(57)【要約】【課題】増幅トランジスタのゲート・ソース間電圧の変動を低減することができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】垂直信号線を介して増幅トランジスタのソース端子側にバイアス電流を供給するソース端子用電流源と、垂直信号線を介して増幅トランジスタのソース端子側に第一の基準電位を供給する反転アンプ用電圧源と、増幅トランジスタのドレイン端子側に第二の基準電圧を供給するフォロア用電圧源と、増幅トランジスタのドレイン端子側にソース端子用電流源から供給されるバイアス電流をコピーしたバイアス電流を供給する反転アンプ用電流源と、を備え、垂直信号線に反転アンプ用電圧源を接続し、増幅トランジスタのドレイン端子側に反転アンプ用電流源を接続した状態で、リセットトランジスタを介して増幅トランジスタのゲート端子側とドレイン端子側を接続することによって、増幅トランジスタのゲート端子のリセット電位を決定する。【選択図】図１
2011035603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換手段と、
前記光電変換手段で発生した信号電荷をゲート端子で増幅した画素信号を出力する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタのゲート端子に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタと、
を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、
前記増幅トランジスタのソース端子側に前記画素部の列毎に設けられている垂直信号線と、
を有し、蓄積の開始と終了とを一括して行う固体撮像装置において、
前記垂直信号線を介して前記増幅トランジスタのソース端子側にバイアス電流を供給するソース端子用電流源と、
前記垂直信号線を介して前記増幅トランジスタのソース端子側に第一の基準電位を供給する反転アンプ用電圧源と、
前記増幅トランジスタのドレイン端子側に第二の基準電圧を供給するフォロア用電圧源と、
前記増幅トランジスタのドレイン端子側に前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流をコピーしたバイアス電流を供給する反転アンプ用電流源と、
を備え、
前記垂直信号線に前記反転アンプ用電圧源を接続し、前記増幅トランジスタのドレイン端子側に前記反転アンプ用電流源を接続した状態で、前記リセットトランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲート端子側とドレイン端子側を接続することによって、前記増幅トランジスタのゲート端子のリセット電位を決定する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記反転アンプ用電流源は、
カレントミラー回路を含み、
前記カレントミラー回路は、
前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流をコピーしたバイアス電流を供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記反転アンプ用電流源は、
カレントコピアセルを含み、
前記カレントコピアセルは、
前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流に応じた電圧を保持し、該保持した電圧に応じた値の電流を供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記カレントコピアセルは、
前記増幅トランジスタのゲート端子をリセットするときに前記増幅トランジスタを介して前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流に応じた電圧を保持する、
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換手段と、
前記光電変換手段で発生した信号電荷をゲート端子で増幅した画素信号を出力する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタのゲート端子に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタと、
を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、
前記増幅トランジスタのソース端子側に前記画素部の列毎に設けられている垂直信号線と、
を有し、蓄積の開始と終了とを一括して行う固体撮像装置において、
前記垂直信号線にソース端子が接続され、前記増幅トランジスタと共に差動入力回路を構成する差動入力トランジスタと、
前記垂直信号線を介して前記差動入力回路にバイアス電流を供給する差動入力部用電流源と、
前記差動入力トランジスタのゲート端子に第一の基準電位を供給する第一の基準電圧源と、
前記増幅トランジスタのドレイン端子側に第二の基準電位を供給する第二の基準電圧源と、
前記差動入力トランジスタのドレイン端子側に第三の基準電位を供給する第三の基準電圧源と、
前記増幅トランジスタのドレイン端子側に前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいたバイアス電流を供給する第一のドレイン電流源と、
前記差動入力トランジスタのドレイン端子側に前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいたバイアス電流を供給する第二のドレイン電流源と、
を備え、
前記増幅トランジスタのドレイン端子に前記第一のドレイン電流源を接続し、前記差動入力トランジスタのドレイン端子に前記第三の基準電圧源を接続することによって、前記差動入力トランジスタのゲート端子が非反転入力端子、前記増幅トランジスタのゲート端子が反転入力端子、前記増幅トランジスタのドレイン端子が出力端子として動作する差動増幅回路を構成し、前記リセットトランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲート端子側とドレイン端子側を接続することによって、前記増幅トランジスタのゲート端子のリセット電位を前記差動増幅回路の非反転入力端子に供給された前記第一の基準電圧源に応じた電位に決定する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
前記第一のドレイン電流源および前記第二のドレイン電流源は、
共通のカレントミラー回路を含み、
前記共通のカレントミラー回路は、
前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいた値の電流を供給する、
ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第一のドレイン電流源は、
カレントコピアセルを含み、
前記カレントミラー回路は、
前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいた値の電流を供給し、
前記第二のドレイン電流源は、
カレントミラー回路を含み、
前記カレントコピアセルは、
前記増幅トランジスタのゲート端子をリセットするときに前記増幅トランジスタを介して前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に応じた電圧を保持し、該保持した電圧に応じた値の電流を供給する、
ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子を一括リセット、一括蓄積することが可能な固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
動きのある被写体を、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサーなどの撮像素子を用いて撮影した場合、被写体の動きに応じた動きブレに伴って、撮影した静止画の画質劣化が起こってしまう。この被写体の動きが原因となる画質劣化を避けるため、撮像素子のフォトダイオードによる被写体光の蓄積開始と蓄積終了とを画面内で同時に行う一括リセットおよび一括蓄積を実現したグローバルシャッター方式が用いられている。
【０００３】
図６は、上述のグローバルシャッター方式による読み出しを行う従来の固体撮像装置を説明する図である。図６（ａ）は、グローバルシャッター方式の固体撮像装置の概略構成を示した図である。
図６（ａ）に示した固体撮像装置は、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２が行方向および列方向（図６（ａ）においては、２行２列）に二次元的に配置された画素部２と、画素部２を読み出す際に行方向を選択する垂直走査回路３と、画素部２の列方向毎にバイアス電流を供給する画素バイアス部Ｉ１１およびＩ１２とから構成される。なお、以下では、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２のいずれか１つを示すときには「単位画素１」という。
【０００４】
単位画素１は、それぞれ、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４から構成される。
フォトダイオードＰＤは、被写体光を光電変換して電荷を発生する光電変換部である。  転送トランジスタＭ１は、垂直走査回路３から入力された転送ラインφＴＲ１〜φＴＲ２に基づいて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送する。リセットトランジスタＭ２は、垂直走査回路３から入力されたリセットラインφＲＳＴ１〜φＲＳＴ２に基づいて増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位をリセットする。増幅トランジスタＭ３は、転送トランジスタＭ１によって転送されたフォトダイオードＰＤの電荷に応じた電圧を出力する。選択トランジスタＭ４は、垂直走査回路３から入力された選択ラインφＲＯＷ１〜φＲＯＷ２に基づいて、増幅トランジスタＭ３が出力した電圧を、単位画素１の出力として出力する。
【０００５】
固体撮像装置は、垂直走査回路３から出力されるリセットラインφＲＳＴ１〜φＲＳＴ２、転送ラインφＴＲ１〜φＴＲ２および選択ラインφＲＯＷ１〜φＲＯＷ２によって選択された行方向の単位画素１の出力を画素信号として画素出力ラインＶ１〜Ｖ２に出力する。
【０００６】
図６（ｂ）は、グローバルシャッター方式による読み出しを行う固体撮像装置の制御タイミングの一例を示した図である。
グローバルシャッター方式の固体撮像装置から画素信号を読み出す場合、リセットラインφＲＳＴ１、φＲＳＴ２を“Ｈ”レベルとし、転送ラインφＴＲ１、φＴＲ２を“Ｈ”レベルとする（タイミングｔ１）。このことにより、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内のリセットトランジスタＭ２および転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となり、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内のフォトダイオードＰＤの電荷がリセットされる。また、このとき、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位も電源電圧ＶＤＤのレベルにリセットされる。
【０００７】
続いて、リセットラインφＲＳＴ１、φＲＳＴ２を“Ｌ”レベルとし、転送ラインφＴＲ１、φＴＲ２を“Ｌ”レベルとする（タイミングｔ２）。このことにより、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内のリセットトランジスタＭ２および転送トランジスタＭ１がＯＦＦ状態となり、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内のフォトダイオードＰＤの電荷のリセット動作と、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位のリセット動作を終了する。このとき、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）は、リセットトランジスタＭ２に起因して、下式（１）に示すようなリセットノイズ（リセット雑音）を持つこととなる。
【０００８】
ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）＝ＶＤＤ＋√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ）・・・・・（１）
【０００９】
上式（１）において、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ＣＦＤは増幅トランジスタＭ３のゲート端子の容量値を示す。なお、上式（１）の右辺第２項（√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ））は、リセットノイズ成分を示している。
【００１０】
続いて、蓄積時間において、最初に選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとする（タイミングｔ３）ことによって、一行目の単位画素Ｐ１１、Ｐ１２内の選択トランジスタＭ４がＯＮ状態となり、単位画素Ｐ１１、Ｐ１２のリセット成分（単位画素Ｐ１１、Ｐ１２内の増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）に応じた電位）が画素出力ラインＶ１、Ｖ２に出力（読み出し）される。続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとする（タイミングｔ４）ことによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、一行目の単位画素Ｐ１１、Ｐ１２のリセット成分の読み出しを終了する。このとき画素出力ラインＶ１、Ｖ２から出力されたリセット成分は、固体撮像装置の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素Ｐ１１、Ｐ１２のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置の外部のフレームメモリに記憶される。
