CN111787250B - 比较器电路、图像感测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种比较器电路、图像感测装置及方法，包括第一级比较器以及第二级比较器，其中，第二级比较器可利用现有技术中的结构，第一级比较器包括三个耦合电容以及三个输入晶体管，与现有技术的4输入端比较器电路相比，比较器电路的第一端减少了一个耦合电容以及输入晶体管。利用本发明提出的比较器电路时，LCG的操作过程不变，HCG的复位只需对第三输入晶体管进行复位即可，也即通过单端复位实现。在不影响图像性能的前提下，比现有技术中的4输入端比较器减少了比较器电路中的器件数，可有效提高CIS的集成度。

Description

比较器电路、图像感测装置及方法

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其是涉及一种比较器电路、图像感测装置及方法。

背景技术

图像传感器已经变得无处不在。它们广泛使用于数字静态相机、蜂窝电话、安全摄像机中，还广泛使用于医学、汽车及其它应用中，这些广泛应用促使图像传感器的技术持续快速发展。举例来说，针对更高分辨率及更低电力消耗的要求已经促进这些装置的进一步微型化及集成。其中，CIS(CMOS Image Sensor)即CMOS图像传感器，其在图像领域具有不可替代性，被广泛应用于安防监控、消费电子、车载设备、科学测量等领域中。CIS的基本发展方向包括：多像素、低噪声、高动态范围、高图像帧率，低噪高动态的图像质量能给用户带来更好的视觉体验。为了获取低噪高动态的图像质量，现有技术中提出一种高动态范围图像(High-Dynamic Range，简称HDR)，相比普通的图像，可以提供更多的动态范围和图像细节，根据不同的曝光时间的LDR(Low-Dynamic Range，低动态范围图像)，并利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像。HDR技术就是将同一场景下多张感光不同的照片合成在一起，现有技术中的HDR技术可以概括为以下三种：

1)SP(Split像素单元电路，分裂像素)技术：该方案的基础像素采用了不同感光面积的光电二极管(Photo Diode)，因此对于同样的光照强度具有不同的相应曲线。

2)DCG(Dual Conversion Gain)技术：该方案采用了可控制的浮动二极管(FloatDiode)，利用可变电容来改变像素单元的光电转换效率。

3)长短曝光技术：在同一场景下对对象进行不同时间长度的曝光，这样可以得到不同强度的图像。

现有技术中最常用的是长短曝光技术，其优点在于像素单元的结构简单，容易实现；缺点为成像质量较差。而SP技术和DCG技术对工艺的要求较高，成像质量较好。为了保证图像的转换效率与成像质量，目前的发展趋势是三种技术之间相互结合。而DCG技术的转换过程不可避免采用两次连续复位以及两次连续读出有效信号，这个采集数据的过程是传统比较器难以实现的。图1为传统的2输入端比较器，由于在利用DCG技术的过程中，复位LCG(低转换增益)信号的电压V_Rlcg和复位HCG(高转换增益)信号的电压V_Rhcg差距较大且不固定，因此需要分别将两个电压进行存储复位，因此传统的2输入端比较器不能用于HCG+LCG的时序中。为了解决该技术问题，采用DCG技术后，现有技术提出在比较器的设计通常采用了两个差分输入对，这样可以将两次复位信号存入其中。请参考图2，图2为目前用于DCG技术的4输入端比较器，其可以用于HCG+LCG的时序中，通过两次复位，可以做到两次转换。发明人经实际应用时发现，现有技术中的这种4输入端比较器的结构由于器件众多增加了图像传感器的版图面积。

因此，需要提出一种可以简化比较器电路的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比较器电路、图像感测装置及方法，用于解决现有技术中的4输入端比较器的结构增加了图像传感器的版图面积的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种比较器电路，包括第一级比较器以及第二级比较器，所述第一级比较器包括：

第一端，其被配置为接受斜坡信号；

第二端，其被配置为接受来自像素单元电路的低转换增益信号或高转换增益信号；

第一耦合电容，其被配置为存储所述斜坡信号；

第二耦合电容，其被配置为存储所述低转换增益信号；

第三耦合电容，其被配置为存储所述高转换增益信号；

第一复位开关，其被配置为对所述第一输入晶体管进行复位；

第二复位开关，其被配置为对所述第二输入晶体管进行复位；

第三复位开关，其被配置为对所述第三输入晶体管进行复位；

第一输入晶体管，其被配置为配合所述第一耦合电容存储所述斜坡信号；

第二输入晶体管，其被配置为配合所述第二耦合电容存储所述低转换增益信号，并传输给所述第二级比较器的输入端；

第三输入晶体管，其被配置为配合所述第三耦合电容存储所述高转换增益信号，并传输给所述第二级比较器的输入端；

所述第二级比较器的输出端用于读出所述低转换增益信号以及所述高转换增益信号。

可选地，所述第一复位开关基于第一复位信号对所述第一输入晶体管进行复位，所述第二复位开关基于所述第一复位信号对所述第二输入晶体管进行复位，所述第三复位开关基于第二复位信号对所述第三输入晶体管进行复位；

