refl的电压范围之外，在这种情况下，可能损坏输出图像。
[0109]A/D转换的改善
[0110]鉴于上述情况，信号处理装置被设计成包括:比较单元，其将从单位像素输出的模拟信号与预定电压进行比较；选择单元，其根据由比较单元在模拟信号与至少一个预定确定值之间进行的比较的结果从具有彼此不同的阶梯精度的参考电压中选择一者；切换单元，其根据由选择单元进行的选择的结果对要被供给至比较单元的参考电压进行切换；以及测量单元，其下述比较的结果的变化的时序，所述比较是由比较单元在模拟信号与通过由切换单元进行的切换控制供给至比较单元的参考电压之间的比较。
[0111]如上所述，在A/D转换中用于与参考值的比较的比较单元也用于与预定确定值的比较，并且根据比较的结果选择阶梯精度。以这种方式，信号处理装置能够减小来自于确定的比较精度(偏移误差)的参考电压范围裕度，并获得提高速度或减小功耗的效果。也就是说，可以减少A/D转换误差的产生。
[0112]所述预定确定值可以由这样的参考电压生成单元供给:参考电压之中具有较高阶梯精度的参考电压被供给至该参考电压生成单元。
[0113]通过如上所述地使用供给有较高阶梯精度的参考电压的参考电压生成单元来设定预定确定值，信号处理装置能够进一步减小来源于比较精度(偏移误差)的参考电压范围裕度。
[0114]例如，如果参考电压Vref 1比参考电压Vref2具有更高的转换精度(或参考电压Vrefl是具有更小的斜率的斜坡电压)，则需要将预定确定值设定在其中能够对参考电压Vref 1进行A/D转换的电压范围内。因此，如果使用与参考电压Vrefl不同的电压产生单元设定预定确定值，参考电压Vrefl的电压范围则需要加宽以相当于电压设定误差(偏移)的量。由于与具有更高的转换精度的参考电压Vrefl相同的电压单元设定预定确定值，因此不仅可以在无需增加电路的数量的情况下提供预定确定值，还可以消除电压设定误差。
[0115]在作为由比较单元执行的比较的结果而确定模拟信号小于预定确定值的情况下，选择单元可以从多个参考电压之中选择具有较高阶梯精度的参考电压。在确定模拟信号大于预定确定值的情况下，选择单元可以从参考电压之中选择具有较低阶梯精度的参考电压。接着，切换单元可以将由选择单元选择的参考电压供给至比较单元。
[0116]也就是说，在量化噪声变成主要噪声的区域中使用高阶梯精度，并在光子散粒噪声等为主要噪声的区域中使用低阶梯精度。借此，信号处理装置能够实现这样的A/D转换:获得与在使用高阶梯精度执行A/D转换的情况下的图像质量等效的图像质量，同时抑制转换速度的降低以及功耗的增加。
[0117]比较单元可以将作为像素的噪声信号的第一模拟信号和作为包含像素的数据的信号的第二模拟信号与参考电压进行比较。测量单元可以计算第一模拟信号和参考电压之间由比较单元进行的比较的结果中的变化的时序的测量结果与第二模拟信号和参考电压之间由比较单元进行的比较的结果中变化的时序的测量结果之间的差。
[0118]借此，信号处理装置能够在数字区域中进行用于去除偏差分量的减法处理，并且能够抑制因减法处理而造成的电路规模和功耗的增大。
[0119]针对第一模拟信号，选择单元可以顺序地选择各参考电压，切换单元可以将由选择单元选择的参考电压供给至比较单元，并且处于切换单元控制下的比较单元可以顺序地将第一模拟信号与各参考电压进行比较。对于第二模拟信号，选择单元可以根据由比较单元在第二模拟信号和至少一个预定确定值之间进行的比较的结果而选择一个参考电压，切换单元可以将由选择单元选择的参考电压供给至比较单元，并且处于切换单元的控制下的比较单元可以将第二模拟信号与由选择单元选择的参考电压进行比较。测量单元可以计算在第二模拟信号和由选择单元选择的参考电压之间的比较结果中变化的时序的测量结果与在第一模拟信号和由选择单元选择的参考电压之间的比较结果中变化的时序的测量结果之间的差。
[0120]如上所述，通过将第一模拟信号(偏差分量)与各阶梯精度的参考电压进行比较，信号处理装置能够对具有任意阶梯精度的第二模拟信号(信号分量+偏差分量)执行A/D转换。
[0121]信号处理装置可以进一步包括用于供给参考电压的参考电压供给单元。
[0122]由于由自身供给参考电压，所以信号处理装置能够容易地对参考电压执行扫描控制。
