CN113259606A - 用于使用双转换增益实现高动态范围图像的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种图像传感器，该图像传感器包括：像素阵列，包括共享第一浮动扩散区域的第一像素和共享第二浮动扩散区域的第二像素；第一模数转换器；第二模数转换器；以及开关电路。在第一模式中，第一模数转换器处理第一像素，并且第二模数转换器处理第二像素。在第二模式下，第一模数转换器处理第一像素的像素信号的第一图像分量，并且第二模数转换器处理第一像素的像素信号的第二图像分量。基于第一模数转换器和第二模数转换器的处理结果来实现HDR图像。

Description

用于使用双转换增益实现高动态范围图像的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月10日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请No.10-2020-0015727的优先权，该申请的全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
一些示例实施例涉及图像传感器，并且更具体地，涉及用于通过使用双转换增益来实现高动态范围(HDR)图像的图像传感器。
背景技术
图像传感器可以包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)等中的至少一个。CMOS图像传感器包括由CMOS晶体管形成/包括CMOS晶体管的像素，并且通过使用每个像素内包括的光电转换元件将光能转换为电信号。CMOS图像传感器通过使用在每个像素处产生的电信号来获得关于捕获/拍摄的图像的信息。
同时，随着智能电话中包括的CMOS图像传感器的需求增加和/或对高质量图像的需求增加，正在开发用于HDR实现的各种技术。例如，存在一种用于组合以不同曝光时间拍摄的图像的HDR实现技术。然而，这样的技术导致诸如运动伪影等图像失真。
发明内容
一些示例实施例提供了一种用于通过使用双转换增益来实现HDR图像的图像传感器及其操作方法。
根据一些示例实施例，一种图像传感器包括：像素阵列，包括共享第一浮动扩散区域的第一像素以及共享第二浮动扩散区域的第二像素；第一模数转换器，被配置为在第一模式下处理第一像素信号，该第一像素信号通过第一列线从第一像素中的至少一个像素输出；第二模数转换器，被配置为在第一模式下处理第二像素信号，该第二像素信号通过第二列线从第二像素中的至少一个像素输出；以及开关电路，被配置为在第二模式下将第一列线与第二模数转换器选择性地连接，该开关电路将第一列线与第二模数转换器选择性地连接，使得第二模数转换器处理第一像素信号。在第二模式下，第一模数转换器被配置为：将第一像素信号的第一图像分量与斜坡信号进行比较，并输出与第一图像分量相对应的第一数字值。在第二模式下，第二模数转换器被配置为：将斜坡信号与第一像素信号的第二图像分量进行比较，并输出与第二图像分量相对应的第二数字值。
附图说明
通过参考附图详细描述本公开的示例性实施例，一些示例实施例的以上和其他目的和特征将变得清楚。
图1示出了根据一些示例实施例的图像传感器的配置。
图2是示出图1的像素组的示例配置的电路图。
图3A是示出根据一些示例实施例的当双转换晶体管关断时的浮动扩散区域的电路图。
图3B是示出根据一些示例实施例的当双转换晶体管导通时的扩展的浮动扩散区域的电路图。
图4示出了图1的开关电路和ADC的示例配置。
图5A至图5D是与图4的ADC的操作相关联的时序图。
图6示出了图4所示的第一比较器的电路图。
图7示出了图1的斜坡信号发生器的示例配置。
图8是当斜坡信号的斜率改变时图4的ADC的时序图。
图9A和图9B示出了图1的开关电路和ADC的示例配置。
图10是图9A和/或图9B的ADC的时序图。
图11示出了图9A和/或图9B所示的第一比较器的电路图。
图12示出了图1的开关电路和ADC的示例配置。
图13示出了图12所示的比较器的电路图。
图14是图12的ADC的时序图。
图15示出了图12所示的比较器的电路图。
图16是图15的ADC的时序图。
图17示出了应用了示例实施例的图像传感器的电子设备。
具体实施方式
以下可以以使得本领域普通技术人员容易地实现示例实施例的程度来详细且清楚地描述一些示例实施例。
在详细描述中参考术语“单元”、“模块”、“块”、“器”等描述的组件、以及附图中示出的功能块可以使用软件、硬件或者其组合来实现。例如，软件可以是机器代码、固件、嵌入式代码和应用软件。例如，硬件可以包括电路、电子电路、处理器、计算机、集成电路、集成电路内核、压力传感器、惯性传感器、微机电系统(MEMS)、无源元件或者其组合。
图1示出了根据一些示例实施例的图像传感器的配置。
图像传感器100可以包括像素阵列110、行驱动器120、开关电路130、斜坡信号发生器140、模数转换块(以下称为“ADC块”)1150、时序控制器160和缓冲器170。
像素阵列110可以包括沿行和列布置的多个像素，并且可以以矩阵的形式布置。多个像素中的每一个可以包括光电转换元件。例如，光电转换元件可以包括光电二极管、光电晶体管、光电门或钉扎光电二极管中的至少一种。多个像素中的每一个可以通过使用光电转换元件来感测光，并且可以将感测到的光转换成电信号(在下文中称为“像素信号”)。
像素阵列110可以包括多个像素组。每个像素组PX可以至少包括两个或更多个像素。图1中示出了示例，如像素组PX包括布置成两行两列的像素。构成/包括在像素组PX中的像素可以共享一个浮动扩散区域。然而，示例实施例不限于此。例如，构成/包括在像素组PX中的像素可以共享多个浮动扩散区域。备选地或附加地，在图1中示出了示例，如像素阵列110包括布置成四行两列的像素组PX(例如，4×2像素组PX)。然而，示例实施例不限于此。
像素组PX可以包括相同颜色/具有相同颜色的像素。例如，像素组PX可以包括将红色光谱的光转换成电信号的红色像素“R”、将绿色光谱的光转换成电信号的绿色像素Gr/Gb、或者将蓝色光谱的光转换成电信号的蓝色像素“B”。例如，构成/包括在像素阵列110中的像素可以布置成拜耳图案的形式。过滤器(未示出)可以存在于与关联的像素组PX的各个颜色相对应的像素组PX上方。
沿一列布置的像素组可以与两条列线交替连接。例如，设置在第一列处的像素组中的一些像素组可以与第一列线CL1连接，而其他像素组可以与第二列线CL2连接。如以上描述中，设置在第二列处的像素组中的一些像素组可以与第三列线CL3连接，而其他像素组可以与第四列线CL4连接。
行驱动器120可以选择和/或驱动像素阵列110的一行，例如，可以将电压施加到像素组PX中包括的晶体管的栅极。行驱动器120可以解码由时序控制器160生成的地址和/或控制信号，并且可以生成用于选择和驱动像素阵列110的行的控制信号。例如，控制信号可以包括用于选择像素的信号、用于复位浮动扩散区域的信号、用于选择列线的信号等。
开关电路130可以控制从像素阵列110输出的模拟信号(例如，像素信号)被传输到ADC块150的路径。在第一模式(例如，正常模式)下，切换电路130可以设置路径，使得一个像素组PX与一个模数转换器(以下称为“ADC”)连接。在第二模式(例如，HDR模式)中，开关电路130可以设置路径，使得一个像素组PX与两个ADC连接。例如，开关电路130可以包括响应于由时序控制器160产生的开关控制信号CTSW而操作的多个开关。
斜坡信号发生器140可以产生斜坡信号。斜坡信号发生器140可以在时序控制器160的控制下操作。例如，斜坡信号发生器140可以响应于诸如斜坡使能信号和/或模式信号等控制信号而操作。当斜坡使能信号被激活时，斜坡信号发生器140可以基于模式信号而产生具有给定斜率的斜坡信号。
ADC块150可以将从像素阵列110输出的模拟信号(例如，像素信号)转换为数字信号。ADC块150可以包括例如四个ADC 150_1、150_2、150_3和150_4，该四个ADC中的每一个ADC或至少一个包括比较器COMP和计数器CNT。比较器COMP可以将通过与比较器COMP连接的列线(例如，CL1至CL4之一)输出的像素信号与斜坡信号RAMP进行比较，并且可以输出比较结果。例如，比较器COMP可以基于双采样技术来操作。
