(57)【要約】【課題】  電流源トランジスタの閾値Ｖｔｈが設計値からずれたとしても、電流源トランジスタに流れる電流を適正に維持する。【解決手段】  画素２は、フォトダイオード１０と、フローティングディフュージョン１２と、フローティングディフュージョン１２の電位に応じた電流を流す出力トランジスタ１４とを含み、電流源１００は、電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂと、電流源トランジスタのゲートのサイズを第１および第２のサイズに選択的に切り替えるスイッチトランジスタ１０２ａとを含む。【選択図】図２
2011015334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素と電流源とが垂直信号線を介して接続された固体撮像装置であって、
前記画素は、フォトダイオードと、第１スイッチを介して前記フォトダイオードに接続されていると共に第２スイッチを介して電源に接続されているフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電流を流す出力トランジスタとを含み、
前記電流源は、ゲートにバイアス信号線が接続されており前記出力トランジスタとの組でソースフォロアを構成している電流源トランジスタと、前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１および第２のサイズに選択的に切り替える第３スイッチとを含むこと
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電流源トランジスタは、それぞれのゲートに前記バイアス信号線が接続された第１および第２のトランジスタから構成され、
前記電流源トランジスタのゲートのサイズは、前記第３スイッチの動作により、前記第１のトランジスタのみが前記垂直信号線に接続されたときに前記第１のサイズになり、前記第１および第２のトランジスタの両方が並列に前記垂直信号線に接続されたときに前記第２のサイズにな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】
前記第１および第２のトランジスタのサイズが同一であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
画素と電流源とが垂直信号線を介して接続されており、前記画素は、フォトダイオードと、第１スイッチを介して前記フォトダイオードに接続されていると共に第２スイッチを介して電源に接続されているフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電流を流す出力トランジスタとを含み、前記電流源は、ゲートにバイアス信号線が接続されており前記出力トランジスタとの組でソースフォロアを構成している電流源トランジスタと、前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１および第２のサイズに選択的に切り替える第３スイッチとを含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記バイアス信号線に第１のバイアス電位が印加された状態において、前記第３のスイッチを動作させて前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１のサイズから第２のサイズに切り替え、前記電流源トランジスタのゲートのサイズが第１のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位と第２のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位との差分を読み出す第１のステップと、
前記第１のステップにより読み出された差分を用いて、撮像モードの際に前記バイアス信号線に印加すべきバイアス電位を求める第２のステップと
を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
さらに、前記バイアス信号線に第２のバイアス電位が印加された状態において、前記第３のスイッチを動作させて前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１のサイズから第２のサイズに切り替え、前記電流源トランジスタのゲートのサイズが第１のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位と前記第２のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位との差分を読み出す第３のステップを含み、
前記第２のステップでは、さらに、前記第３のステップにより読み出された差分を用いることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
さらに、撮影モードの際に、前記第２のステップで求められたバイアス電位を前記バイアス信号線に印加する第４のステップを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記固体撮像装置は、さらに、前記垂直信号線に接続されたカラムアンプ、および、前記カラムアンプに水平信号線を介して接続された出力アンプを備え、前記カラムアンプおよび出力アンプの少なくとも一方は、ゲートがバイアス信号線に接続された電流源トランジスタを含み、
さらに、前記第１のステップにより読み出された差分を用いて前記カラムアンプおよび出力アンプの少なくとも一方に含まれている電流源トランジスタのゲートに接続されたバイアス信号線に印加すべきバイアス電位を求める第５のステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に用いられるＭＯＳ型の固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサは、高速、高感度、低消費電力など優れた特徴があり、ＭＯＳ型イメージセンサを搭載したデジタル一眼カメラ（ＤＳＬＲ）の市場は近年急速に拡大している。
