专利名称：设有滞后电路的比较器和模数变换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及比较器、AD变换电路、半导体器件、以及摄影装置。本发明特别涉及在比较器和AD变换电路中设置的滞后电路的技术。
背景技术：
以往，在用于多位AD变换电路的比较器中，为了降低噪声产生的影响并提高工作稳定性而设有滞后电路(例如，参照专利文献1)。特别是在超过10位的多位AD变换电路的情况下，位数越增加，位间的电压间隔越微小，噪声产生的误动作的危险越大。以往的滞后电路在输入电压上升时将参照电压切换为比阈值高的电压值，在输入电压减小时将参照电压值切换为比阈值低的电压值。由此，即使输入电压值在阈值附近增减，输出也不以高电平和低电平进行交替，可获得稳定的输出。
特开平5-167400号公报(日本)这里，在以往的多位AD变换电路中，设有多个用于实现滞后电路的晶体管等的开关，存在该部分电路规模增大的缺点。此外，开关个数增加，还使设计和控制变得复杂。
发明内容
本发明人根据以上的认识而形成了本发明，其目的在于，用简单的结构来实现滞后电路，并实现稳定的比较器。
为了解决上述课题，本发明的一个方案的比较器，通过串联连接的多个反转电路来比较输入电压和参照电压，该比较器包括第1反转电路，将输入电压和参照电压的差分进行反转输出；第2反转电路，将第1反转电路的输出信号再次反转输出；反馈路径，将第2反转电路的输出信号反馈到第1反转电路的输入端；以及电容器，被设置在反馈路径中，产生滞后，以相对于输入电压的增减在第2反转电路的增加阈值和减少阈值上产生差别。
这里，‘增加阈值’表示第2反转电路的输出随着输入电压的增加而开始增加的阈值电压，‘减小阈值’表示第2反转电路的输出随着输入电压的减小而开始减小的阈值电压。根据该方案，由于插入具有作为滞后电路功能的电容器使输入电压和参照电压的差分脉动上升而略微增加，所以即使在噪声的影响下输入电压在阈值附近细微地增减时输出电压也不增减，可以降低噪声的影响。此外，由于仅设置电容器，所以可以用简单的结构实现容易控制的滞后电路。
本发明的另一方案是AD变换电路。该AD变换电路通过由串联连接的多个反转电路来比较输入电压和参照电压的多个比较器而将模拟信号变换为数字信号，多个比较器分别包括第1反转电路，将输入电压和参照电压的差分进行反转输出；第2反转电路，将第1反转电路的输出信号再次反转输出；反馈路径，将第2反转电路的输出信号反馈到第1反转电路的输入端；以及电容器，被设置在反馈路径中，具有作为滞后电路的功能，以相对于输入电压的增减而在第2反转电路的增加阈值和减少阈值上产生差别。
根据该方案，在该AD变换电路中，通过具有作为滞后电路功能的电容器使输入电压和参照电压的差分脉动上升而略微增加，所以即使在噪声的影响下输入电压在阈值附近细微地增减时输出电压也不增减，可以降低噪声的影响。此外，由于仅设置电容器，所以可以用简单的结构实现容易控制的滞后电路。
可以将包括该比较器的AD变换电路搭载在CCD或包括该CCD的摄影装置和扫描仪上，也可以搭载在DVD驱动器上。
再有，将以上结构元件的任意组合、本发明的结构元件和表现在方法、装置、电路等之间相互置换，作为本发明的方案是有效的。
根据本发明，可以减小滞后电路的规模，而且可以实现稳定的AD变换电路。
图1是表示摄影装置的基本结构的图。
图2是表示实施例1的AD变换电路的结构图。
图3是原理性地表示AD变换电路中包括的比较器结构的电路图。
图4是初始化动作和比较动作的定时图。
图5是表示在输入电压和输出电压的关系中产生的滞后的图。
图6是表示实施例2的比较器的结构图。
图7是表示实施例3的AD变换电路的结构图。
图8是表示第1级的详细结构的图。
具体实施例方式
