CN112449135A - 具有可调放大器电路的成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有可调放大器电路的成像系统”本发明公开了一种图像传感器，该图像传感器可包括图像像素阵列。该图像像素阵列可耦接到列读出电路。给定图像像素可针对给定曝光而生成弱光信号和强光信号。列线可将该给定图像像素耦接到具有放大器电路的读出电路。该列线可耦接到用于读出该强光信号的自动调零晶体管和用于读出该弱光信号的源极跟随器级。该放大器电路可根据其正在放大该弱光信号还是该强光信号来接收不同的共模电压。可基于该放大器电路正在放大该低信号还是该高信号来调整该放大器电路的增益和其他工作参数。如果需要，可针对该弱光信号和该强光信号实施单独的放大器电路。

Description

具有可调放大器电路的成像系统
技术领域
本发明整体涉及成像设备，并且更具体地涉及图像传感器中的读出电路。
背景技术
图像传感器常常在电子设备诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置方式中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。
通常，每个图像像素包含用于响应于入射光而生成电荷的光电二极管。每个图像像素可在变化的光条件下(诸如在相对弱光条件下或在相对强光条件下)生成电荷。因此，在一些应用中，可能期望图像像素生成针对这些变化的光条件进行优化的信号，例如弱光信号和强光信号。另外，弱光信号与强光信号之间的不同特性(例如，弱光信号与强光信号之间的主噪声的不同类型)可提供更有效地调整和配置读出电路以读出这两个信号中的每个信号的机会。
因此，可能期望提供具有改善的读出电路的成像系统(例如，用于以低读取噪声和更高稳定准确性读出弱光信号，用于更快地读出强光信号同时降低功率消耗)。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有用于捕获图像的图像传感器和处理电路的例示性电子设备的示意图。
图2是根据一些实施方案的例示性像素阵列和相关联的控制和读出电路的示意图，该控制和读出电路用于控制该像素阵列并从该像素阵列读出图像信号。
图3是根据一些实施方案的可以跨像素阵列实施的例示性图像像素的电路图。
图4是根据一些实施方案的耦接到图像像素并且具有可调放大器电路的例示性读出电路的电路图。
图5是根据一些实施方案的用于操作读出电路(诸如图4中的读出电路)和图像像素(诸如图3中的图像像素)的例示性时序图。
图6是根据一些实施方案的具有用于不同类型的图像信号的单独放大器电路的例示性读出电路的电路图。
图7是根据一些实施方案的用于操作读出电路(诸如图6中的读出电路)和图像像素(诸如图3中的图像像素)的例示性时序图。
具体实施方式
电子设备诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所生成的电荷相对应。
图1是例示性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、蜂窝电话、平板计算机、网络摄像头、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统、增强现实和/或虚拟现实系统、无人机系统(例如，无人机)、工业系统或捕获数字图像数据的任何其他期望的成像系统或设备。相机模块12(有时称为成像模块)可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成在图像传感器16的成像表面上的微透镜和其他微距镜头。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素图像信号转换成提供给存储和处理电路18的对应数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(例如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块分开和/或形成相机模块的一部分的部件(例如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块内的集成电路的一部分的电路)来实施。当不同于图像传感器16的集成电路的集成电路(例如，芯片)上包括存储和处理电路18时，可相对于具有图像传感器16的集成电路竖直地堆叠或封装具有电路18的集成电路。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块捕获的图像数据(例如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线通信路径和/或无线通信路径将处理后的图像数据提供给外部设备(例如，计算机、外部显示器或其他设备)。
如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24。阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26(有时称为行驱动器电路或行驱动器)和列读出电路28(有时称为列控制电路、图像读出电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址并且通过行控制路径30将对应的行控制信号(诸如复位控制信号、抗光晕控制信、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号)提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接到阵列20中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22生成的图像信号。
