(57)【要約】【課題】列アンプを具備する固体撮像装置において、列アンプの出力レンジを適宜変更する。【解決手段】列アンプ２は、ゲートに固定電位が入力された負荷トランジスタＭ２１と、入力点３５の電位に応じた電流値の電流を流す駆動部３２と、画素信号がリセット電位のときにオン状態となり画素信号が読み出し電位のときにオフ状態となるリセットトランジスタＭ２５と、出力点３６の電位が所定電位未満であればオフ状態となり出力点３６の電位が所定電位以上であればオン状態となるクリップトランジスタＭ２６とを備え、駆動部３２は、第１および第２の電流駆動能力を選択的に適用可能な回路構成を有する。【選択図】図２
2009290703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列された複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイの各列に対応して配設され、対応する列の画素の画素信号を増幅する列アンプとを備えた固体撮像装置であって、
各列アンプは、
画素信号の入力点および出力点と、
電源配線と前記出力点とを結ぶ電流路に挿設され、ゲートに固定電位が入力された負荷トランジスタと、
前記出力点とグラウンド配線とを結ぶ電流路に挿設され、前記入力点の電位に応じた電流値の電流を流す駆動部と、
前記出力点と前記入力点とを結ぶ電流路に挿設され、前記画素信号がリセット電位のときにオン状態となり、前記画素信号が読み出し電位のときにオフ状態となるリセット素子と、
前記入力点と前記出力点とを結ぶ電流路に挿設され、前記出力点の電位が所定電位未満であればオフ状態となり前記出力点の電位が所定電位以上であればオン状態となる制限素子とを備え、
前記駆動部は、第１および第２の電流駆動能力を選択的に適用可能な回路構成を有し、外部から入力された制御信号により特定される電流駆動能力を適用すること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動部は、
第１および第２の駆動トランジスタと第１および第２のスイッチ素子とを含み、
前記第１の駆動トランジスタのドレインは前記第１のスイッチ素子を介して前記出力点に接続され、前記第１の駆動トランジスタのソースは前記グラウンド配線に接続され、前記第１の駆動トランジスタのゲートは前記入力点に接続され、
前記第２の駆動トランジスタのドレインは前記第２のスイッチ素子を介して前記出力点に接続され、前記第２の駆動トランジスタのソースは前記グラウンド配線に接続され、前記第２の駆動トランジスタのゲートは前記入力点に接続され、
前記第１および第２のスイッチ素子の一方がオン状態のときに他方がオフ状態になり、
前記第１の駆動トランジスタの電流駆動能力と前記第２の駆動トランジスタの電流駆動能力とが異なること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記駆動部は、
第１および第２の駆動トランジスタと第１および第２のスイッチ素子とを含み、
前記第１の駆動トランジスタのドレインは前記出力点に接続され、前記第１の駆動トランジスタのソースは前記グラウンド配線に接続され、前記第１の駆動トランジスタのゲートは前記入力点に接続され、
前記第２の駆動トランジスタのドレインは前記出力点に接続され、前記第２の駆動トランジスタのソースは前記グラウンド配線に接続され、前記第２の駆動トランジスタのゲートは前記第１のスイッチ素子を介して前記入力点に接続されるとともに前記第２のスイッチ素子を介して前記グラウンド配線に接続され、
前記第１および第２のスイッチ素子の一方がオン状態のときに他方がオフ状態になること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記制限素子は、ゲートに前記所定電位に応じた基準電位が入力されたクリップトランジスタであり、
前記固体撮像装置は、さらに、前記クリップトランジスタのゲートに前記基準電位を供給するとともに外部からの制御信号に基づいて前記基準電位の値を変更する電圧発生回路を備えること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記クリップトランジスタのウェルと前記クリップトランジスタのソースとが配線により接続されていること
を特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記クリップトランジスタの閾値は、列アンプに含まれるいずれのトランジスタの閾値よりも低いこと