当所述第一复位信号为高电平时，所述第一复位开关对所述第一输入晶体管进行复位，所述第二复位开关对所述第二输入晶体管进行复位；

当所述第二复位信号为高电平时，所述第三复位开关对所述第三输入晶体管进行复位。

可选地，所述第一级比较器还包括第一工作开关以及第二工作开关；

所述第一工作开关用于控制所述第二输入晶体管所处电路的导通与关断；

所述第二工作开关用于控制所述第三输入晶体管所处电路的导通与关断。

可选地，所述第一工作开关基于第一工作信号控制所述第二输入晶体管所处电路的导通与关断；

所述第二工作开关基于第二工作信号控制所述第三输入晶体管所处电路的导通与关断；

当所述第一工作信号为高电平时，所述第二输入晶体管所处电路导通，当所述第一工作信号为低电平时，所述第二输入晶体管所处电路关断；

当所述第二工作信号为高电平时，所述第三输入晶体管所处电路导通，当所述第二工作信号为低电平时，所述第三输入晶体管所处电路关断。

可选地，所述第一级电路还包括电流镜电路以及电流偏置晶体管；

所述第一耦合电容的一端与所述第一端连接，所述第一耦合电容的另一端与所述第一输入晶体管的栅极以及所述第一复位开关的一端连接，所述第一复位开关的另一端与所述第一输入晶体管的漏极连接；

所述第二耦合电容的一端与所述第二端连接，所述第二耦合电容的另一端与所述第二输入晶体管的栅极以及所述第二复位开关的一端连接，所述第二复位开关的另一端与所述第二输入晶体管的漏极连接于第一交点；

所述第三耦合电容的一端与所述第二端连接，所述第三耦合电容的另一端与所述第三输入晶体管的栅极以及所述第三复位开关的一端连接，所述第三复位开关的另一端与所述第三输入晶体管的漏极连接于第二交点；

所述第一输入晶体管的源极、所述第二输入晶体管的源极以及所述第三输入晶体管的源极均与所述电流偏置晶体管的漏极连接，所述电流偏置晶体管的栅极接入一偏置电压，所述电流偏置晶体管的源极接地；

所述电流镜电路的一个输出端与所述第一输入晶体管的漏端连接，所述电流镜电路的另一个输出端与所述第一工作开关的一端以及所述第二工作开关的一端连接；

所述第一工作开关的一端以及所述第二工作开关的一端还与所述第二级比较器的输入端连接，所述第一工作开关的另一端与所述第一交点连接，所述第二工作开关的另一端与所述第二交点连接。

可选地，所述第二级比较器包括第四输入晶体管、负载晶体管、第四复位开关以及第一复位电容；

所述第四输入晶体管的栅极与所述第一工作开关的一端以及所述第二工作开关的一端连接，所述第四输入晶体管的源极与一电源连接，所述第四输入晶体管的漏极与所述负载晶体管的漏极连接与第三交点；

所述负载晶体管的栅极与所述第一复位电容的一端连接，所述负载晶体管的源极以及所述第一复位电容的另一端均接地；

所述第四复位开关的两端分别连接所述负载晶体管的栅极和漏极；

所述第三交点为所述第二级比较器的输出端。

基于同一发明构思，本发明还提出一种图像感测装置，包括像素单元电路以及上述特征描述中任一项所述的比较器电路；

所述像素单元电路包括光电二极管、转移晶体管、复位晶体管、转换增益选择晶体管、高转换增益电容、低转换增益电容；

所述复位晶体管用于在接收到像素单元复位信号时，对所述像素单元电路进行复位；

所述光电二极管用于接收曝光信号以产生图像信号，并将所述图像信号传输给所述转移晶体管；

所述转移晶体管用于在接收到光电二极管电荷转换信号时，将所述图像信号转移到所述高转换增益电容和/或所述低转换增益电容中；

所述转换增益选择晶体管用于在接收到转换增益信号时，将所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容并联连接以使所述图像信号存储进所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容中。

可选地，当所述转移晶体管接收到所述光电二极管电荷转换信号以及所述转换增益选择晶体管接收到所述转换增益信号时，所述图像信号转移到所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容中以形成所述低转换增益信号；

当所述转移晶体管接收到所述光电二极管电荷转换信号且所述转换增益选择晶体管没有接收到所述转换增益信号时，所述图像信号转移到所述高转换增益电容中以形成所述高转换增益信号。

基于同一发明构思，本发明还提出一种图像感测方法，利用上述特征描述中任一项所述的图像感测装置，包括以下步骤：

LCG复位：复位所述第一输入晶体管以及所述第二输入晶体管，并产生复位LCG信号；

HCG复位：复位所述第三输入晶体管，并产生复位HCG信号；

HCG曝光：第一次曝光所述像素单元电路，并产生第一图像信号；

HCG信号采集：基于所述复位HCG信号以及所述第一图像信号获取所述高转换增益信号；

LCG曝光：第二次曝光所述像素单元电路，并产生第二图像信号；

LCG信号采集：基于所述复位LCG信号以及所述第二图像信号获取所述低转换增益信号；

其中，所述第一次曝光为高转换增益曝光；

所述第二次曝光为低转换增益曝光，此时，所述转换增益选择晶体管将所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容并联连接。

可选地，还包括以下步骤：

像素单元复位：复位所述像素单元电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的一种比较器电路，包括第一级比较器以及第二级比较器，其中，第二级比较器可利用现有技术中的结构，第一级比较器包括三个耦合电容以及三个输入晶体管，与现有技术的4输入端比较器电路相比，比较器电路的第一端减少了一个耦合电容以及一个输入晶体管。利用本发明提出的比较器电路时，LCG的操作过程不变，HCG的复位只需对第三输入晶体管进行复位即可，也即通过单端复位实现。在不影响图像性能的前提下，比现有技术中的4输入端比较器减少了比较器电路中的器件数，可有效提高CIS的集成度。

2、本发明提出的图像感测装置以及图像感测方法，与所述比较器电路属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果。

