(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端に入力したアナログ値をデジタル値に変換し、そのデジタル値を出力端より出力するＡ／Ｄ変換回路であって、
第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有し、前記第１入力端子が結合容量素子を介して前記入力端に接続され、前記第２入力端子に基準電圧値Ｖcomを入力するアンプと、
前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられた帰還容量素子と、
前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられたスイッチ素子と、
前記アンプの前記第１入力端子に各々の一端が接続され容量値が異なるＮm個の容量素子と、前記Ｎm個の容量素子それぞれの他端に入力する電圧値を前記基準電圧値ＶcomおよびＰm個の参照電圧値Ｖref,m,1〜Ｖref,m,Pmの何れかに切り替える電圧値切替手段と、を各々有するＭ個の可変容量部と（Ｍ≧１、Ｎm≧１、Ｐm≧２、１≦ｍ≦Ｍ）、
前記アンプの前記出力端子から出力された電圧値と前記基準電圧値Ｖcomとを大小比較し、その比較結果を示す信号を出力する比較部と、
前記Ｍ個の可変容量部それぞれの前記電圧値切替手段における切替動作を制御するとともに、前記Ｍ個の可変容量部それぞれの前記電圧値切替手段における切替状況および前記比較部から出力された信号に基づいて、デジタル値を前記出力端へ出力する容量制御部と、
を備えることを特徴とするＡ／Ｄ変換回路。
【請求項２】
Ｍが１であり、Ｎ1が複数である、ことを特徴とする請求項１記載のＡ／Ｄ変換回路。
【請求項３】
ＭおよびＮ1それぞれが１である、ことを特徴とする請求項１記載のＡ／Ｄ変換回路。
【請求項４】
入射光強度に応じた値の電流信号を出力する光検出素子と、
前記光検出素子から出力された電流信号を入力し積分して、この電流信号の積分値に応じた電圧値を出力する積分回路と、
前記積分回路から出力された電圧値を入力して、この電圧値をデジタル値に変換する請求項１記載のＡ／Ｄ変換回路と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路、および、このＡ／Ｄ変換回路を含む固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は、１次元または２次元に配列された複数の光検出素子と、各光検出素子から出力された電流信号を積分して電圧値に変換する積分回路と、を備えている。この固体撮像装置では、入射光強度に応じた値の電流信号が複数の光検出素子それぞれから出力され、この電流信号の積分値に応じた電圧値が積分回路から出力され、この電圧値に基づいて、入射光強度分布が得られ撮像される。また、固体撮像装置は、積分回路から出力された電圧値（アナログ値）をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路を更に備えている場合がある。この場合には、入射光強度はデジタル値として得られ、さらにコンピュータ等により画像処理することが可能となる。
【０００３】
Ａ／Ｄ変換回路の構成として、Ｎ組の容量素子およびスイッチ素子を含み、Ｎ個の容量素子のうち第ｎの容量素子の容量値を２n-1Ｃとしたものが知られている（Ｎ≧２、１≦ｎ≦Ｎ）。このＡ／Ｄ変換回路は、入力したアナログ値に応じて、Ｎ個のスイッチそれぞれの開閉状態を適切に設定することで全体の容量値を適切に設定して、これらＮ個のスイッチ素子それぞれの開閉状況に応じたＮビットのデジタル値を出力する。
【０００４】
このような固体撮像装置においてＡ／Ｄ変換処理の高速化および高精度化が求められている。高速化を図るためには、積分回路毎にＡ／Ｄ変換回路を設けて並列処理を行うことがなされている。また、高精度化を図るためには、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値のビット数を多くすることがなされている。したがって、Ａ／Ｄ変換処理の高速化および高精度化の双方を図るためには、積分回路毎にＡ／Ｄ変換回路を設けて並列処理を行うとともに、各Ａ／Ｄ変換回路における容量素子の数Ｎを多くすることが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなＡ／Ｄ変換回路を含む固体撮像装置を１つの半導体チップ上に構成しようとする場合、以下のような問題点が存在する。すなわち、チップ上における容量素子の占有面積は、その容量値に略比例する。したがって、ビット数がＮである場合、Ａ／Ｄ変換回路のＮ個の容量素子が占有する面積は、容量値２NＣ（≒Ｃ＋２Ｃ＋２2Ｃ＋…＋２N-1Ｃ）の容量素子１つ分の占有面積に相当する。すなわち、ビット数が１つ増えれば、Ａ／Ｄ変換回路の全容量素子が占有する面積は２倍に増える。また、容量素子の容量値が大きいと、寄生容量も大きくなり、Ａ／Ｄ変換処理を高速に行うことができない。したがって、従来のＡ／Ｄ変換回路を含む固体撮像装置は、積分回路毎にＡ／Ｄ変換回路を設けることによる高速化、および、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値のビット数を多くすることによる高精度化の、双方を図るにも限界がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、小さい占有面積で高速化および高精度化の双方を容易に実現することができるＡ／Ｄ変換回路、および、このＡ／Ｄ変換回路を含む固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＡ／Ｄ変換回路は、入力端に入力したアナログ値をデジタル値に変換し、そのデジタル値を出力端より出力するＡ／Ｄ変換回路であって、(1) 第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有し、第１入力端子が結合容量素子を介して入力端に接続され、第２入力端子に基準電圧値Ｖcomを入力するアンプと、(2) アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた帰還容量素子と、(3) アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ素子と、(4)アンプの第１入力端子に各々の一端が接続され容量値が異なるＮm個の容量素子と、Ｎm個の容量素子それぞれの他端に入力する電圧値を基準電圧値ＶcomおよびＰm個の参照電圧値Ｖref,m,1〜Ｖref,m,Pmの何れかに切り替える電圧値切替手段と、を各々有するＭ個の可変容量部と（Ｍ≧１、Ｎm≧１、Ｐm≧２、１≦ｍ≦Ｍ）、(5) アンプの出力端子から出力された電圧値と基準電圧値Ｖcomとを大小比較し、その比較結果を示す信号を出力する比較部と、(6) Ｍ個の可変容量部それぞれの電圧値切替手段における切替動作を制御するとともに、Ｍ個の可変容量部それぞれの電圧値切替手段における切替状況および比較部から出力された信号に基づいて、デジタル値を出力端へ出力する容量制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このＡ／Ｄ変換回路によれば、アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ素子が閉じると、アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた帰還容量素子が放電される。そして、スイッチ素子が開いて、Ａ／Ｄ変換されるべき電圧値（アナログ値）が入力端より入力すると、その入力した電圧値に応じた電荷が帰還容量素子に蓄積される。その後、容量制御部により制御されたＭ個の可変容量部それぞれでは、各々に含まれるＮm個の容量素子それぞれの他端は、基準電圧値ＶcomおよびＰm個の参照電圧値Ｖref,m,1〜Ｖref,m,Pmの何れかに、電圧値切替手段により切り替えられる。Ｍ個の可変容量部それぞれに含まれるＮm個の容量素子の一端はアンプの第１入力端子に直接に又はスイッチ素子を介して接続されているので、この切替により、帰還容量素子からＭ個の可変容量部へ電荷が移動する。そして、帰還容量素子に残されている電荷の量に応じた電圧値がアンプの出力端子より出力される。アンプより出力された電圧値は比較部により基準電圧値Ｖcomと大小比較され、その比較結果を示す信号が比較部より容量制御部へ出力される。Ｍ個の可変容量部それぞれの電圧値切替手段における切替状況および比較部から出力された信号に基づいて、容量制御部よりデジタル値が出力端へ出力される。