[0123]参考电压供给单元可以供给参考电压，以使第一模拟信号和第二模拟信号在从较低侧朝向较高侧的第一比较方向上或在从较高侧朝向较低侧的第二比较方向上与预定范围内的电压进行比较。
[0124]借此，比较单元可以将第一模拟信号和第二模拟信号与预定电压范围内的参考电压进行比较。
[0125]参考电压供给单元可以供给参考电压使得第一模拟信号与参考电压以阶梯精度的顺序并且在与前一个参考电压的比较方向相反的比较方向上进行比较。
[0126]由于待顺序地施加至第一模拟信号的不同阶梯精度的参考电压的比较方向顺序地交替，因此，在下一个阶梯精度比较开始之前比较结果Vco无需变化。因此，信号处理装置缩短了各A/D转换所需的稳定周期(settling per1d)，并可以实现甚至更高的速度。
[0127]参考电压供给单元可以供给由选择单元选择的参考电压，使得在与参考电压和第一模拟信号之间的比较方向相同的比较方向上将第二模拟信号与参考电压进行比较。
[0128]借此，信号处理装置能够实现低噪声A/D转换，而无需降低因取决于参考电压的扫描方向而变化的非线性特性(滞后)而造成的偏差分量(或第一模拟信号)的移除精度。
[0129]参考电压供给单元可以供给在参考电压之中具有最高阶梯精度的参考电压，使得在第二比较方向上执行与在上述范围内的电压的比较，并且可以供给具有最低阶梯精度的参考电压，使得在第一比较方向上执行与在上述范围内的电压的比较。
[0130]借此，信号处理装置可以根据由比较单元以预定电压确定的结果改变的逻辑值以各种阶梯精度对第二模拟信号进行A/D转换。因此，无需待机直至比较单元在A/D转换之前变为稳定的逻辑值，并且信号处理装置可以实现甚至更高的速度。
[0131]也可以存在比较单元、选择单元、切换单元和测量单元的一个以上组合。在各组合中，选择单元可以包括用于保存比较结果的第一保存单元和第二保存单元。各组合中的第一保存单元可以保存比较结果直至在第一保存单元中保存了由所有组合中的比较单元进行的比较的结果。各组合中的第二保存单元可以在第一保存单元中保存了所有组合中的比较结果之后保存比较结果，并基于其中所保存的比较结果选择一个参考电压。
[0132]当参考电压根据与预定确定值进行比较的结果而切换时，可能在参考电压中产生噪声。另外，由于供给至各AD转换单元的时钟信号中的延迟差，该噪声可能导致其他比较结果中的误差。因此，对比较结果进行保存直至在第一保存单元中保存了所有组合中的比较单元执行的比较的结果。以这种方式，可以减小这种噪声的影响。
[0133]本技术也可以实现为用于信号处理装置的信号处理方法。
[0134]另外，成像装置可以设计成包括:像素阵列，其包括布置在其中的单位像素，各单位像素包括用于对入射光执行光电转换的光电转换元件；比较单元，其用于将从像素阵列的单位像素输出的模拟信号与预定电压进行比较；选择单元，其根据由比较单元进行的模拟信号与至少一个预定确定值之间的比较的结果选择彼此不同的阶梯精度的参考电压中的一者；切换单元，其根据由选择单元进行的选择的结果切换将要供给至比较单元的参考电压；以及测量单元，其测量由比较单元进行的模拟信号与通过由切换单元执行的切换控制而被供给至比较单元的参考电压之间的比较的结果的变化时序。
[0135]另外，成像装置可以设计成包括:成像单元，其对物体进行成像；以及图像处理单元，其对通过由成像单元进行的成像而获得的图像数据进行图像处理。成像单元包括:像素阵列，其包括布置在其中的单位像素，单位像素各者包括用于对入射光进行光电转换的光电转换元件；比较单元，其用于将从像素阵列的单位像素输出的模拟信号与预定电压进行比较；选择单元，其根据由比较单元进行的模拟信号与至少一个预定确定值之间的比较的结果选择彼此不同的阶梯精度的参考电压中的一者；切换单元，其根据由选择单元进行的选择的结果切换将要供给至比较单元的参考电压；以及测量单元，其测量由比较单元进行的模拟信号与通过由切换单元执行的切换控制而被供给至比较单元的参考电压之间的比较的结果的变化时序。
[0136]也就是说，本技术可以实现为信号处理装置，或可以实现为进行与信号处理装置相同的信号处理的装置。可以通过软件实现部分或全部的控制过程。
[0137]下面将更详细地对其进行说明。
[0138]CMOS图像传感器
