JP2017028530A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】固体撮像装置で、要求されたフレームレートを満たす。【解決手段】カウンタ4cは、リセットレベル検出期間に参照電圧の電位レベルが変化し始めてからコンパレータの出力信号が反転するまでのクロック数をカウントする。制御回路は、第1のオートゼロ期間にコンパレータの第1の入力端子及び出力端子を導通させた状態で参照電圧を第1のレベルから第1の傾きで所定の時間変化させて第2のレベルにする。第1のリセットレベル検出期間にコンパレータの第1の入力端子及び出力端子を電気的に遮断させた状態で参照電圧を第1のレベルから第2の傾きで時間的に変化させながらカウンタのカウント値を取得する。取得されたカウント値と目標のカウント値との差分に基づいて、第2のオートゼロ期間に用いるべき参照電圧の傾きである第3の傾きを計算する。【選択図】図5A solid-state imaging device satisfies a required frame rate. A counter 4c counts the number of clocks from when the potential level of the reference voltage starts to change during the reset level detection period until the output signal of the comparator is inverted. The control circuit changes the reference voltage from the first level to the second level for a predetermined time from the first level with the first input terminal and the output terminal of the comparator being conductive during the first auto-zero period. To do. While the first input terminal and the output terminal of the comparator are electrically cut off during the first reset level detection period, the count value of the counter is changed while changing the reference voltage with time from the first level to the second slope. To get. Based on the difference between the acquired count value and the target count value, a third gradient that is the gradient of the reference voltage to be used in the second auto-zero period is calculated. [Selection] Figure 5
Description
本実施形態は、固体撮像装置に関する。 The present embodiment relates to a solid-state imaging device.
固体撮像装置では、時間的に変化する参照電圧の電位と画素からのアナログ信号とをコンパレータで比較し、画素のアナログ信号のレベルを時間に変換し、その時間をカウンタにてカウント(画素カウント)することで、画素のアナログ信号がデジタル値にAD変換される。固体撮像装置では、この画素カウントに先立ち、コンパレータのオフセットの影響をキャンセルするとともにコンパレータの動作点を決めるためのオートゼロ処理を行うことがある。このとき、固体撮像装置では、フレームレートの要求を満たすことが望まれる。 In the solid-state imaging device, the potential of the reference voltage that changes with time and the analog signal from the pixel are compared by a comparator, the level of the analog signal of the pixel is converted to time, and the time is counted by a counter (pixel count) Thus, the analog signal of the pixel is AD converted into a digital value. In the solid-state imaging device, prior to this pixel count, an auto-zero process may be performed to cancel the influence of the offset of the comparator and determine the operating point of the comparator. At this time, in the solid-state imaging device, it is desired to satisfy the frame rate requirement.
一つの実施形態は、フレームレートの要求を満たすことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 An object of one embodiment is to provide a solid-state imaging device capable of satisfying a frame rate requirement.
一つの実施形態によれば、画素と信号線とコンパレータとカウンタと制御回路とを有する固体撮像装置が提供される。信号線は、画素に電気的に接続されている。コンパレータは、第1の入力端子と第2の入力端子と出力端子とを有する。第1の入力端子は、信号線の電位に応じたレベルが伝達される。第2の入力端子は、参照電圧が供給される。カウンタは、リセットレベル検出期間に参照電圧の電位レベルが変化し始めてからコンパレータの出力信号が反転するまでのクロック数をカウントする。制御回路は、第1のオートゼロ期間にコンパレータの第1の入力端子及び出力端子を導通させた状態で参照電圧を第1のレベルから第1の傾きで所定の時間変化させて第2のレベルにする。制御回路は、第1のリセットレベル検出期間にコンパレータの第1の入力端子及び出力端子を電気的に遮断させた状態で参照電圧を第1のレベルから第2の傾きで時間的に変化させながらカウンタのカウント値を取得する。制御回路は、取得されたカウント値と目標のカウント値との差分に基づいて、第3の傾きを計算する。第3の傾きは、第2のオートゼロ期間に用いるべき参照電圧の傾きである。 According to one embodiment, a solid-state imaging device having a pixel, a signal line, a comparator, a counter, and a control circuit is provided. The signal line is electrically connected to the pixel. The comparator has a first input terminal, a second input terminal, and an output terminal. A level corresponding to the potential of the signal line is transmitted to the first input terminal. A reference voltage is supplied to the second input terminal. The counter counts the number of clocks from when the potential level of the reference voltage starts to change during the reset level detection period until the output signal of the comparator is inverted. The control circuit changes the reference voltage from the first level to the second level for a predetermined time from the first level with the first input terminal and the output terminal of the comparator being conductive during the first auto-zero period. To do. The control circuit changes the reference voltage temporally from the first level to the second slope with the first input terminal and the output terminal of the comparator being electrically cut off during the first reset level detection period. Get the count value of the counter. The control circuit calculates a third slope based on the difference between the acquired count value and the target count value. The third slope is a slope of the reference voltage to be used in the second auto zero period.
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a solid-state imaging device will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
(実施形態)
実施形態にかかる固体撮像装置1について説明する。固体撮像装置1は、例えば、図1及び図2に示す撮像システム91に適用される。図1及び図2は、撮像システム91の概略構成を示す図である。
(Embodiment)
A solid-
撮像システム91は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどであってもよいし、カメラモジュールが電子機器に適用されたもの(例えばカメラ付き携帯端末等)でもよい。撮像システム91は、図2に示すように、撮像部92及び後段処理部93を備える。撮像部92は、例えば、カメラモジュールである。撮像部92は、撮像光学系94及び固体撮像装置1を有する。後段処理部93は、ISP(Image Signal Processor)96、記憶部97、及び表示部98を有する。
The
撮像光学系94は、撮影レンズ947、ハーフミラー943、メカシャッタ946、レンズ944、プリズム945、及びファインダー948を有する。撮影レンズ947は、撮影レンズ947a,947b、絞り(図示せず)、及びレンズ駆動機構947cを有する。絞りは、撮影レンズ947aと撮影レンズ947bとの間に配され、撮影レンズ947bへ導かれる光量を調節する。なお、図1では、撮影レンズ947が2枚の撮影レンズ947a,947bを有する場合が例示的に示されているが、撮影レンズ947は多数枚の撮影レンズを有していてもよい。
The imaging
固体撮像装置1は、撮影レンズ947の予定結像面に配置されている。例えば、撮影レンズ947は、入射した光を屈折させて、ハーフミラー943及びメカシャッタ946経由で固体撮像装置1の撮像面へ導き、固体撮像装置1の撮像面(画素配列PA)に被写体の像を形成する。固体撮像装置1は、被写体像に応じた画像信号を生成する。
The solid-
次に、固体撮像装置1の構成について図3〜図5を用いて説明する。図3は、固体撮像装置1の構成を示す図である。図4は、各画素の構成を示す図である。図5は、各カラムADC回路の構成を示す図である。
Next, the configuration of the solid-
固体撮像装置1は、図3に示すように、画素配列PA、タイミング制御回路7、垂直走査回路2、AD変換ブロック3、及び水平走査回路5を有する。
As shown in FIG. 3, the solid-
画素配列PAには、複数の画素PC(1,1)〜PC(m,n)が複数行及び複数列を成すように配列されている。例えば、図3では、m,nをそれぞれ2以上の整数とすると、複数の画素PCがm行及びn列を成すように配列されている。 In the pixel array PA, a plurality of pixels PC (1, 1) to PC (m, n) are arranged in a plurality of rows and a plurality of columns. For example, in FIG. 3, when m and n are integers of 2 or more, a plurality of pixels PC are arranged in m rows and n columns.