【０００９】
本発明に係るＡ／Ｄ変換回路は、Ｍが１であり、Ｎ1が複数であるのが好適であり、この場合には、Ｍ個の可変容量部それぞれに含まれるＮm個の容量素子がチップ上で占有する面積が更に小さい。本発明に係るＡ／Ｄ変換回路は、ＭおよびＮ1それぞれが１であるのが好適であり、この場合には、前述の場合と比べても、Ｍ個の可変容量部それぞれに含まれるＮm個の容量素子がチップ上で占有する面積が更に小さい。
【００１０】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光強度に応じた値の電流信号を出力する光検出素子と、(2) 光検出素子から出力された電流信号を入力し積分して、この電流信号の積分値に応じた電圧値を出力する積分回路と、(3) 積分回路から出力された電圧値を入力して、この電圧値をデジタル値に変換する上記の本発明に係るＡ／Ｄ変換回路と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この固体撮像装置によれば、入射光強度に応じた値の電流信号が光検出素子より出力され、この電流信号は積分回路に入力して積分され、この積分値に応じた電圧値が積分回路より出力される。積分回路から出力された電圧値は、上記の本発明に係るＡ／Ｄ変換回路により、デジタル値に変換される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０を含む固体撮像装置１の構成図である。この固体撮像装置１は、Ｋ個のユニットＵ1〜ＵK（Ｋは１以上の整数）を備えており、各ユニットＵk（ｋは１以上Ｋ以下の任意の整数）は、複数組のフォトダイオード（光検出素子）ＰＤおよびスイッチ素子ＳＷ、積分回路１０、Ａ／Ｄ変換回路２０ならびにスイッチ素子ＳＷ１を有する。また、この固体撮像装置１は、参照電圧供給回路３０および制御回路４０を備えている。
【００１４】
各ユニットＵkにおいて、各フォトダイオードＰＤは、アノード端子が接地され、カソード端子がスイッチ素子ＳＷを介して積分回路１０の入力端に接続されており、入射光強度に応じた値の電流信号を積分回路１０へ出力する。積分回路１０は、フォトダイオードＰＤから出力された電流信号を入力し積分して、この電流信号の積分値に応じた電圧値を出力する。Ａ／Ｄ変換回路２０は、積分回路１０から出力された電圧値を入力し、この電圧値（アナログ値）を１２ビットのデジタル値（Ｄ11〜Ｄ0）に変換して、このデジタル値をスイッチ素子ＳＷ１を介して出力する。
【００１５】
参照電圧供給回路３０は、各ユニットＵkのＡ／Ｄ変換回路２０に対して参照電圧を供給する。制御回路４０は、各フォトダイオードＰＤと積分回路１０との間に設けられたスイッチ素子ＳＷの開閉を制御して、各フォトダイオードＰＤと積分回路１０とを順次に接続する。制御回路４０は、Ａ／Ｄ変換回路２０の後段に設けられたスイッチ素子ＳＷ１の開閉を制御して、各ユニットＵmから順次にデジタル値を出力させる。また、制御回路４０は、積分回路１０に含まれるスイッチ素子およびＡ／Ｄ変換回路２０に含まれるスイッチ素子それぞれの開閉を制御して所要の動作を行わせる。
【００１６】
図２は、積分回路１０の回路図である。この積分回路１０は、入力端と出力端との間にアンプＡ10、容量素子Ｃ10およびスイッチ素子ＳＷ10が並列的に設けられている。容量素子Ｃ10は、アンプＡ10の入力端子と出力端子との間に設けられており、スイッチ素子ＳＷ10が開いているときに入力端に入力した電流信号すなわち電荷を蓄積する。スイッチ素子ＳＷ10は、アンプＡ10の入力端子と出力端子との間に設けられており、開いているときには容量素子Ｃ10に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには容量素子Ｃ10における電荷の蓄積をリセットする。
【００１７】
図３は、第１実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の回路図である。このＡ／Ｄ変換回路２０は、結合容量素子Ｃ201、帰還容量素子Ｃ202、スイッチ素子ＳＷ202、アンプ２０１、比較部２０２、容量制御部２０３、可変容量部２１０，２２０および２３０を含む。
【００１８】
アンプ２０１は、積分回路１０から出力された電圧値（アナログ値）を、結合容量素子Ｃ201を介して反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖcomを非反転入力端子に入力する。帰還容量素子Ｃ202は、アンプ２０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、入力した電圧値に応じて電荷を蓄える。スイッチ素子ＳＷ202は、アンプ２０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、開いているときには帰還容量素子Ｃ202に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには帰還容量素子Ｃ202における電荷蓄積をリセットする。そして、アンプ２０１は、帰還容量素子Ｃ202に蓄積された電荷量に応じた電圧値を、出力端子より比較部２０２へ出力する。比較回路２０２は、アンプ２０１から出力された電圧値を反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖcomを非反転入力端子に入力し、これら２つの入力信号の値を大小比較して、この比較結果を示す信号を容量制御部２０３へ出力する。
【００１９】
可変容量部２１０は、４つの容量素子Ｃ211〜Ｃ214および４つのスイッチ素子ＳＷ211〜ＳＷ214（電圧値切替手段）を含む。容量素子Ｃ211は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ211を介して参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ212は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ212を介して参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ213は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ213を介して参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ214は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ214を介して参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。
【００２０】
可変容量部２２０は、４つの容量素子Ｃ221〜Ｃ224および４つのスイッチ素子ＳＷ221〜ＳＷ224（電圧値切替手段）を含む。容量素子Ｃ221は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ221を介して参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ222は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ222を介して参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ223は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ223を介して参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ224は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ224を介して参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。
