CN103384999B - 使用电荷共享像素的转换增益调制 - Google Patents

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Abstract

根据两种操作模式操作一种包括像素元素阵列的图像传感器以调制像素的转换增益，从而基于入射光条件操作所述图像传感器。更具体地，图像传感器的像素元素在低光线条件下在高转换增益模式下操作，并且在明亮的光线条件下在低转换增益模式下操作。低转换增益模式实现在浮动扩散区和光电二极管之间的电荷共享。低转换增益模式进一步实现部分复位，其中，光电二极管和浮动扩散区被复位到相同的电位，并且被复位到略小于光电二极管的管脚电压的电位。

Description

使用电荷共享像素的转换增益调制
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2011年1月2日的美国临时专利申请序列号第61/429,162号的权益，通过引用其全部内容将该申请并入本文。
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地涉及具有多个转换增益设置的图像传感器。
背景技术
使用四个晶体管构成的CMOS图像传感器像素电路是已知的并将其简称为4T图像传感器像素或“4T像素”。在4T CMOS图像传感器像素中，光电二极管（PD）提供光子到电子的转换，而浮动扩散区（floatingdiffusion）（FD）提供电子到电压的转换。FD的每电子转换的电压被称为转换增益（CG），并且是CMOS图像传感器的重要参数。转换增益相对于模拟噪声提升了像素信号，因此降低了本底噪声（noise floor），从而使能了在较低光水平的性能。对于大尺寸像素，低光灵敏度可被FD的CG限制。特别是，在低光条件下，高增益是必需的，并且因此，期望低FD节点电容。然而，在明亮的光线条件下，期望高FD电容以从光电二极管收集所有的电荷。高FD电容使得像素增益变低。
图1是传统4T CMOS图像传感器像素的示意图。通常情况下，像素10将有大的FD电容以使得能够收集由光电二极管在高光或明亮的光线条件下收集的所有电荷，实现高的散粒噪声（shot noise）有限的SNR。因此，该像素将遭受低光条件下的低CG，导致降低的灵敏度，特别是在低光条件下。
在某些情况下，像素电路被配置为带有可以从高光条件下的高值切换到低光照条件下的低值的FD电容。实现这一点的一个公知的方法是使用双增益像素，其中所述FD被设计为具有小的基线电容，但通过晶体管连接到额外的电容元件，如图2所示，以便在需要时，引入额外的电容到FD节点。在低光条件下，栅极控制信号DCG关闭且晶体管M5被禁用。因此，FD节点只提供低基线电容。然而，在高光条件下，栅极控制信号DCG导通且晶体管M5被启用，将附加的电容元件C5连接到FD节点14，从而增加了基线FD电容。然而，该方法需要将两个附加的元件（晶体管M5和电容器C5）添加到像素电路，并且因此减少了像素的填充因子（减少灵敏度和光电二极管满阱（full well））。此外，由于额外的金属配线和栅极电容，即使当晶体管处于关闭时，附加晶体管M5的栅电极也增加了浮动扩散区电容。附加晶体管M5的附加电容减少了像素的低光灵敏度。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种图像传感设备包括光传感元件阵列，其中每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管。控制晶体管至少包括转移栅级晶体管和复位晶体管。转移栅极晶体管具有作为浮动扩散区节点的漏极端子和耦合到光电二极管的源极端子。复位晶体管具有耦合到复位电平电压的漏极端子和耦合到浮动扩散区节点的源极端子。每个光传感元件产生表示入射到光电二极管的光的强度水平的输出像素电压。控制晶体管被配置成控制每个光传感元件的复位、光积分（lightintegration）、电荷转移和数据读取操作。在操作中，光传感元件被配置为有选择地在高转换增益的第一操作模式下或在低转换增益的第二操作模式下操作。复位电平电压在第一操作模式下为正电源电压并且复位电平电压在第二操作模式下是略小于光电二极管的管脚电压（pinning voltage）的电压。此外，在第二操作模式下，在所述光传感元件的复位操作期间，光电二极管和浮动扩散区节点被复位到大约相同的电压电位，并且被复位到低于所述管脚电压的电压电位。
根据本发明的另一个方面，一种在图像传感设备中的方法包括：提供光传感元件阵列，其中每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管。控制晶体管至少包括转移栅级晶体管和复位晶体管，其中，转移栅极晶体管具有作为浮动扩散区节点的漏极端子和耦合到光电二极管的源极端子，并且复位晶体管具有耦合到复位电平电压的漏极端子和耦合到浮动扩散区节点的源极端子。控制晶体管被配置成控制每个光传感元件的复位、光积分、电荷转移和数据读取操作。该方法还包括在每个光传感元件处产生表示入射到光电二极管的光的强度水平的输出像素电压，在高转换增益的第一操作模式下或在低转换增益的第二操作模式下操作一个或多个光传感元件，为复位电平电压提供正电源电压以在第一操作模式下操作光传感元件，并且提供略小于光电二极管的管脚电压的电压以在第二操作模式下操作光传感元件，以及，在第二操作模式下复位一个或多个光传感元件，其中，光电二极管和浮动扩散区节点被复位到大约相同的电压电位，并且被复位到低于所述管脚电压的电压电位。
