(57)【要約】  本発明に係る固体撮像装置（１０Ａ）は、行列状に配置された複数の画素セル（１１）と、列毎に一つ設けられており、複数の垂直信号線（２２）と、１以上の列毎に一つ設けられており、対応する列に配置された垂直信号線（２２）に出力された信号電圧が入力される複数の列回路（２０）とを備え、列回路（２０）の各々は、定電流源トランジスタ（１１５及び１２２）を含むアンプ（４０）を備え、固体撮像装置（１０Ａ）は、さらに、複数の列回路（２０）に含まれる複数の定電流源トランジスタ（１１５及び１２２）のゲートに第１バイアス電圧を供給する基準電流源回路（８０）を備え、列回路（２０）の各々は、さらに、第１バイアス電圧を保持するサンプルホールド回路（５０）を備える。
2013031097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じて信号電荷を生成する光電変換素子と、前記信号電荷を増幅することで信号電圧を生成する増幅トランジスタとを各々が含み、行列状に配置された複数の画素セルと、
列毎に一つ設けられており、前記複数の画素セルのうち対応する列に配置された複数の画素セルにより生成された前記信号電圧が出力される複数の垂直信号線と、
１以上の列毎に一つ設けられており、対応する列に配置された前記垂直信号線に出力された前記信号電圧が入力される複数の列回路とを備える固体撮像装置であって、
前記複数の列回路の各々は、
前記信号電圧に基づく入力信号が入力され、定電流源トランジスタを含むアンプを備え、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記複数の列回路に含まれる複数の前記定電流源トランジスタのゲートに第１バイアス電圧を供給する基準電流源回路を備え、
前記複数の列回路の各々は、さらに、
前記第１バイアス電圧を保持するサンプルホールド回路を備える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の列回路の各々は、前記信号電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換部を備え、
前記ＡＤ変換部は、前記信号電圧と参照信号とを比較する比較器を備え、
前記アンプは、前記比較器に含まれ、前記信号電圧と前記参照信号とが入力されるアンプであり、
前記サンプルホールド回路は、前記比較器が前記参照信号と前記信号電圧とを比較する期間において、前記第１バイアス電圧を保持する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記アンプは、
前記信号電圧と参照信号とを比較する差動アンプと、
前記定電流源トランジスタを含み、前記差動アンプの出力信号を増幅する増幅アンプとを備え、
前記サンプルホールド回路は、前記差動アンプが参照信号と前記信号電圧とを比較する期間において、前記第１バイアス電圧を保持する
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の列回路の各々は、前記アンプを含み、前記信号電圧を増幅する信号増幅器を備え、
前記サンプルホールド回路は、前記信号増幅器が前記信号電圧を増幅する期間において、前記第１バイアス電圧を保持する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記サンプルホールド回路は、
前記定電流源トランジスタのゲートと前記基準電流源回路との間に接続されたサンプルホールドトランジスタと、
前記定電流源トランジスタのゲートに接続されたサンプルホールド容量とを備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記固体撮像装置は、さらに、前記基準電流源回路と、前記複数の列回路に含まれる複数の前記サンプルホールド回路とに接続されているバイアス線を備え、
前記基準電流源回路は、前記バイアス線を介して、前記複数の定電流源トランジスタのゲートに前記第１バイアス電圧を供給する
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記基準電流源回路は、
前記定電流源トランジスタとカレントミラー回路を形成するトランジスタと、
前記トランジスタに基準電流を供給する参照電流源とを備える
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記基準電流源回路は、前記列回路ごとに一つ設けられた複数の第１基準電流源部を備え、
前記複数の第１基準電流源部の各々は、
前記定電流源トランジスタとカレントミラー回路を構成し、前記定電流源トランジスタのゲートに前記第１バイアス電圧を供給するカレントミラートランジスタと、
前記カレントミラートランジスタに対して基準電流を供給する参照電流源トランジスタとを備える
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記基準電流源回路は、さらに、
前記複数の第１基準電流源部に含まれる複数の前記参照電流源トランジスタのゲートに接続されているバイアス線と、
前記バイアス線を介して、前記複数の参照電流源トランジスタのゲートに第２バイアス電圧を供給する第２基準電流源部とを備える
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記サンプルホールド回路は、前記比較器が参照信号と前記信号電圧とを比較する期間外に、前記第１バイアス電圧を取り込み保持する
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記サンプルホールド回路は、前記信号増幅器が前記信号電圧を増幅する期間外に、前記第１バイアス電圧を取り込み保持する
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記アンプはソース接地型アンプである
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記列回路は、さらに、
前記アンプを停止させるパワーダウン制御部を備える
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ等への応用に適した固体撮像装置として、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の固体撮像装置の開発が活発に進められている。このＭＯＳ型固体撮像装置は、画素毎に光電変換素子で光電変換された信号電荷を増幅して取り出すよう構成されている。また、ＭＯＳ型固体撮像装置は、画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイの駆動回路、及び信号処理回路を、当該画素アレイと同一チップ上に集積できるという特長を持つ。【０００３】
また、その信号出力系としては、画素アレイの複数の画素を行単位で選択し、その選択行の複数の画素の信号を同時に列方向（画素列に沿った方向）へと読み出す列並列出力型が主流である。この列並列出力型の固体撮像装置の信号出力回路については様々な構成が提案されている。その最も進んだ形態の一つとして、例えば列毎にＡＤ変換器を配置し、画素から出力されるアナログ信号をデジタル信号として取り出す構成の列並列型ＡＤ変換装置を搭載したＭＯＳ型固体撮像装置が知られている。【０００４】
図２１は、特許文献１に示された列並列型ＡＤ変換装置を搭載したＭＯＳ型固体撮像装置１０を示すブロック図である。【０００５】
図２１に示すように、複数の画素セル１１で生成された信号は、列毎に配置される複数の垂直信号線２２−１、２２−２、・・・２２−ｍへ同時に読み出される。また、固体撮像装置１０は、比較器３１を備え、垂直信号線２２に読み出された信号は、各々の垂直信号線２２−１、２２−２、・・・２２−ｍに対して配置されている列並列型のＡＤ変換器２３−１、２３−２、・・・２３−ｍにより、同時にＡＤ変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８１５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来技術で示された固体撮像装置は、比較器等のアンプに起因するノイズにより、ノイズ特性の劣化及び画質が劣化するという課題を有していた。【０００８】
上記課題に鑑み、本発明は、ノイズ特性及び画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、受光量に応じて信号電荷を生成する光電変換素子と、前記信号電荷を増幅することで信号電圧を生成する増幅トランジスタとを各々が含み、行列状に配置された複数の画素セルと、列毎に一つ設けられており、前記複数の画素セルのうち対応する列に配置された複数の画素セルにより生成された前記信号電圧が出力される複数の垂直信号線と、１以上の列毎に一つ設けられており、対応する列に配置された前記垂直信号線に出力された前記信号電圧が入力される複数の列回路とを備える固体撮像装置であって、前記複数の列回路の各々は、前記信号電圧に基づく入力信号が入力され、定電流源トランジスタを含むアンプを備え、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の列回路に含まれる複数の前記定電流源トランジスタのゲートに第１バイアス電圧を供給する基準電流源回路を備え、前記複数の列回路の各々は、さらに、前記第１バイアス電圧を保持するサンプルホールド回路を備える。【００１０】
この構成によれば、列回路ごとに設けられたサンプルホールド回路は、定電流源トランジスタのゲートに供給するバイアス電圧を保持する。これにより、複数のアンプのうちのいずれかのアンプの電流変動に起因して電源電圧線又はグランド線の電圧変動が発生した場合の、他のアンプに流れる電流の変動を抑制できる。よって、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、Ｓ／Ｎ特性及び画質の劣化を抑制できる。【００１１】
また、前記複数の列回路の各々は、前記信号電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記ＡＤ変換部は、前記信号電圧と参照信号とを比較する比較器を備え、前記アンプは、前記比較器に含まれ、前記信号電圧と前記参照信号とが入力されるアンプであり、前記サンプルホールド回路は、前記比較器が前記参照信号と前記信号電圧とを比較する期間において、前記第１バイアス電圧を保持してもよい。【００１２】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、ある比較器に含まれるアンプの出力信号が反転したことに起因して電源電圧線又はグランド線の電圧変動が発生した場合の、他の比較器に含まれるアンプに流れる電流の変動を抑制できる。【００１３】
また、前記アンプは、前記信号電圧と参照信号とを比較する差動アンプと、前記定電流源トランジスタを含み、前記差動アンプの出力信号を増幅する増幅アンプとを備え、前記サンプルホールド回路は、前記差動アンプが参照信号と前記信号電圧とを比較する期間において、前記第１バイアス電圧を保持してもよい。【００１４】
この構成によれば、電流変動が大きい増幅アンプの電流変動に起因するノイズを低減できる。【００１５】
また、前記複数の列回路の各々は、前記アンプを含み、前記信号電圧を増幅する信号増幅器を備え、前記サンプルホールド回路は、前記信号増幅器が前記信号電圧を増幅する期間において、前記第１バイアス電圧を保持してもよい。【００１６】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、ある信号増幅器に含まれるアンプの出力信号が変化したことに起因して電源電圧線又はグランド線の電圧変動が発生した場合の、他の信号増幅器に含まれるアンプに流れる電流の変動を抑制できる。【００１７】
また、前記サンプルホールド回路は、前記定電流源トランジスタのゲートと前記基準電流源回路との間に接続されたサンプルホールドトランジスタと、前記定電流源トランジスタのゲートに接続されたサンプルホールド容量とを備えてもよい。【００１８】
この構成によれば、サンプルホールド回路のタイミング制御を容易に行うことができる。【００１９】
また、サンプリング容量により、サンプルホールド期間中における、サンプルホールドトランジスタのリーク電流の影響、及び定電流源トランジスタのゲートリークの影響に伴う、サンプルホールド電圧の変動を抑制することができる。【００２０】
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記基準電流源回路と、前記複数の列回路に含まれる複数の前記サンプルホールド回路とに接続されているバイアス線を備え、前記基準電流源回路は、前記バイアス線を介して、前記複数の定電流源トランジスタのゲートに前記第１バイアス電圧を供給してもよい。【００２１】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、複数のサンプルホールド回路にバイアス電圧を同時に印加することができる。これにより、複数のサンプルホールド回路にバイアス電圧を供給する期間を短くできるので、フレームレート（コマ速）を向上できる。【００２２】
また、前記基準電流源回路は、前記定電流源トランジスタとカレントミラー回路を形成するトランジスタと、前記トランジスタに基準電流を供給する参照電流源とを備えてもよい。【００２３】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、参照電流源から供給される電流とカレントミラー回路のミラー比とに応じて、アンプに定電流を供給することができる。【００２４】
また、前記基準電流源回路は、前記列回路ごとに一つ設けられた複数の第１基準電流源部を備え、前記複数の第１基準電流源部の各々は、前記定電流源トランジスタとカレントミラー回路を構成し、前記定電流源トランジスタのゲートに前記第１バイアス電圧を供給するカレントミラートランジスタと、前記カレントミラートランジスタに対して基準電流を供給する参照電流源トランジスタとを備えてもよい。【００２５】
この構成によれば、サンプルホールドトランジスタの両端子がそれぞれ、複数の列間で電気的に分離されるので、複数列で共通に発生するノイズを低減することができる。これにより、横筋状のノイズを低減することができる。【００２６】
また、前記基準電流源回路は、さらに、前記複数の第１基準電流源部に含まれる複数の前記参照電流源トランジスタのゲートに接続されているバイアス線と、前記バイアス線を介して、前記複数の参照電流源トランジスタのゲートに第２バイアス電圧を供給する第２基準電流源部とを備えてもよい。【００２７】
