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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024040749
(43)【公開日】2024-03-26
(54)【発明の名称】固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器
(51)【国際特許分類】
H04N 25/77 20230101AFI20240318BHJP
【ＦＩ】
H04N5/3745
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022145302
(22)【出願日】2022-09-13
(71)【出願人】
【識別番号】521182560
【氏名又は名称】ブリルニクス シンガポール プライベート リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001863
【氏名又は名称】弁理士法人アテンダ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】高柳 功
【テーマコード（参考）】
5C024
【Ｆターム（参考）】
5C024CX03
5C024CX43
5C024GX03
5C024GX15
5C024GX16
5C024GX18
5C024GY39
5C024GY41
5C024HX13
5C024HX23
5C024HX29
5C024HX50
(57)【要約】
【課題】電圧サンプルホールド用信号保持キャパシタの容量値を増加させることなく、電圧サンプルホールドノードにおけるノイズを低減することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、出力ノードＮＤ１の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部２３０と、出力ノードの電荷量に応じた電圧信号に対する信号を保持し、保持信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１，ＣＳ２１を含む信号保持部２５０と、信号保持部２５０の入力ノードと第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、出力バッファ部による比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部２４０と、を含む。
【選択図】図２
【解決手段】固体撮像装置１０は、出力ノードＮＤ１の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部２３０と、出力ノードの電荷量に応じた電圧信号に対する信号を保持し、保持信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１，ＣＳ２１を含む信号保持部２５０と、信号保持部２５０の入力ノードと第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、出力バッファ部による比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部２４０と、を含む。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光電変換を行う画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、
少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、
前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む
固体撮像装置。
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、
少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、
前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む
固体撮像装置。
【請求項2】
前記第１の参照信号は、第１の傾きを有する第１のランプ（ＲＡＭＰ）信号であり、
前記第２の参照信号は、前記第１の傾きと異なる第２の傾きを有する第２のランプ（ＲＡＭＰ）信号である
請求項１記載の固体撮像装置。
前記第２の参照信号は、前記第１の傾きと異なる第２の傾きを有する第２のランプ（ＲＡＭＰ）信号である
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項3】
前記第２の傾きは前記第１の傾きより大きい
請求項２記載の固体撮像装置。
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項4】
前記第２の参照信号は非線形である
請求項１記載の固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項5】
前記信号保持部は、
前記保持用信号取出部を介して入力される前記第２の参照信号を保持可能な信号保持キャパシタと、
前記信号保持キャパシタを前記保持用信号取出部と選択的に接続するスイッチ素子と、
前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて選択的に信号線に出力する出力部と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
前記保持用信号取出部を介して入力される前記第２の参照信号を保持可能な信号保持キャパシタと、
前記信号保持キャパシタを前記保持用信号取出部と選択的に接続するスイッチ素子と、
前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて選択的に信号線に出力する出力部と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項6】
前記信号保持部は、
前記保持用信号取出部を介して入力される前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に応じた前記第２の参照信号を保持可能な第１の信号保持キャパシタと、
前記第１の信号保持キャパシタを前記保持用信号取出部と選択的に接続する第１のスイッチ素子と、
前記第１の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて選択的に第１の信号線に出力する第１の出力部と、
前記保持用信号取出部を介して入力されるリセット状態時の前記信号電圧に応じた前記第２の参照信号を保持可能な第２の信号保持キャパシタと、
前記第２の信号保持キャパシタを前記保持用信号取出部と選択的に接続する第２のスイッチ素子と、
前記第２の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて選択的に第２の信号線に出力する第２の出力部と、を含む
請求項５記載の固体撮像装置。
前記保持用信号取出部を介して入力される前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に応じた前記第２の参照信号を保持可能な第１の信号保持キャパシタと、
前記第１の信号保持キャパシタを前記保持用信号取出部と選択的に接続する第１のスイッチ素子と、
前記第１の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて選択的に第１の信号線に出力する第１の出力部と、
前記保持用信号取出部を介して入力されるリセット状態時の前記信号電圧に応じた前記第２の参照信号を保持可能な第２の信号保持キャパシタと、
前記第２の信号保持キャパシタを前記保持用信号取出部と選択的に接続する第２のスイッチ素子と、
前記第２の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて選択的に第２の信号線に出力する第２の出力部と、を含む
請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項7】
前記出力ノードに接続された蓄積トランジスタと、
前記蓄積トランジスタを介して少なくとも前記出力ノードの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
前記蓄積トランジスタを介して少なくとも前記出力ノードの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項8】
前記蓄積トランジスタと前記蓄積容量素子が、前記出力ノードと基準電位との間に直列に接続されている
請求項７記載の固体撮像装置。
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項9】
前記蓄積トランジスタが前記出力ノードと前記リセット素子との間に接続され、前記蓄積トランジスタと前記リセット素子の接続点と基準電位との間に前記蓄積容量素子が接続されている
請求項７記載の固体撮像装置。
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項10】
前記出力バッファ部は、
ゲートが前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンに接続され、当該フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を出力するソースフォロワトランジスタと、
前記ソースフォロワトランジスタにより出力された電圧信号と前記第１の参照信号とを比較し、デジタル化した前記比較結果信号を前記保持用信号取出部に出力する比較器と、を含み、
前記比較器は、
前記電圧信号と前記第１の参照信号との比較動作を行い、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときに出力レベルを非アクティブレベルからアクティブレベルに反転する
請求項１記載の固体撮像装置。
ゲートが前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンに接続され、当該フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を出力するソースフォロワトランジスタと、
前記ソースフォロワトランジスタにより出力された電圧信号と前記第１の参照信号とを比較し、デジタル化した前記比較結果信号を前記保持用信号取出部に出力する比較器と、を含み、
前記比較器は、
前記電圧信号と前記第１の参照信号との比較動作を行い、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときに出力レベルを非アクティブレベルからアクティブレベルに反転する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項11】
前記比較器は、
一方のトランジスタのゲートに前記信号電圧が供給され、他方のトランジスタのゲートに前記第１の参照信号が供給され、前記信号電圧と前記第１の参照電圧との比較動作を行う差動トランジスタ対と、
前記一方のトランジスタのドレイン側および前記他方のトランジスタのドレイン側に接続されてカレントミラーを形成するアクティブ負荷回路と、を含む
請求項１０記載の固体撮像装置。
一方のトランジスタのゲートに前記信号電圧が供給され、他方のトランジスタのゲートに前記第１の参照信号が供給され、前記信号電圧と前記第１の参照電圧との比較動作を行う差動トランジスタ対と、
前記一方のトランジスタのドレイン側および前記他方のトランジスタのドレイン側に接続されてカレントミラーを形成するアクティブ負荷回路と、を含む
請求項１０記載の固体撮像装置。
【請求項12】
前記差動トランジスタ対の前記一方のトランジスタと前記ソースフォロワトランジスタが共用されている
請求項１１記載の固体撮像装置。
請求項１１記載の固体撮像装置。
【請求項13】
前記比較器は、
前記他方のトランジスタのドレインと前記アクティブ負荷回路との接続点により前記比較結果信号を出力する
請求項１１または１２記載の固体撮像装置。
前記他方のトランジスタのドレインと前記アクティブ負荷回路との接続点により前記比較結果信号を出力する
請求項１１または１２記載の固体撮像装置。
【請求項14】
前記出力バッファ部は、
ゲートが前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンに接続され、当該フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換可能で、ソースに前記第１の参照信号が供給されるソースフォロワトランジスタと、
前記ソースフォロワトランジスタのドレインに接続された負荷と、を含み、
前記ソースフォロワトランジスタのドレインと前記負荷との接続点により前記比較結果信号を出力する
請求項１記載の固体撮像装置。
ゲートが前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンに接続され、当該フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換可能で、ソースに前記第１の参照信号が供給されるソースフォロワトランジスタと、
前記ソースフォロワトランジスタのドレインに接続された負荷と、を含み、
前記ソースフォロワトランジスタのドレインと前記負荷との接続点により前記比較結果信号を出力する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項15】
光電変換を行う画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、
少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、
前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む
固体撮像装置の駆動方法であって、
傾きが異なる２つの参照信号を適用し、一方の第１の参照信号は信号電圧と比較し、他方の第２の参照信号は電圧保持信号に適用し、参照信号の入力間に異なる傾きを与え、