考虑下面的详细描述和附图会更好地理解本发明。
附图说明
图1是传统4T CMOS图像传感器像素的示意图。
图2是使用额外的电容和晶体管获得双转换增益的传统4T CMOS图像传感器像素的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的被配置为转换增益调制的4TCMOS图像传感器像素的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的当在高CG模式下操作时的图3的4T像素电路的时序图。
图5是根据本发明的一个实施例的4T CMOS图像传感器像素的布局的俯视图。
图6，其中包括图6（a）至6（e），示出根据本发明的一个实施例的当在高CG模式下操作时的图3的4T像素电路的电位图。
图7，其中包括图7（a）至7（e），示出根据本发明的一个实施例的当在低CG模式下操作时的图3的4T像素电路的电位图。
图8是根据本发明的一个实施例的，采用单一读出、在积分时间期间将转移栅极设置为低的CSM操作模式A1的时序图。
图9是根据本发明的一个实施例的，采用单一读出、在积分和读出期间将转移栅极设置为高的CSM操作模式A2的时序图。
图10是根据本发明的一个实施例的，采用单一读出、在积分和读出期间将转移栅极设置为低的CSM操作模式A3的时序图。
图11是根据本发明的一个实施例的，采用多个读出、将转移栅极一直设置为高的CSM操作模式B1的时序图。
图12是根据本发明的一个实施例的，采用多个读出、转移栅极来回切换并在数据读取期间设置为高的CSM操作模式B2的时序图。
图13是根据本发明的一个实施例的，采用多个读出、转移栅极来回切换并在数据读取期间设置为低的CSM操作模式B3的时序图。
具体实施方式
根据本发明的原理，包括像素元件阵列的图像传感器根据两个或更多的操作模式来操作以调制像素的转换增益。更具体地，基于入射光条件通过在至少两种不同的操作模式下操作像素来改变像素的转换增益（CG），使得实现转换增益调制而无需附加的像素电路或引入附加的寄生电容。在某些实施例中，通过浮动扩散区和光电二极管之间的电荷共享来调制像素的转换增益。
在本发明的实施例中，在两种操作模式之一下操作像素以调制转换增益。高转换增益（高CG）模式用于低光线条件，而低转换增益模式用于明亮光线条件。特别地，在低光线条件下，最小化浮动扩散区（FD）电容以最大限度地提高转换增益，从而实现高灵敏度。然而，在明亮光线条件下，在低转换增益模式（低CG），也称为电荷共享模式（CSM）（其中，所述光电二极管不仅提供了光子到电子的转换，还提供电荷储存）下操作像素。以这种方式，有效浮动扩散区电容被最大化，同时转换增益被最小化，从而有效地提高了像素的整体存储能力，同时降低了明亮的光线条件下的灵敏度。在一些实施例中，光电二极管提供了部分电子到电压的转换。
操作模式之间的选择可以使用描述入射在图像传感器上的光线水平的数据来自动实现。可替换地，可通过用户输入来手动选择操作模式。在一个实施例中，图像传感器使用来自集成了所述图像传感器的成像系统的控制数据来选择低CG或高CG模式。控制数据表明入射光的光线水平。例如，来自成像系统的自动增益控制（AGC）的控制数据可用于模式的选择。在一些实施例中，图像传感器可使用来自像素阵列的某些像素的数据作为光线条件的指示。在这种方式下，如在下面所详述，可在阵列水平上或在逐区域的基础上进行模式选择。
操作模式概述
图3是根据本发明的一个实施例的，被配置用于转换增益调制的4TCMOS图像传感器像素的示意图。在本说明书中，如图3和图4所示，根据本发明的实施例，具有非共享读出方案的CMOS图像传感器像素用于描述转换增益调制。为图像传感器像素应用非共享读出方案仅是说明性的。本发明的转换增益调制方案可以应用到其它像素体系结构和布局，包括共享的读输出方案，其中两个或两个以上的光电二极管共享相同的浮动扩散区节点。另外，本发明的转换增益调制方案可以应用到包括数字像素读出的其它读出方案。
参照图3，实施4T有源像素设计的像素电路80包括光电二极管（PD）和四个控制晶体管M1至M4。在本实施例中，控制晶体管M1至M4是NMOS晶体管，并且一起操作以控制像素元件的复位、光积分、电荷转移和数据读取操作。更具体地，晶体管M2是由复位信号（RST）控制的复位晶体管；晶体管M4是由行选择信号（RS）控制的行选择晶体管；晶体管M1是由转移栅极信号（Tg）控制的转移栅极；最后，晶体管M3由浮动扩散区FD（节点14）选通栅极以传感从光电二极管PD转移的电荷。4T像素电路80可以用于形成包括光传感元件或像素元件的一维或两维阵列的图像传感器，每个像素元件与4T像素电路80的构成相同。
4T像素电路80的基本操作如下。在4T有源像素元件80中，当复位信号RST与转移栅极信号Tg都被设置为一逻辑高电平时，光电二极管PD被复位到由复位晶体管M2的漏极端子（节点17）处的复位电平电压VRL所确定的电压。当复位电平电压VRL被设置为电源电压Vdd时，光电二极管PD被复位至其管脚电压，这依赖于制造工艺通常是在0.8至1.5伏特的范围内。在传统的像素电路中，复位晶体管M2的漏极端子（节点17）被直接连接到电源电压Vdd。然而，在本发明的实施例中，如将在下面所详述，在像素电路80中，复位电平电压VRL可切换地连接到Vdd电压（节点87）和部分复位电压Vpr（节点88）以实现转换增益调制的多个操作模式。在某些实施例中，源极跟随器晶体管M3和复位晶体管M2使得它们的漏极端子连接到分别的电压电源，如图3所示。
