信號(hào)處理裝置、成像裝置和成像設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)涉及信號(hào)處理裝置和方法、成像裝置和成像設(shè)備,更具體地,涉及被設(shè)計(jì)為抑制A/D轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生的信號(hào)處理裝置和方法、成像裝置和成像設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在普通圖像傳感器中,讀取存儲(chǔ)在受光單元(光電二極管)中的電荷作為信號(hào)電壓,并進(jìn)行模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換(例如,參加專利文獻(xiàn)1)。
[0003]根據(jù)專利文獻(xiàn)1中所披露的A/D轉(zhuǎn)換方法,將兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路連接至相同的像素輸出信號(hào),并且具有不同斜率(gradient)的參考電壓Vref 1和Vref2從兩個(gè)參考電壓生成單元輸入至對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路。以這種方式,以兩個(gè)階梯精度(gradat1n accuracy)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)更高的階梯精度并同時(shí)抑制轉(zhuǎn)換時(shí)間的增加。然而,在這種情況下,電路面積和功耗翻倍。因此,根據(jù)專利文獻(xiàn)1中所披露的方法,僅使用了一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路,并且設(shè)置有判定單元。判定單元確定各像素輸出信號(hào)的大小,并且根據(jù)這樣的確定的結(jié)果,選擇具有兩個(gè)不同斜率的參考電壓Vref 1和Vref2中的一者。以這種方式,可以實(shí)現(xiàn)取決于像素輸出信號(hào)大小的不同轉(zhuǎn)換精度的使用。
[0004]引用列表
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本專利申請?zhí)亻_第2011-41091號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]技術(shù)問題
[0008]然而,在諸如根據(jù)專利文獻(xiàn)1所披露的方法的A/D轉(zhuǎn)換等傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換的情況下,難以充分地抑制A/D轉(zhuǎn)換中誤差的產(chǎn)生。因此,可能無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的階梯精度和對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間增加的抑制,或者,例如,將難以抑制圖像質(zhì)量劣化。
[0009]鑒于上述那些情況提出了本技術(shù),并且本技術(shù)的目的在于抑制A/D轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生。
[0010]技術(shù)方案
[0011]本技術(shù)的一個(gè)方面為信號(hào)處理裝置,該信號(hào)處理裝置包括:比較單元,其將從單位像素輸出的模擬信號(hào)與預(yù)定電壓進(jìn)行比較;切換單元,其根據(jù)需要對(duì)將要供給至比較單元的參考電壓進(jìn)行切換,且將參考電壓中的一者連接至比較單元,將其它的參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,參考電壓具有彼此不同的階梯精度;以及測量單元,其測量在由所述比較單元進(jìn)行的所述模擬信號(hào)與通過由所述切換單元進(jìn)行的切換控制而被供給至所述比較單元的所述參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0012]所述負(fù)載電容可以為比較單元的等效電容或近似電容。
[0013]信號(hào)處理裝置還可以包括作為負(fù)載電容的偽比較單元,所述偽比較單元具有與所述比較單元相同的結(jié)構(gòu),所述偽比較單元的一個(gè)輸入連接至固定電位,所述偽比較單元的輸出處于開路狀態(tài)。所述切換單元可以將未連接至所述比較單元的其它的所述參考電壓連接至所述偽比較單元的另一個(gè)輸入。
[0014]所述信號(hào)處理裝置還可以包括作為所述負(fù)載電容的電路,所述電路包括:輸入晶體管,其在與所述比較單元的輸入晶體管相同的操作區(qū)域中操作;電流源晶體管,其將恒定電流供給至所述輸入晶體管;電容器,其用于消除參考電壓偏移;以及開關(guān)晶體管,其用于初始化所述電容器。所述切換單元可以將未連接至所述比較單元的其它的所述參考電壓連接至所述電路的所述電容器。