を特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
各列アンプは、さらに、
前記出力点と前記入力点とを結ぶ電流路に挿設されたキャパシタを含むこと
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
各列アンプは、カスコード増幅回路の構成を有すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１に記載の固体撮像装置と、
前記画素アレイへの入射光量に応じて前記第１および第２の電流駆動能力のいずれかを選択し、選択された電流駆動能力を特定する制御信号を前記駆動部に入力する制御部と
を備えることを特徴とするカメラ。
【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固体撮像装置に関し、特に、画質を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ型の固体撮像装置では、一般に、画素アレイから行単位でパラレルに画素信号を読み出し、読み出された画素信号を一旦各列の列メモリに保持させ、各列の列メモリから画素信号をシリアルに出力するという読出方式が採用されている。また、多くの従来例では、画素アレイの各列の垂直信号線にアンプ（以下「列アンプ」と称する）が挿設されている。
【０００３】
図９は、特許文献１に記載された固体撮像装置の列アンプを示す回路図であり、図１０は、特許文献２に記載された固体撮像装置の列アンプを示す回路図である。
画素信号Ｖｐｉｘの電位は、画素がリセット期間のときリセット電位Ｖ１となり、リセット期間に引き続く読み出し期間のとき読み出し電位Ｖ２まで変化する。列アンプのリセットトランジスタＭ５３は、リセット期間にオン状態にされ、読み出し期間にオフ状態とされる。リセット期間では列アンプの出力点５６の電位Ｖｏｕｔは、リセットトランジスタＭ５３を通じて入力点５５にフィードバックされて、駆動トランジスタＭ５２の電流駆動能力により定まる電位Ｖａｍｐｒｓｔとなる。読み出し期間では列アンプの出力点５６の電位Ｖｏｕｔは、画素信号Ｖｐｉｘの電位変化に伴って変化し、Ｖａｍｐｒｓｔ＋（Ｃ１／Ｃ２）・（Ｖ２−Ｖ１）となる。これは光照射量に相当する電位差（Ｖ２−Ｖ１）がゲイン（Ｃ１／Ｃ２）で増幅されることを意味する。
【特許文献１】特開平５−２０７２２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献２の列アンプの構成では、列アンプの出力電位の下限は、駆動トランジスタＭ５２の電流駆動能力により定まる電位Ｖａｍｐｒｓｔであり、出力電位の上限は、クリップトランジスタＭ５４のゲートに入力されている基準電位ＶｃｕｔにクリップトランジスタＭ５４の閾値Ｖｔｈｃｕｔを足した電位（Ｖｃｕｔ＋Ｖｔｈｃｕｔ）である。特許文献２の記載によれば、基準電位Ｖｃｕｔは、負荷トランジスタＭ５１が飽和領域で動作する範囲内の電位に定められている。また特許文献１の列アンプの構成では、列アンプの出力電位の下限は、特許文献２と同様であり、列アンプの出力電位の上限は電源電位である。このように従来技術では、出力電位の上限および下限（すなわち出力レンジ）は固定的である。
【０００５】
ここで列アンプを具備する固体撮像装置における電源レイアウトの特殊性について検討する。図１１は、列アンプを具備する固体撮像装置において列アンプを駆動するための電源レイアウトを示す概略図である。
各列の列アンプ２は、画素アレイ１１の各列に対応して配設されるため、必然的に水平方向に並設される。電源配線５３は電源パッド５１から水平方向に延設され、同様に、グラウンド配線５４はグラウンドパッド５２から水平方向に延設されている。各列の列アンプ２は、電源配線５３およびグラウンド配線５４に共通に接続されている。そのため、ある列の列アンプ２の消費電流（負荷トランジスタＭ５１に流れる負荷電流）の変動により電源電位あるいはグラウンド電位が変動すれば、周囲の列の列アンプ２に与えられる電源電位あるいはグラウンド電位も変動する。特に上記電源レイアウトでは配線抵抗が大きいので、わずかな負荷電流の変動でも大きな電位変動を生じさせてしまう。そうすると各列の列アンプは適正な出力電位から電源電位等の変動に起因する分だけシフトした電位を出力することになり、画像劣化を生じさせることになる。
【０００６】
