JP7478968B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本開示は、撮像装置に関する。

近年、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、監視カメラ、車載カメラ等、様々な分野で撮像装置が広く使用されている。撮像装置として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型固体撮像素子、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型固体撮像素子等が例示される。

特許文献１，２，３および４には、撮像装置の例が記載されている。

特開２０１０－１２９７０５号公報 特開２００８－２８５１６号公報 特開２０１４－７８８７０号公報 特開２００１－１７７０８４号公報

本開示は、ノイズの抑制に適した技術を提供する。

本開示は、
光を信号電荷に変換する光電変換部と、
前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
を備え、
前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含む、撮像装置を提供する。

本開示は、ノイズの抑制に適した技術を提供する。

図１は、典型的な撮像装置の画素回路を示す模式図である。 図２は、典型的な撮像装置の画素回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図３は、実施形態に係る撮像装置の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図４は、実施形態に係る撮像装置の画素の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図５Ａは光電変換部の構成例を示す模式図である。 図５Ｂは光電変換部の構成例を示す模式図である。 図６は、第１の実施形態に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図７は、変形例に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図８は、変形例に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図９は、変形例に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図１０は、第２の実施形態に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図１１は、第３の実施形態に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図１２は、第４の実施形態に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図１３は、列増幅部および入力切り替え回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図１４は、第５の実施形態に係る読み出し回路の、例示的な回路構成を示す模式図である。 図１５は、カメラシステムの、例示的な回路構成を示す模式図である。

（本開示の基礎となった知見）
近年、撮像装置として、ＣＭＯＳ型固体撮像素子が用いられることがある。ＣＭＯＳ型固体撮像素子には、以下の利点がある。

第１に、ＣＭＯＳ型固体撮像素子は、汎用のＣＭＯＳプロセスで製造できる。このため、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造に、既存の設備を利用できる。既存の設備を利用できることは、安定供給の観点から有利である。

第２に、ＣＭＯＳ型固体撮像素子では、画素と周辺回路とを同一チップ内に混在させることができる。このため、ＣＭＯＳ型固体撮像素子では、信号を高速に読み出すことができる。このことは、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の動作速度と解像度とを高いレベルで両立させることを可能にする。

ＣＭＯＳ型固体撮像素子では、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）技術が用いられることがある。ＣＤＳ技術の一例が、特許文献１に記載されている。以下、特許文献１のＣＤＳ技術について、図１および図２を参照しつつ説明する。

図１は、特許文献１の画素回路を示す。この画素回路は、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）部と、ＴＸトランジスタと、ＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）部と、ＡＭＰトランジスタと、ＳＥＬトランジスタと、ＲＥＳトランジスタと、を含む。特許文献１では、ＰＤ部は、フォトダイオードである。

ＰＤ部は、光信号を検出し、検出に応じた信号電荷を生成する。ＴＸトランジスタは、ＰＤ部からＦＤ部に信号電荷を転送する。ＦＤ部は、信号電荷を一時的に保持する。ＡＭＰトランジスタは、信号電荷の量に応じたＦＤ部の信号電圧を増幅する。ＳＥＬトランジスタは、増幅された信号電圧を出力する。ＲＥＳトランジスタは、ＦＤ部の信号電圧をリセットする。

ＴＸトランジスタは、制御信号φＴＸによって制御される。ＳＥＬトランジスタは、制御信号φＳＥＬによって制御される。ＲＥＳトランジスタは、制御信号φＲＳＴによって制御される。

図２は、図１の画素回路の動作の示すタイミングチャートである。

時刻ｔ１において、φＲＳＴをローレベルにする。これにより、ＲＥＳトランジスタがオフとなる。

次に、時刻ｔ２において、φＳＥＬをハイレベルにする。これにより、ＳＥＬトランジスタがオンとなり、リセット電圧が出力される。出力されるリセット電圧は、ｋＴＣノイズを含むため、ｋＴＣノイズに基づく時間的な揺らぎを有する。なお、ｋＴＣノイズは、リセットノイズとも呼ばれる。

次に、時刻ｔ３において、φＴＸをハイレベルにする。これにより、ＴＸトランジスタがオンとなる。これにより、ＰＤ部に蓄積された信号電荷がＦＤ部へと転送される。

次に、時刻ｔ４において、φＴＸをローレベルにする。これにより、ＴＸトランジスタがオフとなる。これにより、信号電圧が確定される。

確定された信号電圧は、リセット電圧を基準として、蓄積された信号電荷の量に応じた電圧だけ変化した電圧である。このため、後段回路においてリセット電圧と信号電圧の差分をとることにより、ｋＴＣノイズをキャンセルし、蓄積された信号電荷に応じた信号電圧だけを検出できる。

このように、ＣＤＳによれば、画素部をリセットする際に発生するｋＴＣノイズを大きく抑制できる。ＣＭＯＳ型固体撮像素子には、そのようなＣＤＳを実行できるという利点がある。

しかしながら、上述のＣＤＳ技術においては、光信号を検出するＰＤ部において発生した信号電荷の全てをＦＤ部に転送する。これを完全転送と称する。完全転送を実現可能な撮像装置は、その製造プロセスが複雑となり易く、製造コストが増加し易い。

また、最近では、グローバルシャッタを実現可能な画素を有する固体撮像素子が提案されている。そのような固体撮像素子は、高速で動作する物体を、歪むことなく撮像し得る。特許文献２には、そのような固体撮像素子の一例が記載されている。

特許文献２の固体撮像素子においては、全画素のＰＤ部の信号電荷を一括してＦＤ部に転送し、その後、行ごとに信号電圧を順次読み出す。一方、ＣＤＳ技術では、ＦＤ部の信号電圧を読み出す前にリセット電圧を読み出す。このため、特許文献２の固体撮像素子には、ＣＤＳ技術を適用することは難しい。

このため、特許文献２の固体撮像素子にリセット電圧と信号電圧の差分を取る技術を適用する場合、まずＦＤ部の信号電圧を読み出し、その後ＦＤ部をリセットしてリセット電圧の読み出しを行うことになる。しかし、そのようにした場合、信号電圧に含まれるリセットノイズとリセット電圧に含まれるリセットノイズには相関がない。このため、リセットノイズを除去することは困難である。このため、そのようにした場合、ＣＤＳ技術を用いた読み出しに比べて、ランダムノイズが大きくなり易い。

最近では、ＰＤ部に有機光電変換膜を用いた有機ＣＭＯＳセンサが提案されている。特許文献３に、有機ＣＭＯＳセンサの一例が記載されている。有機ＣＭＯＳセンサは、画素数の増加に伴って一画素あたりの面積が縮小しＰＤ部の面積が減少することにより感度が低下するという問題を解決し得る。

典型的な有機ＣＭＯＳセンサでは、受光部である有機光電変換膜は、読み出し回路の上方に設けられる。このようにすれば、画素サイズが縮小しても受光部の面積を大きく取ることが可能となり、高感度を実現できる。

典型的な有機ＣＭＯＳセンサでは、ＰＤ部と半導体層とを含む積層構造が構成されており、ＰＤ部と半導体層とが金属配線により電気的に接続されている。この積層構造では、信号電荷を完全転送することは難しい。そこで、典型的な有機ＣＭＯＳセンサでは、ＰＤ部とＦＤ部とが電気的に接続され、ＰＤ部に蓄積された信号電荷が読み出される。これにより、不完全転送ノイズや残像が発生し難くなる。

一具体例では、露光中に、ＦＤ部に信号電荷が蓄積され、この蓄積の程度に応じてＦＤ部の電圧が変化する。信号電荷が蓄積された状態にあるＦＤ部の電圧を、信号電圧として読み出す。次に、ＦＤ部をリセットし、リセットされた状態にあるＦＤ部の電圧を、リセット電圧として読み出す。次に、信号電圧とリセット電圧の差分が取得される。

しかし、信号電圧に含まれるリセットノイズとリセット電圧に含まれるリセットノイズには相関がない。このため、リセットノイズを除去することができない。このため、上記の具体例では、ＣＤＳ技術を用いた読み出しに比べて、ランダムノイズが大きくなり易い。

このように、ＣＤＳ技術は、リセットノイズ抑制に有効な技術ではある。しかし、ＣＤＳ技術は、製造プロセスの複雑化およびこれに伴う製造コストの増加をもたらす。また、ＣＤＳ技術を有機ＣＭＯＳセンサに適用することは難しい。

以上の説明から理解されるように、ＣＤＳ技術を用いなくてもノイズを抑制できる技術には、採用の価値がある。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る撮像装置は、
光を信号電荷に変換する光電変換部と、
前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
を備え、
前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含む。

第１態様に係る技術は、ノイズの抑制に適している。具体的には、第１態様によれば、ＣＤＳ技術を用いなくてもノイズを抑制できる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る撮像装置では、
前記ゲート接地増幅回路は、第１期間において電圧利得が１よりも大きくてもよい。

第２態様のゲート接地増幅回路は、ゲート接地増幅回路の例である。

本開示の第３態様において、例えば、第１態様に係る撮像装置は、
前記ゲート接地増幅回路は、
第１期間において電圧利得が１よりも大きくてもよく、
第２期間において電圧利得が０以上１以下であってもよい。

第３態様のゲート接地増幅回路は、ゲート接地増幅回路の例である。

本開示の第４態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
前記第１トランジスタのソースおよびドレインの他方に接続され、互いに異なる少なくとも２種類の電圧を選択的に出力する第１電圧供給回路と、
前記第２トランジスタのゲートに接続され、互いに異なる少なくとも３種類の電圧を選択的に出力する第２電圧供給回路と、
を備えていてもよい。

第４態様は、撮像装置の制御の自由度を高める観点から有利である。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る撮像装置では、
前記第２電圧供給回路が出力する前記少なくとも３種類の電圧は、前記第２トランジスタを飽和領域で動作させる電圧を含んでいてもよい。

第５態様は、ゲート接地増幅回路に増幅作用を発揮させるのに適している。

本開示の第６態様において、例えば、第１から第５態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
第１電流源および第２電流源を含み、前記第１電流源および前記第２電流源のいずれか一方を前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に選択的に接続させる電流源部を備えていてもよい。

第６態様によれば、ゲート接地増幅回路を実現し得る。

本開示の第７態様において、例えば、第１から第５態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記一方と前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記一方との間のノードに、スイッチング素子を介さずに接続される電流源を備えていてもよい。

第７態様によれば、高速なノイズキャンセルを行い易い。

本開示の第８態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続されるように構成された第１電流源と、
前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続されるように構成された第２電流源と、を備えていてもよく、
前記第１電流源および前記第２電流源のいずれか一方が前記第１トランジスタに電気的に接続されるように構成されており、
前記第１電流源が前記第１トランジスタに電気的に接続された状態において前記第１トランジスタに流れる電流の方向は、前記第２電流源が前記第１トランジスタに電気的に接続された状態において前記第１トランジスタに流れる電流の方向と同じであってもよい。

第８態様によれば、第１のトランジスタを流れる電流の向きが逆になることに起因する不具合を回避できる。

本開示の第９態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有し、前記第１入力端子が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続され、前記出力端子が前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続された差動増幅回路と、
前記第２入力端子に接続され、互いに異なる少なくとも２種類の電圧を選択的に出力する第１電圧供給回路と、前記第２トランジスタのゲートに接続され、互いに異なる少なくとも３種類の電圧を選択的に出力する第２電圧供給回路と、
を備えていてもよい。

第９態様によれば、差動増幅回路に入力された信号を差動増幅できる。

本開示の第１０態様において、例えば、第９態様に係る撮像装置では、
前記第２電圧供給回路が出力する前記少なくとも３種類の電圧は、前記第２トランジスタを飽和領域で動作させる電圧を含んでいてもよい。

第１０態様は、ゲート接地増幅回路に増幅作用を発揮させるのに適している。

本開示の第１１態様において、例えば、第１から第１０態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
第１端子および第２端子を有し、前記第１端子が前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続された第１容量素子と、
第３端子および第４端子を有し、前記第３端子が前記電荷蓄積部に接続され、前記第４端子が前記第１端子に接続された第２容量素子と、を備えていてもよい。

第１１態様は、リセットノイズの抑制に適している。

本開示の第１２態様において、例えば、第１１態様に係る撮像装置では、
前記第１容量素子の容量は、前記第２容量素子の容量よりも大きくてもよい。

第１２態様は、リセットノイズの抑制に適している。

本開示の第１３態様において、例えば、第１１態様または第１２態様に係る撮像装置は、
前記第２端子に接続され、経時的に変化する電圧を出力する第３電圧供給回路を備えていてもよい。

第１３態様によれば、ゲート接地増幅回路を実現し得る。

本開示の第１４態様において、例えば、第１１から第１３態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
ソースおよびドレインの一方が前記第３端子に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記第４端子に接続された第３トランジスタを備えていてもよい。

第１４態様によれば、電荷蓄積部の電位をリセットできる。

本開示の第１５態様において、例えば、第１から第１２態様のいずれか１つに係る撮像装置は、
ソースおよびドレインの一方が、前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続されたバイアストランジスタと、
前記バイアストランジスタのソースおよびドレインの他方に接続されたバイアス電圧源と、を備えていてもよい。

第１５態様によれば、ゲート接地増幅回路を実現し得る。

以下の実施形態では、「光電変換部」および「電荷蓄積部」という用語を用いることがある。光電変換部は、光電変換により、光を信号電荷に変換する。電荷蓄積部は、第１トランジスタの出力に寄与する信号電荷が蓄積される構成を指す。第１トランジスタは、図６等の増幅トランジスタ２００に対応する。以下の実施形態では、電荷蓄積部をＦＤ部と称することがある。

後述するように、一例に係る撮像装置では、光電変換部は有機膜を含み、光電変換部と半導体層とを含む積層構造が構成され、光電変換部と半導体層とが金属配線で電気的に接続されている。そのような積層構造の撮像装置において、電荷蓄積部は、光電変換部による光電変換により生成された信号電荷が蓄積される構成の全部または実質的に全部を指し得る。

別例に係る撮像装置では、光電変換部はフォトダイオードであり、光電変換部において発生した信号電荷の完全転送が行われ、その転送先が電荷蓄積部と定義される。そのような撮像装置において、電荷蓄積部は、光電変換部による光電変換により生成された信号電荷が蓄積される構成の一部を指し得る。

電荷蓄積部が光電変換部による光電変換により生成された信号電荷が蓄積される構成の全部を指すのかそれとも一部を指すのかが、光電変換部の構成により必ずしも定まるわけではない。従って、電荷蓄積部の定義に関しては、上記の記述に限定されるものではない。

以下の実施形態では、「電荷蓄積部（ＦＤ部）は要素Ｘに接続されている」、「電荷蓄積部は要素Ｘによって要素Ｙと接続されている」等という表現を用いることがある。具体的には、以下の実施形態では、慣例に従い、電荷蓄積部が要素Ｘの一部または全部を含んでいる場合であっても、上記の表現を用いることがある。このため、上記の表現は、電荷蓄積部が要素Ｘの一部または全部を含んでいる場合を包含する表現と解釈するべきである。

また、以下の実施形態では、「電荷蓄積部と、要素Ｘと、を有する」等のように、電荷蓄積部と他の要素とを列記することがある。具体的には、以下の実施形態では、慣例に従い、電荷蓄積部が要素Ｘの一部または全部を含んでいる場合であっても、そのような列記を行うことがある。このような列記がなされている状況において、電荷蓄積部が要素Ｘの一部または全部を含んでいることは許容されるべきである。

例えば、以下の実施形態では、光電変換部１の下部電極１ｂは、電荷蓄積部の一部であり得る。配線層は、電荷蓄積部の一部であり得る。増幅トランジスタ２００のゲートは、電荷蓄積部の一部であり得る。フィードバック容量素子３２０は、電荷蓄積部の一部であり得る。

