CN113301279A - 图像传感器和包括图像传感器的成像设备 - Google Patents

Abstract

一种成像设备包括：具有多个像素的像素阵列，每个像素被配置为生成重置信号和图像信号；采样电路，包括被连接到列线的多个采样器，其中每个采样器通过将重置信号与斜坡信号进行比较来生成第一比较信号，以及通过将图像信号与斜坡信号进行比较来生成第二比较信号。ADC将第一比较信号和第二比较信号中的每一个转换为数字信号。每个采样器在第一模式下在执行针对重置信号的比较之前，执行用于对其自身进行初始化的自动归零操作，并且在第二模式下在执行针对重置信号和图像信号中的每一个的比较之前，执行相应的自动归零操作。

Description

图像传感器和包括图像传感器的成像设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月24日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0022363号的优先权权益，其公开内容通过引用整体合并于此。

技术领域

本公开的示例实施例总体上涉及一种图像传感器和包括该图像传感器的成像设备，并且更具体地涉及高动态范围图像传感器。

背景技术

图像传感器是响应于光而生成电信号的基于半导体的传感器。图像传感器可以包括：具有多个像素的像素阵列；以及逻辑电路，被配置为驱动像素阵列并生成图像。每个像素可以包括：光电二极管，被配置为响应于光而生成电荷；以及像素电路，被配置为将由光电二极管生成的电荷转换为电信号。图像传感器可以广泛地应用于获得静止图像或视频的相机，其中相机可以是独立的相机，或智能电话、平板PC、膝上型计算机、电视、车辆等的一部分。

在高动态范围(HDR)图像传感器中，可以将由每个像素感测到的照度(illuminance)确定为处于低照度范围或高照度范围内。利用这种方法，用于以固定的位数对照度值进行数字化的模数转换器(ADC)可以以更高的整体动态范围来区分照度值。因此，可以用代表性灰度值更准确地捕获图像帧的区域内的变化，否则其将因为区域太亮或太暗而无法区分。

发明内容

本公开的示例实施例提供一种成像设备和包括采样器的图像传感器，该采样器可以在高增益采样操作中以与在低增益采样操作中不同的方式执行自动归零操作，从而可以去除重置噪声，并且可以显著降低功耗。

根据本公开的示例实施例，一种成像设备包括：像素阵列，包括被连接到多条行线和多条列线的多个像素，其中，多个像素中的每一个被配置为生成重置信号和图像信号。采样电路可以包括被连接到多条列线的多个采样电路。采样电路中的每一个被配置为通过将重置信号与斜坡信号进行比较来生成第一比较信号，以及通过将图像信号与斜坡信号进行比较来生成第二比较信号。模数转换器被配置为将第一比较信号和第二比较信号中的每一个转换为相应的数字信号。列驱动器被配置为基于被转换为数字信号的第一比较信号和第二比较信号来生成图像数据。采样电路中的每一个在第一模式下在执行针对重置信号的比较之前执行用于对其自身进行初始化的自动归零操作，并且在第二模式下在执行针对重置信号和图像信号中的每一个的比较之前执行相应的自动归零操作。

根据本公开的示例实施例，一种图像传感器包括：像素阵列，包括被连接到多条行线和多条列线的多个像素，其中多个像素中的每一个被配置为生成像素信号；多个采样器，被连接到多条列线，并且被配置为通过将像素信号与斜坡信号进行比较来输出比较信号；以及模数转换器，被配置为通过将比较信号转换为数字信号来生成图像数据，其中，所述多个采样器中的每一个包括：比较器；第一自动归零开关，被配置为连接在比较器的第一输入节点和第一输出节点之间；第二自动归零开关，被配置为连接在比较器的第二输入节点和第二输出节点之间；第一电容器，被配置为连接在第一输入节点和第一节点之间；第二电容器，被连接在第二输入节点和第二节点之间；第一开关，被连接在第一节点和斜坡信号的输入端之间；第二开关，被连接在第一节点和像素信号的输入端之间；以及第三开关和第四开关，被并联连接在第二节点和像素信号的输入端之间。

根据本发明构思的示例实施例，一种图像传感器包括：多个像素，被连接到多条行线和多条列线，并被配置为生成重置信号、第一图像信号和第二图像信号；多个采样电路，被连接到多条列线，并被配置为通过将重置信号、第一图像信号和第二图像信号中的每一个与上斜坡信号或下斜坡信号顺序地比较来生成比较信号；以及模数转换器，被配置为通过将比较信号转换为数字信号来生成图像数据。每个采样电路在第一模式下以第一放大增益操作并使用下斜坡信号生成比较信号，并且在第二模式下以小于第一放大增益的第二放大增益操作并使用上斜坡信号生成比较信号。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明构思的上述和其他方面、特征和优点，在附图中：

图1是示出根据本公开的示例实施例的成像设备的图；

图2是示出根据本公开的示例实施例的图像传感器的图；

图3是示出根据本公开的示例实施例的图像传感器中包括的斜坡(ramp)信号生成器的电路图；

图4是示出根据本公开的示例实施例的图像传感器的布局的图；

图5是示出根据本公开的示例实施例的图像传感器中包括的像素的电路图；

图6是示出根据本公开的示例实施例的图像传感器中包括的采样电路的电路图；

图7是示出图6所示的采样电路的比较器和第一外围电路的电路图；

图8是示出根据本公开的示例实施例的采样电路的操作方法的图；

图9是示出采样电路在第一模式下操作的示例的定时图；

图10A是示出根据本公开的示例实施例的当采样电路在第一模式下操作时在自动归零(auto-zero)时段中采样电路的状态的图，以及图10B是示出根据本公开的示例实施例的当采样电路在第一模式下操作时在比较时段中采样电路的状态的图；

