CN107925734B - 光电转换装置和光电转换系统 - Google Patents

Abstract

根据实施例的光电转换装置包括：光电转换元件(PD)，包括接收来自光电转换元件(PD)的第一信号的栅极的第一晶体管(Mpx)，第二晶体管(M2)，以及第三晶体管(M3)，该第三晶体管(M3)选择性地构成由第一晶体管(Mpx)和第三晶体管(M3)构成的第一差分对和由第二晶体管(M2)和第三晶体管(M3)构成的第二差分对。光电转换装置将基于第一晶体管(Mpx)的栅极处的电压的第二信号输出到第二晶体管(M2)的栅极。

Description

光电转换装置和光电转换系统

技术领域

本发明涉及一种光电转换装置和光电转换系统。

背景技术

在专利文献1的图2中所描述的光电转换装置中，像素的放大晶体管(在图2中用附图标记114表示)和布置在每一列中的差分晶体管(在图2中用附图标记201表示)构成差分放大器。基于在光电转换元件中产生的电荷的信号被输入到像素的放大晶体管。具有斜坡波形的参考电压被输入到差分晶体管。然后，通过将像素的放大晶体管的栅极处的电压与差分晶体管的栅极处的电压进行比较的操作，基于在光电转换元件中产生的电荷的信号被转换为数字信号。

[引用列表]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利公第2005-311487号

发明内容

根据本发明的一个方面的图像拾取装置包括：光电转换元件，包括接收来自光电转换元件的第一信号的栅极的第一晶体管，第二晶体管，以及选择性地构成由第一晶体管和第三晶体管构成的第一差分对和由第二晶体管和第三晶体管构成的第二差分对的第三晶体管。基于第一晶体管的栅极处的电压的第二信号被输出到第二晶体管的栅极。

根据本发明的另一个方面的图像拾取装置包括：光电转换元件；包括接收来自光电转换元件的信号的栅极的第一晶体管；第二晶体管；选择性地构成由第一晶体管和第三晶体管构成的第一差分对和由第二晶体管和第三晶体管构成的第二差分对并包括接收参考信号的栅极的第三晶体管；以及连接第二晶体管的栅极和第三晶体管的漏极的开关。

根据本发明的又一方面的图像拾取装置包括：光电转换元件；包括接收来自光电转换元件的第一信号的栅极的第一晶体管；使第一晶体管的栅极处的电压复位的复位晶体管；第二晶体管；以及包括接收用于模数转换的参考信号的栅极的第三晶体管，其中，包括由第一晶体管和第三晶体管构成的第一差分对的比较器执行第一信号和参考信号之间的比较，并且包括由第二晶体管和第三晶体管构成的第二差分对的比较器执行在基于在第一晶体管的栅极处的电压被复位时第一晶体管的栅极处的电压的第二信号和参考信号之间的比较。

根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本发明的另外的特征将变得清楚。

附图说明

[图1]图1是示意性地示出光电转换装置的整体配置的框图。

[图2]图2示出光电转换装置的电路配置。

[图3]图3示意性地示出光电转换装置的驱动信号的时序图。

[图4]图4是示出光电转换装置的整体配置的框图。

[图5]图5示出光电转换装置的电路配置。

[图6]图6示意性地示出光电转换装置的驱动信号的时序图。

[图7]图7示出光电转换装置的电路配置。

[图8]图8示意性地示出光电转换装置的驱动信号的时序图。

[图9]图9示出光电转换系统的配置。

具体实施方式

根据一些示例性实施例，其旨在提高光电转换装置中信号的读出操作的自由度。

光电转换装置对来自像素的信号的读出操作具有限制的问题。在本发明人已知的光电转换装置中，为了对预定像素的信号执行模数转换(在下文中，将被称为AD转换)，需要使用由预定像素的放大晶体管和差分晶体管构成的差分对。

当存在对读出操作的上述限制时，例如，在某些情况下可能难以高速读出信号。需要顺序地执行像素的复位、复位信号的AD转换、电荷的传输、和基于传输的电荷的光信号的AD转换。为此，读取信号消耗时间。

作为上述的替代方案，在某些情况下，对读出操作的上述限制可能成为图像质量下降的原因。根据专利文献1中所描述的相关技术，由不同的晶体管构成的差分放大器对来自多个像素的多个信号执行AD转换。在放大晶体管的特性在多个像素中变化的情况下，在某些情况下特性变化可能在来自像素的信号中产生噪声作为噪声。

将参照附图描述本发明的示例性实施例。图1是示意性示出根据本示例性实施例的光电转换装置的整体配置的框图。多个像素100构成像素阵列102。像素阵列102包括多个像素行和多个像素列。垂直扫描电路101控制多个像素100以从多个像素100读出信号。例如，针对每个像素行读出来自多个像素100的信号。在本说明书中读出信号的例子至少包括用于将信号转换成数字信号的模数转换(在下文中，将被称为AD转换)以及用于AD转换的信号的比较。

比较电路104将像素100的信号与参考信号进行比较。由参考信号供应单元103产生的参考信号被输入到比较电路104。基于比较电路104的比较结果的控制信号被输出到计数器106。基于比较结果的控制信号控制计数器106的计数周期。计数器106将与接收到控制信号时的定时相对应的计数值输出到存储器107。输出到存储器107的计数值是作为对像素100的信号进行AC转换的结果而获得的数字信号。保持在存储器107中的数字信号由水平扫描电路108从光电转换装置顺序地输出。比较电路104、计数器106、和存储器107被统称为列电路阵列110。

图2示出光电转换装置的像素100和比较电路104的配置。为了简化说明，图2仅示出了一个像素100。

像素100至少包括光电转换元件PD和像素晶体管Mpx。像素晶体管Mpx的栅极连接到浮置扩散节点(在下文中，将被称为FD节点)。来自光电转换元件PD的信号被输入到像素晶体管Mpx的栅极。例如，在光电转换元件PD中产生的电荷被传输到FD节点。也就是说，基于在光电转换元件PD中产生的电荷的信号被输入到像素晶体管Mpx的栅极。应该注意的是，由于像素晶体管Mpx的栅极连接到FD节点，所以在本说明书中，在一些情况下，像素晶体管Mpx的栅极可以被称为FD节点。

比较电路104包括差分晶体管M3。用于AD转换的参考信号VRMP被输入到差分晶体管M3的栅极。参考信号VRMP例如是电压随时间变化的斜坡电压信号。

像素晶体管Mpx和差分晶体管M3连接到尾电流源IS1。换句话说，像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成差分对。像素晶体管Mpx和差分晶体管M3具有相同的导电类型。

根据本示例性实施例的光电转换装置设置有晶体管M2。根据图2所示的示例性实施例，晶体管M2被包括在比较电路104中。晶体管M2和差分晶体管M3被连接到尾电流源IS1。换句话说，晶体管M2和差分晶体管M3构成差分对。晶体管M2具有与像素晶体管Mpx和差分晶体管M3相同的导电类型。根据本示例性实施例，晶体管M2是N沟道MOS晶体管。