以下の実施形態では、光電変換部が生成し電荷蓄積部に蓄積される信号電荷が正孔であるものとして、説明を行う。ただし、信号電荷は、電子であってもよい。その場合、各用語は適宜読み替えられ得る。

以下の実施形態では、「ソース接地増幅回路」および「ゲート接地増幅回路」という用語を用いることがある。以下の実施形態では、慣例に従い、「ソース接地増幅回路」を、ソースが接地される増幅回路のみならず、ソースに非ゼロの電圧が印加される増幅回路を包含する概念と扱うこととする。同様に、「ゲート接地増幅回路」を、ゲートが接地される増幅回路のみならず、ゲートに非ゼロの電圧が印加される増幅回路を包含する概念と扱うこととする。

以下の実施形態では、第１、第２、第３・・・という序数詞を用いることがある。ある要素に序数詞が付されている場合に、より若番の同種類の要素が存在することは必須ではない。必要に応じて序数詞の番号を変更することができる。

また、以下の実施形態において、ある素子が他の素子に「接続されている」と表現されている場合は、これらの素子の間には第３の素子が介在していてもよい。ある素子が他の素子に「直接的に接続されている」と表現されている場合は、これらの素子の間には第３の素子が介在しないことを意味する。さらに、ある素子が他の素子に「電気的に接続されている」と表現されている場合は、これらの素子が常に電気的に接続されている必要はなく、少なくともある時点において電気的に接続されることを意味する。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示について、以下の実施形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本開示がこれらの実施形態に限定されることを意図しない。以下の開示は、適宜変更可能である。

また、一の実施形態と他の実施形態とを組み合わせることも可能である。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。

はじめに、図３から図５Ｂを参照して、本実施形態による撮像装置１００の構造を説明する。

（撮像装置１００の構造）
まず、図３を参照しながら、撮像装置１００の構造を説明する。

図３は、本実施形態による撮像装置１００の例示的な回路構成を模式的に示す。撮像装置１００は、一例として積層型の撮像素子であり、半導体基板に積層された光電変換部を有している。撮像装置１００は、複数の画素１１０Ａと周辺回路とを備える。

複数の画素１１０Ａを２次元に配列することにより、感光領域が形成されている。なお、感光領域は、画素領域とも称され得る。複数の画素１１０Ａは、１次元に配列されていてもよい。その場合、撮像装置１００は、ラインセンサであり得る。

図示する例では、複数の画素１１０Ａは、行方向および列方向に配列されている。このようにして、複数の画素１１０Ａは、画素アレイを構成している。本明細書において、行方向および列方向とは、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。垂直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。図３において、上下方向が列方向であり、左右方向が行方向である。

画素１１０Ａの各々は、電源配線１２０に接続されている。各画素１１０Ａには、電源配線１２０を介して所定の電源電圧が供給される。撮像装置１００は、入射光を光電変換する光電変換部を有する。この光電変換部の全体に、蓄積制御線１３０を介して、同一の一定電圧が供給される。但し、変動を抑制する等の制御を行う場合には、光電変換部をいくつかの領域に分けて、それぞれの領域に対して異なる電圧を供給してもよい。画素１１０Ａの詳細な説明は後述する。なお、上記の「電圧が供給される」の文脈において、典型例では、「電圧」の基準は、撮像装置のグランド電位である。

周辺回路は、垂直走査回路１４１と、カラム信号処理回路１４２と、水平信号読み出し回路１４３と、電流源部１４４とを含む。カラム信号処理回路１４２および電流源部１４４は、２次元に配列された画素１１０Ａの列毎に配置され得る。なお、垂直走査回路１４１は、行走査回路１４１とも称され得る。カラム信号処理回路１４２は、行信号蓄積回路１４２とも称され得る。水平信号読み出し回路１４３は、列走査回路とも称され得る。

以下、周辺回路の構成の一例を説明する。

垂直走査回路１４１は、選択制御信号線ＣＯＮ５００および増幅制御信号線ＣＯＮ３００に接続されている。垂直走査回路１４１は、選択制御信号線ＣＯＮ５００に所定の電圧を印加することにより、各行に配置された複数の画素１１０Ａを行単位で選択する。これにより、選択された画素１１０Ａの信号電圧の読み出しと、後述する画素電極のリセットとが実行される。選択制御信号線ＣＯＮ５００は、アドレス信号線ＣＯＮ５００とも称され得る。

各列に配置された画素１１０Ａは、各列に対応した垂直信号線１７０を介してカラム信号処理回路１４２に電気的に接続されている。カラム信号処理回路１４２は、ノイズ抑制処理およびアナログ－デジタル変換等を行う。画素１１０Ａの列に対応して設けられた複数のカラム信号処理回路１４２には、水平信号読み出し回路１４３が電気的に接続されている。水平信号読み出し回路１４３は、複数のカラム信号処理回路１４２から水平共通信号線１８０に信号を順次読み出す。なお、以下では、アナログ－デジタル変換を、ＡＤ変換と称することがある。

次に、図４から図５Ｂを参照して、画素１１０Ａの構造を詳細に説明する。

図４は、本実施形態による撮像装置１００内の画素１１０Ａの例示的な回路構成を模式的に示す。画素１１０Ａは、光電変換部１、増幅部２、フィードバック制御部３、ＦＤ部および出力選択部５を備えている。光電変換部１は、光を信号電荷に変換する。ＦＤ部は、信号電荷を蓄積する。

増幅部２、フィードバック制御部３、ＦＤ部および出力選択部５を含む読み出し回路が形成されている。光電変換部１は、光を信号電荷に変換する。読み出し回路は、光電変換部１が生成した信号電荷を読み出す。

図５Ａおよび５Ｂは、光電変換部１の構成例をそれぞれ示している。

光電変換部１は、例えば、図５Ａに示されるように、上部電極１ａ、下部電極１ｂ、およびこれらに挟まれた有機光電変換膜１Ａから構成されていてもよい。上部電極１ａに基準電圧Ｖｐを印加し、ＦＤ部の一端を下部電極１ｂに接続することにより、光電変換部１が生成した信号電荷は、ＦＤ部に蓄積される。下部電極１ｂは、画素電極とも称され得る。上部電極１ａは、対向電極とも称され得る。

図５Ｂに示されるように、光電変換部１として、フォトダイオード１Ｂを用いてもよい。フォトダイオード１Ｂの一端にグランド電圧または基準電圧Ｖｐを印加し、ＦＤ部の一端をフォトダイオード１Ｂの他の一端に接続することにより、光電変換部１が生成した信号電荷は、ＦＤ部に蓄積される。

光電変換部１は、光電変換機能を有するその他の素子であってもよい。

再び図４を参照する。ＦＤ部は、配線層によって光電変換部１と接続されている。ＦＤ部は、光電変換部１によって生成された信号電荷を蓄積する。ＦＤ部は、増幅部２の入力にさらに接続されている。増幅部２は、ＦＤ部に蓄積された信号電荷に応じた信号を増幅し、フィードバック制御部３および出力選択部５に出力する。

増幅部２およびフィードバック制御部３は、ＦＤ部を介して循環経路３０を形成する。循環経路３０において、ＦＤ部から読み出された信号は、増幅部２およびフィードバック制御部３を通って、ＦＤ部に帰還され得る。具体的には、この帰還において、信号は、増幅部２およびフィードバック制御部３によって増幅され得る。

出力選択部５は、信号読み出しライン７に接続されている。信号読み出しライン７は、少なくとも２つの画素で共用されている。増幅部２によって増幅された信号は、出力選択部５を介して信号読み出しライン７に出力される。信号読み出しライン７は、出力選択部５を電流源部６に接続している。信号読み出しライン７は、図３に示される垂直信号線１７０に対応する。電流源部６は、図３に示される電流源部１４４に対応する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る撮像装置は、複数の画素を有する。各々の画素は、光を信号電荷に変換する光電変換部１と、生成した信号電荷を読み出す信号読み出し回路と、を含む。後述するように、第１の実施形態では、可変電圧源３３０が用いられる。可変電圧源の具体例は、ＲＡＭＰ電源回路である。詳細は後述するが、可変電圧源３３０は、ゲート接地増幅回路の実現に用いられる。

次に、図６を参照しながら、第１の実施形態の信号読み出し回路およびその制御回路について、詳細に説明する。

第１の実施形態の信号読み出し回路は、電荷蓄積部と、増幅トランジスタ２００と、選択トランジスタ５００と、フィードバックトランジスタ３００と、リセットトランジスタ４００と、ノイズ保持部と、信号中間部と、ノイズ保持容量素子３１０と、フィードバック容量素子３２０と、を有する。

先に説明したとおり、電荷蓄積部を、ＦＤ部と称することができる。また、増幅トランジスタ２００を、第１トランジスタ２００と称することができる。フィードバックトランジスタ３００を、第２トランジスタ３００と称することができる。リセットトランジスタ４００を、第３トランジスタ４００と称することができる。ノイズ保持部を、ＲＤ部と称することができる。ノイズ保持部はまた、分岐部ＲＤと称することができる。信号中間部を、ＭＤ部と称することができる。ノイズ保持容量素子３１０を、第１容量素子３１０と称することができる。フィードバック容量素子３２０を、第２容量素子３２０と称することができる。

ＦＤ部は、光電変換部１に接続されている。ＦＤ部は、光電変換部１での光電変換により生成した信号電荷を蓄積する。また、ＦＤ部は、増幅トランジスタ２００のゲートに接続されている。

増幅トランジスタ２００のドレインまたはソースは、ＭＤ部に接続されている。ＭＤ部は、フィードバックトランジスタ３００のドレインまたはソースに接続されている。また、ＭＤ部は、選択トランジスタ５００のソースまたはドレインに接続されている。

選択トランジスタ５００は、増幅トランジスタ２００の出力を、画素の外部に選択的に出力する。選択トランジスタ５００のドレインまたはソースは、信号読み出しライン７に接続されている。信号読み出しライン７は、少なくとも２つの画素によって共用されている。

ＲＤ部は、フィードバックトランジスタ３００のソースまたはドレインに接続されている。また、ＲＤ部は、ノイズ保持容量素子３１０の一端に接続されている。

ノイズ保持容量素子３１０の他端には、可変電圧源３３０が接続されている。可変電圧源３３０は、画素の内部に配置されていてもよく、画素の外部に配置されていてもよい。可変電圧源３３０を画素の外部に配置することは、画素の面積を小さくする観点から有利である。具体的には、本実施形態では、可変電圧源３３０は、ＲＡＭＰ電源回路である。

ＲＤ部とＦＤ部の間には、フィードバック容量素子３２０が挿入されている。また、ＲＤ部とＦＤ部の間には、リセットトランジスタ４００が挿入されている。フィードバック容量素子３２０およびリセットトランジスタ４００は、ＲＤ部とＦＤ部の間で、互いに並列に配置されている。

図６の例では、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、ＦＤ部とは、この順に接続されている。図６の例では、循環経路３０が設けられていると言える。循環経路３０は、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、ＦＤ部とを、この順に接続している。

具体的には、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、フィードバック容量素子３２０と、ＦＤ部とは、この順に接続されている。循環経路３０は、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、フィードバック容量素子３２０と、ＦＤ部とを、この順に接続している。

また、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、ＲＤ部と、ＦＤ部とは、この順に接続されている。循環経路３０は、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、ＲＤ部と、ＦＤ部とを、この順に接続している。

より具体的には、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、ＲＤ部と、フィードバック容量素子３２０と、ＦＤ部とは、この順に接続されている。循環経路３０は、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、ＲＤ部と、フィードバック容量素子３２０と、ＦＤ部とを、この順に接続している。

撮像装置は、ゲート接地増幅回路を備える。ゲート接地増幅回路は、増幅トランジスタ２００の出力を増幅してＦＤ部に出力する。ゲート接地増幅回路は、フィードバックトランジスタ３００を含む。フィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの一方は、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインの一方に接続されている。フィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの他方は、ＦＤ部に接続されている。

ゲート接地増幅回路は、第１期間において電圧利得が１よりも大きい値であり得る。また、ゲート接地増幅回路は、第１期間において電圧利得が１よりも大きく、第２期間において電圧利得が０以上１以下であり得る。ゲート接地増幅回路は、非反転増幅回路であり得る。

なお、「撮像装置がゲート接地増幅回路を備える」という表現は、ゲート接地増幅回路がその増幅作用を常に発揮している状態にあることのみを指していると解釈するべきではない。この表現は、ある期間においてゲート接地増幅回路がその増幅作用を発揮し、別の期間においてゲート接地増幅回路がその増幅作用を発揮しない形態を包含すると解釈するべきである。このため、「撮像装置がゲート接地増幅回路を備える」は、「撮像装置の動作モードが、増幅作用を発揮している状態にあるゲート接地増幅回路が実現されるモードを含む」に言い換え可能である。

図６の例では、ノイズ保持容量素子３１０は、第１端子および第２端子を有している。第１端子は、フィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの他方に接続されている。フィードバック容量素子３２０は、第３端子および第４端子を有している。第３端子は、ＦＤ部に接続されている。第４端子は、第１端子に接続されている。本実施形態では、ノイズ保持容量素子３１０の容量は、フィードバック容量素子３２０の容量よりも大きい。これらの特徴は、リセットノイズを抑制するのに寄与し得る。

撮像装置において上記の接続がなされているため、ＦＤ部の信号の帰還を行うことができる。具体的には、ＦＤ部の信号は、増幅トランジスタ２００と、フィードバックトランジスタ３００と、フィードバック容量素子３２０と、をこの順に通って、ＦＤ部に帰還され得る。より具体的には、この帰還は、負帰還である。

フィードバックトランジスタ３００のゲートには、増幅制御信号線ＣＯＮ３００が接続されている。増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位により、フィードバックトランジスタ３００の状態が決定される。本実施形態では、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位は、少なくとも３種類に変更される。

本実施形態では、撮像装置は、フィードバックトランジスタ３００のゲートに接続され、互いに異なる少なくとも３種類の電圧を選択的に出力する第２電圧供給回路を備える。上述の説明から理解されるように、この出力は、増幅制御信号線ＣＯＮ３００を介して行われる。ゲートに供給される上記少なくとも３種類の電圧は、増幅制御信号線ＣＯＮ３００に印加される上記少なくとも３種類の電位に対応する。図３に示す例では、第２電圧供給回路は、垂直走査回路１４１に含まれている。

本実施形態では、増幅制御信号線ＣＯＮ３００に印加される上記少なくとも３種類の電位は、フィードバックトランジスタ３００を飽和領域で動作させる電位を含む。つまり、第２電圧供給回路が出力する少なくとも３種類の電圧は、フィードバックトランジスタ３００を飽和領域で動作させる電圧を含む。

本実施形態では、具体的には、増幅制御信号線ＣＯＮ３００に印加される上記少なくとも３種類の電位は、ハイレベル電位と、ローレベル電位と、中間電位と、を含む。ハイレベル電位は、ローレベル電位よりも大きい。中間電位は、ローレベル電位よりも大きくハイレベル電位よりも小さい。フィードバックトランジスタ３００のゲートに供給される上記少なくとも３種類の電圧は、ハイレベル電圧と、ローレベル電圧と、中間電圧と、を含む。ハイレベル電圧は、ローレベル電圧よりも大きい。中間電圧は、ローレベル電圧よりも大きくハイレベル電圧よりも小さい。ハイレベル電位は、ハイレベル電圧に対応する。ローレベル電位は、ローレベル電圧に対応する。中間電位は、中間電圧に対応する。

