(57)【要約】【課題】高い変換効率を実現する差動増幅回路を提供することができるようにする。【解決手段】複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、サンプルホールド回路を介して入力される入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタとで構成される差動増幅回路を有し、読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、差動増幅回路の出力を負帰還として設定し、参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧を設定する信号処理装置が提供される。本技術は、例えば、CMOSイメージセンサに適用することができる。【選択図】図８
2018182496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、サンプルホールド回路を介して入力される前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、
前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタと
で構成される差動増幅回路を有し、
前記読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、前記差動増幅回路の出力を負帰還として設定し、
前記参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧を設定する
信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の信号処理装置において、
前記入力チャネルと前記サンプルホールド回路は、画素アレイ部に行列状に２次元配置される画素に含まれ、
前記画素は、
光電変換部と、
前記光電変換部で光電変換された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタにより転送された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタと
を含んで構成される
ようにした固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素は、前記画素を選択する選択トランジスタをさらに有し、
前記選択トランジスタは、前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素との任意の対を選択する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素は、列単位で読み出される
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素において、前記転送トランジスタ及び前記電荷電圧変換部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素と同一に構成される
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素は、ソースフォロア型の読み出しが可能であり、
ソースフォロア型の読み出しと、差動型の増幅読み出しとを切り替える切り替え部をさらに有する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とを切り替える切り替え部をさらに有する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記読出し側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、前記参照側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出した後に、前記読出し側の増幅トランジスタと前記参照側の増幅トランジスタとの結線を相補に切り替えて、切り替え前の前記参照側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、切り替え前の前記読出し側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出す
請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記切り替え部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素の近傍となる有効画素を、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とする
請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
複数の参照側の増幅トランジスタは、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方を結線している
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、
前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタと
で構成される差動増幅回路を有し、
複数の参照側の増幅トランジスタは、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方を結線している
信号処理装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の信号処理装置において、
前記入力チャネルは、画素アレイ部に行列状に２次元配置される画素に含まれ、
前記画素は、
光電変換部と、
前記光電変換部で光電変換された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタにより転送された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタと
を含んで構成される
ようにした固体撮像装置。
【請求項１３】
前記画素は、前記画素を選択する選択トランジスタをさらに有し、
前記選択トランジスタは、前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素との任意の対を選択する
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素は、列単位で読み出され、
前記参照側の増幅トランジスタが結線されている前記参照画素の数は、前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素の数と同一であるか、あるいは前記読出画素の数よりも少ない
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素において、前記転送トランジスタ及び前記電荷電圧変換部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素と同一に構成される
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記画素は、ソースフォロア型の読み出しが可能であり、
ソースフォロア型の読み出しと、差動型の増幅読み出しとを切り替える切り替え部をさらに有する
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とを切り替える切り替え部をさらに有する
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記読出し側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、前記参照側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出した後に、前記読出し側の増幅トランジスタと前記参照側の増幅トランジスタとの結線を相補に切り替えて、切り替え前の前記参照側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、切り替え前の前記読出し側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出す
請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
前記切り替え部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素の近傍となる有効画素を、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とする
請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記入力信号は、サンプルホールド回路を介して、前記読出し側の増幅トランジスタと、前記参照側の増幅トランジスタに入力され、
前記読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、前記差動増幅回路の出力を負帰還として設定し、
前記参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧を設定する
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、信号処理装置、及び、固体撮像装置に関し、特に、高い変換効率を実現する差動増幅回路を提供することができるようにした信号処理装置、及び、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが普及している。CMOSイメージセンサにおいては、画素アレイ部に配置された複数の画素で光電変換された信号電荷を読み出す回路として、ソースフォロア回路が広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ソースフォロア回路のほか、ソース接地回路や差動増幅回路を用いて、信号の読み出しを行う構成もある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１１４８７号公報
【特許文献２】特開２００８−２７１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、差動増幅回路による読み出しを行う場合、高い変換効率で信号を読み出すことができるものの欠点もあるため、さらなる改善が求められている。
【０００６】
本技術はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高い変換効率を実現する差動増幅回路を提供することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本技術の第１の側面の信号処理装置は、複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、サンプルホールド回路を介して入力される前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタとで構成される差動増幅回路を有し、前記読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、前記差動増幅回路の出力を負帰還として設定し、前記参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧を設定する信号処理装置である。
【０００８】
本技術の第１の側面の固体撮像装置は、上述した本技術の第１の側面の信号処理装置において、前記入力チャネルと前記サンプルホールド回路は、画素アレイ部に行列状に２次元配置される画素に含まれ、前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、前記電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタとを含んで構成されるようにした固体撮像装置である。
【０００９】
本技術の第１の側面の信号処理装置、及び、固体撮像装置においては、複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、サンプルホールド回路を介して入力される前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタとで構成される差動増幅回路で、前記読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、前記差動増幅回路の出力が負帰還として設定され、前記参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧が設定される。
【００１０】
本技術の第２の側面の信号処理装置は、複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタとで構成される差動増幅回路を有し、複数の参照側の増幅トランジスタは、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方を結線している信号処理装置である。
【００１１】
本技術の第２の側面の固体撮像装置は、上述した本技術の第２の側面の信号処理装置において、前記入力チャネルは、画素アレイ部に行列状に２次元配置される画素に含まれ、前記画素は、光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送トランジスタにより転送された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、前記電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタとを含んで構成されるようにした固体撮像装置である。
【００１２】
本技術の第２の側面の信号処理装置、及び、固体撮像装置においては、複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタとで構成される差動増幅回路で、複数の参照側の増幅トランジスタが、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方が結線されている。
【００１３】
本技術の第１の側面の信号処理装置、及び固体撮像装置、並びに本技術の第２の側面の信号処理装置、及び固体撮像装置は、独立した装置であってもよいし、１つの装置を構成している内部ブロックであってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本技術の第１の側面及び第２の側面によれば、高い変換効率を実現する差動増幅回路を提供することができる。
【００１５】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ソースフォロア型の読み出しの構成でのノイズの発生箇所を示す回路図である。
【図２】画素共有がない場合の構成を示す回路図である。
【図３】画素共有がある場合の構成を示す回路図である。
【図４】差動型の増幅読み出しの構成でのノイズの発生箇所を示す回路図である。
【図５】リセットフィードスルーと差動動作点の問題点を説明する図である。
【図６】本技術を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図７】画素の構成例を示す回路図である。
【図８】第１の実施の形態の差動画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【図９】差動画素読出し回路を構成する画素の駆動例を示すタイミングチャートである。
【図１０】読出画素と参照画素を同一行に配置する場合の構成を示す回路図である。
【図１１】読出画素と参照画素を同一列に配置する場合の構成を示す回路図である。
【図１２】読出画素と参照画素が近接するが、異なる行及び列に配置する場合の構成を示す回路図である。
【図１３】カラムごとに参照専用の画素を配置する場合の構成を示す回路図である。
【図１４】カラムごとに参照専用のダミー画素を配置する場合の構成を示す回路図である。
【図１５】カスコード型カレントミラー回路を用いた構成を示す回路図である。
【図１６】読出画素と参照画素を切り替え可能な構成を示す回路図である。
【図１７】読出画素と参照画素を切り替え可能な構成を示す回路図である。
【図１８】読出画素と参照画素で切り替え可能な画素の駆動例を示すタイミングチャートである。
【図１９】SFモードに切り替えられた画素の構成を示す回路図である。
【図２０】差動モードに切り替えられた画素の構成を示す回路図である。
【図２１】差動モードに切り替えられた画素の構成を示す回路図である。
【図２２】SFモードに切り替えられた画素の駆動例を示すタイミングチャートである。
【図２３】差動モードに切り替えられた画素の駆動例を示すタイミングチャートである。
【図２４】第１の実施の形態を採用することで得られる効果を説明する図である。
【図２５】第２の実施の形態の画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【図２６】差動モード時の画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【図２７】差動モード時の画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【図２８】SFモード時の画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【図２９】差動モードに切り替えられた画素の駆動例を示すタイミングチャートである。
【図３０】SFモードに切り替えられた画素の駆動例を示すタイミングチャートである。
【図３１】差動モード時に、読出画素と参照画素の個数が異なる場合の構成を示す回路図である。
【図３２】第２の実施の形態を採用することで得られる効果を説明する図である。