图11是示出采样电路在第二模式下操作的示例的定时图；

图12A是示出根据本公开的示例实施例的当采样电路在第二模式下操作时在自动归零时段中采样电路的状态的图；

图12B是示出根据本公开的示例实施例的当采样电路在第二模式下操作时在比较时段中采样电路的状态的图；

图13是示出根据本公开的示例实施例的图像传感器中包括的像素的电路图；

图14是示出2PD像素的垂直结构的截面图；

图15A和图15B是根据本公开的示例实施例的采样电路的操作方法的图；

图16是示出根据本公开的示例实施例的采样电路在第一模式下操作的示例的定时图；

图17是示出根据本公开的示例实施例的采样电路在第二模式下操作的示例的定时图；以及

图18是示出根据本公开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

在下文中，将参考附图描述本发明构思的实施例。

图1是示出根据示例实施例的成像设备10的图。成像设备10可以包括图像传感器100和图像信号处理器(ISP)200。图像传感器100可以感测来自场景的光(诸如，从对象反射的光)以表示场景的图像。图像传感器100可以包括像素阵列110、行驱动器120、读出电路130、列驱动器140和定时控制器150。

像素阵列110可以包括沿着多个行线和多个列线以阵列布置的多个像素PX。(以下关于像素PX的讨论适用于多个像素PX中的任何一个。)像素PX可以包括光电转换元件，该光电转换元件被配置为响应于入射光而生成电荷，诸如光电二极管、光电晶体管、钉扎(pinned)光电二极管等。像素PX可以包括至少两个光电转换元件。像素PX可以包括两个或更多个光电转换元件，以生成与各种颜色的光对应的像素信号或提供自动聚焦功能。

像素PX可以使用光电转换元件来感测特定光谱范围内的光。例如，多个像素PX可以包括用于感测红色光谱范围内的光的红色像素、用于感测绿色光谱范围内的光的绿色像素和用于感测蓝色光谱范围内的光的蓝色像素。在其他实施例中，包括诸如白色的附加或替选的颜色像素。用于透射特定光谱范围内的光的滤色器可以被安置在任何像素PX上。本公开的照度测量方法和电路可以单独地应用于不同颜色的像素。

取决于入射在光电转换元件上的光的强度，像素PX可以处于与例如高于阈值的高照度范围内的感测的照度对应的高照度状态，或与例如低于阈值的低照度范围内的感测的照度对应的低照度状态。在像素PX在任何给定时间可以处于任一状态的假设下，本文的实施例可以对每个像素PX进行照度测量。此后，术语“高照度像素”可以用来指被认为或确定为处于高照度状态的像素PX，而“低照度像素”可以用来指被认为或确定为处于低照度状态的像素PX。在实施例中，针对每一帧中的每个像素PX进行针对两种状态的电流测量，并且基于电流测量的结果将每个像素PX确定为处于低照度或高照度状态。然后，可以使用与一个范围或另一范围相关联的模拟值来更准确地执行关于所有像素PX的整体A/D转换。通过这种能力，图像传感器100可以被理解为高动态范围(HDR)图像传感器。

在另一个实施例中，可以基于前一帧的像素值将高照度像素和低照度像素彼此区分开。例如，在多个像素PX中，前一帧中的其像素值等于或高于特定阈值的像素可以被定义为高照度像素，而前一帧中的其像素值低于特定阈值的像素可以被定义为低照度像素。与照度值、像素的分类等有关的信息可以被存储在图像传感器100的内部存储器或外部存储器中，并且可以用于执行采样操作等。

像素PX可以包括用于生成像素信号的像素电路。像素电路可以包括传输(transfer)晶体管、驱动(源极跟随器)晶体管、选择晶体管和重置晶体管。像素信号可以是模拟信号，并且可以包括重置信号和图像信号。重置信号可以是与特定电源电压对应的电压信号，并且图像信号可以是与由光电转换元件生成的电荷对应的电压信号。

行驱动器120可以通过行线单元来驱动像素阵列110。例如，像素阵列110可以生成用于控制像素信号的传输晶体管的传输控制信号、用于控制重置晶体管的重置控制信号、或用于控制选择晶体管的选择控制信号。在示例实施例中，行驱动器120可以依次驱动像素阵列110的多条行线。像素阵列110可以响应于由行驱动器120生成的控制信号来生成像素信号。

读出电路130可以将由像素阵列110生成的像素信号转换成数字信号，并且可以输出数字信号。读出电路130可以包括采样电路和模数转换器(ADC)。

采样电路可以包括多个采样器电路(在下文中，“采样器”)。在示例实施例中，采样器可以是相关双采样器(CDS)。采样器可以通过列线选择性地连接到由行驱动器120选择的行中包括的像素PX，并且可以从选择的行的像素PX检测重置信号和图像信号。采样器可以将重置信号和图像信号中的每一个与特定斜坡信号进行比较，并且可以输出比较信号，作为比较的结果。通过对像素阵列的其余行逐行执行该过程，可以对整个图像帧的图像数据进行采样。

