JP4793602B2 - A/d変換器および読み出し回路 - Google Patents
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Description
A. Krymski, N. Khaliullin, H Krymski, N. Khaliullin, H. Rhodes, "A 2e noise 1.3Megapixel CMOS sensor," Proc. IEEE workshop CCD and Advanced Image Sensors, Elmau, Germany. M. Sakakibara, S. Kawahito, D. Handoko, N. Nakamura, H. Satoh, M. Higashi, K. Mabuchi, H. Sumi,"A high-sensitivity CMOS image sensor with gain-adaptive column amplifiers," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 5, pp. 1147-1156, 2005. N. Kawai, S. Kawahito, "Noise analysis of high-gain low-noise column readout circuits for CMOS image sensors", IEEE Trans. Electron Devices, vol.51, no.2, pp.185-194 (2004).
図1は、本実施の形態に係るA/D変換器の回路図である。本実施の形態では、A/D変換器11は、CMOSイメージセンサのために用いられる。図2は、CMOSイメージセンサのブロックを示す図面である。A/D変換器11は、CMOSイメージセンサ1において用いられる。CMOSイメージセンサ1では、セルアレイ2はCMOSイメージセンサ画素2aが行方向および列方向に配列されている。図2には、CMOSイメージセンサ画素2aの一例が示されている。画素2aは、リセット状態における第1の信号S1と光誘起信号出力における第2の信号S2とを生成する。A/D変換器11の入力13が画素2aに接続されている。A/D変換器11では、ゲインステージ15の入力15aは、画素2aからの信号を受ける。また、A/D変換器11は、第1の期間T1に第1の信号S1の複数回の標本化と標本値の積分を行うと共に第2の期間T2に第2の信号S2の複数回の標本化と標本値の積分を行う。A/D変換回路17は、第2の期間T2において、ゲインステージ15の出力15bからの信号に応じたディジタル信号を提供し、このディジタル信号は第1および第2の値(例えば、「1」および「0」)を取りうる。また、A/D変換回路17は、1.5ビットのA/D変換のために比較器17b、17cを含む。回路18は、A/D変換回路17の出力(例えば比較器17bの出力)に接続されており、また第1の値(例えば「1」)の出現回数に対応する信号SA/DMを提供する。論理回路19は、第1の期間T1および第2の期間T2に、A/D変換回路17からの信号に応答して制御信号を生成する。D/A変換回路21は、制御信号VCONTに応答して第1の期間T1においてゲインステージ15に所定の電圧信号を提供すると共に、制御信号VCONTに応答して電圧信号を第2の期間T2にゲインステージ15に提供する。ゲインステージ15は演算増幅回路23を含む。第1のキャパシタ25の一端25aはD/A変換回路21の出力21aに接続されており、第1のキャパシタ25の他端25bは演算増幅回路23の反転入力23aに接続されている。第1のスイッチ24は、入力13とキャパシタ一端25aとの間に接続されている。第1のスイッチ24は、クロックφsに応答して動作し、また画素2aからの信号を標本化するために用いられる。第1の容量回路27が反転入力23aと非反転出力23bとの間に接続されている。第1の容量回路27では、直列に接続された第2のスイッチ29および第2のキャパシタ31が、反転入力23aと非反転出力23bとの間に接続されている。第2のスイッチ29は、クロックφ3に応答して動作し、第2のキャパシタ31への積分のために用いられる。例えば、第1の容量回路27に替えて第1の容量回路27bを用いることができる。第1の帰還スイッチ33が反転入力と非反転出力との間に接続されている。
VO=(Vr−VRP)
が生成される。標本化期間および積分期間のN回繰り返しにより、ゲインステージ15の容量回路27内に電荷が蓄積されて、演算増幅回路23の出力23bには、
VO=N×(Vr−VRP)
が生成される。容量回路27内に電荷は保存されている。
VO>VrefIの時、VCOMP=1であり、D/A変換回路21は積分期間にVRPを提供;
VO≦VrefIの時、VCOMP=0であり、D/A変換回路21は積分期間にVRNを提供。
標本化期間および積分期間のN回繰り返しにより、ゲインステージ15の容量回路27内に電荷が蓄積されて、N=N1+N2であるので、演算増幅回路23の出力23bには、