この構成によれば、複数のサンプルホールド回路にバイアス電圧を同時に印加することができる。これにより、複数のサンプルホールド回路にバイアス電圧を供給する期間を短くできるので、フレームレート（コマ速）を向上できる。【００２８】
また、前記サンプルホールド回路は、前記比較器が参照信号と前記信号電圧とを比較する期間外に、前記第１バイアス電圧を取り込み保持してもよい。【００２９】
この構成によれば、サンプルホールド回路のタイミング制御を容易に行うことができる。【００３０】
また、前記サンプルホールド回路は、前記信号増幅器が前記信号電圧を増幅する期間外に、前記第１バイアス電圧を取り込み保持してもよい。【００３１】
この構成によれば、サンプルホールド回路のタイミング制御を容易に行うことができる。【００３２】
また、前記アンプはソース接地型アンプであってもよい。【００３３】
この構成によれば、電流変動が大きいソース接地型アンプの電流変動に起因するノイズを低減できる。【００３４】
また、前記列回路は、さらに、前記アンプを停止させるパワーダウン制御部を備えてもよい。【００３５】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、動作が完了したアンプを停止させることで低消費電力化を実現できる。さらに、あるアンプを停止させたことにより電源電圧線又はグランド線の電圧変動が発生した場合の、他のアンプに流れる電流の変動を抑制できる。【００３６】
なお、本発明は、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制御方法又は駆動方法として実現できる。【００３７】
さらに、本発明は、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）として実現したり、このような固体撮像装置を備える撮像装置（カメラ）として実現したりできる。
【発明の効果】
【００３８】
以上より、本発明は、ノイズ特性及び画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る画素セルの回路図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る比較器の回路図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態の比較例に係る比較器の回路図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態に係る画像の一例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第１の実施形態に係るノイズ発生例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るノイズ発生例を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施形態に係るノイズ発生例を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態に係る比較器の回路図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態に係る比較器の変形例の回路図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施形態に係る比較器の回路図である。
【図１２】図１２は、本発明の第３の実施形態に係る比較器の変形例の回路図である。
【図１３】図１３は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、本発明の第４の実施形態に係る信号増幅器の回路図である。
【図１５】図１５は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第４の実施形態に係るノイズ発生例を示す図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るノイズ発生例を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、本発明の第５の実施形態に係る比較器の回路図である。
【図１９】図１９は、本発明の第５の実施形態に係る比較器の変形例の回路図である。
【図２０】図２０は、本発明の第６の実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２１】図２１は、従来の比較器の回路構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。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、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。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。
【００４１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、列毎に設けられたアンプと、当該アンプに含まれる定電流源トランジスタのゲート電圧を保持（サンプルホールド）するサンプルホールド回路とを備える。これにより、複数のアンプのうちのいずれかのアンプの電流変動に起因して電源電圧線の電圧変動が発生した場合の、他のアンプに流れる電流の変動を抑制できる。このように、当該固体撮像装置は、Ｓ／Ｎ特性及び画質の劣化を抑制できる。
【００４２】
まず、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの構成を説明する。
【００４３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの構成を示すブロック図である。図１に示すように、固体撮像装置１０Ａは、少なくとも１つの光電変換素子を含む繰返し単位である画素セル１１が行列状（マトリックス状）に２次元配置されている画素アレイ１２と、行走査回路１３と、カラム処理部１４Ａと、参照信号生成部１５と、列走査回路１６と、水平出力線１７と、タイミング制御回路１８とを備える。
【００４４】
この構成において、タイミング制御回路１８は、マスタークロックＭＣＫに基づいて、行走査回路１３、カラム処理部１４Ａ、参照信号生成部１５及び列走査回路１６などの動作の基準となるクロック信号及び制御信号などを生成する。そして、タイミング制御回路１８は、生成したクロック信号及び制御信号を、行走査回路１３、カラム処理部１４Ａ、参照信号生成部１５及び列走査回路１６などに供給する。
【００４５】
行走査回路１３、カラム処理部１４Ａ、参照信号生成部１５、列走査回路１６、水平出力線１７及びタイミング制御回路１８は、画素アレイ１２の各画素セル１１を駆動及び制御する周辺の駆動系及び信号処理系である。これら駆動系及び信号処理系は、画素アレイ１２と同一のチップ（半導体基板）上に集積される。
【００４６】
画素アレイ１２には、ｍ列ｎ行の画素セル１１が２次元配置されている。このｍ列ｎ行の画素配置に対して行毎に行制御線２１（２１−１〜２１−ｎ）が配置され、列毎に垂直信号線２２（２２−１〜２２−ｍ）が配置されている。行制御線２１−１〜２１−ｍの各一端は、行走査回路１３の各行に対応した各出力端子に接続されている。行走査回路１３は、シフトレジスタ及びアドレスデコーダなどによって構成され、行制御線２１−１〜２１−ｎを介して画素アレイ１２の行アドレス及び行走査の制御を行う。
【００４７】
カラム処理部１４Ａは、例えば、画素アレイ１２の画素列毎、即ち垂直信号線２２−１〜２２−ｍ毎に１対１の対応関係をもって設けられたＡＤ変換器（アナログ−デジタル変換器）２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍを有する。このＡＤ変換器２３Ａは、対応する列に配置されている画素セル１１から出力されるアナログ信号（画素信号又は信号電圧とも呼ぶ）をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を出力する。
【００４８】
また、固体撮像装置１０Ａは、列毎に一つ設けられた複数の列回路２０（２０−１〜２０−ｍ）を備える。この列回路２０〜１〜２０−ｍの各々は、対応する列に配置されているＡＤ変換器２３を含む。
【００４９】
参照信号生成部１５は、時間が経過するにつれて電圧値が階段状に変化する、いわゆるランプ（ＲＡＭＰ）波形の参照信号Ｖｒｅｆを生成する手段として、例えばＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）１５１を有している。なお、ランプ波形の参照信号Ｖｒｅｆを生成する手段は、ＤＡＣ１５１に限られるものではない。
【００５０】
ＤＡＣ１５１は、タイミング制御回路１８から与えられる制御信号ＣＳ１による制御に従い、タイミング制御回路１８から与えられるクロックＣＫに基づいてランプ波形の参照信号Ｖｒｅｆを生成する。また、ＤＡＣ１５１は、生成した参照信号Ｖｒｅｆをカラム処理部１４Ａに含まれるＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍに供給する。
【００５１】
ＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍは全て同じ構成となっており、ここでは、ＡＤ変換器２３Ａ−ｍを例に挙げて説明する。ＡＤ変換器２３Ａ−ｍは、比較器３１Ａと、計数手段である例えばアップ／ダウンカウンタ（図中、「Ｕ／ＤＣＮＴ」と記している）３２と、転送スイッチ３３と、メモリ３４とを有する。
【００５２】
比較器３１Ａは、画素アレイ１２のｍ列目の各画素セル１１から出力される画素信号に応じた垂直信号線２２−ｍの信号電圧Ｖｘと、参照信号生成部１５から供給されるランプ波形の参照信号Ｖｒｅｆとを比較する。そして、比較器３１Ａは、例えば、参照信号Ｖｒｅｆが信号電圧Ｖｘよりも大きい場合に出力信号ＶｃｏをＨレベルにし、参照信号Ｖｒｅｆが信号電圧Ｖｘ以下の場合に出力信号ＶｃｏをＬレベルにする。
【００５３】
アップ／ダウンカウンタ３２は、非同期カウンタであり、タイミング制御回路１８から与えられる制御信号ＣＳ２による制御に従い動作する。また、アップ／ダウンカウンタ３２には、タイミング制御回路１８からクロックＣＫがＤＡＣ１５１と同時に与えられる。アップ／ダウンカウンタ３２は、当該クロックＣＫに同期してダウン（ＤＯＷＮ）カウント又はアップ（ＵＰ）カウントを行うことにより、比較器３１Ａでの比較動作の開始から比較動作の終了までの比較期間を計測する。
【００５４】
転送スイッチ３３は、タイミング制御回路１８から与えられる制御信号ＣＳ３による制御に従い、ある行の画素セル１１についてのアップ／ダウンカウンタ３２のカウント動作が完了した時点でオン（閉）状態になる。これにより、当該アップ／ダウンカウンタ３２のカウント結果がメモリ３４に転送される。
【００５５】
このようにして、画素アレイ１２の各画素セル１１から垂直信号線２２−１〜２２−ｍを経由して列毎に供給されるアナログ信号が、ＡＤ変換器２３Ａ（２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍ）に含まれる比較器３１Ａ及びアップ／ダウンカウンタ３２の各動作により、Ｎビットのデジタル信号に変換される。そして、変換されたＮビットのデジタル信号がメモリ３４に格納される。
【００５６】
列走査回路１６は、シフトレジスタ及びアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１４ＡにおけるＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍの列アドレス及び列走査の制御を行う。この列走査回路１６による制御に従い、ＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍの各々でＡＤ変換されたＮビットのデジタル信号は、順にＮビット幅の水平出力線１７に読み出される。そして、読み出されたデジタル信号は、当該水平出力線１７を経由して撮像データとして外部に出力される。
【００５７】
なお、本発明には直接関連しないため特に図示しないが、水平出力線１７を経由して出力される撮像データに対して各種の信号処理を施す回路等を、上記構成要素以外に設けることも可能である。
【００５８】
上記構成の本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａにおいては、アップ／ダウンカウンタ３２のカウント結果を、転送スイッチ３３を介して選択的にメモリ３４に転送することができる。これにより、アップ／ダウンカウンタ３２のカウント動作と、当該アップ／ダウンカウンタ３２のカウント結果の水平出力線１７への読み出し動作とを独立して制御することが可能である。
【００５９】
図２は、画素セル１１及び定電流源３５の回路構成を示す回路図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る比較器３１Ａの回路構成例を示す回路図である。図２及び図３には、ｘ列及びｘ列の隣のｉ列の画素セル１１（１１−ｘ、１１−ｉ）と、比較器３１Ａ（３１Ａ−ｘ、３１Ａ−ｉ）との具体的な回路構成を示している。
【００６０】
画素セル１１は、光電変換素子１０１と、ＦＤ（フローティングディフュージョン）１０５と、転送トランジスタ１０２と、リセットトランジスタ１０３と、増幅トランジスタ１０４とを有する３トランジスタ構成である。
【００６１】
光電変換素子１０１は、例えばフォトダイオードであり、受光量に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタ１０２は、光電変換素子１０１で光電変換して得られる信号電荷をＦＤ１０５に転送する。リセットトランジスタ１０３は、ＦＤ１０５の電圧Ｖｆｄを制御（リセット）する。増幅トランジスタ１０４は、光電変換素子１０１で生成された信号電荷を増幅することで信号電圧Ｖｘを生成する。具体的には、増幅トランジスタ１０４は、ＦＤ１０５の電圧Ｖｆｄに応じた信号電圧Ｖｘを生成し、生成した信号電圧Ｖｘを、対応する列の垂直信号線２２に出力する。
【００６２】
なお、画素セル１１は、上記３トランジスタ構成のものに限られるものではない。例えば、画素セル１１として、上記３つのトランジスタに加えて、画素選択を行うための選択トランジスタを別に有する４トランジスタ構成を用いることも可能である。
【００６３】
垂直信号線２２は、列毎に一つ設けられており、対応する列に配置された複数の画素セル１１により生成された信号電圧Ｖｘが出力される。この垂直信号線２２の一端は、定電流源３５に接続されている。
【００６４】
