Ad轉換電路和光檢測裝置的製作方法

2023-09-25 18:23:55 2

專利名稱：Ad轉換電路和光檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及能夠輸出與入射光量相對應的數字值的光檢測裝置、 以及在這樣的光檢測裝置中優選使用的AD轉換電路。
背景技術：
光檢測裝置具備產生與入射光量相對應的量的電荷的光電二極 管、以及蓄積在該光電二極體產生的電荷並輸出與該蓄積電荷量相對 應的電壓值的積分電路。另外，光檢測裝置有時候具備將從積分電路 輸出的電壓值(模擬值)轉換為數字值並輸出該數字值的AD轉換電 路。而且，光檢測裝置在多個光電二極體一維或二維地排列的情況下， 能夠拍攝一維或二維圖像。
在這樣的光檢測裝置中使用的AD轉換電路，已知具有如專利文 獻1所述的構成的AD轉換電路。該AD轉換電路至少包括2N個電容 器，能夠將AD轉換對象，即模擬值作為差動信號而輸入，並輸出與 該模擬值相對應的N位的數字值。在此，N為2以上的整數。
在包括這樣的AD轉換電路的光檢測裝置中，當蓄積與向光電二 極管入射的入射光量相對應的量的電荷時，將從積分電路輸出的電壓 值(信號成分+雜音成分)向AD轉換電路輸入，並且，在電荷不蓄積 時，將從積分電路輸出的電壓值(雜音成分)向AD轉換電路輸入， 兩者的電壓值的差(即，只是信號成分)由AD轉換電路轉換為數字 值。所以，從AD轉換電路輸出的數字值為與向光電二極體入射的入 射光量相對應的值，且成為除去了雜音成分的高精度的值。
非專利文獻1: Analog Devices公司的產品AD7641的技術數據表

發明內容
然而，上述的AD轉換電路必須對應於所輸出的數字值的位數N 而至少包括2N個電容器，並且，必須包括電容值非常大的電容器。因
4此，該AD轉換電路和光檢測裝置變得大型化，在集成化的情況下， 晶片面積變大。
本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在於，提供一種能 夠小型化的AD轉換電路和光檢測裝置。
本發明所涉及的AD轉換電路的特徵在於，具備(1)差動放大 部，包括具有第1和第2輸入端子以及第1和第2輸出端子的放大器、 第1 第4電容器、以及第1 第4開關，其中，第l開關的一端經由第 1電容器而連接於放大器的第1輸入端子，第2開關的一端經由第2 電容器而連接於放大器的第2輸入端子，第3開關和第3電容器並列 地設在放大器的第1輸入端子和第1輸出端子之間，第4開關和第4 電容器並列地設在放大器的第2輸入端子和第2輸出端子之間；(2) 第1可變電容部，包括具有相互不同的電容值(C，…，2n"C，…，2N"C) 的N個電容器，N個電容器的各自的一端通過第1連接切換單元而連 接於放大器的第1輸出端子、第1基準電位、或者第2基準電位，N 個電容器的各自的另一端連接於第1共同點；(3)第2可變電容部， 包括具有相互不同的電容值(C，…，2n"C，…，2N—'C)的N個電容 器，N個電容器的各自的一端通過第2連接切換單元而連接於放大器 的第2輸出端子、第1基準電位、或者第2基準電位，N個電容器的 各自的另一端連接於第2共同點；(4)比較部，輸入第1和第2共同 點的各自的電位並進行大小比較，輸出表示該比較結果的比較信號； (5)連接控制部，輸入從比較部輸出的比較信號，基於該比較信號， 以第1和第2共同點的各自的電位的差變小的方式，控制第1和第2 連接切換單元的各自的連接切換，並且，輸出表示第1和第2連接切 換單元的各自的連接狀態的N位的數字值；(6)第1反饋部，包括第 1反饋電容器和第1反饋開關，第1反饋電容器的一端經由第1反饋開 關而連接於第1共同點，第1反饋電容器的另一端連接於放大器的第1 輸入端子；(7)第2反饋部，包括第2反饋電容器和第2反饋開關， 第2反饋電容器的一端經由第2反饋開關而連接於第2共同點，第2 反饋電容器的另一端連接於放大器的第2輸入端子。在此，N為2以 上的整數，n為l以上N以下的整數。
