JP2016005161A - 撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より消費電力の低い撮像装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】信号電荷を電圧信号として出力する画素と、画素からの出力信号が入力される増幅器、増幅器に電流を供給する電流源及び増幅器の入力端子と出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチを有する増幅回路を含む読み出し回路とを有する撮像装置において、スイッチを導通状態として増幅器の入力端子及び出力端子の電位をリセットする際に増幅器へ供給する電流の平均値が、スイッチを非導通状態として画素から読み出した信号を増幅する際に増幅器へ供給する電流の平均値よりも小さくなるように、電流源を制御する。【選択図】図８

Description

本発明は、撮像装置及びその駆動方法に関する。

特許文献１には、行列状に画素が設けられた画素アレイの各列から信号を読み出すための読み出し回路が記載されている。特許文献１に記載の読み出し回路は、画素アレイの各行に接続された増幅回路と、増幅回路の後段に接続された保持容量とを有している。この読み出し回路では、画素アレイから信号を読み出す際、増幅回路から出力された信号を保持容量に保持させる期間以外は増幅回路を非動作状態とすることにより、消費電力の低減が図られている。

特開２００９−２７３１４８号公報

しかしながら、低消費電力化はバッテリー駆動の長時間化や動作に伴う発熱の抑制等の様々なメリットがあるため、さらに消費電力の低い撮像装置やその駆動方法が求められている。

本発明の目的は、より消費電力の低い撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光電変換により生成された信号電荷を電圧信号として出力する画素と、前記画素からの出力信号が入力される増幅器、前記増幅器に電流を供給する電流源及び前記増幅器の入力端子と出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチを有する増幅回路を含む読み出し回路とを有する撮像装置の駆動方法であって、前記スイッチを導通状態とし、前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップと、前記スイッチを非導通状態とし、前記画素からの前記出力信号を増幅するステップとを有し、前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップにおいて前記増幅器に供給する前記電流の平均値が、前記出力信号を増幅するステップにおいて前記増幅器に供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように、前記電流源を制御することを特徴とする撮像装置の駆動方法が提供される。

本発明の他の一観点によれば、光電変換素子により生成された信号電荷を電圧信号として出力する画素と、前記画素からの出力信号が入力される増幅器、前記増幅器に電流を供給する電流源及び前記増幅器の入力端子と出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチを有する増幅回路を含む読み出し回路と、前記スイッチを導通状態として前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットする際に前記増幅器へ供給する前記電流の平均値が、前記スイッチを非導通状態として前記画素から読み出した信号を増幅する際に前記増幅器へ供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように、前記電流源を制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置が提供される。

また、本発明の更に他の一観点によれば、画素信号及びリセット信号を電圧信号として出力する画素と、前記画素から前記画素信号が入力される第１の増幅器と、前記第１の増幅器に電流を供給する第１の電流源と、前記第１の増幅器の前記入力端子と前記第１の増幅器の出力端子との間の導通と非導通とを切り替える第１のスイッチとを有する第１の増幅回路と、前記画素から前記リセット信号が入力される第２の増幅器と、前記第２の増幅器に電流を供給する第２の電流源と、前記第２の増幅器の前記入力端子と前記第２の増幅器の出力端子との間の導通と非導通とを切り替える第２のスイッチとを有する第２の増幅回路と、前記第１のスイッチを導通状態として前記第１の増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットする際に前記第１の増幅器へ供給する前記電流の平均値が前記第１のスイッチを非導通状態として前記画素信号を増幅する際に前記第１の増幅器へ供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように前記第１の電流源を制御し、前記第２のスイッチを導通状態として前記第２の増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットする際に前記第２の増幅器へ供給する前記電流の平均値が前記第２のスイッチを非導通状態として前記リセット信号を増幅する際に前記第２の増幅器へ供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように前記第２の電流源を制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置が提供される。

また、本発明の更に他の一観点によれば、増幅器と、前記増幅器に電流を供給する電流源と、一方の端子に信号が与えられ、他方の端子が前記増幅器の入力端子に接続された容量と、前記増幅器の前記入力端子と前記増幅器の出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチと、前記スイッチが導通状態のときに前記増幅器に供給する前記電流の平均値が、前記スイッチが非導通状態のときに前記増幅器に供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように、前記電流源を制御する制御手段とを有することを特徴とする増幅回路が提供される。

本発明によれば、撮像装置の消費電力を低減することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による増幅回路の構成を示す回路図である。 図２は、本発明の第１実施形態による増幅回路の増幅器の構成を示す回路図である。 図３は、本発明の第１実施形態による増幅回路の駆動方法を示すタイミング図である。 図４は、本発明の第２実施形態による撮像装置の構成を示す概略図である。 図５は、本発明の第２実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。 図６は、本発明の第２実施形態による撮像装置の信号読み出し回路の構成を示す回路図である。 図７は、本発明の第２実施形態による撮像装置の増幅回路の増幅器の構成を示す回路図である。 図８は、本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 図９は、本発明の第３実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 図１０は、本発明の第４実施形態による撮像装置の信号読み出し回路の構成を示す回路図である。 図１１は、本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 図１２は、本発明の第５実施形態による撮像システムの構成を示す概略図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による増幅回路及びその駆動方法について図１乃至図３を用いて説明する。

図１は、本実施形態による増幅回路の構成を示す回路図である。図２は、本実施形態による増幅回路に用いられる増幅器の一例を示す回路図である。図３は本実施形態による増幅回路の駆動方法を示すタイミング図である。

はじめに、本実施形態による増幅回路の構成について図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態による増幅回路３０は、図１に示すように、増幅器３１と、クランプ容量３２と、帰還容量３３と、スイッチ３４と、定電流源３６とを有している。クランプ容量３２の一方の端子は増幅回路３０の入力端子３７を構成し、クランプ容量３２の他方の端子は増幅器３１の反転入力端子に接続されている。増幅器３１の非反転入力端子には、基準電圧である電圧Ｖｒｅｆが入力されている。増幅回路３０の出力端子３８を構成する増幅器３１の出力端子と、増幅器３１の反転入力端子との間には、帰還容量３３とスイッチ３４とが並列に接続されている。スイッチ３４は、例えばＮ型ＭＯＳトランジスタであり、主ノードであるソース及びドレインの一方が増幅器３１の反転入力端子に接続され、ソース及びドレインの他方が増幅器３１の出力端子に接続されている。

スイッチ３４の導通状態は、スイッチ３４の制御ノード（Ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲート）に印加される信号（クランプパルス信号ｐｃ０ｒ）によって制御される。ここでは、クランプパルス信号ｐｃ０ｒがＨｉｇｈレベル（以下、「Ｈレベル」と表記する）のとき、スイッチ３４が導通状態（オン状態）になるものとする。また、クランプパルス信号ｐｃ０ｒがＬｏｗレベル（以下、「Ｌレベル」と表記する）のとき、スイッチ３４が非導通状態（オフ状態）になるものとする。

増幅器３１は、例えば図２に示す回路により構成される。図２に示す増幅器３１は、１段の差動増幅回路であり、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０，４１と、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２，４３とを有している。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０，４１のソースは、電源電圧線に接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０，４１のゲートは、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４１のドレイン及びＮ型ＭＯＳトランジスタ４３のドレインに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０のドレインは、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２のドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２，４３のソースは、電流源３６を構成するＮ型ＭＯＳトランジスタ４４のドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４４のソースは、接地電圧線に接続されている。

図２の増幅器３１では、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２のゲートが増幅器３１の反転入力端子（図中、「ｉｎ−」）を構成し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４３のゲートが増幅器３１の非反転入力端子（図中、「ｉｎ＋」）を構成する。また、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０のドレインとＮ型ＭＯＳトランジスタ４２のドレインとの接続ノードが、増幅器３１の出力端子３８（図中、「ｏｕｔ」）を構成する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４４のゲートは、電流源３６の電流制御用のバイアス端子であり、このゲートに印加される信号ＶＢ＿ｔａｉｌによって電流源３６を流れる電流Ｉが制御される。