定電流源３５は、定電流源トランジスタ１４２を備える。また、固体撮像装置１０Ａは、ゲートとドレインとが共通接続されたダイオード接続構成のトランジスタ１４１を備える。定電流源トランジスタ１４２は、垂直信号線２２の各一端とグランド（接地電位）との間に接続され、ゲートがトランジスタ１４１のゲートに接続されている。つまり、定電流源トランジスタ１４２はトランジスタ１４１と共にカレントミラー回路を形成する。また、トランジスタ１４１は、複数の定電流源トランジスタ１４２のゲートに共通に接続されている。
【００６５】
比較器３１Ａは、信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとを比較する。この比較器３１Ａは、アンプ４０と、インバータ４３とを有する。
【００６６】
アンプ４０には、信号電圧Ｖｘに基づく入力信号が入力される。この、アンプ４０は、差動アンプ４１と、反転アンプ４２とを有する。
【００６７】
差動アンプ４１は、差動対トランジスタ１１１及び１１２と、能動負荷トランジスタ１１３及び１１４と、定電流源トランジスタ１１５と、容量素子１１６及び１１７と、スイッチトランジスタ１１８及び１１９とを備える。
【００６８】
差動対トランジスタ１１１及び１１２は、ソースが共通に接続されており、差動対を形成している。一方の差動対トランジスタ１１１のゲートには、容量素子１１６を介して参照信号Ｖｒｅｆが入力される。他方の差動対トランジスタ１１２のゲートには、容量素子１１７を介して信号電圧Ｖｘが入力される。
【００６９】
スイッチトランジスタ１１８は、差動対トランジスタ１１１のゲートとドレインとの間に接続され、ゲートにはセット信号ＰＳＥＴが選択的に与えられる。同様に、スイッチトランジスタ１１９は、差動対トランジスタ１１２のゲートとドレインとの間に接続され、ゲートにはセット信号ＰＳＥＴが選択的に与えられる。
【００７０】
能動負荷トランジスタ１１３は、差動対トランジスタ１１１のドレインと、電源電圧線Ｌ１１との間に接続されている。能動負荷トランジスタ１１４は、差動対トランジスタ１１２のドレインと、電源電圧線Ｌ１１との間に接続されている。この能動負荷トランジスタ１１３及び１１４は、ゲートが互いに共通に接続されている。能動負荷トランジスタ１１３は、ゲートとドレインとが共通に接続されたダイオード接続構成となっており、能動負荷トランジスタ１１４と共にカレントミラー回路を形成している。
【００７１】
また、電源電圧線Ｌ１１には電源電圧Ｖｄｄａが印加されており、グランド線Ｌ１２には接地電位Ｖｓｓ（グランド電位）が印加されている。
【００７２】
定電流源トランジスタ１１５は、差動対トランジスタ１１１及び１１２のソース共通接続ノードと、グランド線Ｌ１２との間に接続され、ゲートには一定の電圧ＶＧ１が与えられる。
【００７３】
反転アンプ４２は、ソース接地型の反転アンプであり、反転トランジスタ１２１と、定電流源トランジスタ１２２と、スイッチトランジスタ１２３と、容量素子１２４とを備える。反転トランジスタ１２１は、ソースが電源電圧線Ｌ１１に、ゲートが差動アンプ４１の出力端子である差動対トランジスタ１１２のドレインにそれぞれ接続されている。この反転トランジスタ１２１は、差動アンプ４１の出力信号の極性を反転する。定電流源トランジスタ１２２は、反転トランジスタ１２１のドレインとグランド線Ｌ１２との間に接続され、ゲートに一定の電圧ＶＧ１が与えられている。
【００７４】
スイッチトランジスタ１２３は、反転トランジスタ１２１のゲートとドレインとの間に接続され、ゲートにはセット信号ＰＳＥＴが選択的に与えられる。スイッチトランジスタ１２３のゲートにセット信号ＰＳＥＴが与えられると、反転トランジスタ１２１のゲートとドレインとが電気的に接続される。これにより、反転アンプ４２の入出力を所定のレベルにリセットすることができる。
【００７５】
容量素子１２４は、差動アンプ４１と反転アンプ４２との間に設けられ、差動アンプ４１の出力端子と反転アンプ４２の入力端子とをＤＣ的に分離する作用を有する。具体的には、容量素子１２４は、セット信号ＰＳＥＴが与えられたときに、差動アンプ４１のリセット電圧と反転アンプ４２のリセット電圧とが電気的にショートしないよう、分離させる作用を有する。
【００７６】
本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、定電流源トランジスタ１１５及び１２２と共にカレントミラー回路を形成するトランジスタ１６１と、トランジスタ１６１に基準電流を供給する参照電流源１８１とを備える基準電流源回路８０を有する点を特徴とする。この基準電流源回路８０は列毎に配置される複数の比較器３１Ａの定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートにバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給する。
【００７７】
さらに、固体撮像装置１０Ａは、比較器３１内のアンプ４０の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートに接続され、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを列毎にサンプルホールドする複数のサンプルホールド回路５０を有する点を特徴とする。
【００７８】
サンプルホールド回路５０は、サンプルホールドトランジスタ１７０と、サンプルホールド容量１７３とを備える。サンプルホールドトランジスタ１７０は、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートと基準電流源回路８０からバイアス電圧Ｖｂｉａｓａが供給されるバイアス線Ｌ１４との間に接続されている。サンプルホールドトランジスタ１７０のゲートには制御信号ＳＨ１が印加される。この制御信号ＳＨ１は、バイアス線Ｌ１４と定電流源トランジスタのゲートとを電気的に接続する／しないを制御する。
【００７９】
制御信号ＳＨ１がＨ（ハイ）レベルの場合、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａが定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートに供給される。一方、制御信号ＳＨ１がＬ（ロー）レベルの場合、定電流源トランジスタ１１５及び１１２のゲートと、バイアス線Ｌ１４とが電気的に分離される。これにより、サンプルホールド回路５０は、定電流源トランジスタ１１５及び定電流源トランジスタ１２２に供給されていたバイアス電圧Ｖｂｉａｓａをサンプルホールドする。
【００８０】
サンプルホールド容量１７３は定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートとグランド線Ｌ１２との間に接続されている。このサンプルホールド容量１７３は、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを保持する。
【００８１】
なお、本実施形態の作用の詳細については後述する。
【００８２】
インバータ４３は、電源電圧線Ｌ１１とグランド線Ｌ１２との間に直列に接続されている。このインバータ４３は、ＣＭＯＳインバータであり、各ゲートが反転アンプ４２の出力端子である反転トランジスタ１２１のドレインに共通に接続された逆導電型のトランジスタ１３１及び１３２を含む。
【００８３】
次に、上記構成の比較器３１Ａを用いた固体撮像装置１０Ａの動作について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。
【００８４】
ここでは、画素セル１１の具体的な動作については説明を省略するが、周知のように、画素セル１１では、リセットトランジスタ１０３によるリセット動作と、転送トランジスタ１０２による転送動作とが行われる。そして、リセット動作では、所定の電圧にリセットされたときのＦＤ１０５の電圧がリセット成分として画素セル１１から垂直信号線２２−１〜２２−ｍに出力される。また、転送動作では、光電変換素子１０１から光電変換による信号電荷が転送されたときのＦＤ１０５の電圧が信号成分として画素セル１１から垂直信号線２２−１〜２２−ｍに出力される。
【００８５】
行走査回路１３による行走査によってある行ｋが選択される。その選択行ｋの画素セル１１から垂直信号線２２−１〜２２−ｍへの１回目の読み出し動作が安定した後、セット信号ＰＳＥＴがアクティブ状態（Ｌ（ロー）レベル）になる。これにより、差動対トランジスタ１１１及び１１２の動作点が決定される。その後、セット信号ＰＳＥＴが非アクティブ状態（Ｈ（ハイ）レベル）になり、ＤＡＣ１５１から階段波の参照信号ＶｒｅｆがＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍの各比較器３１Ａに与えられる。これにより、差動アンプ４１は、画素セル１１の増幅トランジスタ１０４のゲート電圧で決定される差動対トランジスタ１１２の入力電圧と、階段波である参照信号Ｖｒｅｆで決定される差動対トランジスタ１１１の入力電圧との比較動作を行う。
【００８６】
動作シーケンスとしては、階段波である参照信号Ｖｒｅｆが比較器３１Ａに入力されると同時に、タイミング制御回路１８からアップ／ダウンカウンタ３２に対してクロックＣＫが与えられる。これにより、当該アップ／ダウンカウンタ３２は、１回目の読み出し動作時の比較器３１Ａでの比較時間をダウンカウント動作によって計測する。そして、参照信号Ｖｒｅｆと垂直信号線２２−１〜２２−ｍの信号電圧Ｖｘとが等しくなったときに比較器３１Ａの出力信号ＶｃｏはＨレベルからＬレベルへ反転する。この比較器３１Ａの出力信号Ｖｃｏの極性反転を受けて、アップ／ダウンカウンタ３２は、ダウンカウント動作を停止して比較器３１Ａでの１回目の比較期間に応じたカウント値を保持する。
【００８７】
この１回目の読み出し動作では、先述したように、画素セル１１のリセット成分ΔＶが読み出される。このリセット成分ΔＶ内には、画素セル１１毎にばらつく固定パターンノイズがオフセットとして含まれている。しかし、このリセット成分ΔＶのばらつきは一般に小さく、またリセットレベルは全画素共通であるため、垂直信号線２２−１〜２２−ｍの信号電圧Ｖｘはおおよそ既知である。したがって、１回目のリセット成分ΔＶの読み出し時には、参照信号Ｖｒｅｆを調整することにより比較期間を短くすることが可能である。
【００８８】
本実施形態では、７ビット分のカウント期間（１２８クロック）でリセット成分ΔＶの比較を行っている。２回目の読み出し動作では、リセット成分ΔＶに加えて、画素セル１１毎の入射光量に応じた信号成分Ｖｓｉｇが、１回目のリセット成分ΔＶの読み出し動作と同様の動作によって読み出される。すなわち、選択行ｋの画素セル１１から垂直信号線２２−１〜２２−ｍへの２回目の読み出しが安定した後、ＤＡＣ１５１から参照信号ＶｒｅｆがＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍの各比較器３１Ａに与えられる。これにより、比較器３１Ａは、垂直信号線２２−１〜２２−ｍの各信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの比較動作を行う。これと同時に、アップ／ダウンカウンタ３２は、この比較器３１Ａでの２回目の比較時間を、１回目とは逆にアップカウント動作によって計測する。
【００８９】
このように、アップ／ダウンカウンタ３２は、１回目にダウンカウント動作し、２回目にアップカウント動作することにより、当該アップ／ダウンカウンタ３２内で自動的に（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）の減算処理が行われる。そして、参照信号Ｖｒｅｆと垂直信号線２２−１〜２２−ｍの信号電圧Ｖｘとが等しくなったときに比較器３１Ａの出力信号Ｖｃｏが極性反転する。この極性反転を受けてアップ／ダウンカウンタ３２のカウント動作が停止する。その結果、アップ／ダウンカウンタ３２には、（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）の減算処理の結果に応じたカウント値が保持される。
【００９０】
つまり、（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）＝（信号成分Ｖｓｉｇ＋リセット成分ΔＶ＋ＡＤ変換器２３Ａのオフセット成分）−（リセット成分ΔＶ＋ＡＤ変換器２３Ａのオフセット成分）＝（信号成分Ｖｓｉｇ）である。よって、以上の２回の読み出し動作とアップ／ダウンカウンタ３２での減算処理とにより、画素セル１１毎のばらつきを含んだリセット成分ΔＶに加えて、ＡＤ変換器２３Ａ（２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍ）毎のオフセット成分も除去される。このように、固体撮像装置１０Ａは、画素セル１１毎の入射光量に応じた信号成分Ｖｓｉｇのみを取り出すことができる。ここで、画素セル１１毎のばらつきを含んだリセット成分ΔＶを除去する処理は、いわゆるＣＤＳ（ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄＤｏｕｂｌｅＳａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）処理である。
【００９１】
また、２回目の読み出し時には、入射光量に応じた信号成分Ｖｓｉｇが読み出されるので、光量の大小を広い範囲で判定するために参照信号Ｖｒｅｆを大きく変化させる必要がある。そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａでは、信号成分Ｖｓｉｇの読み出しを１０ビット分のカウント期間（１０２４クロック）で行うようにしている。この場合、１回目と２回目との比較ビット数が異なるが、参照信号Ｖｒｅｆのランプ波形の傾きを１回目と２回目とで同じにすることにより、ＡＤ変換の精度を等しくできる。これにより、アップ／ダウンカウンタ３２による（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）の減算処理の結果として正しい減算結果が得られる。
【００９２】
上述した一連のＡＤ変換動作の終了後、アップ／ダウンカウンタ３２にはＮビットのデジタル値が保持される。そして、カラム処理部１４Ａの各ＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍでＡＤ変換されたＮビットのデジタル値（デジタル信号）は、列走査回路１６による列走査により、Ｎビット幅の水平出力線１７を経て順次外部へ出力される。その後、同様の動作が順次行毎に繰り返されることによって２次元画像が生成される。
【００９３】
