 is input to the column AD conversion unit 161, VSL is low-noise amplified and inverted output is performed.
- the column AD conversion unit 161 performs AD conversion by the single slope method. That is, each column AD converter 161 reads out the signal read from the unit pixel 141 of the column corresponding to itself and supplied through the vertical signal line 121 of the column (after being amplified by the column amplifier 160). AD conversion is performed using the reference signal supplied from the reference voltage generation unit 102 via the reference signal line 122.
- the signal line 123 (signal line 123-1 to signal line 123-N) of the column corresponding to the column AD conversion unit 161 is connected to each column AD conversion unit 161.
- Each column AD conversion unit 161 supplies the AD conversion result obtained by itself to the horizontal transfer unit 104 (not shown in FIG. 4) via the signal line 123 corresponding to itself.
- a control line 132 (control lines 132-1 to 132-N) is connected to each column AD converter 161.
- Each column AD converter 161 is driven based on a control signal (that is, control of the controller 111) supplied from the controller 111 (not shown in FIG. 4) via the control line 132 corresponding to itself.
- FIG. 5 schematically shows an internal configuration example of the column AD conversion unit 161 that performs AD conversion by the single slope method.
- the illustrated column AD converter 161 includes a comparator 171, a counter 172, a capacitor 173, and a capacitor 174.
- One input terminal of the 2-input 1-output comparator 171 is connected to the vertical signal line 121 of the column corresponding to itself via the capacitor 174, and is read from each unit pixel of the column corresponding to itself.
- the pixel signal VSL is subjected to low noise amplification by the corresponding column amplifier 160, and then input via the capacitor 174.
- the other input terminal of the comparator 171 is connected to the reference signal line 122 via the capacitor 173, and the ramp signal generated as the reference signal by the reference voltage generation unit 102 is input.
- the output terminal VCO of the comparator 171 is connected to the counter 172.
- the capacitors 173 and 174 are capacitors having a fixed capacity (having a predetermined capacity). Note that the comparator 171, the capacitors 173, and 174 may be integrated into a comparator 181 (in other words, the capacitors 173 and 174 may be included in the configuration of the comparator 181).
- the comparator 171 receives the VSL signal (however, after low noise amplification by the column amplifier 160) input to one input terminal via the vertical signal line 121 and the capacitor 174, and the reference signal line 122 and the capacitor 173. The signal levels of the ramp signal input to the other input terminal are compared, and the comparison result is output to the counter 172. That is, the comparator 171 outputs a signal indicating which of the VSL signal and the ramp signal has the higher signal level from the output terminal VCO and supplies the signal to the counter 172.
- the signal output by the comparator 171 is, for example, 1-bit digital data.
- the value output by the comparator 171 becomes "0".
- the comparator 171 The value output by is "1".
- the bit length of the signal indicating the comparison result is arbitrary and may be information composed of a plurality of bits.
- the counter 172 has an input terminal connected to the output terminal VCO of the comparator 171, and an output terminal connected to the signal line 123 of the column corresponding to itself.
- the comparison result is supplied from the comparator 171 to the counter 172.
- the counter 172 counts the number of clocks of the clock signal from the start of counting until the comparison result of the comparator 171 is inverted (that is, the signal level of the output terminal VCO changes), and thus the time until the comparison result is inverted To measure. Then, the counter 172 converts the count value up to that point when the comparison result is inverted into the AD conversion result of the VSL signal input to one input terminal of the comparator 171 (that is, the signal read from the unit pixel 141). Of the digital data) is output to the horizontal transfer unit 104 via the signal line 123.
- FIG. 6 shows a timing chart when the AD conversion by the correlated double sampling method is performed in the column AD converter 161.
- the auto zero (AZ) period time t0 to time t1 of the correlated double sampling (comparator 171) and the reset signal and the ramp signal read from the pixel are compared P ( It includes a precharge phase period (time t1 to time t2) and a D (data) phase period (time t2 to time t3) in which the VSL signal read from the pixel and the ramp signal are compared.
- the analog image signal VSL read by the vertical signal line 121 is compared with a ramp signal which is a reference signal in signal level (voltage) by a comparator 171 in the column AD converter 103 arranged for each column. ..
- the counter 172 in the same column AD converter 161 operates.
- the analog pixel signal VSL of the vertical signal line 121 is converted into a digital pixel signal.
- the change in the reference voltage V slop is to convert the change in voltage into a change in time, and by counting the time with a predetermined clock, the analog value is converted into a digital value.
- the output of the comparator 171 is inverted from high level to low level. Then, in response to the polarity reversal of the comparator 171, the counter 171 stops the counting operation and temporarily holds the count value ⁇ P corresponding to the P-phase output ( ⁇ V).
- the output of the comparator 171 changes from high level to low level. Invert. Then, in response to the polarity reversal of the comparator 171, the counter 172 stops the counting operation and temporarily holds the count value ⁇ D corresponding to the D-phase output.
- correlated double sampling that is, subtracting the count value ⁇ P of the P phase period from the count value ⁇ D of the D phase period, it is possible to obtain the output voltage V out which is the difference between the D phase output and the P phase output. it can.
- the D phase period that is, the count value ⁇ D increases.
- the D phase period will be quadrupled, and the frame rate will be severe, and the ADC Increases power consumption.
- the multi-ramp method and the VSL shift method can be mentioned as the method for realizing the speedup of the single slope type AD conversion unit.
- the upper bit of the pixel signal VSL is determined in the upper determination period provided during the D-phase settling, and then the level comparison between the VSL and the ramp signal is performed in detail only in the lower level of VSL. Therefore, the D-phase period is shortened (see FIG. 7).
- the former multi-ramp method is, for example, a method of determining the upper bits of VSL in the D phase in N stages and generating N ramp signals having different levels corresponding to the upper bits (see, for example, Patent Document 2). See). Specifically, one corresponding ramp signal is selected from N based on the determination result of the upper bit, the comparison with VSL is performed, and the lower bit is measured.
- FIG. 8 shows how the D-phase full scale (FS) is divided into four to generate ramp signals for each of the four voltage regions.
- the upper determination period it is determined which of the four voltage ranges the VSL level of the D phase corresponds to. Then, in the subsequent D-phase period, the ramp signal corresponding to the determination result of the upper bit is selected and compared with the pixel signal VSL.
- the D-phase period can be shortened to 1/4 as compared with the case where the comparison with VSL is performed on a full scale.
- the same ramp-shaped waveform signal for 12 bits is used as the multi-ramp and the upper bit ( 00, 01, 10, 11)
- four types of ramp signals having different levels can be generated.
- the upper 2 bits are determined in the upper determination period.
- the ramp signal of the corresponding level is selected and compared with the D-phase pixel signal VSL to determine the correlation of the lower 12 bits.
- Perform double sampling Then, 2 bits acquired in the upper determination period can be concatenated with the obtained upper 12 bits of the lower 12 bits to be converted into 14-bit digital data.
- the D-phase period can be shortened to 1/4 as compared with the case where the comparison with VSL is performed on a full scale.
- the multi-lamp is a system that selects the ramp signal according to the pixel level read out, and can be realized with a simple circuit configuration.
- the load capacitance applied to each ramp generation circuit changes, resulting in a delay, and as a result, There is a problem that the A / D conversion value shifts. Further, in order to correct the delay error, calibration for every 1H is necessary, and the circuit scale increases.
- the latter VSL shift method is a method of shifting the VSL level in the D-phase period. Specifically, the level of VSL in the D phase is determined in N steps, and the level of VSL in the D phase is shifted based on the determination result so that the input signal to the comparator 171 corresponds to N minutes of the D phase period. The D-phase period is shortened to 1 / N so that the voltage falls within the voltage range of 1. In the VSL shift method, since the number of lamps used is one, the delay problem as in the case of the multi-lamp method does not occur.
- FIG. 9 shows a state in which the D-phase comparison is performed by the VSL shift method with a single ramp signal having a length of 1 ⁇ 4 of the full-scale (FS) of the D-phase.
- the high-order determination period it is determined which voltage region the D-phase VSL level corresponds to, and in the subsequent D-phase period, the VSL level is shifted according to the determination result of the high-order bit, and the comparison is performed.
- the D-phase period can be shortened to a quarter by making the input signal to the device 171 fall within the voltage range of a quarter of the D-phase period.
- the pixel signal VSL expanded from 12 bits to 14 bits is AD-converted by the VSL shift method shown in FIG. 9, one kind of ramp signal for 12 bits (or P phase comparison) is used as the ramp signal.
- the upper determination period the upper 2 bits of the pixel signal VSL are determined. Then, based on which of the determination results of the upper bits is 00, 01, 10, 11, the pixel signal VSL of the D phase is shifted to the level of the P phase or the upper 2 bits “00”, and Perform correlated double sampling of the lower 12 bits compared to the ramp signal. Then, 2 bits acquired in the upper determination period can be concatenated with the obtained upper 12 bits of the lower 12 bits to be converted into 14-bit digital data.
- the D-phase period can be shortened to 1/4 as compared with the case where the comparison with VSL is performed on a full scale.
- FIG. 10 shows a schematic configuration example of a signal processing circuit 1000 for AD converting the pixel signal VSL by the VSL shift method.
- the signal processing circuit 1000 shown in the drawing is, with respect to the column AD conversion unit 161 shown in FIGS. 4 to 5, a determination unit 1001 that determines the upper bit of the pixel signal VSL, and a pixel signal VSL based on the determination result of the upper bit.
- the adjustment unit 1002 for adjusting the shift amount is added.
- the determination unit 1001 inputs the pixel signal VSL (before being input to the amplifier 202) transferred from the unit pixel 141 via the vertical signal line 121 during the D-phase settling, and determines the upper 2 bits thereof. To do.
- the determination result of the determination unit 1001 is written as the upper 2 bits of the counter 172 (described above) and is output to the adjustment unit 1002.
- the determination unit 1001 can be realized by a simple circuit using an inverter, a capacitor, and a switch element, for example, but the detailed configuration will be described later.
- the adjusting unit 1002 shifts the level of the pixel signal VSL by adding a DC offset voltage based on the determination result of the determining unit 1001 to the pixel signal VSL input to the column amplifier 160.
- the column amplifier 160 low-noise amplifies and inverts the level-shifted pixel signal VSL based on the upper bits, and outputs the pixel signal VSL to the column AD converter 161 in the subsequent stage.
- the reference voltage generation unit 102 generates a ramp signal in the ramp voltage range of 1 / N for the lower bit (excluding the upper bit) of the pixel signal VSL (where N is a positive integer). And) to the column AD converter 161.
- the comparator 181 compares the level-shifted pixel signal VSL input from the column amplifier 160 with the signal level of the ramp signal in the ramp voltage range that is 1 / N, and A signal indicating which signal level is higher is output from the output terminal VCO and supplied to the counter 172.
- the counter 172 counts the number of clocks of the clock signal from the start of counting until the comparison result of the comparator 171 is inverted (that is, the signal level of the output terminal VCO changes), and when the comparison result is inverted, the count is reached.
- the count value of is the AD conversion result of the lower bits of the pixel signal VSL.
- the upper bits of the AD conversion result of the lower bits are connected to the upper bits determined by the determination unit 1001 and output to the horizontal transfer unit 104 (not shown in FIG. 10) via the signal line 123.
- a specific operation of the signal processing circuit 1000 shown in FIG. 10 will be described by taking as an example the case where the pixel signal VSL expanded from 12 bits to 14 bits is AD-converted.
- the determination unit 1001 determines the upper 2 bits of the pixel signal VSL during the upper determination period during the D-phase settling. Then, the adjustment unit 1002 shifts the DC signal for shifting the D-phase pixel signal VSL to the level of the upper bit “00” based on which of the determination results of the upper two bits is 00, 01, 10, or 11.
- the offset voltage is added to the pixel signal VSL input to the column amplifier 160. Further, the reference voltage generation unit 102 generates a ramp signal in a ramp voltage range that is a quarter, for example, for 14 bits, and supplies the ramp signal to the comparator 181 in the column AD conversion unit 161.
- the comparator 181 compares the level-shifted pixel signal VSL with the signal level of the ramp signal in the pump voltage range that is 1 ⁇ 4, and outputs a signal indicating which signal level is larger from the output terminal VCO. And supplies it to the counter 172.
- the counter 172 counts the number of clocks of the clock signal from the start of counting until the comparison result of the comparator 171 is inverted, and sets the count value as the AD conversion result of the lower 12 bits of the pixel signal VSL. Then, the upper 2 bits determined by the determination unit 1001 can be connected to the upper 12 bits of the AD conversion result, and the 14-bit AD conversion result of the pixel signal VSL can be obtained.
- the upper bit is determined based on the voltage value of the pixel signal VSL at the time of D-phase settling, and the level shift amount of VSL is set, so that the lamp voltage range is reduced to 1 / N.
- the AD processing time can be shortened by pulling in the pixel signal VSL.
- FIG. 11 shows a specific circuit configuration example of the adjusting unit 1002 and the column amplifier 160 in the signal processing circuit 1000 shown in FIG.
- the column amplifier 160 is originally a low noise amplifier that amplifies VSL before inputting the pixel signal VSL transferred by the vertical signal line 121 to the column AD converter 161.
- the illustrated column amplifier 160 is a switched capacitor amplifier, and the column amplifier 160 includes a capacitor 1101 as C IN , an amplifier 1102, a capacitor 1103 as C FB , and a switch 1104, and two capacitors C IN and The gain for amplifying the input pixel signal VSL is determined by C FB .
- the pixel signal VSL transferred via the vertical signal line 121 is input to and accumulated in the first terminal of the capacitor 1101.
- a voltage signal having a voltage corresponding to the accumulated charge signal is output from the second terminal of the capacitor 1101 and input to the inverting input terminal of the amplifier 1102.
- the non-inverting input terminal of the amplifier 1102 is grounded. Then, the amplifier 1102 amplifies the voltage of the input voltage signal, and inverts and outputs the amplified voltage signal as the output of the column amplifier 160 to the column AD conversion unit 161 in the subsequent stage.