附图说明

图1为现有技术中一种2输入端比较器电路示意图；

图2为现有技术中一种4输入端比较器电路示意图；

图3为本发明一实施例提出的一种比较器电路示意图；

图4为本发明另一实施例提出的一种图像感测装置的示意图；

图5为图4中像素单元电路的示意图；

图6a-6h为所述高转换增益电容和所述低转换增益电容在连续2次不同转换增益下的电荷转移过程示意图；

图7为所述图像感测装置所采用的相关时序示意图；

图8为本发明又一实施例提出的一种图像感测方法的示意图；

图9为本申请与现有技术的线性度仿真对比结果示意图；

图10为本申请与现有技术的噪声仿真对比结果；

其中，图3至图7中：10-比较器电路，101-第一级比较器，102-第二级比较器，20-像素单元电路，V_in-第一端，V_ip-第二端，C₁-第一耦合电容，C_2A-第二耦合电容，C_2B-第三耦合电容，C₃-第一复位电容，S₁-第一复位开关，S_2A-第二复位开关，S_2B-第三复位开关，S_3A-第一工作开关，S_3B-第二工作开关，S₄-第四复位开关，M₀-电流偏置晶体管，M₁-第一输入晶体管，M_2A-第二输入晶体管，M_2B-第三输入晶体管，M₅-第四输入晶体管，M₆-负载晶体管，V_{BN_CM}-偏置电压，rst1-第一复位信号，rst2-第二复位信号，op1-第一工作信号，op2-第二工作信号，V_ramp-斜坡信号，PD-光电二极管，M_TX-转移晶体管，M_RX-复位晶体管，M_DCG-转换增益选择晶体管，C_hcg-高转换增益电容，C_lcg-低转换增益电容，RX-像素单元复位信号，TX-光电二极管电荷转换信号，DCG-转换增益信号。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

请参考图3，本发明实施例提出一种比较器电路10，包括第一级比较器101以及第二级比较器102，所述第一级比较器101包括第一端V_in、第二端V_ip、第一耦合电容C₁、第二耦合电容C_2A、第三耦合电容C_2B、第一复位开关S₁、第二复位开关S_2A、第三复位开关S_2B、第一输入晶体管M₁、第二输入晶体管M_2A以及第三输入晶体管M_2B。

所述第一端V_in被配置为接受斜坡信号V_ramp。所述第二端V_ip被配置为接受来自像素单元电路20的低转换增益信号或高转换增益信号。所述第一耦合电容C₁被配置为存储所述斜坡信号V_ramp。所述第二耦合电容C_2A被配置为存储所述低转换增益信号。所述第三耦合电容C_2B被配置为存储所述高转换增益信号。所述第一复位开关S₁被配置为对所述第一输入晶体管M₁进行复位。所述第二复位开关S_2A被配置为对所述第二输入晶体管M_2A进行复位。所述第三复位开关S_2B被配置为对所述第三输入晶体管M_2B进行复位。所述第一输入晶体管M₁被配置为配合所述第一耦合电容C₁存储所述斜坡信号V_ramp。所述第二输入晶体管M_2A被配置为配合所述第二耦合电容C_2A存储所述低转换增益信号，并传输给所述第二级比较器102的输入端。所述第三输入晶体管M_2B被配置为配合所述第三耦合电容C_2B存储所述高转换增益信号，并传输给所述第二级比较器102的输入端。所述第二级比较器102的输出端用于读出所述低转换增益信号以及所述高转换增益信号。在本发明实施例中，所述第一端为所述比较器电路的负输入端V_in，所述第二端为所述比较器电路的正输入端V_ip，可以理解的是，在其它实施例中，所述第一端也可为所述比较器电路的正输入端V_ip，所述第二端也可为所述比较器电路的负输入端V_in，在此不做限制，具体可根据实际需要来选择，为了便于说明本发明的技术方案，在本发明实施例中均以所述第一端为所述比较器电路的负输入端V_in，且所述第二端为所述比较器电路的正输入端V_ip来具体描述。

与现有技术不同之处在于，本发明实施例提出的一种比较器电路10，包括第一级比较器101以及第二级比较器102，其中，第二级比较器102可利用现有技术中的结构，所述第一级比较器101包括三个耦合电容以及三个输入晶体管，与现有技术的4输入端比较器电路相比，所述比较器电路10的所述第一端V_in减少了一个耦合电容以及输入晶体管。利用本发明提出的比较器电路10时，LCG的操作过程不变，HCG的复位只需对第三输入晶体管M_2B进行复位即可，也即通过单端复位实现。在不影响图像性能的前提下，比现有技术中的4输入端比较器减少了比较器电路10中的器件数，可有效提高CIS的集成度。在复位过程中，利用本发明实施例提出的比较器电路10中的3输入端比较器将第1次复位信号分别存入所述第一耦合电容C₁和所述第二耦合电容C_2A中；将第2次复位信号存入所述第三耦合电容C_2B中。在像素单元电路20曝光后，所述比较器电路10分别将HCG信号和LCG信号读出，同样实现连续两次DCG信号的采集。利用本发明实施例提出的比较器电路10简化了电路结构，同时也简化了开关数量和对应的负载电路。本领域技术人员可以理解的是，本申请所述的3输入端比较器是指所述比较器电路内部具有3个输入晶体管，分别为所述第一输入晶体管M₁、所述第二输入晶体管M_2A以及所述第三输入晶体管M_2B。虽然从图3中仅能看出两个输入端也即所述第一端V_in和所述第二端V_ip，在所述比较器电路工作时，所述第二端V_ip可看成是两个输入端，分别用于接收所述低转换增益信号以及所述高转换增益信号。