各画素PCは、図4に示すように、例えば、光電変換部PD、転送部TG、電荷電圧変換部FD、リセット部RST、及び出力部AMPを有する。図4は、画素PCの構成を示す図である。図4では、画素PC(1,1)の構成を例示的に示しているが、他の画素の構成も同様である。 As illustrated in FIG. 4, each pixel PC includes, for example, a photoelectric conversion unit PD, a transfer unit TG, a charge voltage conversion unit FD, a reset unit RST, and an output unit AMP. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the pixel PC. In FIG. 4, the configuration of the pixel PC (1, 1) is exemplarily shown, but the configurations of the other pixels are the same.
光電変換部PDは、光電変換を行い、受けた光に応じた電荷を発生させて蓄積する。光電変換部PDは、例えば、フォトダイオードである。 The photoelectric conversion unit PD performs photoelectric conversion and generates and accumulates charges corresponding to the received light. The photoelectric conversion unit PD is, for example, a photodiode.
転送部TGは、垂直走査回路2からアクティブレベルの制御信号φREADを受けた場合に、光電変換部PDの電荷を電荷電圧変換部FDへ転送する。転送部TGは、例えば、トランスファーゲートとして機能する転送トランジスタであり、そのゲートにアクティブレベルの制御信号φREADを受けた場合にオンすることにより、光電変換部PDの電荷を電荷電圧変換部FDへ転送する。
When receiving the active level control signal φREAD from the
電荷電圧変換部FDは、その寄生容量を用いて、転送された電荷を電圧に変換する。電荷電圧変換部FDは、例えば、フローティングディフュージョンである。 The charge-voltage conversion unit FD converts the transferred charge into a voltage using the parasitic capacitance. The charge-voltage conversion unit FD is, for example, a floating diffusion.
リセット部RSTは、垂直走査回路2からアクティブレベルの制御信号φRESETを受けた場合に、電荷電圧変換部FDの電位を所定の電位にリセットする。リセット部RSTは、例えば、リセットトランジスタであり、そのゲートにアクティブレベルの制御信号φRESETを受けた場合にオンすることにより、電荷電圧変換部FDの電位を所定の電位にリセットする。
When receiving the active level control signal φRESET from the
リセット部RSTは、画素PCを選択状態/非選択状態にするための動作を行う。例えば、リセット部RSTは、垂直走査回路2により電源VDDがVDD1(例えば、電源レベル)に制御された際に、電荷電圧変換部FDの電位をVDD1にリセットすることにより画素PCを選択状態にする。リセット部RSTは、垂直走査回路2により電源VDDがVDD2(出力部AMPがオフするような電位、例えば、グランドレベル)に制御された際に、電荷電圧変換部FDの電位をVDD2にリセットすることにより画素PCを非選択状態にしてもよい。また、リセット部RSTの電源は、画素内の他の構成の電源と別に独立して電位が変えられるように構成されていてもよい。
The reset unit RST performs an operation for bringing the pixel PC into a selected state / non-selected state. For example, when the power supply VDD is controlled to VDD1 (for example, the power supply level) by the
出力部AMPは、画素PCが選択状態になった際に、電荷電圧変換部FDの電圧に応じた信号を、選択部ADRを介して信号線Vlin−1へ出力する。出力部AMPは、例えば、アンプトランジスタであり、画素PCが選択状態になった際に、信号線Vlin−1を介して接続された負荷電流源Gとともにソースフォロワ動作を行うことにより、電荷電圧変換部FDの電圧に応じた信号を信号線Vlin−1へ出力する。負荷電流源Gは、一端が信号線Vlinに接続され、他端がグランド電位に接続されている。 The output unit AMP outputs a signal corresponding to the voltage of the charge-voltage conversion unit FD to the signal line Vlin-1 via the selection unit ADR when the pixel PC is in a selected state. The output unit AMP is, for example, an amplifier transistor, and performs charge source voltage conversion by performing a source follower operation together with a load current source G connected via the signal line Vlin-1 when the pixel PC is in a selected state. A signal corresponding to the voltage of the unit FD is output to the signal line Vlin-1. The load current source G has one end connected to the signal line Vlin and the other end connected to the ground potential.
なお、画素PCは、図4に破線で示すように、選択部ADR(図示せず)が追加された構成であってもよい。その場合、電源VDDがVDD1(例えば、電源レベル)に維持されていてもよい。そして、選択部ADRは、垂直走査回路2からアクティブレベルの制御信号φADDを受けた場合に、画素PCを選択状態にし、垂直走査回路2からノンアクティブレベルの制御信号φADDを受けた場合に、画素PCを非選択状態にする。選択部ADRは、例えば、選択トランジスタであり、そのゲートにアクティブレベルの制御信号φADDを受けた際にオンすることにより、画素PCを選択状態にし、そのゲートにノンアクティブレベルの制御信号φADDを受けた際にオフすることにより、画素PCを非選択状態にする。
The pixel PC may have a configuration in which a selection unit ADR (not shown) is added, as indicated by a broken line in FIG. In that case, the power supply VDD may be maintained at VDD1 (for example, the power supply level). When the selection unit ADR receives the active level control signal φADD from the
図3に戻って、タイミング制御回路7は、ISP96から受けた制御信号(例えば、水平同期信号φH)に応じて、各種のタイミングを制御するためのクロックを生成する。例えば、タイミング制御回路7は、水平同期信号φHに応じて、垂直走査用のクロックφVCKを生成して垂直走査回路2へ供給する。タイミング制御回路7は、水平同期信号φHに応じて、参照電圧生成用のクロックφRCKを生成して参照電圧生成回路6へ供給する。タイミング制御回路7は、水平同期信号φHに応じて、カウンタ用のクロックφCCKを生成して複数のカラムADC回路4−1〜4−nのそれぞれへ供給する。タイミング制御回路7は、水平同期信号φHに応じて、水平走査用のクロックφHCKを生成して水平走査回路5へ供給する。
Returning to FIG. 3, the timing control circuit 7 generates a clock for controlling various timings in accordance with a control signal (for example, the horizontal synchronization signal φH) received from the
垂直走査回路2は、クロックφVCKに応じて画素配列PAを垂直方向に走査する。これにより、垂直走査回路2は、画素配列PAにおける信号を読み出すべき画素の行を選択する。例えば、垂直走査回路2は、複数の制御線Hlin−1〜Hlin−mのうち選択行に対応した制御線Hlin経由で、選択された行の画素へアクティブレベルの制御信号(例えば、図4に示すリセット制御信号φRESET)を供給する。これにより、垂直走査回路2は、選択された行の画素から複数列の信号線Vlin−1〜Vlin−nへ並行して信号が出力されるようにする。
The
AD変換ブロック3は、画素配列PAと水平走査回路5との間に配されている。AD変換ブロック3は、複数のAD変換回路9−1〜9−nを有する。各AD変換回路9−1〜9−nは、参照電圧を用いながら、対応する列の信号線Vlinを介して読み出された画素のアナログ信号をデジタル値に変換してISP96(図2参照)へ出力する。各AD変換回路9は、参照電圧生成回路6、カラムADC回路4、及びデジタル信号処理回路(制御回路)8を有する。複数のAD変換回路9−1〜9−nでは、図3に示すように、参照電圧生成回路6及びデジタル信号処理回路8が、複数のカラムADC回路4−1〜4−nに対して共通化されている。
The AD conversion block 3 is disposed between the pixel array PA and the
参照電圧生成回路6は、クロックφRCKに応じて所定のタイミングで参照電圧VREFを発生させて複数のカラムADC回路4−1〜4−nのそれぞれへ供給する。参照電圧VREFは、基準レベルから所定の傾き(<0)で時間的に変化するランプ状の波形を有する(図6参照)。
The reference
図6に示すように、画素PCのリセットレベルをサンプリングするリセットレベル検出期間TPrにおいて、積分イネーブル信号がアクティブレベルであることに応じて、参照電圧生成回路6は、積分動作を行い、参照電圧VREFのレベルを変化させる。これにより、参照電圧VREFは、レベルV1からレベルV5まで傾きS_reset(<0)で時間的に変化する。また、画素PCの信号レベルをサンプリングする信号レベル検出期間TPsにおいて、積分イネーブル信号がアクティブレベルであることに応じて、参照電圧生成回路6は、積分動作を行い、参照電圧VREFのレベルを変化させる。これにより、参照電圧VREFは、レベルV1からレベルV6まで傾きS_resetで時間的に変化する。レベルV1及びレベルV6の差は、レベルV1及びレベルV5の差より大きい。レベルV5は、レベルV1及びレベルV6の中間レベルよりもレベルV1に近いレベルにすることができる。なお、図6は、固体撮像装置1の動作を示す波形図である。
As shown in FIG. 6, in the reset level detection period TPr for sampling the reset level of the pixel PC, the reference
図3に示すように、複数のカラムADC回路4−1〜4−nは、画素配列PAの複数列に対応して設けられている。各カラムADC回路4−1〜4−nは、対応する列の信号線Vlinを介して画素から読み出された信号(アナログ信号)をAD変換してデジタル信号Voutを生成する。 As shown in FIG. 3, the plurality of column ADC circuits 4-1 to 4-n are provided corresponding to the plurality of columns of the pixel array PA. Each column ADC circuit 4-1 to 4-n AD converts a signal (analog signal) read from the pixel via the signal line Vlin of the corresponding column to generate a digital signal Vout.