なお、クランプパルス信号ｐｃ０ｒ及び信号ＶＢ＿ｔａｉｌは、後述する駆動方法に従い、図示しない制御手段により適宜制御される。

次に、本実施形態による増幅回路の駆動方法について図１乃至図３を用いて説明する。

本実施形態による増幅回路の駆動方法は、増幅器３１のオフセットレベルをクランプ容量３２にクランプするためのクランプ動作と、入力信号を増幅する増幅動作とを含む。図３のタイミング図において、時刻ｔ０〜時刻ｔ１がクランプ動作の期間に相当し、時刻ｔ１〜時刻ｔ２が増幅動作の期間に相当する。

まず、増幅動作に先立ち、増幅器３１のクランプ動作を行う。すなわち、時刻ｔ０において、クランプパルス信号ｐｃ０ｒをＨレベルとし、スイッチ３４を導通状態にする。また、同じく時刻ｔ０において、信号ＶＢ＿ｔａｉｌのレベルを、電流源３６の電流Ｉが電流ｉ１となるように制御して、増幅器３１を動作させる（以下、「第１の動作モード」と呼ぶ）。これにより、増幅器３１は電圧フォロワ状態となり、出力端子の電圧は電圧Ｖｒｅｆにほぼ等しくなる。そして、増幅器３１の反転入力端子の電位は、電圧Ｖｒｅｆに対して増幅器３１のオフセット電圧を加えたオフセットレベルとなり、クランプ容量３２にクランプされる。こうして、増幅器３１の入力端子及び出力端子の電位をリセットする。

次いで、入力信号の増幅動作を行う。すなわち、時刻ｔ１において、クランプパルス信号ｐｃ０ｒをＬレベルとし、スイッチ３４を非導通状態にする。また、信号ＶＢ＿ｔａｉｌのレベルを、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４４の電流Ｉが電流ｉ２となるように制御して、増幅器３１を動作させる（以下、「第２の動作モード」と呼ぶ）。これにより、増幅器３１が増幅可能な状態となり、入力端子３７からクランプ容量３２を介して入力された電圧信号が増幅されて出力端子３８から出力される。

次いで、増幅信号を他の回路へ出力した後、時刻ｔ２において、信号ＶＢ＿ｔａｉｌを所定のレベルに設定し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４４に流れる電流量を減らすことにより、増幅器３１による消費電力を低減する。図３においては、時刻ｔ２に、電流Ｉを電流ｉ１とした例を示しているが、電流Ｉの供給を停止しても良い。

ここで、本実施形態による増幅回路の駆動方法では、第１の動作モード時に電流源３６により供給する電流ｉ１を、第２の動作モード時に電流源３６により供給する電流ｉ２よりも小さい値に設定する。第１の動作モード時における電流源３６の電流ｉ１は、第２の動作モード時における電流源３６の電流ｉ２よりも小さければ特に限定されるものではないが、例えば、第２の動作モード時における電流源３６の電流ｉ２の半分程度とすることができる。

これにより、クランプ動作から増幅動作までの一連の動作の際に電流源３６の電流Ｉを増幅動作時の電流（本実施形態の電流ｉ２に相当）と同じにする場合と比較して、消費電流を低減することができる。例えば、電流ｉ１を電流ｉ２の半分程度（ｉ１＝ｉ２／２）とした本発明者等による試作検討結果では、消費電力を約１/２に抑制できることが確認された。

第２の動作モード時では、信号増幅精度を維持する観点から、電流源３６により供給する電流ｉ２を減少して消費電流の低減を図るには限界がある。本実施形態のように、第２の動作モード時における電流ｉ２はそのままに、第１の動作モード時における電流ｉ１を低減することにより、信号増幅精度の維持と消費電流の低減との双方を実現することができる。

なお、第１の動作モード時の電流ｉ１を小さくしすぎると、トータルの消費電流は大幅に抑制できる反面、増幅器３１のオフセット電圧の除去が不十分になる。逆に、第２の動作モード時の電流ｉ２に対して僅かしか電流ｉ１を減少しなければ、消費電流の低減効果を十分に得ることはできない。第１の動作モード時の電流ｉ１を第２の動作モード時の電流ｉ２と比較してどの程度減少させるかについては、消費電力の低減効果に加えて、増幅回路３０に求められる特性等をも考慮して適宜決定することが望ましい。本発明者等による試作検討結果では、第１の動作モード時の電流ｉ１を、第２の動作モード時の電流ｉ２のおよそ１０％〜２５％程度に低減しても、増幅器３１のオフセット除去量が実用上問題のないレベルに収まることが確認された。

図３のタイミング図では、時刻ｔ１において、クランプパルス信号ｐｃ０ｒのＨレベルからＬレベル遷移と、増幅器３１の電流Ｉの電流ｉ１から電流ｉ２への切り替えとを、同じタイミングで行っているが、これらは必ずしも同じタイミングで行う必要はない。例えば、クランプ解除にあたるクランプパルス信号ｐｃ０ｒのＬレベルへの遷移よりも少し前に、電流ｉ１から電流ｉ２へ切り替えるようにしてもよい。クランプ解除前に短時間でも増幅時と同じ定電流値に変化しておくことにより、増幅器３１のオフセットレベルへのクランプ動作をより確実に行うことができる。これにより、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の間において供給電流を低減したことに伴い生じうるクランプエラーを抑制することができる。

少なくともクランプ動作時に増幅器３１に供給される電流の平均値が増幅動作時に増幅器３１に供給される電流の平均値よりも小さくなるように電流源の制御を行うことで、消費電流低減の効果は得ることができる。増幅器３１の電流Ｉを電流ｉ１から電流ｉ２へ切り替えるタイミングは、所望の消費電流低減効果が得られる範囲内で適宜変更が可能である。

なお、本実施形態の増幅回路３０では、反転入力端子と出力端子の間に帰還容量３３を接続しているが、他の容量で保持した信号を増幅する抵抗型など、他の構成の増幅器であってもよい。

このように、本実施形態によれば、クランプ動作時に増幅器に供給する電流を、増幅動作時に増幅器に供給する電流よりも少なくしてトータルの消費電流を低減するので、増幅回路の消費電力を低減することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置及びその駆動方法について図４乃至図８を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１実施形態による増幅回路と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図４は、本実施形態による撮像装置の構成を示す概略図である。図５は、本実施形態による撮像装置の画素の構成の一例を示す回路図である。図６は、本実施形態による撮像装置の信号読み出し回路の構成の一例を示す回路図である。図７は、本実施形態による撮像装置の増幅回路の増幅器の構成の一例を示す回路図である。図８は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について図４乃至図７を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置１００は、図４に示すように、画素アレイ１０、垂直走査回路１１、タイミングジェネレータ（以下、「ＴＧ」と表記する）１２、読み出し回路７０、水平転送回路１３、水平走査回路１４、出力アンプ１５を有している。

画素アレイ１０は、行方向及び列方向に沿って２次元マトリクス状に配列された複数の画素２０を有している。図４には図面の簡略化のために４行４列の画素アレイ１０を示しているが、行方向及び列方向に配置される画素２０の数は特に限定されるものではない。なお、本明細書において、行方向とは図面において横方向を示し、列方向とは図面において縦方向を示すものとする。一例では、行方向が撮像装置における水平方向に対応し、列方向が撮像装置における垂直方向に対応する。

画素２０は、例えば図５に示すように、光電変換素子であるフォトダイオード２１、転送ＭＯＳトランジスタ２２、リセットＭＯＳトランジスタ２３、増幅ＭＯＳトランジスタ２４、選択ＭＯＳトランジスタ２５を、それぞれ有している。