差分晶体管M3与像素晶体管Mpx和晶体管M2中的一个晶体管选择性地构成差分对。例如，在控制像素100的选择晶体管Msx和设置在晶体管M2和尾电流源IS1之间的电路径上的晶体管M4的同时，可以选择要激活的差分对。当选择晶体管Msx导通，并且晶体管M4断开时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。当选择晶体管Msx断开，并且晶体管M4导通时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。

根据本示例性实施例的光电转换装置将基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号输出到晶体管M2的栅极。基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号至少包括：通过对像素晶体管Mpx的栅极处的电压进行缓冲而获得的电压信号和通过以预定的增益放大像素晶体管Mpx的栅极处的电压而获得的电压信号。

根据一些示例性实施例，信号经由将晶体管M2的栅极连接到差分晶体管M3的漏极的开关sw2被输出到晶体管M2的栅极。首先，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对用作电压跟随器电路。电压跟随器电路的输入节点是像素晶体管Mpx的栅极。通过上述操作，像素晶体管Mpx的栅极处的电压被输出到差分晶体管M3的漏极。当将晶体管M2的栅极连接到差分晶体管M3的漏极的开关sw2导通时，基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号被输出到晶体管M2的栅极。

根据另一示例性实施例，由像素晶体管Mpx、晶体管M2和差分晶体管M3构成的多个差分对被顺序地操作，即被顺序地激活，使得信号被输出到晶体管M2的栅极。首先，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对用作第一电压跟随器电路。第一电压跟随器电路的输入节点是像素晶体管Mpx的栅极。通过上述操作，像素晶体管Mpx的栅极处的电压被输出到差分晶体管M3的栅极。由差分晶体管M3和晶体管M2构成的差分对用作第二电压跟随器电路。第二电压跟随器电路的输入节点是差分晶体管M3的栅极。保持在差分晶体管M3的栅极处的信号通过第二电压跟随器电路输出到晶体管M2的栅极。

接下来，将描述示例性实施例的效果。如上所述，来自像素100的信号被输出到晶体管M2的栅极。根据上述配置，提高了从像素100读出信号的自由度。例如，可以通过使用由包括在像素100中的晶体管以外的晶体管构成的差分对来对来自像素100的信号执行AD转换。

随着信号读出的自由度的提高，例如，信号的读出可以在短时间段内进行。根据一些示例性实施例，从像素100读出基于当在像素晶体管Mpx的栅极处的电压被复位时栅极处的电压的信号(在下文中，将被称为噪声信号)和基于在光电转换元件PD中产生的电荷的信号(在下文中，将被称为光信号)。首先，将噪声信号输出到晶体管M2的栅极。结果，包括由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对的比较器可以执行噪声信号和参考信号之间的比较，即，对噪声信号的AD转换。另一方面，在执行对于噪声信号的AD转换的同时，光电转换元件PD中的电荷可以被传输到像素100中的像素晶体管Mpx的栅极。也就是说，可以并行地执行对于噪声信号的AD转换和光电转换元件PD中产生的电荷的传输。结果，可以缩短用于执行信号读出的时间。

作为上述的替代方案，根据一些示例性实施例，光电转换元件PD直接连接到像素晶体管Mpx的栅极。根据上述示例性实施例，当噪声信号被输出到晶体管M2的栅极时，可以在执行对于噪声信号的AD转换的同时在光电转换元件PD中累积电荷。为此，可以从光信号中去除噪声分量，结果，可以减小从光电转换装置输出的信号的噪声。

作为上述的替代方案，在包括多个像素100的图像拾取装置中，可以基于上述的信号读出的自由度的提高来提高图像质量。包括由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对的比较器可以共同地对来自多个像素100的多个信号执行AD转换。结果，可以提高图像质量。

应该注意的是，尽管在图2中被省略，但是图2中所示的一个比较电路104相对于包括在一个像素列中的多个像素100被布置。具体而言，多个像素100的选择晶体管Msx的源极彼此连接，并且也直接或经由开关连接到尾电流源IS1。另外，多个像素100的像素晶体管Mpx的漏极彼此连接。然后，一个差分晶体管M3和包括在一个像素列中的多个像素100中的每一个的像素晶体管Mpx构成差分对。光电转换装置可以被设置有多对的上述像素列和比较电路104。

根据上述示例性实施例，差分晶体管M3与像素100的像素晶体管Mpx和晶体管M2中的每一个构成差分对。晶体管M2不属于任何像素。为此，由光电转换产生的电荷不被传输到晶体管M2的栅极。

根据另一示例性实施例，差分晶体管M3和仅包括在多个像素100中的像素晶体管Mpx构成差分对。在这种情况下，在上述解释中，像素晶体管Mpx被包括在第一像素100中的像素晶体管Mpx1适当地替换，并且，晶体管M2被包括在第二像素100中的像素晶体管Mpx2适当地替换。例如，参照图7例示了这样的另一示例性实施例。

在下文中，将描述根据本发明的一些例子。除非特别指定，否则本示例性实施例的描述适用于所有的例子。另外，根据一些例子的配置的一部分可以被另一例子的一部分替换，或者可以被添加到另一例子。

[例1]

将描述根据例1的光电转换装置。图1是示意性示出根据本例的光电转换装置的整体配置的框图。由于已经描述了光电转换装置的整体配置，因此这里将省略对图1的描述。

图2示出光电转换装置的像素100和比较电路104的配置。为了简化说明，图2仅示出了一个像素100。

像素100包括：光电转换元件PD，复位晶体管Mrx，传输晶体管Mtx，像素晶体管Mpx和选择晶体管Msx。使用N沟道MOS晶体管作为像素100。驱动信号

被输入到复位晶体管Mrx的栅极，驱动信号

被输入到传输晶体管Mtx的栅极，并且，驱动信号

被输入到选择晶体管Msx的栅极。

像素晶体管Mpx的栅极连接到FD节点。像素晶体管Mpx的栅极接收来自光电转换元件PD的信号。根据本例，在光电转换元件PD中产生的电荷通过传输晶体管Mtx被传输到FD节点。也就是说，基于在光电转换元件PD中产生的电荷的信号被输入到像素晶体管Mpx的栅极。复位晶体管Mrx使像素晶体管Mpx的栅极处的电压复位。

像素晶体管Mpx的漏极和复位晶体管Mrx的漏极连接到供应电源电压VDD的电源节点。像素晶体管Mpx的源极经由选择晶体管Msx连接到尾电流源IS1。应该注意的是，尽管在图2中未示出，但是包括在一个像素列中的多个像素100的像素晶体管Mpx的漏极彼此连接。包括在一个像素列中的多个像素100的选择晶体管Msx的源极彼此连接。

比较电路104包括：负载晶体管M1，晶体管M2，差分晶体管M3，晶体管M4，晶体管M5以及尾电流源IS1。负载晶体管M1是P沟道MOS晶体管。晶体管M2、差分晶体管M3、晶体管M4、和晶体管M5都是N沟道MOS晶体管。例如，其中预定偏置电压被施加到栅极的N沟道MOS晶体管可以被用作尾电流源IS1。

负载晶体管M1被布置在差分晶体管M3的漏极和电源节点之间的电路径上。晶体管M4被布置在晶体管M2和尾电流源IS1之间的电路径上。晶体管M5被布置在差分晶体管M3和尾电流源IS1之间的电路径上。偏置电压Vbs被供应给负载晶体管M1。驱动信号

