(57)【要約】【課題】フレームレート低下を伴わずに、高ビット精度化を実現可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】ＡＤ変換回路１０３は、第１の参照信号と第２の参照信号とのいずれか一方の参照信号を選択して出力する参照信号切替回路２００と、アナログ信号と第１の参照信号とを比較する第１の比較を行った後、アナログ信号と第２の参照信号とを比較する第２の比較を行うコンパレータ回路２０１と、第１の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第１のカウント回路２０２−２と、第２の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第２のカウント回路２０２−３とを有し、参照信号切替回路２００は、第１の比較において、コンパレータ回路２０１の比較結果が反転した時に出力している第１の参照信号の値を保持し、第２の比較において、第１の比較で保持された値が加算された第２の参照信号を出力する。【選択図】図３
2013251607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を含む複数の画素がマトリックス状に２次元配置されるとともに、当該複数の画素のマトリックス状配置に対して列毎に垂直信号線が配線されている撮像領域と、
前記撮像領域の各画素を行単位で選択する行走査部と、
前記行走査部によって選択された行の画素から前記垂直信号線を介して出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行うＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換に用いる第１の参照信号と第２の参照信号とを発生する参照信号発生部とを備え、
前記ＡＤ変換部は、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とのいずれか一方の参照信号を選択して出力する参照信号切替部と、
前記アナログ信号と前記第１の参照信号とを比較する第１の比較を行った後、前記アナログ信号と前記第２の参照信号とを比較する第２の比較を行う比較部と、
前記第１の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第１のカウント部と、
前記第２の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第２のカウント部とを有し、
前記参照信号切替部は、
前記第１の比較において、前記比較部の比較結果が反転した時に出力している前記第１の参照信号の値を保持し、
前記第２の比較において、前記第１の比較で保持された値が加算された前記第２の参照信号を出力する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記比較部は、前記第２の比較を複数回行う
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の参照信号の時間変化の傾きは、前記第１の参照信号の時間変化の傾きより小さい
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記ＡＤ変換部によるＡＤ変換において、前記第２の比較によるＡＤ変換は、前記第１の比較によるＡＤ変換よりも分解能が高い
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画素から出力されるアナログ信号とクロックに同期して変化する参照信号とを比較し、アナログ信号と参照信号とが一致するまでの時間を、クロックに同期するカウンタ回路でカウントすることでアナログ信号をデジタル信号に変換する、シングルスロープ型ＡＤ変換器を持つ固体撮像装置が報告されている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７８１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の従来技術では、ビット精度が高くなるにつれて、画素から出力されるアナログ信号と、クロックに同期して変化する参照信号との比較に要する時間が増大する。
【０００５】
例えば、ビット精度を２倍にすると、画素から出力されるアナログ信号と参照信号との比較に要する時間も２倍になる。その結果、フレームレートが約半分に低下する。従って、シングルスロープ型ＡＤ変換器を持つ固体撮像装置において、ビット精度向上を図った場合、フレームレートが低下するという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、フレームレート低下を伴わずに、高ビット精度化を実現可能な固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、光電変換部を含む複数の画素がマトリックス状に２次元配置されるとともに、当該複数の画素のマトリックス状配置に対して列毎に垂直信号線が配線されている撮像領域と、前記撮像領域の各画素を行単位で選択する行走査部と、前記行走査部によって選択された行の画素から前記垂直信号線を介して出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行うＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換に用いる第１の参照信号と第２の参照信号とを発生する参照信号発生部とを備え、前記ＡＤ変換部は、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とのいずれか一方の参照信号を選択して出力する参照信号切替部と、前記アナログ信号と前記第１の参照信号とを比較する第１の比較を行った後、前記アナログ信号と前記第２の参照信号とを比較する第２の比較を行う比較部と、前記第１の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第１のカウント部と、前記第２の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第２のカウント部とを有し、前記参照信号切替部は、前記第１の比較において、前記比較部の比較結果が反転した時に出力している前記第１の参照信号の値を保持し、前記第２の比較において、前記第１の比較で保持された値が加算された前記第２の参照信号を出力することを特徴とする。