フォトダイオード２１のアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送ＭＯＳトランジスタ２２のソースに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ２２のドレインは、リセットＭＯＳトランジスタ２３のソース及び増幅ＭＯＳトランジスタ２４のゲートに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ２２のドレイン、リセットＭＯＳトランジスタ２３のソース及び増幅ＭＯＳトランジスタ２４のゲートの接続ノードは、フローティングディフュージョン領域（以下、「ＦＤ領域」という）２６を構成する。リセットＭＯＳトランジスタ２３及び増幅ＭＯＳトランジスタ２４のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。増幅ＭＯＳトランジスタ２４のソースは、選択ＭＯＳトランジスタ２５のドレインに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ２２、リセットＭＯＳトランジスタ２３、増幅ＭＯＳトランジスタ２４、選択ＭＯＳトランジスタ２５は、フォトダイオード２１から画素信号を読み出すための画素内読み出し回路を構成する。

なお、トランジスタのソース及びドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることがあり、上述のソースとドレインとは逆の名称で呼ばれることもある。また、本明細書では、ＭＯＳトランジスタをスイッチと呼ぶこともある。この場合、ソース及びドレインを主ノード、ゲートを制御ノードと呼ぶものとする。

画素アレイ１０の各行には、行方向に延在して、信号線ＴＸ、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬ（いずれも図示せず）が、それぞれ配置されている。信号線ＴＸは、行方向に並ぶ画素２０の転送ＭＯＳトランジスタ２２のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。信号線ＲＥＳは、行方向に並ぶ画素２０のリセットＭＯＳトランジスタ２３のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。信号線ＳＥＬは、行方向に並ぶ画素２０の選択ＭＯＳトランジスタ２５のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。なお、図４では、図面の簡略化のために、信号線ＴＸ、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬをまとめて１本の信号線ｒｅａｄとして表している。また、信号線ｒｅａｄの名称には、行番号に対応した番号をそれぞれ付記している（ｒｅａｄ１，ｒｅａｄ２，ｒｅａｄ３，ｒｅａｄ４）。

垂直走査回路１１は、ＴＧ１２からのタイミング信号に基づいて画素２０を行ごとに選択して、当該行に属する各画素２０から画素信号を出力させるための制御を行うものである。信号線ｒｅａｄ（信号線ＴＸ、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬ）は、垂直走査回路１１に接続されている。信号線ＴＸには、垂直走査回路１１から、転送ＭＯＳトランジスタ２２を駆動するための転送パルス信号ＰＴＸが出力される。信号線ＲＥＳには、垂直走査回路１１から、リセットＭＯＳトランジスタ２３を駆動するためのリセットパルス信号ＰＲＥＳが出力される。信号線ＳＥＬには、垂直走査回路１１から、選択ＭＯＳトランジスタ２５を駆動するための選択パルス信号ＰＳＥＬが出力される。これら信号線にＨレベルの信号が印加されると、対応するトランジスタが導通状態（オン状態）となる。また、Ｌレベルの信号が印加されると、対応するトランジスタが非導通状態（オフ状態）となる。

画素アレイ１０の各列には、列方向に延在して、垂直信号線２７がそれぞれ配置されている。垂直信号線２７は、列方向に並ぶ画素２０のそれぞれの選択ＭＯＳトランジスタ２５のソースに接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。各列の垂直信号線２７には、増幅ＭＯＳトランジスタ２４の負荷手段としての定電流源２８と、読み出し回路７０とが接続されている。

読み出し回路７０は、図４に示すように、増幅回路３０と、ラインメモリ６０とを有している。増幅回路３０及びラインメモリ６０は、例えば図６に示す回路により構成することができる。

図６に示す増幅回路３０は、図１の増幅回路３０において、帰還容量３３を、選択的に接続可能な複数の帰還容量３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅに変更したものである。すなわち、増幅器３１の反転入力端子と出力端子との間には、帰還容量３３ａとスイッチ３５ａとの直列接続体が、スイッチ３４と並列に接続されている。同様に、帰還容量３３ｂとスイッチ３５ｂとの直列接続体、帰還容量３３ｃとスイッチ３５ｃとの直列接続体、帰還容量３３ｄとスイッチ３５ｄとの直列接続体及び帰還容量３３ｅとスイッチ３５ｅとの直列接続体が、スイッチ３４と並列に接続されている。

帰還容量３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅは、互いに異なる容量値を有している。例えば、帰還容量３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅの容量値は、クランプ容量３２の容量値をＣ０として、それぞれ、Ｃ０，Ｃ０／２，Ｃ０／４，Ｃ０／８，Ｃ０／１６に設定されている。

スイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅの導通状態は、スイッチ３４の制御ノードに印加される信号（制御パルス信号ＰＧＣａ，ＰＧＣｂ，ＰＧＣｃ，ＰＧＣｄ，ＰＧＣｅ）によって制御される。制御パルス信号ＰＧＣがＨレベルのとき、対応するスイッチ３５がオン状態となり、対応する帰還容量３３が増幅器３１の反転入力端子と出力端子との間に接続される。制御パルス信号ＰＧＣによる感度切り替えによって帰還容量３３のいずれか１つを選択することにより、増幅回路３０による電圧増幅率を、１倍、２倍、４倍、８倍、１６倍に切り替えることができる。

このように、本実施形態の増幅回路３０は、被写体の明るさに応じて増幅回路３０のゲインを切り替えることを可能とし、撮像装置として広ダイナミックレンジを実現したものである。

増幅回路３０による電圧増幅率が上がることで、出力アンプ１５で発生するノイズの影響を相対的に軽減し、被写体が暗いときのＳ／Ｎ比の悪化を抑制することが可能である。その一方で、増幅段の電圧増幅率が上がるにつれて、増幅器３１に対して高い開ループゲインが要求される。

そこで、本実施形態の増幅回路３０においては、増幅器３１を、図７に示すようなカスコード型の高利得増幅回路としている。

図７に示す増幅器３１は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０，４１，４５，４６と、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２，４３，４７，４８，４９，５０，５１，５２とを有している。電源電圧線と接地電圧線との間に、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０，４５、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４７，４２，４９，５１が、この順で直列に接続されている。同様に、電源電圧線と接地電圧線との間に、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４１，４６、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４８，４３，５０，５２が、この順で直列に接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４０，４１のゲートは、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４６のドレインとＮ型ＭＯＳトランジスタ４８のソースとの接続ノードに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２のソースとＮ型ＭＯＳトランジスタ４９のドレインとの接続ノードは、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４３のソースとＮ型ＭＯＳトランジスタ５０のドレインとの接続ノードに接続されている。

図７に示す増幅器３１では、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４２のゲートが増幅器３１の反転入力端子（図中、「ｉｎ−」）を構成し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４３のゲートが増幅器３１の非反転入力端子（図中、「ｉｎ＋」）を構成する。また、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４５のドレインとＮ型ＭＯＳトランジスタ４７のドレインとの接続ノードが、増幅器３１の出力端子３８（図中、「ｏｕｔ」）を構成する。

信号ＶＢ＿Ｈは、ゲート接地Ｐ型ＭＯＳトランジスタ４５，４６へのバイアス電圧である。信号ＶＢ＿Ｌは、ゲート接地ＮＭＯＳトランジスタ４７，４８へのバイアス電圧である。図７に示す増幅器３１は、テレスコピック・カスコード型となっているが、例えば電源電圧が低い場合は、フォールデッド・カスコード型の増幅回路を用いてもよい。

Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５１，５２は、図２のＮ型ＭＯＳトランジスタ４４に対応する定電流源として機能するものである。本実施形態の増幅器３１は、これらＮ型ＭＯＳトランジスタ５１，５２により構成される２つの定電流源を有しているともいえる。これらＮ型ＭＯＳトランジスタ５１，５２は、ゲートに印加される信号ＶＢ＿ｔａｉｌの信号レベルにより、流れる電流ｉ１，ｉ２を制御することができる。或いは、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５１，５２のサイズ（ゲート幅）を変えておき、一定の信号レベルの信号ＶＢ＿ｔａｉｌによって、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５２には電流ｉ１が流れ、ＮＭＯＳトランジスタ５１には電流ｉ２が流れるようにしてもよい。なお、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５１，５２の電流量の制御方法は、特に限定されるものではなく、これらの組み合わせや他の方法を用いてもよい。

Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９，５０は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５１，５２により構成される２つの定電流源の導通／非導通を制御するためのスイッチである。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９は、このゲートに印加される信号Ｉｃｏｎ２により、導通／非導通が制御される。Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５０は、このゲートに印加される信号Ｉｃｏｎ１により、導通／非導通が制御される。

Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９，５０は、ゲートに印加される信号Ｈレベルのときオン状態となり、Ｌレベルのときオフ状態となる。すなわち、信号Ｉｃｏｎ１がＨレベルで信号Ｉｃｏｎ２がＬレベルのとき、増幅器３１には電流ｉ１が流れて動作状態となる。信号Ｉｃｏｎ１がＬレベルで信号Ｉｃｏｎ２がＨレベルのとき、増幅器３１には電流ｉ２が流れて動作状態となる。信号Ｉｃｏｎ１，Ｉｃｏｎ２がともにＨレベルのとき、増幅器３１には電流ｉ１＋ｉ２が流れて動作状態となる。信号Ｉｃｏｎ１，Ｉｃｏｎ２がともにＬレベルのとき、増幅器３１に電流は流れず非動作状態となる。

本実施形態の撮像装置を、例えばデジタルカメラの撮像系に適用する場合、デジタルカメラのＩＳＯ感度調整手段として、図６の増幅回路を利用することが好適である。なお、本実施形態では、ゲインの切り替えを帰還容量の切り替えによって行っているが、クランプ容量の切り替えによって行ってもよく、また、両者を併用してもよい。

ラインメモリ６０は、図６に示すように、スイッチ６１Ｎ，６１Ｓ，６３Ｎ，６３Ｓと、容量６２Ｎ，６２Ｓとを有している。スイッチ６１Ｎ，６１Ｓの一方の主ノードは、増幅回路３０の出力端子３８に接続されている。スイッチ６１Ｎの他方の主ノードは、スイッチ６３Ｎの一方の主ノード及び容量６２Ｎの一方の端子に接続されている。スイッチ６１Ｓの他方の主ノードは、スイッチ６３Ｓの一方の主ノード及び容量６２Ｓの一方の端子に接続されている。スイッチ６３Ｎ，６３Ｓの他方の端子は、水平転送回路１３に接続されている。容量６２Ｎ，６２Ｓの他方の端子は、固定電圧線（例えば接地電圧線）に接続されている。容量６２Ｎ，６２Ｓは、画素２０から読み出され増幅回路３０により増幅されたリセット信号及び画素信号を、水平転送回路１３により転送する前に一時的に保持するための信号保持容量である。

読み出し回路７０は、水平転送回路１３に接続されている。水平転送回路１３は、水平走査回路１４及び出力アンプ１５に接続されている。水平走査回路１４は、ＴＧ１２に接続されている。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について図４乃至図９を用いて説明する。なお、以下の説明では、１つの画素２０の読み出し動作について主に説明するが、同じ行に属する異なる列の複数の画素２０についてのラインメモリ６０までの信号読み出し動作は、並行して同時に行われる。

まず、時刻ｔ０において、リセットパルス信号ＰＲＥＳをＨレベルとし、リセットＭＯＳトランジスタ２３をオン状態とする。これにより、ＦＤ領域２６がリセットＭＯＳトランジスタ３０を介して電源電圧線に電気的に接続され、ＦＤ領域２６がリセットレベルの電位（リセット電位）にリセットされる。

また、同じく時刻ｔ０において、信号Ｉｃｏｎ１をＨレベルとし、クランプ動作時用の定電流回路のスイッチであるＮ型ＭＯＳトランジスタ５０をオン状態とする。このとき、信号ＶＢ＿ｔａｉｌに所定の電圧を印加しておき、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５２にクランプ動作時用の電流ｉ１が流れるようにしておく。また、信号Ｉｃｏｎ２はＬレベルとし、増幅動作時用の定電流回路のスイッチであるＮ型ＭＯＳトランジスタ４９は、オフ状態のままとする（ｉ２＝０）。これにより、増幅器３１には、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ５０，５２を介して電流ｉ１が流れ、増幅器３１が動作状態（第１の動作モード）となる。このときの増幅器３１への供給電流Ｉは、Ｉ＝ｉ１である。

また、同じく時刻ｔ０において、クランプパルス信号ｐｃ０ｒをＨレベルとし、スイッチ３４をオン状態とする。これにより、増幅器３１は電圧フォロワ状態となり、出力端子の電圧は電圧Ｖｒｅｆにほぼ等しくなる。そして、増幅器３１の反転入力端子の電位は、電圧Ｖｒｅｆに対して増幅器３１のオフセット電圧を加えたオフセットレベルとなる。こうして、増幅器３１の入力端子及び出力端子の電位をリセットする。

次いで、ＦＤ領域２６のリセットが完了後、時刻ｔ１において、リセットパルス信号ＰＲＥＳをＬレベルとし、ＦＤ領域２６を信号読み出し可能なようにフローティング状態とする。

次いで、時刻ｔ２において、選択パルス信号ＰＳＥＬをＨレベルとし、選択ＭＯＳトランジスタ２５をオンとする。これにより、増幅ＭＯＳトランジスタ２４は、ソースに垂直信号線２７及び選択ＭＯＳトランジスタ２５を介して定電流源２８からバイアス電流が供給された状態となり、ソースフォロワ回路を構成する。そしてこれによって、垂直信号線２７には、増幅ＭＯＳトランジスタ２４の入力ノードの電位、すなわちリセット電位であるＦＤ領域２６の電位に基づく信号（リセット信号）が、選択ＭＯＳトランジスタ２５を介して出力される。

これにより、増幅回路３０の入力端子３７がリセット信号の電位となり、増幅器３１の反転入力端子がオフセットレベルの電位となり、この電位関係が基準としてクランプ容量３２にクランプされる。

次いで、増幅器３１のクランプ動作が完了後、時刻ｔ３において、クランプパルス信号ｐｃ０ｒをＬレベルとし、スイッチ３４をオフ状態とする。これにより、増幅器３１の反転入力端子と出力端子とが帰還容量３３を介して接続され、増幅器３１が増幅可能な状態となる。

また、同じく時刻ｔ３において、また、信号Ｉｃｏｎ２をＨレベルとし、増幅動作時用の定電流回路のスイッチであるＮ型ＭＯＳトランジスタ４９をオン状態とする。このとき、信号ＶＢ＿ｔａｉｌに所定の電圧を印加しておき、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９に増幅動作時用の定電流ｉ２が流れるようにしておく。また、信号Ｉｃｏｎ１はＬレベルに切り替え、クランプ動作時用の定電流回路のスイッチであるＮ型ＭＯＳトランジスタ５０はオフ状態にする（ｉ１＝０）。これにより、増幅器３１には、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９，５１を介して電流ｉ２が流れ、増幅器３１が動作状態（第２の動作モード）となる。このときの増幅器３１への供給電流Ｉは、Ｉ＝ｉ２である。

垂直信号線２７に出力された画素２０からのリセット信号は、クランプ容量３２を介して増幅器３１の反転入力端子に入力されている。これにより、増幅器３１は、クランプ容量３２を介して垂直信号線２７から与えられたリセット信号を増幅し、出力端子３８から出力する。このとき、増幅器３１の帰還経路には帰還容量３３が接続されているため、クランプ容量３２と帰還容量３３との比によってゲインが決定される。

次いで、時刻ｔ４において、信号ＰＴＮをＨレベルとしてスイッチ６１Ｎをオン状態とし、増幅回路３０の出力端子３８をラインメモリ６０の容量６２Ｎに接続する。これにより、増幅回路３０により増幅されたリセット信号を、容量６２Ｎに書き込む。

次いで、容量６２Ｎへのリセット信号の書き込み完了後、時刻ｔ５において、信号ＰＴＮをＬレベルとしてスイッチ６１Ｎをオフ状態とする。これにより、リセット信号は、容量６２Ｎにより保持された状態となる。