在本發明所涉及的AD轉換電路中，向差動放大部的第1輸入端子和第2輸入端子輸入的電壓值由差動放大部放大，並作為差動信號 從差動放大部的第1輸出端子和第2輸出端子輸出。第1可變電容部、 第2可變電容部、比較部、以及連接控制部構成逐次比較型AD轉換 電路。從差動放大部的第1輸出端子和第2輸出端子輸出的電壓值由 上述的逐次比較型AD轉換電路進行AD轉換，從連接控制部輸出所 對應的數字值。向比較部輸入的第1共同點和第2共同點的各自的電 位由第1反饋部和第2反饋部反饋至差動放大部，再由上述的逐次比 較型AD轉換電路轉換為數字值並輸出。
在本發明所涉及的AD轉換電路中，優選差動放大部還包括第5 開關和電源，電源經由第5開關而連接於第2開關和第2電容器的連 接點。在此情況下，能夠擴大差動放大部的輸出範圍。
本發明所涉及的光檢測裝置的特徵在於，具備光電二極體，產 生與入射光量相對應的量的電荷；積分電路，輸入在光電二極體產生 的龜荷並蓄積，從輸出端輸出與該蓄積電荷量相對應的電壓值；以及 上述的本發明所涉及的AD轉換電路，其中，AD轉換電路所包括的差 動放大部的第1和第2開關連接於積分電路的輸出端。在該光檢測裝 置中，在光電二極體產生與入射光量相對應的量的電荷，向積分電路 輸入該電荷並蓄積，從積分電路的輸出端輸出與該蓄積電荷量相對應 的電壓值。從積分電路的輸出端輸出的電壓值被輸入至AD轉換電路 所包括的差動放大部。而且，由AD轉換電路，除去積分電路的輸出 電壓值所包括的失調(offset)誤差等，得到S/N比優異的數字值。
依照本發明，可以提供能夠小型化的AD轉換電路和光檢測裝置。


圖1是本實施方式所涉及的光檢測裝置1的構成圖。 圖2是本實施方式所涉及的AD轉換電路20的電路圖。 圖3是說明本實施方式所涉及的光檢測裝置1的工作的時序圖。 圖4是說明本實施方式所涉及的AD轉換電路20所包括的差動放 大部21的工作的時序圖。
圖5是說明本實施方式所涉及的光檢測裝置1的其它工作的時序圖。
6符號說明
1光檢測裝置
10積分電路
20AD轉換電路
21差動放大部
22A第1可變電容部
22B第2可變電容部
23比較部
24連接控制部
25A第1反饋部
25B第2反饋部
卯控制部
A放大器
C電容器
PD光電二極體
SW開關
具體實施例方式
以下，參照附圖，對用於實施本發明的最佳方式進行詳細的說明。 在此，在附圖的說明中，對同一要素標記同一符號，省略重複的說明。
圖1是本實施方式所涉及的光檢測裝置1的構成圖。該圖所示的 光檢測裝置1具備光電二極體PD、開關SW、積分電路IO、 AD轉換 電路20、以及控制部90。並且，可以將光電二極體PD和開關SW作 為一組，並將多個組一維或二維地排列，另外，在此情況下，可以相 對於多組的光電二極體PD和開關SW，設置1組的積分電路10和AD 轉換電路20。
光電二極體PD產生與入射光量相對應的量的電荷，陽極接地，陰 極連接於開關SW的一端。開關SW設在光電二極體PD和積分電路 10的輸入端之間，在閉合時，向積分電路10輸入在光電二極體PD中 產生的電荷。積分電路10輸入在光電二極體PD中產生並經過開關SW而到達的電荷並將其蓄積，從輸出端向AD轉換電路20輸出與該蓄積 的電荷的量相對應的電壓值。AD轉換電路20輸入從積分電路10輸出 的電壓值(模擬值)並對其進行AD轉換，輸出與該輸入電壓值相對 應的數字值。
積分電路lO具備放大器An)、電容器do、以及開關SWu)。向放 大器Al。的非倒相輸入端子輸入基準電壓。放大器A1Q的倒相輸入端子 經由開關SW而連接於光電二極體PD。電容器C1Q和開關SW1並列地 設在放大器A1Q的倒相輸入端子和輸出端子之間。在開關SW1閉合時， 電容器Cu)放電，將從積分電路10輸出的電壓值初始化。在開關SW,o 斷開時，從光電二極體PD經由開關SW而輸入的電荷蓄積於電容器 Qo中，從積分電路10向AD轉換電路20輸出與該蓄積的電荷的量相 對應的電壓值。
AD轉換電路20具備差動放大部21、第1可變電容部22A、第2 可變電容部22B、比較部23、連接控制部24、第1反饋部25A、以及 第2反饋部25B。第1可變電容部22A和第2可變電容部22B具有相 互共同的構成。第1反饋部25A和第2反饋部25B具有相互共同的構 成。
