(57)【要約】【課題】コンパレータ出力の一斉反転に起因するノイズの発生を抑止する。【解決手段】  本開示の一側面であるコンパレータは、単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロする。本開示は、例えばCISなどの固体撮像素子に適用できる。【選択図】図５
2014096670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、
オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロする
コンパレータ。
【請求項２】
前記コンパレータは、行列上に配置された前記単位画素の行に対応して行方向に複数配置されており、
行方向に配置されている複数の前記コンパレータには、前記複数のオートゼロ信号が分散して入力される
請求項１に記載のコンパレータ。
【請求項３】
前記行方向に配置されている複数の前記コンパレータは、所定の数毎にグループ化されており、
前記所定の数の前記コンパレータからなる複数のグループ毎に、前記異なる複数のオートゼロ信号が順に繰り返し入力される
請求項２に記載のコンパレータ。
【請求項４】
前記行方向に配置されている前記コンパレータ毎に、前記異なる複数のオートゼロ信号が順に繰り返し入力される
請求項２に記載のコンパレータ。
【請求項５】
前記行方向に配置されている複数の前記コンパレータに対して、前記異なる複数のオートゼロ信号を分散して入力させる分散部を
備える請求項２に記載のコンパレータ。
【請求項６】
前記複数のオートゼロ信号は、オートゼロを指示するタイミングが重複して設定されている
請求項２に記載のコンパレータ。
【請求項７】
前記複数のオートゼロ信号は、オートゼロを指示するタイミングが重複せずに設定されている
請求項２に記載のコンパレータ。
【請求項８】
単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するコンパレータの比較方法において、
前記コンパレータによる、
オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするステップを
含む比較方法。
【請求項９】
単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするコンパレータと、
前記コンパレータの出力が反転するまでの期間に、入力クロックの両エッジでカウントを行ない、前のカウント値と次のカウント値の加算値または減算値を出力するカウンタと
を備えるＡＤコンバータ。
【請求項１０】
入射光に応じた画素信号を出力する行列上に配置された複数の単位画素から成る画素部と、
前記単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするコンパレータと、
前記コンパレータの出力が反転するまでの期間に、入力クロックの両エッジでカウントを行ない、前のカウント値と次のカウント値の加算値または減算値を出力するカウンタとを有するＡＤ変換部と
を備える固体撮像素子。
【請求項１１】
入射光に応じた画素信号を出力する行列上に配置された複数の単位画素から成る画素部と、
前記単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするコンパレータと、
前記コンパレータの出力が反転するまでの期間に、入力クロックの両エッジでカウントを行ない、前のカウント値と次のカウント値の加算値または減算値を出力するカウンタとを有するＡＤ変換部と
を含む固体撮像素子を用いた撮像部を
備える電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、コンパレータ、比較方法、ＡＤコンバータ、固体撮像素子、および電子装置に関し、特に、コンパレータ出力の一斉反転に起因するノイズの発生を抑止できるようにしたコンパレータ、比較方法、ＡＤコンバータ、固体撮像素子、および電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラなどに用いられている固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサ（以下、CISと略称する）が知られている。
【０００３】
図１は、従来のCISの構成の一例を示している。このCIS１０は、画素信号に生じ得るノイズを除去するための相関２重サンプリング法（以下、CDS;Correlated Double Samplingと称する）をデジタル信号処理として実行するＡＤ変換部（以下、ADCと称する）を備えたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
CIS１０は、画素アレイ部１１、行走査部１２、列走査部１３、タイミング制御部１４、列毎に設けられたＡＤコンバータ(ADC)１５、DAC１６、およびデータ出力部１７を有する。
【０００５】