可以通过在执行比较操作之前执行自动归零操作来初始化采样器。在示例实施例中，多个采样器可以以不同的方式对高照度像素和低照度像素执行自动归零操作。例如，采样器可以在执行第一比较操作之前针对低照度像素执行自动归零操作。而且，采样器可以在执行每个比较操作之前针对高照度像素执行自动归零操作。

关于低照度像素，由于在采样器的比较操作中放大增益(可互换地，仅为“增益”)可能相对高，因此可能有益于显著降低在初始化过程中生成的重置噪声(或kT/C噪声)。因此，采样器可以针对低照度像素对所有比较操作执行单自动归零操作。关于高照度像素，由于在采样器的比较操作中增益可能相对低，因此在采样器的初始化过程中生成的影响比较操作的重置噪声的效果可能相对低，但是可能期望在以低功率驱动方面减小与采样器的驱动电流对应的净空电压。因此，采样器可以针对高照度像素对每个比较操作执行另一自动归零操作(多自动归零操作)。

模数转换器(ADC)可以被配置为单斜(single-slope)模数转换器。ADC可以包括多个计数器。在示例实施例中，多个计数器可以是向上/向下计数器或按位反转计数器。多个计数器可以分别连接到多个采样器，可以对从采样器输出的比较信号进行计数，并且可以输出数字信号。例如，多个计数器可以通过对与比较信号中的重置信号和斜坡信号之间的比较的结果对应的时间段进行计数来将重置信号转换为数字信号，并且可以输出数字信号。另外，多个计数器可以通过对与比较信号中的图像信号和斜坡信号之间的比较的结果对应的时段进行计数来将图像信号转换为数字信号，并且可以输出数字信号。

列驱动器140可以包括可以临时存储数字信号的锁存器或缓冲器。列驱动器140可以处理从读出电路130接收的数字信号，并且可以输出图像数据。例如，列驱动器140可以基于从重置信号生成的计数值和从图像信号生成的计数值之间的差来生成图像数据，并且可以将生成的图像数据输出到图像信号处理器200。

定时控制器150可以控制行驱动器120、读出电路130和列驱动器140的操作或定时。

图像信号处理器200可以通过处理从列驱动器140输出的图像数据来生成图像。例如，图像信号处理器200可以通过执行诸如颜色插值、颜色校正、伽马校正、颜色空间转换、边缘校正等的信号处理操作来生成图像。

由于示例实施例中的成像设备10包括具有采样器的图像传感器100，该采样器被配置为对低照度像素执行单自动归零操作，并对高照度像素执行多自动归零操作，所以可以改善图像的质量并且可以降低功耗。

图2是示出根据示例实施例的图像传感器的图。

参考图2，图像传感器300可以包括像素阵列310、行驱动器320和读出电路330。

像素阵列310可以包括多个像素PX11至PXMN，所述多个像素PX11至PXMN被安置在多条行线RL与多条列线CL相交的交叉点处。

行驱动器320可以通过多条行线RL输入控制多个像素PX11至PXMN所需的信号。例如，行驱动器320可以通过多条行线RL将重置控制信号RG、传输控制信号TG或选择控制信号SEL提供给多个像素PX11至PXMN。行驱动器320可以顺序地选择多条行线RL中的每一条。行驱动器320可以在特定水平时段期间选择多条行线RL之一。

读出电路330可以包括斜坡信号生成器331、采样电路332和模数转换器333。由模数转换器333输出的数据DATA可以被输入到列驱动器。

斜坡信号生成器331可以响应于斜坡控制信号而生成斜坡信号RMP。斜坡信号RMP可以包括具有随时间增加的电压的上斜坡信号和具有随时间减小的电压的下斜坡信号。在示例实施例中，斜坡信号生成器331可以生成下斜坡信号以对低照度像素执行采样操作。而且，斜坡信号生成器331可以生成上斜坡信号以对高照度像素执行采样操作。在图3中示出了斜坡信号生成器331的具体示例。

参考图3，斜坡信号生成器331可以包括串联连接在第一电源电压VDD节点和第二电源电压VSS节点之间的可变电流源Iramp和电阻器Rramp。在由可变电流源Iramp生成的斜坡电流在电阻器Rramp中流动时，可以生成斜坡电压Vramp。斜坡信号生成器331可以响应于斜坡控制信号CSramp通过调节斜坡电流的大小(magnitude)来生成上斜坡信号Vup_ramp或下斜坡信号Vdn_ramp。图3示出了其中斜坡信号生成器331包括可变电流源Iramp和电阻器Rramp的示例，但是其示例实施例不限于此。斜坡信号生成器331可以包括恒定电流源和可变电阻器。另外，与图3所示的示例不同，可以改变上斜坡信号Vup_ramp或下斜坡信号Vdn_ramp的波形。

返回参考图2，采样电路332可以从多个像素PX11至PXMN获得重置信号和图像信号。采样电路332可以包括多个采样器SA，并且多个采样器SA可以是相关双采样器CDS。多个采样器SA中的每个可以通过第一节点从斜坡信号生成器331接收斜坡信号RMP，并且可以通过第二节点从多个像素PX11至PXMN接收重置信号和图像信号。多个采样器SA中的每一个可以将重置信号和图像信号中的每一个与斜坡信号RMP进行比较，并且可以输出比较信号，作为比较的结果。

