CN110839133B - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器，包括：第一列线和第二列线，被配置为沿第一方向延伸；多个像素组，被配置为连接到第一列线或第二列线，多个像素组中的每一个包括多个像素；偏置电路，被配置为包括第一电流电路和第二电流电路，第一电流电路和第二电流电路被配置为在第一操作模式下输出不同的偏置电流；开关电路，被配置为在第一操作模式下，在第一时间段期间将第一列线连接到第一电流电路且将第二列线连接到第二电流电路，并且在第一时间段之后的第二时间段期间将第一列线连接到第二电流电路且将第二列线连接到第一电流电路。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月16日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0095358的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
本发明构思的示例实施例涉及一种图像传感器。
背景技术
图像传感器是基于半导体的传感器，其接收光并产生电信号。图像传感器可以包括具有多个像素的像素阵列、驱动像素阵列并且产生图像的逻辑电路等。图像传感器还可以包括响应于外部光并产生电荷的光电二极管、将光电二极管产生的电荷转换成电信号的像素电路等。图像传感器可以广泛应用于智能手机、平板电脑、膝上型计算机、电视、车辆等。
发明内容
近来，已经开发了各种技术来改善图像传感器的噪声特性和操作速度。
本发明构思的至少一些示例实施例提供了一种图像传感器，能够缩短读出操作期间的稳定时间，以提高其操作速度并且显著降低读出操作期间可能发生的噪声分量。
根据本发明构思的至少一些的示例实施例，一种图像传感器包括：第一列线和第二列线，沿第一方向延伸；多个像素组，每个像素组连接到第一列线和第二列线中的相应列线，多个像素组各自包括多个像素；偏置电路，包括第一电流电路和第二电流电路，第一电流电路和第二电流电路被配置为在第一操作模式下输出不同的偏置电流；以及开关电路，被配置为在第一操作模式下操作以在第一时间段期间，将第一列线连接到第一电流电路且将第二列线连接到第二电流电路，并且在第一时间段之后的第二时间段期间，将第一列线连接到第二电流电路且将第二列线连接到第一电流电路。
根据本发明构思的至少一些的另一示例实施例，一种图像传感器包括：多条列线，沿第一方向延伸并且沿第二方向布置；多个像素组，每个像素组包括两个或更多个相邻像素，多个像素组连接到多条列线中的至少一条；偏置电路，包括多个电流电路，偏置电路被配置为向多条列线供应偏置电流；以及开关电路，连接在多条列线和偏置电路之间，开关电路被布置为使得多条列线中彼此相邻设置的至少一对列线共享多个电流电路之一。
根据本发明构思的至少一些的另一示例实施例，一种图像传感器包括：第一列线和第二列线，沿第一方向延伸；多个像素，所述多个像素中的每一个连接到第一列线和第二列线中的相应列线；偏置电路，包括：第一电流电路，被配置为输出第一偏置电流，第一电流电路包括多个第一晶体管；和第二电流电路，被配置为输出第二偏置电流，第二电流电路包括多个第二晶体管，多个第二晶体管具有与多个第一晶体管基本相同的尺寸；以及电流镜电路，包括：第一电流镜电路，被配置为控制第一电流电路输出第一偏置电流，和第二电流镜电路，被配置为控制第二电流电路输出第二偏置电流。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述，将更清楚地理解本发明构思的示例实施例的上述和其他方面、特征和优点，其中：
图1是示出了根据本发明构思的示例实施例的包括图像传感器的图像处理设备的示意图；
图2和图3是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的示意图；
图4是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的操作的图；
图5和图6是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的像素阵列中包括的像素组的图；
图7至图9是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的操作的图；
图10至图12是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的操作的图；
图13是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的读出操作的时序图；
图14是示出了根据本发明构思的示例实施例的图像传感器的偏置电路的电路图；以及
图15是示出了根据本发明构思的示例实施例的包括图像传感器的电子设备的框图。
具体实施方式
下文中，将参照附图如下描述本发明构思的实施例。
图1是示出了根据示例实施例的包括图像传感器的图像处理设备的示意图。