进一步地，请参考图3，所述第一复位开关S₁以及所述第二复位开关S_2A均通过第一复位信号rst1控制，当所述第一复位信号rst1为高电平时所述第一复位开关S₁以及所述第二复位开关S_2A导通，此时所述第一输入晶体管M₁的栅极与漏极短接且所述第二输入晶体管M_2A的栅极与漏极短接，可实现所述第一输入晶体管M₁以及所述第二输入晶体管M_2A的复位。也即所述第一复位开关S₁基于第一复位信号rst1对所述第一输入晶体管M₁进行复位，所述第二复位开关S_2A基于所述第一复位信号rst1对所述第二输入晶体管M_2A进行复位，所述第三复位开关S_2B基于第二复位信号rst2对所述第三输入晶体管M_2B进行复位。当所述第一复位信号rst1为高电平时，所述第一复位开关S1对所述第一输入晶体管M₁进行复位，所述第二复位开关S_2A对所述第二输入晶体管M_2A进行复位。当所述第二复位信号rst2为高电平时，所述第三复位开关S_2B对所述第三输入晶体管M_2B进行复位。本领域技术人员可以理解的是，所述第一复位开关S₁以及所述第二复位开关S_2A的作用是为了短接晶体管的栅极和漏极以复位对应的晶体管，其它具有相同功能的器件同样可用于实施。所述第一复位信号rst1以及所述第二复位信号rst2除了在高电平时短接相应晶体管的栅极和漏极外，在其它实施例中，所述第一复位信号rst1以及所述第二复位信号rst2还可在低电平时短接相应的晶体管的栅极和漏极，在此不做限制，具体可根据实际需要来选择。为了便于说明，在本发明实施例中，均以所述第一复位信号rst1以及所述第二复位信号rst2在高电平时对晶体管进行复位为例来说明，其它情况与之相同，在此不一一赘述。

优选地，所述第一级比较器101还包括第一工作开关S_3A以及第二工作开关S_3B，所述第一工作开关S_3A用于控制所述第二输入晶体管M_2A所处电路的导通与关断；所述第二工作开关S_3B用于控制所述第三输入晶体管M_2B所处电路的导通与关断。请继续参考图3，对比图2可知，与现有技术中的4输入端比较器电路相比，本发明实施例提出的比较器电路10省去了所述第一输入晶体管M₁所处电路的工作开关，在不影响图像性能的条件下，进一步简化了比较器电路10的结构，节省了版图面积。

进一步地，请继续参考图3，所述第一工作开关S_3A基于第一工作信号op1控制所述第二输入晶体管M_2A所处电路的导通与关断。所述第二工作开关S_3B基于第二工作信号op2控制所述第三输入晶体管M_2B所处电路的导通与关断。当所述第一工作信号op1为高电平时，所述第二输入晶体管M_2A所处电路导通，当所述第一工作信号op1为低电平时，所述第二输入晶体管M_2A所处电路关断。当所述第二工作信号op2为高电平时，所述第三输入晶体管M_2B所处电路导通，当所述第二工作信号op2为低电平时，所述第三输入晶体管M_2B所处电路关断。本领域技术人员可以理解的是，所述第一工作开关S_3A以及所述第二工作开关S_3B的作用是为了导通或短接所述第二输入晶体管M_2A以及所述第三输入晶体管M_2B所在的电路，其它具有相同功能的器件同样可用于实施。所述第一工作信号op1以及所述第二工作信号op2除了在高电平时导通相应晶体管所在的电路外，在其它实施例中，所述第一工作信号op1以及所述第二工作信号op2还可在低电平时导通相应晶体管所在的电路，在此不做限制，具体可根据实际需要来选择。为了便于说明，在本发明实施例中，均以所述第一工作信号op1以及所述第二工作信号op2在高电平时导通相应晶体管所在的电路为例来说明，其它情况与之相同，在此不一一赘述。

请继续参考图3，具体地，所述第一级比较器101还包括电流镜电路以及电流偏置晶体管M₀。所述第一耦合电容C₁的一端与所述第一端V_in连接，所述第一耦合电容C₁的另一端与所述第一输入晶体管M_1的栅极以及所述第一复位开关S1的一端连接，所述第一复位开关S1的另一端与所述第一输入晶体管M₁的漏极连接。所述第二耦合电容C_2A的一端与所述第二端V_ip连接，所述第二耦合电容C_2A的另一端与所述第二输入晶体管M_2A的栅极以及所述第二复位开关S_2A的一端连接，所述第二复位开关S_2A的另一端与所述第二输入晶体管M_2A的漏极连接于第一交点。

所述第三耦合电容C_2B的一端与所述第二端V_ip连接，所述第三耦合电容C_2B的另一端与所述第三输入晶体管M_2B的栅极以及所述第三复位开关S_2B的一端连接，所述第三复位开关S_2B的另一端与所述第三输入晶体管M_2B的漏极连接于第二交点。所述第一输入晶体管M₁的源极、所述第二输入晶体管M_2A的源极以及所述第三输入晶体管M_2B的源极均与所述电流偏置晶体管M₀的漏极连接，所述电流偏置晶体管M₀的栅极接入一偏置电压V_{BN_CM}，所述电流偏置晶体管M₀的源极接地。

所述电流镜电路的一个输出端与所述第一输入晶体管M₁的漏端连接，所述电流镜电路的另一个输出端与所述第一工作开关S_3A的一端以及所述第二工作开关S_3B的一端连接。所述第一工作开关S_3A的一端以及所述第二工作开关S_3B的一端还与所述第二级比较器102的输入端连接，所述第一工作开关S_3A的另一端与所述第一交点连接，所述第二工作开关S_3B的另一端与所述第二交点连接。

