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JP2018011149A - A / D conversion circuit, signal readout circuit, and image sensor - Google Patents

A / D conversion circuit, signal readout circuit, and image sensor Download PDF

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JP2018011149A JP2016137607A JP2016137607A JP2018011149A JP 2018011149 A JP2018011149 A JP 2018011149A JP 2016137607 A JP2016137607 A JP 2016137607A JP 2016137607 A JP2016137607 A JP 2016137607A JP 2018011149 A JP2018011149 A JP 2018011149A
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Abstract

【課題】回路を構成するインバータやコンパレータのしきい値電圧に製造ばらつきが生じても、信号(電荷量又は電圧)に対するパルスの発生回数にばらつきが生じないA/D変換回路、信号読み出し回路、及びイメージセンサを提供する。【解決手段】信号が入力される電圧検出ノードとパルスを発生する多段反転回路との間に、容量を備え、前記電圧検出ノードがリセットされる前に、前記容量の両電極間に、所定のしきい値電圧(VTH)と、前記多段反転回路のうちの初段の反転回路の入力端子と出力端子を短絡させたときの電圧(Vshort)との電位差ΔV= VTH−Vshortを与えることを特徴とする。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an A / D conversion circuit and a signal readout circuit in which the number of times a pulse is generated with respect to a signal (charge amount or voltage) does not vary even if the threshold voltage of an inverter or a comparator constituting the circuit varies in production. And provide an image sensor. SOLUTION: A capacitance is provided between a voltage detection node into which a signal is input and a multi-stage inverting circuit for generating a pulse, and a predetermined capacitance is provided between both electrodes of the capacitance before the voltage detection node is reset. It is characterized by giving a potential difference ΔV = VTH-Vshort between the threshold voltage (VTH) and the voltage (Vshort) when the input terminal and output terminal of the first-stage inverting circuit of the multi-stage inverting circuit are short-circuited. To do. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、A/D(アナログ/デジタル)変換回路、信号読み出し回路、及びイメージセンサに関し、特に、イメージセンサの各画素において、光電変換した信号(電荷量又は電圧)をA/D変換する回路と、それを利用した信号読み出し回路、及びイメージセンサに関するものである。   The present invention relates to an A / D (analog / digital) conversion circuit, a signal readout circuit, and an image sensor, and more particularly, a circuit that performs A / D conversion on a photoelectrically converted signal (charge amount or voltage) in each pixel of the image sensor. And a signal readout circuit and an image sensor using the same.

従来、イメージセンサ(固体撮像素子)は、光電変換された信号(電荷量又は電圧)をアナログ信号として処理していたが、信号をイメージセンサ内でA/D(アナログ/デジタル)変換し、デジタルデータとして出力することにより、光電変換のダイナミックレンジを拡大するとともに、出力信号の処理を容易化することができる。   Conventionally, an image sensor (solid-state imaging device) processes a photoelectrically converted signal (charge amount or voltage) as an analog signal. However, the signal is A / D (analog / digital) converted in the image sensor to be digital. By outputting as data, the dynamic range of photoelectric conversion can be expanded and the processing of the output signal can be facilitated.

例えば、CMOSイメージセンサなどにおいて、縦横にアレイ状に並んだ画素の列毎にA/D変換回路を共有する方式の列並列信号処理のイメージセンサが作製されている。しかし、このような一列の画素のA/D変換処理を一つのA/D変換回路で行う構成では、イメージセンサの高精細度化に伴って(すなわち、一列あたりの画素数の増大に伴って)、A/D変換処理にかかる時間が長時間化し、動画イメージ処理において1フレームレートの時間内で全画素の信号処理を行うことが困難になってきている。   For example, in a CMOS image sensor or the like, an image sensor for column parallel signal processing of a method in which an A / D conversion circuit is shared for each column of pixels arranged in an array in the vertical and horizontal directions is manufactured. However, in such a configuration in which A / D conversion processing of pixels in a single row is performed by a single A / D conversion circuit, as the resolution of the image sensor increases (that is, as the number of pixels per row increases). ), The time required for the A / D conversion processing is prolonged, and it has become difficult to perform signal processing for all pixels within the time of one frame rate in moving image processing.

そこで、イメージセンサの低雑音化や処理の高速化を目的として、各画素内にA/D変換回路を備え、光電変換した信号を全画素並列に出力することができる画素並列信号処理方式のイメージセンサが提案されている。画素並列信号処理イメージセンサは、従来の列並列信号処理イメージセンサの欠点である走査線数とフレームレートのトレードオフを解消することができるため、将来の高性能イメージセンサの有力な候補として研究が進められている。中でも、非特許文献1に記載のイメージセンサは、1ビット型A/D変換回路(1bitADC)と称される回路を搭載しており、入力可能な光量がフォトダイオードの蓄積容量で制限されないため、イメージセンサのダイナミックレンジを格段に向上することができるとされている。   Therefore, for the purpose of reducing the noise of the image sensor and speeding up the processing, an image of a pixel parallel signal processing method in which an A / D conversion circuit is provided in each pixel and a photoelectrically converted signal can be output in parallel for all pixels. Sensors have been proposed. The pixel parallel signal processing image sensor can solve the trade-off between the number of scanning lines and the frame rate, which is a drawback of the conventional column parallel signal processing image sensor. Therefore, it is researched as a promising candidate for the future high performance image sensor. It is being advanced. Among them, the image sensor described in Non-Patent Document 1 includes a circuit called a 1-bit A / D conversion circuit (1 bit ADC), and the amount of light that can be input is not limited by the storage capacity of the photodiode. It is said that the dynamic range of the image sensor can be significantly improved.

非特許文献1で提案されているイメージセンサの読み出し回路の動作を、以下に説明する。非特許文献1中のFig.3に回路が図示されているが、説明を簡単にするため、回路動作に本質的ではないトランジスタ(Tr1、Tr3、Tr4)とそれらを含むフィードバック回路やカウンタの詳細を省略した回路(図9)を用いて説明する。   The operation of the readout circuit of the image sensor proposed in Non-Patent Document 1 will be described below. FIG. Although a circuit is illustrated in FIG. 3, for the sake of simplicity, transistors (Tr1, Tr3, Tr4) that are not essential to the circuit operation, and a circuit in which details of a feedback circuit and a counter including them are omitted (FIG. 9) Will be described.

図9に、非特許文献1に記載された従来の1ビット型A/D変換回路(1bit ADC)を用いた信号読み出し回路を示す。   FIG. 9 shows a signal readout circuit using a conventional 1-bit A / D conversion circuit (1 bit ADC) described in Non-Patent Document 1.

読み出し回路は、光電変換素子としてのフォトダイオード(PD)10と、リセット電圧VRSTをフォトダイオード10の電極に印加するためのリセットトランジスタ(TR)20と、インバータ回路(インバータ・チェーン)30と、カウンタ40とにより構成される。インバータ回路30は、反転回路であるインバータ(Inv_1、Inv_2,・・・Inv_n)が奇数段接続された多段反転回路であり、フォトダイオード10の電圧検出ノード(NPD)11の電位が初段のインバータ(Inv_1)に入力される。インバータ回路30の出力は、A/D変換回路の出力(ADC_OUT)として、カウンタ40に入力されるとともに、リセットトランジスタ20のゲート電極に印加される。カウンタ40は、1ビット型A/D変換回路出力(ADC_OUT)のパルス数をカウントして、例えば8ビットのカウンタ出力として出力する。 The readout circuit includes a photodiode (PD) 10 as a photoelectric conversion element, a reset transistor (T R ) 20 for applying a reset voltage V RST to the electrode of the photodiode 10, an inverter circuit (inverter chain) 30, And the counter 40. The inverter circuit 30 is a multi-stage inverting circuit in which inverters (Inv_1, Inv_2,... Inv_n), which are inverting circuits, are connected in an odd number of stages, and the potential of the voltage detection node (N PD ) 11 of the photodiode 10 is the first stage inverter. (Inv_1). The output of the inverter circuit 30 is input to the counter 40 as the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit and is applied to the gate electrode of the reset transistor 20. The counter 40 counts the number of pulses of the 1-bit A / D converter circuit output (ADC_OUT), and outputs it, for example, as an 8-bit counter output.

次に、図9のイメージセンサの信号読み出し回路の動作を説明する。   Next, the operation of the signal readout circuit of the image sensor in FIG. 9 will be described.