参考图1，根据示例实施例的图像处理设备1可以包括图像传感器10和图像处理器20。图像传感器10可以包括像素阵列11、行驱动器12、开关电路13、偏置电路14、读出电路15、时序控制器16等。行驱动器12、开关电路13、偏置电路14、读出电路15和时序控制器16可以被配置为产生用于控制像素阵列11的图像数据，并且可以包括在控制逻辑中。
图像传感器10可以响应于从图像处理器20接收的控制命令进行操作，并且可以将从对象30传输的光转换为电信号且将电信号输出给图像处理器20。包括在图像传感器10中的像素阵列11可以包括多个像素PX，并且多个像素PX可以包括接收光并产生电荷的光电器件，例如光电二极管PD。在示例实施例中，多个像素PX中的每一个可以包括两个或更多个光电器件。具体地，两个或更多个光电器件可以包括在多个像素PX中的每一个中以允许像素中的每一个产生与各种颜色的光相对应的像素信号或者提供自动对焦功能。
多个像素PX中的每一个可以包括用于根据光电二极管产生的电荷产生像素信号的像素电路。例如，像素电路可以包括转移晶体管、驱动晶体管、选择晶体管和复位晶体管等。像素电路可以检测来自多个像素PX中的每一个的复位电压和像素电压，并且通过计算电压之间的差来获得像素信号。在像素电压中，可以反映在多个像素PX中的每一个所包括的光电二极管中产生的电荷。在示例实施例中，两个或更多个相邻像素PX可以形成单个像素组，并且像素组中包括的两个或更多个像素可以彼此共享转移晶体管、驱动晶体管、选择晶体管和复位晶体管中的至少一些。
行驱动器12可以以行为单位驱动像素阵列11。例如，行驱动器可以产生用于控制像素电路的转移晶体管的转移控制信号、用于控制复位晶体管的复位控制信号以及用于控制选择晶体管的选择控制信号等。
读出电路15可以包括相关双采样器(CDS)、模数转换器(ADC)等。相关双采样器可以通过行线中包括的像素PX和列线连接，行线是由行驱动器12提供的行选择信号选择的，并且可以通过执行相关双采样检测复位电压和像素电压。模数转换器可以将相关双采样器检测到的复位电压和像素电压转换为数字信号并且输出数字信号。
当读出电路15检测到来自像素PX的复位电压和像素电压时，偏置电路14可以向连接到像素PX的列线输入一定水平的偏置电流。偏置电路14可以包括与列线相对应的多个电流电路。开关电路13可以设置多个电流电路和列线的连接路径。
行驱动器12、开关电路13、偏置电路14和读出电路15的操作可以由时序控制器16确定，并且时序控制器16可以响应于图像处理器20发送的控制命令而操作。图像处理器20可以将从读出电路15输出的图像数据处理为信号，并且将信号输出到显示设备或者将信号存储在诸如存储器等的存储设备中。备选地，在图像处理设备1安装在自动驾驶车辆中的情况下，图像处理器20可以将图像数据处理为信号并且将信号发送到控制自动驾驶车辆的主控制器，或者发送到其他组件。
图2和图3是示出了根据示例实施例的图像传感器的示意图。
参考图2，根据示例实施例的图像传感器2可以包括第一层40、布置在第一层40的下部的第二层50、布置在第二层50的下部的第三层60等。第一层40、第二层50和第三层60可以沿垂直方向层叠。在示例实施例中，第一层40和第二层50可以在晶片级中彼此层叠，并且第三层60可以在芯片级中附接到第二层50的下部。第一层40、第二层50和第三层60可以设置在单个半导体封装中。
第一层40可以包括其中布置多个像素PX的感测区域SA和布置在感测区域SA周围的第一焊盘区域PA1。多个上焊盘PAD可以包括在第一焊盘区域PA1中，并且多个上焊盘PAD可以通过通孔等连接到布置在第二层50的第二焊盘区域PA2中的焊盘和控制逻辑(LC)。
多个像素PX中的每一个可以包括接收光并产生电荷的光电二极管、处理光电二极管中产生的电荷的像素电路等。像素电路可以包括多个晶体管，用于输出与光电二极管产生的电荷相对应的电压。
第二层50可以包括提供控制逻辑LC的多个器件。控制逻辑LC中包括的多个器件可以提供用于驱动布置在第一层40中的像素电路的电路，即，例如行驱动器、列驱动器、时序控制器等。控制逻辑LC中包括的多个器件可以通过第一焊盘区域PA1和第二焊盘区域PA2连接到像素电路。控制逻辑LC可以从多个像素PX获得复位电压和像素电压，并且产生像素信号。
在示例实施例中，多个像素PX中的至少一个可以包括布置在相同水平上的多个光电二极管。根据多个光电二极管的电荷中的每一个所产生的像素信号可以具有相位差，并且控制逻辑LC可以基于从一个像素PX中包括的多个光电二极管产生的像素信号的相位差来提供自动对焦功能。
布置在第二层50下部的第三层60可以包括存储芯片MC、虚设芯片DC以及密封存储芯片MC和虚设芯片DC的保护层EN。存储芯片MC可以是动态随机存取存储器(DRAM)或者静态随机存取存储器(SRAM)，虚设芯片DC可以不具有实质上存储数据的功能。存储芯片MC可以借助于凸块电连接到包括在第二层50的控制逻辑LC中的器件的至少一些，并且可以存储提供自动对焦功能所需的信息。在示例实施例中，凸块可以是微型凸块。
参考图3，根据示例实施例的图像传感器3可以包括第一层70和第二层80。第一层70可以包括：感测区域SA，其中布置多个像素PX；控制逻辑区域LC，其中布置用于驱动多个像素PX的器件；以及第一焊盘区域PA1，布置在感测区域SA和控制逻辑区域LC周围。多个上焊盘PAD可以包括在第一焊盘区域PA1中，并且多个上焊盘PAD可以通过通孔连接到布置在第二层80中的存储芯片MC。第二层80可以包括存储芯片MC、虚设芯片DC以及密封存储芯片MC和虚设芯片DC的保护层EN。