VO=N×(Vr−VRP)+N1×(VRP−Vs)+N2×(VRN−Vs)
=N×(Vr−Vs)−N2×(VRP−VRN)
が生成される。値N2は、比較器の出力に「1」が現れた回数を示しており、つまり、A/D変換回路は、ゲインステージの出力からの信号に応じたディジタル信号の第1および第2の値のうち第1の値の出現回数に対応する信号を提供する。この信号の値は、例えばA/D変換回路17に接続された回路18を用いてカウントすることができる。A/D変換回路17から信号SA/DMとして提供される。この値が、A/D変換値の上位ビットである。
VO(i)=2×VO(i−1)−V(i)
となり、D/A変換回路21の出力V(i)は
VRP (D(i)=+1)
0 (D(i)=0)
VRN (D(i)=−1)
である。なお、電圧VPRは正の値とし、VRN=−VRPである。
このために、D/A変換回路21は、電圧VRP、VRNを提供する電圧源21aと、制御信号VCONTに応答して電圧値を切り替えるスイッチ21c〜21fおよび43とを含む。
ディジタル信号D(i)は、
D(i)=+1 (VRP/4<VO(i−1))
D(i)= 0 (VRN/4<VO(i−1)≦VRP/4)
D(i)=−1 (VO(i−1)≦VRN/4)
である。電圧範囲の決定は、A/D変換回路17の比較器17b、17cを用いて行われる。巡回A/D変換動作において12ビットの分解能のA/D変換値を得るためには、11回の巡回動作が必要である。
VO=VO +−VO −
=Vr×C1/C2−VRP×C3/C4
が得られる。
VO=VO +−VO −
=(Vr×C1/C2−VRP×C3/C4)×2
が得られる。
VO=VO +−VO −
=(Vr×C1/C2−VRP×C3/C4)×N
が得られる。
VO=VO +−VO −
=N×(Vr×C1/C2−VRP×C3/C4)
+N1×(VRP×C1/C2−Vs×C3/C4)
+N2×(VRN×C1/C2−Vs×C3/C4)
が得られる。ここで、N=N1+N2が満たされ、またD/A変換回路がN1回の積分において電圧VRPを供給し、N2回の積分において電圧VRNを供給している。
VO=VO +−VO −
=N×(Vr×C1/C2−Vs×C3/C4)
+N1×(C1/C2−C3/C4)×VRP
−N2×(VRP×C1/C2−VRN×C3/C4)
が得られる。C1=C2=C3=C4が満たされるとき、
VO=VO +−VO −
=N×(Vr−Vs)−N2×(VRP−VRN)
が得られる。
VOUT1=VSC+Vnf+Vn1 (1)
そのノイズ成分は、プリアンプ63の容量にサンプルされ固定値として表されるノイズ(フリーズノイズ)Vnfと、時間的に変動するノイズVn1とを含む。
VOUT2=(Vr−Vs)×CA1/CA2+VSC+Vnf+Vn2 (2)
第1項は、キャパシタCA1からキャパシタCA2への移動電荷であり、画素からのノイズレベル信号を受けたキャパシタCA1には、最初、電荷QA1(n)=CA1×(Vr−Vsc)が格納されており、その後に画素からの信号レベル信号を受けると、キャパシタCA1にはQA1(s)=CA1×(Vs−Vsc)が格納され、この差分がキャパシタCA2に転送される。第1および第3項は、それぞれ、フリーズノイズVnfと、時間的に変動するノイズVn2とに対応する。
△V=VOUT2−VOUT1
=(Vr−Vs)×CA1/CA2+Vn2−Vn1 (3)
と表される。
図11は、CMOSイメージセンサのための読み出し回路を概略的に示す図面である。図12は、この読み出し回路のためのタイミングチャートを示す。既に説明したように、CMOSイメージセンサの画素は、リセット状態における第1の信号と受光状態における第2の信号とを生成する。図13は、イメージセンサを示す図面である。この読み出し回路81は、プリンアンプ83と、積分器85とを含む。プリアンプ83は、演算増幅回路87と、該演算増幅回路87の反転入力87aに接続された第1のキャパシタ89と、該演算増幅回路87の非反転出力87bと反転入力87aとの間に接続された第2のキャパシタ91を含む。プリアンプ83は、第1および第2のキャパシタ89、91の容量比に応じて、入力93に受けた第1の信号S1および第2の信号S2を増幅する。また、プリンアンプ83は、演算増幅回路87の非反転出力87bと反転入力87aとの間に接続されたスイッチ95を含み、スイッチ95は、クロックφrに応答する。演算増幅回路87の非反転入力87cは、例えば接地線といった基準電位線に接続されている。
VO(1)=C3/C4×Vnd1(1)+C3/C4×CB1/CB2×Vnpd(1)
ここで、Vnd1(1)、 Vnpd(1)は、それぞれプリアンプ83および画素2aのソースフォロワのノイズ成分(時間的に変動するノイズ)である。括弧内の数字は、ステップの順序に対応する。第1項はプリアンプ83に起因するノイズであり、第2項は画素2aに起因するノイズであり、このノイズはプリアンプ83によって増幅される。
VO(1)=C3/C4×(Vnfl(1)+Vnd1(1)−VREF)+C3/C4×CB1/CB2×Vnpd(1)