特許文献１に記載された列アンプの構成では、画素に入射された光の明暗により列アンプの出力電位が変動したとき、負荷トランジスタＭ５１に流れる負荷電流が大幅に変動するので画像劣化が生じやすい。一方、特許文献２に記載された列アンプの構成では、負荷トランジスタＭ５１が飽和領域で動作しているので、列アンプの出力電位の変動による負荷電流の変動はわずかな量となる。それでも負荷電流の変動が完全に抑制されるわけではないので、列アンプの出力レンジは必要最小限に設定するのが望ましい。この列アンプの出力レンジとして必要最小限の範囲は撮影条件等に応じて変化するが、特許文献１，２に記載された列アンプでは出力レンジを必要に応じて変更させることができない。
【０００７】
そこで本発明は、列アンプを具備する固体撮像装置において、列アンプの出力レンジを適宜変更することができる技術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】
本発明に係る固体撮像装置は、行列状に配列された複数の画素を有する画素アレイと、前記画素アレイの各列に対応して配設され、対応する列の画素の画素信号を増幅する列アンプとを備えた固体撮像装置であって、各列アンプは、画素信号の入力点および出力点と、電源配線と前記出力点とを結ぶ電流路に挿設され、ゲートに固定電位が入力された負荷トランジスタと、前記出力点とグラウンド配線とを結ぶ電流路に挿設され、前記入力点の電位に応じた電流値の電流を流す駆動部と、前記出力点と前記入力点とを結ぶ電流路に挿設され、前記画素信号がリセット電位のときにオン状態となり、前記画素信号が読み出し電位のときにオフ状態となるリセット素子と、前記入力点と前記出力点とを結ぶ電流路に挿設され、前記出力点の電位が所定電位未満であればオフ状態となり前記出力点の電位が所定電位以上であればオン状態となる制限素子とを備え、前記駆動部は、第１および第２の電流駆動能力を選択的に適用可能な回路構成を有し、外部から入力された制御信号により特定される電流駆動能力を適用する。
【０００９】
本発明に係るカメラは、上記固体撮像装置と、前記画素アレイへの入射光量に応じて前記第１および第２の電流駆動能力のいずれかを選択し、選択された電流駆動能力を特定する制御信号を前記駆動部に入力する制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
列アンプの出力電位の下限は、リセット素子がオン状態のときにおける駆動部の電流駆動能力により定まる。上記構成によれば、列アンプの出力電位の下限、ひいては列アンプの出力レンジを適宜変更することができる。したがって従来技術よりも撮影状況等に応じた適切な範囲に列アンプの出力レンジを設定することができ、画像劣化の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す概略構成図である。
固体撮像装置１０は、画素アレイ１１、列アンプ群１２、ノイズキャンセル回路群１３、マルチプレクサ１４、負荷回路群１５、水平走査回路１６、出力アンプ１７、垂直走査回路１８、電圧発生回路１９およびタイミング制御部２０を備える。
【００１２】
画素アレイ１１には行列状に配列された複数の画素１が含まれている。また画素アレイ１１の各列に対応して列アンプ２、ノイズキャンセル回路３、スイッチ素子４および負荷回路５が配設されている。
画素アレイ１１に含まれる画素１は、垂直走査回路１８の動作により、行単位でリセット、電荷蓄積、読み出しが行われる。行単位で読み出された画素信号は各列の列アンプ２により増幅され、ノイズキャンセル回路３によりアンプのオフセットばらつきがキャンセルされて保持される。ノイズキャンセル回路群１３に保持された１行分の画素信号は、水平走査回路１６の動作により、マルチプレクサ１４および出力アンプ１７を経由して順次出力される。電圧発生回路１９は、固体撮像装置１０内の各回路に必要な各種電圧を発生させる。タイミング制御部２０は、固体撮像装置１０内の各回路を同期させて駆動する。
【００１３】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の一部を示す回路図である。具体的には、ある列の１つの画素１、列アンプ２およびノイズキャンセル回路３が挙げられている。