例えば、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位がローレベル電位である期間において、フィードバックトランジスタ３００は、オフである。この期間では、上述したＦＤ部の信号の帰還は行われない。

増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位が中間電位である期間において、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作する。この期間では、フィードバックトランジスタ３００のソース・ドレイン間に抵抗成分が現れる。この抵抗成分は適度な大きさを有する。従って、この期間では、ＦＤ部の信号の帰還を行いつつ、ＲＤ部とＭＤ部との間に電位差を生じさせることができる。後述の説明から理解されるように、この状況においては、ゲート接地増幅回路が増幅作用を発揮し得る。

増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位がハイレベル電位である期間において、フィードバックトランジスタ３００は、オンである。この期間では、上述したＦＤ部の信号の帰還が行われる。ただし、この期間では、フィードバックトランジスタ３００がオンであるためＲＤ部とＭＤ部の電位は等しく、ゲート接地増幅回路は増幅作用を発揮しない。

選択トランジスタ５００のゲートには、選択制御信号線ＣＯＮ５００に接続されている。選択制御信号線ＣＯＮ５００の電位により、選択トランジスタ５００の状態が決定される。

本実施形態では、選択制御信号線ＣＯＮ５００の電位は、ハイレベル電位またはローレベル電位に設定され得る。ハイレベル電位は、ローレベル電位よりも大きい。つまり、選択トランジスタ５００のゲートには、ハイレベル電圧またはローレベル電圧が供給され得る。ハイレベル電圧は、ローレベル電圧よりも大きい。ハイレベル電位は、ハイレベル電圧に対応する。ローレベル電位は、ローレベル電圧に対応する。

例えば、選択制御信号線ＣＯＮ５００の電位がハイレベル電位である期間において、選択トランジスタ５００はオンである。この期間において、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７は電気的に接続される。

選択制御信号線ＣＯＮ５００の電位がローレベル電位である期間において、選択トランジスタ５００はオフである。この期間において、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７とは電気的に分離される。

本実施形態では、撮像装置は、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方に接続され、互いに異なる少なくとも２種類の電圧を選択的に出力する第１電圧供給回路を備える。

図６の例では、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、切り替え回路２２が接続されている。切り替え回路２２は、スイッチ素子２２０，２２１および２２２と、電圧源２２３，２２４および２２５と、を有する。図６の例では、第１電圧供給回路は、切り替え回路２２に対応する。

電圧源２２３は、基準電位ＶＡ１を出力する。電圧源２２４は、基準電位ＶＡ２を出力する。電圧源２２５は、制御電位ＶＢ１を出力する。基準電位ＶＡ２は基準電位ＶＡ１よりも大きく、制御電位ＶＢ１は基準電位ＶＡ２よりも大きい。つまり、ＶＡ１＜ＶＡ２＜ＶＢ１の大小関係が成立する。基準電位ＶＡ１は、例えば、グランド電位ＧＮＤである。制御電位ＶＢ１は、例えば、電源電位ＶＤＤである。

増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、スイッチ素子２２０を介して電圧源２２３が接続され得る。増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、スイッチ素子２２１を介して電圧源２２４が接続され得る。増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、スイッチ素子２２２を介して電圧源２２５が接続され得る。

スイッチ素子２２０には、素子制御信号線ＣＯＮ２２０が接続されている。スイッチ素子２２１には、素子制御信号線ＣＯＮ２２１が接続されている。スイッチ素子２２２には、素子制御信号線ＣＯＮ２２２が接続されている。本実施形態では、撮像装置は、複数の（図示の例では３つの）スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ２２０，ＣＯＮ２２１およびＣＯＮ２２２の電位を調整することによって、複数の（図示の例では３つの）スイッチ素子２２０，２２１および２２２から選択される１つのスイッチ素子をオンにし、他のスイッチ素子をオフにする。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインの電位を、複数の（図示の例では３つの）電位ＶＡ１，ＶＡ２およびＶＢ１のいずれかに設定する。

一例では、切り替え回路２２は、画素ごとに設けられている。別例では、切り替え回路２２は、複数の画素で共用されている。この別例によれば、１画素あたりの素子数を削減できる。

図６の例では、信号読み出しライン７には、電流源部６が接続されている。電流源部６は、スイッチ素子６１０および６１１と、電流源６００および６０１と、を有する。電流源部６は、第１電流源６００および第２電流源６０１のいずれか一方をフィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの一方に選択的に接続させる。

電流源６００は、電流源６００から信号読み出しライン７に向かって流れる電流を生成する。電流源６０１は、信号読み出しライン７から電流源６０１に向かって流れる電流を生成する。

信号読み出しライン７には、スイッチ素子６１０を介して電流源６００が接続され得る。信号読み出しライン７には、スイッチ素子６１１を介して電流源６０１が接続され得る。

スイッチ素子６１０には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ６１０が接続されている。スイッチ素子６１１には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ６１１が接続されている。本実施形態では、撮像装置は、複数の（図示の例では２つの）スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ６１０およびＣＯＮ６１１の電位を調整することによって、複数の（図示の例では２つの）スイッチ素子６１０および６１１から選択される１つのスイッチ素子をオンにし、他のスイッチ素子をオフにする。これにより、複数の（図示の例では２つの）電流源６００および６０１のいずれを信号読み出しライン７に接続するかを切り替え可能である。

本実施形態の撮像装置では、増幅回路２０Ａが設けられている。増幅回路２０Ａは、切り替え回路２２、増幅トランジスタ２００、選択トランジスタ５００、信号読み出しライン７および電流源部６を含む。

電流源部６と切り替え回路２２のスイッチ素子の制御を連動させることが可能である。例えば、以下の第１接続状態と第２接続状態とが切り替わるように、上記スイッチ素子の制御を連動させることが可能である。

第１接続状態では、切り替え回路２２の複数のスイッチ素子２２０，２２１および２２２のうち、スイッチ素子２２０または２２１がオンであり、他のスイッチ素子がオフである。また、第１接続状態では、電流源部６のスイッチ素子６１０がオンであり、スイッチ素子６１１がオフである。このため、第１接続状態では、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインに電圧源２２３または２２４が接続されることにより増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインの電位は電位ＶＡ１またはＶＡ２に設定され、電流源６００が信号読み出しライン７に接続される。このような第１接続状態によれば、増幅回路２０Ａを、電圧増幅率が高いソース接地増幅回路として動作させることができる。

第２接続状態では、切り替え回路２２の複数のスイッチ素子２２０，２２１および２２２のうち、スイッチ素子２２２がオンであり、他のスイッチ素子がオフである。また、第２接続状態では、電流源部６のスイッチ素子６１１がオンであり、スイッチ素子６１０がオフである。このため、第２接続状態では、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインに電圧源２２５が接続されることにより増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインの電位は電位ＶＢ１に設定され、電流源６０１が信号読み出しライン７に接続される。このような第２接続状態によれば、増幅回路２０Ａを、電圧増幅率がほぼ１であるソースフォロア回路として動作させることができる。

図６の例について、以下のように言える。この例に係る撮像装置では、第１電圧供給源と、第２電圧供給源と、第１電流供給源と、第２電流供給源と、が設けられている。第１接続状態において、第１電流供給源、増幅トランジスタ２００および第１電圧供給源がこの順に接続され、かつ、第１電流供給源から増幅トランジスタ２００を介して第１電圧供給源へと電流を流す向きに第１電流供給源が配置される。第２接続状態において、第２電圧供給源、増幅トランジスタ２００および第２電流供給源がこの順に接続され、かつ、第２電圧供給源から増幅トランジスタ２００を介して第２電流供給源へと電流を流す向きに第２電流供給源が配置される。

図６の例において、電流源６００が、第１電流供給源に対応する。電圧源２２３または２２４が、第１電圧供給源に対応する。電流源６０１が、第２電流供給源に対応する。電圧源２２５が、第２電圧供給源に対応する。

第１接続状態において、増幅回路２０Ａは、ソース接地増幅回路として動作し得る。第２接続状態において、増幅回路２０Ａは、ソースフォロア回路として動作し得る。このように、図６の例では、増幅回路がソース接地増幅回路として動作するモードと増幅回路がソースフォロア回路として動作するモードを切り替えることができる。この切り替えにより、増幅回路の電圧増幅率を切り替えることができる。

リセットトランジスタ４００は、ＦＤ部の電位をリセットする。図６の例では、リセットトランジスタ４００のソースおよびドレインの一方は、フィードバック容量素子３２０の第３端子に接続されている。リセットトランジスタ４００のソースおよびドレインの他方は、フィードバック容量素子３２０の第４端子に接続されている。

リセットトランジスタ４００のゲートには、リセット制御信号線ＣＯＮ４００が接続されている。リセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位により、リセットトランジスタ４００の状態が決定される。

本実施形態では、リセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位は、ハイレベル電位またはローレベル電位に設定され得る。ハイレベル電位は、ローレベル電位よりも大きい。つまり、リセットトランジスタ４００のゲートには、ハイレベル電圧またはローレベル電圧が供給され得る。ハイレベル電圧は、ローレベル電圧よりも大きい。ハイレベル電位は、ハイレベル電圧に対応する。ローレベル電位は、ローレベル電圧に対応する。

例えば、リセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位がハイレベル電位である期間において、リセットトランジスタ４００はオンである。この期間において、ＲＤ部とＦＤ部とが電気的に接続される。

リセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位がローレベル電位である期間において、リセットトランジスタ４００はオフである。この期間において、ＲＤ部とＦＤ部とは、フィードバック容量素子３２０のみで接続される。

第１の実施形態の信号読み出し回路におけるトランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタ（n-channel metal-oxide-semiconductor transistor）である。しかし、トランジスタの極性は反転してよい。すなわち、信号読み出し回路におけるトランジスタは、ＰＭＯＳトランジスタ（p-channel metal-oxide-semiconductor transistor）であってもよい。また、トランジスタに合わせて制御信号のレベルおよび電圧源の電位を変えることは自明であり、ここではその詳細については記載しない。

本実施形態における、図３の要素と、図６の要素と、の対応関係を記載しておく。図３の蓄積制御線１３０は、図６の光電変換部１に電圧Ｖｐを供給する。図３では、リセット制御信号線ＣＯＮ４００、切り替え回路２２等の図示を省略している。本実施形態では、切り替え回路２２は、画素の外にある。具体的には、本実施形態では、切り替え回路２２は、電流源部６と同様、画素が構成する画素アレイの列ごとに設けられている。そして、１つの切り替え回路２２が、同じ列に属する複数の画素に接続されている。ただし、切り替え回路２２は、画素の内にあってもよい。

本実施形態における、図４から５Ｂの要素と、図６の要素と、の対応関係を記載しておく。増幅部２は、増幅トランジスタ２００を含む要素である。フィードバック制御部３は、フィードバックトランジスタ３００、ノイズ保持容量素子３１０、フィードバック容量素子３２０、可変電圧源３３０およびリセットトランジスタ４００を含む要素である。出力選択部５は、選択トランジスタ５００を含む要素である。

第１の実施形態は、ノイズ抑制に有効である。以下、第１の実施形態の読み出し回路の動作の具体例について説明する。

［第０の期間］
時刻ｔ１において、選択制御線ＣＯＮ５００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、選択トランジスタ５００が、オフからオンに切り替わる。これにより、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７とが電気的に接続される。

時刻ｔ１において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００およびリセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００が、オフからオンに切り替わる。

時刻ｔ１において、切り替え回路２２および電流源部６を制御する。具体的には、スイッチ素子２２０をオンに制御し、スイッチ素子２２１および２２２をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２２３に接続され、その電位はＶＡ１になる。また、スイッチ素子６１０をオンに制御し、スイッチ素子６１１をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７に、電流源６００が接続される。このように切り替え回路２２および電流源部６を制御することにより、電圧源２２３から、増幅トランジスタ２００、ＭＤ部、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００をこの順に介して、ＦＤ部に電圧が供給される。その結果、ＦＤ部の電位は、リセット電位ＶＲＳＴにリセットされる。

ここで、増幅トランジスタ２００においてソース・ドレイン間電流が流れているときのゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧を、電圧Ｖαと称することとする。増幅トランジスタ２００においてゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧が電圧Ｖαでありソース・ドレイン間電流が流れている様を、増幅トランジスタ２００が動作点ＯＰαで動作していると称することとする。このとき、リセット電位ＶＲＳＴは、増幅トランジスタ２００を動作点ＯＰαで動作させる値をとると言える。数式を用いると、リセット電位ＶＲＳＴは、ＶＲＳＴ＝ＶＡ１＋Ｖαで与えられる。なお、この文脈および関連する文脈において、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、増幅トランジスタ２００のゲート電圧と、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインのうちバイアス電圧が印加されている方と、の間の電位差を指す。図６の例では、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、増幅トランジスタ２００のゲート電圧と、増幅トランジスタ２００における切り替え回路２２との接続部と、の間の電位差を指す。

第０の期間では、可変電圧源３３０の出力電位は、制御電位ＶＢ１０に固定されている。

［第１の期間］
次に、時刻ｔ２において、増幅制御線ＣＯＮ３００およびリセット制御線ＣＯＮ４００の電位を、ハイレベルからローレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００が、オンからオフに切り替わる。この切り替えを行ったときには、ＦＤ部には、第０の期間におけるリセットで生じたｋＴＣノイズが残存している。

次に、時刻ｔ３において、切り替え回路２２を制御する。具体的には、スイッチ素子２２１をオンに制御し、スイッチ素子２２０および２２２をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２２４に接続され、その電位はＶＡ２となる。電位ＶＡ２は、電位ＶＡ１よりも大きい。このため、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は小さくなり、増幅トランジスタ２００はオフまたはオフに近い状態となる。また、ＶＡ１からＶＢ２への電位の切り替えにより、ＭＤ部の電位は上昇する。

その後、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間に、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位を、ハイレベルとローレベルの中間の電位である制御電位ＶＢ２に設定する。これにより、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作し、ソース・ドレイン間電流を流すことを許容しつつソース・ドレイン間で電位差が生じ得る状態となる。また、可変電圧源３３０の出力電位は、制御電位ＶＢ１１から制御電位ＶＢ１２へと、徐々に上昇していく。制御電位ＶＢ１１は、制御電位ＶＢ１０と同じ電位、または、制御電位ＶＢ１０よりも高い電位である。制御電位ＶＢ１２は、制御電位ＶＢ１１よりも高い電位である。

本実施形態では、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において、経過時間と可変電圧源３３０の出力電位の上昇幅が比例するように、出力電位を上昇させる。つまり、可変電圧源３３０の出力電位を、時間経過に対して線形に上昇させる。ただし、可変電圧源３３０の出力電位を、時間経過に対して非線形に上昇させてもよい。例えば、可変電圧源３３０の出力電位が経過時間の対数関数となるように、可変電圧源３３０の出力電位を、時間経過に対して上昇させてもよい。

時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間における撮像装置の挙動は、以下のように説明できる。

時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間では、フィードバックトランジスタ３００のうちＭＤ部に電気的に接続されている部分は、ソースである。このため、ＭＤ部の電位が高いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が小さく、従ってオフである。一方、ＭＤ部の電位が低いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が大きく、従ってオンである。また、この期間では、増幅回路２０Ａは、ソース接地増幅回路として動作する。このため、増幅トランジスタ２００は、ソース接地増幅回路のトランジスタとして動作し、反転増幅を行う。

上述のとおり、時刻ｔ３において、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインの電位は、ＶＡ１からＶＡ２へと上昇しており、ＭＤ部の電位は高いレベルにある。このため、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間の開始当初では、ＭＤ部の電位が高い。このため、フィードバックトランジスタ３００は、オフである。また、時刻ｔ３におけるＶＡ１からＶＡ２への上記電位上昇により、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は低下する。このため、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間の開始当初では、増幅トランジスタ２００は、そのゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧が低いレベルにあり、オフまたはオフに近い状態にある。