光电二极管复位操作完成后，复位信号RST返回到低状态。然后，当转移栅极信号Tg变为低并且转移栅极M1被关闭时，光电二极管PD被从该电路的其他部分孤立出来，并且所述光电二极管处于可有效的从入射光集成光子的状态，即光电二极管响应于入射光被充电。因此，该光电二极管在光集成期间操作。同时，可以从像素元件中读出出现在浮动扩散区FD节点14上的复位电压值。要读取所述复位电压值，复位信号RST保持低并且复位晶体管M2保持关闭。同时，行选择信号RS被切换到高并且行选择晶体管M4被导通，以将浮动扩散区FD的复位电压，穿过晶体管M3，连接至输出电压节点18作为输出像素电压Vout。输出像素电压Vout被传递到可被提供电流Icol的电流源偏压的位线20。从位线20开始，复位电压可以被存储在像素阵列外部的电路以便在像素阵列操作中使用，例如用于取消复位电压值。位线20上的复位电压也可以被提供给在像素阵列的外侧形成的模拟到数字转换器（ADC）以便在存储复位电压值之前将传感到的电压值数字化。
在本说明中，耦合到位线20的模拟存储电路24用于存储复位电压值以及在位线20上提供的像素电压值。在本实施例中，模拟存储电路24被实现为采样和保持电路，其中，第一开关将所述位线连接至第一电容器，第二开关将所述位线连接至第二电容器。控制信号SH-R控制第一开关以将复位电压值采样到所述第一电容器上。控制信号SH-S控制第二开关以将依赖光的像素电压值采样到所述第二电容器上。模拟存储电路24将在位线20传感到的已采样的输出像素电压Vout分别存储在各自的电容器上。当复位电压值出现在位线20上并且控制信号SH-R被置为有效（asserted）时，像素复位值DRST被采样到第一电容器。
光积分周期结束时，由光电二极管收集到的电荷可以被读出。要做到这一点，转移栅极信号Tg被切换到高以开启转移栅极晶体管M1从而从光电二极管PD（节点12）向浮动扩散区FD（节点14）转移电荷。在传统操作中，转移栅极信号Tg被切换到低以便在电荷被转移之后关闭转移栅极M1，从而将浮动扩散区从光电二极管中隔离。然后，通过将行选择信号RS设置到高以开启行选择晶体管M4，进行依赖于光的像素电压的读出。然后，所述像素电压值穿过晶体管M3被提供给输出电压节点18作为输出像素电压Vout。像素电压值被传递到位线20。在本说明中，依赖于光的像素电压值被存储在模拟存储电路24中。更具体地，在模拟存储电路24中控制第二开关的所述控制信号SH-S被置为有效以将像素电压值采样到第二电容器。然后，位线20上的输出像素电压Vout被转换为依赖于光的像素值DPD。在一些实施例中，可以将相关双采样（CDS）实现于先前记录的像素复位值被从依赖于光的像素值中取消以产生校正的、由于阵列中的像素元件的非均匀性而无噪声或错误的输出象素值。
图3中的4T CMOS图像传感器像素电路80使用相同的晶体管配置作为传统4T像素。然而，根据本发明的实施例，复位晶体管M2的漏极端子（节点17）被配置为可切换地连接到所述图像传感器的正电源电压Vdd（节点87）或连接到部分复位电压Vpr（节点88）。部分复位电压Vpr具有略小于管脚电压Vpin的电压值。复位晶体管M2的漏极端子（节点17）处的电压建立光电二极管的复位电平，并且该电压在本文中被称为复位电平电压VRL。复位电平电压VRL确定像素电路80的操作模式。当复位电平电压VRL被连接到电源电压Vdd（节点87）时，像素电路80在高CG模式下操作。当复位电平电压VRL被连接到部分复位电压的Vpr（节点88）时，像素电路80在低CG模式下操作。在本发明的实施例中，通过模式选择信号90实现对复位电平电压VRL的电压选择。该模式选择信号90可由自动控制产生，所述自动控制是基于由图像传感器传感到的光的水平。可替换地，模式选择信号90可以通过用户的输入来手动选择。
在本发明的实施例中，像素电路80在低光线条件下操作在FD电容被最小化的高CG模式。在高CG模式下，复位电平电压VRL（节点17）被连接到电源电压Vdd节点87。高CG模式使用传统的4T像素时序，其中，光电二极管被复位，并以传统的方式读出，如图4的4T像素时序图所示。在图4中，复位信号RST由曲线102表示，转移栅极信号Tg由曲线104表示，行选择信号RS由曲线106表示，控制信号SH-R由曲线108表示，并且控制信号SH-S由曲线110表示。
参照图4，传统4T像素时序涉及在复位期间将光电二极管复位至它的管脚电压（Vpin）。然后，当转移栅极信号Tg被置为无效（deasserted）时，光积分开始。在光积分期间，像素复位电压值可以在复位读出期间被读出。然后，光积分之后，转移栅极（Tg）导通以将在光电二极管（PD）收集的全部电荷转移到浮动扩散区（FD）。所有电荷被转移之后，转移栅极被关闭，并且浮动扩散区（FD）在数据读出期间被读出。