画素アレイ部１１は、行列状に配置された多数の単位画素１１１から構成される。行走査部１２乃至タイミング制御部１４は、画素アレイ部１１の信号を順次読み出すためのものである。行走査部１２は、行アドレスや行走査を制御する。列走査部１３は、列アドレスや列走査を制御する。タイミング制御部１４は、内部クロックを生成する。また、タイミング制御部１４は、後述するオートゼロ信号AZ0を生成する。
【０００６】
各ADC１５は、コンパレータ（CMP）１５１、非同期アップ／ダウンカウンタ（CNT）１５２、およびスイッチ１５３から構成される積分型ADCである。
【０００７】
各コンパレータ１５１は、DAC１６により生成される共通の参照信号と、単位画素１１１から垂直信号線Ｖｎ（ｎ＝０，１…，ｎ＋１）を介して読み出される光電荷に対応するアナログの画素信号が入力される。コンパレータ１５１は参照信号と画素信号とを比較し、その比較結果を非同期アップ／ダウンカウンタ（以下、カウンタと略称する）１５２に出力する。
【０００８】
図２は、行方向に並べられたコンパレータ１５１の回路構成の一例を示している。各コンパレータ１５１には、上述した共通の参照信号と画素信号の入力の他、タイミング制御部１４からDAC１６および図示せぬ信号線を介して供給される共通のオートゼロ信号AZ0が入力される。図３は、各コンパレータ１５１に入力される共通の参照信号と、共通のオートゼロ信号の波形の一例を示している。すなわち、参照信号がオフセットレベルのVOとされているタイミングに合わせてオートゼロ信号AZ0がlowとされる。
【０００９】
各コンパレータ１５１は、オートゼロ信号に従い、参照信号と画素信号のオートゼロを行ない、比較結果（コンパレータ１５の出力）を反転させる。このオートゼロにより、各単位画素１１１のリセット成分にばらつきに影響されることなくカウンタ１５２の比較期間を設定することができる。
【００１０】
カウンタ１５２は、コンパレータ１５１の比較結果およびクロックＣＫに基づいてアップダウンカウント（またはダウンカウント）を行い、その結果であるカウント値を保持する機能を有する。スイッチ１５３は、カウンタ１５２とデータ転送線１８を接続するものであり、列走査部１３からの走査制御により開閉する。データ転送線１８には、データ転送線１８に対応したセンス回路、減算回路を含むデータ出力部１７が配置されている。
【００１１】
保持回路としての機能を有するカウンタ１５２は、初期時にはアップカウント（またはダウンカウント）状態とされ、リセットカウントを行い、対応するコンパレータ１５１のからの比較結果が反転すると、アップカウント動作を停止し、カウント値が保持される。このとき、カウンタ１５２の初期値は、ＡＤ変換の階調の任意の値、例えば０とされている。このリセットカウント期間は、単位画素１１１のリセット成分を読み出している。カウンタ１５２は、その後、ダウンカウント（またはアップカウント）状態となり、入射光量に対応したデータカウントを行い、対応するコンパレータ１５１の比較結果が反転すると、比較期間に応じたカウント値が保持される。カウンタ１５２に保持されたカウンタ値は、デジタル信号として、列走査部１３からの走査に応じて閉とされたスイッチ１５３およびデータ転送線１８を介してデータ出力部１７に入力される。
【００１２】
列走査部１３は、タイミング制御部１４から例えばスタートパルスSTRおよびマスタクロックMCKが供給されることで活性化され、マスタクロックMCKを基準とする駆動クロックCLKに同期して対応する選択線SELを駆動して、カウンタ１５２のラッチデータ（保持されているカウント値）をデータ転送線１８に読み出させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許４４７０７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、行方向に並べられた各コンパレータ１５１に対して共通の参照信号と、共通のオートゼロ信号AZ0が入力されている。したがって、例えば、行方向に変化がない被写体を撮像したような場合、多数のコンパレータ１５１に同様の値を有する画素信号が入力されることとなり、図３に示されるように、該多数のコンパレータ１５１の反転ばらつき（反転するタイミングのばらつき）の幅が狭くなる。すなわち、多数のコンパレータ１５１の出力が一斉反転することになる。
【００１５】
このように多数のコンパレータ１５１の出力が一斉反転すると、IR-Dropや電流変動などによりノイズが生じ、他の信号線に影響を及ぼすことがある。また、コンパレータ１５１の後段においても、IR-Dropが発生した前後での特性差が大きくなることにより、カウント精度悪化、各行間での干渉によるAD変換誤差、画質劣化が発生し得る。そして、このような問題は、一斉反転する列数が増加するほど悪化するため、多画素化になるほど、影響が増加することになる。
【００１６】
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、コンパレータ出力の一斉反転に起因するノイズの発生を抑止できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本開示の第１の側面であるコンパレータは、単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロする。