例如，从多个像素输出的像素信号可以具有例如由于像素的某个特性/独有特性(例如，固定图案噪声)而引起的偏差/可变性、和/或由于用于输出像素信号的逻辑电路的特性差异而引起的偏差。为了补偿/减少像素信号之间的偏差的影响，对于每个像素信号获得复位信号和图像信号并提取复位信号和图像信号之间的差异作为有效信号分量的操作被称为“相关双采样”。
计数器CNT可以对相应的比较器COMP的输出信号的脉冲进行计数。计数二器CNT可以在时序控制二器160的控制下操作。例如，计数器CNT可以响应于诸如计数器时钟信号、用于控制计数器CNT的复位的计数器复位信号、和/或用于使计数器CNT的内部位反转的反转信号而操作。计数器CNT可以根据计数器时钟信号来对比较结果信号进行计数，并且可以将计数结果输出为数字信号。
计数器CNT可以包括向上/向下计数器、按位反转计数器等中的至少一个。按位反转计数器的操作可以类似于向上/向下计数器的操作。例如，按位反转计数器可以执行以下功能中的至少一项：仅执行向上计数的功能、以及响应特定信号而转换计数器的所有内部位以便获得1的补码的功能。按位反转计数器可以执行复位计数，和/或可以将复位计数的结果转换为1的补码，即负值。
在一些示例实施例中，在第一模式下，一个ADC可以处理从一个像素组PX接收的像素信号。在第二模式下，一个ADC可以执行与从一个像素组PX接收的像素信号中的低转换增益信号相关联的处理，而另一个ADC可以执行与从该像素组PX接收的像素信号中的高转换增益信号相关联的处理。结果，可以提高图像数据IDAT的动态范围。ADC的操作细节将在下面更全面地描述。
时序控制器160可以产生控制信号和/或时钟，以控制行驱动器120、开关电路130、ADC模块150、斜坡信号发生器140和计数器CNT中的每一个的操作和/或时序。
缓冲器170可以包括一组存储器MEM和感测放大器SA。存储器MEM可以存储从对应的ADC输出的数字信号。感测放大器SA可以感测并放大所存储的数字信号。感测放大器SA可以输出经放大的数字信号作为图像数据IDAT。
图2是示出图1的像素组PX的示例配置的电路图。图3A是示出当双转换晶体管DCT关断时的浮动扩散区域FD的电路图。图3B是示出当双转换晶体管DCT导通时的扩展的浮动扩散区域FD’的电路图。
首先，参考图2，像素组PX可以包括光电转换元件PD1至PD4、传输晶体管TG1至TG4、双转换晶体管DCT、复位晶体管RT、驱动晶体管DT和选择晶体管ST。第一像素PX1可以包括第一光电转换元件PD1和第一传输晶体管TG1。第二像素PX2可以包括第二光电转换元件PD2和第二传输晶体管TG2，并且其余像素PX3和PX4中的每一个可以包括相似的组件/元件。第一像素PX1至第四像素PX4可以共享双转换晶体管DCT、复位晶体管RT、驱动晶体管DT和浮动扩散区域FD。如下所述，传输晶体管TG1-TG4、双转换晶体管DCT、复位晶体管RT、驱动晶体管DT和选择晶体管ST中的每一个被描述为NMOS晶体管；然而，示例实施例不限于此。
当双转换晶体管DCT关断时，浮动扩散区域FD可以与第一浮动扩散电容器CFD1连接。当双转换晶体管DCT导通时，浮动扩散区域FD可以与第二浮动扩散电容器CFD2以及第一浮动扩散电容器CFD1连接。在下文中，当双转换晶体管DCT关断时，浮动扩散区域FD可以被称为浮动扩散区域(参考图3A)，以及当双转换晶体管DCT导通时，扩展的浮动扩散区域FD’也可以被称为浮动扩散区域(参考图3B)。例如，浮动扩散电容器CFD1和CFD2可以是寄生电容器和/或电容器元件。
传输晶体管TG1至TG4可以将电荷传输到浮动扩散区域FD或扩展的浮动扩散区域FD’。电荷可以由光电转换元件PD1至PD4产生(或累积)。例如，传输晶体管TG1、TG2、TG3和TG4的第一端可以分别与光电转换元件PD1、PD2、PD3和PD4连接，并且其第二端可以共同与浮动扩散区域FD连接。传输晶体管TG1、TG2、TG3和TG4可以分别由从行驱动器120(参考图1)接收的传输信号VTG1、VTG2、VTG3和VTG4控制。
浮动扩散区域FD和/或扩展的浮动扩散区域FD’可以累积与入射光的量相对应的电荷。浮动扩散区域FD可以具有与第一浮动扩散电容器CFD1相对应的电容。在通过传输信号VTG1、VTG2、VTG3和VTG4分别使传输晶体管TG1、TG2、TG3和TG4导通的时间期间，从光电转换元件PD1、PD2、PD3和PD4提供的电荷可以在浮动扩散区域FD或扩展的浮动扩散区域FD’处累积。浮动扩散区域FD可以与作为源极跟随器放大器操作的驱动晶体管DT的栅极端子连接。因此，可以形成电压电势；该电压电势可以对应于在浮动扩散区域FD处累积的电荷。
备选地，在光强度强的情况下，浮动扩散区域FD的电容可能不足以容纳由光电转换元件PD1至PD4产生的电荷。在这种情况下，因为浮动扩散区域FD容易饱和，所以可能无法适当地产生要拍摄的图像的信息。因此，第二浮动扩散电容器CFD2可以用于防止/减小上述饱和的可能性。第二浮动扩散电容器CFD2可以设置在复位晶体管RT和双转换晶体管DCT之间。当由双转换信号VDC使双转换晶体管DCT导通时，第一浮动扩散电容器CFD1和第二浮动扩散电容器CFD2串联。因此，像素组PX的电容可以增大到第一浮动扩散电容器CFD1的电容和第二浮动扩散电容器CFD2的电容之和。
根据一些示例实施例，在构成像素组PX的像素的曝光时间维持相同的状态下，可以通过使用双转换晶体管DCT和第二浮动扩散电容器CFD2来改变转换增益来扩展图像的动态范围。另外，可以在影响方面防止或减少在像素的曝光时间不同时通常发生的运动伪像。
复位晶体管RT可以由复位信号VRST导通，并且可以向浮动扩散区域FD和/或扩展的浮动扩散区域FD’提供复位电压(例如电源电压VDD)。因此，在浮动扩散区域FD或扩展的浮动扩散区域FD’处累积的电荷可以移动到与电源电压VDD相关联的端子，并且浮动扩散区域FD和/或扩展的浮动扩散区的电压FD’可能会被复位。
驱动晶体管DT可以放大浮动扩散区域FD和/或扩展的浮动扩散区域FD’的电势的变化，并且可以产生与放大结果相对应的电压(例如，像素信号PIX)。选择晶体管ST可以由选择信号VSEL驱动，并且可以以行为单位选择要读取的像素。当选择晶体管ST导通时，像素信号PIX可以通过列线CL输出。
同时，第一像素PX1至第四像素PX4可以遵循给定的寻址规则顺序地操作。例如，可以按照第一像素PX1、第二像素PX2、第三像素PX3和第四像素PX4的顺序进行操作。备选地，可以以第一像素PX1、第三像素PX3、第二像素PX2和第四像素PX4的顺序进行操作，但是寻址规则不限于此。
另外，一个像素组PX中包括的像素数量、浮动扩散区域的数量、滤色器布局等不限于以上示例。例如，在其他实施例中，像素组PX可以包括九个像素和三个浮动扩散区域；在这种情况下，三个像素可以共享一个浮动扩散区域。
图4示出了图1的开关电路和ADC的示例配置。图5A至图5D是与图4的ADC的操作相关联的时序图。将一起参考图2、图4和图5A至图5D来描述一些示例实施例的ADC的操作。
开关电路130可以控制将从像素组PX输出的像素信号传输到ADC块150的路径。在一些示例实施例中，开关电路130可以包括开关SW1、SW2、SW3和SW4。尽管将开关SW1、SW2、SW3和SW4示出为NMOS晶体管，但是示例实施例不限于此。
在第一模式中，可以通过开关控制信号CTSW来控制开关SW1、SW2、SW3和SW4，使得分别与不同列线CL1和CL2连接的两个像素组PX1和PX2分别与ADC 150_1和ADC 150_2连接。例如，在第一模式下，开关SW1和SW4可以被导通，并且开关SW2和SW3可以被关断。例如，第一模式可以是/对应于正常模式。
在第二模式下，为了实现高动态范围(HDR)图像，ADC 150_1可以执行与像素信号PIX1的低转换增益相关联的处理，而ADC 150_2可以执行与像素信号PIX1的高转换增益相关联的处理。为此，在第二模式下，开关SW1和SW3可以被选择性地导通，并且开关SW2和SW4可以被关断。例如，当ADC 150_1执行与低转换增益相关联的处理时，开关SW1可以被导通，并且开关SW3可以被关断。当ADC 150_2执行与高转换增益相关联的处理时，开关SW1可以被关断，并且开关SW3可以被导通。