【図３３】本技術を適用し得る積層型の固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図３４】本技術を適用した固体撮像装置を有する電子機器の構成例を示すブロック図である。
【図３５】本技術を適用した固体撮像装置の使用例を示す図である。
【図３６】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３７】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本技術の実施の形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行うものとする。
【００１８】
１．本技術の概要
２．固体撮像装置の構成
３．第１の実施の形態：リセット電圧を外部印加及び負帰還で設定する構成
４．第２の実施の形態：参照側の増幅トランジスタを横繋ぎする構成
５．変形例
６．電子機器の構成
７．固体撮像装置の使用例
８．移動体への応用例
【００１９】
＜１．本技術の概要＞
【００２０】
CMOSイメージセンサでは、画素アレイ部に行列状に２次元配置された単位画素（以下、画素ともいう）に、光電変換部としてのフォトダイオード（PD）と、フォトダイオードで光電変換された電子を電圧変換する浮遊拡散領域（FD：Floating Diffusion）と、浮遊拡散領域（FD）で得られる電圧をゲート入力とする増幅トランジスタを有し、この増幅トランジスタを用いたソースフォロア回路による読み出し（以下、ソースフォロア型の読み出しという）を行うのが一般的である（例えば、上述した特許文献１参照）。
【００２１】
一方で、画素は同様の構成ながら、ソース接地回路による読み出しを行う構成や、差動増幅回路による読み出し（以下、差動型の増幅読み出しという）を行う構成がある（例えば、上述した特許文献２参照）。
【００２２】
ところで、画素において、フォトダイオードで発生した電子は、FDノードの寄生容量に応じた１電子当たりの電圧変換効率（μV/e-）で電圧に変換される。この信号電子数に応じたFDノードの電圧振幅ΔVfdが、増幅トランジスタを介して、画素アレイ部に２次元配置された画素から読み出される。
【００２３】
このとき、読み出される信号には、ノイズが重畳される。このノイズの主な発生源としては、例えば、図１に示すようなものがある。
【００２４】
すなわち、画素９００内の増幅トランジスタ９１４が発生するノイズVn_pix（μVrms）と、２次元配置された画素から垂直信号線（VSL）９２２経由で読み出された電圧を増幅するなどのアナログ回路（AFE：Analog Front End）９３１が発生するノイズVn_afe（μVrms）と、アナログデジタル変換回路（ADC：Analog Digital Converter）９３２が発生するノイズVn_adc（μVrms）がある。
【００２５】
以下の説明では、ノイズVn_pixは、FDノードで発生する電圧ノイズに入力換算したもの、ノイズVn_afeは、垂直信号線９２２で発生する電圧ノイズに換算したもの、ノイズVn_adcは、アナログデジタル変換回路９３２の入力ノードで発生するノイズに換算したものとして定義する。
【００２６】
ソースフォロア型の読み出しの構成では、FDノードの電圧振幅ΔVfdに対する、垂直信号線（VSL）９２２の電圧振幅ΔVvslのゲインAsfは、0.8〜1.0倍となるので、下記の式（１）の関係を満たすことになる。
【００２７】
ΔVvsl ＝ Asf × ΔVfd       ・・・（１）
【００２８】
ここで、FDノードにおける電子電圧変換の変換効率（μV/e-）を、ηfdとする。すなわち、垂直信号線９２２における電子電圧変換の変換効率（μV/e-）を、ηvslとした場合、下記の式（２）の関係を満たすことになる。
【００２９】
ηvsl ＝ Asf × ηfd       ・・・（２）
【００３０】
また、信号電子数を、Nsig_e とすると、下記の式（３）の関係により表すことができる。
【００３１】
ΔVvsl ＝ηvsl × Nsig_e ＝ηfd × Asf × Nsig_e       ・・・（３）
【００３２】
なお、ここでは、簡単のためにアナログ回路（AFE）９３１では、電圧増幅をしない、すなわち、ゲインが１倍であるとして、AD変換の出力に重畳するノイズを、垂直信号線９２２で発生する電圧ノイズに換算して、Vn_total（μVrms）とすると、Vn_adcと、Vn_afeと、Afd × Vn_pixとの和（二乗平均）となる。
【００３３】
これは、電子数Nsig_eによるVSL信号振幅ΔVvslに対して、Vn_totalのノイズが重畳していることを表している。ここで、画質の観点からすれば、ある信号電子数に対して、ノイズがどれだけ重畳しているかが重要となるため、ノイズをFDノードにおける電子数に換算（単位：e-rms）すると、下記の式（４）の関係を満たすことになる。
【００３４】
【数１】
2018182496.tif 000003
・・・（４）
【００３５】
ただし、式（４）において、上述した式（２）により、ηvsl ＝ Asf × ηfdの関係となるから、Asfを大きくすれば、Vn_adc及びVn_afeの影響を小さくすることができる。また、ηfdを大きくすれば、Vn_adc，Vn_afe，及びVn_pixの影響を小さくすることができる。
【００３６】
Asfは、上述したように、ソースフォロア回路の電圧ゲインで、一般的に0.8〜1.0であり、論理的には1.0以下であるため、その改善が難しい。ηfdは、FDノードからみた寄生容量の合計Cfdで決まるものであり、下記の式（５）の関係を満たしている。
【００３７】
ηfd ＝ e / Cfd       ・・・（５）
【００３８】
ただし、式（５）において、eは、電子素量で、1.602 × 10-19クローンの定数である。ノイズ低減のために、容量削減をするためには、物理的な限界があり、さらに、画素ピッチを縮小するために、トランジスタを複数の画素で共有する構造を採用すると、Cfdが大きくなって、ηfdを大きくすることがさらに困難となる。
【００３９】
なお、図２には、画素アレイ部に配置された画素の一例として、画素９００−１１、画素９００−１２、画素９００−２１、及び画素９００−２２の各画素で、画素共有がなされずに、各画素で独立して信号が読み出される場合の構成を示している。
【００４０】
また、図３には、画素９００−１１、画素９００−１２、画素９００−２１、及び画素９００−２２の４つの画素で画素共有がなされ、画素９００−１１の浮遊拡散領域（FD）９２１と増幅トランジスタ９１４が、他の画素でも利用される場合の構成を示している。
【００４１】
このように、ソースフォロア型の読み出しの構成では、Asfの値が１倍程度であるから、微細画素において、ηfdを大きくすることができなくなると、ηvslも大きく設計することができず、結果として、ノイズ低減ができなくなってしまう。
【００４２】
一方で、差動型の増幅読み出しは、例えば、図４に示すような構成からなる。
【００４３】
すなわち、差動型の増幅読み出しの構成では、垂直信号線（VSL）９２２の電圧振幅ΔVvslのゲインAdifは、FDノードの寄生容量Cfdの一部であるVSLノードとの寄生容量分Cgdで決定される。なお、Cgdは、トランジスタの寄生容量だけでなく、ゲインAdifを調整するために、配線容量等で意図的に付加した容量をも含む場合がある。
【００４４】
このような差動型の増幅読み出しの構成においては、差動増幅回路のオープンループゲインを、Avとした場合に、下記の式（６）の関係を満たしている。
【００４５】
ηvsl ＝ e / {Cgd + Cfd / Av}       ・・・（６）
【００４６】
同様に、差動型の増幅読み出しの構成におけるトータルノイズを、FDノードにおける電子数に換算すると、下記の式（７）の関係を満たすことになる。
【００４７】
【数２】
2018182496.tif 000004
・・・（７）
【００４８】
この式（７）の関係から、ηvslやηfdを大きくすれば、ノイズを低減できることは、明らかである。
【００４９】
ここで、図１のソースフォロア型の読み出しの構成の式（４）と、図４の差動型の増幅読み出しの構成の式（７）とを比較すれば、Vn_adc及びVn_afeについて、次のようなことが言える。
【００５０】
すなわち、式（４）においては、ηvslが、式（２）により、ηvsl ＝ Asf × ηfd の関係を有し、さらに、Asfが、最大でも1.0であることから、下記の式（８）の関係が成立することになる。
【００５１】
ηvsl ≦ ηfd ＝ e / Cfd       ・・・（８）
【００５２】
一方で、式（７）においては、ηvslが、式（６）により、ηvsl ＝ e / {Cgd + Cfd / Av} の関係を有し、さらに、Avは、一般的に、数10〜100程度となるため、Cfdの影響を抑えることができ、下記の式（９）の関係が成立することになる。
【００５３】
ηvsl ≒ e / Cgd       ・・・（９）
【００５４】
このように、ソースフォロア型の読み出しの構成では、式（８）の関係から、Cfdを小さくすることが難しい状況では、ηvslを大きくする手段がない。
【００５５】
それに対し、差動型の増幅読み出しの構成では、式（９）の関係において、Cgdは、Cfdの一部であるため、Cfdよりも小さい値であって、図４に示すように、増幅トランジスタ９１４に寄生する容量であるため、トランジスタを複数の画素で共有する構造（図３）を採用したとしても、容量削減の妨げとはならない。
【００５６】
すなわち、ソースフォロア型の読み出しの構成よりも、差動型の増幅読み出しの構成のほうが、ηvslとして、より大きな値とすることができ、ノイズの観点で有利となる。一方で、従来の差動型の増幅読み出しの構成には、２つの問題点がある。
【００５７】
第１に、基準電位である初期FD電位は、フォトダイオード（PD）等の光電変換部９１１からの電荷が転送できる電圧に設定する必要があり、かつ、十分な信号電荷を読み出すために、振幅のダイナミックレンジを確保できる電圧に設定する必要がある。
【００５８】
図４に示した回路構成では、初期FD電位は、高いほうが電荷の転送には有利で、多くの信号電荷を転送することができるが、一方で、初期FD電位が低いほうが、出力電圧の振幅は大きくとれる。なお、光電変換部９１１としてのフォトダイオード（PD）の極性が逆の場合には、それぞれが逆の電位設定が有利とされる。
【００５９】
そのため、光電変換部９１１からの電荷転送が可能で、かつ、画素の出力電圧の振幅が大きくとれる初期FD電位を設定することが重要となる。
【００６０】
しかしながら、差動増幅回路では、増幅ゲインが高いため、素子特性や電源、温度等のバラツキによって、入力信号のバラツキが増幅され、結果として、大きな出力信号のバラツキとなることが問題となっている。特に、リセット時に、大きい入力信号が入ってくると、リセットの出力レベルが、読み出し可能な電圧レンジを外れて不定になってしまう。
【００６１】
ここで、上述した特許文献２には、画素ごとに、リセット時に出力レベルを入力に帰還させて初期FD電位を決めることで、素子特性や電源、温度等のバラツキを抑えることが開示されているが、このリセット時の浮遊拡散領域（FD）の電位レベルは、カレントミラートランジスタ、読み出しトランジスタ、及び負荷MOSトランジスタのオン抵抗の比で決まるものである。そして、これらのトランジスタのサイズと駆動電流を決めると、ほぼ一義的に電位レベルが決まってしまう。
【００６２】
特に、読み出しトランジスタは、画素アレイ部を構成する画素内に配置されるトランジスタであって、そのサイズを自由に調整することは難しく、フォトダイオードからの電荷転送と、画素の出力電圧の振幅を両立させる初期FD電位設定をコントロールすることは、一般的に難しい。
【００６３】
一方で、図５Ａに示すように、差動型の増幅読み出しでは、リセット動作が完了し、駆動信号RSTに応じてリセットトランジスタ９１３がオフ状態とされると、FD電位とVSL電位は、図５Ｂに示すような関係となる。
【００６４】
すなわち、リセットトランジスタ９１３をオフ状態にすると、浮遊拡散領域（FD）９２１は、外部配線から電気的に遮断され、フローティング状態（浮遊状態）になるが、主に、リセットトランジスタ９１３のゲート電極との容量カップリングによって、浮遊拡散領域（FD）９２１のFD電位は、低レベル側に押し下げられる。このリセットトランジスタ９１３のオン状態とオフ状態の切り替えでのFD電位の変動量ΔVFDを、リセットフィードスルーと呼ぶ。
【００６５】
そして、差動型の増幅読み出しの場合には、読み出し側と参照側のリセットフィードスルー量が大きく異なると、その差分は、ゲイン倍に増幅されて、垂直信号線（VSL）９２２に出力されるため、読み出し可能な電圧レンジを外れ、初期信号レベルが、不安定になってしまう。
【００６６】
このように、差動型の増幅読み出しの構成においては、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制するだけでなく、最適な初期FD電位を決定する必要がある。これが、第１の問題点である。
【００６７】
第２に、差動型の増幅読み出しの構成においては、最終的なノイズの総和が、差動対の参照側のトランジスタが追加されることで、画素内の増幅トランジスタが発生するノイズの分だけ大きくなることである。
【００６８】
ここで、ノイズVn_pixに注目すれば、図１のソースフォロア型の読み出しの構成での式（４）と、図４の差動型の増幅読み出しの構成での式（７）では、ηfdはともに、e / Cfdとなることから、ηfdに差はない。
【００６９】
しかしながら、図４に示した差動型の増幅読み出しの構成においては、参照側の増幅トランジスタが発生するノイズも重畳されるため、それに応じてノイズが２倍となってしまう。このように、差動型の増幅読み出しの構成のほうが、ソースフォロア型の読み出しの構成と比べて、トータルノイズとして、Vn_pix成分が２倍となるため、ノイズの観点から不利とされる。これが、第２の問題点である。
【００７０】
本開示に係る技術（本技術）では、このような第１の問題点と第２の問題点を解決するための手段を提案する。
【００７１】
すなわち、第１の問題点に対しては、差動型の増幅読み出しの構成において、参照画素のリセット電圧を外部印加とし、読出画素のリセット電圧は、垂直信号線から負帰還をかける構成とすることで、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制するだけでなく、リセット時の読出画素のFD電位を所望の値に制御することができるようにする。
【００７２】
また、第２の問題点に対しては、差動型の増幅読み出しの構成において、参照画素の増幅トランジスタのソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方のノードを、画素アレイ部の各列間で接続（結線）することで、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、ノイズ増加を抑圧することができるようにする。
【００７３】
以下、本技術の具体的な内容を、第１の実施の形態と、第２の実施の形態によって説明する。すなわち、第１の問題点を解決するための第１の手段として、第１の実施の形態を説明し、第２の問題点を解決するための第２の手段として、第２の実施の形態を説明する。
【００７４】
なお、第１の問題点を解決するための第１の手段と、第２の問題点を解決するための第２の手段は、それ単独の手段によって、問題点を解決してもよいし、一方の手段が、他方の手段と組み合わされるようにしてもよい。
【００７５】
すなわち、第１の手段を、第２の手段と組み合わせることで、第１の問題だけでなく、第２の問題をも解決することができ、その結果として双方の効果を得ることができる。同様にまた、第２の手段を、第１の手段と組み合わせることで、第１の問題をも解決することができ、その結果として双方の効果を得ることができる。
【００７６】
＜２．固体撮像装置の構成＞
【００７７】
（固体撮像装置の構成例）
図６は、本技術を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００７８】
図６のCMOSイメージセンサ１０は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)を用いた固体撮像装置の一例である。CMOSイメージセンサ１０は、光学レンズ系（不図示）を介して被写体からの入射光（像光）を取り込んで、撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
【００７９】
図６において、CMOSイメージセンサ１０は、画素アレイ部１１、垂直駆動部１２、カラム読出し回路部１３、カラム信号処理部１４、水平駆動部１５、システム制御部１６、信号処理部１７、及びデータ格納部１８を含んで構成される。
【００８０】
これら画素アレイ部１１、垂直駆動部１２、カラム読出し回路部１３、カラム信号処理部１４、水平駆動部１５、システム制御部１６、信号処理部１７、及びデータ格納部１８は、同一又は電気的に接続された複数の積層半導体基板（チップ）上に形成されている。
【００８１】
画素アレイ部１１には、入射光量に応じた電荷量を光電変換して内部に蓄積し、信号として出力を行うことが可能な光電変換部（例えば、フォトダイオード）を有する単位画素（画素）が、行列状に２次元配置されている。
【００８２】
なお、画素アレイ部１１には、有効な画素（有効画素）の他に、光電変換を行うフォトダイオードを持たない構造のダミー画素や、受光面を遮光して外部からの光入射を遮断していること以外は有効画素と等価な遮光画素が、行列状に２次元配置されている領域を含む場合がある。
【００８３】
また、以下の説明では、入射光量に応じた電荷量の光電荷を、単に「電荷」と記述し、単位画素を、単に「画素」と記述する場合がある。
【００８４】
画素アレイ部１１にはさらに、行列状の画素配列に対して行ごとに画素駆動線３１が図の左右方向（画素行の画素の配列方向）に沿って形成され、列ごとに垂直画素配線３２が図の上下方向（画素列の画素の配列方向）に沿って形成されている。画素駆動線３１の一端は、垂直駆動部１２の各行に対応した出力端に接続されている。