【００１８】
前記コンパレータは、行列上に配置された前記単位画素の行に対応して行方向に複数配置されており、行方向に配置されている複数の前記コンパレータには、前記複数のオートゼロ信号が分散して入力されるようにすることができる。
【００１９】
前記行方向に配置されている複数の前記コンパレータは、所定の数毎にグループ化されており、前記所定の数の前記コンパレータからなる複数のグループ毎に、前記異なる複数のオートゼロ信号が順に繰り返し入力されるようにすることができる。
【００２０】
前記行方向に配置されている前記コンパレータ毎に、前記異なる複数のオートゼロ信号が順に繰り返し入力されるようにすることができる。
【００２１】
本開示の第１の側面であるコンパレータは、前記行方向に配置されている複数の前記コンパレータに対して、前記異なる複数のオートゼロ信号を分散して入力させる分散部を備えることができる。
【００２２】
前記複数のオートゼロ信号は、オートゼロを指示するタイミングが重複して設定されているようにすることができる。
【００２３】
前記複数のオートゼロ信号は、オートゼロを指示するタイミングが重複せずに設定されているようにすることができる。
【００２４】
本開示の第１の側面である比較方法は、単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するコンパレータの比較方法において、前記コンパレータによる、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするステップを含む。
【００２５】
本開示の第２の側面であるＡＤコンバータは、単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするコンパレータと、前記コンパレータの出力が反転するまでの期間に、入力クロックの両エッジでカウントを行ない、前のカウント値と次のカウント値の加算値または減算値を出力するカウンタとを備える。
【００２６】
本開示の第３の側面である固体撮像素子は、入射光に応じた画素信号を出力する行列上に配置された複数の単位画素から成る画素部と、前記単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするコンパレータと、前記コンパレータの出力が反転するまでの期間に、入力クロックの両エッジでカウントを行ない、前のカウント値と次のカウント値の加算値または減算値を出力するカウンタとを有するＡＤ変換部とを備える。
【００２７】
本開示の第４の側面である電子装置は、入射光に応じた画素信号を出力する行列上に配置された複数の単位画素から成る画素部と、前記単位画素からの画素信号と、オフセットレベルが段階的に変化される参照信号とを比較するとともに、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、前記画素信号を前記参照信号のオフセットレベルにオートゼロするコンパレータと、前記コンパレータの出力が反転するまでの期間に、入力クロックの両エッジでカウントを行ない、前のカウント値と次のカウント値の加算値または減算値を出力するカウンタとを有するＡＤ変換部とを含む固体撮像素子を用いた撮像部を備える。
【００２８】
本開示の第１乃至第４の側面においては、コンパレータにて、オートゼロを指示するタイミングが異なる複数のオートゼロ信号のうちのいずれかに応じ、画素信号が参照信号のオフセットレベルにオートゼロされる。
【発明の効果】
【００２９】
本開示の第１乃至第４の側面によれば、コンパレータ出力の一斉反転に起因するノイズの発生を抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のCISの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１のコンパレータの構成の一例を示す回路図である。
【図３】従来のオートゼロ信号AZ0と参照信号の波形の一例を示す図である。
【図４】本開示を適用したCISの構成例を示すブロック図である。
【図５】図４のコンパレータの構成例を示す回路図である。
【図６】行方向に配置されたコンパレータに入力される複数のオートゼロ信号と、参照信号の波形の第１の例を示す図である。
【図７】参照信号の電圧を段階的に変化させない場合について説明する図である。
【図８】行方向に配置されたコンパレータに入力される複数のオートゼロ信号と、参照信号の波形の第２の例を示す図である。
【図９】行方向に配置された複数のコンパレータに対して複数の異なるオートゼロ信号を分配する第１の例を示す図である。
【図１０】行方向に配置された複数のコンパレータに対して複数の異なるオートゼロ信号を分配する第２の例を示す図である。
【図１１】行方向に配置された複数のコンパレータに対して複数の異なるオートゼロ信号を分配する第３の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