[0139]图5是示出了互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的典型示例结构的图。图5示出的CMOS图像传感器100是使用CMOS的成像装置。可选地，CMOS图像传感器100是处理在像素区域中获得的图像信号的信号处理装置的示例。如图5所示，CMOS图像传感器100包括像素阵列111和作为信号处理装置的示例的A/D转换单元112。CMOS图像传感器100对入射到像素阵列111上的光进行光电转换，使用A/D转换单元112对得到的模拟信号进行A/D转换，并输出对应于与入射光相对应的图像的数字数据。
[0140]在像素阵列111中，由附图中的方框表示的且包含光电转换元件的单位像素141布置成阵列(矩阵)形式。在图5中，仅示出了一些单位像素。像素阵列111中的像素数量可以为任意数量。当然，行数量和列数量也可以为任意数量。
[0141]针对像素阵列111的各列设置A/D转换单元112，并且A/D转换单元包括作为对读取自对应列的各单位像素的模拟像素信号Vx进行A/D转换的信号处理装置的示例的列A/D转换单元151。
[0142]在图5中，仅示出了对应于像素阵列111的左侧第一列的列A/D转换单元151_1、对应于左侧第二列的列A/D转换单元151-2和对应于左侧第三列的列A/D转换单元151-3。实际上，A/D转换单元112包括对应于像素阵列111中单位像素141的所有各列的列A/D转换单元151。当无需将列A/D转换单元彼此区分时，列A/D转换单元将简单地称为列A/D转换单元151。
[0143]列A/D转换单元151的数量无需与像素阵列111中的列的数量相同。例如，单个列A/D转换单元151可以对像素阵列111中的多列的像素信号Vx执行A/D转换。例如，列A/D转换单元151可以以分时方式对对应的多列的像素信号Vx执行A/D转换处理。
[0144]CMOS图像传感器100还包括A/D转换控制单元110、控制时序产生单元121、像素扫描单元122、水平扫描单元123、参考电压生成单元131以及参考电压生成单元132。
[0145]例如，控制时序产生单元121通过将时钟信号供给至A/D转换控制单元110、A/D转换单元112、像素扫描单元122、水平扫描单元123、参考电压生成单元131以及参考电压生成单元132来控制各处理单元的操作时序。
[0146]像素扫描单元122向像素阵列111中的各单位像素141供给控制信号以控制各单位像素的操作。水平扫描单元123顺序地输出从各个列A/D转换单元151供给的单位像素各行的数字数据。
[0147]A/D转换控制单元110控制各列A/D转换单元151的操作。参考电压生成单元131将参考电压Vrefl供给至各列A/D转换单元151。参考电压生成单元132将不同于参考电压Vrefl的参考电压Vref2供给至各列A/D转换单元151。
[0148]A/D转换单元112的各列A/D转换单元151以被控制时序产生单元121控制的时序进行操作。
[0149]各列A/D转换单元151包括切换单元161、比较单元162、选择单元163以及时序测量单元164。尽管在图5中示出了列A/D转换单元151-3的结构，但包括列A/D转换单元151-1和列A/D转换单元151-2在内的所有列A/D转换单元151具有与列A/D转换单元151-3相同的结构。
[0150]切换单元161包括设置在参考电压生成单元131和比较单元162之间的开关，该开关通过从选择单元163供给的控制信号SWR1来控制参考电压生成单元131和比较单元162的连接或参考电压生成单元131和比较单元162的断开(0N/0FF)。切换单元161还包括设置在参考电压生成单元132和比较单元162之间的开关，该开关通过从选择单元163供给的控制信号SWR2来控制参考电压生成单元132和比较单元162的连接或参考电压生成单元132和比较单元162的断开(0N/0FF)。也就是说，切换单元161将由选择单元163选择的从参考电压生成单元131供给的参考电压Vrefl或从参考电压生成单元132供给的参考电压Vref2供给至比较单元162。
[0151]比较单元162将读取自单位像素141的模拟像素信号Vx的电压与从切换单元161供给的参考电压(Vrefl或Vref2)进行比较。比较单元162将比较结果Vco(表示谁的电压更高)供给至选择单元163和时序测量单元164。