图4是示出了根据示例实施例的图像传感器的操作的图。
参考图4，根据示例实施例的图像传感器100可以包括像素阵列110、行驱动器120、偏置电路130和读出电路140等。行驱动器120可以通过行线ROW(ROW1至ROWM)向像素电路中的每一个输入转移控制信号、复位控制信号、选择控制信号等。读出电路140可以从与行驱动器120选择的行线ROW相连的像素检测像素电压和复位电压。读出电路140可以包括采样电路141、选择电路142和模数转换器ADC等，其中采样电路141包括相关双采样器CDS，选择电路142包括将列线COL(COL1至COLN)中的至少一条连接到相关双采样器CDS的输入端子的复用器MUX，模数转换器ADC将来自相关双采样器CDS的输出转换为数字数据。
像素阵列110可以包括沿一个方向延伸的多条行线ROW，以及与行线ROW相交的列线COL。行线ROW和列线COL可以连接到多个像素组PG11至PGMN。多个像素组PG11至PGMN中的每一个可以包括两个或更多个像素，并且像素中的每一个可以包括光电二极管和像素电路。在示例实施例中，包括在多个像素组PG11至PGMN中的每一个中的像素可以共享像素电路中包括的多个晶体管中的至少一些。例如，多个像素组PG11至PGMN中的每一个可以包括响应于红光、绿光和蓝光并且产生电荷的至少一个光电二极管。
偏置电路130可以包括多个电流电路CC。多个电流电路CC可以在读出操作期间向连接到像素的列线COL输入偏置电流，在读出操作期间相关双采样器CDS从像素获得复位电压和像素电压。相关双采样器CDS的输入端子可以连接到列线之一，并且复用器MUX可以选择两条或更多条列线之一并且将该列线连接到输入端子。在图4的示例实施例中，彼此相邻的列线COL可以通过复用器MUX共享一个相关双采样器CDS。
同时，取决于图像传感器100的操作模式，由多个电流电路CC中的每一个输入到列线COL的偏置电流可以相同或者不同。此外，多个电流电路CC中的每一个可以包括多个晶体管，并且多个电流电路CC中的每一个可以占据基本相同尺寸的电路区域。换句话说，多个电流电路CC中的每一个可以使用具有相同尺寸的晶体管来实现。
在示例实施例中，复用器MUX可以选择奇数号列线COL1、COL3、...、COLN-1，并且在第一时间段期间将列线连接到相关双采样器CDS的输入端子。在第一时间段期间，偶数号列线COL2、COL4、...、COLN可以与相关双采样器CDS分离。在第一时间段期间连接到奇数号列线COL1、COL3、...、COLN-1的电流电路CC输出的偏置电流可以高于连接到偶数号列线COL2、COL4、...、COLN的电流电路CC输出的偏置电流。第一时间段可以是对连接到奇数号列线COL1、COL3、...、COLN-1的像素执行读出操作所需的时间。例如，第一时间段可以是图像传感器100的水平周期时间的整数倍。作为示例，可以通过将多个像素组PG11至PGMN中的每一个包括的像素数量乘以水平周期时间来确定第一时间段。
当在第一时间段之后的第二时间段到达时，复用器MUX可以将偶数号列线COL2、COL4、...、COLN连接到相关双采样器CDS的输入端子。在第二时间段期间连接到奇数号列线COL1、COL3、..、COLN-1的电流电路CC输出的偏置电流可以低于连接到偶数号列线COL2、COL4、...、COLN的电流电路CC输出的偏置电流。
换句话说，由于在第一时间段中连接到相关双采样器CDS的输入端子的列线COL不同于在第二时间段中连接到相关双采样器CDS的输入端子的列线COL，因此奇数号列线COL1、COL3、...、COLN-1和偶数号列线COL2、COL4、...、COLN可以在第一时间段和第二时间段中连接到电流电路CC中的不同电路。例如，在第一时间段期间，奇数号列线COL1、COL3、...、COLN-1可以连接到输出相对高的偏置电流的电流电路CC，偶数号列线COL2、COL4、...、COLN可以连接到输出相对低的偏置电流的电流电路CC。类似地，在第二时间段期间，奇数号列线COL1、COL3、...、COLN-1可以连接到输出相对低的偏置电流的电流电路CC，偶数号列线COL2、COL4、...、COLN可以连接到输出相对高的偏置电流的电流电路CC。
如上所述，当输入到列线COL的偏置电流的电平改变时，电流电路CC中的至少一个所包括的晶体管的源漏电压VDS可以降低到接近0V的值。当源漏电压VDS降低到0V的晶体管导通时，可能需要相对长的稳定时间来增加源漏电压。因此，相对高的噪声分量可能包括在第一时间段或第二时间段的早期获得的复位电压和像素电路中，这可能导致固定的模式噪声。
相反，在一个或多个示例实施例中，为了解决上述问题，向列线COL输出偏置电流的电流电路CC的晶体管可以在对像素执行读出操作的同时保持导通状态。因此，可以显著降低晶体管导通和截止时可能发生的噪声分量，还可以降低使列线COL的电压稳定所需的稳定时间，从而提高图像传感器100的性能。
图5和图6是示出了根据示例实施例的图像传感器的像素阵列中包括的像素组的图。