画素１は、フォトダイオード（ＰＤ）、フローティングディフュージョン部（ＦＤ）、リセットトランジスタＭ１１、転送トランジスタＭ１２、読み出しトランジスタＭ１３、選択トランジスタＭ１４を備える。転送トランジスタＭ１２は、ＰＤとＦＤとを結ぶ電流路に挿設されている。転送トランジスタＭ１２のオンオフは、ゲートに入力された電荷転送信号Ｓ１２により制御される。リセットトランジスタＭ１１は、電源とＦＤとを結ぶ電流路に挿設されている。リセットトランジスタＭ１１のオンオフは、ゲートに入力された画素リセット信号Ｓ１１により制御される。読み出しトランジスタＭ１３は、電源と選択トランジスタＭ１４のドレインとを結ぶ電流路に挿設されている。読み出しトランジスタＭ１３のゲートは、ＦＤに接続されている。選択トランジスタＭ１４は、読み出しトランジスタＭ１３のソースと垂直信号線２２とを結ぶ電流路に挿設されている。選択トランジスタＭ１４のオンオフは、ゲートに入力された画素選択信号Ｓ１４により制御される。
【００１４】
列アンプ２は、入力容量Ｃ１、負荷部３１、駆動部３２、リセット部３３、出力電位制限部３４およびフィードバック容量Ｃ２を備える。入力容量Ｃ１は垂直信号線２２と入力点３５とを結ぶ電流路に挿設されており、垂直信号線２２の電位変化を駆動部３２に伝達する。負荷部３１は、負荷トランジスタＭ２１およびカスコードトランジスタＭ２２により構成されており、ソース接地アンプの負荷として機能する。負荷トランジスタＭ２１のゲートには負荷バイアス電位Ｓ２１が入力され、カスコードトランジスタＭ２２のゲートにはカスコードバイアス電位Ｓ２２が入力される。駆動部３２は、駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂ、スイッチトランジスタＭ２３ａ，Ｍ２３ｂにより構成されており、ソース接地アンプの駆動部として機能する。駆動トランジスタＭ２４ａのドレインはスイッチトランジスタＭ２４ａを介して出力点３６に接続され、駆動トランジスタＭ２４ａのソースはグラウンド配線５４に接続され、駆動トランジスタＭ２４ａのゲートは入力点３５に接続されている。また駆動トランジスタＭ２４ｂのドレインはスイッチトランジスタＭ２３ｂを介して出力点３６に接続され、駆動トランジスタＭ２４ｂのソースはグラウンド配線５４に接続され、駆動トランジスタＭ２４ｂのゲートは入力点３５に接続されている。ここで駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂの電流駆動能力は互いに異なるものとする。電流駆動能力を異ならせるのは、例えば、トランジスタのチャネル幅およびチャネル長を互いに異ならせることにより実現することができる。スイッチトランジスタＭ２３ａのゲートには列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ａが入力され、スイッチトランジスタＭ２３ｂのゲートには列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ｂが入力される。列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ａ，Ｓ２３ｂは一方がＨレベルになれば他方がＬレベルになるという関係をもつ。リセット部３３は、リセットトランジスタＭ２５により構成されている。リセットトランジスタＭ２５のゲートには、列アンプリセット信号Ｓ２５が入力される。出力電位制限部３４はクリップトランジスタＭ２６により構成されている。クリップトランジスタＭ２６のゲートには、列アンプクリップ信号Ｓ２６が入力される。フィードバック容量Ｃ２は、入力点３５と出力点３６とを結ぶ電流路に挿設されている。
【００１５】
ノイズキャンセル回路３は、クランプ容量Ｃｃ、サンプルホールド容量ＣｓおよびスイッチトランジスタＭ３１を備える。
図３および図４は、本発明の第１の実施形態に係る電圧発生回路の一部を例示する回路図である。具体的には、クリップトランジスタＭ２６のゲートに入力されるクリップ電位を生成するための構成が示されている。
【００１６】
まず、図３の例では、電圧発生回路１９では電源電圧が抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により抵抗分割され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点の電位Ｖｃｕｔ１および抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点の電位Ｖｃｕｔ２が得られる。電位Ｖｃｕｔ１，Ｖｃｕｔ２はそれぞれボルテージフォロワＯＰ１，ＯＰ２を介してスイッチＳＷに入力されている。スイッチＳＷは外部からの列アンプ出力電位上限調整信号４８に基づいて電位Ｖｃｕｔ１，Ｖｃｕｔ２のいずれかを出力する。