(1)フォトダイオードのリセットが解除された時点から説明する。すなわち、フォトダイオード(PD)10の電位がリセット(≒VRST)された状態で、初段のインバータ(Inv_1)の入力がHighで出力がLow、2段目のインバータ(Inv_2)の出力がHigh、最終段のインバータ(Inv_n)の出力、すなわちA/D変換回路出力(ADC_OUT)がLowであり、リセットトランジスタ(TR)20がオフ(OFF)状態になっているとする。[初期化状態] (1) A description will be given from the time when the reset of the photodiode is released. That is, in a state where the potential of the photodiode (PD) 10 is reset (≈V RST ), the input of the first stage inverter (Inv_1) is High and the output is Low, and the output of the second stage inverter (Inv_2) is High, It is assumed that the output of the final stage inverter (Inv_n), that is, the A / D conversion circuit output (ADC_OUT) is Low, and the reset transistor (T R ) 20 is in an OFF state. [Initialization status]

(2)フォトダイオード10に光が入射すると、光電変換により生成した電子がフォトダイオード10内に蓄積して、フォトダイオード10の電極(電圧検出ノードNPD)11の電位が下がる。 (2) When light enters the photodiode 10, electrons generated by photoelectric conversion accumulate in the photodiode 10, and the potential of the electrode (voltage detection node N PD ) 11 of the photodiode 10 decreases.

(3)フォトダイオード10の電圧検出ノード(NPD)11の電圧が初段のインバータ(Inv_1)の反転しきい値電圧に達するとインバータ(Inv_1)の出力がHighに反転する。インバータはn段(nは奇数)接続されており、順次出力が反転して伝達され、最終段のインバータ(Inv_n)の出力、すなわち、A/D変換回路出力(ADC_OUT)がHighとなる。なお、インバータが1段ではなくn段接続されているのは、n段のインバータによる遅延を利用して、回路動作を安定化するためである。なお、n段のインバータのうち、初段のインバータ(Inv_1)の代わりに、コンパレータを用いることもできる。 (3) When the voltage of the voltage detection node (N PD ) 11 of the photodiode 10 reaches the inversion threshold voltage of the first-stage inverter (Inv_1), the output of the inverter (Inv_1) is inverted to High. The inverters are connected in n stages (n is an odd number), and the outputs are sequentially inverted and transmitted, and the output of the inverter (Inv_n) in the final stage, that is, the A / D conversion circuit output (ADC_OUT) becomes High. The reason why the inverters are connected not in one stage but in n stages is to stabilize the circuit operation by utilizing the delay caused by the n-stage inverter. Of the n-stage inverters, a comparator can be used instead of the first-stage inverter (Inv_1).

(4)A/D変換回路出力(ADC_OUT)がHighになると、リセットトランジスタ20がオン(ON)状態になり、フォトダイオード10の電極にリセット電圧VRSTが印加され、フォトダイオード10が再度リセットされる。 (4) When the A / D conversion circuit output (ADC_OUT) becomes High, the reset transistor 20 is turned on, the reset voltage V RST is applied to the electrode of the photodiode 10, and the photodiode 10 is reset again. The

(5)フォトダイオード10がリセットされると、初段のインバータ(Inv_1)の入力がHigh、A/D変換回路出力(ADC_OUT)がLowになり、(1)に戻る。   (5) When the photodiode 10 is reset, the input of the first-stage inverter (Inv_1) is High, the A / D conversion circuit output (ADC_OUT) is Low, and the process returns to (1).

その後、上記(1)〜(5)が繰り返され、インバータ回路(インバータ・チェーン)30の出力がHighとLowを繰り返す。フォトダイオード10へ入射する光量が多ければフォトダイオード10の電位変化が速くなり、インバータ回路30の反転タイミングが早くなる。したがって、画像の1フレーム期間内にA/D変換回路出力(ADC_OUT)には光量に比例した数のパルスが発生する。   Thereafter, the above (1) to (5) are repeated, and the output of the inverter circuit (inverter chain) 30 repeats High and Low. If the amount of light incident on the photodiode 10 is large, the potential change of the photodiode 10 is accelerated, and the inversion timing of the inverter circuit 30 is accelerated. Therefore, the number of pulses proportional to the amount of light is generated in the A / D conversion circuit output (ADC_OUT) within one frame period of the image.

カウンタ40では逐次パルスを積算しており、1フレーム期間終了後に、カウンタ出力を読み出し、カウントをリセットする。   The counter 40 sequentially accumulates pulses, and after the end of one frame period, the counter output is read and the count is reset.

このA/D変換回路は、1フレーム期間にフォトダイオード(PD)を複数回リセットし、そのリセット回数(パルス数に相当)が出力となるため、従来のイメージセンサのようにフォトダイオード(PD)の蓄積容量に起因してダイナミックレンジが制限されることなく、カウンタで数えられる範囲までダイナミックレンジを向上することができる。   In this A / D conversion circuit, the photodiode (PD) is reset a plurality of times in one frame period, and the number of resets (corresponding to the number of pulses) is output, so that the photodiode (PD) as in the conventional image sensor The dynamic range can be improved to the range counted by the counter without being limited by the storage capacity.

非特許文献1の試作例では、カウンタ40は8ビットであるが、1ビット型A/D変換回路(1bit ADC)を利用した読み出し回路の能力としては、60フィールド/秒の動作で18〜19ビットのダイナミックレンジを実現できるとされている。   In the prototype of Non-Patent Document 1, the counter 40 has 8 bits, but the read circuit using a 1-bit A / D converter circuit (1-bit ADC) has a capacity of 18 to 19 at an operation of 60 fields / second. It is said that a dynamic range of bits can be realized.

また、この1ビット型A/D変換回路を用いた信号読み出し回路を各画素に設けたイメージセンサを、3次元集積回路で実現する試みも行われている(非特許文献2)。   Attempts have also been made to realize an image sensor provided with a signal readout circuit using this 1-bit A / D conversion circuit in each pixel by a three-dimensional integrated circuit (Non-patent Document 2).

F.Andoh et.al, ”A Digital Pixel Image Sensor for Real-Time Readout”, IEEE Transaction on electron devices, (2000年), vol.47, No.11, pp.2123-2127F. Andoh et.al, “A Digital Pixel Image Sensor for Real-Time Readout”, IEEE Transaction on electron devices, (2000), vol. 47, No. 11, pp. 2123-2127 M.Goto et.al, ” Pixel-Parallel 3-D Integrated CMOS Image Sensors With Pulse Frequency Modulation A/D Converters Developed by Direct Bonding of SOI Layers”, IEEE Transaction on electron devices, (2015年),Vol.62, No.11, pp.3530-3535M. Goto et.al, “Pixel-Parallel 3-D Integrated CMOS Image Sensors With Pulse Frequency Modulation A / D Converters Developed by Direct Bonding of SOI Layers”, IEEE Transaction on electron devices, (2015), Vol.62, No.11, pp.3530-3535

上述のとおり、1ビット型A/D変換回路(1bit ADC)では、光入射によりフォトダイオードの電位がリセット電圧から変化し、インバータやコンパレータのしきい値電圧を超えた際にパルスが出力され、パルスの出力周波数(パルス発生回数)が信号出力となる。しかしながら、インバータやコンパレータのしきい値電圧は、製造ばらつき等により異なる値となるため、同じ信号(電荷量又は電圧)が発生しても、画素ごとにパルスの発生回数が異なり、結果としてイメージセンサに固定パターン雑音が表れるという問題があった。   As described above, in the 1-bit A / D converter circuit (1-bit ADC), a pulse is output when the potential of the photodiode changes from the reset voltage due to light incidence and exceeds the threshold voltage of the inverter or comparator, The pulse output frequency (number of pulse occurrences) is the signal output. However, since the threshold voltages of the inverter and the comparator are different values due to manufacturing variations and the like, even if the same signal (charge amount or voltage) is generated, the number of pulses generated is different for each pixel. However, there is a problem that fixed pattern noise appears.

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、回路を構成するインバータやコンパレータに製造ばらつきが生じても、信号(電荷量又は電圧)に対するパルスの発生回数にばらつきが生じないA/D変換回路、信号読み出し回路、及びイメージセンサを提供することにある。   Therefore, the object of the present invention, which has been made in view of the above problems, is that even if manufacturing variations occur in the inverters and comparators that constitute the circuit, variations occur in the number of pulses generated for signals (charge amount or voltage). The object is to provide an A / D conversion circuit, a signal readout circuit, and an image sensor.