同时，开关电路130的以上配置是示例，并且示例实施例不限于此。例如，可以采用被配置为使得每个ADC 150_1至150_2执行与像素信号PIX1的双转换增益相关联的处理的开关。
第一ADC 150_1包括电容器C1和C2、第一比较器COMP1和第一计数器CNT1。第二ADC150_2包括电容器C1和C2、第二比较器COMP2和第二计数器CNT2。然而，与第一比较器COMP1连接的电容器C1和C2可以不同于与第二比较器COMP2连接的电容器C1和C2。例如，与第一比较器COMP1连接的电容器C1和C2可以被视为不是第一比较器COMP1的组件，并且与第二比较器COMP2连接的电容器C1和C2可以被视为不是第二比较器COMP2的组件。
第一比较器COMP1可以通过第一电容器C1接收斜坡信号RAMP作为第一输入INP1，并且可以通过第二电容器C2接收第一像素信号PIX1作为第二输入INN1。这里，第一像素信号PIX1可以是从第一像素PX1输出的信号。第一比较器COMP1可以将斜坡信号RAMP的与低转换增益相对应的分量与第一像素信号PIX1的与低转换增益相对应的分量进行比较，并且可以输出比较结果OUT1。
第二比较器COMP2可以通过第一电容器C1接收斜坡信号RAMP作为第一输入INP2，并且可以通过第二电容器C2接收第一像素信号PIX1作为第二输入INN2。第二比较器COMP2可以将斜坡信号RAMP的与高转换增益相对应的分量与第一像素信号PIX1的与高转换增益相对应的分量进行比较，并且可以输出比较结果OUT2。
第一比较器COMP1的输出OUT1可以被提供给第一计数器CNT1。在执行比较操作之前的自动调零时段中，可以响应于自动调零信号AZ_LCG(例如，偏移消除)来初始化第一比较器COMP1。第二比较器COMP2的输出OUT2可以被提供给第二计数器CNT2。在执行比较操作之前的自动调零时段中，可以响应于自动调零信号AZ_HCG来初始化第二比较器COMP2。
第一计数器CNT1可以基于计数时钟信号CNT_CLK来对从第一比较器COMP1接收的比较结果OUT1进行计数，并且可以产生数字信号DS1。第二计数器CNT2可以基于计数时钟信号CNT_CLK对从第二比较器COMP2接收的比较结果OUT2进行计数，并且可以产生数字信号DS2。数字信号DS1可以具有与通过从第一像素信号PIX1中消除复位分量所获得的图像分量相对应的数字值，并且可以与低转换增益信号相对应。数字信号DS2可以具有与通过从第一像素信号PIX1中消除复位分量所获得的图像分量相对应的数字值，并且可以与高转换增益信号相对应。
参照图4和图5A的时序图，从t0到t4的时段被定义为与低转换增益相关联的第一ADC 150_1的复位时段。在从t0到t4的时段中，双转换信号VDC可以被激活。结果，可以将浮动扩散区域FD扩展到扩展的浮动扩散区域FD’，并且可以在与扩展的浮动扩散区域FD’相对应的低转换增益条件下执行ADC初始化(例如，偏移消除)。在从t0到t4的时段中，开关SW1可以被导通，并且开关SW2、SW3和SW4可以被关断。
在从t0到t1的时段的一部分中，可以激活自动调零信号AZ_LCG，并且可以响应于自动调零信号AZ_LCG来初始化第一比较器COMP1。例如，可以使第一比较器COMP1的输入端子和/或输出端子的电压电平相等。
在时间t1，为了将输入到第一ADC 150_1的像素信号PIX1的复位分量转换为数字信号，可以将偏移“a”施加到斜坡信号RAMP，并且斜坡信号RAMP的电平可以从时间t2减小。斜坡信号RAMP的电平可以以恒定的斜率减小；然而，示例实施例不限于此，并且斜坡信号RAMP的电平可以非线性地减小。第一计数器CNT1可以对从第一比较器COMP1的输出OUT1的极性改变的时间t2到时间t3的计数时钟信号CNT_CLK进行计数。作为计数结果，计数值CNT_LCG可以在从t2到t3的时段中增大。
从t4到t8的时段可以被定义为与高转换增益相关联的第二ADC 150_2的复位时段。首先，可以在从t4到t11的时段中去激活双转换信号VDC。因此，双转换晶体管DCT可以被关断，并且第一浮动扩散电容器CFD1和第二浮动扩散电容器CFD2可以被电断开。结果，可以在对应于浮动扩散区域FD的高转换增益条件下执行ADC初始化。在从t4到t11的时段中，开关SW3可以被导通，并且开关SW1、SW2和SW4可以被关断。
在从t4到t5的时段的一部分中，自动调零信号AZ_HCG可以被激活，并且第二比较器COMP2可以响应于自动调零信号AZ_HCG而被初始化。例如，可以使第二比较器COMP2的输入端子和/或输出端子的电压电平相等。
在时间t5，为了将输入到第二ADC 150_2的像素信号PIX1的复位分量转换为数字信号，可以将偏移“a”施加到斜坡信号RAMP，并且斜坡信号RAMP的电平可以从时间t6减小。第二计数器CNT2可以对从第二比较器COMP2的输出OUT2的极性改变的时间t6到时间t7的计数时钟信号CNT_CLK进行计数。作为计数结果，计数值CNT_HCG可以在从t6到t7的时段中增大。
在时间t8、或在t8与t9之间的任何时间点，可以将由第一计数器CNT1计数的计数值CNT_LCG的位和由第二计数器CNT2计数的计数值CNT_HCG的位反转，例如，响应于由时序控制器160(参考图1)产生的反转信号。
从t8到t11的时段可以被定义为与高转换增益相关联的第二ADC 150_2的比较操作时段。第二ADC 150_2的比较操作可以与比较斜坡信号RAMP和像素信号PIX1相关联，以便将与像素信号PIX1的高转换增益相对应的图像信号转换为数字值。
在时间t8，可以将偏移施加到斜坡信号RAMP。在t8与t9之间的任何时间点，可以激活传输控制信号VTG_HCG，并且可以减小第二输入INN2的电压电平，例如，通过在由“c”标记的在浮动扩散区域FD处累积的电荷。这里，传输控制信号VTG_HCG可以对应于图2的传输控制信号VTG1至VTG4之一。例如，在从t8到t9的时段中由“c”标记的第二输入INN2的电压电平的减小可以来自/与在与浮动扩散区域FD连接的第一浮动扩散电容器CFD1中存储的电荷相关联。
在时间t9，斜坡信号RAMP的电平可以减小，例如，可以线性或非线性减小。第二计数器CNT2可以从时间t9到时间t10对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，在时间t9到时间t10，第二比较器COMP2的输出OUT2的极性改变。因此，可以在从t9到t10的时段中对与高转换增益相对应的图像信号的数字值CNT_HCG进行计数。
从t11到t14的时段可以被定义为与低转换增益相关联的第一ADC 150_1的比较操作时段。第一ADC 150_1的比较操作可以与斜坡信号RAMP和像素信号PIX1的比较相关联，以便将与像素信号PIX1的低转换增益相对应的图像信号转换为数字值。
首先，在时间t11，双转换信号VDC可以被激活，因此浮动扩散区域FD可以被扩展，例如，在大小上被扩展到扩展的浮动扩散区域FD’。在时间t11，可以将偏移施加到斜坡信号RAMP。在从t11到t14的时段中，开关SW1可以被导通，并且开关SW2、SW3和SW4可以被关断。
在t11和t12之间的任何时间点，传输控制信号VTG_LCG可以被激活。因此，在从t8到t9的时段中第二输入INN1的电压电平减小之后、由光电转换元件(例如，PD1)新累积的电荷可以在扩展的浮动扩散区域FD’处/中被累积。第二输入INN1的电压电平可以减小了在扩展的浮动扩散区域FD’处累积的电荷，如“b”所标记的。这里，传输控制信号VTG_LCG可以是在从t8到t9的时段中施加到由传输控制信号VTG_LCG导通的传输晶体管的传输控制信号。例如，传输控制信号VTG_HCG和VTG_LCG可以是施加到同一传输晶体管的信号。
在时间t12，斜坡信号RAMP的电平可以减小，例如，可以线性或非线性减小。第一计数器CNT1可以对从第一比较器COMP1的输出OUT1的极性改变的时间t12到时间t13的计数时钟信号CNT_CLK进行计数。因此，可以在从t12到t13的时段中对与低转换增益相对应的图像信号的计数值CNT_LCG进行计数。