- the voltage signal inverted and output by the amplifier 1102 is input to the first terminal of the capacitor 1103 and accumulated.
- the voltage signal corresponding to the accumulated voltage signal is output from the second terminal of the capacitor 1103 to the amplifier 1102 as a feedback signal.
- the amplifier 1102 continues to output a voltage signal of a constant voltage according to the voltage of the feedback signal. That is, the amplifier 1102 continues to output the voltage signal of the voltage corresponding to the charge signal input to the column amplifier 160 to the column AD conversion unit 161 in the subsequent stage.
- the voltage signal output from the amplifier 1102 represents the magnitude of the pixel signal VSL generated by the corresponding unit pixel 141 of the pixel array 101, which is increased or decreased according to the ratio between the capacitance C IN of the capacitor 1101 and the capacitance C FB of the capacitor 1103.
- the capacitance C IN of the capacitor 1101 is 200 fF
- the capacitance C FB of the capacitor 1103 is variable among 200 fF, 100 fF, 50 fF, and 25 fF.
- the output terminal of the amplifier 1102 (which is also the first terminal of the capacitor 1103) is connected to the first terminal of the switch 1104, and the input terminal of the amplifier 1102 (which is also the second terminal of the capacitor 1103) is connected to the switch. It is connected to the second terminal of 1104. Then, the switch 1104 short-circuits or opens the first terminal and the second terminal of the capacitor 1103. When both terminals of the capacitor 1103 are short-circuited, the voltages of both terminals of the capacitor 1103 become the same voltage and are reset, and the amplification operation of the voltage signal by the amplifier 1102 is also reset.
- the signal processing circuit 1000 determines the upper bit of the VSL directly from the pixel signal VSL input via the vertical signal line 121, and the VSL of the VSL based on the determination result of the determination unit 1001.
- An adjustment unit 1002 for adjusting (shifting) the level is further provided.
- the determination unit 1001 and the adjustment unit 1002 are arranged outside the column amplifier 160 in FIG. 11, one or both of the functions of the determination unit 1001 and the adjustment unit 1002 can be installed in the column amplifier 160. is there.
- FIG. 11 shows a circuit configuration example of the adjusting unit 1002 in the case of shifting the VSL level by dividing the full scale of the D-phase VSL into four.
- the adjusting unit 1002 can be configured as in FIG. 11. It is also possible for those skilled in the art to configure the adjusting unit 1002 so as to divide the full scale of the D-phase VSL by a value other than a power of two.
- the determination unit 1001 determines the upper 2 bits of the pixel signal VSL (before being input to the amplifier 202) transferred via the vertical signal line 121.
- the determination result of the determination unit 1001 is written as the upper 2 bits of the counter 172 (described above) and is output to the adjustment unit 1001.
- the determination unit 1001 can be realized by a simple circuit using, for example, an inverter, a capacitor, and a switch element, but the detailed configuration thereof will be described later.
- the adjustment unit 1002 inputs the DC offset voltage ⁇ V SH based on the determination result of the upper 2 bits of the pixel signal VSL by the determination unit 1001 to the inverting input terminal of the amplifier 1102 (or the column amplifier 160) to output the upper 2 bits.
- the level of the pixel signal VSL is shifted by a shift amount according to the determination result.
- the adjustment unit 1002 is configured by a DA conversion circuit that generates a DC offset voltage.
- the adjustment unit 1002 has switches 1111 to 1113 (SW1, SW2, SW3), one end of which is commonly connected to the inverting input terminal of the amplifier 1102 and the other end of which is switched between the ground and the reference voltage signal V FSR. ) Are respectively connected to each other and have three capacitors 1114 to 1116 having the same capacitance C SH .
- the reference voltage signal V FSR is, for example, a 14-bit voltage signal corresponding to the full scale of the pixel signal VSL, and is supplied from the DA converter 1110.
- the capacities of the capacitors 1114 to 1116 do not have to be uniform, and the adjustment unit 1002 can be configured in a binary type by weighting each capacitor such as C, 2C, and 4C.
- the switches SW1, SW2, and SW3 denoted by reference numerals 1111 to 1113 are turned on / off based on the determination result of the upper 2 bits of the pixel signal VSL by the determination unit 1001, and the pixel signal VSL corresponding to the number of switches in the on state is changed.
- the level shift amount ⁇ V SH can be applied to the inverting input terminal of the amplifier 1102 (or the column amplifier 160).
- the shift amount ⁇ V SH is 1/4 ⁇ V FSR when only the switch SW1 is in the on state
- the shift amount ⁇ V SH is 1/2 ⁇ V FSR when the two switches SW1 and SW2 are in the on state.
- FIG. 12 illustrates the relationship between the determination result of the upper 2 bits of the pixel signal VSL, the on / off states of the switches SW1 to SW3, and the level shift amount ⁇ V SH of the pixel signal VSL.
- FIG. 13 shows an example in which the level of the pixel signal VSL is shifted by the adjustment unit 1002 when the upper bit determined by the determination unit 1001 is “11”.
- the pixel signal VSL is in a state before being input to the column amplifier 160, that is, before being inverted and output by the column amplifier 160.
- the level of the pixel signal VSL is shifted from “11” to “00”.
- whether the upper level of the pixel signal VSL is “10” or “01” is similarly shifted to the level “00” by the adjusting unit 1002.
- the column AD conversion unit 161 in the subsequent stage compares the lower 12 bits of the pixel signal VSL expanded to 14 bits with one kind of ramp signal for 12 bits (or for P phase comparison), and determines the comparison result. Correlated double sampling can be performed to obtain digital data. That is, the D-phase period or the AD processing time can be shortened to 1/4 by pulling the pixel signal VSL into the lamp voltage range of 1/4.
- FIG. 14 shows a circuit configuration example of the determination unit 1001. Further, FIG. 15 shows an operation timing chart of the determination unit 1001 in each processing phase of AD conversion.
- the determination unit 1001 performs a high-order determination using the pixel signal VSL before input to the column amplifier 160, and is composed of simple elements such as an inverter, a capacitor, and a switch element, as will be described later.
- the main feature is that it is short.
- the determination unit 1001 shown in FIG. 14 includes an inverter 1401, a first capacitor 1402 and a second capacitor 1403, a switch 1404, and a latch 1405.
- the pixel signal VSL transferred via the vertical signal line 121 is input to and accumulated in the first terminal of the first capacitor 1402. As a result, a voltage signal having a voltage corresponding to the accumulated charge signal is output from the second terminal of the first capacitor 1402.
- the DA converter 1406 generates a full-scale DC voltage of V-phase VSL as a reference voltage V FSR .
- This reference voltage V FSR is divided by a voltage dividing circuit composed of four resistance elements connected in series with the same resistance value, and four types of reference voltages 0/4 ⁇ V FSR and 1/4 with different voltage levels are obtained.
- ⁇ V FSR, 2/4 ⁇ V FSR, 3/4 ⁇ V FSR can be generated.
- the first terminal of the second capacitor 1403 has reference voltages 0/4 ⁇ V FSR , 1/4 ⁇ V FSR , and 2 / 4 ⁇ V FSR and 3/4 ⁇ V FSR are sequentially input.
- a voltage signal having a voltage corresponding to the accumulated charge signal is output from the second terminal of the second capacitor 1403.
- the second terminals of the first capacitor 1402 and the second capacitor 1403 are commonly connected to the inverter 1401.
- the voltage of the input terminal of the inverter 1401 is Va.
- the output of the inverter 1401 is input to the latch 1405.
- the calibration (T cal ) is performed using the auto-zero period and the P-phase period in which the level of the pixel signal VSL is constant. Specifically, the switch 1404 is turned on, the output of the inverter 1401 is short-circuited to the input of the inverter 1401, and the input / output offset is removed. This corrects the absolute deviation between the level V SP of the pixel signal VSL at the end of the P-phase period or the start of the D-phase period and the reference voltage V rP output from the second terminal of the second capacitor 1403.
- logical V th threshold value determined in the inverter 1401: VB
- the switch 1404 is turned off and the determination process of the upper bit of the pixel signal VSL is started.
- the level of the pixel signal VSL changes.
- the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are turned on in this order, so that the first terminal of the second capacitor 1403 receives the reference voltage as a reference voltage. 0/4 ⁇ V FSR, 1/4 ⁇ V FSR, 2/4 ⁇ V FSR, 3/4 ⁇ V FSR is inputted in order.
- the voltage signal output from the second terminal of the second capacitor 1403 changes.
- the pixel signal VSL also drops in the D-phase period, and the voltage signal output from the second terminal of the first capacitor 1402 also changes.
- the amount of change in the voltage level of the pixel signal VSL from the end of the P-phase period is ⁇ V S.
- the unit of the amount of change from the reference voltage V rP in the voltage level output from the second terminal of the second capacitor 1403 is ⁇ V ref .
- the input terminal voltage Va of the inverter 1401 changes in accordance with the changes ⁇ V S and ⁇ V ref of the voltage levels input to the first terminals of the first capacitor 1402 and the second capacitor 1403, respectively.
- Va in the determination period (T CM ) of the upper bits can be expressed by the following equation (1).
- n in the formula (1) is an integer of 0 to 3.
- the difference value between the voltage level change amount ⁇ V S of the pixel signal VSL and the reference voltage change amount ⁇ V ref is determined based on the logical threshold value (logical V th ): VB of the inverter 1401. It is composed. This makes it possible to absorb the deviation of the logical threshold value of each element of the inverter 1401 and accurately determine the upper bit of the D-phase pixel signal VSL.
- the switches SW1, SW2, and SW3 are sequentially turned on / off. On / off of each of the switches SW1, SW2, and SW3 is controlled by a 4-bit switch control signal.
- the switch control signal is "0000"
- the switch SW1 is on
- "0001” is the switch SW2 on
- "0011” is the switch SW3 on
- "0111” is the switch SW3 on.
- the 4-bit switch control signal is also input to the latch 1405.
- the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are sequentially switched on and off in the determination period (T CM ) of the upper bit, the change amount ⁇ V S of the voltage level of the pixel signal VSL and the change from the reference voltage V rP.
- the output of the inverter 1401 changes according to the amount ⁇ V ref ⁇ n.
- the latch 1405 temporarily holds the 4-bit switch control signal input when the output of the inverter 1401 is inverted as a determination result.
- 16 and 17 show examples of determination results of the inverter 1401 as operation examples of the determination unit 1001.
- the change amount ⁇ V S of the voltage level of the pixel signal VSL is small, and the output of the inverter 1401 is output regardless of the voltage level ⁇ V ref ⁇ n output from the second terminal of the second capacitor 1403. Is not inverted, the determination result by the determination unit 1001 is “0000”.
- the amount of change ⁇ V S of the voltage level of the pixel signal VSL is rather large, and the output of the inverter 1401 is at the voltage level ⁇ V ref ⁇ 3 output from the second terminal of the second capacitor 1403. Since it is inverted, the determination result by the determination unit 1001 is “0011”.
- the determination result by the determination unit 1001 is “0010”.
- the determination result by the determination unit 1001 is “0111”.
- the 4-bit determination result by the inverter 1401 corresponds to the on / off control of the switches SW1, SW2, and SW3. Then, the determination result of the upper 2 bits of the pixel signal VSL by the determination unit 1001 is acquired by using 3 bits of the determination result of 4 bits by the inverter 1401.
- FIG. 18 shows the relationship between the 4-bit determination result of the inverter 1401 and the high-order 2 bits output from the determination unit 1001.
- the determination result of the determination unit 1001 is written as the upper 2 bits of the counter 172 (described above) and is output to the adjustment unit 1002.
- the level of the VSL of the D phase is determined in N steps, the level of the VSL of the D phase is shifted based on the determination result, and the input to the comparator 171 is performed.
- the D phase period in the AD conversion process can be shortened to 1 / N.
- the 14-bit AD conversion processing time can be shortened by 60%.
- the signal processing circuit 1000 is configured to determine the upper bit of the pixel signal VSL during the D-phase settling and adjust the shift amount of the pixel signal VSL input to the column amplifier 160 based on the determination result of the upper bit. ..
- the circuits of the determination unit 1001 that determines the higher-order bits of the pixel signal VSL and the adjustment unit 1002 that adjusts the shift amount of the pixel signal VSL can be implemented in the circuit of the column amplifier 160 for the purpose of low noise amplification.
- the determination unit 1001 is configured to perform high-order determination using the pixel signal VSL before input to the column amplifier 160 (see FIGS. 10 and 11), and includes simple elements such as an inverter, a capacitor, and a switch element. Therefore (see FIG. 14), the main feature is that the determination time is short.
- the VSL shift method is implemented using the signal processing circuit 1000, the relationship between the AD conversion unit 161 and the ramp signal is the same as the conventional AD conversion processing (without VSL shift). Therefore, there are no problems such as load capacity fluctuations and circuit scales that occur in the multi-lamp method, and calibration for every 1H is also unnecessary.
- the implied characteristic at the time of a small signal (when the light is shielded or at the black level) that most affects the image quality is similar to the conventional AD conversion processing (without VSL shift), and is a good characteristic. It is possible to shorten the AD conversion processing time while maintaining the above.
- FIG. 19 shows a configuration example of an imaging device 1900 configured by applying the technology disclosed in this specification.
- the imaging device 1900 corresponds to, for example, a digital still camera or a digital video camera.
- the illustrated image pickup apparatus 1900 includes an optical system 1901, an image sensor 1902, a signal processing unit 1903, a recording / reproducing unit 1904, a recording unit 1905, and a control unit 1906.
- the optical system 1901 includes a mechanical shutter, a lens, a diaphragm mechanism, and the like.
- the lens collects the reflected light from the subject and makes it enter the pixel area of the image sensor 1902 through the diaphragm mechanism.
