CN108476297A - 具有扩展的动态范围的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了各种实施方案，在所述各种实施方案中，具有扩展的动态范围的电子图像传感器包括例如像素电路和列读出电路。列读出电路包括例如相关双采样(CDS)电容器、一个或多个CDS钳位开关、单斜率模数转换器(ADC)电路和列存储器。公开了其他设备和方法。

Description

具有扩展的动态范围的图像传感器
相关申请
本申请要求2016年1月15日提交专利号为62/279,618且题为“具有扩展的动态范围的图像传感器(IMAGE SENSORS HAVING EXTENDED DYNAMIC RANGE)”的美国专利申请的优先权的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及包含光敏材料诸如纳米晶体或其他光敏材料的光学和电子设备、系统和方法，以及制作和使用该设备和系统的方法。
背景技术
典型的三晶体管(3T)像素电路的主要缺点是高热(例如kTC)噪声，这使动态范围和低光性能恶化。3T像素kTC噪声取决于像素转换增益。遗憾的是，高转换增益导致在高光下较差的动态范围和较低的信噪比(SNR)。现有技术中的考虑包括如下提议：用反馈放大器和并入电压相关电容器元件的检测节点的参数重置来减少kTC噪声。反馈放大器方法需要显著的附加功率。速度受重置电压缓慢斜升的限制。迄今为止，从未实际实施过在具有电压相关电容器情况下的参数重置。另外，本领域的普通技术人员对关于该方法的可行性表示关注。而且，提议的双转换增益像素可仅改善场景间动态范围。附加地，用于四晶体管(4T)像素动态范围扩展的所提议的溢流原理需要多个读出路径和芯片外处理。
以引用方式并入
本说明书中提到的每个专利、专利申请和/或公开全文以引用方式并入本文，如同每个单独的专利、专利申请和/或公开被具体地和单独地指示为以引用方式并入。
附图说明
图1示出了现有技术的三晶体管(3T)像素电路的示意图；
图2示出了根据各种实施方案的溢流像素和列电路图；
图3A至图3C示出了用于软重置的像素电势图的各种实施方案；
图4示出用于在低光下集成的像素电势图的实施方案；
图5示出用于在高光下集成的像素电势图的实施方案；
图6示出了与读出阶段有关的实施方案的时序图；
图7示出了根据实施方案的与列存储器写入有关的时序图；
图8示出了涉及根据各种实施方案的作为重置数量的函数的各种噪声水平的强度的图形；
图9示出了根据各种实施方案的另选的像素电路；
图10示出了可与图9的另选像素电路一起使用的时序图的示例；并且
图11示出了根据实施方案的与列存储器写入有关的时序图。
具体实施方式
与现有技术的提议的技术相比，并且如下面将更详细描述的，所公开的主题发明通过在低光下使用高转换增益，允许kTC噪声减少。另外，所公开的主题允许用溢流概念来扩展场景内动态范围。由本文各种实施方案所定义的方法简单且有效。它不需要附加的反馈放大器，该附加的反馈放大器需要更多的空间和更多的功率。在各种实施方案中，所公开的主题公开了添加溢流电容以实现更高的动态范围，并且针对低光情况保持高转换增益。这是双转换增益像素。高转换增益用于低光下的较低kTC噪声。低转换增益用于在高光下扩展动态范围，并且增加SNR。提议的像素的操作基于电荷守恒，这允许维持线性响应。具有例如二的转换增益比倍数允许通过列存储器中的数据移位自动调整增益。在各种实施方案中，通过对多个重置进行采样以减少kTC噪声。
具有高达350μV/e的转换增益导致9-e kTC噪声。双采样将噪声增加了2的平方根倍。相同时间软重置将其减小相同的量。3T像素信号读出之后进行重置读出。为了进一步减少时间噪声，可使用多次像素重置。每次重置之后都进行转换。平均操作将时间噪声减少n个样本的平方根。可是，通过先前重置引入的重置噪声保持不受影响。