参考图5和图6，根据示例实施例的图像传感器的像素组PG可以包括以正方形布置的多个像素。在图5和图6的示例实施例中，像素组PG可以包括以2×2矩阵形式布置的第一像素PX1至第四像素PX4。例如，第一像素PX1和第四像素PX4可以包括分别响应于绿光并产生电荷的第一光电二极管PD1和第四光电二极管PD4。第二像素PX2可以包括响应于红光并产生电荷的第二光电二极管PD2，且第三像素PX3可以包括响应于蓝光并产生电荷的第三光电二极管PD3。然而，其示例实施例不限于此，在其他示例实施例中可以以各种方式修改像素组PG中包括的像素的数量和布置以及像素中的每一个的光电二极管所响应的光的颜色等。
参考图6中的电路图，除了第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4之外，第一像素PX1至第四像素PX4可以包括第一转移晶体管TX1至第四转移晶体管TX4，用来将第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4中产生的电荷移动到浮动扩散FD。
除了第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4和第一转移晶体管TX1至第四转移晶体管TX4之外，第一像素PX1至第四像素PX4可以共享浮动扩散FD、驱动晶体管DX、复位晶体管RX和选择晶体管SX。
可以以期望的(或者备选地，预定的)顺序一个接一个地导通像素组PG中包括的第一转移晶体管TX1至第四转移晶体管TX4。例如，当浮动扩散FD复位且通过导通复位晶体管RX而导通选择晶体管SX时，读出电路可以通过列线COL检测复位电压。此后，当第一转移晶体管TX1导通且第一光电二极管PD1中产生的电荷移动到浮动扩散FD时，读出电路可以通过列线COL获得第一像素PX1的像素电压。
在获得第一像素PX1的像素电压之后，可以再次复位浮动扩散FD，并且读出电路可以通过列线COL获得复位电压。此后，当第二转移晶体管TX2导通且第二光电二极管PD2中产生的电荷在浮动扩散FD中累积时，读出电路可以通过列线COL获得第二像素PX2的像素电压。换句话说，读出电路可以顺序地获得在一个像素组PG中包括的第一像素PX1至第四像素PX4中的复位电压和像素电压。可以以各种方式修改检测第一像素PX1至第四像素PX4中的复位电压和像素电压的顺序。
图7至图12是示出了根据示例实施例的图像传感器的操作的图。
图7至图9是示出了根据示例实施例的一般图像传感器的操作的图。
参考图7，图像传感器200可以包括像素阵列210、行驱动器220、开关电路230、偏置电路240和读出电路250等。偏置电路240可以包括输出第一偏置电流的第一偏置电路241和输出第二偏置电流的第二偏置电路242。开关电路230可以将连接到多个像素的多条列线中的每一条连接到第一偏置电路241或第二偏置电路242。
图8和图9是示出了开关电路230和偏置电路240的操作的图。参考图8和图9，开关电路230可以包括第一开关SW1至第四开关SW4，偏置电路240可以包括第一电流电路CC1至第四电流电路CC4。可以在第一开关SW1至第四开关SW4与列线COL1和COL2之间限定第一像素节点PN1和第二像素节点PN2。第一电流电路CC1至第四电流电路CC4中的每一个可以包括共源共栅晶体管CN1至CN4和偏置晶体管BN1至BN4。
第一电流电路CC1和第三电流电路CC3可以被配置为输出相对高的第一偏置电流，第二电流电路CC2和第四电流电路CC4可以被配置为输出相对低的第二偏置电流。换句话说，在图8和图9的图像传感器中，第一电流电路CC1至第四电流电路CC4中的每一个可以仅连接到列线COL1和COL2之一。
参考图8，在第一时间段期间可以对连接到第一列线COL1的第一像素组PG1和第二像素组PG2执行读出操作，并且在第二时间段期间可以对连接到第二列线COL2的第三像素组PG3和第四像素组PG4执行读出操作。在第一时间段期间，第一开关SW1和第四开关SW4可以接通，并且第一列线COL1可以从第一电流电路CC1接收第一偏置电流的输入。同时，第二列线COL2可以从第四电流电路CC4接收第二偏置电流的输入。包括在第二电流电路CC2和第三电流电路CC3中的晶体管CN2、CN3、BN2和BN3的源漏电压VDS可以降低到接近0V的值。
在第一时间段期间，复用器MUX可以选择接收第一偏置电流的输入的第一列线COL1，并且将列线COL1连接到相关双采样器的输入端子。当在第一时间段之后的第二时间段到达时，可以对连接到第二列线COL2的第三像素组PG3和第四像素组PG4执行读出操作。在第二时间段期间，第二开关SW2和第三开关SW3可以接通，且第一列线COL1可以从第二电流电路CC2接收偏置电流的输入，并且第二列线COL2可以从第三电流电路CC3接收偏置电流的输入。因此，第二偏置电流可以输入到第一列线COL1，并且第一偏置电流可以输入到第二列线COL2。
从第一时间段进入第二时间段时，第三电流电路CC3的晶体管CN3和BN3可以从截止状态转换为导通状态。由于第三电流电路CC3的晶体管CN3和BN3在第一时间段期间保持截止状态，所以源漏电压可以降低到接近0V的值。因此，即使在第二时间段开始之后，也可能需要一定量的稳定时间，直到第三电流电路CC3的晶体管CN3和BN3导通之后第一偏置电流稳定为止。因此，读出电路可以在第一偏置电流的稳定时间期间从第三像素组PG3的像素中的一些读出复位电压和像素电压，这可能导致噪声分量增加。