図5に示すように、各カラムADC回路4−1〜4−nは、コンパレータ4a、エッジ検出回路4b、カウンタ4c、ラッチ回路4d、スイッチ4e、及び容量素子4fを有する。カラムADC回路4−1の構成を例示するが、他のカラムADC回路4−2〜4−nの構成も同様である。
As shown in FIG. 5, each column ADC circuit 4-1 to 4-n includes a
コンパレータ4aは、参照電圧VREFの電位レベルと画素信号(アナログ信号)の電位レベルとを比較して、比較結果をエッジ検出回路4bへ出力する。例えば、コンパレータ4aは、参照電圧VREFの電位レベルが画素信号(アナログ信号)の電位レベルより高い場合、Hレベルを出力し、参照電圧VREFの電位レベルが画素信号(アナログ信号)の電位レベルより低い場合、Lレベルを出力する。すなわち、コンパレータ4aは、参照電圧VREFの電位レベルと画素信号(アナログ信号)の電位レベルとの大小関係が反転した際に、その比較結果をHレベルからLレベルへ反転させて出力する。
The
コンパレータ4aは、反転入力端子(第1の入力端子)4a1、非反転入力端子(第2の入力端子)4a2、及び出力端子4a3を有する。反転入力端子4a1は、容量素子4fを介して信号線Vlin−1に接続され、容量素子4fを介して信号線Vlin−1の電位VSIGに応じたレベルが伝達される。非反転入力端子4a2は、参照電圧生成回路6に接続され、参照電圧VREFが供給される。出力端子4a3は、エッジ検出回路4bに接続されている。
The
スイッチ4eは、タイミング制御回路7からの制御信号φSWに応じて、反転入力端子4a1及び出力端子4a3を導通させたり電気的に遮断させたりする。スイッチ4eは、一端4e1が反転入力端子4a1に接続され、他端4e2が出力端子4a3に接続され、制御端子4e3に制御信号φSWが供給される。スイッチ4eは、アクティブレベルの制御信号φSWが制御端子4e3に供給された際にオンすることで反転入力端子4a1及び出力端子4a3を導通させ、アクティブレベルの制御信号φSWが制御端子4e3に供給された際にオンすることで反転入力端子4a1及び出力端子4a3を電気的に遮断させる。 The switch 4e makes the inverting input terminal 4a1 and the output terminal 4a3 conductive or electrically cut off according to the control signal φSW from the timing control circuit 7. The switch 4e has one end 4e1 connected to the inverting input terminal 4a1, the other end 4e2 connected to the output terminal 4a3, and a control signal φSW supplied to the control terminal 4e3. The switch 4e is turned on when the active level control signal φSW is supplied to the control terminal 4e3, thereby turning on the inverting input terminal 4a1 and the output terminal 4a3, and the active level control signal φSW is supplied to the control terminal 4e3. When turned on, the inverting input terminal 4a1 and the output terminal 4a3 are electrically cut off.
容量素子4fは、信号線Vlin−1と反転入力端子4a1との間に電気的に接続されている。容量素子4fは、一端4f1が反転入力端子4a1及び一端4e1に接続され、他端4f2が信号線Vlin−1及び負荷電流源Gに接続されている。 The capacitive element 4f is electrically connected between the signal line Vlin-1 and the inverting input terminal 4a1. The capacitive element 4f has one end 4f1 connected to the inverting input terminal 4a1 and one end 4e1, and the other end 4f2 connected to the signal line Vlin-1 and the load current source G.
ここで、コンパレータ4aからエッジ検出回路4bに出力される信号には、コンパレータ4aのオフセットに応じた成分が含まれ得る。また、コンパレータ4aの動作点は、カラムADC回路4−1の動作マージンを考慮した適切な動作点とする必要がある。そのため、カラムADC回路4−1は、コンパレータ4aのオフセットの影響をキャンセルさせるとともにコンパレータ4aの動作点を決めるオートゼロ処理を行う。オートゼロ処理の詳細は後述する。
Here, the signal output from the
エッジ検出回路4bは、比較結果をコンパレータ4aから受け、コンパレータ4aの比較結果が反転したことを検出すると、その検出結果をカウンタ4cへ供給する。例えば、エッジ検出回路4bは、コンパレータ4aの比較結果が反転したことを示すパルスを検出結果としてカウンタ4cへ供給する。
When the
カウンタ4cは、参照電圧VREFの電位レベルが変化し始めてからコンパレータ4aの比較結果が反転するまでのクロック数(クロックφCCKのパルス数)をカウントする。例えば、カウンタ4cは、参照電圧VREFの電位レベルが変化し始めたらカウント動作を開始し、コンパレータ4aの比較結果が反転したことを示す検出結果(例えば、パルス)をエッジ検出回路4bから受けるとカウント動作を停止するように構成されている。カウンタ4cは、カウント値をラッチ回路4dに出力する。
The
カウンタ4cは、クロックφCCKの周期及び参照電圧VREFの時間幅に対応したビット数を有する。カウンタ4cは、参照電圧VREFの電位レベルがレベルV1から変化し始めたタイミングでゼロカウント値からクロックφCCKの数に応じてカウントアップし始め、参照電圧VREFのフル振幅であるレベルV6になるタイミングでフルカウント値になるように構成されている。
The
図6に示すように、画素PCのリセットレベルをサンプリングするリセットレベル検出期間TPrにおいて、リセット部RSTにより電荷電圧変換部FDがリセットされた状態で出力部AMPにより出力されたリセットレベルに応じた電位のレベルV4がコンパレータ4aに入力される。レベルV4は、画素PCから出力されたリセットレベルに応じた信号線Vlinの電位より、参照電圧VREFの電位レベルの低下に伴ってオフセット電圧Voffset分低下した電位レベルであり、カラムADC回路4−1では画素PCのリセットレベルVrとして扱われる。
As shown in FIG. 6, in the reset level detection period TPr for sampling the reset level of the pixel PC, the potential corresponding to the reset level output by the output unit AMP in a state where the charge voltage conversion unit FD is reset by the reset unit RST. Level V4 is input to the
なお、オフセット電圧Voffsetは、コンパレータ4a内部の容量結合の影響による容量性のオフセット電圧である。すなわち、オフセット電圧Voffsetは、参照電圧VREF(非反転入力端子4a2の電位)の電位低下に伴って反転入力端子4a1の電位も低下してしまう場合における低下量の電圧を意味している(図6参照)。
The offset voltage Voffset is a capacitive offset voltage due to the influence of capacitive coupling inside the
カウンタ4cは、リセットレベルVrについて、参照電圧VREFの電位レベルが変化し始めてからコンパレータ4aの比較結果が反転するまでのクロック数をカウントして、リセットレベルVrのカウント値N_resetをラッチ回路4dに出力する。リセットレベルVrのカウント値N_resetは、レベルV1とリセットレベルVrとのレベル差(オートゼロ電圧Vaz’)に対応している。すなわち、カウンタ4cは、レベルV1とリセットレベルVrとのレベル差(オートゼロ電圧Vaz’)を時間に変換し、その時間をカウント(画素カウント)する。
For the reset level Vr, the