- the image sensor 1902 has the configuration shown in FIG. 1, but in the AD conversion unit 103, it is configured by a column amplifier 160 and a column AD conversion unit 161 to which the signal processing circuit 1000 shown in FIG. 10 is applied. And The image sensor 1902 generates an image signal corresponding to the light from the optical system 1901, performs digital conversion, and outputs the image signal to the signal processing unit 1903.
- the signal processing unit 1903 performs digital processing such as digital gain processing and gamma processing on the digital image signal output from the image sensor 1902 to generate a signal suitable for recording in the recording unit 1905.
- the recording / reproducing unit 1904 records the signal supplied from the signal processing unit 1904 in the recording unit 1905. Further, the recording / reproducing unit 1904 reproduces the signal recorded in the recording unit 1905 and displays it on a display device (not shown) that is equipped with the imaging device 1900 or is externally connected.
- the recording unit 1905 is composed of a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory, and the recording / reproducing unit 1904 records and reproduces signals.
- the control unit 1906 is composed of, for example, a microprocessor, and controls the operation of each unit in the imaging apparatus 1900 in a centralized manner. For example, the control unit 1906 comprehensively controls the operation of each unit in the image capturing apparatus 1900 according to an instruction from the user input via a user interface (not shown) included in the image capturing apparatus 1900. Further, the control unit 1906 drives and controls the mechanical shutter and the diaphragm mechanism in the optical system 1901 to realize automatic exposure processing and the like.
- FIG. 20 shows a configuration example of an information processing device 2000 equipped with an image sensor configured by applying the technology disclosed in this specification.
- the information processing device 2000 corresponds to, for example, a smartphone, a tablet, or another type of information terminal, but with respect to the control unit 2010, a display unit 2020, a voice processing unit 2030, a communication unit 2040, a storage unit 2050, an imaging unit 2060. , The sensor unit 2070, etc. are connected.
- the control unit 2010 includes a CPU 2011, a ROM (Read Only Memory) 2012, a RAM (Random Access Memory) 20613, and the like.
- the ROM 2012 stores program codes executed by the CPU 2011, information essential to the information processing apparatus 2000, and the like.
- the CPU 2011 loads the program code from the ROM 2012 or the storage unit 2050 into the RAM 2013 and executes it.
- Examples of the program executed by the CPU 2011 include an operating system (OS) such as Android and iOS, and various application programs operating under the execution environment provided by the OS.
- OS operating system
- iOS various application programs operating under the execution environment provided by the OS.
- the display unit 2020 includes a display panel 2021 including a liquid crystal element, an organic EL (Electro Luminescence) element, and the like, and a transparent touch panel 2023 attached to the upper surface of the display panel 2021.
- the display panel 2021 is connected to the control unit 2010 via the display interface 2022, and displays and outputs the image information generated by the control unit 610.
- the touch panel 2023 is connected to the control unit 2010 via the touch interface 2024, and outputs coordinate information, which the user operates on the display panel 2021 with a fingertip, to the control unit 2010.
- a touch operation by the user (tap, long press, flick, swipe, etc.) is detected based on the input coordinate information, and a process corresponding to the user operation is activated.
- the audio processing unit 2030 includes an audio output unit 2031 such as a speaker, an audio input unit 2032 such as a microphone, and an audio codec (CODEC) 2033 that encodes and decodes input and output audio signals.
- the audio processing unit 2030 may further include an audio output terminal 2034 for outputting an audio signal to headphones (not shown).
- the communication unit 2040 performs communication processing of information between an application executed by the control unit 2010 and an external device (not shown). Examples of the external device mentioned here include an information terminal handled by another user, a server existing on the Internet, and the like.
- the communication unit 2040 is equipped with physical layer modules such as Wi-Fi (registered trademark), NFC (Near Field Communication), and Bluetooth (registered trademark) communication depending on the communication medium used, and via the physical layer module. Modulation / demodulation processing and coding / decoding processing of transmitted / received communication signals are performed.
- the storage unit 2050 is composed of a large-capacity storage device such as SSD (Solid State Drive) or HDD (Hard Disc Drive). For example, application programs and contents downloaded via the communication unit 2040, image data such as still images and moving images captured by the image capturing unit 2060, and the like are stored in the storage unit 2050.
- SSD Solid State Drive
- HDD Hard Disc Drive
- the image capturing unit 2060 corresponds to the image capturing apparatus 1900 shown in FIG. 19 and applies the technology disclosed in this specification.
- the imaging unit 2060 outputs the generated image data to the control unit 2010 via a camera interface (not shown).
- the sensor unit 2070 is a GPS (Global Positioning System) sensor for acquiring the position information of the information processing apparatus 2000, a gyro sensor for detecting the posture or acting force of the information processing apparatus 2000 main body, and an acceleration sensor. Etc. are included.
- GPS Global Positioning System
- the technology disclosed in this specification can be suitably applied mainly to a column AD conversion unit of an image sensor such as CMOS or CCD.
- the technique disclosed in this specification can be similarly applied to an AD conversion circuit that is required to have a simple configuration.
- the image sensor to which the technology disclosed in this specification is applied can be widely used for digital still cameras, digital video cameras, vehicle-mounted cameras, and various information terminals such as smartphones and tablets.
- An amplifier that amplifies an analog signal
- a determination unit that determines the higher-order bits of the analog signal
- An adjustment unit that adjusts the level of the analog signal input to the amplifier based on the determination result of the determination unit
- a single-slope AD converter that AD-converts the lower bits of the analog signal using the level-adjusted output signal
- a signal processing device comprising: (2) The determination unit is configured to determine a higher-order bit of the analog signal before being input to the amplifier.
- the signal processing device according to (1) above.
- the determination unit includes an inverter, a capacitor, and a switch element, The signal processing device according to any one of (1) and (2) above.
- the determination unit includes a first capacitor to which the analog signal is input to a first terminal and a second capacitor to which a reference signal is input to the first terminal, and the inverter includes the first capacitor.
- the second terminals of the first and second capacitors are input, and the switching element shorts the output of the inverter to the input during the auto-zero period,
- the signal processing device according to (3) above.
- the determination unit determines a higher-order bit of the analog signal during D-phase settling in AD conversion of the analog signal, The signal processing device according to any one of (1) to (4) above.
- a high-order bit determined by the determination unit and a low-order bit output from the AD conversion unit are connected to output a digital signal obtained by AD-converting the analog signal.
- the signal processing device according to any one of (1) to (5) above.
- the amplifier is composed of a switched capacitor amplifier, The signal processing device according to any one of (1) to (6) above.
- At least one of the determination unit and the adjustment unit is mounted in the circuit of the amplifier.
- the signal processing device according to (7) above.
- the analog signal is a pixel signal output from a pixel,
- the signal processing device according to any one of (1) to (8) above.
- the amplifier is a column amplifier, the AD converter is a column AD converter, and the signal processing apparatus according to any one of (1) to (9) is used.
- Image sensor (11) An imaging device including the image sensor according to (10). (12) An information processing device equipped with the imaging device according to (11).
- Control unit 2000 ... Information processing device, 2010 ... Control unit, 2020 ... Display unit 2021 ... Display panel, 2022 ... Display interface 2023 ... Touch panel, 2024 ... Touch interface 2030 ... Voice processing unit, 2031 ... Voice output unit 2032 ... Audio input unit, 2033 ... Audio codec 2034 ... Audio output terminal, 2040 ... Communication unit, 2050 ... Storage unit 2060 ... Imaging unit, 2070 ... Sensor unit
Landscapes
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- Signal Processing (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
本明細書で開示する技術は、シングルスロープ型のAD変換を行う信号処理装置、及びそれを用いたカラムADCとして用いたイメージセンサ、撮像装置、並びに情報処理装置に関する。 The technology disclosed in the present specification relates to a signal processing apparatus that performs single-slope AD conversion, an image sensor used as a column ADC using the signal processing apparatus, an imaging apparatus, and an information processing apparatus.
固体撮像装置として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などのMOS型イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置や、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置が知られている。これらの固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、さらにはスマートフォンやタブレットなどの各種情報端末などに広く用いられている。 Known solid-state imaging devices include amplification type solid-state imaging devices represented by MOS image sensors such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) and charge transfer type solid-state imaging devices represented by CCD (Charge Coupled Device) image sensors. ing. These solid-state imaging devices are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and various information terminals such as smartphones and tablets.
最近では、電源電圧が低く、消費電力の観点などからCMOSイメージセンサが多く用いられている。CMOSイメージセンサは、同一素子内にさまざまな機能回路を集積できるというメリットもある。特に、AD変換器を同一素子内に搭載してデジタル出力することによって、画素信号の処理中に混入するノイズの影響を低減することができる。 Recently, CMOS image sensors are widely used because of their low power supply voltage and power consumption. The CMOS image sensor also has an advantage that various functional circuits can be integrated in the same element. In particular, by mounting the AD converter in the same element and performing digital output, it is possible to reduce the influence of noise mixed during the processing of the pixel signal.
CMOSイメージセンサは、光電変換を行うPD(Photo Diode)などの光電変換素子を有する画素が出力するアナログの電気信号をAD(Analog to Digital)変換するAD変換器(AD Converter:ADC)を有する。撮影後の待ち時間短縮のため、AD変換器を行方向に並列に搭載して、画素で光電変換したアナログ信号を行毎にAD変換して読み出すカラムAD変換方式が一般的である。また、AD変換器の回路構成が簡素であることが求められることから、シングルスロープ型AD変換器(SSADC)が採用されることが多い。 The CMOS image sensor has an AD converter (AD Converter: ADC) that performs AD (Analog to Digital) conversion of an analog electric signal output by a pixel having a photoelectric conversion element such as a PD (Photo Diode) that performs photoelectric conversion. In order to reduce the waiting time after shooting, a column AD conversion method is generally used in which AD converters are mounted in parallel in the row direction and the analog signals photoelectrically converted by pixels are AD-converted for each row and read. In addition, a single-slope AD converter (SSADC) is often used because the circuit configuration of the AD converter is required to be simple.
SSADCでは、比較器において、ランプ(Ramp)信号と呼ばれる一定の傾きでレベルが変化する参照信号と画素が出力する電気信号とが比較され、カウンタにおいて、参照信号と電気信号とのレベルが一致するまでの、参照信号のレベルの変化に要する時間がカウントされることにより、画素が出力する電気信号がAD変換される。そして、画素をリセットした直後の電気信号であるリセットレベルのAD変換結果と、リセット後に、画素のPDに蓄積される電荷に対応する電気信号である信号レベルのAD変換結果との差分を求めるCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)が行われ、そのCDSの結果により得られる差分が画素値として出力される(例えば、特許文献1を参照のこと)。 In the SSADC, a comparator compares a reference signal called a ramp signal whose level changes with a constant slope with an electric signal output from a pixel, and a counter makes the levels of the reference signal and the electric signal coincide with each other. The electric signals output from the pixels are AD-converted by counting the time required to change the level of the reference signal up to. Then, the CDS for obtaining the difference between the AD conversion result of the reset level which is the electric signal immediately after the pixel is reset and the AD conversion result of the signal level which is the electric signal corresponding to the charges accumulated in the PD of the pixel after the reset (Correlated Double Sampling: Correlated double sampling) is performed, and the difference obtained as a result of the CDS is output as a pixel value (for example, see Patent Document 1).
ところが、従来のSSADCでは、高精度化(若しくは、多ビット化)、高速化(若しくは、高フレームレート化)、及び低消費電力化といった要求をすべて満たすことが困難になってきている。例えば、多ビット化により高分解能になればなるほどカウント期間が増すために、AD変換時間が長くなり、画素からの信号読み出しが低速となり、結局、高速撮影ができなくなる。 However, it has become difficult for the conventional SSADC to meet all the requirements of high precision (or multi-bit), high speed (or high frame rate), and low power consumption. For example, as the resolution becomes higher as the number of bits increases, the count period increases, so that the AD conversion time becomes longer, the signal reading from the pixel becomes slower, and eventually high-speed imaging cannot be performed.
SSADCの分解能はランプを生成するクロック数で決まるが、既にクロック速度が上限に達していることを考慮すると、分解能が1ビット増える毎にAD変換期間が2倍に増えることになり、高精度化と高速動作の両立には限界がある。現状の12ビットを14ビットに高精度化しようとすると、AD処理時間が4倍になることから、フレームレートが厳しくなり、またADCの消費電力増を招来する。高速化の解決策として、AD縦列化(若しくは、並列処理)があるが、さらなる消費電力増となり、実装上の問題がある。 The resolution of the SSADC is determined by the number of clocks that generate the ramp, but considering that the clock speed has already reached the upper limit, the AD conversion period doubles each time the resolution increases by 1 bit, resulting in higher accuracy. There is a limit to the compatibility of high speed operation with. If an attempt is made to improve the accuracy of the current 12 bits to 14 bits, the AD processing time will be quadrupled, resulting in a strict frame rate and increased power consumption of the ADC. As a solution for speeding up, there is AD cascading (or parallel processing), but further power consumption increases and there is a mounting problem.
本明細書で開示する技術の目的は、高精度化、高速化、及び低消費電力化を実現するシングルスロープ型のAD変換を行う信号処理装置、高精度且つ高速の変換が可能なカラムAD変換器を備えたイメージセンサ、撮像装置、並びに情報処理装置を提供することにある。 The object of the technique disclosed in the present specification is a signal processing device that performs single slope type AD conversion that realizes high accuracy, high speed, and low power consumption, and column AD conversion that enables high accuracy and high speed conversion. An object of the present invention is to provide an image sensor, an image pickup apparatus, and an information processing apparatus including a container.
本明細書で開示する技術は、上記課題を参酌してなされたものであり、
アナログ信号を増幅するアンプと、
前記アナログ信号の上位ビットを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記アンプに入力される前記アナログ信号のレベルを調整する調整部と、
前記レベル調整された出力信号を用いて前記アナログ信号の下位ビットをAD変換するシングルスロープ型のAD変換部と、
を具備する信号処理装置である。
The technology disclosed in this specification has been made in consideration of the above problems,
An amplifier that amplifies the analog signal,
A determination unit that determines the higher-order bits of the analog signal,
An adjustment unit that adjusts the level of the analog signal input to the amplifier based on the determination result of the determination unit;
A single-slope AD converter that AD-converts the lower bits of the analog signal using the level-adjusted output signal;
It is a signal processing device provided with.