(实施例1)以往的滞后电路，通过切换被输入到比较器的参照电压来实现。即，至少需要设置两个那样的参照电压信号和用于切换它们的多个开关。这些开关是模拟开关，需要形成阻抗尽量低的开关。这里，在将1Vpp的电压值以10位的分辨率进行AD变换的情况下，1LSB＝0.98mV。而以12位的分辨率进行AD变换的情况下，1LSB＝0.24mV。这样，位数越增加，位间的间隔宽度越小，容易出现这部分噪声造成的误差，低位的变换精度会下降。
在本实施例中，通过在斩波型比较器的输入级中施加脉冲的结构来实现滞后电路。由此，可以仅用简单的结构来实现微小滞后，而不设置多个作为滞后电路的开关。特别是用逻辑电路进行滞后电路的导通截止，所以可以将电路面积抑制得小。此外，通过对电容器进行微调，还可以容易地实现小的滞后。
在本实施例中，举例说明包括滞后电路和比较器的摄影装置。
图1表示摄影装置的基本结构。摄影装置100包括透镜102、CCD104、AD变换电路10、图像处理单元106、显示单元108、以及记录单元110。CCD104通过透镜102而光学地取得被摄体的图像，并将其变换电信号。AD变换电路10将从CCD104接收的模拟电信号变换为数字值。图像处理单元106对从AD变换电路10接受的数字值进行校正后生成数字图像。显示单元108使摄影的数字图像显示在画面上，记录单元110将摄影的数字图像记录在从外部安装的存储卡112中。
图2表示实施例1的AD变换电路的结构。该AD变换电路10是快速(flash)型(并联比较型)AD变换电路。例如，以n位的分辨率进行AD变换的电路的情况下，2n-1个(以下，设其为‘m个’)的第1～m比较器A1～Am被分别并联连接到输入电压Vin的输入路径和参照电压Vref的输入路径。从参照电压Vref至接地电位之间，被(m-1)个电阻R1～R(m-1)进行分压。分压后的各电压分别从高电位起作为参照电压被依次输入到各个比较器A1～Am，这些参照电压各自与输入电压Vin的差分被作为比较结果分别从第1～m比较器A1～Am输出。编码器12将分别从第1～m比较器A1～Am输出的比较结果的信号变换为n位的数字信号后输出。这样，AD变换电路10瞬间判定输入电压Vin的值是否与第1～m比较器A1～Am中的哪个比较器的参照电压一致。
图3是原理性地表示AD变换电路中包括的比较器的结构的电路图。在该图中，例示了图2的第1比较器A1，但第2～m比较器A2～Am的结构与第1比较器A1相同。第1比较器A1主要包括第1反转电路28、第2反转电路30、锁存电路40、“非或”电路44、以及第4反转电路45。第1反转电路28和第2反转电路30被串联配置。第1反转电路28的输入端子与第1电容器C1的一端连接。第1电容器C1例如为5pF的电容器，另一端连接到第1节点24。第1反转电路28的输出端子与第2电容器C2的一端连接，第2电容器C2的另一端与第2反转电路30的输入端子连接。第2反转电路30的输出被输入到锁存电路40，锁存电路40的输出经由第3反馈路径42被输入到“非或”电路44，同时被第3反转电路60反转后作为Vout输出。定时信号P1还通过第4反转电路45被反转输入“非或”电路44中。
“非或”电路44在定时信号P1为低电平的情况下，“非或”电路44始终输出低电平。“非或”电路44在定时信号P1为高电平的情况下，在锁存电路40的输出为高电平的情况下输出低电平，在锁存电路40的输出为低电平的情况下输出高电平。在“非或”电路44的输出端子和第1反转电路28的输入端子之间设有第3电容器C3。第3电容器C3是微量电容器，例如为0.0005pF左右就可以，也可以使用晶体管的栅极电容和铝-铝间电容等的寄生电容。