【００１７】
また図４の例では、電圧発生回路１９では、電流源負荷トランジスタ２０１と電流源ミラー回路トランジスタ２０２により決まる電流値をカレントミラー構成によりコピーしてバイアス電圧を発生する。電流源ミラー回路トランジスタ２０２を流れる電流は、各バイアス源に電流源バイアス用ミラー回路２０３、カスコードバイアス用ミラー回路２０４、クリップトランジスタバイアス用ミラー回路２０５を介してコピーされる。電流源バイアス用ミラー回路２０３の電流は、電流源バイアス源１２４で受けて電流源バイアス端子１３１から電位Ｖｂが得られる。カスコードバイアス用ミラー回路２０４の電流は、カスコードバイアス源１２５で受けてカスコードバイアス端子１３２から電位Ｖｃａｓが得られる。クリップトランジスタバイアス用ミラー回路２０５の電流は、クリップトランジスタバイアス部２２７で受けてクリップトランジスタバイアス端子１３４から電位Ｖｃｕｔが得られる。クリップトランジスタバイアス部２２７は、駆動能力が異なるクリップトランジスタバイアス源１２７ａ、１２７ｂを切り替えられる構成であり、発生電位をＶｃｕｔ１、Ｖｃｕｔ２のいずれかに切り替えることができる。
【００１８】
図１乃至図４に示す固体撮像装置１０は、以下の点に特徴を有している。
列アンプ２の駆動部３２は、駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂを選択的に適用可能であり、駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂの電流駆動能力は互いに異なる。列アンプ２の出力レンジの下限は駆動部３２の電流駆動能力により定まるので、駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂを選択的に適用することにより列アンプの出力レンジの下限を適宜変更することができる。
【００１９】
列アンプ２のクリップトランジスタＭ２６のゲートには、電位Ｖｃｕｔ１，Ｖｃｕｔ２のいずれかが選択的に入力される。列アンプ２の出力レンジの上限はクリップトランジスタＭ２６のゲートに入力された電位Ｖｃｕｔにクリップトランジスタの閾値Ｖｔｈｃｕｔを加えた電位により定まる。クリップトランジスタＭ２６のゲートに入力される電位を選択的に適用することにより列アンプ２の出力レンジの上限を適宜変更することができる。
【００２０】
また列アンプ２のクリップトランジスタＭ２６の閾値Ｖｔｈｃｕｔは、列アンプ２に含まれる他のトランジスタの閾値に比べて低く設定されている。さらに列アンプ２のクリップトランジスタＭ２６のウェルとソースとが接続されている。列アンプ２の出力レンジの上限をできるだけ低く設定しようとする場合、クリップトランジスタＭ２６の閾値により制限される。上記構成により、クリップトランジスタＭ２６の閾値ができるだけ低くなるので、列アンプ２の出力レンジの上限の設定範囲の下限を広げることができる。
【００２１】
次に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る画素信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
まずタイミングｔ０では、画素リセット信号Ｓ１１の電位をＨレベルとしてＦＤの電位をＶｐｒｓｔ（＝ＶＤＤ−Ｖｔｈ）にリセットする。同時に電荷転送信号Ｓ１２の電位をＨレベルにしてＰＤに残留している電荷をＦＤに転送し、ＰＤの蓄積電荷をゼロにする。
【００２２】
次に、タイミングｔ１では、画素リセット信号Ｓ１１の電位と電荷転送信号Ｓ１２の電位をＬレベルに戻す。これよりＰＤでの電荷の蓄積が始まる。
次に、タイミングｔ２では、画素リセット信号Ｓ１１の電位をＨレベルとして、ＦＤの電位をＶｐｒｓｔ（＝Ｖｄｄ−Ｖｔｈ）に再度リセットする。同時に、画素選択信号Ｓ１４の電位をＨレベルとして、読み出しトランジスタＭ１３と負荷回路５とからなるソースフォロアアンプを形成する。これによりＶｐｒｓｔ−Ｖｔｈの電位が垂直信号線２２に現れる（厳密にはＶｐｒｓｔ−Ｖｔｈ−αとなるが、説明を簡略化するためにαは省略する）。同時に列アンプリセット信号Ｓ２５をＨレベルとして、列アンプの入力点３５の電位と出力点３６の電位とをリセット電位Ｖａｍｐｒｓｔに設定する。なおこのとき、列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ａがＨレベルであり列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ｂがＬレベルである。したがってリセット電位Ｖａｍｐｒｓｔは、駆動トランジスタＭ２４ａの電流駆動能力により定まる電位となる。またクランプスイッチ信号Ｓ３１の電位をＨレベルとして、サンプルホールド（ＳＨ）端子の電位をクランプ電位Ｖｃｌに設定する。