控制部90控制與光電二極體PD —起設置的開關SW的開閉工作、 積分電路10所包括的開關SWh)的開閉工作、以及AD轉換電路20的 AD轉換工作。而且，在圖1中，對於從控制部卯輸出並向其它的各 構成電路輸入的控制信號的配線，省略了圖示。
接著，對本實施方式所涉及的AD轉換電路20的電路構成進行說 明。圖2是本實施方式所涉及的AD轉換電路20的電路圖。並且，在 此，以N值為6，進行說明。
差動放大部21具備放大器Au、第1開關SW川、第2開關SW212、 第3開關SW213、第4開關SW214、第5開關SW215、第1電容器C211、 第2電容器C犯、第3電容器C犯、第4電容器<:214、以及電源E^。 放大器A21以放大率26放大作為差動信號的向非倒相輸入端子和倒相 輸入端子輸入的電壓值，將該放大後的電壓值作為差動信號，從負側 的差動輸出端子和正側的差動輸出端子輸出。
開關SW211的一端經由電容器C2 而連接於放大器A21的非倒相輸入端子，開關SW川另一端連接於積分電路10的輸出端。開關sw212 的一端經由電容器Cw而連接於放大器A21的倒相輸入端子，開關
SW2u另一端連接於積分電路10的輸出端。開關sw犯和電容器c213
並列地設在放大器A21的非倒相輸入端子和負側的差動輸出端子之間。 開關SWw和電容器C214並列地設在放大器A21的倒相輸入端子和正側
的差動輸出端子之間。另外，電源E^經由開關SW2,5而連接於開關
SW212與電容器C212的連接點。
第1可變電容部22A具備電容器C221~ (:227和開關SW221~ SW228。
其中，6個電容器C22廣C226具有相互不同的電容值，6個開關SW^ SW226構成第1連接切換單元。如果電容器C226的電容值為C，則電容
器(:221的電容值為25<:，電容器(:222的電容值為24(:，電容器(:223的電
容值為fC，電容器C224的電容值為22(3，電容器C225的電容值為2C。 另外，電容器C227的電容值為C。
電容器C221的一端，通過開關SW221而連接於放大器A21的負側的 差動輸出端子、第1基準電位Vrefl、或者第2基準電位Vref2。電容器
C222的一端，通過開關SW222而連接於放大器A21的負側的差動輸出端 子、第1基準電位V^、或者第2基準電位V^。電容器C223的一端，
通過開關SW223而連接於放大器A21的負側的差動輸出端子、第1基準
電位Vrefl、或者第2基準電位Vref2。電容器C224的一端，通過開關SW224
而連接於放大器A21的負側的差動輸出端子、第1基準電位Vrefl、或者
第2基準電位V,ef2。電容器C225的一端，通過開關SW225而連接於放
大器A2i的負側的差動輸出端子、第1基準電位V^、或者第2基準電
位V^。電容器C226的一端，通過開關SW226而連接於放大器A21的負
側的差動輸出端子、第1基準電位Vrefl、或者第2基準電位Vref2。電
容器C227的一端，通過開關SW227而連接於放大器A21的負側的差動輸 出端子或者第2基準電位V^。另外，電容器C22廣C^的各自的另一 端連接於第l共同點Pp而且，經由開關SW228而連接於接地電位。
第2可變電容部22B具有與第1可變電容部22A相同的構成。但 是，在第2可變電容部22B中，6個開關SW22廣SW226構成第2連接
切換單元，通過該第2連接切換單元，電容器C22廣C^的各自的一端
連接於放大器A^的正側的差動輸出端子、第1基準電位Vrefl、或者第2基準電位Vwf2。電容器C227的一端，通過開關SW227而連接於放大器 A21的正側的差動輸出端子或者第2基準電位VreC。另夕卜，電容器C221 C227的各自的另一端連接於第2共同點P2，而且，經由開關SW228而連 接於接地電位。
比較部23輸入第1共同點P,和第2共同點P2的各自的電位並比