画素PCの信号レベルをサンプリングする信号レベル検出期間TPsにおいて、光電変換部PDの電荷が転送部TGにより電荷電圧変換部FDへ転送された状態で出力部AMPにより出力された信号レベルに応じた電位のレベルV7がコンパレータ4aに入力される。レベルV7は、画素PCから出力された信号レベルに応じた信号線Vlinの電位よりオフセット電圧Voffset分低下した電位レベルであり、カラムADC回路4−1では画素PCの信号レベルVsとして扱われる。カウンタ4cは、信号レベルVsについて、参照電圧VREFの電位レベルが変化し始めてからコンパレータ4aの比較結果が反転するまでのクロック数をカウントして、信号レベルVsのカウント値N_signalをラッチ回路4dに出力する。信号レベルVsのカウント値N_signalは、レベルV1と信号レベルVsとのレベル差(画素信号電圧Vps)に対応している。すなわち、カウンタ4cは、レベルV1と信号レベルVsとのレベル差(画素信号電圧Vps)を時間に変換し、その時間をカウント(画素カウント)する。
In the signal level detection period TPs for sampling the signal level of the pixel PC, a potential corresponding to the signal level output by the output unit AMP in a state where the charge of the photoelectric conversion unit PD is transferred to the charge voltage conversion unit FD by the transfer unit TG. Level V7 is input to the
なお、図6では、コンパレータ4aの非反転入力端子4a2の電位を「COMP input(+)」と示し、コンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位を「COMP input(−)」と示している。また、カウンタ4cに供給されるクロックφCCKのうち画素カウントに用いられるクロックを「カウンタクロック」として示している。
In FIG. 6, the potential of the non-inverting input terminal 4a2 of the
ラッチ回路4dは、カウント値をカウンタ4cから受け、その列の水平期間において、水平走査パルスφPHを水平走査回路5から受ける。ラッチ回路4dは、水平走査パルスφPHがアクティブレベルになったタイミングでカウント値をラッチし、デジタル信号処理回路8へ転送する。
The
図6に示すように、ラッチ回路4dは、画素PCのリセットレベルをサンプリングするリセットレベル検出期間TPrが完了した後に、リセットレベルVrのカウント値をデジタル信号処理回路8へ転送する。ラッチ回路4dは、画素PCの信号レベルをサンプリングする信号レベル検出期間TPsが完了した後に、信号レベルVsのカウント値をデジタル信号処理回路8へ転送する。
As shown in FIG. 6, the
水平走査回路5は、クロックφHCKに応じて複数のカラムADC回路4−1〜4−nを水平方向に走査する。すなわち、水平走査回路5は、各列の水平走査信号φPH−1〜φPH−nを順次且つ選択的にアクティブレベルにすることで複数のカラムADC回路4−1〜4−nを順次に選択して、デジタル信号をデジタル信号処理回路8へ転送させる。
The
デジタル信号処理回路8は、デジタル信号を各列のカラムADC回路4−1〜4−nから受ける。デジタル信号処理回路8は、各列の水平期間において、カウンタ4cのカウント値に応じたデジタル値Dataを生成してISP96へ出力する。
The digital signal processing circuit 8 receives digital signals from the column ADC circuits 4-1 to 4-n in each column. The digital signal processing circuit 8 generates a digital value Data corresponding to the count value of the
デジタル信号処理回路8は、デジタル信号に対して相間二重サンプリング(CDS)処理を施してデジタル値Dataを生成する。例えば、デジタル信号処理回路8は、リセットレベルVrのカウント値N_resetに応じたデジタル信号を受けた際に、オートゼロ電圧Vaz’(図6参照)に相当するデジタル信号を保持する。その後、デジタル信号処理回路8は、信号レベルVsのカウント値N_signalに応じたデジタル信号を受けた際に、リセットレベルVrのカウント値N_resetに応じたデジタル信号と信号レベルVsのカウント値N_signalに応じたデジタル信号との差分(カウント値N_signal’に応じたデジタル信号)を取る。すなわち、デジタル信号処理回路8は、オートゼロ電圧Vaz’に相当するデジタル信号と画素信号電圧Vps(図6参照)に相当するデジタル信号との差分を取る。デジタル信号処理回路8は、その差分、すなわち処理後の画素信号電圧Vps’(=Vps−Vaz’)に相当するデジタル信号をデジタル値Dataとして出力する。これにより、画素信号に含まれる画素の固定パターンノイズの影響を除去できるとともにコンパレータ4aのオフセット電圧Voffsetの影響を除去でき、高精度なデジタル値を生成及び出力させることができる。
The digital signal processing circuit 8 performs interphase double sampling (CDS) processing on the digital signal to generate a digital value Data. For example, when receiving a digital signal corresponding to the count value N_reset of the reset level Vr, the digital signal processing circuit 8 holds a digital signal corresponding to the auto-zero voltage Vaz ′ (see FIG. 6). Thereafter, when the digital signal processing circuit 8 receives a digital signal corresponding to the count value N_signal of the signal level Vs, the digital signal processing circuit 8 corresponds to the digital signal corresponding to the count value N_reset of the reset level Vr and the count value N_signal of the signal level Vs. A difference from the digital signal (digital signal corresponding to the count value N_signal ′) is taken. That is, the digital signal processing circuit 8 takes a difference between a digital signal corresponding to the auto-zero voltage Vaz ′ and a digital signal corresponding to the pixel signal voltage Vps (see FIG. 6). The digital signal processing circuit 8 outputs a digital signal corresponding to the difference, that is, the processed pixel signal voltage Vps ′ (= Vps−Vaz ′) as a digital value Data. Thereby, the influence of the fixed pattern noise of the pixel included in the pixel signal can be removed and the influence of the offset voltage Voffset of the
ここで、図6に示すように、画素PCのリセットレベルをサンプリングするリセットレベル検出期間TPrと、画素PCの信号レベルをサンプリングする信号レベル検出期間TPsとに先立ち、オートゼロ処理を行うオートゼロ期間TPazが設けられている。リセットレベル検出期間TPr中の前半の積分期間T_zeroにおいて、積分イネーブル信号がアクティブレベルであることに応じて、参照電圧生成回路6は、積分動作を行い、参照電圧VREFのレベルを変化させる。これにより、参照電圧VREFは、レベルV1からレベルV2まで傾きS_preset(<0)で時間的に変化する。レベルV2は、カラムADC回路4−1の動作マージンを考慮したコンパレータ4aの適切な動作点として予め決められたレベルであり、例えば、レベルV1とレベルV5との中間値近傍のレベルである。積分期間T_zeroは、参照電圧生成回路6における積分回路が積分動作を行って参照電圧VREFの積分波形(ランプ波)を生成するための積分期間であり、予め定められた略一定の期間である。傾きS_presetは、参照電圧生成回路6における積分回路が積分動作を行う際のゲインに相当する積分係数である。傾きS_presetは、レベルV1から積分期間T_zeroで参照電圧VREFを変化させた際に積分期間T_zeroの完了タイミングで参照電圧VREFのレベルがV2になるように予め調整された傾きである。サンプリングするリセットレベル検出期間TPr中の後半の期間T1において、参照電圧VREFは、レベルV2に維持される。