使用说明在像素电路的不同节点的电压电平的电位图可以进一步描述4T像素电路80的操作。图5是根据本发明的一个实施例的4T CMOS图像传感器像素的布局的俯视图。参照图5，转移栅极晶体管（具有控制信号Tg）形成在像素电路的浮动扩散区FD和光电二极管PD之间。复位晶体管栅极形成在浮动扩散区FD和作为接收复位电平电压VRL的复位晶体管的漏极端子的扩散区之间。图5说明了像素电路的代表性布局，并且并不旨在进行限制。在下面的说明中，提供了跨越横截面线A-A'在不同的操作条件下的像素电路80的电位图以说明该像素电路的操作。在本说明书中，电位图只是说明性的，并不旨在当做在图像传感器像素的不同部分的技术上绝对正确的能量电位的表示。更确切地说，提供电位图主要是为了图示地显示在不同的像素操作期间，电位值在图像传感器像素的不同部分的电位值和变化。
图6，其中包括图6（a）至6（e），示出根据本发明的一个实施例的当在高CG模式下操作时的图3的4T像素电路的电位图。在本图中，像素电路的正电源电压Vdd被假定为3.3V。参照图6，初始状态（图6（a））的像素电路在光电二极管PD和浮动扩散区FD处可能有未确定的电压值。因此，在任何光积分处理前，需要复位光电二极管PD。复位操作是通过将复位信号RST和转移栅极信号Tg有效至逻辑高电平来实现，也就是有效至Vdd电压（3.3V）。复位晶体管和转移栅极晶体管均导通。在高CG操作模式下，复位电平电压VRL耦合到电源电压Vdd（3.3V），并且因此，复位晶体管的漏极端子连接至Vdd电压。在本图中，升压复位信号RST以使得复位晶体管具有大于Vdd电压的栅极电压。在复位操作期间，浮动扩散区FD电短路至复位电平电压VRL，并且光电二极管PD被清空电荷。光电二极管PD被复位到其管脚电压Vpin，同时浮动扩散区FD被复位到Vdd电压。光电二极管PD和浮动扩散部FD由此被设置为不同的电位，如图6（b）所示。复位操作之后，复位信号RST被置为无效，并且转移栅极信号Tg也被置为无效，如图6（c）所示。因此，光电二极管PD从浮动扩散区FD中隔离。然后，光积分开始，光电二极管PD从入射光中收集电荷，如图6（d）所示。
光积分操作之后，在光电二极管PD处收集的电荷可以被读出，如图6（e）所示。转移栅极信号Tg被置为有效并且由光电二极管PD收集的电荷经由转移栅极晶体管的沟道被转移至浮动扩散区。在本图中，转移栅极信号Tg被升压到大于Vdd电压的值。当由光电二极管所收取的所有电荷已被转移到浮动扩散区时，数据读出流程结束。在本实施例中，电压裕量（即FD电位减去Vpin）应足够大以保持电流流自光电二极管PD，并且在关闭转移栅极信号Tg时，防止电子逆流进光电二极管PD。
图6的电位图说明了图3中的4T像素电路80在高CG模式下的操作，其中浮动扩散区电容被最小化以优化所述像素的灵敏度。在本发明的实施例中，4T像素电路80也可以在低CG模式下操作，其中，浮动扩散区电容在电荷共享模式下被最大化以提高明亮光线感应。
明亮的光线条件下的低CG操作模式使用光电二极管PD和浮动扩散区FD之间的电荷共享以增加浮动扩散区的有效容量。低CG模式用于明亮的光线条件，需要对于低光线条件的高转换增益/低电容浮动扩散区需求来说通常太高的浮动扩散区容量。低CG模式的一个关键方面是对像素电路进行复位使得光电二极管和浮动扩散区处于大致相同的电位并且低于光电二极管的管脚电压（Vpin）。
图7，其中包括图7（a）至7（e），示出根据本发明的一个实施例的当在低CG模式下操作时的图3的4T像素电路的电位图。在图7所示的图示中，如在图6所示，像素电路的正电源电压Vdd被假定为3.3V。参照图7，初始状态（图7（a））的像素电路在光电二极管PD和浮动扩散区FD处可能有未确定的电压值。因此，在任何光积分处理前，需要复位光电二极管PD。复位操作是通过将复位信号RST和转移栅极信号Tg有效至逻辑高电平来实现，也就是有效至Vdd电压（3.3V），如图7（b）所示。复位晶体管和转移栅极晶体管均导通。在低CG操作模式下，复位电平电压VRL耦合到部分复位电压Vpr，使得复位晶体管的漏极端子连接至具有略小于的电压值的Vpr电压。在本实施例中，部分复位电压Vpr约为1.25V。在复位操作期间，浮动扩散区FD电短路至具有部分电压Vpr值复位电平电压VRL，并进一步电短路至光电二极管PD。因此，光电二极管PD和浮动扩散区FD被复位到相同的偏置电平并且所述偏置电平略低于光电二极管PD的管脚电压Vpin，如图7（b）所示。将光电二极管和浮动扩散区复位到略低于管脚电压的Vpr电压电平在本文被称为“部分复位”操作。
部分复位操作之后，复位信号RST被置为无效，并且转移栅极信号Tg也被置为无效，如图7（c）所示。因此，光电二极管PD从浮动扩散区FD中隔离。然后，光积分开始，光电二极管PD从入射光中收集电荷，如图7（d）所示。
光积分操作之后，在光电二极管PD处收集的电荷可以被读出，如图7（e）所示。转移栅极信号Tg被置为有效并且由光电二极管PD收集的电荷经由转移栅极晶体管的沟道被转移至浮动扩散区。然而，在低CG操作模式下，转移栅极在信号读取阶段保持导通以使得在浮动扩散区FD、转移栅晶体管和光电二极管PD中的组合信号被读出。由于浮动扩散区和光电二极管被复位至大致相同的电压，在转移栅极导通后，所述电荷在浮动扩散区FD和光电二极管PD之间保持平衡，而不是全部转移至浮动扩散区FD。然后，组合的PD/转移栅极/FD结构作为读出节点提供大量的电荷存储。
在一些实施例中，所述转移栅极在光积分期间保持常闭状态，但周期性地开启以在电荷读出前将电荷部分转移至浮动扩散区。然后，转移栅极在读出过程中保持开启，但当读出完成时再次关闭。在其它实施例中，如将在下文中所详述，转移栅极可以定期打开以实现多采样读出。