較大小，向連接控制部24輸出表示該比較結果的比較信號。連接控制 部24輸入從比較部23輸出的比較信號，基於該比較信號，以第1共 同點P,和第2共同點P2的各自的電位的差變小的方式，控制第l和第 2連接切換單元(可變電容部22A、 22B所包括的開關SW22廣SW226) 的各自的連接切換，並且，輸出表示第1和第2連接切換單元的各自 中的連接狀態的6位的數字值。
第1反饋部25A包括緩衝放大器A25、電容器C25、以及開關SW25。
在該第1反饋部25A中，電容器C25的一端，經由開關SW25而連接於
緩衝放大器A25的輸出端。緩衝放大器A25的輸入端連接於第1共同點 P,。電容器C25的另一端連接於放大器A21的非倒相輸入端子。
第2反饋部25B也包括緩衝放大器A25、電容器C25、以及開關SW25 。 在該第2反饋部25B中，電容器C25的一端，經由開關SW25而連接於 緩衝放大器A25的輸出端。緩衝放大器A25的輸入端連接於第2共同點 P2。電容器C25的另一端連接於放大器A21的倒相輸入端子。
控制部90控制差動放大部21所包括的開關SW211 SW215的各自 的開閉工作、比較部23和連接控制部24的各自的工作、以及第l反 饋部25A和第2反饋部25B所分別包括的開關SW25的開閉工作。而 且，由控制部90控制的連接控制部24控制第1可變電容部22A所包 括的開關SW^ SW228的各自的開閉工作、以及第2可變電容部22B 所包括的開關SW221 SW228的各自的開閉工作。
接著，對本實施方式所涉及的光檢測裝置1的工作進行說明。以 下說明的工作在控制部90的控制下進行。圖3是說明本實施方式所涉 及的光檢測裝置l的工作的時序圖。使用該圖，說明光電二極體PD、 開關SW、積分電路IO、以及差動放大部21的各自的工作。
在該圖中，顯示了 (a)積分電路10所包括的開關SW^的開閉、 (b)對應於光電二極體PD而設置的開關SW的開閉、(c)差動放大部21所包括的開關SW211的開閉、(d)差動放大部21所包括的開關 SW^的開閉、(e)差動放大部21所包括的開關SW^和開關SW214
的開閉、(f)差動放大部21所包括的開關SW2,5的開閉、(g)來自積
分電路10的輸出電壓值、(h)來自差動放大部21所包括的放大器A2, 的正側的差動輸出端子的輸出電壓值、以及(i)來自差動放大部21 所包括的放大器A2,的負側的差動輸出端子的輸出電壓值。並且，圖中 的各時刻的前後關係為"tu<t12<t13<t14<t15<t16<t17"。
在時刻tn，積分電路IO所包括的開關SWn)閉合，電容器Cu)放 電，將來自積分電路10的輸出電壓值初始化。在時刻tu，差動放大部
21所包括的開關SW2,3和開關SW^閉合，電容器C2n和C2，4放電，
將來自差動放大部21的輸出電壓值初始化。在時刻t12，差動放大部 21所包括的開關SW2,2斷開，在時刻t13，積分電路10所包括的開關 SW1Q斷開，在時刻t14，差動放大部21所包括的開關SW211斷開。然後， 從時刻ti5起，開關SW閉合一定期間，在光電二極體PD中產生且蓄 積於光電二極體PD的結電容部的電荷，經由開關SW而被輸入至積分 電路IO。在時刻tw，差動放大部21所包括的開關SW2,3和開關SW^ 斷開。在時刻tn，差動放大部21所包括的開關SW2u和開關SW2。閉 合。而且，遍及這段期間，第1反饋部25A和第2反饋部25B的各自
的開關SW25斷開。
積分電路10成為能夠蓄積電荷的狀態的時刻是開關SW,o斷開的 時刻{13。在從時刻tn至時刻^的期間，由於開關SW,o斷開，因而， 積分電路10成為能夠蓄積電荷的狀態，然而，由於開關SW斷開，因 而，不從光電二極體PD輸入電荷，在電容器do中不蓄積電荷。但是， 由於失調誤差等，來自積分電路10的輸出電壓值在時刻t。之後單調地 變化，不久後在時刻^之前的某個時刻，達到大致一定的電壓值(即， 失調電壓值)。
在差動放大部21中，在時刻tu，開關SW2，2從閉合狀態轉變為斷 開狀態。於是，與在時刻t,2從積分電路IO輸出的電壓值相對應的量的 電荷蓄積於電容器Cm中。在時刻t,2，由於積分電路IO為初始化了的
狀態，因而，蓄積於電容器<:212中的電荷為與初始化了的積分電路10