【００８５】
カラム読出し回路部１３は少なくとも、画素アレイ部１１内の選択行画素に列ごとに定電流を供給する回路、高ゲインアンプを構成するカレントミラー回路、読出しモード切替スイッチから成り、画素アレイ部１１内の選択画素内のトランジスタと共に増幅器を構成し、光電荷信号を電圧信号に変換して垂直画素配線３２に出力する。
【００８６】
垂直駆動部１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部１１の各画素を、全画素同時あるいは行単位等で駆動する画素駆動部である。この垂直駆動部１２は、その具体的な構成については図示を省略するが、読み出し走査系と、掃き出し走査系あるいは、一括掃き出し、一括転送を有する構成となっている。
【００８７】
読み出し走査系は、画素から信号を読み出すために、画素アレイ部１１の画素を行単位で順に選択走査する。行駆動（ローリングシャッタ動作）の場合、掃き出しについては、読み出し走査系によって読み出し走査が行われる読み出し行に対して、その読み出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して掃き出し走査が行なわれる。
【００８８】
また、グローバル露光（グローバルシャッタ動作）の場合は、一括転送よりもシャッタスピードの時間分先行して一括掃き出しが行なわれる。この掃き出しにより、読み出し行の画素の光電変換素子から不要な電荷が掃き出される（リセットされる）。そして、不要電荷の掃き出し（リセット）により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。
【００８９】
ここで、電子シャッタ動作とは、直前まで光電変換素子に溜まっていた不要な光電荷を捨てて、新たに露光を開始する（光電荷の蓄積を開始する）動作のことを言う。読み出し走査系による読み出し動作によって読み出される信号は、その直前の読み出し動作又は電子シャッタ動作以降に入射した光量に対応するものである。
【００９０】
行駆動の場合は、直前の読み出し動作による読み出しタイミング又は電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読み出し動作による読み出しタイミングまでの期間が、画素における光電荷の蓄積時間（露光時間）となる。グローバル露光の場合は、一括掃き出しから一括転送までの時間が蓄積時間（露光時間）となる。
【００９１】
垂直駆動部１２によって選択走査された画素行の各画素から出力される画素信号は、垂直画素配線３２の各々を通してカラム信号処理部１４に供給される。カラム信号処理部１４は、画素アレイ部１１の画素列ごとに、選択行の各画素から垂直画素配線３２を通して出力される画素信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
【００９２】
具体的には、カラム信号処理部１４は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えば、相関二重サンプリング（CDS：Correlated Double Sampling）処理を行う。このカラム信号処理部１４による相関二重サンプリングにより、リセットノイズや増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。なお、カラム信号処理部１４にノイズ除去処理以外に、例えば、AD（アナログ−デジタル）変換機能を持たせ、信号レベルをデジタル信号で出力することも可能である。
【００９３】
水平駆動部１５は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム信号処理部１４の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部１５による選択走査により、カラム信号処理部１４で信号処理された画素信号が順番に信号処理部１７に出力される。
【００９４】
システム制御部１６は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ等によって構成され、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に垂直駆動部１２、カラム信号処理部１４、及び水平駆動部１５などの駆動制御を行う。
【００９５】
CMOSイメージセンサ１０はさらに、信号処理部１７及びデータ格納部１８を備えている。信号処理部１７は、少なくとも加算処理機能を有し、カラム信号処理部１４から出力される画素信号に対して加算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部１８は、信号処理部１７での信号処理に当たって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
【００９６】
これら信号処理部１７及びデータ格納部１８については、CMOSイメージセンサ１０とは別の基板に設けられる外部信号処理部、例えばDSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる処理でも構わないし、CMOSイメージセンサ１０と同じ基板上に搭載しても構わない。
【００９７】
（画素の構成例）
次に、図７を参照して、図６の画素アレイ部１１に行列状に２次元配置されている画素１００の回路構成例について説明する。
【００９８】
図７において、画素１００は、光電変換部１１１、転送トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３、増幅トランジスタ１１４、及び選択トランジスタ１１５から構成される。また、画素１００においては、浮遊拡散領域（FD：Floating Diffusion）１２１が形成される。
【００９９】
また、画素１００においては、垂直駆動部１２に一端が接続される画素駆動線３１であるところのSEL駆動線、RST駆動線、及びTRG駆動線、並びにカラム読出し回路部１３に一端が接続される垂直画素配線３２であるところの垂直信号線２２、垂直リセット入力線６１、及び垂直電流供給線６２が接続されている。
【０１００】
光電変換部１１１としてのフォトダイオードのアノードは接地されており、フォトダイオードのカソードは、転送トランジスタ１１２のソースに接続されている。転送トランジスタ１１２のドレインは、それぞれリセットトランジスタ１１３のソース及び増幅トランジスタ１１４のゲートに接続されており、この接続点が浮遊拡散領域（FD）１２１を構成している。
【０１０１】
また、リセットトランジスタ１１３のドレインは、垂直リセット入力線６１に接続されており、増幅トランジスタ１１４のソースは、垂直電流供給線６２に接続されている。増幅トランジスタ１１４のドレインは、選択トランジスタ１１５のソースに接続されており、選択トランジスタ１１５のドレインは、垂直信号線（VSL）２２に接続されている。
【０１０２】
転送トランジスタ１１２のゲート、リセットトランジスタ１１３のゲート、及び選択トランジスタ１５のゲートは、画素駆動線３１（TRG駆動線、RST駆動線、及びSEL駆動線）を介して、垂直駆動部１２（図６）にそれぞれ接続されており、駆動信号としてのパルスがそれぞれ供給される。
【０１０３】
次に、図７に示した画素１００の基本機能について説明する。
【０１０４】
リセットトランジスタ１１３は、垂直駆動部１２（図６）から供給される駆動信号RSTに従って、浮遊拡散領域（FD）１２１に蓄積されている電荷の排出をオン／オフする。
【０１０５】
例えば、リセットトランジスタ１１３は、H(High)レベルの駆動信号RSTが供給されると、浮遊拡散領域（FD）１２１は、垂直リセット入力線６１を通して印可される電圧にクランプされ、浮遊拡散領域（FD）１２１に蓄積されていた電荷を排出（リセット）する。また、リセットトランジスタ１１３に、L(Low)レベルの駆動信号RSTが供給されると、浮遊拡散領域（FD）１２１は垂直リセット入力線６１と電気的に切断され、浮遊状態になる。
【０１０６】
一方、光電変換部１１１は、入射光を光電変換し、その光量に応じた電荷を生成し、蓄積する。転送トランジスタ１１２は、垂直駆動部１２（図６）から供給される駆動信号TRGに従って、光電変換部１１１から浮遊拡散領域（FD）１２１への電荷の転送をオン／オフする。
【０１０７】
例えば、転送トランジスタ１１２は、Hレベルの駆動信号TRGが供給されると、光電変換部１１１に蓄積されている電荷を浮遊拡散領域（FD）１２１に転送し、Lレベルの駆動信号TRGが供給されると、電荷の転送を停止する。なお、転送トランジスタ１１２が、浮遊拡散領域（FD）１２１への電荷の転送を停止している間、光電変換された電荷は、光電変換部１１１に蓄積される。
【０１０８】
浮遊拡散領域（FD）１２１は、光電変換部１１１から転送トランジスタ１１２を介して転送されてくる電荷を蓄積する機能を持ち、リセットトランジスタ１１３がオフした浮遊状態では、その蓄積された電荷量に応じて浮遊拡散領域（FD）１２１の電位は変調される。
【０１０９】
増幅トランジスタ１１４は、そのゲートに接続された浮遊拡散領域（FD）１２１の電位変動を入力信号とする増幅器として働き、その出力電圧信号は、選択トランジスタ１１５を介して垂直信号線２２に出力される。
【０１１０】
選択トランジスタ１１５は、垂直駆動部１２（図６）から供給される駆動信号SELに従って、増幅トランジスタ１１４からの電圧信号の垂直信号線２２への出力をオン／オフする。
【０１１１】
例えば、選択トランジスタ１１５は、Hレベルの駆動信号SELが供給されると、電圧信号を垂直信号線２２に出力し、Lレベルの駆動信号SELが供給されると、電圧信号の出力を停止する。これにより複数の画素１００が接続された垂直信号線２２において、選択した画素１００の出力のみを取り出すことが可能となる。
【０１１２】
このように、画素１００は、垂直駆動部１２（図６）から供給される駆動信号（TRG，RST，SEL）に従って駆動される。
【０１１３】
＜３．第１の実施の形態＞
【０１１４】
次に、図８ないし図２４を参照しながら、第１の実施の形態として、差動型の増幅読み出しによって、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制するだけでなく、リセット時の読出画素のFD電位を所望の値に制御するための構成について説明する。
【０１１５】
（差動画素読出し回路の構成例）
図８は、第１の実施の形態の差動画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【０１１６】
図８において、差動画素読出し回路５０は、信号電荷の読み出しを行う読出画素１００Ｓと、信号電荷なしの基準電圧を与える参照画素１００Ｒと、PMOSトランジスタからなるカレントミラー回路５１と、画素に定電流を供給する負荷MOS回路５２とで構成される。
【０１１７】
読出画素１００Ｓは、フォトダイオード（PD）等の光電変換部１１１Ｓに加えて、例えば、転送トランジスタ１１２Ｓ、リセットトランジスタ１１３Ｓ、増幅トランジスタ１１４Ｓ、及び選択トランジスタ１１５Ｓの４つの画素トランジスタを有している。
【０１１８】
光電変換部１１１Ｓとしてのフォトダイオードは、その一端であるアノード電極が接地され、その他端であるカソード電極は、転送トランジスタ１１２Ｓのソースに接続されている。転送トランジスタ１１２Ｓのドレインは、それぞれリセットトランジスタ１１３Ｓのソース及び増幅トランジスタ１１４Ｓのゲートに接続されており、この接続点が、浮遊拡散領域（FD）１２１Ｓを構成している。
【０１１９】
リセットトランジスタ１１３Ｓのドレインは、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓに接続されている。増幅トランジスタ１１４Ｓのソースは、読出し側垂直電流供給線６２Ｓに接続されている。増幅トランジスタ１１４Ｓのドレインは、選択トランジスタ１１５Ｓのソースと接続され、選択トランジスタ１１５Ｓのドレインは、読出し側垂直信号線２２Ｓと接続されている。
【０１２０】
転送トランジスタ１１２Ｓのゲート、リセットトランジスタ１１３Ｓのゲート、及び選択トランジスタ１１５Ｓのゲートには、画素駆動線３１（図６）を介して、垂直駆動部１２（図６）と接続され、駆動信号（TRG1，RST1，SEL1）としてのパルスがそれぞれ供給される。
【０１２１】
ここで、読出し側垂直信号線２２Ｓは、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓ、カレントミラー回路５１の読出し側PMOSトランジスタ５１１Ｓのドレイン、及び当該差動画素読出し回路５０の出力端子５３に接続される。
【０１２２】
また、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓは、読出し側垂直信号線２２Ｓに接続され、選択された読出画素１００Ｓの浮遊拡散領域１２１Ｓ、すなわち、増幅トランジスタ１１４Ｓの入力端子に接続され、リセットトランジスタ１１３Ｓがオンしているとき、当該差動画素読出し回路５０の出力信号が、負帰還される。
【０１２３】
参照画素１００Ｒは、フォトダイオード（PD）等の光電変換部１１１Ｒに加えて、例えば、転送トランジスタ１１２Ｒ、リセットトランジスタ１１３Ｒ、増幅トランジスタ１１４Ｒ、及び選択トランジスタ１１５Ｒの４つの画素トランジスタを有している。
【０１２４】
光電変換部１１１Ｒとしてのフォトダイオードは、その一端であるアノード電極が接地され、その他端であるカソード電極は、転送トランジスタ１１２Ｒのソースに接続されている。転送トランジスタ１１２Ｒのドレインは、それぞれリセットトランジスタ１１３Ｒのソース及び増幅トランジスタ１１４Ｒのゲートに接続されており、この接続点が、浮遊拡散領域（FD）１２１Ｒを構成している。
【０１２５】
リセットトランジスタ１１３Ｒのドレインは、参照側垂直リセット入力線６１Ｒに接続されている。増幅トランジスタ１１４Ｒのソースは、参照側垂直電流供給線６２Ｒに接続されている。増幅トランジスタ１１４Ｒのドレインは、選択トランジスタ１１５Ｒのソースと接続され、選択トランジスタ１１５Ｒのドレインは、参照側垂直信号線２２Ｒと接続されている。
【０１２６】
転送トランジスタ１１２Ｒのゲート、リセットトランジスタ１１３Ｒのゲート、及び選択トランジスタ１１５Ｒのゲートには、画素駆動線３１（図６）を介して、垂直駆動部１２（図６）と接続され、駆動信号（TRG2，RST2，SEL2）としてのパルスがそれぞれ供給される。
【０１２７】
ここで、参照側垂直信号線２２Ｒは、カレントミラー回路５１の参照側PMOSトランジスタ５１１Ｒのドレイン及びゲート、並びに読出し側PMOSトランジスタ５１１Ｓのゲートに接続される。
【０１２８】
また、参照側垂直リセット入力線６１Ｒは、電源Vrstに接続されており、リセット時には、この配線を通じて選択された参照画素１００Ｒの浮遊拡散領域１２１Ｒ、すなわち、増幅トランジスタ１１４Ｒの入力端子に、任意の入力電圧信号が印加される。
【０１２９】
読出し側垂直電流供給線６２Ｓ及び参照側垂直電流供給線６２Ｒは、接続点（Vcom）で互いに接続された後、一定電流源である負荷MOS回路５２に接続されている。
【０１３０】
以上のような構成を有する差動画素読出し回路５０においては、読出画素１００Ｓの増幅トランジスタ１１４Ｓと、参照画素１００Ｒの増幅トランジスタ１１４Ｒとが、差動増幅器（差動増幅回路）を構成することで、読出画素１００Ｓの光電変換部１１１Ｓで検出された信号電荷に応じた電圧信号が、出力端子５３を介して出力される。
【０１３１】
（差動画素の駆動例）
次に、図９のタイミングチャートを参照して、図８に示した差動画素読出し回路５０を構成する画素の駆動例について説明する。
【０１３２】
なお、図９の上段には、読出画素１００Ｓにおいて、選択トランジスタ１１５Ｓと、リセットトランジスタ１１３Ｓと、転送トランジスタ１１２Ｓのゲートにそれぞれ印加される駆動信号SEL1，RST1，TRG1のタイミングチャートが示されている。
【０１３３】
また、図９の下段には、参照画素１００Ｒにおいて、選択トランジスタ１１５Ｒと、リセットトランジスタ１１３Ｒと、転送トランジスタ１１２Ｒのゲートにそれぞれ印加される駆動信号TRG2，RST2，SEL2のタイミングチャートが示されている。なお、図９において、時間の方向は、図中の左側から右側に向かう方向とされる。
【０１３４】
まず、時刻t1ないし時刻t2の期間において、駆動信号RST1と駆動信号TRG1として、Hレベルのパルスが印加されると、読出画素１００Ｓの光電変換部１１１Ｓ及び浮遊拡散領域１２１Ｓに蓄積されている電荷が、リセットトランジスタ１１３Ｓによって排出される。
【０１３５】
これにより、これまで光電変換部１１１Ｓに蓄積されていた電荷が掃き出され、時刻t2から時刻t5までの期間においては、新たに被写体からの光から得られた電荷が、光電変換部１１１Ｓに蓄積されることになる。
【０１３６】
次に、時刻t3ないし時刻t7の期間において、選択された読出画素１００Ｓ及び参照画素１００Ｒで、駆動信号SEL1，SEL2が、LレベルからHレベルに切り替えられると、増幅トランジスタ１１４Ｓ及び増幅トランジスタ１１４Ｒのソースからドレインに向けて、負荷MOS回路５２から電流が供給される。
【０１３７】
これにより、選択された読出画素１００Ｓの浮遊拡散領域１２１ＳのFD電位を入力電圧信号とする差動増幅回路が動作して、読出し側垂直信号線２２Ｓに増幅された電圧信号が出力されるようになる。この状態は、時刻t7において、駆動信号SEL1，SEL2が、HレベルからLレベルに切り替えられるまで継続される。
【０１３８】
なお、時刻t1ないし時刻t3の期間において、参照画素１００Ｒの駆動信号SEL2，RST2，TRG2は、読出画素１００Ｓの信号読出しには寄与しない。
【０１３９】
さらに、時刻t3ないし時刻t4の期間において、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Hレベルのパルスが印加されると、読出画素１００Ｓ及び参照画素１００Ｒで、浮遊拡散領域１２１Ｓ及び浮遊拡散領域１２１Ｒに蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０１４０】