ここで、Vnfl(1)はプリアンプ83のフリーズノイズである。フリーズノイズは、キャパシタに標本化されて固定した電荷として存在し、時間的に変動しない。
VO(1)=C3/C4×(Vnfl(1)+Vnd1(1)−VREF−Vndl(3))+C3/C4×CB1/CB2×(Vnpd(1)−Vnpd(3)+VR−VS)
VO(1)=C3/C4×(Vnfl(1)+Vnd1(1)−VREF−Vnd1(3)−Vnd1(4)−Vnfl(1)+VREF)+C3/C4×CB1/CB2×(Vnpd(1)−Vnpd(3)−Vnpd(4)+2×(VR−VS))
=C3/C4×(Vnd1(1)−Vnd1(3)−Vnd1(4))+C3/C4×CB1/CB2×(Vnpd(1)−Vnpd(3)−Vnpd(4)+2×(VR−VS))
Claims (14)
- イメージセンサのためのA/D変換器であって、
前記イメージセンサからの信号を受ける入力と出力とを有しており、ノイズに係る成分を含む第1の信号の複数回の標本化および標本値の積分を第1の期間に行うと共に、前記イメージセンサの画素からの光誘起信号成分およびノイズに係る成分を含む第2の信号の複数回の標本化および標本値の積分を第1の信号に対する積分とは逆極性となるように第2の期間に行うためのゲインステージと、
前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じた第1および第2の値を取りうるディジタル信号を提供するA/D変換回路と、
前記第1の値の出現回数に対応する信号を提供する回路と、
前記ディジタル信号に応答して制御信号を生成する論理回路と、
前記第1の期間に前記ゲインステージに所定の電圧信号の提供を行うと共に、前記第2の期間に前記ゲインステージに前記制御信号に応じた電圧信号の提供を行うD/A変換回路と
を備え、
前記ゲインステージは、
前記標本化のための第1のキャパシタと、
前記積分のための第2のキャパシタと、
前記第1のキャパシタに標本化された信号を前記第2のキャパシタへ積分するための演算増幅回路と
を含む、ことを特徴とするA/D変換器。 - 前記第1のキャパシタは、前記D/A変換回路に接続された一端および前記演算増幅回路の反転入力に接続された他端を有しており、
前記ゲインステージは、
前記演算増幅回路の非反転出力と前記反転入力との間に接続された第1の容量回路と、
前記入力と前記第1のキャパシタの前記一端との間に接続されており前記イメージセンサからの信号を標本化するための第1のスイッチと、
前記反転入力と前記非反転出力との間に接続された第1の帰還スイッチと
を含み、
前記第1の容量回路は、前記第2のキャパシタおよび第2のスイッチを有し、前記第2のキャパシタおよび第2のスイッチは直列に接続されている、ことを特徴とする請求項1に記載されたA/D変換器。 - 前記ゲインステージは、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じたディジタル信号に対応して前記D/A変換回路から提供される電圧信号に用いて、前記第1および第2の期間の後の第3の期間に巡回A/D変換を行う、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載されたA/D変換器。
- 前記A/D変換回路は、前記巡回A/D変換のために、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じた三値のディジタル信号を前記第3の期間に提供し、
前記ゲインステージは、
前記第1のキャパシタの前記一端と前記非反転出力との間に接続された別の帰還スイッチと、
前記第1のキャパシタの前記他端と前記反転入力との間に接続された転送スイッチと
を含む、ことを特徴とする請求項3に記載されたA/D変換器。 - 前記A/D変換回路は、前記ゲインステージの前記出力からの信号を第1および第2の参照信号と比較する比較器を含み、
前記比較器は、前記第1の参照信号を前記第2の期間に受け、
前記比較器は、前記第2の参照信号を前記第3の期間に受ける、ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載されたA/D変換器。 - 前記第2の参照信号の値は、前記第1の参照信号の値より小さい、ことを特徴とする請求項5に記載されたA/D変換器。
- 前記第1のキャパシタは、前記標本化のために前記第1および第2の信号を受けるように設けられており、
前記ゲインステージは、前記D/A変換回路からの信号提供および前記第1のキャパシタへの標本化のいずれか一方に応答して、前記演算増幅回路を用いて前記第1の信号を前記第2のキャパシタへ積分し、
前記ゲインステージは、前記D/A変換回路からの信号提供および前記第1のキャパシタへの標本化のいずれか他方に応答して、前記演算増幅回路を用いて前記第2の信号を前記第2のキャパシタへ積分する、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載されたA/D変換器。 - 前記ゲインステージは、前記標本化のための第3のキャパシタおよび前記積分のための第4のキャパシタを更に含み、