图8示出了在具有n个重置的情况下噪声减少的示例。在该示例中，最大的噪声减少发生在n＝4处。图9中示出有关电路图的实施方案。列电路由相关双采样(CDS)电路、单斜率模数转换器(ADC)和列存储器(5)组成。ADC由比较器(1)和计数器(2)组成。在读出的第一阶段中，像素信号被钳位在列CDS电容器C1上图10中示出示例有关的时序图。同时参考图9和图10，像素重置之后进行ADC转换。第二转换和后续转换不一定旨在为全面转换，这可使其对行时间的影响最小化。在实施方案中，我们实际上仅需要在低光下的低读取时间噪声。在高光情况下，无论如何，光子噪声占主导地位。因而，图9的计数器(2)仅在某个任意(例如，预先确定的)阈值以下添加信号。如果信号高于阈值，则停止信号使Clk断开连接，并且停止计数器(2)。相同的停止信号控制图9的MUX(3)。如果停止信号为高时，则计数器数据进入列存储器(5)中而基本上没有延迟，或者以最小的延迟进入列存储器(5)中。否则，数据将被延迟两个时钟周期。如果存在四个转换，则该示例用于4分频。因而，在该实施方案中，仅对低信号实行平均化。图11示出4分频时序图。在将ADC数据写入图9的列存储器(5)中之后，图10的CRST信号重置计数器(2)。
图1中示出现有技术的简化电路图。该电路的主要缺点是与检测节点或浮动扩散(FD)的重置电荷波动有关的高kTC噪声。遗憾的是，FD电容的减小导致像素动态范围下降。
为了解决这种落差，如图2所示，添加了溢流(OF)电容器COF。提议的像素也包括将OF电容器耦接到FD的晶体管M4。由以下给出像素转换增益(CG)：
CG＝q/CFD
其中q是基本电荷，并且CFD是总FD节点电容。
在实施方案中，图2的电路如下操作。在像素重置期间，M4晶体管接通。它可为软重置或硬重置。在图3A至图3C中示出软重置序列。软重置将kTC噪声减少约3dB，但是使用刷新操作以避免滞后和低光信号损失。下一步是通过将栅极电压设定为低电平，提高M4的OFG栅极下的势垒。在M1的重置栅极下建立势垒完成重置操作。FD节点现在开始收集光电荷。如图4处所示的，没有光电荷在低光条件下到OFD节点。如图5所示，光电荷仅在高光情况下开始溢流到OFD节点中。如图6所示，通过将RS信号设定为高电平，读出阶段从选择特定行中的像素开始。现在，图2中所示的列读出电路可感测FD信号。
图2的示例性列读出电路由CDS电容器C1、CDS钳位开关CDS1和CDS钳位开关CDS2、单斜率ADC和列存储器(6)组成。单斜率ADC由比较器(1)和锁存器(2)组成。在读出周期开始时，ADC比较器(1)将FD信号与预先确定的阈值水平进行比较。它通过将给定振幅的脉冲施加到比较器(1)的负输入来实施。如果比较器(1)不翻转，则CONTR逻辑块(3)激活CDS1钳位，当OFD节点未连接时，该CDS1钳位将C1充电到FD信号。如果比较器(1)确实翻转，则在OFG开关(M4)接通之后，CDS2钳位被激活。在这种情况下，列电路感测位于OFD节点和FD节点上的共享电荷。对应地，电容器C1被充电到该信号。现在，存储在C1上的和重置的信号之间的差值被施加到比较器(1)的正极输入。读出周期继续进行A到D转换。当比较器(1)翻转时，计数器信号(CNT<n:0>)被锁存。锁存的数据在转换之后被串行写入列存储器(6)中。CONTR逻辑块(3)控制在锁存器(2)输出处的MUX(4)。在高转换增益的情况下，它通过延迟线(5)发送数据。例如，如图7所示，两个时钟延迟被用于4分频。
在各种实施方案中，图2的电路可通过使用选取作为例如约0.5fF的小电容C或例如约2fF的电容C和电容3C的总和来实现像素动态范围扩展以将光生电荷转换成电压。
在实施方案中，当光电荷仅被集成在电容器C上时，电容器C1可在时间t1(参见图6)对节点PIXOUT的电压(参见图2)进行采样，或者当光生电荷被集成在电容器C+3C上时，在时间t2对节点RB1的电压进行采样，并且保持该电压。
在实施方案中，在时间t1(图6)采样且保持的电压V1和在时间t2(图6)保持的电压被缩放2n-1，其中n是整数。在这种情况下，增益缩放2n。
在实施方案中，可将溢流控制栅极OFG电压(图2)静态地设定为高电压或低电压。当OFG栅极电压为高(例如，约3V)时，像素相当于具有等于q/(c+3C)的转换增益和等于FD动态范围Vfd(最大值乘以(C+3C))的全阱的像素，例如，2fF/1V＝12,500个电子。当OFG栅极电压为低(例如，约0V)时，像素相当于具有等于q/C的转换增益和C*Vfd(最大值)的全阱的像素，例如，05fF/1V＝3125个电子。