上記課題を解決するために本発明に係るA/D変換回路は、信号に対応してパルスを発生するA/D(アナログ/デジタル)変換回路であって、前記信号が入力され、前記パルスに基づいてリセットされる電圧検出ノードと、奇数段の反転回路からなり、入力される電圧に基づいて出力が反転し、前記パルスを発生する多段反転回路と、前記電圧検出ノードと前記多段反転回路との間に接続される容量とを備え、前記電圧検出ノードがリセットされる前に、前記容量の両電極間に、所定のしきい値電圧(VTH)と、前記多段反転回路のうちの初段の反転回路の入力端子と出力端子を短絡させたときの電圧(Vshort)との電位差ΔV= VTH −Vshortを与えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an A / D conversion circuit according to the present invention is an A / D (analog / digital) conversion circuit that generates a pulse corresponding to a signal, and the signal is input to the pulse. A voltage detection node that is reset based on an odd number of inversion circuits, an output that is inverted based on an input voltage, the multi-stage inversion circuit that generates the pulse, the voltage detection node, and the multi-stage inversion circuit; Before the voltage detection node is reset, a predetermined threshold voltage (V TH ) between the two electrodes of the capacitor and the first stage of the multi-stage inverting circuit. A potential difference ΔV = V TH −V short between the voltage (V short ) when the input terminal and the output terminal of the inverting circuit are short-circuited is provided.

また、上記課題を解決するために本発明に係るA/D変換回路は、信号に対応してパルスを発生するA/D(アナログ/デジタル)変換回路であって、前記信号が入力される電圧検出ノードと、前記電圧検出ノードの電圧をリセットするリセット手段と、前記電圧検出ノードの電圧を所定のしきい値電圧に設定するしきい値電圧設定手段と、奇数段の反転回路からなり、入力される電圧に基づいて出力が反転し、前記パルスを発生する多段反転回路と、前記多段反転回路の初段の反転回路の入力端子と出力端子を短絡する短絡手段と、前記電圧検出ノードと前記多段反転回路との間に接続される容量と、前記A/D変換回路の出力を遅延させて、前記しきい値電圧設定手段と短絡手段を動作させる第1遅延回路と、前記第1遅延回路の出力を遅延させて、前記リセット手段を動作させる第2遅延回路とを備えてなることを特徴とする。   In order to solve the above problems, an A / D conversion circuit according to the present invention is an A / D (analog / digital) conversion circuit that generates a pulse corresponding to a signal, and the voltage to which the signal is input. A detection node; reset means for resetting the voltage of the voltage detection node; threshold voltage setting means for setting the voltage of the voltage detection node to a predetermined threshold voltage; and an odd number of inverting circuits. A multi-stage inversion circuit that generates the pulse by inverting the output based on the voltage applied, a short-circuit means for short-circuiting an input terminal and an output terminal of the first-stage inversion circuit of the multi-stage inversion circuit, the voltage detection node, and the multi-stage A capacitor connected between the inverter circuit, a first delay circuit for delaying an output of the A / D converter circuit and operating the threshold voltage setting means and the short-circuit means; and Output Cast by, characterized by comprising a second delay circuit for operating said reset means.

また、前記A/D変換回路は、前記初段の反転回路がインバータ又はコンパレータで構成されていることが望ましい。   In the A / D conversion circuit, the first-stage inverting circuit is preferably formed of an inverter or a comparator.

また、前記A/D変換回路は、前記電圧検出ノードがフォトダイオードの電極であることが望ましい。   In the A / D conversion circuit, the voltage detection node is preferably an electrode of a photodiode.

また、前記A/D変換回は、前記電圧検出ノードがフローティングディフュージョンであって、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間に転送トランジスタが設けられており、前記転送トランジスタのゲートには、前記A/D変換回路の出力と、前記第1遅延回路の出力と、前記第2遅延回路の出力とのNOR論理結果が入力されることが望ましい。   In the A / D conversion circuit, the voltage detection node is a floating diffusion, and a transfer transistor is provided between the photodiode and the floating diffusion, and the gate of the transfer transistor includes the A / D It is preferable that a NOR logic result of the output of the conversion circuit, the output of the first delay circuit, and the output of the second delay circuit is input.

上記課題を解決するために本発明に係る信号読み出し回路は、前記A/D変換回路と、前記A/D変換回路から出力されるパルスをカウントするカウンタを備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a signal readout circuit according to the present invention includes the A / D conversion circuit and a counter that counts pulses output from the A / D conversion circuit.

上記課題を解決するために本発明に係るイメージセンサは、前記信号読み出し回路を各画素に備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, an image sensor according to the present invention is characterized in that the pixel is provided with the signal readout circuit.

本発明におけるA/D変換回路によれば、回路を構成するインバータやコンパレータに製造ばらつきが生じても、信号に対するパルスの発生回数を一定することができる。また、本発明における信号読み出し回路、及びイメージセンサによれば、各画素を構成するインバータやコンパレータに製造ばらつきが生じても、画素の出力特性を均一にすることができる。   According to the A / D conversion circuit of the present invention, the number of pulses generated for a signal can be made constant even if manufacturing variations occur in inverters and comparators constituting the circuit. Further, according to the signal readout circuit and the image sensor of the present invention, the output characteristics of the pixels can be made uniform even if manufacturing variations occur in the inverters and comparators that constitute each pixel.

実施例1のA/D変換回路を示す図である。1 is a diagram illustrating an A / D conversion circuit according to a first embodiment. 実施例1のA/D変換回路の動作を示すタイミングチャートである。3 is a timing chart illustrating an operation of the A / D conversion circuit according to the first exemplary embodiment. 実施例1のA/D変換回路のコンデンサ電圧及びインバータの動作点を説明する図である。It is a figure explaining the capacitor | condenser voltage of the A / D conversion circuit of Example 1, and the operating point of an inverter. 実施例2のA/D変換回路を示す図である。6 is a diagram illustrating an A / D conversion circuit according to a second embodiment. FIG. 実施例3のA/D変換回路の動作を示すタイミングチャートである。12 is a timing chart illustrating an operation of the A / D conversion circuit according to the third embodiment. 実施例4のA/D変換回路を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an A / D conversion circuit according to a fourth embodiment. 実施例4のA/D変換回路の動作を示すタイミングチャートである。10 is a timing chart illustrating an operation of the A / D conversion circuit according to the fourth embodiment. 本発明のイメージセンサ(固体撮像素子)の概念図である。It is a conceptual diagram of the image sensor (solid-state image sensor) of this invention. 従来のA/D変換回路を用いた信号読み出し回路を示す示す図である。It is a figure which shows the signal read-out circuit using the conventional A / D conversion circuit.

(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施の形態1としての1ビット型A/D変換回路について説明する。
(Embodiment 1)
Embodiments of the present invention will be described below. First, a 1-bit A / D conversion circuit according to the first embodiment of the present invention will be described.

図1に、本発明の実施例1のA/D変換回路(1bit ADC)を示す。A/D変換回路は、フォトダイオード(PD)10からの信号電荷を集める電圧検出ノード(NPD)11と、リセットトランジスタ(TR)20と、短絡用トランジスタ(TS)21と、しきい値設定用トランジスタ(TTH)22と、インバータ回路(インバータ・チェーン)30と、第1遅延回路(Delay1)41と、第2遅延回路(Delay2)42と、容量(C)50とを備える。 FIG. 1 shows an A / D conversion circuit (1-bit ADC) according to a first embodiment of the present invention. The A / D conversion circuit includes a voltage detection node (N PD ) 11 that collects signal charges from the photodiode (PD) 10, a reset transistor (T R ) 20, a short-circuit transistor (T S ) 21, and a threshold. A value setting transistor (T TH ) 22, an inverter circuit (inverter chain) 30, a first delay circuit (Delay 1) 41, a second delay circuit (Delay 2) 42, and a capacitor (C) 50 are provided.

このうち、フォトダイオード(PD)10、電圧検出ノード(NPD)11、リセットトランジスタ(TR)20、及びインバータ回路(インバータ・チェーン)30の基本的な構成は、図9に示す従来の1ビット型A/D変換回路と同様である。 Among them, the basic configuration of the photodiode (PD) 10, the voltage detection node (N PD ) 11, the reset transistor (T R ) 20, and the inverter circuit (inverter chain) 30 is the conventional one shown in FIG. This is the same as the bit type A / D conversion circuit.

リセットトランジスタ(TR)20は、オン(導通)することにより、ノード(NPD)11(フォトダイオード(PD)10の電極)にリセット電圧VRSTを印加する。このように、リセットトランジスタ(TR)20は、リセット手段として機能する。 The reset transistor (T R ) 20 applies a reset voltage V RST to the node (N PD ) 11 (electrode of the photodiode (PD) 10) by turning on (conducting). Thus, the reset transistor (T R ) 20 functions as a reset unit.