次いで、時刻ｔ６において、転送パルス信号ＰＴＸをＨレベルとし、転送ＭＯＳトランジスタ２２をオン状態とする。これにより、フォトダイオード２１において光電変換により生成された信号電荷が、ＦＤ領域２６に転送される。そして、垂直信号線２７には、フォトダイオード２１から転送された信号電荷の量に応じたＦＤ領域２６の電位に基づく信号（画素信号）が、選択ＭＯＳトランジスタ２５を介して出力される。

次いで、ＦＤ領域２６への信号電荷の転送完了後、時刻ｔ７において、転送パルス信号ＰＴＸをＬレベルとし、転送ＭＯＳトランジスタ２２をオフ状態とする。

垂直信号線２７に出力された画素信号は、クランプ容量３２を介して増幅器３１の反転入力端子に入力されている。これにより、増幅器３１は、クランプ容量３２を介して垂直信号線２７から与えられた画素信号を増幅し、出力端子３８から出力する。このとき、増幅器３１の帰還経路には帰還容量３３が接続されているため、クランプ容量３２と帰還容量３３との比によってゲインが決定される。

次いで、時刻ｔ８において、信号ＰＴＳをＨレベルとしてスイッチ６１Ｓをオン状態とし、増幅回路３０の出力端子３８をラインメモリ６０の容量６２Ｓに接続する。これにより、増幅回路３０により増幅された画素信号を、容量６２Ｓに書き込む。

次いで、容量６２Ｓへの画素信号の書き込み完了後、時刻ｔ９において、信号ＰＴＳをＬレベルとしてスイッチ６１Ｓをオフ状態とする。これにより、画素信号は、容量６２Ｓにより保持された状態となる。

次いで、時刻ｔ１０において、信号Ｉｃｏｎ２をＬレベルにして増幅動作時の定電流回路をオフにして、増幅器３１をパワーダウンする。

次いで、水平走査回路１４により水平転送回路１３を制御し、容量６２Ｎに蓄積された画素リセット信号と、容量６２Ｓに蓄積された画素信号とを、水平転送回路１３へ列ごとに順次読み出す。そして、水平転送回路１３へ読み出された出力信号を、順次出力アンプ１５或いはチップ外のＩＣへ転送し、相関二重サンプリング処理等の信号処理を行い、画像信号を取得する。

上述の本実施形態による撮像装置の駆動方法において、時刻ｔ０〜時刻ｔ３において増幅器３１に供給する電流ｉ１及び時刻ｔ３〜時刻ｔ１０において増幅器３１に供給する電流ｉ２の設定方法は、第１実施形態の場合と同様である。増幅器３１の電流ｉ１，ｉ２をこのように設定することで、信号増幅精度を維持しつつ、消費電流を低減することができる。

なお、図８のタイミング図では、時刻ｔ３において、クランプパルス信号ｐｃ０ｒ、信号Ｉｃｏｎ１、信号Ｉｃｏｎ２を同時に遷移しているが、これら信号は必ずしも同時に遷移する必要はない。例えば、クランプ解除にあたるクランプパルス信号ｐｃ０ｒのＬレベルへの遷移よりも少し前に、信号Ｉｃｏｎ１及び信号Ｉｃｏｎ２を遷移するようにしてもよい。クランプ解除前に短時間でも増幅時と同じ定電流値に変化させておくことにより、増幅器３１のオフセットレベルへのクランプ動作をより確実に行うことができる。これにより、時刻ｔ０〜時刻ｔ３の間において供給電流を低減したことに伴い生じうるクランプエラーを抑制することができる。

少なくともクランプ動作時に増幅器３１に供給される電流の平均値が増幅動作時に増幅器３１に供給される電流の平均値よりも小さくなるように電流源の制御を行うことで、消費電流低減の効果は得ることができる。増幅器３１の電流Ｉを電流ｉ１から電流ｉ２へ切り替えるタイミングは、所望の消費電流低減効果が得られる範囲内で適宜変更が可能である。

本実施形態による撮像装置の駆動方法によれば、消費電力を大幅に低減することができる。増幅器３１のクランプ時の供給電流を増幅時の供給電流よりも減らす場合、クランプ時と増幅時の供給電流を同じにする場合と比較すると、増幅器３１のオフセットが除去しにくい方向ではある。しかしながら、多少オフセット量が増加しても使用できるアナログ回路は多く存在し、何より、オフセット量と消費電力のバランスの良いところを選択できるというフレキシビリティの高い増幅回路の駆動方法を実現することができる。

本実施形態では、増幅回路３０に２つの定電流源を設け、クランプ動作時と増幅動作時とでこれら定電流源をスイッチにより切り替えることで、クランプ時における電流ｉ１と増幅時における電流ｉ２とを変化している。これは、１つの定電流源を用いて電流値を変化する場合よりも短時間で所望の定電流量を得られるからである。

定電流を１つの定電流源によって切り替えようとした場合、例えば図７の回路では、信号ＶＢ＿ｔａｉｌの電圧値を変化させることになる。しかしながら、この方法では、所望の定電流量になるまでに、本実施形態の方法と比較して、より多くの時間を要する。これは、エリアセンサは通常のＩＣとは異なり、列数に対応して例えば数千もの読み出し回路を有しており、各列に存在する信号ＶＢ＿ｔａｉｌを変化する際に配線のＣＲ時定数によって遅延が発生し、所望の電圧値に変化するまでに時間がかかるからである。電流値が定まらなければノイズの少ない正しい信号読み出しができないため、結果、撮像装置のフレームレートに影響を与えてしまう。

また、信号ＶＢ＿ｔａｉｌにより電流値を制御するＭＯＳトランジスタのサイズは、増幅器３１に必要な定電流量やダイナミックレンジの設計要件等に応じて決定される。これに対し、本実施形態における信号Ｉｃｏｎ１，Ｉｃｏｎ２で制御されるＮ型ＭＯＳトランジスタ４９，５０は、単なるスイッチであり、比較的自由にサイズを決めることが可能である。このスイッチを必要最低限のオン抵抗となるようなサイズとすれば、当該トランジスタのＭＯＳ容量を小さくすることができ、ひいては寄生容量を低減することができる。そして、信号ＶＢ＿ｔａｉｌを常に所定の一定電圧を保ったままとすれば、結果として相対的に、２つの定電流源を用意して切り替える本実施形態の方式は、読み出し時間の増大を抑えるのに有効な手法となる。

また、本実施形態の撮像装置においては、設定ゲイン毎に消費電力低減モードを用いるか否かを適宜使い分けるのも有効である。

前述の通り、信号ＰＧＣａ〜信号ＰＧＣｅを制御することにより、増幅回路３０のゲインを変更することが可能である。例えば、信号ＰＧＣａ〜信号ＰＧＣｅの総てをＨレベルとしたときの増幅率を１倍とすると、信号ＰＧＣｅのみをＨレベルとし信号ＰＧＣａ〜信号ＰＧＣｄをＬレベルとした場合には、最大で入力信号を１６倍とするゲインをかけることが可能となる。しかしながら、このような高ゲイン設定時に実際に図８の駆動方法を行うと、増幅器３１のオフセットレベル差が大きくなる。このためオフセットレベル差がオフセットクランプエラーとなって、撮像装置においては列ごとのオフセットばらつきとして見えてしまう可能性がある。

実際のカメラにおいては低ＩＳＯ設定で撮影することの方が高ＩＳＯ設定で撮影する頻度よりも多い。そのため、高ゲイン設定の読み出し時に消費電力低減よりも画質を優先する場合にはクランプ動作時に流す電流を増幅動作時と同じとする読み出しを行い、低ゲイン設定の読み出し時には本実施形態の駆動方法を用いて消費電力の低減を行ってもよい。

なお、本実施形態による撮像装置の駆動方法には、供給電流の低減に伴う効果として、消費電力の低減効果だけでなく、増幅器３１の動作に伴う発熱や、ホットキャリアの発生及びその再結合による発光を低減する効果もある。そのため、本実施形態による撮像装置及びその駆動方法は、長時間蓄積を行う撮影が存在するカメラ用の光電変換装置に特に有用である。