【０００８】
本態様によれば、アナログ信号の電位によらず、アナログ信号の電位と第２の参照信号の電位とが近い状態で第２の比較を行うことができる。従って、第２の参照信号は第１の参照信号よりも極めて小さい振幅でよく、第２の比較は第１の比較よりも少ない時間で実行することができる。よって、第１の比較の結果を上位ビットとし、短い時間で完了する第２の比較の結果を下位ビットとして第１の比較の結果の下位ビットに加算するという２段階のＡＤ変換を行うことができる。これによって、フレームレートの低下を招くことなく高精度のＡＤ変換を行うことができる。
【０００９】
ここで、前記比較部は、前記第２の比較を複数回行ってもよい。
【００１０】
また、前記第２の参照信号の時間変化の傾きは、前記第１の参照信号の時間変化の傾きより小さくてもよい。
【００１１】
また、前記ＡＤ変換部によるＡＤ変換において、前記第２の比較によるＡＤ変換は、前記第１の比較によるＡＤ変換よりも分解能が高くてもよい。
【００１２】
なお、本発明の一態様は、このような固体撮像装置として実現できるだけでなく、固体撮像装置に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像装置の駆動方法、又は、そのような特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現することもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのはいうまでもない。
【００１３】
さらに、本発明の一態様は、このような固体撮像装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）、又は、このような固体撮像装置を含むカメラとして実現することもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、画素から垂直信号線を介して出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して読み出す構成の固体撮像装置において、異なる分解能を持つ複数のＡＤ変換を組み合わせることによって、フレームレート低下を伴わずに、高ビット精度のＡＤ変換を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素の詳細な構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体撮像装置のＡＤ変換回路の詳細な構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の動作を詳細に説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成及び動作について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成を示す図である。図２は、画素１００の詳細な構成を示す回路図である。
【００１８】
図１より、固体撮像装置１は、画素（単位セル）１００がマトリックス状に配置されている撮像領域（画素アレイ）１０１と、行選択回路１０２と、カラムＡＤ部１０９と、参照信号発生部１０４と、メモリ／列走査回路１０５と、デジタル画像データ出力線（外部出力線）１０６と、タイミング制御回路１１０とを備える。
【００１９】
図２より、画素１００は、受光部であり、受光した光を光電変換する光電変換部でもあるフォトダイオード４００と、フォトダイオード４００に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）４０１に転送する転送トランジスタ４０２と、ＦＤ４０１の電荷を排出するためのリセットトランジスタ４０３と、ＦＤ４０１の電荷量（ゲート電位）に応じた信号を増幅する増幅トランジスタ４０４とを備える。なお、画素１００は、これらに加えて画素１００の選択を行うための選択トランジスタを、増幅トランジスタ４０４と垂直信号線１０８との間に有していても良い。また、フォトダイオード４００及び転送トランジスタ４０２の組が複数組同一のＦＤ４０１に接続されていて、画素１００は、フォトダイオード４００及び転送トランジスタ４０２の複数組でリセットトランジスタ４０３及び増幅トランジスタ４０４を共有する構成でも良い。
【００２０】
また、撮像領域１０１は、マトリックス状にｉ行ｊ列（ｉ、ｊは任意の自然数）配置された画素１００と、ｉ本の行選択線１０７−１〜１０７−ｉと、ｊ本の垂直信号線１０８−１〜１０８−ｊとを備え、第ｘ行ｙ列（ｘ、ｙは任意の自然数）の画素１００には行選択線１０７−ｘと垂直信号線１０８−ｙとが接続されている撮像部である。なお、行選択線１０７−１〜１０７−ｉについて、特定の行の行選択線を指定せず、任意のいずれかの行の行選択線について述べるときには単に行選択線１０７ともいう。垂直信号線１０８−１〜１０８−ｊについても同様に、任意のいずれかの列の垂直信号線について述べるときには単に垂直信号線１０８ともいう。
【００２１】