インバータ回路(インバータ・チェーン)30は、反転回路であるインバータ(Inv_1、Inv_2,・・・Inv_n)が奇数段接続された多段反転回路であり、ここでは簡単のため、インバータの段数は、初段のインバータ(Inv_1)31、2段目のインバータ(Inv_2)32、及び3段目のインバータ(Inv_3)33の3段構成としている。各インバータは、例えばCMOSインバータで構成される。インバータのしきい値電圧は製造工程のばらつき等の影響を受けやすいが、例えば、各インバータ31〜33の電源電圧を1.8Vとし、反転のしきい値電圧をその半分の0.9V程度とすることができる。インバータ回路30の出力は、A/D変換回路の出力(ADC_OUT)となる。   The inverter circuit (inverter chain) 30 is a multi-stage inverting circuit in which inverters (Inv_1, Inv_2,... Inv_n) as inverting circuits are connected in an odd number of stages. Here, for simplicity, the number of inverter stages is The inverter (Inv_1) 31, the first-stage inverter (Inv — 2) 32, and the third-stage inverter (Inv — 3) 33 have a three-stage configuration. Each inverter is composed of, for example, a CMOS inverter. The threshold voltage of the inverter is easily affected by variations in the manufacturing process. For example, the power supply voltage of each of the inverters 31 to 33 is set to 1.8 V, and the inversion threshold voltage is set to about 0.9 V, which is a half thereof can do. The output of the inverter circuit 30 becomes the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit.

短絡用トランジスタ(TS)21は、インバータ回路30の初段のインバータ(Inv_1)31の入力と出力にソース・ドレインがそれぞれ接続され、ゲートに印加される信号により導通して、インバータ31の入力端子と出力端子を短絡する。すなわち、短絡用トランジスタ(TS)21は、短絡手段として機能する。 The short-circuit transistor (T S ) 21 is connected to the input and output of the first stage inverter (Inv — 1) 31 of the inverter circuit 30, and is made conductive by a signal applied to the gate. And short the output terminals. That is, the short-circuit transistor (T S ) 21 functions as a short-circuit means.

しきい値設定用トランジスタ(TTH)22は、ゲートに印加される信号によりON(導通)し、電圧検出ノード(NPD)11の電位を、所定のしきい値電圧VTHに設定する。すなわち、しきい値設定用トランジスタ(TTH)22としきい値電圧源は、しきい値電圧設定手段として機能する。このしきい値電圧VTHは、外部から設定可能であり、後述するように、A/D変換回路が反転するしきい値電圧となる。なお、VRST >VTHであり、リセット電圧VRSTとしきい値電圧VTHとの差で信号読み出し回路の感度(出力パルスの頻度)を調整することができ、例えば、しきい値電圧VTHを1.0V〜1.5V程度に設定することができる。 The threshold setting transistor (T TH ) 22 is turned on (conducted) by a signal applied to the gate, and sets the potential of the voltage detection node (N PD ) 11 to a predetermined threshold voltage V TH . That is, the threshold setting transistor (T TH ) 22 and the threshold voltage source function as threshold voltage setting means. This threshold voltage V TH can be set from the outside and becomes a threshold voltage at which the A / D conversion circuit is inverted, as will be described later. Note that V RST > V TH , and the sensitivity (frequency of output pulses) of the signal readout circuit can be adjusted by the difference between the reset voltage V RST and the threshold voltage V TH . For example, the threshold voltage V TH Can be set to about 1.0V to 1.5V.

容量(C)50は、電圧検出ノード(NPD)11と初段のインバータ(Inv_1)31の入力との間に接続される。後述のように、容量(C)50に保持される電圧が、インバータ31のしきい値電圧のばらつきを補償する。 The capacitor (C) 50 is connected between the voltage detection node (N PD ) 11 and the input of the first-stage inverter (Inv_1) 31. As will be described later, the voltage held in the capacitor (C) 50 compensates for variations in the threshold voltage of the inverter 31.

第1遅延回路(Delay1)41は、A/D変換回路の出力(ADC_OUT)を所定の時間(ΔT)遅らせて出力する。その出力ノード(D1)は、第2遅延回路(Delay2)42の入力、及び、短絡用トランジスタ(TS)21としきい値設定用トランジスタ(TTH)22のゲートに接続される。 The first delay circuit (Delay 1) 41 outputs the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit with a delay of a predetermined time (ΔT). The output node (D 1) is connected to the input of the second delay circuit (Delay 2) 42 and the gates of the short-circuit transistor (T S ) 21 and the threshold setting transistor (T TH ) 22.

第2遅延回路(Delay2)42は、第1遅延回路(Delay1)41の出力をさらに所定の時間(ΔT)遅らせて出力する。その出力ノード(D2)は、リセットトランジスタ(TR)20のゲートに接続される。この実施例では、結果として、リセットトランジスタ(TR)20のゲートには、時間2ΔT遅れて出力パルス(ADC_OUT)が印加される。 The second delay circuit (Delay 2) 42 further delays the output of the first delay circuit (Delay 1) 41 by a predetermined time (ΔT) and outputs it. The output node (D2) is connected to the gate of the reset transistor (T R ) 20. In this embodiment, as a result, the output pulse (ADC_OUT) is applied to the gate of the reset transistor (T R ) 20 with a time delay of 2ΔT.

このA/D変換回路の動作について、図2のタイミングチャートと、図3のコンデンサ電圧及びインバータの動作点を用いて説明する。   The operation of this A / D conversion circuit will be described with reference to the timing chart of FIG. 2, the capacitor voltage of FIG. 3, and the operating point of the inverter.

(1)A/D変換回路の出力(ADC_OUT)がHighになった状態(時刻t1)から動作を説明する。第1遅延回路(Delay1)41は、回路出力(ADC_OUT)より時間ΔT遅延した波形を出力する。したがって、第1遅延回路41の出力ノード(D1)は、ΔT後の時刻t2においてHighとなる。出力ノード(D1)は、短絡用トランジスタ(TS)21のゲートとしきい値設定用トランジスタ(TTH)22のゲートに接続されているため、時刻t2において短絡用トランジスタ(TS)21及びしきい値設定用トランジスタ(TTH)22が導通し、容量(C)50の両端の電圧は図3(1)のように、電圧検出ノード(NPD)11側がVTH、インバータ31側がVshortになる。 (1) The operation will be described from the state (time t1) when the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit becomes High. The first delay circuit (Delay 1) 41 outputs a waveform delayed by a time ΔT from the circuit output (ADC_OUT). Therefore, the output node (D1) of the first delay circuit 41 becomes High at time t2 after ΔT. Since the output node (D1) is connected to the gate of the shorting transistor (T S ) 21 and the gate of the threshold setting transistor (T TH ) 22, the shorting transistor (T S ) 21 and the shorting transistor (T S ) 21 are connected at time t2. The threshold setting transistor (T TH ) 22 is turned on, and the voltage across the capacitor (C) 50 is V TH on the voltage detection node (N PD ) 11 side and V short on the inverter 31 side as shown in FIG. become.

ここで電圧Vshortは、図3(2)に示すように、インバータ(Inv_1)31の入出力特性で、入力電圧と出力電圧が等しくなる時の電圧である。短絡用トランジスタ(TS)21がオン(ON)することで、インバータ(Inv_1)31の入力端子と出力端子が短絡するため、インバータ(Inv_1)31の動作点がAとなり、この電圧(Vshort)に入力電圧と出力電圧が固定される。なお、電圧Vshortは、インバータ(Inv_1)31が反転する時のしきい値電圧にほぼ等しい。この時、容量(C)50の両端(両電極間)の電位差ΔVは、VTH −Vshortである。 Here, the voltage V short is a voltage when the input voltage and the output voltage are equal in the input / output characteristics of the inverter (Inv_1) 31, as shown in FIG. When the short-circuit transistor (T S ) 21 is turned on, the input terminal and the output terminal of the inverter (Inv_1) 31 are short-circuited. Therefore, the operating point of the inverter (Inv_1) 31 becomes A, and this voltage (V short ) Input voltage and output voltage are fixed. The voltage V short is substantially equal to the threshold voltage when the inverter (Inv_1) 31 is inverted. At this time, the potential difference ΔV between both ends of the capacitor (C) 50 (between both electrodes) is V TH −V short .