列读出电路28可通过列线32接收图像信号(例如，由像素22生成的模拟像素值)。列读出电路28可包括用于临时存储从阵列20读出的校准信号(例如，复位电平信号、参考电平信号)和/或图像信号(例如，图像电平信号)的存储器电路、放大器电路或乘法器电路、模数转换(ADC)电路、偏置电路、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路或耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22和用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20所接收的模拟像素值转换成对应数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。列读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。
如果需要，图像像素22可各自包括用于响应于图像光而生成电荷的多于一个光敏区。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。图像阵列20还可设置有具有多个(颜色)过滤元件(每个过滤元件对应于相应像素)的过滤器阵列，该过滤器阵列允许单个图像传感器对不同颜色或不同波长组的光进行采样。例如，图像传感器像素诸如阵列20中的图像像素可设置有具有红色、绿色和蓝色过滤元件的滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的对应红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。
在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色像素可被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。在又一个示例中，拜耳图案中的一个绿色像素可被替换为在红外(IR)滤色器元件下形成的IR图像像素，并且/或者其余的红色、绿色和蓝色图像像素也可对IR光敏感(例如，可在除其相应颜色的光之外还使IR光穿过的过滤元件下形成)。这些示例仅仅是例示性的，一般来讲，可在任何期望数量的图像像素22上方形成任何期望颜色和/或波长以及任何期望图案的过滤元件。
图像传感器16可包括一个或多个图像像素22阵列20。可使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦接器件(CCD)技术或任何其他合适的光敏设备技术在半导体衬底中形成图像像素22。图像像素22可为前照式(FSI)图像像素或背照式(BSI)图像像素。如果需要，图像传感器16可包括集成电路封装或其中多个集成电路衬底层或芯片相对于彼此垂直堆叠的其他结构。在这种情况下，可将电路24、26和28中的一个或多个竖直地堆叠在图像传感器16内的阵列20上方或下方。如果需要，线32和30在这种情况下可由竖直导电通孔结构(例如，硅贯通孔或TSV)和/或水平互连线路形成。
图3是例示性图像像素22的电路图。如图3所示，像素22可包括光敏元件，诸如光电二极管40。光电二极管40可包括接收参考电压VSS(例如，由电压端子38提供的接地电压)的第一端子。可由光电二极管40收集入射光。光电二极管40可响应于接收到入射光子而生成电荷(例如，电子)。由光电二极管40收集的电荷量可取决于入射光的强度和曝光时间(或积聚时间)。
可在电压端子42处提供正电源电压VAA。在获取图像之前，(例如，通过使控制信号RST生效(assert))可接通复位晶体管46以将电荷存储区48(有时称为浮动扩散区)复位为电压VAA。可使用像素22中的电荷读出电路来读出存储在浮动扩散区48处的电压电平。电荷读出电路可包括源极跟随器晶体管60和行选择晶体管62。存储在电荷存储区48处的电荷可包括由光电二极管生成的电荷、复位电平电荷(与电压VAA相关联)和/或其他参考电平电荷(例如，指示暗电流、寄生光等)。
(例如，通过将电压端子42连接到光电二极管40的第二端子)光电二极管40可被复位为电源电压VAA。在光电二极管40复位后，光电二极管40可开始聚积光生电荷。像素22可包括转移晶体管58。(例如，通过使控制信号TX生效)可接通转移晶体管58以将电荷从光电二极管40转移到浮动扩散区48。浮动扩散区48可以是掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺掺杂在硅衬底中的区)。浮动扩散区48可具有相关联的电荷存储容量(例如，如图3中的耦接到参考电压(诸如电压VSS)的电容器的电容CFD所示)。
行选择晶体管62可具有由行选择信号(即，信号RS)控制的栅极端子。当行选择信号生效时，晶体管62接通并且对应信号VOUT(例如，幅值与浮动扩散区48处的电荷量成比例的输出信号)经由源极跟随器晶体管60被传递到像素输出路径上并且被传递到读出路径(诸如列线68)(即，图2中的线32)上。当浮动扩散区48存储正被读出的由光电二极管生成的电荷时，对应信号VOUT可被称为图像电平信号。当浮动扩散区48存储正被读出的复位电平电荷时，对应信号VOUT可被称为复位电平信号。