[0015]所述信號(hào)處理裝置還可以包括作為所述負(fù)載電容的電路,所述電路包括:輸入晶體管,其在與所述比較單元的輸入晶體管相同的操作區(qū)域中操作;電容器,其用于消除參考電壓偏移;第一開關(guān)晶體管,其用于初始化所述電容器;第二開關(guān)晶體管,其用于初始化所述輸入晶體管;以及第三開關(guān)晶體管,其用于將所述輸入晶體管連接至固定電位。所述切換單元可以將未連接至所述比較單元的其它的所述參考電壓連接至所述電路的所述電容器。
[0016]信號(hào)處理裝置可以進(jìn)一步包括:第一電容調(diào)節(jié)單元,其連接至負(fù)載電容,并且調(diào)節(jié)負(fù)載電容;以及控制單元,其控制第一電容調(diào)節(jié)單元的電容。
[0017]第一電容調(diào)節(jié)單元可以形成有串聯(lián)連接在負(fù)載電容和固定電位之間的晶體管,并且控制單元可以通過將控制信號(hào)輸入至各個(gè)晶體管的柵極來獲得所需的電容值。
[0018]第一電容調(diào)節(jié)單元可以形成有彼此并聯(lián)連接的晶體管,各個(gè)晶體管的柵極可以連接至負(fù)載電容,并且控制單元可以通過將控制信號(hào)輸入至各個(gè)晶體管的源極和漏極來獲得所需的電容值。
[0019]第一電容調(diào)節(jié)單元可以形成有具有可變電容的電容器,并且控制單元可以通過將控制信號(hào)輸入至電容器的控制端子來獲得所需的電容值。
[0020]信號(hào)處理裝置可以進(jìn)一步包括第二電容調(diào)節(jié)單元,其連接至比較單元的輸入,并且調(diào)節(jié)比較單元的電容??刂茊卧梢赃M(jìn)一步控制第二電容調(diào)節(jié)單元的電容。
[0021]第二電容調(diào)節(jié)單元可以形成有串聯(lián)連接在比較單元的輸入和固定電位之間的晶體管,并且控制單元可以通過將控制信號(hào)輸入至各個(gè)晶體管的柵極來獲得所需的電容值。
[0022]第二電容調(diào)節(jié)單元可以形成有彼此并聯(lián)連接的晶體管,各個(gè)晶體管的柵極可以連接至比較單元的輸入,并且控制單元可以通過將控制信號(hào)輸入至各個(gè)晶體管的源極和漏極來獲得所需的電容值。
[0023]第二電容調(diào)節(jié)單元可以形成有具有可變電容的電容器,并且控制單元可以通過將控制信號(hào)輸入至電容器的控制端子來獲得所需的電容值。
[0024]控制單元可以在幀的最初或最后控制電容。
[0025]控制單元可以基于先前處理過的幀的電容調(diào)節(jié)信息來控制電容。
[0026]控制單元可以每隔幾幀對(duì)電容進(jìn)行控制。
[0027]控制單元可以根據(jù)當(dāng)各個(gè)參考電壓輸入至比較單元時(shí)黑電平中的差異的大小來控制電容。
[0028]本技術(shù)的一個(gè)方面還是一種信號(hào)處理方法,該方法包括:使用比較單元將從單位像素輸出的模擬信號(hào)與預(yù)定電壓進(jìn)行比較;根據(jù)需要對(duì)將被供給至所述比較單元的參考電壓進(jìn)行切換,且將所述參考電壓中的一者連接至所述比較單元,將其它的所述參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,所述參考電壓具有彼此不同的階梯精度;以及測量在由所述比較單元進(jìn)行的所述模擬信號(hào)與供給至所述比較單元的所述參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0029]本技術(shù)的另一個(gè)方面是成像裝置,所述成像裝置包括:像素陣列,所述像素陣列包括布置在所述像素陣列中的單位像素,各個(gè)所述單位像素包括被構(gòu)造用來對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換元件;比較單元,所述比較單元被構(gòu)造用來將從所述像素陣列的所述單位像素輸出的模擬信號(hào)與預(yù)定電壓進(jìn)行比較;切換單元,所述切換單元被構(gòu)造成根據(jù)需要對(duì)將被供給至所述比較單元的參考電壓進(jìn)行切換,并且將所述參考電壓中的一者連接至所述比較單元,將其它的所述參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,所述參考電壓具有彼此不同的階梯精度;以及測量單元,所述測量單元被構(gòu)造成測量在由所述比較單元進(jìn)行的所述模擬信號(hào)與通過由所述切換單元進(jìn)行的切換控制而被供給至所述比較單元的所述參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0030]本發(fā)明的又一方面是成像設(shè)備,所述成像設(shè)備包括:成像單元,所述成像單元被構(gòu)造用于對(duì)物體進(jìn)行成像;以及圖像處理單元,所述圖像處理單元被構(gòu)造用于對(duì)通過由所述成像單元進(jìn)行的成像而獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理。