模数转换器333可以通过将从采样电路332输出的比较信号转换为数字信号来输出图像数据DATA。

图4是示出根据示例实施例的图像传感器的布局的图。

参考图4，图像传感器400可以是包括在竖直方向上堆叠的第一基板SUB1和第二基板SUB2的堆叠型图像传感器400。第一基板SUB1可以包括感测区域SR和第一焊盘(pad)区域PA1，并且第二基板SUB2可以包括电路区域CA和第二焊盘区域PA2。

感测区域SR可以包括沿着多条行线和多条列线布置的多个像素PX。多个第一焊盘PAD1可以被包括在第一焊盘区域PA1中，并且多个第一焊盘PAD1可以被配置为向电路区域CA和第二基板SUB2的第二焊盘区域PA2发送电信号并且从其接收电信号。

电路区域CA可以包括逻辑电路块LC，并且可以包括行驱动器、读出电路、列驱动器等中所包括的多个电路设备。电路区域CA可以向感测区域SR提供多个控制信号，并且可以控制来自多个像素PX的输出。安置在第一焊盘区域PA1中的多个第一焊盘PAD1可以通过连接部分CV电连接到安置在第二焊盘区域PA2中的第二焊盘PAD2。

图像传感器400的布局不限于图4所示的示例，并且在示例实施例中可以改变。例如，图像传感器400可以进一步包括至少一个基板，该至少一个基板布置在第二基板SUB2下方并且包括诸如DRAM、SRAM等的存储器芯片。

图5是示出根据示例实施例的图像传感器中包括的示例像素PX的电路图。示例像素PX可以包括光电二极管PD和像素电路。像素电路可以包括浮置扩散区域FD、重置晶体管RX、驱动晶体管DX、选择晶体管SX和传输晶体管TX。

光电二极管PD可以响应于入射光而生成电荷。由光电二极管PD生成的电荷可以累积在浮置扩散区域FD中。

当通过重置控制信号RG使重置晶体管RX导通时，浮置扩散区域FD的电压可以被重置为电源电压VDD。当浮置扩散区域FD的电压被重置时，选择晶体管SX可以通过选择控制信号SEL被导通，并且重置信号可以通过像素节点PN被输出到列线COL。

当在将重置电压输出到列线COL之后，通过传输控制信号TG使传输晶体管TX导通时，由光电二极管PD生成的电荷可以移动至浮置扩散区域FD。

驱动晶体管DX可以作为源极跟随放大器进行操作，以放大浮置扩散区域FD的电压。当通过选择控制信号SEL使选择晶体管SX导通时，可以通过像素节点PN将与由光电二极管PD生成的电荷对应的图像信号输出到列线COL。重置信号和图像信号中的每一个可以由连接到列线COL的采样电路检测。

图6是示出根据示例实施例的图像传感器中包括的采样电路的电路图。

参考图6，采样电路500可以包括比较器510、第一外围电路530和第二外围电路550。第一外围电路530可以包括第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2以及第一电容器C1和第二电容器C2。第二外围电路550可以包括第一开关SW1至第四开关SW4。

第一开关SW1可以连接在斜坡信号RMP的输入端子与第一节点N1之间。第二开关SW2可以连接到像素信号PIX的输入端子和第一节点N1。第三开关SW3和第四开关SW4可以并联连接在像素信号PIX的输入端子和第二节点N2之间。可以响应于第一控制信号S1来开关第一开关SW1和第三开关SW3。可以响应于第二控制信号S2来开关第二开关SW2和第四开关SW4。

采样电路500可以根据第一开关SW1至第四开关SW4的开关操作来接收斜坡信号RMP和像素信号PIX，并且可以执行采样操作并且可以输出斜坡信号RMP和像素信号PIX之间的比较的结果。在示例实施例中，采样电路500可以执行相关双采样操作，并且可以输出斜坡信号RMP和像素信号PIX之间的比较的结果。

斜坡信号RMP可以包括具有随着时间减小的电压的下斜坡信号和具有随着时间增加的电压的上斜坡信号。在示例实施例中，下斜坡信号可以被输入到比较器510以对低照度像素执行采样操作。而且，上斜坡信号可以被输入到比较器510以对高照度像素执行采样操作。

像素信号PIX可以是通过像素阵列的列线输出的模拟信号，并且可以包括与特定电源电压对应的重置信号和与光电转换元件生成的电荷对应的图像信号。

取决于第一开关SW1至第四开关SW4的开关状态，可以将信号的各种组合输入到比较器410。在示例实施例中，可以将斜坡信号RMP和像素信号PIX输入到比较器510，以对低照度像素执行采样操作。另外，为了对高照度像素执行采样操作，可以在自动归零时间段内仅将像素信号PIX输入到比较器510，并且可以在比较时间段(以下，仅为“时段”或“间隔”)内将斜坡信号RMP和像素信号PIX输入到比较器510。