具有图像像素阵列(诸如图3中的像素22)的图像传感器可在变化的光条件下(例如，在相对弱光环境中、在相对强光环境中、在弱光环境与强光环境之间的中等光环境中等)操作。在一些应用中(例如，为了提供高动态范围图像)，可能期望图3中的像素22针对每个曝光时间周期生成多于一个图像信号(例如，两个图像信号)。
仍然参考图3的示例，像素22可包括电容器，诸如低(转换)增益电容器52(例如，具有电容Clcg)。电容器52可被配置为存储溢出电荷(例如，由光电二极管40生成的高于电压阈值的电荷的一部分、在强光条件下生成的过量电荷)。电容器52可经由晶体管(诸如双转换增益晶体管50)耦接到浮动扩散区48。电容器52可具有耦接到电压端子(诸如提供接地电压的电压端子38)(或耦接到任何其他合适的电压端子)的端子。(例如，通过使控制信号DCG生效)晶体管50可被激活以将电容器52连接到浮动扩散区48。
具体地，电容器52可被配置为扩展浮动扩散区48的存储容量。像素22可使用(例如，在电容器52与浮动扩散区48断开连接时)存储在浮动扩散区48处的电荷来生成第一信号(例如，弱光或高转换增益信号，在本文中有时称为S1图像信号)，并且可使用(例如，当电容器52连接到浮动扩散区48时)存储在浮动扩散区48和电容器52处的电荷来生成第二信号(例如，强光或低转换增益信号，在本文中有时称为S2图像信号)。
图3所示的像素配置仅仅是例示性的。其中图3中的像素22的类型被实施为跨图2中的阵列20的像素22中的每个像素的布置方式在本文中被描述为示例。如果需要，可对像素22进行任何合适的修改以实施图2中的像素阵列20。例如，像素22可包括多个光电二极管(例如，耦接到相同的或不同的浮动扩散区)、抗光晕晶体管或路径、经由对应的一个或多个增益控制晶体管耦接到一个或多个浮动扩散区的多个低转换增益电容器等。
一般来讲，像素22可为
在典型图像像素阵列配置中，存在多行和多列的像素22。列读出路径可与每列像素22相关联(例如，一列中的每个图像像素22可通过相关联的行选择晶体管62耦接到列输出路径)。可使控制信号RS生效，以将来自所选图像像素的信号VOUT读出到像素读出路径上。可将信号VOUT提供给读出电路28(图2)和处理电路18(图1)以供进一步处理。
图4是用于其中像素阵列(例如，图2中的阵列20)中的像素列中的给定像素列耦接到读出电路的例示性布置方式的电路图。如图4所示，像素列102可包括像素22-1、22-2、22-3等(例如，各自具有图3中的像素22的配置)。列102中的像素22中的每个像素可包括耦接到共享列线68(例如，图2中的列线32)的对应行选择晶体管。列线68可将列102中的像素22耦接到读出电路100。读出电路100可形成图2中的列读出电路28的一部分。例如，对应的单独读出电路(类似于读出电路100)可类似地耦接到阵列20中的其他像素列，并且可共同形成列读出电路28。
如上文结合图3所述，每个像素均可生成强光信号和弱光信号。为了对强光信号和弱光信号两者更有效地执行读出操作，图像传感器可包括可调读出电路，诸如图4中的读出电路100。具体地，图像传感器的弱光性能(例如，获得令人满意的弱光信号)可强调诸如低读出链(电路)噪声、良好线性度和低固定模式噪声的因素，而图像传感器的强光性能(例如，获得令人满意的强光信号)可能不强调诸如读出链噪声和稳定准确性的因素，这是因为输入信号噪声可能更占主导地位。因此，可能期望放宽强光信号的对应读出电路参数以改善采样时间和功率消耗。另外，在强光图像和复位电平信号读出期间(例如，通过在读出到列线上之前将列线连接到参考电压或接地电压)，可有利地匹配像素输出对浮动扩散区的回冲效应。下文更详细地描述具有至少这些期望属性的读出电路100的配置。
具体地，读出电路100可包括串联耦接在列线68与电压端子(诸如提供电压Vss(例如，接地电压)的电压端子38)之间的晶体管104和106。晶体管104可用作(例如，通过使控制信号SFEN生效)将列线68选择性地连接到晶体管106的开关。偏置晶体管106可被配置为(例如，通过使用控制信号SFBIAS)生成偏置电流，这有助于在读出操作期间(例如，对于弱光信号)驱动信号离开列102中的像素22。
读出电路100可包括耦接在列线68与电压端子(诸如提供电压Vss(例如，接地电压)的电压端子38)之间的晶体管108。晶体管108可被配置为(例如，通过使控制信号AZGND生效)将列线68的电压下拉到电压Vss或任何其他参考电压，诸如高于接地电压的电压。
读出电路100可包括放大器电路(例如，运算放大器)，诸如放大器电路110。放大器电路110可包括第一输入端子(例如，反相端子)和第二输入端子(例如，非反相端子)。提供信号Vin的列线68可经由输入电容器(诸如具有电容Cs的电容器112)耦接到放大器电路110的反相端子。
放大器电路110的非反相端子可接收两个参考电压Vrefs1和Vrefs2中的一个参考电压。具体地，开关114(由控制信号S1控制)可将提供电压Vrefs1的参考电压端子118耦接到放大器电路110的非反相端子。开关116(由控制信号S2控制)可将提供电压Vrefs2的参考电压端子120沿单独路径耦接到放大器电路110的非反相端子。例如，电压Vrefs1可为能够由放大器100接收的最低可能输入共模电压，而电压Vrefs2可大于像素输出中的复位电平信号。如果需要，Vrefs1和Vrefs2可为任何其他合适的值。