被输入到晶体管M4的栅极。晶体管M5的栅极连接到电源节点。为此，晶体管M5定期导通。

比较电路104包括开关sw1和钳位电容Cclmp。开关sw1将差分晶体管M3的栅极和漏极彼此连接。开关sw1由驱动信号

控制。钳位电容Cclmp的一个端子连接到差分晶体管M3的栅极。参考信号VRMP被输入到钳位电容Cclmp的另一个端子。当开关sw1断开时，差分晶体管M3的栅极变成电浮置。结果，差分晶体管M3的栅极处的电压可以被钳位到钳位电容Cclmp。

比较电路104包括开关sw2和保持电容Csmpl。开关sw2将晶体管M2的栅极连接到差分晶体管M3的漏极。开关sw2由驱动信号

控制。保持电容Csmpl的一个端子连接到晶体管M2的栅极。保持电容Csmpl的另一个端子连接到接地节点。地电压被供应给接地节点。当开关sw2断开时，晶体管M2的栅极变为电浮置。结果，信号可以保持在晶体管M2的栅极处。换句话说，开关sw2和保持电容Csmpl构成采样保持电路。

将描述根据本例的光电转换装置的操作模式。光电转换装置的操作模式由选择晶体管Msx、晶体管M4、开关sw1、和开关sw2控制。

差分晶体管M3与像素晶体管Mpx和晶体管M2中的每一个一起选择性地构成差分对。因此，光电转换装置包括由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态，以及由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当选择晶体管Msx导通，并且晶体管M4断开时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。当选择晶体管Msx断开，并且晶体管M4导通时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。

首先，将描述由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当在这种状态下开关sw1导通时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对用作电压跟随器电路。该电压跟随器电路的输入节点是像素晶体管Mpx的栅极。为此，基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号被输出到电压跟随器电路的输出节点，即，差分晶体管M3的漏极。此时，当开关sw2导通时，基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号被输出到晶体管M2的栅极。另一方面，当在这种状态下开关sw1断开时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对用作比较器。该比较器经由钳位电容Cclmp将像素晶体管Mpx的栅极处的信号与输入到差分晶体管M3的栅极的参考信号VRMP进行比较。应该注意的是，复位晶体管Mrx在作为电压跟随器电路的操作或作为比较器的操作中断开。

接下来，将描述由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当在这种状态下开关sw1和开关sw2都断开时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对用作比较器。该比较器经由钳位电容Cclmp将晶体管M2的栅极处的信号和输入到差分晶体管M3的栅极的参考信号VRMP进行比较。

下文中将描述根据本例的光电转换装置的驱动方法。图3示意性地示出光电转换装置的驱动信号的时序图。图3示出在一个水平扫描周期(1H周期)期间的驱动信号，即用于读出一个像素行中的信号的驱动信号。当驱动信号处于高电平时，该驱动信号所供应到的晶体管或开关导通。当驱动信号处于低电平时，该驱动信号所供应到的晶体管或开关断开。根据晶体管的导电类型等来设置高电平和低电平的特定电压。另外，图3示意性地示出用于AD转换的参考信号VRMP的波形。

在从时刻t0到时刻t1的时段P_RES中，执行像素100的复位、噪声信号到钳位电容Cclmp的钳位、以及噪声信号到晶体管M2的栅极的输出。

在时刻t0，驱动信号

被转变为高电平。结果，像素100的像素晶体管Mpx的栅极处的电压被复位到预定的电平。

同时，驱动信号

和

被转变为高电平。选择晶体管Msx和开关sw1导通，并且，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为电压跟随器电路工作。结果，基于当像素晶体管Mpx的栅极处的电压被复位时栅极处的电压的信号，即，噪声信号，被输出到差分晶体管M3的漏极。另外，此时差分晶体管M3的栅极处的电压被钳位到钳位电容Cclmp。

而且，在时刻t0，驱动信号

被转变为高电平。由于作为结果，开关sw2导通，所以噪声信号被输出到晶体管M2的栅极，并且也被采样到保持电容Csmpl。

之后，到时刻t1为止，驱动信号

驱动信号

驱动信号

以及驱动信号

被顺序地转变为低电平。由于开关sw2被断开，所以噪声信号被保持在晶体管M2的栅极处。应该注意的是，如图3所示，优选采用以下顺序。也就是说，驱动信号

被转变为低电平。然后，驱动信号

和驱动信号

几乎同时被转变为低电平，而且，此后，驱动信号

被转变为低电平。这是因为，由于在开关sw1之前断开复位晶体管Mrx，所以由复位晶体管Mrx产生的热噪声(kT/C噪声)可以被反映到钳位电平。

在从时刻t2到时刻t3的时段N_AD中，执行对于噪声信号的AD转换以及从光电转换元件PD到像素晶体管Mpx的栅极的电荷传输。

在时刻t2，驱动信号

被转变为高电平。结果，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对用作比较器。保持在采样电容Csmpl中的噪声信号被输入到晶体管M2的栅极。比较器比较该噪声信号与参考信号VRMP之间的幅值关系。通过测量从参考信号VRMP的斜降开始到幅值关系反转的时间来执行对于噪声信号的AD转换。

另外，在时刻t2，驱动信号

被转变为高电平。传输晶体管Mtx导通，并且在光电转换元件PD中累积的电荷被传输到FD节点。结果，获得基于在光电转换元件PD中产生的电荷的信号，即光信号。在时段N_AD中，驱动信号

处于低电平。也就是说，由像素晶体管Mpx构成的差分对被去激活。为此，光信号输入到像素晶体管Mpx的栅极不影响由晶体管M2和差分晶体管M3执行的比较操作。因此，可以同时执行噪声信号的AD转换和像素100中的电荷的传输。

之后，到时刻t3为止，驱动信号

和驱动信号

被顺序地转变为低电平。

在从时刻t4到时刻t5的时段S_AD中，执行对于光信号的AD转换。在时刻t4，驱动信号

被转变为高电平。此时，驱动信号

处于低电平，并且，开关sw1断开。为此，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。光信号被输入到像素晶体管Mpx的栅极。比较器比较该光信号与参考信号VRMP之间的幅值关系。通过测量从参考信号VRMP的斜降开始直到幅值关系反转的时间来执行对于光信号的AD转换。

应该注意的是，可以执行数字相关双采样(CDS)处理，即，从通过对于光信号的AD转换而获得的数字信号中减去作为对于噪声信号的AD转换的结果而获得的数字信号。

如上所述，根据本例，基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的像素100的信号被输出到晶体管M2的栅极。根据上述配置，提高了从像素100读出信号的自由度。具体地，可以通过使用由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对来执行对于来自像素100的噪声信号的AD转换。结果，可以在短时间段内执行从像素100读出信号。

[例2]

将描述根据例2的光电转换装置。本例与例1的不同之处在于，顺序地操作由像素晶体管Mpx、晶体管M2和差分晶体管M3构成的多个差分对，以将基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号输出到晶体管M2的栅极。另外，本例与例1的不同之处在于，基于由比较电路104进行的比较结果的控制信号经由输出电路105被输出到计数器106。在下文中，将主要描述与例1的不同之处。将省略与例1相同的方面的描述。