前記出力バッファ部において、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力して前記保持用信号取出部を導通状態に保持して、実効電圧ゲインを得つつ前記第２の参照信号を前記信号保持部に保持する
固体撮像装置の駆動方法。
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、
少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、
前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む
固体撮像装置の駆動方法であって、
傾きが異なる２つの参照信号を適用し、一方の第１の参照信号は信号電圧と比較し、他方の第２の参照信号は電圧保持信号に適用し、参照信号の入力間に異なる傾きを与え、
前記出力バッファ部において、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力して前記保持用信号取出部を導通状態に保持して、実効電圧ゲインを得つつ前記第２の参照信号を前記信号保持部に保持する
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項16】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換を行う画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、
少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、
前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む
電子機器。
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換を行う画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、
少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、
前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
【0003】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
【0004】
ところで、ＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードで生成しかつ蓄積した光電荷を、画素毎あるいは行毎に順次走査して読み出す動作が行われる。
この順次走査、すなわち、電子シャッタとしてローリングシャッタを採用した場合は、光電荷を蓄積する露光の開始時間、および終了時間を全ての画素で一致させることができない。そのため、順次走査の場合、動被写体の撮像時に撮像画像に歪みが生じるという問題がある。
この順次走査、すなわち、電子シャッタとしてローリングシャッタを採用した場合は、光電荷を蓄積する露光の開始時間、および終了時間を全ての画素で一致させることができない。そのため、順次走査の場合、動被写体の撮像時に撮像画像に歪みが生じるという問題がある。
【0005】
そこで、画像歪みが許容できない、高速に動く被写体の撮像や、撮像画像の同時性を必要とするセンシング用途では、電子シャッタとして、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタが採用される。
【0006】
電子シャッタとしてグローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサは、画素内に、たとえば、画素受光部（光電変換読み出し部）から読み出された信号を信号保持キャパシタに保持する信号保持部が設けられている。
グローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードから電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタにアナログ的なサンプルホールド動作により蓄積し、そののち順次読み出すことにより、画像全体の同時性を確保している（たとえば、非特許文献１参照）。
また、このＣＭＯＳイメージセンサは、たとえば光電変換読み出し部の出力を、信号保持部をバイパスして信号線に転送するバイパススイッチを有しており、グローバルシャッタ機能に加えてローリングシャッタ機能を併せ持つように構成されていてもよい。
グローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードから電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタにアナログ的なサンプルホールド動作により蓄積し、そののち順次読み出すことにより、画像全体の同時性を確保している（たとえば、非特許文献１参照）。
また、このＣＭＯＳイメージセンサは、たとえば光電変換読み出し部の出力を、信号保持部をバイパスして信号線に転送するバイパススイッチを有しており、グローバルシャッタ機能に加えてローリングシャッタ機能を併せ持つように構成されていてもよい。
【0007】
また、各画素に比較器を含むＡＤＣ（さらにはメモリ部）を配置して、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタをも実現可能にするデジタル画素（ピクセル）センサが提案されている（たとえば特許文献１，２参照）。
【0008】
そして、高ダイナミックレンジを持つ高画質のＣＭＯＳイメージセンサのグローバルシャッタ機能を備えた画素としては、ＶＭＧＳ（電圧モードグローバルシャッタ）画素、およびＣＭＧＳ（電荷モードグローバルシャッタ）画素が知られている。
【0009】
これらのうち、ＶＭＧＳ画素は、ＣＭＧＳ画素と比較して、シャッタ効率が高く、寄生光の感度が低いという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】ＵＳ ７１６４１１４ Ｂ２ ＦＩＧ．４
【特許文献2】ＵＳ ２０１０／０１８１４６４ Ａ１
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】J. Aoki, et al., “A Rolling-Shutter Distortion-Free 3D Stacked Image Sensor with -160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel Storage Node” ISSCC 2013 / SESSION 27 / IMAGE SENSORS / 27.3.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
ところが、ＶＭＧＳ画素を持つＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＭＧＳ画素を持つＣＭＯＳイメージセンサに比較して、大きなフロアノイズが懸念される。
【0013】
ＶＭＧＳ画素の主要なノイズ減は、電圧サンプルホールドでの熱ノイズであり、雑音電圧Ｖｎは次式で表すことができる。
【0014】
［数１］
Ｖｎ = ＳＱＲＴ（ｋＴ / ＣＳＨ）
Ｖｎ = ＳＱＲＴ（ｋＴ / ＣＳＨ）
【0015】
ここで、Ｒは抵抗値、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数、ＣＳＨはサンプルホールド用容量素子の容量値をそれぞれ表し、またＳＱＲＴは平方根（square root）を示している。
【0016】
次に、電圧信号Ｖｓは電子電圧変換ゲインＣＧを用いて次式で表される。
【0017】
Ｖｓ = Ｎｓｉｇ（e）x ＣＧ（V / e）
【0018】
したがって、電子参照ノイズＮｎは次のように表される。
【0019】
Ｎｎ（e）= 1 / ＣＧ x ＳＱＲＴ（ｋＴ / ＣＳＨ）
【0020】
この式において、電子参照ノイズＮｎを低減させるには、電子電圧変換ゲインＣＧまたは電圧サンプルホールド用キャパシタの容量値ＣＳＨの増加が必要であることを意味する。
【0021】
容量値ＣＳＨの増加は、画素サイズによる物理的な制約を受ける。
また、電子電圧変換ゲインＣＧの増加は、通常、ダイナミックレンジＤＲの減少を招く。
それらに対応して、ダイナミックレンジＤＲを拡張するために、複数の変換ゲインＣＧを有する画素が提案されている。
しかしながら、高変換ゲインＣＧを備える構成では、フロアノイズの点でＣＭＧＳ画素に比較して十分であるとは言い難い。
また、電子電圧変換ゲインＣＧの増加は、通常、ダイナミックレンジＤＲの減少を招く。
それらに対応して、ダイナミックレンジＤＲを拡張するために、複数の変換ゲインＣＧを有する画素が提案されている。
しかしながら、高変換ゲインＣＧを備える構成では、フロアノイズの点でＣＭＧＳ画素に比較して十分であるとは言い難い。
【0022】
また、ＣＭＯＳイメージセンサの重要な性能指標にランダムノイズがあり、主なランダムノイズ源として、画素とＡＤ変換器があることが知られている。
一般的には、ランダムノイズ低減手法として、トランジスタサイズを大きくすることでフリッカノイズ（flicker noise）を低減する、もしくは比較器出力に容量を付加し、帯域を落とすことでＣＤＳによるノイズのフィルタ効果を狙う方法が知られている。
しかし、それぞれの手法では、面積が増大する、容量増により比較器の反転遅延が劣化し、撮像素子のフレームレートが上げられないという不利益がある。
一般的には、ランダムノイズ低減手法として、トランジスタサイズを大きくすることでフリッカノイズ（flicker noise）を低減する、もしくは比較器出力に容量を付加し、帯域を落とすことでＣＤＳによるノイズのフィルタ効果を狙う方法が知られている。
しかし、それぞれの手法では、面積が増大する、容量増により比較器の反転遅延が劣化し、撮像素子のフレームレートが上げられないという不利益がある。
【0023】
本発明は、電圧サンプルホールド用信号保持キャパシタの容量値を増加させることなく、電圧サンプルホールドノードにおけるノイズを低減することが可能で、ひいては高ゲインモードでは輝度の高い光信号に対して低いゲインを維持しながら高い画素ゲインを得ることが可能で、低ゲインモードでは低変換ゲインの読み出しが可能であり、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0024】
本発明の第１の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う画素が配置された画素部を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む。
【0025】
本発明の第２の観点は、光電変換を行う画素が配置された画素部を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、傾きが異なる２つの参照信号を適用し、一方の第１の参照信号は信号電圧と比較し、他方の第２の参照信号は電圧保持信号に適用し、参照信号の入力間に異なる傾きを与え、前記出力バッファ部において、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力して前記保持用信号取出部を導通状態に保持して、実効電圧ゲインを得つつ前記第２の参照信号を前記信号保持部に保持する。
【0026】
本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換を行う画素が配置された画素部を含み、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、前記電圧信号と前記第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、少なくとも、前記出力ノードの電荷量に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、前記信号保持部の入力ノードと前記第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、前記出力バッファ部による前記比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、電圧サンプルホールド用信号保持キャパシタの容量値を増加させることなく、電圧サンプルホールドノードにおけるノイズを低減することが可能で、ひいては高ゲインモードでは輝度の高い光信号に対して低いゲインを維持しながら高い画素ゲインを得ることが可能で、低ゲインモードでは低変換ゲインの読み出しが可能であり、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【図3】本発明の第１の実施形態に係る出力バッファ部を形成する比較器の構成例を示す回路図である。
【図4】本本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の主として画素部における読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図5】本発明の第２の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【図6】本発明の第３の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【図7】本発明の第４の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【図8】本発明の第５の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【図9】本発明の第６の実施形態を説明するための図であって、参照信号としてのランプ信号の他のパターン例を示す図である。
【図10】本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【0030】
【0031】
この固体撮像装置１０は、図１に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（カラム読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。
【0032】
本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、後で詳述するように、ＶＭＧＳ画素を含んで構成されている。