【００２１】
可変容量部２３０は、４つの容量素子Ｃ231〜Ｃ234および４つのスイッチ素子ＳＷ231〜ＳＷ234（電圧値切替手段）を含む。容量素子Ｃ231は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ231を介して参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ232は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ232を介して参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ233は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ233を介して参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ234は、一端がアンプ２０１の反転入力端子と接続され、他端がスイッチ素子ＳＷ234を介して参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。
【００２２】
可変容量部２１０，２２０および２３０それぞれに含まれる各容量素子、結合容量素子Ｃ201、帰還容量素子Ｃ202それぞれの容量値は、
【数１】
0004579433.tif 000002
なる関係式を満たす。ここで、Ｃは或る一定容量値である。また、可変容量部２１０に供給される参照電圧値Ｖref1、可変容量部２２０に供給される参照電圧値Ｖref2、可変容量部２３０に供給される参照電圧値Ｖref3、および、基準電圧値Ｖcomそれぞれは、
【数２】
0004579433.tif 000003
なる関係式を満たす。なお、基準電圧値Ｖcomは一般には接地電位とされるので、以降ではＶcom＝０とする。このとき、上記(2)式は、
【数３】
0004579433.tif 000004
なる式で表される。また、これら参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3それぞれは参照電圧供給回路３０より供給される。参照電圧供給回路３０は、例えば、抵抗器が縦続接続された抵抗分割回路である。
【００２３】
容量制御部２０３は、スイッチ素子ＳＷ211〜ＳＷ214、ＳＷ221〜ＳＷ224およびＳＷ231〜ＳＷ234それぞれにおける切替動作を制御する。また、容量制御部２０３は、これらの１２個のスイッチ素子それぞれにおける切替状況を記憶しており、この切替状況および比較部２０２から出力された信号に基づいて、１２ビットのデジタル値（Ｄ11〜Ｄ0）を出力する。すなわち、容量制御部２０３より出力されるデジタル値の最上位ビットＤ11はスイッチ素子ＳＷ211の切替状況に応じたものであり、ビットＤ10はスイッチ素子ＳＷ212の切替状況に応じたものであり、ビットＤ9はスイッチ素子ＳＷ213の切替状況に応じたものであり、ビットＤ8はスイッチ素子ＳＷ214の切替状況に応じたものである。ビットＤ7はスイッチ素子ＳＷ221の切替状況に応じたものであり、ビットＤ6はスイッチ素子ＳＷ222の切替状況に応じたものであり、ビットＤ5はスイッチ素子ＳＷ223の切替状況に応じたものであり、ビットＤ4はスイッチ素子ＳＷ224の切替状況に応じたものである。また、ビットＤ3はスイッチ素子ＳＷ231の切替状況に応じたものであり、ビットＤ2はスイッチ素子ＳＷ232の切替状況に応じたものであり、ビットＤ1はスイッチ素子ＳＷ233の切替状況に応じたものであり、最下位ビットＤ0はスイッチ素子ＳＷ234の切替状況に応じたものである。
【００２４】
次に、第１実施形態に係る固体撮像装置１およびＡ／Ｄ変換回路２０の動作について説明する。各ユニットＵkにおいて、フォトダイオードＰＤから出力された電流信号は、スイッチ素子ＳＷを経て積分回路１０に入力し、この積分回路１０の容量素子Ｃ10に電荷が蓄積されることで、入力した電流信号の値に応じた電圧値が出力される。積分回路１０から出力された電圧値ＶinはＡ／Ｄ変換回路２０に入力する。そして、このＡ／Ｄ変換回路２０において電圧値Ｖinがデジタル値（Ｄ11〜Ｄ0）に変換される。ここまで各ユニットＵkは並列に動作する。そして、各ユニットＵkのスイッチ素子ＳＷ１が順次に閉じて、各ユニットＵkのＡ／Ｄ変換回路２０から出力されたデジタル値が各ユニットＵkから順次に出力される。
【００２５】
各ユニットＵkのＡ／Ｄ変換回路２０は以下のように動作する。Ａ／Ｄ変換処理の第１段階においては、スイッチ素子ＳＷ202は閉じていて、帰還容量素子Ｃ202は放電されている。また、スイッチ素子ＳＷ211〜ＳＷ214、ＳＷ221〜ＳＷ224およびＳＷ231〜ＳＷ234それぞれは、基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられている。そして、スイッチ素子ＳＷ202が開いて、積分回路１０から出力された電圧値Ｖinに応じた電荷量Ｑが帰還容量素子Ｃ202に蓄積される。ここで、電荷量Ｑは、
【数４】
0004579433.tif 000005
なる式で表される。その後、実際のＡ／Ｄ変換処理が開始される。
【００２６】
Ａ／Ｄ変換処理の第２では、可変容量部２１０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ211〜ＳＷ214それぞれの切替動作が行われる。先ず、４つの容量素子Ｃ211〜Ｃ214のうち最も容量値が大きい容量素子Ｃ211に対応するスイッチ素子ＳＷ211が参照電圧値Ｖref1の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ（上記(4)式）のうち、
【数５】
0004579433.tif 000006
なる式で表される電荷量Ｑ211が容量素子Ｃ211に移動し、
【数６】
0004579433.tif 000007
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００２７】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべき最上位ビットＤ11の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）が正であればＤ11＝１とされ、そうでなければＤ11＝０とされる。
【００２８】
もし、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）が正であれば、次に容量値が大きい容量素子Ｃ212に対応するスイッチ素子ＳＷ212が参照電圧値Ｖref1の方に切り替わる。これにより、これまで帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ202（上記(6)式）のうち、
【数７】
0004579433.tif 000008
なる式で表される電荷量Ｑ212が容量素子Ｃ212に移動し、
【数８】
0004579433.tif 000009
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００２９】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ10の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝０とされる。
【００３０】
さらに、電圧値（Ｖin−３Ｖref1／４）が正であれば、その次に容量値が大きい容量素子Ｃ213に対応するスイッチ素子ＳＷ213が参照電圧値Ｖref1の方に切り替わる。これにより、これまで帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ202（上記(8)式）のうち、
【数９】
0004579433.tif 000010
なる式で表される電荷量Ｑ213が容量素子Ｃ213に移動し、
【数１０】
0004579433.tif 000011
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００３１】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ9の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖin−７Ｖref1／８）が正であればＤ9＝１とされ、そうでなければＤ9＝０とされる。