また、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａでは、ＡＤ変換器２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍの各々がメモリ３４を有している。これにより、ｉ行目の画素セル１１についてのＡＤ変換後のデジタル値をメモリ３４に転送するとともに、転送したデジタル値を水平出力線１７から外部へ出力する動作と、ｉ＋１行目の画素セル１１についての読み出し動作及びアップ／ダウンカウント動作とを並行して実行することができる。
【００９４】
本実施形態の特徴するところは、制御信号ＳＨ１に従い、少なくともＡＤ変換期間内に、列毎に配置される複数の比較器３１Ａに供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａをサンプルホールドする点である。言い換えると、サンプルホールド回路５０は、比較器３１Ａに含まれる差動アンプ４１が参照信号Ｖｒｅｆと信号電圧Ｖｘとを比較する期間において、バイアス電圧Ｖｂｉａｓａを保持（サンプルホールド）する。また、サンプルホールド回路５０は、比較器３１Ａが参照信号Ｖｒｅｆと信号電圧Ｖｘとを比較する期間外に、バイアス電圧Ｖｂｉａｓａを取り込み保持する。
【００９５】
具体的には、図４に示すように、信号電圧Ｖｘが変化する画素信号読み出し開始前に制御信号ＳＨ１をＨレベルに制御する。これにより、サンプルホールドトランジスタ１７０がオンする。よって、基準電流源回路８０から、比較器３１Ａ内の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートと、当該ゲートに接続されるサンプルホールド容量１７３とにバイアス電圧Ｖｂｉａｓａが供給される。
【００９６】
ここで、バイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給するトランジスタ１６１は、定電流源トランジスタ１１５及び１２２とカレントミラー回路を構成する。よって、基準電流源回路８０を構成する参照電流源１８１から供給される電流をミラーする形で、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に定電流が供給される。例えば、トランジスタ１６１と定電流源トランジスタ１１５とのＷ／Ｌサイズ比をｍ：１にすることで、差動アンプ４１は、参照電流源１８１から供給される電流の１／ｍの定電流を流すことができる。反転アンプ４２についても同様に、例えば、トランジスタ１６１と定電流源トランジスタ１２２とのＷ／Ｌサイズ比をｎ：１にすることで、反転アンプ４２は、参照電流源１８１から供給される電流の１／ｎの定電流を流すことができる。
【００９７】
このように本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａでは、トランジスタ１６１は定電流源トランジスタ１１５及び１２２とカレントミラー回路を構成する。よって、製造ばらつき及び温度変化により、差動アンプ４１の定電流源トランジスタ１１５及び反転アンプ４２の定電流源トランジスタ１２２の特性が変動した場合においても、差動アンプ４１及び反転アンプ４２それぞれに流れる電流を精度よく設定することができる。つまり、固体撮像装置１０Ａは、製造ばらつき及び温度変化による、差動アンプ４１及び反転アンプ４２の特性変動を低減することができる。
【００９８】
さらに、複数列に供給される制御信号ＳＨ１を同時にＨレベルに制御することで、複数列に配置される定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートに、複数列同時にバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給することができる。これにより、複数の定電流源トランジスタ１１５及び１２２に短い期間でバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給することかできる。
【００９９】
特にデジタルビデオカメラ又はデジタルスチルカメラ等への応用に適した固体撮像装置では列方向に数千個のサンプルホールド回路５０を有することになる。よって、列毎にバイアス電圧を順次保持していく場合、画像信号を出力するフレームレート（コマ数）が極端に落ちるという課題を有する。本実施形態では、上記のとおり、複数列同時にバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給することができるため、フレームレート（コマ数）の落ちを大幅に低減することができる。
【０１００】
次に、制御信号ＳＨ１をＨレベルからＬレベルに制御することで、サンプルホールドトランジスタ１７０をオフする。サンプルホールドトランジスタ１７０がオフすると、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａは列毎に電気的に分離される。これにより、サンプルホールド容量１７３にバイアス電圧Ｖｂｉａｓａがサンプルホールドされる。例えば、図３に示す、ｘ列及びｉ列の電圧ＶＧ１がそれぞれバイアス電圧Ｖｂｉａｓａの電圧レベルを維持する。これにより、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に定電流を供給し続けることができる。
【０１０１】
次に、図４に示すようにＡＤ変換が終了すると、制御信号ＳＨ１をＬレベルからＨレベルに制御する。これにより、再びサンプルホールドトランジスタ１７０がオンする。よって、基準電流源回路８０から、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートと、サンプルホールド容量１７３とにバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給することができる。
【０１０２】
次に、電源電圧線及びグランド線の電圧変動による回路ノイズについて考える。
【０１０３】
まず、本発明の理解を容易とするため、図５に示すような、列毎に配されるＡＤ変換器２３Ａを構成する比較器として、差動アンプ４１、反転アンプ４２及びインバータ４３を有する差動アンプ型の比較器３１Ｂの構成について考察する。
【０１０４】
図５に示す比較器３１Ｂは、図２に示す比較器３１Ａに対して、本実施形態の特徴である基準電流源トランジスタ１７１及びカレントミラートランジスタ１７２を備えない点が異なる。つまり、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートには、全列に対して共通のバイアス線から電圧ＶＧが印加されている。
【０１０５】
ここで、差動アンプ４１において信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの大小関係が反転するときに、反転アンプ４２において電源電圧線Ｌ１１からグランド線Ｌ１２へ電流が流れる。これにより、対応する列において電源電圧線Ｌ１１の電圧降下、又はグランド線Ｌ１２の電圧上昇が発生する。
【０１０６】
ここで、ある列の比較器３１Ｂの出力信号がまだ反転していない状況において、その隣の列の比較器３１Ｂの出力信号が反転した場合を想定する。この未反転の比較器３１Ｂにおいては、グランド線Ｌ１２の電圧上昇に対応して、当該未反転の比較器３１Ｂの電流が変動する。電流変動の一例として、差動アンプ４１の例に示す。グランド線Ｌ１２の電圧上昇をΔＶ、差動アンプ４１の変動前の電流をＩ、電流変動をΔＩ、定電流源トランジスタ１１５のｇｍをｇｍ１とすると、下記（式１）の関係が成り立つ。
【０１０７】
ΔＩ＝ｇｍ１×ΔＶ、ｇｍ１＝√（２βＩ）、β＝Ｗ／Ｌ×μＣｏｘ  （式１）
【０１０８】
ここで、Ｗは定電流源トランジスタ１１５のゲート幅、Ｌはゲート長、Ｃｏｘはゲート酸化膜容量、μは移動度である。
【０１０９】
また、反転アンプ４２についても同様に（式１）に示す電流が変動する。
【０１１０】
差動アンプ４１及び反転アンプ４２に流れる電流が変動するとその変動量に応じて差動アンプ４１の出力信号Ｖｙ及び反転アンプ４２の出力信号Ｖｚが変動する。これにより、当該未反転の比較器３１Ｂの反転時間がその変動量に応じて変化する。また、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に流れる電流が変動することで、差動アンプ４１及び反転アンプ４２のゲイン及び帯域が変動する。これにより、当該未反転の比較器３１Ｂの反転時間がその変動量に応じて変化する。ＡＤ変換器２３Ａは比較器３１Ｂの出力信号Ｖｃｏを基準にアナログ信号を時間方向に変換し、その時間を計測することによってデジタル信号を得るＡＤ変換手段である。よって、当該未反転の比較器３１Ｂの反転時間が変動すると、その影響が回路ノイズとして画像上に現れる。特に、列並列型ＡＤ変換装置を備えるＭＯＳ型固体撮像装置においては、１列につき例えば比較器が１つずつ存在する。これにより、比較器の出力信号が一斉に反転したときのグランド線Ｌ１２の電圧変動が大きくなり、このノイズが問題となる。
【０１１１】
このノイズの一例として、図６に示すような横方向に長く、周囲より暗い被写体２００が存在する画像を例に説明する。
【０１１２】
周囲より暗い被写体２００に対応する光が撮像面に照射された場合、図７Ａに示すように第ｉ列から第ｊ列に対して配される複数列の比較器３１Ｂの電流が変動する。これにより、第ｉ列から第ｊ列を含む第１列から第ｍ列に対して共通に接続される電源電圧線及びグランド線の電圧が変動する。その結果、暗い被写体２００の左右に位置する第１列から第ｉ−１列、及び第ｊ＋１列から第ｍ列に対して配置される未反転の複数の比較器３１Ｂ内のアンプ４０の接地電位が変動する。当該接地電位が変動すると、上記のとおり、当該未反転のアンプ４０の出力信号が変動することで、当該未反転の比較器３１Ｂの反転時間が変動する。
【０１１３】
当該未反転の比較器３１Ｂの反転時間が長い方向に変動すると、図７Ａに示すように、暗い被写体２００の左右に位置する第１列から第ｉ−１列の領域２０１と、第ｊ＋１列から第ｍ列の領域２０２とに白い帯状のノイズが発生する。一方、当該未反転の比較器３１Ｂの反転時間が短い方向に変動すると、図７Ｂに示すように、上記領域２０１及び２０２に黒い帯状のノイズが発生する。なお、帯状のノイズの白黒は、上記領域２０１及び２０２に対して配置される第１列から第ｉ−１列、及び第ｊ＋１列から第ｍ列の複数の比較器３１Ｂの電流変動と、共通に接続される電源電圧線又はグランド線の電圧変動と、差動アンプ４１に入力される信号の極性とに依存する。
【０１１４】
次に、これまで図１から図４までを用いて説明した固体撮像装置１０Ａにおける、電源電圧線及びグランド線の電圧変動による回路ノイズについて考える。
【０１１５】
本実施形態に係る比較器３１Ａにおいては、参照信号Ｖｒｅｆと信号電圧Ｖｘとの比較動作時に、反転アンプ４２に含まれる反転トランジスタ１２１には電源電圧線Ｌ１１から電流が流れる。反転トランジスタ１２１に電流が流れると、定電流源トランジスタ１２２のドレイン電圧が高くなる。これにより、定電流源トランジスタ１２２のドレインからグランド線Ｌ１２に流れる電流が増加する。そのため、対応する列の電源電圧線Ｌ１１又はグランド線Ｌ１２の電圧が変動する。
【０１１６】
また、信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの大小関係が反転したときに、反転アンプ４２の定電流源トランジスタ１２２のドレイン電圧が大きく変動する場合、グランド線Ｌ１２の電圧は大きく変動する。具体的には信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの大小関係が反転したときに、定電流源トランジスタ１２２の動作領域が非飽和領域から飽和領域に変化する場合、定電流源トランジスタ１２２に流れる電流が大きく変動する。この電流変動により、グランド線Ｌ１２の電圧は大きく変動する。
【０１１７】
例えば図４に示すように、ダウンカウント開始前に誤反転が発生しないように、ｔ＝ａのタイミングで参照信号Ｖｒｅｆにオフセットを設ける。このように信号電圧Ｖｘに対して高い方向に、参照信号Ｖｒｅｆの電圧にオフセットを設けることで、ダウンカウント前に参照信号Ｖｒｅｆと信号電圧Ｖｘとの大小関係が反転しないようにすることができる。すなわちダウンカウント開始前に誤反転が発生しないようにできる。
【０１１８】
また、参照信号Ｖｒｅｆのオフセット電圧を、ダウンカウント期間中に変動させるＶｒｅｆの電圧幅よりも小さくすることで、ダウンカウント期間中に、参照信号Ｖｒｅｆと信号電圧Ｖｘとの大小関係を確実に反転させることが可能になる。
【０１１９】
また、ｔ＝ａのタイミングで参照信号Ｖｒｅｆにオフセット電圧を設けると、オフセット電圧は差動アンプ４１及び反転アンプ４２でそれぞれ増幅される。これにより、反転アンプ４２の出力信号ＶｚはＶｓｓの近くまで低下する。反転アンプ４２の出力信号ＶｚがＶｓｓの近くまで低下すると、定電流源トランジスタ１２２は非飽和領域で動作するので、定電流源トランジスタ１２２からグランド線Ｌ１２に流れる電流が減少する。また、ダウンカウントが開始された後の参照信号Ｖｒｅｆと信号電圧Ｖｘとの比較動作時には、差動アンプ４１の出力信号Ｖｙの電圧が下がることで、反転トランジスタ１２１には電源電圧線Ｌ１１から電流が流れる。また、反転アンプ４２の出力信号Ｖｚの電圧が高くなることで、定電流源トランジスタ１２２は飽和領域で動作する。これにより、グランド線Ｌ１２に流れる電流が増加する。
【０１２０】
先ほど定電流源トランジスタ１２２の電流が大きく変動する場合の例を説明したが、ダウンカウント開始前に参照信号Ｖｒｅｆにオフセットを設けない場合においても、信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの大小関係が反転するときに、定電流源トランジスタ１２２の電流は変動する。例えば、信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの大小関係が反転する前に、定電流源トランジスタ１２２のドレイン電圧がＶｓｓ近くまで下がっていない場合においても、信号電圧Ｖｘと参照信号Ｖｒｅｆとの大小関係が反転すると、反転トランジスタ１２１には電源電圧線Ｌ１１から電流が流れる。これにより、反転アンプ４２の出力信号Ｖｚが高くなる。反転アンプ４２の出力信号Ｖｚが高くなると、定電流源トランジスタ１２２のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓが高くなる。これにより、（式２）に示すチャネル長変調効果（１＋λＶｄｓ）により、定電流源トランジスタ１２２からグランド線Ｌ１２に流れる電流が増加する。
【０１２１】
Ｉｄ＝β／２×（Ｖｇｓ−Ｖｔ）２×（１＋λＶｄｓ）  （式２）
【０１２２】