【００２３】
次に、タイミングｔ３では、画素リセット信号Ｓ１１の電位をＬレベルに戻す。
次に、タイミングｔ４では、列アンプリセット信号Ｓ２５をＬレベルとして列アンプ２を増幅動作状態にする。同時に、クランプスイッチ信号Ｓ３１の電位をＬレベルとして、ＳＨ端子をフローティング状態とする。さらに、電荷転送信号Ｓ１２をＨレベルとして、ＰＤに蓄積された電荷をＦＤに転送する。その結果、ＦＤの電位はＶｐｒｓｔ−ΔＶ１となり、垂直信号線２２の電位はＶｐｒｓｔ−Ｖｔｈ−ΔＶ１ｏｕｔに低下する。ΔＶ１ｏｕｔの値は、ＰＤに蓄積された電荷に比例する。この電位低下の影響により、列アンプ２の入力点３５の電位はΔＶだけ下がり、列アンプの出力点３６の電位はΔＶ２だけ上がる。ΔＶ２／ΔＶ１ｏｕｔは列アンプのゲインに相当する。列アンプの出力点３６の電位の上昇により、クランプ容量Ｃｃを介してＳＨ端子の電位もＶｃｌからＶｃｌ＋ΔＶ２／２に増加する。ここで、ＣｃとＣｓの容量は等しいと仮定している。ＳＨ端子の電位を外部に読み出し、暗時の出力Ｖｃｌとの差分を検出することにより、画素信号を読み出すことができる。
【００２４】
さらに図６を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置および駆動方法の詳細について説明する。
図６は、列アンプの出力レンジを表す図である。縦軸は電位である。
列アンプ２の負荷電流が変動すると黒レベルの変動が発生するため、可能な限り負荷電流の変動を抑制しなければならない。一方、図２に示した列アンプ２は、一般的に定電流動作をするアンプであるが、定電流動作と言っても厳密には出力電位の変動に伴い負荷電流も変動する。
【００２５】
したがって、出力電位の上限は必要な範囲まで低減し、出力電位の下限は必要な範囲まで上昇させなければならない。列アンプの出力電位の上限は、出力電位制限部３４により決定される。なお出力電位制限部３４は、列アンプの出力電位が、（列アンプクリップ電位Ｖｃｕｔ）＋（クリップトランジスタＭ２６の閾値Ｖｔｈｃｕｔ）以上に変化しようとした場合、クリップトランジスタＭ２６がオフ状態からオン状態になり列アンプの入力点３５の電位を上昇させて列アンプの出力電位を下降させる。出力電位制限部３４の上記作用により、列アンプの出力電位は、（Ｖｃｕｔ＋Ｖｔｈｃｕｔ）以下に制限される。
【００２６】
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、列アンプクリップ電位をＶｃｕｔ１，Ｖｃｕｔ２のいずれかに切り替えることにより、列アンプの出力レンジの上限を変更している。またクリップトランジスタＭ２６のウェルとソースとが接続されているので、閾値Ｖｔｈｃｕｔがバックゲートバイアス効果により上昇することがなく、従来技術より出力電位の上限を低く設定すること出来る。さらにクリップトランジスタＭ２６の閾値Ｖｔｈｃｕｔ自体を低く製造することで、出力電位の上限をより低く設定することが出来る。
【００２７】
また本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂを選択的に適用することで、列アンプの出力電位の下限をＶａｍｐｒｓｔ１とＶａｍｐｒｓｔ２とで切り替えることができる。このように電流駆動能力を切り替えることにより、広い出力レンジが必要な場合と、出力電位の下限を上昇させなければならない場合との両方に対応することが出来る。その結果、列アンプの負荷電流の変動に起因する黒レベルずれを低減し、高画質な画像を得ることができる。また、列アンプの出力レンジを必要な範囲に調整することができるので、必要以上に黒レベルずれを発生させないように調整することが出来る。
【００２８】
なお上記の実施形態では、駆動部３２の電流駆動能力は２段階に切り替えているが、３つ以上の駆動トランジスタを並列に接続することにより、３段階以上に切り替えさせることとしてもよい。
なお上記の実施形態では、駆動部３２の電流駆動能力はトグル式に切り替えているが、使用するトランジスタ数を切り替えることにより、電流駆動能力を切り替えてもよい。
【００２９】