【００３２】
逆に、最上位ビットＤ11の値の決定の際に電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）が負であれば、スイッチ素子ＳＷ211が基準電圧値Ｖcomの方に戻って、電荷量Ｑ（上記(4)式）の全てが帰還容量素子Ｃ202に戻る。その後、次に容量値が大きい容量素子Ｃ212に対応するスイッチ素子ＳＷ212が参照電圧値Ｖref1の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ（上記(4)式）のうち、
【数１１】
0004579433.tif 000012
なる式で表される電荷量Ｑ212が容量素子Ｃ212に移動し、
【数１２】
0004579433.tif 000013
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００３３】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ10の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖin−Ｖref1／４）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝０とされる。
【００３４】
このようにして、可変容量部２１０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ211〜ＳＷ214それぞれの切替状況が順次に決定され、ビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値が順次に決定される。図４は、Ａ／Ｄ変換回路２０に入力する電圧値Ｖinと４つのビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値との関係を示す図表である。これら４つのビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ1はＣ・Ｖref1以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ1は、Ｖref1／２4以下であって、以上の第２段階においてＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００３５】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第２段階に続く第３段階では、第２段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ1について、可変容量部２２０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ221〜ＳＷ224それぞれの切替動作が、第２段階の処理と同様に行われる。すなわち、先ず、４つの容量素子Ｃ221〜Ｃ224のうち最も容量値が大きい容量素子Ｃ221に対応するスイッチ素子ＳＷ221が参照電圧値Ｖref2の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ1のうち、
【数１３】
0004579433.tif 000014
なる式で表される電荷量Ｑ221が容量素子Ｃ221に移動し、
【数１４】
0004579433.tif 000015
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００３６】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ7の値として記憶される。電圧値（Ｖ1−Ｖref2／２）が正であればＤ7＝１とされ、そうでなければＤ7＝０とされる。すなわち、電圧値（Ｖ1−Ｖref1／３２）が正であればＤ7＝１とされ、そうでなければＤ7＝０とされる。
【００３７】
以降も同様にして、可変容量部２２０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ221〜ＳＷ224それぞれの切替状況が順次に決定され、ビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値が順次に決定される。図５は、電圧値Ｖ1と４つのビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値との関係を示す図表である。これら４つのビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ2はＣ・Ｖref2以下（Ｃ・Ｖref1／２4以下）であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ2は、Ｖref2／２4以下（Ｖref1／２8以下）であって、以上の第３段階においてもＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００３８】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第３段階に続く第４段階では、第３段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ2について、可変容量部２３０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ231〜ＳＷ234それぞれの切替動作が、第２段階の処理と同様に行われる。すなわち、先ず、４つの容量素子Ｃ231〜Ｃ234のうち最も容量値が大きい容量素子Ｃ231に対応するスイッチ素子ＳＷ231が参照電圧値Ｖref3の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ1のうち、
【数１５】
0004579433.tif 000016
なる式で表される電荷量Ｑ231が容量素子Ｃ231に移動し、
【数１６】
0004579433.tif 000017
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００３９】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ3の値として記憶される。電圧値（Ｖ2−Ｖref3／２）が正であればＤ3＝１とされ、そうでなければＤ3＝０とされる。すなわち、電圧値（Ｖ2−Ｖref1／５１２）が正であればＤ3＝１とされ、そうでなければＤ3＝０とされる。
【００４０】
以降も同様にして、可変容量部２３０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ231〜ＳＷ234それぞれの切替状況が順次に決定され、ビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値が順次に決定される。図６は、電圧値Ｖ2と４つのビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値との関係を示す図表である。これら４つのビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ3はＣ・Ｖref3以下（Ｃ・Ｖref1／２8以下）であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ3は、Ｖref3／２4以下（Ｖref1／２12以下）であって、以上の第４段階においてもＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００４１】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第４段階が終了した時点では、１２個のスイッチ素子ＳＷ211〜ＳＷ214、ＳＷ221〜ＳＷ224およびＳＷ231〜ＳＷ234それぞれにおける切替状況に応じた１２ビットのデジタル値Ｄ11〜Ｄ0が容量制御部２０３に記憶されている。そして、第４段階が終了した後、この１２ビットのデジタル値Ｄ11〜Ｄ0が容量制御部２０３より出力される。