的輸出電壓值(以下，稱為"復位電壓值")相對應的量。如此，復位電壓值被差動放大部21獲取。
在差動放大部21中，如果在時刻114，開關SW2n從閉合狀態轉變 為斷開狀態，則與在該時刻114從積分電路IO輸出的電壓值相對應的量 的電荷蓄積於電容器C川中。在時刻t"，由於積分電路10輸出失調電 壓值，因而，蓄積於電容器C211中的電荷量為與失調電壓值相對應的 量。如此，失調電壓值被差動放大部21獲取。
從時刻k起，開關SW閉合一定期間，在光電二極體PD產生並 蓄積於光電二極體PD的結電容部的電荷經過開關SW而向積分電路 IO輸入。向積分電路10輸入的電荷蓄積於電容器Cu)中，從積分電路 10輸出由與該蓄積於電容器Qo中的電荷的量相對應的信號電壓值和 失調電壓值疊加而成的電壓值。
在差動放大部21中，如果在時刻t^，開關SW^斷開，在時刻tn， 開關SW211閉合，則在時刻tn從積分電路IO輸出的電壓值被輸入至電 容器C川。於是，與該電壓值相對應的電荷量和已經蓄積於電容器C川 中的電荷量的差分蓄積於電容器C^中。然後，向放大器A^的非倒相 輸入端子輸入與蓄積於電容器C213中的電荷量相對應的電壓值。該電 壓值為由信號電壓值和失調電壓值疊加而成的電壓值與失調電壓值的 差，即信號電壓值。如此，差動放大部21作為CDS (CorrelatedDouble Sampling、相關雙採樣)電路而起作用。
在差動放大部21中，如果在時刻tw，開關SW2M斷開，在時刻tn，
開關SW^閉合，則電源E2,的電壓值被輸入至電容器C^。於是，與 電源E21的電壓值相對應的電荷量和已經蓄積於電容器C212中的電荷量 的差分蓄積於電容器Cw中。然後，向放大器A^的倒相輸入端子輸入
與蓄積於電容器(:214中的電荷量相對應的電壓值。該電壓值成為與電
源E21的電壓值和失調電壓值的差分相對應的電壓值。
在差動放大部21中，在時刻tn之後，從放大器A^的負側的差動 輸出端子和正側的差動輸出端子輸出與放大器A21的非倒相輸入端子 的輸入電壓值和倒相輸入端子的輸入電壓值的差分相對應的電壓值的
信號。在放大器A2i中設定有中心電壓值，從正側的差動輸出端子和負
側的差動輸出端子輸出的電壓值能夠由下述(1)式和(2)式表示。 在此，來自正側的差動輸出端子的輸出電壓值為V。+，來自負側的差動輸出端子的輸出電壓值為V。，，非倒相輸入端子的輸入電壓值為vi+，
倒相輸入端子的輸入電壓值為Vi-，放大器A21的中心電壓值為Vc。m。 V0+=+(Vi+-Vi-)/2-(VE21-Vr)/2+Vcom…(1) V0_=-(Vi+-Vi-)/2-(VE21-Vr)/2+Vcom(2)
非倒相輸入端子的輸入電壓值Vj+為信號電壓值。倒相輸入端子的 輸入電壓值Vi.為與電源E21的電壓值和復位電壓值的差分相對應的電 壓值。在此，VE2i為電源E^的電壓值，Vr為積分電路10的復位信號 電平電壓。所以，上述(1)式和(2)式所表示的來自正側的差動輸 出端子的輸出電壓值V。+和來自負側的差動輸出端子的輸出電壓值V。. 為除去了失調誤差等且S/N比優異的電壓值。在時刻t17之後的某個時 刻從差動放大部21的負側的差動輸出端子輸出的電壓值被輸入至第1 可變電容部22A，從差動放大部21的正側的差動輸出端子輸出的電壓 值被輸入至第2可變電容部22B。
接著，對第1可變電容部22A、第2可變電容部22B、比較部23、 以及連接控制部24的各自的工作進行說明。它們在上述時刻tn之後， 作為6位的逐次比較型AD轉換電路而工作。g卩，分別在第1可變電 容部22A和第2可變電容部22B中，在上述時刻"7之後的某個時刻， 開關SW228閉合，共同點P,、P2連接於接地電位，並且，電容器C221~C227
通過開關SW22廣SW227而連接於差動放大部21的輸出端子。
隨後，在第1可變電容部22A中，如果開關SW228斷開，則與來 自差動放大部21的負側的差動輸出端子的輸出電壓值相對應的量的電
荷蓄積於電容器C22廣C227的第1共同點P,側。並且，在第2可變電容
部22B中，如果開關SW228斷開，則與來自差動放大部21的正側的差