続いて、２行目の単位画素Ｐ２１、Ｐ２２のリセット成分も同様に読み出され、単位画素Ｐ２１、Ｐ２２のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置の外部のフレームメモリに記憶される。全ての単位画素１のリセット成分の読み出しが完了すると、固体撮像装置のリセット成分の読み出し動作を終了する。このときのリセット成分による画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）は、下式（２）で示され、上式（１）より、下式（３）で示される。
【００１１】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３＿ａｖｅ）＋ΔＶＧＳ（Ｍ３）・・・・・（２）
【００１２】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＤＤ＋√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ）−ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３＿ａｖｅ）＋ΔＶＧＳ（Ｍ３）・・・・・（３）
【００１３】
上式（２）および式（３）において、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３＿ａｖｅ）は増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧の平均値、ΔＶＧＳ（Ｍ３）は単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２の増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧のばらつきを示す。なお、増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧のばらつきΔＶＧＳ（Ｍ３）は、増幅トランジスタＭ３の特性ばらつきと、画素バイアス部Ｉ１１〜Ｉ１２の電流ばらつきとに起因するばらつきである。
【００１４】
続いて、蓄積時間が終了するときに、転送ラインφＴＲ１、φＴＲ２を“Ｈ”レベルとする（タイミングｔ５）。このことにより、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内の転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となり、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内のフォトダイオードＰＤの電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。その後、転送ラインφＴＲ１、φＴＲ２を“Ｌ”レベルとする（タイミングｔ６）ことにより、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内の転送トランジスタＭ１がＯＦＦ状態となり、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２内のフォトダイオードＰＤの電荷の転送動作を終了する。このとき、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）は、下式（４）で示される。
【００１５】
ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）＝  ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＳＩＧ
＝  ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−Ｑ／ＣＦＤ・・・・・（４）
【００１６】
上式（４）において、Ｑは転送された信号電荷、ＣＦＤは増幅トランジスタＭ３のゲート端子の容量値を示す。
【００１７】
続いて、蓄積時間が終了した後、最初に選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとする（タイミングｔ７）ことによって、一行目の単位画素Ｐ１１、Ｐ１２内の選択トランジスタＭ４がＯＮ状態となり、単位画素Ｐ１１、Ｐ１２の信号成分（単位画素Ｐ１１、Ｐ１２内の増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）に応じた電位）が画素出力ラインＶ１、Ｖ２に読み出される。続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとする（タイミングｔ８）ことによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、一行目の単位画素Ｐ１１、Ｐ１２の信号成分の読み出しを終了する。このとき画素出力ラインＶ１、Ｖ２から出力された信号成分は、固体撮像装置の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素Ｐ１１、Ｐ１２の信号成分に応じたデジタル値が固体撮像装置の外部のフレームメモリに記憶される。
続いて、２行目の単位画素Ｐ２１、Ｐ２２の信号成分も同様に読み出され、単位画素Ｐ２１、Ｐ２２の信号成分に応じたデジタル値が固体撮像装置の外部のフレームメモリに記憶される。全ての単位画素１の信号成分の読み出しが完了すると、固体撮像装置の信号成分の読み出し動作を終了する。このときの信号成分による画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）は、下式（５）で示される。
【００１８】
Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）＝Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）−Ａ×（Ｑ／ＣＦＤ）・・・・・（５）
【００１９】
上式（５）において、Ａは増幅トランジスタＭ３の増幅率を示す。
【００２０】
最後に、それぞれ外部のフレームメモリに記憶されている信号成分に応じたデジタル値からリセット成分に応じたデジタル値を減算することによって、リセットノイズ成分√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ）および増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分ΔＶＧＳ（Ｍ３）がなくなり、減算後のデジタル値は、フォトダイオードＰＤが蓄積時間に発生した信号電荷Ｑの関数のみとなる。
【００２１】
しかしながら、図６に示す従来の固体撮像装置は、リセットノイズ成分√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ）および増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分ΔＶＧＳ（Ｍ３）を含んだ状態でアナログ・デジタル変換を行うため、画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）の信号レベルが小さい場合、リセットノイズ成分√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ）および増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分ΔＶＧＳ（Ｍ３）の割合が大きくなる。例えば、画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）信号レベルが１００［ｍＶ］、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の容量値ＣＦＤが０．５［ｆＦ］であった場合、リセットノイズ成分は、√（（Ｋ×Ｔ）／ＣＦＤ）は約２．８［ｍＶ］であるが、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分ΔＶＧＳ（Ｍ３）は約２０［ｍＶ］となり、この増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分ΔＶＧＳ（Ｍ３）は無視できるレベルの値ではないという問題がある。
【００２２】
上述の増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分の問題を改善するため、種々の技術が考案されている。例えば、特許文献１には、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作時に増幅トランジスタＭ３を含む負帰還回路を構成する技術が開示されている。
図７は、特許文献１で開示された従来の回路の構成を示す回路図である。図７に示した回路は、単位画素Ｐ、フォロアアンプ用電流源Ｉ１１１、反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦ、反転アンプ用電流源Ｉ１１２、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２から構成される。
【００２３】
また、単位画素Ｐは、フォトダイオードＰＤ、増幅トランジスタＭ１０３、選択トランジスタＭ１０４、リセットトランジスタＭ１０５およびＭ１０６、帰還容量ＣＦから構成される。
フォトダイオードＰＤは、被写体光を光電変換して電荷を発生する光電変換部である。増幅トランジスタＭ１０３は、ゲート端子に入力されたフォトダイオードＰＤの電荷に応じた電圧を出力する。リセットトランジスタＭ１０５およびＭ１０６は、リセットラインφＲＳ１およびφＲＳ２に基づいて増幅トランジスタＭ１０３のゲート端子の電位をリセットする。選択トランジスタＭ１０４は、選択ラインφＳＥＬに基づいて増幅トランジスタＭ１０３、すなわち、単位画素Ｐの出力を選択する。帰還容量ＣＦは、増幅トランジスタＭ１０３のリセット電圧を保持する。
【００２４】
図７に示した従来の回路は、リセットラインφＲＳ１、φＲＳ２、および選択ラインφＳＥＬによって選択された単位画素Ｐの出力を画素信号として出力する。また、図７に示した従来の回路は、リセット動作および読み出し動作に応じて電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替え、増幅トランジスタＭ１０３のソース端子およびドレイン端子の接続を切り替える。より具体的には、増幅トランジスタＭ１０３のソース端子は、リセット動作時に反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦに接続され、読み出し動作時にフォロアアンプ用電流源Ｉ１１１に接続される。また、増幅トランジスタＭ１０３のドレイン端子は、リセット動作時に反転アンプ用電流源Ｉ１１２に接続され、読み出し動作時に画素電源ＶＤＤに接続される。なお、図７は、リセット時における増幅トランジスタＭ１０３の接続を示している。
【００２５】
以下、図７に示した従来の回路のリセット動作について説明する。
はじめに、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替えて、増幅トランジスタＭ１０３のソース端子を反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦに接続し、増幅トランジスタＭ１０３のドレイン端子を反転アンプ用電流源Ｉ１１２に接続する。
続いて、選択ラインφＳＥＬを“Ｈ”レベルとし、リセットラインφＲＳ１、φＲＳ２をそれぞれ“Ｈ”レベルとすることにより、単位画素Ｐ内の選択トランジスタＭ１０４、リセットトランジスタＭ１０５およびＭ１０６がＯＮ状態となる。このことにより、増幅トランジスタＭ１０３は、ゲート端子を反転入力端子、ドレイン端子を出力端子とする反転増幅器として動作する。そして、選択トランジスタＭ１０４とリセットトランジスタＭ１０５およびＭ１０６とに基づいて、増幅トランジスタＭ１０３のソース端子の電圧が反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦとなるように増幅トランジスタＭ１０３のゲート端子の電圧を決定する帰還ループを形成する。このときの増幅トランジスタＭ１０３のゲート端子の電圧ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ１０３）は、下式（６）で示される。
【００２６】
ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ１０３）＝ＶＲＥＦ＋ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ１０３）・・・・・（６）
【００２７】
上式（６）において、ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ１０３）は反転アンプ用電流源Ｉ１１２を接続したときの増幅トランジスタＭ１０３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。なお、増幅トランジスタＭ１０３で発生するゲート・ソース間電圧ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ１０３）には、増幅トランジスタＭ１０３の特性ばらつき成分と反転アンプ用電流源Ｉ１１２の電流ばらつき成分とを含んでいる。
【００２８】
続いて、リセットラインφＲＳ１、φＲＳ２をそれぞれ“Ｌ”レベルとすることにより、リセットトランジスタＭ１０５およびＭ１０６をＯＦＦ状態とする。さらに、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替えて、増幅トランジスタＭ１０３のソース端子をフォロアアンプ用電流源Ｉ１１１に接続し、増幅トランジスタＭ１０３のドレイン端子を画素電源ＶＤＤに接続する。このことによって、単位画素Ｐのリセット成分を、増幅トランジスタＭ１０３を介して画素出力ラインに出力（読み出し）する。このとき読み出されたリセット成分による画素出力ラインＶの電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ）は、下式（７）で示される。