図１５は、特許文献１に開示された固体撮像装置の画素および電流源の回路構成を示す図である。
【０００３】
画素２は、フォトダイオード１０、転送トランジスタ１１、フローティングディフュージョン１２、リセットトランジスタ１３、出力トランジスタ１４、選択トランジスタ１５を備える。フローティングディフュージョン１２は、転送トランジスタ１１を介してフォトダイオード１０に接続されていると共にリセットトランジスタ１３を介して電源線１６に接続されている。出力トランジスタ１４は、フローティングディフュージョン１２の電位Ｖｆｄに応じた電流を流す。
【０００４】
電流源９１は、電流源トランジスタ９２を備える。電流源トランジスタ９２のゲートにはバイアス信号線９３が接続されている。画素２の出力トランジスタ１４と電流源トランジスタ９２とでソースフォロアが構成されており、垂直信号線１８におけるノードＮ１の電位Ｖｓｆが外部に読み出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５１９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電流源トランジスタの閾値Ｖｔｈは、プロセスばらつきにより設計値からずれたり、カメラの動作温度に応じて変動することにより設計値からずれたりする場合がある。これらの場合、電流源トランジスタに流れる電流が設計値から変動し、その結果、ソースフォロアの応答速度に変動が生じる。特に、電流源トランジスタに流れる電流が小さくなる方向に変動した場合、ソースフォロアの応答速度が低下し、画素信号を適切に読み出すことができなくなる。また、電流源トランジスタに流れる電流が変動すれば、ソースフォロアの動作点（ＤＣバイアス）が変動し、最適範囲での動作ができなくなり、その結果、ダイナミックレンジが低下してしまう。
【０００７】
これらを防止するため、電流源トランジスタに流れる電流の設計値を、ある程度のマージンをみて大きめに設定しておくことも考えられる。しかしながら、そのようにすると消費電力が増大することとなるので、あまり好ましい方法とは言えない。
そこで、本発明は、電流源トランジスタの閾値Ｖｔｈが設計値からずれたとしても、電流源トランジスタに流れる電流を適正に維持することが可能な固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
画素と電流源とが垂直信号線を介して接続された固体撮像装置であって、前記画素は、フォトダイオードと、第１スイッチを介して前記フォトダイオードに接続されていると共に第２スイッチを介して電源に接続されているフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電流を流す出力トランジスタとを含み、前記電流源は、ゲートにバイアス信号線が接続されており前記出力トランジスタとの組でソースフォロアを構成している電流源トランジスタと、前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１および第２のサイズに選択的に切り替える第３スイッチとを含む。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、バイアス信号線にバイアス電位が印加された状態において、電流源トランジスタのゲートが第１のサイズのときに垂直信号線に現れる電位と電流源トランジスタのゲートが第２のサイズのときに垂直信号線に現れる電位との差分を検出することができる。この差分から電流源トランジスタの閾値を求めることができる。したがって、電流源トランジスタの閾値を適宜求め、それに応じてバイアス信号線に印加すべきバイアス電位を調整することにより、電流源トランジスタに流れる電流を適正に維持することができる。
【００１０】
また、電流源トランジスタは、それぞれのゲートに前記バイアス信号線が接続された第１および第２のトランジスタから構成され、電流源トランジスタのゲートのサイズは、第３スイッチの動作により、第１のトランジスタのみが垂直信号線に接続されたときに第１のサイズになり、第１および第２のトランジスタの両方が並列に垂直信号線に接続されたときに第２のサイズになることとしてもよい。この場合、２個のトランジスタのみで電流源トランジスタのサイズの切り替えを実現することができるので、３個以上のトランジスタを用いる場合よりもチップ面積の増大を抑えることができる。
【００１１】
また、第１および第２のトランジスタのサイズが同一であることとしてもよい。これにより、最も単純なモデルを用いて、検出された差分から電流源トランジスタの閾値を求めることができるので、電流源トランジスタの閾値の検出精度を高めることができる。
また、画素と電流源とが垂直信号線を介して接続されており、前記画素は、フォトダイオードと、第１スイッチを介して前記フォトダイオードに接続されていると共に第２スイッチを介して電源に接続されているフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電流を流す出力トランジスタとを含み、前記電流源は、ゲートにバイアス信号線が接続されており前記出力トランジスタとの組でソースフォロアを構成している電流源トランジスタと、前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１および第２のサイズに選択的に切り替える第３スイッチとを含む固体撮像装置の駆動方法であって、前記バイアス信号線に第１のバイアス電位が印加された状態において、前記第３のスイッチを動作させて前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１のサイズから第２のサイズに切り替え、前記電流源トランジスタのゲートのサイズが第１のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位と第２のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位との差分を読み出す第１のステップと、前記第１のステップにより読み出された差分を用いて、撮像モードの際に前記バイアス信号線に印加すべきバイアス電位を求める第２のステップとを含むこととしてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、バイアス信号線に第１のバイアス電位が印加された状態において、電流源トランジスタのゲートが第１のサイズのときに垂直信号線に現れる電位と電流源トランジスタのゲートが第２のサイズのときに垂直信号線に現れる電位との差分を検出することができる。