動輸出端子的輸出電壓值相對應的量的電荷蓄積於電容器<:221《227的 第2共同點P2側。
然後，分別在第1可變電容部22A和第2可變電容部22B中，電
容器C22廣C227通過幵關SW22, SW227而連接於第2基準電位Vref2。在 此狀態下，第1共同點P,和第2共同點P2之間的電位差(即，向比較
部23輸入的兩個電壓值的差)成為分別從差動放大部21的負側的差
動輸出端子和正側的差動輸出端子輸出的電壓值的差。
隨後，由比較部23對第1共同點P,和第2共同點P2的各自的電位進行大小比較，向連接控制部24輸出表示該比較結果的比較信號。 基於該比較信號，由輸入了比較信號的連接控制部24，以第l共同點 P,和第2共同點P2的各自的電位的差變小的方式，控制第1可變電容 部22A和第2可變電容部22B所分別包括的各個開關SW^ SW226在 第1基準電位Vrefl和第2基準電位V^之間的連接切換。此時，以從 電容值大的電容器起依次，即，按照電容器<:221~<:226的順序，決定所 對應的開關的連接狀態。
然後，以第1共同點P,和第2共同點P2的各自的電位的差為最小 的方式決定開關SW221~SW226的各自的連接狀態，隨後，從連接控制 部24輸出表示這些開關的連接狀態的6位的數字值。從連接控制部24 輸出的數字值可以為並行數據，也可以為串行數據。該6位的數字值 中，最高位的數據表示開關SW221的連接狀態，第2位的數據表示開
關SW222的連接狀態，第3位的數據表示開關SW223的連接狀態，第4
位的數據表示開關SW224的連接狀態，第5位的數據表示開關SW225 的連接狀態，最低位的數據表示開關SW^的連接狀態。
這樣，由第1可變電容部22A、第2可變電容部22B、比較部23、 以及連接控制部24將作為差動信號的分別從差動放大部21的負側的 差動輸出端子和正側的差動輸出端子輸出的電壓值AD轉換為6位的 數字值，並將其從連接控制部24輸出。此時，第1共同點P,和第2 共同點P2之間的電位差表示表示轉換後的數字值所表示的電壓值和輸 入電壓值的差。所以，如果對將該電壓值放大26倍的值進行與上述相 同的逐次比較型的AD轉換，那麼，可得到接著最初的6位的6位的 數字值。
因此，在決定了最初的6位之後，在差動放大部21中，開關SW^
和SW2w暫時閉合，電容器Cm和C2,4放電，將負側的差動輸出端子
和正側的差動輸出端子的各自的輸出電壓值初始化，隨後，開關SW^ 和SW2"斷開。而且，分別在第1反饋部25A和第2反饋部25B中， 開關SW25在暫時閉合之後斷開。於是，差動放大部21的倒相輸出端 子和非倒相輸出端子的各自的輸出電壓值的差為第1共同點P,和第2 共同點P2之間的電位差的2M咅。與上述相同，該差動放大部21的輸 出電壓值由逐次比較型AD轉換電路(由第1可變電容部22A、第2可變電容部22B、比較部23、以及連接控制部24構成)轉換為6位的
數字值。
如上所述，在AD轉換電路20中，從積分電路IO輸出的電壓值 被轉換為12位的數字值。另外， 一般而言，通過利用第1反饋部25A 和第2反饋部25B的(k-l)次反饋來進行k次逐次比較型的AD轉換， 從而將從積分電路IO輸出的電壓值轉換為6位的數字值。
此外，在相對於多組的光電二極體PD和開關SW而設置1組的積 分電路10和AD轉換電路20的情況下，對多組的光電二極體PD分別 依次地進行上述的工作。並且，在多組的光電二極體PD和開關SW二 維排列，且在每列設有1組的積分電路10和AD轉換電路20的情況 下，在某個期間，對位於某一行的全部的光電二極體PD進行上述的工 作，在接下來的期間，對位於下一行的全部的光電二極體PD進行上述 的工作。而且，該情況下的光檢測裝置1作為二維拍攝裝置而工作， 能夠拍攝除去了失調誤差等且S/N比優異的二維圖像。