图4是示意性示出根据本示例性实施例的光电转换装置的整体配置的框图。与图1类似的部分被赋予与图1相同的附图标记。根据本例的光电转换装置被设置有输出电路105。根据本例，基于由比较电路104进行的比较结果的控制信号经由输出电路105输出到计数器106。另外，输出电路105将基于像素100的信号的信号作为反馈信号输出到比较电路104。由于其他配置与图1相同，所以省略其描述。

图5示出光电转换装置的像素100、比较电路104和输出电路105的配置。为了简化说明，图5仅示出一个像素100。具有与图2相同的功能的部分被赋予与图2相同的附图标记。

根据本例的光电转换装置的像素100的配置与例1相同。为此，将省略像素100的描述。

比较电路104包括：晶体管M2，差分晶体管M3，晶体管M4，晶体管M5，负载晶体管M6和尾电流源IS1。根据本例的比较电路104与例1的不同之处在于包括负载晶体管M6。负载晶体管M6是P沟道MOS晶体管。负载晶体管M6被布置在晶体管M2和电源节点之间的电路径上。偏置电压Vbs被供应给负载晶体管M6的栅极。晶体管M2、差分晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和尾电流源IS1的配置和功能类似于例1的配置和功能。

比较电路104包括开关sw1和钳位电容Cclmp。开关sw1和钳位电容Cclmp的配置和功能类似于例1的配置和功能。

比较电路104包括开关sw2和保持电容Csmpl。保持电容Csmpl的配置和功能类似于例1的配置和功能。在根据本例的比较电路104中，开关sw2的连接与例1不同。开关sw2将晶体管M2的栅极和漏极相互连接。当开关sw2断开时，晶体管M2的栅极变为电浮置。结果，信号可以保持在晶体管M2的栅极处。换句话说，开关sw2和保持电容Csmpl构成采样保持电路。

将描述根据本例的光电转换装置的操作模式。光电转换装置的操作模式由选择晶体管Msx、晶体管M4、开关sw1和开关sw2控制。

差分晶体管M3与像素晶体管Mpx和晶体管M2中的每一个一起选择性地构成差分对。因此，光电转换装置包括其中由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态，以及其中由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当选择晶体管Msx导通，并且晶体管M4断开时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。当选择晶体管Msx断开，并且晶体管M4导通时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。

首先，将描述由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当在这种状态下开关sw1导通时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为第一电压跟随器电路工作。第一电压跟随器电路的输入节点是像素晶体管Mpx的栅极。为此，基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号被输出到第一电压跟随器电路的输出节点，即，差分晶体管M3的栅极和漏极。另一方面，当在这种状态下开关sw1断开时，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。该比较器经由钳位电容Cclmp将像素晶体管Mpx的栅极处的信号与输入到差分晶体管M3的栅极的参考信号VRMP进行比较。应该注意的是，复位晶体管Mrx在作为第一电压跟随器电路的操作或作为比较器的操作中都断开。

接下来，将描述由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当在这种状态下，开关sw1和开关sw2中的一个断开而另一个导通时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对作为第二电压跟随器电路工作。在开关sw1导通的情况下，第二电压跟随器电路的输入节点是晶体管M2的栅极。在开关sw2导通的情况下，第二电压跟随器电路的输入节点是差分晶体管M3的栅极。当在这种状态下开关sw1和开关sw2都断开时，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。该比较器经由钳位电容Cclmp将晶体管M2的栅极处的信号和输入到差分晶体管M3的栅极的参考信号VRMP进行比较。

根据本例的比较电路104包括开关sw4。开关sw4将尾电流源IS1连接到公共布线501上。尽管未在图5中示出，但是多个像素100连接到公共布线501。开关sw4由驱动信号

控制。当由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对被激活时，开关sw4断开。也就是说，开关sw4用作切断由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差动对与公共布线501之间的连接的断路器。其结果是，可以减小连接到尾电流源IS1的节点的电容。结果，包括由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对的电路可以高速地操作。

在本例中，输出电路105连接到差分晶体管M3的漏极。反相器INV连接到输出电路105的输出节点502。输出电路105的输出节点502是与像素晶体管Mpx的源极和漏极以及差分晶体管M3的源极和漏极不同的节点。

输出电路105执行将基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的电压输出到差分晶体管M3的栅极的第一操作。另外，输出电路105接收来自差分晶体管M3的电流，并且执行将基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压与差分晶体管M3的栅极处的电压之间的比较结果的信号输出到输出节点502的第二操作。例如，当由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为电压跟随器电路工作时，输出电路105执行第一操作。当由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作时，输出电路105执行第二操作。

在第一操作中，输出电路105可以作为向差分晶体管M3供应电流的电流源工作。此时，输出电路105成为由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对的负载。因此，当差分晶体管M3的栅极和漏极被开关sw1短路时，输出电路105将基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的电压输出到差分晶体管M3的栅极。

在第二操作中，输出电路105可以作为检测差分晶体管M3的电流的电流检测电路工作。电流检测电路将差分晶体管M3的电流的变化作为另一个信号输出到输出节点502。利用这个功能，输出电路105将基于像素晶体管Mpx的栅极处的信号和差分晶体管M3的栅极处的信号之间的比较结果的信号输出到输出节点502。

例如，在差分晶体管M3的栅极处的电压高于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的情况下，输出电路105向输出节点502输出第一电压。另一方面，在差分晶体管M3的栅极处的电压低于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的情况下，输出电路105将与第一电压不同的第二电压输出到输出节点502。

在上述说明中，尾电流源IS1所连接到的布线的寄生电阻被忽略。布线的寄生电阻可以是由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对形成的电路的偏移。

输出电路105包括控制单元，该控制单元被配置为将在上述第二操作中的差分晶体管M3的漏极处的电压的变化量设置为低于输出节点502处的电压的变化量。特别地，控制单元将当在像素晶体管Mpx的栅极处的电压的幅值和在差分晶体管M3的栅极处的电压的幅值之间的关系被反转时在差分晶体管M3的漏极处的电压的变化量设置为低于输出节点502处的电压的变化量。此时输出节点502处的电压的变化量是上述的第一电压和第二电压之间的差。

控制单元包括电流镜电路。电流镜电路包括晶体管M7和晶体管M8。晶体管M7和晶体管M8都是P沟道MOS晶体管。晶体管M7的漏极电连接到差分晶体管M3的漏极。晶体管M7的栅极和晶体管M8的栅极彼此连接，并且还连接到晶体管M7的漏极。

当输出电路105执行第一操作时，由晶体管M7和晶体管M8构成的电流镜电路将晶体管M8的电流镜像到晶体管M7。另一方面，当输出电路105执行第二操作时，电流镜电路将晶体管M7的电流镜像到晶体管M8。换句话说，在第一操作中，电流镜电路作为用于从晶体管M7向差分晶体管M3供应电流的电流源负载工作。在第二操作中，电流镜电路作为电流检测电路工作，该电流检测电路将从差分晶体管M3输入到晶体管M7的电流镜像到晶体管M8。