時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において、可変電圧源３３０の出力電位が上昇すると、ノイズ保持容量素子３１０の電荷が保たれるようにＲＤ部の電位も上昇し、ＲＤ部の電位上昇に伴ってＦＤ部の電位も上昇する。ＦＤ部の電位が上昇すると、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、ＶＲＳＴ－ＶＡ１＝Ｖαに近づくように上昇する。この電圧上昇と、増幅トランジスタ２００の反転増幅作用が相俟って、ＭＤ部の電位は低下する。ＭＤ部の電位が低下すると、フィードバックトランジスタ３００では、ゲート・ソース間電圧が大きくなる。そして、フィードバックトランジスタ３００では、ある時点で、ドレインからソースに向かって（つまり、ＲＤ部からＭＤ部に向かって）電流が流れ始める。この電流が流れ始めると、この電流によって、可変電圧源３３０の出力電位の上昇がＲＤ部の電位を上昇させる作用が部分的に相殺される。このため、ＲＤ部の電位上昇は緩やかになり、これに伴ってＦＤ部の電位上昇も緩やかになる。増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧がＶαとなったときに、ＲＤ部の電位は一定値となり、ＭＤ部およびＦＤ部の電位も一定値となる。

ＲＤ部の電位が一定値となるときは、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧はＶαであり、この点は、時刻ｔ３の前の期間と同様である。ただし、ＲＤ部の電位が一定値となったときには、切り替え回路２２から増幅トランジスタ２００に供給される電位は、ＶＡ１ではなくＶＡ２である。従って、ＲＤ部の電位が一定値となるときのＦＤ部の電位は、ＶＡ２＋Ｖα＝ＶＲＳＴ＋（ＶＡ２－ＶＡ１）である。この電位は、ＶＡ２＞ＶＡ１であるため、時刻ｔ３の前の期間の値ＶＲＳＴよりも大きい。ＦＤ部の電位はＲＤ部の電位上昇に伴って上昇するものであるため、一定値となったＲＤ部の電位は、時刻ｔ２におけるＲＤ部の電位よりも上昇していることになる。

このように、本実施形態では、増幅トランジスタ２００が電位ＶＡ１の供給を受けつつ動作点ＯＰαで動作している状態から電位ＶＡ２の供給を受けつつ動作点ＯＰαで動作している状態に遷移するまでの期間において、各種電位が上記の振る舞いを示し、その結果ＲＤ部の電位が高くなる。なお、前者の状態と後者の状態とで増幅トランジスタ２００の動作点が厳密な意味で一致していることは、必ずしも必須ではない。このことを含め、動作説明は例示に過ぎず、本開示内容を限定的に解釈することを意図したものではない。この点は、後述の実施形態についても同様である。

ここで、可変電圧源３３０の出力電位は、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において変化している。このため、ノイズ保持容量素子３１０からは電荷が放出される。この電荷の放出により、フィードバックトランジスタ３００では、ドレインからソースに向かう電流が流れる。その電流量は、Ｃｓ×Ｋである。ここで、Ｃｓは、ノイズ保持容量素子３１０の容量値である。Ｋは、可変電圧源３３０の出力電位の単位時間当たりの電位の変化量（すなわち、出力電位の時間変化率）である。

以上の説明から理解されるように、ノイズ保持容量素子３１０および可変電圧源３３０が電流源として動作し、かつ、ＲＤ部の電位がＭＤ部の電位よりも高いという状況が得られる。この状況において、フィードバックトランジスタ３００、ノイズ保持容量素子３１０および可変電圧源３３０は、ゲート接地増幅回路として動作する。このため、ＭＤ部の信号は、１よりも大きい増幅率Ｂで、ＲＤ部に伝達される。一方、増幅回路２０Ａはソース接地増幅回路として動作する。よって、ＦＤ部の信号は、－Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ）倍に増幅されてＦＤ部に帰還する。ここで、－Ａは、ソース接地増幅の増幅率である。Ｃｃは、フィードバック容量素子３２０の容量値である。Ｃｆｄは、ＦＤ部の容量値である。

時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において可変電圧源３３０の出力電位を時間経過に対して線形に上昇させる場合、フィードバックトランジスタ３００を流れる上記電流を、定電流にすることができる。ただし、上述のように、可変電圧源３３０の出力電位を、時間経過に対して非線形に上昇させてもよい。いずれの場合にも、ゲート接地増幅回路はその増幅作用を発揮し得る。

時刻ｔ５において、可変電圧源３３０の出力が、制御電位ＶＢ１２に固定される。また、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位が、ハイレベルからローレベルに切り替わる。

時刻ｔ４からｔ５までの撮像装置の帰還動作により、時刻ｔ５においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズは、時刻ｔ２においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズの、１／（１＋Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制される。また、帰還動作により、フィードバックトランジスタ３００で発生する熱ノイズは１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、ＦＤ部にはさらにＣｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）倍に抑制されて伝達されることになる。従って、時刻ｔ５においてＦＤ部に残存するフィードバックトランジスタ３００由来の熱ノイズは、時刻ｔ２においてＦＤ部に残存する同熱ノイズの、１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。

［第２の期間］
時刻ｔ６において、切り替え回路２２および電流源部６を制御する。具体的には、スイッチ素子２２２をオンに制御し、スイッチ素子２２０および２２１をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２２５に接続され、その電位はＶＢ１になる。また、スイッチ素子６１１をオンに制御し、スイッチ素子６１０をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７に、電流源６０１が接続される。このように切り替え回路２２および電流源部６を制御することにより、増幅回路２０Ａは、ソースフォロア回路として動作する。

時刻ｔ６において、ＦＤ部の電圧は、リセット電圧から、時刻ｔ５からｔ６の期間に光電変換部１が生成した信号電荷の量に応じた電圧だけ変化している。

次に、時刻ｔ７において、信号読み出しライン７に、ＦＤ部の電位に応じた電位が印加される。先に説明した通り、ソースフォロア回路の増幅率は１倍程度である。このため、ＦＤ部の信号電圧は、１倍程度の増幅率で信号読み出しライン７に出力される。

ここで、ランダムノイズは、光電変換部１が生成した信号電荷が０の時の出力の揺らぎ、すなわち、ｋＴＣノイズとフィードバックトランジスタ３００の熱ノイズの二乗和である。［第１の期間］において、ｋＴＣノイズは１／（１＋Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、フィードバックトランジスタ３００の熱ノイズは１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。例えば、増幅率Ｂを１００倍、ＣｃをＣｆｄの０．１倍、ＣｓをＣｆｄの２５倍にすると、増幅率Ａが１０倍に制限された状態においても、ｋＴＣノイズは１／７６倍に抑制される。フィードバックトランジスタ３００の熱ノイズに関しても、時刻ｔ２におけるｋＴＣノイズの１／９２倍に抑制される。従って、ランダムノイズが大幅に抑制された状態で、光電変換部１が生成した信号電荷を読み出すことが可能となる。

この具体例に係る撮像装置は、［第０の期間］から［第２の期間］において、上述のように動作する。循環経路３０では、ゲート接地増幅回路がその増幅作用を発揮し得る。ゲート接地増幅回路の増幅率Ｂは、１よりも大きい。このため、この具体例に係る撮像装置によれば、ランダムノイズが大幅に抑制された状態で、光電変換部１が生成した信号電荷を読み出すことができる。これにより、ランダムノイズが抑制された良好な画像データを取得することができる。

この具体例に係る循環経路３０では、ソース接地増幅回路も、その増幅作用を発揮し得る。ただし、増幅率Ａは、ＦＤ部と増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインとの間の寄生容量Ｃｐによって、制限されることがある。具体的に、寄生容量Ｃｐは、レイアウト、デバイス等に起因して生じ得る。しかし、増幅率Ａが制限された場合であっても、ゲート接地増幅回路によれば、ランダムノイズを抑制できる。

なお、特許文献４では、ＣＤＳ技術を用いることなくリセットノイズを除去する技術が提案されている。しかしながら、ＦＤ部はフローティング状態であるため、ＦＤ部と増幅回路のソースまたはドレインとの間には、必ず寄生容量Ｃｐが発生する。寄生容量Ｃｐの影響で、増幅回路の増幅率をいかにあげようとも、増幅率が（Ｃｐ＋Ｃｆｄ）／Ｃｐ以上に上がることはない。ＭＯＳトランジスタの構造上、例えば、ＣｐがＣｆｄの１／１０の場合、増幅回路の増幅率は－１１倍にしかならず、充分なノイズ除去効果を得ることができない。これに対し、本実施形態によれば、より高い増幅率が得られる。なお、特許文献４に関する本記載は、本開示に係る撮像装置で得られる増幅率を限定することを意図したものではない。

第１の実施形態では、信号読み出しライン７の信号を検出するための後段回路を採用可能である。図３に示すカラム信号処理回路１４２は、そのような後段回路の一例である。カラム信号処理回路１４２は、信号読み出しライン７の信号を列ごとにＡＤ変換する。

また、本実施形態では、カラム信号処理回路１４２は列毎に設けられている。各カラム信号処理回路１４２は、ノイズ抑制処理を実行する。一具体例では、カラム信号処理回路１４２は、時刻ｔ７で信号読み出しライン７に出力された信号電圧を、取得する。一方、時刻ｔ７で信号電圧が信号読み出しライン７に出力された後に、再度［第０の期間］から［第１の期間］で説明した動作が行われ、その後、光電変換部１が光検出を行う前に［第２の期間］で説明した動作が行われる。これにより、信号読み出しライン７に基準電圧を出力できる。カラム信号処理回路１４２は、その基準電圧を取得する。カラム信号処理回路１４２は、取得した信号電圧と基準電圧の差分を取る。このようにすることで、列毎の後段回路の特性ばらつきの影響がキャンセルされノイズが抑制された信号が得られる。

本実施形態では、カラム信号処理回路１４２は、ＡＤ変換とノイズ抑制処理の両方を行う。ただし、カラム信号処理回路１４２は、ＡＤ変換とノイズ抑制処理の一方を行うものであってもよい。例えば、カラム信号処理回路１４２がノイズ抑制処理を行い、他の要素がＡＤ変換を行う形態を採用することもできる。また、カラム信号処理回路１４２がＡＤ変換を行い、他の要素がノイズ抑制処理を行う形態を採用することもできる。カラム信号処理回路１４２がなくてもよい。信号読み出しライン７の信号を列ごとにＡＤ変換することも必須ではなく、画素ごとにＡＤ変換してもよい。

第１の実施形態の［第２の期間］では、増幅回路２０Ａをソースフォロア回路として動作させつつ、ＦＤ部の信号が読み出される。このため、読み出しにおける電圧増幅率は、１倍程度である。ただし、読み出しの仕方はこれに限定されない。必要なＳ／Ｎ、回路レンジ等に応じて、増幅率は適宜変更され得る。

第１の実施形態では、［第０の期間］において、リセット電圧を、切り替え回路２２から、増幅トランジスタ２００、ＭＤ部、ＲＤ部およびリセットトランジスタ４００をこの順に経由して、ＦＤ部に供給している。しかし、リセット電圧の供給の仕方は、適宜変更可能である。

例えば、リセット電圧の供給において、ＲＤ部の経由は必須ではない。具体的には、図７に示す例では、リセット電圧は、切り替え回路２２から、増幅トランジスタ２００、ＭＤ部およびリセットトランジスタ４００をこの順に経由して、ＦＤ部に供給される。

また、図８に示す例も採用可能である。図８の例では、リセット電圧は、基準電位ＶＲ１から、リセットトランジスタ４００のみを経由して、ＦＤ部に供給される。このようにすれば、ＦＤ部およびＲＤ部をトランジスタのばらつきによらない一定の電位にリセットできる。このことは、デバイスばらつきによらずに良好な画像データを提供する観点から有利である。

第１の実施形態では、電流源６００および切り替え回路２２は、画素の外部にある。ただし、このことは、必須ではない。

図９の例では、撮像装置は、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインの一方とフィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの一方との間のノードに、スイッチング素子を介さずに接続される電流源６００を備える。具体的には、図９の例では、電流源６００および切り替え回路２２は、画素の内部にある。図９の例によれば、同じタイミングでノイズキャンセル動作を行う画素を増やすことが可能となり、より高速な画像データの提供が可能となる。

上記のように、第１の実施形態では、撮像装置は、第３電圧供給回路を備える。第４電圧供給回路は、ノイズ保持容量素子３１０の第２端子に接続されている。第３電圧供給回路は、経時的に変化する電圧を出力する。図６の例では、第３電圧供給回路は、可変電圧源３３０に対応する。このようにすることで、ゲート接地増幅回路が実現され、その増幅作用が発現され得る。ただし、ゲート接地増幅回路は、他のやり方でも実現され得る。

以下、他のいくつかの実施形態について説明する。以下では、既に説明した実施形態とその後に説明される実施形態とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、ゲート接地増幅回路の実現に、電流源トランジスタ３４０が用いられる。図１０に、第２の実施形態の信号読み出し回路を示す。

第２の実施形態では、ノイズ保持容量素子３１０の一端は、ＲＤ部に接続されている。ノイズ保持容量素子３１０の他端は、参照電位ＶＢ３に接続されている。参照電位ＶＢ３は、例えば、グランド電位ＧＮＤである。

第２の実施形態の撮像装置は、電流源トランジスタ３４０を備える。電流源トランジスタ３４０のドレインおよびソースの一方が、ＲＤ部に接続されている。電流源トランジスタ３４０のドレインおよびソースの他方が、参照電位ＶＢ４に接続されている。参照電位ＶＢ４は、例えば、電源電位ＶＤＤである。

電流源トランジスタ３４０のゲートには、電流制御信号線ＣＯＮ３４０が接続されている。電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位により、電流源トランジスタ３４０の状態が決定される。本実施形態では、電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位は、少なくとも３種類に変更される。

本実施形態では、撮像装置は、電流源トランジスタ３４０のゲートに互いに異なる少なくとも３種類の電圧を供給する。上述の説明から理解されるように、この供給は、電流制御信号線ＣＯＮ３４０を介して行われる。ゲートに供給される上記少なくとも３種類の電圧は、電流制御信号線ＣＯＮ３４０に印加される上記少なくとも３種類の電位に対応する。

本実施形態では、具体的には、電流制御信号線ＣＯＮ３４０に印加される上記少なくとも３種類の電位は、ハイレベル電位と、ローレベル電位と、中間電位と、を含む。ハイレベル電位は、ローレベル電位よりも大きい。中間電位は、ローレベル電位よりも大きくハイレベル電位よりも小さい。電流源トランジスタ３４０のゲートに供給される上記少なくとも３種類の電圧は、ハイレベル電圧と、ローレベル電圧と、中間電圧と、を含む。ハイレベル電圧は、ローレベル電圧よりも大きい。中間電圧は、ローレベル電圧よりも大きくハイレベル電圧よりも小さい。ハイレベル電位は、ハイレベル電圧に対応する。ローレベル電位は、ローレベル電圧に対応する。中間電位は、中間電圧に対応する。

例えば、電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位がハイレベル電位である期間において、電流源トランジスタ３４０はオフである。この期間において、電流源トランジスタ３４０には電流は流れない。

電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位がローレベル電位である期間において、電流源トランジスタ３４０はオンである。この期間において、参照電位ＶＢ４とＲＤ部は電気的に接続され、ＲＤ部の電位は参照電位ＶＢ４となる。

電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位が中間電位に固定された期間において、電流源トランジスタ３４０には、定電流が流れる。