這樣，在本實施方式中，能夠相對於應該輸出的數字值的位數， 減少第1可變電容部22A和第2可變電容部22B所分別包括的電容器 的個數，因而，能夠分別將第1可變電容部22A和第2可變電容部22B 小型化，進而能夠分別將AD轉換電路20和光檢測裝置1小型化，在 集成化的情況下，能夠減小晶片面積。另外，通過消減第1可變電容 部22A和第2可變電容部22B所分別包括的電容器的個數，能夠使各 電容器的電容值為高精度，並能夠提高AD轉換的精度。而且，在本 實施方式中，由於差動放大部21在放大器A21的周圍不具有電阻器， 因而，抑制了差動放大部21中的熱雜音，並且，抑制了電力消耗。
另外，在本實施方式中，通過在差動放大部21設有開關SW^和 電源E21，從而能夠擴大差動放大部21的輸出範圍。圖4是說明本實 施方式所涉及的AD轉換電路20所包括的差動放大部21的工作的時 序圖。在該圖中，(a)顯示了來自包括開關SW化和電源E2,的本實施 方式的差動放大部21的放大器A21的正側的差動輸出端子的輸出電壓 值，並且，(b)顯示了來自不包括開關SW^和電源E^的比較例的差 動放大部的放大器A21的正側的差動輸出端子的輸出電壓值。
在電源E21的輸出電壓值為3.5V，放大器A21的中心電壓值V,為2.5V，放大器A21的非倒相輸入端子的輸入電壓值V&為0.2V~3.2V
(在此，為相對於復位電平的相對值)的情況下，如圖4 (a)所示，來自非倒相輸出端子的輸出電壓值V。+為1.6V 3.1V。該值由前面所述的(1)式算出。並且，依照(1)式，在非倒相輸入端子的輸入電壓值Vi+為0V時，來自正側的差動輸出端子的輸出電壓值V。+為1.5V。即，在放大器A2,的正側的差動輸出端子上，能夠進行1.5V以上的輸出。此外，也能夠使用上述(2)式算出放大器A2,的負側的差動輸出端子的輸出範圍。在負側的差動輸出端子上，能夠進行3.1V以下的輸出。
另一方面，在不包括開關SW^和電源E^的比較例的差動放大部中，向放大器A^的倒相輸入端子輸入復位電壓值。由於復位電壓值幾乎為0V，因而，來自正側的差動輸出端子和負側的差動輸出端子的輸出電壓值能夠由下述(3)式和(4)式表示。在此，與上述(1)式和(2)式相同，來自正側的差動輸出端子的輸出電壓值為V。+，來自負側的差動輸出端子的輸出電壓值為V。.，非倒相輸入端子的輸入電壓值為Vi+，倒相輸入端子的輸入電壓值為Vj.，放大器A^的中心電壓值為
V0+=+Vi+/2+V,…(3)V0.=-Vi+/2+Ve。m…(4)
在上述(3)式中，在放大器A2i的中心電壓值Ve。m為2.5V，放大
器A21的非倒相輸入端子的輸入電壓值Vi+為0.2V 3.2V (在此，為相對於復位電平的相對值)的情況下，如圖4 (b)所示，來自正側的差動輸出端子的輸出電壓值V。+為2.6V 4.1V。並且，依照(3)式，在非倒相輸入端子的輸入電壓值Vi+為0V時，來自正側的差動輸出端子的輸出電壓值V。+為2.5V。 S卩，在放大器A21的正側的差動輸出端子上，不能進行不足2.5V的輸出。此外，能夠使用上述(4)式算出放大器A^的負側的差動輸出端子的輸出範圍。在負側的差動輸出端子上，不能進行超過2.5V的輸出。
通過與不包括開關SW215和電源E21的比較例的差動放大部的工作相對比，可以判定，在差動放大部21包括開關SW^和電源E21的本實施方式中，擴大了差動放大部21所包括的放大器A21的正側的差動輸出端子和負側的差動輸出端子的輸出範圍。
此外，在本實施方式所涉及的光檢測裝置1或AD轉換電路20中，也能夠使差動放大部21不作為CDS電路而起作用。圖5是說明在使差動放大部21不作為CDS電路而起作用的情況下的本實施方式所涉及的光檢測裝置1的工作的時序圖。該圖所示的時刻tn t13、 115~117與圖3所示的時刻tn t,3、 t!廣t!7相同。圖5 (a) ~ (f)與圖3 (a) ~ (f)幾乎相同，但是，與圖3的不同點在於，圖5 (c)所示的開關SW211在時刻112斷開。
如果開關SWm在時刻t^斷開，則在電容器<:212中蓄積與復位電