输入电压Vin通过第1开关20施加在第1节点24上。参照电压Vref通过第2开关22施加在第1节点24上。第1反转电路28的输出，通过第3开关32反馈到连接了第1反转电路28的输入端子和第1电容器C1的第2节点26。同样地，第2反转电路30的输出，通过第4开关34反馈到连接了第2反转电路30的输入端子和第2电容器C2的第3节点27。第1反转电路28将输入的信号反转后输出，第2反转电路30将该输出信号再次反转后输出。
下面说明第1比较器A1的动作。作为该电路的初始化动作，将第2开关22、第3开关32、第4开关34都导通。在此期间，第1反转电路28和第2反转电路30中，由于输入的反转输出进行反馈，所以稳定在输出范围的1/2的值。第1反转电路28和第2反转电路30的电源电压为3V的情况下，稳定在输出范围的中点——1.5V。如果第2开关22、第3开关32、第4开关34截止，则第1节点24的电位保持在参照电压Vref的电压值，第2节点26的电位保持在1.5V。
作为比较动作，如果第1开关20导通，则被施加输入电压Vin，第1节点24的电位变化参照电压Vref和输入电压Vin的差分——ΔV＝Vref-Vin。此时，如果忽略第3电容器C3和其两端的电位差，则第2节点26的电位从1.5V起通过脉动上升或脉动下降而变化ΔV，为1.5V+ΔV。如果该ΔV为正的值，则第1反转电路28输出低电平，而如果ΔV为负的值，则第1反转电路28输出高电平。第2反转电路30将第1反转电路28的输出再次反转，所以最终如果ΔV是正的值，则Vout为高电平，如果是负的值，则Vout为低电平。锁存电路40在时钟信号QC1为高电平时输出基于从第2反转电路30输入的信号的值。即，在第2反转电路30输出高电平时锁存电路40输出低电平，而第2反转电路30输出低电平时锁存电路40输出高电平。但是，第2反转电路30的输出为1.5V时，锁存电路40的输出维持原来的输出值。
定时信号P1在初始化动作时为低电平，在比较动作时为高电平。因此，“非或”电路44在初始化动作时始终输出低电平，在比较动作时如果锁存电路40的输出为高电平则输出低电平，而如果锁存电路40的输出为低电平则输出高电平。在输出电压Vout为高电平的情况下，锁存电路40的输出为低电平，如果定时信号P1变为高电平，则锁存电路40输出高电平，第3电容器C3的“非或”电路44端的电位变为低电平。因此，在输出电压Vout从低电平变化为高电平时，第3电容器C3的“非或”电路44端的电位从低电平切换为高电平，以脉动上升方式使第2节点26的电位变化第3电容器C3的电容值对应的部分、即微小的电压部分ΔVx。由此，第2节点26的电位为1.5V+ΔV+ΔVx，只除去ΔVx的噪声的影响。
图4是初始化动作和比较动作的定时图。在图中，从上向下表示第2开关22、第1开关20、第3开关32、以及时钟信号QC1的导通截止定时。首先，如果第2开关22和第3开关32被导通，则开始第1反转电路28的初始化动作，如果第2开关22和第3开关32被截止，则第1反转电路28的初始化动作结束，并将时钟信号QC1导通，将第1开关22导通。在第1开关22导通期间执行输入电压Vin和参照电压Vref的比较动作，如果在第1开关20被截止前将时钟信号QC1导通，则输出电压Vout从锁存电路40输出。如果第1开关20被截止，则第2开关22和第3开关32导通，开始下一个初始化动作。这样，重复进行初始化动作和比较动作。
图5表示在输入电压和输出电压的关系中产生的滞后。通过输入电压Vin超过阈值T2而将输出电压Vout从低电平改变为高电平后，即使输入电压Vin下降而低于阈值T2，输出电压Vout也不从高电平切换到低电平。输入电压Vin进一步照样下降而低于阈值T1时，输出电压Vout从高电平切换到低电平。然后，即使输入电压Vin上升而超过阈值T1，输出电压Vout照样为低电平而不被切换，在输入电压Vin超过阈值T2时，输出电压Vout从低电平切换到高电平。这样，阈值T1和T2的差分为ΔVx，成为与第3电容器C3对应的电压值。该ΔVx是作为滞后产生的不敏感带，即使在此期间输入电压Vin产生增减，输出电压Vout也不切换，原样维持之前的输出电压Vout的值——高电平或低电平的其中之一。