インバータ回路30は、時刻t2において、初段のインバータ(Inv_1)31の出力が電圧Vshortになるとき、回路出力(ADC_OUT)がLowとなるように設計する。時刻t2〜t3において回路出力(ADC_OUT)がHighでもLowでもない電圧Vshortになってしまうことを避けるために、後段のインバータ32,33のしきい値を調整することが望ましい。例えば、図3(3)に示すように、2段目のインバータ(Inv_2)32の入出力特性において、入力電圧がVshortである時に出力がHighとなるように、インバータ(Inv_2)32のしきい値電圧(出力がHighからLowに変わる時の入力電圧)を初段のインバータ(Inv_1)31のそれよりも少し高くなるように設定するものとする。 The inverter circuit 30 is designed so that the circuit output (ADC_OUT) becomes Low when the output of the first-stage inverter (Inv_1) 31 becomes the voltage V short at time t2. In order to avoid that the circuit output (ADC_OUT) becomes the voltage V short that is neither High nor Low at the time t2 to t3, it is desirable to adjust the threshold values of the inverters 32 and 33 in the subsequent stage. For example, as shown in FIG. 3 (3), in the input / output characteristics of the second stage inverter (Inv_2) 32, the inverter (Inv_2) 32 is set so that the output becomes High when the input voltage is V short. The threshold voltage (input voltage when the output changes from High to Low) is set to be slightly higher than that of the first-stage inverter (Inv_1) 31.

あるいは、インバータ(Inv_2)32は初段のインバータ(Inv_1)31と同じ構成として、図3(4)に示すように、3段目のインバータ(Inv_3)33の入出力特性において、入力電圧がVshortである時に出力がLowとなるように、インバータ(Inv_3)33のしきい値電圧をインバータ(Inv_1)31、インバータ(Inv_2)32のそれよりも少し低くなるように設定するものとする。 Alternatively, the inverter (Inv_2) 32 has the same configuration as the first-stage inverter (Inv_1) 31, and the input voltage is V short in the input / output characteristics of the third-stage inverter (Inv_3) 33 as shown in FIG. The threshold voltage of the inverter (Inv_3) 33 is set to be slightly lower than that of the inverter (Inv_1) 31 and the inverter (Inv_2) 32 so that the output becomes Low when

以上の動作により、時刻t2で第1遅延回路(Delay1)41の出力ノード(D1)がHighになると、インバータ32,33の遅延時間は小さいから、出力(ADC_OUT)は速やかにLowになる。その結果、A/D変換回路の出力(ADC_OUT)のパルス幅はΔTとなる。   With the above operation, when the output node (D1) of the first delay circuit (Delay 1) 41 becomes High at time t2, the delay time of the inverters 32 and 33 is small, so that the output (ADC_OUT) becomes Low quickly. As a result, the pulse width of the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit is ΔT.

(2)第2遅延回路(Delay2)42は、第1遅延回路(Delay1)41より時間ΔT遅延した波形を出力する。したがって、時刻t3に、ノードD2がHighとなる。第2遅延回路42の出力ノード(D2)は、リセットトランジスタ(TR)20のゲートに接続されているため、時刻t3においてリセットトランジスタ(TR)20が導通する。また、A/D変換回路出力(ADC_OUT)のパルス幅はΔTであるから、時刻t3ではノードD1がLowとなり、しきい値設定用トランジスタ(TTH)22はオフ(OFF)となって、電圧検出ノード(NPD)11はリセット電圧VRSTとなる。よって、容量(C)50の左側(電圧検出ノード(NPD)11側)の電圧は、図3(5)のようにリセット電圧VRST になる。このとき、容量(C)50の右側(インバータ31側)のノードは、短絡用トランジスタ(TS)21がオフ(OFF)のためフローティングであることから、容量(C)50が電位差ΔVを保ち、右側の電圧は、VRST - ΔV = VRST - VTH + Vshortになる。 (2) The second delay circuit (Delay 2) 42 outputs a waveform delayed by time ΔT from the first delay circuit (Delay 1) 41. Accordingly, the node D2 becomes High at time t3. The output node of the second delay circuit 42 (D2), because they are connected to the gate of the reset transistor (T R) 20, a reset transistor (T R) 20 becomes conductive at time t3. Further, since the pulse width of the output of the A / D converter circuit (ADC_OUT) is ΔT, the node D1 becomes Low at time t3, the threshold setting transistor (T TH ) 22 becomes OFF (OFF), and the voltage The detection node (N PD ) 11 becomes the reset voltage V RST . Therefore, the voltage on the left side (voltage detection node (N PD ) 11 side) of the capacitor (C) 50 becomes the reset voltage V RST as shown in FIG. At this time, the node on the right side (inverter 31 side) of the capacitor (C) 50 is floating because the short-circuit transistor (T S ) 21 is off (OFF), so the capacitor (C) 50 maintains the potential difference ΔV. The voltage on the right side becomes V RST −ΔV = V RST −V TH + V short .

この時の、インバータ(Inv_1)31の動作点A’を図3(6)に示す。容量(C)50の右側の電圧がインバータの入力となり、インバータ(Inv_1)31の出力がLowになる。ただし、VRST >VTHである。なお、回路出力(ADC_OUT)はLowのままで変化しない。 The operating point A ′ of the inverter (Inv_1) 31 at this time is shown in FIG. The voltage on the right side of the capacitor (C) 50 becomes the input of the inverter, and the output of the inverter (Inv_1) 31 becomes Low. However, V RST > V TH . The circuit output (ADC_OUT) remains low and does not change.

(3)時刻t4で第2遅延回路42の出力ノード(D2)がLowとなり、リセットトランジスタ(TR)20がオフ(OFF)になってリセットが終了するため、これ以降、フォトダイオード(PD)10が電荷の蓄積を始め、フォトダイオード(PD)10の電圧検出ノード(NPD)11の電圧が、光量に応じて低下する。蓄積期間中の時刻t5における、容量(C)50の両端の電圧を図3(7)に、インバータ(Inv_1)31の動作点A”を図3(8)に示す。ここで、電圧検出ノード(NPD)11の電圧(信号電圧)をVSig としている。 (3) At time t4, the output node (D2) of the second delay circuit 42 becomes Low, the reset transistor (T R ) 20 is turned off (OFF), and the reset is completed. Henceforth, the photodiode (PD) 10 starts accumulating electric charges, and the voltage of the voltage detection node (N PD ) 11 of the photodiode (PD) 10 decreases according to the amount of light. The voltage across the capacitor (C) 50 at time t5 during the accumulation period is shown in FIG. 3 (7), and the operating point A ″ of the inverter (Inv_1) 31 is shown in FIG. 3 (8). The voltage (signal voltage) of (N PD ) 11 is V Sig .

(4)時刻t6において、信号電圧VSigがしきい値電圧VTHよりも小さくなると、インバータ(Inv_1)31〜インバータ(Inv_3)33が順次反転し、A/D変換回路の出力(ADC_OUT)がHighになり、(1)の状態に戻る。 (4) When the signal voltage V Sig becomes lower than the threshold voltage V TH at time t6, the inverter (Inv_1) 31 to the inverter (Inv_3) 33 are sequentially inverted, and the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit is It becomes High and returns to the state of (1).

以上のように、本発明の1ビット型A/D変換回路では、初段インバータの入力端子と出力端子を短絡し、その短絡電圧から変化した電圧を検出してパルスを出力するため、個々のインバータのしきい値ばらつきをキャンセルして、A/D変換動作をすることができる。また、A/D変換回路の反転電圧とその感度を、しきい値電圧VTHとリセット電圧VRSTにより、外部から設定することができる。 As described above, in the 1-bit type A / D conversion circuit of the present invention, the input terminal and the output terminal of the first stage inverter are short-circuited, and the voltage changed from the short-circuit voltage is detected and a pulse is output. It is possible to cancel the threshold variation and perform an A / D conversion operation. Further, the inversion voltage of the A / D conversion circuit and its sensitivity can be set from the outside by the threshold voltage V TH and the reset voltage V RST .

図4は、本発明の実施例2のA/D変換回路(1bit ADC)である。図1のA/D変換回路において、多段反転回路であるインバータ回路(インバータ・チェーン)30の初段のインバータ31に代えて、コンパレータ(Comp)60を使用したものである。ここで、コンパレータ(Comp)60は、入力電圧と基準電圧(VREF)とを比較し、入力電圧が基準電圧(VREF)よりも高いとき出力がLowとなり、基準電圧(VREF)よりも低いとき出力がHigtとなる回路であるから、一種の反転回路として機能する。 FIG. 4 shows an A / D conversion circuit (1 bit ADC) according to the second embodiment of the present invention. In the A / D conversion circuit of FIG. 1, a comparator (Comp) 60 is used instead of the first stage inverter 31 of the inverter circuit (inverter chain) 30 which is a multistage inverting circuit. Here, a comparator (Comp) 60 compares the input voltage with the reference voltage (V REF), the input voltage is the reference voltage (V REF) high when the output becomes Low than, than the reference voltage (V REF) Since it is a circuit whose output becomes High when it is low, it functions as a kind of inverting circuit.