上述したように、列並列型ＡＤ変換装置を備えるＭＯＳ型固体撮像装置においては、１列につき例えば比較器が１つずつ存在する。よって、比較器が一斉に反転したときの定電流源トランジスタ１２２の電流変動に伴うグランド線Ｌ１２の電圧変動が大きくなる。そしてこの電圧変動に伴うノイズが問題となる。
【０１２３】
具体的には、ある列の比較器３１Ａの出力信号がまだ反転していない状況において、その隣の列の比較器３１Ａの出力信号が反転した場合を想定する。この場合、未反転の比較器３１Ａにおいて、グランド線Ｌ１２の電圧変動の影響を受け、当該比較器の差動アンプ４１及び反転アンプ４２に流れる電流が変化すると、この影響が回路ノイズとして画像に現れる。例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示すような横帯状の回路ノイズが発生する。
【０１２４】
本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、この電源電圧線及びグランド線の電圧変動による回路ノイズを、列毎に配置される複数の比較器３１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを供給する基準電流源回路８０と、比較器３１Ａごとに設けられたサンプルホールド回路５０とを備えることによって低減する。具体的には、固体撮像装置１０Ａは、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを列毎にサンプルホールドすることによって、この回路ノイズを低減する。この作用について具体的に説明する。
【０１２５】
ノイズ低減の一例として、例えば、ｘ列の比較器３１Ａ−ｘの出力信号がまだ反転していない状況において、その隣のｉ列の比較器３１Ａ−ｉの出力信号が反転した場合を想定する。ｉ列の比較器３１Ａ−ｉの出力信号が反転した際の、グランド線Ｌ１２の電圧の変動量をΔＶとすると、ｘ列の比較器３１Ａ−ｘのグランド線Ｌ１２の電圧もΔＶ変動する。
【０１２６】
ここで、本実施形態に係る比較器３１Ａでは、ｉ列の比較器３１Ａ−ｉの出力信号が反転する前に、ｘ列のサンプルホールド回路５０にはバイアス電圧Ｖｂｉａｓａが保持される。これにより、ｘ列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートにはバイアス電圧Ｖｂｉａｓａが印加され、ソースには接地電位Ｖｓｓが印加される。よって、定電流源トランジスタ１１５及び１２２は（式１）に示すようにゲート−ソース間の電圧差Ｖｇｓ＝（Ｖｂａｉｓａ−Ｖｓｓ）に依存して電流を生成する。
【０１２７】
本実施形態では、ＡＤ変換期間中には、制御信号ＳＨ１はＬレベルに制御される。よって、ｘ列のサンプルホールドトランジスタ１７０はＯＦＦされており、ｘ列のサンプルホールド容量１７３にはＶｂｉａｓａ−Ｖｓｓの電圧がホールドされている。つまり、サンプルホールド容量１７３に接続されるグランド線Ｌ１２の電圧がΔＶ変動しても、ｘ列のサンプルホールド容量１７３の両端の電圧差は保持される。よって、ｘ列のサンプルホールド容量１７３に接続されるバイアス線Ｌ１５の電圧ＶＧ１は、Ｖｂｉａｓａ＋ΔＶとなる。つまり、ｘ列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のソース電圧がＶｓｓからＶｓｓ＋ΔＶに変動した場合、上記の通り、ｘ列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲート電圧ＶＧ１はＶｂｉａｓａ＋ΔＶとなる。ここで、定電流源トランジスタ１１５及び１２２は、（式１）に示すようにゲート−ソース間の電圧差Ｖｇｓに依存して電流を供給する。また、ゲート電圧ＶｇはＶｂｉａｓａ＋ΔＶであり、ソース電圧ＶｓはＶｓｓ＋ΔＶであることから、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは、下記（式３）で表される。
【０１２８】
Ｖｇｓ＝Ｖｇ−Ｖｓ＝（Ｖｂｉａｓａ＋ΔＶ）−（Ｖｓｓ＋ΔＶ）＝Ｖｂｉａｓ−Ｖｓｓ  （式３）
【０１２９】
つまり、グランド線Ｌ１２の電圧がΔＶ変動しても、ｘ列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは変化しない。このように、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、グランド線Ｌ１２の電圧がΔＶ変動しても、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に定電流を供給し続けることができる。つまり、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、サンプルホールド回路５０に含まれるサンプルホールドトランジスタ１７０とサンプルホールド容量１７３との作用により、グランド線Ｌ１２の電圧変動ΔＶの影響を受けずに、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に定電流を供給し続けることができる。
【０１３０】
このように、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、比較器３１−ｉの出力信号が反転したことによりグランド線Ｌ１２の電圧が変動しても、比較器３１―ｘの電流は変動しないので、未反転の差動アンプ４１及び反転アンプ４２に定電流を供給し続けることができる。これにより、図７Ａ及び図７Ｂに示すような横帯状のノイズを低減することができる。
【０１３１】
さらに、本実施形態では、ＡＤ変換期間中に制御信号ＳＨ１がＬレベルに制御される。これにより、基準電流源回路８０を構成するトランジスタ１６１及び基準電流を供給する参照電流源１８１が発生するノイズをキャンセルすることができる。この作用について図４のタイミングチャートを用いて説明する。
【０１３２】
図４に示す電圧ＶＧ１は定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートに供給されるバイアス電圧を示す。実線は本実施形態における電圧ＶＧ１を示し、点線はサンプルホールド回路５０を用いない場合の電圧ＶＧ１を示す。
【０１３３】
図４に示すようにサンプルホールド回路５０を用いない場合、基準電流源回路８０のノイズの影響を受けて、ＡＤ変換期間中にバイアス電圧ＶＧ１が変動する。電圧ＶＧ１の変動要因のうち高周波のノイズとしては、基準電流源回路８０を構成するトランジスタの熱ノイズ及び１／ｆノイズが挙げられる。また、当該変動要因のうち低周波のノイズとしては、ＡＤ変換期間中に基準電流源回路８０の接地電位が変動することにより、バイアス電圧Ｖｂｉａｓａが変動することが挙げられる。この接地電位の変動要因としては、例えば、ＡＤ変換期間中における、比較器３１ＡのＡＤ変換動作による電流変動、及び増幅トランジスタ１０４及び定電流源トランジスタ１４２で構成される画素信号読み出し回路による電流変動が挙げられる。
【０１３４】
ＡＤ変換期間中に、定電流源トランジスタ１１５及び定電流源トランジスタ１２２のゲートに供給される電圧ＶＧ１が変動した場合、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に供給される電流が変動することで、ノイズが発生する。具体的には、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートに供給されるバイアス電圧をサンプルホールドしない場合、バイアス電圧Ｖｂｉａｓａは複数列の定電流源トランジスタのゲートに共通に印加される。よって、複数列の比較器３１Ａに共通のノイズが発生することで横筋状のノイズが発生する。図８に横筋状のノイズ２０６及び２０７の一例を示す。横筋状のノイズ２０６及び２０７は図８に示すように、画像として横筋状に発生することから、空間にランダムに発生するノイズよりも視認しやすいノイズである。よって、横筋状のノイズ２０６及び２０７は、ノイズレベルが小さい場合においても、画質を大きく劣化させる要因となる。
【０１３５】
これに対して、本実施形態では、各列に設けられたサンプルホールド回路５０によりバイアス電圧Ｖｂｉａｓａはサンプルホールドされる。また、各列のゲート電圧ＶＧ１は、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａと電気的に分離される。これにより、ＡＤ変換期間中に、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧のノイズが各列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２に与える影響を抑制することができる。また、各列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートは、列毎に電気的に分離されることから、ある列のサンプルホールド回路５０に保持されているバイアス電圧にノイズが発生した場合でも、当該ノイズが他の列のバイアス電圧に影響をあたえることを抑制できる。これにより、視認しやすい横筋状のノイズの発生が低減される。
【０１３６】
さらに、本実施形態では、サンプルホールド前に基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧のノイズの影響を低減することができる。図４を用いて本作用について説明する。
【０１３７】
画素の信号読み出しが開始される前に制御信号ＳＨ１がＨレベルになることにより、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａが定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲート電極に供給される。このとき、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧ＶｂｉａｓａにノイズΔＶＮ１が発生したとする。
【０１３８】
次に、制御信号ＳＨ１をＨレベルからＬレベルに切り替える。これにより、サンプルホールド回路５０にバイアス電圧Ｖｂｉａｓａ＋ΔＶＮ１が保持される。
【０１３９】
このノイズΔＶＮ１により、リセット成分ΔＶがΔＶ＋ΔＶＮ２に変動したとする。
【０１４０】
本実施形態では、上述のとおり、ＡＤ変換動作において、アップ／ダウンカウンタ３２は、１回目のカウント動作としてダウンカウント動作を行い、２回目のカウント動作としてアップカウント動作を行う。これにより、アップ／ダウンカウンタ３２内で自動的に（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）の減算処理が行われる。
【０１４１】
具体的には、（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）＝（信号成分Ｖｓｉｇ＋リセット成分ΔＶ＋ΔＶＮ２＋ＡＤ変換器２３Ａのオフセット成分）−（リセット成分ΔＶ＋ΔＶＮ２＋ＡＤ変換器２３Ａのオフセット成分）＝（信号成分Ｖｓｉｇ）である。つまり、この２回の読み出し動作とアップ／ダウンカウンタ３２での減算処理とにより、ノイズΔＶＮ２も除去される。
【０１４２】
このように、本実施形態では、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧をＡＤ変換期間中に、サンプルホールドすることにより、例え基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧にノイズが発生した場合においても、ＣＤＳ処理によりこのノイズの影響を低減することができる。
【０１４３】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイの駆動回路及び信号処理回路を、当該画素アレイと同一チップ上に集積できるという利点を有する。さらに、固体撮像装置１０Ａは、画素アレイの各画素を行単位で選択し、その選択行の各画素の信号を同時に列方向（画素列に沿った方向）へと読み出すことができるので、信号出力（読み出し）の高速化を実現できる。これにより、固体撮像装置１０Ａは、動画撮影機能の向上できるとともに、高速オートフォーカスに対応できる。
【０１４４】
さらに、固体撮像装置１０Ａは、比較器３１Ａ−ｉの出力信号が反転したことに起因してグランド線又は電源電圧線の電圧が変動した場合の、比較器３１Ａ−ｘに流れる電流の変動を抑制できる。これにより、固体撮像装置１０Ａは、図７Ａ及び図７Ｂに示すような横帯状のノイズを低減できる。このように、固体撮像装置１０Ａは、装置の小型化、信号の高速読み出し、及び高画質化を高い次元で両立させることができる。
【０１４５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの変形例について説明する。なお、以下では、第１の実施形態との違いを中心に説明し、重複する説明は省略する。
【０１４６】
第１の実施形態では図３に示すように、差動アンプ４１の定電流源トランジスタ１１５のゲートと、反転アンプ４２の定電流源トランジスタ１２２のゲートとを共通に接続し、かつ、こられの定電流源トランジスタ１１５と１２２とにサンプルホールド回路５０を共通に設ける構成を説明した。第２の実施形態では、定電流源トランジスタ１１５と１２２とに個別にサンプルホールド回路を設ける。
【０１４７】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る比較器３１Ｃ（３１Ｃ−ｘ、３１Ｃ−ｉ）の構成を示す回路図である。図９に示す比較器３１Ｃは、定電流源トランジスタ１１５のゲートに印加されるバイアス電圧を保持するサンプルホールド回路５０Ａと、定電流源トランジスタ１２２のゲートに印加されるバイアス電圧を保持するサンプルホールド回路５０Ｂとを備える。
【０１４８】
サンプルホールド回路５０Ａは、サンプルホールドトランジスタ１７０と、サンプルホールド容量１７３とを備える。サンプルホールドトランジスタ１７０は、定電流源トランジスタ１１５のゲート（バイアス線Ｌ１５）と、バイアス線Ｌ１４との間に接続されている。サンプルホールドトランジスタのゲートには制御信号ＳＨ１が印加される。サンプルホールド容量１７３は定電流源トランジスタ１１５のゲートと、グランド線Ｌ１２との間に接続されている。このサンプルホールド容量１７３は、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを保持する。
【０１４９】