ＶＭＧＳ画素は、転送素子を通じて光電変換素子（ＰＤ）で蓄積された電荷が転送される出力ノード（フローティングディフュージョンＦＤ）と、出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、少なくとも、出力ノードの電荷量に応じた電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、信号保持部の入力ノードと第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、出力バッファ部による比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む。
本第１の実施形態においては、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１より大きい。
そして、本第１の実施形態において、出力バッファ部は、比較器を有し、この比較器により変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号ＳＣＭＰを出力する。
ＶＭＧＳ画素は、転送素子を通じて光電変換素子（ＰＤ）で蓄積された電荷が転送される出力ノード（フローティングディフュージョンＦＤ）と、出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部と、少なくとも、出力ノードの電荷量に応じた電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタを含む信号保持部と、信号保持部の入力ノードと第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、出力バッファ部による比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部と、を含む。
本第１の実施形態においては、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１より大きい。
そして、本第１の実施形態において、出力バッファ部は、比較器を有し、この比較器により変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号ＳＣＭＰを出力する。
【0033】
本第１の実施形態のＶＭＧＳ画素の処理の基本概念は、以下の通りである。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部の比較器（コンパレータ）に供給し、電圧信号ＶＳＬを信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きとは異なる第２の傾きで供給される。
比較器の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。たとえば第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタの保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタでのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力参照電子ノイズは１／ｒに抑えられる。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部の比較器（コンパレータ）に供給し、電圧信号ＶＳＬを信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きとは異なる第２の傾きで供給される。
比較器の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。たとえば第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタの保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタでのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力参照電子ノイズは１／ｒに抑えられる。
【0034】
このように、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、電圧サンプルホールド用信号保持キャパシタの容量値を増加させることなく、電圧サンプルホールドノードにおけるノイズを低減することが可能で、ひいては高ゲインモードでは輝度の高い光信号に対して低いゲインを維持しながら高い画素ゲインを得ることが可能で、低ゲインモードでは低変換ゲインの読み出しが可能であり、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能に構成されている。
【0035】
以下、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要、特に、画素部２０のＶＭＣＳ画素（以下、単に画素という場合もある）の構成および機能、それらに関連した読み出し処理等について詳述する。
【0036】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【0037】
画素部２０に配置される画素２００は、画素受光部２１０、出力ノード２２０（ＮＤ１）としてのフローティングディフュージョンＦＤ１、出力バッファ部２３０、保持用信号取出部２４０、および信号保持部２５０を含んで構成されている。
【0038】
画素２００の画素受光部２１０は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードＰＤ１、転送素子としての転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、およびリセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒを有する。
画素２００においては、フォトダイオードＰＤ１に対して、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒ、出力バッファ部２３０を構成するソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒ、電流源素子ＩＣ１、出力ノード２２０（ＮＤ１）としてのフローティングディフュージョンＦＤ１、比較器２３１、および読み出しノードＮＤ２をそれぞれ一つずつ有する。
なお、フローティングディフュージョンＦＤ１には容量ＣＪが寄生している。
画素２００においては、フォトダイオードＰＤ１に対して、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒ、出力バッファ部２３０を構成するソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒ、電流源素子ＩＣ１、出力ノード２２０（ＮＤ１）としてのフローティングディフュージョンＦＤ１、比較器２３１、および読み出しノードＮＤ２をそれぞれ一つずつ有する。
なお、フローティングディフュージョンＦＤ１には容量ＣＪが寄生している。
【0039】
フォトダイオードＰＤ１は、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔（ホール）であったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔（ホール）であったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
【0040】
各画素２００において、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
【0041】
画素受光部２１０の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤ１とフローティングディフュージョンＦＤ１の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧにより制御される。
転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧがハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１に転送する。
なお、フォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤ１が所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧがロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１は蓄積期間ＰＩとなる。
転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧがハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１に転送する。
なお、フォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤ１が所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧがロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１は蓄積期間ＰＩとなる。
【0042】
リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒは、電源電圧ＶＤＤの電源線ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤ１の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴにより制御される。
リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１を電源電圧ＶＤＤの電源線Ｖｄｄの電位にリセットする。
リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１を電源電圧ＶＤＤの電源線Ｖｄｄの電位にリセットする。
【0043】
出力バッファ部２３０は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１の電荷を電荷量に応じた電圧信号ＶＳＬに変換し、変換した電圧信号ＶＳＬと第１の参照信号とを比較器２３１により比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号ＳＣＭＰを保持用信号取出部２４０に出力する。
【0044】
本第１の実施形態において、出力バッファ部２３０は、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒ、電流源素子ＩＣ１、比較器２３１、および読み出しノードＮＤ２を含んで構成されている。
【0045】
なお、本第１の実施形態において、電圧信号ＶＳＬには、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)（ＶＲＳＴ）および読み出し信号(信号電圧)（ＶＳＩＧ）が含まれる。
【0046】
本第１の実施形態においては、電圧信号ＶＳＬが読み出しリセット信号ＶＲＳＴの場合、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１と異なる第２の傾きＣＬ２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２は第１の傾きＣＬ１より大きい。
電圧信号ＶＳＬが読み出し信号ＶＳＩＧの場合、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１１より大きい。
また、読み出し信号ＶＳＩＧの場合の第１の傾きＣＬ１１は読み出しリセット信号ＶＲＳＴの場合の第１の傾きＣＬ１より大きい。同様に、読み出し信号ＶＳＩＧの場合の第２の傾きＣＬ１２は読み出しリセット信号ＶＲＳＴの場合の第２の傾きＣＬ２より大きい。
電圧信号ＶＳＬが読み出し信号ＶＳＩＧの場合、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１１より大きい。
また、読み出し信号ＶＳＩＧの場合の第１の傾きＣＬ１１は読み出しリセット信号ＶＲＳＴの場合の第１の傾きＣＬ１より大きい。同様に、読み出し信号ＶＳＩＧの場合の第２の傾きＣＬ１２は読み出しリセット信号ＶＲＳＴの場合の第２の傾きＣＬ２より大きい。
【0047】
そして、本第１の実施形態において、出力バッファ部２３０は、比較器２３１を有している。比較器２３１は、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒにより変換した電圧信号ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１とを比較し、電圧信号ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が同等レベルになったときにアクティブ、たとえばハイレベルＨ（またはローレベルＬ）の比較結果信号ＳＣＭＰを保持用信号取出部２４０の制御端子に出力する。
【0048】
ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒは、ソースが読み出しノードＮＤ２に接続され、ドレイン側が電源線Ｖｄｄに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤ１に接続されている。
読み出しノードＮＤ２と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子ＩＣ１が接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ２は比較器２３１の一方の入力端子としての反転入力端子（－）に接続されている。
比較器２３１は、他方の入力端子としての非反転入力端子（＋）は、第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の供給ラインＬＳＲＰ１に接続されている。