［単位画素の構成例］
図４は、本実施の形態であるCIS２００の構成例を示している。
【００３３】
該CIS２００は、図１に示されたCIS１０のタイミング制御部１４とDAC１６に間に、オートゼロ(ＡＺ)制御部２１０を追加し、図１のコンパレータ１５１をコンパレータ２１２に置換し、それに伴って図１のADC１５がADC２１１に置換されたものである。その他の構成要素についてはCIS１０と同一であって共通の符号を付しているので、その説明は省略する。
【００３４】
オートゼロ制御部２１０は、タイミング制御部１４から出力されるオートゼロ信号AZ0を複数に分割するとともに、それぞれの波形がlowとされるタイミング（すなわち、オートゼロが行なわれるタイミング）をずらして複数のオートゼロ信号AZ1，AZ2，・・・を生成する。生成された複数のオートゼロ信号AZ1，AZ2，・・・は、図示せぬ信号線を介して行方向に配置された複数のコンパレータ２１２のいずれかに供給される。
【００３５】
また、オートゼロ制御部２１０は、DAC１６を制御し、オートゼロ信号AZ1，AZ2，・・・がlowとされる期間における、DAC１６が生成する参照信号のオフセットレベルを、オートゼロ信号の数と同じ段階数でV1，V2，・・・に段階的に変化させる。
【００３６】
本実施の形態においては、オートゼロ信号AZ0に基づいて、３種類のオートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3を生成するものとする。したがって、参照信号のオフセットレベルもV1,V2,V3の３段階に変化される。
【００３７】
ただし、オートゼロ信号AZ1，AZ2，・・・の数と、それと同数の参照信号のオフセットレベルの段階数は３に限定されるものではなく、行方向の画素数やコンパレータ２１２の出力の一斉反転の影響などに応じて変更すればよい。
【００３８】
また、オートゼロ制御部２１０は、タイミング制御部１４またはDAC１６に内蔵するようにしてもよい。
【００３９】
図５は、図４のCIS２００における、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２の構成例を示している。
【００４０】
同図に示されるように、各コンパレータ２１２には、単位画素１１１から垂直信号線Ｖｎ（ｎ＝０，１…，ｎ＋１）を介して画素信号が入力され、またオートゼロ制御部２１０の制御に基づく共通の参照信号が入力される。さらに、各コンパレータ２１２には、オートゼロ制御部２１０により生成されたオートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3のいずれかが入力される。
【００４１】
図６は、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２に入力されるオートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3および参照信号の波形の第１の例を示している。
【００４２】
同図に示されるように、参照信号のオフセットレベルはＶ１，Ｖ２，Ｖ３と段階的に低下され、オートゼロ信号AZ1,AZ2,AZ3のlowのタイミングは、それぞれ参照信号のオフセットレベルがＶ１，Ｖ２，Ｖ３とされている期間に合わせてずらされている。この場合、オートゼロ信号AZ1が供給されるコンパレータ２１２はｔ４で反転され、オートゼロ信号AZ2が供給されるコンパレータ２１２はｔ５で反転され、オートゼロ信号AZ3が供給されるコンパレータ２１２はｔ６で反転される。すなわち、複数のコンパレータ２１２の一斉反転することを抑止し、反転のタイミングを分散させることができる。
【００４３】
同図からも明らかなように、オートゼロ信号の種類の数（すなわち、参照信号の段階数）を増加させることにより、各コンパレータ２１２の反転タイミングをより広く分散させることができる。
【００４４】
参照信号のオフセットレベルについては、図示するように、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３である必要はなく、例えば、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３、またはＶ２＜Ｖ１＜Ｖ３などのように、それぞれが異なる値であれば同様の効果を得ることができる。
【００４５】
ただし当然ながら、参照信号の電圧を段階的に変化させない場合、各コンパレータ２１２の反転タイミングを分散させる効果を得ることができない。
【００４６】
図７に、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２にオートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3と、オフセットレベルが一定の参照信号を入力した場合を示す。同図からも、参照信号のオフセットレベルを段階的に変化させないと、コンパレータ２１２の出力反転を分散させる効果の得られないことが明らかである。
【００４７】