在其它实施例中，所述转移栅极在光积分期间保持常闭状态，但周期性地开启以在电荷读出前将电荷部分转移至浮动扩散区。在这种模式下，转移栅极在读出前被关闭，使得读出时具有较高的转换增益。如将在下文中所详述，许多其他操作模式也可用于实现低CG操作模式。
低CG/电荷共享模式
现在将详细地描述明亮的光线条件下低CG模式，也被称为电荷共享模式（CSM）的操作。
首先，描述光电二极管的管脚电压。在本说明书中，光电二极管的管脚电压是指施加在光电二极管上的电压，其中，所述光电二极管的光收集区域（photo collection region）完全耗尽。更具体地，光电二极管是PN结或PIN结。光电二极管的光收集区域是n型区域并且夹持在表面p型区和外延（epi）/大块的p型区域之间。当在n型光收集区域施加正偏压时，在两个n/p接口处形成耗尽区域。随着正偏压的增加，来自n/表面p的耗尽区域变深，而来自n/epi p的耗尽区域移动至表面。在一定的偏置电压下，两个耗尽区域接触并且n型光收集区域完全耗尽。该偏置电压是光电二极管的管脚电压。
在CSM操作中，光电二极管PD被部分复位至小于光电二极管的管脚电压Vpin的电压。更具体地说，在低CG或CSM模式下，光电二极管被复位至小于光电二极管的管脚电压的部分复位电压（Vpr），因此光电二极管没有完全耗尽。此外，FD被复位至与光电二极管PD基本上相同的电压，如图7（b）的电位图所示。该复位操作被称为“部分复位”操作。部分复位通过将复位晶体管M2的漏极电压（VRL）设置为低于PD管脚电压Vpin的部分复位电压Vpr来实现。然后，将复位信号RST设置为高于Vpr+Vt的电压以复位浮动扩散区FD（Vt表示像素电路中的NMOS晶体管的阈值电压）。同时，转移栅晶体管被设置为高于Vpr+Vt的电压来复位光电二极管PD。当使用部分复位时，光电二极管PD的噪声可能较高，并且低光的FPN（固定模式噪声）可能较高（由于对复位晶体管的漏极电压的依赖）。但是，因为对明亮的光线条件主要使用低CG模式，这些伪像是可忽略的。
在本发明的实施例中，有两种读出方案可以与CSM操作一起使用：每帧单一读出或每帧多个读出（可以适用于在每个像素中产生数字输出数据的数字像素）。这些读出方案中的每一种可以进一步细分为转移栅极信号Tg在积分和/或读出期间是否被保持关闭。在下面的描述中，描述了在CSM操作下的六种读出方案。本文提供的描述只是说明性的，而并不旨在限制。本技术领域的普通技术人员在了解本说明书之后，应理解，CSM模式和部分复位操作可以被应用到各种像素时序方案和像素读出方案以调节高和低光线条件下的转换增益。
单一读出方案
模式A1
在第一实施例中，第一CSM操作模式（模式A1）被配置为在积分期间将转移栅极信号Tg设置为低、在读出期间设置为高的每帧单一读出。
图8是根据本发明的一个实施例的，采用单一读出、在积分时间期间将转移栅极设置为低的CSM操作模式A1的时序图。在模式A1的操作下，通过使复位信号RST（曲线102）有效以启用复位晶体管，以及使转移栅极信号Tg（曲线104）有效以启用转移栅极晶体管来执行部分复位。将复位电平电压VRL设置至部分复位电压（曲线103）。因此，光电二极管和浮动扩散区被复位到略小于光电二极管的管脚电压的电压值的相同的电位。
当复位信号RST被置为无效时，光积分开始。转移栅极Tg保持有效，以允许复位电压值被读出。更具体地，在复位读取期间（RST读取），行选择信号RS（曲线106）和控制信号SH-R（曲线108）被依次有效以读出在PD/Tg/FD节点的复位电压值。转移栅极信号Tg在复位读取操作之后被置为无效。
当光积分完成后，复位信号RST保持在低水平，而转移栅极信号Tg被设置为高。然后，由光电二极管收集的电荷被分发到浮动扩散区。在一些实施例中，升压转移栅极信号Tg以最小化延迟。升压涉及提高转移栅极信号Tg，所述转移栅极信号Tg是在电源电压Vdd之上的转移栅极晶体管的栅极电压。在浮动扩散区FD的电荷达到稳定状态之后，转移栅极信号Tg保持有效（逻辑高），同时像素数据被读出。更具体地，在数据读取期间，行选择信号RS（曲线106）和控制信号SH-S（曲线110）被依次有效以读出在PD/Tg/FD节点依赖于光的像素电压值。在数据读取操作之后，转移栅极信号Tg被置为无效。然后，可以进行部分复位以开始下一帧。
在模式A1下，转移栅极信号Tg在信号读取期间保持开启。另外，模式A1要求在部分复位之后立即执行复位读取（RST读取）。由于这样的配置，模式A1将有与在电压Vpr处的PD和FD容量的总和成比例的满阱。转换增益将与PD、FD和Tg的电容的总和成反比。
模式A2
在第二实施例中，第二CSM操作模式（模式A2）被配置为在积分和读出期间将转移栅极信号Tg设置为高的单一读出。
图9是根据本发明的一个实施例的，采用单一读出、在积分和读出期间将转移栅极设置为高的CSM操作模式A2的时序图。在模式A2的操作下，通过使复位信号RST（曲线102）有效以启用复位晶体管，以及使转移栅极信号Tg（曲线104）有效以启用转移栅极晶体管来执行部分复位。将复位电平电压VRL设置至部分复位电压（曲线103）。因此，光电二极管和浮动扩散区被复位到略小于光电二极管的管脚电压的电压值的相同的电位。
当复位信号RST被置为无效时，光积分开始。转移栅极Tg保持有效，以允许在RST读取期间复位电压值被读出。另外，与模式A1的操作相反，转移栅极信号Tg在复位读取操作之后保持有效，并且在整个光积分期间保持有效。以这种方式，由光电二极管所收集的电荷在整个积分期间在光电二极管和浮动扩散区之间是连续分布的。