放大器电路110可包括提供放大器输出信号Vout的输出端子。放大器电路110的输出端子可经由自动调零开关(诸如由信号AZ控制的开关122)耦接到放大器电路110的反相端子。放大器电路110的输出端子可经由反馈电容器(诸如具有电容Cf的反馈电容器124)沿单独路径(例如，与开关122沿其耦接的路径平行的第二路径)耦接到放大器电路110的反相端子。输入电容Cs与反馈电容的比率可确定放大器电路110的增益(因数)G，并且可以是可调的。例如，为了放大弱光信号，该增益可相对较大(例如，至少大于一)，而为了放大，该增益可小于或等于一。
另外，开关126可经由电容器128(例如，过滤电路)将放大器电路110的输出端子耦接到电压端子38(例如，提供接地电压)。开关126可由控制信号S1(例如，由开关114接收的相同信号)控制。该频带限制路径可用于降低读取噪声(例如，针对弱光信号)。
放大器电路110的输出端子还可连接到采样保持电路(例如，用于存储强光信号和弱光信号的图像电平和复位电平信号的存储器电路)。具体地，采样开关(诸如由信号SAMP控制的开关130)可将放大器电路的输出端子连接到采样电路(诸如采样保持电容器132)(例如，在一个端子处存储电压Vsh并且在另一端子处接收参考电压，诸如接地电压)。
读出电路100可被配置为以第一模式和第二模式(例如，对弱光图像电平信号和对应的复位电平信号执行读出的弱光模式和对弱光图像电平信号和对应的复位电平信号执行读出的强光模式)进行操作。参考图4中的晶体管108，控制信号AZGND可在强光模式期间(例如，在列线68接收强光的图像电平和复位电平信号之前)选择性地生效。控制信号SFEN可在整个强光模式期间失效。这些控制可缓解列线上的任何存储器效应以在读出强光的图像和复位电平信号期间匹配像素输出in的回冲，并且可在强光模式操作期间减少采样时间和功率消耗。
相比之下，在弱光模式期间，控制信号AZGND可失效并且控制信号SFEN可生效，以提供更高的稳定准确性。换句话讲，在弱光模式期间，利用源极跟随器级执行读出，并且在强光模式期间，在没有源极跟随器级的情况下执行读出。与在没有源极跟随器级的情况下执行读出相关联的任何非线性可用数字域中的分段线性校正(例如，通过下游数字处理电路)来校正。
在弱光模式期间(例如，为了读出弱光图像和复位电平信号)，控制信号S1可生效。在强光模式期间(例如，为了读出强光图像和复位电平信号)，控制信号S2可生效。参考图4中经由开关114和116选择性地连接到运算放大器110的非反相端子的参考电压端子118和120，可在弱光模式期间向放大器电路110提供相对低的共模电压Vrefs1，并且可在强光模式期间向放大器电路110提供相对高的共模电压Vrefs2。可选择两个共模电压Vrefs1和Vrefs2中的每个共模电压以优化弱光信号或强光信号中的对应信号的性能。
参考图4中的开关126和电容器128，控制信号S1可在弱光模式期间生效。在以此方式配置后(例如，开关126处于闭合(即，导电)状态)，可在弱光模式期间对输出信号Vout进行频带限制，从而降低弱光信号的读出噪声。在强光模式期间，控制信号S2可失效，并且开关126可处于断开(open)状态以提高读出操作的速度。
图5是用于操作可调读出电路(诸如图4中的读出电路100)以读出弱光和强光的图像电平和复位电平信号的例示性时序图。具体地，读出电路可在时间t1至t2之间的时间周期期间以弱光模式操作，并且可在时间t2至t3之间的时间周期期间以强光模式操作。控制电路(诸如控制电路24和/或26(图2))可被配置为提供图5中所述的控制信号(例如，使该控制信号生效和失效)。
如图5所示，在时间t1至t2之间，可对弱光的复位电平信号和图像电平信号进行采样。具体地，控制信号SAMP的生效A1和A2可选择性地激活采样开关(例如，图4中的开关130)以对与生效A1处的复位电平信号相对应并且与生效A2处的图像电平信号相对应的放大器输出信号(例如，图4中的放大器电路110的信号Vout)进行采样。
在t1至t2之间的时间周期期间，控制信号S1可通过生效D1(连续地)生效(例如，以激活图4中的开关114)，从而向放大器电路提供低光模式的第一共模电压(例如，向图4中的放大器电路110提供最低可能共模电压Vrefs1)并且提供频带限制路径(例如，与图4中的电容器128的连接)。在t1至t2之间的时间周期期间，控制信号SFEN可通过生效F1(连续地)生效(例如，以激活图4中的晶体管104)，从而向列线提供偏置电流(例如，将晶体管106连接到图4中的列线68)。在t1至t2之间的时间周期期间，控制信号RS可通过生效G1(连续地)生效(例如，以在图4中的列102中的对应像素22(对其执行读出操作)中激活图3中的晶体管62)，从而将像素电路(例如，图3中的源极跟随器晶体管60)连接到对应的列线。
在使用生效A1对弱光的复位电平信号执行读出操作之前(例如，在时间t1之前)，可使用生效I'将从其中读出复位电平信号的像素的浮动扩散区复位为供电电压。(例如，使用分别用于信号SFEN和RS的生效F1和G1)复位电平信号可作为输入信号Vin被传递到放大器电路。在时间t1之后，控制信号AZ可通过生效B1而生效以连接放大器电路(例如，图4中的放大器电路110)的反相端子和输出端子。此时，放大器输出信号Vout可处于弱光的共模电压(例如，电压Vrefs1)。可使用生效A1对该放大器输出进行采样。