このように、本実施形態によれば、撮像装置の読み出し回路において、増幅器のクランプ動作時に供給する電流を増幅動作時に供給する電流よりも少なくしてトータルの消費電流を低減するので、撮像装置の読み出し動作時の消費電力を低減することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置の駆動方法について図９を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１実施形態による増幅回路及びその駆動方法並びに図４乃至図８に示す第２実施形態による撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図９は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

本実施形態では、図４乃至図７に示す第２実施形態による撮像装置の他の駆動方法について説明する。

本実施形態による撮像装置の駆動方法では、図９に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの間、信号Ｉｃｏｎ１をＨレベルとして電流ｉ１を流し、時刻ｔ３から時刻ｔ１０までの間、信号Ｉｃｏｎ２をＨレベルとして電流ｉ２を流している。すなわち、クランプ動作時である時刻ｔ０〜時刻ｔ３における増幅器３１への供給電流Ｉをｉ１とし、増幅モード時である時刻ｔ３〜時刻ｔ１０における増幅器３１への供給電流Ｉをｉ１＋ｉ２としている。

この場合、信号増幅精度の維持のために必要な増幅動作時の供給電流をＩａとして、例えば、Ｉ_１＝Ｉ_２＝Ｉａ／２に設定する。これにより、ｔ０〜時刻ｔ３における増幅器３１への供給電流ＩはＩａ／２となり、時刻ｔ３〜時刻ｔ１０における増幅器３１への供給電流ＩはＩａとなり、第２実施形態の場合と同じ供給電流となる。

また、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９に流す電流ｉ２の値が小さくなるため、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ４９に求められる電流駆動能力、すなわちＮ型ＭＯＳトランジスタ４９のサイズを小さくすることができる。これにより、増幅器３１に必要な回路面積が小さくなり、チップサイズを縮小することができる。

なお、電流ｉ１と電流ｉ２とは必ずしも同じである必要はなく、電流Ｉ＝ｉ１＋ｉ２が信号増幅精度の維持のために必要な増幅動作時の供給電流Ｉａ以上になる範囲で、適宜変更が可能である。

このように、本実施形態によれば、撮像装置の読み出し回路において、増幅器のクランプ動作時に供給する電流を増幅動作時に供給する電流よりも少なくしてトータルの消費電流を低減するので、撮像装置の読み出し動作時の消費電力を低減することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法について図１０及び図１１を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１実施形態による増幅回路及びその駆動方法並びに図４乃至図９に示す第２及び第３実施形態による撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１０は、本実施形態による撮像装置の信号読み出し回路の構成の一例を示す回路図である。図１１は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について図１０を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置１００は、読み出し回路７０の構成が異なるほかは、図４及び図５に示す第２実施形態による撮像装置と同様である。

本実施形態による撮像装置１００の読み出し回路７０は、図１０に示すように、増幅器３１を含む増幅回路３０の後段に、増幅器６４Ｓを含む増幅回路３０Ｓと、増幅器６４Ｎを含む増幅回路３０Ｎと、の２系統の増幅回路を更に有している。

増幅回路３０は、図１に示す第１実施形態による増幅回路３０と同様、増幅器３１と、クランプ容量３２と、帰還容量３３と、スイッチ３４とを有している。クランプ容量３２の一方の端子は増幅回路３０の入力端子３７を構成し、クランプ容量３２の他方の端子は増幅器３１の反転入力端子に接続されている。増幅器３１の非反転入力端子には、基準電圧である電圧Ｖｒｅｆが入力されている。増幅回路３０の出力端子３８を構成する増幅器３１の出力端子と、増幅器３１の反転入力端子との間には、帰還容量３３とスイッチ３４とが並列に接続されている。スイッチ３４の導通状態は、スイッチ３４の制御ノードに印加されるクランプパルス信号ｐｃ０ｒによって制御される。なお、本実施形態による撮像装置の増幅回路３０として、図６及び図７に示す第２実施形態による撮像装置の増幅回路３０を用いてもよい。

増幅回路３０Ｓは、増幅器６４Ｓ、容量６５Ｓ、スイッチ６６Ｓ，６７Ｓ，６８Ｓ、電流源６９Ｓを有している。増幅回路３０Ｓの入力端子であるスイッチ６６Ｓの一方の端子は、増幅回路３０の出力端子３８に接続されている。スイッチ６６Ｓの他方の端子は、スイッチ６８Ｓの一方の端子及び容量６５Ｓの一方の端子に接続されている。容量６５Ｓの他方の端子は、増幅器６４Ｓの反転入力端子及びスイッチ６７Ｓの一方の端子に接続されている。増幅器６４Ｓの非反転入力端子には、基準電圧である電圧Ｖｒｅｆが入力されている。増幅回路３０Ｓの出力端子を構成する増幅器６４Ｓの出力端子には、スイッチ６７Ｓの他方の端子及びスイッチ６８Ｓの他方の端子が接続されている。増幅器６４Ｓの出力端子は、ラインメモリ６０のスイッチ６１Ｓに接続されている。

スイッチ６６Ｓ，６７Ｓ，６８Ｓ，６１Ｓ，６３Ｓは、それぞれ、制御信号ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４，ＳＶ５により制御される。これら信号がＨレベルのとき、対応するスイッチが導通状態（オン状態）となる。また、これら信号がＬレベルのとき、対応するスイッチが非導通状態（オフ状態）となる。

同様に、増幅回路３０Ｎは、増幅器６４Ｎ、容量６５Ｎ、スイッチ６６Ｎ，６７Ｎ，６８Ｎ、電流源６９Ｎを有している。増幅回路３０Ｎの入力端子であるスイッチ６６Ｎの一方の端子は、増幅回路３０の出力端子３８に接続されている。スイッチ６６Ｎの他方の端子は、スイッチ６８Ｎの一方の端子及び容量６５Ｎの一方の端子に接続されている。容量６５Ｎの他方の端子は、増幅器６４Ｎの反転入力端子及びスイッチ６７Ｎの一方の端子に接続されている。増幅器６４Ｎの非反転入力端子には、基準電圧である電圧Ｖｒｅｆが入力されている。増幅回路３０Ｎの出力端子を構成する増幅器６４Ｎの出力端子には、スイッチ６７Ｎの他方の端子及びスイッチ６８Ｎの他方の端子が接続されている。増幅器６４Ｎの出力端子は、ラインメモリ６０のアナログスイッチ６１Ｎに接続されている。

スイッチ６６Ｎ，６７Ｎ，６８Ｎ，６１Ｎ，６３Ｎは、それぞれ、制御信号ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５により制御される。これら信号がＨレベルのとき、対応するスイッチが導通状態（オン状態）となる。また、これら信号がＬレベルのとき、対応するスイッチが非導通状態（オフ状態）となる。

増幅器６４Ｓ，６４Ｎは、例えば図２に示すような１段の差動増幅回路により構成され、この場合、電流源６９Ｓ，６９Ｎは、図２のＮ型ＭＯＳトランジスタ４４に対応する。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について図１１を用いて説明する。ここでは、画素アレイ１０の第ｍ行目、第ｎ列目の画素２０からの信号を読み出す場合の動作について、増幅回路３０Ｓ，３０Ｎの駆動方法を中心に説明する。画素２０からの信号読み出し及び増幅回路３０の駆動方法は、第２及び第３実施形態による撮像装置の駆動方法と同様であるため、適宜説明を省略する。

まず、時刻ｔ１０１において、信号Ｉｃｏｎ１をＨレベルとし、増幅回路３０Ｓ，３０Ｎの定電流源６９Ｓ，６９Ｎに、クランプ動作時用の定電流ｉ１をそれぞれ流す。なお、定電流源６９Ｓから増幅器６４Ｓへ供給される電流ｉ１と、定電流源６９Ｎから増幅回路６４Ｎへ供給される電流ｉ１とは、必ずしも同じである必要はない。