読み出しノードＮＤ２と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子ＩＣ１が接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ２は比較器２３１の一方の入力端子としての反転入力端子（－）に接続されている。
比較器２３１は、他方の入力端子としての非反転入力端子（＋）は、第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の供給ラインＬＳＲＰ１に接続されている。
【0049】
比較器２３１は、電圧信号ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１との比較動作を行い、電圧信号ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が同等レベルになったときに比較結果信号ＳＣＭＰの出力レベルを非アクティブレベル（たとえばローレベル）からアクティブレベル（ハイレベル）に反転する。
【0050】
比較器２３１の構成例
本第１の実施形態に係る比較器２３１は、一方のトランジスタのゲートに信号電圧ＶＳＬが供給され、他方のトランジスタのゲートに第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が供給され、信号電圧ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１との比較動作を行う差動トランジスタ対と、一方のトランジスタのドレイン側および他方のトランジスタのドレイン側に接続されてカレントミラーを形成するアクティブ負荷回路と、を含んで構成される。
本第１の実施形態に係る比較器２３１は、一方のトランジスタのゲートに信号電圧ＶＳＬが供給され、他方のトランジスタのゲートに第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が供給され、信号電圧ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１との比較動作を行う差動トランジスタ対と、一方のトランジスタのドレイン側および他方のトランジスタのドレイン側に接続されてカレントミラーを形成するアクティブ負荷回路と、を含んで構成される。
【0051】
図３は、本第１の実施形態に係る出力バッファ部を形成する比較器の構成例を示す回路図である。
【0052】
図３の比較器２３１は、ＰＭＯＳトランジスタＰＴ２１，ＰＴ２２、ＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１，ＮＴ２２、電流源Ｉ２１、およびノードＮＤ２１，ＮＤ２２を含んで構成されている。
【0053】
ＰＭＯＳトランジスタＰＴ２１のソースとＰＭＯＳトランジスタＰＴ２２のソース同士が接続されて、その接続ノードが電源電位ＶＤＤに接続されている。
ＮＭＯＳトランジスタＰＴ２１のソースとＮＭＯＳトランジスタＰＴ２２のソース同士が接続されて、その接続ノードが基準電位ＶＳＳに接続された電流源Ｉ２１に接続されている。
ＮＭＯＳトランジスタＰＴ２１のソースとＮＭＯＳトランジスタＰＴ２２のソース同士が接続されて、その接続ノードが基準電位ＶＳＳに接続された電流源Ｉ２１に接続されている。
【0054】
ＰＭＯＳトランジスタＰＴ２１のドレインとＮＭＯＳトランジスタＮ２１のドレインが接続され、その接続点によりノードＮＤ２１が形成されている。
ＰＭＯＳトランジスタＰＴ２２のドレインとＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のドレイが接続され、その接続点によりノードＮＤ２２が形成されている。
そして、ノードＮＤ２１がＰＭＯＳトランジスタＰＴ２１，ＰＴ２２のゲートに接続され、ノードＮＤ２２が出力ノードＮＤ２２１に接続されている。
ＰＭＯＳトランジスタＰＴ２２のドレインとＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のドレイが接続され、その接続点によりノードＮＤ２２が形成されている。
そして、ノードＮＤ２１がＰＭＯＳトランジスタＰＴ２１，ＰＴ２２のゲートに接続され、ノードＮＤ２２が出力ノードＮＤ２２１に接続されている。
【0055】
これらの構成要素のうち、ソース同士が接続されたＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１，ＮＴ２２により差動トランジスタ対２３２が形成されている。
ＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１により一方のトランジスタ２３２－１が形成され、ＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２により他方のトランジスタ２３２－２が形成されている。
そして、一方のトランジスタ２３２－１を形成するＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１のゲートに電圧信号ＶＳＬが供給され、他方のトランジスタ２３２－２を形成するＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のゲートに第１の参照電圧としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が供給される。
ＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１により一方のトランジスタ２３２－１が形成され、ＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２により他方のトランジスタ２３２－２が形成されている。
そして、一方のトランジスタ２３２－１を形成するＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１のゲートに電圧信号ＶＳＬが供給され、他方のトランジスタ２３２－２を形成するＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のゲートに第１の参照電圧としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が供給される。
【0056】
また、一方のトランジスタとしてのＮＭＯＳトランジスタＮＴ２１のドレイン側および他方のトランジスタとしてのＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のドレイン側に、ＰＭＯＳトランジスタＰＴ２１およびＰＭＯＳトランジスタＰＴ２２によりカレントミラーが形成されるアクティブ負荷回路２３３が配置されている。
【0057】
このような構成を有する比較器２３１においては、他方のトランジスタとしてのＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のドレインとアクティブ負荷回路２３３を構成するＰＭＯＳトランジスタＰＴ２２のドレインとの接続ノードＮＤ２２が、比較結果信号ＳＣＭＰの出力ノードＮＤ２２１に接続されている。
すなわち、比較器２３１は、他方のトランジスタとしてのＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のドレイン側から比較結果信号ＳＣＭＰを出力する。
すなわち、比較器２３１は、他方のトランジスタとしてのＮＭＯＳトランジスタＮＴ２２のドレイン側から比較結果信号ＳＣＭＰを出力する。
【0058】
保持用信号取出部２４０は、信号保持部２５０の入力ノードＮＤ３と第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と異なる第２の参照信号としての第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の供給ラインＬＳＲＰ２との間に配置され、出力バッファ部２３０による比較結果信号ＳＣＭＰにより導通状態、非導通状態が制御される。
本第１の実施形態において、保持用信号取出部２４０はたとえばＮＭＯＳトランジスタＮＴ２４０により形成される。
本第１の実施形態において、保持用信号取出部２４０はたとえばＮＭＯＳトランジスタＮＴ２４０により形成される。
【0059】
本第１の実施形態に係る画素２００においては、出力バッファ部２３０の比較器２３１が保持用信号取出部２４０のスイッチ制御端子であるＮＭＯＳトランジスタＮＴ２４０のゲートに接続され、保持用信号取出部２４０の入力端子である一方のソース・ドレインが第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の供給ラインＬＳＲＰ２に接続され、出力端子である他方のソース・ドレインが信号保持部２５０の入力部である入力ノードＮＤ３に接続されている。
【0060】
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、電圧信号ＶＳＬが読み出しリセット信号ＶＲＳＴの場合、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の傾きＣＬ１と異なる第２の傾きＣＬ２を有する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、電圧信号ＶＳＬが読み出し信号ＶＳＩＧの場合、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の傾きＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ１２を有する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１とは異なる傾きで供給される。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２は第１の傾きＣＬ１より大きい。同様に、第２の傾きＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１１より大きい。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、電圧信号ＶＳＬが読み出し信号ＶＳＩＧの場合、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の傾きＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ１２を有する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１とは異なる傾きで供給される。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２は第１の傾きＣＬ１より大きい。同様に、第２の傾きＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１１より大きい。
【0061】
比較器２３１の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
また、第１の傾きＣＬ１１と第２の傾きＣＬ１２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ１２／ＣＬ１１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ１２の勾配／第１の傾きＣＬ１１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタの保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
また、第１の傾きＣＬ１１と第２の傾きＣＬ１２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ１２／ＣＬ１１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ１２の勾配／第１の傾きＣＬ１１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタの保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
【0062】
画素２００の信号保持部２５０は、基本的に、入力ノードＮＤ３を含む入力部２５１、サンプルホールド部２５２、第１の出力部２５３、第２の出力部２５４、平均化部２５５、および保持ノードＮＤ４，ＮＤ５を含んで構成されている。
【0063】
入力部２５１は、入力ノードＮＤ３が保持用信号取出部２４０の出力端子に接続され、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１に同期して保持用信号取出部２４０から読み出される読み出しリセット信号（ＶＲＳＴ１）および読み出し信号（ＶＳＩＧ１）に相当する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２をサンプルホールド部２５２に入力する。
【0064】
サンプルホールド部２５２は、第１のスイッチ素子としての第１のサンプリングスイッチ（たとえばＮＭＯＳトランジスタにより形成されるサンプリングトランジスタ）ＳＨＳ１－Ｓｗ、第２のスイッチ素子としての第２のサンプリングトランジスタ（たとえばＮＭＯＳトランジスタにより形成されるサンプリングトランジスタ）ＳＨＲ１－Ｓｗ、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１、および第２の信号保持キャパシタＣＲ２１を含んで構成されている。
【0065】
第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｔｒは、保持用信号取出部２４０に接続された入力ノードＮＤ３と保持ノードＮＤ４との間に接続されている。
第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２５２の第１の信号保持キャパシタＣＳ２１を、保持ノードＮＤ４を介して保持用信号取出部２４０の第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の出力端子と選択的に接続する。