输出电路105还包括将晶体管M8的栅极和漏极彼此连接的连接开关sw3。连接开关sw3由驱动信号

控制。连接开关sw3切换上述的第一操作和第二操作。具体地，当连接开关sw3导通时，电流镜电路可以将晶体管M8的电流镜像到晶体管M7。当连接开关sw3断开时，电流镜电路可以将晶体管M7的电流镜像到晶体管M8。

此外，输出电路105包括电容C1。电容C1包括电连接到晶体管M7的漏极的第一端子和电连接到晶体管M7的栅极的第二端子。利用电容C1，晶体管M7的漏极和栅极建立交流(AC)耦合，并且晶体管M7的电流可以被镜像到晶体管M8。输出电路105还包括连接到输出节点502的参考电流源IS2。参考电流源IS2向晶体管M8输出参考电流。

接下来，将描述由根据本例的输出电路105实现的效果。在专利文献1的图2中描述的光电转换装置中，差分晶体管的漏极是输出节点。为此，在比较操作中，当像素的放大晶体管的栅极处的电压与差分晶体管的栅极处的电压之间的关系被反转时，差分晶体管的漏极处的电压大幅地改变。具体地，差分晶体管的漏极处的电压的变化量与接地电压和电源电压(图2的AVD)之间的差基本上相等。差分晶体管的漏极处的电压的变化可以经由差分晶体管的栅极和漏极之间的寄生电容而被发送到差分晶体管的栅极，即用于供应参考信号的节点。

用于供应参考信号的节点处的电压的变化可能降低从光电转换装置输出的信号的精度。例如，由于在差分放大器的输出被反转之后参考信号沿相反的方向改变，所以该差分放大器的输出可以被反转。另外，在将公共参考信号供应给多个差分放大器的情况下，由于一个差分放大器的输出的反转引起的参考信号的变化可能使另一个差分放大器的输出反转。结果，模数转换的精度可能会降低。也就是说，从光电转换装置输出的数字信号的精度可能会降低。

与上述相反，根据本例，输出电路105包括控制单元，该控制单元被配置为减小差分晶体管M3的漏极处的电压的变化。根据上述配置，可以减小由差分晶体管M3的漏极处的电压变化引起的参考信号的变化。结果，可以提高从光电转换装置输出的信号的精度。

接下来，将描述根据本例的光电转换装置的驱动方法。图6示意性地示出光电转换装置的驱动信号的时序图。图6示出在一个水平扫描周期(1H周期)期间的驱动信号，即用于读出一个像素行中的信号的驱动信号。当驱动信号处于高电平时，该驱动信号所供应给的晶体管或开关导通。当驱动信号处于低电平时，该驱动信号所供应给的晶体管或开关断开。根据晶体管的导电类型等来设置高电平和低电平的特定电压。另外，图6示意性地示出用于AD转换的参考信号VRMP的波形。

在从时刻t0到时刻t1的时段P_RES中，执行像素100的复位以及噪声信号到钳位电容Cclmp的钳位。

在时刻t0，驱动信号

被转变为高电平。结果，像素100的像素晶体管Mpx的栅极处的电压被复位到预定的电平。

同时，驱动信号

驱动信号

驱动信号

和驱动信号

被转变为高电平。由于连接开关sw3导通，所以晶体管M8和参考电流源IS2向晶体管M7的栅极供应偏置电压。也就是说，晶体管M8的电流被镜像到晶体管M7。为此，输出电路105执行第一操作，并且输出电路105的晶体管M7作为负载工作。另外，选择晶体管Msx和开关sw1导通，并且，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为第一电压跟随器电路工作。结果，基于当像素晶体管Mpx的栅极处的电压被复位时栅极处的电压的信号，即，噪声信号，被输出到差分晶体管M3的栅极和漏极。另外，此时差分晶体管M3的栅极处的电压被钳位到钳位电容Cclmp。根据本例，此时晶体管M7的操作点被钳位到电容C1。

之后，到时刻t1为止，驱动信号

驱动信号

驱动信号

驱动信号

以及驱动信号

被顺序地转变为低电平。由于这些驱动信号按照所述的顺序被转变为低电平，所以由复位晶体管Mrx产生的热噪声(kT/C噪声)可以被反映到钳位电平。

在从时刻t1到时刻t2的时段N_SH中，执行噪声信号到晶体管M2的栅极的输出。

在时刻t1，驱动信号

和驱动信号

被转变为高电平。结果，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对作为第二电压跟随器电路工作。由于开关sw2导通，所以差分晶体管M3的栅极处的噪声信号被输出到晶体管M2的栅极和漏极。输出到晶体管M2的栅极的噪声信号被采样到保持电容Csmpl。之后，在时刻t2，驱动信号

被转变为低电平。因此，开关sw2被断开，并且噪声信号被保持在晶体管M2的栅极处。

在从时刻t2到时刻t3的时段N_AD中，执行对于噪声信号的AD转换以及从光电转换元件PD到像素晶体管Mpx的栅极的电荷传输。

在时段N_AD中，驱动信号

处于高电平。另一方面，驱动信号

和驱动信号

处于低电平。为此，由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。保持在采样电容Csmpl中的噪声信号被输入到晶体管M2的栅极。比较器比较该噪声信号与参考信号VRMP之间的幅值关系。通过测量从参考信号VRMP的斜降开始到幅值关系反转的时间来执行对于噪声信号的AD转换。

此时，由于连接开关sw3断开，所以输出电路105执行第二操作。具体地，晶体管M7的电流被镜像到晶体管M8。基于镜像到晶体管M8的电流和参考电流源IS2的电流来确定输出电路105的输出节点502处的电压。

另外，在时刻t2，驱动信号

被转变为高电平。传输晶体管Mtx导通，并且在光电转换元件PD中累积的电荷被传输到FD节点。结果，获得基于在光电转换元件PD中产生的电荷的信号，即光信号。在时段N_AD中，驱动信号

处于低电平。也就是说，由像素晶体管Mpx构成的差分对被禁止。为此，光信号输入到像素晶体管Mpx的栅极不影响由晶体管M2和差分晶体管M3执行的比较操作。因此，可以同时执行噪声信号的AD转换和像素100中的电荷的传输。

之后，在时刻t3，驱动信号

和驱动信号

被转变为低电平。

在时段N_SH和时段N_AD中，驱动信号

处于低电平。因此，从由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对切断连接到多个像素100的公共布线501。根据上述配置，可以高速地向晶体管M2的栅极输出噪声信号。作为上述的替代方案，可以精确地执行对于噪声信号的AD转换。

在从时刻t4到时刻t5的时段S_AD中，执行对于光信号的AD转换。在时刻t4，驱动信号

和驱动信号

被转变为高电平。此时，驱动信号

处于低电平，并且，开关sw1断开。为此，由像素晶体管Mpx和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。光信号被输入到像素晶体管Mpx的栅极。比较器比较该光信号与参考信号VRMP之间的幅值关系。通过测量从参考信号VRMP的斜降开始到幅值关系反转的时间来执行对于光信号的AD转换。此时，输出电路105执行第二操作。