第一电容器C1可以连接在第一节点N1和比较器510的第一输入节点IN1之间，并且第二电容器C2可以连接在第二节点N2和比较器510的第二输入节点IN2之间。斜坡信号RMP或像素信号PIX可以通过第一电容器C1被输入到比较器510的第一输入节点IN1。而且，像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到比较器510的第二输入节点IN2。

比较器510可以将斜坡信号RMP与通过第一电容器C1和第二电容器C2输入的像素信号PIX进行比较，并且可以通过第二输出节点OUT2输出比较信号CMP，作为比较的结果。在示例实施例中，比较器410可以是差分放大器，并且可以由运算跨导放大器(OTA)、运算放大器等来实现。

第一自动归零开关AZ1可以连接在比较器510的第一输入节点IN1和第一输出节点OUT1之间。第二自动归零开关AZ2可以连接在比较器510的第二输入节点IN2和第二输出节点OUT2之间。可以响应于自动归零控制信号AZS来开关第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2。可以在比较器510操作的自动归零时间段中导通第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2时初始化比较器510。

采样电路500可以针对低照度像素以第一模式进行操作并且可以执行单(single)初始化过程。在计算从重置信号获得的计数值与从图像信号获得的计数值之间的差的过程中，可以去除在初始化过程中生成的重置噪声。采样电路500可以关于高照度像素以第二模式进行操作并且可以执行多个初始化过程。尽管不可能去除在多个初始化过程中生成的重置噪声，但是由于施加到高照度像素的增益(例如，x1)可能相对低，所以其影响比较结果的效果可能是微不足道的并且可忽略。在图7中示出了比较器510和第一外围电路530的示例。

图7是示出图6所示的采样电路的比较器和第一外围电路的电路图。这里，比较器610可以包括第一晶体管M1至第五晶体管M5。

第一晶体管M1可以连接在第一输出节点OUT1和公共节点CN之间，并且第一晶体管M1的栅极可以连接到第一输入节点IN1。第二晶体管M2可以连接在第二输出节点OUT2和公共节点CN之间，并且第二晶体管M2的栅极可以连接到第二输入节点IN2。第三晶体管M3可以连接在第一电源电压VDDA节点和第一输出节点OUT1之间。第四晶体管M4可以连接在第一电源电压VDDA节点和第二输出节点OUT2之间。

第三晶体管M3的栅极和第四晶体管M4的栅极可以连接到第一输出节点OUT1。第三晶体管M3和第四晶体管M4可以被包括在电流镜向电路中。

在示例实施例中，第一晶体管M1和第二晶体管M2可被实现为NMOS晶体管，并且第三晶体管M3和第四晶体管M4可被实现为PMOS晶体管。替选地，第一晶体管M1和第二晶体管M2可以被实现为PMOS晶体管，并且第三晶体管M3和第四晶体管M4可以被实现为NMOS晶体管。

第五晶体管M5可以连接在公共节点CN和第二电源电压VSSA节点之间。第二电源电压VSSA可以是电压电平比第一电源电压VDDA的电压电平更低的电压，例如，接地电压。

第五晶体管M5可以作为比较器510的电流源进行操作。例如，第五晶体管M5可以通过栅极接收特定偏置电压VBIAS，并且可以生成与分别流过第一晶体管M1和第二晶体管M2的第一电流和第二电流之和对应的驱动电流Idrive。

第一外围电路630可以包括第一自动归零开关AZl和第二自动归零开关AZ2以及第一电容器C1和第二电容器C2。

第一自动归零开关AZ1可以连接在第一输出节点OUT1和第一输入节点IN1之间。第二自动归零开关AZ2可以连接在第二输出节点OUT2和第二输入节点IN2之间。第一自动归零开关AZl和第二自动归零开关AZ2可以被实现为响应于通过每个栅极输入的自动归零控制信号AZS而导通的晶体管。例如，第一自动归零开关AZl和第二自动归零开关AZ2可以被实现为PMOS晶体管。

第一电容器C1可以连接在斜坡信号RMP或像素信号PIX被选择性地输入到的第一节点N1和第一输入节点IN1之间。第二电容器C2可以连接在像素信号PIX输入到的第二节点N2和第二输入节点IN2之间。

作为将斜坡信号RMP与像素信号PIX进行比较的结果，可以通过第二输出节点OUT2输出比较信号CMP。

当第二电源电压VSSA是接地电压时，第一电源电压VDDA可以具有等于或高于第一电压V1至第三电压V3和像素信号PIX的摆幅(swing width)Vsig之和的电压电平，以驱动比较器610。第一电压V1可以是第三晶体管M3和第四晶体管M4中的每个的源极-栅极电压(Vsg、M3和M4)，以允许电流在第五晶体管M5中流动。第二电压V2可以是第一晶体管M1和第二晶体管M2中的每个的源极-栅极电压(Vsg、M1和M2)，以允许电流在第五晶体管M5中流动。第三电压V3可以是第五晶体管M5的漏极-源极电压(Vds、M5)，以保持第五晶体管M5处于饱和状态。例如，当第一电压V1为0.8V，第二电压V2为0.5V，第三电压V3为0.3V，并且像素信号PIX的摆幅Vsig为1V时，第一电源电压VDDA可以具有等于或高于2.6V的电压电平以驱动比较器510。