执行数据读取时，光积分结束。在数据读取期间，复位信号RST保持为低，转移栅极信号Tg保持为高。行选择信号RS（曲线106）和控制信号SH-S（曲线110）被依次有效以读出在PD/Tg/FD节点依赖于光的像素电压值。在数据读取操作之后，转移栅极信号Tg被置为无效。然后，可以进行部分复位以开始下一帧。
在模式A2下，在执行部分复位后，复位电平电压VRL可以被设置为电源Vdd的电压，或可保持在部分复位电压。
与模式A1类似，模式A2要求在部分复位之后立即执行复位读取（RST读取）。模式A2将有与在电压Vpr处的PD和FD容量的总和成比例的满阱。转换增益将与PD、FD和Tg的电容的总和成反比。
模式A3
在第三实施例中，第三CSM操作模式（模式A3）被配置为在积分和读出期间将转移栅极信号Tg设置为低的单一读出。
图10是根据本发明的一个实施例的，采用单一读出、在积分和读出期间将转移栅极设置为低的CSM操作模式A3的时序图。在模式A3的操作下，执行部分复位之后进行复位读取操作。转移栅极信号Tg部分复位之后和复位读取之前被置为无效。当转移栅极信号被置为无效时，光积分开始直到数据读取操作。经过积分，转移栅极信号Tg被脉冲为高以将来自光电二极管的电荷转移到浮动扩散区。当光电二极管PD和浮动扩散区FD已经达到了新的电位平衡时，转移栅极Tg被置为无效，并且浮动扩散区FD在数据读取期间被读出。
在模式A3的操作下，在执行部分复位后，复位电平电压VRL可以被设置为电源Vdd的电压，或可保持在部分复位电压。
与模式A1类似，模式A3要求在部分复位之后立即执行复位读取（RST读取）。在模式A3中，满阱将与电压Vpr处的PD容量成比例，而CG将与FD加PD的电容成反比。
多个读出方案
模式B1
在第四实施例中，第四CSM操作模式（模式B1）被配置为转移栅极信号Tg设置为高的多个读出。模式B1是模式A2在每帧多个读出的扩展。
图11是根据本发明的一个实施例的，采用多个读出、将转移栅极一直设置为高的CSM操作模式B1的时序图。模式B1以与模式A2相同的方式操作，其中，执行部分复位并且当复位信号RST被置为无效时开始光积分。在模式B1中，转移栅极Tg在部分复位后保持有效，以允许在RST读取期间读出复位电压值。此外，转移栅极信号Tg复位读取操作之后保持有效并且在整个光积分期间保持有效。以这种方式，由光电二极管所收集的电荷在整个积分期间在光电二极管和浮动扩散区之间是连续分布的。
在模式B1下，在光积分期间，转移栅极信号Tg被置为有效高、行选择信号RS（曲线106）和控制信号SH-S（曲线110）被周期性地置为有效以读出在PD/Tg/FD节点的依赖于光的像素电压值的多个样本。以这种方式，进行对依赖于光的像素电压值的多个采样。在每个采样中，像素值可以被数字化存储在像素阵列的外部。
在模式B1的操作下，进行部分复位之后，复位电平电压VRL可以被设置至电源Vdd的电压，或可保持在部分复位电压。
在模式B1下，满阱将正比于Vpr处的PD和FD的容量总和、以及“处于”偏置电压上的转移栅极处的Tg容量。转换增益将与PD、FD和Tg的电容的总和成反比。
模式B2
在第五实施例中，第五CSM操作模式（模式B2）被配置为转移栅极信号Tg在读取期间来回切换设置为高的多个读出。模式B2是模式A1在每帧多个读出的扩展。
图12是根据本发明的一个实施例的，采用多个读出、转移栅极来回切换并在数据读取期间设置为高的CSM操作模式B2的时序图。模式B2以与模式A1相同的方式操作，其中，执行部分复位并且当复位信号RST被置为无效时光积分开始。在模式B2中，转移栅极Tg在部分复位后保持有效，以允许在RST读取期间读出复位电压值。
在复位读取周期之后和光积分期间，转移栅极信号Tg被周期性地置为有效以将电荷从光电二极管转移至浮动扩散区。更具体地，每次转移栅极信号Tg被置为有效时，转移栅极信号具有用于电荷转移的足够长的脉冲宽度，以达到光电二极管PD和浮动扩散区FD之间的稳定状态。在本发明的实施例中，转移栅极信号Tg的脉冲宽度是PD-FD稳定时间和在稳定之后所需的读出时间的函数。在转移栅极信号Tg被置为有效期间，行选择信号RS和控制信号SH-S被置为有效以读出像素值。像素值可以被数字化存储在像素阵列的外部。然后，转移栅极信号Tg被置为无效直到给定的积分周期结束。在整个光积分周期重复进行电荷转移和读出流程以读出依赖于光的像素值的多个样本。在当前帧的末尾，执行部分复位以开始下一帧。
在模式B2的操作下，进行部分复位之后，复位电平电压VRL可以被设置至电源Vdd的电压，或可保持在部分复位电压。
模式B2将需要在积分开始前具有复位电平读取（RST读取）。满阱将正比于部分复位电压Vpr处的PD和FD的容量总和，而转换增益将与PD、FD和Tg的电容的总和成反比。
模式B3
在第六实施例中，第六CSM操作模式（模式B3）被配置为转移栅极信号Tg在读取期间来回切换设置为低的多个读出。模式B3是模式A3在每帧多个读出的扩展。
图13是根据本发明的一个实施例的，采用多个读出、转移栅极来回切换并在数据读取期间设置为低的CSM操作模式B3的时序图。模式B3以与模式A3相同的方式操作，其中，执行部分复位并且当复位信号RST被置为无效时光积分开始。在模式B3中，转移栅极Tg在部分复位后复位读取期间保持置为无效。复位读取周期之后和光积分期间，转移栅极信号Tg被周期性地置为有效以将电荷从光电二极管转移至浮动扩散区。然而，转移栅极信号Tg和行选择信号RS及控制信号SH-S是互斥的。即，当行选择信号RS和控制信号SH-S被置为无效时，转移栅极信号Tg被置为有效，反之亦然。
