(57)【要約】【課題】  ノイズを抑え消費電流を低減できる可変利得増幅器及びその可変利得増幅器を用いた撮像装置を提供する。【解決手段】  最終段以外には利得の高い順に複数の固定利得増幅器が配列され、最終段には可変利得増幅器が配列されて構成されてなる、直列に多段接続された複数段の増幅器１，２，３，４と、最終段の増幅器４を除いた任意の段の増幅器をバイパスするため各増幅器の入力と出力とをバイパス線22を介して相互に接続するスイッチ９，10，11，12と、必要な利得に応じて使用する増幅器を選択して最終段の増幅器４に接続するように前記スイッチを制御する制御回路20とを備えて可変利得回路を構成する。【選択図】        図  １
2006121135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を増幅する可変利得回路において、最終段以外には利得の高い順に複数の固定利得増幅器が配列され、最終段には可変利得増幅器が配列されて構成されてなる、直列に多段接続された複数段の増幅器と、最終段を除く任意の段の増幅器をバイパスするためのバイパス回路と、必要な利得に応じて使用する増幅器を選択して接続するように前記バイパス回路を制御する制御回路とを有することを特徴とする可変利得回路。
【請求項２】
入力信号を増幅する可変利得回路において、直列に多段接続された複数段の増幅器と、バイパス線、前記入力信号が入力される入力端子に初段の前記増幅器の入力端子又は前記バイパス線の一端の何れか一方を接続する第１の切換器、最終段の前記増幅器の入力端子に直前の前記増幅器の出力端子又は前記バイパス線の他端の何れか一方を接続する第２の切換器、最終段の直前の段の前記増幅器を除く前記増幅器の出力端子と次段の前記増幅器の入力端子とを接続する第１のスイッチ及び前記増幅器の出力端子と前記バイパス線とを接続する第２のスイッチとを有するバイパス回路と、必要な利得に応じて使用する増幅器を選択して接続するように前記第１の切換器、第２の切換器、第１のスイッチ及び第２のスイッチを制御する制御回路とを有することを特徴とする可変利得回路。
【請求項３】
前記増幅器は、最終段以外には利得の高い順に複数の固定利得増幅器が配列され、最終段には可変利得増幅器が配列されて構成されてなることを特徴とする請求項２に係る可変利得回路。
【請求項４】
前記増幅器に電源の供給及び停止を行うスイッチ回路を更に有し、このスイッチ回路は、前記制御回路により制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る可変利得回路。
【請求項５】
撮像素子と、該撮像素子からの入力信号を増幅するための請求項１〜４のいずれか１項に係る可変利得回路と、該可変利得回路の前記制御回路に、設定されたＩＳＯ感度に対応する利得制御信号を入力する入力部とを有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力信号を増幅する可変利得回路及びその可変利得回路を用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、１段の増幅器で高利得を得ようとすると、帯域、歪み等の点で不利であるので、様々な分野で、従来より可変利得回路には増幅器を直列に多段接続して所望の利得を得る方式のものが用いられている。例えば、特許第３３８８１９６号公報（特許文献１）には、可変利得回路として図３に示すような構成のものが開示されている。なお、図３は説明を簡略化するために４段構成の場合について示している。この公報開示の可変利得回路は、互いに縦続接続された第１から第４の可変利得増幅器101 ，102 ，103 ，104 と、第１から第４の可変利得増幅器101 ，102 ，103 ，104 に制御電圧Ｖgch を供給する制御電圧供給回路106 と、第１から第４の可変利得増幅器101 ，102 ，103 ，104 に第１から第４の基準電圧Ｖref1〜Ｖref4をそれぞれ供給する基準電圧発生回路105 とで構成されている。そして、第１から第４の可変利得増幅器101 ，102 ，103 ，104 は所望の利得制御幅と直線性を得るために、ある一定の制御幅を持つように構成されており、制御電圧Ｖgch と個別の基準電圧Ｖref1〜Ｖref4を変化させることで、第１から第４の可変利得増幅器101 ，102 ，103 ，104 の動作範囲をずらし、全体として広い利得制御範囲と高い直線性を得るように制御される。なお、図３において、107 は入力端子、108 は出力端子である。
【０００３】
また、特公昭６２−４２４０６号公報（特許文献２）には、図４に示すように、広帯域増幅器204A，204B，205 を直列に接続すると共に、広帯域増幅器204Aと204Bの入力側と出力側に、迂回路への広帯域信号切換器201A，202A，201B，202B及び広帯域信号スイッチ203A，203Bをそれぞれ設け、これらの広帯域信号切換器を切り換え広帯域信号スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることで、所望の利得を得ることが可能な利得制御方式が開示されている。なお、図４において、206 はドリフト補償回路である。