【００２９】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ）＝ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ１０３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ１０３）＝ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）＋  ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ１０３）−ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ１０３）・・・・・（７）
【００３０】
上式（７）において、Ｖ（ＫＴＣ）はリセットトランジスタＭ１０５およびＭ１０６に起因するリセットノイズ、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ１０３）はフォロア用電流源Ｉ１１２を接続したときに増幅トランジスタＭ１０３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開２００３−５１９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
しかしながら、特許文献１に記載の技術によって増幅トランジスタＭ１０３のゲート・ソース間電圧のばらつき成分を抑えるためには、上式（７）からも明らかなように、反転アンプ用電流源Ｉ１１２の電流値とフォロア用電流源Ｉ１１１の電流値とが同じ電流値である必要があるという制約がある。より具体的には、特許文献１に記載の回路の動作において、増幅トランジスタＭ１０３のゲート端子の電圧を決定する帰還ループを形成する際の基準電流源は反転アンプ用電流源Ｉ１１２であるのに対し、リセット成分を読み出す時の基準電流源はフォロアアンプ用電流源Ｉ１１１である。このため、反転アンプ用電流源Ｉ１１２の電流値とフォロア用電流源Ｉ１１１の電流値とが同じ電流値でない場合は、リセット成分を正しく読み出すことができないという問題がある。
ところが、特許文献１に記載の技術では、この２つの電流源（反転アンプ用電流源Ｉ１１２およびフォロアアンプ用電流源Ｉ１１１）の電流値について十分な考慮がされておらず、上述の制約を排除することができない。
【００３３】
本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、固体撮像装置から読み出されたリセット成分のデジタル値と信号成分のデジタル値との演算を行う場合において、増幅トランジスタのゲート・ソース間電圧の変動を低減することができる固体撮像装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換手段（例えば、第１の実施形態におけるフォトダイオードＰＤ）と、前記光電変換手段で発生した信号電荷をゲート端子で増幅した画素信号を出力する増幅トランジスタ（例えば、第１の実施形態における増幅トランジスタＭ３）と、前記増幅トランジスタのゲート端子に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタ（例えば、第１の実施形態におけるリセットトランジスタＭ２）と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部（例えば、第１の実施形態における画素部２）と、前記増幅トランジスタのソース端子側に前記画素部の列毎に設けられている垂直信号線（例えば、第１の実施形態における画素出力ラインＶ１）と、を有し、蓄積の開始と終了とを一括して行う固体撮像装置（例えば、第１の実施形態における固体撮像装置１００）において、前記垂直信号線を介して前記増幅トランジスタのソース端子側にバイアス電流を供給するソース端子用電流源（例えば、第１の実施形態におけるフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１）と、前記垂直信号線を介して前記増幅トランジスタのソース端子側に第一の基準電位を供給する反転アンプ用電圧源（例えば、第１の実施形態における反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦ）と、前記増幅トランジスタのドレイン端子側に第二の基準電圧を供給するフォロア用電圧源（例えば、第１の実施形態における画素電源ＶＤＤ）と、前記増幅トランジスタのドレイン端子側に前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流をコピーしたバイアス電流を供給する反転アンプ用電流源（例えば、第１の実施形態におけるカレントミラー回路Ｍ１４）と、を備え、前記垂直信号線に前記反転アンプ用電圧源を接続し、前記増幅トランジスタのドレイン端子側に前記反転アンプ用電流源を接続した状態で、前記リセットトランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲート端子側とドレイン端子側を接続することによって、前記増幅トランジスタのゲート端子のリセット電位を決定する、ことを特徴とする。
【００３５】
また、本発明の前記反転アンプ用電流源は、カレントミラー回路（例えば、第１の実施形態におけるカレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４）を含み、前記カレントミラー回路は、前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流をコピーしたバイアス電流を供給する、ことを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の前記反転アンプ用電流源は、カレントコピアセル（例えば、第２の実施形態におけるカレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１）を含み、前記カレントコピアセルは、前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流に応じた電圧を保持し、該保持した電圧に応じた値の電流を供給する、ことを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の前記カレントコピアセルは、前記増幅トランジスタのゲート端子をリセットするときに前記増幅トランジスタを介して前記ソース端子用電流源から供給されるバイアス電流に応じた電圧を保持する、ことを特徴とする。
【００３８】
また、本発明の固体撮像装置は、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換手段（例えば、第４の実施形態におけるフォトダイオードＰＤ）と、前記光電変換手段で発生した信号電荷をゲート端子で増幅した画素信号を出力する増幅トランジスタ（例えば、第４の実施形態における増幅トランジスタＭ３）と、前記増幅トランジスタのゲート端子に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタ（例えば、第４の実施形態におけるリセットトランジスタＭ２）と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部（例えば、第４の実施形態における画素部２）と、前記増幅トランジスタのソース端子側に前記画素部の列毎に設けられている垂直信号線（例えば、第４の実施形態における画素出力ラインＶ１）と、を有し、蓄積の開始と終了とを一括して行う固体撮像装置（例えば、第４の実施形態における固体撮像装置４００）において、前記垂直信号線にソース端子が接続され、前記増幅トランジスタと共に差動入力回路を構成する差動入力トランジスタ（例えば、第４の実施形態における差動入力トランジスタＭ２１）と、前記垂直信号線を介して前記差動入力回路にバイアス電流を供給する差動入力部用電流源（例えば、第４の実施形態における差動入力用電流供給トランジスタＭ１６）と、前記差動入力トランジスタのゲート端子に第一の基準電位を供給する第一の基準電圧源（例えば、第４の実施形態における基準電圧源ＶＲＥＦ）と、前記増幅トランジスタのドレイン端子側に第二の基準電位を供給する第二の基準電圧源（例えば、第４の実施形態における画素電源ＶＤＤ）と、前記差動入力トランジスタのドレイン端子側に第三の基準電位を供給する第三の基準電圧源（例えば、第４の実施形態における画素電源ＶＤＤ）と、前記増幅トランジスタのドレイン端子側に前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいたバイアス電流を供給する第一のドレイン電流源（例えば、第４の実施形態におけるカレントミラー回路Ｍ１４）と、前記差動入力トランジスタのドレイン端子側に前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいたバイアス電流を供給する第二のドレイン電流源（例えば、第４の実施形態におけるカレントミラー回路Ｍ１４）と、を備え、前記増幅トランジスタのドレイン端子に前記第一のドレイン電流源を接続し、前記差動入力トランジスタのドレイン端子に前記第三の基準電圧源を接続することによって、前記差動入力トランジスタのゲート端子が非反転入力端子、前記増幅トランジスタのゲート端子が反転入力端子、前記増幅トランジスタのドレイン端子が出力端子として動作する差動増幅回路を構成し、前記リセットトランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲート端子側とドレイン端子側を接続することによって、前記増幅トランジスタのゲート端子のリセット電位を前記差動増幅回路の非反転入力端子に供給された前記第一の基準電圧源に応じた電位に決定する、ことを特徴とする。
【００３９】
また、本発明の前記第一のドレイン電流源および前記第二のドレイン電流源は、共通のカレントミラー回路（例えば、第４の実施形態におけるカレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４）を含み、前記共通のカレントミラー回路は、前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいた値の電流を供給する、ことを特徴とする。
【００４０】
また、本発明の前記第一のドレイン電流源は、カレントコピアセル（例えば、第５の実施形態におけるカレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１）を含み、前記カレントミラー回路は、前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に基づいた値の電流を供給し、前記第二のドレイン電流源は、カレントミラー回路を含み、前記カレントコピアセルは、前記増幅トランジスタのゲート端子をリセットするときに前記増幅トランジスタを介して前記差動入力部用電流源から供給されるバイアス電流に応じた電圧を保持し、該保持した電圧に応じた値の電流を供給する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、固体撮像装置から読み出されたリセット成分のデジタル値と信号成分のデジタル値との演算を行う場合において、リセット成分を読み出すための電流と信号成分を読み出すための電流とを同じにすることができ、増幅トランジスタのゲート・ソース間電圧の変動を低減することができるという効果が得られる。
このことにより、固体撮像装置から読み出した信号成分の信号レベルが小さい場合でも外部のアナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の回路構成と動作を説明する図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の回路構成と動作を説明する図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の回路構成と動作を説明する図である。
【図４】本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の回路構成と動作を説明する図である。
【図５】本発明の第５の実施形態による固体撮像装置の回路構成と動作を説明する図である。
【図６】従来の固体撮像装置の構成と動作を説明する図である。
【図７】従来の固体撮像装置における回路の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置１００の回路構成と動作を説明する図である。図１（ａ）において、固体撮像装置１００は、単位画素１、反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦ、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２から構成される。なお、図１（ａ）において、固体撮像装置１００は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置の画素部２から１行１列目の単位画素Ｐ１１のみを抜き出して示している。すなわち、固体撮像装置１００は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置と同様に、単位画素１が二次元的に配置された画素部２を備えているが、図示を省略している。また、固体撮像装置１００は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置と同様に、画素部２を読み出す際の行方向を選択する垂直走査回路３を備えているが、図示を省略している。
【００４４】