进一步地，所述第二级比较器102包括第四输入晶体管M₅、负载晶体管M₆、第四复位开关S₄以及第一复位电容C₃。所述第四输入晶体管M₅的栅极与所述第一工作开关S_3A的一端以及所述第二工作开关S_3B的一端连接，所述第四输入晶体管M₅的源极与一电源连接，所述第四输入晶体管M₅的漏极与所述负载晶体管M₆的漏极连接与第三交点。所述负载晶体管M₆的栅极与所述第一复位电容C₃的一端连接，所述负载晶体管M₆的源极以及所述第一复位电容C₃的另一端均接地。所述第四复位开关S₄的两端分别连接所述负载晶体管M₆的栅极和漏极，所述第三交点为所述第二级比较器102的输出端。

为了便于理解本申请的技术方案，以下提供一种更为具体的比较器电路10结构描述。请参考图3，所述第一级比较器101的结构如下：M₀为比较器的电流偏置晶体管，该器件的栅端接比较器的偏置电压V_{BN_CM}；比较器的所述第一端V_in接斜坡信号V_ramp，其内部连接为所述第一耦合电容C₁；C₁的另外一端连接所述第一输入晶体管M₁和所述第一复位开关S₁；M₁的漏端电压为V_pstg1；比较器的所述第二端V_ip接像素信号V_pix，其内部连接为所述第二耦合电容C_2A、所述第三耦合电容C_2B；C_2A、C_2B的另外一端连接所述第二输入晶体管M_2A、所述第三输入晶体管M_2B和所述第二复位开关S_2A、所述第三复位开关S_2B；M_2A、M_2B的漏端和复位开关S_2A、S_2B的另外一端相连，并与所述第一工作开关S_3A、所述第二工作开关S_3B相连；工作开关的另外一端统一接在V_nstg1上；V_pstg1、V_nstg1通过电流镜的方式连接。所述第二级比较器102的结构为传统的二级比较器结构，采用M₅作为所述第四输入晶体管；M₆作为所述负载晶体管；S₄作为所述第四复位开关；C₃为所述第一复位电容。

本领域技术人员可以理解的是，在本发明实施例中，所述第一输入晶体管M₁、所述第二输入晶体管M_2A、所述第三输入晶体管M_2B、所述第四输入晶体管M₅以及所述负载晶体管M₆可为PMOS管或NMOS管，在此不做限制，具体可根据实际需要来选择。这些晶体管除了可选用MOS管外，还可选用其它类型的晶体管，例如还可选用IGBT。其它类型的晶体管的具体连接方式与本申请公开的类似，在此不一一赘述。所述第一输入晶体管M₁优选为PMOS管，所述第二输入晶体管M_2A优选为PMOS管，所述第三输入晶体管M_2B优选为PMOS管，所述第四输入晶体管M₅优选为PMOS管，所述负载晶体管M₆优选为NMOS管，所述电流偏置晶体管M₀优选为NMOS管。

基于同一发明构思，本发明另一实施例还提出一种图像感测装置，请参考图4和图5，所述图像感测装置包括像素单元电路20以及上述特征描述中任一项所述的比较器电路10。所述像素单元电路20包括光电二极管PD、转移晶体管M_TX、复位晶体管M_RX、转换增益选择晶体管M_DCG、高转换增益电容C_hcg、低转换增益电容C_lcg。

所述复位晶体管M_RX用于在接收到像素单元复位信号RX时，对所述像素单元电路20进行复位。所述光电二极管PD用于接收曝光信号以产生图像信号，并将所述图像信号传输给所述转移晶体管M_TX。所述转移晶体管M_TX用于在接收到光电二极管电荷转换信号TX时，将所述图像信号转移到所述高转换增益电容C_hcg和/或所述低转换增益电容C_lcg中。所述转换增益选择晶体管M_DCG用于在接收到转换增益信号DCG时，将所述高转换增益电容C_hcg以及所述低转换增益电容C_lcg并联连接以使所述图像信号存储进所述高转换增益电容C_hcg以及所述低转换增益电容C_lcg中。

所述像素单元电路20由像素单元复位信号RX、行选信号、转换增益信号DCG以及光电二极管电荷转换信号TX控制，所述像素单元电路20的输出为V_pix。请参考图5，其中，PD为所述光电二极管；M_TX为所述转移晶体管，高电平会将PD的电荷转移到电容高转换增益电容C_hcg中。M_RX为复位所述像素单元电路20的复位晶体管，高电平可以复位低转换增益电容C_lcg的电位。M_DCG为连接低转换增益电容C_lcg和高转换增益电容C_hcg的转换增益选择晶体管M_DCG，高电平可以将低转换增益电容C_lcg和高转换增益电容C_hcg并联连接，也即当M_DCG为高电平时，低转换增益电容C_lcg和高转换增益电容C_hcg连接在一起，总电容为低转换增益电容C_lcg+高转换增益电容C_hcg。M_RS为行选信号的行选晶体管，当行选信号为高电平时可以将像素阵列中对应的列信号输出到ADC的列输入上。M_SF为源随器的输入晶体管，其输入信号为所述像素单元电路20的在高转换增益电容C_hcg上的电压信号。

本领域技术人员可以理解的是，在本发明实施例中，所述转移晶体管M_TX、所述复位晶体管M_RX以及所述转换增益选择晶体管M_DCG可为PMOS管或NMOS管，在此不做限制，具体可根据实际需要来选择。这些晶体管除了可选用MOS管外，还可选用其它类型的晶体管，例如还可选用IGBT。其它类型的晶体管的具体连接方式与本申请公开的类似，在此不一一赘述。所述转移晶体管M_TX、所述复位晶体管M_RX以及所述转换增益选择晶体管M_DCG优选为NMOS管。