A/D変換回路の動作は、図1〜図3で説明した回路動作とほぼ同様であり、短絡用トランジスタ(TS)21がオン(ON)することで、コンパレータ(Comp)60の入力端子と出力端子が短絡するため、コンパレータ(Comp)60の入力電圧と出力電圧が等しくなる時の電圧(Vshort)に入力電圧と出力電圧が固定される。この後は、第1実施例と同様に、短絡電圧(Vshort)から変化した電圧を検出してパルスを出力するため、個々のコンパレータの特性及び基準電圧(VREF)のばらつきをキャンセルして、A/D変換動作をすることができる。 The operation of the A / D conversion circuit is substantially the same as the circuit operation described with reference to FIGS. 1 to 3, and the input terminal of the comparator (Comp) 60 is turned on when the short-circuit transistor (T S ) 21 is turned on. Since the output terminal is short-circuited, the input voltage and the output voltage are fixed to the voltage (V short ) when the input voltage and the output voltage of the comparator (Comp) 60 become equal. After this, as in the first embodiment, in order to detect the voltage changed from the short- circuit voltage (V short ) and output a pulse, the characteristics of the individual comparators and variations in the reference voltage (V REF ) are canceled. A / D conversion operation can be performed.

本発明の実施例3のA/D変換回路は、図1又は図4のA/D変換回路において、回路動作を安定にするために、遅延回路を追加したものである。   The A / D conversion circuit according to the third embodiment of the present invention is obtained by adding a delay circuit to stabilize the circuit operation in the A / D conversion circuit of FIG. 1 or FIG.

図2のタイムチャートの時刻t3において、容量(C)50の左側の電圧検出ノード(NPD)11にしきい値電圧VTHとリセット電圧VRSTが一時的に重なって印加されてしまうことを避けるために、第2遅延回路(Delay2)42とリセットトランジスタ(TR)20のゲートとの間に、第3遅延回路(Delay3)(図示せず)を挿入する。 At time t3 in the time chart of FIG. 2, it is avoided that the threshold voltage V TH and the reset voltage V RST are temporarily applied to the voltage detection node (N PD ) 11 on the left side of the capacitor (C) 50. For this purpose, a third delay circuit (Delay 3) (not shown) is inserted between the second delay circuit (Delay 2) 42 and the gate of the reset transistor (T R ) 20.

そのときのタイムチャートを図5に示す。第3遅延回路(Delay3)を追加することにより、リセットトランジスタ(TR)20のオン(ON)の時刻が、しきい値設定用トランジスタ(TTH)22のオフ(OFF)の時刻よりも時間ΔTだけ遅くなる。これにより、しきい値電圧VTHとリセット電圧VRSTを印加する時間を分離することができ、より確実なA/D変換動作が実現できる。なお、第3遅延回路(Delay3)を追加することに代えて、第2遅延回路(Delay2)42の遅延時間を長くすることにより、同じ効果が得られる。 The time chart at that time is shown in FIG. By adding the third delay circuit (Delay 3), the reset transistor (T R ) 20 is turned on (ON) more time than the threshold setting transistor (T TH ) 22 is turned off (OFF). Delayed by ΔT. Thereby, the time for applying the threshold voltage V TH and the reset voltage V RST can be separated, and a more reliable A / D conversion operation can be realized. The same effect can be obtained by increasing the delay time of the second delay circuit (Delay 2) 42 instead of adding the third delay circuit (Delay 3).

図6は、本発明の実施例4のA/D変換回路(1bit ADC)である。本実施例のA/D変換回路の特徴的な部分は、フォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(FD)を有することである。   FIG. 6 illustrates an A / D conversion circuit (1 bit ADC) according to the fourth embodiment of the present invention. A characteristic part of the A / D conversion circuit of this embodiment is that it has a floating diffusion (FD) for accumulating signal charges generated in the photodiode.

フォトダイオード(PD)で発生した電荷を、フォトダイオードよりも小さな容量であるフローティングディフュージョン(FD)に転送し、フローティングディフュージョン(FD)の電圧を検出することにより、信号電荷の検出感度を高めることができる。   The charge generated in the photodiode (PD) is transferred to the floating diffusion (FD), which has a smaller capacity than the photodiode, and the voltage of the floating diffusion (FD) is detected to increase the detection sensitivity of the signal charge. it can.

回路構成を説明する。図6のA/D変換回路は、図1のA/D変換回路に、フローティングディフュージョン(FD)12、転送トランジスタ(TTX)23、NOR回路70を追加した構成となっており、フローティングディフュージョン(FD)12の電極が電圧検出ノード(NFD)13となる。 A circuit configuration will be described. The A / D conversion circuit of FIG. 6 has a configuration in which a floating diffusion (FD) 12, a transfer transistor (T TX ) 23, and a NOR circuit 70 are added to the A / D conversion circuit of FIG. The electrode of (FD) 12 becomes the voltage detection node (N FD ) 13.

光電変換素子としてのフォトダイオード(PD)10は、例えば、暗電流が少ない埋め込み型フォトダイオードで構成する。なお、光電変換素子の形態はこれに限られず、基板表面に形成された通常のPN接合フォトダイオードや、MOS型フォトダイオード、更には、薄膜型のフォトダイオード等、光電変換機能を有する素子であれば、任意のものが利用できる。   The photodiode (PD) 10 as a photoelectric conversion element is constituted by, for example, an embedded photodiode having a small dark current. Note that the form of the photoelectric conversion element is not limited to this, and an element having a photoelectric conversion function, such as a normal PN junction photodiode formed on the substrate surface, a MOS photodiode, or a thin film photodiode, may be used. Anything can be used.

フローティングディフュージョン(FD)12は、例えば、半導体基板上に形成された拡散領域で構成され、蓄積容量(コンデンサ)として機能する。フォトダイオード10と並列に接続され、フォトダイオード10で光電変換により発生した信号電荷を蓄積する。フローティングディフュージョン(FD)12の容量は、フォトダイオード10よりも小さくすることにより、光検出感度を高めることができる。例えば、容量をフォトダイオード容量の1/N(例えば、Nは10〜50)にすることにより、蓄積電荷による電圧をN倍とすることができる。なお、フローティングディフュージョン(FD)12の構造は、拡散領域で構成されたPN接合容量以外にも、他の構造の容量であって良く、また、積極的に容量素子を形成せずに、寄生容量を利用することも可能である。   The floating diffusion (FD) 12 is composed of, for example, a diffusion region formed on a semiconductor substrate and functions as a storage capacitor (capacitor). Connected in parallel with the photodiode 10, signal charges generated by photoelectric conversion in the photodiode 10 are accumulated. By making the capacitance of the floating diffusion (FD) 12 smaller than that of the photodiode 10, the light detection sensitivity can be increased. For example, by setting the capacitance to 1 / N of the photodiode capacitance (for example, N is 10 to 50), the voltage due to the accumulated charge can be increased N times. The structure of the floating diffusion (FD) 12 may be a capacitance of other structure besides the PN junction capacitance formed of the diffusion region, and the parasitic capacitance without actively forming the capacitive element. It is also possible to use.

フローティングディフュージョン(FD)12の電位は電圧検出ノード(NFD)13に現われ、ノード(NFD)13を容量(C)50に接続する。 The potential of the floating diffusion (FD) 12 appears at the voltage detection node (N FD ) 13 and connects the node (N FD ) 13 to the capacitor (C) 50.

転送トランジスタ(TTX)23は、フォトダイオード(PD)10で生成した信号電荷をフローティングディフュージョン(FD)12に転送する転送ゲートとして機能する。この転送トトランジスタ(TTX)23はそのゲートに、後述するNOR回路70の出力パルスが印加され、ON/OFF制御される。 The transfer transistor (T TX ) 23 functions as a transfer gate that transfers the signal charge generated by the photodiode (PD) 10 to the floating diffusion (FD) 12. The transfer transistor (T TX ) 23 is subjected to ON / OFF control by applying an output pulse of a NOR circuit 70 described later to the gate thereof.

リセットトランジスタ(TR)20は、オン(導通)することにより、フローティングディフュージョン(FD)12のノード(NFD)13にリセット電圧VRSTを印加する。 The reset transistor (T R ) 20 applies a reset voltage V RST to the node (N FD ) 13 of the floating diffusion (FD) 12 by turning on (conducting).