単位画素１は、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４から構成される。なお、単位画素１内の各構成要素の機能及び動作は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置と同様であり、同一の符号を付加している。
フォトダイオードＰＤは、被写体光を光電変換して電荷を発生する光電変換部である。  転送トランジスタＭ１は、垂直走査回路３（図示せず）から入力された転送ラインφＴＲ１に基づいて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送する。リセットトランジスタＭ２は、垂直走査回路３（図示せず）から入力されたリセットラインφＲＳＴ１に基づいて増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位をリセットする。増幅トランジスタＭ３は、転送トランジスタＭ１によって転送されたフォトダイオードＰＤの電荷に応じた電圧を出力する。選択トランジスタＭ４は、垂直走査回路３（図示せず）から入力された選択ラインφＲＯＷ１に基づいて、増幅トランジスタＭ３が出力した電圧を、単位画素１の出力として出力する。
【００４５】
固体撮像装置１００は、垂直走査回路３（図示せず）から出力されるリセットラインφＲＳＴ１、転送ラインφＴＲ１および選択ラインφＲＯＷ１によって選択された行方向の単位画素１の出力を画素信号として画素出力ラインＶ１に出力する。
【００４６】
反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦは、電源切り替えスイッチＳＷ１を介して増幅トランジスタＭ３のソース端子側、すなわち、選択トランジスタＭ４のソース端子に基準電位を供給する電圧源である。
フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１は、電源切り替えスイッチＳＷ１を介して増幅トランジスタＭ３のソース端子側にバイアス電流を供給する電流源である。このフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置における画素バイアス部Ｉ１１および図７に示した従来の回路におけるフォロアアンプ用電流源Ｉ１１１に相当する。
【００４７】
反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２は、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１と同じ特性を持った電流源である。また、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２は、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１に流れるバイアス電流と同じ電流をカレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４のゲート端子に供給する。また、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２のゲート端子は、同じ電流設定端子ＶＢＩＡＳに接続されている。
【００４８】
カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４は、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２から供給された電流を基準として、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１に流れるバイアス電流と同じ電流を供給する反転アンプ用電流源である。このカレントミラー回路Ｍ１４が供給する電流は、電源切り替えスイッチＳＷ２を介して増幅トランジスタＭ３のドレイン端子とリセットトランジスタＭ２のドレイン端子に供給される。このカレントミラー回路Ｍ１４は、図７に示した従来の回路における反転アンプ用電流源Ｉ１１２に相当する。
【００４９】
なお、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１とカレントミラー回路Ｍ１４との電流値が等しくなるように構成する。より具体的には、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１と反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２とは同じサイズのトランジスタとする。さらに、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４も同じサイズのトランジスタとする。なお、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４は、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１の近くに配置されることが望ましい。
【００５０】
電源切り替えスイッチＳＷ１は、増幅トランジスタＭ３のソース端子側に接続されるフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１と反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦとを切り替えるスイッチである。
電源切り替えスイッチＳＷ２は、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に接続される画素電源ＶＤＤとカレントミラー回路Ｍ１４とを切り替えるスイッチである。
なお、電源切り替えスイッチＳＷ１および電源切り替えスイッチＳＷ２の切り替えは、図示しない垂直走査回路３によって制御される。
【００５１】
次に、図１（ｂ）に示した本実施形態による固体撮像装置１００の動作タイミングについて説明する。
最初に、増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧のリセット動作を行う。まず、電源切り替えスイッチＳＷ１および電源切り替えスイッチＳＷ２に供給する信号を“Ｌ”レベルにして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側に反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦを接続し、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側にカレントミラー回路Ｍ１４を接続するように電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替える（以下、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２に供給する信号を“Ｌ”レベルにして切り替えた状態を「￣ＲＥＡＤ状態」という）。
【００５２】
続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとし、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとすると、単位画素１内の選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ２、および転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となる（タイミングｔ１）。このことにより、増幅トランジスタＭ３は、ゲート端子およびドレイン端子をそれぞれ反転入力端子および出力とする反転増幅器として働き、リセットトランジスタＭ２を介して、画素出力ラインＶ１の電圧が反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦとなるように、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電圧を決定する帰還ループを形成する。このときの増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電圧ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）を下式（８）に示す。
【００５３】
ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）＝ＶＲＥＦ＋ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）・・・・・（８）
【００５４】
上式（８）において、ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）はカレントミラー回路Ｍ１４を接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。なお、ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）の値は、増幅トランジスタＭ３の特性ばらつき成分と、カレントミラー回路Ｍ１４の電流ばらつき成分とを含む値である。
【００５５】
その後、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット成分の読出し動作を行う。まず、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとする。このことにより、リセットトランジスタＭ２と転送トランジスタＭ１とがＯＦＦ状態となる。さらに、電源切り替えスイッチＳＷ１および電源切り替えスイッチＳＷ２に供給する信号を“Ｈ”レベルにして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側にフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続し、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に画素電源ＶＤＤを接続するように電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替える（タイミングｔ２）（以下、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２に供給する信号を“Ｈ”レベルにして切り替えた状態を「ＲＥＡＤ状態」という）。このことにより、増幅トランジスタＭ３を介して単位画素１のリセット成分が読み出される。
【００５６】
その後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１のリセット成分の読み出しを終了する（タイミングｔ３）。このとき画素出力ラインＶ１から出力されたリセット成分は、固体撮像装置１００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置１００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）を下式（９）に示す。
【００５７】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）
＝ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）＋  ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）
・・・・・（９）
【００５８】
上式（９）において、Ｖ（ＫＴＣ）はリセットトランジスタＭ２に起因するリセットノイズ、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）はフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。このとき、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１とカレントミラー回路Ｍ１４との電流は、ほぼ同じ値となり、リセット成分の読出し動作（以下、「フォロア出力動作」という）時と信号成分読み出し動作（以下、「反転アンプ動作」という）時とにおける増幅トランジスタＭ３に発生するゲート・ソース間電圧も同じ値となることから、下式（１０）に示すように増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の成分がなくなる。
【００５９】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）・・・・・（１０）
【００６０】
続いて、単位画素１の露光期間が終了するときに、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の読み出し動作（反転アンプ動作）を行う。まず、転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとする（タイミングｔ５）。このことにより、転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となり、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。その後、転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとすることにより、転送トランジスタＭ１がＯＦＦ状態となり、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の転送動作を終了する（タイミングｔ６）。このとき、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）は、下式（１１）で示される。
【００６１】
ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）＝  ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＳＩＧ
＝  ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−Ｑ／ＣＦＤ・・・・・（１１）
【００６２】
上式（１１）において、Ｑは転送された信号電荷、ＣＦＤは増幅トランジスタＭ３のゲート端子の容量値を示す。