[0152]为了对像素信号Vx执行A/D转换，比较单元162将用于扫描预定电压宽度的参考电压与像素信号Vx的电压进行比较。为了确定像素信号Vx(第二模拟信号)的A/D转换期间的阶梯精度，比较单元162还将具有预定大小(预定确定值)的参考电压与像素信号Vx(第二模拟信号)进行比较。
[0153]以这种方式，同一比较单元162执行用于像素信号Vx的A/D转换的比较和用于确定阶梯精度的比较。因此，列A/D转换单元151可以减小参考电压范围中所需的裕度，并实现更高速度或更少功耗的A/D转换。
[0154]在A/D转换控制单元110的控制下，选择单元163选择待供给至比较单元162的参考电压。控制信号ADP和控制信号SWSQ从A/D转换控制单元110供给至选择单元163。以基于这些控制信号的值的时序，选择单元163基于从比较单元162供给的比较结果Vco来选择参考电压Vrefl或参考电压Vref2。选择单元163确定控制信号SWR1和控制信号SWR2的值使得切换单元161将所选择的参考电压供给至比较单元162，并将控制信号SWR1和控制信号SWR2供给至切换单元161。
[0155]时序测量单元164包括计数器，并使用计数器测量从比较单元162中的比较开始直至比较结果Vco的值发生变化时的时间。时序测量单元164将计数值(或从比较单元162中的比较开始直至比较结果Vco的值发生变化时的时间长度)作为像素信号Vx的数字数据供给至水平扫描单元123。
[0156]时序测量单元164包括能够进行递增计数和递减计数的计数器。因此，时序测量单元164可以执行计数操作以实现第一模拟信号(偏差分量)和参考电压之间的比较的计数值与第二模拟信号(信号水平+偏差分量)和参考电压之间的比较的计数值的减法运算。也就是说，时序测量单元164可以容易地执行该减法操作。时序测量单元164还能够在数字区域中执行该减法操作。因此，能够抑制电路规模和功耗的增加。
[0157]下面，对图5中的选择单元163进行说明。图6是示出了选择单元163的典型示例结构的图。如图6所示，选择单元163包括锁存器171、AND 172、AND 173、OR 174、AND175、AND 176、OR 177，以及 NOT (非)178-1 至 178-5。
[0158]选择单元163接收控制信号ADP、SWSQ和ΦΛ以及比较结果Vco，并输出控制信号SWR1和SWR2。控制信号ΦΛ控制将比较结果Vco的非(negat1n) (SWFB)锁定的时序。图6的B中示出了控制信号ADP和SWSQ与控制信号SWR1和SWR2的真值表。
[0159]在控制信号ADP为L水平的情况下，例如，如果控制信号SWSQ为L水平，则L水平作为控制信号SWR1而被输出，并且Η水平作为控制信号SWR2而被输出。也就是说，选择参考电压Vref2，然后将其供给至比较单元162。如果控制信号SWSQ为Η水平，则Η水平作为控制信号SWR1输出，并且L水平作为控制信号SWR2输出。也就是说，选择参考电压Vrefl，然后将其供给至比较单元162。
[0160]例如，在使用控制信号ΦΛ的脉冲由锁存器171保持比较结果Vco的非之后，在控制信号ADP为Η水平的情况下，信号SWFB (比较结果Vco的非)作为控制信号SWR1输出，并且信号SWFB的非(比较结果Vco)作为控制信号SWR2输出，而与控制信号SWSQ的值无关。也就是说，在比较结果Vco为L水平的情况下，选择参考电压Vrefl，然后将其供给至比较单元162。在比较结果Vco为Η水平的情况下，选择参考电压Vref2，然后将其供给至比较单元162。
[0161]下面，对图5中的单位像素141进行说明。图7是示出了单位像素的典型示例结构的图。如图7所示，单位像素141包括光电二极管181、传输晶体管182、复位晶体管183、放大晶体管184以及选择晶体管185。单位像素141连接至垂直信号线186。除单位像素之外，代表负载的低电流源187也连接至垂直信号线186。
[0162]在作为光电转换元件的示例的光电二极管181处产生的光电荷凭借传输晶体管182的栅极的控制信号TRG而被传输至节点FD的寄生电容，并且进行电荷-电压转换。该电压连接至放大晶体管184的栅极，并当像素被选择晶体管185的栅极的控制信号SEL选择时，该电压作为像素信号Vx输出至垂直信号线186。另外，节点FD被复位晶体管183的栅极的控制信号RST设定至预定电压Vrst，并且表示放大晶体管184的偏差分量的像素信号Vx等能够被输出。