第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗは、たとえば制御信号ＳＨＳがハイレベルに期間に導通状態となる。
第１の信号保持キャパシタＣＳ２１は、保持ノードＮＤ４と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。
第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２５２の第１の信号保持キャパシタＣＳ２１を、保持ノードＮＤ４を介して保持用信号取出部２４０の第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の出力端子と選択的に接続する。
第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗは、たとえば制御信号ＳＨＳがハイレベルに期間に導通状態となる。
第１の信号保持キャパシタＣＳ２１は、保持ノードＮＤ４と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。
【0066】
第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗは、保持用信号取出部２４０に接続された入力ノードＮＤ４と保持ノードＮＤ５との間に接続されている。
第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２５２の第２の信号保持キャパシタＣＲ２１を、保持ノードＮＤ５を介して保持用信号取出部２４０の第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の出力端子と選択的に接続する。
第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗは、たとえば制御信号ＳＨＲがハイレベルに期間に導通状態となる。
第２の信号保持キャパシタＣＲ２１は、保持ノードＮＤ５と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。
第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２５２の第２の信号保持キャパシタＣＲ２１を、保持ノードＮＤ５を介して保持用信号取出部２４０の第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の出力端子と選択的に接続する。
第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗは、たとえば制御信号ＳＨＲがハイレベルに期間に導通状態となる。
第２の信号保持キャパシタＣＲ２１は、保持ノードＮＤ５と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。
【0067】
なお、第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗおよび第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗは、ＭＯＳトランジスタ、たとえばＮＭＯＳトランジスタにより形成される。
【0068】
第１の出力部２５３は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された信号を保持電圧に応じて増幅して出力する第１の増幅部ＡＭＰ１、および第１の増幅部ＡＭＰ１により増幅した信号を選択的に定電流源Ｉｂｉａｓにより駆動される第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力する第１の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗを含んで構成されている。
【0069】
第１の増幅部ＡＭＰ１と第１の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗは、保持ノードＮＤ４と第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１の間に直列に接続されている。
【0070】
第１の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳ１により制御される。
第１の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗは、制御信号ＲＳ１がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、第１の増幅ＡＭＰ１は第１の信号保持キャパシタＣＳ２１の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＳＩＧ）を第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力する。
第１の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗは、制御信号ＲＳ１がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、第１の増幅ＡＭＰ１は第１の信号保持キャパシタＣＳ２１の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＳＩＧ）を第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力する。
【0071】
第２の出力部２５４は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された信号を保持電圧に応じて増幅して出力する第２の増幅部ＡＭＰ２、および第２の増幅部ＡＭＰ２により増幅した信号を選択的に定電流源Ｉｂｉａｓにより駆動される第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力する第２の選択スイッチＳＥＬ２－Ｓｗを含んで構成されている。
【0072】
第２の増幅部ＡＭＰ２と第２の選択スイッチＳＥＬ２－Ｓｗは、保持ノードＮＤ５と第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２の間に直列に接続されている。
【0073】
第２の選択スイッチＳＥＬ２－Ｓｗは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳ２により制御される。
第２の選択スイッチＳＥＬ２－Ｓｗは、制御信号ＲＳ２がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、第２の増幅部ＡＭＰ２は第２の信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＲＳＴ）を第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力する。
第２の選択スイッチＳＥＬ２－Ｓｗは、制御信号ＲＳ２がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、第２の増幅部ＡＭＰ２は第２の信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＲＳＴ）を第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力する。
【0074】
平均化部２５５は、保持ノードＮＤ４と保持ノードＮＤ５との間に、平均化部としての平均化用スイッチＡＶ１－Ｓｗが接続されて構成されている。
平均化用トランジスタＡＶ１－Ｓｗのゲートには制御信号ＣＢが供給される。
平均化用トランジスタＡＶ１－Ｓｗのゲートには制御信号ＣＢが供給される。
【0075】
制御信号ＣＢは、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された読み出し信号ＶＳＩＧの読み出し、並びに、第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された読み出しリセット信号ＶＲＳＴの差動の読み出しが並行して行われた後、Ｈレベルで供給され、この後、第１の出力部２５３および第２の出力部２５４を通して平均化された信号の差動の読み出しが並行して行われる。
【0076】
このように、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０においては、画素信号ストレージとしての信号保持部２５０に、電圧モードで、画素信号を全画素で同時にサンプリングし、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１および第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された読み出し信号ＶＳＩＧに対応する変換信号を第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１に読み出すとともに、読み出しリセット信号ＶＲＳＴに対応する変換信号を第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に同時並列的に読み出し、差動の信号としてカラム読み出し回路４０に供給する。
【0077】
画素部２０には、画素２００（ＰＸＬ）がＮ行×Ｍ列配置されているので、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧ、ＬＦＢはそれぞれＮ本、垂直信号線ＬＳＧＮ１１，ＬＳＧＮ１２は２×Ｍ本ある。
図１においては、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧを１本の行走査制御線として表している。同様に、各垂直信号線ＬＳＧＮ１１，ＬＳＧＮ１２を１本の垂直信号線として表している。
図１においては、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧを１本の行走査制御線として表している。同様に、各垂直信号線ＬＳＧＮ１１，ＬＳＧＮ１２を１本の垂直信号線として表している。
【0078】
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路６０の制御に応じてシャッタ行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。
【0079】
カラム読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
【0080】
本第１の実施形態に係るカラム読み出し回路４０は、アンプ（ＡＭＰ，増幅器）、サンプリング（Ｓ／Ｈ）回路を含んで構成される。
なお、カラム読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路等を含んで構成可能である。
なお、カラム読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路等を含んで構成可能である。
【0081】
水平走査回路５０は、読み出し回路４０のＡＤＣ等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。
【0082】
タイミング制御回路６０は、画素部２０、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
【0083】
（固体撮像装置１０の読み出し動作）
以上、固体撮像装置１０の各部の特徴的な構成および機能について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の読み出し動作等について詳述する。
以上、固体撮像装置１０の各部の特徴的な構成および機能について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の読み出し動作等について詳述する。
【0084】
図４は、本本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の主として画素部における読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
【0085】
図４（Ａ）は画素２００の画素受光部２１０のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴを示している。図４（Ｂ）は画素２００の画素受光部２１０の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧを示している。
図４（Ｃ）は比較器２３１に供給される第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を示している。図４（Ｄ）は保持用信号取出部２４０に供給される第２のランプ信号ＲＡＭＰ２を示している。
図４（Ｅ）は画素２００の信号保持部２５０の第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＲを示している。図４（Ｆ）は画素２００の信号保持部２５０の第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＳを示している。
図１４（Ｇ）は画素２００の信号保持部２５０の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗ、ＳＥＬ２－Ｓｗの制御信号ＲＳを示している。
図１４（Ｈ）は画素２００の信号保持部２５０の平均化用スイッチＡＶ１－Ｓｗの制御信号ＣＢを示している。
図４（Ｃ）は比較器２３１に供給される第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を示している。図４（Ｄ）は保持用信号取出部２４０に供給される第２のランプ信号ＲＡＭＰ２を示している。
図４（Ｅ）は画素２００の信号保持部２５０の第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＲを示している。図４（Ｆ）は画素２００の信号保持部２５０の第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＳを示している。