この差分から電流源トランジスタの閾値を求めることができる。したがって、電流源トランジスタの閾値を適宜求め、それに応じてバイアス信号線に印加すべきバイアス電位を調整することにより、電流源トランジスタに流れる電流を適正に維持することができる。
【００１３】
また、さらに、前記バイアス信号線に第２のバイアス電位が印加された状態において、前記第３のスイッチを動作させて前記電流源トランジスタのゲートのサイズを第１のサイズから第２のサイズに切り替え、前記電流源トランジスタのゲートのサイズが第１のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位と前記第２のサイズのときに前記垂直信号線に現れた電位との差分を読み出す第３のステップを含み、前記第２のステップでは、さらに、前記第３のステップにより読み出された差分を用いることとしてもよい。このように、第１のバイアス電位が印加された状態において検出された差分と、第２のバイアス電位が印加された状態において検出された差分とを用いることで、電流源トランジスタの閾値の検出精度を高めることができる。
【００１４】
また、さらに、撮影モードの際に、前記第２のステップで求められたバイアス電位を前記バイアス信号線に印加する第４のステップを含むこととしてもよい。これにより、電流源トランジスタの閾値の変動に応じて印加するバイアス電位を調整することができる。
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記垂直信号線に接続されたカラムアンプ、および、前記カラムアンプに水平信号線を介して接続された出力アンプを備え、前記カラムアンプおよび出力アンプの少なくとも一方は、ゲートがバイアス信号線に接続された電流源トランジスタを含み、さらに、前記第１のステップにより読み出された差分を用いて前記カラムアンプおよび出力アンプの少なくとも一方に含まれている電流源トランジスタのゲートに接続されたバイアス信号線に印加すべきバイアス電位を求める第５のステップを含むこととしてもよい。これにより、カラムアンプおよび出力アンプに含まれる電流源トランジスタに流れる電流を適正に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の詳細構成を示す回路図
【図３】本発明の第１の実施形態における電流源のレイアウトを例示する平面図
【図４】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の詳細構成を示す回路図
【図５】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の詳細構成を示す回路図
【図６】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の撮影モードでの駆動方法を示すタイミングチャート
【図７】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の閾値検出モードでの駆動方法を示すタイミングチャート
【図８】閾値検出モードにおける各期間での電流源１００のゲート幅および電流源１００に印加されるバイアス電位Ｖｂの関係を示す図
【図９】電流源トランジスタに印加されるバイアス電位と電流源トランジスタに流れる電流との関係を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態におけるカメラの構成を示す図
【図１１】本発明の第２の実施形態におけるカメラの撮影モードでの動作を示すフローチャート
【図１２】本発明の第２の実施形態におけるカメラの閾値検出モードでの動作を示すフローチャート
【図１３】カラムアンプの構成についての変形例を示す図
【図１４】カラムアンプの構成についての変形例を示す図
【図１５】特許文献１に開示された固体撮像装置の画素および電流源の回路構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
＜構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
固体撮像装置は、撮像部１、行選択回路３、カラムアンプ４、クランプ回路５、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路６、マルチプレクサ７、列選択回路８、出力アンプ９、電流源１００から構成される。
【００１７】
撮像部１には、画素２が行列状に配列されている。ここでは、説明を簡単にするために４×４の１６画素配列が示されているが、実用上は多数の画素が配列されることが多い。
行選択回路３は、撮像部１に含まれる画素２を１行単位で選択し、選択行の画素に対して画素リセット信号および電荷転送信号を出力する。
電流源１００は、各列に設けられ、画素２と組になりソースフォロアを構成している。
【００１８】
カラムアンプ４は、各列に設けられ、画素２と電流源１００とで構成されるソースフォロアの出力を増幅する。
クランプ回路５は、各列に設けられ、カラムアンプ４の出力から、画素２で発生する固定パターンノイズ成分を除去する。
サンプルホールド回路６は、各列に設けられ、クランプ回路５の出力をサンプルおよびホールドする。
【００１９】
マルチプレクサ７は、列毎にスイッチを備え、各列のサンプルホールド回路６と水平信号線とを選択的に接続する。