また、同じく時刻ｔ１０１において、信号ＳＶ２及びＳＲ２をＨレベルとしてスイッチ６７Ｓ，６７Ｎをオン状態とし、容量６５Ｓの他方の端子を増幅器６４Ｓの出力端子に、また、容量６５Ｎの他方の端子を増幅器６４Ｎの出力端子に、それぞれ接続する。信号ＳＶ３，ＳＲ３，ＳＶ４，ＳＲ４はＬレベルとし、スイッチ６８Ｓ，６８Ｎ，６１Ｓ，６１Ｎは、オフ状態としておく。

次いで、時刻ｔ１０２において、信号ＳＲ１をＨレベルとしてスイッチ６６Ｎをオン状態とし、増幅回路３０の出力端子３８から出力されたリセット信号を、スイッチ６６Ｎを介して容量６５Ｎに書き込む。

次いで、時刻ｔ１０３において、信号ＳＲ１をＬレベルとしてスイッチ６６Ｎをオフ状態とし、リセット信号を容量６５Ｎにより保持する。この際、このリセット信号は、増幅器６４Ｎのオフセットレベルに対してクランプされていることになる。

ここで、時刻ｔ１０２から時刻１０３において信号ＳＲ１をＨレベルとするタイミングは、図８及び図９に示すタイミング図の時刻ｔ４から時刻ｔ５において信号ＰＴＮをＨレベルとするタイミングに対応する。すなわち、時刻ｔ１０２において、増幅回路３０の出力端子３８には、増幅されたリセット信号が出力されている。

次いで、時刻ｔ１０４において、信号ＳＶ１をＨレベルとしてスイッチ６６Ｓをオン状態とし、増幅回路３０の出力端子３８から出力された画素信号を、スイッチ６６Ｓを介して容量６５Ｓに書き込む。

次いで、時刻ｔ１０５において、信号ＳＶ１をＬレベルとしてスイッチ６６Ｓをオフ状態とし、画素信号を容量６５Ｓにより保持する。この際、この画素信号は、増幅器６４Ｓのオフセットレベルに対してクランプされていることになる。

ここで、時刻ｔ１０４から時刻１０５において信号ＳＶ１をＨレベルとするタイミングは、図８及び図９に示すタイミング図の時刻ｔ８から時刻ｔ９において信号ＰＴＳをＨレベルとするタイミングに対応する。すなわち、時刻ｔ１０４において、増幅回路３０の出力端子３８には、増幅された画素信号が出力されている。

次いで、時刻ｔ１０６において、信号ＳＶ２，ＳＲ２，Ｉｃｏｎ１をＬレベルとし、代わりに信号Ｉｃｏｎ２をＨレベルとし、増幅回路３０Ｓ，３０Ｎの定電流源６９Ｓ，６９Ｎに、増幅動作時用の定電流ｉ２をそれぞれ流す。なお、定電流源６９Ｓから増幅器６４Ｓへ供給される電流ｉ２と、定電流源６９Ｎから増幅回路６４Ｎへ供給される電流ｉ２とは、必ずしも同じである必要はない。

次いで、時刻ｔ１０７において、信号ＳＶ３，ＳＲ３をＨレベルとし、スイッチ６８Ｓ，６８Ｎをオン状態とする。これにより、増幅器６４Ｓの反転入力端子と出力端子との間に容量６５Ｓが、増幅器６４Ｎの反転入力端子と出力端子との間に容量６５Ｎが、それぞれ接続された状態となる。これにより、一定時刻の後、増幅器６４Ｓの出力端子の電圧は、増幅器６４Ｓの非反転入力端子の電圧Ｖｒｅｆとは無関係に、容量６５Ｓに書き込まれた画素信号のレベルとなる。同様に、増幅器６４Ｎの出力端子の電圧は、増幅器６４Ｎの非反転入力端子の電圧Ｖｒｅｆとは無関係に、容量６５Ｎに書き込まれた画素リセット信号のレベルとなる。

次いで、時刻ｔ１０８において、信号ＳＶ４，ＳＲ４をＨレベルとし、スイッチ６１Ｓ，６１Ｎをオン状態とする。これにより、増幅器６４Ｓの出力端子と容量６２Ｓとが接続され、容量６２Ｓには画素信号が書き込まれる。また、増幅器６４Ｎの出力端子と容量６２Ｎとが接続され、容量６２Ｎにはリセット信号が書き込まれる。

次いで、容量６２Ｓ，６２Ｎへの書き込みが終了した後、時刻ｔ１０９において、信号ＳＶ４，ＳＲ４をＬレベルとし、スイッチ６１Ｓ，６１Ｎをオフ状態とする。これにより、画素信号及びリセット信号は、それぞれ容量６２Ｓ及び容量６２Ｎに保持された状態となる。

次いで、時刻ｔ１１０において、信号ＳＶ３，ＳＲ３をＬレベルとしてスイッチ６８Ｓ，６８Ｎをオフ状態とする。

このようにして時刻ｔ１１０までの駆動を行うことにより、ラインメモリ６０の各列の容量６２Ｓにはｍ行目の画素からの画素信号がそれぞれ保持され、各列の容量６２Ｎには第ｍ行目の画素からのリセット信号がそれぞれ保持されたことになる。

次いで、時刻ｔ１０以降、各列の信号ＳＶ５，ＳＲ５を順次Ｈレベルとしてスイッチ６３Ｓ，６３Ｎをオン状態とし、容量６２Ｓに保持された画素信号と、容量６２Ｎに保持されたリセット信号とを、水平転送回路１３へ列ごとに順次読み出す。

その後、第（ｍ＋１）行の画素の読み出しのために、上述した第ｍ行目の読み出し動作と同じ読み出し動作を、図１１に示すように繰り返す（時刻ｔ２０１〜時刻ｔ２１０）。

このとき、信号Ｉｃｏｎ２は、図１１に実線で示したように、第（ｍ＋１）行目の読み出し動作の開始時刻である時刻ｔ２０１においてＬレベルとしてもよいが、図１１に点線で示したように時刻ｔ１１０においてＬレベルとしてもよい。すなわち、第ｍ行目の読み出し動作の時刻ｔ１０９においてスイッチ６１Ｓ及び６１Ｎをオフ状態とした時点で容量６２Ｓ，６２Ｎに信号は保持されるため、時刻１０９〜時刻ｔ２０１の期間に増幅器６４Ｓ，６４Ｎに流れる定電流ｉ２を停止しても問題ない。このようにすることで、増幅器６４Ｓ，６４Ｎの消費電流が更に低減され、更なる低消費電力化を図ることができる。

第ｍ行目の画素２０の画素信号及び画素リセット信号の水平転送回路１３への読み出し動作は、第（ｍ＋１）行目の画素の読み出し動作において信号ＳＶ４，ＳＲ４をＨレベルにするまで（時刻ｔ２０８まで）のタイミングで行えばよい。容量６２Ｓ，６２Ｎからの読み出し前にスイッチ６１Ｓ，６１Ｎがオンになると、容量６２Ｓ，６２Ｎに蓄積されていた第ｍ行目の信号が第（ｍ＋１）行目の信号によって上書きされてしまうからである。

換言すると、第（ｍ＋１）行目の画素についての時刻ｔ２０１〜時刻ｔ２０７までの動作は、図１１に示すように、第ｍ行目の画素の水平転送回路１３への読み出し動作と並行して行うことができる。これにより、読み出し時間を短縮化することができる。

本実施形態の駆動方法において、時刻ｔ１０１〜時刻ｔ１０６において増幅器６４Ｓ，６４Ｎに流す電流ｉ１及び時刻ｔ６〜時刻ｔ１０において増幅器６４Ｓ，６４Ｎに流す電流ｉ２の設定方法は、第１実施形態の場合と同様である。増幅器６４Ｓ，６４Ｎの電流ｉ１，ｉ２をこのように設定することで、信号増幅精度を維持しつつ、消費電流を低減することができる。

このように、本実施形態によれば、撮像装置の読み出し回路において、増幅器のクランプ動作時に供給する電流を増幅動作時に供給する電流よりも少なくしてトータルの消費電流を低減するので、撮像装置の読み出し動作時の消費電力を低減することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システムについて図１２を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１実施形態による増幅回路及びその駆動方法並びに図４乃至図１１に示す第２乃至第４実施形態による撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１２は、本実施形態による撮像システムの構成の一例を示す概略図である。