第２の実施形態は、ノイズ抑制に有効である。以下、第２の実施形態の読み出し回路の動作の具体例について説明する。

［第１０の期間］
時刻ｔ１１において、選択制御線ＣＯＮ５００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、選択トランジスタ５００が、オフからオンに切り替わる。これにより、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７とが電気的に接続される。

時刻ｔ１１において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００およびリセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００が、オフからオンに切り替わる。

時刻ｔ１１において、電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、電流源トランジスタ３４０が、オンからオフに切り替わる。

時刻ｔ１１において、切り替え回路２２および電流源部６を制御する。具体的には、スイッチ素子２２０をオンに制御し、スイッチ素子２２１および２２２をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２２３に接続され、その電位はＶＡ１になる。また、スイッチ素子６１０をオンに制御し、スイッチ素子６１１をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７に、電流源６００が接続される。このように切り替え回路２２および電流源部６を制御することにより、電圧源２２３から、増幅トランジスタ２００、ＭＤ部、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００をこの順に介して、ＦＤ部に電圧が供給される。その結果、ＦＤ部の電位は、リセット電位ＶＲＳＴにリセットされる。

この具体例では、リセット電位ＶＲＳＴは、増幅トランジスタ２００を動作点ＯＰαで動作させる値をとる。数式を用いると、リセット電位ＶＲＳＴは、ＶＲＳＴ＝ＶＡ１＋Ｖαで与えられる。

［第１１の期間］
次に、時刻ｔ１２において、第１の実施形態の時刻ｔ２における動作と同じ動作がなされる。

次に、時刻ｔ１３において、第１の実施形態の時刻ｔ３における動作と同じ動作がなされる。

その後、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間に、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位を、ハイレベルとローレベルの中間の電位である制御電位ＶＢ２に設定する。これにより、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作し、ソース・ドレイン間電流を流すことを許容しつつソース・ドレイン間で電位差が生じ得る状態となる。

本実施形態では、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間において、電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位を、中間電位に固定する。これにより、電流源トランジスタ３４０は、そのゲート電圧が固定され、定電流源動作する。ただし、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位を時間変化させ、電流源トランジスタ３４０のゲート電圧を時間変化させてもよい。例えば、電流源トランジスタ３４０の出力電流が徐々に減少するように、電流制御信号線ＣＯＮ３４０電位を徐々にハイレベル電位に近づけてもよい。

時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間における撮像装置の挙動は、以下のように説明できる。

時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間では、フィードバックトランジスタ３００のうちＭＤ部に電気的に接続されている部分は、ソースである。このため、ＭＤ部の電位が高いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が小さく、従ってオフである。一方、ＭＤ部の電位が低いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が大きく、従ってオンである。また、この期間では、増幅回路２０Ａは、ソース接地増幅回路として動作する。このため、増幅トランジスタ２００は、ソース接地増幅回路のトランジスタとして動作し、反転増幅を行う。

時刻ｔ１３において、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインの電位は、ＶＡ１からＶＡ２へと上昇しており、ＭＤ部の電位は高いレベルにある。このため、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間の開始当初では、ＭＤ部の電位が高い。このため、フィードバックトランジスタ３００は、オフである。また、時刻ｔ１３におけるＶＡ１からＶＡ２への上記電位上昇により、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は低下する。このため、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間の開始当初では、増幅トランジスタ２００は、そのゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧が低いレベルにあり、オフまたはオフに近い状態にある。

電流源トランジスタ３４０から供給される電荷は、ノイズ保持容量素子３１０に蓄積される。この蓄積により、ＲＤ部の電位が上昇し、ＲＤ部の電位上昇に伴ってＦＤ部の電位も上昇する。ＦＤ部の電位が上昇すると、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、ＶＲＳＴ－ＶＡ１＝Ｖαに近づくように上昇する。この電圧上昇と、増幅トランジスタ２００の反転増幅作用が相俟って、ＭＤ部の電位は低下する。ＭＤ部の電位が低下すると、フィードバックトランジスタ３００では、ゲート・ソース間電圧が大きくなる。そして、フィードバックトランジスタ３００では、ある時点で、ドレインからソースに向かって（つまり、ＲＤ部からＭＤ部に向かって）電流が流れ始める。この電流が流れ始めると、この電流によって、電流源トランジスタ３４０がＲＤ部の電位を上昇させる作用が部分的に相殺される。このため、ＲＤ部の電位上昇は緩やかになり、これに伴ってＦＤ部の電位上昇も緩やかになる。増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧がＶαとなったときに、ＲＤ部の電位は一定値となり、ＭＤ部およびＦＤ部の電位も一定値となる。

ＲＤ部の電位が一定値となるときは、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧はＶαであり、この点は、時刻ｔ１３の前の期間と同様である。ただし、ＲＤ部の電位が一定値となったときには、切り替え回路２２から増幅トランジスタ２００に供給される電位は、ＶＡ１ではなくＶＡ２である。従って、ＲＤ部の電位が一定値となるときのＦＤ部の電位は、ＶＡ２＋Ｖα＝ＶＲＳＴ＋（ＶＡ２－ＶＡ１）である。この電位は、ＶＡ２＞ＶＡ１であるため、時刻ｔ３の前の期間の値ＶＲＳＴよりも大きい。ＦＤ部の電位はＲＤ部の電位上昇に伴って上昇するものであるため、一定値となったＲＤ部の電位は、時刻ｔ１２におけるＲＤ部の電位よりも上昇していることになる。

ＲＤ部の電位が一定値となったときに、電流源トランジスタ３４０からフィードバックトランジスタ３００に供給される電流と、フィードバックトランジスタ３００をドレインからソースに向かって流れる電流は、等しくなる。

以上の説明から理解されるように、電流源トランジスタ３４０が電流源として動作し、かつ、ＲＤ部の電位がＭＤ部の電位よりも高いという状況が得られる。この状況において、フィードバックトランジスタ３００、ノイズ保持容量素子３１０および電流源トランジスタ３４０は、ゲート接地増幅回路として動作する。このため、ＭＤ部の信号は、１よりも大きい増幅率Ｂで、ＲＤ部に伝達される。一方、増幅回路２０Ａはソース接地増幅回路として動作する。よって、ＦＤ部の信号は、－Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ）倍に増幅されてＦＤ部に帰還する。

時刻ｔ１５において、電流制御信号線ＣＯＮ３４０の電位が、中間電位からハイレベル電位に切り替わる。これにより、電流源トランジスタ３４０は、オフに切り替わる。また、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位が、ハイレベルからローレベルに切り替わる。

時刻ｔ１４からｔ１５までの撮像装置の帰還動作により、時刻ｔ１５においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズは、時刻ｔ１２においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズの、１／（１＋Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制される。また、帰還動作により、フィードバックトランジスタ３００で発生する熱ノイズは１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、ＦＤ部にはさらにＣｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）倍に抑制されて伝達されることになる。従って、時刻ｔ１５においてＦＤ部に残存するフィードバックトランジスタ３００由来の熱ノイズは、時刻ｔ１２においてＦＤ部に残存する同熱ノイズの、１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。

［第１２の期間］
次に、時刻ｔ１６において、第１の実施形態の時刻ｔ６における動作と同じ動作がなされる。

次に、時刻ｔ１７において、第１の実施形態の時刻ｔ７における動作と同じ動作がなされる。

以上の説明から理解されるように、第２の実施形態では、電流源トランジスタ３４０のソースおよびドレインの一方がフィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの他方に接続されている。このようにしても、ゲート接地増幅回路が実現され、その増幅作用が発現され得る。なお、電流源トランジスタ３４０は、第３トランジスタ３４０とも称され得る。

第２の実施形態では、ノイズ保持容量素子３１０の第２端子は、電位供給源に接続されている。電位供給源は、ある電位をノイズ保持容量素子３１０に供給する。このようにすることは、ノイズ保持容量素子３１０に電荷が蓄積され得る状況を得るのに適している。典型例では、電位供給源は、直流電位をノイズ保持容量素子３１０に供給する直流電位供給源である。この直流電位は、グランド電位等の固定電位であってもよい。一方、直流電位が固定電位でなく、ある期間と別の期間とで直流電位の大きさは異なっていてもよい。電位供給源は、グランド電位等の固定電位を有する固定電位部であってもよい。図１０の例では、電位供給源は、参照電位ＶＢ３を供給する要素である。このような電位供給源は、撮像装置において適宜設定可能である。これらの点は、後述の第３の実施形態でも同様である。

第２の実施形態では、電流源をトランジスタで形成する。このため、電流制御信号線ＣＯＮ３４０の中間電位をバンドギャップリファレンス回路から出力される電流を基に生成できる。このようにすると、温度、素子バラツキ等に影響を受けにくい定電流を実現できる。このことは、安定的にランダムノイズが抑制された良好な画像データを取得することを可能にする。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、ゲート接地増幅回路の実現に、バイアス電圧源３６０およびバイアストランジスタ３５０が用いられる。図１１に、第３の実施形態の信号読み出し回路を示す。なお、バイアストランジスタ３５０は、バイアス印加トランジスタ３５０とも称され得る。

第３の実施形態では、ノイズ保持容量素子３１０の一端は、ＲＤ部に接続されている。ノイズ保持容量素子３１０の他端は、参照電位ＶＢ３に接続されている。参照電位ＶＢ３は、例えば、グランド電位ＧＮＤである。

第３の実施形態の撮像装置は、バイアス電圧源３６０およびバイアストランジスタ３５０を備える。バイアストランジスタ３５０のドレインおよびソースの一方が、ＲＤ部に接続されている。バイアストランジスタ３５０のドレインおよびソースの他方が、バイアス電圧源３６０に接続されている。バイアス電圧源３６０は、制御電位ＶＢ３０を出力する。

バイアストランジスタ３５０のゲートには、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０が接続されている。バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位により、バイアストランジスタ３５０の状態が決定される。本実施形態では、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位は、少なくとも２種類に変更される。

本実施形態では、撮像装置は、バイアストランジスタ３５０のゲートに互いに異なる少なくとも２種類の電圧を供給する。上述の説明から理解されるように、この供給はバイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０を介して行われる。ゲートに供給される上記少なくとも２種類の電圧は、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０に印加される上記少なくとも２種類の電位に対応する。

本実施形態では、具体的には、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０に印加される上記少なくとも２種類の電位は、ハイレベル電位と、ローレベル電位と、を含む。ハイレベル電位は、ローレベル電位よりも大きい。バイアストランジスタ３５０のゲートに供給される上記少なくとも２種類の電圧は、ハイレベル電圧と、ローレベル電圧と、を含む。ハイレベル電圧は、ローレベル電圧よりも大きい。ハイレベル電位は、ハイレベル電圧に対応する。ローレベル電位は、ローレベル電圧に対応する。

例えば、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位がハイレベル電位である期間において、バイアストランジスタ３５０はオフである。この期間において、バイアス電圧源３６０とＲＤ部とは電気的に分離される。

バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位がローレベル電位である期間において、バイアストランジスタ３５０はオンである。この期間において、バイアス電圧源３６０とＲＤ部とは電気的に接続され、ＲＤ部に、バイアス電圧源３６０が出力した制御電位ＶＢ３０が印加される。

第３の実施形態は、ノイズ抑制に有効である。以下、第３の実施形態の読み出し回路の動作の具体例について説明する。

［第２０の期間］
時刻ｔ２１において、選択制御線ＣＯＮ５００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、選択トランジスタ５００が、オフからオンに切り替わる。これにより、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７とが電気的に接続される。

時刻ｔ２１において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００およびリセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００が、オフからオンに切り替わる。

時刻ｔ２１において、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、バイアストランジスタ３５０が、オンからオフに切り替わる。

時刻ｔ２１において、切り替え回路２２および電流源部６を制御する。具体的には、スイッチ素子２２０をオンに制御し、スイッチ素子２２１および２２２をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２２３に接続され、その電位はＶＡ１になる。また、スイッチ素子６１０をオンに制御し、スイッチ素子６１１をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７に、電流源６００が接続される。このように切り替え回路２２および電流源部６を制御することにより、電圧源２２３から、増幅トランジスタ２００、ＭＤ部、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００をこの順に介して、ＦＤ部に電圧が供給される。その結果、ＦＤ部の電位は、リセット電位ＶＲＳＴにリセットされる。

この具体例では、リセット電位ＶＲＳＴは、増幅トランジスタ２００を動作点ＯＰαで動作させる値をとる。数式を用いると、リセット電位ＶＲＳＴは、ＶＲＳＴ＝ＶＡ１＋Ｖαで与えられる。

［第２１の期間］
次に、時刻ｔ２２において、リセット制御線ＣＯＮ４００の電位を、ハイレベルからローレベルに切り替える。これにより、リセットトランジスタ４００が、オンからオフに切り替わる。この切り替えを行ったときには、ＦＤ部には、第２０の期間におけるリセットで生じたｋＴＣノイズが残存している。

次に、時刻ｔ２３において、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位を、ハイレベルからローレベルに切り替える。これにより、ＲＤ部の電位が、ＶＢ３０に設定される。ここで、ＶＢ３０は、ＶＢ３０＞ＶＲＳＴ＋（ＶＡ２－ＶＡ１）×（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）／Ｃｃの関係式が成立する値をとる。

次に、時刻ｔ２４において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位をハイレベルからローレベルに切り替え、バイアス印加制御信号線ＣＯＮ３５０の電位をローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびバイアス印加トランジスタ３５０が、オンからオフに切り替わる。

上記のとおり、時刻ｔ２３の切り替えにより、ＲＤ部の電位は、バイアス電圧源３６０に基づくＶＢ３０へと上昇する。この上昇により、フィードバック容量素子３２０を介して、ＦＤ部の電位も上昇する。ＦＤ部の電位が上昇することにより、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、Ｖαよりも大きな値へと上昇する。この電圧上昇と、増幅トランジスタ２００の反転増幅作用が相俟って、ＭＤ部の電位は低下する。

次に、時刻ｔ２５において、切り替え回路２２を制御する。具体的には、スイッチ素子２２１をオンに制御し、スイッチ素子２２０および２２２をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２２４に接続され、その電位はＶＡ２となる。ただし、ＶＢ３０、ＶＡ１およびＶＡ２は、上記の関係式を満たす。このため、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、時刻ｔ２５における制御により低下するが、時刻ｔ２２における値Ｖαと比べると依然として大きい。このため、ＭＤ部の電位は依然として低いレベルにある。

その後、時刻ｔ２６から時刻ｔ２７の期間に、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位を、ハイレベルとローレベルの中間の電位である制御電位ＶＢ２に設定する。これにより、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作し、ソース・ドレイン間電流を流すことを許容しつつソース・ドレイン間で電位差が生じ得る状態となる。

時刻ｔ２６から時刻ｔ２７の期間の開始当初は、フィードバックトランジスタ３００においてドレインからソースに向かう（つまりＲＤ部からＭＤ部に向かう）電流が流れる。この電流により、ＲＤ部の電位は低下する。この低下に伴い、ＦＤ部の電位も低下する。ＦＤ部の電位が低下すると、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧がＶαに近づくように低下する。また、この電圧低下と増幅トランジスタ２００の反転増幅作用が相俟って、ＭＤ部の電位は上昇する。

時刻ｔ２６から時刻ｔ２７の期間では、フィードバックトランジスタ３００のうちＭＤ部に電気的に接続されている部分は、ソースである。このため、ＭＤ部の電位が上昇すると、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が低下し、そのドレイン・ソース間を流れる電流は低下する。これにより、ＲＤ部の電位下降は緩やかになる。増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧がＶαとなったときに、フィードバックトランジスタ３００のドレイン・ソース間を流れる電流はほぼ０となり、ＲＤ部の電位は一定値となり、ＭＤ部およびＦＤ部の電位も一定値となる。