可选地，当所述转移晶体管M_TX接收到所述光电二极管电荷转换信号TX以及所述转换增益选择晶体管M_DCG接收到所述转换增益信号DCG时，所述图像信号转移到所述高转换增益电容C_hcg以及所述低转换增益电容C_lcg中以形成所述低转换增益信号。

当所述转移晶体管M_TX接收到所述光电二极管电荷转换信号TX且所述转换增益选择晶体管M_DCG没有接收到所述转换增益信号DCG时，所述图像信号转移到所述高转换增益电容C_hcg中以形成所述高转换增益信号。

可以理解的是，所述图像信号、所述高转换增益信号以及所述低转换增益信号的在所述像素单元电路20中均以电荷形式体现。请参考图6a至6h所示，为所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg在连续2次不同转换增益下的电荷转移过程。下面分别对该过程进行说明：

①请参考图6a，所有开关都打开也即所述像素单元复位信号RX、所述转换增益信号DCG以及所述光电二极管电荷转换信号TX均给高电平，所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg中都没有保留电荷，此时所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg的电位置于高电平。

②请参考图6b，所述光电二极管电荷转换信号TX给低电平，此时所述像素单元电路20处于曝光状态，PD结电容受光电效应影响，缓慢积累电荷，最终积累的电荷为Q_exposure。

③请参考图6c，所述像素单元复位信号RX给低电平，此时所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg会受到电荷注入和部分所述像素单元复位信号RX的电源干扰的影响，在所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg中注入电荷Q_resetnoise。此时所述高转换增益电容C_hcg的电压V_Rlcg为：

其中，VDD为所述像素单元电路20的电源电压。

④请参考图6d，所述转换增益信号DCG给低电平，此时所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg会受到电荷注入的影响。此时时钟注入的电荷为Q_DCGthrough。而单独注入到所述高转换增益电容C_hcg的电荷为Q_DCGthrough0。此时所述高转换增益电容C_hcg的电压V_Rhcg为：

⑤请参考图6e，所述光电二极管电荷转换信号TX给高电平，此时曝光电荷Q_exposure从PD管转移到所述高转换增益电容C_hcg中，图中HCG过曝，因此仍有部分电荷存储在PD管中。所述高转换增益电容C_hcg的电压输出可分为过曝和未过曝两种。如果发生过曝会导致读出数据溢出，在本实施例中不予考虑。本领域技术人员可以理解的是，数模转换中存在满幅电压，即数字信号可能输出溢出信号，该结果不会影响HDR图像的合成。最后HDR合成过程中的算法会考虑信号过曝的情况。

⑥请参考图6f，所述光电二极管电荷转换信号TX给低电平，在未过曝条件下，所述高转换增益电容C_hcg的电压V_Slcg为：

通过CDS得到HCG过程的输出电压变化完全与曝光电荷相关，即所述高转换增益信号为：

⑦请参考图6g，所述转换增益信号DCG给高电平，此时将曝光电荷平摊到所述高转换增益电容C_hcg和所述低转换增益电容C_lcg，并且时钟注入的电荷Q_DCGthrough被抵消。

⑧请参考图6h，所述光电二极管电荷转换信号TX给低电平，同样得到所述高转换增益电容C_hcg的电压为V_Slcg，通过CDS得到LCG过程的输出电压变化完全与曝光电荷相关，即所述低转换增益信号为：

HCG和LCG转换过程中曝光电荷大小是完全一致的，可变转换增益通过不同的电容来实现，也即HCG过程中仅有所述高转换增益电容C_hcg参与，而LCG过程中有所述高转换增益电容C_hcg以及所述低转换增益电容C_lcg参与。HCG以及LCG过程中获取的图像信号各不相同，通过这两个过程中获取的图像信号叠加来合成最终HDR图像。图7为HCG和LCG转换过程中读出不同转换增益信号DCG时，所述图像感测装置所采用的相关时序示意图，其中，DCG为所述转换增益信号DCG，TX为所述光电二极管电荷转换信号TX，op1为所述第一工作信号op1，op2为所述第二工作信号op2，rst1为所述第一复位信号rst1，rst2为所述第二复位信号rst2，V_ramp为所述斜坡信号Vramp。

基于同一发明构思，请参考图8，本发明又一实施例还提出一种图像感测方法，利用上述特征描述中任一项所述的图像感测装置，包括以下步骤：

S1：LCG复位：复位所述第一输入晶体管M₁以及所述第二输入晶体管M_2A，并产生复位LCG信号；

S2：HCG复位：复位所述第三输入晶体管M_2B，并产生复位HCG信号；

S3：HCG曝光：第一次曝光所述像素单元电路20，并产生第一图像信号；

S4：HCG信号采集：基于所述复位HCG信号以及所述第一图像信号获取所述高转换增益信号；

S5：LCG曝光：第二次曝光所述像素单元电路20，并产生第二图像信号；

S6：LCG信号采集：基于所述复位LCG信号以及所述第二图像信号获取所述低转换增益信号；

其中，所述第一次曝光为高转换增益曝光；

所述第二次曝光为低转换增益曝光，此时，所述转换增益选择晶体管M_DCG将所述高转换增益电容C_hcg以及所述低转换增益电容C_lcg并联连接。

可选地，还包括以下步骤：

S0：像素单元复位：复位所述像素单元电路20。

优选地，所述HCG信号采集步骤中：

所述高转换增益信号等于所述第一图像信号与所述复位HCG信号的差值；

所述LCG信号采集步骤中：

所述低转换增益信号等于所述第二图像信号与所述复位LCG信号的差值。

为了便于理解本申请的技术方案，以下提供一种更为具体的图像感测方法(各控制信号的时序请参考图7)：

第一步：像素单元复位：DCG置于高；TX置于低；op1、op2待定；rst1、rst2置于低；V_ramp为斜坡信号的复位电压；此时RX应给一个高脉冲信号保证DCG的复位。