与图5A的信号相似的信号在图5B中示出。然而，与图5A的示例实施例不同，第二ADC 150_2的初始化可以在第一ADC 150_1的初始化之前执行。因此，相对于与第一ADC150_1相关联的自动调零信号AZ_LCG被激活的时序，可以提前与第二ADC 150_2相关联的自动调零信号AZ_HCG被激活的时序。双转换信号VDC可以在从t0到t4的时段中被去激活，并且可以在从t4到t8的时段中被激活。
在图5C中示出了与图5A和图5B的信号相似的信号。然而，在图5C的示例实施例中，ADC 150_1和150_2的初始化可以与图5A的示例实施例中的初始化相同，但是在比较斜坡信号和像素信号的操作中可能存在差异。例如，在从t8到t11的时段中执行第一ADC 150_1的比较操作，并且在从t11到t15的时段中执行第二ADC 150_2的比较操作。因此，双转换信号VDC可以在从t8到t11的时段中被激活，并且可以在从t11到t14的时段中被去激活。
然而，与图5A和图5B的示例实施例不同，在从t8到t9的时段中第二输入INN1的电压电平的减小(由“b”标记)可以来自于/关联于与扩展的浮动扩散区域FD’连接的浮动扩散电容器CFD1和CFD2中存储的电荷。另外，在从t11到t12的时段中第二输入INN2的电压电平的减小(由“c”标记)可以来自/关联于与浮动扩散区域FD连接的第一浮动扩散电容器CFD1中存储的电荷。
在图5D中示出了与图5A至图5C的信号相似的信号。在图5D的示例实施例中，ADC150_1和150_2的初始化可以与图5B的实施例中的初始化相同，并且比较斜坡信号和像素信号的操作与图5B的实施例中的相同。因此，将省略附加的描述以避免冗余。
以上描述了通过位转换和向上计数将像素信号转换为数字信号的计数器CNT1和CNT2的示例实施例，但是示例实施例不限于此。例如，可以以各种方案来实现计数器CNT1和CNT2。在像素信号被完全转换为数字信号的情况下，可以针对与下一像素(例如，第二像素PX2或第三像素PX3)相关联的相关双采样来初始化ADC 150_1和150_2。
图6示出了图4所示的第一比较器COMP1的电路图。第一比较器COMP1可以包括输入电路11、输出电路12、电流源13以及开关SW5和SW6。例如，第一比较器COMP1和第二比较器COMP2可以基本相同；然而，输入自动调零信号的时序可以有所不同。因此，将参照图6描述接收自动调零信号AZ_LCG的第一比较器COMP1。
输入电路11可以接收第一输入INP1和第二输入INN1。例如，图5A的斜坡信号RAMP可以被接收为第一输入INP1，并且第一像素信号PIX1可以被接收为第二输入INN1。输入电路11可以包括NMOS晶体管MN11和MN12。输入电路11可以根据第一输入INP1和第二输入INNl的电平差产生电流。当第一输入INP1的电平和第二输入INN1的电平相等时，相同电平的电流可以流过晶体管MN11和MN12。相反，当第一输入INP1的电平和第二输入INN1的电平不同时，不同电平的电流可以流过晶体管MN11和MN12。
输出电路12可以产生输出电压OUT1和OUT1’，其电平根据电流镜像来确定。输出电路12可以包括PMOS晶体管MP11和MP12。当第一输入INP1的电压电平高于/大于第二输入INN1的电压电平时，流过晶体管MN11的电流量可以大于流过晶体管MN12的电流量。因此，第一节点N1的电压电平可以减小，并且第二节点N2的电压电平可以增大。输出电路12可以输出基于第一输入INP1和第二输入INN1的电压电平之间的差所产生的电流。
同时，如上所述，因为开关SW5和SW6在自动调零时段期间导通，所以第二输入INN1和第一节点N1可以彼此连接，并且第一输入INP1和第二节点N2可以彼此连接。因此，第一输入INP1、第二输入INN1、第一节点N1和第二节点N2的电压电平可以相等。在自动调零时段中相等的第一输入INP1、第二输入INN1、第一节点N1和第二节点N2的电压可以被称为“自动调零电压”。
根据参照图4至图6描述的一些示例实施例，可以通过第一浮动扩散电容器CFD1中存储的电荷来执行与高转换相关联的操作，并且可以通过第一浮动扩散电容器CFD1和第二浮动扩散电容器CFD2中存储的电荷来执行与低转换相关联的操作。例如，与获得像素的曝光时间不同的HDR图像的一般方式不同，由于在维持像素的曝光时间点(或时间)相同的状态下获得HDR图像，所以可以防止运动伪影，或者降低发生的可能性。
同时，在以上示例实施例中描述了通过使用与低转换增益相对应的图像信号和与高转换增益相对应的图像信号来获得HDR图像的方法。另外，可以进一步考虑通过控制输入到比较器的斜坡信号的斜率来增大动态范围的方法。将参考图7和图8对此进行描述。
图7示出了图1的斜坡信号发生器140的示例配置。图8是当斜坡信号RAMP的斜率改变时图4的ADC的时序图。图8示出了在图5A的时序图的部分时段中修改的斜坡信号RAMP，并且图8的时序图基本上类似于图5A的时序图。例如，与图5A相同，与低转换增益相关联的第一ADC 150_1在从t0到t4的时段中被复位并在从t11到t15的时段中执行比较操作。下面将主要描述差异。
参照图7和图8，斜坡信号发生器140可以包括斜坡电流源IRAMP和斜坡电阻器RRAMP。斜坡电流源IRAMP可以包括可变电流源。斜坡电流源IRAMP的第一端可以与电源端子VDD连接，并且斜坡电流源IRAMP的第二端可以与斜坡电阻器RRAMP连接。当电流从斜坡电流源IRAMP流到斜坡电阻RRAMP时，可以产生斜坡信号RAMP。
在时间t5，为了将输入到第二ADC 150_2的像素信号PIX1的复位分量转换为数字信号，可以将偏移“b”施加到斜坡信号RAMP。然而，在t5处施加到斜坡信号RAMP的偏移“b”可以不同于(例如，大于或小于)在t1处施加到斜坡信号RAMP的偏移“a”。
斜坡信号RAMP的电平可以从时间t6减小，并且在从t6到t8的时段中斜坡信号RAMP的斜率的绝对值可以小于/低于在从t2到t4的时段中斜坡信号RAMP的斜率的绝对值。第二计数器CNT2可以从时间t6到时间t7对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，从时间t6到时间t7第二比较器COMP2的输出OUT2的极性改变。作为计数结果，计数值CNT_HCG可以在从t6到t7的时段中增大。
在时间t8，可以将偏移“b”施加到斜坡信号RAMP，以将输入到第二ADC 150_2的图像信号转换为数字信号。在t8施加到斜坡信号RAMP的偏移“b”可以与在t5施加到斜坡信号RAMP的偏移“b”相同。在时间t8或在t8和t9之间的任何时间点，计数值CNT_HCG和CNT_LCG的位可以被反转。在t8与t9之间的任何时间点，传输控制信号VTG_HCG可以被激活，因此第二输入INN2的电压电平可以减小。
在时间t9，斜坡信号RAMP的电平可以减小以生成与图像信号相对应的数字值。在从t9到t11的时段中的斜坡信号RAMP的斜率可以与在从t6到t8的时段中的斜坡信号RAMP的斜率相同/基本上相同。然而，与图5A所示的从t9到t10的时段不同，因为斜坡信号RAMP在从t9到t10的时段中平滑地减小，所以计数值CNT_HCG可以不同于图5A的计数值CNT_HCG。第二计数器CNT2可以在从t9到t10的时段中对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，并且可以在从t9到t10的时段中对与高转换增益相对应的图像信号的数字值CNT_HCG进行计数。
除了使用双转换增益以外，用于检查当改变斜坡信号RAMP的斜率时的附加效果的非限制性示例如下。例如，假设高转换增益与低转换增益之比为8∶1(即23∶1)，并且与对应于从t9到t10的时段的低转换增益与对应于从t12到t13的时段的高转换增益之比是4∶1(即22∶1)。
在根据一些示例实施例的通过使用双转换增益来实现HDR图像的情况下，如图5A所示，要由图像传感器处理的图像数据的位数是“ADC的位数+3位”。然而，在根据图8所示的根据一些示例实施例的使用双转换增益和斜坡信号RAMP的斜率的改变的情况下，可以获得图像数据，其位数是“ADC的位数+(3+2)位”。
图9A和图9B示出了图1的开关电路和ADC的示例配置。图10是图9A和/或图9B的ADC的时序图。首先，将一起参考图2、图9A和图10来描述一些示例实施例的ADC的操作。