前記判定部は、インバータとキャパシタとスイッチ素子で構成され、前記アンプに入力される前の前記アナログ信号の上位ビットを判定する。 The judging unit is composed of an inverter, a capacitor, and a switch element, and judges the upper bit of the analog signal before being input to the amplifier.
前記判定部は、前記アナログ信号のAD変換におけるD相セトリング時に、前記アナログ信号の上位ビットの判定を行う。また、前記判定部により判定した上位ビットと、前記AD変換部から出力される下位ビットとを連結して、前記アナログ信号をAD変換したデジタル信号を出力する。 The determining unit determines the upper bit of the analog signal during D-phase settling in AD conversion of the analog signal. Further, the upper bit determined by the determination unit and the lower bit output from the AD conversion unit are connected to output a digital signal obtained by AD converting the analog signal.
本明細書で開示する技術によれば、高精度化、高速化、及び低消費電力化を実現するシングルスロープ型のAD変換を行う信号処理装置、高精度且つ高速の変換が可能なカラムAD変換器を備えたイメージセンサ、撮像装置、並びに情報処理装置を提供することができる。 According to the technology disclosed in the present specification, a signal processing device that performs single-slope AD conversion that achieves high accuracy, high speed, and low power consumption, and column AD conversion that enables high accuracy and high speed conversion. It is possible to provide an image sensor including a container, an imaging device, and an information processing device.
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。 The effects described in this specification are merely examples, and the effects of the present invention are not limited to these. In addition to the above effects, the present invention may have additional effects.
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Further objects, features, and advantages of the technology disclosed in the present specification will be clarified by a more detailed description based on the embodiments described below and the accompanying drawings.
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the technology disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the drawings.
A.イメージセンサの概略構成
図1には、本明細書で開示する技術を適用したイメージセンサ100の構成例を示している。イメージセンサ100は、被写体からの光を光電変換して画像データとして出力するデバイスであるが、CMOSイメージセンサ、又はCCDイメージセンサなどとして構成される。図示のイメージセンサ100は、画素アレイ101と、参照電圧発生部102と、AD変換部103と、水平転送部104と、制御部111と、垂直走査部112を備えている。
A. Schematic Configuration of Image Sensor FIG. 1 shows a configuration example of an
画素アレイ101は、PDなどの光電変換素子を有する単位画素が平面状又は曲面状に配置される画素領域である。各単位画素から読み出されたアナログ信号は、垂直信号線121-1乃至垂直信号線121-Nのいずれかを介してAD変換部103に伝送される。以下では、垂直信号線121-1乃至垂直信号線121-Nを互いに区別して説明する必要がない場合には、垂直信号線121と総称する。
The
参照電圧発生部102は、AD変換部103のAD変換の基準信号となる参照信号(参照電圧ともいう)を発生する。本実施形態では、ランプ波(のこぎり波)からなるランプ(Ramp)信号を参照信号として用いることにする。参照電圧発生部102は、例えばDA(Digital to Analog)変換部を有し(図示しない)、そのDA変換部によりランプ信号を生成する。このランプ信号は、参照信号線122を介してAD変換部103に供給される。
The
AD変換部103は、その参照信号を用いて、画素アレイ101内の各単位画素から垂直信号線121-1乃至垂直信号線121-Nを介して読み出された各アナログ信号をAD変換して、列毎のデジタルデータを、信号線123-1乃至信号線123-Nのうち該当する信号線を介して水平転送部104に出力する。以下では、信号線123-1乃至信号線123-Nを互いに区別して説明する必要がない場合には、信号線123と総称する。
The
水平転送部104は、AD変換部103から信号線123を介して供給されるデジタルデータを、信号線124を介してイメージセンサ100の外部などに転送する。
The horizontal transfer unit 104 transfers the digital data supplied from the
制御部111は、イメージセンサ100の各部を制御することにより、イメージセンサ100全体の動作を制御する。具体的には、制御部111は、制御線131を介して制御信号を供給することにより、参照電圧発生部102によるランプ信号の発生などの動作を制御する。また、制御部111は、制御線132を介して制御信号を供給することにより、AD変換部103による画素信号(VSL)のAD変換動作などを制御する。また、制御部111は、制御線133を介して制御信号を供給することにより、水平転送部104によるデジタルデータの転送動作などを制御する。また、制御部111は、制御線134を介して制御信号を供給することにより、垂直走査部112による画素アレイ101の垂直走査などを制御する。
The control unit 111 controls the operation of the
垂直走査部112は、制御部111に制御されて、制御線125-1乃至制御線125-Mを介して制御信号を供給することにより、画素アレイ101の各単位画素のトランジスタの動作を制御する。なお、以下では、制御線125-1乃至制御線125-Mを互いに区別して説明する必要がない場合には、制御線125と総称する。
The
図2には、画素アレイ101の主な構成例を示している。画素アレイ101は、複数の単位画素が面状に配置されて構成される。図2に示す例では、M×N個の単位画素141(単位画素141-11乃至単位画素141-MN)が、M行N列の行列状(アレイ状)に並べられて配置されている(但し、M及びNは任意の自然数とする)。以下では、単位画素141-11乃至単位画素141-MNを互いに区別して説明する必要がない場合には、単位画素141と総称する。単位画素141の並べ方は任意であり、例えば、いわゆるハニカム構造などのように、行列状以外の並べ方であってもよい。
FIG. 2 shows a main configuration example of the
単位画素141のカラム(列)(以下において、単位画素列とも称する)毎に垂直信号線121(垂直信号線121-1乃至垂直信号線121-N)が形成されている。そして、各垂直信号線121は、自身に対応するカラム(単位画素列)の各単位画素に接続され、その各単位画素から読み出された信号をAD変換部103(図2では図示しない)に伝送する。また、単位画素141の行(以下において、単位画素行とも称する)毎に制御線125(制御線125-1乃至制御線125-M)が形成されている。そして、各制御線125は、自身に対応する単位画素行の各単位画素141に接続され、垂直走査部112から供給される制御信号を、その各単位画素141に伝送する。
A vertical signal line 121 (vertical signal line 121-1 to vertical signal line 121-N) is formed for each column of the unit pixel 141 (hereinafter, also referred to as a unit pixel column). Then, each
つまり、単位画素141は、自身が属するカラム(単位画素列)に割り当てられた垂直信号線121と、自身が属する単位画素行に割り当てられた制御線125とに接続されており、その制御線125を介して供給される制御信号に基づいて駆動し、自身において得られる電気信号を、その垂直信号線121を介してAD変換部103に供給する。
In other words, the
B.画素の構成
図3には、単位画素141の主な回路構成例を示している。図示の単位画素141は、単位画素141は、フォトダイオード(PD)151と、転送トランジスタ152と、リセットトランジスタ153と、増幅トランジスタ154と、セレクトトランジスタ155を備えている。基本的には、各単位画素141-11乃至単位画素141-MNは同一の構成とする。
B. Pixel Configuration FIG. 3 shows a main circuit configuration example of the
フォトダイオード151は、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷に光電変換してその光電荷を蓄積する。その蓄積された光電荷は、所定のタイミングにおいて読み出される。フォトダイオード151のアノード電極は画素領域のグランド(画素グランド)に接続され、カソード電極は転送トランジスタ152を介してフローティングディフュージョン(FD)に接続される。もちろん、フォトダイオード151のカソード電極が画素領域の電源(画素電源)に接続され、アノード電極が転送トランジスタ152を介してFDに接続され、光電荷が光正孔として読み出される方式としてもよい。
The
転送トランジスタ152は、フォトダイオード151からの光電荷の読み出しを制御する。転送トランジスタ152は、ドレイン電極がFDに接続され、ソース電極がフォトダイオード151のカソード電極に接続される。また、転送トランジスタ152のゲート電極には、垂直走査部112から供給される転送制御信号を伝送する転送制御線(TRG)が接続される。このTRGは、図2中の制御線125に含まれる。
The
TRGの信号(すなわち、転送トランジスタ152のゲート電位)がオフ状態のとき、フォトダイオード151からの光電荷の転送が行われない(フォトダイオード151において光電荷が蓄積される)。これに対して、TRGの信号がオン状態のとき、フォトダイオード151に蓄積された光電荷がFDに転送される。
When the TRG signal (that is, the gate potential of the transfer transistor 152) is in the off state, the photoelectric charge is not transferred from the photodiode 151 (the photoelectric charge is accumulated in the photodiode 151). On the other hand, when the signal of TRG is on, the photocharges accumulated in the
リセットトランジスタ153は、FDの電位をリセットする。リセットトランジスタ153は、ドレイン電極が電源電位に接続され、ソース電極がFDに接続される。また、リセットトランジスタ153のゲート電極には、垂直走査部112から供給されるリセット制御信号を伝送するリセット制御線(RST)が接続される。このRSTは、図2中の制御線125に含まれる。
The
RSTの信号(すなわち、リセットトランジスタ153のゲート電位)がオフ状態のとき、FDは電源電位と切り離されている。一方、RSTの信号がオン状態のとき、FDの電荷が電源電位に捨てられ、FDがリセットされる。 FD is disconnected from the power supply potential when the signal of RST (that is, the gate potential of the reset transistor 153) is in the off state. On the other hand, when the RST signal is in the ON state, the electric charge of the FD is discarded in the power supply potential and the FD is reset.
増幅トランジスタ154は、FDの電位変化を増幅し、電気信号(アナログ信号)として出力する。増幅トランジスタ154は、ゲート電極がFDに接続され、ドレイン電極がソースフォロワ電源電圧に接続され、ソース電極がセレクトトランジスタ155のドレイン電極に接続されている。
The
例えば、増幅トランジスタ154は、リセットトランジスタ153によってリセットされたFDの電位をリセット信号(リセットレベル)としてセレクトトランジスタ155に出力する。また、増幅トランジスタ154は、転送トランジスタ152によって光電荷が転送されたFDの電位を画素信号(光蓄積信号レベル)としてセレクトトランジスタ155に出力する。
For example, the
セレクトトランジスタ155は、増幅トランジスタ154から供給される電気信号の垂直信号線(VSL)121(すなわち、AD変換部103)への出力を制御する。セレクトトランジスタ155は、ドレイン電極が増幅トランジスタ154のソース電極に接続され、ソース電極が垂直信号線121に接続されている。また、セレクトトランジスタ155のゲート電極には、垂直走査部112から供給されるセレクト制御信号を伝送するセレクト制御線(SEL)が接続される。このSELは、図1中の制御線125に含まれる。
The
SELの信号(すなわち、セレクトトランジスタ155のゲート電位)がオフ状態のとき、増幅トランジスタ154と垂直信号線121は電気的に切り離されている。したがって、この状態のとき、当該単位画素141からリセット信号や画素信号が出力されない。一方、SELがオン状態のとき、当該単位画素141が選択状態となる。つまり、増幅トランジスタ154と垂直信号線121が電気的に接続され、増幅トランジスタ154から出力される信号が、当該単位画素141の画素信号VSLとして、垂直信号線121に供給される。すなわち、当該単位画素141からリセット信号や画素信号VSLが読み出される。
When the SEL signal (that is, the gate potential of the select transistor 155) is in the off state, the
C.シングルスロープ型AD変換部の構成
図4には、AD変換部103の構成例を模式的に示している。図示のAD変換部103は、画素アレイ101の単位画素141の列数に相当するN個のカラムAD変換部161-1乃至カラムAD変換部161-Nを有する。以下では、カラムAD変換部161-1乃至カラムAD変換部161-Nを互いに区別して説明する必要が無い場合には、カラムAD変換部161と総称する。カラムAD変換部161は、画素アレイ101のカラム(単位画素列)毎に設けられている。
C. Configuration of Single-Slope Type AD Converter FIG. 4 schematically shows a configuration example of the
各カラムAD変換部161(カラムAD変換部161-1乃至カラムAD変換部161-N)には、自身に対応するカラムの垂直信号線121(垂直信号線121-1乃至垂直信号線121-N)と、参照信号線122とが接続されている。また、各カラムの垂直信号線121-1乃至垂直信号線121-N上には、画素信号を増幅するカラムアンプ160-1乃至カラムアンプ160-Nが挿入されている。以下では、カラムアンプ160-1乃至カラムアンプ160-Nを互いに区別して説明する必要がない場合には、カラムアンプ160と総称する。カラムアンプ160では、垂直信号線121で転送される画素信号VSLをカラムAD変換部161に入力する前に、VSLを低雑音増幅して、反転出力する。
Each column AD conversion unit 161 (column AD conversion unit 161-1 to column AD conversion unit 161-N) has a vertical signal line 121 (vertical signal line 121-1 to vertical signal line 121-N) of a column corresponding to itself. ) And the
カラムAD変換部161は、シングルスロープ方式でAD変換を行う。すなわち、各カラムAD変換部161は、自身に対応するカラムの単位画素141から読み出され、そのカラムの垂直信号線121を介して供給される(カラムアンプ160で増幅した後の)信号を、参照信号線122を介して参照電圧発生部102から供給される参照信号を利用して、AD変換する。
The column AD conversion unit 161 performs AD conversion by the single slope method. That is, each column AD converter 161 reads out the signal read from the
各カラムAD変換部161には、自身に対応するカラムの信号線123(信号線123-1乃至信号線123-N)が接続されている。各カラムAD変換部161は、自身において得られたAD変換結果を、自身に対応する信号線123を介して水平転送部104(図4では図示しない)に供給する。
The signal line 123 (signal line 123-1 to signal line 123-N) of the column corresponding to the column AD conversion unit 161 is connected to each column AD conversion unit 161. Each column AD conversion unit 161 supplies the AD conversion result obtained by itself to the horizontal transfer unit 104 (not shown in FIG. 4) via the
また、各カラムAD変換部161には、制御線132(制御線132-1乃至制御線132-N)が接続されている。各カラムAD変換部161は、自身に対応する制御線132を介して制御部111(図4では図示しない)から供給される制御信号(すなわち、制御部111の制御)に基づいて駆動する。