所述成像單元包括:像素陣列,所述像素陣列包括布置在所述像素陣列中的單位像素,各個(gè)所述單位像素包括被構(gòu)造用來對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換元件;比較單元,所述比較單元被構(gòu)造用來將從所述像素陣列的所述單位像素輸出的模擬信號(hào)與預(yù)定電壓進(jìn)行比較;切換單元,所述切換單元被構(gòu)造成根據(jù)需要對(duì)將被供給至所述比較單元的參考電壓進(jìn)行切換,并且將所述參考電壓中的一者連接至所述比較單元,將其它的所述參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,所述參考電壓具有彼此不同的階梯精度;以及測量單元,所述測量單元被構(gòu)造成測量在由所述比較單元進(jìn)行的所述模擬信號(hào)與通過由所述切換單元進(jìn)行的切換控制而被供給至所述比較單元的所述參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0031]在本技術(shù)的一個(gè)方面中,通過比較單元將從單位像素輸出的模擬信號(hào)與預(yù)定電壓進(jìn)行比較,根據(jù)需要對(duì)將被供給至比較單元的參考電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,階梯精度彼此不同的參考電壓中的一者連接至比較單元,其它的所述參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,并且測量模擬信號(hào)與供給至比較單元的參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0032]在本技術(shù)的另一個(gè)方面中,按照需要對(duì)將被供給至比較單元的參考電壓進(jìn)行切換,比較單元用于將預(yù)定電壓與從像素陣列中的單位像素輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行比較,單位像素包括用于對(duì)入射光進(jìn)行電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換元件;階梯精度彼此不同的參考電壓中的一者連接至比較單元,其它的所述參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,并且測量模擬信號(hào)與供給至比較單元的參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0033]在本技術(shù)的另外一個(gè)方面中,對(duì)物體進(jìn)行成像,將通過成像所獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理,在成像期間,按照需要對(duì)待供給至比較單元的參考電壓進(jìn)行切換,比較單元用于將預(yù)定電壓與從像素陣列中的單位像素輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行比較,單位像素包括用于對(duì)入射光進(jìn)行電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換元件;階梯精度彼此不同的參考電壓中的一者連接至比較單元,其它的所述參考電壓連接至預(yù)定負(fù)載電容,并且測量模擬信號(hào)與供給至比較單元的參考電壓之間的比較的結(jié)果中的變化的時(shí)序。
[0034]有益效果
[0035]根據(jù)本技術(shù),能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理。特別地,能夠減少A/D轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生。
【附圖說明】
[0036]圖1是示出了列A/D轉(zhuǎn)換單元的典型示例結(jié)構(gòu)的圖。
[0037]圖2是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0038]圖3示出了 A/D轉(zhuǎn)換的階梯精度的示例。
[0039]圖4是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的另一個(gè)示例的時(shí)序圖。