更具体地，第一积分阶段之后，转移栅极信号Tg被置为有效且具有用于电荷转移的足够长的脉冲宽度，以达到光电二极管PD和浮动扩散区FD之间的稳定状态。然后，转移栅极信号Tg被设置为低，并且通过将行选择信号RS和控制信号SH-S置为有效以读出像素数据并将其数字化存储。下一积分阶段开始，在这之后转移栅极信号Tg再次被脉冲为高足够长的时间以使得PD和FD的电荷达到稳定状态。转移栅极信号Tg再次被设为低，并且读出像素数据并数字化存储。在整个光积分周期重复进行电荷转移和读出流程直到读取最后一个数据。由此获得依赖于光的像素值的多个样本。在当前帧的末尾，执行部分复位以开始下一帧。
模式B3将需要在积分开始前具有复位电平读取（RST读取）。在模式B3中，满阱将正比于部分复位电压Vpr处的PD容量，而转换增益将与FD加PD的电容成反比。
可替换实施例
在其他实施例中，在上述任何一种操作模式下，部分复位可能发生在完全复位至光电二极管的管脚电压之后。可以进行完全复位以减少噪音。
根据另一实施例，区域时序控制用于被配置为二维像素阵列的图像传感器。在区域时序控制中，接收低光的传感器的区域可以在高转换增益模式下工作，而接收明亮的光线的该传感器的其他区域可以在低转换增益模式下工作。区域的大小可以从1个像素到所述阵列的大部分像素之间变化。
上面的描述仅仅是说明性的，并不旨在限制。可使用其它的时序控制以在本发明的范围内操作电荷共享模式。此外，准确的时序将依赖于诸如像素结构（4T、数字像素、全域快门等）的因素。其他时序方案可用于实现高CG和低CG操作模式。
总结
综上所述，在本发明的实施例中，一种图像传感器被配置为在无需任何附加像素电路的情况下，提供可变转换增益。
在一个实施例中，所述图像传感器被配置为在高转换增益模式和低转换增益模式下操作，其中，所述低转换增益模式通过在像素电路的浮动扩散区和光电二极管之间共享电荷来实现。
在一个实施例中，通过自动控制，诸如通过传感入射在图像传感器上的光的水平，来实现在高转换增益操作模式和低转换增益操作模式之间的选择。在另一个实施例中，高CG和低CG操作模式之间的选择是由用户选择的。
在一个实施例中，图像传感器被配置为在区域基础上选择两种操作模式之一。也就是说，图像传感器中的第一组像素可能在第一操作模式下操作，而图像传感器中的第二组像素可能在第二操作模式下操作。
根据本发明的另一个方面，图像传感器的像素被配置为在两种或更多种操作模式下操作。在第一操作模式种，像素的光电二极管被完全复位到光电二极管的管脚电压。在第二操作模式中，光电二极管和浮动扩散区被复位至基本上相同的电位，复位电位小于光电二极管的管脚电压，称为部分复位。
在一个实施例中，在第二操作模式下，像素的光电二极管在部分复位之前被完全复位。
在一个实施例中，复位电位由复位晶体管上的电压设置。在一个实施例中，部分复位电压被提供给复位晶体管的漏极端子，并且在所述第二操作模式下的复位电位由部分复位电压设置。
像素电路可以工作在单一读出模式下，多个读出模式下，同时转移栅极信号保持为高或低，如上面参照图8-13所描述。
在另一个实施例中，选择转移栅极信号的栅极电压以抵消暗电流、速度和迟延的影响。
提供上面的详细描述以说明本发明的具体实施例，而不是旨在限制。许多在本发明的范围内的修改和变型是可能的。本发明由所附权利要求所定义。

Claims (20)

1.一种图像传感设备，包含：
光传感元件阵列，其中每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管，所述控制晶体管至少包括转移栅级晶体管和复位晶体管，所述转移栅极晶体管具有作为浮动扩散区节点的漏极端子和耦合到光电二极管的源极端子，所述复位晶体管具有耦合到复位电平电压的漏极端子和耦合到浮动扩散区节点的源极端子，
其中，每个光传感元件产生表示入射到光电二极管的光的强度水平的输出像素电压，以及所述多个控制晶体管被配置成控制每个光传感元件的复位、光积分、电荷转移和数据读取操作；以及
其中，所述光传感元件被配置为有选择地在高转换增益的第一操作模式下或在低转换增益的第二操作模式下操作，所述复位电平电压在第一操作模式下为正电源电压以及复位电平电压在第二操作模式下是略小于光电二极管的管脚电压的电压；以及，在第二操作模式下，在所述光传感元件的复位操作期间，光电二极管和浮动扩散区节点被复位到大约相同的电压电位，以及被复位到低于所述管脚电压的电压电位。
2.如权利要求1的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，在转移栅极晶体管开启的电荷转移操作期间，由光电二极管从入射光收集的电荷在光电二极管和浮动扩散区节点之间保持平衡。
3.如权利要求1的图像传感设备，其中，在所述第一操作模式中，在光传感元件的复位操作期间，所述光电二极管被复位到所述管脚电压，以及所述浮动扩散区节点被复位到所述正电源电压。
4.如权利要求1的图像传感设备，其中，所述耦合到复位晶体管的漏极端子的复位电平电压可切换地连接到所述正电源电压和部分复位电压，所述部分复位电压是略小于光电二极管的管脚电压的电压，模式选择信号为复位电平电压选择所述正电源电压和所述部分复位电压之一。