Here, as shown in FIG. 6, prior to the reset level detection period TPr for sampling the reset level of the pixel PC and the signal level detection period TPs for sampling the signal level of the pixel PC, an auto-zero period TPaz for performing auto-zero processing is provided. Is provided. In the first half of the integration period T_zero in the reset level detection period TPr, the reference
オートゼロ期間TPazにおいて、スイッチ4eがオン状態に維持され、反転入力端子4a1及び出力端子4a3を導通されているので、コンパレータ4aは、ボルテージフォロアにより出力端子4a3の電位は非反転入力端子4a2の電位に追従して同電位になり、容量素子4fにV2が充電される。期間T1の長さは、信号線Vlin−1の電位及び容量素子4fの電圧が安定化するために必要な時間として予め定められた長さである。
In the auto-zero period TPaz, the switch 4e is maintained in the ON state, and the inverting input terminal 4a1 and the output terminal 4a3 are made conductive. Therefore, the
オートゼロ期間TPazが完了するタイミングt1において、スイッチ4eがオフされると、コンパレータ4aの動作点がレベルV2に設定される。
When the switch 4e is turned off at the timing t1 when the auto-zero period TPaz is completed, the operating point of the
参照電圧VREFのレベル、すなわち非反転入力端子4a2の電位がレベルV1から下がり始めると、コンパレータ4a内部の容量結合によりコンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位もレベルV2から下がり始める。これにより、リセットレベル検出期間TPrにおけるコンパレータ4aの動作点が期間T1で設定された動作点からずれる。リセットレベル検出期間TPrにおけるコンパレータ4aの動作点を適切な動作点にするためには、リセットレベル検出期間TPrにおけるコンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位をレベルV2近傍にする必要がある。すなわち、オートゼロ期間に調整すべき反転入力端子4a1の電位(期間T1に維持すべきレベル)をレベルV2からずれ量、すなわちコンパレータ4aのオフセット電圧Voffset分補正する必要がある。オートゼロ処理における積分期間T_zeroが略一定に決められているので、レベルV1とレベル(V2+Voffset)とのレベル差に応じた適切な傾きS_adjustで参照電圧VREFを発生させるように参照電圧生成回路6を制御する必要がある。このずれ量、すなわちコンパレータ4aのオフセット電圧Voffsetは、固体撮像装置1の動作条件(クロック周波数、基準電圧レベルなど)で変わり得る。
When the level of the reference voltage VREF, that is, the potential of the non-inverting input terminal 4a2 starts to decrease from the level V1, the potential of the inverting input terminal 4a1 of the
仮に、デジタル信号処理回路8において、オートゼロ処理を行う回路の回路規模を小さく抑えるために、オートゼロ処理中の参照電圧VREFの傾きを一定のステップΔSずつ調整するプリセット処理を行うように構成された場合を考える。この場合、デジタル信号処理回路8は、プリセット処理において、積分期間T_zeroにおける参照電圧VREFの傾きを一定のステップΔSずつ調整しながら参照電圧VREFの傾きが適切な傾きS_adjustになっているか否かの検証を行う。そして、デジタル信号処理回路8は、プリセット処理において、参照電圧VREFの傾きが適切な傾きS_adjustになっていることの検証に成功するまで、調整及び検証を複数回繰り返す。 If the digital signal processing circuit 8 is configured to perform preset processing for adjusting the slope of the reference voltage VREF during auto-zero processing by a certain step ΔS in order to keep the circuit scale of the circuit that performs auto-zero processing small. think of. In this case, the digital signal processing circuit 8 verifies whether the slope of the reference voltage VREF is an appropriate slope S_adjust while adjusting the slope of the reference voltage VREF in the integration period T_zero by a certain step ΔS in the preset process. I do. Then, the digital signal processing circuit 8 repeats the adjustment and verification a plurality of times until the verification that the inclination of the reference voltage VREF is an appropriate inclination S_adjust is successful in the preset process.
例えば、デジタル信号処理回路8は、レベルV2に対応する目標のカウント値が動作条件(クロック周波数、基準電圧レベルなど)ごとに予め設定されている。デジタル信号処理回路8は、現在の動作条件に応じた、レベルV2に対応する目標のカウント値N_targetを特定する。ここで、画素配列PAにおける1行目〜3行目がオプティカルブラック領域であり、4行目〜m行目が有効画素領域であるとする。1行目〜3行目の各画素は、遮光画素であるので、受光動作を必要としないオートゼロ処理を行うために使用される。 For example, in the digital signal processing circuit 8, a target count value corresponding to the level V2 is set in advance for each operation condition (clock frequency, reference voltage level, etc.). The digital signal processing circuit 8 specifies a target count value N_target corresponding to the level V2 according to the current operating condition. Here, it is assumed that the first to third rows in the pixel array PA are optical black regions, and the fourth to m-th rows are effective pixel regions. Since the pixels in the first to third rows are light-shielding pixels, they are used to perform auto-zero processing that does not require a light receiving operation.