壓值相對應的量的電荷。如果在時刻t,6，開關SW2n斷開，在時刻tn，開關SW211閉合，則向放大器A21的非倒相輸入端子輸入疊加了失調電壓值的信號電壓值和復位電壓值的差分。在此情況下，如圖5 (h)和(i)所示，放大器A21的負側的差動輸出端子和正側的差動輸出端子輸出與疊加了失調電壓值的信號電壓值相對應的差動信號。這樣，通過改變閉合開關SW211的時機，能夠使差動放大部21不作為CDS電路而起作用。所以，本實施方式所涉及的光檢測裝置1和AD轉換電路20也能夠對應於不需要除去失調電壓值的情況。
產業上的利用可能性
本發明可以用於能夠輸出與入射光量相對應的數字值的光檢測裝置以及在這樣的光檢測裝置中優選使用的AD轉換電路中。
權利要求
1. 一種AD轉換電路，其特徵在於，具備差動放大部，包括具有第1和第2輸入端子以及第1和第2輸出端子的放大器、第1～第4電容器、以及第1～第4開關，其中，所述第1開關的一端經由所述第1電容器而連接於所述放大器的所述第1輸入端子，所述第2開關的一端經由所述第2電容器而連接於所述放大器的所述第2輸入端子，所述第3開關和所述第3電容器並列地設在所述放大器的所述第1輸入端子和所述第1輸出端子之間，所述第4開關和所述第4電容器並列地設在所述放大器的所述第2輸入端子和所述第2輸出端子之間；第1可變電容部，包括具有相互不同的電容值(C，…，2n-1C，…，2N-1C)的N個電容器，所述N個電容器的各自的一端通過第1連接切換單元而連接於所述放大器的所述第1輸出端子、第1基準電位、或者第2基準電位，所述N個電容器的各自的另一端連接於第1共同點；第2可變電容部，包括具有相互不同的電容值(C，…，2n-1C，…，2N-1C)的N個電容器，所述N個電容器的各自的一端通過第2連接切換單元而連接於所述放大器的所述第2輸出端子、所述第1基準電位、或者所述第2基準電位，所述N個電容器的各自的另一端連接於第2共同點；比較部，輸入所述第1和第2共同點的各自的電位並進行大小比較，輸出表示該比較結果的比較信號；連接控制部，輸入從所述比較部輸出的比較信號，基於該比較信號，以所述第1和第2共同點的各自的電位的差變小的方式，控制所述第1和第2連接切換單元的連接切換，並且，輸出表示所述第1和第2連接切換單元的各自的連接狀態的N位的數字值；第1反饋部，包括第1反饋電容器和第1反饋開關，所述第1反饋電容器的一端經由所述第1反饋開關而連接於所述第1共同點，所述第1反饋電容器的另一端連接於所述放大器的所述第1輸入端子；以及，第2反饋部，包括第2反饋電容器和第2反饋開關，所述第2反饋電容器的一端經由所述第2反饋開關而連接於所述第2共同點，所述第2反饋電容器的另一端連接於所述放大器的所述第2輸入端子，其中，N為2以上的整數，n為1以上N以下的整數。
2. 如權利要求1所述的AD轉換電路，其特徵在於， 所述差動放大部還包括第5開關和電源，所述電源經由所述第5開關而連接於所述第2開關和所述第2電容器的連接點。
3. —種光檢測裝置，其特徵在於， 具備光電二極體，產生與入射光量相對應的量的電荷； 積分電路，輸入在所述光電二極體產生的電荷並蓄積，從輸出端 輸出與該蓄積電荷量相對應的電壓值；以及， 如權利要求1或2所述的AD轉換電路，其中，所述AD轉換電路所包括的所述差動放大部的所述第1和 第2開關連接於所述積分電路的所述輸出端。
全文摘要
AD轉換電路(20)具備差動放大部(21)、第1可變電容部(22A)、第2可變電容部(22B)、比較部(23)、連接控制部(24)、第1反饋部(25A)、以及第2反饋部(25B)。作為差動信號從差動放大部(21)的第1輸出端子和第2輸出端子輸出的電壓值由逐次比較型AD轉換電路(由第1可變電容部(22A)、第2可變電容部(22B)、比較部(23)、以及連接控制部(24)構成)轉換為6位的數字值並輸出。第1共同點(P1)和第2共同點(P2)之間的電位差由第1反饋部(25A)和第2反饋部(25B)反饋至差動放大部(21)，再由逐次比較型AD轉換電路轉換為6位的數字值並輸出。
文檔編號H03M1/14GK101512904SQ20078003321
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月5日 優先權日2006年9月6日
發明者山本洋夫, 水野誠一郎, 溝口真規, 鈴木保博 申請人:浜松光子學株式會社