このとき、差動画素読出し回路５０の出力端子５３は、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓ及びリセットトランジスタ１１３Ｓを通じて、差動画素読出し回路５０の入力の１つである読出画素１００Ｓの浮遊拡散領域１２１Ｓに電気的に接続される。
【０１４１】
その結果として、差動画素読出し回路５０では、出力端子５３が一方の入力側の浮遊拡散領域１２１Ｓに負帰還されて仮想接地状態となるため、電源Vrstに外部印加で固定されている他方の入力側の浮遊拡散領域１２１Ｒと、浮遊拡散領域１２１Ｓ及び出力端子５３とが同電位となる。
【０１４２】
次に、時刻t4ないし時刻t5の期間において、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Lレベルのパルスが印加されると、読出画素１００Ｓ及び参照画素１００Ｒでは、浮遊拡散領域１２１Ｓは、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓと電気的に切断され、浮遊拡散領域１２１Ｒは、参照側垂直リセット入力線６１Ｒと電気的に切断され、それぞれ浮遊状態となる。
【０１４３】
このとき、読出画素１００Ｓの浮遊拡散領域１２１Ｓと、参照画素１００Ｒの浮遊拡散領域１２１Ｒは、ほぼ等価な構造であるから、リセットオフ時の電位変動（リセットフィードスルー）もほぼ同じで、浮遊拡散領域１２１ＳのFD電位と、浮遊拡散領域１２１ＲのFD電位は、ほぼ同じ動きをする。
【０１４４】
そのため、差動画素読出し回路５０の出力端子５３からの出力は、リセットオン時の電圧Vrstから、ほとんど変化せず、この状態が差動増幅読出しにおけるリセット状態（初期状態）となり、この出力レベルが、リセットレベル（初期レベル）とされる。このリセット状態は、時刻t5で、信号電荷の転送が行われるまで続き、リセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０１４５】
次に、時刻t5ないし時刻t6の期間において、読出画素１００Ｓの駆動信号TRG1が、パルス状に印加されると、読出画素１００Ｓの光電変換部１１１Ｓに蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２Ｓによって、浮遊拡散領域１２１Ｓに転送される。
【０１４６】
そして、読出画素１００Ｓでは、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１Ｓが変調され、これが、増幅トランジスタ１１４Ｓのゲートに電圧信号として入力されると、読出し側垂直信号線２２Ｓに、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。この信号読出し状態は、時刻t7で、駆動信号SEL1，SEL2が、Lレベルになるまで続き、その間、信号レベルとしての電圧が読み出される。
【０１４７】
なお、カラム信号処理部１４（図６）では、このようにして読み出されたリセットレベルと信号レベルとの差分をとることでノイズを除去する相関二重サンプリング処理が行われ、ノイズが除去された画素信号が読み出される。
【０１４８】
（差動画素読出し回路の他の回路構成例）
【０１４９】
（Ａ）読出画素と参照画素を同一行に配置
図１０は、読出画素と参照画素を同一行に配置する場合の構成を示す回路図である。
【０１５０】
図１０には、差動画素読出し回路５０Ａにおいて、画素アレイ部１１に配置される参照画素１００Ｒとして、撮像時の被写体から得られる信号を蓄積及び読み出しする有効画素であって、読出画素１００Ｓに近接する同一行の画素を用いた例を示している。
【０１５１】
このとき、有効画素は、信号の蓄積及び読み出しの他に、参照画素１００Ｒに切り替え可能で、例えば、画素駆動線３１（図６）とカラム読出し回路部１３（図６）の切り替えスイッチによって、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒの画素ペアを入れ替えながら、アドレスを走査して、画素アレイ部１１に、２次元配置された全有効画素を読み出すことが可能となる。
【０１５２】
なお、図１０の画素アレイ部１１では、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとが同一行で、左右に隣接して配置されているが、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとの間に、差動駆動とは無関係な画素が挿入されていてもよい。
【０１５３】
この場合、１カラム当たりの貫通縦配線（垂直信号線２２、垂直リセット入力線６１、及び垂直電流供給線６２）と、AD変換器の数を少なくすることができるが、同一行の２画素の駆動信号（TRG，RST）を独立に駆動する必要性から、画素アレイ部１１を横切る画素駆動線３１の１行当たりの数を増やす必要はある。
【０１５４】
また、図１０の画素アレイ部１１において、同一行で左右に隣接した読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとは、入れ替えるようにしてもよい。
【０１５５】
（Ｂ）読出画素と参照画素を同一列に配置
図１１は、読出画素と参照画素を同一列に配置する場合の構成を示す回路図である。
【０１５６】
図１１には、差動画素読出し回路５０Ｂにおいて、画素アレイ部１１に配置される参照画素１００Ｒとして、撮像時の被写体から得られる信号を蓄積及び読み出しする有効画素であって、読出画素１００Ｓに近接する同一列の画素を用いた例を示している。
【０１５７】
このとき、有効画素は、信号の蓄積及び読み出しの他に、参照画素１００Ｒに切り替え可能で、例えば、画素駆動線３１（図６）とカラム読出し回路部１３（図６）の切り替えスイッチによって、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒの画素ペアを入れ替えながら、アドレスを走査して、画素アレイ部１１に、２次元配置された全有効画素を読み出すことが可能となる。
【０１５８】
なお、図１１の画素アレイ部１１では、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとが同一列で、上下に隣接して配置されているが、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとの間に、差動駆動とは無関係な画素が挿入されていてもよい。
【０１５９】
この場合、画素アレイ部１１を横切る画素駆動線３１の１行当たりの数は増加しないが、１カラム当たりの貫通縦配線（垂直信号線２２、垂直リセット入力線６１、及び垂直電流供給線６２）と、AD変換器の数を増やす必要はある。
【０１６０】
また、図１１の画素アレイ部１１において、同一列で上下に隣接した読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとは、入れ替えるようにしてもよい。
【０１６１】
（Ｃ）読出画素と参照画素を異なる行及び列に配置
図１２は、読出画素と参照画素が近接するが、異なる行及び列に配置する場合の構成を示す回路図である。
【０１６２】
図１２には、差動画素読出し回路５０Ｃにおいて、画素アレイ部１１に配置される参照画素１００Ｒとして、撮像時の被写体から得られる信号を蓄積及び読み出しする有効画素であって、読出画素１００Ｓに近接するが、行及び列が異なる画素を用いた例を示している。
【０１６３】
このとき、有効画素は、信号の蓄積及び読み出しの他に、参照画素１００Ｒに切り替え可能で、例えば、画素駆動線３１（図６）とカラム読出し回路部１３（図６）の切り替えスイッチによって、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒの画素ペアを入れ替えながら、アドレスを走査して、画素アレイ部１１に、２次元配置された全有効画素を読み出すことが可能となる。
【０１６４】
なお、図１２の画素アレイ部１１では、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとが、対角で、かつ最も近接して配置されているが、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとの間に、差動駆動とは無関係な画素が挿入されていてもよい。
【０１６５】
この場合、１カラム当たりの貫通縦配線（垂直信号線２２、垂直リセット入力線６１、及び垂直電流供給線６２）は、図１０に示した構成と同様であるが、第１非対角画素１００−１と第２非対角画素１００−２との画素ペア、すなわち、非活性である非対角の画素ペアと、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒの駆動信号（SEL，TRG，RST）を独立に駆動する必要性から、画素アレイ部１１を横切る画素駆動線３１の１行当たりの数を増やす必要はある。
【０１６６】
また、図１２の画素アレイ部１１において、行及び列が異なって隣接した読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒとは、入れ替えるようにしてもよい。
【０１６７】
（Ｄ）カラムごとに参照専用の画素を配置
図１３は、カラムごとに参照専用の画素を配置する場合の構成を示す回路図である。
【０１６８】
図１３には、差動画素読出し回路５０Ｄにおいて、画素アレイ部１１に配置される参照画素１００Ｒとしての、カラムごとに配置された参照専用の画素と、２次元配置された信号読み出しを行う有効画素とで画素ペア（差動対）を構成する例を示している。
【０１６９】
ここで、画素アレイ部１１において、参照画素１００Ｒは、参照専用の画素であって、その周辺に、列ごとに配置された有効画素と等価な画素である。また、画素アレイ部１１において、２次元配置された全有効画素は、画素駆動線３１により読出画素１００Ｓとしてのみ走査され、その信号が読み出される。
【０１７０】
（Ｅ）カラムごとに参照専用のダミー画素を配置
図１４は、カラムごとに参照専用のダミー画素を配置する場合の構成を示す回路図である。
【０１７１】
図１４には、差動画素読出し回路５０Ｅにおいて、画素アレイ部１１に配置される参照画素１００Ｒとしての、カラムごとに配置された参照専用のダミー画素と、２次元配置された信号読み出しを行う有効画素とで画素ペア（差動対）を構成する例を示している。
【０１７２】
ここで、画素アレイ部１１において、参照画素１００Ｒは、参照専用のダミー画素であって、その周辺に、列ごとに配置された有効画素と同様のリセットフィードスルー特性を示す擬似画素である。また、画素アレイ部１１において、２次元配置された全有効画素は、画素駆動線３１により読出画素１００Ｓとしてのみ走査され、その信号が読み出される。
【０１７３】
ここで、参照画素１００Ｒは、参照専用のダミー画素として、例えば、有効画素に遮光を施した画素や、フォトダイオード等の光電変換部１１１Ｒを持たない画素とすることができる。
【０１７４】
なお、参照画素１００Ｒとしては、有効画素に遮光を施したり、光電変換部１１１Ｒを持たないようにしたりすること以外の構成は、有効画素としての読出画素１００Ｓと同一のレイアウト構成を有する画素とすることができる。また、参照画素１００Ｒとしては、有効画素としての読出画素１００Ｓとは異なるレイアウト構成となるが、リセットフィードスルー特性が読出画素１００Ｓのそれと同一になるように調整された擬似画素とすることもできる。
【０１７５】
（Ｆ）カスコード型カレントミラー回路を用いた構成
図１５は、カスコード型カレントミラー回路を用いた構成を示す回路図である。
【０１７６】
図１５には、差動画素読出し回路５０Ｆにおいて、カラム読出し回路部１３のカレントミラー回路として、カスコード型カレントミラー回路５４を構成する例を示している。
【０１７７】
図１５の差動画素読出し回路５０Ｆでは、図８に示した差動画素読出し回路５０と比べて、上段のカラム読出し回路部１３において、カレントミラー回路５１の代わりに、カスコード型カレントミラー回路５４が設けられている。
【０１７８】
カスコード型カレントミラー回路５４においては、読出し側PMOSトランジスタ５４１Ｓと参照側PMOSトランジスタ５４１Ｒの対とともに、読出し側PMOSトランジスタ５４２Ｓと参照側PMOSトランジスタ５４２Ｒの対が設けられ、カスコード型のカレントミラー回路を構成している。
【０１７９】
すなわち、読出し側PMOSトランジスタ５４１Ｓのドレインと、読出し側PMOSトランジスタ５４２Ｓのソースとが接続され、読出し側PMOSトランジスタ５４２Ｓのドレインは、出力端子５３及び読出し側垂直信号線２２Ｓに接続されている。
【０１８０】
一方で、参照側PMOSトランジスタ５４１Ｒのドレインは、参照側PMOSトランジスタ５４１Ｒのゲートと、読出し側PMOSトランジスタ５４１Ｓのゲートと、参照側PMOSトランジスタ５４２Ｒのソースに接続されている。また、参照側PMOSトランジスタ５４２Ｒのドレインは、参照側PMOSトランジスタ５４２Ｒのゲートと、読出し側PMOSトランジスタ５４２Ｓのゲートと、参照側垂直信号線２２Ｒに接続されている。
【０１８１】
（Ｇ）読出画素と参照画素を切り替え可能な構成
図１６及び図１７は、読出画素と参照画素を切り替え可能な構成を示す回路図である。
【０１８２】
図１６には、差動画素読出し回路５０Ｇ−１として、カラム読出し回路部１３のスイッチSWによる切り替え前の、画素アレイ部１１に配置される画素の構成の例を示している。一方で、図１７には、差動画素読出し回路５０Ｇ−２として、カラム読出し回路部１３のスイッチSWによる切り替え後の画素アレイ部１１に配置される画素の構成の例を示している。
【０１８３】
図１６の差動画素読出し回路５０Ｇ−１において、画素アレイ部１１には、２次元配置される画素のうち、同一行に隣接して配置される第１画素１００−１と第２画素１００−２が例示されている。また、上段のカラム読出し回路部１３において、スイッチSW1ないしSW8がスイッチング動作を行うことで、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が、読出画素１００Ｓとされ、第２画素１００−２が、参照画素１００Ｒとされている。
【０１８４】
一方で、図１７の差動画素読出し回路５０Ｇ−２では、上段のカラム読出し回路部１３において、スイッチSW1ないしSW8がスイッチング動作を行うことで、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が、参照画素１００Ｒとされ、第２画素１００−２が、読出画素１００Ｓとされている。
【０１８５】
すなわち、差動画素読出し回路５０Ｇにおいては、上段のカラム読出し回路部１３のスイッチSW1ないしSW8がスイッチング動作を行うことにより、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が、読出画素１００Ｓ（図１６）から参照画素１００Ｒ（図１７）に切り替えられ、第２画素１００−２が、参照画素１００Ｒ（図１６）から読出画素１００Ｓ（図１７）に切り替えられる。
【０１８６】
換言すれば、差動画素読出し回路５０Ｇにおいては、上段のカラム読出し回路部１３に設けられたスイッチSW1ないしSW8を切り替えることで、差動対をなす画素ペア（差動ペア）の関係は同じであるが、読出画素１００Ｓの構成と、参照画素１００Ｒの構成とが入れ替えられていると言える。
【０１８７】
（切り替え可能な画素の駆動例）
ここで、図１８のタイミングチャートを参照して、図１６及び図１７に示した切り替え可能な画素の駆動例について説明する。
【０１８８】
なお、図１８の上段には、第１画素１００−１と、第２画素１００−２において、選択トランジスタ１１５と、リセットトランジスタ１１３と、転送トランジスタ１１２のゲートにそれぞれ印加される駆動信号SEL1，RST1，TRG1と、駆動信号SEL2，RST2，TRG2のタイミングチャートが示されている。
【０１８９】
一方で、図１８の下段には、上段のカラム読出し回路部１３において、スイッチSW1ないしSW8のオン／オフのタイミングを示すSW1ないしSW8のタイミングチャートが示されている。なお、図１８において、時間の方向は、図中の左側から右側に向かう方向とされる。
【０１９０】
まず、時刻t1ないし時刻t2の期間において、スイッチSW8がオン状態となって、さらに、駆動信号RST1と駆動信号TRG1として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１の光電変換部１１１及び浮遊拡散領域１２１に蓄積されている電荷が排出される。
【０１９１】
これにより、第１画素１００−１では、これまで光電変換部１１１に蓄積されていた電荷が掃き出され、時刻t1ないし時刻t7の期間においては、新たに被写体からの光から得られた電荷が、光電変換部１１１に蓄積されることになる。
【０１９２】
次に、時刻t3ないし時刻t4の期間において、スイッチSW5がオン状態となり、駆動信号RST2と駆動信号TRG2として、Hレベルのパルスが印加されると、第２の画素１００−２の光電変換部１１１及び浮遊拡散領域１２１に蓄積されている信号電荷が排出される。
【０１９３】
これにより、第２の画素１００−２では、これまで光電変換部１１１に蓄積されていた電荷が掃き出され、時刻t4ないし時刻t12の期間においては、新たに被写体からの光から得られた電荷が、光電変換部１１１に蓄積されることになる。
【０１９４】
次に、時刻t5ないし時刻t14の期間において、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２で、駆動信号SEL1，SEL2が、LレベルからHレベルに切り替えられると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２の増幅トランジスタ１１４のソースからドレインに向けて、負荷MOS回路５２から電流が供給される。
【０１９５】