ＲＤ部の電位が一定値となるときは、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧はＶαであり、この点は、時刻ｔ２５の前の期間と同様である。ただし、ＲＤ部の電位が一定値となったときには、切り替え回路２２から増幅トランジスタ２００に供給される電位は、ＶＡ１ではなくＶＡ２である。従って、ＲＤ部の電位が一定値となるときのＦＤ部の電位は、ＶＡ２＋Ｖα＝ＶＲＳＴ＋（ＶＡ２－ＶＡ１）である。この電位は、ＶＡ２＞ＶＡ１であるため、時刻ｔ２５の前の期間の値ＶＲＳＴよりも大きい。ＦＤ部の電位はＲＤ部の電位上昇に伴って上昇するものであるため、一定値となったＲＤ部の電位は、時刻ｔ２２におけるＲＤ部の電位よりも上昇していることになる。

さらに、時刻ｔ２６から時刻ｔ２７の期間では、ＲＤ部は、バイアストランジスタ３５０がオフであることにより、バイアス電圧源３６０から電気的に切り離されたフローティング状態にある。このため、ＲＤ部は、ハイインピーダンス状態にある。

このように、ＲＤ部はハイインピーダンスの状態にあり、かつ、ＲＤ部の電位はＭＤ部の電位よりも高いという状況が得られる。この状況において、フィードバックトランジスタ３００およびノイズ保持容量素子３１０は、ゲート接地増幅回路として動作する。このため、ＭＤ部の信号は、１よりも大きい増幅率Ｂで、ＲＤ部に伝達される。一方、増幅回路２０Ａはソース接地増幅回路として動作する。よって、ＦＤ部の信号は、－Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ）倍に増幅されてＦＤ部に帰還する。

時刻ｔ２７において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位が、ハイレベルからローレベルに切り替わる。

時刻ｔ２６からｔ２７までの撮像装置の帰還動作により、時刻ｔ２２においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズは、時刻ｔ１２においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズの、１／（１＋Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制される。また、帰還動作により、フィードバックトランジスタ３００で発生する熱ノイズは１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、ＦＤ部にはさらにＣｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）倍に抑制されて伝達されることになる。従って、時刻ｔ２２においてＦＤ部に残存するフィードバックトランジスタ３００由来の熱ノイズは、時刻ｔ２２においてＦＤ部に残存する同熱ノイズの、１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。

［第２２の期間］
次に、時刻ｔ２８において、第１の実施形態の時刻ｔ６における動作と同じ動作がなされる。

次に、時刻ｔ２９において、第１の実施形態の時刻ｔ７における動作と同じ動作がなされる。

以上の説明から理解されるように、第３の実施形態では、バイアストランジスタ３５０のソースおよびドレインの一方が、フィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの他方に接続されている。バイアストランジスタ３５０のソースおよびドレインの他方が、バイアス電圧源３６０に接続されている。このようにしても、ゲート接地増幅回路が実現され、その増幅作用が発現され得る。

第３の実施形態では、ゲート接地増幅回路が電流源を有することが必須ではない。このことにより、要素回路を削減することが可能となる。このことは、低コスト、低消費電力の観点から有利であり、また、ランダムノイズが抑制された良好な画像データを取得するのに寄与し得る。

第３の実施形態では、バイアストランジスタ３５０は、ＲＤ部に接続されている。ただし、このことは必須でない。

例えば、バイアストランジスタ３５０は、ＭＤ部に接続されていてもよい。この場合、バイアストランジスタ３５０をオンするときにフィードバックトランジスタ３００もオンすることで、ＲＤ部に電圧を供給できる。

また、バイアストランジスタ３５０は、信号読み出しライン７に接続されていてもよい。この場合、バイアストランジスタ３５０をオンするときに、フィードバックトランジスタ３００および選択トランジスタ５００を同時にオンすることで、ＲＤ部に電圧を供給できる。また、この場合、バイアストランジスタ３５０を複数の画素で共用してもよい。

バイアストランジスタ３５０をＲＤ部またはＭＤ部に接続する場合には、各画素の内部に電圧供給を実施できる。このことは、高速応答を実現する観点から有利である。一方、バイアストランジスタ３５０を信号読み出しライン７に接続する場合には、画素の外部にバイアストランジスタ３５０を配置できるため、画素の面積増加を抑制できる。また、この場合、バイアストランジスタ３５０を複数の画素で共用できるので、撮像装置の小型化を実現し易い。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、ゲート接地増幅回路の実現に、列増幅部８が用いられる。具体的には、ゲート接地増幅回路の実現に、列フィードバックが用いられる。図１２に、第４の実施形態の信号読み出し回路を示す。

第４の実施形態の撮像装置は、複数の列増幅部８を有する。列増幅部８は、二つ以上の画素で共用される。具体例には、複数の画素が画素アレイを構成しており、その画素アレイの列毎に列増幅部８が設けられている。

選択トランジスタ５００のドレインまたはソースは、信号読み出しライン７に接続されている。信号読み出しライン７は、少なくとも２つの画素によって共用されている。信号読み出しライン７は電流源６０２に接続されている。

第４の実施形態では、ソースフォロア回路２０Ｂが設けられている。ソースフォロア回路２０Ｂは、増幅トランジスタ２００、選択トランジスタ５００および電流源６０２を含んでいる。

増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、参照電位ＶＢ５に接続されている。参照電位ＶＢ５は、例えば、電源電位ＶＤＤである。

フィードバックトランジスタ３００のドレインまたはソースは、信号フィードバックライン７０に接続されている。信号フィードバックライン７０は、少なくとも２つの画素によって共用されている。

信号読み出しライン７には、列増幅部８が接続されている。列増幅部８の出力端子には、信号フィードバックライン７０が接続されている。

こうして、図１２の例では、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、列増幅部８と、フィードバックトランジスタ３００と、ＦＤ部と、をこの順に接続する循環経路３９が設けられている。具体的には、循環経路３９は、ＦＤ部と、増幅トランジスタ２００と、選択トランジスタ５００と、列増幅部８と、フィードバックトランジスタ３００と、ＲＤ部と、フィードバック容量素子３２０と、ＦＤ部と、をこの順に接続している。

この接続により、ＦＤ部の信号は、増幅トランジスタ２００と、列増幅部８と、フィードバックトランジスタ３００と、をこの順に通って、ＦＤ部に帰還され得る。具体的には、ＦＤ部の信号は、増幅トランジスタ２００と、選択トランジスタ５００と、列増幅部８と、フィードバックトランジスタ３００と、ＲＤ部と、フィードバック容量素子３２０と、を通ってＦＤ部に帰還され得る。この帰還は、負帰還である。

例えば、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位がローレベル電位である期間において、フィードバックトランジスタ３００は、オフである。この期間では、上述したＦＤ部の信号の帰還は行われない。

増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位が中間電位である期間において、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作する。この期間では、フィードバックトランジスタ３００のソース・ドレイン間に抵抗成分が現れる。この抵抗成分は適度な大きさを有する。従って、この期間では、ＦＤ部の信号の帰還を行いつつ、ＲＤ部と信号フィードバックライン７０との間に電位差を生じさせることができる。後述の説明から理解されるように、この状況においては、ゲート接地増幅回路が増幅作用を発揮し得る。

増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位がハイレベル電位である期間において、フィードバックトランジスタ３００は、オンである。この期間では、上述したＦＤ部の信号の帰還が行われる。ただし、この期間では、フィードバックトランジスタ３００がオンであるためＲＤ部と信号フィードバックライン７０の電位は等しく、ゲート接地増幅回路は増幅作用を発揮しない。

次に、図１３を参照しながら、第４の実施形態の列増幅部８およびその制御回路について、詳細に説明する。

列増幅部８は、差動増幅回路８１と、ソースフォロア回路８２と、を含む。差動増幅回路８１は、入力端子ＡおよびＢを有する。入力端子Ａには、信号読み出しライン７が接続されている。入力端子Ｂには、入力切り替え回路８３が接続されている。差動増幅回路８１の出力端子Ｃは、ソースフォロア回路８２の入力端子Ｄに接続されている。ソースフォロア回路８２の出力端子Ｅは、信号フィードバックライン７０に接続されている。

差動増幅回路８１は、入力端子Ｂの電位と入力端子Ａの電位との差を増幅し、ソースフォロア回路８２の出力端子Ｅから出力する。入力端子Ａからみると、列増幅部８は反転増幅回路として動作する。このため、ＦＤ部の信号は、ソースフォロア回路２０Ｂから出力され、列増幅部８にて反転増幅された後に、フィードバックトランジスタ３００およびフィードバック容量素子３２０を通ってＦＤ部に帰還され得る。

入力切り替え回路８３は、スイッチ素子８１１および８１２と、電圧源８１３および８１４と、を有する。

電圧源８１３は、基準電位ＶＡ１１を出力する。電圧源８１４は、基準電位ＶＡ１２を出力する。基準電位ＶＡ１２は、基準電位ＶＡ１１よりも大きい。また、基準電位ＶＡ１２は、参照電位ＶＢ５よりも小さい。つまり、ＶＡ１１＜ＶＡ１２＜ＶＢ５の大小関係が成立する。

電圧源８１３は、スイッチ素子８１１に接続されている。電圧源８１３は、スイッチ素子８１１を介して入力端子Ｂに接続され得る。電圧源８１４は、スイッチ素子８１２に接続されている。電圧源８１４は、スイッチ素子８１２を介して入力端子Ｂに接続され得る。

スイッチ素子８１１には、基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１１が接続されている。基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１１の電位によって、スイッチ素子８１１の状態が決定される。

本実施形態では、基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１１の電位は、ハイレベル電位またはローレベル電位に設定され得る。ハイレベル電位は、ローレベル電位よりも大きい。

例えば、基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１１の電位がハイレベル電位である期間において、スイッチ素子８１１はオンである。この期間において、列増幅部８には電圧源８１３が接続される。

基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１１の電位がローレベル電位である期間において、スイッチ素子８１１はオフである。この期間において、列増幅部８と電圧源８１３とは電気的に分離される。

スイッチ素子８１２には、基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１２が接続されている。基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１２の電位によって、スイッチ素子８１２の状態が決定される。

例えば、基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１２の電位がハイレベル電位である期間において、スイッチ素子８１２はオンである。この期間において、列増幅部８には電圧源８１４が接続される。

基準電位切り替え制御信号線ＣＯＮ８１２の電位がローレベル電位である期間において、スイッチ素子８１２はオフである。この期間において、列増幅部８と電圧源８１４とは電気的に分離される。

列増幅部８は、差動増幅回路８１の入力端子ＡおよびＢに入力される２つの信号の差分を増幅して出力する。具体的には、ＣＯＮ８１１の電位がハイレベルの場合は、信号読み出しライン７の電位とＶＡ１１の差分を反転増幅した信号が、信号フィードバックライン７０に出力される。ＣＯＮ８１２がハイレベルの場合は、信号読み出しライン７の電位とＶＡ１２の差分を反転増幅した信号が、信号フィードバックライン７０に出力される。

第４の実施形態は、ノイズ抑制に有効である。以下、第４の実施形態の読み出し回路の動作の具体例について説明する。

［第３０の期間］
時刻ｔ３１において、選択制御線ＣＯＮ５００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、選択トランジスタ５００が、オフからオンに切り替わる。これにより、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７とが電気的に接続される。

時刻ｔ３１において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００およびリセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００が、オフからオンに切り替わる。

時刻ｔ３１において、基準電位切り替え信号線ＣＯＮ８１１の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、列増幅部８の入力端子Ｂに基準電位ＶＡ１１が入力される。列増幅部８の入力端子ＡおよびＢのバーチャルショートにより、入力端子Ｂの電位に、入力端子Ａの電位および信号読み出しライン７の電位が追従する。このため、ＦＤ部の電位は、信号読み出しライン７の電位がＶＡ１１となるのに適合したリセット電位ＶＲＳＴ２となる。具体的には、増幅トランジスタ２００のドレインまたはソースの電位も、入力端子Ｂの電位に追従してＶＡ１１になるため、リセット電位ＶＲＳＴ２は、ＶＲＳＴ２＝ＶＡ１１＋Ｖαである。

第３０の期間では、可変電圧源３３０の出力電位は、制御電位ＶＢ１０に固定されている。

［第３１の期間］
次に、時刻ｔ３２において、第１の実施形態の時刻ｔ２における動作と同じ動作がなされる。

次に、時刻ｔ３３において、基準電位切り替え信号線ＣＯＮ８１１をハイレベルからローレベルに切り替え、基準電位切り替え信号線ＣＯＮ８１２の電位をローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、列増幅部８の入力端子Ｂへの入力電位が、基準電位ＶＡ１１から基準電位ＶＡ１２に切り替わる。ＶＡ１２は、ＶＡ１１よりも高い。ＶＡ１１からＶＡ１２への切り替えにより、一時的に、列増幅部８の入力端子Ａに入力される電位よりも入力端子Ｂに入力される電位の方が高くなる。これに伴い、列増幅部８の差動増幅によってその出力電位は上昇し、信号フィードバックライン７０の電位も上昇する。

その後、時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の期間に、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位を、ハイレベルとローレベルの中間の電位である制御電位ＶＢ４０に設定する。これにより、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作し、ソース・ドレイン間電流を流すことを許容しつつソース・ドレイン間で電位差が生じ得る状態となる。また、可変電圧源３３０の出力電位は、制御電位ＶＢ１１から制御電位ＶＢ１２へと、徐々に上昇していく。この上昇のさせ方の具体例は、第１の実施形態で説明した通りである。

時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の期間における撮像装置の挙動は、以下のように説明できる。

時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の期間では、フィードバックトランジスタ３００のうち信号フィードバックライン７０に電気的に接続されている部分は、ソースである。このため、信号フィードバックライン７０の電位が高いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が小さく、従ってオフである。一方、信号フィードバックライン７０の電位が低いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が大きく、従ってオンである。また、増幅トランジスタ２００は、第１の実施形態等とは異なり、ソースフォロア回路２０Ｂのトランジスタとして動作し、極性を反転させずに出力を行う。

上述のとおり、時刻ｔ３３において、列増幅部８の入力端子Ｂへの入力電位が基準電位ＶＡ１１から基準電位ＶＡ１２に切り替わり、一時的に、列増幅部８の入力端子Ａに入力される電位よりも入力端子Ｂに入力される電位の方が高くなる。入力端子ＡおよびＢの間のこの電位差と列増幅部８の差動増幅作用とが相俟って、信号フィードバックライン７０の電位は高いレベルとなる。このため、時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の期間の開始当初では、信号フィードバックライン７０の電位が高い。このため、フィードバックトランジスタ３００は、オフである。

時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の期間において、可変電圧源３３０の出力電位が上昇すると、ノイズ保持容量素子３１０の電荷が保たれるようにＲＤ部の電位も上昇し、ＲＤ部の電位上昇に伴ってＦＤ部の電位も上昇する。ＦＤ部の電位上昇により、増幅トランジスタ２００出力電位も上昇する。同様に、信号読み出しライン７の電位も上昇し、基準電位ＶＡ１２に近づく。これにより、入力端子ＡおよびＢの電位差が小さくなり、列増幅部８の差動増幅による出力電位が低下する。このため、信号フィードバックライン７０の電位は低下する。信号フィードバックライン７０の電位が低下すると、フィードバックトランジスタ３００では、ゲート・ソース間電圧が大きくなる。そして、フィードバックトランジスタ３００では、ある時点で、ドレインからソースに向かって（つまり、ＲＤ部から信号フィードバックライン７０に向かって）電流が流れ始める。この電流が流れ始めると、この電流によって、可変電圧源３３０の出力電位の上昇がＲＤ部の電位を上昇させる作用が部分的に相殺される。このため、ＲＤ部の電位上昇は緩やかになり、これに伴ってＦＤ部の電位上昇も緩やかになる。信号読み出しライン７の電位が基準電位ＶＡ１２となったときに、ＲＤ部の電位は一定値となり、信号フィードバックライン７０およびＦＤ部の電位も一定値となる。このように、バーチャルショートにより列増幅部８の入力端子Ａの電位が入力端子Ｂの電位に近づいていく期間において、各種電位が変化する。