5.如权利要求4的图像传感设备，其中，所述模式选择信号是表示入射在光传感元件阵列上的光强度水平的信号。
6.如权利要求4的图像传感设备，其中，所述模式选择信号由用户输入生成。
7.如权利要求1的图像传感设备，其中，所述阵列中的第一组光传感元件在第一操作模式下操作，而所述阵列中的第二组光传感元件在第二操作模式下操作。
8.如权利要求1的图像传感设备，其中，所述转移栅极晶体管由转移栅极信号控制，以及所述复位晶体管由复位信号控制，所述复位操作通过将转移栅极信号和复位信号同时置为有效来实现；以及其中，所述多个控制晶体管进一步包括配置为将浮动扩散区节点上的电荷转移至位线的行选择晶体管，所述行选择晶体管由行选择信号控制以在数据读取操作期间读出光电二极管的输出信号。
9.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述行选择信号在复位操作之后被置为有效以读出浮动扩散区节点的复位电压值。
10.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述转移栅极信号在光积分操作的至少一部分期间内被置为无效，以及所述转移栅极信号和所述行选择信号在光积分操作结束时和数据读取操作期间被置为有效以读出输出像素电压。
11.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述转移栅极信号在整个光积分操作期间内被置为有效，以及所述转移栅极信号和所述行选择信号在数据读取操作期间被置为有效以读出输出像素电压。
12.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述转移栅极信号在光积分操作的至少一部分期间内被置为无效；所述转移栅极信号在光积分操作快要结束时被置为有效以将电荷从光电二极管转移至浮动扩散区节点；以及在数据读取操作期间当所述行选择信号被置为有效时，所述转移栅极信号被置为无效以读出输出像素电压。
13.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述转移栅极信号在整个光积分周期内被置为有效，以及所述行选择信号在光积分操作期间被周期性地置为有效以读出输出像素电压的多个样本。
14.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述转移栅极信号在光积分周期内被周期性地置为有效，所述转移栅极信号以具有足够长的脉冲宽度被置为有效使得允许光电二极管和浮动扩散区节点之间的电荷转移达到稳定状态，以及当转移栅极信号被置为有效时，将所述行选择信号置为有效以读出输出像素电压的多个样本。
15.如权利要求8的图像传感设备，其中，在所述第二操作模式下，所述转移栅极信号在光积分周期内被周期性地置为有效，所述转移栅极信号以具有足够长的脉冲宽度被置为有效使得允许光电二极管和浮动扩散区节点之间的电荷转移达到稳定状态，以及当转移栅极信号被置为无效时，将所述行选择信号置为有效以读出输出像素电压的多个样本。
16.一种在图像传感设备中的方法，包含：
提供光传感元件的阵列，每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管，所述多个控制晶体管至少包括转移栅级晶体管和复位晶体管，所述转移栅极晶体管具有作为浮动扩散区节点的漏极端子和耦合到光电二极管的源极端子，所述复位晶体管具有耦合到复位电平电压的漏极端子和耦合到浮动扩散区节点的源极端子，所述多个控制晶体管被配置成控制每个光传感元件的复位、光积分、电荷转移和数据读取操作；
在每个光传感元件处产生表示入射到光电二极管的光的强度水平的输出像素电压；
在高转换增益的第一操作模式下或在低转换增益的第二操作模式下操作一个或多个光传感元件；
为复位电平电压提供正电源电压以在第一操作模式下操作光传感元件；
提供略小于光电二极管的管脚电压的电压以在第二操作模式下操作光传感元件；以及
在第二操作模式下复位一个或多个光传感元件，所述光电二极管和所述浮动扩散区节点被复位到大约相同的电压电位，以及被复位到低于所述管脚电压的电压电位。
17.如权利要求16的方法，还包含：
对光电二极管处的电荷求积分以作为入射光的函数；
在所述第二操作模式中，在电荷转移操作期间开启光传感元件的转移栅极晶体管，在光电二极管处从入射光收集的电荷在光电二极管和浮动扩散区节点之间保持平衡。
18.如权利要求16的方法，还包含：
在所述第一操作模式中复位一个或多个光传感元件，所述光电二极管被复位到所述管脚电压，以及所述浮动扩散区节点被复位到所述正电源电压。
19.如权利要求16的方法，还包含：
基于模式选择信号在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间进行选择，所述模式选择信号是表示入射在光传感元件阵列上的光强度水平的信号或由用户输入生成的信号。
20.如权利要求16的方法，其中，所述在高转换增益的第一操作模式下或低转换增益的第二操作模式下操作一个或多个光传感元件包含：在第一操作模式下操作所述阵列中的第一组光传感元件，以及在第二操作模式下操作所述阵列中的第二组光传感元件。
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