图9是示出了对两个或更多个像素同时执行读出操作的操作模式的图。在图9的示例实施例中，第一开关SW1和第三开关SW3可以接通，且第二开关SW2和第四开关SW4可以断开。因此，可以将第一偏置电流输入第一列线COL1和第二列线COL2二者。
在图9的示例实施例中，可以对第一像素组PG1和第二像素组PG2中的每一个包括的两个或更多个像素同时执行读出操作。例如，可以从第一像素组PG1中感测红光的像素和第二像素组PG2中感测红光的像素中同时检测像素电压。像素电压可以与第一像素组PG1和第二像素组PG2中感测红光的像素内产生的电荷之和相对应。同时，连接到第一列线COL1的第一像素节点PN1和连接到第二列线COL2的第二像素节点PN2可以连接到不同的相关双采样器CDS的输入端子。
如上所述，在图7至图9的示例实施例中，可以根据操作时间将电流电路CC1至CC4中包括的晶体管CN1至CN4和BN1至BN4中的至少一些从导通状态转换为截止状态，或反之亦然。具体地，向第一列线COL1和第二列线COL2供应相对高的第一偏置电流的第一电流电路CC1和第三电流电路CC3可能需要稳定时间，直到第一偏置电流稳定为止，这可能导致图像传感器的操作速度劣化或者噪声特性恶化。
相反，在一个或多个示例实施例中，无论图像传感器的操作模式如何，都可以不提供在执行读出操作期间在电流电路中转换为导通状态和截止状态的晶体管。因此，可以向列线稳定地输入偏置电流，并且可以提高图像传感器的操作速度和噪声特性。将参考图10至图12更详细地描述相应的配置。
参考图10，根据示例实施例的图像传感器300可以包括像素阵列310、行驱动器320、开关电路330、偏置电路340、读出电路350等。由于偏置电路340中包括的电流电路的数量较少，因此偏置电路340可以具有比图7的示例实施例中更小的面积。换句话说，在根据示例实施例的图像传感器300中，可以减小偏置电路340的面积，从而提高集成密度。
图11和图12是示出了开关电路330和偏置电路340的操作的图。参考图11和图12，第一列线COL1和第二列线COL2中的每一个可以沿第一方向延伸，并且可以连接到多个像素组PG1至PG4。多个像素组PG1至PG4中的每一个可以包括多个像素，但是不同于图11和图12中的示例实施例，多个像素组PG1至PG4中的每一个包括的像素数量不限于四个。
开关电路330可以包括第一开关SW1至第四开关SW4，且偏置电路可以包括第一电流电路CC1和第二电流电路CC2。因此，与图8中的示例实施例相比，可以减少电流电路CC1和CC2的数量，并且还可以减小电路的面积。可以在第一开关SW1至第四开关SW4与列线COL1和COL2之间限定第一像素节点PN1和第二像素节点PN2。第一电流电路CC1和第二电流电路CC2中的每一个可以包括共源共栅晶体管CN1和CN2以及偏置晶体管BN1和BN2。第一电流电路CC1中包括的晶体管CN1和BN1的尺寸和电流性能可以与第二电流电路CC2中包括的晶体管CN2和BN2的尺寸和电流性能基本相同。
第一电流电路CC1和第二电流电路CC2可以根据输入到共源共栅晶体管CN1和CN2以及偏置晶体管BN1和BN2的栅极的电压来输出第一偏置电流或第二偏置电流。可以将第一偏置电流配置为高于第二偏置电流。
在示例实施例中，图11示出了第一操作模式，且图12示出了第二操作模式。在第一操作模式中，仅第一列线COL1和第二列线COL2中的一个可以连接到相关双采样器的输入端子。在第二操作模式中，第一列线COL1和第二列线COL2可以连接到不同的相关双采样器的输入端子。换句话说，在第二操作模式中，可以同时执行对连接到第一列线COL1的像素的读出操作和对连接到第二列线COL2的像素的读出操作。此外，在第二操作模式中，读出电路可以同时从一些像素获得像素电压。第二操作模式可以是合并(binning)模式。
参考图11，在第一操作模式中，在第一时间段期间，第一开关SW1和第四开关SW4可以接通，且第二开关SW2和第三开关SW3可以断开。因此，第一列线COL1可以连接到第一电流电路CC1，第二列线COL2可以连接到第二电流电路CC2。第一电流电路CC1可以输出第一偏置电流，第二电流电路CC2可以输出第二偏置电流。复用器MUX可以将限定在第一列线COL1和开关电路之间的第一像素节点PN1连接到相关双采样器的输入端子。因此，在第一时间段期间，可以对连接到第一列线COL1的像素执行读出操作。
当在第一操作模式中的第一时间段之后的第二时间段开始时，第一开关SW1和第四开关可以断开，且第二开关SW2和第三开关SW3可以接通。在第二时间段中，第一电流电路CC1可以输出第一偏置电流，第二电流电路CC2可以输出第二偏置电流，如在第一时间段中那样。因此，在第二时间段期间，可以向第一列线COL1输入第二偏置电流，且可以向第二列线COL2输入第一偏置电流。复用器MUX可以选择第二像素节点PN2且将第二像素节点PN2连接到相关双采样器CDS的输入端子，并且可以在第二时间段期间对连接到第二列线COL2的像素执行读出操作。