このとき、垂直信号線１０８は、画素１００の列に対応して設けられ、対応する列の画素１００から出力されるアナログ信号をカラムＡＤ部１０９に伝達する。一方、行選択線１０７は、画素１００の行に対応して設けられ、行選択回路１０２から出力される、対応する行の画素１００を駆動するための駆動信号（信号ＲＥＳＥＴ及び転送信号ＴＲＡＮＳ）を対応する行の画素１００に伝達する。
【００２２】
また、行選択回路１０２は、画素１００を列方向に行単位で走査し、垂直信号線１０８にアナログ信号を出力させる画素１００の行を選択する行走査部である。
【００２３】
また、タイミング制御回路１１０は、外部端子等を介して入力されたマスタークロック及びデータ等に基づいて種々の内部クロックを生成し、行選択回路１０２、参照信号発生部１０４、メモリ／列走査回路１０５及びカラムＡＤ部１０９等を制御する。
【００２４】
また、参照信号発生部１０４は、時間が経過するにつれてレベルが傾斜状に変化するランプ波形の参照信号（ランプ信号）を生成する手段であり、タイミング制御回路１１０から入力される第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１に同期する第１の参照信号ＲＡＭＰ１と、第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ２に同期する第２の参照信号ＲＡＭＰ２とを生成する。参照信号発生部１０４として、例えば、２組の抵抗ラダー回路とスイッチ回路とで構成されたＤＡＣ回路を用いることができる。
【００２５】
また、カラムＡＤ部１０９は、水平方向に配置された複数のＡＤ変換回路１０３−１〜１０３−ｊで構成されている。ＡＤ変換回路１０３−１〜１０３−ｊは、それぞれ画素１００の列（垂直信号線１０８）に対応して設けられ、対応する列の画素１００から出力されたアナログ信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換により生成されたデジタル信号をメモリ／列走査回路１０５に出力するＡＤ変換部である。複数のＡＤ変換回路１０３−１〜１０３−ｊに対して、１つの参照信号発生部１０４が共通して設けられている。なお、ＡＤ変換回路１０３−１〜１０３−ｊについて、特定の列のＡＤ変換回路を指定せず、任意のいずれかの列のＡＤ変換回路について述べるときには単にＡＤ変換回路１０３ともいう。
【００２６】
また、メモリ／列走査回路１０５は、カラムＡＤ部１０９のＡＤ変換で生成されたデジタル信号の出力制御を行う列走査部であり、複数のＡＤ変換回路１０３のそれぞれから入力されるデジタル信号をデジタル画像データ出力線１０６に順次出力する。
【００２７】
また、デジタル画像データ出力線１０６は、メモリ／列走査回路１０５によって出力されるデジタル信号を伝送する出力線である。
【００２８】
なお、図１では垂直信号線１０８の本数とＡＤ変換回路１０３の数とが同一、つまり垂直信号線１０８とＡＤ変換回路１０３とが１対１に対応しているが、垂直信号線１０８の本数に比べてＡＤ変換回路１０３の数を減らした構成をとることも可能である。つまり、複数の垂直信号線１０８でＡＤ変換回路１０３を共有することも可能である。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置の詳細な構成つまりＡＤ変換回路１０３の詳細な構成を示す回路図である。
【００３０】
図３より、ＡＤ変換回路１０３は、参照信号切替回路（参照信号切替部）２００と、コンパレータ回路２０１と、カウンタ回路２０２とを備え、対応する垂直信号線１０８に接続されている。
【００３１】
参照信号切替回路２００は、入力される第１の参照信号ＲＡＭＰ１と第２の参照信号ＲＡＭＰ２とのいずれか一方の参照信号を選択して、選択した参照信号を参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴとしてコンパレータ回路２０１へ出力する。
【００３２】
また、参照信号切替回路２００は、第１の参照信号ＲＡＭＰ１を保持する参照信号保持部２０９を有する。
【００３３】
さらに、参照信号切替回路２００は、例えば、容量２１０、容量２１１及びスイッチ２１２を有する。なお、参照信号切替回路２００は、図３の構成から、容量２１０を削除して容量２１１及びスイッチ２１２で構成することもできる。ここで、容量２１１の容量値は容量２１０の容量値よりも十分大きく、第２の参照信号ＲＡＭＰ２の傾きと参照信号切替回路２００の出力である参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの傾きとを等しくできる。
【００３４】
また、コンパレータ回路２０１は、画素１００から垂直信号線１０８及び容量２１３−２を介して出力されるアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴと、参照信号切替回路２００から容量２１３−１を介して出力される参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴとを比較し、両者の大小関係に応じて“Ｌ”レベル及び“Ｈ”レベルのいずれかとなるコンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴを出力する比較部である。コンパレータ回路２０１は、例えば、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴより参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの方が大きい場合は“Ｌ”レベルを、その逆の場合は“Ｈ”レベルを出力する。なお、容量２１３−１及び容量２１３−２は、コンパレータ回路２０１の入力オフセットをキャンセルする効果を高めることを目的としており、各列のＡＤ変換回路１０３間の動作タイミングのばらつきが小さくなり、フレームレートを高めることができる。但し、回路面積の縮小を優先させる場合は、容量２１３−１及び容量２１３−２のない構成でも良い。