第二步：比较器M₁、M_2A复位：RX置于低；DCG置于高；TX置于低；op1置于高；op2置于低；rst2置于低；V_ramp为斜坡信号的复位电压；此时rst1应给一个高脉冲信号保证比较器的M₁和M_2A支路的复位。

第三步：复位LCG信号采集(AD转换)：RX置于低；DCG置于高；TX置于低；op1置于高；op2置于低；rst1、rst2置于低；V_ramp信号为斜坡信号slope1。

第四步：比较器M_2B复位：RX置于低；DCG置于低；TX置于低；op1置于低；op2置于高；rst1置于低；V_ramp为斜坡信号V_ramp的复位电压；此时rst2应给一个高脉冲信号保证比较器的M_2B支路的复位。

第五步：复位HCG信号采集(AD转换)：RX置于低；DCG置于低；TX置于低；op1置于低；op2置于高；rst1、rst2置于低；V_ramp信号为斜坡信号slope2。

第六步：像素单元的HCG曝光：RX置于低；DCG置于低；op1置于低；op2置于高；rst1、rst2置于低；V_ramp为斜坡信号V_ramp的复位电压；此时TX应给一个高脉冲信号将PD的电荷转移到C_hcg中。

第七步：曝光HCG信号采集(AD转换)：RX置于低；DCG置于低；TX置于低；op1置于低；op2置于高；rst1、rst2置于低；V_ramp信号为斜坡信号slope3。

第八步：像素单元的LCG曝光：RX置于低；DCG置于高；op1置于高；op2置于低；rst1、rst2置于低；V_ramp为斜坡信号V_ramp的复位电压；此时TX应给一个高脉冲信号将PD的电荷转移到C_lcg中。

第九步：曝光LCG信号采集(AD转换)：RX置于低；DCG置于高；TX置于低；op1置于高；op2置于低；rst1、rst2置于低；V_ramp信号为斜坡信号slope4。

需要注意的是，slope1、slope2、slope3、slope4可以为不同斜率和不同幅度的信号来实现不同的模拟增益。slope1和slope4之间的斜率必须一致；slope2和slope3之间的斜率必须一致。

可选地，S₄的开关信号可以采用非rst1信号，但与rst1信号部分交叠。

与现有技术相比，在第二次复位也即HCG复位过程中，只需对所述第三输入晶体管进行复位即可，简化了复位过程的操作，在一定程度简化了代码量。请参考图9，图9为利用本申请提出的图像感测装置以及图像感测方法与现有技术4输入端比较器电路的线性度仿真对比结果。从图9中可以看出本申请在同样输入下与现有技术4输入端比较器电路的线性度基本是同等水平。请参考图10，图10为利用本申请提出的图像感测装置以及图像感测方法与现有技术4输入端比较器电路的噪声仿真对比结果。从图10中可以看出本申请在在同样输入下与现有技术4输入端比较器电路的噪声基本是同等水平。其中图9的横轴表示比较器的输入电压信号(复位-采样)，其单位为伏特(V)，图9的纵轴表示比较器和后续电路的数字输出信号，其单位为LSB(最小有效位)，图10的横轴表示比较器和后续电路的数字输出信号，其单位也为LSB，图10的纵轴表示横轴中输出信号的统计个数。因此，本申请提出的技术方案相对于现有技术具有以下有益效果：在不影响图像性能的条件下，简化了比较器电路结构，节省了版图面积，有效提高了CIS的集成度。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的一种比较器电路，包括第一级比较器以及第二级比较器，其中，第二级比较器可利用现有技术中的结构，第一级比较器包括三个耦合电容以及三个输入晶体管，与现有技术的4输入端比较器电路相比，比较器电路的第一端减少了一个耦合电容以及输入晶体管。利用本发明提出的比较器电路时，LCG的操作过程不变，HCG的复位只需第三输入晶体管复位即可，也即通过单端复位实现。在不影响图像性能的前提下，比现有技术中的4输入端比较器减少了比较器电路中的器件数，可有效提高CIS的集成度。

2、本发明提出的图像感测装置以及图像感测方法，与所述比较器电路属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种比较器电路，其特征在于，包括第一级比较器以及第二级比较器，所述第一级比较器包括：

第一端，其被配置为接受斜坡信号；

第二端，其被配置为接受来自像素单元电路的低转换增益信号或高转换增益信号；

第一耦合电容，其被配置为存储所述斜坡信号；

第二耦合电容，其被配置为存储所述低转换增益信号；

第三耦合电容，其被配置为存储所述高转换增益信号；

第一复位开关，其被配置为对第一输入晶体管进行复位；

第二复位开关，其被配置为对第二输入晶体管进行复位；

第三复位开关，其被配置为对第三输入晶体管进行复位；

第一输入晶体管，其被配置为配合所述第一耦合电容存储所述斜坡信号；

第二输入晶体管，其被配置为配合所述第二耦合电容存储所述低转换增益信号，并传输给所述第二级比较器的输入端；

第三输入晶体管，其被配置为配合所述第三耦合电容存储所述高转换增益信号，并传输给所述第二级比较器的输入端；

所述第二级比较器的输出端用于读出所述低转换增益信号以及所述高转换增益信号；

其中，所述第一耦合电容的一端与所述第一端连接，所述第一耦合电容的另一端与所述第一输入晶体管的栅极以及所述第一复位开关的一端连接，所述第一复位开关的另一端与所述第一输入晶体管的漏极连接；

所述第二耦合电容的一端与所述第二端连接，所述第二耦合电容的另一端与所述第二输入晶体管的栅极以及所述第二复位开关的一端连接，所述第二复位开关的另一端与所述第二输入晶体管的漏极连接；