【００４２】
このＡ／Ｄ変換回路２０では、可変容量部２１０，２２０および２３０それぞれに含まれる容量素子ならびに帰還容量部Ｃ202の全体がチップ上で占有する面積は、容量値６１Ｃ（＝３(８Ｃ＋４Ｃ＋２Ｃ＋Ｃ)＋１６Ｃ）の容量素子１つ分の占有面積に相当する。一方、従来の１２ビットデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路では、１２個の容量素子が占有する面積は、容量値２12Ｃの容量素子１つ分の占有面積に相当する。このように、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０は、従来のものと比較して、容量素子の占有面積が１／６７である。
【００４３】
したがって、このような占有面積が小さいＡ／Ｄ変換回路２０を含む固体撮像装置１は、積分回路１０毎にＡ／Ｄ変換回路２０を設けることにより高速化を図ることができ、Ａ／Ｄ変換回路２０から出力されるデジタル値のビット数を多くすることにより高精度化を図ることもでき、また、フォトダイオードＰＤの個数を多くすることにより高解像度化を図ることもできる。また、従来のＡ／Ｄ変換回路における最大容量値が２11Ｃであるのに対して、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０における最大容量値は１６Ｃであるので、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０では、寄生容量が小さく、この点でもＡ／Ｄ変換処理を高速に行うことができる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態の場合と比較して、第２実施形態に係る固体撮像装置は、Ａ／Ｄ変換回路２０の構成が異なる。図７は、第２実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の回路図である。このＡ／Ｄ変換回路２０は、結合容量素子Ｃ201、帰還容量素子Ｃ202、スイッチ素子ＳＷ202、アンプ２０１、比較部２０２、容量制御部２０３および可変容量部２４０を含む。
【００４５】
アンプ２０１は、積分回路１０から出力された電圧値（アナログ値）を、結合容量素子Ｃ201を介して反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖcomを非反転入力端子に入力する。帰還容量素子Ｃ202は、アンプ２０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、入力した電圧値に応じて電荷を蓄える。スイッチ素子ＳＷ202は、アンプ２０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、開いているときには帰還容量素子Ｃ202に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには帰還容量素子Ｃ202における電荷蓄積をリセットする。そして、アンプ２０１は、帰還容量素子Ｃ202に蓄積された電荷量に応じた電圧値を、出力端子より比較部２０２へ出力する。比較回路２０２は、アンプ２０１から出力された電圧値を反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖcomを非反転入力端子に入力し、これら２つの入力信号の値を大小比較して、この比較結果を示す信号を容量制御部２０３へ出力する。
【００４６】
可変容量部２４０は、４つの容量素子Ｃ241〜Ｃ244および４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244（電圧値切替手段）を含む他、スイッチ素子ＳＷ2411，ＳＷ2412，ＳＷ2421，ＳＷ2422，ＳＷ2431，ＳＷ2432，ＳＷ2441およびＳＷ2442を含む。容量素子Ｃ241は、一端がスイッチ素子ＳＷ2411を介してアンプ２０１の反転入力端子と接続され、該一端がスイッチ素子ＳＷ2412を介して基準電圧値Ｖcomとされ、他端がスイッチ素子ＳＷ241を介して参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3ならびに基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ242は、一端がスイッチ素子ＳＷ2421を介してアンプ２０１の反転入力端子と接続され、該一端がスイッチ素子ＳＷ2422を介して基準電圧値Ｖcomとされ、他端がスイッチ素子ＳＷ242を介して参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3ならびに基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。容量素子Ｃ243は、一端がスイッチ素子ＳＷ2431を介してアンプ２０１の反転入力端子と接続され、該一端がスイッチ素子ＳＷ2432を介して基準電圧値Ｖcomとされ、他端がスイッチ素子ＳＷ243を介して参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3ならびに基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。また、容量素子Ｃ244は、一端がスイッチ素子ＳＷ2441を介してアンプ２０１の反転入力端子と接続され、該一端がスイッチ素子ＳＷ2442を介して基準電圧値Ｖcomとされ、他端がスイッチ素子ＳＷ244を介して参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3ならびに基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。
【００４７】
可変容量部２４０に含まれる各容量素子、結合容量素子Ｃ201、帰還容量素子Ｃ202それぞれの容量値は、
【数１７】
0004579433.tif 000018
なる関係式を満たす。ここで、Ｃは或る一定容量値である。また、可変容量部２４０に供給される参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3ならびに基準電圧値Ｖcomそれぞれは、上記(2)式を満たす。なお、基準電圧値Ｖcomは一般には接地電位とされるので、以降ではＶcom＝０とする。また、これら参照電圧値Ｖref1，Ｖref2およびＶref3それぞれは参照電圧供給回路３０より供給される。
【００４８】
容量制御部２０３は、スイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれにおける切替動作を制御する。また、容量制御部２０３は、これらの４個のスイッチ素子それぞれにおける切替状況を記憶しており、この切替状況および比較部２０２から出力された信号に基づいて、１２ビットのデジタル値（Ｄ11〜Ｄ0）を出力する。
【００４９】
次に、第２実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の動作について説明する。Ａ／Ｄ変換処理の第１段階では、スイッチ素子ＳＷ202は閉じていて、帰還容量素子Ｃ202は放電されている。スイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれは、基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられている。スイッチ素子ＳＷ2411，ＳＷ2421，ＳＷ2431およびＳＷ2441それぞれは閉じている。また、スイッチ素子ＳＷ2412，ＳＷ2422，ＳＷ2432およびＳＷ2442それぞれは開いている。そして、スイッチ素子ＳＷ202が開いて、積分回路１０から出力された電圧値Ｖinに応じた電荷量Ｑが帰還容量素子Ｃ202に蓄積される。ここで、電荷量Ｑは上記(4)式で表される。その後、実際のＡ／Ｄ変換処理が開始される。
【００５０】