[0040]圖5示出了 CMOS圖像傳感器的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0041]圖6示出了選擇單元的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0042]圖7示出了單位像素的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0043]圖8示出了比較單元的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0044]圖9是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0045]圖10是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0046]圖11是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0047]圖12是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0048]圖13是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0049]圖14是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0050]圖15示出了選擇單元的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0051]圖16是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0052]圖17是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0053]圖18示出了 CMOS圖像傳感器的一部分的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0054]圖19是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0055]圖20示出了 CMOS圖像傳感器的一部分的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0056]圖21示出了分布常數(shù)的示例。
[0057]圖22示出了分布常數(shù)的示例。
[0058]圖23是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0059]圖24示出了分布常數(shù)的示例。
[0060]圖25是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0061]圖26是示出了切換單元的典型示例結(jié)構(gòu)的圖。
[0062]圖27示出了分布常數(shù)的示例。
[0063]圖28是示出了 A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0064]圖29示出了負(fù)載電容Cj的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0065]圖30示出了負(fù)載電容Cj的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0066]圖31示出了負(fù)載電容Cj的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0067]圖32示出了負(fù)載電容Cj的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0068]圖33示出了負(fù)載電容Cj的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0069]圖34示出了負(fù)載電容Cj的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0070]圖35示出了負(fù)載電容Cj的控制的示例。
[0071]圖36是示出了切換單元的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)示例。
[0072]圖37示出了電容調(diào)節(jié)單元的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0073]圖38示出了電容調(diào)節(jié)單元的另一個(gè)示例結(jié)構(gòu)。
[0074]圖39是用于解釋電容調(diào)節(jié)處理的示例流程的流程圖。
[0075]圖40示出了 CMOS圖像傳感器的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0076]圖41示出了成像設(shè)備的典型示例結(jié)構(gòu)。
[0077]圖42是示出了計(jì)算機(jī)的典型示例結(jié)構(gòu)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0078]下面將對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的模式(在下文中稱為實(shí)施方式)進(jìn)行說明。將按照如下順序進(jìn)行解釋。