所述第三耦合电容的一端与所述第二端连接，所述第三耦合电容的另一端与所述第三输入晶体管的栅极以及所述第三复位开关的一端连接，所述第三复位开关的另一端与所述第三输入晶体管的漏极连接。

2.如权利要求1所述的比较器电路，其特征在于，所述第一复位开关基于第一复位信号对所述第一输入晶体管进行复位，所述第二复位开关基于所述第一复位信号对所述第二输入晶体管进行复位，所述第三复位开关基于第二复位信号对所述第三输入晶体管进行复位；

当所述第一复位信号为高电平时，所述第一复位开关对所述第一输入晶体管进行复位，所述第二复位开关对所述第二输入晶体管进行复位；

当所述第二复位信号为高电平时，所述第三复位开关对所述第三输入晶体管进行复位。

3.如权利要求1所述的比较器电路，其特征在于，所述第一级比较器还包括第一工作开关以及第二工作开关；

所述第一工作开关用于控制所述第二输入晶体管所处电路的导通与关断；

所述第二工作开关用于控制所述第三输入晶体管所处电路的导通与关断。

4.如权利要求3所述的比较器电路，其特征在于，所述第一工作开关基于第一工作信号控制所述第二输入晶体管所处电路的导通与关断；

所述第二工作开关基于第二工作信号控制所述第三输入晶体管所处电路的导通与关断；

当所述第一工作信号为高电平时，所述第二输入晶体管所处电路导通，当所述第一工作信号为低电平时，所述第二输入晶体管所处电路关断；

当所述第二工作信号为高电平时，所述第三输入晶体管所处电路导通，当所述第二工作信号为低电平时，所述第三输入晶体管所处电路关断。

5.如权利要求3所述的比较器电路，其特征在于，所述第一级比较器还包括电流镜电路以及电流偏置晶体管；

所述第二复位开关的另一端与所述第二输入晶体管的漏极连接于第一交点；

所述第三复位开关的另一端与所述第三输入晶体管的漏极连接于第二交点；

所述第一输入晶体管的源极、所述第二输入晶体管的源极以及所述第三输入晶体管的源极均与所述电流偏置晶体管的漏极连接，所述电流偏置晶体管的栅极接入一偏置电压，所述电流偏置晶体管的源极接地；

所述电流镜电路的一个输出端与所述第一输入晶体管的漏端连接，所述电流镜电路的另一个输出端与所述第一工作开关的一端以及所述第二工作开关的一端连接；

所述第一工作开关的一端以及所述第二工作开关的一端还与所述第二级比较器的输入端连接，所述第一工作开关的另一端与所述第一交点连接，所述第二工作开关的另一端与所述第二交点连接。

6.如权利要求5所述的比较器电路，其特征在于，所述第二级比较器包括第四输入晶体管、负载晶体管、第四复位开关以及第一复位电容；

所述第四输入晶体管的栅极与所述第一工作开关的一端以及所述第二工作开关的一端连接，所述第四输入晶体管的源极与一电源连接，所述第四输入晶体管的漏极与所述负载晶体管的漏极连接与第三交点；

所述负载晶体管的栅极与所述第一复位电容的一端连接，所述负载晶体管的源极以及所述第一复位电容的另一端均接地；

所述第四复位开关的两端分别连接所述负载晶体管的栅极和漏极；

所述第三交点为所述第二级比较器的输出端。

7.一种图像感测装置，其特征在于，包括像素单元电路以及如权利要求1-6中任一项所述的比较器电路；

所述像素单元电路包括光电二极管、转移晶体管、复位晶体管、转换增益选择晶体管、高转换增益电容、低转换增益电容；

所述复位晶体管用于在接收到像素单元复位信号时，对所述像素单元电路进行复位；

所述光电二极管用于接收曝光信号以产生图像信号，并将所述图像信号传输给所述转移晶体管；

所述转移晶体管用于在接收到光电二极管电荷转换信号时，将所述图像信号转移到所述高转换增益电容和/或所述低转换增益电容中；

所述转换增益选择晶体管用于在接收到转换增益信号时，将所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容并联连接以使所述图像信号存储进所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容中。

8.如权利要求7所述的图像感测装置，其特征在于，当所述转移晶体管接收到所述光电二极管电荷转换信号以及所述转换增益选择晶体管接收到所述转换增益信号时，所述图像信号转移到所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容中以形成所述低转换增益信号；

当所述转移晶体管接收到所述光电二极管电荷转换信号且所述转换增益选择晶体管没有接收到所述转换增益信号时，所述图像信号转移到所述高转换增益电容中以形成所述高转换增益信号。

9.一种图像感测方法，其特征在于，利用如权利要求7-8中任一项所述的图像感测装置，包括以下步骤：

LCG复位：复位所述第一输入晶体管以及所述第二输入晶体管，并产生复位LCG信号；

HCG复位：复位所述第三输入晶体管，并产生复位HCG信号；

HCG曝光：第一次曝光所述像素单元电路，并产生第一图像信号；

HCG信号采集：基于所述复位HCG信号以及所述第一图像信号获取所述高转换增益信号；

LCG曝光：第二次曝光所述像素单元电路，并产生第二图像信号；

LCG信号采集：基于所述复位LCG信号以及所述第二图像信号获取所述低转换增益信号；

其中，所述第一次曝光为高转换增益曝光；

所述第二次曝光为低转换增益曝光，此时，所述转换增益选择晶体管将所述高转换增益电容以及所述低转换增益电容并联连接。

10.如权利要求9所述的图像感测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

像素单元复位：复位所述像素单元电路。

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