如以上那样，第1比较器A1进行动作，以使输出电压Vout从低电平被切换到高电平时的输入电压Vin的阈值T2与从高电平被切换到低电平时的输入电压Vin的阈值T1为不同的值，而参照电压Vref的值自身不变化。由此，即使在参照电压Vref附近产生滞后，在阈值T1和阈值T2之间引起以噪声为原因的输入电压Vin的微小变化，对输出电压Vout也不产生影响。T1和T2的差分的宽度根据第3电容器C3的值来确定。但是，第3电容器C3的值并不是在电路设计上要求严密的值，只以微量的值来设置，就可获得与其值对应的效果。因此，本实施例的滞后电路具有仅主要设置第3电容器C3和“非或”电路44这样的设计上的容易性，电路面积也可抑制得小。此外，在以“非或”电路44的控制进行动作的方面，与利用模拟开关的现有的滞后电路相比，可以用简单的结构容易地进行控制。
(实施例2)本实施例中的比较器的动作，基本上与实施例1中的比较器的动作相同。但是，以包括了图6中差动放大电路结构的形式来表示本实施例的比较器。本实施例的比较器以外的结构，与实施例1的各电路结构相同，所以省略说明。
图6表示实施例2的比较器的结构。在第1比较器A1中，第1差动放大电路50和第2差动放大电路52被串联配置。第1差动放大电路50相当于图3中的第1反转电路28，具有差动输入端子和反转的差动输出端子。同样，第2差动放大电路52相当于图3中的第2反转电路30，具有差动输入端子和反转的差动输出端子。
第2差动放大电路52的差动输出分别通过第5反转电路54和第6反转电路56被反转，并被输出到RS锁存电路58。这些第5反转电路54、第6反转电路56、以及RS锁存电路58主要相当于图3的锁存电路40。但是，输入到锁存电路40的时钟信号QC1在图6中与对第2差动放大电路52的电源进行导通截止的第11开关78对应。RS锁存电路58的输出通过第3反转电路60被反转后成为输出电压Vout。
RS锁存电路58的输出经由第3反馈路径42被输入到“非或”电路44。“非或”电路44输出将RS锁存电路58的输出和用第4反转电路45反转了定时信号P1的信号的“非或”。“非或”电路44和第4反转电路45相当于图3的“非或”电路44和第4反转电路45。在连接了“非或”电路44和第1差动放大电路50的输入端子的路径上设置第6电容器C6。第6电容器C6相当于图3的第3电容器C3。输入电压Vin通过第5开关66和第7开关70被差动输入。参照电压Vref通过第6开关68和第8开关72被差动输入。第5开关66和第7开关70相当于图3的第1开关，第6开关68和第8开关72相当于图3的第2开关22。
第1差动放大器50的各个差动输入端子与第4电容器C4和第5电容器C5连接。第4电容器C4和第5电容器C5与图3的第1电容器C1相当。连接了第1差动放大电路50的差动输出端子和差动输入端子的第4反馈路径82和第5反馈路径84相当于图3的第1反馈路径36。第4反馈路径82和第5反馈路径84中设置的第9开关74和第10开关76相当于图3的第2开关32。
以上的电路在原理上与图3所示的第1比较器A1同样地动作，所以省略有关详细动作的说明。根据该结构，也可以用简单的结构来实现与实施例1同样控制容易的滞后电路。
(实施例3)本实施例的AD变换电路是流水线(pipe line)型AD变换电路。