当在第二时间段之后的第三时间段到达时，如在第一时间段中那样，第一开关SW1和第四开关可以接通，并且可以对连接到第一列线COL1的其他像素组执行读出操作。例如，其他像素组可以被配置为沿列线COL1和COL2延伸的方向布置在第四像素组PG4的上部中。换句话说，在示例实施例中，输出第一偏置电流的第一电流电路可以在期望的(或者备选地，预定的)时段交替地连接到第一列线COL1和第二列线COL2。在示例实施例中，上述时段可以指从一个像素读出复位电压和像素电压所需的水平周期的整数倍的时间。
在图11的示例实施例中，无论复用器MUX的操作是选择第一列线COL1还是第二列线COL2，第一电流电路CC1都可以输出第一偏置电流，且第二电流电路CC2可以输出第二偏置电流。包括在第一电流电路和第二电流电路CC2中的共源共栅晶体管CN1和CN2以及偏置晶体管BN1和BN2可以不截止，并且当从第一时间段进入第二时间段时，可以向第二列线COL2快速地输入第一偏置电流。因此，可以针对在第二时间段早期通过第二列线COL2对之执行读出操作的像素改善噪声特性。此外，可以由第一电流电路CC1供应第一偏置电流，在第一电流电路CC1中无论时间段是第一时间段还是第二时间段，晶体管CN1和BN1都保持导通状态，因此，可以提高读出操作的速度。
同时，第一上拉晶体管PU1和第二上拉晶体管PU2可以分别连接到第一像素节点PN1和第二像素节点PN2。在第一时间段期间，第二上拉晶体管PU2可以导通，并且可以将第二像素节点PN2的电压保持在接近电源电压VDD的值，以允许在从第一时间段进入第二时间段时相关双采样器快速获得像素电压。第一上拉晶体管PU1可以在第二时间段期间导通，并且当在第二时间段过去之后第一像素节点PN1连接到相关双采样器时，第一上拉晶体管PU1可以将第一像素节点PN1的电压保持在电源电压VDD，以允许相关双采样器CDS快速获得像素电压。
不同于上述参考图7至图9描述的说明，在图11的示例实施例中，第一电流电路CC1和第二电流电路CC2可以分别连续地输出第一偏置电压和第二偏置电压。此外，第一列线COL1或第二列线COL2(读出操作的对象)可以仅通过第一电流电路CC1接收第一偏置电流。因此，由于可能不存在读出操作所需的、供应第一偏置电流的第一电流电路CC1断开的时间段，因此可以防止晶体管在截止状态下被导通时发生的陷阱现象。通过向第一列线COL1或第二列线COL2稳定地输入第一偏置电流，可以改善噪声特性以及读出操作的速度。
图12是示出了第二操作模式的电路图，在第二操作模式中第一像素节点PN1和第二像素节点PN2连接到不同的相关双采样器CDS的输入端子并执行读出操作。作为示例，第二操作模式可以是合并模式。在图12的示例实施例中，第一开关SW1和第四开关SW4可以接通，且第二开关SW2和第三开关SW3可以断开。此外，第一电流电路CC1和第二电流电路CC2二者都可以输出第一偏置电流。因此，可以向第一列线COL1和第二列线COL2二者输入偏置电流。
在第二操作模式中，第一列线COL1和第二列线COL2中的每一个可以连接到像素中的至少两个。例如，第一列线COL1可以同时连接到第一像素组PG1和第二像素组PG2的第一像素Gr。此外，在第一列线COL1连接到第一像素组PG1和第二像素组PG2的第一像素Gr的同时，第二列线COL2可以连接到第三像素组PG3和第四像素组PG4的第一像素Gr。换句话说，在第二操作模式中，第一列线COL1和第二列线COL2可以连接到不同的相关双采样器，并且第一列线COL1或第二列线COL2中的每一个可以连接到两个或者更多像素。
因此，在第二操作模式中，图像传感器的操作速度可以高于第一操作模式中的图像传感器的操作速度。在示例实施例中，在16个水平周期时间内对第一像素组PG1至第四像素组PG4执行并且完成读出操作，而在第二操作模式中，在整个水平周期时间内对第一像素组PG1至第四像素组PG4执行并且完成读出操作。然而，由于一些像素连接到第一列线COL1或第二列线COL2，且同时对像素执行读出操作，因此在第二操作模式中由图像传感器生成的图像数据的分辨率可能降低。
由于第二电流电路CC2可能需要在第二操作模式下输出第一电流，因此包括在第二电流电路CC2中的晶体管CN2和BN2的尺寸可以与包括在第一电流电路CC1中的晶体管CN1和BN1的尺寸类似。然而，与图8和图9中的示例实施例相比，偏置电路中包括的电流电路CC1和CC2的数量可以相对于图8和图9中的示例实施例减少，可以减小偏置电路占据的整个电路面积。
图13是示出了根据示例实施例的图像传感器的读出操作的时序图。为了便于描述，将参考图13以及图11一起描述示例实施例。
图13是示出了当图像传感器在第一操作模式下操作时，第一开关SW1至第四开关SW4的操作时序的时序图。参考图13，在第一时间段t1期间，第一开关SW1和第四开关SW4二者都可以接通，且第二开关SW2和第三开关SW3可以断开。在第一时间段t1期间，可以对第一像素组PG1的像素执行第一读出操作RO1，并且可以对第二像素组PG2的像素执行第二读出操作RO2。
当从第一时间段t1进入第二时间段t2时，第一开关SW1和第四开关SW4二者都可以断开，且第二开关SW2和第三开关SW3可以接通。在第二时间段t2期间，可以对第三像素组PG3的像素执行第三读出操作，并且可以对第四像素组PG4的像素执行第四读出操作RO4。