サンプルホールド回路５０Ｂは、サンプルホールドトランジスタ１７６と、サンプルホールド容量１７７とを備える。サンプルホールドトランジスタ１７６は、定電流源トランジスタ１２２のゲート（バイアス線Ｌ１６）と、バイアス線Ｌ１４との間に接続されている。サンプルホールドトランジスタ１７６のゲートには制御信号ＳＨ１が印加される。サンプルホールド容量１７７は定電流源トランジスタ１２２のゲートと、グランド線Ｌ１２との間に接続されている。このサンプルホールド容量１７７は、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓａを保持する。
【０１５０】
以上の構成により、本実施形態に係る固体撮像装置は、反転アンプ４２の出力レベルの変動により、反転アンプ４２の定電流源トランジスタ１２２のゲート電圧が変動した場合における、その変動が入力段である差動アンプ４１の定電流源トランジスタ１１５のゲート電圧に戻る影響（キックバック効果）を低減することができる。
【０１５１】
なお、図９に示す例では、定電流源トランジスタ１１５と１２２との両方にサンプルホールド回路を設けているが、少なくとも、列内に設けられる１以上のアンプの定電流源トランジスタに対して、少なくとも１つ以上のバイアスサンプルホールド回路を設ければよい。
【０１５２】
例えば、図１０に示す比較器３１Ｄ（３１Ｄ−ｘ、３１Ｄ−ｉ）のように、反転アンプ４２の定電流源トランジスタ１２２のゲートに対してのみ、サンプルホールド回路５０Ｂを設けてもよい。
【０１５３】
この構成により、複数の列間で定電流源トランジスタ１２２のゲートは電気的に分離される。よって、ある列の反転アンプ４２の出力レベルの変動した際の、他の列の定電流源トランジスタ１２２のゲート電圧が変動を低減することができる。具体的には、比較器３１−ｉの出力信号が反転し、ｉ列の定電流源トランジスタ１２２のゲート電圧が変動した場合においても、ｘ列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲート電圧は変動しない。よって、図７Ａ及び図７Ｂに示すような横帯状のノイズを低減することができる。
【０１５４】
ここで、反転アンプ４２は、差動アンプ４１に比べて、その出力レベルが大きく変動する。つまり、定電流源トランジスタ１２２のゲート電圧の変動量は、定電流源トランジスタ１１５のゲート電圧の変動量より大きい。このように、他の列の定電流源トランジスタ１１５及び１２２への影響が大きい定電流源トランジスタ１２２に対してのみサンプルホールド回路を設けることで、回路規模を縮小と、高いノイズ低減効果とを両立できる。
【０１５５】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態では、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの変形例について説明する。
【０１５６】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る比較器３１Ｅ（３１Ｅ−ｘ、３１Ｅ−ｉ）の構成を示す回路図である。図９に示す比較器３１Ｅは、図３に示す比較器３１Ａの構成に加え、さらに、基準電流源トランジスタ１７１及びカレントミラートランジスタ１７２を備える。また、第３の実施形態に係る固体撮像装置は、図３に示す基準電流源回路８０の代わりに、基準電流源回路８１を備える。
【０１５７】
基準電流源回路８１は、本発明の第２基準電流源部に相当し、電圧Ｖｂｉａｓｂを生成し、生成した電圧Ｖｂｉａｓｂをバイアス線Ｌ１７に出力する。この基準電流源回路８１は、トランジスタ１６２と、トランジスタ１６２に基準電流を供給する参照電流源１８２とを備える。参照電流源１８２には接地電位Ｖｓｓｂが印加されている。
【０１５８】
第３の実施形態では、比較器３１Ｅ内にカレントミラー回路を設ける。また、比較器３１Ｅ内に基準電流源回路が設けられる。この比較器３１Ｅ内の基準電流源回路は、本発明の第１基準電流源部に相当し、基準電流源トランジスタ１７１とカレントミラートランジスタ１７２とで構成される。
【０１５９】
基準電流源トランジスタ１７１は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓｂを供給するトランジスタ１６２とカレントミラー回路を構成する。この基準電流源トランジスタ１７１は、カレントミラートランジスタ１７２に電流を供給する。
【０１６０】
カレントミラートランジスタ１７２は、基準電流源トランジスタ１７１に接続されており、定電流源トランジスタ１１５及び１２２とカレントミラー回路を構成する。このカレントミラートランジスタ１７２は、基準電流源トランジスタ１７１から電流を供給される電流に基づき所定のバイアス電圧を発生させる。そして、そのバイアス電圧が、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートに供給される。このように、差動アンプ４１及び反転アンプ４２に定電流が供給される。
【０１６１】
また、本実施形態では、サンプルホールドトランジスタ１７０の一端がカレントミラートランジスタ１７２に接続されている。よって、制御信号ＳＨ１がＬレベルの状態のみならず、画素の信号読み出しが開始される前の制御信号ＳＨ１がＨレベルの状態においても、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートは、複数の列間で電気的に分離される。これにより、横筋状のノイズの影響を更に低減することができる。
【０１６２】
また、ＡＤ変換期間における制御信号ＳＨ１がＬレベルの状態においても、定電流源トランジスタ１１５及び１２２のゲートが、複数の列間で電気的に分離される。これにより、複数列共通に発生するノイズを低減することができる。このように、本実施形態に係る固体撮像装置は、複数列共通に発生するノイズを低減することができるため、図８に示すような横筋状のノイズを低減することができる。
【０１６３】
なお、本実施形態では図１１に示すように、サンプルホールドトランジスタ１７０を、定電流源トランジスタ１１５のゲートとカレントミラートランジスタ１７２のゲートとの間に設ける例を示したが、定電流源トランジスタ１１５のゲートに対してバイアス電圧をサンプルホールドする手段を設ければよい。
【０１６４】
例えば、図１２に示す比較器３１Ｆ（３１Ｆ−ｘ、３１Ｆ−ｉ）ように、カレントミラートランジスタ１７２のソースとゲートとにサンプルホールドトランジスタ１７０を設けてもよい。この場合、制御信号ＳＨ１をＨレベルにすることで定電流源トランジスタ１１５のゲートにバイアス電圧が印加される。その後、制御信号ＳＨ１をＬレベルにすることで、サンプルホールド回路５０にバイアス電圧が保持される。
【０１６５】
（第４の実施形態）
上記第１〜第３の実施形態では、ＡＤ変換器に含まれる比較器に対して本発明を適用した例を述べたが、第４の実施形態では、列毎に設けられた信号増幅器に同様の技術を適用する例を説明する。なお、本発明は、ソースが共通に接続される定電流源トランジスタを備えるアンプ全般に適用可能である。
【０１６６】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｇの構成を示すブロック図である。図１４は、本発明の第４の実施形態に係る信号増幅器２４の回路構成例を示す回路図である。
【０１６７】
第４の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｇの特徴は、列回路２０Ｇが、垂直信号線２２と列並列型ＡＤ変換器２３Ａとの間に、画素から出力されるアナログ信号（信号電圧Ｖｘ）を増幅する信号増幅器２４を備える点と、図１４に示すように信号増幅器２４内の定電流源に対してサンプルホールド回路７０を設ける点とである。
【０１６８】
信号増幅器２４（２４−ｘ、２４−ｉ）は、アンプ４５と、サンプルホールド回路７０とを備える。
【０１６９】
アンプ４５は、例えば、シングルエンドタイプのソース接地型の反転アンプである。このアンプ４５は、信号電圧Ｖｘが入力される入力容量２１６と、フィードバック容量２１７と、入力信号を増幅する増幅トランジスタ２１１と、増幅トランジスタに電流を供給する定電流源トランジスタ２１５と、信号増幅器２４の入出力をリセットするリセットトランジスタ２１８とを備える。
【０１７０】
リセットトランジスタ２１８は、増幅トランジスタ２１１のゲートとドレインとの間に接続され、ゲートにはセット信号ＰＳＥＴｃが選択的に与えられる。
【０１７１】
この信号増幅器２４は、定電流源トランジスタ２１５のゲート電極に供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄをサンプルホールドするサンプルホールド回路７０を備える点である。このサンプルホールド回路７０は、サンプルホールドトランジスタ２７０とサンプルホールド容量２７３とを備える。このサンプルホールド回路７０は、信号増幅器２４が信号電圧Ｖｘを増幅する期間においてバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを保持する。また、サンプルホールド回路７０は、信号増幅器２４が信号電圧Ｖｘを増幅する期間外に、バイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを取り込み保持する。
【０１７２】
サンプルホールド容量２７３は定電流源トランジスタ２１５のゲートに電気的に接続されるバイアス線Ｌ２５と、電源電圧線Ｌ２１との間に接続されている。サンプルホールドトランジスタ２７０は、定電流源トランジスタ２１５及び２１５のゲートと、電圧Ｖｂｉａｓｄが供給されるバイアス線Ｌ２４との間に接続されている。また、サンプルホールドトランジスタ２７０のゲートには制御信号ＳＨ２が印加される。
【０１７３】
また、固体撮像装置１０Ｇは、基準電流源回路８２を備える。この基準電流源回路８２は、電圧Ｖｂｉａｓｄを生成し、生成した電圧Ｖｂｉａｓｄをバイアス線Ｌ２４に出力する。この基準電流源回路８２は、トランジスタ２６１と、トランジスタ２６１に基準電流を供給する参照電流源２８１とを備える。
【０１７４】
また、電源電圧線Ｌ２１には電源電圧Ｖｄｄｃが印加されており、グランド線Ｌ２２には接地電位Ｖｓｓｃが印加されている。
【０１７５】
次に、この固体撮像装置１０Ｇの動作を、図１５に示すタイミングチャートを用いて説明する。
【０１７６】
なお、画素セル１１及び行走査回路１３の具体的な動作は第１の実施形態と同様なので、説明は省略する。
【０１７７】
行走査回路１３による行走査によってある行ｋが選択されると、セット信号ＰＳＥＴｃがアクティブ状態（Ｈレベル）になる。これにより、増幅トランジスタ２１１の動作点が決定される。その選択行ｋの画素セル１１から垂直信号線２２−１〜２２−ｍへの１回目の読み出し動作が安定した後、セット信号ＰＳＥＴｃが非アクティブ状態（Ｌレベル）になる。セット信号ＰＳＥＴｃが非アクティブ状態（Ｌレベル）において、信号増幅器２４は、画素セル１１から出力されるアナログ信号を増幅する。本実施形態のアンプ４５は反転アンプであり、図１５に示すように、信号電圧Ｖｘの変動に対して、アンプ４５の出力信号Ｖｏは反転増幅される。そのため、比較器３１Ａに係るタイミングチャートの極性は第１の実施形態に対して極性が反転となる。
【０１７８】
次に、信号増幅器２４の出力信号ＶｏをＡＤ変換するタイミングについて説明する。ＤＡＣ１５１から階段波の参照信号ＶｒｅｆがＡＤ変換器２３−１〜２３−ｍの各比較器３１Ａに与えられる。これにより、差動アンプ４１において、信号増幅器２４で決定される差動対トランジスタ１１２の入力電圧と、階段波の参照信号Ｖｒｅｆで決定される差動対トランジスタ１１１の入力電圧との比較動作が行われる。
【０１７９】
なお、このＡＤ変換動作は、上述した第１の実施形態の説明において、信号電圧Ｖｘを、信号増幅器２４の出力信号Ｖｏに置き換えた場合の動作と同様なので説明は省略する。
【０１８０】
本実施形態の特徴するところは、制御信号ＳＨ２により、少なくともＡＤ変換期間内に、列毎に配置される複数の信号増幅器２４に供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄをサンプルホールドする点である。
【０１８１】
そして図１５に示すように、信号電圧Ｖｘが変化する画素信号読み出し開始前に制御信号ＳＨ２をＬレベルに制御することで、サンプルホールドトランジスタ２７０がオンする。これにより、基準電流源回路８２から、定電流源トランジスタ２１５のゲート及びサンプルホールド容量２７３にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄが供給される。
【０１８２】
ここで、バイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを供給するトランジスタ２６１は定電流源トランジスタ２１５とカレントミラー回路を構成する。よって、参照電流源２８１から供給される電流をミラーする形で、信号増幅器２４に定電流が供給される。例えば、トランジスタ２６１と定電流源トランジスタ２１５とのＷ／Ｌサイズ比をｍ：１にすることで、信号増幅器２４は、参照電流源２８１から供給される電流の１／ｍの定電流を流すことができる。
【０１８３】
このように本実施形態に係る固体撮像装置１０Ｇでは、トランジスタ２６１は定電流源トランジスタ２１５とカレントミラー回路を構成する。よって、製造ばらつき及び温度変化により、信号増幅器２４の定電流源トランジスタ２１５の特性が変動した場合においても、信号増幅器２４に流れる電流を精度よく設定することができる。つまり、固体撮像装置１０Ｇは、製造ばらつき及び温度変化による、信号増幅器２４の特性変動を低減することができる。
【０１８４】
さらに、複数列に供給される制御信号ＳＨ２を同時にＬレベルに制御することで、複数列に配置される定電流源トランジスタ２１５のゲートに、複数列同時にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを供給することができる。これにより、複数の定電流源トランジスタ２１５に短い期間でバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを供給することかできる。
【０１８５】
特にデジタルビデオカメラ又はデジタルスチルカメラ等への応用に適した固体撮像装置では列方向に数千個のサンプルホールド回路７０を有することになる。よって、列毎にバイアス電圧を順次保持していく場合、画像信号を出力するフレームレート（コマ数）が極端に落ちるという課題を有する。本実施形態では、上記のとおり、複数列同時にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを供給することができるため、フレームレート（コマ数）の落ちを大幅に低減することができる。
【０１８６】