なお上記の実施形態では、入力容量とフィードバック容量との容量比が固定的であるが、容量比を切り替え可能な構成してもよい。
なお上記の実施形態では、電圧発生回路は固体撮像装置内部に含まれているが、外部に設けられることとしてもよい。
なお上記の実施形態では、クリップトランジスタのウェルとソースとの接続することと、クリップトランジスタの閾値を他のトランジスタよりも低く製造することを両方実施しているが、いずれか一方だけを実施することとしてもよいし、両方実施しなくてもよい。
【００３０】
なお上記以外の列アンプの構成として、ソース接地のカスコード接続負荷、容量フィードバック型アンプ、インバータ型アンプ、ソース接地の非カスコード接続負荷、フィードバック型アンプなどのその他のアンプ構成を用いることが出来る。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の一部を示す回路図である。具体的には、ある列の１つの画素１、列アンプ２およびノイズキャンセル回路３が挙げられている。第２の実施形態では駆動部３２の構成のみが第１の実施形態と異なる。
【００３１】
駆動部３２は、駆動トランジスタＭ２４ａ，Ｍ２４ｂ、スイッチトランジスタＭ２３ａ，Ｍ２３ｂにより構成されており、ソース接地アンプの駆動部として機能する。駆動トランジスタＭ２４ａのドレインは出力点３６に接続され、駆動トランジスタＭ２４ａのソースはグラウンド配線５４に接続され、駆動トランジスタＭ２４ａのゲートは入力点３５に接続されている。駆動トランジスタＭ２４ｂのドレインは出力点３６に接続され、駆動トランジスタＭ２４ｂのソースはグラウンド配線５４に接続され、駆動トランジスタＭ２４ｂのゲートはスイッチトランジスタＭ２３ａを介して入力点３５に接続されるとともにスイッチトランジスタＭ２３ｂを介してグラウンド配線５４に接続されている。スイッチトランジスタＭ２３ａのゲートには列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ａが入力され、スイッチトランジスタＭ２３ｂのゲートには列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ｂが入力される。列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ａ，Ｓ２３ｂは一方がＨレベルになれば他方がＬレベルになるという関係をもつ。
【００３２】
このような構成でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお上記の実施形態では、駆動部３２の電流駆動能力は２段階に切り替えているが、３つ以上の駆動トランジスタを並列に接続することにより、３段階以上に切り替えさせることとしてもよい。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、第１，第２の実施形態に係る固体撮像装置を搭載した撮像装置（カメラ、カメラモジュール）である。
【００３３】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置を示すブロック図である。
固体撮像装置４２から出力された画素信号は、ノイズキャンセル回路４３、ゲインアンプ４４、ＡＤＣ４５を経由してＤＳＰ４６に入力される。ＤＳＰ４６は入力された画素信号を画像処理するとともに、固体撮像装置４２の列アンプの出力レンジの調整、列アンプのゲイン設定、ゲインアンプのゲイン設定を制御する。固体撮像装置４２に使用される列アンプは図２または図７に示す回路である。列アンプ出力電位下限調整信号４７は、列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ａとしてスイッチトランジスタＭ２３ａのゲートに入力され、その反転信号が列アンプ駆動選択信号Ｓ２３ｂとしてスイッチトランジスタＭ２３ｂのゲートに入力される。また列アンプ出力電位上限調整信号４８は電圧発生回路１９のスイッチＳＷに入力される（図３）。列アンプ出力電位下限調整信号４７と列アンプ出力電位上限調整信号４８により、固体撮像装置４２の列アンプの出力レンジを適宜変更することができる。
【００３４】
なお固体撮像装置４２の列アンプの出力レンジは、列アンプのゲイン設定４９とゲインアンプのゲイン設定５０に連動して制御される。具体的には、ゲイン設定が小さいときは列アンプの出力レンジを広く設定し、ゲイン設定が大きいときは列アンプの出力レンジを狭く設定する。ゲイン設定が小さいときは列アンプの負荷電流の変動が画質に与える影響が小さいので、列アンプの出力レンジを広く設定して、飽和振幅を大きくとる設定が有効である。一方、ゲイン設定が大きいときは列アンプの出力レンジを狭くすることが画質向上に役立つ。このように本実施形態は高画質な固体撮像装置を実現するのに役立つ。