【特許文献１】特許第３３８８１９６号公報
【特許文献２】特公昭６２−４２４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図３に示した従来例においては、１段の可変利得増幅器で十分に必要な利得が得られる場合であっても、必ず全段の可変利得増幅器を使用しなければならない。この点、図４に示した特許文献２開示の利得制御方式によれば解決されるが、このように増幅器を多段に接続した場合のノイズの抑制については、特許文献１でも同様であるが、特許文献２には言及されていない。例えば、入力から最終段の広帯域増幅器205 に至るまでの広帯域増幅器の段数を更に増やした場合、入力から最終段の広帯域増幅器205 に至るまでの利得獲得経路中に含まれる広帯域信号切換器の数も対応して増え、広帯域信号切換器に起因するノイズの増加が懸念される。
【０００５】
本発明は、従来提案されている可変利得回路における上記問題点を解消するためになされたもので、ノイズをできるだけ低く抑えることが可能な可変利得回路及びその可変利得回路を用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、入力信号を増幅する可変利得回路において、最終段以外には利得の高い順に複数の固定利得増幅器が配列され、最終段には可変利得増幅器が配列されて構成されてなる、直列に多段接続された複数段の増幅器と、最終段を除く任意の段の増幅器をバイパスするためのバイパス回路と、必要な利得に応じて使用する増幅器を選択して接続するように前記バイパス回路を制御する制御回路とを有することを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に係る発明は、入力信号を増幅する可変利得回路において、直列に多段接続された複数段の増幅器と、バイパス線、前記入力信号が入力される入力端子に初段の前記増幅器の入力端子又は前記バイパス線の一端の何れか一方を接続する第１の切換器、最終段の前記増幅器の入力端子に直前の前記増幅器の出力端子又は前記バイパス線の他端の何れか一方を接続する第２の切換器、最終段の直前の段の前記増幅器を除く前記増幅器の出力端子と次段の前記増幅器の入力端子とを接続する第１のスイッチ及び前記増幅器の出力端子と前記バイパス線とを接続する第２のスイッチとを有するバイパス回路と、必要な利得に応じて使用する増幅器を選択して接続するように前記第１の切換器、第２の切換器、第１のスイッチ及び第２のスイッチを制御する制御回路とを有することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る可変利得回路において、前記増幅器は、最終段以外には利得の高い順に複数の固定利得増幅器が配列され、最終段には可変利得増幅器が配列されて構成されてなることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る可変利得回路において、前記増幅器に電源の供給及び停止を行うスイッチ回路を更に有し、このスイッチ回路は、前記制御回路により制御されることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５に係る発明は、撮像素子と、該撮像素子からの入力信号を増幅するための請求項１〜４のいずれか１項に係る可変利得回路と、該可変利得回路の前記制御回路に、設定されたＩＳＯ感度に対応する利得制御信号を入力する入力部とを備えて撮像装置を構成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、直列に多段接続された複数段の増幅器のうち不必要な増幅器をバイパスして使用しないようにし、且つ、入力側から利得の高い順に増幅器が接続されているので、ノイズを削減することができる。また請求項２に係る発明によれば、直列に多段に接続された複数段の増幅器のうち不必要な増幅器をバイパスして使用しないようにし、且つ、隣接する増幅器を接続するスイッチ数を減らせるので、総計として、バイパス線を経由した利得獲得経路中のスイッチ数を減らすことができ、ノイズの発生を抑えることができる。また請求項３に係る発明によれば、請求項２に係る発明の効果に加えて、入力側から利得の高い順に増幅器が接続されているので、更にノイズを低減させることが可能となる。また請求項４に係る発明によれば、請求項１〜３のいずれか１項に係る発明の効果に加えて、使用しない増幅器には電源を供給しないようにできるので、 消費電流を低減することができる。また請求項５に係る発明によれば、ＩＳＯ感度に応じた最適なゲインを得ることができ、また、請求項１〜４のいずれか１項に係る可変利得回路の効果により、ノイズや消費電流を抑えた撮像装置を構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１３】