次に、図８は、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２に入力されるオートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3および参照信号の波形の第２の例を示している。
【００４８】
同図の第２の例は、オートゼロ信号AZ2，AZ3をlowとするタイミングが図６に示された第１の例よりも早められている。
【００４９】
具体的には、オートゼロ信号AZ2をlowとするタイミングがt１よりも先とされている。これにより、オートゼロ信号AZ2が入力されるコンパレータ２１２では、オートゼロ信号AZ2がlowとなったタイミングで、画素信号が参照信号のオフセットレベルＶ１にオートゼロされ、次いでオフセットレベルＶ２にオートゼロされる。このとき、電圧Ｖ１，Ｖ２の電圧差を、図６に示されたオートゼロ信号AZ2による画素信号のオートゼロ前後での電圧差よりも小さくすれば、ｔ２’，ｔ３’を前倒すことができるため、オートゼロの期間を短縮することができる。
【００５０】
オートゼロ信号AZ3が入力されるコンパレータ２１２においても同様である。
【００５１】
なお、オートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3の開始タイミングは、必ずしもそろえる必要は無く任意に設定することができる。
【００５２】
次に、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２に対して、オートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3を分配する例について説明する。
【００５３】
図９は、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２に対して隣り合うものと同一のオートゼロ信号が供給されないように、並んでいるコンパレータ２１２に対してオートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3を順に供給する例である。
【００５４】
図１０は、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２の所定の数毎（図１０の場合、４つのコンパレータ２１２毎）に、オートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3を順に供給する例である。
【００５５】
図１１は、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２の前段にオートゼロ信号端子切り替え部２２０を設け、該オートゼロ信号端子切り替え部２２０により、オートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3を行方向に配置された複数のコンパレータ２１２に均等に分配する例である。
【００５６】
なお、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２に対して、オートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3を分配する方法は、上述した図９乃至図１０の例に限るものではない。ただし、いずれの方法においても、オートゼロ信号AZ1，AZ2，AZ3それぞれが供給されるコンパレータ２１２の数は等しくなるようにすることが望ましい。
【００５７】
以上に説明したように、本開示のCIS２００によれば、行方向に配置された複数のコンパレータ２１２の出力の反転タイミングを分散させ、複数のコンパレータ２１２の出力の一斉反転を抑止できる。したがって、それに起因するIR-Dropや電流変動による悪影響を防止することができる。
【００５８】
また、複数のコンパレータ２１２の出力の一斉反転を抑止できるので、本開示は、CISの多画素化に貢献できる。
【００５９】
さらに、本開示の実施の形態であるCIS２００は、撮像機能を有するあらゆる電子装置に適用することができる。
【００６０】
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
２００  CIS，  ２１０  オートゼロ制御部，  ２１１  ADC，  ２１２  コンパレータ，  ２２０  オートゼロ信号端子切り替え部
【図１】
2014096670.tif 000003
【図２】
2014096670.tif 000004
【図３】
2014096670.tif 000005
【図４】
2014096670.tif 000006
【図５】
2014096670.tif 000007
【図６】
2014096670.tif 000008
【図７】
2014096670.tif 000009
【図８】
2014096670.tif 000010
【図９】
2014096670.tif 000011
【図１０】
2014096670.tif 000012
【図１１】
2014096670.tif 000013