[0079]1.第一實(shí)施方式(CMOS圖像傳感器)
[0080]2.第二實(shí)施方式(CMOS圖像傳感器)
[0081]3.第三實(shí)施方式(成像設(shè)備)
[0082]4.第四實(shí)施方式(計(jì)算機(jī))
[0083]1.第一實(shí)施方式
[0084]A/D 轉(zhuǎn)換
[0085]在普通圖像傳感器中,讀取存儲(chǔ)于單位像素的受光單元(諸如光電二極管等)中的電荷作為信號(hào)電壓(像素信號(hào)),并進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換)。
[0086]在該A/D轉(zhuǎn)換中,例如,將信號(hào)電壓與正在變化的參考電壓進(jìn)行比較,并當(dāng)參考電壓變成與信號(hào)電壓相等時(shí),對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換(例如,參見日本專利申請?zhí)亻_第2005-278135號(hào)公報(bào)(在下文中稱為專利文獻(xiàn)2))。
[0087]圖1示出的列A/D轉(zhuǎn)換單元10是以此方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的處理單元,并且對(duì)從單位像素中讀取的像素信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖1示出的列A/D轉(zhuǎn)換單元10包括參考電壓生成單元11、比較單元12以及時(shí)序測量單元13。參考電壓生成單元11產(chǎn)生具有在預(yù)定電壓范圍內(nèi)進(jìn)行變化的值的參考電壓Vref,并將參考電壓Vref供給至比較單元12。比較單元12將輸入信號(hào)Vx(從像素中讀取的模擬像素信號(hào))的電壓與由參考電壓生成單元11產(chǎn)生的參考電壓Vref進(jìn)行比較,并將比較結(jié)果Vco供給至?xí)r序測量單元13。時(shí)序測量單元13對(duì)從比較開始直至比較結(jié)果Vco的值變化為止的周期進(jìn)行測量(計(jì)數(shù)),將所述周期的長度(計(jì)數(shù)值)視為輸入信號(hào)Vx的數(shù)字值(進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后的值),并將該數(shù)字值輸出作為數(shù)字輸出Do。
[0088]圖2是示出了由列A/D轉(zhuǎn)換單元10進(jìn)行的這種A/D轉(zhuǎn)換的示例的時(shí)序圖。
[0089]如圖2所示,參考電壓Vref以斜坡狀方式掃描電壓。輸入信號(hào)Vx被輸入,其中,像素輸出具有偏差分量(噪聲分量)作為第一模擬信號(hào),并且通過將信號(hào)分量Vsig加上該偏差分量而獲得的Vsig+A V是第二模擬信號(hào)。
[0090]例如,時(shí)序測量單元13使用能夠在遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的計(jì)數(shù)器,并且借助計(jì)數(shù)器時(shí)鐘對(duì)直到比較結(jié)果Vco變化為止的時(shí)間進(jìn)行測量。這里,對(duì)第一模擬信號(hào)進(jìn)行遞減計(jì)數(shù),并對(duì)第二模擬信號(hào)進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。因此,將第二模擬信號(hào)減去第一模擬信號(hào),以最終獲得僅由數(shù)字化信號(hào)分量Vsig形成的輸出Do。
[0091]然而,使用該方法,轉(zhuǎn)換時(shí)間可能隨著階梯精度而增加。通常,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換中的轉(zhuǎn)換精度(每階的電壓)增加時(shí),其中可以執(zhí)行轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍(動(dòng)態(tài)范圍)變小??梢蕴娲?,在輸入電壓范圍(動(dòng)態(tài)范圍)固定的情況下,隨著階數(shù)的增加,轉(zhuǎn)換時(shí)間可能增加(速度降低)或功耗可能增加。
[0092]例如,為了增加轉(zhuǎn)換精度,在由時(shí)鐘頻率所確定的參考電壓與信號(hào)電壓相同的時(shí)候的檢測精度保持不變的情況下,使參考電壓的斜率減小。在階數(shù)保持不變的情況下,所需的時(shí)鐘數(shù)量不發(fā)生變化。因此,雖然電功率和速度不發(fā)生變化,但是參考電壓的幅度變小。因此,其中可以執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍變得更小。在這種情況下,如果階數(shù)增加,則需要更大量的時(shí)鐘,從而造成速度降低且電功率增大。然而,參考電壓的幅度變得更大,并且其中可以執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍變得更小。