图7表示实施例3的AD变换电路的结构。AD变换电路200由s个级构成，各级中进行每次数位的AD变换。这里，在AD变换电路200中包括从第1级202、第2级204、第3级206到第s级208的级。第1级202将输入电压Vin+和Vin-变换为数位的数字值后传送到信号生成电路210，将变换后的值进行从原来的输入值中减去放大后传送到第2级204。第2级204也同样地将输入值变换为数位的数字值后将其传送到信号生成电路210，将变换后的值从原来的输入值中减去放大后传送到第3级206。第3级206也将输入值变换为数位的数字值后传送到信号生成电路210，将变换后的值进行从原来的输入值中减去放大后传送到下一级。最终级的第s级208将输入的值变换为数位的数字值后传送到信号生成电路210。
在通过第1级202变换后的值由第2级204进行AD变换期间，第1级202对下一输入值进行AD变换。这样，从第1级202、第2级204、第3级206到第s级208分别并行处理AD变换。各级中的AD变换例如仅进行4位以下的数位的处理，所以处理速度快，而且在各级中同时进行处理，所以作为整体的处理速度提高。从各级输出的数字信号由信号生成电路210集中、输出。
图8表示第1级的详细结构。第1级202包括采样保持电路212、子AD变换电路214、子DA变换电路216、第1减法器218、第2减法器220、以及放大电路222。输入电压Vin+和Vin-被差动输入到采样保持电路212而保持。采样保持电路212保持的模拟值由子AD变换电路214变换为n位的数字值后被输出到信号生成电路210，同时由子DA变换电路216变换为模拟值。第1减法器218和第2减法器220从采样保持电路212中保持的值中减去由子DA变换电路216变换后的模拟值后将其差动输入到放大电路222。放大电路222放大从第1减法器218和第2减法器220接受的信号，将其传送到下一级——第2级。
子AD变换电路214是与图2的AD变换电路10同样的快速型AD变换电路，尽管有位数的差异，但与实施例1、2的AD变换电路10同样地动作。因此，在子AD变换电路214中也与实施例1、2同样可用简单的结构实现控制容易的滞后电路。
以上，根据实施方式说明了本发明。各实施方式是例示，本领域技术人员应该理解，在其结构元件和处理过程的组合上可进行各种各样的变形，这些变形也在本发明的范围内。以下，列举变形例。
在各实施例中，说明了在初始化动作中施加参照电压Vref，在比较动作中施加输入电压Vin的控制。在变形例中，也可以是在初始化动作中施加输入电压Vin，在比较动作中施加参照电压Vref的控制。
权利要求
1.一种比较器，通过串联连接的多个反转电路来比较输入电压和参照电压，其特征在于，所述比较器包括第1反转电路，将输入电压和参照电压的差分进行反转输出；第2反转电路，将所述第1反转电路的输出信号再次反转输出；反馈路径，将所述第2反转电路的输出信号反馈到所述第1反转电路的输入端；以及电容器，被设置在所述反馈路径中，产生滞后，以相对于所述输入电压的增减在所述第2反转电路的增加阈值和减少阈值上产生差别。
2.如权利要求1所述的比较器，其特征在于，所述比较器还包括被设置在所述反馈路径中、使对所述电容器施加的所述第2反转电路的输出信号导通或截止的电路。
3.如权利要求1或2所述的比较器，其特征在于，所述电容器在所述第2反转电路的输出信号从低电平变化为高电平时，具有略微增加所述输入电压和参照电压的差分值的作用。
4.如权利要求1或2所述的比较器，其特征在于，所述比较器还包括第1开关，导通/截止对所述第1反转电路的输入电压的输入；第2开关，导通/截止对所述第1反转电路的参照电压的输入；以及第3开关，在将所述第1反转电路的输出信号反馈到所述第1反转电路的输入端的路径中导通/截止该反馈，所述第1反转电路的输出信号在将第1开关截止而将所述第2开关、第3开关导通时，稳定在其电压幅度的中间值，而在将所述第2开关、第3开关截止而将第1开关导通时，成为所述输入电压和参照电压的差分值，所述电容器在将所述第2开关、第3开关截止而将第1开关导通时，使所述输入电压增加时的所述差分值略微增加。