【００３５】
また、カウンタ回路２０２は、コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴに応じて参照信号切替回路２００のスイッチ２１２のオン及びオフを切り替える制御信号（切替信号）ＲＡＴＣＨを出力するフィードバック部２０３と、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１及び第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ２のそれぞれに同期したクロックカウントを行って画素１００のアナログ信号に対応するデジタル値（デジタル信号）を得るカウント部とを有する。
【００３６】
このとき、フィードバック部２０３による切り替えにより、参照信号切替回路２００において第１の参照信号ＲＡＭＰ１と第２の参照信号ＲＡＭＰ２とのいずれが選択されるかが決定される。カウント部は、例えば、コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴをラッチするラッチ部としてのラッチ回路２０２−１と、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１に同期する第１のカウント部としての第１のカウント回路２０２−２と、第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ２に同期する第２のカウント部としての第２のカウント回路２０２−３とで構成することができる。
【００３７】
また、カウンタ回路２０２は、得られたデジタル値をメモリ／列走査回路１０５に出力する。メモリ／列走査回路１０５に出力されたデジタル値は、デジタル画像データ出力線１０６によって固体撮像装置１外部に出力される。
【００３８】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明する。
【００３９】
図４は、固体撮像装置１の動作、具体的にはＡＤ変換の動作を詳細に説明するためのタイミングチャートである。
【００４０】
なお、図４中の信号ＲＥＳＥＴは、画素１００のリセットトランジスタ４０３のゲート端子に与えられる信号を示す。転送信号ＴＲＡＮＳは、画素１００の転送トランジスタ４０２のゲート端子に与えられる信号を示す。アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴは、垂直信号線１０８の電位を示す。第１の参照信号ＲＡＭＰ１及び第２の参照信号ＲＡＭＰ２は、それぞれ、参照信号発生部１０４で生成される信号を示す。
【００４１】
また、参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴは、参照信号切替回路２００の出力を示す。第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１は、タイミング制御回路１１０で生成され、参照信号発生部１０４で第１の参照信号ＲＡＭＰ１を発生させるのに用いられる信号を示す。第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ２は、タイミング制御回路１１０で生成され、参照信号発生部１０４で第２の参照信号ＲＡＭＰ２を発生させるのに用いられる信号を示す。
【００４２】
また、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１は、タイミング制御回路１１０で生成され、第１のカウント回路２０２−２に与えられるクロック信号を示す。第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ２は、タイミング制御回路１１０で生成され、第２のカウント回路２０２−３に与えられるクロック信号を示す。コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴは、コンパレータ回路２０１の出力を示す。制御信号ＬＡＴＣＨは、ラッチ回路２０２−１が参照信号切替回路２００に与える信号を示す。
【００４３】
また、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１及びＣＬＯＣＫ＿Ｃ１並びに第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ２及びＣＬＯＣＫ＿Ｃ２は、それぞれ高さが一定で等間隔のクロックである。
【００４４】
本実施形態に係る固体撮像装置の動作は、ＡＤ変換が、第１の参照信号ＲＡＭＰ１を用いた第１のＡＤ変換と、第２の参照信号ＲＡＭＰ２を用いた第２のＡＤ変換とからなることを特徴とする。このとき、第１のＡＤ変換の期間を第１のＡＤ変換期間（図４のＡで示した期間）とし、第２のＡＤ変換の期間を第２のＡＤ変換期間（図４のＢで示した期間）と呼ぶ。
【００４５】
最初に、信号ＲＥＳＥＴが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転してリセットトランジスタ４０３がオンし、フローティングディフュージョン４０１が所定の電位に設定され、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴとして所定の電位に応じたリセット信号が出力される。そして、画素１００からリセット信号が出力されている時に、リセット信号について第１のＡＤ変換及び第２のＡＤ変換の２段階のＡＤ変換が行われる。
【００４６】