まず、本発明に係る可変利得回路の実施例について説明する。図１は本発明の可変利得回路の実施例を示す回路構成図であり、請求項１〜４の発明に係る可変利得回路の実施例に対応している。図１に示すこの実施例に係る可変利得回路は、入力端子13と第１の増幅器１の入力とを第１のスイッチ５を介して接続し、第１の増幅器１の出力と第２の増幅器２の入力とを第２のスイッチ６を介して接続し、第２の増幅器２の出力と第３の増幅器３の入力とを第３のスイッチ７を介して接続し、第３の増幅器３の出力と第４の増幅器４の入力とを第４のスイッチ８を介して接続し、第４の増幅器４の出力は出力端子14と接続している。
【００１４】
また入力端子13は、第５のスイッチ９を介して、第１の増幅器１の出力は、第６のスイッチ10を介して、第２の増幅器２の出力は、第７のスイッチ11を介して、第４の増幅器４の入力を第８のスイッチ12を介して、バイパス線22に接続されている。また、第１の増幅器１には第９のスイッチ15を介して、第２の増幅器２には第10のスイッチ16を介して、第３の増幅器３には第11のスイッチ17を介して、第４の増幅器４には第12のスイッチ18を介して、それぞれ電源電圧19が供給されるようになっている。なお、スイッチ５と９は請求項２の第１の切換器に、スイッチ８と12は第２の切換器に、スイッチ６と７は第１のスイッチに、スイッチ10と11は第２のスイッチに、各々相当する。
【００１５】
そして、上記全てのスイッチはそれぞれ、制御信号入力端子21に入力される信号に応じて制御回路20より出される信号で、ＯＮ／ＯＦＦが制御されるように構成されている。また、第１，第２の増幅器１，２はそれぞれ＋12dBの利得、第３の増幅器３は＋６dBの利得を持つ固定利得増幅器、第４の増幅器４は−６〜＋６dBまで利得を変えることができる可変利得増幅器となっている。
【００１６】
このように構成された可変利得回路全体の雑音指数ＮＦは、第１から第４の増幅器１，２，３，４の雑音指数をそれぞれＮＦ1 ，ＮＦ2 ，ＮＦ3 ，ＮＦ4 とし、利得をそれぞれＧ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 とすると、
ＮＦ＝ＮＦ1 ＋（ＮＦ2 −１）／Ｇ1 ＋（ＮＦ3 −１）／Ｇ1 ・Ｇ2 
＋（ＮＦ4 −１）／Ｇ1 ・Ｇ2 ・Ｇ3   ・・・・・・・・・・・・・（１）
と表すことができる。式（１）からわかるように、入力に近い第１の増幅器１の利得Ｇ1 を高くすることで、ノイズの発生が抑えられる。
【００１７】
次に、図１に示した可変利得回路の動作について説明する。入力端子13から入力された入力信号は、第１，第２，第３の増幅器１，２，３の任意の増幅器で増幅された後、第４の増幅器４で調整増幅されて出力されることとなる。具体的には下記（１）から（６）に示す態様で各スイッチを制御回路20で制御することにより、所望の利得を得ることができる。
【００１８】
（１）第５，第８，第12のスイッチ９，12，18のみをＯＮにすることで、第４の増幅器４のみを使用して入力信号を増幅する。このときの利得制御幅は０dB±６dBとなり、第１，第２，第３の増幅器１，２，３はＯＦＦとなる。
（２）第３，第４，第５，第７，第11，第12のスイッチ７，８，９，11，17，18のみをＯＮにすることで、第３，第４の増幅器３，４を使用して入力信号を増幅する。このときの利得制御幅は＋６dB±6dB となり、第１，第２の増幅器１，２はＯＦＦとなる。
（３）第１，第６，第８，第９，第12のスイッチ５，10，12，15，18のみをＯＮにすることで、第１，第４の増幅器１，４を使用して入力信号を増幅する。このときの利得制御幅は＋12dB±６dBとなり、第２，第３の増幅器２，３はＯＦＦとなる。
（４）第２，第３，第４，第５，第６，第10，第11，第12のスイッチ６，７，８，９，10，16，17，18のみをＯＮにすることで、第２，第３，第４の増幅器２，３，４を使用して入力信号を増幅する。このときの利得制御幅は＋18dB±６dBとなり、第１の増幅器１はＯＦＦとなる。
（５）第１，第２，第７，第８，第９，第10，第12のスイッチ５，６，11，12，15，16，18のみをＯＮにすることで、第１，第２，第４の増幅器１，２，４を使用して入力信号を増幅する。このときの利得制御幅は＋24dB±６dBとなり、第３の増幅器３はＯＦＦとなる。
（６）第１，第２，第３，第４，第９，第10，第11，第12のスイッチ５，６，７，８，15，16，17，18のみをＯＮにすることで、第１，第２，第３，第４の増幅器１，２，３，４を使用して入力信号を増幅する。このときの利得制御幅は＋30dB±６dBとなる。
【００１９】
上記（１）〜（６）の態様からわかるように、第１，第２，第３の増幅器１，２，３を選択して使用することで、中心利得を選択し、第４の増幅器４で微調整を掛けることで、可変利得回路全体では−６dBから＋36dBまでの利得制御幅を実現することができる。そして、使用しない増幅器をバイパスしている、利得の高い順に増幅器を接続している、といった理由から、式（１）より、従来例に比べてノイズを低減できていることがわかる。更に、使用しない増幅器には電源が供給されずにＯＦＦとなっているので、消費電流を削減することが可能となる。更に、隣接する増幅器を接続するスイッチ数を減らせるので、総計として、バイパス線22を経由した利得獲得経路中のスイッチ数を減らすことができ、ノイズの発生を抑えることできる。