图14是示出了根据示例实施例的图像传感器的偏置电路的电路图。
参考图14，偏置电路可以包括用于向列线COL供应偏置电流IB的电流电路CC和用于控制电流电路CC的电流镜电路400。电流镜电路400可以包括第一镜像电路410、第二镜像电路420、输出电路430等，并且除了图14的示例实施例中的电路之外，还可以采用其他各种类型的电路。
在图14的示例实施例中，电流源IS供应的电流可以由第一镜像电路410、第二镜像电路420和输出电路430进行镜像，并且可以流入电流电路CC。由电流电路CC输出到列线COL的偏置电流IB可以由电流镜电路400确定。
根据示例实施例的图像传感器可以包括如参考图14所述的多个电流镜电路400。例如，示例实施例中的图像传感器可以包括第一电流镜电路和第二电流镜电路，并且第一电流镜电路和第二电流镜电路可以输出相同电平的偏置电流或不同电平的偏置电流。连接到第一电流镜电路的电流电路CC和连接到第二电流镜电路的电流电路CC彼此可以具有类似的尺寸、类似的电流性能等。因此，在示例实施例中，具有类似尺寸和类似电流性能的电流电路CC中的一些可以连接到不同的电流镜电路。
图15是示出了包括图像传感器的电子设备的框图。
图15的示例实施例中的计算机设备1000可以包括图像传感器1010、显示器1020、存储器1030、处理器1040、端口1050等。计算机设备1000还可以包括有线/无线通信设备、电力设备等。可以将图15中所示的组件中的端口1050设置为允许计算机设备1000与视频卡、声卡、存储卡、USB设备或其他设备通信。除了通用台式计算机或膝上型计算机之外，计算机设备1000还可以包括智能手机、台式PC、智能可穿戴设备等。
处理器1040可以执行计算、命令、任务等。处理器1040可以是中央处理单元(CPU)、微处理器单元(MCU)、片上系统(SoC)等，并且可以通过总线1060与图像传感器1010、显示器1020、存储器设备1030以及连接到端口1050的其他设备通信。
存储器1030可以是用于存储计算机设备1000的操作所需的数据或多媒体数据等的存储介质。存储器1030可以包括诸如随机存取存储器(RAM)的易失性存储器或者诸如闪存等的非易失性存储器。存储器1030还可以包括固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)和光盘驱动器(ODD)中的至少一个作为存储设备。输入输出设备1020可以包括诸如键盘、鼠标、触摸屏等的输入设备以及诸如显示器、音频输出部分等的输出设备。
图像传感器1010可以安装在封装基板上并通过总线1060或另一通信装置连接到处理器1040。图像传感器1010可以用在参考图1至图14描述的前述示例实施例中建议的各种形式的计算机设备1000中。
根据前述示例实施例，用于向图像传感器的列线供应偏置电流的电流电路可以在读出操作期间保持接通状态。因此，可以显著减少通过重复接通和断开电流电路而发生的噪声分量，并且可以通过减少在后续像素的读出操作开始时所需的稳定时间来提高读出操作速度。此外，通过减小偏置电路占据的面积，可以增加图像传感器的集成密度。
虽然以上已经示出并描述了一些示例实施例，但是本领域技术人员将清楚的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明构思的示例实施例的范围的情况下，可以进行修改和改变。

Claims (17)

1.一种图像传感器，包括：
第一列线和第二列线，沿第一方向延伸并在与所述第一方向相交的第二方向上彼此相邻；
多个像素组，每个像素组连接到所述第一列线和所述第二列线中的相应列线，所述多个像素组各自包括多个像素；
偏置电路，包括第一电流电路和第二电流电路，所述第一电流电路和所述第二电流电路被配置为在第一操作模式下输出不同的偏置电流；以及
开关电路，被配置为在所述第一操作模式下操作以：
在第一时间段期间，将所述第一列线连接到所述第一电流电路且将所述第二列线连接到所述第二电流电路，同时断开所述第一列线和所述第二电流电路并断开所述第二列线和所述第一电流电路，并且
在所述第一时间段之后的第二时间段期间，将所述第一列线连接到所述第二电流电路且将所述第二列线连接到所述第一电流电路，同时断开所述第一列线和所述第一电流电路并断开所述第二列线和所述第二电流电路，使得在所述第一时间段和所述第二时间段中的不同时间段期间，所述第一列线和所述第二列线均被连接到所述第一电流电路和所述第二电流电路中的不同电流电路。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述第一电流电路被配置为输出第一偏置电流，以及
所述第二电流电路被配置为输出第二偏置电流，所述第二偏置电流具有与所述第一偏置电流不同的值。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在所述第二时间段之后的第三时间段期间，所述开关电路被配置为：
将所述第一列线连接到所述第一电流电路，以及