図１４（Ｇ）は画素２００の信号保持部２５０の選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗ、ＳＥＬ２－Ｓｗの制御信号ＲＳを示している。
図１４（Ｈ）は画素２００の信号保持部２５０の平均化用スイッチＡＶ１－Ｓｗの制御信号ＣＢを示している。
【0086】
グローバルシャッタモード時には、画素アレイは、アクティブ状態であり、出力ノードＮＤ１の電荷量に応じた電圧信号ＶＳＬと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１との比較器２３１の比較結果に応じて、保持用信号取出部２４０から電圧信号である第２のランプ信号ＲＡＭＰ２を信号保持部２５０に出力可能状態となっている。
【0087】
図４において、時刻ｔ１１～ｔ１２は、画素アレイのすべての画素受光部２１０におけるフォトダイオードＰＤ１および出力ノードＮＤ１としてのフローティングディフュージョンＦＤ１のリセット期間および電荷の蓄積期間Ｔｉｎｔである。
【0088】
なお、このリセット期間においては、たとえば、第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＳ、第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＲ、平均化用スイッチＡＶ１－Ｓｗの制御信号ＣＢ、選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗ，ＳＥＬ２－Ｓｗを制御する制御信号ＲＳ１，ＲＳ２はＬレベルに設定され、第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗ、第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗ、平均化用スイッチＡＶ１－Ｓｗ、選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗ，ＳＥＬ２－Ｓｗが非導通状態に制御される。
【0089】
このような状態で、リセット期間において、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に選択されて、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒが導通状態となる。
そして、制御信号ＲＳＴがＨレベル期間中に、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）の蓄積ノードが出力ノードＮＤ１としてのフローティングディフュージョンＦＤ１と導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤ１が電源線Ｖｄｄの電位にリセットされる。
そして、制御信号ＲＳＴがＨレベル期間中に、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）の蓄積ノードが出力ノードＮＤ１としてのフローティングディフュージョンＦＤ１と導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤ１が電源線Ｖｄｄの電位にリセットされる。
【0090】
フォトダイオードＰＤ１のリセット後、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧがＬレベルに切り替えられ、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが非導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１では光電変換された電荷の蓄積が開始される。
このとき、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴはＨレベルに保持されており、フローティングディフュージョンＦＤ１が電源線Ｖｄｄの電位にリセットされたままの状態に保持される。
そして、リセット期間の終了のため、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴはＬレベルに切り替えられ、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒは非導通状態となる。
このとき、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴはＨレベルに保持されており、フローティングディフュージョンＦＤ１が電源線Ｖｄｄの電位にリセットされたままの状態に保持される。
そして、リセット期間の終了のため、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴはＬレベルに切り替えられ、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒは非導通状態となる。
【0091】
また、リセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴがＬレベルに切り替えられる制御と同時並列的に、信号保持部２５０では、第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗ、第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗの制御信号ＳＨＳ、ＳＨＲがＬレベルに保持されている。そして、リセット期間が終了後、画素アレイのすべての信号保持部２５０では、次の制御が行われる。
すなわち、信号保持部２５０において、時刻ｔ１２を含む所定期間に制御信号ＳＨＲがＨレベルに切り替えられて第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗが導通状態となるように制御される。
すなわち、信号保持部２５０において、時刻ｔ１２を含む所定期間に制御信号ＳＨＲがＨレベルに切り替えられて第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗが導通状態となるように制御される。
【0092】
これにより、時刻ｔ１２に、出力バッファ部２３０において、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１の電荷がソースフォロワトランジスタＳＦ１－ＴＲにより電荷量に応じた電圧信号ＶＲＳＴに変換され、変換された電圧信号ＶＲＳＴが比較器２３１に供給される。
【0093】
比較器２３１においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒにより変換された電圧信号ＶＲＳＴと第１の傾きＣＬ１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１とが比較される。そして、比較器２３１においては、電圧信号ＶＲＳＴと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が同等レベルになったときにアクティブ、たとえばハイレベルＨの比較結果信号ＳＣＭＰが保持用信号取出部２４０の制御端子に出力される。
【0094】
アクティブの比較結果信号ＳＣＭＰを受けて、保持用信号取出部２４０が導通状態に保持され、第１の傾きＣＬ１より大きい第２の傾きＣＬ２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２が信号保持部２５０の入力部２５１に供給され、第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗを通して第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持される。
【0095】
第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に読み出し信号ＶＲＳＴを保持した後、制御信号ＳＨＲがＬレベルに切り替えられて、第２のサンプリングスイッチＳＨＲ１－Ｓｗが非導通状態となる。
【0096】
この一連の電圧信号ＶＲＳＴの保持動作は、要約すると次のように行われる。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部２３０の比較器２３１に供給し、電圧信号ＶＳＬ（ＶＲＳＴ）を信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きＣＬ１とは異なる第２の傾きＣＬ２で供給される。
比較器２３１の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１でのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力換算電界ノイズは１／ｒに抑えられる。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部２３０の比較器２３１に供給し、電圧信号ＶＳＬ（ＶＲＳＴ）を信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きＣＬ１とは異なる第２の傾きＣＬ２で供給される。
比較器２３１の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１でのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力換算電界ノイズは１／ｒに抑えられる。
【0097】
ここで、時刻ｔ１３を含む所定期間が転送期間となる。
転送期間には、各画素受光部２１０において、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤ１に転送される。
転送期間が終了すると、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧがＬレベルに切り替えられ、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが非導通状態となる。
転送期間には、各画素受光部２１０において、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが、制御信号ＴＧがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤ１に転送される。
転送期間が終了すると、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧがＬレベルに切り替えられ、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが非導通状態となる。
【0098】
次に、すべての信号保持部２５０では、次の制御が行われる。
信号保持部２５０において、時刻ｔ１４を含む所定期間に制御信号ＳＨＳがＨレベルに切り替えられて第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗが導通状態となるように制御される。
信号保持部２５０において、時刻ｔ１４を含む所定期間に制御信号ＳＨＳがＨレベルに切り替えられて第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗが導通状態となるように制御される。
【0099】
これにより、時刻ｔ１４において、出力バッファ部２３０において、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１の電荷がソースフォロワトランジスタＳＦ１－ＴＲにより電荷量に応じた電圧信号ＶＳＩＧに変換され、変換された電圧信号ＶＳＩＧが比較器２３１に供給される。
【0100】
比較器２３１においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒにより変換された電圧信号ＶＳＩＧと第１の傾きＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１とが比較される。そして、比較器２３１においては、電圧信号ＶＳＩＧと第１のランプ信号ＲＡＭＰ１が同等レベルになったときにアクティブ、たとえばハイレベルＨの比較結果信号ＳＣＭＰが保持用信号取出部２４０の制御端子に出力される。
【0101】
アクティブの比較結果信号ＳＣＭＰを受けて、保持用信号取出部２４０が導通状態に保持され、第１の傾きＣＬ１１より大きき第２の傾きＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２が信号保持部２５０の入力部２５１に供給され、第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗを通して第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持される。
【0102】
第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に読み出し信号ＶＳＩＧを保持した後、制御信号ＳＨＳがＬレベルに切り替えられて、第１のサンプリングスイッチＳＨＳ１－Ｓｗが非導通状態となる。
【0103】
この一連の電圧信号ＶＳＩＧの保持動作は、要約すると次のように行われる。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部２３０の比較器２３１に供給し、電圧信号ＶＳＬ（ＶＳＩＧ）を信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きＣＬ１１とは異なる第２の傾きＣＬ１２で供給される。
比較器２３１の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。第１の傾きＣＬ１１と第２の傾きＣＬ１２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ１２／ＣＬ１１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ１２の勾配／第１の傾きＣＬ１１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＳ２１の保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタＣＳ２１でのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力換算電界ノイズは１／ｒに抑えられる。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部２３０の比較器２３１に供給し、電圧信号ＶＳＬ（ＶＳＩＧ）を信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きＣＬ１１とは異なる第２の傾きＣＬ１２で供給される。