【００６３】
続いて、露光期間が終了した後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＮ状態となり、単位画素１の信号成分（単位画素１内の増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）に応じた電位）が画素出力ラインＶ１に読み出される（タイミングｔ７）。その後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１の信号成分の読み出しを終了する（タイミングｔ８）。このとき、画素出力ラインＶ１から出力された信号成分は、固体撮像装置１００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１の信号成分に応じたデジタル値が固体撮像装置１００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）は下式（１２）で示される。
【００６４】
Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）＝Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）−Ａ×（Ｑ／ＣＦＤ）・・・・・（１２）
【００６５】
上式（１２）において、Ａは増幅トランジスタＭ３の増幅率を示す。
【００６６】
最終的に、それぞれ外部のフレームメモリに記憶されている信号成分に応じたデジタル値からリセット成分に応じたデジタル値を減算することによって、減算後のデジタル値は、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した電荷成分Ｑの関数のみとなる。
【００６７】
上記に述べたとおり、本第１の実施形態の固体撮像装置１００によれば、反転アンプ動作時のバイアス電流をカレントミラー回路Ｍ１４で発生させることにより、フォロア出力動作時と反転アンプ動作時とにおける増幅トランジスタＭ３のバイアス電流をほぼ等しい値にすることができ、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の変動を抑えることができる。このことによって、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した信号レベルが小さい場合でも、アナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができる。
【００６８】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置２００の回路構成と動作を説明する図である。図２（ａ）において、固体撮像装置２００は、単位画素１、反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦ、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１、カレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１、垂直ライン接続スイッチＳＷ１２、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２から構成される。なお、図２（ａ）において、固体撮像装置２００は、上述の第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様に、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置の画素部２から１行１列目の単位画素Ｐ１１のみを抜き出して示している。
【００６９】
また、図２（ａ）において、図１（ａ）と同様の機能及び動作である構成要素には、同一の符号を付加している。また、固体撮像装置２００における固体撮像装置１００からの変更点は、固体撮像装置１００においてフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１が増幅トランジスタＭ３のソース端子側に供給するバイアス電流と同じ電流を生成していた反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４に代わり、カレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１から構成されるカレントコピアセルと、垂直ライン接続スイッチＳＷ１２とを備えたことである。
【００７０】
カレントコピアセルは、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じた状態で電流を印加すると、印加された電流値をサンプルホールド容量Ｃ１１に記憶し、電流サンプルスイッチＳＷ１１を開けた場合、印加された電流を流し続けるという特性を持つ回路である。このカレントコピア用トランジスタＭ１５は、図７に示した従来の回路における反転アンプ用電流源Ｉ１１２に相当する。
【００７１】
電源切り替えスイッチＳＷ２は、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に接続される画素電源ＶＤＤとカレントコピア用トランジスタＭ１５とを切り替えるスイッチである。
【００７２】
次に、図２（ｂ）に示した本第２の実施形態による固体撮像装置２００の動作タイミングについて説明する。なお、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の読み出し動作は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略し、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作およびフォロア出力動作に絞って説明する。
【００７３】
最初に、増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧のリセット動作を行う。まず、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２をＲＥＡＤ状態にして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側にフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続し、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に画素電源ＶＤＤを接続する。さらに、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じて、カレントコピアセルが電流値を記憶する状態とし、垂直ライン接続スイッチＳＷ１２を閉じて、カレントコピアセルとフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続する（タイミングｔ１）。このことにより、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１の電流値に応じて発生したカレントコピア用トランジスタＭ１５のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｍ１５）が、サンプルホールド容量Ｃ１１に記憶される。その後、電流サンプルスイッチＳＷ１１と垂直ライン接続スイッチＳＷ１２を開くことによって、カレントコピア用トランジスタＭ１５のゲート・ソース間に発生した電圧ＶＧＳ（Ｍ１５）の電圧値がサンプルホールド容量Ｃ１１に保持される。
【００７４】
続いて、電源切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２を￣ＲＥＡＤ状態にして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側に反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦを接続し、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側にカレントコピア用トランジスタＭ１５を接続する。
【００７５】
続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとし、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとすると、単位画素１内の選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ２、および転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となる（タイミングｔ２）。このことにより、増幅トランジスタＭ３は、ゲート端子およびドレイン端子をそれぞれ反転入力端子および出力とする反転増幅器として働き、リセットトランジスタＭ２を介して、画素出力ラインＶ１の電圧が反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦとなるように、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電圧を決定する帰還ループを形成する。このときの増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電圧ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）を下式（１３）に示す。
【００７６】
ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）＝ＶＲＥＦ＋ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）・・・・・（１３）
【００７７】
上式（１３）において、ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）はカレントコピア用トランジスタＭ１５を接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。なお、ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）の値は、増幅トランジスタＭ３の特性ばらつき成分と、カレントコピア用トランジスタＭ１５の電流ばらつき成分とを含む値である。
【００７８】
その後、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のフォロア出力動作を行う。まず、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとする。このことにより、リセットトランジスタＭ２と転送トランジスタＭ１とがＯＦＦ状態となる。さらに、電源切り替えスイッチＳＷ１および電源切り替えスイッチＳＷ２をＲＥＡＤ状態にして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側にフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続し、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に画素電源ＶＤＤを接続する（タイミングｔ３）。このことにより、増幅トランジスタＭ３を介して単位画素１のリセット成分が読み出される。
【００７９】
その後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１のリセット成分の読み出しを終了する（タイミングｔ４）。このとき画素出力ラインＶ１から出力されたリセット成分は、固体撮像装置２００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置２００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）を下式（１４）に示す。
【００８０】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）
＝ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）＋  ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＡＭＰ（Ｍ３）
・・・・・（１４）
【００８１】
上式（１４）において、Ｖ（ＫＴＣ）はリセットトランジスタＭ２に起因するリセットノイズ、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）はフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。このとき、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１とカレントコピア用トランジスタＭ１５との電流は同じ値となり、フォロア出力動作時と反転アンプ動作時とにおける増幅トランジスタＭ３に発生するゲート・ソース間電圧もほぼ同じ値となることから、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の成分がなくなる。
その後、第１の実施形態と同様（タイミングｔ５〜ｔ８）に、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の反転アンプ動作を行う。
【００８２】
上記に述べたとおり、本第２の実施形態の固体撮像装置２００によれば、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１のバイアス電流を、直接カレントコピアセルに入力して記憶させる。また、記憶した電流に基づいた反転アンプ動作時のバイアス電流を発生させることによって、フォロア出力動作時と反転アンプ動作時の増幅トランジスタＭ３のバイアス電流を近い値にすることができ、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の変動を抑えることができる。このことによって、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した信号レベルが小さい場合でも、アナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができる。