第一ADC 150_1包括第一比较器COMP1和第一计数器CNT1，并且第二ADC 150_2包括第二比较器COMP2和第二计数器CNT2。然而，与第一ADC 150_1连接的电容器C1、C2和C3可以被视为第一ADC 150_1的组件，并且与第二ADC 150_2连接的电容器C1、C2和C3可以被视为第二ADC 150_2的组件。与图4的实施例不同，电容器C3的一端可以与接地节点连接。与第二比较器COMP2相对应的电容器C3用于存储与在浮动扩散区域FD处累积的电荷相对应的电势的绝对值，并且与第一比较器COMP1相对应的电容器C3用于存储与在扩展的浮动扩散区域FD’处累积的电荷相对应的电势的绝对值。
第一比较器COMP1通过第一电容器C1接收斜坡信号RAMP作为第一输入INP1，并且通过第二电容器C2接收第一像素信号PIX1作为第二输入INN1。这里，第一像素信号PIX1可以是从第一像素PX1输出的信号。
第一比较器COMP1可以执行与低转换增益相关联的处理。第一比较器COMP1可以顺序地对第一像素信号PIX1的复位分量和图像分量进行采样并保持。与上述实施例不同，在本实施例中，由于使用了斜坡信号RAMP的一个复位分量和一个图像分量，因此可以需要采样和保持。
在自动调零时段中，可以基于第一像素信号PIX1的复位分量来初始化第一比较器COMP1。第一比较器COMP1可以将保持的图像分量与斜坡信号RAMP进行比较，并且可以输出比较结果OUT1。第一比较器COMP1的输出OUT1可以被提供给第一计数器CNT1。第一计数器CNT1可以对从第一比较器COMP1接收的比较结果OUT1进行计数以产生数字信号DS1。
第二比较器COMP2可以执行与高转换增益相关联的处理。第二比较器COMP2可以顺序地对第一像素信号PIX1的复位分量和图像分量进行采样并保持。
在自动调零时段中，可以基于第一像素信号PIX1的复位分量来初始化第二比较器COMP2。第二比较器COMP2可以将保持的图像分量与斜坡信号RAMP进行比较，并且可以输出比较结果OUT2。第二比较器COMP2的输出OUT2可以被提供给第二计数器CNT2。第二计数器CNT2可以对从第二比较器COMP2接收的比较结果OUT2进行计数以产生数字信号DS2。
参照图10的时序图，在从t0到t1的时段中，双转换信号VDC可以被激活。在从t0到t1的时段中，开关SW1可以被导通，并且开关SW2、SW3和SW4可以被关断。在从t0到t1的时段中，可以通过激活的自动调零信号AZ_LCG来初始化与低转换增益相关联的ADC 150_1。可以在从t0到t1的时段中激活采样信号SMP_LCG，并且可以通过与第一比较器COMP1连接的电容器C1来采样第一像素信号PIX1的复位分量。在从t1到t5的时段中，可以保持第一像素信号PIX1的采样的复位分量。
在从t1到t2的时段中，可以通过激活的自动调零信号AZ_HCG来初始化与高转换增益相关联的ADC 150_2。可以在从t1到t2的时段中激活采样信号SMP_HCG，并且可以通过与第二比较器COMP2连接的电容器C2来采样第一像素信号PIX1的复位分量。在从t1到t7的时段中，双转换信号VDC可以被去激活。在从t1到t7的时段中，开关SW3可以被导通，并且开关SW1、SW2和SW4可以被关断。
为了将输入到ADC 150_1和150_2的像素信号PIX1的复位分量转换为数字信号，可以在时间t2将偏移施加到斜坡信号RAMP，然后斜坡信号RAMP的电平可以从时间t3减小。第一计数器CNT1可以从时间t3到时间t4对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，从时间t3到时间t4从第一比较器COMP1的输出OUT1的极性改变。第二计数器CNT2可以从时间t3到时间t4对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，从时间t3到时间t4第二比较器COMP2的输出OUT2的极性改变的。作为计数结果，计数值CNT_LCG和CNT_HCG可以在从t3到t4的时段中增大。
在时间t5，可以将偏移施加到斜坡信号RAMP，以将与高转换增益相对应的图像信号转换为数字信号。在时间t5或在t5和t6之间的任何时间点，可以分别响应由时序控制器160产生的反转信号来反转分别由计数器CNT1和CNT2计数的计数值CNT_LCG和CNT_HCG的位。
在时间t6，传输控制信号VTG_HCG可以被激活，并且第二比较器COMP2的第二输入INN2的电压电平可以减小了在浮动扩散区域FD处累积的电荷，如图10所示的“c”。采样信号SMP_HCG可以在从t5到t7的时段中被激活，并且第二输入INN2的减小的电平可以在从t5到t7时段的一部分中由与第一比较器COMP1相对应的电容器C3保持在保持电压VHLD_HCG。
在时间t7，双转换信号VDC可以被激活，因此浮动扩散区域FD可以被扩展到扩展的浮动扩散区域FD’。在从t7到t13的时段中，开关SW1可以被导通，并且开关SW2、SW3和SW4可以被关断。
在时间t8，可以激活传输控制信号VTG_LCG。因此，在时间t6第二输入INN2的电压电平减小之后、由光电转换元件新累积的电荷被累积在扩展的浮动扩散区域FD’中。第一比较器COMP1的第二输入INN1的电压电平可以减小了在扩展的浮动扩散区域FD’处累积的电荷，如图10所示的“b”。采样信号SMP_LCG可以在从t7到t9的时段中被激活，并且第二输入INN1的减小的电平可以在从t8到t9的时段的一部分中由与第二比较器COMP2相对应的电容器C3被保持在保持电压VHLD_LCG。
同时，在图10的实施例中，由于保持电压VHLD_LCG的电平由与第一比较器COMP1相对应的电容器C3保持，并且保持电压VHLD_HCG的电平由与第二比较器COMP2相对应的电容器C3保持，因此可以将与低转换增益相对应的图像信号和与高转换增益相对应的图像信号同时转换为数字信号。
例如，在时间t9，斜坡信号RAMP的电平可以减小。第一计数器CNT1可以从时间t9到时间t10对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，从时间t9到时间t10第一比较器COMP1的输出OUT1的极性改变(原因是第一比较器COMP1将斜坡信号RAMP与保持电压VHLD_LCG进行比较)。因此，可以在从t9到t10的时段中对与低转换增益相对应的图像信号的计数值CNT_LCG进行计数。
第二计数器CNT2可以从时间t9到时间t10对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，从时间t9到时间t10从第二比较器COMP2的输出OUT2的极性改变的(原因是第二比较器COMP2将斜坡信号RAMP与保持电压VHLD_HCG进行比较)。因此，可以在从t9到t10的时段中对与高转换增益相对应的图像信号的计数值CNT_HCG进行计数。
由第一计数器CNT1计数的计数值CNT_LCG对应于与低转换增益相关联的数字信号DS1，而由第二计数器CNT2计数的计数值CNT_HCG对应于与高转换增益相关联的数字信号DS2。最后，数字信号DS1和DS2可以用于HDR处理。
图11示出了图9A和/或图9B所示的第一比较器COMP1的电路图。第一比较器COMP1可以包括输入电路11、输出电路12、电流源13以及开关SW5至SW7。例如，如参考图11的电路图所描述，第一比较器COMP1和第二比较器COMP2可以基本相同，但是在输入自动调零信号的时序可以存在差异。因此，将参照图11描述接收自动调零信号AZ_LCG的第一比较器COMP1。
输入电路11可以接收第一输入INP1和第二输入INN1。例如，图10的斜坡信号RAMP可以被接收为第一输入INP1，并且第一像素信号PIX1可以被接收为第二输入INN1。输入电路11可以包括NMOS晶体管MN11和MN12。输入电路11可以根据第一输入INP1和第二输入INN1的电平差产生电流。当第一输入INP1的电平和第二输入INN1的电平相等时，相同电平的电流可以流过晶体管MN11和MN12。相反，当第一输入INP1的电平和第二输入INN1的电平不同时，不同电平的电流可以流过晶体管MN11和MN12。