画素配列PAにおける1行目の各画素PC(1,1)〜PC(1,n)から各列のカラムADC回路4へリセットレベルが読み出される。各列のカラムADC回路4は、オートゼロ期間TPazに反転入力端子4a1の電位をレベルV2とさせ、リセットレベル検出期間TPrにリセットレベルVr(レベルV4)の画素カウントを行わせ、カウント値N_presetを得る。デジタル信号処理回路8は、1行目の各画素PC(1,1)〜PC(1,n)についてカウント値N_presetを平均化し、平均化されたカウント値AVE(N_preset)と目標のカウント値N_targetとを比較する。
The reset level is read out from each pixel PC (1,1) to PC (1, n) in the first row in the pixel array PA to the
デジタル信号処理回路8は、平均化されたカウント値AVE(N_preset)が目標のカウント値N_targetより大きい場合、積分期間T_zeroの参照電圧VREFの傾きをS_preset+ΔSに変更するように制御信号φAZで参照電圧生成回路6を制御する。例えば、参照電圧生成回路6は、積分回路に流す電流をIからI−ΔIに減らして、積分回路の積分動作により生成する参照電圧VREFの傾きがS_presetからS_preset+ΔSになるようにする。
When the averaged count value AVE (N_preset) is larger than the target count value N_target, the digital signal processing circuit 8 generates a reference voltage with the control signal φAZ so that the slope of the reference voltage VREF in the integration period T_zero is changed to S_preset + ΔS. The
画素配列PAにおける2行目の各画素PC(2,1)〜PC(2,n)から各列のカラムADC回路4へリセットレベルが読み出される。各列のカラムADC回路4は、オートゼロ期間TPazに反転入力端子4a1の電位をレベルV2+ΔVとさせ、リセットレベル検出期間TPrにリセットレベルVr(レベルV4+ΔV)の画素カウントを行わせ、カウント値N_preset−ΔNを得る。デジタル信号処理回路8は、2行目の各画素PC(2,1)〜PC(2,n)についてカウント値N_preset−ΔNを平均化し、平均化されたカウント値AVE(N_preset−ΔN)と目標のカウント値N_targetとを比較する。
The reset level is read out from the pixels PC (2, 1) to PC (2, n) in the second row in the pixel array PA to the
デジタル信号処理回路8は、平均化されたカウント値AVE(N_preset−ΔN)が目標のカウント値N_targetより大きい場合、積分期間T_zeroの参照電圧VREFの傾きをS_preset+ΔS×2に変更するように制御信号φAZで参照電圧生成回路6を制御する。例えば、参照電圧生成回路6は、積分回路に流す電流をI−ΔIからI−ΔI×2に減らして、積分回路の積分動作により生成する参照電圧VREFの傾きがS_preset+ΔSからS_preset+ΔS×2になるようにする。
When the averaged count value AVE (N_preset−ΔN) is larger than the target count value N_target, the digital signal processing circuit 8 changes the control signal φAZ to change the slope of the reference voltage VREF in the integration period T_zero to S_preset + ΔS × 2. To control the reference
画素配列PAにおける3行目の各画素PC(3,1)〜PC(3,n)から各列のカラムADC回路4へリセットレベルが読み出される。各列のカラムADC回路4は、オートゼロ期間TPazに反転入力端子4a1の電位をレベルV2+ΔV×2とさせ、リセットレベル検出期間TPrにリセットレベルVr(レベルV4+ΔV×2)の画素カウントを行わせ、カウント値N_preset−ΔN×2を得る。デジタル信号処理回路8は、3行目の各画素PC(3,1)〜PC(3,n)についてカウント値N_preset−ΔN×2を平均化し、平均化されたカウント値AVE(N_preset−ΔN×2)と目標のカウント値N_targetとを比較する。
The reset level is read from each pixel PC (3, 1) to PC (3, n) in the third row in the pixel array PA to the
デジタル信号処理回路8は、平均化されたカウント値AVE(N_preset−ΔN×2)が目標のカウント値N_targetに略等しい場合、検証に成功したものと判断し、傾きS_preset+ΔS×2を適切な傾きS_adjustとする。これにより、プリセット処理が完了する。その後、通常の読み出し動作(例えば、4行目の画素PC(4,1)〜PC(4,n)からの信号の読み出し)が開始される。 When the averaged count value AVE (N_preset−ΔN × 2) is substantially equal to the target count value N_target, the digital signal processing circuit 8 determines that the verification is successful and sets the slope S_preset + ΔS × 2 to an appropriate slope S_adjust. And Thereby, the preset process is completed. Thereafter, a normal readout operation (for example, readout of signals from the pixels PC (4, 1) to PC (4, n) in the fourth row) is started.
このように、参照電圧VREFの傾きを一定のステップΔSずつ調整するプリセット処理を行うと、調整及び検証を複数回繰り返す必要があり、プリセット処理が完了するまでに多数行(例えば、3行)の画素の読み出し時間が必要となる。しかし、フレームレートの要求が厳しくなった場合(例えば、多画素化しながらフレームレートを維持することが要求されている場合、又は、フレームレートの短縮が要求されている場合)、プリセット処理を行うために多数行分の読み出し時間を確保してしまうと、固体撮像装置1から出力される画像信号のフレームレートが要求される長さを超えてしまう可能性がある。フレームレートが要求される長さを超えると、画像信号により得られる画像が動画像である場合、所定時間内におけるコマ数の確保が困難になり、滑らかな動画像を得ることが困難になる。あるいは、画像信号により得られる画像が静止画像である場合、レリーズタイムラグが増大し、シャッターチャンスをとらえることが困難になる可能性がある。
As described above, when the preset process for adjusting the slope of the reference voltage VREF by a certain step ΔS is performed, the adjustment and verification need to be repeated a plurality of times, and a large number of lines (for example, three lines) are required until the preset process is completed. Pixel readout time is required. However, when the request for the frame rate becomes strict (for example, when it is required to maintain the frame rate while increasing the number of pixels or when the frame rate is required to be reduced), the preset process is performed. If the readout time for a large number of rows is secured, the frame rate of the image signal output from the solid-
そこで、実施形態では、固体撮像装置1において、リセットレベル検出期間TPrにリセットレベルVrの画素カウントで取得されたカウント値N_resetと目標のカウント値N_targetとの差分に基づいてずれ量(オフセット電圧)を計算し、そのずれ量を補正するように次のオートゼロ期間の参照電圧VREFの傾きを計算して求める。これにより、プリセット処理の調整回数を1回に低減するとともに検証を不要としプリセット処理を行うための時間を短縮化する。
Therefore, in the embodiment, in the solid-
具体的には、図3に示すように、デジタル信号処理回路(制御回路)8は、平均値算出回路8a及びオートゼロ電圧演算回路8bを有する。各列のカラムADC回路4でオートゼロ処理及びリセットレベルの検出処理が行われた後、平均値算出回路8aは、各列のカラムADC回路4のカウント値を取得する。平均値算出回路8aは、各列のカラムADC回路4のカウント値を平均化する。平均値算出回路8aは、平均化されたカウント値をオートゼロ電圧演算回路8bへ供給する。オートゼロ電圧演算回路8bは、平均化されたカウント値と目標のカウント値との差分に基づいて、次にオートゼロ処理を行う期間に用いるべき参照電圧の傾きを計算する。
Specifically, as shown in FIG. 3, the digital signal processing circuit (control circuit) 8 includes an average
例えば、図7に示すように、デジタル信号処理回路(制御回路)8は、オートゼロ期間TPaz1に参照電圧VREFの傾きをS_presetにするように制御信号φAZで参照電圧生成回路6を制御する。図7は、固体撮像装置1の動作を示す波形図である。傾きS_presetは、参照電圧生成回路6における積分回路が積分動作を行う際のゲインに相当する積分係数である。傾きS_presetは、レベルV1から積分期間T_zeroで参照電圧VREFを変化させた際に積分期間T_zeroの完了タイミングで参照電圧VREFのレベルがV2になるように予め調整された傾きである。
For example, as shown in FIG. 7, the digital signal processing circuit (control circuit) 8 controls the reference
オートゼロ期間TPaz1の前において、画素配列PAにおける1行目の各画素PC(1,1)〜PC(1,n)から各列のカラムADC回路4へリセットレベルが読み出される。
Prior to the auto-zero period TPaz1, the reset level is read from each pixel PC (1, 1) to PC (1, n) in the first row in the pixel array PA to the
オートゼロ期間TPaz1において、各列のカラムADC回路4は、反転入力端子4a1の電位をレベルV2とさせる。オートゼロ期間TPaz1では、制御信号φSWがアクティブレベルに維持されている。すなわち、各列のカラムADC回路4におけるスイッチ4eは、オートゼロ期間TPaz1において、各列のカラムADC回路4のコンパレータ4aの反転入力端子4a1及び出力端子4a3を導通させた状態にしている。この状態で、デジタル信号処理回路8は、オートゼロ期間TPaz1の前半である略一定の積分期間T_zeroにおいて、参照電圧VREFをレベルV1から傾きS_presetで変化させてレベルV2にし、オートゼロ期間TPaz1の後半の期間T11において、参照電圧VREFをレベルV2に維持するように、参照電圧生成回路6を制御する。
In the auto-zero period TPaz1, the
オートゼロ期間TPaz1が完了するタイミングt1’において、各列のカラムADC回路4においてスイッチ4eがオフされると、コンパレータ4aの動作点がレベルV2に設定される。