Ａ／Ｄ変換処理の第２段階では、可変容量部２４０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれは、参照電圧値Ｖref1と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。この切替動作は、第１実施形態の場合の第２段階と同様である。そして、この第２段階が終了した時点では、可変容量部２４０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれの切替状況（参照電圧値Ｖref1および基準電圧値Ｖcomの何れであるか）が順次に決定され、ビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値が順次に決定される。Ａ／Ｄ変換回路２０に入力する電圧値Ｖinと４つのビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値との関係は、図４に示されたものと同様である。これら４つのビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ1はＣ・Ｖref1以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ1は、Ｖref1／２4以下であって、以上の第２段階においてＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００５１】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第２段階の後に、スイッチ素子ＳＷ2411，ＳＷ2421，ＳＷ2431およびＳＷ2441それぞれが開き、スイッチ素子ＳＷ2412，ＳＷ2422，ＳＷ2432およびＳＷ2442それぞれが閉じ、スイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれが基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられて、容量素子Ｃ221〜Ｃ224それぞれが放電される。そして、スイッチ素子ＳＷ2411，ＳＷ2421，ＳＷ2431およびＳＷ2441それぞれが閉じ、スイッチ素子ＳＷ2412，ＳＷ2422，ＳＷ2432およびＳＷ2442それぞれが開く。その後、Ａ／Ｄ変換処理の第３段階が開始される。
【００５２】
Ａ／Ｄ変換処理の第３段階では、第２段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ1について、可変容量部２４０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれは、参照電圧値Ｖref2と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。この切替動作は、第１実施形態の場合の第３段階と同様である。そして、この第３段階が終了した時点では、可変容量部２４０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれの切替状況（参照電圧値Ｖref2および基準電圧値Ｖcomの何れであるか）が順次に決定され、ビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値が順次に決定される。電圧値Ｖ1と４つのビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値との関係は、図５に示されたものと同様である。これら４つのビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ2はＣ・Ｖref2以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ2は、Ｖref2／２4以下であって、以上の第３段階においてもＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００５３】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第３段階の後に、スイッチ素子ＳＷ2411，ＳＷ2421，ＳＷ2431およびＳＷ2441それぞれが開き、スイッチ素子ＳＷ2412，ＳＷ2422，ＳＷ2432およびＳＷ2442それぞれが閉じ、スイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれが基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられて、容量素子Ｃ221〜Ｃ224それぞれが放電される。そして、スイッチ素子ＳＷ2411，ＳＷ2421，ＳＷ2431およびＳＷ2441それぞれが閉じ、スイッチ素子ＳＷ2412，ＳＷ2422，ＳＷ2432およびＳＷ2442それぞれが開く。その後、Ａ／Ｄ変換処理の第４段階が開始される。
【００５４】
Ａ／Ｄ変換処理の第４段階では、第３段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ2について、可変容量部２４０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれは、参照電圧値Ｖref3と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。この切替動作は、第１実施形態の場合の第４段階と同様である。そして、この第４段階が終了した時点では、可変容量部２４０に含まれる４つのスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれの切替状況（参照電圧値Ｖref3および基準電圧値Ｖcomの何れであるか）が順次に決定され、ビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値が順次に決定される。電圧値Ｖ2と４つのビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値との関係は、図６に示されたものと同様である。これら４つのビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ3はＣ・Ｖref3以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ3は、Ｖref3／２4以下であって、以上の第４段階においてもＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００５５】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第４段階が終了した時点では、３つの参照電圧値Ｖref1〜Ｖref3それぞれの場合における４個のスイッチ素子ＳＷ241〜ＳＷ244それぞれの切替状況に応じた１２ビットのデジタル値Ｄ11〜Ｄ0が容量制御部２０３に記憶されている。そして、第４段階が終了した後、この１２ビットのデジタル値Ｄ11〜Ｄ0が容量制御部２０３より出力される。
【００５６】
このＡ／Ｄ変換回路２０では、可変容量部２４０に含まれる容量素子ならびに帰還容量部Ｃ202の全体がチップ上で占有する面積は、容量値３１Ｃ（＝８Ｃ＋４Ｃ＋２Ｃ＋Ｃ＋１６Ｃ）の容量素子１つ分の占有面積に相当する。一方、従来の１２ビットデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路では、１２個の容量素子が占有する面積は、容量値２12Ｃの容量素子１つ分の占有面積に相当する。このように、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０は、従来のものと比較して容量素子の占有面積が１／１３２であり、第１実施形態に係るものと比較して容量素子の占有面積が１／２である。
【００５７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１実施形態の場合と比較して、第３実施形態に係る固体撮像装置は、Ａ／Ｄ変換回路２０および参照電圧供給回路３０それぞれの構成が異なる。図８は、第３実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の回路図である。このＡ／Ｄ変換回路２０は、結合容量素子Ｃ201、帰還容量素子Ｃ202、スイッチ素子ＳＷ202、アンプ２０１、比較部２０２、容量制御部２０３および可変容量部２５０を含む。