在图10的从t8到t9的时段中，当由激活的采样信号SMP_LCG将开关SW7导通时，可以将与第一像素信号PIX1相对应的电荷存储(例如，采样)并维持(例如，保持)在电容器C3中。另外，因为第二输入INN1的电压被采样并保持，所以第一计数器CNT1可以在时间t9与第二计数器CNT2同时执行计数。第一比较器COMP1的其余组件与图6的第一比较器COMP1的其余组件大部分相似，因此将省略附加描述以避免冗余。
图12示出了图1的开关电路和ADC的示例配置。图13示出了图12所示的比较器COMP1的电路图。图14是图12的ADC的时序图。与以上实施例不同，根据图12的实施例，一个ADC(例如150_1)同时对从一个像素组(例如，PX1)输出的像素信号PIX)执行与低转换增益相关联的处理和与高转换增益相关联的处理。因此，将仅描述ADC 150_1。
参照图12和图13，开关电路130可以包括开关SW1、SW2、SW3和SW4。在第一模式和第二模式下，开关SW1和SW4可以被导通，并且开关SW2和SW3可以被关断。
ADC 150_1包括电容器C1、C2和C3、比较器COMP1和计数器CNT1。与图4和图9的实施例不同，电容器C2和C3可以与比较器COMP1并联连接。然而，根据ADC 150_1执行与低转换增益相关联的处理还是执行与高转换增益相关联的处理，电容器C2和C3之一可以与比较器COMP1选择性地连接。为此，例如，如图12所示，开关SW5和SW6可以分别与电容器C2和C3连接。
当通过第二电容器C2接收像素信号PIX1时，比较器COMP1可以执行与低转换增益相关联的处理。在这种情况下，第一比较器COMP1通过第一电容器C1接收斜坡信号RAMP作为第一输入INP1，并且通过第二电容器C2接收像素信号PIX1作为第二输入INN1。在执行比较操作之前的自动调零时段中，可以响应于自动调零信号AZ_LCG和AZ来初始化比较器COMP1。
比较器COMP1可以将斜坡信号RAMP的与低转换增益相对应的分量与像素信号PIX1的与低转换增益相对应的分量进行比较，并且可以输出比较结果OUT1。比较器COMP1的输出OUT1可以被提供给计数器CNT1。计数器CNT1可以基于计数时钟信号CNT_CLK对从比较器COMP1接收的比较结果0UT1进行计数，并且可以产生与低转换增益相关联的数字信号DS1。
当通过第三电容器C3接收像素信号PIX1时，比较器COMP1可以执行与高转换增益相关联的处理。因此，第一比较器COMP1通过第一电容器C1接收斜坡信号RAMP作为第一输入INP1，并且通过第三电容器C3接收像素信号PIX1作为第二输入INN1。在执行比较操作之前的自动调零时段中，可以响应于自动调零信号AZ来初始化比较器COMP1。
比较器COMP1可以将斜坡信号RAMP的与高转换增益相对应的分量与像素信号PIX1的与高转换增益相对应的分量进行比较，并且可以输出比较结果OUT1。比较器COMP1的输出OUT1可以被提供给计数器CNT1。计数器CNT1可以基于计数时钟信号CNT_CLK对从比较器COMP1接收的比较结果OUT1进行计数，并且可以产生与高转换增益相关联的数字信号DS1。
同时，第一比较器COMP1可以包括输入电路11、输出电路12、电流源13以及开关SW5至SW10。比较器COMP1的开关SW5至SW10可以如图13所示实现，以便建立与低转换增益相关的路径和与高转换增益相关联的路径。
在与比较器COMP1的低转换增益相关联的操作中，可以由开关控制信号SW_LCG和SW_LCG’分别导通开关SW5和SW7，并且可以由自动调零信号AZ_LCG和AZ分别导通开关SW9和SW10。结果，比较器COMP1可以被初始化。相反，在与比较器COMP1的高转换增益相关联的操作中，可以由开关控制信号SW_HCG和SW_HCG’分别导通开关SW6和SW8，并且可以由自动调零信号AZ来导通开关SW10。结果，比较器COMP1可以被初始化。
参照图14的时序图，从t0到t4的时段被定义为与低转换增益相关联的ADC 150_1的复位时段。在从t0到t4的时段中，双转换信号VDC可以被激活。结果，可以将浮动扩散区域FD扩展到扩展的浮动扩散区域FD’，并且可以在与扩展的浮动扩散区域FD’相对应的低转换增益条件下执行ADC初始化。
在从t0到t4的时段中，可以通过激活开关控制信号SW_LCG和SW_LCG’来建立与第二电容器C2相关联的路径。在从t0到t1的时段的一部分中，可以激活自动调零信号AZ_LCG，并且可以响应于自动调零信号AZ_LCG来初始化与低转换增益相关联的比较器COMP1的配置。
在时间t1，为了将与低转换增益相对应的像素信号PIX1的复位分量转换为数字信号，可以将偏移施加到斜坡信号RAMP，并且斜坡信号RAMP的电平可以从时间t2减小。计数器CNT1可以对从时间t2到时间t3的计数时钟信号CNT_CLK进行计数，并且可以产生与低转换增益相关联的计数值CNT_LCG。在时间t4或在t4和t5之间的任何时间点，可以响应于由时序控制器160(参考图1)产生的反转信号来反转由计数器CNT1计数的计数值CNT的一部分。
从t4到t8的时段被定义为与高转换增益相关联的ADC 150_1的复位时段。在从t4到t11的时段中，双转换信号VDC可以被去激活。因此，双转换晶体管DCT可以被关断，并且第一浮动扩散电容器CFD1和第二浮动扩散电容器CFD2可以被电断开。结果，可以在对应于浮动扩散区域FD的高转换增益条件下执行ADC初始化。
在从t4到t11的时段中，可以通过激活开关控制信号SW_HCG来建立与第三电容器C3相关联的路径。在从t4到t5的时段的一部分中，可以激活自动调零信号AZ，并且可以响应于自动调零信号AZ来初始化与高转换增益相关联的比较器COMP1的配置。
在时间t5，为了将与高转换增益相对应的像素信号PIX1的复位分量转换为数字信号，可以将偏移施加到斜坡信号RAMP，并且斜坡信号RAMP的电平可以从时间t6减小。计数器CNT1可以对从时间t6到时间t7的计数时钟信号CNT_CLK进行计数，并且可以产生在从t6到t7的时段中增大的计数值CNT。在时间t8或在t8和t9之间的任何时间点，由计数器CNT1计数的计数值CNT_HCG的一部分可以被反转(例如，从“1”更改为“0”或从“0”更改为“1”)。
在时间t8，可以将偏移施加到通过第一电容器C1作为第一输入INP1输入的斜坡信号RAMP，以将与高转换增益相对应的图像信号转换为数字信号。在t8和t9之间的任何时间点，传输控制信号VTG_HCG可以被激活，因此通过第三电容器C3输入的第二输入INN1的电压电平可以减小如图14所示的“c”。
在时间t9，斜坡信号RAMP的电平可以减小以产生与高转换增益相对应的图像信号的数字值。计数器CNT1可以在从t9到t10的时段中对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，并且可以在从t9到t10的时段中获得与高转换增益相对应的图像信号的数字值CNT_HCG。
在从t11到t14的时段中，可以通过激活开关控制信号SW_LCG来建立与第三电容器C2相关联的路径，并且可以激活双转换信号VDC。
在时间t11，可以将偏移施加到通过第一电容器C1作为第一输入INP1输入的斜坡信号RAMP，以将与低转换增益相对应的图像信号转换为数字信号。在t11和t12之间的任何时间点，传输控制信号VTG_LCG可以被激活。因此，通过第二电容器C2输入的第二输入INN1的电压电平可以增加了在扩展的浮动扩散区域FD′处累积的电荷，如图14所示的“c-b”。
在时间t12，斜坡信号RAMP的电平可以减小以产生与低转换增益相对应的图像信号的数字值。计数器CNT1可以在从t12到t13的时段中对计数时钟信号CNT_CLK进行计数，并且可以在从t12到t13的时段中对与低转换增益相对应的图像信号的数字值CNT_HCG进行计数。
图15示出了图12所示的比较器COMP1的电路图。图16是图15的ADC的时序图。
比较器COMP1可以包括输入电路11、输出电路12、电流源13以及开关SW5至SW11。因为图15的比较器COMP1与上述比较器大部分相似，所以将省略与构成比较器COMP1的功能块相关联的详细描述。