具有设定为高的OFG栅极的帧可与OFG栅极被设定为低的帧交错以获得众所周知的“帧切换”类型的动态范围扩展。
另选地，OFG栅极电压可在每条线期间在低电压和高电压之间切换，如图6所示。在“OFG栅极低”阶段期间，将PIXOUT(图2)上的电压与固定参考Vref(图6)进行比较，并且根据比较的结果，当OV栅极为低或当OFG栅极为高时，逻辑控制器CONTR(图2)在电容器C1上对节点PIXOUT处的电压进行采样。通过这样做，电容器C1上采样的电压等于Ne/C或Ne/2^(n-1)*C，其中Ne是在节点FD上的像素中收集的数量或光电荷。
为Vref选择的电压确定像素何时用于低动态范围低噪声(模式1)或高动态范围高噪声(模式2)中。由于工艺变化，所以该电压可从列到列和像素到像素改变，致使相同或相似照明水平的一些像素处于模式1中，并且其他像素处于模式2中。这是一种常见的高动态范围(HDR)效应，并且被称为‘拼接’问题。现有技术中独立已知的复杂算法存在是为了减少和消除或减少来自HDR图像的该问题。
而且，可沿着像素阵列紧密地控制电容器C和电容器3C之间的比率，因为值的任何失配可示出为在最终的HDR图像中像素光响应不均匀性(PRNU)。
在各种实施方案中，诸如具有扩展的动态范围的电子图像传感器的电子设备包括像素电路和列读出电路。列读出电路包括相关双采样(CDS)电容器、一个或多个CDS钳位开关、单斜率模数转换器(ADC)电路和列存储器。
在各种实施方案中，单斜率ADC包括比较器和锁存器。
在各种实施方案中，像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，并且还包括溢流栅极。
在各种实施方案中，电子设备还包括自动电路，该自动电路被配置为仅在信号低于具有溢流栅极的3T像素电路的预先确定的阈值的时间段期间多次重置像素。
在各种实施方案中，电子设备还包括用于具有溢流栅极的3T像素电路的自动增益控制系统。
在各种实施方案中，像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，该三晶体管(3T)像素电路具有被配置为增加转换增益的附加栅极。
在各种实施方案中，像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，该三晶体管(3T)像素电路具有被配置为增强动态范围的附加栅极。
在各种实施方案中，像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，该三晶体管(3T)像素电路具有被配置为允许两个不同的动态可控制转换增益的附加栅极。
在各种实施方案中，像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，该三晶体管(3T)像素电路具有被配置为允许从高到低顺序切换的两个不同的转换增益的附加栅极。
在各种实施方案中，像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，该三晶体管(3T)像素电路具有被配置为允许在相同曝光中具有高和低转换增益的两个顺序读出的附加栅极。
在各种实施方案中，一种方法包括通过多次重置像素来降低电子电路中的像素读取噪声。
在各种实施方案中，一种方法还包括仅在信号低于预先确定的阈值的时间段期间多次自动重置像素。
在各种实施方案中，电子设备包括例如3T像素电路，该3T像素电路具有附加溢流栅极。
在各种实施方案中，电子设备包括例如3T像素电路，该3T像素电路具有用于增加转换增益的附加栅极。
在各种实施方案中，电子设备包括例如3T像素电路，该3T像素电路具有用于增强动态范围的附加栅极。
在各种实施方案中，电子设备包括例如3T像素电路，该3T像素电路具有允许两个不同的动态可控制转换增益的附加栅极。
在各种实施方案中，电子设备包括例如3T像素电路，该3T像素电路具有允许可从高到低顺序切换的两个不同的转换增益的附加栅极。