次に、タイミングＴ１で、第１のＡＤ変換期間を開始させる。具体的に、参照信号発生部１０４に第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１を供給して第１の参照信号ＲＡＭＰ１を発生させ、第１のカウント回路２０２−２に第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１を供給して第１のカウント回路２０２−２を動作させる。なお、第１のカウント回路２０２−２及び第２のカウント回路２０２−３は、ダウンカウントでカウント動作を行う。
【００４７】
次に、第１の参照信号ＲＡＭＰ１とアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴとの比較（第１の比較）をコンパレータ回路２０１で行わせる。この比較において、コンパレータ回路２０１のコンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴの電位は、第１の参照信号ＲＡＭＰ１の電位とアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位とが一致したタイミングＴ１ａで、“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転する。カウンタ回路２０２のラッチ回路２０２−１は、このコンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴの反転を検知し、制御信号ＬＡＴＣＨの電位を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転させ、参照信号切替回路２００のスイッチ２１２を切ってオフにする。これにより、タイミングＴ１ａの直後（制御信号ＬＡＴＣＨの電位が“Ｈ”レベルに反転した直後）の第１の参照信号ＲＡＭＰ１の電位（参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの電位）が参照信号保持部２０９に保持される。このとき、第１のカウント回路２０２−２でも、コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴの反転が検知され、カウント動作が停止される。そして、タイミングＴ２で、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１及び第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１の供給は停止される。
【００４８】
なお、第１のＡＤ変換期間には、第２の参照信号ＲＡＭＰ２の電位は、一定に保たれており、変化しない。
【００４９】
次に、タイミングＴ３で、第２のＡＤ変換を開始させる。具体的に、参照信号発生部１０４に第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ２を供給して第２の参照信号ＲＡＭＰ２を発生させ、第２のカウント回路２０２−３に第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ２を供給して第２のカウント回路２０２−３を動作させる。そして、参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴがアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位を上回るよう、第２の参照信号ＲＡＭＰ２にオフセットを付けて参照信号切替回路２００に入力する。この第２のＡＤ変換の開始時点で、コンパレータ回路２０１に入力されている参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの電位は、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位と第１の参照信号ＲＡＭＰ１の電位とが一致した直後の第１の参照信号ＲＡＭＰ１の電位で参照信号保持部２０９に保持されている。従って、参照信号切替回路２００に第２の参照信号ＲＡＭＰ２を入力することにより、参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴは、参照信号保持部２０９に保持されている電位分だけ第２の参照信号ＲＡＭＰ２からシフトしたものとなる。
【００５０】
次に、参照信号保持部２０９に保持されている電位が加算された第２の参照信号ＲＡＭＰ２とアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴとの比較（第２の比較）をコンパレータ回路２０１で行わせる。この比較において、コンパレータ回路２０１のコンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴの電位は、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位と参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの電位とが一致した時に、“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転する。第２のカウント回路２０２−３は、コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴの反転を検知し、カウント動作を停止する。このとき、ラッチ回路２０２−１からの制御信号ＬＡＴＣＨの電位は、既に“Ｈ”レベルに切り替わっているため、電位は変化しない。
【００５１】
次に、タイミングＴ３で開始されて第２のカウント回路２０２−３のカウント動作が停止されるまでに行われた動作、言い換えると第２の比較を再び行わせる。第２のＡＤ変換期間中、この動作が複数回（図４では４回）繰り返された後、タイミングｔ４で第２のＡＤ変換が終了する。