[0163]在以下说明中，将被控制信号RST设定至预定电压Vrst的像素信号Vx称为第一模拟信号，将具有传输的光电荷以及加在其上的信号水平的像素信号Vx称为第二模拟信号。
[0164]下面，将对比较单元162进行说明。图8是示出了比较单元162的典型示例结构的图。
[0165]当像素信号Vx和参考电压Vref之间的大小关系反转时，比较结果Vco从一侧变化至另一侧。这里，通过控制信号PAZ存储差分放大器电路的偏移误差，使得比较单元162能够更准确地比较像素信号Vx和参考电压Vref。
[0166]时序图
[0167]下面，对CMOS图像传感器100的操作和控制流程进行说明。图9是示出了在入射光亮度低或第二模拟信号的幅度小的情况下A/D转换的示例的时序图。这里，对读取自单位像素141的像素信号Vx的A/D转换处理中的各操作时序进行说明。
[0168]当在时间T0处开始从单位像素141读取像素信号Vx之后，在时间T1处开始读取第一模拟信号(偏差分量AV)。
[0169]在时间T2处，参考电压生成单元131开始参考电压Vrefl的电压扫描。参考电压生成单元131以预定阶梯精度Dl(例如，60uV/LSB)在从较大侧朝向较小侧的方向(比较方向)上对于参考电压Vrefl扫描电压(或者在从较暗侧朝向较亮侧的方向上执行扫描)。该扫描一直持续至时间T4。
[0170]在从时间T0至时间T4的时段内，控制信号SWSQ设定在Η水平，控制信号ADP设定在L水平，并且控制信号ΦΛ设定在L水平。也就是说，选择单元163选择参考电压Vrefl，切换单元161将由参考电压生成单元131产生的参考电压Vrefl供给至比较单元162。
[0171]在参考电压Vrefl进行扫描的从时间T2至时间T4的时段内，比较单元162将像素信号Vx(第一模拟信号)与参考电压Vrefl进行比较。时序测量单元164从时间T2开始使用计数器时钟进行计数。该计数一直持续至像素信号Vx (第一模拟信号)与参考电压Vrefl之间的比较的比较结果Vco发生变化，或一直持续至时间T4。
[0172]该比较结果Vco可能在早于时间T4的时间T3处变化。在这种情况下，时序测量单元164在时间T3处结束计数。时序测量单元164输出该计数值作为数字输出Dol。也就是说，数字输出Dol是数字值AV。
[0173]在参考电压Vrefl和第一模拟信号之间的比较结束之后，进行参考电压Vref2和第一模拟信号之间的比较。在时间T4处，控制信号SWSQ转换至L水平，并且通过切换单元161将由参考电压生成单元132产生的参考电压Vref2供给至比较单元162。
[0174]在待机至比较结果Vco的值发生变化之后，参考电压生成单元132在时间T5处开始参考电压Vref2的电压扫描。参考电压生成单元132以不同于阶梯精度D1的预定阶梯精度D2(例如，240uV/LSB)在从较大侧朝向较小侧的方向(比较方向)上对于参考电压Vref2扫描电压(或者在从较暗侧朝向较亮侧的方向上执行扫描)。该扫描一直持续至时间T7。
[0175]同时，比较单元162将像素信号Vx(第一模拟信号)与参考电压Vref2进行比较。时序测量单元164从时间T5开始使用计数器时钟进行计数。该计数一直持续至像素信号Vx (第一模拟信号)和参考电压Vref 2之间的比较的比较结果Vco发生变化，或一直持续至时间T7。
[0176]该比较结果Vco可能在早于时间T7的时间T6处变化。在这种情况下，时序测量单元164在时间T6处结束计数。时序测量单元164输出该计数值作为数字输出Do2。也就是说，数字输出Do2为数字值AV。
[0177]在参考电压Vrefl和Vref2与第一模拟信号之间的比较结束之后，进行参考电压与第二模拟信号之间的比较。在时间T4处，控制信号SWSQ转换至L水平，并且通过切换单元161将由参考电压生成单元132产生的参考电压Vref2供给至比较单元162。
[0178]如上所述，列A/D转换单元151顺序地以参考电压Vrefl和参考电压Vref2对第一模拟信号进行A/D转换。通过参考电压的电压扫描，当像素信号Vx和参考电压Vrefx变得彼此相