5.一种AD变换电路，通过由串联连接的多个反转电路来比较输入电压和参照电压的多个比较器而将模拟信号变换为数字信号，其特征在于所述多个比较器的每一个比较器包括第1反转电路，将输入电压和参照电压的差分进行反转输出；第2反转电路，将所述第1反转电路的输出信号再次反转输出；反馈路径，将所述第2反转电路的输出信号反馈到所述第1反转电路的输入端；以及电容器，被设置在所述反馈路径中，产生滞后，以相对于所述输入电压的增减在所述第2反转电路的增加阈值和减少阈值上产生差别。
6.如权利要求5所述的AD变换电路，其特征在于，所述AD变换电路还包括被设置在所述反馈路径中、使对于所述电容器施加所述第2反转电路的输出信号导通或截止的电路。
7.如权利要求5或6所述的AD变换电路，其特征在于，所述电容器在所述第2反转电路的输出信号从低电平变化为高电平时，具有略微增加所述输入电压和参照电压的差分值的作用。
8.如权利要求5或6所述的AD变换电路，其特征在于，所述AD变换电路还包括第1开关，导通/截止对所述第1反转电路的输入电压的输入；第2开关，导通/截止对所述第1反转电路的参照电压的输入；以及第3开关，在将所述第1反转电路的输出信号反馈到所述第1反转电路的输入端的路径中导通/截止该反馈，所述第1反转电路的输出信号在将第1开关截止而将所述第2开关、第3开关导通时，稳定在其电压幅度的中间值，而在将所述第2开关、第3开关截止而将第1开关导通时，成为所述输入电压和参照电压的差分值，所述电容器在将所述第2开关、第3开关截止而将第1开关导通时，使所述输入电压增加时的所述差分值略微增加。
9.一种半导体器件，其特征在于，搭载了权利要求1或2所述的比较器。
10.一种半导体器件，其特征在于，搭载了权利要求5或6所述的AD变换电路。
11.一种摄影装置，其特征在于，包括AD变换电路，该AD变换电路通过由串联连接的多个反转电路来比较输入电压和参照电压的多个比较器而将模拟信号变换为数字信号，所述AD变换电路中的所述多个比较器的每一个比较器包括第1反转电路，将输入电压和参照电压的差分进行反转输出；第2反转电路，将所述第1反转电路的输出信号再次反转输出；反馈路径，将所述第2反转电路的输出信号反馈到所述第1反转电路的输入端；以及电容器，被设置在所述反馈路径中，产生滞后，以相对于所述输入电压的增减在所述第2反转电路的增加阈值和减少阈值上产生差别。
12.一种摄影装置，其特征在于，包括透镜，对被摄体的图像进行成像；CCD，通过所述透镜而光学地取得被摄体的图像后将其变换为电信号；AD变换电路，将从所述CCD接收的模拟电信号变换为数字值；图像处理单元，对从所述AD变换电路接受的数字值进行校正而生成数字图像；显示单元，使所述数字图像显示在画面上；以及记录单元，记录所述数字图像，所述AD变换电路通过由串联连接的多个反转电路来比较输入电压和参照电压的多个比较器而将模拟信号变换为数字信号，所述多个比较器的每一个比较器包括第1反转电路，将输入电压和参照电压的差分进行反转输出；第2反转电路，将所述第1反转电路的输出信号再次反转输出；反馈路径，将所述第2反转电路的输出信号反馈到所述第1反转电路的输入端；以及电容器，被设置在所述反馈路径中，产生滞后，以相对于所述输入电压的增减在所述第2反转电路的增加阈值和减少阈值上产生差别。
全文摘要
提供一种比较器。在第1比较器(A
文档编号H03M1/36GK1658510SQ20051000935
公开日2005年8月24日 申请日期2005年2月17日 优先权日2004年2月20日
发明者结城浩文, 河村泰则 申请人:罗姆股份有限公司