应该注意的是，可以执行数字相关双采样(CDS)处理，即，从通过对于光信号的AD转换而获得的数字信号中减去作为对于噪声信号的AD转换的结果而获得的数字信号。

如上所述，根据本例，像素100的基于像素晶体管Mpx的栅极处的电压的信号被输出到晶体管M2的栅极。根据上述配置，提高了从像素100读出信号的自由度。具体地，可以通过使用由晶体管M2和差分晶体管M3构成的差分对来执行对于来自像素100的噪声信号的AD转换。结果，可以在短时间段执行内从像素100读出信号。

另外，根据本例的光电转换装置包括输出电路105。根据上述配置，可以提高从光电转换装置输出的信号的精度。

应该注意的是，开关sw4可以被省略。根据其中省略了开关sw4的例子，公共布线501直接连接到尾电流源IS1。另外，根据例1的光电转换装置可以包括开关sw4。

输出电路105可以被省略。根据其中输出电路105被省略的例子，图5的输出电路105被图2的负载晶体管M1替换。根据例1的光电转换装置可以包括输出电路105而不是负载晶体管M1。

[例3]

将描述根据例3的光电转换装置。根据本例，包括在像素100中的像素晶体管Mpx、选择晶体管Msx和复位晶体管Mrx分别具有与根据例2的晶体管M2、晶体管M4和开关sw2类似的功能。下文中，将描述与例1和例2的不同之处，并省略与例1或例2类似的部分的描述。

根据本例的光电转换装置的整体配置与例1或例2相同。也就是说，图1或图4是示意性地示出根据本例的光电转换装置的整体配置的框图。

图7示出光电转换装置的像素100、比较电路104和输出电路105的配置。为了简化说明，图7仅示出两个像素100。具有与图2或图5相似的功能的部件被赋予与图2或图5相同的附图标记。

根据本例的光电转换装置的像素100的配置与例1相同。为此，将省略像素100的描述。然而，应该注意的是，为了将多个像素100彼此区分，表示包括在第一像素100中的元件或供应给这些元件的驱动信号的附图标记在末端包括数字1。类似地，表示包括在第二像素100中的元件或供应给这些元件的驱动信号的附图标记在末端包括数字2。

比较电路104包括差分晶体管M3、晶体管M5、负载晶体管M6和尾电流源IS1。负载晶体管M6是P沟道MOS晶体管。负载晶体管M6被布置在布线701和电源节点之间的电路径上。偏置电压Vbs被供应给负载晶体管M6的栅极。差分晶体管M3、晶体管M5、和尾电流源IS1的配置和功能类似于根据例1或例2的配置和功能。

比较电路104包括开关sw1和钳位电容Cclmp。开关sw1和钳位电容Cclmp的配置和功能类似于根据例1或例2的配置和功能。

根据本例的比较电路104包括开关sw5。开关sw5将布线701连接到电源节点。从另一角度来看，开关sw5将负载晶体管M6的源极和漏极彼此连接。为此，负载晶体管M6和开关sw5可以在布线701和电源节点之间形成并联电路径。开关sw5由驱动信号

控制。当开关sw5导通时，电源节点和布线701被短路。因此，电源电压VDD被供应给像素100的复位晶体管Mrx的漏极和像素晶体管Mpx的漏极。当开关sw5导通时，负载晶体管的源极和漏极被短路。当开关sw5断开时，负载晶体管M6插入到电源节点和布线701之间的电路径中。结果，负载晶体管M6作为由像素100的像素晶体管Mpx构成的差分对的负载工作。

将描述根据本例的光电转换装置的操作模式。光电转换装置的操作模式由选择晶体管Msx、复位晶体管Mrx、和开关sw1控制。应该注意的是，开关sw5根据操作模式被适当地控制为导通和断开。

差分晶体管M3与第一像素100的像素晶体管Mpx1和第二像素100的像素晶体管Mpx2中的每一个一起选择性地构成差分对。因此，光电转换装置包括其中由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态和其中由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当选择晶体管Msx1导通，并且选择晶体管Msx2断开时，由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。当选择晶体管Msx1断开，并且选择晶体管Msx2导通时，由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对被激活。此时，由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对被禁止。

首先，将描述其中由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。当在这种状态下开关sw1导通时，由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对作为第一电压跟随器电路工作。第一电压跟随器电路的输入节点是像素晶体管Mpx1的栅极。为此，基于像素晶体管Mpx1的栅极处的电压的信号被输出到第一电压跟随器电路的输出节点，即，差分晶体管M3的栅极和漏极。此时，开关sw5优选处于导通状态。另一方面，当在这种状态下开关sw1断开时，由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。该比较器经由钳位电容Cclmp将像素晶体管Mpx1的栅极处的信号和输入到差分晶体管M3的栅极的参考信号VRMP进行比较。此时，开关sw5优选处于导通状态。应该注意的是，复位晶体管Mrx1在作为第一电压跟随器电路的操作或作为比较器的操作中都断开。

接下来，描述其中由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对被激活的状态。在该状态下，当复位晶体管Mrx2和开关swl中的一个断开，且另一个导通时，由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对作为第二电压跟随器电路工作。在开关sw1导通的情况下，第二电压跟随器电路的输入节点是像素晶体管Mpx2的栅极。此时，开关sw5优选处于导通状态。在复位晶体管Mrx2导通的情况下，第二电压跟随器电路的输入节点是差分晶体管M3的栅极。此时，开关sw5优选处于断开状态。另外，当在这种状态下复位晶体管Mrx2和开关sw1都断开时，由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。该比较器经由钳位电容Cclmp将像素晶体管Mpx2的栅极处的信号和输入到差分晶体管M3的栅极的参考信号VRMP进行比较。此时，开关sw5优选处于导通状态。

输出电路105的配置与例2相同。根据本例，当由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对作为电压跟随器电路工作时，例如，输出电路105执行第一操作。当由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对作为电压跟随器电路工作时，输出电路105执行第一操作。当由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作时，输出电路105执行第二操作。当由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作时，输出电路105执行第二操作。

接下来，将描述根据本例的光电转换装置的驱动方法。图8示意性地示出光电转换装置的驱动信号的时序图。图9示出在一个水平扫描周期(1H周期)期间的驱动信号，即用于读出一个像素行中的信号的驱动信号。当驱动信号处于高电平时，该驱动信号所供应给的晶体管或开关导通。当驱动信号处于低电平时，该驱动信号所供应给的晶体管或开关断开。根据晶体管的导电类型等来设置高电平和低电平的特定电压。图8还示意性地示出了用于AD转换的参考信号VRMP的波形。

在从时刻t0到时刻t1的时段P_RES中，执行像素100的复位以及噪声信号到钳位电容Cclmp的钳位。

在时刻t0，驱动信号

和驱动信号

被转变为高电平。结果，第一像素100的像素晶体管Mpx1的栅极处的电压被复位到预定的电平。由于开关sw5导通，所以电源电压VDD被供应给复位晶体管Mrx1的漏极。为此，第一像素100的像素晶体管Mpx1的栅极被复位到与电源电压VDD对应的电平。