列選択回路８は、マルチプレクサ７に含まれるスイッチを順次オンにする。
出力アンプ９は、マルチプレクサ７の動作により水平信号線に現れるサンプルホールド回路６の出力を増幅する。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の詳細構成を示す回路図である。ここでは、画素および電流源の構成が示されている。
画素２は、フォトダイオード１０、転送トランジスタ１１、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１２、リセットトランジスタ１３、出力トランジスタ１４、選択トランジスタ１５を備える。
【００２１】
フォトダイオード１０は、入射光に応じた電荷を生成する。
転送トランジスタ１１は、フォトダイオード１０とフローティングディフュージョン１２との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。転送トランジスタ１１のオンオフは、制御線２０に印加される電荷転送信号ＴＲＡＮにより制御される。
フローティングディフュージョン１２は、転送トランジスタ１１を介してフォトダイオード１０に接続されていると共にリセットトランジスタ１３を介して電源線１６に接続されている。
【００２２】
リセットトランジスタ１３は、電源線１６とフローティングディフュージョン１２との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。リセットトランジスタ１３のオンオフは、制御線１９に印加される画素リセット信号ＲＳＴにより制御される。
出力トランジスタ１４は、ドレインが電源線１６に接続され、ソースが垂直信号線１８に接続され、ゲートがフローティングディフュージョン１２に接続されている。これにより、フローティングディフュージョンの電位Ｖｆｄに応じた電流を流す機能を果たす。
【００２３】
選択トランジスタ１５は、出力トランジスタ１４と垂直信号線１８との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。選択トランジスタ１５のオンオフは、制御線２１に印加される行選択信号ＳＥＬにより制御される。
電流源１００は、電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂおよびスイッチトランジスタ１０２ａ，１０２ｂを備える。
【００２４】
電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂは、定電流源として機能する。電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂに流れる電流の大きさは、バイアス信号線１０３に印加されるバイアス電位の大きさにより制御される。バイアス電位は、外部のバイアス生成回路により生成される。
スイッチトランジスタ１０２ａは、電流源トランジスタ１０１ａと垂直信号線１８との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。スイッチトランジスタ１０２ａのオンオフは、制御線１０４に印加される電流源切替信号により制御される。
【００２５】
スイッチトランジスタ１０２ｂは、電流源トランジスタ１０１ｂと垂直信号線１８との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。本実施形態では、スイッチトランジスタ１０２ｂは固定的にオンに設定されている。
図３は、本発明の第１の実施形態における電流源のレイアウトを例示する平面図である。
【００２６】
半導体基板に、ドレインソース領域４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４７ａ，４７ｂ，４７ｃが形成され、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極４８，４９，５０が形成され、さらに、その上に層間絶縁膜を介して配線５１，５２が形成されている。配線５１，５２とドレインソース領域４６ａ，４６ｃ，４７ａ，４７ｃとはそれぞれコンタクト５３により電気的に接続されている。
【００２７】
電流源トランジスタ１０１ａは、ドレインソース領域４６ｂ，４６ｃとゲート電極５０とにより構成され、電流源トランジスタ１０１ｂは、ドレインソース領域４７ｂ，４７ｃとゲート電極５０とにより構成されている。
スイッチトランジスタ１０２ａは、ドレインソース領域４６ａ，４６ｂとゲート電極４８とにより構成され、スイッチトランジスタ１０２ｂは、ドレインソース領域４７ａ，４７ｂとゲート電極４９とにより構成されている。
【００２８】
本実施形態では、電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂのサイズ（ゲート幅およびゲート長）は同一である。したがって、スイッチトランジスタ１０２ａの接続状態を切り替えることにより、電流源１００の総ゲート幅をＷと、その２倍の２Ｗとに切り替えることができる。
図４は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の詳細構成を示す回路図である。ここでは、カラムアンプ、クランプ回路およびサンプルホールド回路の構成が示されている。
【００２９】
カラムアンプ４は、増幅トランジスタ２２、電流源トランジスタ２３、リセットトランジスタ２４、入力容量２６を備えている。増幅トランジスタ２２のゲートは、入力容量２６を介して垂直信号線１８のノードＮ１に接続されている。電流源トランジスタ２３は、定電流源として機能する。電流源トランジスタ２３に流れる電流の大きさは、バイアス信号線２８に印加されるバイアス電位の大きさにより制御される。リセットトランジスタ２４は、増幅トランジスタ２２のゲートに印加される電位をリセットする機能を果たす。リセットトランジスタ２４のオンオフは、制御線２９に印加されるカラムアンプリセット信号により制御される。
【００３０】