【００２０】
なお、本実施例では説明を簡略化するため、４段接続の増幅器の場合について説明したが、必ずしも増幅器は４段である必要はなく、必要な利得制御幅に応じて、増幅器の接続数を変えた場合でも同等の効果を得ることができることは明白である。また、各増幅器の利得についても必ずしも本実施例の通りである必要はなく、必要な利得制御幅に応じて各増幅器の利得を設定することができる。また、上述した実施例では第１から第８のスイッチ５，６，７，８，９，10，11，12でバイパス経路を構成しているが、必ずしもこの構成である必要はなく、増幅器をバイパスできる構成であれば、同等の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００２１】
図２は、本発明に係る可変利得回路を使用した撮像装置の実施例を示すブロック構成図であり、請求項４に係る発明の撮像装置の実施例に対応している。図２に示す本実施例に係る撮像装置は、撮像素子30からの入力信号をＣＤＳ回路31に入力しリセットノイズを除去し、可変利得回路32で増幅し、ＡＤ変換回路33でデジタル信号に変換した後、デジタル部34で信号処理がなされるように構成されている。また、可変利得回路32の制御信号入力端子21には入力部35が接続されており、入力部35は設定されたＩＳＯ感度に応じた利得制御信号を制御信号入力端子21に入力するように構成されている。
【００２２】
次に、図２に示した撮像装置の動作について説明する。撮像素子30からの入力信号はＣＤＳ回路31でリセットノイズが除去された後、可変利得回路32に入力される。可変利得回路32には、上記図１に示した可変利得回路が使われており、設定されたＩＳＯ感度に応じて入力部35から利得制御信号を制御信号入力端子21に入力することで、利得制御が行われる。具体的な利得の制御方法について述べると、ＩＳＯ感度が２倍になると、可変利得回路32では必要な利得が＋６dBとなる。そこで最初に標準となるＩＳＯ感度（ここでは100 相当と想定する）のときに第４の増幅器４のみを使用して利得を調整しておく。そして、ＩＳＯ感度が200 相当、400 相当、800 相当、1600相当、3200相当と設定されたときは、第１，第２，第３の増幅器１，２，３を使い分けて、中心利得が＋６dB，＋12dB，＋18dB，＋24dB，＋30dBとなるように制御すればよい。こうすることで、ＩＳＯ感度100 から3200まで、ＩＳＯ感度に応じて最適な利得を得ることができ、また、図１に示した可変利得回路のもつ効果により、消費電流やノイズを抑えた撮像装置を構成することが可能となる。
【００２３】
上記実施例では２倍刻みの感度の場合について説明したが、もっと細かい感度設定が必要な場合には、可変利得回路32の固定増幅器の数を増やし、中心利得を細かく設定できるようにすればよい。また、上記実施例ではアナログ部である可変利得回路32のみで利得を制御する場合について述べたが、可変利得回路32とデジタル部34との利得制御を組み合わせてＩＳＯ感度に対応した利得を得る場合でも、同等の効果を得ることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係わる可変利得回路の実施例を示す回路構成図である。
【図２】本発明に係わる撮像装置の実施例を示すブロック構成図である。
【図３】従来の可変利得回路の構成例を示すブロック構成図である。
【図４】従来の可変利得回路の他の構成例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  第１の増幅器
２  第２の増幅器
３  第３の増幅器
４  第４の増幅器
５  第１のスイッチ
６  第２のスイッチ
７  第３のスイッチ
８  第４のスイッチ
９  第５のスイッチ
10  第６のスイッチ
11  第７のスイッチ
12  第８のスイッチ
13  入力端子
14  出力端子
15  第９のスイッチ
16  第10のスイッチ
17  第11のスイッチ
18  第12のスイッチ
19  電源電圧
20  制御回路
21  制御信号入力端子
30  撮像素子
31  ＣＤＳ回路
32  可変利得回路
33  アナログ・デジタル変換回路
34  デジタル処理部
35  入力部
101   第１の可変増幅回路
102   第２の可変増幅回路
103   第３の可変増幅回路
104   第４の可変増幅回路
105   基準電圧発生回路
106   制御電圧供給回路
107   入力端子
108   出力端子
201A，201B，202A，202B  広帯域信号切換器
203A，203B  広帯域信号スイッチ
204A，204B，205   広帯域増幅器
【図１】
2006121135.tif 000003
【図２】
2006121135.tif 000004
【図３】
2006121135.tif 000005
【図４】
2006121135.tif 000006