然后，控制信号TX可通过生效H而生效以将由光电二极管生成的电荷转移到浮动扩散区(在从其中读取复位电平信号的相同像素中)。(例如，使用生效F1和G1)弱光的图像电平信号(例如，S1图像信号)可作为输入信号Vin被传递到放大器电路。此时，放大器输出信号Vout可被增加到共模电压Vrefs1和增益因数G与相关的或相对弱光图像电平信号Vshss1的乘积之和。具体地，增益因数G可由放大器输入电容Cs与放大器反馈电容Cf的比率来确定，并且相关的弱光图像电平信号Vshss1可由绝对弱光图像电平信号(例如，来自接地电压)与绝对弱光复位电平信号(例如，来自接地电压)之间的差值来确定。此时，可使用生效A2对放大器输出进行采样。
在时间t2处，读出电路可从弱光模式切换为以强光模式操作。具体地，在时间t2至t3之间，可对强光的复位电平信号和图像电平信号进行采样。具体地，控制信号SAMP的生效A3和A4可选择性地激活采样开关(例如，图4中的开关130)以对与生效A3处的图像电平信号相对应并且与生效A4处的复位电平信号相对应的放大器输出信号(例如，图4中的放大器电路110的信号Vout)进行采样。
在t2至t3之间的时间周期期间，控制信号S2可通过生效E1(连续地)生效(例如，以激活图4中的开关116)，从而向放大器电路提供强光模式的第二共模电压(例如，向图4中的放大器电路110提供大于复位电平电压的电压Vrefs2)。另外，在t2至t3之间的时间周期期间，控制信号DCG可通过生效J(连续地)生效以将像素处的浮动扩散区连接到像素处的低增益电容器(例如，图3中的电容器52)，从而提供存储在低增益电容器处的溢出电荷以用于读出。以此方式，像素可被配置为生成低转换增益图像信号(例如，强光图像电平信号)。
在时间t2之后，控制信号AZGND可通过生效C1而生效以将列线连接到接地电压或不同的参考电压(例如，将列线68连接到图4中的电压Vss)。虽然控制信号AZGND生效，但是控制信号RS可失效。
在时间t2之后(例如，与生效C1发生的同时)，控制信号AZ可通过生效B2而生效以连接放大器电路(例如，图4中的放大器电路110)的反相端子和输出端子。此时，放大器输出信号Vout可处于强光的共模电压(例如，电压Vrefs2)。然后，控制信号RS可通过生效G2而生效以将强光图像电平信号传送到列线(例如，图4中的列线86)并传送到放大器电路(例如，图4中的放大器电路110)的反相端子。
因此，放大器电路可基于输入强光图像电平信号而生成放大器输出信号Vout。具体地，放大器输出信号Vout可从共模电压Vrefs2减小到共模电压Verfs2与增益因数G和绝对强光图像电平信号Vshss2(例如，来自接地电压)的乘积之间的差值，该增益因数G由放大器输入电容Cs与放大器反馈电容Cf的比率来确定。增益因数G在强光模式下可小于或等于一以避免使放大器输出饱和。可使用生效A3对该放大器输出进行采样。
在生效A3之后，控制信号AZGND可通过生效C2再次生效以将列线连接到接地电压(例如，将列线68连接到图4中的电压Vss)。虽然控制信号AZGND生效，但是控制信号RS可失效。此时，放大器输出信号Vout可再次处于强光的共模电压(例如，电压Vrefs2)。
在生效A3之后(例如，与生效C2发生的同时)，控制信号RST可通过生效I而生效以将像素的浮动扩散区复位为供电电压(例如，图3中的电压VAA)。然后，控制信号RS可通过生效G3而生效以将强光复位电平信号传送到列线(例如，图4中的列线86)并且传送到放大器电路(例如，图4中的放大器电路110)的反相端子。
因此，放大器电路可基于输入强光复位电平信号而生成放大器输出信号Vout。具体地，放大器输出信号Vout可从共模电压Vrefs2减小到共模电压Verfs2与增益因数G和绝对强光图像电平信号Vshrs2(来自接地电压)的乘积之间的差值，该增益因数G由放大器输入电容Cs与放大器反馈电容Cf的比率来确定。可使用生效A4对该放大器输出进行采样。
结合图4和图5所述的读出电路和用于操作读出电路的时序图仅仅是例示性的。如果需要，可对图4和图5中的读出电路和时序图的配置进行任何合适的修改。例如，图6是具有单独放大器电路的例示性可调读出电路的电路图。
如图6所示，读出电路200可包括以与图4中的读出电路100中的元件相同(或类似)的配置实施的相同(或类似)的元件中的一些元件。为了避免不必要地模糊图6的实施方案，省略了对这些类似元件及其类似配置的进一步描述。如先前(例如，结合图4)所述，除非另外指明，否则这些类似元件可具有类似的功能、配置、操作模式等。
具体地，读出电路200可包括两个单独的放大器电路110-1和110-2。图4中的放大器电路110用于放大弱光信号和强光信号两者，而放大器电路110-1可专用于弱光信号，并且放大器电路110-2可专用于强光信号。放大器电路110-1和110-2可经由分别由控制信号S1和S2控制的相应开关140和142耦接到列线68。放大器电路110-1和110-2可经由分别由控制信号SAMPS1和SAMPS2控制的相应开关144和146耦接到采样保持电路(例如，采样开关)。在以诸如一定方式配置后，可选择性地向放大器电路110-1或110-2中的一个放大器线路提供对应的放大器输入信号Vin，并且可向采样保持电路提供对应的放大器输出信号(例如，信号Vouts1或Vouts2)。
放大器电路110-1和110-2中的每个放大器电路可具有对应的输入电容器(例如，具有电容Cs1的电容器112-1或具有电容Cs2的电容器112-2)、对应的自动调零开关(例如，由信号AZS1控制的开关122-1或由信号AZS2控制的开关122-2)，和对应的反馈电容器(例如，具有电容Cf1的电容器124-1或具有电容Cf2的电容器124-2)。另外，因为对弱光信号(和强光信号)进行了频带限制，所以开关126和电容器128可耦接到放大器电路110-1而不是放大器电路110-2。