クランプ回路５は、クランプ容量３５（容量値Ｃｃｌ）およびクランプトランジスタ３６を備える。クランプ容量３５の第１端子はカラムアンプの出力ノードＮ２に接続されている。クランプトランジスタ３６は、クランプ信号線３７とクランプ容量３５の第２端子との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。クランプトランジスタ３６のオンオフは、制御線３８に印加されるクランプ信号により制御される。
【００３１】
サンプルホールド回路６は、入力トランジスタ３９およびサンプルホールド容量４０（容量値Ｃｓｈ）を備える。入力トランジスタ３９は、クランプ容量３５の第２端子とサンプルホールド容量４０の第１端子との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。入力トランジスタ３９のオンオフは、制御線４１に印加されるサンプルホールド容量入力信号により制御される。サンプルホールド容量４０の第２端子はグラウンドに接続されている。
【００３２】
図５は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の詳細構成を示す回路図である。ここでは、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、列選択回路および出力アンプの構成が示されている。
マルチプレクサ７は、列選択トランジスタ４２［１］，４２［２］，・・・４２［ｎ］を備える。第１列から第ｎ列まであるが、各列の構成は共通なので第１列のみ説明する。列選択トランジスタ４２［１］は、サンプルホールド容量４０［１］の出力ノードＮ３と水平信号線４３との接続状態を切り替えるスイッチとして機能する。列選択トランジスタ４２［１］のオンオフは、制御線４４［１］に印加される列選択信号Ｈ［１］により制御される。
【００３３】
列選択回路８は、第１列から第ｎ列まで順次列選択トランジスタ４２をオンにする。出力アンプ９は、水平信号線４３に現れた電位を増幅して出力する。
＜駆動方法＞
次に、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の駆動方法について説明する。固体撮像装置は、被写体を撮影するときには撮影モードで駆動され、電流源トランジスタの閾値を検出するときには閾値検出モードで駆動される。まず、撮影モードでの駆動方法について説明し、次に、閾値検出モードでの駆動方法について説明する。
【００３４】
［撮影モード］
図６は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の撮影モードでの駆動方法を示すタイミングチャートである。
撮影モードでは、電流源切替信号がローレベルに設定されるので、電流源１００においてスイッチトランジスタ１０２ａがオフになる。そのため、電流源１００の総ゲート幅がＷに設定される。
【００３５】
タイミングｔ１１において、画素リセット信号がハイレベルになるのでリセットトランジスタ１３がオンになる。このとき、電荷転送信号はローレベルなので転送トランジスタ１１はオフの状態が維持されている。これにより、フローティングディフュージョン１２の電位ＶｆｄがＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
次に、タイミングｔ１２において、画素リセット信号がローレベルになるのでリセットトランジスタ１３がオフになる。また、電荷転送信号はローレベルなので転送トランジスタ１１はオフのままである。このとき、行選択信号がハイレベルなので選択トランジスタ１５がオンであり、出力トランジスタ１４と電流源１００とでソースフォロアが構成されている。垂直信号線１８のノードＮ１に現れる電位Ｖｓｆが式（１）で示されるリセット電位Ｖｒになる。
【００３６】
Ｖｒ＝Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ１−√（Ｉ１／ａ１）        （１）
ａ１＝（１／２）・（Ｗ１／Ｌ１）・μｅｆｆ１・Ｃｏｘ１        （２）
ここで、Ｖｔｈ１，Ｗ１，Ｌ１，μｅｆｆ１，Ｃｏｘ１は、それぞれ出力トランジスタ１４の閾値、ゲート幅、ゲート長、移動度、ゲート酸化膜厚であり、Ｉ１は、電流源１００に流れる電流の大きさである。
【００３７】
電流源１００に流れる電流の大きさＩ１は、電流源切替信号がローレベルのため、式（３）で表される。
Ｉ１＝ａ２・（Ｖｂ１−Ｖｔｈ２）＾２          （３）
ａ２＝（１／２）・（Ｗ２／Ｌ２）・μｅｆｆ２・Ｃｏｘ２        （４）
ここで、Ｖｔｈ２，Ｗ２，Ｌ２，μｅｆｆ２，Ｃｏｘ２は電流源トランジスタ１０１ｂの閾値、ゲート幅、ゲート長、移動度、ゲート酸化膜厚である。
【００３８】
さらに、このリセット電位Ｖｒは、カラムアンプ４に入力される。カラムアンプ４では、カラムアンプリセット信号がハイレベルなので、増幅トランジスタ２２のゲートとドレインがショートされる。このとき、カラムアンプ４の出力電位Ｖｃａが画素信号に依存しない一定電位Ｖｃａｒｓｔになる。また、クランプ信号とサンプルホールド容量入力信号はいずれもハイレベルなので、サンプルホールド容量４０の出力ノードＮ３の電位Ｖｓｈがクランプ電位ＶＣＬに設定される。
【００３９】
次に、タイミングｔ１３において、電荷転送信号がハイレベルになるので転送トランジスタ１１がオンになる。これにより、フォトダイオード１０に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン１２に転送され、電位Ｖｆｄがこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下して、Ｖｆｄｒｅｓ−Ｖｆｄｓｉｇとなる（この動作を通常、相関二重サンプリング：ＣＤＳという）。
【００４０】
次に、タイミングｔ１４において、電荷転送信号がローレベルになるので転送トランジスタ１１がオフになる。このとき、垂直信号線１８のノードＮ１に現れる電位Ｖｓｆが式（５）で示されるリード電位Ｖｓになる。