さらに、時刻t5ないし時刻t9の期間において、スイッチSW2，SW3，SW5，SW8がオン状態とされると、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２と、カラム読出し回路部１３のカレントミラー回路５１は、読出画素１００Ｓを、第１画素１００−１とし、参照画素１００Ｒを、第２画素１００−２とする差動画素読出し回路（例えば、図８の差動画素読出し回路５０）と等価になる。
【０１９６】
これにより、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２の浮遊拡散領域１２１のFD電位差を入力電圧信号として増幅して、垂直信号線２２に出力するようになる。
【０１９７】
次に、時刻t5ないし時刻t6の期間において、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２で、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０１９８】
このリセット状態は、時刻t7まで続き、その間に、第１画素１００−１のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０１９９】
時刻t7ないし時刻t8の期間において、駆動信号TRG1として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０２００】
そして、第１画素１００−１では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０２０１】
この信号読み出し状態は、時刻t9において、スイッチSW2，SW3，SW5，SW8がオフ状態とされるまで続き、その間に、第１画素１００−１の信号レベルとしての電圧が読み出される。
【０２０２】
次に、時刻t10ないし時刻t14の期間において、スイッチSW1，SW4，SW6，SW7がオン状態とされると、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２と、カラム読出し回路部１３のカレントミラー回路５１は、読出画素１００Ｓを、第２画素１００−２とし、参照画素１００Ｒを、第２画素１００−２とする差動画素読出し回路（例えば、図８の差動画素読出し回路５０）と等価になる。
【０２０３】
これにより、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２の浮遊拡散領域１２１のFD電位差を入力電圧信号として増幅して、垂直信号線２２に出力するようになる。
【０２０４】
次に、時刻t10ないし時刻t11の期間において、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２で、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０２０５】
このリセット状態は、時刻t12まで続き、その間に、第２画素１００−２のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０２０６】
時刻t12ないし時刻t13の期間において、駆動信号TRG2として、Hレベルのパルスが印加されると、第２画素１００−２では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０２０７】
そして、第１画素１００−２では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０２０８】
この信号読み出し状態は、時刻t14において、スイッチSW1，SW4，SW6，SW7がオフ状態とされるまで続き、その間に、第２画素１００−２の信号レベルとしての電圧が読み出される。
【０２０９】
なお、カラム信号処理部１４（図６）では、第１画素１００−１及び第２画素１００−２のそれぞれについて、このようにして読み出されたリセットレベルと信号レベルとの差分をとることでノイズを除去する相関二重サンプリング処理が行われ、ノイズが除去された画素信号が読み出される。
【０２１０】
（Ｈ）SFモードと差動モードを切り替え可能な構成
【０２１１】
ところで、差動型の増幅読み出しは、高い変換効率が得られるために、例えば、明時には、ダイナミックレンジの大きいソースフォロア型の読み出しで、読み出しが行われることが望ましい。すなわち、ソースフォロア型の読み出し（以下、SFモードという）と、差動型の増幅読み出し（以下、差動モードという）とを適宜切り替えることで、より適切な読み出しを行うことができる場合がある。
【０２１２】
図１９ないし図２１は、SFモードと差動モードとを切り替え可能な構成を示す回路図である。
【０２１３】
図１９には、画素読出し回路５０Ｈ−１として、カラム読出し回路部１３のスイッチSWによりSFモードに切り替えられた、画素アレイ部１１に配置される画素の構成の例を示している。一方で、図２０及び図２１には、画素読出し回路５０Ｈ−２，５０Ｈ−３として、カラム読出し回路部１３のスイッチSWにより差動モードに切り替えられた、画素アレイ部１１に配置される画素の構成の例を示している。
【０２１４】
図１９の画素読出し回路５０Ｈ−１において、画素アレイ部１１には、２次元配置される画素のうち、同一行に隣接して配置される第１画素１００−１と第２画素１００−２が例示されている。
【０２１５】
図１９の画素読出し回路５０Ｈ−１において、カラム読出し回路部１３のスイッチSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27が、スイッチング動作を行い、SFモードに遷移することで、第１画素１００−１と第２画素１００−２を独立に、ソースフォロア型の読み出しが行われる。
【０２１６】
なお、図１９の画素読出し回路５０Ｈ−１において、回路の配線のうち、太線で強調した部分が、SFモードでの動作時に有効とされる部分である。
【０２１７】
一方で、図２０の画素読出し回路５０Ｈ−２において、カラム読出し回路部１３のスイッチSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27が、スイッチング動作を行い、差動モードに遷移することで、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が読出画素１００Ｓとされ、第２画素１００−２が参照画素１００Ｒとされて、第１画素１００−１の差動型の増幅読み出しが行われる。
【０２１８】
なお、図２０の画素読出し回路５０Ｈ−２において、回路の配線のうち、太線で強調した部分が、差動モードでの動作時に有効とされる部分である。
【０２１９】
また、図２１の画素読出し回路５０Ｈ−３において、カラム読出し回路部１３のスイッチSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27が、スイッチング動作を行い、差動モードに遷移することで、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が参照画素１００Ｒとされ、第２画素１００−２が読出画素１００Ｓとされて、第２画素１００−２の差動型の増幅読み出しが行われる。
【０２２０】
なお、図２１の画素読出し回路５０Ｈ−３において、回路の配線のうち、太線で強調した部分が、差動モードでの動作時に有効とされる部分である。
【０２２１】
このように、画素読出し回路５０Ｈにおいては、カラム読出し回路部１３のスイッチSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27が、スイッチング動作を行うことにより、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が、SFモードに対応した画素（図１９）のほか、差動モードに対応した読出画素１００Ｓ（図２０）又は参照画素１００Ｒ（図２１）に切り替えられ、第２画素１００−２が、SFモードに対応した画素（図１９）のほか、差動モードに対応した参照画素１００Ｒ（図２０）又は読出画素１００Ｓ（図２１）に切り替えられる。
【０２２２】
換言すれば、画素読出し回路５０Ｈにおいては、カラム読出し回路部１３に設けられたスイッチSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27を切り替えることで、ソースフォロア型の読み出しを行うだけでなく、差動型の増幅読み出しを行う際には、差動対をなす画素ペア（差動ペア）の構成を入れ替えることができる。
【０２２３】
（SFモードの駆動例）
ここで、図２２のタイミングチャートを参照して、図１９に示したSFモードに切り替えられた画素の駆動例について説明する。
【０２２４】
なお、図２２の上段には、第１画素１００−１と、第２画素１００−２において、選択トランジスタ１１５と、リセットトランジスタ１１３と、転送トランジスタ１１２のゲートにそれぞれ印加される駆動信号SEL1，RST1，TRG1と、駆動信号SEL2，RST2，TRG2のタイミングチャートが示されている。
【０２２５】
一方で、図２２の下段には、カラム読出し回路部１３において、スイッチSW0，スイッチSW11ないしSW17，及びスイッチSW21ないしSW27のオン／オフのタイミングを示すSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27のタイミングチャートが示されている。なお、図２２において、時間の方向は、図中の左側から右側に向かう方向とされる。
【０２２６】
ただし、説明の都合上、図２２のタイミングチャートは、上述した図１８に示したタイミングチャートと基本的に対応するように記述しているが、図２２の駆動例では、時刻t3ないし時刻t5の期間と、時刻t10ないし時刻t14の期間での駆動が、第１画素１００−１と第２画素１００−２の読み出しに寄与していない点が、特に、図１８の駆動例とは異なっている。
【０２２７】
まず、時刻t1ないし時刻t2の期間において、スイッチSW17，SW27がオン状態となって、さらに、駆動信号RST1，RST2と駆動信号TRG1，TRG2として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２の光電変換部１１１及び浮遊拡散領域１２１に蓄積されている電荷が排出される。
【０２２８】
これにより、第１画素１００−１及び第２画素１００−２では、これまで光電変換部１１１に蓄積されていた電荷が掃き出され、時刻t1ないし時刻t7の期間においては、新たに被写体からの光から得られた電荷が、光電変換部１１１に蓄積されることになる。
【０２２９】
次に、時刻t5ないし時刻t9の期間において、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２で、駆動信号SEL1，SEL2が、LレベルからHレベルに切り替えられると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２の増幅トランジスタ１１４のソースからドレインに向けて、負荷MOS回路５２から電流が供給される。
【０２３０】
さらに、時刻t5ないし時刻t9の期間において、スイッチSW12，SW14，SW17及びスイッチSW22，SW24，SW27がオン状態とされ、それ以外のスイッチSWがオフ状態とされると、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２の読出し回路は、ソースフォロア型の読出し回路と等価になる。
【０２３１】
これにより、選択された第１画素１００−１及び第２画素１００−２では、浮遊拡散領域１２１のFD電位を入力電圧信号として増幅して、垂直信号線２２に出力するようになる。
【０２３２】
次に、時刻t5ないし時刻t6の期間において、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２では、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０２３３】
このリセット状態は、時刻t7まで続き、その間に、第１画素１００−１及び第２画素１００−２のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０２３４】
時刻t7ないし時刻t8の期間において、駆動信号TRG1及び駆動信号TRG2として、Hレベルのパルスが印加されると、第１画素１００−１及び第２画素１００−２では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０２３５】
そして、第１画素１００−１及び第２画素１００−２では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０２３６】
この信号読み出し状態は、時刻t9において、スイッチSW12，SW14，SW17及びスイッチSW22，SW24，SW27がオフ状態とされるまで続き、その間に、第１画素１００−１及び第２画素１００−２の信号レベルとしての電圧が読み出される。
【０２３７】
なお、カラム信号処理部１４（図６）では、第１画素１００−１及び第２画素１００−２のそれぞれについて、このようにして読み出されたリセットレベルと信号レベルとの差分をとることでノイズを除去する相関二重サンプリング処理が行われ、ノイズが除去された画素信号が読み出される。
【０２３８】
（差動モードの駆動例）
次に、図２３のタイミングチャートを参照して、図２０及び図２１に示した差動モードに切り替えられた画素の駆動例について説明する。
【０２３９】
なお、図２３の上段には、第１画素１００−１と、第２画素１００−２において、選択トランジスタ１１５と、リセットトランジスタ１１３と、転送トランジスタ１１２のゲートにそれぞれ印加される駆動信号SEL1，RST1，TRG1と、駆動信号SEL2，RST2，TRG2のタイミングチャートが示されている。
【０２４０】
一方で、図２３の下段には、カラム読出し回路部１３において、スイッチSW0，スイッチSW11ないしSW17，及びスイッチSW21ないしSW27のオン／オフのタイミングを示すSW0，SW11ないしSW17，SW21ないしSW27のタイミングチャートが示されている。なお、図２３において、時間の方向は、図中の左側から右側に向かう方向とされる。
【０２４１】
ただし、説明の都合上、図２３のタイミングチャートは、上述した図１８に示したタイミングチャートと基本的に対応するように記述しているが、図２３の駆動例は、図１８の駆動例と比べて、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒを切り替えるだけでなく、SFモードと差動モードを切り替える必要があるため、スイッチSWの数が増加しており、そのスイッチング制御が異なっている。
【０２４２】
すなわち、図２３のタイミングチャートにおいて、駆動信号SEL1，RST1，TRG1と、駆動信号SEL2，RST2，TRG2として、Hレベルのパルスが印加されるタイミングは、図１８のタイミングチャートと同様である。
【０２４３】
一方で、図２３のタイミングチャートでは、時刻t5ないし時刻t9の期間において、スイッチSW0，スイッチSW11ないしSW17，及びスイッチSW21ないしSW27のうち、スイッチSW0，SW13，SW15，SW21，SW23，SW26がオン状態となり、それ以外のスイッチSWがオフ状態となる。これにより、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が読出画素１００Ｓとされ、第２画素１００−２が参照画素１００Ｒとされて、第１画素１００−１の差動型の増幅読み出しが行われる。
【０２４４】
また、図２３のタイミングチャートでは、時刻t10ないし時刻t14の期間において、スイッチSW0，スイッチSW11ないしSW17，及びスイッチSW21ないしSW27のうち、スイッチSW0，SW11，SW13，SW16，SW23，SW25がオン状態となり、それ以外のスイッチSWがオフ状態となる。これにより、画素アレイ部１１では、第１画素１００−１が参照画素１００Ｒとされ、第２画素１００−２が読出画素１００Ｓとされて、第２画素１００−２の差動型の増幅読み出しが行われる。
【０２４５】
以上のように、画素読出し回路５０Ｈでは、カラム読出し回路部１３において、スイッチSW0，スイッチSW11ないしSW17，及びスイッチSW21ないしSW27がスイッチング動作を行うことで、差動モードでの読み出しと、SFモードでの読み出しとを、容易に切り替えることができる。そのため、例えば、明時において、ダイナミックレンジの大きいソースフォロア型の読み出しに切り替えることができる。
【０２４６】
（第１の実施の形態の構成で得られる効果）
次に、図２４を参照しながら、第１の実施の形態として、リセット電圧を外部印加及び負帰還で設定する構成を採用することで得られる効果を説明する。
【０２４７】
なお、図２４の上段には、読出画素１００Ｓにおいて、選択トランジスタ１１５Ｓと、リセットトランジスタ１１３Ｓと、転送トランジスタ１１２Ｓのゲートにそれぞれ印加される駆動信号SEL1，RST1，TRG1のタイミングチャートが示されている。
【０２４８】
また、図２４の中段には、参照画素１００Ｒにおいて、選択トランジスタ１１５Ｒと、リセットトランジスタ１１３Ｒと、転送トランジスタ１１２Ｒのゲートにそれぞれ印加される駆動信号TRG2，RST2，SEL2のタイミングチャートが示されている。
【０２４９】
図２４の上段と中段のタイミングチャートは、上述した図９に示したタイミングチャートと同様であるため、その説明は適宜省略するが、図２４のタイミングチャートには、下段に、VVRD，VFD，VVSL，VCOMの電圧波形のタイミングチャートが示されている。
【０２５０】
ただし、VVRDは、垂直リセット入力線（VRD）６１に印加される電圧の波形を示し、VFDは、浮遊拡散領域（FD）１２１のFD電圧（FD電位）の波形を示し、VVSLは、出力端子５３に接続された垂直信号線（VSL）２２に印加される電圧（VSL電位）の波形を示し、VCOMは、負荷MOS回路５２に接続された垂直電流供給線６２に印加される電圧の波形を示している。
【０２５１】