同时，驱动信号

驱动信号

和驱动信号

被转变为高电平。由于连接开关sw3导通，所以晶体管M8和参考电流源IS2向晶体管M7的栅极供应偏置电压。也就是说，晶体管M8的电流被镜像到晶体管M7。为此，输出电路105执行第一操作，并且输出电路105的晶体管M7作为负载工作。另外，选择晶体管Msx1和开关sw1导通，并且，由像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对作为第一电压跟随器电路工作。结果，基于当像素晶体管Mpx1的栅极处的电压被复位时栅极处的电压的信号，即，噪声信号，被输出到差分晶体管M3的栅极和漏极。另外，此时差分晶体管M3的栅极处的电压被钳位到钳位电容Cclmp。根据本例，此时晶体管M7的操作点被钳位到电容C1。

之后，到时刻t1为止，驱动信号

驱动信号

驱动信号

驱动信号

以及驱动信号

被顺序地转变为低电平。由于这些驱动信号按照所述的顺序被转变为低电平，所以由复位晶体管Mrx产生的热噪声(kT/C噪声)可以被反映到钳位电平。

在从时刻t1到时刻t2的时段N_SH中，执行噪声信号到第二像素100的像素晶体管Mpx2的栅极的输出。该噪声信号是从第一像素100输出的噪声信号。

在时刻t1，驱动信号

被转变为低电平。由于开关sw5断开，所以负载晶体管M6作为向第二像素100的像素晶体管Mpx2的漏极供应电流的负载工作。此外，在时刻t1，驱动信号

和驱动信号

被转变为高电平。结果，由像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对作为第二电压跟随器电路工作。由于复位晶体管Mrx2导通，所以差分晶体管M3的栅极处的噪声信号被输出到像素晶体管Mpx2的栅极和漏极。输出到像素晶体管Mpx2的栅极的噪声信号被采样到FD节点的寄生电容Cfd。之后，在时刻t2，驱动信号

被转变为低电平。因此，复位晶体管Mrx2断开，并且来自第一像素100的噪声信号被保持在第二像素100的像素晶体管Mpx2的栅极处。

应该注意的是，在时刻t2，驱动信号

被转变为高电平。因此，电源电压VDD被供应给布线701。在随后的操作中，驱动信号

被保持在高电平。

在从时刻t2到时刻t3的时段N_AD中，执行对于来自第一像素100的噪声信号的AD转换以及从第一像素100中的光电转换元件PD到像素晶体管Mpx1的栅极的电荷传输。由第二像素100的像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对被用于对于来自第一像素100的噪声信号的AD转换。

在时段N_AD中，驱动信号

处于高电平。另一方面，驱动信号

和驱动信号

处于低电平。为此，由第二像素100的像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。来自第一像素100的噪声信号被输入到第二像素的像素晶体管Mpx2的栅极。因此，比较器比较来自第一像素100的噪声信号与参考信号VRMP之间的幅值关系。通过测量从参考信号VRMP的斜降开始到幅值关系反转的时间来执行对于噪声信号的AD转换。

由于此时连接开关sw3断开，所以输出电路105执行第二操作。具体地，晶体管M7的电流被镜像到晶体管M8。基于在镜像到晶体管M8的电流和参考电流源IS2的电流之间的关系来确定输出电路105的输出节点502处的电压。

另外，在时刻t2，驱动信号

被转变为高电平。第一像素100的传输晶体管Mtx导通，并且在第一像素100的光电转换元件PD1中累积的电荷被传输到FD节点。结果，获得基于在光电转换元件PD1中产生的电荷的信号，即光信号。在时段N_AD中，驱动信号

处于低电平。也就是说，由第一像素100的像素晶体管Mpx1构成的差分对被禁止。为此，光信号输入到第一像素100的像素晶体管Mpx1的栅极不影响由第二像素100的像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3执行的比较操作。因此，可以同时执行对于噪声信号的AD转换和第一像素100中的电荷的传输。

之后，在时刻t3，驱动信号

和驱动信号

被转变为低电平。

在从时刻t4到时刻t5的时段S_AD中，执行对于第一像素100的光信号的AD转换。由第一像素100的像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对被用于对第一像素100的光信号进行AD转换。

在时刻t4，驱动信号

被转变为高电平。此时，驱动信号

处于低电平，并且，开关sw1断开。为此，由第一像素100的像素晶体管Mpx1和差分晶体管M3构成的差分对作为比较器工作。光信号被输入到像素晶体管Mpx1的栅极。比较器比较该光信号与参考信号VRMP之间的幅值关系。通过测量从参考信号VRMP的斜降开始到幅值关系反转的时间来执行对于光信号的AD转换。此时，输出电路105执行第二操作。

应该注意的是，可以执行数字相关双采样(CDS)处理，即，从通过对于光信号的AD转换而获得的数字信号中减去作为对于噪声信号的AD转换的结果而获得的数字信号。

如上所述，根据本例，基于第一像素100的像素晶体管Mpx1的栅极处的电压的信号被输出到第二像素100的像素晶体管Mpx2的栅极。根据上述配置，提高了从像素100读出信号的自由度。具体地，可以通过使用由第二像素100的像素晶体管Mpx2和差分晶体管M3构成的差分对来执行对于来自第一像素100的噪声信号的AD转换。结果，可以在短时间段内执行从第一像素100读出信号。

在本例中，包括在像素100中的像素晶体管Mpx、选择晶体管Msx和复位晶体管Mrx分别具有与根据例2的晶体管M2、晶体管M4和开关sw2类似的功能。为此，可以减少光电转换装置的晶体管的数量。

另外，根据本例的光电转换装置包括输出电路105。根据上述配置，可以提高从光电转换装置输出的信号的精度。输出电路105可以被省略。在其中输出电路105被省略的例子中，图7的输出电路105被图2的负载晶体管M1替换。

[例4]

图9示出根据本发明的示例性实施例的光电转换系统的配置。光电转换系统800包括例如：光学单元810，图像拾取元件1，视频信号处理单元830，记录通信单元840，定时控制单元850，系统控制单元860和再现显示单元870。图像拾取装置820包括图像拾取元件1和视频信号处理单元830。根据上述的例1至例3中的任何一个的光电转换装置用作图像拾取元件1。

对应于诸如透镜之类的光学系统的光学单元810将来自被摄体的光成像在像素阵列102上，其中，多个像素被二维地布置在该像素阵列102上以形成被摄体的像。图像拾取元件1在基于来自定时控制单元850的信号的定时处输出与在像素阵列102上成像的光对应的信号。从图像拾取元件1输出的信号被输入到被配置为处理视频信号的视频信号处理单元830，并且视频信号处理单元830根据由程序等确定的方法来执行信号处理。通过视频信号处理单元830中的处理获得的信号作为图像数据被发送到记录通信单元840。记录通信单元840将用于形成图像的信号发送到再现显示单元870，并且在再现显示单元870上再现显示视频或静止图像。另外，记录通信单元840接收来自视频信号处理单元830的信号以与系统控制单元860通信，并且还执行将用于形成图像的信号记录在未在图中示出的记录介质中的操作。