本実施形態による撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、撮像装置１００、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置１００は、先の実施形態で説明した撮像装置１００が用いられる。

レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像装置１００の、複数の画素２０が２次元マトリクス状に配列された画素アレイ１０に結像させ、被写体の像を形成する。撮像装置１００は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素アレイ１０に結像された光に応じた信号を出力する。撮像装置１００から出力された信号は、映像信号処理部８３０に入力され、映像信号処理部８３０が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システム制御部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

システム制御部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。タイミング制御部８５０は、システム制御部８６０による制御に基づいて撮像装置１００及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。

このようにして、第２乃至第４実施形態による撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、低消費電力の撮像システムを実現することができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記第２実施形態では、増幅器３１に電流を供給する定電流源を２つ設けた例を示したが、定電流源を３つ以上設けるようにしてもよい。

また、上記第２乃至第４実施形態では、１つのフォトダイオードと４つのＭＯＳトランジスタとにより単位画素が構成される撮像装置について説明したが、単位画素の構成はこれに限定されるものではない。例えば、単位画素に複数の固体撮像素子が含まれる撮像装置や、単位画素の画素内読み出し回路を構成するＭＯＳトランジスタの数の異なる撮像装置等においても同様に適用することができる。

また、上記第２実施形態では、図６示したようなゲインの変更が可能な増幅回路を用いて信号読み出し回路を構成した撮像装置を示したが、図１に示す第１実施形態による増幅回路を用いて信号読み出し回路を構成してもよい。

また、上記第４実施形態では、増幅回路３０を第１実施形態による増幅回路により構成したが、第１実施形態による増幅回路の代わりに、増幅器３１へ供給する電流値の切り替え機能を持たない定電流源を用いた増幅回路を用いてもよい。この場合も、増幅回路３０Ｓ，３０Ｎにおいて消費電力の低減効果は得られる。

また、上記第４実施形態では、増幅回路３０Ｓ，３０Ｎの前段に増幅回路３０を設けたが、増幅回路３０を設けずに、垂直信号線２７に直に増幅回路３０Ｓ，３０Ｎを接続するようにしてもよい。

また、第２乃至第４実施形態の撮像装置を適用しうる撮像システムは、第５実施形態に記載のものに限定されるものではなく、撮像装置を用いる種々の撮像システムに広く適用することができる。

また、第２乃至第４実施形態では第１実施形態の増幅回路を用いた撮像装置を示し、第５実施形態では第２乃至第４実施形態の撮像装置を用いた撮像システムを示したが、第１実施形態の増幅回路の用途はこれらに限定されるものではない。第１実施形態の増幅回路を他の電子デバイスの増幅回路に適用するようにしてもよい。

上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。

１０ 画素アレイ
２０ 画素
３０，３０Ｓ，３０Ｎ 増幅回路
３１，６４Ｓ，６４Ｎ 増幅器
３２ クランプ容量
３３ 帰還容量
３４ スイッチ
３６，６９Ｓ，６９Ｎ 電流源
６０ ラインメモリ
７０ 読み出し回路
６２Ｓ，６２Ｎ，６５Ｓ，６５Ｎ 容量

Claims (12)

1. 光電変換により生成された信号電荷を電圧信号として出力する画素と、前記画素からの出力信号が入力される増幅器、前記増幅器に電流を供給する電流源及び前記増幅器の入力端子と出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチを有する増幅回路を含む読み出し回路とを有する撮像装置の駆動方法であって、
   前記スイッチを導通状態とし、前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップと、
   前記スイッチを非導通状態とし、前記画素からの前記出力信号を増幅するステップとを有し、
   前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップにおいて前記増幅器に供給する前記電流の平均値が、前記出力信号を増幅するステップにおいて前記増幅器に供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように、前記電流源を制御する
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
2. 前記電流源は、第１の定電流源及び第２の定電流源を含み、
   前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップでは、前記第１の定電流源から前記増幅器へ前記電流を供給し、
   前記出力信号を増幅するステップでは、前記第２の定電流源から前記増幅器へ前記電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置の駆動方法。
3. 前記電流源は、第１の定電流源及び第２の定電流源を含み、
   前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップでは、前記第１の定電流源及び第２の定電流源の一方から前記増幅器へ前記電流を供給し、
   前記出力信号を増幅するステップでは、第１の定電流源及び第２の定電流源の双方から前記増幅器へ前記電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置の駆動方法。
4. 前記増幅回路は、ゲインの切り替え機能を有し、
   前記画素からの前記出力信号を第１の増幅率で増幅する際は、前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップにおいて前記増幅器へ供給する電流の平均値が、前記出力信号を増幅するステップにおいて前記増幅器に供給する電流の平均値よりも小さくなるようにし、
   前記画素からの前記出力信号を前記第１の増幅率よりも大きい第２の増幅率で増幅する際は、前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットするステップ及び前記出力信号を増幅するステップにおいて前記増幅器へ供給する電流を同じにする
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
5. 光電変換素子により生成された信号電荷を電圧信号として出力する画素と、
   前記画素からの出力信号が入力される増幅器、前記増幅器に電流を供給する電流源及び前記増幅器の入力端子と出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチを有する増幅回路を含む読み出し回路と、
   前記スイッチを導通状態として前記増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットする際に前記増幅器へ供給する前記電流の平均値が、前記スイッチを非導通状態として前記画素から読み出した信号を増幅する際に前記増幅器へ供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように、前記電流源を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする撮像装置。
6. 前記電流源は、複数の定電流源を含む
   ことを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
7. 前記増幅回路は、一方の端子が前記画素に接続され、他方の端子が前記増幅器の前記入力端子に接続された第１の容量を更に有する
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の撮像装置。
8. 前記読み出し回路は、前記増幅回路の出力端子に接続され、前記増幅回路の出力信号を一時的に保持するための第２の容量を更に有する
   ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 画素信号及びリセット信号を電圧信号として出力する画素と、
   前記画素から前記画素信号が入力される第１の増幅器と、前記第１の増幅器に電流を供給する第１の電流源と、前記第１の増幅器の前記入力端子と前記第１の増幅器の出力端子との間の導通と非導通とを切り替える第１のスイッチとを有する第１の増幅回路と、
   前記画素から前記リセット信号が入力される第２の増幅器と、前記第２の増幅器に電流を供給する第２の電流源と、前記第２の増幅器の前記入力端子と前記第２の増幅器の出力端子との間の導通と非導通とを切り替える第２のスイッチとを有する第２の増幅回路と、
   前記第１のスイッチを導通状態として前記第１の増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットする際に前記第１の増幅器へ供給する前記電流の平均値が前記第１のスイッチを非導通状態として前記画素信号を増幅する際に前記第１の増幅器へ供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように前記第１の電流源を制御し、前記第２のスイッチを導通状態として前記第２の増幅器の前記入力端子及び前記出力端子の電位をリセットする際に前記第２の増幅器へ供給する前記電流の平均値が前記第２のスイッチを非導通状態として前記リセット信号を増幅する際に前記第２の増幅器へ供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように前記第２の電流源を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする撮像装置。
10. 前記画素と前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路との間に接続された第３の増幅回路を更に有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
11. 増幅器と、
    前記増幅器に電流を供給する電流源と、
    一方の端子に信号が与えられ、他方の端子が前記増幅器の入力端子に接続された容量と、
    前記増幅器の前記入力端子と前記増幅器の出力端子との間の導通と非導通とを切り替えるスイッチと、
    前記スイッチが導通状態のときに前記増幅器に供給する前記電流の平均値が、前記スイッチが非導通状態のときに前記増幅器に供給する前記電流の平均値よりも小さくなるように、前記電流源を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする増幅回路。
12. 請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置へ被写体の像を結像する光学系と
    を有することを特徴とする撮像システム。

Images