在第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2导通的自动归零时间段中，第一输入节点IN1、第二输入节点IN2、第一输出节点OUT1和第二输出节点OUT2的电压电平可以被初始化为特定值。例如，在第一电源电压VDDA具有2.6V或更高的电压电平的示例中，可以通过自动归零操作将第一输入节点IN1的电压电平初始化为VDDA-0.8V。由于自动归零控制信号AZS具有与第一电源电压VDDA相同的电压电平，因此当斜坡信号RMP增加与像素信号PIX的摆幅Vsig相同的1V时，可能出现其中在第一电容器C1中累积的电荷移动到第一输出节点OUT1的电荷溢出现象。由于电荷溢出现象可能会增加随机噪声和像素建立时间，因此这可能会阻碍高帧率(HFR)视频捕获的实现。为了解决上述问题，示例实施例中的图像传感器可以在针对高照度像素的采样操作中针对重置信号和图像信号中的每一个执行自动归零操作，使得可以防止电荷溢出现象，并且与在第五晶体管M5中流动的驱动电流对应的净空电压可以减小，从而降低功耗。

在第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2导通的自动归零时段中，第一输入节点IN1、第二输入节点IN2、第一输出节点OUT1和第二输出节点OUT2的电压电平可以相同。在这种情况下，第一输入节点IN1、第二输入节点IN2、第一输出节点OUT1和第二输出节点OUT2的电压可以被称为自动归零电压。另外，在自动归零时段中，公共节点CN的电压可以被称为饱和电压，并且可以取决于第五晶体管M5的特性而变化。可以根据自动归零电压和饱和电压来确定比较器610的输入范围。

图8是示出根据示例实施例的采样电路的操作方法的图。

参考图8和图6，采样电路500可以依次对重置信号和图像信号执行采样操作。例如，采样电路500可以对重置信号执行第一采样操作，并且可以对图像信号执行第二采样操作。

在示例实施例中，采样电路500可以针对高照度像素和低照度像素以不同的增益执行采样操作。采样电路500可以在第一模式下针对低增益像素以第一增益执行第一采样操作。采样电路500可以在第二模式下针对高照度像素以比所述第一增益低的第二增益执行第二采样操作。换句话说，第一模式可以是用于测量在与像素PX的低照度状态对应的第一范围内的像素PX的照度的模式，并且第二模式可以是用于测量在与像素PX的高照度状态对应的第二范围内的像素PX的照度。

采样电路500可以取决于操作模式而不同地控制自动归零操作AZ。在示例实施例中，采样电路500可以在第一模式下执行第一采样操作之前仅执行自动归零操作AZ一次。此外，在第二模式下，采样电路500可以通过在执行第一采样操作之前和在执行第二采样操作之前执行自动归零操作AZ来执行自动归零操作AZ两次。由于自动归零操作AZ可以在第一模式下执行一次，因此自动归零操作AZ可以被称为单自动归零操作。另外，由于在第二模式下执行自动归零操作AZ两次，所以自动归零操作AZ可以被称为双自动归零操作。

采样电路500可以通过在其中采样电路500以相对高的第一增益进行操作的第一模式下执行单自动归零操作来确保斜坡信号与像素信号之间的比较的结果的准确性。此外，采样电路500可以通过在其中采样电路500以小于第一增益的第二增益进行操作的第二模式下执行双自动归零操作来减小与驱动电流对应的净空电压来降低功耗。

图9是示出其中采样电路在第一模式下操作的示例的定时图。

参考图9和图6，在第一控制信号S1被激活并且第二控制信号S2被去激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以被导通，并且第二开关SW2和第四开关SW4可以被断开。在示例实施例中，第一控制信号S1和第二控制信号S2可以在具有高逻辑值H时被激活，并且在具有低逻辑值L时可以被去激活。在第一开关SW1和第三开关SW3被导通时，可以通过第一电容器C1将斜坡信号RMP输入到比较器510的第一输入节点IN1，并且可以通过第二电容器C2将像素信号PIX输入到第二输入节点IN2。

当在第一时间段Tl中自动归零控制信号AZS被激活时，采样电路500可以执行自动归零操作。在示例实施例中，自动归零控制信号AZS可以在具有高逻辑值H时被激活，并且可以在具有低逻辑值L时被去激活。可以通过执行自动归零操作来初始化采样电路500。

比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1可以与斜坡信号RMP的电压相同。此外，比较器510的第二输入节点IN2的电压VIN2可以与像素信号PIX的电压相同。在第一时段T1中输入到比较器510的像素信号PIX可以是重置信号，并且可以具有与斜坡信号RMP的初始电压相同的电压电平。

在第二时间段T2中，可以将偏移添加到斜坡信号RMP。此后，斜坡信号RMP可以减小以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP减小的时间点到斜坡信号RMP低于像素信号PIX的时间点的第三时段T3进行计数，可以执行针对重置信号的模数转换。

在第四时段T4中，斜坡信号RMP可以具有与第二时段T2中的电压的电平相同的电压电平。可以将图像信号作为像素信号PIX输入到比较器410，并且该图像信号可以具有低于斜坡信号RMP的初始电压的电压电平。图像信号和斜坡信号RMP的初始电压之间的电压差可以对应于由光电二极管生成的电荷量。

此后，斜坡信号RMP可以减小以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP减小的时间点到斜坡信号RMP低于像素信号PIX的时间点的第五时段T5进行计数，可以执行针对图像信号的模数转换。此外，在第六时段T6中，可以将斜坡信号RMP初始化以用于随后的采样操作。