【００５８】
アンプ２０１は、積分回路１０から出力された電圧値（アナログ値）を、結合容量素子Ｃ201を介して反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖcomを非反転入力端子に入力する。帰還容量素子Ｃ202は、アンプ２０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、入力した電圧値に応じて電荷を蓄える。スイッチ素子ＳＷ202は、アンプ２０１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、開いているときには帰還容量素子Ｃ202に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには帰還容量素子Ｃ202における電荷蓄積をリセットする。そして、アンプ２０１は、帰還容量素子Ｃ202に蓄積された電荷量に応じた電圧値を、出力端子より比較部２０２へ出力する。比較回路２０２は、アンプ２０１から出力された電圧値を反転入力端子に入力し、基準電圧値Ｖcomを非反転入力端子に入力し、これら２つの入力信号の値を大小比較して、この比較結果を示す信号を容量制御部２０３へ出力する。
【００５９】
可変容量部２５０は、容量素子Ｃ250およびスイッチ素子ＳＷ250（電圧値切替手段）を含む他、スイッチ素子ＳＷ251およびＳＷ252を含む。容量素子Ｃ250は、一端がスイッチ素子ＳＷ251を介してアンプ２０１の反転入力端子と接続され、該一端がスイッチ素子ＳＷ252を介して基準電圧値Ｖcomとされ、他端がスイッチ素子ＳＷ250を介して参照電圧値Ｖref1〜Ｖref12および基準電圧値Ｖcomの何れかと接続される。
【００６０】
可変容量部２5０に含まれる容量素子Ｃ250、結合容量素子Ｃ201、帰還容量素子Ｃ202それぞれの容量値は、
【数１８】
0004579433.tif 000019
なる関係式を満たす。ここで、Ｃは或る一定容量値である。また、可変容量部２５０に供給される参照電圧値Ｖref1〜Ｖref12および基準電圧値Ｖcomそれぞれは、
【数１９】
0004579433.tif 000020
なる関係式を満たす。なお、基準電圧値Ｖcomは一般には接地電位とされるので、以降ではＶcom＝０とする。また、これら参照電圧値Ｖref1〜Ｖref12それぞれは参照電圧供給回路３０より供給される。参照電圧供給回路３０は、例えば、抵抗器が縦続接続された抵抗分割回路である。
【００６１】
容量制御部２０３は、スイッチ素子ＳＷ250における切替動作を制御する。また、容量制御部２０３は、このスイッチ素子ＳＷ250における切替状況を記憶しており、この切替状況および比較部２０２から出力された信号に基づいて、１２ビットのデジタル値（Ｄ11〜Ｄ0）を出力する。
【００６２】
次に、第３実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の動作について説明する。Ａ／Ｄ変換処理の第１段階では、スイッチ素子ＳＷ202は閉じていて、帰還容量素子Ｃ202は放電されている。スイッチ素子ＳＷ250は、基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられている。スイッチ素子ＳＷ251は閉じている。また、スイッチ素子ＳＷ252は開いている。そして、スイッチ素子ＳＷ202が開いて、積分回路１０から出力された電圧値Ｖinに応じた電荷量Ｑが帰還容量素子Ｃ202に蓄積される。ここで、電荷量Ｑは上記(4)式で表される。その後、実際のＡ／Ｄ変換処理が開始される。
【００６３】
Ａ／Ｄ変換処理の第２段階では、可変容量部２５０に含まれるスイッチ素子ＳＷ250は、参照電圧値Ｖref1と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。すなわち、スイッチ素子ＳＷ250が参照電圧値Ｖref1の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ（上記(4)式）のうち、
【数２０】
0004579433.tif 000021
なる式で表される電荷量Ｑ250が容量素子Ｃ250に移動し、
【数２１】
0004579433.tif 000022
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００６４】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべき最上位ビットＤ11の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖin−Ｖref1／２）が正であればＤ11＝１とされ、そうでなければＤ11＝０とされる。このビットＤ11の値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ1はＣ・Ｖref1以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ1は、Ｖref1／２以下であって、以上の第２段階においてＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００６５】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第２段階の後に、スイッチ素子ＳＷ251が開き、スイッチ素子ＳＷ252が閉じ、スイッチ素子ＳＷ250が基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられて、容量素子Ｃ250が放電される。そして、スイッチ素子ＳＷ251が閉じ、スイッチ素子ＳＷ252が開く。その後、Ａ／Ｄ変換処理の第３段階が開始される。
【００６６】
Ａ／Ｄ変換処理の第３段階では、第２段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ1について、可変容量部２５０に含まれるスイッチ素子ＳＷ250は、参照電圧値Ｖref2と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。すなわち、スイッチ素子ＳＷ250が参照電圧値Ｖref2の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ1のうち、
【数２２】
0004579433.tif 000023
なる式で表される電荷量Ｑ250が容量素子Ｃ250に移動し、
【数２３】
0004579433.tif 000024
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００６７】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖ1−Ｖref1／２2）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ1−Ｖref1／２2）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ1−Ｖref1／２2）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ10の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖ1−Ｖref1／２2）が正であればＤ10＝１とされ、そうでなければＤ10＝０とされる。このビットＤ10の値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ2はＣ・Ｖref1／２以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ2は、Ｖref1／２2以下であって、以上の第３段階においてＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００６８】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第３段階の後に、スイッチ素子ＳＷ251が開き、スイッチ素子ＳＷ252が閉じ、スイッチ素子ＳＷ250が基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられて、容量素子Ｃ250が放電される。そして、スイッチ素子ＳＷ251が閉じ、スイッチ素子ＳＷ252が開く。その後、Ａ／Ｄ変換処理の第４段階が開始される。