Ｖｓ＝Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈ１−√（Ｉ１／ａ１）    （５）
このとき、カラムアンプリセット信号がローレベルなので、カラムアンプ４のリセット状態は解除されている。カラムアンプ４への入力がＶｆｄｓｉｇだけ変化（低下）するので、その出力は−Ｖｄｆｓｉｇ×（−Ａ）だけ変化（上昇）する。ここで、Ａは、増幅トランジスタ２２の相互コンダクタンスｇｍと電流源トランジスタ２３の相互コンダクタンスｇｍの比で決まる増幅率である（以降、信号および増幅率の負極性は省略する）。その結果、サンプルホールド容量４０の出力ノードＮ３の電位Ｖｓｈは、Ｖｆｄｓｉｇ×Ａ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ上昇する。
【００４１】
この電位変化は、リセット電位Ｖｒとリード電位Ｖｓとの差分に対応した電位、すなわち画素信号に相当する。
次に、タイミングｔ１５において、サンプルホールド容量入力信号がローレベルとなるので、入力トランジスタ３９がオフになる。これにより、画素信号に相当する電位がサンプルホールド容量４０に保持される。
【００４２】
各列のサンプルホールド回路６に書き込まれた画素信号は、水平信号線４３および出力アンプ９を介して順次出力される。この動作を撮像部１の行数だけ繰り返すことにより、撮像部１全体の画素信号を外部出力することができる。
［閾値検出モード］
図７は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の閾値検出モードでの駆動方法を示すタイミングチャートである。また、図８は、閾値検出モードにおける各期間での電流源１００のゲート幅および電流源１００に印加されるバイアス電位Ｖｂの関係を示す図である。閾値検出モードでは、期間１にはバイアス電位Ｖｂ１が印加され、期間２にはバイアス電位Ｖｂ２が印加される。また、各期間において期間中に電流源１００のゲート幅がＷと、その２倍の２Ｗとで切り替えられる。
【００４３】
タイミングｔ２１において、画素リセット信号がハイレベルになるのでリセットトランジスタ１３がオンになる。これにより、フローティングディフュージョン１２の電位ＶｆｄがＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。このとき、電流切替信号はローレベルであり、電流源１００に印加されるバイアス電位ＶｂはＶｂ１であるので、垂直信号線１８のノードＮ１に現れる電位Ｖｓｆが式（６）で示されるリセット電位Ｖ１ｒになる。
【００４４】
Ｖ１ｒ＝Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ１−√（Ｉ１／ａ１）        （６）
Ｉ１＝ａ２・（Ｖｂ１−Ｖｔｈ２）＾２                    （７）
ここで、ａ１，ａ２は、それぞれ式（２），（４）で表されたものと同じである。このリセット電位Ｖ１ｒは、カラムアンプ４に入力される。このとき、カラムアンプ４の出力電位Ｖｃａは一定電位Ｖｃａｒｓｔになる。また、サンプルホールド容量４０の出力ノードＮ３の電位Ｖｓｈがクランプ電位ＶＣＬに設定される。
【００４５】
次に、タイミングｔ２２において、電流源切替信号がハイレベルになり、電流源１００の総ゲート幅が２倍の２Ｗになる。その結果、垂直信号線１８のノードＮ１に現れる電位Ｖｓｆが式（８）で示されるリード電位Ｖ１ｓになる。
Ｖ１ｓ＝Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ１−√（Ｉ２／ａ１）        （８）
Ｉ２＝２・ａ２・（Ｖｂ１−Ｖｔｈ２）＾２                （９）
電流Ｉ２は、電流Ｉ１の２倍の関係にある。このとき、カラムアンプ４への入力が式（１０）で表されるΔＶ１だけ変化する。
【００４６】
ΔＶ１＝（√２−１）・√（ａ２／ａ１）・（Ｖｂ１−Ｖｔｈ２）    （１０）
そのため、カラムアンプ４の出力電位Ｖｃａは、ΔＶ１×Ａだけ上昇し、その結果、サンプルホールド容量４０の出力ノードＮ３の電位Ｖｓｈは、ΔＶ１×Ａ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ上昇する。これが水平信号線４３および出力アンプ９を介して読み出され、式（１１）で表される出力電位Ｖｏ１が得られる。
【００４７】
Ｖｏ１＝α・（Ｖｂ１−Ｖｔｈ２）    （１１）
ただし、αは比例定数である。これにより、期間１に、バイアス電位Ｖｂ１に設定された状態でゲート幅を１倍から２倍に切り替えたときの出力電位Ｖｏ１を得ることができる。
期間２では、電流源１００に印加されるバイアス電位がＶｂ２に設定されること以外は期間１と同様に駆動される。その結果、式（１２）で表される出力電位Ｖｏ２が得られる。
【００４８】
Ｖｏ２＝α・（Ｖｂ２−Ｖｔｈ２）    （１２）
バイアス電位Ｖｂ１，Ｖｂ２は既知なので、得られた出力電位Ｖｏ１，Ｖｏ２を用いて電流源トランジスタ１０１ｂの閾値Ｖｔｈ２を検出することができる。
図９は、電流源トランジスタに印加されるバイアス電位と電流源トランジスタに流れる電流との関係を示す図である。
【００４９】
電流源トランジスタの閾値Ｖｔｈは、プロセスばらつきにより設計値からずれたり、カメラの動作温度に応じて変動することにより設計値からずれたりする場合がある。これらの場合、バイアス電位が固定されていれば、電流源トランジスタに流れる電流が設計値からずれることになる。図９では、バイアス電位Ｖｂｂの場合に、閾値がＶｔｈａからＶｔｈｃまでの範囲でばらつくと、電流源トランジスタに流れる電流がＩａからＩｃまでの範囲でばらつくことが示されている。
【００５０】
閾値のばらつきによる電流のばらつきを抑制するには、検出された閾値に応じて、電流源トランジスタに印加されるバイアス電位を調整することとすればよい。例えば、図９において、閾値がＶｔｈｂからＶｔｈｃにずれた場合に、バイアス電位をＶｂｂからＶｂｃに調整すれば、電流源トランジスタに流れる電流をＩｂに維持することができる。
（第２の実施形態）