示例实施例中的图像传感器可以通过计算与图像信号的数字值对应的第五时段T5的计数值和与重置信号的数字值对应的第二时段T2的计数值之间的差来生成图像数据。

同时，第一时段T1可以被称为自动归零时段，并且第二时段T2至第六时段T6可以被称为比较时段。在下面的描述中，将描述在第一模式下在自动归零时段和比较时段中采样电路500中的连接关系。

图10A是示出根据示例实施例的当采样电路在第一模式下操作时在自动归零时段中的采样电路的状态的图。图10B是示出根据示例实施例的当采样电路在第一模式下操作时在比较时段中采样电路的状态的图。图10A中的采样电路700a和图10B中的采样电路700b的配置和功能可以与图6中的采样电路500的配置和功能相同，并且因此将不提供重复的描述。

参考图10A，当第一开关SW1和第三开关SW3在第一模式下在自动归零时段中被导通时，斜坡信号RMP可以通过第一电容器C1被输入到比较器710的第一输入节点IN1，并且像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到第二输入节点IN2。而且，可以在第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2导通时将比较器710初始化。

参考图10B，当第一开关SW1和第三开关SW3在第一模式下在比较时段中被导通时，斜坡信号RMP可以通过第一电容器C1被输入到比较器710的第一输入节点IN1，并且像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到第二输入节点IN2。另外，当第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2断开时，比较器710可以通过第二输出节点OUT2输出通过对斜坡信号RMP和像素信号PIX进行比较而获得的比较信号CMP。

图11是示出其中采样电路在第二模式下操作的示例的定时图。

参考图11和图6，当自动归零控制信号AZS在第一时段T1中被激活时，采样电路500可以执行第一自动归零操作。可以通过第一自动归零操作来初始化采样电路500。

另外，当第一控制信号S1被去激活并且第二控制信号S2被激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以被断开，并且第二开关SW2和第四开关SW4可以被导通。当第二开关SW2和第四开关SW4导通时，像素信号PIX可以通过第一电容器C1和第二电容器C2被输入到比较器510的第一输入节点IN1和第二输入节点IN2。因此，比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1和第二输入节点IN2的电压VIN2可以与像素信号PIX的电压相同。在第一时段T1中输入到比较器510的像素信号PIX可以是重置信号，并且可以具有高于斜坡信号RMP的电压电平。像素信号PIX和斜坡信号RMP之间的电压差可以被认为是斜坡信号RMP的偏移。

在第二时段T2中，当第一控制信号S1被激活并且第二控制信号S2被去激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以导通，而第二开关SW2和第四开关SW4可以断开。当第一开关SW1和第三开关SW3导通时，斜坡信号RMP可以通过第一电容器C1被输入到比较器710的第一输入节点IN1，并且像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到第二输入节点IN2。因此，比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1可以变得与斜坡信号RMP的电压相同，并且第二输入节点IN2的电压VIN2可以变得与像素信号PIX的电压相同。

此后，斜坡信号RMP可以增加以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP增加的时间点到斜坡信号RMP大于像素信号PIX的时间点的第三时段T3进行计数，可以执行针对重置信号的模数转换。

当在第四时段T4中激活自动归零控制信号AZS时，采样电路400可以执行第二自动归零操作。采样电路500可以通过第二自动归零操作被重新初始化。而且，当第一控制信号S1被去激活并且第二控制信号S2被激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以断开，并且第二开关SW2和第四开关SW4可以导通。当第二开关SW2和第四开关SW4导通时，像素信号PIX可以通过第一电容器C1和第二电容器C2被输入到比较器510的第一输入节点IN1和第二输入节点IN2。在第四时段T4中，斜坡信号RMP可以具有低于初始电压的电压电平。图像信号可以作为像素信号PIX被输入到比较器510，并且由图像信号的输入引起的像素信号PIX的电压的降低可以被认为是斜坡信号RMP的偏移。

此后，斜坡信号RMP可以再次增加以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP增加的时间点到斜坡信号RMP大于像素信号PIX的时间点的第五时段T5进行计数，可以执行针对图像信号的模数转换。另外，在第六时段T6中，可以将斜坡信号RMP初始化以用于随后的采样操作。

示例实施例中的图像传感器可通过计算与图像信号的数字值对应的第五时段T5的计数值和与重置信号的数字值对应的第三时段T3的计数值之间的差来生成图像数据。当采样电路500使用上斜坡信号执行采样操作时，在示例实施例中，可以通过从2n(n是模数转换器的分辨率)中减去与图像信号对应的计数值和与重置信号对应的计数值之间的差来生成图像数据。

第一时段Tl和第四时段T4可以被称为自动归零时段，而第二时段T2、第三时段T3、第五时段T5和第六时段T6可以被称为比较时段。在下面的描述中，将描述在第二模式下在自动归零时段和比较时段中采样电路500中的连接关系。

图12A是示出根据示例实施例的当采样电路在第二模式下操作时在自动归零时段中采样电路的状态的图，并且图12B是示出根据示例实施例的当采样电路在第二模式下操作时在比较时段中采样电路的状态的图。图12A中的采样电路800a和图12B的采样电路800b的配置和功能可以与6的采样电路500的配置和功能相同，并且因此将不提供重复的描述。