【００６９】
Ａ／Ｄ変換処理の第４段階では、第３段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ2について、可変容量部２５０に含まれるスイッチ素子ＳＷ250は、参照電圧値Ｖref3と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。すなわち、スイッチ素子ＳＷ250が参照電圧値Ｖref3の方に切り替わる。これにより、帰還容量素子Ｃ202に蓄積されていた電荷Ｑ2のうち、
【数２４】
0004579433.tif 000025
なる式で表される電荷量Ｑ250が容量素子Ｃ250に移動し、
【数２５】
0004579433.tif 000026
なる式で表される電荷量Ｑ202が帰還容量素子Ｃ202に残る。
【００７０】
そして、アンプ２０１より電圧値（Ｖ2−Ｖref1／２3）が出力される。比較部２０２により、アンプ２０１より反転入力端子に入力する電圧値（Ｖ2−Ｖref1／２3）と、非反転入力端子に入力する基準電圧値Ｖcom（＝０）とが、大小比較されて、電圧値（Ｖ2−Ｖref1／２3）の符号が判定される。この結果は、容量制御部２０３に入力され、出力すべきビットＤ9の値として記憶される。すなわち、電圧値（Ｖ2−Ｖref1／２3）が正であればＤ9＝１とされ、そうでなければＤ9＝０とされる。このビットＤ9の値が決定された時点では、帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量Ｑ3はＣ・Ｖref1／２2以下であり、アンプ２０１から出力される電圧値Ｖ3は、Ｖref1／２3以下であって、以上の第４段階においてＡ／Ｄ変換し切れなかった残差である。
【００７１】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第４段階の後に、スイッチ素子ＳＷ251が開き、スイッチ素子ＳＷ252が閉じ、スイッチ素子ＳＷ250が基準電圧値Ｖcomの方に切り替えられて、容量素子Ｃ250が放電される。そして、スイッチ素子ＳＷ251が閉じ、スイッチ素子ＳＷ252が開く。その後、Ａ／Ｄ変換処理の第５段階が開始される。
【００７２】
Ａ／Ｄ変換処理の第５段階以降も同様である。Ａ／Ｄ変換処理の第１３段階では、第１２段階終了時に帰還容量素子Ｃ202に残っている電荷量について、可変容量部２５０に含まれるスイッチ素子ＳＷ250は、参照電圧値Ｖref12と基準電圧値Ｖcomとの間で切替動作が行われる。この第１３段階では、最下位ビットＤ0の値が容量制御部２０３に記憶される。
【００７３】
以上のＡ／Ｄ変換処理の第１３段階が終了した時点では、１２レベルの参照電圧値Ｖref1〜Ｖref12それぞれの場合におけるスイッチ素子ＳＷ250の切替状況に応じた１２ビットのデジタル値Ｄ11〜Ｄ0が容量制御部２０３に記憶されている。そして、第１３段階が終了した後、この１２ビットのデジタル値Ｄ11〜Ｄ0が容量制御部２０３より出力される。
【００７４】
このＡ／Ｄ変換回路２０では、可変容量部２４０に含まれる容量素子および帰還容量部Ｃ202の全体がチップ上で占有する面積は、容量値２４Ｃ（＝８Ｃ＋１６Ｃ）の容量素子１つ分の占有面積に相当する。一方、従来の１２ビットデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路では、１２個の容量素子が占有する面積は、容量値２12Ｃの容量素子１つ分の占有面積に相当する。このように、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０は、従来のものと比較して容量素子の占有面積が１／１７０であり、第１実施形態に係るものと比較して容量素子の占有面積が２／５である。
【００７５】
（変形例）
一般に、本発明に係るＡ／Ｄ変換回路に含まれる可変容量部の個数Ｍは１以上であり、Ｍ個の可変容量部のうち第ｍ（１≦ｍ≦Ｍ）の可変容量部に含まれる容量素子の個数Ｎmは１以上であり、第ｍの可変容量部に含まれるＮm個の容量素子それぞれの他端（アンプの入力端子に接続される一端とは逆の側）に入力する参照電圧値のレベル数Ｐmは２以上である。第ｍの可変容量部に含まれるＮm個の容量素子それぞれの容量値をＣm,1〜Ｃm,Nmとし、第ｍの可変容量部に供給される参照電圧値をＶref,m,1〜Ｖref,m,Pmとすると、各ｍ値、各ｎ値（１≦ｎ≦Ｎm）および各ｐ値（１≦ｐ≦Ｐm）について、Ｃm,n・Ｖref,m,p の各値が互いに異なるように設定される。また、Ｃm,n・Ｖref,m,p の各値は、昇順に並べたときに公比が２である等比数列であるのが好適である。Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値のビット数は、Ｎ１Ｐ１＋Ｎ２Ｐ２＋…＋ＮＭＰＭなる式で表される。
【００７６】
上記の各実施形態では、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値のビット数は１２であったが、他の任意の数であってもよい。上記第１実施形態ではＭ＝３、各Ｎm＝４、各Ｐm＝１ であったが、一般には、Ｍが２以上の任意の数であって、各Ｎmも２以上の任意の数であってよい。上記第２実施形態では Ｍ＝１、Ｎ1＝４、Ｐ1＝３ であったが、一般には、Ｎ1が２以上の任意の数であって、Ｐ1も２以上の任意の数であってよく、この場合には、Ｎ1個の容量素子がチップ上で占有する面積が更に小さい。上記第３実施形態では Ｍ＝１、Ｎ1＝１、Ｐ1＝１２ であったが、一般には、Ｐ1が２以上の任意の数であってよく、この場合には、１個の容量素子がチップ上で占有する面積が更に小さい。また、Ｍが複数であって、各Ｎm＝１、各Ｐm≧２ であってもよい。Ｍが複数であって、各Ｎmが異なっていてもよいし、各Ｐmが異なっていてもよい。
【００７７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係るＡ／Ｄ変換回路では、可変容量部に含まれる容量素子および帰還容量部の全体がチップ上で占有する面積は、従来のものと比較して小さい。したがって、このような占有面積が小さいＡ／Ｄ変換回路を含む固体撮像装置は、積分回路毎にＡ／Ｄ変換回路を設けることにより高速化を図ることができ、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値のビット数を多くすることにより高精度化を図ることもできる。また、光検出素子の個数を多くすることにより高解像度化を図ることもできる。また、本実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路は、従来のもの比較して、最大容量値が小さいので、寄生容量が小さく、この点でもＡ／Ｄ変換処理を高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０を含む固体撮像装置１の構成図である。
【図２】積分回路１０の回路図である。
【図３】第１実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の回路図である。
【図４】Ａ／Ｄ変換回路２０に入力する電圧値Ｖinと４つのビットＤ11〜Ｄ8それぞれの値との関係を示す図表である。
【図５】電圧値Ｖ1と４つのビットＤ7〜Ｄ4それぞれの値との関係を示す図表である。
【図６】電圧値Ｖ2と４つのビットＤ3〜Ｄ0それぞれの値との関係を示す図表である。
【図７】第２実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の回路図である。
【図８】第３実施形態に係るＡ／Ｄ変換回路２０の回路図である。
【符号の説明】
１…固体撮像装置、１０…積分回路、２０…Ａ／Ｄ変換回路、３０…参照電圧供給回路、４０…制御回路、２０１…アンプ、２０２…比較部、２０３…容量制御部、２１０，２２０，２３０，２４０，２５０…可変容量部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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