放大器电路110-1和110-2中的每个放大器电路可在其非反相输入端子处接收对应的共模电压。换句话讲，由端子118提供的共模电压Vrefs1可被提供给放大器电路110-1，并且由端子120提供的共模电压Verfs2可被提供给放大器电路110-2。因此，图4中的放大器电路可有利地避免在不同共模电压之间切换。
因为提供了单独的放大器电路，所以可优化用于操作或配置放大器电路的参数以放大弱光信号(在放大器电路110-1的情况下)或弱光信号(在放大器电路110-2的情况下)。具体地，放大器电路110-1可针对低噪声和高带宽进行优化，而放大器电路110-2可针对低功率和高摆幅进行优化。
图7是用于操作可调读出电路(诸如图6中的读出电路200)以读出弱光和强光的图像电平和复位电平信号的例示性时序图。具体地，读出电路可在时间t1至t2之间的时间周期期间以弱光模式操作，并且可在时间t2至t3之间的时间周期期间以强光模式操作。控制电路(诸如控制电路24和/或26(图2))可被配置为提供图7中所述的控制信号(例如，使该控制信号生效和失效)。
如图7所示，时序图可包括以与图5的时序图中的那些相同(或类似)的方式实施的相同(或类似)生效和失效中的一些。为了避免不必要地模糊图7的实施方案，省略了对这些类似元件的描述。如先前(例如，结合图5)所述，除非另外指明，否则这些类似元件可具有类似的功能、配置、操作模式等。
在双重放大器电路配置(例如，双运算放大器配置)中，根据哪个放大器电路正在提供输出，用于对放大器输出进行采样的控制信号SAMP的生效可结合控制信号SAMPS1和SAMPS2中的一个控制信号来生效。例如，在时间t1至时间t2之间的弱光操作模式期间，放大器电路110-1(图6)可以是有效的，并且访问放大器电路110-1的输出的控制信号SAMPS1可通过分别与生效A1和A2同时发生的生效K1和K2来生效。又如，在时间t2至时间t3之间的强光操作模式期间，放大器电路110-2(图6)可以是有效的，并且访问放大器电路110-2的输出的控制信号SAMPS2可通过分别与生效A3和A4同时发生的生效L1和L2来生效。
另外，用于将放大器输入端子和输出端子自动调零的生效也可在双重放大器电路配置中分开。如图7所示，当放大器电路110-1有效时，控制信号AZS1可通过生效B1来生效，并且当放大器电路110-2有效时，控制信号AZS2可通过生效B2来生效。
双重放大器电路配置的功能和操作相对于单个放大器电路配置的那些功能和操作在很大程度上保持不变。虽然双重放大器电路配置需要附加的区域来实施，但是由于更优化的放大器电路以及其他特征，它能够提供更有利的性能。
结合图6和图7所述的读出电路和用于操作读出电路的时序图仅仅是例示性的。如果需要，可对图6和图7中的读出电路和时序图的配置进行任何合适的修改。
尽管读出电路(例如，在图4或图6中)被配置为读出和/或放大强光信号和弱光信号的布置方式，但是这些布置方式仅仅是例示性的。如果需要，这些放大器电路复用方案通常可应用于任何合适的不同类型的信号。如果需要，这些放大器电路复用方案(例如，使用两组操作模式或放大器设置，或使用与多个不同信号相对应的多个操作设置)可应用于如本文所述的两种以上类型的信号(例如，可应用于强光、中等光、弱光信号、四种不同类型的信号等)。
已经描述了示出用于有效地执行读出操作的系统和方法的各种实施方案。
例如，图像传感器可包括图像传感器像素阵列，该图像传感器像素阵列具有图像像素。读出电路可经由像素读出路径耦接到该图像像素。该读出电路可包括：放大器电路，该放大器电路具有耦接到该像素读出路径的第一输入端子和被配置为接收第一共模电压或第二共模电压的第二输入端子；第一晶体管，该第一晶体管将该像素读出路径耦接到参考电压端子；第二晶体管，该第二晶体管将该像素读出路径耦接到偏置晶体管，该偏置晶体管被配置为生成偏置电流；第一开关，该第一开关将该第二输入端子耦接到提供该第一共模电压的第一电压端子；第二开关，该第二开关将该第二输入端子耦接到提供该第二共模电压的第二电压端子；采样开关，该采样开关将该放大器电路的输出端子耦接到采样电路(例如，采样电容器)。该第一输入端子可经由输入电容器耦接到该像素读出路径，该第一输入端子可经由自动调零开关沿第一路径耦接到该输出端子，该第一输入端子可经由反馈电容器沿第二路径耦接到该输出端子，并且该放大器电路的输出端子可经由附加的开关耦接到附加的电容器。该第一开关和该附加的开关可被配置为接收相同的控制信号。
如果需要，该参考电压端子可被配置为提供接地电压。如果需要，该参考电压端子可被配置为提供大于该接地电压的电压。
又如，一种图像传感器可包括：图像像素，该图像像素被布置成列和行；列读出电路，该列读出电路具有放大器电路；和控制电路。图像像素的给定列可经由列线耦接到该放大器电路，并且该列读出电路可被配置为在第一操作模式期间从该给定列中的给定图像像素读出弱光图像信号，并且在第二操作模式期间从该给定图像像素读出强光图像信号。控制电路，该控制电路可被配置为控制该读出电路以在该第一操作模式期间为该放大器电路提供第一共模电压，并且在该第二操作模式期间为该放大器电路提供大于该第一共模电压的第二共模电压。该列读出电路可包括第一晶体管，该第一晶体管将该列线耦接到参考电压端子，并且该控制电路可被配置为在该第二操作模式期间激活该第一晶体管并且在该第一操作模式期间停用该第一晶体管。该列读出电路可包括第二晶体管，该第二晶体管将该列线耦接到偏置晶体管，并且该控制电路可被配置为在该第一操作模式期间激活该第二晶体管，并且在该第二操作模式期间停用该第二晶体管。