A control line 132 (control lines 132-1 to 132-N) is connected to each column AD converter 161. Each column AD converter 161 is driven based on a control signal (that is, control of the controller 111) supplied from the controller 111 (not shown in FIG. 4) via the
図5には、シングルスロープ方式でAD変換を行うカラムAD変換部161の内部構成例を模式的に示している。図示のカラムAD変換部161は、比較器171と、カウンタ172と、キャパシタ173及びキャパシタ174を備えている。
FIG. 5 schematically shows an internal configuration example of the column AD conversion unit 161 that performs AD conversion by the single slope method. The illustrated column AD converter 161 includes a
2入力1出力の比較器171の一方の入力端子には、キャパシタ174を介して自身に対応するカラムの垂直信号線121に接続されており、自身に対応するカラムの各単位画素から読み出された画素信号VSLが、対応するカラムアンプ160で低雑音増幅された後、キャパシタ174を介して入力される。また、比較器171の他方の入力端子には、キャパシタ173を介して参照信号線122に接続されており、参照電圧発生部102によって参照信号として生成したランプ信号が入力される。また、比較器171の出力端子VCOは、カウンタ172に接続されている。
One input terminal of the 2-input 1-
キャパシタ173及びキャパシタ174は、容量が固定の(所定の容量を有する)キャパシタである。なお、比較器171と、キャパシタ173及びキャパシタ174をまとめて比較器181としてもよい(言い換えれば、キャパシタ173及びキャパシタ174を比較器181の構成に含めるようにしてもよい)。
The
比較器171は、垂直信号線121及びキャパシタ174を介して一方の入力端子に入力されるVSL信号(但し、カラムアンプ160により低雑音増幅した後)と、参照信号線122及びキャパシタ173を介して他方の入力端子に入力されるランプ信号の信号レベルの比較を行い、その比較結果をカウンタ172に出力する。すなわち、比較器171は、VSL信号とランプ信号のいずれの信号レベルが大きいかを示す信号を出力端子VCOから出力して、カウンタ172に供給する。
The
比較器171が出力する信号は、例えば1ビットのデジタルデータである。ランプ信号の信号レベルがVSL信号の信号レベルより大きい場合、比較器171が出力する値が「0」となり、逆にVSL信号の信号レベルがランプ信号の信号レベルより大きい場合には、比較器171が出力する値が「1」となる。もちろん、この信号の値の取り方は逆でもよい。また、比較結果を示す信号のビット長は任意であり、複数ビットからなる情報であってもよい。
The signal output by the
カウンタ172は、入力端子が比較器171の出力端子VCOに接続され、出力端子が、自身に対応するカラムの信号線123に接続されている。カウンタ172には、比較器171から比較結果が供給される。カウンタ172は、カウント開始から比較器171の比較結果が反転する(すなわち、出力端子VCOの信号レベルが変化する)までのクロック信号のクロック数をカウントすることにより、比較結果が反転するまでの時間を計測する。そして、カウンタ172は、比較結果が反転した時点でそれまでのカウント値を、比較器171の一方の入力端子に入力されるVSL信号のAD変換結果(つまり、単位画素141から読み出された信号のデジタルデータ)として、信号線123を介して水平転送部104に出力する。
The
D.シングルスロープ型AD変換部の動作
図6には、カラムAD変換部161において相関二重サンプリング方式によるAD変換が行われる際のタイミングチャートを示している。図示のAD変換期間は、相関二重サンプリング(比較器171)のオートゼロ(AZ)期間(時刻t0乃至時刻t1)と、画素から読み出されたリセット信号とランプ信号との比較が行われるP(プリチャージ)相期間(時刻t1乃至時刻t2)と、画素から読み出されたVSL信号とランプ信号との比較が行われるD(データ)相期間(時刻t2乃至時刻t3)を含む。
D. Operation of Single-Slope Type AD Converter FIG. 6 shows a timing chart when the AD conversion by the correlated double sampling method is performed in the column AD converter 161. In the illustrated AD conversion period, the auto zero (AZ) period (time t0 to time t1) of the correlated double sampling (comparator 171) and the reset signal and the ramp signal read from the pixel are compared P ( It includes a precharge phase period (time t1 to time t2) and a D (data) phase period (time t2 to time t3) in which the VSL signal read from the pixel and the ramp signal are compared.
垂直信号線121で読み出されたアナログの画像信号VSLは、カラム毎に配置されたカラムAD変換部103内の比較器171で、参照信号であるランプ信号と信号レベル(電圧)が比較される。このとき、同じカラムAD変換部161内のカウンタ172が動作する。ランプ信号とカウンタ172のカウント値とが一対一の対応を取りながら変化することで、垂直信号線121のアナログ画素信号VSLがデジタルの画素信号に変換される。参照電圧Vslopの変化は、電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間を所定のクロックでカウントすることで、アナログ値がデジタル値に変換される。そして、アナログの信号である垂直信号線121の電位VSLとランプ信号の参照電圧Vslopとが交わったとき、比較器171(若しくは、比較器181)の出力が反転する。これによりカウンタ172の入力クロックを停止し、AD変換が完了する。
The analog image signal VSL read by the
P相期間において、垂直信号線121から入力される画素信号VSLの電位とランプ信号の参照電圧Vslopとが等しくなると、比較器171の出力はハイレベルからローレベルに反転する。そして、この比較器171の極性反転を受けて、カウンタ171はカウント動作を停止して、P相出力(ΔV)に対応するカウント値τPを一時保持する。
When the potential of the pixel signal VSL input from the
次に、D相期間において、アナログ信号である垂直信号線121から入力される画素信号VSLの電位とランプ信号の参照電圧VRampとが等しくなると、比較器171の出力はハイレベルからローレベルに反転する。そして、この比較器171の極性反転を受けて、カウンタ172はカウント動作を停止して、D相出力に対応するカウント値τDを一時保持する。
Next, in the D-phase period, when the potential of the pixel signal VSL input from the
次に、相関二重サンプリング、すなわちD相期間のカウント値τDからP相期間のカウント値τPを差し引いて、D相出力とP相出力との差分である出力電圧Voutを得ることができる。 Next, correlated double sampling, that is, subtracting the count value τ P of the P phase period from the count value τ D of the D phase period, it is possible to obtain the output voltage V out which is the difference between the D phase output and the P phase output. it can.
E.シングルスロープ型AD変換部の高速化
イメージセンサが多ビット化すると、D相期間すなわちカウント値τDが増大する。例えば、現状の12ビットを14ビットに高精度化する際、AD変換する全範囲にわたりフルスケールで計測しようとすると、D相期間が4倍になることから、フレームレートが厳しくなり、またADCの消費電力増を招来する。
E. When the speed-up image sensor of the single slope type AD conversion unit has multiple bits, the D phase period, that is, the count value τ D increases. For example, when increasing the accuracy of the current 12 bits to 14 bits, if a full scale measurement is performed over the entire range of AD conversion, the D phase period will be quadrupled, and the frame rate will be severe, and the ADC Increases power consumption.
そこで、本明細書では、D相期間を短縮化することによってシングルスロープ型AD変換部の高速化を実現するための技術について、以下で提案する。付言すればAD処理時間が短縮することに比例して、消費電力の削減効果もある。 Therefore, in this specification, a technique for realizing the speedup of the single slope type AD conversion unit by shortening the D phase period is proposed below. In addition, the power consumption is reduced in proportion to the reduction in AD processing time.
シングルスロープ型AD変換部の高速化を実現する方法として、マルチランプ方式と、VSLシフト方式を挙げることができる。いずれの方式も、D相セトリング時に設けられた上位判定期間において、画素信号VSLの上位ビットを判定し、続いて、VSLの下位レベルに限定してVSLとランプ信号のレベル比較を詳細に実施することで、D相期間の短縮化を図るものである(図7を参照のこと)。 The multi-ramp method and the VSL shift method can be mentioned as the method for realizing the speedup of the single slope type AD conversion unit. In either method, the upper bit of the pixel signal VSL is determined in the upper determination period provided during the D-phase settling, and then the level comparison between the VSL and the ramp signal is performed in detail only in the lower level of VSL. Therefore, the D-phase period is shortened (see FIG. 7).
前者のマルチランプ方式は、例えばD相におけるVSLの上位ビットをN段階で判定するとともに、上位ビットに対応してレベルの異なるN個のランプ信号を生成する方法である(例えば、特許文献2を参照のこと)。具体的には、上位ビットの判定結果に基づいてN個の中から該当する1つのランプ信号を選択して、VSLとの比較を実施し、下位ビットについて計測する。 The former multi-ramp method is, for example, a method of determining the upper bits of VSL in the D phase in N stages and generating N ramp signals having different levels corresponding to the upper bits (see, for example, Patent Document 2). See). Specifically, one corresponding ramp signal is selected from N based on the determination result of the upper bit, the comparison with VSL is performed, and the lower bit is measured.
図8には、D相のフルスケール(FS)を4分割して、4つの電圧領域毎のランプ信号が生成される様子を示している。上位判定期間では、D相のVSLレベルが4段階のいずれの電圧領域に該当するかを判定する。そして、続くD相期間では、上位ビットの判定結果に対応するランプ信号を選択して、画素信号VSLとの比較を実施する。フルスケールでVSLとの比較を実施する場合と比較して、D相期間を4分の1に短縮することができる。 FIG. 8 shows how the D-phase full scale (FS) is divided into four to generate ramp signals for each of the four voltage regions. In the upper determination period, it is determined which of the four voltage ranges the VSL level of the D phase corresponds to. Then, in the subsequent D-phase period, the ramp signal corresponding to the determination result of the upper bit is selected and compared with the pixel signal VSL. The D-phase period can be shortened to 1/4 as compared with the case where the comparison with VSL is performed on a full scale.
例えば、12ビットから14ビットに拡張された画素信号VSLを、図8に示すマルチランプ方式によってAD変換する場合、マルチランプとして、12ビット用の同じランプ状の波形信号を用いて、上位ビット(00、01、10、11)に応じてレベルの異なる4種類のランプ信号を生成可能とする。まず、上位判定期間において、上位2ビットを判定する。続いて、上位ビットの判定結果が00、01、10、11のいずれであったかに基づいて、該当するレベルのランプ信号を選択してD相の画素信号VSLと比較して、下位12ビットの相関二重サンプリングを実施する。そして、得られた下位12ビットの上位に、上位判定期間で取得した2ビットを連結して、14ビットのデジタルデータに変換することができる。フルスケールでVSLとの比較を実施する場合と比較して、D相期間を4分の1に短縮することができる。 For example, when the pixel signal VSL expanded from 12 bits to 14 bits is AD-converted by the multi-ramp method shown in FIG. 8, the same ramp-shaped waveform signal for 12 bits is used as the multi-ramp and the upper bit ( 00, 01, 10, 11), four types of ramp signals having different levels can be generated. First, the upper 2 bits are determined in the upper determination period. Then, based on whether the determination result of the upper bit is 00, 01, 10, or 11, the ramp signal of the corresponding level is selected and compared with the D-phase pixel signal VSL to determine the correlation of the lower 12 bits. Perform double sampling. Then, 2 bits acquired in the upper determination period can be concatenated with the obtained upper 12 bits of the lower 12 bits to be converted into 14-bit digital data. The D-phase period can be shortened to 1/4 as compared with the case where the comparison with VSL is performed on a full scale.
要するにマルチランプは、読み出した画素レベルに応じてランプ信号を選択する方式であり、簡素な回路構成により実現することが可能である。しかしながら、マルチランプ方式は、画像の変化により各ランプ信号を選択するカラムAD変換部161の数が変化することにより、各ランプ発生回路にかかる負荷容量が変動するので、遅延が発生し、その結果AD変換値がずれるという課題がある。また、遅延誤差を補正するためには、1H毎のキャリブレーションが必要で、且つ回路規模が増大する。 In short, the multi-lamp is a system that selects the ramp signal according to the pixel level read out, and can be realized with a simple circuit configuration. However, in the multi-ramp method, since the number of column AD conversion units 161 that select each ramp signal changes due to a change in the image, the load capacitance applied to each ramp generation circuit changes, resulting in a delay, and as a result, There is a problem that the A / D conversion value shifts. Further, in order to correct the delay error, calibration for every 1H is necessary, and the circuit scale increases.