次に、制御信号ＳＨ２をＨレベルからＬレベルに制御することで、サンプルホールドトランジスタ２７０をオフする。サンプルホールドトランジスタ２７０がオフすると、基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄは列毎に電気的に分離される。これにより、サンプルホールド容量２７３にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄがサンプルホールドされる。例えば、図１４に示す、ｘ列及びｉ列の電圧ＶＧ２がそれぞれバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄの電圧レベルを維持する。これにより、信号増幅器２４は定電流を供給し続けることができる。
【０１８７】
次に、図１５に示すようにＡＤ変換が終了すると、制御信号ＳＨ２をＨレベルからＬレベルに制御する。これにより、再びサンプルホールドトランジスタ２７０がオンする。よって、基準電流源回路８２から、定電流源トランジスタ２１５のゲート及びサンプルホールド容量２７３にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを供給することができる。
【０１８８】
ここで、電源電圧線及びグランド線の電圧変動による回路ノイズについて考える。
【０１８９】
ノイズ低減の一例として、例えば、ｉ列の信号増幅器２４−ｉの入力信号が変動し、ｘ列の入力信号が変動しない状況を想定する。
【０１９０】
信号増幅器２４−ｉに入力される信号の電圧レベルが変動すると、電圧レベルに応じて、信号増幅器２４−ｉに含まれる定電流源トランジスタ２１５、又は増幅トランジスタ２１１に充放電電流が発生する。
【０１９１】
ここで、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、第ｉから第ｊ列に周囲よりも明るい被写体２０３が存在する画像の例を説明する。この場合、第ｉから第ｊ列の信号増幅器２４の出力信号は大きく変動する。これにより、第ｉから第ｊ列の定電流源トランジスタ２１５、又は増幅トランジスタ２１１が飽和領域で動作することができなくなるので、これらのトランジスタに流れる電流が大きく変動する。これにより、グランド線Ｌ２２又は電源電圧線Ｌ２１の電圧が変動する。その結果、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、明るい被写体２０３の左右に位置する第１列から第ｉ−１列の領域２０４と、第ｊ＋１列から第ｍ列の領域２０５とに白い帯状のノイズ、又は黒い帯状のノイズが発生する。
【０１９２】
上述したように、ある列での信号増幅器２４の出力信号が大きく変動し、すぐ隣の信号増幅器２４の出力レベルが小さい状況を想定した場合、出力レベルが小さい信号増幅器２４において、グランド線Ｌ２２の電圧変動の影響を受け、当該信号増幅器２４のアンプ４５に流れる電流が変化する。この影響が回路ノイズとして画像に現れる。特に、列並列型ＡＤ変換装置を備えるＣＭＯＳ固体撮像装置では、１列につき例えば比較器が１つずつ存在する。よって、比較器が一斉に反転したときの電源電圧線Ｌ２１の変動が大きくなるため、例えば図１６Ａ及び図１６Ｂに示すような横帯状の回路ノイズとして問題となる。
【０１９３】
また、利得の大きくいソース接地型の信号増幅器２４を用いた場合、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すような横帯状の回路ノイズの影響がより顕著になる。その理由は、まず信号増幅器２４の利得が高い場合、低い入力レベルの場合においても、アンプ４５の出力信号は大きく変動する。よって、強い光が入射されない場合においても、定電流源トランジスタ２１５、又は増幅トランジスタ２１１が飽和領域で動作することができなくなるからである。
【０１９４】
また、ソース接地型の信号増幅器２４の場合、利得を大きくすると、帯域が狭くなる。つまり、定電流源トランジスタ２１５、又は増幅トランジスタ２１１が飽和領域で動作しない場合においても、帯域が狭くなることで出力信号が安定するまでにかかる期間が長くなる。よって、グランド線Ｌ１２の電圧が変動する期間、つまりアンプ４５に流れる電流が変化する期間が長くなる。これにより、横帯状の回路ノイズの影響がより顕著になる。
【０１９５】
本実施形態に係る信号増幅器２４においては、この電源／グランドの電圧変動による回路ノイズを、基準電流源回路８２と、信号増幅器２４ごとに設けられたサンプルホールド回路７０とを備えることによって低減する。具体的には、固体撮像装置１０Ｇは、基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄを列毎にサンプルホールドすることによって、この回路ノイズを低減する。この作用について具体的に説明する。
【０１９６】
ノイズ低減の一例として、ｉ列の出力信号が大きく変動し、ｘ列の信号電圧の電圧レベルが小さい状況を想定する。ｉ列の出力信号が大きく変動することで、電源電圧線Ｌ２１の電圧が変動する。この変動量をΔＶとすると、ｘ列の信号増幅器２４−ｘの電源電圧線Ｌ２１の電圧もΔＶ変動する。
【０１９７】
これに対して、本実施形態では、ｉ列の信号増幅器２４−ｉの出力信号が大きく変動する前に、ｘ列のサンプルホールド回路７０にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄが保持される。これにより、ｘ列の定電流源トランジスタ２１５のゲートにはバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄが印加され、ソースには電源電圧Ｖｄｄｃが印加される。よって、定電流源トランジスタ２１５は、（式１）に示すようにゲート−ソース間の電圧差Ｖｇｓ＝（Ｖｂａｉｓｄ−Ｖｄｄｃ）に依存して電流を生成する。
【０１９８】
本実施形態では、ＡＤ変換期間中には、制御信号ＳＨ２はＨレベルに制御される。よって、ｘ列のサンプルホールドトランジスタ２７０はＯＦＦされており、ｘ列のサンプルホールド容量２７３にはＶｂｉａｓｄの−Ｖｄｄｃの電圧がホールドされている。つまり、サンプルホールド容量２７３に接続される電源電圧線Ｌ２１がΔＶ変動しても、ｘ列のサンプルホールド容量２７３の両端の電圧差は保持される。よって、ｘ列のサンプルホールド容量２７３に接続されるバイアス線Ｌ２５の電圧ＶＧ２はＶｂｉａｓｄ＋ΔＶとなる。つまり、ｘ列の定電流源トランジスタ２１５のソース電圧がＶｄｄｃからＶｄｄｃ＋ΔＶに変動した場合、上記の通り、ｘ列の定電流源トランジスタ２１５のゲート電圧ＶＧ２はＶｂｉａｓｄ＋ΔＶとなる。ここで、定電流源トランジスタ２１５は、（式１）に示すようにゲート−ソース間の電圧差Ｖｇｓに依存して電流を供給する。ゲート電圧ＶｇはＶｂｉａｓｄ＋ΔＶであり、ソース電圧ＶｓはＶｄｄｃ＋ΔＶでることから、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは、下記（式４）で表される。
【０１９９】
Ｖｇｓ＝Ｖｇ−Ｖｓ＝（Ｖｂｉａｓｄ＋ΔＶ）−（Ｖｄｄｃ＋ΔＶ）＝Ｖｂｉａｓ−Ｖｄｄｃ  （式４）
【０２００】
つまり、電源電圧線Ｌ２１の電圧がΔＶ変動しても、ｘ列の定電流源トランジスタ２１５のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは変化しない。このように、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ｇは、電源電圧線Ｌ２１の電圧がΔＶ変動しても、信号増幅器２４に定電流を供給し続けることができる。つまり、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ｇは、サンプルホールド回路７０に含まれるサンプルホールドトランジスタ２７０とサンプルホールド容量２７３との作用により、電源電圧線Ｌ２１の電圧変動ΔＶの影響を受けずに、信号増幅器２４に定電流を供給し続けることができる。
【０２０１】
このように、本実施形態に係る固体撮像装置１０Ｇは、信号増幅器２４−ｉの出力信号の電圧レベルが大きく変動したことにより電源電圧線Ｌ２１の電圧が変動しても、信号増幅器２４−ｘの電流は変動しないので、出力信号が小さい信号増幅器２４−ｘに対して定電流を供給し続けることができる。これにより、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すような横帯状のノイズを低減することができる。
【０２０２】
さらに、本実施形態では、ＡＤ変換期間中に制御信号ＳＨ２がＨレベルに制御される。これにより、基準電流源回路８２を構成するトランジスタ２６１及び基準電流を供給する参照電流源２８１が発生するノイズをキャンセルすることができる。この作用について図１５のタイミングチャートを用いて説明する。
【０２０３】
図１５に示す電圧ＶＧ２は定電流源トランジスタ２１５のゲートに供給されるバイアス電圧を示す。実線は本実施形態におけるバイアス電圧ＶＧ２を示し、点線はサンプルホールド回路７０を用いない場合の電圧ＶＧ２を示す。
【０２０４】
図１５に示すようにサンプルホールド回路７０を用いない場合、基準電流源回路８２のノイズの影響を受けて、ＡＤ変換期間中にバイアス電圧ＶＧ２が変動する。電圧ＶＧ２の変動要因のうち高周波のノイズとしては、基準電流源回路８２を構成するトランジスタの熱ノイズ及び１／ｆノイズが挙げられる。また、当該変動要因のうち低周波のノイズとしては、ＡＤ変換期間中に基準電流源回路８２の接地電位が変動することにより、バイアス電圧Ｖｂｉａｓｄが変動することが挙げられる。この接地電位の変動要因としては、例えば、ＡＤ変換期間中における、信号増幅器２４の電流変動による電流変動、及び増幅トランジスタ１０４及び定電流源トランジスタ１４２で構成される画素信号読み出し回路による電流変動が挙げられる。
【０２０５】
ＡＤ変換期間中に、定電流源トランジスタ２１５のゲートに供給される電圧ＶＧ２が変動した場合、信号増幅器２４に供給される電流が変動することで、ノイズが発生する。具体的には、定電流源トランジスタ２１５のゲートに供給されるバイアス電圧をサンプルホールドしない場合、バイアス電圧Ｖｂｉａｓｄは複数列の定電流源トランジスタ２１５のゲートに共通に印加される。よって、複数列の信号増幅器２４に共通のノイズが発生することで横筋状のノイズが発生する。横筋状のノイズは図８に示すように、画像として横筋状に発生することから、空間にランダムに発生するノイズよりも視認しやすいノイズである。よって、このノイズは、ノイズレベルが小さい場合においても、画質を大きく劣化させる要因となる。
【０２０６】
これに対して、本実施形態では、各列に設けられたサンプルホールド回路７０によりバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄはサンプルホールドされる。また、各列のゲート電圧ＶＧ２は、基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄと電気的に分離される。これにより、ＡＤ変換期間中に、基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧のノイズが各列の定電流源トランジスタ２１５に与える影響を抑制することができる。また、各列の定電流源トランジスタ２１５のゲートは各々電気的に分離されることから、ある列のサンプルホールド回路７０に保持されるバイアス電圧にノイズが発生した場合でも、当該ノイズが他の列のバイアス電圧に影響をバイアス電圧に影響をあたることを抑制できる。これにより、視認しやすい横筋状のノイズの発生が低減される。
【０２０７】
さらに、本実施形態では、サンプルホールド前に基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧のノイズの影響を低減することができる。図１５を用いて本作用について説明する。
【０２０８】
画素の信号読み出しが開始される前に制御信号ＳＨ２がＬレベルになることにより、基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄが定電流源トランジスタ２１５のゲートに供給される。このとき、基準電流源回路８２から供給されるバイアス電圧ＶｂｉａｓｄにノイズΔＶＮ１が発生したとする。
【０２０９】
次に、制御信号ＳＨ２をＬレベルからＨレベルに切り替える。これにより、サンプルホールド回路７０にバイアス電圧Ｖｂｉａｓｄ＋ΔＶＮ１が保持される。
【０２１０】
このノイズΔＶＮ１により、リセット成分ΔＶがΔＶ＋ΔＶＮ２に変動したとする。
【０２１１】
本実施形態では、上述のとおり、ＡＤ変換動作において、アップ／ダウンカウンタ３２は、１回目のカウント動作としてダウンカウント動作を行い、２回目のカウント動作としてアップカウント動作を行う。これにより、アップ／ダウンカウンタ３２内で自動的に（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）の減算処理が行われる。
【０２１２】
具体的には、（２回目の比較期間）−（１回目の比較期間）＝（信号成分Ｖｓｉｇ＋リセット成分ΔＶ＋ΔＶＮ２＋ＡＤ変換器２３Ａのオフセット成分）−（リセット成分ΔＶ＋ΔＶＮ２＋ＡＤ変換器２３Ａのオフセット成分）＝（信号成分Ｖｓｉｇ）である。つまり、この２回の読み出し動作とアップ／ダウンカウンタ３２での減算処理とにより、ノイズΔＶＮ２も除去される。
【０２１３】
このように、本実施形態では、基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧をＡＤ変換期間中に、サンプルホールドすることにより、例え基準電流源回路８０から供給されるバイアス電圧にノイズが発生した場合においても、ＣＤＳ処理によりこのノイズの影響を低減することができる。
【０２１４】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置は、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置の特徴に加え、比較動作が終わった比較器をパワーダウン状態にする。これにより、比較器で消費される電力を低減できる。
【０２１５】
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｈの構成を示すブロック図である。本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｈは、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの構成に加え、さらに、カラム処理部１４Ｈに含まれるＡＤ変換器２３Ｈ（列回路２０Ｈ）がパワーダウン制御部５１を備える点を特徴とする。このパワーダウン制御部５１は、比較器３１Ｈとアップ／ダウンカウンタ３２との間に配置されており、比較器３１Ｈを流れる電流を制御する。