ＲＤ部の電位が一定値となるときは、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧はＶαであり、この点は、時刻ｔ３３の前の期間と同様である。ただし、時刻ｔ３３において、列増幅部８の入力端子Ｂへの入力電位がＶＡ１１からＶＡ１２へと上昇している。このことと、列増幅部８の入力端子ＡおよびＢのバーチャルショートとが相俟って、入力端子Ａの電位および信号読み出しライン７の電位が、ＶＡ１２に追従する。増幅トランジスタ２００のドレインまたはソースの電位も、ＶＡ１２に追従する。従って、ＲＤ部の電位が一定値となるときのＦＤ部の電位は、ＶＡ１２＋Ｖα＝ＶＲＳＴ２＋（ＶＡ１２－ＶＡ１１）である。この電位は、ＶＡ１２＞ＶＡ１１であるため、時刻ｔ３３の前の期間の値ＶＲＳＴ２よりも大きい。ＦＤ部の電位はＲＤ部の電位上昇に伴って上昇するものであるため、一定値となったＲＤ部の電位は、時刻ｔ３２におけるＲＤ部の電位よりも上昇していることになる。

ここで、可変電圧源３３０の出力電位は、時刻ｔ３４から時刻ｔ３５の期間において変化している。このため、ノイズ保持容量素子３１０からは電荷が放出される。この電荷の放出により、フィードバックトランジスタ３００では、ドレインからソースに向かう電流が流れる。その電流量は、Ｃｓ×Ｋである。

以上の説明から理解されるように、ノイズ保持容量素子３１０および可変電圧源３３０が電流源として動作し、かつ、ＲＤ部の電位が信号フィードバックライン７０の電位よりも高いという状況が得られる。この状況において、フィードバックトランジスタ３００、ノイズ保持容量素子３１０および可変電圧源３３０は、ゲート接地増幅回路として動作する。このため、信号フィードバックライン７０の信号は、１よりも大きい増幅率Ｂ２で、ＲＤ部に伝達される。よって、ＦＤ部の信号は、－Ａ２×Ｂ２×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ）倍に増幅されてＦＤ部に帰還する。ここで、－Ａ２は、列増幅部８の増幅率である。

時刻ｔ３５において、可変電圧源３３０の出力が、制御電位ＶＢ１２に固定される。また、増幅制御線ＣＯＮ３００の電位が、ハイレベルからローレベルに切り替わる。

時刻ｔ３４からｔ３５までの撮像装置の帰還動作により、時刻ｔ３５においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズは、時刻ｔ３２においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズの、１／（１＋Ａ２×Ｂ２×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制される。また、帰還動作により、フィードバックトランジスタ３００で発生する熱ノイズは１／√（１＋Ａ２×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、ＦＤ部にはさらにＣｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）倍に抑制されて伝達されることになる。従って、時刻ｔ３５においてＦＤ部に残存するフィードバックトランジスタ３００由来の熱ノイズは、時刻ｔ３２においてＦＤ部に残存する同熱ノイズの、１／√（１＋Ａ２×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。

［第３２の期間］
時刻ｔ３６において、ＦＤ部の電圧は、リセット電圧から、時刻ｔ３５からｔ３６の期間に光電変換部１が生成した信号電荷の量に応じた電圧だけ変化している。ＦＤ部の信号は、時刻ｔ３７に１倍程度の増幅率で信号読み出しライン７に出力される。

ここで、ランダムノイズは、光電変換部１が生成した信号電荷が０の時の出力の揺らぎ、すなわち、ｋＴＣノイズとフィードバックトランジスタ３００の熱ノイズの二乗和である。［第３１の期間］において、ｋＴＣノイズは１／（１＋Ａ２×Ｂ２×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、フィードバックトランジスタ３００の熱ノイズは１／√（１＋Ａ２×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。例えば、増幅率Ｂ２を１００倍、ＣｃをＣｆｄの０．１倍、ＣｓをＣｆｄの２５倍にすると、増幅率Ａ２が１０倍でも、ｋＴＣノイズは１／７６倍に抑制され、フィードバックトランジスタ３００の熱ノイズに関しても、時刻ｔ３２におけるｋＴＣノイズの１／９２倍に抑制される。従って、ランダムノイズが大幅に抑制された状態で、光電変換部１で変換された信号電荷を読み出すことが可能となる。

以上の説明から理解されるように、第４の実施形態の撮像装置は、差動増幅回路８と、第１電圧供給回路と、を備える。差動増幅回路８は、第１入力端子Ａ、第２入力端子Ｂおよび出力端子Ｅを有する。第１入力端子Ａは、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインの一方に接続されている。出力端子Ｅは、フィードバックトランジスタ３００のソースおよびドレインの一方に接続されている。第１電圧供給回路は、第２入力端子Ｂに接続されている。第１電圧供給回路は、互いに異なる少なくとも２種類の電圧を選択的に出力する。図１３の例では、第１電圧供給回路は、入力切り替え回路８３に対応する。

（第５の実施形態）
図１４に、第５の実施形態の信号読み出し回路を示す。

図１４の例では、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、切り替え回路２３が接続されている。切り替え回路２３は、スイッチ素子２３０および２３１と、電圧源２３２と、電流源２３３と、を有する。

電圧源２３２は、制御電位ＶＢ５１を出力する。制御電位ＶＢ５１は、例えば、電源電位ＶＤＤである。電流源２３３は、電流源２３３から増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインに向かって流れる電流を生成する。

増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、スイッチ素子２３０を介して電圧源２３２が接続され得る。増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインには、スイッチ素子２３１を介して電流源２３３が接続され得る。

スイッチ素子２３０には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ２３０が接続されている。スイッチ素子２３１には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ２３１が接続されている。本実施形態では、撮像装置は、複数の（図示の例では２つの）スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ２３０およびＣＯＮ２３１の電位を調整することによって、複数の（図示の例では２つの）スイッチ素子２３０および２３１から選択される１つのスイッチ素子をオンにし、他のスイッチ素子をオフにする。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインに、電位ＶＢ５１を印加するか、それとも電流源２３３を接続するか、を切り替え可能である。

一例では、切り替え回路２３は、画素ごとに設けられている。別例では、切り替え回路２３は、複数の画素で共用されている。この別例によれば、１画素あたりの素子数を削減できる。

図１４の例では、信号読み出しライン７には、切り替え回路９０が接続されている。切り替え回路９０は、スイッチ素子９００，９０１および９０２と、電圧源９０３および９０４と、電流源９０５と、を有する。

電圧源９０３は、基準電位ＶＡ２１を出力する。電圧源９０４は、基準電位ＶＡ２２を出力する。基準電位ＶＡ２１は、例えば、グランド電位ＧＮＤである。基準電位ＶＡ２２は、基準電位ＶＡ２１よりも大きく、制御電位ＶＢ５１は基準電位ＶＡ２２よりも大きい。つまり、ＶＡ２１＜ＶＡ２２＜ＶＢ５１の大小関係が成立する。電流源９０５は、信号読み出しライン７から電流源９０５に向かって流れる電流を生成する。

信号読み出しライン７には、スイッチ素子９００を介して電圧源９０３が接続され得る。信号読み出しライン７には、スイッチ素子９０１を介して電圧源９０４が接続され得る。信号読み出しライン７には、スイッチ素子９０２を介して電流源９０５が接続され得る。

スイッチ素子９００には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ９００が接続されている。スイッチ素子９０１には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ９０１が接続されている。スイッチ素子９０２には、スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ９０２が接続されている。本実施形態では、撮像装置は、複数の（図示の例では３つの）スイッチ素子制御信号線ＣＯＮ９００，ＣＯＮ９０１およびＣＯＮ９０２の電位を調整することによって、複数の（図示の例では３つの）スイッチ素子９００，９０１および９０２から選択される１つのスイッチ素子をオンにし、他のスイッチ素子をオフにする。これにより、信号読み出しライン７に、基準電位ＶＡ２１を印加するか、基準電位ＶＡ２２を印加するか、それとも電流源９０５を接続するか、を切り替え可能である。

本実施形態の撮像装置では、増幅回路２０Ｃが設けられている。増幅回路２０Ｃは、切り替え回路２３、増幅トランジスタ２００、選択トランジスタ５００および切り替え回路９０を含む。

切り替え回路９０と切り替え回路２３のスイッチ素子の制御を連動させることが可能である。例えば、以下の第１接続状態と第２接続状態とが切り替わるように、上記スイッチ素子の制御を連動させることが可能である。

第１接続状態では、切り替え回路２３の複数のスイッチ素子２３０および２３１のうち、スイッチ素子２３１がオンであり、他のスイッチ素子がオフである。また、第１接続状態では、切り替え回路９０の複数のスイッチ素子９００，９０１および９０２のうちスイッチ素子９００または９０１がオンであり、他のスイッチ素子がオフである。このため、第１接続状態では、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインに電流源２３３が接続され、電圧源９０３または９０４が信号読み出しライン７に接続されることにより信号読み出しライン７の電位はＶＡ２１またはＶＡ２２に設定される。このような第１接続状態によれば、増幅回路２０Ｃを、電圧増幅率が高いソース接地増幅回路として動作させることができる。

第２接続状態では、切り替え回路２３の複数のスイッチ素子２３０および２３１のうち、スイッチ素子２３０がオンであり、他のスイッチ素子がオフである。また、第２接続状態では、切り替え回路９０の複数のスイッチ素子９００，９０１および９０２のうちスイッチ素子９０２がオンであり、他のスイッチ素子がオフである。このため、第２接続状態では、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインに電圧源２３２が接続されることにより増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインの電位はＶＢ５１に設定され、電流源９０５が信号読み出しライン７に接続される。このような第２接続状態によれば、増幅回路２０Ｃを、電圧増幅率がほぼ１であるソースフォロア回路として動作させることができる。

また、図１４の例を以下のように説明できる。撮像装置は、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインの一方に接続されるように構成された第１電流源２３３と、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方に接続されるように構成された第２電流源９０５と、を備える。撮像装置は、第１電流源２３３および第２電流源９０５のいずれか一方が増幅トランジスタ２００に電気的に接続されるように構成されている。第１電流源２３３が増幅トランジスタ２００に電気的に接続された状態において増幅トランジスタ２００に流れる電流の方向は、第２電流源９０５が増幅トランジスタ２００に電気的に接続された状態において増幅トランジスタ２００に流れる電流の方向と同じである。

図６から図１１の例および図１４の例について、以下のことが共通して言える。これらの例に係る撮像装置では、第１電圧供給源と、第１電流供給源と、が設けられている。第１接続状態において、第１電流供給源、増幅トランジスタ２００および第１電圧供給源がこの順に接続され、かつ、第１電流供給源から増幅トランジスタ２００を介して第１電圧供給源へと電流を流す向きに第１電流供給源が配置される。第１接続状態において、増幅トランジスタ２００を含む増幅回路の電圧増幅率を変更可能である。

図６から図１１の例において、電流源６００が、第１電流供給源に対応する。電圧源２２３または２２４が、第１電圧供給源に対応する。増幅回路は、増幅回路２０Ａに対応する。

図１４の例において、電流源２３３が、第１電流供給源に対応する。電圧源９０３または９０４が、第１電圧供給源に対応する。増幅回路は、増幅回路２０Ｃに対応する。

第１接続状態において、増幅回路２０Ａおよび２０Ｃは、ソース接地増幅回路として動作し得る。その第１接続状態において、増幅回路２０Ａおよび２０Ｃの電圧増幅率を変更可能である。例えば、ＰＭＯＳトランジスタ６２０およびＰＭＯＳトランジスタ６２０よりもＷ／Ｌ比が充分に大きいＰＭＯＳトランジスタ６２１を含む回路で定電流源６００を形成し、第１接続状態において、ＰＭＯＳトランジスタ６２０を用いて定電流を生成する期間と、ＰＭＯＳトランジスタ６２１を用いて定電流を生成する期間とを切り替えることによって、電圧増幅率を変更可能である。第１接続状態における電圧増幅率の最小値に対する最大値の比率は、例えば、１０倍以上である。なお、トランジスタ６２０および６２１は、半導体基板に形成される。Ｗ／Ｌ比は、その半導体基板を平面視したときにおける、トランジスタの縦横比であり、トランジスタのゲート長をＬ、トランジスタのゲート幅をＷとした時のＷ÷Ｌの値としている。

第５の実施形態は、ノイズ抑制に有効である。以下、第５の実施形態の読み出し回路の動作の具体例について説明する。

［第４０の期間］
時刻ｔ４１において、選択制御線ＣＯＮ５００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、選択トランジスタ５００が、オフからオンに切り替わる。これにより、増幅トランジスタ２００と信号読み出しライン７とが電気的に接続される。

時刻ｔ４１において、増幅制御信号線ＣＯＮ３００およびリセット制御信号線ＣＯＮ４００の電位を、ローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００が、オフからオンに切り替わる。

時刻ｔ４１において、切り替え回路２３および９０を制御する。具体的には、スイッチ素子２３１をオンに制御し、スイッチ素子２３０をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電流源２３３に接続される。また、スイッチ素子９００をオンに制御し、スイッチ素子９０１および９０２をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７に、電圧源９０３が接続され、その電位はＶＡ２１になる。切り替え回路２３および９０を制御することにより、電圧源９０３から、選択トランジスタ５００、ＭＤ部、フィードバックトランジスタ３００およびリセットトランジスタ４００をこの順に介して、ＦＤ部に電圧が供給される。その結果、ＦＤ部の電位は、リセット電位ＶＲＳＴにリセットされる。

この具体例では、リセット電位ＶＲＳＴは、増幅トランジスタ２００を動作点ＯＰαで動作させる値をとる。数式を用いると、リセット電位ＶＲＳＴは、ＶＲＳＴ＝ＶＡ２１＋Ｖαで与えられる。上述のとおり、電圧Ｖαは、増幅トランジスタ２００においてソース・ドレイン間電流が流れているときのゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧である。また、この文脈および関連する文脈において、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、増幅トランジスタ２００のゲート電圧と、増幅トランジスタ２００のソースおよびドレインのうちバイアス電圧が印加されている方と、の間の電位差を指す。図１４の例では、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、増幅トランジスタ２００のゲート電圧と、増幅トランジスタ２００における電圧源９０３，９０４または２３２との接続部と、の間の電位差を指す。

第４０の期間では、可変電圧源３３０の出力電位は、制御電位ＶＢ１０に固定されている。

［第４１の期間］
次に、時刻ｔ４２において、第１の実施形態の時刻ｔ２における動作と同じ動作がなされる。

次に、時刻ｔ４３において、切り替え回路９０を制御する。具体的には、スイッチ素子９０１をオンに制御し、スイッチ素子９００および９０２をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７は、電圧源９０４に接続され、その電位はＶＡ２２となる。電位ＶＡ２２は、電位ＶＡ２１よりも大きい。このため、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は小さくなり、増幅トランジスタ２００はオフまたはオフに近い状態となる。また、ＶＡ２１からＶＢ２２への電位の切り替えにより、ＭＤ部の電位は上昇する。