NOR回路70の入力には、A/D変換回路の出力(ADC_OUT)と、第1遅延回路(Delay1)41の出力ノード(D1)と、第2遅延回路(Delay2)42の出力ノード(D2)が接続されており、これらの3つの出力のNOR論理結果がNOR回路70の出力(TX)として、転送トトランジスタ(TTX)23のゲートに印加される。他の構成の機能及び動作は、図1と同じである。 The input of the NOR circuit 70 includes an output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit, an output node (D1) of the first delay circuit (Delay 1) 41, and an output node (D2) of the second delay circuit (Delay 2) 42. Are connected, and the NOR logic result of these three outputs is applied to the gate of the transfer transistor (T TX ) 23 as the output (TX) of the NOR circuit 70. The functions and operations of the other configurations are the same as those in FIG.

図6のA/D変換回路の動作について図7のタイミングチャートを用いて説明する。   The operation of the A / D conversion circuit in FIG. 6 will be described with reference to the timing chart in FIG.

時刻t1でA/D変換回路の出力(ADC_OUT)がHighになると、NOR回路70の出力(TX)がLowになり、転送トトランジスタ(TTX)23がオフ(OFF)し、フォトダイオード(PD)10がフローティングディフュージョン(FD)12と切り離される。 When the output (ADC_OUT) of the A / D conversion circuit becomes High at time t1, the output (TX) of the NOR circuit 70 becomes Low, the transfer transistor (T TX ) 23 turns off, and the photodiode (PD ) 10 is separated from the floating diffusion (FD) 12.

ΔT後の時刻t2において、第1遅延回路41の出力ノード(D1)はHighとなり、短絡用トランジスタ(TS)21及びしきい値設定用トランジスタ(TTH)22が導通する。これにより、フローティングディフュージョン(FD)12のノード(NFD)13がしきい値電圧VTH、インバータ31の入出力電圧がVshortになり、容量(C)50の両端の電圧は図3(1)のようになる。 At time t2 after ΔT, the output node (D1) of the first delay circuit 41 becomes High, and the short-circuit transistor (T S ) 21 and the threshold setting transistor (T TH ) 22 become conductive. As a result, the node (N FD ) 13 of the floating diffusion (FD) 12 becomes the threshold voltage V TH , the input / output voltage of the inverter 31 becomes V short , and the voltage across the capacitor (C) 50 is as shown in FIG. )become that way.

その後、時刻t3においてリセットトランジスタ(TR)20が導通し、また、しきい値設定用トランジスタ(TTH)22はオフ(OFF)となるから、フローティングディフュージョン(FD)12のノード(NFD)13はリセット電圧VRSTとなる。 Thereafter, at time t3, the reset transistor (T R ) 20 is turned on, and the threshold setting transistor (T TH ) 22 is turned off (OFF), so that the node (N FD ) of the floating diffusion (FD) 12 13 is the reset voltage V RST .

さらに、時刻t4でNOR回路70の出力(TX)がHighになり、転送トトランジスタ(TTX)23が導通して、フォトダイオード(PD)10とフローティングディフュージョン(FD)12を接続する。その後は、フローティングディフュージョン(FD)12への信号電荷の蓄積が行われ、フローティングディフュージョン(FD)12の電圧としきい値電圧VTHとの関係で、図1と同様にパルスが発生し、A/D変換動作を行う。 Further, at time t4, the output (TX) of the NOR circuit 70 becomes High, the transfer transistor (T TX ) 23 becomes conductive, and the photodiode (PD) 10 and the floating diffusion (FD) 12 are connected. Thereafter, signal charges are accumulated in the floating diffusion (FD) 12, and a pulse is generated in the same manner as in FIG. 1 due to the relationship between the voltage of the floating diffusion (FD) 12 and the threshold voltage V TH . D conversion operation is performed.

以上の動作より、フォトダイオード(PD)10をフローティングディフュージョン(FD)12から確実に切り離した状態(t1〜t4)で、フローティングディフュージョン(FD)12のリセット及び容量(C)50への初期電圧設定等を行うことができる。また、この間に発生した電荷はフォトダイオード(PD)10に蓄積され、転送トトランジスタ(TTX)23がオン(ON)になった後にフローティングディフュージョン(FD)12に転送されるから、信号電荷の消失がなく、より正確な電荷検出を行うことができる。 From the above operation, the photodiode (PD) 10 is reset from the floating diffusion (FD) 12 (t1 to t4), and the floating diffusion (FD) 12 is reset and the initial voltage is set to the capacitor (C) 50. Etc. can be performed. The charges generated during this period are accumulated in the photodiode (PD) 10 and transferred to the floating diffusion (FD) 12 after the transfer transistor (T TX ) 23 is turned on. There is no loss and more accurate charge detection can be performed.

なお、図6の回路においても、さらに第2遅延回路(Delay2)42とリセットトランジスタ(TR)20のゲートとの間に、第3遅延回路(Delay3)(図示せず)を追加し、図5と同様のタイミングで、時間差のあるパルス波形を生成することで、短絡用トランジスタ(TS)21及びしきい値設定用トランジスタ(TTH)22、リセットトランジスタ(TR)20、転送トトランジスタ(TTX)23がON/OFFするタイミングを分離すると、より確実なA/D変換動作が実現できる。 In the circuit of FIG. 6, a third delay circuit (Delay 3) (not shown) is further added between the second delay circuit (Delay 2) 42 and the gate of the reset transistor (T R ) 20. 5, a pulse waveform having a time difference is generated at the same timing as in FIG. 5, so that a short-circuit transistor (T S ) 21, a threshold setting transistor (T TH ) 22, a reset transistor (T R ) 20, and a transfer transistor If the timing at which (T TX ) 23 is turned ON / OFF is separated, a more reliable A / D conversion operation can be realized.

なお、本発明では電子を検出する回路を想定して説明したが、同様の回路構成でトランジスタの型や電源電圧の符号を変えることで、正孔を検出する回路も可能であることは自明である。   Although the present invention has been described on the assumption of a circuit that detects electrons, it is obvious that a circuit that detects holes can also be realized by changing the type of the transistor and the sign of the power supply voltage with the same circuit configuration. is there.

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明をする。本発明の実施の形態2は、イメージセンサ等に利用可能な信号読み出し回路である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment of the present invention is a signal readout circuit that can be used for an image sensor or the like.

実施の形態1で説明した第1乃至第4の実施例の1ビット型A/D変換回路(1bit ADC)に、カウンタ(図9を参照)を加え、出力パルス(ADC_OUT)をカウントすることで、信号読み出し回路を構成することができる。   A counter (see FIG. 9) is added to the 1-bit A / D converter circuit (1-bit ADC) of the first to fourth examples described in Embodiment 1, and the output pulse (ADC_OUT) is counted. A signal readout circuit can be configured.

すなわち、イメージセンサの各画素のフォトダイオード(PD)10で光電変換した信号(電荷量又は電圧)をカウンタ出力として読み出すことができる。カウンタのビット数は適宜設定することができ、例えば16ビットカウンタとすることで、広いダイナミックレンジで精度良く信号を読み出すことができる。   That is, a signal (charge amount or voltage) photoelectrically converted by the photodiode (PD) 10 of each pixel of the image sensor can be read as a counter output. The number of bits of the counter can be set as appropriate. For example, by using a 16-bit counter, signals can be read with high accuracy in a wide dynamic range.

本発明の1ビット型A/D変換回路を、イメージセンサの光電変換信号の読み出し回路に利用することにより、インバータやコンパレータのしきい値のばらつきが補償され、全画素に対して、同じ信号(電荷量又は電圧)に対するパルスの発生回数が一定となるように設計することができる。   By using the 1-bit A / D conversion circuit of the present invention for a photoelectric conversion signal readout circuit of an image sensor, variations in threshold values of inverters and comparators are compensated, and the same signal ( It can be designed such that the number of pulses generated with respect to (charge amount or voltage) is constant.

なお、これまでイメージセンサを例として説明をしてきたが、本発明のA/D変換回路(1bitADC)及び信号読み出し回路は、イメージセンサ以外にも、アレイ型圧力センサや指紋センサなど、微細な領域ごとにデジタル信号処理をする必要のあるセンサや、一般的な集積回路にも適用できる。   Although the image sensor has been described as an example so far, the A / D conversion circuit (1 bit ADC) and the signal readout circuit of the present invention are not limited to the image sensor, but can be a fine region such as an array type pressure sensor or a fingerprint sensor. The present invention can also be applied to sensors that need to perform digital signal processing every time, and general integrated circuits.

(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について説明をする。図8に、本発明の実施の形態3としてのイメージセンサ(固体撮像素子)100の概念図を示す。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 shows a conceptual diagram of an image sensor (solid-state imaging device) 100 as Embodiment 3 of the present invention.

図8のイメージセンサ100は、各画素がデジタルデータを出力する画素並列信号処理方式のイメージセンサである。   The image sensor 100 in FIG. 8 is a pixel parallel signal processing image sensor in which each pixel outputs digital data.