ここで、時刻t3ないし時刻t4の期間に注目すれば、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Hレベルのパルスが印加されると、読出画素１００Ｓ及び参照画素１００Ｒで、浮遊拡散領域１２１Ｓ及び浮遊拡散領域１２１Ｒに蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０２５２】
このとき、差動画素読出し回路５０において、出力端子５３は、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓ及びリセットトランジスタ１１３Ｓを通じて、浮遊拡散領域１２１Ｓに電気的に接続される。その結果として、差動画素読出し回路５０では、出力端子５３が一方の入力側の浮遊拡散領域１２１Ｓに負帰還されて仮想接地状態となるため、電源Vrstに外部印加で固定されている他方の入力側の浮遊拡散領域１２１Ｒと、浮遊拡散領域１２１Ｓ及び出力端子５３とが同電位となる。
【０２５３】
その後、時刻t4ないし時刻t5の期間において、駆動信号RST1及び駆動信号RST2として、Lレベルのパルスが印加されると、読出画素１００Ｓ及び参照画素１００Ｒでは、浮遊拡散領域１２１Ｓは、読出し側垂直リセット入力線６１Ｓと電気的に切断され、浮遊拡散領域１２１Ｒは、参照側垂直リセット入力線６１Ｒと電気的に切断され、それぞれ浮遊状態となる。
【０２５４】
このとき、読出画素１００Ｓの浮遊拡散領域１２１Ｓと、参照画素１００Ｒの浮遊拡散領域１２１Ｒは、ほぼ等価な構造であるから、リセットオフ時の電位変動（リセットフィードスルー）もほぼ同じで、浮遊拡散領域１２１ＳのFD電位と、浮遊拡散領域１２１ＲのFD電位は、ほぼ同じ動きをする。
【０２５５】
そのため、差動画素読出し回路５０の出力端子５３からの出力は、リセットオン時の電圧Vrstから、ほとんど変化せず、この状態が差動増幅読出しにおけるリセット状態（初期状態）となり、この出力レベルが、リセットレベル（初期レベル）とされる。このリセット状態は、時刻t5で、信号電荷の転送が行われるまで続き、リセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０２５６】
このように、差動増幅読出し行うことで、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制することが可能になるが、第１の実施の形態では、さらに、リセット電圧を外部印加及び負帰還で設定する構成を採用することで、リセット時の読出画素１００ＳのFD電位（FD電圧）を所望の値に制御することができるようにしている。
【０２５７】
例えば、高い変換効率（増幅率）の増幅回路では、動作点が転送に不利になることが知られているが、読出画素１００ＳのFD電位を所望の値に制御することで、光電変換部１１１Ｓからの電荷転送が可能で、かつ、画素の出力電圧の振幅が大きく取れる初期FD電圧を設定するといったことが可能となる。
【０２５８】
以上、第１の実施の形態について説明した。
【０２５９】
＜４．第２の実施の形態＞
【０２６０】
次に、図２５ないし図３２を参照しながら、第２の実施の形態として、差動型の増幅読み出しによって、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、ノイズ増加を抑圧するための構成について説明する。
【０２６１】
（画素読出し回路の構成例）
図２５は、第２の実施の形態の画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【０２６２】
図２５において、画素読出し回路は、画素アレイ部１１に配置される画素１００と、PMOSトランジスタ５１１からなるカレントミラー回路５１と、画素に定電流を供給する負荷MOS回路５２とで構成される。
【０２６３】
画素アレイ部１１において、画素１００のｉ行ｊ列を、画素１００−ｉｊで表せば、画素１００−１１は、フォトダイオード（PD）等の光電変換部１１１に加えて、例えば、転送トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３、増幅トランジスタ１１４、及び選択トランジスタ１１５の４つの画素トランジスタを有している。
【０２６４】
画素１００−１１において、リセットトランジスタ１１３のドレインは、リセット入力線６１−１に接続されている。増幅トランジスタ１１４のソースは、垂直電流供給線６２−１に接続されている。増幅トランジスタ１１４のドレインは、選択トランジスタ１１５Ｓのソースと接続され、選択トランジスタ１１５のドレインは、垂直信号線２２−１と接続されている。
【０２６５】
転送トランジスタ１１２のゲート、リセットトランジスタ１１３のゲート、及び選択トランジスタ１１５のゲートには、画素駆動線３１（図６）を介して、垂直駆動部１２と接続され、駆動信号（TRGi，RSTi，SELi）としてのパルスがそれぞれ供給される。
【０２６６】
また、画素１００−１２は、画素１００−１１と同様に、光電変換部１１１に加えて、４つの画素トランジスタを有しているが、転送トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３、及び選択トランジスタ１１５のゲートに、駆動信号（TRGj，RSTj，SELj）が供給される点で異なっている。
【０２６７】
すなわち、画素アレイ部１１において、各画素１００は、同様の構成からなるが、転送トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３、及び選択トランジスタ１１５のゲートに供給される駆動信号が、例えば、奇数列の画素と偶数列の画素とで異なる。
【０２６８】
より具体的には、奇数列の画素１００−１１や画素１００−１３に対しては、駆動信号（TRGi，RSTi，SELi）が供給され、偶数列の画素１００−１２や画素１００−１４に対しては、駆動信号（TRGj，RSTj，SELj）が供給される。
【０２６９】
ここで、図２５の画素読出し回路には、スイッチSFEN、スイッチDAEN、スイッチDAS1、及びスイッチDAS2が設けられ、これらのスイッチがオン／オフのスイッチング動作を行うことで、SFモードと差動モードとが切り替えられる。
【０２７０】
また、図２５の画素読出し回路には、上段と下段にスイッチDAHZが設けられ、上段のスイッチDAHZがオン状態になることで、PMOSトランジスタ５１１の対からなるカレントミラー回路５１のバイアス電圧が横繋ぎで接続される。一方で、下段のスイッチDAHZがオン状態になることで、NMOSトランジスタ等から構成される負荷MOS回路５２による定電流源ノードが横繋ぎで接続される。
【０２７１】
なお、差動モードに切り替えられた場合の画素読出し回路の構成については、後述する図２６及び図２７の回路図を参照して説明し、その駆動例は、後述する図２９のタイミングチャートを参照して説明する。また、SFモードに切り替えられた場合の画素読出し回路の構成については、図２８の回路図を参照して説明し、その駆動例は、後述する図３０のタイミングチャートを参照して説明する。
【０２７２】
（差動モードの構成）
図２６及び図２７は、差動モード時に、読出画素と参照画素を切り替え可能な構成を示す回路図である。
【０２７３】
図２６及び図２７には、画素読出し回路として、スイッチSFENをオフ状態とし、かつ、スイッチDAENをオン状態とすることで、差動モードに切り替えられた、画素アレイ部１１に配置される画素の構成の例を示している。
【０２７４】
また、図２６の画素読出し回路では、スイッチDAS1をオン状態とし、かつ、スイッチDAS2をオフ状態とすることで、画素アレイ部１１に配置される画素のうち、例えば、奇数列の画素１００−１１及び画素１００−１３が参照画素１００Ｒとされ、偶数列の画素１００−１２及び画素１００−１４が読出画素１００Ｓとされる。これにより、差動型の増幅読み出しが行われる。
【０２７５】
一方で、図２７の画素読出し回路では、スイッチDAS1をオフ状態とし、かつ、スイッチDAS2をオン状態とすることで、画素アレイ部１１に配置される画素のうち、例えば、奇数列の画素１００−１１及び画素１００−１３が読出画素１００Ｓとされ、偶数列の画素１００−１２及び画素１００−１４が参照画素１００Ｒとされる。これにより、差動型の増幅読み出しが行われる。
【０２７６】
ここで、図２６及び図２７の画素読出し回路では、上段のスイッチDAHZがオン状態となって、PMOSトランジスタ５１１の対からなるカレントミラー回路５１のバイアス電圧が横繋ぎで接続されている（図中のHC1）。また、下段のスイッチDAHZがオン状態となって、NMOSトランジスタ等から構成される負荷MOS回路５２による定電流源ノードが横繋ぎで接続されている（図中のHC2）。
【０２７７】
このような横繋ぎを行うことで、各参照画素１００Ｒの増幅トランジスタ１１４Ｒでは、そのソース側とドレイン側の両方が結線され、各々の横繋ぎノードで発生するノイズが、横繋ぎ数に応じて抑圧されることになる。
【０２７８】
ここでは、横繋ぎHC1及び横繋ぎHC2のうち、少なくとも一方の横繋ぎを行うことで、横繋ぎノードで発生するノイズを抑圧することができるが、横繋ぎHC1及び横繋ぎHC2の両方の横繋ぎを行うことで、ノイズ抑圧の効果をより高めることができる。
【０２７９】
また、横繋ぎHC1を実現するための上段のスイッチDAHZの全てがオン状態になる場合に限らず、スイッチDAHZの一部がオン状態になることでも、横繋ぎノードで発生するノイズを抑圧することは可能であるが、横繋ぎHC1の横繋ぎ数が多いほうがノイズ抑圧の効果をより高めることができる。同様に、横繋ぎHC2を実現するための上段のスイッチDAHZの全部又は一部がオン状態になることで、横繋ぎノードで発生するノイズを抑圧することができる。
【０２８０】
すなわち、横繋ぎの単位は、カラム数が多ければ多いほど、ノイズ抑圧効果は大きくなるが、画素アレイ部１１に配置された画素配列の全ての画素ペア（差動対）を接続する場合に限らず、２カラム以上の単位で横繋ぎをすれば、ノイズ低減の効果を得ることができる。
【０２８１】
例えば、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の色別に分離して横繋ぎをしたり、あるいは、画角に応じて複数の領域で横繋ぎをしたり、それらの領域をモードに応じて切り替えられるようにしてもよい。上段又は下段のスイッチDAHZにおいては、各スイッチに供給されるDAHZ信号に応じて、スイッチング動作がなされ、横繋ぎを任意に切り離すことができる。
【０２８２】
このように、画素読出し回路において、参照画素１００Ｒの増幅トランジスタ１１４Ｒでは、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方を結線することができる。
【０２８３】
なお、図２６の画素読出し回路において、画素１００−１１や画素１００−１３等の参照画素１００Ｒでは、垂直信号線２２は、カレントミラー回路５１のPMOSトランジスタ５１１−１のドレイン及びゲート、並びにPMOSトランジスタ５１１−２のゲートに接続される。
【０２８４】
図２６の参照画素１００Ｒにおいて、垂直リセット入力線６１は、電源Vrstに接続されており、リセット時には、この配線を通じて選択された浮遊拡散領域１２１、すなわち、増幅トランジスタ１１４の入力端子に、任意の入力電圧信号が印加される。
【０２８５】
また、図２６の画素読出し回路において、画素１００−１２や画素１００−１４等の読出画素１００Ｓでは、垂直信号線２２は、垂直リセット入力線６１、カレントミラー回路５１のPMOSトランジスタ５１１−２のドレイン、及び出力端子Voutに接続される。
【０２８６】
図２６の読出画素１００Ｓにおいて、垂直リセット入力線６１は、垂直信号線２２に接続され、選択された読出画素１００の浮遊拡散領域１２１、すなわち、増幅トランジスタ１１４の入力端子に接続され、リセットトランジスタ１１３がオンしているとき、画素読出し回路の出力信号が、負帰還される。
【０２８７】
一方で、図２７の画素読出し回路において、画素１００−１１や画素１００−１３等の読出画素１００Ｓでは、垂直信号線２２は、垂直リセット入力線６１、カレントミラー回路５１のPMOSトランジスタ５１１−２のドレイン、及び出力端子Voutに接続される。
【０２８８】
図２７の読出画素１００Ｓでは、垂直リセット入力線６１は、垂直信号線２２に接続され、選択された読出画素１００の浮遊拡散領域１２１、すなわち、増幅トランジスタ１１４の入力端子に接続され、リセットトランジスタ１１３がオンしているとき、画素読出し回路の出力信号が、負帰還される。
【０２８９】
また、図２７の画素読出し回路において、画素１００−１２や画素１００−１４等の参照画素１００Ｒでは、垂直信号線２２は、カレントミラー回路５１のPMOSトランジスタ５１１−２のドレイン及びゲート、並びにPMOSトランジスタ５１１−１のゲートに接続される。
【０２９０】
図２７の参照画素１００Ｒでは、垂直リセット入力線６１は、電源Vrstに接続されており、リセット時には、この配線を通じて選択された参照画素１００Ｒの浮遊拡散領域１２１、すなわち、増幅トランジスタ１１４の入力端子に、任意の入力電圧信号が印加される。
【０２９１】
すなわち、図２６及び図２７の画素読出回路においては、上述した第１の実施の形態の差動画素読出し回路（例えば、図８の差動画素読出し回路５０）と同様の構成を有し、この差動型の増幅読み出しによって、高い変換効率を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制するだけでなく、リセット時の読出画素１００ＳのFD電位を所望の値に制御することができる。
【０２９２】
（SFモードの構成）
図２８は、SFモード時の画素読出し回路の構成例を示す回路図である。
【０２９３】
図２８には、画素読出し回路として、スイッチSFENをオン状態とし、かつ、スイッチDAEN，DAS1，DAS2をオフ状態とすることで、SFモードに切り替えられた、画素アレイ部１１に配置される画素の構成の例を示している。
【０２９４】
図２８の画素読出し回路では、スイッチSFENをオン状態とし、かつ、スイッチDAEN，DAS1，DAS2をオフ状態とすることで、画素アレイ部１１に配置される全ての画素、すなわち、例えば、画素１００−１１ないし画素１００−１４のそれぞれを独立に、ソースフォロア型の読み出しが行われる。
【０２９５】
なお、図２８の画素読出し回路においては、上段及び下段のスイッチDAHZがオフ状態となって、差動モードの場合のような横繋ぎの接続は行われていない。
【０２９６】
（差動モードの駆動例）
ここで、図２９のタイミングチャートを参照して、図２６及び図２７に示した差動モードに切り替えられた画素の駆動例について説明する。
【０２９７】
なお、図２９の上段には、画素１００−１１と、画素１００−１２において、選択トランジスタ１１５と、リセットトランジスタ１１３と、転送トランジスタ１１２のゲートにそれぞれ印加される駆動信号SELi，RSTi，TRGiと、駆動信号SELj，RSTj，TRGjのタイミングチャートが示されている。
【０２９８】
また、図２９の中段には、スイッチSFEN，DAEN，DAS1，DAS2，DAHZのオン／オフのタイミングを示すSFEN，DAEN，DAS1，DAS2，DAENのタイミングチャートが示されている。さらに、図２９の下段には、出力端子Voutk，Voutk+1の電圧波形のタイミングチャートが示されている。なお、図２９において、時間の方向は、図中の左側から右側に向かう方向とされる。
【０２９９】
なお、図２９のタイミングチャートにおいては、図１８や図２３のタイミングチャートの時刻t1ないし時刻t5の期間に示した動作を省略しているが、実際には、この時刻t1ないし時刻t5の期間に示した動作と同様の動作が行われる。
【０３００】
時刻t1ないし時刻t11の期間において、画素１００−１１及び画素１００−１２で、駆動信号SELi，SELjがHレベルに切り替えられると、画素１００−１１及び画素１００−１２の増幅トランジスタ１１４のソースからドレインに向けて、負荷MOS回路５２から電流が供給される。
【０３０１】
さらに、時刻t1ないし時刻t6の期間において、スイッチDAEN，DAS1がオン状態とされると、選択された画素１００−１１及び画素１００−１２と、カレントミラー回路５１は、読出画素１００Ｓを、画素１００−１２とし、参照画素１００Ｒを、画素１００−１１とする差動画素読出し回路と等価になる。
【０３０２】
これにより、選択された画素１００−１１及び画素１００−１２の浮遊拡散領域１２１のFD電位差を入力電圧信号として増幅して、垂直信号線２２に出力するようになる。
【０３０３】
次に、時刻t2ないし時刻t3の期間において、駆動信号RSTi及び駆動信号RSTjとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１１及び画素１００−１２で、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０３０４】
このリセット状態は、時刻t4まで続き、その間に、画素１００−１２のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０３０５】
時刻t4ないし時刻t5の期間において、駆動信号TRGjとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１２では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０３０６】
そして、画素１００−１２では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０３０７】
この信号読み出し状態は、時刻t6において、スイッチDAS1がオフ状態とされるまで続き、その間に、画素１００−１２の信号レベルとしての電圧が読み出される（図中のVoutk+1の電圧波形）。
【０３０８】
次に、時刻t6ないし時刻t11の期間において、スイッチDAS1がオフ状態となる代わりに、スイッチDAS2がオン状態となって、スイッチDAEN，DAS2がオン状態とされると、選択された画素１００−１１及び画素１００−１２と、カレントミラー回路５１は、参照画素１００Ｒを、画素１００−１２とし、読出画素１００Ｓを、画素１００−１１とする差動画素読出し回路と等価になる。
【０３０９】