[0093]當(dāng)然,如果提高時(shí)鐘頻率,則可以在無需降低參考電壓的斜率的情況下提高轉(zhuǎn)換精度,并且使A/D轉(zhuǎn)換速度不發(fā)生變化。然而,功耗會(huì)明顯地變大。
[0094]也就是說,隨著轉(zhuǎn)換精度的提高,輸入電壓范圍會(huì)變小,或者速度或電功率會(huì)降低。為了在相同的輸入電壓范圍內(nèi)四倍地提高轉(zhuǎn)換精度,就需要四倍地增加時(shí)鐘數(shù)量。
[0095]A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度(每階的電壓)由包括在信號(hào)電壓中的噪聲水平和在圖像顯影期間將要執(zhí)行的放大(增益)的程度確定。例如,如圖3所示,在圖像傳感器中,除當(dāng)讀取信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的噪聲Ndark外,相對(duì)于與入射光強(qiáng)度成比例產(chǎn)生的信號(hào)電荷N產(chǎn)生V N的光子散粒噪聲。因此,噪聲量隨著入射光強(qiáng)度增加。當(dāng)環(huán)境暗時(shí),信號(hào)小,且噪聲的絕對(duì)值也小。當(dāng)環(huán)境亮?xí)r,信號(hào)大,且噪聲的絕對(duì)值也大。因此,由A/D轉(zhuǎn)換精度確定的量化噪聲的影響隨信號(hào)大小(取決于信號(hào)是亮還是暗)而變化。在較亮區(qū)域中,光子散粒噪聲具有支配性,并且所需的A/D轉(zhuǎn)換精度可以低。
[0096]通常,為了使A/D轉(zhuǎn)換的量化噪聲明顯,優(yōu)選地,將A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度設(shè)定為比讀取噪聲和光子散粒噪聲的總噪聲水平更低的值。然而,高轉(zhuǎn)換精度需要犧牲轉(zhuǎn)換速度和功耗。
[0097]鑒于此,如圖3所示,在低噪聲水平的低入射光區(qū)域中使用較高轉(zhuǎn)換精度(較低的每階電壓)D1,在光子散粒噪聲比量化噪聲更有支配性的高入射光區(qū)域中使用低轉(zhuǎn)換精度D2。以這種方式,改善了 A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度和功耗,也不會(huì)因量化噪聲而造成實(shí)際圖像質(zhì)量劣化(例如,參見日本專利申請?zhí)亻_第2011-211535號(hào)公報(bào)(在下文中稱為專利文獻(xiàn)3))。
[0098]根據(jù)該方法,使用相同的信號(hào)電壓和具有不同斜率的參考電壓以分時(shí)方式執(zhí)行兩次以上A/D轉(zhuǎn)換,獲得具有不同轉(zhuǎn)換精度的數(shù)字值,并且取決于信號(hào)電壓范圍對(duì)具有不同轉(zhuǎn)換精度的數(shù)字值進(jìn)行切換。因此,可以通過在相同計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率下改變參考電壓Vref的斜率來實(shí)現(xiàn)階梯精度切換。當(dāng)然,也能夠改變計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率而不改變參考電壓Vref的斜率。然而,降低頻率會(huì)導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換速度的降低。因此,優(yōu)選改變參考電壓Vref的斜率。
[0099]如圖4的時(shí)序圖所示,根據(jù)該方法,對(duì)第一模擬信號(hào)和第二模擬信號(hào)進(jìn)行參考電壓Vref具有小斜率或高階梯精度的A/D轉(zhuǎn)換,并且對(duì)第二模擬信號(hào)和第三模擬信號(hào)進(jìn)行參考電壓Vref具有增大的斜率或較低階梯精度D2的A/D轉(zhuǎn)換。針對(duì)第三模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換是用于減去偏差分量的處理。也就是說,第一模擬信號(hào)和第三模擬信號(hào)為偏差分量(噪聲分量)Ο
[0100]將階梯精度翻倍相當(dāng)于將斜率減半。在相同的輸入信號(hào)范圍內(nèi)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換的情況下,所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)翻倍。在圖4示出的實(shí)例中,階梯精度D1的輸入信號(hào)范圍減小,使得僅在信號(hào)分量Vsig小的區(qū)域中使用高階梯精度D1,并且在信號(hào)分量Vsig大的區(qū)域中使用相對(duì)低階梯精度D2。因此,執(zhí)行兩次AD轉(zhuǎn)換花費(fèi)的轉(zhuǎn)換時(shí)間幾乎是在僅使用階梯精度D2的情況下所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間的兩倍。然而,在將轉(zhuǎn)換精度D1設(shè)定為D2的精度的四倍的情況下,該轉(zhuǎn)換時(shí)間幾乎為僅使用階梯精度D1的情況下所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間的一半。