【００５２】
以上の第１のＡＤ変換及び第２のＡＤ変換のそれぞれで得られたカウント値が、リセット信号のデジタル値としてカウンタ回路２０２に保持される。
【００５３】
次に、タイミングＴ４からタイミングＴ５までの期間で転送信号ＴＲＡＮＳが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転して転送トランジスタ４０２がオンし、フォトダイオード４００の受光量に対応する信号電荷がフォトダイオード４００からフローティングディフュージョン４０１へ転送される。そして、転送後のフローティングディフュージョン４０１の電位に応じた光信号（撮像信号）がアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴとして出力される。そして、光信号が画素１００から出力されている時に、光信号について第１のＡＤ変換及び第２のＡＤ変換の２段階のＡＤ変換が行われる。
【００５４】
次に、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位が安定したタイミングＴ５で、リセット信号のＡＤ変換と同じように、第１のＡＤ変換を開始させる。なお、光信号のＡＤ変換では、第１のカウント回路２０２−２及び第２のカウント回路２０２−３は先ほどとは逆のアップカウントでカウント動作させる。
【００５５】
次に、先ほどと同様、第１の参照信号ＲＡＭＰ１とアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴとの比較（第１の比較）をコンパレータ回路２０１で行わせる。この比較において、コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴの電位が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転するタイミングＴ６で、制御信号ＬＡＴＣＨの電位が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転する。制御信号ＬＡＴＣＨが“Ｈ”レベルに反転したことを受けて、参照信号切替回路２００ではスイッチ２１２が切られ、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位と参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの電位とが一致した直後の第１の参照信号ＲＡＭＰ１の電位が参照信号保持部２０９に保持される。
【００５６】
なお、第１のＡＤ変換期間には、第２の参照信号ＲＡＭＰ２の電位は、一定に保たれており、変化しない。また、第１のＡＤ変換期間では、参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの変曲点と、コンパレータ出力ＡＤ＿ＯＵＴ及び制御信号ＬＡＴＣＨの立ち上がりのタイミングとが一致する。
【００５７】
次に、タイミングＴ７で、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１及び第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１の供給を停止し、光信号について第１のＡＤ変換を終了させる。
【００５８】
次に、タイミングＴ８で、リセット信号のＡＤ変換と同じように、第２のＡＤ変換を開始させる。
【００５９】
次に、参照信号保持部２０９に保持されている電位が加算された第２の参照信号ＲＡＭＰ２とアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴとの比較（第２の比較）をコンパレータ回路２０１で行わせる。この比較において、第２のカウント回路２０２−３は、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位と参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの電位とが一致した時、カウント動作を停止する。このとき、ラッチ回路２０２−１からの制御信号ＬＡＴＣＨの電位は、既に“Ｈ”レベルに切り替わっているため、電位は変化しない。
【００６０】
次に、タイミングＴ８で開始されて第２のカウント回路２０２−３のカウント動作が停止されるまでに行われた動作、言い換えると第２の比較を再び行わせる。第２のＡＤ変換期間中、この動作が複数回（図４では４回）繰り返され、下位カウンタがアップカウントで動作された後、タイミングＴ９で第２のＡＤ変換期間が終了する。
【００６１】
以上のタイミングＴ１からタイミングＴ９までの動作により、カウンタ回路２０２では、第１のＡＤ変換及び第２のＡＤ変換のそれぞれで得られたカウント値が、（光信号）−（リセット信号）に相当する値として保持されるため、固定パターンノイズ成分が相殺された撮像信号を得ることができる。
【００６２】
以上、本実施形態に係る固体撮像装置１は、最初に上位Ｎ（Ｎは任意の自然数）ｂｉｔのＡＤ変換（第１のＡＤ変換）を行った後、１ｂｉｔのＡＤ変換をＭ（Ｍは任意の自然数）回繰り返すことにより下位ＭｂｉｔのＡＤ変換（第２のＡＤ変換）を行う、合計Ｎ＋ＭｂｉｔのＡＤ変換器をＡＤ変換回路１０３として備える。言い換えると、固体撮像装置１は、シングルスロープ型ＡＤ変換器の機能を拡張することで、上記のような２段階のＡＤ変換を行うＡＤ変換器をＡＤ変換回路１０３として備える。
【００６３】