将所述第二列线连接到所述第二电流电路。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一时间段短于或等于所述第二时间段。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一时间段和所述第二时间段中的每一个是与从多个像素之一读出复位电压和像素电压相关联的水平时间周期的整数倍。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在不同于所述第一操作模式的第二操作模式下，所述开关电路被配置为：
将所述第一列线连接到所述第一电流电路，以及
将所述第二列线连接到所述第二电流电路。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，在所述第二操作模式下，所述第一电流电路被配置为输出第一偏置电流且所述第二电流电路被配置为输出第二偏置电流，使得所述第一偏置电流和所述第二偏置电流相同。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
读出电路，被配置为通过第一像素节点或第二像素节点从所述多个像素中的至少一个获得复位电压和像素电压，所述第一像素节点位于所述第一列线和所述开关电路之间，并且所述第二像素节点位于所述第二列线和所述开关电路之间。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述读出电路被配置为：
在所述第一时间段期间，通过所述第一像素节点获得所述复位电压和所述像素电压，以及
在所述第二时间段期间，通过所述第二像素节点获得所述复位电压和所述像素电压。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述读出电路包括：
采样电路，具有第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子连接到所述第一像素节点或所述第二像素节点，并且所述第二输入端子被配置为接收斜坡电压；以及
选择电路，被配置为将所述第一像素节点和所述第二像素节点之一连接到所述第一输入端子。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述开关电路包括：
第一开关，连接在所述第一列线和所述第一电流电路之间；
第二开关，连接在所述第一列线和所述第二电流电路之间；
第三开关，连接在所述第二列线和所述第一电流电路之间；以及
第四开关，连接在所述第二列线和所述第二电流电路之间。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述图像传感器被配置为：
同时接通和断开所述第一开关和所述第四开关，以及
同时接通和断开所述第二开关和所述第三开关。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述图像传感器被配置为：
当接通所述第一开关和所述第四开关时，断开所述第二开关和所述第三开关，以及
当断开所述第一开关和所述第四开关时，接通所述第二开关和所述第三开关。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一电流电路和所述第二电流电路中的每一个被配置为在所述第一时间段和所述第二时间段期间都连续输出偏置电流。
15.一种图像传感器，包括：
第一列线和第二列线，沿第一方向延伸并在与所述第一方向相交的第二方向上彼此相邻；
多个像素，所述多个像素中的每一个连接到所述第一列线和所述第二列线中的相应列线；
读出电路，被配置为从所述多个像素中的每一个获得复位电压和像素电压；
偏置电路，包括：
第一电流电路，被配置为输出第一偏置电流，所述第一电流电路包括多个第一晶体管，和
第二电流电路，被配置为输出第二偏置电流，所述第二电流电路包括多个第二晶体管，所述多个第二晶体管具有与所述多个第一晶体管相同的尺寸；以及
开关电路，被配置为通过以下操作，使得在两个连续的时间段期间，将所述第一列线和所述第二列线连接到所述第一电流电路和所述第二电流电路中的不同电流电路，同时将所述第一列线和所述第二列线与所述第一电流电路和所述第二电流电路中的另一个断开：
响应于所述读出电路通过所述第一列线获得所述复位电压和所述像素电压，将所述第一电流电路连接到所述第一列线且将所述第二电流电路连接到所述第二列线，以及
响应于所述读出电路通过所述第二列线获得所述复位电压和所述像素电压，将所述第一电流电路连接到所述第二列线且将所述第二电流电路连接到所述第一列线，
电流镜电路，包括：
第一电流镜电路，被配置为控制所述第一电流电路输出所述第一偏置电流，和
第二电流镜电路，被配置为控制所述第二电流电路输出所述第二偏置电流。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，当所述读出电路连接到所述第一列线且与所述第二列线分离时，所述第一偏置电流大于所述第二偏置电流。
17.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，当所述读出电路连接到所述第一列线和所述第二列线时，所述第一偏置电流与所述第二偏置电流相同。
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