在各种实施方案中，电子设备包括例如3T像素电路，该3T像素电路具有允许在相同曝光中具有高和低转换增益的两个顺序读出的附加栅极。
在各种实施方案中，电子设备包括例如自动增益控制系统，该自动增益控制系统用于具有溢流栅极的3T像素电路。
在各种实施方案中，一种方法包括例如通过多次重置像素降低像素读取噪声。
在各种实施方案中，自动方法包括例如仅当信号低于特定(例如，预先确定的)阈值时多次重置像素。
在各种实施方案中，自动方法包括例如仅当信号低于具有溢流栅极的3T像素的特定阈值时多次重置像素。
除非上下文另有明确要求，在整个描述和权利要求书中，字词“包括”、“包含”等将被解释为包含性的意义，而不是排他性或穷举性意义；也就是说，是“包括但不限于”的意义。使用单数或复数的字词也分别包括复数或单数。附加地，当在本申请中使用时，字词“本文中”、“在下面”、“在......上面”，“在......下面”以及类似含义的字词是指作为整体的本申请而不是本申请的任何特定部分。当参考两个或更多项目的列表使用字词“或”时，该字词涵盖了该字词的所有以下释义：列表中的任何项目、列表中的所有项目，以及列表中的项目的任何组合。
实施方案的上面的描述不旨在为穷举性的，或者将系统和方法限制为所公开的精确形式。虽然为了说明性目的本文描述了实施方案的具体实施方案和实施例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统和方法的范围内各种等同修改是可能的。本文提供的实施方案的教导可应用于其他系统和方法，而不仅用于上面描述的系统和方法。
上面描述的各种实施方案的元件和动作可被组合以提供另外的实施方案。鉴于本文提供的详细描述，可对实施方案做出这些和其他改变。

Claims (12)

1.一种电子设备，包括：
像素电路；和
列读出电路，所述列读出电路包括相关双采样(CDS)电容器、一个或多个CDS钳位开关、单斜率模数转换器(ADC)电路和列存储器。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述单斜率ADC包括比较器和锁存器。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，并且还包括溢流栅极。
4.根据权利要求3所述的电子设备，还包括自动电路，所述自动电路被配置为仅在信号低于具有所述溢流栅极的所述3T像素电路的预先确定的阈值的时间段期间多次重置像素。
5.根据权利要求3所述的电子设备，还包括自动增益控制系统，所述自动增益控制系统用于具有所述溢流栅极的所述3T像素电路。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，所述三晶体管(3T)像素电路具有被配置为增加转换增益的附加栅极。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，所述三晶体管(3T)像素电路具有被配置为增强动态范围的附加栅极。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，所述三晶体管(3T)像素电路具有被配置为允许两个不同的动态可控制转换增益的附加栅极。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，所述三晶体管(3T)像素电路具有被配置为允许能够从高到低按顺序切换的两个不同的转换增益的附加栅极。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素电路包括三晶体管(3T)像素电路，所述三晶体管(3T)像素电路具有被配置为允许在相同曝光中具有高和低转换增益的两个顺序读出的附加栅极。
11.一种方法，包括通过多次重置像素来降低电子电路中的像素读取噪声。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括仅在信号低于预先确定的阈值的时间段期间自动多次重置像素。
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