以下、固体撮像装置を含むカメラについて説明する。
＜構成＞
図１０は、本発明の第２の実施形態におけるカメラの構成を示す図である。
【００５１】
カメラ６５は、固体撮像装置５８、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）５９、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）６０、メモリ６１、タイミングジェネレータ（ＴＧ）６２、システムコントローラ６３、バイアス生成回路６４およびディスプレイ６７を備える。カメラ６５には、光学レンズユニット６６が装着されている。固体撮像装置５８としては、第１の実施形態の固体撮像装置が利用される。
【００５２】
固体撮像装置５８から出力された画素信号は、ＡＦＥ５９において増幅およびＡ／Ｄ変換され、ＤＳＰ６０において画像データに変換される。画像データはメモリ６１に保存され、または、ディスプレイ６７に送られる。
ＴＧ６２は、固体撮像装置５８の駆動に必要な各種のパルス信号を生成する。
バイアス生成回路６４は、固体撮像装置５８の駆動に必要な各種のバイアス電位を生成する。電流源１００に印加されるバイアス電位は、システムコントローラ６３の制御により適宜調整される。バイアス生成回路６４の具体的な構成としては、例えば、次のようなものが採用可能である。
（ａ）分圧抵抗により複数種類のバイアス電位が出力可能であり、そのうちのひとつのバイアス電位を選択的に出力するスイッチを含む構成。
（ｂ）ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路とＬＰＦ（Low Pass Filter）回路とを組み合わせた構成。
（ｃ）デジタルアナログコンバータ
＜動作＞
図１１は、本発明の第２の実施形態におけるカメラの撮影モードでの動作を示すフローチャートである。
【００５３】
まず、固体撮像装置５８が撮影モードで駆動されるように駆動パラメータを設定する（ステップＳ１１）。具体的には、ＴＧ６２の駆動パターンを撮影モードに設定する。また、バイアス生成回路６４にバイアス電位Ｖｂ１を生成させる。
次に、シャッターボタンが押されるまで待機し（ステップＳ１２：Ｎｏ）、シャッターボタンが押されたら（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１で設定された駆動パラメータで固体撮像装置５８を駆動して、被写体を撮像する（ステップＳ１３）。
【００５４】
次に、撮像により得られた画像データをメモリに一時保管する。なお、撮像と画像記録とは並行して行われることもある。メモリに保管された画像データは必要に応じて出力される。
図１２は、本発明の第２の実施形態におけるカメラの閾値検出モードでの動作を示すフローチャートである。
【００５５】
まず、固体撮像装置５８が図７における期間１のタイミングで駆動されるように駆動パラメータを設定する（ステップＳ２１）。具体的には、ＴＧ６２の駆動パターンを閾値検出モード（期間１）設定する。また、バイアス生成回路６４にバイアス電位Ｖｂ１を生成させる。
次に、ステップＳ２１で設定された駆動パラメータで固体撮像装置５８を駆動する（ステップＳ２２）。
【００５６】
次に、固体撮像装置５８の駆動により得られた出力電位Ｖｏ１を保持する（ステップＳ２３）。
次に、固体撮像装置５８が図７における期間２のタイミングで駆動されるように駆動パラメータを設定する（ステップＳ２４）。具体的には、ＴＧ６２の駆動パターンを閾値検出モード（期間２）に設定する。また、バイアス生成回路６４にバイアス電位Ｖｂ２を生成させる。
【００５７】
次に、ステップＳ２４で設定された駆動パラメータで固体撮像装置５８を駆動する（ステップＳ２５）。
次に、固体撮像装置５８の駆動により得られた出力電位Ｖｏ２を保持する（ステップＳ２６）。
次に、得られた出力電位Ｖｏ１，Ｖｏ２を用いて電流源トランジスタ１０１ｂの閾値を検出する（ステップＳ２７）。
【００５８】
次に、検出された閾値から適正なバイアス電位を算出する（ステップＳ２８）。具体的には、例えば、図９のグラフに相当するテーブルを記憶しておき、検出された閾値と電流の設定値とから適正なバイアス電位を求める。
次に、電流源１００に印加されるバイアス電位を調整する（ステップＳ２９）。具体的には、ステップＳ２８により算出されたバイアス電位が生成されるようにバイアス生成回路６４を制御する。なお、ステップＳ２７，Ｓ２８，Ｓ２９は、時間的に連続して行う必要はなく、途中のステップまで進め、それまでに得られたデータをメモリに保存しておき、必要なタイミングでデータをメモリから読み出して続きのステップを実行することとしても構わない。
【００５９】
なお、閾値検出モードの実施条件としては、例えば、電源オン時の初期化動作中に実施、撮影モードと交互に実施、あるいは、温度センサ等により急激な温度変化が検出されたときに適宜実施などが考えられる。
本発明の実施形態によれば、電流源トランジスタの閾値を検出し、検出された閾値を用いて適正なバイアス電位を求めることができるので、電流源トランジスタに流れる電流を適正に維持することができる。
【００６０】
以上、本発明に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）閾値検出モードでは、バイアス電位を２種類に異ならせて出力電位Ｖｏ１，Ｖｏ２を検出することにより、電流源トランジスタの閾値Ｖｔｈを検出している。しかしながら、本発明はこれに限られない。比例定数αが既知の場合には、出力電位Ｖｏ１，Ｖｏ２の何れか一方だけを検出するだけで、電流源トランジスタの閾値Ｖｔｈを検出することができる。
（２）実施形態では、電流源のゲートの切替比が２倍であるが、本発明は、これに限らず、それ以外の倍率でもよい。
（３）実施形態では、電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂのサイズが同一であるが、本発明はこれに限られず、これらのサイズが異なっていてもよい。ただし、サイズが同一の場合には、最も単純なモデルを用いて電流源トランジスタの閾値を求めることができるので、電流源トランジスタの閾値の検出精度を高めることができる。