比较器COMP1的开关SW5至SW11可以如图15所示实现，以便建立与低转换增益相关的路径和与高转换增益相关联的路径。例如，用于响应于自动调零信号AZ_LCG而初始化比较器COMP1的配置可以与第二电容器C2与比较器COMP1连接的路径(图15的①)相关联。例如，用于响应于自动调零信号AZ_HCG而初始化比较器COMP1的配置可以与第三电容器C3与比较器COMP1连接的路径(图15的②)相关联。
图16的时序图与上述时序图最相似。例如，从t0到t4的时段可以被定义为与低转换增益相关联的ADC 150_1的配置的复位时段，从t4到t8的时段可以被定义为与高转换增益相关联的ADC 150_1的配置的复位时段，从t8到t11的时段可以被定义为与高转换增益相关联的ADC 150_1的配置的比较操作时段，并且从t11到t15的时段可以被定义为与低转换增益相关联的ADC 150_1的配置的比较操作时段。
与低转换增益相对应的计数是在双转换信号VDC被激活的时段中进行的，并且与高转换增益相对应的计数是在双转换信号VDC被去激活的时段中进行的，这与以上示例实施例最相似。因此，将省略附加的描述以避免冗余。
图17示出了应用有示例实施例的图像传感器的电子设备1000。然而，在一些实施例中，图像信号处理器1130可以被提供为图像传感器1120的一部分，可以被提供在独立于图像处理块1100的电路或芯片上，和/或可以被提供为主处理器1800的一部分。
图像传感器1120可以通过镜头1110拍摄图像，并且可以执行与上述双转换增益相关联的处理。图像信号处理器1130可以对从图像传感器1120输出的信号执行各种处理。例如，图像信号处理器1130可以执行各种信号处理，例如不良像素校正、去马赛克、降噪、镜头阴影校正、伽马校正、边缘增强等中的至少一种。由图像信号处理器1130处理的信号可以被输出到主处理器1800。
通信块1200可以通过天线1210与外部设备/系统交换信号。通信块1200的收发器1220和MODEM(调制器/解调器)1230可以根据各种通信协议来处理所交换的信号。例如，通信块1200的收发器1220和MODEM 1230可以遵循无线通信协议来处理与外部设备/系统交换的信号，无线通信协议例如是：长期演进(LTE)、全球微波接入互操作性(WiMax)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、蓝牙、近场通信(NPC)、无线保真(Wi-4Fi)、射频识别(RFID)。然而，在一些实施例中，通信块1200可以被提供为主处理器1800的一部分。
音频处理块1300可以通过使用音频信号处理器1310来处理声音信息。音频处理块1300可以接收通过麦克风1320输入的音频，或者可以通过扬声器(未示出)输出音频。
缓冲存储器1400可以暂时存储用于电子设备1000的操作的数据(例如，由主处理器1800处理后或将要处理的数据)。例如，缓冲存储器1400可以包括易失性存储器/非易失性存储器，例如，静态随机存取存储器(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、相变RAM(PRAM)、磁阻RAM(MRAM)、电阻RAM(ReRAM)或铁电RAM(PRAM)中的至少一个。例如，可以将由图像处理块1100拍摄的图像存储在缓冲存储器1400中。主处理器1800可以对缓冲存储器1400中存储的一个或多个图像执行HDR处理。
非易失性存储器1500可以存储数据，而不管是否供电。例如，非易失性存储器1500可以包括非易失性存储器，例如闪速存储器、PRAM、MRAM、ReRAM或FRAM中的至少一个。例如，非易失性存储器1500可以包括可移动存储器(例如，硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、安全数字(SD)卡、通用闪速存储器(UFS))和/或嵌入式存储器(例如，嵌入式多媒体卡(eMMC))。
用户接口1600可以使用户与电子设备1000之间能够进行通信。例如，用户接口1600可以包括输入接口，例如小键盘、按钮、触摸屏、触摸板、视觉传感器、运动传感器或陀螺仪传感器中的至少一个。例如，用户接口1600可以进一步包括输出接口，例如有机LED(OLED)显示设备、有源矩阵OLED(AMOLED)显示设备、LED显示设备、液晶显示器(LCD)设备、电机或LED灯中的至少一个。
传感器1700可以感测从电子设备1000的外部提供的各种类型的物理能。例如，传感器1700可以感测例如温度、声音和光中的至少一种等物理能的传递介质。例如，传感器1700可以感测照度，并且可以将指示感测到的照度的数据传输到主处理器1800。
主处理器1800可以执行各种操作，以便控制电子设备1000的整体操作。主处理器1800及其中的所有组件可以用通用处理器、专用处理器或应用处理器中的至少一个来实现，并且可以包括一个或多个处理器核。主处理器1800可以控制图像处理块1100，以便获得与电子设备1000外部的对象相关联的图像数据。例如，主处理器1800可以基于从图像处理块1100提供的与低转换增益相关联的图像和与高转换增益相关联的图像来产生HDR图像。
例如，电源管理器1900可以适当地转换从电池或外部电源接收的电力。电源管理二器1900可以将经转换的电力供应给电子设备1000的组件。
本文所述的组件中的每一个或至少一些，例如但不限于时序控制器180、斜坡发生器140、开关电路130和行驱动器120，可以包括：处理电路，例如，包括逻辑电路的硬件；硬件/软件组合，例如，执行软件的处理器；或两者的组合。例如，处理电路更具体地可以包括但不限于中央处理单元(CPU)、算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、可编程逻辑单元、微处理器、专用集成电路(ASIC)等。
根据一些示例实施例，可以通过使用双转换增益来实现HDR图像。特别地，因为在相同地维持各个像素的曝光时间的状态下实现HDR，所以在发生的可能性方面，可以防止或减小在像素的曝光时间不同时经常发生的失真。
尽管已经参考本公开的示例实施例描述了一些示例实施例，但是对于本领域普通技术人员而言将显而易见的是，在不脱离所附权利要求所阐述的示例实施例的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括共享第一浮动扩散区域的第一像素、以及共享第二浮动扩散区域的第二像素；
第一模数转换器，被配置为在第一模式下处理第一像素信号，所述第一像素信号通过第一列线从所述第一像素中的至少一个像素输出；
第二模数转换器，被配置为在所述第一模式下处理第二像素信号，所述第二像素信号通过第二列线从所述第二像素中的至少一个像素输出；以及
开关电路，被配置为在第二模式下将所述第一列线与所述第二模数转换器选择性地连接，所述开关电路将所述第一列线与所述第二模数转换器选择性地连接，使得所述第二模数转换器处理所述第一像素信号，
其中，在所述第二模式下，所述第一模数转换器被配置为：将所述第一像素信号的第一图像分量与斜坡信号进行比较，并输出与所述第一图像分量相对应的第一数字值，并且
在所述第二模式下，所述第二模数转换器被配置为：将所述斜坡信号与所述第一像素信号的第二图像分量进行比较，并输出与所述第二图像分量相对应的第二数字值。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第二图像分量对应于所述第一浮动扩散区域的第一电容器中存储的电荷，并且
所述第一图像分量对应于所述第一浮动扩散区域的第一电容器和第二电容器中存储的电荷，所述第二电容器在所述第二模式下与所述第一浮动扩散区域选择性地连接。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一像素包括双转换晶体管，所述双转换晶体管被配置为在所述第一模式下将所述第二电容器与所述第一电容器电断开，并且在所述第二模式下将所述第二电容器与所述第一电容器电连接。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述斜坡信号与所述第二图像分量之间的比较时段不同于所述斜坡信号与所述第一图像分量之间的比较时段。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一模数转换器被配置为：在所述斜坡信号和所述第一图像分量的比较之前，在第一自动调零时段中被初始化，