如果需要，该放大器电路可包括非反相输入端子，该非反相输入端子经由第一开关耦接到提供该第一共模电压的第一电压端子，并且经由第二开关耦接到提供该第二共模电压的第二电压端子。该控制电路可被配置为通过使由该第一开关接收的第一控制信号生效来控制该读出电路向该放大器电路提供该第一共模电压，并且被配置为通过使由该第二开关接收的第二控制信号生效来控制该读出电路向该放大器电路提供该第二共模电压。该列读出电路可包括第三开关，该第三开关将该放大器电路的输出端子耦接到带宽电容器，并且该控制电路可被配置为在该第一操作模式期间闭合该第三开关并且在该第二操作模式期间断开该第三开关。该第三开关可被配置为接收该第一控制信号。
又如，一种图像传感器可包括：图像传感器像素阵列，该图像传感器像素阵列具有图像像素；和读出电路，该读出电路经由像素读出路径耦接到该图像像素。该读出电路可包括：第一放大器电路，该第一放大器电路具有经由第一开关耦接到该像素读出路径的第一输入端子并且具有被配置为接收第一共模电压的第二输入端子；第二放大器电路，该第二放大器电路具有经由第二开关耦接到该像素读出路径的第一输入端子并且具有被配置为接收第二共模电压的第二输入端子；第一晶体管，该第一晶体管将该像素读出路径耦接到参考电压端子；第二晶体管，该第二晶体管将该像素读出路径耦接到偏置晶体管，该偏置晶体管被配置为生成偏置电流；采样电路，该采样电路经由第三开关耦接到该第一放大器电路的输出端子并且经由第四开关耦接到该第二放大器电路的输出端子；和第五开关，该第五开关将该放大器电路的输出端子耦接到带宽电容器。
根据一个实施方案，一种图像传感器可包括：图像传感器像素阵列，该图像传感器像素阵列具有图像像素；和读出电路，该读出电路经由像素读出路径耦接到该图像像素。该读出电路可包括：放大器电路，该放大器电路具有耦接到该像素读出路径的第一输入端子和被配置为接收第一共模电压或第二共模电压的第二输入端子；第一晶体管，该第一晶体管将该像素读出路径耦接到参考电压端子；和第二晶体管，该第二晶体管将该像素读出路径耦接到偏置晶体管，该偏置晶体管被配置为生成偏置电流。
根据另一个实施方案，该读出电路可包括第一开关和第二开关，该第一开关将该第二输入端子耦接到提供该第一共模电压的第一电压端子，该第二开关将该第二输入端子耦接到提供该第二共模电压的第二电压端子。
根据另一个实施方案，该读出电路可包括采样开关，该采样开关将该放大器电路的输出端子耦接到采样电路。
根据另一个实施方案，该第一输入端子可经由输入电容器耦接到该像素读出路径，并且该第一输入端子可经由自动调零开关沿第一路径耦接到该输出端子。
根据另一个实施方案，该第一输入端子可经由反馈电容器沿第二路径耦接到该输出端子。
根据另一个实施方案，该放大器电路的输出端子可经由附加的开关耦接到附加的电容器。
根据另一个实施方案，该第一开关和该附加的开关可被配置为接收相同的控制信号。
根据另一个实施方案，该参考电压端子可被配置为提供接地电压。
根据另一个实施方案，该参考电压端子可被配置为提供大于该接地电压的电压。
根据一个实施方案，一种图像传感器可包括：图像像素，该图像像素被布置成列和行；和列读出电路，该列读出电路具有放大器电路。图像像素的给定列可经由列线耦接到该放大器电路，并且该列读出电路可被配置为在第一操作模式期间从该给定列中的给定图像像素读出弱光图像信号，并且在第二操作模式期间从该给定图像像素读出强光图像信号。该图像传感器可包括控制电路，该控制电路被配置为控制该读出电路以在该第一操作模式期间为该放大器电路提供第一共模电压，并且在该第二操作模式期间为该放大器电路提供大于该第一共模电压的第二共模电压。
根据另一个实施方案，该列读出电路可包括第一晶体管，该第一晶体管将该列线耦接到参考电压端子，并且该控制电路可被配置为在该第二操作模式期间激活该第一晶体管并且在该第一操作模式期间停用该第一晶体管。
根据另一个实施方案，该列读出电路可包括第二晶体管，该第二晶体管将该列线耦接到偏置晶体管，并且该控制电路可被配置为在该第一操作模式期间激活该第二晶体管，并且在该第二操作模式期间停用该第二晶体管。
根据另一个实施方案，该放大器电路可包括非反相输入端子，该非反相输入端子经由第一开关耦接到提供该第一共模电压的第一电压端子，并且经由第二开关耦接到提供该第二共模电压的第二电压端子。
根据另一个实施方案，该控制电路可被配置为通过使由该第一开关接收的第一控制信号生效来控制该读出电路向该放大器电路提供该第一共模电压，并且可被配置为通过使由该第二开关接收的第二控制信号生效来控制该读出电路向该放大器电路提供该第二共模电压。
根据另一个实施方案，该列读出电路可包括第三开关，该第三开关将该放大器电路的输出端子耦接到带宽电容器，并且该控制电路可被配置为在该第一操作模式期间闭合该第三开关并且在该第二操作模式期间断开该第三开关。
根据另一个实施方案，该第三开关可被配置为接收该第一控制信号。
根据一个实施方案，一种图像传感器可包括：图像传感器像素阵列，该图像传感器像素阵列具有图像像素；和读出电路，该读出电路经由像素读出路径耦接到该图像像素。该读出电路可包括：第一放大器电路，该第一放大器电路具有经由第一开关耦接到该像素读出路径的第一输入端子并且具有被配置为接收第一共模电压的第二输入端子；和第二放大器电路，该第二放大器电路具有经由第二开关耦接到该像素读出路径的第一输入端子并且具有被配置为接收第二共模电压的第二输入端子。
根据另一个实施方案，该读出电路可包括第一晶体管和第二晶体管，该第一晶体管将该像素读出路径耦接到参考电压端子，该第二晶体管将该像素读出路径耦接到偏置晶体管，该偏置晶体管被配置为生成偏置电流。