これにより、選択された画素１００−１１及び画素１００−１２の浮遊拡散領域１２１のFD電位差を入力電圧信号として増幅して、垂直信号線２２に出力するようになる。
【０３１０】
次に、時刻t7ないし時刻t8の期間において、駆動信号RSTi及び駆動信号RSTjとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１１及び画素１００−１２で、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０３１１】
このリセット状態は、時刻t9まで続き、その間に、画素１００−１１のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０３１２】
時刻t9ないし時刻t10の期間において、駆動信号TRGiとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１１では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０３１３】
そして、画素１００−１２では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０３１４】
この信号読み出し状態は、時刻t11において、スイッチDAS2がオフ状態とされるまで続き、その間に、画素１００−１２の信号レベルとしての電圧が読み出される（図中のVoutkの電圧波形）。
【０３１５】
ここで、時刻t1ないし時刻t11の期間においては、常に、スイッチDAHZがオン状態となって、PMOSトランジスタ５１１の対からなるカレントミラー回路５１のバイアス電圧が横繋ぎで接続され、さらに、NMOSトランジスタ等から構成される負荷MOS回路５２による定電流源ノードが横繋ぎで接続されている。そのため、各々の横繋ぎノードで発生するノイズが、横繋ぎ数に応じて抑圧されている。
【０３１６】
なお、カラム信号処理部１４（図６）では、画素１００−１１及び画素１００−１２のそれぞれについて、このようにして読み出されたリセットレベルと信号レベルとの差分をとることでノイズを除去する相関二重サンプリング処理が行われ、ノイズが除去された画素信号が読み出される。
【０３１７】
このように、スイッチSFENをオフ状態とし、かつ、スイッチDAENをオン状態とすることで、差動モードに切り替えられ、差動型の増幅読み出しが行われる。また、スイッチDAS1とスイッチDAS2とを排他的にオン／オフを切り替えることで、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒを交互に切り替えての読み出しが可能となる。
【０３１８】
また、スイッチDAHZがオン状態となることで、PMOSトランジスタ５１１の対からなるカレントミラー回路５１のバイアス電圧が横繋ぎで接続されるとともに、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒの画素ペア（差動対）のコモン電圧となる定電流源ノードを横繋ぎで接続することで、各々の横繋ぎノードで発生するノイズを、横繋ぎ数に応じて抑圧することができる。
【０３１９】
（SFモードの駆動例）
次に、図３０のタイミングチャートを参照して、図２８に示したSFモードに切り替えられた画素の駆動例について説明する。
【０３２０】
なお、図３０において、駆動信号SELi，RSTi，TRGiと、駆動信号SELj，RSTj，TRGjと、スイッチSFEN，DAEN，DAS1，DAS2，DAHZと、出力端子Voutk，Voutk+1の出力波形のタイミングチャートは、図２９に示したタイミングチャートと対応している。
【０３２１】
時刻t1ないし時刻t6の期間において、駆動信号SELiがHレベルに切り替えられると、画素１００−１１の増幅トランジスタ１１４のソースからドレインに向けて、負荷MOS回路５２から電流が供給される。
【０３２２】
なお、時刻t1ないし時刻t6の期間において、スイッチSFFNがオン状態とされる一方で、スイッチDAEN，DAS1，DAS2がオフ状態とされることで、選択された画素１００−１１の読出し回路は、ソースフォロア型の読出し回路と等価になる。これにより、選択された画素１００−１１で、浮遊拡散領域１２１のFD電位を入力電圧信号として増幅して、垂直信号線２２に出力するようになる。
【０３２３】
時刻t2ないし時刻t3の期間において、駆動信号RSTiとして、HレベルのHレベルのパルスが印加されると、画素１００−１１で、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０３２４】
このリセット状態は、時刻t4まで続き、その間に、画素１００−１１のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０３２５】
時刻t4ないし時刻t5の期間において、駆動信号TRGiとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１１では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０３２６】
そして、画素１００−１１では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０３２７】
この信号読み出し状態は、時刻t6まで続き、その間に、画素１００−１１の信号レベルとしての電圧が読み出される（図中のVoutkの電圧波形）。
【０３２８】
次に、時刻t6ないし時刻t11の期間において、駆動信号SELiがLレベルに切り替えられ、さらに、駆動信号SELjがHレベルに切り替えられると、画素１００−１２の増幅トランジスタ１１４のソースからドレインに向けて、負荷MOS回路５２から電流が供給される。
【０３２９】
なお、時刻t6ないし時刻t11の期間においては、時刻t1ないし時刻t6の期間と同様に、スイッチSFFNがオン状態とされ、かつ、スイッチDAEN，DAS1，DAS2がオフ状態とされる状態が継続しているため、選択された画素１００−１２の読出し回路は、ソースフォロア型の読出し回路と等価になる。
【０３３０】
次に、時刻t7ないし時刻t8の期間において、駆動信号RSTjとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１２で、浮遊拡散領域１２１に蓄積されていた電荷が排出され、信号レベルが初期化（リセット）される。
【０３３１】
このリセット状態は、時刻t9まで続き、その間に、画素１００−１２のリセットレベルとしての電圧が読み出される。
【０３３２】
時刻t9ないし時刻t10の期間において、駆動信号TRGjとして、Hレベルのパルスが印加されると、画素１００−１２では、光電変換部１１１に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１１２によって、浮遊拡散領域１２１に転送される。
【０３３３】
そして、画素１００−１２では、この転送された電荷によって、浮遊拡散領域１２１が変調され、これが、増幅トランジスタ１１４のゲートに電圧信号として入力されると、垂直信号線２２に、蓄積電荷量に応じた電圧信号が出力される。
【０３３４】
この信号読み出し状態は、時刻t11まで続き、その間に、画素１００−１２の信号レベルとしての電圧が読み出される（図中のVoutk+1の電圧波形）。
【０３３５】
なお、SFモードでの駆動の場合、図３０の時刻t1ないし時刻t11の期間において、スイッチDAHZがオフ状態となるため、カレントミラー回路５１のバイアス電圧や、負荷MOS回路５２による定電流源ノードについて、横繋ぎの接続はなされていない。
【０３３６】
また、カラム信号処理部１４（図６）では、画素１００−１１及び画素１００−１２のそれぞれについて、このようにして読み出されたリセットレベルと信号レベルとの差分をとることでノイズを除去する相関二重サンプリング処理が行われ、ノイズが除去された画素信号が読み出される。
【０３３７】
（差動モードの他の構成）
図３１は、差動モード時に、読出画素と参照画素の個数が異なる場合の構成を示す回路図である。
【０３３８】
上述した図２６及び図２７に示した差動モードの構成においては、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒの数が、１：１の関係となっている。ここで、参照画素１００Ｒについて、横繋ぎを行う場合には、参照画素１００Ｒの個数は、読出画素１００Ｓの個数と必ずしも同一の個数である必要はない。
【０３３９】
例えば、図３１においては、画素１００−１１や画素１００−１３等の奇数列の画素が参照画素１００Ｒとなっているが、参照画素１００−１３を不使用とすることで、参照画素１００Ｒの個数が、読出画素１００Ｓの個数と異なっている。
【０３４０】
このような構成にするには、例えば、次のような制御が行われる。すなわち、図３１の構成において、スイッチDAEN，DAS1のうち、参照画素１００−１３に対するスイッチDAEN，DAS1を、スイッチDAEN'，DAS1'で表せば、参照画素１００−１３以外の他の画素１００に対するスイッチDAEN，DAS1がオン状態のときに、参照画素１００−１３に対するスイッチDAEN'，DAS1'をオフ状態とすれば、参照画素１００−１３が不使用とされ、横繋ぎから切断することができる。
【０３４１】
なお、図３１において、参照画素１００−１３に対するスイッチDAEN'，DAS1'は、スイッチDAEN'が２カ所とされ、スイッチDAS1'が１カ所とされる。また、参照画素１００−１３に対する負荷MOS回路５２（図中の点線の枠Ａ内の負荷MOS回路５２）は、参照画素１００−１３が不使用とされると、オフ状態となる。
【０３４２】
このように、参照画素１００Ｒの一部を不使用とすることで、横繋ぎに繋がる参照画素１００Ｒの一部を接続せずに、その個数を減らすことができる。このとき、不使用とした参照画素１００Ｒの数だけ、負荷MOS回路５２をオフ状態とすることが可能となって、消費電力を削減することができる。
【０３４３】
また、このとき、参照画素１００Ｒのノイズ削減効果は、参照画素１００Ｒの個数Nに対して、1/√N倍であるため、ノイズ低減効果は下がるが、十分な個数が接続されていれば、参照画素１００Ｒのノイズが支配的にならず、電力削減効果が得られる。
【０３４４】
（第２の実施の形態の構成で得られる効果）
次に、図３２を参照しながら、第２の実施の形態として、横繋ぎの構成を採用することで得られる効果を説明する。
【０３４５】
第２の実施の形態では、スイッチDAHZがオン状態となって、カレントミラー回路５１のバイアス電圧や、負荷MOS回路５２による定電流源ノードが横繋ぎされることで、各々の横繋ぎノードで発生するノイズを、横繋ぎ数に応じて抑圧することができるが、その理由は次の通りである。
【０３４６】
差動型の増幅読み出しによって、１電子当たりの垂直信号線（VSL）２２の電圧振幅を増幅し、垂直信号線２２以降で発生するノイズ成分を、入力換算（信号１電子当たりで入力換算）で、低減することができる構造でありながら、差動対の増幅トランジスタ１１４によるノイズ増加を抑制する効果が得られる。
【０３４７】
参照画素１００Ｒの増幅トランジスタ１１４で発生するランダムノイズは、それぞれの参照画素１００Ｒで無相関であるため、横繋ぎのノードを結線することで、ノイズが打ち消し合って抑圧することが可能となる。
【０３４８】
これは、参照画素１００Ｒ側の増幅トランジスタ１１４を共通化して結線した数だけ大きなトランジスタを用いているのと等価であって、それによって、参照画素１００Ｒに起因するノイズが抑えられているとも言い換えられる。
【０３４９】
ここで、接続した参照画素１００Ｒの数を、Npix_refとすると、参照画素１００Ｒに起因するノイズは、1/√Npix_ref倍に抑圧される。
【０３５０】
例えば、画素アレイ部１１に、1920×1080画素が配列される場合において、カラム並列で信号画素を読み出し、各カラムに対となる参照画素１００Ｒがある場合、1/√1920 ≒ 0.02 となり、上述した式（７）のVn_pix2にかかる2倍の係数は、1.02とされる。
【０３５１】
このとき、ノイズとしては、1/√(1.02×Vn_pix2) ≒ 1.01 × Vn_pix の関係を満たすことから、その影響は、1％以下まで抑圧することができ、さらに、Vn_adcとVn_afeとの二乗平均であることから、参照画素１００Ｒの影響はさらに無視できるレベルとなる。
【０３５２】
図３２には、縦軸を、トータルノイズ（e-rms）とし、横軸を、横繋ぎしたカラム数（列）とした場合に、Vn_adcとVn_afeとの和が100(μVrms)，Vn_pixが100(μVrms)であって、ηfdが100(μV/e-)，ηvslが400(μV/e-)である場合ときの参照画素１００Ｒの接続数と、トータルノイズVn_totalとの関係を表している。図３２に示した関係から、参照画素１００Ｒの接続数が多ければ多いほど、ノイズ抑圧効果が大きくなることは明らかである。
【０３５３】
以上、第２の実施の形態について説明した。
【０３５４】
＜５．変形例＞
【０３５５】
（積層型の構成）
図３３は、本技術を適用し得る積層型の固体撮像装置の構成例を示す図である。
【０３５６】
図３３Ａは、非積層型の固体撮像装置の概略構成例を示している。CMOSイメージセンサ１０（図６）は、図３３Ａに示すように、１枚のダイ（半導体基板）８１１を有する。このダイ８１１には、画素が２次元配置された画素領域８１２と、画素の駆動その他の各種の制御を行う制御回路８１３と、信号処理するためのロジック回路８１４とが搭載されている。
【０３５７】
図３３Ｂ及び図３３Ｃは、積層型の固体撮像装置の概略構成例を示している。CMOSイメージセンサ１０（図６）は、図３３Ｂ及び図３３Ｃに示すように、センサダイ８２１とロジックダイ８２４との２枚のダイが積層され、電気的に接続されて、１つの半導体チップとして構成されている。
【０３５８】
図３３Ｂでは、センサダイ８２１には、画素領域８１２と制御回路８１３が搭載され、ロジックダイ８２４には、信号処理を行う信号処理回路を含むロジック回路８１４が搭載されている。
【０３５９】
図３３Ｃでは、センサダイ８２１には、画素領域８１２が搭載され、ロジックダイ８２４には、制御回路８１３及びロジック回路８１４が搭載されている。
【０３６０】
（信号処理装置の構成）
上述した説明では、CMOSイメージセンサ１０等の固体撮像装置を一例に説明したが、本技術は、固体撮像装置に限らず、各種の信号処理を行う信号処理装置に適用することができる。なお、読出画素１００Ｓと参照画素１００Ｒにおいて、フローティングディフュージョン（FD）としての浮遊拡散領域１２１Ｓと浮遊拡散領域１２１Ｒは、サンプルホールド回路であるとも言える。すなわち、読出し側の増幅トランジスタ１１４Ｓは、複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、サンプルホールド回路を介して入力される入力信号を増幅するものであり、参照側の増幅トランジスタ１１４Ｒは、読出し側の増幅トランジスタ１１４Ｓの各々と対になるものである。
【０３６１】
＜６．電子機器の構成＞
【０３６２】
図３４は、本技術を適用した固体撮像装置を有する電子機器の構成例を示すブロック図である。
【０３６３】
電子機器１０００は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、スマートフォンやタブレット型端末等の携帯端末装置などの電子機器である。
【０３６４】
電子機器１０００は、固体撮像装置１００１、DSP回路１００２、フレームメモリ１００３、表示部１００４、記録部１００５、操作部１００６、及び、電源部１００７から構成される。また、電子機器１０００において、DSP回路１００２、フレームメモリ１００３、表示部１００４、記録部１００５、操作部１００６、及び電源部１００７は、バスライン１００８を介して相互に接続されている。
【０３６５】
固体撮像装置１００１は、上述したCMOSイメージセンサ１０（図６）に対応しており、画素アレイ部１１（図６）に２次元状に配置される複数の画素１００に対して、差動型の増幅読み出しやソースフォロア型の読み出しが行われる。
【０３６６】
ここで、差動型の増幅読み出しの際には、参照画素１００Ｒのリセット電圧を外部印加とし、読出画素１００Ｓのリセット電圧は、垂直信号線２２Ｓから負帰還をかける構成とすることができる。また、差動型の増幅読み出しの際に参照画素の増幅トランジスタのソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方のノードを、画素アレイ部の各列間で接続（結線）することができる。
【０３６７】
DSP回路１００２は、固体撮像装置１００１から供給される信号を処理するカメラ信号処理回路である。DSP回路１００２は、固体撮像装置１００１からの信号を処理して得られる画像データを出力する。フレームメモリ１００３は、DSP回路１００２により処理された画像データを、フレーム単位で一時的に保持する。
【０３６８】
表示部１００４は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置１００１で撮像された動画又は静止画を表示する。記録部１００５は、固体撮像装置１００１で撮像された動画又は静止画の画像データを、半導体メモリやハードディスク等の記録媒体に記録する。
【０３６９】
操作部１００６は、ユーザによる操作に従い、電子機器１０００が有する各種の機能についての操作指令を出力する。電源部１００７は、DSP回路１００２、フレームメモリ１００３、表示部１００４、記録部１００５、及び、操作部１００６の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０３７０】
電子機器１０００は、以上のように構成される。本技術は、以上説明したように、固体撮像装置１００１に適用される。具体的には、CMOSイメージセンサ１０（図６）は、固体撮像装置１００１に適用することができる。
【０３７１】