【０２１６】
図１８は、比較器３１Ｈ及びパワーダウン制御部５１の回路図である。
【０２１７】
図１８に示す比較器３１Ｈは、第１の実施形態に係る比較器３１Ａの構成に加え、さらに、比較器３１Ｈの電流を制御するためのトランジスタ１７５を備える。トランジスタ１７５は、定電流源トランジスタ１１５のゲート及び１２２のゲートと、グランド線Ｌ１２との間に接続されている。
【０２１８】
パワーダウン制御部５１は、フリップフロップ５１１を含み、比較器３１Ｈからの出力信号ＶｃｏがＬレベルからＨレベルに反転したタイミングで、パワーダウン信号ＶｐｄをＨレベルにする。パワーダウン信号Ｖｐｄは、比較器３１Ｈに入力される。パワーダウン信号ＶｐｄがＬレベルの場合、比較器３１Ｈは動作状態であり、パワーダウン信号ＶｐｄがＨレベルの場合、比較器３１Ｈは停止（パワーダウン状態）である。つまり、パワーダウン制御部５１は、出力信号ＶｃｏがＨレベルからＬレベルに反転したタイミングで、比較器３１Ｈへの電力の供給を停止する。具体的には、パワーダウン制御部５１は比較器３１Ｈへの駆動電流の供給を停止する。
【０２１９】
より具体的には、パワーダウン信号ＶｐｄがＨレベルになると、トランジスタ１７５がオンする。これにより、定電流源トランジスタ１１５及び１２２がオフする。よって、比較器３１Ｈを構成する差動アンプ４１及び反転アンプ４２に駆動電流が供給されないので、比較器３１Ｈは停止状態となる。
【０２２０】
ノイズ低減の一例として、ｘ列の比較器３１Ｈ−ｘの出力信号がまだ反転しない状況において、ｉ列の比較器３１Ｈ−ｉの出力信号が反転した場合を想定する。ｉ列の比較器３１Ｈ−ｉの出力信号が反転することにより、ｉ列のアンプ４０の電流が停止する。これにより、グランド線Ｌ１２の電圧が変動する。この変動量をΔＶとすると、隣のｘ列の比較器３１Ｈ−ｘのグランド線Ｌ１２の電圧もΔＶ変動する。
【０２２１】
このような場合でも、上述した第１の実施形態と同様に、ＡＤ変換期間において、ｘ列の定電流源トランジスタ１１５のゲートと、ｉ列の定電流源トランジスタ１１５のゲートとは電気的に分離されおり、ｉ列及びｘ列のゲートの電圧ＶＧ１が各々サンプルホールドされる。これにより、ｘ列の基準電流源トランジスタ１７１とカレントミラートランジスタ１７２とで形成されるカレントミラー回路は、ｉ列のアンプ４０によるグランド線Ｌ１２の電圧変動の影響を受けずに、ｘ列のアンプ４０に定電流を供給することができる。これにより、図７Ａ及び図７Ｂに示すようなノイズを低減することができる。
【０２２２】
なお、比較器３１Ｈの構成は、図１８に示す構成に限定されるものではなく、同様の機能を有する構成であればよい。例えば、図１９に示す比較器３１Ｉのように、トランジスタ１７８をカレントミラー回路内に設けてもよい。この構成では、パワーダウン信号ＶｐｄがＨレベルになると、トランジスタ１７５がオンし、トランジスタ１７８がオフする。これにより、カレントミラートランジスタ１７２と、定電流源トランジスタ１１５及び１２２とがオフする。よって、比較器３１Ｉに含まれるアンプ４０に駆動電流が供給されないので、比較器３１Ｉは停止状態となる。
【０２２３】
なお、上記第１〜第５の実施形態では、サンプルホールド部が、バイアス電圧を保持するサンプルホールド容量を備える例を説明したが、このサンプルホールド容量は、専用の容量素子であってもよいし、寄生容量をサンプルホールド容量として用いてもよい。この寄生容量とは、定電流トランジスタのゲートと基板との間の容量及びゲート−ソース間容量をサンプルホールド容量である。
【０２２４】
また、上記第１〜第５の実施形態では、比較器を含むＡＤ変換器が画素ピッチに合わせて画素列の数だけ、即ち画素列に対して１対１の対応関係で配置されている場合を例に説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではない。つまり、複数本の垂直信号線２２に対して１つのＡＤ変換器を配置してもよい。この場合、このＡＤ変換器は、時分割で対応する複数本の垂直信号線２２に出力された信号電圧をＡＤ変換する。
【０２２５】
また、上記各実施形態では、画素セル１１から垂直信号線２２−１、２２−２、…、２２−ｍを通して出力される画素信号（アナログ信号）を、列回路において、ＡＤ変換、又は信号増幅する例を説明したが、これは一例に過ぎない。例えば、複数の画素セル１１の各々に、信号増幅器及びＡＤ変換器の少なくとも一方が内蔵される場合にも本発明を適用できる。この場合、当該画素セル１１に内蔵される信号増幅器及びＡＤ変換器の少なくとも一方に、上述したＡＤ変換器及び信号増幅器と同様の技術を適用すればよい。
【０２２６】
また、上記実施形態では、ＡＤ変換器が、時間を計測することによってデジタル信号を得る例に説明したが、これは一例にすぎず、本発明は、他の構成のＡＤ変換器にも適用できる。さらに、本発明は、列毎に１又は複数配置されるアンプを含み、当該アンプ内の定電流源トランジスタのソースが複数列間で共通に接続される信号増幅器及びＡＤ変換器全般に対して適用可能である。
【０２２７】
さらに、上記各実施形態では、被写体からの像光の光量分布を画素単位で物理量分布として検知する固体撮像装置、例えばＭＯＳイメージセンサを例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではない。例えば、本発明は、ＭＯＳイメージセンサ以外の、Ｘ−Ｙアドレス方式を用い、かつ、列並列アンプ、又は列並列型ＡＤ変換装置を搭載した固体撮像装置全般に対して同様に適用可能である。さらに、本発明は、Ｘ−Ｙアドレス方式を用い、かつ、列並列アンプ、又は列並列型ＡＤ変換装置を搭載した、物理量分布を検知する物理量分布検出装置全般に適用で可能である。
【０２２８】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態では、上記した第１〜第５まで実施形態に係る固体撮像装置を備える撮像装置について説明する。この撮像装置は、例えば、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、又は、携帯電話等のモバイル機器向けカメラモジュール等である。
【０２２９】
図２０は、本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図２０に示すように、本実施形態に係る撮像装置は、レンズ６１を含む光学系と、撮像デバイス６２と、カメラ信号処理回路６３と、システムコントローラ６４とを備える。
【０２３０】
レンズ６１は、被写体からの像光を撮像デバイス６２の撮像面に結像する。撮像デバイス６２は、レンズ６１によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換し、変換することで得られた画像信号を出力する。この撮像デバイス６２として、上述した各実施形態に係る固体撮像装置が用いられる。
【０２３１】
カメラ信号処理回路６３は、撮像デバイス６２から出力される画像信号に対して種々の信号処理を行う。
【０２３２】
システムコントローラ６４は、撮像デバイス６２及びカメラ信号処理回路６３を制御する。例えば、撮像デバイス６２は、通常フレームレートモードと高速フレームレートモードとを有する。さらに、撮像デバイス６２はこれらのモードに応じて、ＡＤ変換動作を制御する。ここで、通常フレームレートモードとは、全ての画素の情報を読み出すプログレッシブ走査方式における動作モードである。また、高速フレームレートモードとは、通常フレームレートモード時に比べて、画素の露光時間を１／Ｍに設定することでフレームレートをＭ倍に上げる動作モードである。このような場合には、システムコントローラ６４は、外部からの指令に応じてこの動作モードの切り替え制御を行う。
【０２３３】
以上により、本発明の第６の実施形態に係る撮像装置は、撮像デバイス６２として上述した各実施形態に係る固体撮像装置を用いることで、ＣＤＳ処理では除去できないノイズをも比較器で低減できる。これにより、当該撮像装置は、イメージセンサとしてのＳ／Ｎを向上できるので、画質を大幅に向上できる利点がある。
【０２３４】
以上、本発明の実施形態に係る固体撮像装置及び撮像装置について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
【０２３５】
また、上記実施形態に係る固体撮像装置に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。
【０２３６】
また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
【０２３７】
また、本発明の実施形態に係る、固体撮像装置又は撮像装置の機能の一部を、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。
【０２３８】
さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、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言うまでもない。
【０２３９】
また、上記実施形態１〜６に係る、固体撮像装置、撮像装置、及びそれらの変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
【０２４０】
また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベル又はオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。また、トランジスタ等のｎ型及びｐ型等は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、これらを反転させることで、同等の結果を得ることも可能である。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。
【０２４１】
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。
【０２４２】
また、上記説明では、ＭＯＳトランジスタを用いた例を示したが、他のトランジスタを用いてもよい。
【０２４３】
また、上記回路図に示す回路構成は、一例であり、本発明は上記回路構成に限定されない。つまり、上記回路構成と同様に、本発明の特徴的な機能を実現できる回路も本発明に含まれる。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列又は並列に、スイッチング素子（トランジスタ）、抵抗素子、又は容量素子等の素子を接続したものも本発明に含まれる。言い換えると、上記実施形態における「接続される」とは、２つの端子（ノード）が直接接続される場合に限定されるものではなく、同様の機能が実現できる範囲において、当該２つの端子（ノード）が、素子を介して接続される場合も含む。
【０２４４】
更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２４５】
本発明は、固体撮像装置に適用できる。また、本発明は固体撮像装置を用いるデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及び携帯電話機器等に適用できる。
【符号の説明】
【０２４６】
１０、１０Ａ、１０Ｇ、１０Ｈ  固体撮像装置
１１、１１−ｉ、１１−ｘ  画素セル
１２  画素アレイ
１３  行走査回路
１４、１４Ａ、１４Ｈ  カラム処理部
１５  参照信号生成部
１６  列走査回路
１７  水平出力線
１８  タイミング制御回路
２０、２０−１〜２０−ｍ、２０Ｇ、２０Ｇ−１〜２０Ｇ−ｍ、２０Ｈ、２０Ｈ−１〜２０Ｈ−ｍ  列回路
２１、２１−１〜２１−ｎ  行制御線
２２、２２−１〜２２−ｍ、２２−ｉ、２２−ｘ  垂直信号線
２３、２３−１〜２３−ｍ、２３Ａ、２３Ａ−１〜２３Ａ−ｍ、２３Ｈ、２３Ｈ−１〜２３Ｈ−ｍ  ＡＤ変換器
２４、２４−ｉ、２４−ｘ  信号増幅器
３１、３１Ａ、３１Ａ−ｉ、３１Ａ−ｘ、３１Ｂ、３１Ｂ−ｉ、３１Ｂ−ｘ、３１Ｃ、３１Ｃ−ｉ、３１Ｃ−ｘ、３１Ｄ、３１Ｄ−ｉ、３１Ｄ−ｘ、３１Ｅ、３１Ｅ−ｉ、３１Ｅ−ｘ、３１Ｆ、３１Ｆ−ｉ、３１Ｆ−ｘ、３１Ｈ、３１Ｈ−ｉ、３１Ｈ−ｘ、３１Ｉ、３１Ｉ−ｉ、３１Ｉ−ｘ  比較器
３２  アップ／ダウンカウンタ
３３  転送スイッチ
３４  メモリ
３５、３５−１〜３５−ｍ、３５−ｉ、３５−ｘ  定電流源
４０、４５  アンプ
４１  差動アンプ
４２  反転アンプ
４３  インバータ
５０、５０Ａ、５０Ｂ、７０  サンプルホールド回路
５１  パワーダウン制御部
６１  レンズ
６２  撮像デバイス
６３  カメラ信号処理回路
６４  システムコントローラ
８０、８１、８２  基準電流源回路
１０１  光電変換素子
１０２  転送トランジスタ
１０３、２１８  リセットトランジスタ
１０４、２１１  増幅トランジスタ
１０５  フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１１１、１１２  差動対トランジスタ
１１３、１１４  能動負荷トランジスタ
１１５、１２２、１４２、２１５  定電流源トランジスタ
１１６、１１７、１２４  容量素子
１１８、１１９、１２３  スイッチトランジスタ
１２１  反転トランジスタ
１３１、１３２、１４１、１６１、１６２、１７５、１７８、２６１  トランジスタ
１７０、１７６、２７０  サンプルホールドトランジスタ
１７１  基準電流源トランジスタ
１７２  カレントミラートランジスタ
１７３、１７７、２７３  サンプルホールド容量
１８１、１８２、２８１  参照電流源
２００、２０３  被写体
２０１、２０２、２０４、２０５  領域
２０６、２０７  ノイズ
２１６  入力容量
２１７  フィードバック容量
５１１  フリップフロップ
ＣＫ  クロック
ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３  制御信号
Ｌ１１、Ｌ２１  電源電圧線
Ｌ１２、Ｌ２２  グランド線
Ｌ１４、Ｌ１５、Ｌ１６、Ｌ１７、Ｌ２４、Ｌ２５  バイアス線
ＭＣＫ  マスタークロック
ＰＳＥＴ、ＰＳＥＴｃ  セット信号
ＳＨ１、ＳＨ２  制御信号
Ｖｂｉａｓａ、Ｖｂｉａｓｂ、Ｖｂｉａｓｄ、ＶＧ、ＶＧ１、ＶＧ２  電圧
Ｖｄｄ、Ｖｄｄａ、Ｖｄｄｃ  電源電圧
Ｖｆｄ  電圧
Ｖｒｅｆ  参照信号
Ｖｓｉｇ  信号成分
Ｖｓｓ、Ｖｓｓｂ、Ｖｓｓｃ接地電位
Ｖｘ  信号電圧
Ｖｃｏ、Ｖｏ、Ｖｙ、Ｖｚ  出力信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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