【００３５】
なお、図８では固体撮像装置を個別部品の組み合わせで構成しているが、全部もしくは一部のブロックをそれぞれ同じＩＣに集積化してもよい。また、図８ではゲインアンプはアナログ素子として記載されているが、ＡＤ変換後デジタル処理で増幅することとしてもよい。
さらに本実施形態では列アンプの出力レンジをゲイン設定に連動して制御したが、他の条件に応じて制御することとしてもよい。例えば、デジタルスチルカメラのモニター動作時は出力レンジを広く設定し、記録画を撮像するときには必要レンジに応じて出力レンジを狭く設定するという制御が考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る固体撮像装置は、高輝度被写体を撮像するときでもその周辺で黒レベルのずれが発生することないカメラを実現でき、高画質・高品質が求められるデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す概略構成図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の一部を示す回路図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る電圧発生回路の一部を例示する回路図
【図４】本発明の第１の実施形態に係る電圧発生回路の一部を例示する回路図
【図５】本発明の第１の実施形態に係る画素信号の読み出し動作を説明するタイミングチャート
【図６】列アンプの出力レンジを表す図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の一部を示す回路図
【図８】本発明の第３の実施形態に係る撮像装置を示すブロック図
【図９】特許文献１に記載された固体撮像装置の列アンプを示す回路図
【図１０】特許文献２に記載された固体撮像装置の列アンプを示す回路図
【図１１】列アンプを具備する固体撮像装置において列アンプを駆動するための電源レイアウトを示す概略図
【符号の説明】
【００３８】
１    画素
２    列アンプ
３    ノイズキャンセル回路
４    スイッチ素子
５    負荷回路
１０    固体撮像装置
１１    画素アレイ
１２    列アンプ群
１３    ノイズキャンセル回路群
１４    マルチプレクサ
１５    負荷回路群
１６    水平走査回路
１７    出力アンプ
１８    垂直走査回路
１９    電圧発生回路
２０    タイミング制御部
２２    垂直信号線
３１    負荷部
３２    駆動部
３３    リセット部
３４    出力電位制限部
３５    入力点
３６    出力点
４２    固体撮像装置
４３    ノイズキャンセル回路
４４    ゲインアンプ
４５    ＡＤＣ
４６    ＤＳＰ
４７    列アンプ出力電位下限調整信号
４８    列アンプ出力電位上限調整信号
４９    ゲイン設定
５０    ゲイン設定
５１    電源パッド
５２    グラウンドパッド
５３    電源配線
５４    グラウンド配線
５５    入力点
５６    出力点
１２４    電流源バイアス源
１２５    カスコードバイアス源
１２７    クリップトランジスタバイアス源
Ｓ１２７    クリップトランジスタバイアス用ミラー回路切替信号
１３１    電流源バイアス端子
１３２    カスコードバイアス端子
１３４    クリップトランジスタバイアス端子
１３５    バイアス回路電源
２０１    電流源負荷トランジスタ
２０２    電流源ミラー回路トランジスタ
２０３    電流源バイアス用ミラー回路
２０４    カスコードバイアス用ミラー回路
２０５    クリップトランジスタバイアス用ミラー回路
２１０    クリップトランジスタバイアス源オフトランジスタ
２１１    クリップトランジスタバイアス源オントランジスタ
２２７    クリップトランジスタバイアス部
【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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