【００８３】
＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置３００の回路構成と動作を説明する図である。図３（ａ）において、固体撮像装置３００は、単位画素１、反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦ、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１、カレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１、電源切り替えスイッチＳＷ１から構成される。なお、図３（ａ）において、固体撮像装置３００は、上述の第１の実施形態の固体撮像装置１００および第２の実施形態の固体撮像装置２００と同様に、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置の画素部２から１行１列目の単位画素Ｐ１１のみを抜き出して示している。
【００８４】
また、図３（ａ）において、図２（ａ）と同様の機能及び動作である構成要素には、同一の符号を付加している。また、固体撮像装置３００における固体撮像装置２００からの変更点は、固体撮像装置２００においてフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１が増幅トランジスタＭ３のソース端子側に供給するバイアス電流を記憶するカレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１で構成されるカレントコピアセルを、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に接続したことである。
また、カレントコピアセルを増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に直接接続したことにより、電源切り替えスイッチＳＷ２が削除されている。
【００８５】
次に、図３（ｂ）に示した本第３の実施形態による固体撮像装置３００の動作タイミングについて説明する。なお、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の読み出し動作は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略し、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作およびフォロア出力動作に絞って説明する。
【００８６】
最初に、増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧のリセット動作を行う。まず、電源切り替えスイッチＳＷ１をＲＥＡＤ状態にして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側にフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続する。さらに、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じた状態で選択ラインφＲＯＷ１およびリセットラインφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとし、選択トランジスタＭ４とリセットトランジスタＭ２とをＯＮ状態とする（タイミングｔ１）。このことにより、増幅トランジスタＭ３を介したフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１の電流値、すなわち、フォロア出力動作時の増幅トランジスタＭ３のバイアス電流と同じ電流値に応じて発生したカレントコピア用トランジスタＭ１５のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｍ１５）が、サンプルホールド容量Ｃ１１に記憶される。その後、電流サンプルスイッチＳＷ１１を開くことによって、カレントコピア用トランジスタＭ１５のゲート・ソース間に発生した電圧ＶＧＳ（Ｍ１５）の電圧値がサンプルホールド容量Ｃ１１に保持される。
【００８７】
続いて、転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとすることによって、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とし、続いて、電源切り替えスイッチＳＷ１を￣ＲＥＡＤ状態にして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側に反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦを接続する（タイミングｔ２）。このことによって、増幅トランジスタＭ３は、ゲート端子およびドレイン端子をそれぞれ反転入力端子および出力とする反転増幅器として働き、リセットトランジスタＭ２を介して、画素出力ラインＶ１の電圧が反転アンプ用電圧源ＶＲＥＦとなるように、増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧を決定する帰還ループを形成する。このときの増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）は、上式（１３）と同様に表される。
【００８８】
その後、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のフォロア出力動作において、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとし、リセットトランジスタＭ２と転送トランジスタＭ１とをＯＦＦ状態とする。さらに、電源切り替えスイッチＳＷ１をＲＥＡＤ状態にして、増幅トランジスタＭ３のソース端子側にフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１を接続する。また同時に、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じることによって、カレントコピア用トランジスタＭ１５を増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側にダイオード接続する（タイミングｔ３）。このことにより、増幅トランジスタＭ３を介した単位画素１のリセット成分が読み出される。
【００８９】
続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１のリセット成分の読み出しを終了する（タイミングｔ４）。このとき画素出力ラインＶ１から出力されたリセット成分は、固体撮像装置３００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置３００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）は、上式（１４）と同様に表される。
【００９０】
このとき、フォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１とカレントコピア用トランジスタＭ１５との電流は同じ値となり、フォロア出力動作時と反転アンプ動作時とにおける増幅トランジスタＭ３に発生するゲート・ソース間電圧もほぼ同じ値となることから、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の成分がなくなる。
その後、第１の実施形態と同様（タイミングｔ５〜ｔ８）に、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の反転アンプ動作を行う。
【００９１】
上記に述べたとおり、本第３の実施形態の固体撮像装置３００によれば、フォロア出力動作時におけるフォロアアンプ用電流供給トランジスタＭ１１のバイアス電流を、直接カレントコピアセルに入力して記憶させる。また、記憶した電流に基づいた反転アンプ動作時のバイアス電流を発生させることによって、フォロア出力動作時と反転アンプ動作時の増幅トランジスタＭ３のバイアス電流を極めて近い値にすることができ、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の変動を抑えることができる。このことによって、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した信号レベルが小さい場合でも、アナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができる。
【００９２】
＜第４実施形態＞
以下、本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は、本発明の第４の実施形態による固体撮像装置４００の回路構成と動作を説明する図である。図４（ａ）において、固体撮像装置４００は、単位画素１、基準電圧源ＶＲＥＦ、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４、差動入力トランジスタＭ２１、基準電圧入力スイッチＳＷ２１、フォロア出力用スイッチＳＷ２２、電源切り替えスイッチＳＷ２、ＳＷ３から構成される。なお、図４（ａ）において、固体撮像装置４００は、上述の第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様に、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置の画素部２から１行１列目の単位画素Ｐ１１のみを抜き出して示している。
【００９３】
また、図４（ａ）において、図１（ａ）と同様の機能及び動作である構成要素には、同一の符号を付加している。また、固体撮像装置４００における固体撮像装置１００からの変更点は、単位画素１の出力である画素信号を、差動増幅器の非反転入力端子と出力端子を接続したバッファ回路を介して画素出力ラインＶ１に出力することである。このバッファ回路は、増幅トランジスタＭ３と差動入力回路を構成するように、増幅トランジスタＭ３のソース端子側と自身のソース端子とを接続した差動入力トランジスタＭ２１と、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子とドレイン端子とを接続するフォロア出力用スイッチＳＷ２２と、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子に基準電圧を印加する基準電圧源ＶＲＥＦと、基準電圧源ＶＲＥＦと差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子とを接続する基準電圧入力スイッチＳＷ２１とから構成される。
【００９４】
固体撮像装置４００は、垂直走査回路３（図示せず）から出力されるリセットラインφＲＳＴ１、転送ラインφＴＲ１および選択ラインφＲＯＷ１によって選択された行方向の単位画素１の出力を画素信号とし、バッファ回路を介して画素出力ラインＶ１に出力する。ここで、増幅トランジスタＭ３側のソース端子側は、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６に接続されている。この差動入力用電流供給トランジスタＭ１６は、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置における画素バイアス部Ｉ１１および図７に示した従来の回路におけるフォロアアンプ用電流源Ｉ１１１に相当する。
また、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側は、電源切り替えスイッチＳＷ２によって画素電源ＶＤＤまたはカレントミラー回路Ｍ１４に接続される。このカレントミラー回路Ｍ１４は、図７に示した従来の回路における反転アンプ用電流源Ｉ１１２に相当する。
また、差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子は、電源切り替えスイッチＳＷ３によって画素電源ＶＤＤまたはカレントミラー回路Ｍ１４に接続される。
【００９５】
なお、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６に対してカレントミラー回路Ｍ１４の電流値が１／２となるように構成する。より具体的には、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６と反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２は同じサイズのトランジスタとし、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２のゲート端子は、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６と同じ電流設定端子ＶＢＩＡＳに接続する。
さらに、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４は、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２の電流値、すなわち、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６の電流値を１／２に変換するため、異なるサイズのトランジスタで構成する。より具体的には、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２とカレントミラー回路Ｍ１３とを同じサイズのトランジスタとし、カレントミラー回路Ｍ１４をカレントミラー回路Ｍ１３の１／２のサイズのトランジスタとする。このことによって、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２の電流値が、１／２に変換されて、カレントミラー回路Ｍ１４から取り出される。