固体撮像装置１００１に本技術を適用することで、差動型の増幅読み出しの際には、参照画素１００Ｒのリセット電圧を外部印加とし、読出画素１００Ｓのリセット電圧は、垂直信号線２２Ｓから負帰還をかける構成とすることができる。そのため、差動型の増幅読み出しによって、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制するだけでなく、リセット時の読出画素１００ＳのFD電位を所望の値に制御することができる。
【０３７２】
また、固体撮像装置１００１に本技術を適用することで、差動型の増幅読み出しの際には、参照画素の増幅トランジスタのソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方のノードを、画素アレイ部の各列間で接続（結線）することができる。そのため、差動型の増幅読み出しによって、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、ノイズ増加を抑圧することができる。
【０３７３】
＜７．固体撮像装置の使用例＞
【０３７４】
図３５は、本技術を適用した固体撮像装置の使用例を示す図である。
【０３７５】
CMOSイメージセンサ１０（図６）は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、Ｘ線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。すなわち、図３５に示すように、鑑賞の用に供される画像を撮影する鑑賞の分野だけでなく、例えば、交通の分野、家電の分野、医療・ヘルスケアの分野、セキュリティの分野、美容の分野、スポーツの分野、又は、農業の分野などにおいて用いられる装置でも、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。
【０３７６】
具体的には、鑑賞の分野において、例えば、デジタルカメラやスマートフォン、カメラ機能付きの携帯電話機等の、鑑賞の用に供される画像を撮影するための装置（例えば、図３４の電子機器１０００）で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。
【０３７７】
交通の分野において、例えば、自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。
【０３７８】
家電の分野において、例えば、ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、テレビ受像機や冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。また、医療・ヘルスケアの分野において、例えば、内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。
【０３７９】
セキュリティの分野において、例えば、防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。また、美容の分野において、例えば、肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。
【０３８０】
スポーツの分野において、例えば、スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。また、農業の分野において、例えば、畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置で、CMOSイメージセンサ１０を使用することができる。
【０３８１】
＜８．移動体への応用例＞
【０３８２】
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０３８３】
図３６は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０３８４】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図３６に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（Interface）１２０５３が図示されている。
【０３８５】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０３８６】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０３８７】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０３８８】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０３８９】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０３９０】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０３９１】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０３９２】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０３９３】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図３６の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０３９４】
図３７は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０３９５】
図３７では、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５を有する。
【０３９６】
撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２、１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０３９７】
なお、図３７には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０３９８】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０３９９】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０km/h以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０４００】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０４０１】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０４０２】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２１０１に適用され得る。具体的には、図１のCMOSイメージセンサ１０は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、差動型の増幅読み出しによって、高い変換効率（増幅率）を実現しつつ、リセットフィードスルーによるリセットレベルの読み出し可能レンジ外れを抑制するだけでなく、リセット時の読出画素のFD電位を所望の値に制御したり、あるいは、ノイズ増加を抑圧したりすることができるため、例えば、より高品質な撮像画像を取得して、より正確に歩行者等の障害物を認識することが可能になる。
【０４０３】
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０４０４】
また、本技術は、以下のような構成をとることができる。
【０４０５】
（１）
複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、サンプルホールド回路を介して入力される前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、
前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタと
で構成される差動増幅回路を有し、
前記読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、前記差動増幅回路の出力を負帰還として設定し、
前記参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧を設定する
信号処理装置。
（２）
前記（１）に記載の信号処理装置において、
前記入力チャネルと前記サンプルホールド回路は、画素アレイ部に行列状に２次元配置される画素に含まれ、
前記画素は、
光電変換部と、
前記光電変換部で光電変換された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタにより転送された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタと
を含んで構成される
ようにした固体撮像装置。
（３）
前記画素は、前記画素を選択する選択トランジスタをさらに有し、
前記選択トランジスタは、前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素との任意の対を選択する
前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素は、列単位で読み出される
前記（２）又は（３）に記載の固体撮像装置。
（５）
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素において、前記転送トランジスタ及び前記電荷電圧変換部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素と同一に構成される
前記（２）ないし（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（６）
前記画素は、ソースフォロア型の読み出しが可能であり、
ソースフォロア型の読み出しと、差動型の増幅読み出しとを切り替える切り替え部をさらに有する
前記（２）ないし（５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（７）
前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とを切り替える切り替え部をさらに有する
前記（２）ないし（５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（８）
前記読出し側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、前記参照側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出した後に、前記読出し側の増幅トランジスタと前記参照側の増幅トランジスタとの結線を相補に切り替えて、切り替え前の前記参照側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、切り替え前の前記読出し側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出す
前記（７）に記載の固体撮像装置。
（９）
前記切り替え部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素の近傍となる有効画素を、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とする
前記（７）又は（８）に記載の固体撮像装置。
（１０）
複数の参照側の増幅トランジスタは、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方を結線している
前記（２）ないし（９）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１１）
複数の入力チャネルからの各々の入力信号に応じて設けられ、前記入力信号を増幅する読出し側の増幅トランジスタと、
前記読出し側の増幅トランジスタの各々と対になる参照側の増幅トランジスタと
で構成される差動増幅回路を有し、
複数の参照側の増幅トランジスタは、その全部又は一部のソース側、ドレイン側、又はソース側とドレイン側の両方を結線している
信号処理装置。
（１２）
前記（１１）に記載の信号処理装置において、
前記入力チャネルは、画素アレイ部に行列状に２次元配置される画素に含まれ、
前記画素は、
光電変換部と、
前記光電変換部で光電変換された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタにより転送された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタと
を含んで構成される
ようにした固体撮像装置。
（１３）
前記画素は、前記画素を選択する選択トランジスタをさらに有し、
前記選択トランジスタは、前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素との任意の対を選択する
前記（１２）に記載の固体撮像装置。
（１４）
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素は、列単位で読み出され、
前記参照側の増幅トランジスタが結線されている前記参照画素の数は、前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素の数と同一であるか、あるいは前記読出画素の数よりも少ない
前記（１２）又は（１３）に記載の固体撮像装置。
（１５）
前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素において、前記転送トランジスタ及び前記電荷電圧変換部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素と同一に構成される
前記（１２）ないし（１４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１６）
前記画素は、ソースフォロア型の読み出しが可能であり、
ソースフォロア型の読み出しと、差動型の増幅読み出しとを切り替える切り替え部をさらに有する
前記（１２）ないし（１５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１７）
前記読出し側の増幅トランジスタを含む読出画素と、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とを切り替える切り替え部をさらに有する
前記（１２）ないし（１５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１８）
前記読出し側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、前記参照側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出した後に、前記読出し側の増幅トランジスタと前記参照側の増幅トランジスタとの結線を相補に切り替えて、切り替え前の前記参照側の増幅トランジスタにおいて前記転送トランジスタを介して読み出された信号を、切り替え前の前記読出し側の増幅トランジスタとの差動対によって読み出す
前記（１７）に記載の固体撮像装置。
（１９）
前記切り替え部は、信号の蓄積及び読み出しを行う有効画素の近傍となる有効画素を、前記参照側の増幅トランジスタを含む参照画素とする
前記（１７）又は（１８）に記載の固体撮像装置。
（２０）
前記入力信号は、サンプルホールド回路を介して、前記読出し側の増幅トランジスタと、前記参照側の増幅トランジスタに入力され、
前記読出し側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、前記差動増幅回路の出力を負帰還として設定し、
前記参照側の増幅トランジスタ側のサンプルホールド回路には、任意の電圧を設定する
前記（１２）ないし（１９）のいずれかに記載の固体撮像装置。
【符号の説明】
【０４０６】
１０  CMOSイメージセンサ，  １１  画素アレイ部，  １２  垂直駆動部，  １３  カラム読出し回路部，  １４  カラム信号処理部，  １５  水平駆動部，  １６  システム制御部，  １７  信号処理部，  １８  データ格納部，  ２２，２２Ｒ，２２Ｓ  垂直信号線，  ３１  画素駆動線，  ３２  垂直画素配線，  ５０  差動画素読出し回路，  ６１，６１Ｒ，６１Ｓ  垂直リセット入力線，  ６２，６２Ｒ，６２Ｓ  垂直電流供給線，  １００  画素，  １００Ｒ  参照画素，  １００Ｓ  読み出し画素，  １１１，１１１Ｒ，１１１Ｓ  光電変換部，  １１２，１１２Ｒ，１１２Ｓ  転送トランジスタ，  １１３，１１３Ｒ，１１３Ｓ  リセットトランジスタ，  １１４，１１４Ｒ，１１４Ｓ  増幅トランジスタ，  １１５，１１５Ｒ，１１５Ｓ  選択トランジスタ，  １０００  電子機器，  １００１  固体撮像装置，  １２０３１  撮像部
【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７】
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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１６】
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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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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