つまり、固体撮像装置１は、Ｎｂｉｔ用のＤＡＣ１と、１ｂｉｔ用のＤＡＣ２と、コンパレータ回路２０１の前段に設けられ、複数の参照信号からひとつを選択する参照信号切替回路２００とを備える。そして、最初にＮｂｉｔ用のＤＡＣ１からの参照信号を参照信号切替回路２００により選択して選択した参照信号を用いて上位ＮｂｉｔのＡＤ変換を行う。このＡＤ変換において、参照信号との比較が終了（比較結果が反転）しカウンタが停止したときのタイミングが参照信号切替回路２００にフィードバックされ、比較終了時の参照信号の電圧値が参照信号切替回路２００で保持される。そして、すべての列の上位ｂｉｔのＡＤ変換が完了してから、１ｂｉｔ用のＤＡＣ２からの参照信号を参照信号切替回路２００により選択して選択した参照信号を用いて１ｂｉｔのＡＤ変換をＭ回行う。
【００６４】
これにより、アナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位によらず、第２のＡＤ変換においてアナログ信号ＳＦ＿ＯＵＴの電位と参照信号ＲＡＭＰ＿ＯＵＴの電位とが近い状態でコンパレータ回路２０１による比較を行うことができる。従って、第２の参照信号ＲＡＭＰ２は第１の参照信号ＲＡＭＰ１よりも極めて小さい振幅でよく、第２のＡＤ変換は第１のＡＤ変換よりも少ない時間で実行することができる。
【００６５】
また、固体撮像装置１では、第２のＡＤ変換のビット数Ｍは、第２のＡＤ変換における繰り返し回数で決まる。すなわち、Ｍビットの精度で第２のＡＤ変換を行うには第２のＡＤ変換において２Ｍ回繰り返しを行えばよい。さらに、図４のタイミングチャートの手順で行われる全体のＡＤ変換精度は、第１のＡＤ変換の精度と第２のＡＤ変換の精度との合計で決まるため、第２のＡＤ変換の精度に応じて第１のＡＤ変換の精度を調整できる。
【００６６】
これにより、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１のＡＤ変換の結果を上位Ｎビットとし、短い時間で完了する第２のＡＤ変換の結果を下位Ｍビットとして第１のＡＤ変換の結果の下位ビットに加算するという２段階のＡＤ変換を行うことができる。これによって、フレームレートの低下を招くことなく高精度のＡＤ変換を行うことができる。つまり、ＡＤ変換に必要な時間を増加することなく、ＡＤ変換精度を上げることが可能になる。
【００６７】
例えば、Ｎ＋Ｍビットの精度のＡＤ変換を行うのに要するクロック数は、特許文献１の従来技術においては２（Ｎ＋Ｍ）サイクルだが、本実施形態による構成では、第１のＡＤ変換の結果を保持して、比較的小さな振幅の参照信号で第２のＡＤ変換を行うことで２Ｎ＋２Ｍサイクル程度で済む。
【００６８】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置は、上位のビット数Ｎと下位のビット数Ｍとは第２のＡＤ変換における繰り返し回数によって可変である。例えば１４ビットのデジタル画像データ（撮像信号）を得たい場合、Ｎ＝１２かつＭ＝２としてもよいし、あるいはＮ＝１３かつＭ＝１としてもよい。
【００６９】
また、本実施形態に係る固体撮像装置は、Ｎビットの第１のＡＤ変換とＭビットの第２のＡＤ変換とを組み合わせてＮ＋Ｍビットのデジタル画像データを得るために、参照信号切替回路２００の容量２１０及び容量２１１に対して、
（容量２１１の容量値）＝（容量２１０の容量値）／（２Ｍ−１）
という関係を持たせてもよい。これにより、第１の参照信号ＲＡＭＰ１の傾きより第２の参照信号ＲＡＭＰ２の傾きを緩やかにして、第１のＡＤ変換の変換精度より第２のＡＤ変換の変換精度を細かくすることができる。この場合、第２のＡＤ変換動作における繰り返し行うことなく、Ｍビットのデジタル信号を得ることができる。
【００７０】
また、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の参照信号ＲＡＭＰ１の傾きより第２の参照信号ＲＡＭＰ２の傾きを緩やかにすることによって、第１のＡＤ変換の変換精度より第２のＡＤ変換の変換精度を細かくするには、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１、第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ２、第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１、及び第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ２に対して、
（第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ１の周波数）＝（第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｄ２の周波数）
＝（第１のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ１の周波数）／２Ｍ＝（第２のクロック信号ＣＬＯＣＫ＿Ｃ２の周波数）
という関係を持たせてもよい。この場合でも、第２のＡＤ変換における繰り返し行うことなく、Ｍビットのデジタル信号を得ることが可能である。
【００７１】