【００９６】
次に、図４（ｂ）に示した本第４の実施形態による固体撮像装置４００の動作タイミングについて説明する。
最初に、増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧のリセット動作を行う。まず、電源切り替えスイッチＳＷ２を￣ＲＥＡＤ状態にして増幅トランジスタＭ３側のドレイン端子側にカレントミラー回路Ｍ１４を接続する。また、電源切り替えスイッチＳＷ３を￣ＲＥＡＤ状態にして、差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子側に画素電源ＶＤＤを接続する。また同時に、基準電圧入力スイッチＳＷ２１を閉じ、フォロア出力用スイッチＳＷ２２を開いて、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子を基準電圧源ＶＲＥＦに接続する。
【００９７】
続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとし、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとすると、単位画素１内の選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ２、および転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となる（タイミングｔ１）。このことにより、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子を非反転入力端子、増幅トランジスタＭ３のゲート端子およびドレイン端子をそれぞれ反転入力端子および出力とする差動増幅器が構成される。このときの増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電圧ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）を下式（１５）に示す。
【００９８】
ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）＝ＶＲＥＦ−ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）＋ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）・・・・・（１５）
【００９９】
上式（１５）において、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）はドレイン端子に画素電源ＶＤＤに接続したときに差動入力トランジスタＭ２１で発生する差動入力トランジスタＭ２１のゲート・ソース間電圧、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）はカレントミラー回路Ｍ１４を接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。なお、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）の値は、差動入力トランジスタＭ２１の特性ばらつき成分とカレントミラー回路Ｍ１４の電流ばらつき成分を含む値であり、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）の値は、増幅トランジスタＭ３の特性ばらつき成分とカレントミラー回路Ｍ１４の電流ばらつき成分を含む値である。
【０１００】
その後、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のフォロア出力動作を行う。まず、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとする。このことにより、リセットトランジスタＭ２と転送トランジスタＭ１とがＯＦＦ状態となる。さらに、電源切り替えスイッチＳＷ２および電源切り替えスイッチＳＷ３をＲＥＡＤ状態にして、差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子側にカレントミラー回路Ｍ１４を接続し、増幅トランジスタＭ３側のドレイン端子側に画素電源ＶＤＤを接続する。また同時に、基準電圧入力スイッチＳＷ２１を開いて、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子と基準電圧源ＶＲＥＦを切り離し、フォロア出力用スイッチＳＷ２２を閉じて差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子とドレイン端子とを接続する（タイミングｔ２）。このことにより、増幅トランジスタＭ３のゲート端子を非反転入力端子、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子およびドレイン端子をそれぞれ反転入力端子および出力とする差動増幅器を利用したフォロアアンプが働き、画素出力ラインＶ１を介して単位画素１のリセット成分が読み出される。
【０１０１】
その後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１のリセット成分の読み出しを終了する（タイミングｔ３）。このとき画素出力ラインＶ１から出力されたリセット成分は、固体撮像装置４００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置４００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）を下式（１６）に示す。
【０１０２】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）＋ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ２１）
＝  ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）−ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）＋ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ２１）＋ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）・・・・・（１６）
【０１０３】
上式（１６）において、Ｖ（ＫＴＣ）はリセットトランジスタＭ２に起因するリセットノイズ、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）はドレイン端子に画素電源ＶＤＤに接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ２１）はドレイン端子にカレントミラー回路Ｍ１４を接続したときに差動入力トランジスタＭ２１で発生するゲート・ソース間電圧を示す。このとき、カレントミラー回路Ｍ１４の電流は差動入力用電流供給トランジスタＭ１６の電流の１／２に設定していることから、リセット動作時と反転アンプ動作時とにおける増幅トランジスタＭ３および差動入力トランジスタＭ２１に流れる電流がほぼ同じ値となる。したがって、上式（１６）は、下式（１７）に示すようになり、増幅トランジスタＭ３および差動入力トランジスタＭ２１のゲート・ソース間電圧の成分がなくなる。
【０１０４】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１１）＝ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）・・・・・（１７）
【０１０５】
続いて、単位画素１の露光期間が終了するときに、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の反転アンプ動作を行う。まず、転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとする（タイミングｔ５）。このことにより、転送トランジスタＭ１がＯＮ状態となり、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。その後、転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとすることにより、転送トランジスタＭ１がＯＦＦ状態となり、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の転送動作を終了する（タイミングｔ６）。このとき、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）は、下式（１８）で示される。
【０１０６】
ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）＝  ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＳＩＧ
＝  ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−Ｑ／ＣＦＤ・・・・・（１８）
【０１０７】
上式（１８）において、Ｑは転送された信号電荷、ＣＦＤは増幅トランジスタＭ３のゲート端子の容量値を示す。
【０１０８】
続いて、露光期間が終了した後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＮ状態となり、単位画素１の信号成分（単位画素１内の増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位ＶＧ＿ＳＩＧ（Ｍ３）に応じた電位）が画素出力ラインＶ１に読み出される（タイミングｔ７）。その後、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１の信号成分の読み出しを終了する（タイミングｔ８）。ことのとき、画素出力ラインＶ１から出力された信号成分は、固体撮像装置４００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１の信号成分に応じたデジタル値が固体撮像装置４００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）は下式（１９）で示される。
【０１０９】
Ｖ＿ＳＩＧ（Ｖ１）＝Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）−（Ｑ／ＣＦＤ）・・・・・（１９）
【０１１０】
最終的に、それぞれ外部のフレームメモリに記憶されている信号成分に応じたデジタル値からリセット成分に応じたデジタル値を減算することによって、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した電荷成分Ｑの関数のみとなる。
【０１１１】
上記に述べたとおり、本第４の実施形態の固体撮像装置４００によれば、カレントミラー回路Ｍ１４の電流を差動入力用電流供給トランジスタＭ１６の電流の１／２に設定し、フォロア出力動作時にはカレントミラー回路Ｍ１４を増幅トランジスタＭ３のドレイン端子に接続し、反転アンプ動作時にはカレントミラー回路Ｍ１４を差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子に接続させる。このことにより、フォロア出力動作時および反転アンプ動作時における増幅トランジスタＭ３および差動入力トランジスタＭ２１のバイアス電流をほぼ等しい値にすることができ、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の変動を抑えることができる。このことによって、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した信号レベルが小さい場合でも、アナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができる。
また、加えて、差動増幅器を用いたフォロアアンプ形式で画素出力ラインＶ１から画素信号を出力することができるため、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の変動をゲイン＝１で取り出すことができる。このことによって、固体撮像装置４００が出力する画素信号のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）を改善することができる。
【０１１２】
＜第５実施形態＞
以下、本発明の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、本発明の第５の実施形態による固体撮像装置５００の回路構成と動作を説明する図である。図５（ａ）において、固体撮像装置５００は、単位画素１、基準電圧源ＶＲＥＦ、差動入力用電流供給トランジスタＭ１６、反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４、カレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１、差動入力トランジスタＭ２１、基準電圧入力スイッチＳＷ２１、フォロア出力用スイッチＳＷ２２、電源切り替えスイッチＳＷ３から構成される。なお、図５（ａ）において、固体撮像装置５００は、上述の第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様に、図６（ａ）に示した従来の固体撮像装置の画素部２から１行１列目の単位画素Ｐ１１のみを抜き出して示している。
【０１１３】