イメージセンサ100のセンサ領域101には、画素103が縦横に配列されている。各画素103は、その内部に信号処理回路を備えており、光電変換素子としてのフォトダイオード(PD)104と、フォトダイオード104からの信号電荷の量をデジタルデータ化するA/D変換回路(ADC)105と、A/D変換回路出力(ADC_OUT)のパルス数をカウントし、所定のビット数のデータとして出力するカウンタ106とを有している。各画素103のA/D変換回路は、第1乃至第4の実施例のいずれかのA/D変換回路である。なお、図8では、画素103内にフォトダイオード104、A/D変換回路105、カウンタ106が平面的に配置されているが、これら各要素を積層配置し、3次元集積回路として実現しても良い。   In the sensor area 101 of the image sensor 100, pixels 103 are arranged vertically and horizontally. Each pixel 103 includes a signal processing circuit therein, and includes a photodiode (PD) 104 as a photoelectric conversion element and an A / D conversion circuit (ADC) that converts the amount of signal charge from the photodiode 104 into digital data. ) 105 and a counter 106 that counts the number of pulses of the A / D conversion circuit output (ADC_OUT) and outputs the counted number of bits as data. The A / D conversion circuit of each pixel 103 is the A / D conversion circuit of any one of the first to fourth embodiments. In FIG. 8, the photodiode 104, the A / D conversion circuit 105, and the counter 106 are arranged in a plane in the pixel 103. However, these elements may be stacked and realized as a three-dimensional integrated circuit. good.

各画素からの出力は、出力処理回路102で処理され、デジタルデータの撮像データとして出力される。この出力処理回路102では、例えば、各画素103からのデータを一度バッファメモリ等に蓄積した後、順次読み出しする処理が行われる。また、図示しない走査回路により、全画素の出力データを順次走査処理して出力することもでき、任意の適切な読み出し処理を行うことができる。   The output from each pixel is processed by the output processing circuit 102 and output as imaging data of digital data. In the output processing circuit 102, for example, data from each pixel 103 is once stored in a buffer memory and then sequentially read out. Further, the output data of all the pixels can be sequentially scanned and output by a scanning circuit (not shown), and any appropriate reading process can be performed.

本発明のイメージセンサ100は、各画素103が、第1乃至第4の実施例のいずれかのA/D変換回路を備えており、各画素のインバータやコンパレータの特性のばらつきを補償することができ、検出感度の均一性を向上させることができる。   In the image sensor 100 of the present invention, each pixel 103 includes the A / D conversion circuit according to any one of the first to fourth embodiments, and can compensate for variations in the characteristics of the inverter and the comparator of each pixel. And the uniformity of detection sensitivity can be improved.

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。   Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and corrections based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions and the like included in each means can be rearranged so as not to be logically contradictory, and a plurality of means and steps can be combined into one or divided.

10 フォトダイオード
11,13 電圧検出ノード
12 フローティングディフュージョン
20 リセットトランジスタ
21 短絡用トランジスタ
22 しきい値設定用トランジスタ
23 転送トランジスタ
30 インバータ回路
31〜33 インバータ
40 カウンタ
41 第1遅延回路
42 第2遅延回路
50 容量
60 コンパレータ
70 NOR回路
100 イメージセンサ
101 センサ領域
102 出力処理回路
103 画素
104 フォトダイオード
105 A/D変換回路
106 カウンタ

10 Photodiodes 11 and 13 Voltage detection node 12 Floating diffusion 20 Reset transistor 21 Short-circuit transistor 22 Threshold setting transistor 23 Transfer transistor 30 Inverter circuits 31 to 33 Inverter 40 Counter 41 First delay circuit 42 Second delay circuit 50 Capacitance 60 Comparator 70 NOR circuit 100 Image sensor 101 Sensor region 102 Output processing circuit 103 Pixel 104 Photodiode 105 A / D conversion circuit 106 Counter

Claims (7)

信号に対応してパルスを発生するA/D(アナログ/デジタル)変換回路であって、
前記信号が入力され、前記パルスに基づいてリセットされる電圧検出ノードと、
奇数段の反転回路からなり、入力される電圧に基づいて出力が反転し、前記パルスを発生する多段反転回路と、
前記電圧検出ノードと前記多段反転回路との間に接続される容量とを備え、
前記電圧検出ノードがリセットされる前に、前記容量の両電極間に、所定のしきい値電圧(VTH)と、前記多段反転回路のうちの初段の反転回路の入力端子と出力端子を短絡させたときの電圧(Vshort)との電位差ΔV= VTH −Vshortを与えること
を特徴とする、A/D変換回路。
An A / D (analog / digital) conversion circuit that generates a pulse in response to a signal,
A voltage detection node that receives the signal and is reset based on the pulse;
A multi-stage inverting circuit that consists of an odd number of inverting circuits, the output is inverted based on the input voltage, and generates the pulse;
A capacitor connected between the voltage detection node and the multi-stage inverting circuit;
Before the voltage detection node is reset, a predetermined threshold voltage (V TH ) and the input terminal and the output terminal of the first stage inverting circuit of the multistage inverting circuit are short-circuited between both electrodes of the capacitor. An A / D conversion circuit characterized in that a potential difference ΔV = V TH −V short with respect to the voltage (V short ) when applied is given.
信号に対応してパルスを発生するA/D(アナログ/デジタル)変換回路であって、
前記信号が入力される電圧検出ノードと、
前記電圧検出ノードの電圧をリセットするリセット手段と、
前記電圧検出ノードの電圧を所定のしきい値電圧に設定するしきい値電圧設定手段と、
奇数段の反転回路からなり、入力される電圧に基づいて出力が反転し、前記パルスを発生する多段反転回路と、
前記多段反転回路の初段の反転回路の入力端子と出力端子を短絡する短絡手段と、
前記電圧検出ノードと前記多段反転回路との間に接続される容量と、
前記A/D変換回路の出力を遅延させて、前記しきい値電圧設定手段と短絡手段を動作させる第1遅延回路と、
前記第1遅延回路の出力を遅延させて、前記リセット手段を動作させる第2遅延回路と
を備えてなる、A/D変換回路。
An A / D (analog / digital) conversion circuit that generates a pulse in response to a signal,
A voltage detection node to which the signal is input;
Resetting means for resetting the voltage of the voltage detection node;
Threshold voltage setting means for setting the voltage of the voltage detection node to a predetermined threshold voltage;
A multi-stage inverting circuit that consists of an odd number of inverting circuits, the output is inverted based on the input voltage, and generates the pulse;
Short-circuit means for short-circuiting the input terminal and the output terminal of the first-stage inverter circuit of the multi-stage inverter circuit,
A capacitor connected between the voltage detection node and the multi-stage inverting circuit;
A first delay circuit for delaying the output of the A / D conversion circuit and operating the threshold voltage setting means and the short-circuit means;
An A / D conversion circuit comprising: a second delay circuit that delays the output of the first delay circuit and operates the reset means.
請求項1又は2に記載のA/D変換回路において、
前記初段の反転回路がインバータ又はコンパレータで構成されていることを特徴とする、A/D変換回路。
The A / D conversion circuit according to claim 1 or 2,
The A / D converter circuit characterized in that the first-stage inverting circuit is constituted by an inverter or a comparator.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のA/D変換回路において、
前記電圧検出ノードがフォトダイオードの電極であることを特徴とする、A/D変換回路。
In the A / D conversion circuit according to any one of claims 1 to 3,
The A / D conversion circuit, wherein the voltage detection node is an electrode of a photodiode.
請求項2に記載のA/D変換回路において、
前記電圧検出ノードがフローティングディフュージョンであって、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間に転送トランジスタが設けられており、
前記転送トランジスタのゲートには、前記A/D変換回路の出力と、前記第1遅延回路の出力と、前記第2遅延回路の出力とのNOR論理結果が入力されることを特徴とする、A/D変換回路。
The A / D conversion circuit according to claim 2,
The voltage detection node is a floating diffusion, and a transfer transistor is provided between the photodiode and the floating diffusion;
A NOR logic result of the output of the A / D conversion circuit, the output of the first delay circuit, and the output of the second delay circuit is input to the gate of the transfer transistor. / D conversion circuit.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のA/D変換回路と、前記A/D変換回路から出力されるパルスをカウントするカウンタを備えた、信号読み出し回路。   6. A signal readout circuit comprising: the A / D conversion circuit according to claim 1; and a counter that counts pulses output from the A / D conversion circuit. 請求項6に記載の信号読み出し回路を各画素に備えた、イメージセンサ。

An image sensor comprising the signal readout circuit according to claim 6 in each pixel.

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