根据另一个实施方案，该读出电路可包括采样电路，该采样电路经由第三开关耦接到该第一放大器电路的输出端子并且经由第四开关耦接到该第二放大器电路的输出端子。
根据另一个实施方案，该读出电路可包括第五开关，该第五开关将该放大器电路的输出端子耦接到带宽电容器。
前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和实质的前提下进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
图像传感器像素阵列，所述图像传感器像素阵列具有图像像素；和
读出电路，所述读出电路经由像素读出路径耦接到所述图像像素，其中所述读出电路包括：
放大器电路，所述放大器电路具有耦接到所述像素读出路径的第一输入端子和被配置为接收第一共模电压或第二共模电压的第二输入端子；
第一晶体管，所述第一晶体管将所述像素读出路径耦接到参考电压端子；和
第二晶体管，所述第二晶体管将所述像素读出路径耦接到偏置晶体管，所述偏置晶体管被配置为生成偏置电流。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关将所述第二输入端子耦接到供应所述第一共模电压的第一电压端子，所述第二开关将所述第二输入端子耦接到供应所述第二共模电压的第二电压端子。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述读出电路包括采样开关，所述采样开关将所述放大器电路的输出端子耦接到采样电路，其中所述第一输入端子经由输入电容器耦接到所述像素读出路径，其中所述第一输入端子经由自动调零开关沿第一路径耦接到所述输出端子，其中所述第一输入端子经由反馈电容器沿第二路径耦接到所述输出端子，其中所述放大器电路的所述输出端子经由附加的开关耦接到附加的电容器，并且其中所述第一开关和所述附加的开关被配置为接收相同的控制信号。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述参考电压端子被配置为供应接地电压。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述参考电压端子被配置为提供大于所述接地电压的电压。
6.一种图像传感器，包括：
图像像素，所述图像像素被布置成列和行；
列读出电路，所述列读出电路具有放大器电路，其中图像像素的给定列经由列线耦接到所述放大器电路，并且所述列读出电路被配置为在第一操作模式期间从所述给定列中的给定图像像素读出弱光图像信号，并且在第二操作模式期间从所述给定图像像素读出强光图像信号；和
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述读出电路以在所述第一操作模式期间为所述放大器电路提供第一共模电压，并且在所述第二操作模式期间为所述放大器电路提供大于所述第一共模电压的第二共模电压。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述列读出电路包括第一晶体管，所述第一晶体管将所述列线耦接到参考电压端子，并且所述控制电路被配置为在所述第二操作模式期间激活所述第一晶体管并且在所述第一操作模式期间停用所述第一晶体管，其中所述列读出电路包括第二晶体管，所述第二晶体管将所述列线耦接到偏置晶体管，并且其中所述控制电路被配置为在所述第一操作模式期间激活所述第二晶体管，并且在所述第二操作模式期间停用所述第二晶体管。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述放大器电路包括非反相输入端子，所述非反相输入端子经由第一开关耦接到供应所述第一共模电压的第一电压端子，并且经由第二开关耦接到供应所述第二共模电压的第二电压端子，其中所述控制电路被配置为通过使由所述第一开关接收的第一控制信号生效来控制所述读出电路向所述放大器电路提供所述第一共模电压，并且被配置为通过使由所述第二开关接收的第二控制信号生效来控制所述读出电路向所述放大器电路提供所述第二共模电压，其中所述列读出电路包括第三开关，所述第三开关将所述放大器电路的输出端子耦接到带宽电容器，其中所述控制电路被配置为在所述第一操作模式期间闭合所述第三开关并且在所述第二操作模式期间断开所述第三开关，并且其中所述第三开关被配置为接收所述第一控制信号。
9.一种图像传感器，包括：
图像传感器像素阵列，所述图像传感器像素阵列具有图像像素；和
读出电路，所述读出电路经由像素读出路径耦接到所述图像像素，其中所述读出电路包括：
第一放大器电路，所述第一放大器电路具有经由第一开关耦接到所述像素读出路径的第一输入端子并且具有被配置为接收第一共模电压的第二输入端子；和
第二放大器电路，所述第二放大器电路具有经由第二开关耦接到所述像素读出路径的第一输入端子并且具有被配置为接收第二共模电压的第二输入端子。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述读出电路包括：
第一晶体管，所述第一晶体管将所述像素读出路径耦接到参考电压端子；和
第二晶体管，所述第二晶体管将所述像素读出路径耦接到偏置晶体管，所述偏置晶体管被配置为生成偏置电流，其中所述读出电路包括采样电路，所述采样电路经由第三开关耦接到所述第一放大器电路的输出端子，并且经由第四开关耦接到所述第二放大器电路的输出端子，并且其中所述读出电路包括第五开关，所述第五开关将所述放大器电路的所述输出端子耦接到带宽电容器。
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