また、図５（ａ）において、図３（ａ）および図４（ａ）と同様の機能及び動作である構成要素には、同一の符号を付加している。また、固体撮像装置５００における固体撮像装置４００からの変更点は、固体撮像装置４００において差動入力用電流供給トランジスタＭ１６が増幅トランジスタＭ３のソース端子側に供給するバイアス電流と同じ電流を生成していた反転アンプ用電流設定トランジスタＭ１２、カレントミラー回路Ｍ１３、Ｍ１４とともに、カレントコピア用トランジスタＭ１５、サンプルホールド容量Ｃ１１、電流サンプルスイッチＳＷ１１から構成されるカレントコピアセルを備えたことである。また、このカレントコピアセルを、増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側に直接接続し、電源切り替えスイッチＳＷ２を削除している。このカレントコピア用トランジスタＭ１５は、図７に示した従来の回路における反転アンプ用電流源Ｉ１１２に相当する。
【０１１４】
次に、図５（ｂ）に示した本第５の実施形態による固体撮像装置５００の動作タイミングについて説明する。なお、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の読み出し動作は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略し、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作およびフォロア出力動作に絞って説明する。
【０１１５】
最初に、増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧のリセット動作を行う。まず、電源切り替えスイッチＳＷ３をＲＥＡＤ状態にして、差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子側にカレントミラー回路Ｍ１４を接続する。また同時に、基準電圧入力スイッチＳＷ２１を開いて、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子と基準電圧源ＶＲＥＦを切り離し、フォロア出力用スイッチＳＷ２２を閉じて差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子とドレイン端子とを接続する。さらに、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じた状態で選択ラインφＲＯＷ１およびリセットラインφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとし、選択トランジスタＭ４とリセットトランジスタＭ２とをＯＮ状態とする（タイミングｔ１）。このことにより、増幅トランジスタＭ３を介した差動入力用電流供給トランジスタＭ１６の電流値、すなわち、フォロア出力動作時の増幅トランジスタＭ３のバイアス電流と同じ電流値に応じて発生したカレントコピア用トランジスタＭ１５のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｍ１５）が、サンプルホールド容量Ｃ１１に記憶される。その後、電流サンプルスイッチＳＷ１１を開くことによって、カレントコピア用トランジスタＭ１５のゲート・ソース間に発生した電圧ＶＧＳ（Ｍ１５）の電圧値がサンプルホールド容量Ｃ１１に保持される。
【０１１６】
その後、電源切り替えスイッチＳＷ３を￣ＲＥＡＤ状態にして、差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子側に画素電源ＶＤＤを接続する。また同時に、基準電圧入力スイッチＳＷ２１を閉じて、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子を基準電圧源ＶＲＥＦに接続し、フォロア出力用スイッチＳＷ２２を開いて、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子とドレイン端子との接続を切り離す。
【０１１７】
続いて、転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとすることによって、転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする（タイミングｔ２）。このことによって、差動入力トランジスタＭ２１のゲート端子を非反転入力端子、増幅トランジスタＭ３のゲート端子およびドレイン端子をそれぞれ反転入力端子および出力とする差動増幅器が構成される。このときの増幅トランジスタＭ３のゲート端子電圧ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）を下式（２０）に示す。
【０１１８】
ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）＝ＶＲＥＦ−ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）＋ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）・・・・・（２０）
【０１１９】
上式（２０）において、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）はドレイン端子に画素電源ＶＤＤに接続したときに差動入力トランジスタＭ２１で発生する差動入力トランジスタＭ２１のゲート・ソース間電圧、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）はカレントコピア用トランジスタＭ１５を接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧を示す。なお、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）の値は、差動入力トランジスタＭ２１の特性ばらつき成分とカレントミラー回路Ｍ１４の電流ばらつき成分を含む値であり、ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）の値は、増幅トランジスタＭ３の特性ばらつき成分とカレントコピア用トランジスタＭ１５の電流ばらつき成分を含む値である。
【０１２０】
その後、増幅トランジスタＭ３のゲート端子のフォロア出力動作において、リセットラインφＲＳＴ１および転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルとし、リセットトランジスタＭ２と転送トランジスタＭ１とをＯＦＦ状態とする。さらに、電源切り替えスイッチＳＷ３をＲＥＡＤ状態にして、差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子側にカレントミラー回路Ｍ１４を接続する。また同時に、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じることによって、カレントコピア用トランジスタＭ１５を増幅トランジスタＭ３のドレイン端子側にダイオード接続する（タイミングｔ３）。このことにより、増幅トランジスタＭ３を介した単位画素１のリセット成分が画素出力ラインＶ１に読み出される。
【０１２１】
続いて、選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルとすることによって、選択トランジスタＭ４がＯＦＦ状態となり、単位画素１のリセット成分の読み出しを終了する（タイミングｔ４）。このとき画素出力ラインＶ１から出力されたリセット成分は、固体撮像装置５００の外部のアナログ・デジタル変換部でアナログ・デジタル変換され、単位画素１のリセット成分に応じたデジタル値が固体撮像装置５００の外部のフレームメモリに記憶される。このときの画素出力ラインＶ１の電位Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）を下式（２１）に示す。
【０１２２】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１）＝ＶＧ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）＋ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ２１）
＝  ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）−ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ２１）＋ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ２１）＋ＶＧＳ＿ＲＥＳＥＴ（Ｍ３）−ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）・・・・・（２１）
【０１２３】
上式（２１）において、Ｖ（ＫＴＣ）はリセットトランジスタＭ２に起因するリセットノイズ、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ３）はドレイン端子をダイオード接続のカレントコピア用トランジスタＭ１５に接続したときに増幅トランジスタＭ３で発生するゲート・ソース間電圧、ＶＧＳ＿ＦＬＷ（Ｍ２１）はドレイン端子にカレントミラー回路Ｍ１４を接続したときに差動入力トランジスタＭ２１で発生するゲート・ソース間電圧を示す。このとき、カレントコピア用トランジスタＭ１５の電流は、フォロア出力動作時の増幅トランジスタＭ３のバイアス電流を記憶したものであることから、リセット動作時と反転アンプ動作時とにおける増幅トランジスタＭ３および差動入力トランジスタＭ２１に流れる電流がほぼ同じ値となる。したがって、上式（２１）は、下式（２２）に示すようになり、増幅トランジスタＭ３および差動入力トランジスタＭ２１のゲート・ソース間電圧の成分がなくなる。
【０１２４】
Ｖ＿ＲＥＳＥＴ（Ｖ１１）＝ＶＲＥＦ＋Ｖ（ＫＴＣ）・・・・・（２２）
【０１２５】
その後、第１の実施形態と同様（タイミングｔ５〜ｔ８）に、単位画素１内のフォトダイオードＰＤの電荷の反転アンプ動作を行う。
【０１２６】
上記に述べたとおり、本第５の実施形態の固体撮像装置５００によれば、フォロア出力動作時のバイアス電流を直接カレントコピアセルに入力して記憶させ、記憶した電流に基づいてリセット動作時のバイアス電流を発生させ、リセット動作には増幅トランジスタＭ３のドレイン端子に接続し、フォロア出力動作時には差動入力トランジスタＭ２１のドレイン端子に接続させる。このことにより、フォロア出力動作時および反転アンプ動作時で、増幅トランジスタＭ３および差動入力トランジスタＭ２１のバイアス電流を極めて近い値にすることができ、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の変動を抑えることができる。このことによって、フォトダイオードＰＤが露光時間に発生した信号レベルが小さい場合でも、アナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができる。
また、加えて、差動増幅器を用いたフォロアアンプ形式で画素出力ラインＶ１から画素信号を出力することができるため、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の変動をゲイン＝１で取り出すことができる。このことによって、固体撮像装置５００が出力する画素信号のＳ／Ｎを改善することができる。
【０１２７】
上記に述べたとおり、本発明を実施するための形態によれば、グローバルシャッター方式の固体撮像装置において、単位画素１内の増幅トランジスタＭ３に供給するバイアス電流をフォロア出力動作時と反転アンプ動作時とで近い値にすることができるので、増幅トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧の変動を抑えることができる。このことによって、固体撮像装置から出力される画素信号の信号レベルが小さい場合でも、固体撮像装置の外部のアナログ・デジタル変換部のダイナミックレンジを有効に使うことができる。
このことによって、良好なＳ／Ｎの最終画像データを得ることができる。
【０１２８】
なお、本発明においては、本実施形態の回路構成および動作タイミングに限定しない。例えば、図１（ａ）や図４（ａ）および図５（ａ）で示したカレントミラー回路を、ワイドラー型やウィルソン型に変更することもできる。また、例えば、図２（ｂ）で示した電流サンプルスイッチＳＷ１１と垂直ライン接続スイッチＳＷ１２の動作タイミングにおいて、電流サンプルスイッチＳＷ１１を閉じるタイミングを、垂直ライン接続スイッチＳＷ１２を閉じるタイミングよりも先のタイミングとすることもできる。また、例えば、単位画素１が二次元的に配置された画素部２において、各単位画素１内のフォトダイオードＰＤを、それぞれ独立にリセットするトランジスタを追加した構成とすることもできる。
【０１２９】
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。
【符号の説明】
【０１３０】
１００，２００，３００，４００，５００・・・固体撮像装置
１，Ｐ，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２・・・単位画素
ＰＤ・・・フォトダイオード
Ｍ１・・・転送トランジスタ
Ｍ２，Ｍ１０５，Ｍ１０６・・・リセットトランジスタ
Ｍ３，Ｍ１０３・・・増幅トランジスタ
Ｍ４，Ｍ１０４・・・選択トランジスタ
２・・・画素部
３・・・垂直走査回路
Ｉ１１，Ｉ１２・・・画素バイアス部
Ｉ１１１・・・フォロアアンプ用電流源
Ｉ１１２・・・反転アンプ用電流源
ＶＲＥＦ・・・基準電圧源
Ｍ１１・・・フォロアアンプ用電流供給トランジスタ
Ｍ１２・・・反転アンプ用電流設定トランジスタ
Ｍ１３，Ｍ１４・・・カレントミラー回路
Ｍ１５・・・カレントコピア用トランジスタ
Ｍ１６・・・差動入力用電流供給トランジスタ
Ｍ２１・・・差動入力トランジスタ
ＳＷ１・・・電源切り替えスイッチ
ＳＷ２・・・電源切り替えスイッチ
ＳＷ３・・・電源切り替えスイッチ
ＳＷ１１・・・電流サンプルスイッチ
ＳＷ１２・・・垂直ライン接続スイッチ
ＳＷ２１・・・基準電圧入力スイッチ
ＳＷ２２・・・フォロア出力用スイッチ
Ｃ１１・・・サンプルホールド容量
ＣＦ・・・帰還容量
【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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