[0101]然而,根據(jù)該方法,需要對(duì)作為信號(hào)分量的第二模擬信號(hào)執(zhí)行兩次轉(zhuǎn)換。盡管需要對(duì)偏差分量(第一模擬信號(hào)和第三模擬信號(hào))執(zhí)行兩次轉(zhuǎn)換,但是偏差分量通常具有比信號(hào)分量更小的幅度。因此,參考電壓的幅度小,且各偏差分量的轉(zhuǎn)換時(shí)間比信號(hào)分量的轉(zhuǎn)換時(shí)間短。因此,需要對(duì)信號(hào)分量(第二模擬信號(hào))執(zhí)行兩次轉(zhuǎn)換的事實(shí)對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換速度的降低影響很大。
[0102]鑒于此,已經(jīng)提出了如下方法:通過確定信號(hào)電壓的大小,根據(jù)該確定結(jié)果選擇不同的放大因子并放大信號(hào)電壓,由此根據(jù)針對(duì)信號(hào)分量的A/D轉(zhuǎn)換周期中的信號(hào)電壓范圍來切換A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度(例如,參見日本專利申請?zhí)亻_第2004-15701號(hào)公報(bào)(在下文中稱為專利文獻(xiàn)4))。
[0103]根據(jù)該方法,進(jìn)行檢查以確定與像素輸出相關(guān)的預(yù)定電壓的大小,并根據(jù)該結(jié)果將模擬信號(hào)放大。此時(shí),雖然A/D轉(zhuǎn)換的階梯精度未發(fā)生變化,但是在A/D轉(zhuǎn)換之前將模擬信號(hào)放大。于是,就關(guān)于信號(hào)分量的輸入電壓而言,相當(dāng)于1個(gè)LSB的電壓可以被減小。也就是說,能夠在信號(hào)幅度小且入射光強(qiáng)度低的區(qū)域中執(zhí)行具有高階梯精度的A/D轉(zhuǎn)換。
[0104]然而,根據(jù)該方法,由于像素輸出以模擬方式被放大,因此,放大器電路的放大因子的變化可能作為固定模式噪聲而被重疊。除非對(duì)減去偏差分量AV的信號(hào)分量Vsig進(jìn)行模擬放大,否則動(dòng)態(tài)范圍可能隨著偏差分量△ V的放大而縮小(輸入飽和)。因此,需要在模擬區(qū)域中執(zhí)行減法處理,這導(dǎo)致了可能增加電路面積和功耗并且可能增大因模擬計(jì)算精度的限制所造成的噪聲等。
[0105]鑒于此,已經(jīng)提出了通過改變參考電壓的斜率來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度的方法(例如,參見專利文獻(xiàn)1)。根據(jù)該方法,兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路連接至相同的像素輸出信號(hào),并且具有不同斜率的參考電壓Vref 1和Vref2從兩個(gè)參考電壓生成單元輸入至對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路。以這種方式,以兩個(gè)階梯精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。
[0106]然而,在這種情況下,電路面積和功耗翻倍。因此,提出了另一種方法。根據(jù)該方法,使用單個(gè)AD轉(zhuǎn)換電路,判定單元確定像素輸出信號(hào)的大小,并且根據(jù)該確定的結(jié)果選擇具有兩個(gè)不同斜率的參考電壓Vrefl和Vref2中的一者。比較單元對(duì)偏差分量A V進(jìn)行模擬減法處理,并且對(duì)差分信號(hào)(Vsig)進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換。
[0107]然而,在這種情況下,用比較電路在模擬區(qū)域中執(zhí)行偏差分量減法處理。因此,為了實(shí)現(xiàn)足夠低的噪聲水平,需要增大比較電路的電容Cin,因此,與在數(shù)字區(qū)域中執(zhí)行減法處理的情況下的電路面積和功耗相比,電路面積和功耗可能會(huì)變得更大。
[0108]另外,增加了用于確定像素輸出信號(hào)的大小的判定單元。然而,該判定單元的比較精度(偏移誤差)不同于用于A/D轉(zhuǎn)換的比較單元的比較精度(偏移誤差)。因此,需要通過以提供更寬的電壓范圍的參考電壓來補(bǔ)償該誤差。這是因?yàn)?,即使判定單元確定了低入射光區(qū)域(輸出幅度小的區(qū)域),A/D轉(zhuǎn)換的比較單元也可能由于偏移誤差而處于參考電壓V