（４）実施形態では、電流源１００が２個の電流源トランジスタから構成されているが、本発明は、これに限らず３個以上の電流源トランジスタから構成されることとしてもよい。ただし、チップ面積の増大を抑える観点からは、２個で構成するのが好ましい。
（５）実施形態では、電流源トランジスタ１０１ｂのみが接続される状態と電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂが接続される状態とを切り替えることにより、電流源１００のゲートサイズを切り替えることとしているが、本発明はこれに限られない。例えば、電流源トランジスタ１０１ａ，１０１ｂのゲートサイズが異なっていれば、これらを択一的に接続することにより電流源１００のゲートサイズを切り替えることができる。
（６）実施形態では、電流源１００のゲートサイズの切り替えは、ゲート幅の切り替えによりなされているが、本発明はこれに限られない。
【００６１】
例えば、式（３），（４）から明らかなように、ゲート長、移動度、ゲート酸化膜厚などを切り替えることでもゲートサイズを切り替えることが可能である。
（７）実施形態に示された電流源は、少なくとも１列だけにあれば本発明の目的を達成することができる。残りの列は従来の電流源としてもよい。なお、複数の列に実施形態に示された電流源を採用する場合には、検出された閾値の平均値をとることとしてもよい。
（８）実施形態では、電流源１００に含まれる電流源トランジスタ１０１ｂの閾値を検出することにより、電流源トランジスタ１０１ｂのバイアス電位を求めることとしているが、本発明はこれに限られない。同一チップ内であれば他の回路ブロックに含まれる電流源トランジスタも同等の閾値を有する。そこで、電流源トランジスタ１０１ｂの閾値を検出することにより、さらに、他の回路ブロック（例えば、カラムアンプ、出力アンプなど）に含まれる電流源トランジスタのバイアス電位を求めることとしてもよい。
【００６２】
また、出力アンプにバッファ回路が含まれている場合に、電流源トランジスタ１０１ｂと同種（サイズが異なるが、拡散構造やプロファイルなどが同一）の電流源トランジスタを採用することにより、電流源トランジスタ１０１ｂと同様にバイアス電位を調整することができる。
（９）実施形態では、各列に設けられた回路は全てＮＭＯＳのみで構成することができる。
（１０）実施形態では、カラムアンプ４がＮＭＯＳトランジスタを利用したソース接地回路で構成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、図１３に示すように電流源７５が接続されたオペアンプ７０で構成されていてもよいし、図１４に示すように電流源トランジスタ７９で駆動される差動アンプで構成されていてもよい。
（１１）実施形態では、固体撮像装置、ＡＦＥ、ＤＳＰ、ＴＧ、メモリが個別部品として記載されているが、一部または全部を同一チップに集積することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、例えば、デジタルカメラに利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１    撮像部
２    画素
３    行選択回路
４    カラムアンプ
５    クランプ回路
６    サンプルホールド回路
７    マルチプレクサ
８    列選択回路
９    出力アンプ
１０    フォトダイオード
１１    転送トランジスタ
１２    フローティングディフュージョン
１３    リセットトランジスタ
１４    出力トランジスタ
１５    選択トランジスタ
１６    電源線
１８    垂直信号線
１９    制御線
２０    制御線
２１    制御線
２２    増幅トランジスタ
２３    電流源トランジスタ
２４    リセットトランジスタ
２６    入力容量
２８    バイアス信号線
２９    制御線
３５    クランプ容量
３６    クランプトランジスタ
３７    クランプ信号線
３８    制御線
３９    入力トランジスタ
４０    サンプルホールド容量
４１    制御線
４２    列選択トランジスタ
４３    水平信号線
４４    制御線
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ  ドレインソース領域
４７ａ，４７ｂ，４７ｃ  ドレインソース領域
４８，４９，５０  ゲート電極
５１，５２  配線
５３    コンタクト
５８    固体撮像装置
５９    ＡＦＥ
６０    ＤＳＰ
６１    メモリ
６２    ＴＧ
６３    システムコントローラ
６４    バイアス生成回路
６５    カメラ
６６    光学レンズユニット
６７    ディスプレイ
１００    電流源
１０１ａ，１０１ｂ  電流源トランジスタ
１０２ａ，１０２ｂ  スイッチトランジスタ
１０３    バイアス信号線
１０４    制御線
【図１】
2011015334.tif 000003
【図２】
2011015334.tif 000004
【図３】
2011015334.tif 000005
【図４】
2011015334.tif 000006
【図５】
2011015334.tif 000007
【図６】
2011015334.tif 000008
【図７】
2011015334.tif 000009
【図８】
2011015334.tif 000010
【図９】
2011015334.tif 000011
【図１０】
2011015334.tif 000012
【図１１】
2011015334.tif 000013
【図１２】
2011015334.tif 000014
【図１３】
2011015334.tif 000015
【図１４】
2011015334.tif 000016
【図１５】
2011015334.tif 000017