When the switch 4e is turned off in the
リセットレベル検出期間TPr1において、デジタル信号処理回路8は、参照電圧VREFをレベルV1から傾きS_resetで変化させるように、参照電圧生成回路6を制御する。参照電圧VREFのレベル、すなわち非反転入力端子4a2の電位が下がり始めると、コンパレータ4a内部の容量結合によりコンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位も下がり始める。そして、コンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位は、レベルV2からオフセット電圧Voffset分低下したレベルV4になる。それとともに、各列のカラムADC回路4は、リセットレベルVr(レベルV4)の画素カウントを行わせ、カウント値N_presetを得る。デジタル信号処理回路8は、各列のカラムADC回路4からカウント値N_presetを取得する。デジタル信号処理回路8は、1行目の各画素PC(1,1)〜PC(1,n)について、各列のカラムADC回路4のカウント値N_presetを平均化する。デジタル信号処理回路8は、平均化されたカウント値AVE(N_preset)と目標のカウント値N_targetとの差分に基づいて、次のオートゼロ期間TPaz2に用いるべき参照電圧VREFの傾きS_adjustを計算する。
In the reset level detection period TPr1, the digital signal processing circuit 8 controls the reference
例えば、平均値算出回路8a(図3参照)は、各列のカラムADC回路4のカウント値N_presetを平均化して、平均化されたカウント値AVE(N_preset)をオートゼロ電圧演算回路8bへ供給する。オートゼロ電圧演算回路8b(図3参照)は、平均化されたカウント値AVE(N_preset)と目標のカウント値N_targetとの差分(カウント値の差分)に基づいて、次にオートゼロ処理を行うオートゼロ期間TPaz2(図8参照)に用いるべき参照電圧VREFの傾きS_adjustを計算する。オートゼロ電圧演算回路8bは、オートゼロ期間TPaz1に調整したコンパレータ4aの反転入力端子4a1のレベルV2とリセットレベル検出期間TPr1におけるコンパレータ4aの反転入力端子4a1のレベルV4とのずれ(オフセット電圧Voffset)を、次のオートゼロ期間TPaz2に補正できるように傾きS_adjustを計算する。
For example, the average
例えば、オートゼロ電圧演算回路8bは、平均化されたカウント値AVE(N_preset)にカウンタ用のクロックφCCKの周期をかけて時間T_presetを求める。オートゼロ電圧演算回路8bは、目標のカウント値N_targetにカウンタ用のクロックφCCKの周期をかけて時間T_targetを求める。オートゼロ電圧演算回路8bは、時間T_presetと時間T_targetとの差の時間(T_target − T_preset)を、カウント値の差分に対応した時間として求める。オートゼロ電圧演算回路8bは、差の時間(T_target − T_preset)に、参照電圧VREFの傾きS_resetを乗算して、ずれ量Voffset=S_reset*(T_target − T_preset)を求める。 For example, the auto zero voltage calculation circuit 8b obtains the time T_preset by multiplying the averaged count value AVE (N_preset) by the period of the counter clock φCCK. The auto-zero voltage calculation circuit 8b obtains the time T_target by multiplying the target count value N_target by the period of the counter clock φCCK. The auto-zero voltage calculation circuit 8b obtains a difference time (T_target−T_preset) between the time T_preset and the time T_target as a time corresponding to the difference between the count values. The auto-zero voltage calculation circuit 8b multiplies the difference time (T_target−T_preset) by the slope S_reset of the reference voltage VREF to obtain a deviation amount Voffset = S_reset * (T_target−T_preset).
オートゼロ電圧演算回路8bは、ずれ量Voffset=S_reset*(T_target − T_preset)を、オートゼロ処理における積分期間T_zeroの長さで除算し、傾きの補正量S_reset*(T_target − T_preset)/T_zeroを求める。オートゼロ電圧演算回路8bは、オートゼロ期間TPaz1における参照電圧VREFの傾きS_presetに傾きの補正量を加算して、次のオートゼロ期間TPaz2に用いるべき参照電圧VREFの傾きS_adjustを、次の数式1により計算する。
S_adjust = S_reset * (T_target − T_preset) / T_zero + S_preset ・・・数式1
The auto-zero voltage calculation circuit 8b divides the deviation amount Voffset = S_reset * (T_target−T_preset) by the length of the integration period T_zero in the auto-zero process, and obtains the inclination correction amount S_reset * (T_target−T_preset) / T_zero. The auto-zero voltage calculation circuit 8b calculates the slope S_adjust of the reference voltage VREF to be used in the next auto-zero period TPaz2 by adding the correction amount of the slope to the slope S_preset of the reference voltage VREF in the auto-zero period TPaz1. .
S_adjust = S_reset * (T_target−T_preset) / T_zero
数式1において、傾きS_presetは、レベルV1から積分期間T_zeroで参照電圧VREFを変化させた際に積分期間T_zeroの完了タイミングで参照電圧VREFのレベルがV2になるように予め調整された傾きであり、オートゼロ電圧Vaz(=V1−V2)に対応している。傾きS_adjustは、レベルV1から積分期間T_zeroで参照電圧VREFを変化させた際に積分期間T_zeroの完了タイミングで参照電圧VREFのレベルがV3(=V2+Voffset)になるように計算された傾きである。傾きS_adjustは、オートゼロ電圧Vazからオフセット電圧Voffsetを減算した電圧(Vaz−Voffset)に対応している。
In
その後、デジタル信号処理回路(制御回路)8は、次のオートゼロ期間TPaz2に参照電圧VREFの傾きをS_adjustにするように制御信号φAZで参照電圧生成回路6を制御する。
Thereafter, the digital signal processing circuit (control circuit) 8 controls the reference
例えば、図8に示すように、オートゼロ期間TPaz2の前において、画素配列PAにおける4行目の各画素PC(4,1)〜PC(4,n)から各列のカラムADC回路4へリセットレベルが読み出される。図8は、固体撮像装置1の動作を示す波形図である。
For example, as shown in FIG. 8, before the auto-zero period TPaz2, the reset level from each pixel PC (4, 1) to PC (4, n) in the fourth row in the pixel array PA to the
オートゼロ期間TPaz2において、各列のカラムADC回路4は、反転入力端子4a1の電位をレベルV3とさせる。オートゼロ期間TPaz2では、制御信号φSWがアクティブレベルに維持されている。すなわち、各列のカラムADC回路4におけるスイッチ4eは、オートゼロ期間TPaz2において、各列のカラムADC回路4のコンパレータ4aの反転入力端子4a1及び出力端子4a3を導通させた状態にしている。この状態で、デジタル信号処理回路8は、オートゼロ期間TPaz2の前半である略一定の積分期間T_zeroにおいて、参照電圧VREFをレベルV1から傾きS_adjustで変化させてレベルV3にし、オートゼロ期間TPaz2の後半の期間T12において、参照電圧VREFをレベルV3に維持するように、参照電圧生成回路6を制御する。
In the auto-zero period TPaz2, the
オートゼロ期間TPaz2が完了するタイミングt1”において、各列のカラムADC回路4においてスイッチ4eがオフされると、コンパレータ4aの動作点がレベルV3に設定される。
At the timing t1 ″ at which the auto-zero period TPaz2 is completed, when the switch 4e is turned off in the
リセットレベル検出期間TPr2において、デジタル信号処理回路8は、参照電圧VREFをレベルV1から傾きS_resetで変化させるように、参照電圧生成回路6を制御する。参照電圧VREFのレベル、すなわち非反転入力端子4a2の電位が下がり始めると、コンパレータ4a内部の容量結合によりコンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位も下がり始める。そして、コンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位は、レベルV3からオフセット電圧Voffset分低下したレベルV2になる。それとともに、各列のカラムADC回路4は、リセットレベルVr’(レベルV2)の画素カウントを行わせ、カウント値N_resetを得る。このカウント値N_resetは、目標のカウント値N_targetに略等しい値である。これにより、リセットレベル検出期間TPrにおけるコンパレータ4aの動作点が、カラムADC回路4の動作マージンを考慮した適切な動作点になっている。
In the reset level detection period TPr2, the digital signal processing circuit 8 controls the reference
なお、図7、図8では、コンパレータ4aの非反転入力端子4a2の電位を「COMP input(+)」と示し、コンパレータ4aの反転入力端子4a1の電位を「COMP input(−)」と示している。また、カウンタ4cに供給されるクロックφCCKのうち画素カウントに用いられるクロックを「カウンタクロック」として示している。
7 and 8, the potential of the non-inverting input terminal 4a2 of the
以上のように、実施形態では、固体撮像装置1において、デジタル信号処理回路8は、オートゼロ期間にオートゼロ処理を行わせ、リセットレベル検出期間TPrにリセットレベルVrの画素カウントで取得されたカウント値N_resetと目標のカウント値N_targetとの差分に基づいてずれ量(オフセット電圧)を計算し、そのずれ量を補正するように次のオートゼロ期間の参照電圧VREFの傾きを計算して求める。デジタル信号処理回路8は、その計算された傾きで次のオートゼロ期間に参照電圧VREFを変化させる。これにより、リセットレベル検出期間TPrにおけるコンパレータ4aの動作点を、カラムADC回路4の動作マージンを考慮した適切な動作点にすることができる。すなわち、プリセット処理の調整回数を1回に低減できるとともに検証を不要とすることができ、プリセット処理を行うための時間を短縮化できるので、フレームレートの要求を容易に満たすことができる。