つまり、本実施形態に係る固体撮像装置１は、フォトダイオード４００を含む画素１００がマトリックス状に２次元配置されるとともに、当該複数の画素１００のマトリックス状配置に対して列毎に垂直信号線１０８が配線されている撮像領域１０１と、撮像領域１０１の各画素１００を行単位で選択する行選択回路１０２とを備える。固体撮像装置１は、さらに、行選択回路１０２によって選択された行の画素１００から垂直信号線１０８を介して出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路１０３と、ＡＤ変換回路１０３のＡＤ変換に用いる第１の参照信号と第２の参照信号とを発生する参照信号発生部１０４とを備える。そして、ＡＤ変換回路１０３は、第１の参照信号と第２の参照信号とのいずれか一方の参照信号を選択して出力する参照信号切替回路２００と、アナログ信号と第１の参照信号とを比較する第１の比較を行った後、アナログ信号と第２の参照信号とを比較する第２の比較を行うコンパレータ回路２０１と、第１の比較において比較結果が反転するまでの時間（比較動作の開始から比較動作の終了までの時間）をカウントする第１のカウント回路２０２−２と、第２の比較において比較結果が反転するまでの時間をカウントする第２のカウント回路２０２−３とを有する。そして、参照信号切替回路２００は、第１の比較において、コンパレータ回路２０１の比較結果が反転した時（第１の参照信号とアナログ信号とが一致した時）に出力している第１の参照信号の値を保持し、第２の比較において、第１の比較で保持された値が加算された第２の参照信号を出力する。
【００７２】
このとき、本実施形態に係る固体撮像装置１では、参照信号切替回路２００は、第１の参照信号をＡＤ変換回路１０３に供給するための第１の信号線と、第２の参照信号をＡＤ変換回路１０３に供給するための第２の信号線とでＡＤ変換回路１０３と接続される。そして、コンパレータ回路２０１は、一方の入力端子に垂直信号線１０８が接続され、他方の入力端子に参照信号切替回路２００が接続され、出力端子に第１のカウント回路２０２−２及び第２のカウント回路２０２−３が接続される。そして、参照信号切替回路２００は、コンパレータ回路２０１の一方の入力端子と第１の信号線との間に挿入され、コンパレータ回路２０１の一方の入力端子と第１の信号線との導通及び非導通を切り換えるスイッチ２１２と、コンパレータ回路２０１の一方の入力端子とスイッチ２１２との接続点に接続された容量２１０と、コンパレータ回路２０１の一方の入力端子と第２の信号線との間に挿入された容量２１１とを有する。そして、固体撮像装置１は、さらに、コンパレータ回路２０１の出力端子に接続され、第１の比較においてコンパレータ回路２０１による比較結果を保持するラッチ回路２０２−１を備え、スイッチ２１２は、ラッチ回路２０２−１で保持された比較結果に応じて切り換えられる。
【００７３】
また、本実施形態に係る固体撮像装置１では、コンパレータ回路２０１は、第２の比較を複数回行う。
【００７４】
また、本実施形態に係る固体撮像装置１では、ＡＤ変換回路１０３によるＡＤ変換において、第２の比較によるＡＤ変換は、第１の比較によるＡＤ変換よりも分解能が高くできる。本実施形態に係る固体撮像装置１では、第２の参照信号の時間変化の傾きは、第１の参照信号の時間変化の傾きより小さくする。これにより、第１のＡＤ変換の変換精度より第２のＡＤ変換の変換精度を細かくすることができる。
【００７５】
つまり、画素１００から出力されるアナログ信号をデジタル値に変換する際、まず第１の参照信号を用いた第１の比較により比較的粗い精度で第１のＡＤ変換を行う。そして、第１のＡＤ変換時に画素１００から出力されるアナログ信号と一致した直後の第１の参照信号を保持し、第２の参照信号を画素１００から出力されるアナログ信号に近づけた状態とした上で、第２の参照信号を用いた第２の比較により細かい精度で第２のＡＤ変換を行う。そして、第１のＡＤ変換の結果を上位Ｎビット、第２のＡＤ変換の結果を下位Ｍビットとして合計Ｎ＋Ｍビットのデジタル画像データを得る。よって、Ｎ＋Ｍビットの精度のＡＤ変換を行うのに要するクロック数は、２Ｎ＋２Ｍサイクルで済むため、ビット精度を上げてもフレームレートの低下を防ぐことができる。
【００７６】
以上、本発明の固体撮像装置について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【００７７】
例えば、本実施形態に係る固体撮像装置１では、リセット信号の計測をダウンカウント、光信号の計測をアップカウントで行うことによってＣＤＳの処理を行っている。しかし、固体撮像装置１は、カウンタ回路２０２の後段にリセット信号及び光信号を個別に保持するメモリを備え、メモリで保持されたリセット信号及び光信号の計測値に対して差分をとるような構成でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、固体撮像装置が用いられるディジタルスティルカメラ、デジタルビデオカメラ、医療用カメラ、監視用カメラ、画像認識システム等に有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１００    画素
１０１    撮像領域
１０２    行選択回路
１０３、１０３−１、１０３−２、１０３−ｊ    ＡＤ変換回路
１０４    参照信号発生部
１０５    メモリ／列走査回路
１０６    デジタル画像データ出力線
１０７、１０７−１、１０７−２、１０７−ｉ    行選択線
１０８、１０８−１、１０８−２、１０８−ｊ    垂直信号線
１０９    カラムＡＤ部
１１０    タイミング制御回路
２００    参照信号切替回路
２０１    コンパレータ回路
２０２    カウンタ回路
２０２−１    ラッチ回路
２０２−２    第１のカウント回路
２０２−３    第２のカウント回路
２０３    フィードバック部
２０９    参照信号保持部
２１０、２１１、２１３−１、２１３−２    容量
２１２    スイッチ
４００    フォトダイオード
４０１    フローティングディフュージョン
４０２    転送トランジスタ
４０３    リセットトランジスタ
４０４    増幅トランジスタ
【図１】
2013251607.tif 000003
【図２】
2013251607.tif 000004
【図３】
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【図４】
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