一方、後者のVSLシフト方式は、D相期間におけるVSLのレベルをシフトする方法である。具体的には、D相のVSLのレベルをN段階で判定するとともに、その判定結果に基づいてD相におけるVSLのレベルをシフトして、比較器171への入力信号がD相期間のN分の1の電圧範囲に入るようにして、D相期間をN分の1に短縮する。VSLシフト方式では、使用するランプ数は1個なので、マルチランプ方式の場合におけるような遅延の問題は生じない。
On the other hand, the latter VSL shift method is a method of shifting the VSL level in the D-phase period. Specifically, the level of VSL in the D phase is determined in N steps, and the level of VSL in the D phase is shifted based on the determination result so that the input signal to the
図9には、VSLシフト方式によりD相のフルスケール(FS)の4分の1の長さからなる単一のランプ信号でD相比較を行う様子を示している。上位判定期間では、D相のVSLレベルが4段階のいずれの電圧領域に該当するかを判定し、続くD相期間では、上位ビットの判定結果に対応してVSLのレベルをシフトして、比較器171への入力信号がD相期間の4分の1の電圧範囲に入るようにして、D相期間を4分の1に短縮することができる。
FIG. 9 shows a state in which the D-phase comparison is performed by the VSL shift method with a single ramp signal having a length of ¼ of the full-scale (FS) of the D-phase. In the high-order determination period, it is determined which voltage region the D-phase VSL level corresponds to, and in the subsequent D-phase period, the VSL level is shifted according to the determination result of the high-order bit, and the comparison is performed. The D-phase period can be shortened to a quarter by making the input signal to the
例えば、12ビットから14ビットに拡張された画素信号VSLを、図9に示すVSLシフト方式によってAD変換する場合、ランプ信号として、12ビット用(若しくは、P相比較用)の1種類のランプ信号のみを使用する。まず、上位判定期間において、画素信号VSLの上位2ビットを判定する。続いて、上位ビットの判定結果が00、01、10、11のいずれであったかに基づいて、D相の画素信号VSLを、P相若しくは上位2ビット“00”のレベルまでシフトして、上記のランプ信号と比較して、下位12ビットの相関二重サンプリングを実施する。そして、得られた下位12ビットの上位に、上位判定期間で取得した2ビットを連結して、14ビットのデジタルデータに変換することができる。フルスケールでVSLとの比較を実施する場合と比較して、D相期間を4分の1に短縮することができる。 For example, when the pixel signal VSL expanded from 12 bits to 14 bits is AD-converted by the VSL shift method shown in FIG. 9, one kind of ramp signal for 12 bits (or P phase comparison) is used as the ramp signal. Use only. First, in the upper determination period, the upper 2 bits of the pixel signal VSL are determined. Then, based on which of the determination results of the upper bits is 00, 01, 10, 11, the pixel signal VSL of the D phase is shifted to the level of the P phase or the upper 2 bits “00”, and Perform correlated double sampling of the lower 12 bits compared to the ramp signal. Then, 2 bits acquired in the upper determination period can be concatenated with the obtained upper 12 bits of the lower 12 bits to be converted into 14-bit digital data. The D-phase period can be shortened to 1/4 as compared with the case where the comparison with VSL is performed on a full scale.
本明細書では、マルチランプ方式が抱える、負荷変動や回路規模などの課題に鑑み、VSLシフト方式によって、シングルスロープ型AD変換部の高速化を実現する技術について提案する。 In this specification, in view of the problems such as load fluctuations and circuit scale that the multi-ramp system has, we propose a technology that realizes the speedup of the single slope AD converter by the VSL shift system.
図10には、VSLシフト方式によって画素信号VSLをAD変換するための信号処理回路1000の概略的な構成例を示している。図示の信号処理回路1000は、図4~図5に示したカラムAD変換部161に対して、画素信号VSLの上位ビットを判定する判定部1001と、上位ビットの判定結果に基づいて画素信号VSLのシフト量を調整するための調整部1002が追加された構成となっている。
FIG. 10 shows a schematic configuration example of a
判定部1001は、D相のセトリング時において、単位画素141から垂直信号線121を介して転送される(アンプ202に入力される前の)画素信号VSLを入力して、その上位2ビットを判定する。判定部1001の判定結果は、カウンタ172(前述)の上位2ビットとして書き込まれるとともに、調整部1002に出力される。
The
判定部1001は、例えばインバータとキャパシタとスイッチ素子を用いた簡単な回路により実現することができるが、その詳細な構成については後述に譲る。
The
調整部1002は、カラムアンプ160に入力される画素信号VSLに対して、判定部1001による判定結果に基づいたDCオフセット電圧を加えて、画素信号VSLのレベルをシフトする。
The
カラムアンプ160は、上位ビットに基づいてレベルシフトされた画素信号VSLを低雑音増幅及び反転して、後段のカラムAD変換部161に出力する。
The
参照電圧発生部102からは、画素信号VSLの(上記の上位ビットを外した)下位ビット用の、N分の1としたランプ電圧範囲のランプ信号を生成して(但し、Nは正の整数とする)、カラムAD変換部161に供給する。
The reference
カラムAD変換部161内では、比較器181は、カラムアンプ160から入力される、レベルシフトされた画素信号VSLと、N分の1としたランプ電圧範囲のランプ信号の信号レベルを比較して、いずれの信号レベルが大きいかを示す信号を出力端子VCOから出力して、カウンタ172に供給する。
In the column AD converter 161, the
カウンタ172は、カウント開始から比較器171の比較結果が反転する(すなわち、出力端子VCOの信号レベルが変化する)までのクロック信号のクロック数をカウントして、比較結果が反転した時点でそれまでのカウント値を、画素信号VSLの下位ビットのAD変換結果とする。そして、この下位ビットのAD変換結果の上位に、判定部1001で判定された上位ビットを連結して、信号線123を介して水平転送部104(図10では図示しない)に出力する。
The
12ビットから14ビットに拡張された画素信号VSLをAD変換する場合を例にとって、図10に示す信号処理回路1000の具体的動作について説明する。
A specific operation of the
判定部1001は、D相セトリング時の上位判定期間において、画素信号VSLの上位2ビットを判定する。そして、調整部1002は、上位2ビットの判定結果が00、01、10、11のいずれであったかに基づいて、D相の画素信号VSLを、上位ビット“00”のレベルまでシフトするためのDCオフセット電圧を、カラムアンプ160に入力される画素信号VSLに加える。また、参照電圧発生部102は、例えば14ビット用の、4分の1としたランプ電圧範囲のランプ信号を生成して、カラムAD変換部161内の比較器181に供給する。
The
比較器181は、レベルシフトされた画素信号VSLと、4分の1としたンプ電圧範囲のランプ信号の信号レベルを比較して、いずれの信号レベルが大きいかを示す信号を出力端子VCOから出力して、カウンタ172に供給する。カウンタ172は、カウント開始から比較器171の比較結果が反転するまでのクロック信号のクロック数をカウントし、そのカウント値を画素信号VSLの下位12ビットのAD変換結果とする。そして、この下位12ビットのAD変換結果の上位に、判定部1001で判定された上位2ビットを連結して、画素信号VSLの14ビットのAD変換結果を得ることができる。
The
図10に示す信号処理回路1000によれば、D相セトリング時に画素信号VSLの電圧値に基づいて上位ビットを判定してVSLのレベルシフト量の設定を行い、N分の1のランプ電圧範囲に画素信号VSLを引き込むことにより、AD処理時間を短縮することができる。
According to the
なお、判定部1001並びに調整部1002のうち一方又は両方の機能を、カラムアンプ160内に実装することも可能である。
Note that it is also possible to mount one or both functions of the
図11には、図10に示した信号処理回路1000のうち、調整部1002並びにカラムアンプ160の具体的な回路構成例を示している。
FIG. 11 shows a specific circuit configuration example of the
カラムアンプ160は、本来、垂直信号線121で転送される画素信号VSLをカラムAD変換部161に入力する前に、VSLを増幅する低雑音アンプである。図示のカラムアンプ160は、スイッチトキャパシタアンプであり、カラムアンプ160は、CINとしてのキャパシタ1101と、アンプ1102と、CFBとしてのキャパシタ1103と、スイッチ1104とを備え、2つのキャパシタCIN及びCFBを以って、入力される画素信号VSLを増幅するゲインが決定される構成となっている。
The
垂直信号線121を介して転送される画素信号VSLは、キャパシタ1101の第1の端子に入力されて蓄積される。これにより、キャパシタ1101の第2の端子から、蓄積した電荷信号に応じた電圧の電圧信号が出力されて、アンプ1102の反転入力端子に入力される。また、アンプ1102の非反転入力端子はグランドに接地される。そして、アンプ1102は、入力された電圧信号の電圧を増幅し、増幅した電圧信号を、当該カラムアンプ160の出力として後段のカラムAD変換部161に反転出力する。
The pixel signal VSL transferred via the
また、アンプ1102が反転出力した電圧信号は、キャパシタ1103の第1の端子に入力されて蓄積される。これにより、キャパシタ1103の第2の端子から、蓄積した電圧信号に応じた電圧の信号が、フィードバック信号としてアンプ1102に出力される。そして、アンプ1102は、フィードバック信号の電圧に応じた一定の電圧の電圧信号を出力し続ける。つまり、アンプ1102は、当該カラムアンプ160に入力された電荷信号に応じた電圧の電圧信号を、後段のカラムAD変換部161に出力し続ける。
The voltage signal inverted and output by the
アンプ1102が出力する電圧信号は、画素アレイ101の対応する単位画素141が発生する画素信号VSLを、キャパシタ1101の容量CINとキャパシタ1103の容量CFBの比率に応じて増減した大きさを表す電圧の反転信号である。例えば、キャパシタ1101の容量CINは200fFであり、キャパシタ1103の容量CFBは200fF、100fF、50fF、25fFのうちで可変である。
The voltage signal output from the
また、アンプ1102の出力端子(キャパシタ1103の第1の端子でもある)は、スイッチ1104の第1の端子に接続し、アンプ1102の入力端子(キャパシタ1103の第2の端子でもある)は、スイッチ1104の第2の端子に接続している。そして、スイッチ1104は、キャパシタ1103の第1の端子と第2の端子とを短絡又は開放する。キャパシタ1103の両方の端子が短絡されると、キャパシタ1103の両方の端子の電圧が同じ電圧なってリセットされるとともに、アンプ1102による電圧信号の増幅動作もリセットされる。
The output terminal of the amplifier 1102 (which is also the first terminal of the capacitor 1103) is connected to the first terminal of the
上述したように、信号処理回路1000は、垂直信号線121を介して入力される画素信号VSLから直接VSLの上位ビットを判定する判定部1001と、この判定部1001による判定結果に基づいてVSLのレベルを調整(シフト)する調整部1002をさらに備えている。図11では、判定部1001並びに調整部1002をカラムアンプ160の外に配置しているが、判定部1001並びに調整部1002のうち一方又は両方の機能をカラムアンプ160内に実装することも可能である。
As described above, the
図11では、D相のVSLのフルスケールを4分割してVSLのレベルをシフトする場合の調整部1002の回路構成例を示している。4以外の2のべき乗でD相のVSLのフルスケールを分割する場合には、図11と同様に調整部1002を構成することができる。また、2のべき乗以外の数値でD相のVSLのフルスケールを分割するように調整部1002を構成することも、当業者であれば可能である。
FIG. 11 shows a circuit configuration example of the
判定部1001は、垂直信号線121を介して転送される(アンプ202に入力される前の)画素信号VSLの上位2ビットを判定する。判定部1001の判定結果は、カウンタ172(前述)の上位2ビットとして書き込まれるとともに、調整部1001に出力される。判定部1001は、例えばインバータとキャパシタとスイッチ素子を用いた簡単な回路により実現することができるが、その詳細な構成については後述に譲る。
The
調整部1002は、判定部1001による画素信号VSLの上位2ビットの判定結果に基づいたDCオフセット電圧ΔVSHをアンプ1102(若しくは、カラムアンプ160)の反転入力端子に入力して、上位2ビットの判定結果に応じたシフト量で画素信号VSLのレベルをシフトする。
The
図11に示す例では、調整部1002は、DCオフセット電圧を生成するDA変換回路で構成される。具体的には、調整部1002は、一端が共通にアンプ1102の反転入力端子に接続され、他端にグランドと参照電圧信号VFSRとの間で切り換えられるスイッチ1111~1113(SW1、SW2、SW3)がそれぞれ接続された、同一の容量CSHを有する3つの並列するキャパシタ1114~1116で構成される。
In the example illustrated in FIG. 11, the
参照電圧信号VFSRは、例えば14ビットの、画素信号VSLのフルスケールに相当する電圧信号であり、DAコンバータ1110から供給される。各キャパシタ1114~1116の容量は、カラムアンプ160を構成するキャパシタ201の容量の4分の1(すなわち、CSH=1/4・CIN=50fF)とする。但し、各キャパシタ1114~1116の容量は、均一である必要はなく、例えば、C、2C、4Cのようにキャパシタ毎に重み付けして、調整部1002をバイナリー型で構成することもできる。
The reference voltage signal V FSR is, for example, a 14-bit voltage signal corresponding to the full scale of the pixel signal VSL, and is supplied from the
参照番号1111~1113で示す各スイッチSW1、SW2、SW3は、判定部1001による画素信号VSLの上位2ビットの判定結果に基づいてオンオフ動作し、オン状態のスイッチの個数に応じた画素信号VSLのレベルのシフト量ΔVSHをアンプ1102(若しくは、カラムアンプ160)の反転入力端子に与えることができる。例えば、スイッチSW1のみがオン状態であればシフト量ΔVSHは1/4・VFSRであり、スイッチSW1及びSW2の2個がオン状態であればシフト量ΔVSHは1/2・VFSRであり、全スイッチSW1~SW3がオン状態であればシフト量ΔVSHは3/4・VFSRである。画素信号VSLの上位2ビットの判定結果と、各スイッチSW1~SW3のオンオフ状態、及び画素信号VSLのレベルのシフト量ΔVSHの関係を、図12に例示しておく。
The switches SW1, SW2, and SW3 denoted by reference numerals 1111 to 1113 are turned on / off based on the determination result of the upper 2 bits of the pixel signal VSL by the
図13には、判定部1001により判定された上位ビットが“11”の場合に、調整部1002によって画素信号VSLのレベルをシフトした例を示している。但し、画素信号VSLは、カラムアンプ160の入力前、すなわちカラムアンプ160で反転出力される前の状態とする。図13に示すように、画素信号VSLのレベルが“11”から“00”にシフトされる。また、図示を省略するが、画素信号VSLの上位レベルが“10”又は“01”のいずれの場合であっても、同様に、調整部1002によってレベル“00”にシフトされる。
FIG. 13 shows an example in which the level of the pixel signal VSL is shifted by the
したがって、後段のカラムAD変換部161では、14ビットに拡張された画素信号VSLの下位12ビットを12ビット用(若しくは、P相比較用)の1種類のランプ信号と比較し、その比較結果により相関二重サンプリングを行って、デジタルデータを得ることができる。すなわち、4分の1のランプ電圧範囲に画素信号VSLを引き込むことにより、D相期間若しくはAD処理時間を4分の1に短縮することができる。 Therefore, the column AD conversion unit 161 in the subsequent stage compares the lower 12 bits of the pixel signal VSL expanded to 14 bits with one kind of ramp signal for 12 bits (or for P phase comparison), and determines the comparison result. Correlated double sampling can be performed to obtain digital data. That is, the D-phase period or the AD processing time can be shortened to 1/4 by pulling the pixel signal VSL into the lamp voltage range of 1/4.