系统控制单元860被配置为执行图像拾取系统的操作的总体控制，并且控制光学单元810、定时控制单元850、记录通信单元840以及再现显示单元870的驱动。例如，系统控制单元860被设置有与记录介质对应的图中未示出的存储设备。用于控制存储设备的操作的程序等被记录在存储设备中。例如，系统控制单元860还将用于根据用户的操作切换驾驶模式的信号供应给图像拾取系统的内部。具体例子包括：要读出的行或要复位的行的变化，伴随着电子变焦的场角的变化，伴随着电子振动控制的场角的转变等。定时控制单元850基于系统控制单元860的控制来控制图像拾取元件1和视频信号处理单元830的驱动定时。

虽然针对示例性实施例描述了本发明，但是，应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类修改以及等效的结构和功能。

本申请要求于2015年8月25日提交的日本专利申请第2015.166055号的权益，在此通过引用将其全部并入本文。

Claims (24)

1.一种光电转换装置，包括：

光电转换元件；

第一晶体管，包括接收来自光电转换元件的第一信号的栅极；

第二晶体管；以及

第三晶体管，被配置用于与第一晶体管构成第一差分对以及用于与第二晶体管构成第二差分对，

其中，基于第一晶体管的栅极处的电压的第二信号经由由第一晶体管和第三晶体管构成的第一差分对被输出到第二晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的光电转换装置，

其中，用于模数转换的参考信号被输入到第三晶体管的栅极，

其中，包括由第一晶体管和第三晶体管构成的第一差分对的比较器执行第一信号和参考信号之间的比较，并且

其中，包括由第二晶体管和第三晶体管构成的第二差分对的比较器执行第二信号和参考信号之间的比较。

3.根据权利要求2所述的光电转换装置，还包括：

复位晶体管，被配置为使第一晶体管的栅极处的电压复位；

其中，第二信号是基于在复位晶体管使第一晶体管的栅极处的电压复位时第一晶体管的栅极处的电压的信号。

4.根据权利要求2所述的光电转换装置，还包括：

传输晶体管，被配置为将光电转换元件中产生的电荷传输到第一晶体管的栅极，

其中，第一信号是当传输晶体管将在光电转换元件中产生的电荷传输到第一晶体管的栅极时获得的信号。

5.根据权利要求4所述的光电转换装置，其中，在执行第二信号和参考信号之间的比较的同时，传输晶体管将在光电转换元件中产生的电荷传输到第一晶体管的栅极。

6.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

连接第三晶体管的栅极和漏极的第一开关；以及

将第二晶体管的栅极连接到第三晶体管的漏极的第二开关，

其中，当第一开关和第二开关导通时，包括第一差分对的电压跟随器电路将第二信号经由第二开关输出到第二晶体管的栅极。

7.根据权利要求6所述的光电转换装置，还包括：

连接到第三晶体管的栅极的钳位电容，

其中，电压跟随器电路将基于第一晶体管的栅极处的电压的电压钳位到钳位电容。

8.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

连接第三晶体管的栅极和漏极的第一开关；以及

连接第二晶体管的栅极和漏极的第二开关；

其中，当第一开关导通时，包括第一差分对的第一电压跟随器电路将基于第一晶体管的栅极处的电压的第三信号输出到第三晶体管的栅极，并且

其中，当第一开关断开且第二开关导通时，包括第二差分对的第二电压跟随器电路基于保持在第三晶体管的栅极处的第三信号将第二信号输出到第二晶体管的栅极。

9.根据权利要求8所述的光电转换装置，还包括：

连接到第三晶体管的栅极的钳位电容，

其中，第一电压跟随器电路将基于第一晶体管的栅极处的电压的电压钳位到钳位电容。

10.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

采样保持电路，将第二晶体管的栅极设置为电浮置以将第二信号保持在第二晶体管的栅极处。

11.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

控制单元，被配置为切换第一差分对被激活且第二差分对被禁止的状态和第一差分对被禁止且第二差分对被激活的状态。

12.根据权利要求11所述的光电转换装置，还包括：

向第一差分对和第二差分对供应电流的电流源，

其中，控制单元包括分别布置在第一晶体管和第二晶体管中的相应一个晶体管与电流源之间的多个晶体管。

13.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

多个像素，每个像素都包括光电转换元件和第一晶体管；

与所述多个像素连接的公共布线；以及

断路器，在第二差分对被激活时切断第二差分对与公共布线之间的连接。

14.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

连接到第一晶体管的漏极和第二晶体管的漏极的负载晶体管；以及

将负载晶体管的源极和漏极彼此连接的开关。

15.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

第二光电转换元件，

其中，第二晶体管的栅极接收基于在第二光电转换元件中产生的电荷的信号。

16.根据权利要求1所述的光电转换装置，

其中，由光电转换产生的电荷不被传输到第二晶体管的栅极。

17.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：

输出电路，执行第一操作和第二操作，第一操作是将基于第一晶体管的栅极处的电压的电压输出到第三晶体管的栅极，第二操作是在接收到来自第三晶体管的电流时将基于在第一晶体管的栅极处的电压和第三晶体管的栅极处的电压之间的比较结果的信号输出到输出节点，

其中，输出电路将第二操作中的第三晶体管的漏极处的电压的变化量设置为低于输出节点处的电压的变化量。

18.根据权利要求17所述的光电转换装置，

其中，输出电路包括电流镜电路，电流镜电路由电连接到第三晶体管的漏极的第四晶体管和具有连接到第四晶体管的栅极的栅极的第五晶体管构成，

其中，电流镜电路在第一操作中将第五晶体管的电流镜像到第四晶体管，并且

其中，电流镜电路在第二操作中将第四晶体管的电流镜像到第五晶体管。

19.根据权利要求18所述的光电转换装置，

其中，输出电路包括将第五晶体管的栅极和漏极彼此连接的连接开关，

其中，当连接开关导通时，电流镜电路将第五晶体管的电流镜像到第四晶体管，并且

其中，当连接开关断开时，电流镜电路将第四晶体管的电流镜像到第五晶体管。

20.根据权利要求19所述的光电转换装置，

其中，控制单元包括电容，该电容包括电连接到第四晶体管的漏极的第一端子和电连接到第四晶体管的栅极的第二端子。

21.一种光电转换装置，包括：

光电转换元件；

第一晶体管，包括接收来自光电转换元件的信号的栅极；

第二晶体管；

第三晶体管，被配置用于与第一晶体管构成第一差分对以及用于与第二晶体管构成第二差分对；以及

连接第二晶体管的栅极和第三晶体管的漏极的开关。

22.根据权利要求21所述的光电转换装置，还包括：

连接第三晶体管的栅极和漏极的开关。

23.一种光电转换装置，包括：

光电转换元件；

第一晶体管，包括接收来自光电转换元件的第一信号的栅极；

复位晶体管，使第一晶体管的栅极处的电压复位；

第二晶体管；以及

第三晶体管，包括接收用于模数转换的参考信号的栅极，

其中，包括由第一晶体管和第三晶体管构成的第一差分对的比较器执行第一信号和参考信号之间的比较，并且

其中，包括由第二晶体管和第三晶体管构成的第二差分对的比较器执行基于在第一晶体管的栅极处的电压被复位时第一晶体管的栅极处的电压的第二信号和参考信号之间的比较。

24.一种光电转换系统，包括：

根据权利要求1至23中的任一项所述的光电转换装置；以及

信号处理装置，被配置为处理来自光电转换装置的信号。

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