所述第二模数转换器被配置为：在所述斜坡信号与所述第二图像分量的比较之前，在第二自动调零时段中被初始化，并且
所述第一自动调零时段与所述第二自动调零时段不同。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一像素包括：
多个光电转换元件；
多个传输晶体管，包括第一端和第二端，所述第一端与所述光电转换元件连接，并且所述第二端与所述第一浮动扩散区域连接；
复位晶体管，被配置为向所述第一浮动扩散区域提供复位电压；
驱动晶体管，被配置为产生与所述第一浮动扩散区域的电压相对应的所述第一像素信号；
选择晶体管，与所述驱动晶体管连接，并被配置为将所述第一像素信号输出至所述第一列线；以及
双转换晶体管，被配置为在所述第二模式下进行操作以将所述第二电容器与所述第一浮动扩散区域选择性地连接。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，要与所述第一图像分量进行比较的所述斜坡信号的第一分量的斜率不同于要与所述第二图像分量进行比较的所述斜坡信号的第二分量的斜率。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一模数转换器包括：
第一比较器，被配置为将所述第一像素信号的第一图像分量与所述斜坡信号进行比较；以及
第一计数器，被配置为基于计数时钟和所述第一比较器的比较结果来输出第一数字值，所述第一数字值对应于所述第一图像分量，并且
其中，所述第二模数转换器包括：
第二比较器，被配置为将所述斜坡信号与所述第一像素信号的第二图像分量进行比较；以及
第二计数器，被配置为基于所述计数时钟和所述第二比较器的比较结果来输出第二数字值，所述第二数字值对应于所述第二图像分量。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述第一比较器和所述第二比较器中的每一个包括：
输入电路，被配置为接收所述斜坡信号作为第一输入并且接收所述第一像素信号作为第二输入；
输出电路，被配置为基于对流到所述输入电路的电流的镜像来产生输出电压；以及
自动调零开关，被配置为将所述输入电路与所述输出电路连接。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，第一自动调零信号控制所述第一比较器的自动调零开关，
第二自动调零信号控制所述第二比较器的自动调零开关，并且
所述第一自动调零信号的激活时序不同于所述第二自动调零信号的激活时序。
11.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括共享第一浮动扩散区域的第一像素、以及共享第二浮动扩散区域的第二像素；
第一模数转换器，被配置为在第一模式下进行操作以处理通过第一列线从所述第一像素中的至少一个像素输出的第一像素信号；
第二模数转换器，被配置为在所述第一模式下进行操作以处理通过第二列线从所述第二像素中的至少一个像素输出的第二像素信号；以及
开关电路，被配置为在第二模式下进行操作以将所述第一列线与所述第二模数转换器选择性地连接，使得所述第二模数转换器处理所述第一像素信号，
其中，在所述第二模式下，所述第一模数转换器被配置为：对所述第一像素信号的第一图像分量进行采样并保持，并将保持的第一图像分量与斜坡信号进行比较，以输出与所述第一图像分量相对应的第一数字值，并且
在所述第二模式下，所述第二模数转换器被配置为：对所述第一像素信号的第二图像分量进行采样并保持，并将保持的第二图像分量与所述斜坡信号进行比较，以输出与所述第二图像分量相对应的第二数字值。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述第二图像分量对应于所述第一浮动扩散区域的第一电容器中存储的电荷，并且
所述第一图像分量对应于所述第一浮动扩散区域的第一电容器和第二电容器中存储的电荷，所述第二电容器与所述第一浮动扩散区域选择性地连接。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述第一像素包括：
多个光电转换元件；
多个传输晶体管，包括第一端和第二端，所述第一端与所述光电转换元件连接，并且所述第二端与所述第一浮动扩散区域连接；
复位晶体管，被配置为向所述第一浮动扩散区域提供复位电压；
驱动晶体管，被配置为产生与所述第一浮动扩散区域的电压相对应的所述第一像素信号；
选择晶体管，与所述驱动晶体管连接，并被配置为将所述第一像素信号输出至所述第一列线；以及
双转换晶体管，被配置为在所述第二模式下进行操作以将所述第二电容器与所述第一浮动扩散区域选择性地连接。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述斜坡信号与保持的第一图像分量之间的比较时段与所述斜坡信号与保持的第二图像分量之间的比较时段至少部分地彼此重叠。
15.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述第一模数转换器被配置为：在所述斜坡信号与保持的第一图像分量之间的比较之前，在第一自动调零时段中被初始化，
所述第二模数转换器被配置为：在所述斜坡信号与保持的第二图像分量之间的比较之前，在第二自动调零时段中被初始化，并且
所述第一模数转换器的初始化时段和所述第二模数转换器的初始化时段至少部分地彼此重叠。
16.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括共享第一浮动扩散区域的第一像素、以及共享第二浮动扩散区域的第二像素；
第一模数转换器，被配置为在第一模式下进行操作以处理通过第一列线从所述第一像素中的至少一个像素输出的第一像素信号；以及
第二模数转换器，被配置为在所述第一模式下进行操作以处理通过第二列线从所述第二像素中的至少一个像素输出的第二像素信号，
其中，在所述第二模式下，所述第一模数转换器被配置为：
对所述第一像素信号的第一图像分量进行采样并保持，将保持的第一图像分量与斜坡信号进行比较，并且输出与所述第一图像分量相对应的第一数字值，并且
在所述第二模式下，所述第二模数转换器被配置为：
对所述第一像素信号的第二图像分量进行采样并保持，将保持的第二图像分量与所述斜坡信号进行比较，并且输出与所述第二图像分量相对应的第二数字值。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述第二图像分量对应于所述第一浮动扩散区域的第一电容器中存储的电荷，并且
所述第一图像分量对应于所述第一浮动扩散区域的第一电容器和第二电容器中存储的电荷，所述第二电容器与所述第一浮动扩散区域选择性地连接。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述第一像素包括：
多个光电转换元件；
多个传输晶体管，包括第一端和第二端，所述第一端与所述光电转换元件连接，并且所述第二端与所述第一浮动扩散区域连接；
复位晶体管，被配置为向所述第一浮动扩散区域提供复位电压；
驱动晶体管，被配置为产生与所述第一浮动扩散区域的电压相对应的所述第一像素信号；
选择晶体管，与所述驱动晶体管连接，并被配置为将所述第一像素信号输出至所述第一列线；以及
双转换晶体管，被配置为在所述第二模式下进行操作以将所述第二电容器与所述第一浮动扩散区域选择性地连接。
19.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述斜坡信号与保持的第一图像分量之间的比较时段不同于所述斜坡信号与保持的第二图像分量之间的比较时段。
20.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述第一模数转换器被配置为：在所述斜坡信号与保持的第一图像分量的比较之前，在第一自动调零时段中被初始化，
所述第二模数转换器被配置为：在所述斜坡信号与保持的第二图像分量的比较之前，在第二自动调零时段中被初始化，并且
所述第一模数转换器的初始化时段与所述第二模数转换器的初始化时段不同。
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