図14には、判定部1001の回路構成例を示している。また、図15には、AD変換の各処理フェーズにおける判定部1001の動作タイミングチャートを示している。判定部1001は、カラムアンプ160の入力前の画素信号VSLを用いて上位判定を行うことと、後述するように、インバータとキャパシタとスイッチ素子という簡単な素子で構成されることから、判定時間が短いという点に主な特徴がある。
FIG. 14 shows a circuit configuration example of the
図14に示す判定部1001は、インバータ1401と、第1のキャパシタ1402及び第2のキャパシタ1403と、スイッチ1404と、ラッチ1405を含んである。但し、第1のキャパシタ1402の容量C1と第2のキャパシタ1403の容量C2は等しく、C1=C2=Cとする。
The
垂直信号線121を介して転送される画素信号VSLは、第1のキャパシタ1402の第1の端子に入力されて蓄積される。これにより、第1のキャパシタ1402の第2の端子から、蓄積した電荷信号に応じた電圧の電圧信号が出力される。
The pixel signal VSL transferred via the
DAコンバータ1406は、D相のVSLのフルスケールの直流電圧を参照電圧VFSRとして生成する。この参照電圧VFSRは、抵抗値が等しい4個の直列接続された抵抗素子からなる分圧回路によって分圧されて、電圧レベルが異なる4種類の参照電圧0/4・VFSR、1/4・VFSR、2/4・VFSR、3/4・VFSRを生成することができる。そして、スイッチSW1、SW2、SW3、SW4の順に各スイッチをオンすることによって、第2のキャパシタ1403の第1の端子には参照電圧0/4・VFSR、1/4・VFSR、2/4・VFSR、3/4・VFSRが順に入力される。これにより、第2のキャパシタ1403の第2の端子から、蓄積した電荷信号に応じた電圧の電圧信号が出力される。
The
第1のキャパシタ1402及び第2のキャパシタ1403の各々の第2の端子は、共通にインバータ1401に接続されている。インバータ1401の入力端子の電圧をVaとする。また、インバータ1401の出力は、ラッチ1405に入力される。
The second terminals of the
インバータ1401を用いた判定処理を高精度で(若しくは、安定して)実施するためには、インバータ1401の入力と出力のオフセットを一旦除去する必要がある。そこで、画素信号VSLのレベルが一定となるオートゼロ期間及びP相期間を利用して、キャリブレーション(Tcal)を実施する。具体的には、スイッチ1404をオンにして、インバータ1401の出力をインバータ1401の入力に短絡させて、入出力のオフセットを除去する。これによって、P相期間終了時若しくはD相期間開始時における画素信号VSLのレベルVSPと第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される基準電圧VrPとの絶対ずれを補正する。キャリブレーションの際、スイッチSW1をオンにして、第2のキャパシタ1403の第1の端子には参照電圧0/4・VFSRを入力する。そして、キャリブレーションを実施した結果、インバータ1401の入力端子の電圧Vaは、インバータ1401の論理電圧閾値(logical Vth(インバータ1401内で決まる閾値):VB)と等しくなる(すなわち、Va=VB)。その後の上位判定期間(TCM)では、インバータ1401の入力端子電圧VaがVBよりも高くなったり低くなったりする度に、インバータ1401の出力は反転する。
In order to perform the determination process using the
そして、P相期間が終了して、D相期間が開始すると、スイッチ1404をオフにして、画素信号VSLの上位ビットの判定処理を開始する。D相期間では、画素信号VSLのレベルが変動する。D相セトリング時の上位ビットの判定期間(TCM)では、スイッチSW1、SW2、SW3、SW4の順に各スイッチをオンすることによって、第2のキャパシタ1403の第1の端子には、参照電圧として0/4・VFSR、1/4・VFSR、2/4・VFSR、3/4・VFSRが順に入力される。これにより、第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される電圧信号が変化する。また、画素信号VSLも、D相期間に入ると降下して、第1のキャパシタ1402の第2の端子から出力される電圧信号も変化する。
Then, when the P-phase period ends and the D-phase period starts, the
ここで、P相期間終了時からの画素信号VSLの電圧レベルの変化量をΔVSとする。また、第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される電圧レベルの、基準電圧VrPからの変化量の単位をΔVrefとする。第1のキャパシタ1402及び第2のキャパシタ1403の各々の第1の端子に入力される電圧レベルの変化ΔVS及びΔVrefに伴って、インバータ1401の入力端子電圧Vaが変化する。上位ビットの判定期間(TCM)におけるVaを以下の式(1)のように表すことができる。但し、同式(1)中のnは、0乃至3の整数とする。また、第1のキャパシタ1402の容量C1と第2のキャパシタ1403の容量C2が等しいとする(すなわち、C1=C2=C)。
Here, the amount of change in the voltage level of the pixel signal VSL from the end of the P-phase period is ΔV S. Further, the unit of the amount of change from the reference voltage V rP in the voltage level output from the second terminal of the
上記のキャリブレーションにより、画素信号VSLの電圧レベルの変化量ΔVSと、参照電圧の変化量ΔVrefの差分値がインバータ1401の論理的閾値(logical Vth):VB)を基準に判定される構成となっている。これにより、インバータ1401の素子毎の論理的閾値のずれを吸収することができ、精度よくD相画素信号VSLの上位ビットを判定することができる。
By the above calibration, the difference value between the voltage level change amount ΔV S of the pixel signal VSL and the reference voltage change amount ΔV ref is determined based on the logical threshold value (logical V th ): VB of the
上位ビットの判定期間(TCM)において、スイッチSW1、SW2、SW3のオンオフを順次切り替えていく。各スイッチSW1、SW2、SW3のオンオフは、4ビットのスイッチ制御信号により制御される。スイッチ制御信号が“0000”のときはスイッチSW1がオン、“0001”はスイッチSW2がオン、“0011”はスイッチSW3がオン、“0111”はスイッチSW3がオンである。この4ビットのスイッチ制御信号はラッチ1405にも入力される。 During the determination period (T CM ) of the upper bits, the switches SW1, SW2, and SW3 are sequentially turned on / off. On / off of each of the switches SW1, SW2, and SW3 is controlled by a 4-bit switch control signal. When the switch control signal is "0000", the switch SW1 is on, "0001" is the switch SW2 on, "0011" is the switch SW3 on, and "0111" is the switch SW3 on. The 4-bit switch control signal is also input to the latch 1405.
また、上位ビットの判定期間(TCM)において、スイッチSW1、SW2、SW3、SW4のオンオフを順次切り替えていくと、画素信号VSLの電圧レベルの変化量ΔVSと、基準電圧VrPからの変化量ΔVref×nに応じて、インバータ1401の出力が変化する。
In addition, when the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are sequentially switched on and off in the determination period (T CM ) of the upper bit, the change amount ΔV S of the voltage level of the pixel signal VSL and the change from the reference voltage V rP. The output of the
ラッチ1405は、インバータ1401の出力が反転した時点に入力された4ビットのスイッチ制御信号を、判定結果として一時的に保持する。図16及び図17には、判定部1001の動作例として、インバータ1401の判定結果の例をそれぞれ示している。
The latch 1405 temporarily holds the 4-bit switch control signal input when the output of the
図16に示す例では、画素信号VSLの電圧レベルの変化量ΔVSが小さく、第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される電圧レベルΔVref×nのいかんに拘わらずインバータ1401の出力は反転しないので、判定部1001による判定結果は、“0000”となる。
In the example shown in FIG. 16, the change amount ΔV S of the voltage level of the pixel signal VSL is small, and the output of the
また、図17に示す例では、画素信号VSLの電圧レベルの変化量ΔVSがやや大きく、第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される電圧レベルΔVref×3でインバータ1401の出力が反転するので、判定部1001による判定結果は、“0011”となる。
Further, in the example shown in FIG. 17, the amount of change ΔV S of the voltage level of the pixel signal VSL is rather large, and the output of the
なお、図示を省略するが、第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される電圧レベルΔVref×2でインバータ1401の出力が反転する場合には、判定部1001による判定結果は、“0010”となり、第2のキャパシタ1403の第2の端子から出力される電圧レベルΔVref×4でインバータ1401の出力が反転する場合には、判定部1001による判定結果は、“0111”となる。
Although illustration is omitted, when the output of the
インバータ1401による4ビットの判定結果は、スイッチSW1、SW2、SW3のオンオフ制御に対応する。そして、インバータ1401による4ビットの判定結果の3ビットを使用して、判定部1001による画素信号VSLの上位2ビットの判定結果を取得する。インバータ1401の4ビットの判定結果と、判定部1001から出力される上位2ビットの関係を、図18に示しておく。判定部1001の判定結果は、カウンタ172(前述)の上位2ビットとして書き込まれるとともに、調整部1002に出力される。
The 4-bit determination result by the
図10に示した信号処理回路1000についてまとめると、D相のVSLのレベルをN段階で判定するとともに、その判定結果に基づいてD相におけるVSLのレベルをシフトして、比較器171への入力信号がD相期間のN分の1の電圧範囲に入るようにすることで、AD変換処理におけるD相期間をN分の1に短縮することができる。D相期間を4分の1に短縮する場合、14ビットのAD変換処理時間を60%短縮することができる。AD処理時間が短縮することに比例して、消費電力の削減効果もある。
Summarizing the
信号処理回路1000は、D相セトリング時に画素信号VSLの上位ビットを判定し、上位ビットの判定結果に基づいて、カラムアンプ160に入力される画素信号VSLのシフト量を調整するように構成される。画素信号VSLの上位ビットを判定する判定部1001や、画素信号VSLのシフト量を調整する調整部1002の回路を、低雑音増幅を目的とするカラムアンプ160の回路内に実装することもできる。
The
判定部1001は、カラムアンプ160の入力前の画素信号VSLを用いて上位判定を行うことと(図10及び図11を参照のこと)、インバータとキャパシタとスイッチ素子という簡単な素子で構成されることから(図14を参照のこと)、判定時間が短いという点に主な特徴がある。
The
信号処理回路1000を用いてVSLシフト方式を実施する場合、AD変換部161とランプ信号の関係は、従来の(VSLシフトを行わない)AD変換処理と同様である。したがって、マルチランプ方式で発生する負荷容量の変動や回路規模などの課題がなく、1H毎のキャリブレーションも不要である。
When the VSL shift method is implemented using the
信号処理回路1000によれば、画質に最も影響が出る、小信号時(遮光時若しくは黒レベル)における暗示特性は、従来の(VSLシフトを行わない)AD変換処理と同様であり、良好な特性を保ちつつ、AD変換処理時間の短縮を図ることができる。
According to the
E.撮像装置の構成例
図19には、本明細書で開示する技術を適用して構成される撮像装置1900の構成例を示している。撮像装置1900は、例えばデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラに相当する。図示の撮像装置1900は、光学系1901と、イメージセンサ1902と、信号処理部1903と、記録再生部1904と、記録部1905と、制御部1906を備えている。
E. Configuration Example of Imaging Device FIG. 19 shows a configuration example of an imaging device 1900 configured by applying the technology disclosed in this specification. The imaging device 1900 corresponds to, for example, a digital still camera or a digital video camera. The illustrated image pickup apparatus 1900 includes an
光学系1901は、メカニカルシャッターやレンズ、絞り機構などを含み、シャッターが開いたタイミングで被写体からの反射光をレンズで集光して、絞り機構を介してイメージセンサ1902の画素領域に入射する。
The
イメージセンサ1902は、図1に示した構成を備えているが、AD変換部103内では、図10に示した信号処理回路1000を適用したカラムアンプ160及びカラムAD変換部161で構成されるものとする。イメージセンサ1902は、光学系1901からの光に対応した画像信号を生成し、且つデジタル変換して、信号処理部1903に出力する。
The image sensor 1902 has the configuration shown in FIG. 1, but in the
信号処理部1903は、イメージセンサ1902から出力されるデジタル画像信号に対してデジタルゲイン処理やガンマ処理などのデジタル処理を施して、記録部1905に記録するのに適した信号を生成する。
The signal processing unit 1903 performs digital processing such as digital gain processing and gamma processing on the digital image signal output from the image sensor 1902 to generate a signal suitable for recording in the
記録再生部1904は、信号処理部1904から供給された信号を記録部1905に記録する。また、記録再生部1904は、記録部1905に記録された信号を再生して、当該撮像装置1900が装備し又は外付け接続されている表示装置(図示しない)に表示する。記録部1905は、ハードディスクや半導体メモリなどの記録媒体で構成され、記録再生部1904によって信号の記録並びに再生が行われる。
The recording / reproducing unit 1904 records the signal supplied from the signal processing unit 1904 in the
制御部1906は、例えばマイクロプロセッサにより構成され、当該撮像装置1900内の各部の動作を統括的にコントロールする。例えば、制御部1906は、撮像装置1900が備えるユーザインターフェース(図示しない)などを介して入力されるユーザからの指示に応じて、当該撮像装置1900内の各部の動作を統括的にコントロールする。また、制御部1906は、光学系1901内のメカニカルシャッター及び絞り機構を駆動制御して、自動露光処理などを実現する。
The control unit 1906 is composed of, for example, a microprocessor, and controls the operation of each unit in the imaging apparatus 1900 in a centralized manner. For example, the control unit 1906 comprehensively controls the operation of each unit in the image capturing apparatus 1900 according to an instruction from the user input via a user interface (not shown) included in the image capturing apparatus 1900. Further, the control unit 1906 drives and controls the mechanical shutter and the diaphragm mechanism in the
F.情報処理装置の構成例
図20には、本明細書で開示する技術を適用して構成されるイメージセンサを搭載した情報処理装置2000の構成例を示している。情報処理装置2000は、例えばスマートフォンやタブレット、あるいはその他のタイプの情報端末に相当するが、制御部2010に対して、表示部2020や音声処理部2030、通信部2040、記憶部2050、撮像部2060、センサ部2070などが接続されることにより構成されている。
F. Configuration Example of Information Processing Device FIG. 20 shows a configuration example of an information processing device 2000 equipped with an image sensor configured by applying the technology disclosed in this specification. The information processing device 2000 corresponds to, for example, a smartphone, a tablet, or another type of information terminal, but with respect to the control unit 2010, a display unit 2020, a voice processing unit 2030, a communication unit 2040, a
制御部2010は、CPU2011、ROM(Read Only Memory)2012、RAM(Random Access Memory)20613などにより構成される。ROM2012内には、CPU2011が実行するプログラム・コードや当該情報処理装置2000に必須の情報などが格納されている。
The control unit 2010 includes a
CPU2011は、ROM2012や記憶部2050からRAM2013にプログラム・コードをロードして実行する。CPU2011が実行するプログラムには、AndroidやiOSなどのオペレーティングシステム(OS)や、そのOSが提供する実行環境下で動作する各種アプリケーションプログラムを挙げることができる。
The
表示部2020は、液晶素子や有機EL(Electro Luminescence)素子などからなる表示パネル2021と、この表示パネル2021の上面に貼設された透明なタッチパネル2023を備えている。表示パネル2021は、表示インターフェース2022を介して制御部2010に接続され、制御部610で生成された画像情報を表示出力する。また、タッチパネル2023は、タッチインターフェース2024を介して制御部2010に接続され、ユーザが表示パネル2021上を指先で操作した座標情報を制御部2010に出力する。制御部2010側では、入力された座標情報に基づいて、ユーザによるタッチ操作(タップや長押し、フリック、スワイプなど)を検出して、ユーザ操作に対応する処理を起動する。
The display unit 2020 includes a display panel 2021 including a liquid crystal element, an organic EL (Electro Luminescence) element, and the like, and a transparent touch panel 2023 attached to the upper surface of the display panel 2021. The display panel 2021 is connected to the control unit 2010 via the display interface 2022, and displays and outputs the image information generated by the control unit 610. In addition, the touch panel 2023 is connected to the control unit 2010 via the
音声処理部2030は、スピーカなどの音声出力部2031と、マイクロホンなどの音声入力部2032と、入出力される音声信号を符号化復号処理する音声コーデック(CODEC)2033を備えている。また、音声処理部2030は、音声信号をヘッドフォン(図示しない)に出力するための音声出力端子2034をさらに備えていてもよい。
The audio processing unit 2030 includes an audio output unit 2031 such as a speaker, an
通信部2040は、制御部2010で実行するアプリケーションと外部装置(図示しない)間での情報の通信処理を行なう。ここで言う外部装置として、他のユーザが扱う情報端末や、インターネット上に存在するサーバなどを挙げることができる。通信部2040は、使用する通信媒体に応じて、Wi-Fi(登録商標)、NFC(Near Field Communication)、Bluetooth(登録商標)通信などの物理層モジュールを装備するとともに、物理層モジュールを介して送受信される通信信号の変復調処理や符号化復号処理を行なう。 The communication unit 2040 performs communication processing of information between an application executed by the control unit 2010 and an external device (not shown). Examples of the external device mentioned here include an information terminal handled by another user, a server existing on the Internet, and the like. The communication unit 2040 is equipped with physical layer modules such as Wi-Fi (registered trademark), NFC (Near Field Communication), and Bluetooth (registered trademark) communication depending on the communication medium used, and via the physical layer module. Modulation / demodulation processing and coding / decoding processing of transmitted / received communication signals are performed.