As described above, in the embodiment, in the solid-
また、実施形態では、固体撮像装置1において、デジタル信号処理回路8は、リセットレベルVrの画素カウントで取得されたカウント値N_resetを各列のカラムADC回路4から取得して平均化する。デジタル信号処理回路8は、平均化されたカウント値AVE(N_reset)と目標のカウント値N_targetとの差分に応じてずれ量(オフセット電圧)を計算し、そのずれ量を補正するように次のオートゼロ期間の参照電圧VREFの傾きを計算して求める。これにより、画素配列PAにおける各列について共通に用いられる参照電圧VREFの傾きの調整において、各列のオフセット電圧Voffsetのばらつきの影響を低減できる。
In the embodiment, in the solid-
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 固体撮像装置、PC 画素、Vlin 信号線、4a コンパレータ、4c カウンタ、4e スイッチ、4f 容量素子、8 デジタル信号処理回路。 1 solid-state imaging device, PC pixel, Vlin signal line, 4a comparator, 4c counter, 4e switch, 4f capacitive element, 8 digital signal processing circuit.
Claims (5)
前記画素に電気的に接続された信号線と、
前記信号線の電位に応じたレベルが伝達される第1の入力端子と参照電圧が供給される第2の入力端子と出力端子とを有するコンパレータと、
リセットレベル検出期間に前記参照電圧の電位レベルが変化し始めてから前記コンパレータの出力信号が反転するまでのクロック数をカウントするカウンタと、
第1のオートゼロ期間に前記コンパレータの前記第1の入力端子及び前記出力端子を導通させた状態で前記参照電圧を第1のレベルから第1の傾きで所定の時間変化させて第2のレベルにし、第1のリセットレベル検出期間に前記コンパレータの前記第1の入力端子及び前記出力端子を電気的に遮断させた状態で前記参照電圧を前記第1のレベルから第2の傾きで時間的に変化させながら前記カウンタのカウント値を取得し、取得されたカウント値と目標のカウント値との差分に基づいて、第2のオートゼロ期間に用いるべき前記参照電圧の第3の傾きを計算する制御回路と、
を備えた固体撮像装置。 Pixels,
A signal line electrically connected to the pixel;
A comparator having a first input terminal to which a level corresponding to the potential of the signal line is transmitted, a second input terminal to which a reference voltage is supplied, and an output terminal;
A counter that counts the number of clocks from when the potential level of the reference voltage starts to change during the reset level detection period until the output signal of the comparator is inverted;
In a state where the first input terminal and the output terminal of the comparator are made conductive during the first auto-zero period, the reference voltage is changed from the first level to the second level by a first slope for a predetermined time. The reference voltage is temporally changed from the first level with a second slope in a state where the first input terminal and the output terminal of the comparator are electrically cut off during the first reset level detection period. A control circuit that obtains a count value of the counter while calculating, and calculates a third slope of the reference voltage to be used in the second auto-zero period based on a difference between the obtained count value and a target count value; ,
A solid-state imaging device.
前記第2の画素に接続された第2の信号線と、
前記第2の信号線の電位に応じたレベルが伝達される第1の入力端子と前記参照電圧が供給される第2の入力端子と出力端子とを有する第2のコンパレータと、
リセットレベル検出期間に前記参照電圧の電位レベルが変化し始めてから前記第2のコンパレータの出力信号が反転するまでのクロック数をカウントする第2のカウンタと、
をさらに備え、
前記制御回路は、前記第1のオートゼロ期間に前記コンパレータ及び前記第2のコンパレータのそれぞれの前記第1の入力端子及び前記出力端子を導通させた状態で前記参照電圧を前記第1のレベルから前記第1の傾きで前記所定の時間変化させて前記第2のレベルにし、前記第1のリセットレベル検出期間に前記コンパレータ及び前記第2のコンパレータのそれぞれの前記第1の入力端子及び前記出力端子を電気的に遮断させた状態で前記参照電圧を前記第1のレベルから前記第2の傾きで時間的に変化させながら前記カウンタのカウント値と前記第2のカウンタのカウント値とをそれぞれ取得し、前記カウンタのカウント値と前記第2のカウンタのカウント値とに基づいて平均化されたカウント値を求め、平均化されたカウント値と目標のカウント値との差分に基づいて前記第3の傾きを計算する
請求項1に記載の固体撮像装置。 A second pixel;
A second signal line connected to the second pixel;
A second comparator having a first input terminal to which a level corresponding to the potential of the second signal line is transmitted, a second input terminal to which the reference voltage is supplied, and an output terminal;
A second counter that counts the number of clocks from when the potential level of the reference voltage starts to change during a reset level detection period until the output signal of the second comparator is inverted;
Further comprising
The control circuit sets the reference voltage from the first level in a state where the first input terminal and the output terminal of the comparator and the second comparator are turned on in the first auto-zero period, respectively. The first slope is changed for the predetermined time to the second level, and the first input terminal and the output terminal of each of the comparator and the second comparator are set in the first reset level detection period. Obtaining the count value of the counter and the count value of the second counter while temporally changing the reference voltage from the first level with the second slope in an electrically interrupted state, An averaged count value is obtained based on the count value of the counter and the count value of the second counter, and the averaged count value and the target The solid-state imaging device according to claim 1, wherein calculating the third gradient based on the difference between the count value.
請求項1又は2に記載の固体撮像装置。 The control circuit sets the reference voltage at the third slope from the first level in a state where the first input terminal and the output terminal of the comparator are turned on during the second auto-zero period. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is changed to a third level by changing the time.
請求項1から3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The control circuit multiplies the time corresponding to the difference by the second slope, divides the multiplication result by the length of the predetermined time, adds the first slope to the division result, and The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an inclination of 3 is obtained.
一端が信号線に接続され、他端が前記第1の入力端子に接続された容量素子と、
をさらに備えた
請求項1から4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 A switch having one end connected to the first input terminal of the comparator and the other end connected to the output terminal of the comparator;
A capacitive element having one end connected to the signal line and the other end connected to the first input terminal;
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
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2015
- 2015-07-23 JP JP2015145877A patent/JP2017028530A/en not_active Abandoned
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