その後、時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間に、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位を、ハイレベルとローレベルの中間の電位である制御電位ＶＢ２に設定する。これにより、フィードバックトランジスタ３００は、飽和領域で動作し、ソース・ドレイン間電流を流すことを許容しつつソース・ドレイン間で電位差が生じ得る状態となる。また、可変電圧源３３０の出力電位は、制御電位ＶＢ１１から制御電位ＶＢ１２へと、徐々に上昇していく。この上昇のさせ方の具体例は、第１の実施形態で説明した通りである。

時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間における撮像装置の挙動は、以下のように説明できる。

時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間では、フィードバックトランジスタ３００のうちＭＤ部に電気的に接続されている部分は、ソースである。このため、ＭＤ部の電位が高いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が小さく、従ってオフである。一方、ＭＤ部の電位が低いときには、フィードバックトランジスタ３００は、そのゲート・ソース間電圧が大きく、従ってオンである。また、この期間では、増幅回路２０Ｃは、ソース接地増幅回路として動作する。このため、増幅トランジスタ２００は、ソース接地増幅回路のトランジスタとして動作し、反転増幅を行う。

上述のとおり、時刻ｔ４３において、増幅トランジスタ２００のドレインまたはソースの電位は、ＶＡ２１からＶＡ２２へと上昇しており、ＭＤ部の電位は高いレベルにある。このため、時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間の開始当初では、ＭＤ部の電位が高い。このため、フィードバックトランジスタ３００は、オフである。また、時刻ｔ４３におけるＶＡ２１からＶＡ２２への上記電位上昇により、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は低下する。このため、時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間の開始当初では、増幅トランジスタ２００は、そのゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧が低いレベルにあり、オフまたはオフに近い状態にある。

時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間において、可変電圧源３３０の出力電位が上昇すると、ノイズ保持容量素子３１０の電荷が保たれるようにＲＤ部の電位も上昇し、ＲＤ部の電位上昇に伴ってＦＤ部の電位も上昇する。ＦＤ部の電位が上昇すると、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧は、ＶＲＳＴ－ＶＡ２１＝Ｖαに近づくように上昇する。この電圧上昇と、増幅トランジスタ２００の反転増幅作用が相俟って、ＭＤ部の電位は低下する。ＭＤ部の電位が低下すると、フィードバックトランジスタ３００では、ゲート・ソース間電圧が大きくなる。そして、フィードバックトランジスタ３００では、ある時点で、ドレインからソースに向かって（つまり、ＲＤ部からＭＤ部に向かって）電流が流れ始める。この電流が流れ始めると、この電流によって、可変電圧源３３０の出力電位の上昇がＲＤ部の電位を上昇させる作用が部分的に相殺される。このため、ＲＤ部の電位上昇は緩やかになり、これに伴ってＦＤ部の電位上昇も緩やかになる。増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧がＶαとなったときに、ＲＤ部の電位は一定値となり、ＭＤ部およびＦＤ部の電位も一定値となる。

ＲＤ部の電位が一定値となるときは、増幅トランジスタ２００のゲート・ソース間電圧またはゲート・ドレイン間電圧はＶαであり、この点は、時刻ｔ４３の前の期間と同様である。ただし、ＲＤ部の電位が一定値となったときには、切り替え回路９０から増幅トランジスタ２００に供給される電位は、ＶＡ２１ではなくＶＡ２２である。従って、ＲＤ部の電位が一定値となるときのＦＤ部の電位は、ＶＡ２２＋Ｖα＝ＶＲＳＴ＋（ＶＡ２２－ＶＡ２１）である。この電位は、ＶＡ２２＞ＶＡ２１であるため、時刻ｔ４３の前の期間の値ＶＲＳＴよりも大きい。ＦＤ部の電位はＲＤ部の電位上昇に伴って上昇するものであるため、一定値となったＲＤ部の電位は、時刻ｔ４２におけるＲＤ部の電位よりも上昇していることになる。

ここで、可変電圧源３３０の出力電位は、時刻ｔ４４から時刻ｔ４５の期間において変化している。このため、ノイズ保持容量素子３１０からは電荷が放出される。この電荷の放出により、フィードバックトランジスタ３００では、ドレインからソースに向かう電流が流れる。その電流量は、Ｃｓ×Ｋである。ここで、Ｃｓは、ノイズ保持容量素子３１０の容量値である。Ｋは、可変電圧源３３０の出力電位の単位時間当たりの電位の変化量（すなわち、出力電位の時間変化率）である。

以上の説明から理解されるように、ノイズ保持容量素子３１０および可変電圧源３３０が電流源として動作し、かつ、ＲＤ部の電位がＭＤ部の電位よりも高いという状況が得られる。この状況において、フィードバックトランジスタ３００、ノイズ保持容量素子３１０および可変電圧源３３０は、ゲート接地増幅回路として動作する。このため、ＭＤ部の信号は、１よりも大きい増幅率Ｂで、ＲＤ部に伝達される。一方、増幅回路２０Ｃはソース接地増幅回路として動作する。よって、ＦＤ部の信号は、－Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ）倍に増幅されてＦＤ部に帰還する。ここで、－Ａは、ソース接地増幅の増幅率である。Ｃｃは、フィードバック容量素子３２０の容量値である。Ｃｆｄは、ＦＤ部の容量値である。

時刻ｔ４５において、可変電圧源３３０の出力が、制御電位ＶＢ１２に固定される。また、増幅制御信号線ＣＯＮ３００の電位が、ハイレベルからローレベルに切り替わる。

時刻ｔ４４からｔ４５までの撮像装置の帰還動作により、時刻ｔ４５においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズは、時刻ｔ４２においてＦＤ部に残存するｋＴＣノイズの、１／（１＋Ａ×Ｂ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制される。また、帰還動作により、フィードバックトランジスタ３００で発生する熱ノイズは１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））倍に抑制され、ＦＤ部にはさらにＣｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）倍に抑制されて伝達されることになる。従って、時刻ｔ４５においてＦＤ部に残存するフィードバックトランジスタ３００由来の熱ノイズは、時刻ｔ４２においてＦＤ部に残存する同熱ノイズの、１／√（１＋Ａ×Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｆｄ））×Ｃｃ／（Ｃｆｄ＋Ｃｃ）×√（Ｃｆｄ／Ｃｓ）倍に抑制される。

［第４２の期間］
時刻ｔ４６において、切り替え回路２３および９０を制御する。具体的には、スイッチ素子２３０をオンに制御し、スイッチ素子２３１をオフに制御する。これにより、増幅トランジスタ２００のソースまたはドレインは、電圧源２３２に接続され、その電位はＶＢ５１になる。また、スイッチ素子９０２をオンに制御し、スイッチ素子９００および９０１をオフに制御する。これにより、信号読み出しライン７に、電流源９０５が接続される。このように切り替え回路２３および９０を制御することにより、増幅回路２０Ｃは、ソースフォロア回路として動作する。

時刻ｔ４６において、ＦＤ部の電圧は、リセット電圧から、時刻ｔ４５からｔ４６の期間に光電変換部１が生成した信号電荷の量に応じた電圧だけ変化している。

次に、時刻ｔ４７において、信号読み出しライン７に、ＦＤ部の電位に応じた電位が印加される。先に説明した通り、ソースフォロア回路の増幅率は１倍程度である。このため、ＦＤ部の信号電圧は、１倍程度の増幅率で信号読み出しライン７に出力される。

第５の実施形態の上記具体例では、増幅トランジスタ２００を流れる電流の向きが、［第４０の期間］から［第４２の期間］にかけて常に同じである。これにより、トランジスタのドレイン／ソースの非対称性に伴う出力バラツキの影響を抑制できる。このことは、安定的にランダムノイズが抑制された良好な画像データを取得する観点から有利である。

（カメラシステム）
図１５に、撮像装置を備えたカメラシステムの構成の一例を示す。このカメラシステムは、撮像装置１０００と、光学系１００１と、カメラ信号処理部１００２と、システムコントローラ１００３と、を備える。

撮像装置１０００として、第１から第５の実施形態で説明した撮像装置を利用できる。光学系１００１は、光を集光する。光学系１００１は、レンズ等を含む。カメラ信号処理部１００２は、撮像装置１０００で撮ったデータを信号処理し、画像またはデータとして出力する。システムコントローラ１００３は、撮像装置１０００、カメラ信号処理部１００２等を制御する。

撮像装置１０００として第１から第５の実施形態で説明した撮像装置を利用することにより、読出時のリセットノイズ（ＫＴＣノイズ）を適切に抑制できる。このことは、正確な電荷読み出しを可能にし、ひいては画像特性の良好なカメラシステムをもたらす。

本開示に係る撮像装置は、デジタルスチルカメラ、医療用カメラ、監視用カメラ、車載用カメラ、デジタル一眼レフカメラ、デジタルミラーレス一眼カメラ等、様々なカメラシステムおよびセンサシステムへの利用が可能である。

１ 光電変換部
１Ａ 有機光電変換膜
１Ｂ フォトダイオード
１ａ，１ｂ 電極
２ 増幅部
３ フィードバック制御部
５ 出力選択部
６ 電流源部
７ 信号読み出しライン
８ 列増幅部
２０Ａ，２０Ｃ 増幅回路
２０Ｂ ソースフォロア回路
２２，２３ 切り替え回路
３０，３９ 経路
７０ 信号フィードバックライン
８１ 差動増幅回路
８２ ソースフォロア回路
８３ 入力切り替え回路
９０ 切り替え回路
１００ 撮像装置
１１０Ａ 画素
１２０ 電源配線
１３０ 蓄積制御線
１４１ 垂直走査回路
１４２ カラム信号処理回路
１４３ 水平信号読み出し回路
１４４ 電流源部
１７０ 垂直信号線
１８０ 水平共通信号線
２００ 増幅トランジスタ
２２０，２２１，２２２ スイッチ素子
２２３，２２４，２２５ 電圧源
２３０，２３１ スイッチ素子
２３２ 電圧源
２３３ 電流源
３００ フィードバックトランジスタ
３１０ ノイズ保持容量素子
３２０ フィードバック容量素子
３３０ 可変電圧源
３４０ 電流源トランジスタ
３５０ バイアストランジスタ
３６０ バイアス電圧源
４００ リセットトランジスタ
５００ 選択トランジスタ
６００，６０１ 電流源
６０２ 電流源
６１０，６１１ スイッチ素子
８１１，８１２ スイッチ素子
８１３，８１４ 電圧源
９００，９０１，９０２ スイッチ素子
９０３，９０４ 電圧源
９０５ 電流源
１０００ 撮像装置
１００１ 光学系
１００２ カメラ信号処理部
１００３ システムコントローラ
ＣＯＮ２２０，ＣＯＮ２２１，ＣＯＮ２２２，ＣＯＮ２３０，ＣＯＮ２３１，ＣＯＮ３００，ＣＯＮ３４０，ＣＯＮ３５０，ＣＯＮ４００，ＣＯＮ５００，ＣＯＮ６１０，ＣＯＮ６１１，ＣＯＮ８１１，ＣＯＮ８１２，ＣＯＮ９００，ＣＯＮ９０１，ＣＯＮ９０２ 信号線
ＶＡ１，ＶＡ２，ＶＡ１１，ＶＡ１２，ＶＡ２１，ＶＡ２２ 基準電位
ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ２０，ＶＢ３０，ＶＢ４０，ＶＢ５１ 制御電位
ＶＢ３，ＶＢ４，ＶＢ５ 参照電位
ＶＢ１０，ＶＢ１１，ＶＢ１２ 制御電位
Ｖｐ 電圧

Claims (15)

1. 光を信号電荷に変換する光電変換部と、
   前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
   前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
   を備え、
   前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含み、
   前記ゲート接地増幅回路は、
   第１期間において電圧利得が１よりも大きく、
   第２期間において電圧利得が０以上１以下である、撮像装置。
2. 光を信号電荷に変換する光電変換部と、
   前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
   ゲート接地増幅回路として動作することにより、前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
   を備え、
   前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含む、撮像装置。
3. 光を信号電荷に変換する光電変換部と、
   前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
   前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
   を備え、
   前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含み、
   第１端子および第２端子を有し、前記第１端子が前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続された第１容量素子と、
   第３端子および第４端子を有し、前記第３端子が前記電荷蓄積部に接続され、前記第４端子が前記第１端子に接続された第２容量素子と、を備え、
   前記第２端子に接続され、経時的に変化する電圧を出力する第３電圧供給回路を備える、撮像装置。
4. 前記第１容量素子の容量は、前記第２容量素子の容量よりも大きい、
   請求項３に記載の撮像装置。
5. ソースおよびドレインの一方が前記第３端子に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記第４端子に接続された第３トランジスタを備える、
   請求項３または請求項４に記載の撮像装置。
6. 光を信号電荷に変換する光電変換部と、
   前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
   前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
   を備え、
   前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含み、
   ソースおよびドレインの一方が、前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続されたバイアストランジスタと、
   前記バイアストランジスタのソースおよびドレインの他方に接続されたバイアス電圧源と、を備える、撮像装置。
7. 前記ゲート接地増幅回路は、第１期間において電圧利得が１よりも大きい、
   請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記ゲート接地増幅回路は、
   第１期間において電圧利得が１よりも大きく、
   第２期間において電圧利得が０以上１以下である、
   請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 前記第１トランジスタのソースおよびドレインの他方に接続され、互いに異なる少なくとも２種類の電圧を選択的に出力する第１電圧供給回路と、
   前記第２トランジスタのゲートに接続され、互いに異なる少なくとも３種類の電圧を選択的に出力する第２電圧供給回路と、
   を備える、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 前記第２電圧供給回路が出力する前記少なくとも３種類の電圧は、前記第２トランジスタを飽和領域で動作させる電圧を含む、
    請求項９に記載の撮像装置。
11. 第１電流源および第２電流源を含み、前記第１電流源および前記第２電流源のいずれか一方を前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に選択的に接続させる電流源部を備える、
    請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
12. 前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記一方と前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記一方との間のノードに、スイッチング素子を介さずに接続される電流源を備える、
    請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
13. 光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
    前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
    を備え、
    前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含み、
    前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続されるように構成された第１電流源と、
    前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記他方に接続されるように構成された第２電流源と、を備え、
    前記第１電流源および前記第２電流源のいずれか一方が前記第１トランジスタに電気的に接続されるように構成されており、
    前記第１電流源が前記第１トランジスタに電気的に接続された状態において前記第１トランジスタに流れる電流の方向は、前記第２電流源が前記第１トランジスタに電気的に接続された状態において前記第１トランジスタに流れる電流の方向と同じである、撮像装置。
14. 光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部にゲートが接続された第１トランジスタと、
    前記第１トランジスタの出力を増幅して前記電荷蓄積部に出力するゲート接地増幅回路と、
    を備え、
    前記ゲート接地増幅回路は、ソースおよびドレインの一方が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に接続され、ソースおよびドレインの他方が前記電荷蓄積部に接続された第２トランジスタを含み、
    第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有し、前記第１入力端子が前記第１トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続され、前記出力端子が前記第２トランジスタのソースおよびドレインの前記一方に接続された差動増幅回路と、
    前記第２入力端子に接続され、互いに異なる少なくとも２種類の電圧を選択的に出力する第１電圧供給回路と、
    前記第２トランジスタのゲートに接続され、互いに異なる少なくとも３種類の電圧を選択的に出力する第２電圧供給回路と、を備える、撮像装置。
15. 前記第２電圧供給回路が出力する前記少なくとも３種類の電圧は、前記第２トランジスタを飽和領域で動作させる電圧を含む、
    請求項１４に記載の撮像装置。

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