記憶部2050は、例えばSSD(Solid State Drive)やHDD(Hard Disc Drive)などの大容量の記憶装置からなる。例えば、通信部2040を介してダウンロードしたアプリケーションプログラムやコンテンツ、撮像部2060で撮影した静止画や動画などの画像データなどは、記憶部2050に格納される。
The
撮像部2060は、図19に示した撮像装置1900に相当し、本明細書で開示する技術を適用している。撮像部2060は、生成した画像データを、カメラインターフェース(図示しない)を介して制御部2010に出力する。
The
センサ部2070は、当該情報処理装置2000の位置情報を取得するためのGPS(Global Posotioning System)センサや、当該情報処理装置2000本体の姿勢や作用する力を検出するためのジャイロ・センサー、加速度センサなどを含んでいる。
The
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。 The technology disclosed in this specification has been described in detail above with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that a person skilled in the art can modify or substitute the embodiment without departing from the gist of the technique disclosed in the present specification.
本明細書で開示する技術は、主にCMOSやCCDなどのイメージセンサのカラムAD変換部に好適に適用することができる。もちろん、簡素に構成することが求められるAD変換回路に対して、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。 The technology disclosed in this specification can be suitably applied mainly to a column AD conversion unit of an image sensor such as CMOS or CCD. Of course, the technique disclosed in this specification can be similarly applied to an AD conversion circuit that is required to have a simple configuration.
また、本明細書で開示する技術を適用したイメージセンサは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、車載カメラ、さらにはスマートフォンやタブレットなどの各種情報端末などに広く用いることができる。 Further, the image sensor to which the technology disclosed in this specification is applied can be widely used for digital still cameras, digital video cameras, vehicle-mounted cameras, and various information terminals such as smartphones and tablets.
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたが、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。 In short, although the technology disclosed in this specification has been described in the form of exemplification, the contents described in this specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the technology disclosed in this specification, the claims should be taken into consideration.
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
(1)アナログ信号を増幅するアンプと、
前記アナログ信号の上位ビットを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記アンプに入力される前記アナログ信号のレベルを調整する調整部と、
前記レベル調整された出力信号を用いて前記アナログ信号の下位ビットをAD変換するシングルスロープ型のAD変換部と、
を具備する信号処理装置。
(2)前記判定部は、前記アンプに入力される前の前記アナログ信号の上位ビットを判定するように構成される、
上記(1)に記載の信号処理装置。
(3)前記判定部は、インバータとキャパシタとスイッチ素子で構成される、
上記(1)又は(2)のいずれかに記載の信号処理装置。
(4)前記判定部は、前記アナログ信号が第1の端子に入力される第1のキャパシタと、参照信号が第1の端子に入力される第2のキャパシタを備え、前記インバータには前記第1及び第2のキャパシタの第2の端子が入力され、前記スイッチング素子はオートゼロ期間に前記インバータの出力を入力に短絡する、
上記(3)に記載の信号処理装置。
(5)前記判定部は、前記アナログ信号のAD変換におけるD相セトリング時に、前記アナログ信号の上位ビットの判定を行う、
上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の信号処理装置。
(6)前記判定部により判定した上位ビットと、前記AD変換部から出力される下位ビットとを連結して、前記アナログ信号をAD変換したデジタル信号を出力する、
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載の信号処理装置。
(7)前記アンプはスイッチトキャパシタアンプで構成される、
上記(1)乃至(6)のいずれかに記載の信号処理装置。
(8)前記判定部及び前記調整部のうち少なくとも一方は、前記アンプの回路内に実装される、
上記(7)に記載の信号処理装置。
(9)前記アナログ信号は、画素から出力される画素信号である、
上記(1)乃至(8)のいずれかに記載の信号処理装置。
(10)前記アンプをカラムアンプとし、前記AD変換部をカラムAD変換部とし、上記(1)乃至(9)のいずれかに記載の信号処理装置を用いて構成される、
イメージセンサ。
(11)上記(10)に記載のイメージセンサを備えた、撮像装置。
(12)上記(11)に記載の撮像装置を搭載した、情報処理装置。
Note that the technology disclosed in this specification may have the following configurations.
(1) An amplifier that amplifies an analog signal,
A determination unit that determines the higher-order bits of the analog signal,
An adjustment unit that adjusts the level of the analog signal input to the amplifier based on the determination result of the determination unit;
A single-slope AD converter that AD-converts the lower bits of the analog signal using the level-adjusted output signal;
A signal processing device comprising:
(2) The determination unit is configured to determine a higher-order bit of the analog signal before being input to the amplifier.
The signal processing device according to (1) above.
(3) The determination unit includes an inverter, a capacitor, and a switch element,
The signal processing device according to any one of (1) and (2) above.
(4) The determination unit includes a first capacitor to which the analog signal is input to a first terminal and a second capacitor to which a reference signal is input to the first terminal, and the inverter includes the first capacitor. The second terminals of the first and second capacitors are input, and the switching element shorts the output of the inverter to the input during the auto-zero period,
The signal processing device according to (3) above.
(5) The determination unit determines a higher-order bit of the analog signal during D-phase settling in AD conversion of the analog signal,
The signal processing device according to any one of (1) to (4) above.
(6) A high-order bit determined by the determination unit and a low-order bit output from the AD conversion unit are connected to output a digital signal obtained by AD-converting the analog signal.
The signal processing device according to any one of (1) to (5) above.
(7) The amplifier is composed of a switched capacitor amplifier,
The signal processing device according to any one of (1) to (6) above.
(8) At least one of the determination unit and the adjustment unit is mounted in the circuit of the amplifier.
The signal processing device according to (7) above.
(9) The analog signal is a pixel signal output from a pixel,
The signal processing device according to any one of (1) to (8) above.
(10) The amplifier is a column amplifier, the AD converter is a column AD converter, and the signal processing apparatus according to any one of (1) to (9) is used.
Image sensor.
(11) An imaging device including the image sensor according to (10).
(12) An information processing device equipped with the imaging device according to (11).
100…イメージセンサ
101…画素アレイ、102…参照電圧発生部、103…AD変換部
104…水平転送部、111…制御部、112…垂直走査部
121…垂直信号線、122…参照信号線、123…信号線
125…制御線、131、132、133、134…制御線
141…単位画素
151…フォトダイオード、152…転送トランジスタ
153…リセットトランジスタ、154…増幅トランジスタ
155…セレクトトランジスタ
160…カラムアンプ、161…カラムAD変換器
171…比較器、172…カウンタ
173…キャパシタ、174…キャパシタ、181…比較器
1000…信号処理回路、1001…判定部、1002…調整部
1101…キャパシタ(CIN)、1102…アンプ
1103…キャパシタ(CFB)、1104…スイッチ
1110…DAコンバータ、1111~1113…スイッチ
1114~1116…キャパシタ
1401…インバータ、1402…第1のキャパシタ(C1)
1403…第2のキャパシタ(C2)、1404…スイッチ
1405…ラッチ、1406…DAコンバータ
1900…撮像装置、1901…光学系、1902…イメージセンサ
1903…信号処理部、1904…記録再生部、1905…記録部
1906…制御部
2000…情報処理装置、2010…制御部、2020…表示部
2021…表示パネル、2022…表示インターフェース
2023…タッチパネル、2024…タッチインターフェース
2030…音声処理部、2031…音声出力部
2032…音声入力部、2033…音声コーデック
2034…音声出力端子、2040…通信部、2050…記憶部
2060…撮像部、2070…センサ部
100 ...
1403 ... 2nd capacitor (C2), 1404 ... Switch 1405 ... Latch, 1406 ... DA converter 1900 ... Imaging device, 1901 ... Optical system, 1902 ... Image sensor 1903 ... Signal processing part, 1904 ... Recording / reproducing part, 1905 ... Recording Unit 1906 ... Control unit 2000 ... Information processing device, 2010 ... Control unit, 2020 ... Display unit 2021 ... Display panel, 2022 ... Display interface 2023 ... Touch panel, 2024 ... Touch interface 2030 ... Voice processing unit, 2031 ...
Claims (12)
前記アナログ信号の上位ビットを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記アンプに入力される前記アナログ信号のレベルを調整する調整部と、
前記レベル調整された出力信号を用いて前記アナログ信号の下位ビットをAD変換するシングルスロープ型のAD変換部と、
を具備する信号処理装置。 An amplifier that amplifies the analog signal,
A determination unit that determines the higher-order bits of the analog signal,
An adjustment unit that adjusts the level of the analog signal input to the amplifier based on the determination result of the determination unit;
A single-slope AD converter that AD-converts the lower bits of the analog signal using the level-adjusted output signal;
A signal processing device comprising:
請求項1に記載の信号処理装置。 The determination unit is configured to determine a high-order bit of the analog signal before being input to the amplifier.
The signal processing device according to claim 1.
請求項1に記載の信号処理装置。 The determination unit includes an inverter, a capacitor, and a switch element,
The signal processing device according to claim 1.
請求項3に記載の信号処理装置。 The determination unit includes a first capacitor to which the analog signal is input to a first terminal and a second capacitor to which a reference signal is input to the first terminal, and the inverter includes the first and second capacitors. The second terminal of the second capacitor is input, and the switching element shorts the output of the inverter to the input during the auto-zero period,
The signal processing device according to claim 3.
請求項1に記載の信号処理装置。 The determination unit determines the upper bit of the analog signal during D-phase settling in AD conversion of the analog signal,
The signal processing device according to claim 1.
請求項1に記載の信号処理装置。 Connecting the upper bit determined by the determination unit and the lower bit output from the AD conversion unit to output a digital signal obtained by AD converting the analog signal;
The signal processing device according to claim 1.
請求項1に記載の信号処理装置。 The amplifier is composed of a switched capacitor amplifier,
The signal processing device according to claim 1.
請求項7に記載の信号処理装置。 At least one of the determination unit and the adjustment unit is mounted in the circuit of the amplifier,
The signal processing device according to claim 7.
請求項1に記載の信号処理装置。 The analog signal is a pixel signal output from a pixel,
The signal processing device according to claim 1.
イメージセンサ。 The signal processing device according to claim 1, wherein the amplifier is a column amplifier, and the AD converter is a column AD converter.
Image sensor.
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