前記第1および第3のキャパシタの一方は、前記標本化のために前記第1の信号を受けるように設けられており、
前記第1および第3のキャパシタの他方は、前記標本化のために前記第2の信号を受けるように設けられており、
前記演算増幅回路は、前記D/A変換回路からの信号に応答して、前記第1および第3のキャパシタに標本化された値を前記第2および第4のキャパシタに積分する、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載されたA/D変換器。 - 前記第3のキャパシタは、前記D/A変換回路に接続された一端および前記非反転入力に接続された他端を有しており、
前記ゲインステージは、
前記第1のキャパシタの前記一端と前記第3のキャパシタの前記一端との間に接続された第3のスイッチと、
前記第4のキャパシタおよび第4のスイッチを有し、前記演算増幅回路の非反転入力と前記演算増幅回路の反転出力との間に接続された第2の容量回路と、
前記非反転入力と前記反転出力との間に接続された第2の帰還スイッチと、
前記入力と前記第3のキャパシタの前記一端との間に接続されており前記イメージセンサからの信号を標本化するための第5のスイッチと
を更に含み、
前記第4のキャパシタおよび前記第4のスイッチは直列に接続されている、ことを特徴とする請求項8に記載されたA/D変換器。 - 前記ゲインステージは、
前記D/A変換回路に接続された一端および前記非反転入力に接続された他端を有する第3のキャパシタと、
前記第1のキャパシタの前記一端と前記第3のキャパシタの前記一端との間に接続された第3のスイッチと、
第4のキャパシタおよび第4のスイッチを有し、前記演算増幅回路の非反転入力と前記演算増幅回路の反転出力との間に接続された第2の容量回路と、
前記非反転入力と前記反転出力との間に接続された第2の帰還スイッチと
を更に含み、
前記第4のキャパシタおよび前記第4のスイッチは直列に接続されている、ことを特徴とする請求項2〜請求項7のいずれか一項に記載されたA/D変換器。 - 前記A/D変換回路は、前記ゲインステージが前記第1および第2の期間の後の第3の期間に巡回A/D変換のための動作を行うために、前記ゲインステージの前記出力からの信号に応じた三値のディジタル信号を前記第3の期間に提供し、
前記ゲインステージは、
前記第1のキャパシタの前記他端と前記第3のキャパシタの前記他端との間に接続された第6のスイッチと、
前記第1のキャパシタの前記一端と前記非反転出力との間に接続された第3の帰還スイッチと、
前記第3のキャパシタの前記一端と前記反転出力との間に接続された第4の帰還スイッチと、
前記第1のキャパシタの前記他端と前記反転入力との間に接続された第1の転送スイッチと、
前記第3のキャパシタの前記他端と前記非反転入力との間に接続された第2の転送スイッチと
を含む、ことを特徴とする請求項10に記載されたA/D変換器。 - 前記第1の容量回路において、前記第2のキャパシタの一端は前記反転入力に接続されており、前記第2のスイッチは前記第2のキャパシタの他端と前記非反転出力との間に接続されており、前記第1の容量回路は、前記第2のキャパシタの前記他端と前記第2のスイッチとの間の第1のノードに接続された第5のキャパシタを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載されたA/D変換器。
- 前記画素はCMOSイメージセンサの画素であり、前記画素の浮遊拡散層がリセット状態に置かれたとき、前記画素からの信号により前記第1の信号が提供され、前記リセット後に前記浮遊拡散層が光誘起電荷の蓄積状態に置かれたとき、前記画素からの信号により前記第2の信号が提供される、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載されたA/D変換器。
- 前記イメージセンサの画素と前記ゲインステージの前記入力との間に接続され、前記第1および第2の信号を提供するプリアンプを更に備え、
前記プリアンプは、演算増幅回路と、該演算増幅回路の入力に接続された第1のキャパシタと、該演算増幅回路の出力と前記入力との間に接続された第2のキャパシタと、前記出力と前記入力との間に接続されたスイッチとを含み、前記第1および第2のキャパシタの容量比に応じて前記画素からの信号を増幅し、
前記第1の信号は前記プリアンプのノイズに係る成分を含み、
前記第2の信号は、0前記画素の浮遊拡散層がリセット状態にあるとき前記画素が提供する信号と、前記リセット状態の後に前記浮遊拡散層が光誘起電荷の蓄積状態にあるとき前記画素が提供する信号との差分を示す成分を前記プリアンプのノイズに係る成分に加えて含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載されたA/D変換器。
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