比較器２３１の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。第１の傾きＣＬ１１と第２の傾きＣＬ１２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ１２／ＣＬ１１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ１２の勾配／第１の傾きＣＬ１１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＳ２１の保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタＣＳ２１でのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力換算電界ノイズは１／ｒに抑えられる。
【0104】
この状態で保持した信号を読み出すため、画素アレイの中のある一行を選択するために、その選択された行の各選択スイッチＳＥＬ１－Ｓｗ，ＳＥＬ２－Ｓｗの制御信号ＲＳ１，ＲＳ２がＨレベルに設定されて、その選択スイッチＳＥＬ１－ＳｗおよびＳＥＬ２－Ｓｗが導通状態となる。
そして、時刻ｔ１５において、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された読み出し信号ＶＳＩＧの読み出し、並びに、第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された読み出しリセット信号ＶＲＳＴの読み出しが並行して行われる。
そして、時刻ｔ１５において、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された読み出し信号ＶＳＩＧの読み出し、並びに、第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された読み出しリセット信号ＶＲＳＴの読み出しが並行して行われる。
【0105】
このとき、各信号保持部２５０においては、保持ノードＮＤ４に接続された第１の増幅部ＡＭＰ１により、保持ノードＮＤ４に接続された第１の信号保持キャパシタＣＳ２１の保持電圧に応じて、列出力の読み出し信号ＶＳＩＧとして第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力され、差動の信号として読み出し回路４０に供給される。
これと並行して、各信号保持部２５０においては、保持ノードＮＤ５に接続された第２の増幅部ＡＭＰ２により、保持ノードＮＤ５に接続された第２の信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧に応じて、列出力の読み出しリセット信号ＶＲＳＴとして第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力され、差動の信号として読み出し回路４０に供給される。
これと並行して、各信号保持部２５０においては、保持ノードＮＤ５に接続された第２の増幅部ＡＭＰ２により、保持ノードＮＤ５に接続された第２の信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧に応じて、列出力の読み出しリセット信号ＶＲＳＴとして第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力され、差動の信号として読み出し回路４０に供給される。
【0106】
次に、信号保持部２５０において、時刻ｔ１６を含む所定期間に制御信号ＣＢがＨレベルに切り替えられて平均化用スイッチＡＶ１－Ｓｗが導通状態となる。
これにより、選択行のリセットレベルと信号レベルの平均化が行われる。
そして、制御信号ＣＢがＬレベルに切り替えられた後の時刻ｔ１７において、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された読み出し信号ＶＳＩＧ、並びに、第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された読み出しリセット信号ＶＲＳＴを平均化して信号の読み出しが並行して行われる。
これにより、選択行のリセットレベルと信号レベルの平均化が行われる。
そして、制御信号ＣＢがＬレベルに切り替えられた後の時刻ｔ１７において、第１の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された読み出し信号ＶＳＩＧ、並びに、第２の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された読み出しリセット信号ＶＲＳＴを平均化して信号の読み出しが並行して行われる。
【0107】
このとき、各信号保持部２５０においては、保持ノードＮＤ４に接続された第１の増幅部ＡＭＰ１により、保持ノードＮＤ４における平均化電圧に応じて、列出力の平均化信号として第１の垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力され、カラム読み出し回路４０に供給される。
これと並行して、各信号保持部２５０においては、保持ノードＮＤ５に接続された第２の増幅部ＡＭＰ２により、保持ノードＮＤ５における平均化電圧に応じて、列出力の平均化信号として第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力され、カラム読み出し回路４０に供給される。
これと並行して、各信号保持部２５０においては、保持ノードＮＤ５に接続された第２の増幅部ＡＭＰ２により、保持ノードＮＤ５における平均化電圧に応じて、列出力の平均化信号として第２の垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力され、カラム読み出し回路４０に供給される。
【0108】
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、固体撮像装置１０は、ＶＭＧＳ画素を有する。
このＶＭＧＳ画素は、転送素子を通じて光電変換素子（ＰＤ１）で蓄積された電荷が転送される出力ノード２２０（ＮＤ１，フローティングディフュージョンＦＤ１）と、出力ノードＮＤ１の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部２３０と、少なくとも、出力ノードの電荷量に応じた電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１，ＣＳ２１を含む信号保持部２５０と、信号保持部２５０の入力ノードと第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、出力バッファ部による比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部２４０と、を含む。
本第１の実施形態においては、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１より大きい。
そして、本第１の実施形態において、出力バッファ部２３０は、比較器２３１を有し、この比較器２３１により変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号ＣＭＰを出力する。
このＶＭＧＳ画素は、転送素子を通じて光電変換素子（ＰＤ１）で蓄積された電荷が転送される出力ノード２２０（ＮＤ１，フローティングディフュージョンＦＤ１）と、出力ノードＮＤ１の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号を出力する出力バッファ部２３０と、少なくとも、出力ノードの電荷量に応じた電圧信号に対する信号を保持可能で、保持した信号を出力可能なサンプルホールド用信号保持キャパシタＣＲ２１，ＣＳ２１を含む信号保持部２５０と、信号保持部２５０の入力ノードと第１の参照信号と異なる第２の参照信号の供給ラインとの間に配置され、出力バッファ部による比較結果信号により導通状態、非導通状態が制御される保持用信号取出部２４０と、を含む。
本第１の実施形態においては、第１の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１を有する第１のランプ信号ＲＡＭＰ１であり、第２の参照信号は、第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１１と異なる第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２を有する第２のランプ信号ＲＡＭＰ２である。本第１の実施形態では、第２の傾きＣＬ２，ＣＬ１２は第１の傾きＣＬ１，ＣＬ１より大きい。
そして、本第１の実施形態において、出力バッファ部２３０は、比較器２３１を有し、この比較器２３１により変換した電圧信号と第１の参照信号とを比較し、電圧信号と第１の参照信号が同等レベルになったときにアクティブの比較結果信号ＣＭＰを出力する。
【0109】
本第１の実施形態のＶＭＧＳ画素の処理の基本概念は、以下の通りである。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部の比較器２３１に供給し、電圧信号ＶＳＬを信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きとは異なる第２の傾きで供給される。
比較器の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。たとえば第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタの保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタでのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力換算電界ノイズは１／ｒに抑えられる。
第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を出力バッファ部の比較器２３１に供給し、電圧信号ＶＳＬを信号スロープＡＤＣ方式でデジタル信号に変換する。
第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の第１の傾きとは異なる第２の傾きで供給される。
比較器の出力は第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の保持（ラッチ）に使用される。たとえば第１の傾きＣＬ１と第２の傾きＣＬ２の比率（勾配の比率）ｒは、ｒ＝ＣＬ２／ＣＬ１（ｒ＝第２の傾き（勾配）ＣＬ２の勾配／第１の傾きＣＬ１の勾配）として表される。
傾きが異なるため、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と第２のランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きのゲイン比に応じてサンプルホールド用信号保持キャパシタの保持電圧（ラッチ電圧）が得られ、電圧ゲインとなる。
サンプルホールド用信号保持キャパシタでのｋＴ / Ｃノイズが支配的なノイズの場合、実効入力換算電界ノイズは１／ｒに抑えられる。
【0110】
このように、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、傾き（勾配）が異なる２つのランプ信号ＲＡＭＰ１，ＲＡＭＰ２を適用し、一方の第１のランプ信号ＲＡＭＰ１は信号電圧ＶＳＬと比較し、他方の第２のランプ信号ＲＡＭＰ２は電圧保持信号（ラッチ信号）に適用し、ランプ入力間に異なる傾き（勾配）を与えることにより、実効電圧ゲインが得られるため、サンプルホールド（ＳＨ）ノードにおける入力電子参照ノイズは、ゲインをＧで表すと、１／Ｇに減少させることが可能となる。
したがって、本第１の実施形態の固体撮像装置１０によれば、電圧サンプルホールド用信号保持キャパシタの容量値を増加させることなく、電圧サンプルホールドノードにおけるノイズを低減することが可能で、ひいては高ゲインモードでは輝度の高い光信号に対して低いゲインを維持しながら高い画素ゲインを得ることが可能で、低ゲインモードでは低変換ゲインの読み出しが可能であり、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
したがって、本第１の実施形態の固体撮像装置１０によれば、電圧サンプルホールド用信号保持キャパシタの容量値を増加させることなく、電圧サンプルホールドノードにおけるノイズを低減することが可能で、ひいては高ゲインモードでは輝度の高い光信号に対して低いゲインを維持しながら高い画素ゲインを得ることが可能で、低ゲインモードでは低変換ゲインの読み出しが可能であり、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
【0111】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【0112】
本第２の実施形態の画素２００Ａが、第１の実施形態の画素２００と異なる点は、次の通りである。
本第２の実施形態の画素２００Ａは、複数の変換ゲインを持て、ダイナミックレンジの拡大を図れるように、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１に接続された蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒと、蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒを介して少なくとも出力ノードＮＤ１の電荷を蓄積する蓄積容量素子ＣＧ１と、が画素受光部２１０Ａに追加された構成を有する。
本第２の実施形態においては、出力ノードＮＤ１としてのフローティングディフュージョンＦＤ１１と基準電位ＶＳＳとの間に、蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒと蓄積容量素子ＣＧ１が直列に接続されている。
本第２の実施形態の画素２００Ａは、複数の変換ゲインを持て、ダイナミックレンジの拡大を図れるように、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１に接続された蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒと、蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒを介して少なくとも出力ノードＮＤ１の電荷を蓄積する蓄積容量素子ＣＧ１と、が画素受光部２１０Ａに追加された構成を有する。
本第２の実施形態においては、出力ノードＮＤ１としてのフローティングディフュージョンＦＤ１１と基準電位ＶＳＳとの間に、蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒと蓄積容量素子ＣＧ１が直列に接続されている。
【0113】
このように、フローティングディフュージョンＦＤ１１と基準電位ＶＳＳとの間に、蓄積トランジスタＣＧ１－Ｔｒと蓄積容量素子ＣＧ１を直列に接続した回路を追加することにより、複数の異なるゲイン（少なくとも高ゲイン、低ゲイン）を持つことができる。これにより、ダイナミックレンジをさらに増加させることができる。
そして、いわゆるランプゲイン機能および画素変換ゲインを組み合わせてさらなるゲイン範囲を得ることができる。
そして、いわゆるランプゲイン機能および画素変換ゲインを組み合わせてさらなるゲイン範囲を得ることができる。
【0114】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【0115】
本第３の実施形態の画素２００Ｂが、第１の実施形態の画素２００と異なる点は、次の通りである。
本第３の実施形態の画素２００Ｂは、上述した第２の実施形態と同様に、複数の変換ゲインを持て、ダイナミックレンジの拡大を図れるように、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１に接続された蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒと、蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒを介して少なくとも出力ノードＮＤ１の電荷を蓄積する蓄積容量素子Ｃloficと、を含むＬＯＦＩＣ回路が追加された構成を有する。
ＬＯＦＩＣ回路は、フローティングディフュージョンＦＤ１の容量Ｃfd1に、所定の容量を選択的に付加可能な回路に相当する。
本第３の実施形態においては、蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒが出力ノードＮＤ１とリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒとの間に接続され、蓄積トランジスタＬＯ１－ＴｒとリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの接続点と基準電位ＶＳＳとの間に蓄積容量素子Ｃloficが接続されている。
本第３の実施形態の画素２００Ｂは、上述した第２の実施形態と同様に、複数の変換ゲインを持て、ダイナミックレンジの拡大を図れるように、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１に接続された蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒと、蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒを介して少なくとも出力ノードＮＤ１の電荷を蓄積する蓄積容量素子Ｃloficと、を含むＬＯＦＩＣ回路が追加された構成を有する。
ＬＯＦＩＣ回路は、フローティングディフュージョンＦＤ１の容量Ｃfd1に、所定の容量を選択的に付加可能な回路に相当する。
本第３の実施形態においては、蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒが出力ノードＮＤ１とリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒとの間に接続され、蓄積トランジスタＬＯ１－ＴｒとリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの接続点と基準電位ＶＳＳとの間に蓄積容量素子Ｃloficが接続されている。
【0116】
このように、蓄積トランジスタＬＯ１－Ｔｒが出力ノードＮＤ１とリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒとの間に接続され、蓄積トランジスタＬＯ１－ＴｒとリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの接続点と基準電位ＶＳＳとの間に蓄積容量素子Ｃloficが接続されたＬＯＦＩＣ回路を追加することにより、複数の異なるゲイン（少なくとも高ゲイン、低ゲイン）を持つことができる。これにより、ダイナミックレンジをさらに増加させることができる。
そして、いわゆるランプゲイン機能および画素変換ゲインを組み合わせてさらなるゲイン範囲を得ることができる。
そして、いわゆるランプゲイン機能および画素変換ゲインを組み合わせてさらなるゲイン範囲を得ることができる。
【0117】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
図７は、本発明の第４の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【0118】
本第４の実施形態の画素２００Ｃが、第１、第２および第３の実施形態の画素２００，２００Ａ，２００Ｂと異なる点は、次の通りである。
本第４の実施形態の画素２００Ｃにおいて、出力バッファ部２３０Ｃを形成する比較器２３１Ｃの差動トランジスタ対２３２Ｃの一方のトランジスタ２３２－１（ＮＴ２１）とソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒが共用され、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒのゲート入力が比較器２３１Ｃの反転入力として使用されている。
本第４の実施形態の画素２００Ｃにおいて、出力バッファ部２３０Ｃを形成する比較器２３１Ｃの差動トランジスタ対２３２Ｃの一方のトランジスタ２３２－１（ＮＴ２１）とソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒが共用され、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒのゲート入力が比較器２３１Ｃの反転入力として使用されている。
【0119】
本第４の実施形態によれば、上述した第１から第３の実施形態の効果と同様の効果を得られることはもとより、画素回路を単純化でき、その結果、トランジスタの数を削減することが可能となる。
【0120】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
図８は、本発明の第５の実施形態に係る画素の構成例を示す図である。
【0121】
本第５の実施形態の画素２００Ｄが、上述した第１、第２、第３、および第４の実施形態の画素２００～２００Ｃと異なる点は、次の通りである。
本第５の実施形態の画素２００Ｄは、出力バッファ部２３０Ｄにおいて、比較器の代わりに、ソース入力増幅器２３４が採用されている。
ソース入力増幅器２３４においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒのソースに第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を入力し、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－ＴｒのドレインとＰＭＯＳトランジスタＰＴ２３により形成される負荷２３５との接続点ＮＤ６により比較結果信号ＳＣＭＰを保持用信号取出部２４０の制御端子に出力する。
本第５の実施形態の画素２００Ｄは、出力バッファ部２３０Ｄにおいて、比較器の代わりに、ソース入力増幅器２３４が採用されている。
ソース入力増幅器２３４においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒのソースに第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を入力し、ソースフォロワトランジスタＳＦ１－ＴｒのドレインとＰＭＯＳトランジスタＰＴ２３により形成される負荷２３５との接続点ＮＤ６により比較結果信号ＳＣＭＰを保持用信号取出部２４０の制御端子に出力する。
【0122】
本第５の実施形態によれば、上述した第１から第４の実施形態の効果と同様の効果を得られることはもとより、画素回路を簡略化でき、その結果、トランジスタの数を削減することが可能となる。
【0123】
（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態を説明するための図であって、参照信号としてのランプ信号の他のパターン例を示す図である。
図９は、本発明の第６の実施形態を説明するための図であって、参照信号としてのランプ信号の他のパターン例を示す図である。
【0124】
本第６の実施形態の画素２００Ｅが、上述した第１、第２、第３、第４、および第５の実施形態の画素２００～２００Ｄと異なる点は、次の通りである。
本第６の実施形態の画素２００Ｅは、線形の第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と、非線形の第２の参照信号としての第２のランプ信号ＲＡＭＰ２を採用している。
本第６の実施形態の画素２００Ｅは、線形の第１の参照信号としての第１のランプ信号ＲＡＭＰ１と、非線形の第２の参照信号としての第２のランプ信号ＲＡＭＰ２を採用している。
【0125】
すなわち、本第６の実施形態では、単一勾配（傾き）の第１のランプ信号ＲＡＭＰ１を採用するとともに、線形－対数（またはニー（knees））ランプパターンを第２のランプ信号ＲＡＭＰ２に採用している。
この構成を採用することにより、データを圧縮するか、または光応答曲線を柔軟に制御することが可能となる。
この構成を採用することにより、データを圧縮するか、または光応答曲線を柔軟に制御することが可能となる。
【0126】
また、本第６の実施形態によれば、ＣＳＤの精度を上げるために、低信号領域を線形にすることができる。
また、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の非線形ランプと比較すると、比較器の遅延は安定していることが推察される。
この機能を使用するために、上述したすべての実施形態の任意の画素回路を使用することができる。
また、第１のランプ信号ＲＡＭＰ１の非線形ランプと比較すると、比較器の遅延は安定していることが推察される。
この機能を使用するために、上述したすべての実施形態の任意の画素回路を使用することができる。
【0127】
以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｅは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
【0128】
図１０は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。
【0129】
本電子機器３００は、図１０に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｅが適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ３１０を有する。
さらに、電子機器３００は、このＣＭＯＳイメージセンサ３１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）３２０を有する。
電子機器３００は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)３３０を有する。
さらに、電子機器３００は、このＣＭＯＳイメージセンサ３１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）３２０を有する。
電子機器３００は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)３３０を有する。
【0130】
信号処理回路３３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路３３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
信号処理回路３３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
【0131】
上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｅを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
【符号の説明】
【0132】
１０，１０Ａ～１０Ｅ・・・固体撮像装置、２０，２０Ａ～２０Ｅ・・・画素部、２００，２００Ａ～２００Ｅ・・・画素、ＰＤ１・・・フォトダイオード、ＴＧ１－Ｔｒ・・・転送トランジスタ、ＲＳＴ１－Ｔｒ・・・リセットトランジスタ、ＳＦ１－Ｔｒ・・・ソースフォロワトランジスタ、ＦＤ１・・・フローティングディフュージョン、２１０・・・画素受光部、２２０・・・出力ノード、２３０・・・出力バッファ部、２３１・・・比較器、２４０・・・保持用信号取出部、２５０・・・信号保持部、３０・・・垂直走査回路、４０・・・読み出し回路（カラム読み出し回路）、５０・・・水平走査回路、６０・・・タイミング制御回路、７０・・・読み出し部、３００・・・電子機器、３１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、３２０・・・光学系、３３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】