参考图12A，当在第二模式下在自动归零时段中第一控制信号S1被去激活并且第二控制信号S2被激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以断开，而第二开关SW2和第四开关SW4可以导通。当第二开关SW2和第四开关SW4导通时，像素信号PIX可以通过第一电容器C1和第二电容器C2被输入到比较器810的第一输入节点IN1和第二输入节点IN2。而且，可以在第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2导通时初始化比较器810。

参考图12B，当在第二模式下在比较时段中第一开关SW1和第三开关SW3导通时，斜坡信号RMP可以通过第一电容器C1被输入到比较器810的第一输入节点IN1，并且像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到第二输入节点IN2。而且，当第一自动归零开关AZ1和第二自动归零开关AZ2断开时，比较器810可以输出通过在斜坡信号RMP和像素信号PIX之间进行比较而获得的比较信号CMP。

在前述示例实施例中描述的图像传感器可以通过在针对低照度像素的采样操作(第一模式)中执行单自动归零操作来去除重置噪声并且可以确保比较操作的准确性。图像传感器还可以通过在针对高照度像素的采样操作(第二模式)中执行双自动归零操作来减小与驱动电流对应的净空电压来降低功耗。在下面的描述中，将更详细地描述图像传感器中的每个像素包括两个光电二极管的示例实施例。

图13是示出根据示例实施例的图像传感器中包括的像素的电路图。这里，图像传感器100中的像素PX'可以包括两个光电二极管PD1和PD2以及像素电路(图13中示出的其他组件)。像素电路可以处理由两个光电二极管PD1和PD2生成的电荷，并且可以在节点PN处输出电信号。像素电路可以包括两个传输晶体管TX1和TX2、重置晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。第一传输晶体管TX1可以连接到第一光电二极管PD1，并且第二传输晶体管TX2可以连接到第二光电二极管PD2。在下面的描述中，包括两个光电二极管PD1和PD2的像素PX'可以被称为2PD像素。在各种实施例中，两个光电二极管PD1和PD2可以用于在自动聚焦模式期间自动聚焦。在成像模式期间，来自光电二极管PD1和PD2两者的光电荷可用于实现HDR分辨率或使用本文公开的方法用于其他目的。

重置晶体管RX可以通过重置控制信号RG被导通和断开，并且当重置晶体管RX导通时，浮置扩散区域FD的电压可以被重置为电源电压VDD。当浮置扩散区域FD的电压被重置时，选择晶体管SX可以通过选择控制信号SEL被导通，并且重置信号可以被输出到列线COL。

当在将重置电压输出到列线COL之后第一传输晶体管TX1导通时，由暴露于光的第一光电二极管PD1生成的电荷可以移动到浮置扩散区域FD。驱动晶体管DX可以作为用于放大浮置扩散区域FD的电压的源极跟随器放大器进行操作，并且当通过选择控制信号SEL使选择晶体管SX导通时，与由光电二极管PD生成的电荷对应的第一图像信号可以输出到列线COL。

当在将第一图像信号输出到列线COL之后第二传输晶体管TX2导通时，由暴露于光的第二光电二极管PD2生成的电荷可以移动到浮置扩散区域FD。当通过选择控制信号SEL使选择晶体管SX导通时，可以将与由光电二极管PD生成的电荷对应的第二图像信号输出到列线COL。

重置信号以及第一图像信号和第二图像信号中的每一个可以由连接到列线COL的采样电路检测。采样电路可以包括多个采样器，采样器中的每一个具有用于接收斜坡信号的第一输入端子和接收重置信号以及第一图像信号和第二图像信号的第二输入端子。

采样器可以将重置信号以及第一图像信号和第二图像信号中的每一个与斜坡信号进行比较。模数转换器(ADC)可以连接到采样器的输出端子。模数转换器可以基于与第一图像信号对应的计数值和与重置信号对应的计数值来输出第一图像数据。模数转换器还可以基于与第二图像信号对应的计数值和与重置信号对应的计数值来输出第二图像数据。而且，图像信号处理器(ISP)可以使用第一图像数据和第二图像数据来生成图像。

图14是示出2PD像素的垂直结构的截面图。

参考图14，像素阵列PXA的像素PX1和PX2中的每一个可以包括两个光电二极管PD1和PD2以及PD1'和PD2'。

像素PX1和PX2中的每一个可以包括滤色器和分别安置在两个光电二极管PD1和PD2以及PD1'和PD2'上的微透镜。

可以在硅基板中形成两个光电二极管PD1和PD2以及PD1'和PD2'，并且可以在两个光电二极管PD1和PD2以及PD1'和PD2'之间形成深沟槽隔离DTI。例如，可以在两个光电二极管PD1和PD2以及PD1'和PD2'之间形成像素内DTI，并且可以在像素PX1和PX2之间形成像素间DTI。

金属布线、多层布线或布线层可以形成在两个光电二极管PD1和PD2以及PD1'和PD2'与滤色器之间形成的电路区域中。透镜缓冲器或平坦化层可以形成在微透镜和滤色器之间。

包括参考图13和图14描述的2PD像素的图像传感器可以包括与图6所示的采样电路等效的采样电路。在下面的描述中，将详细描述对2PD像素的采样操作。

图15A和图15B是示出根据示例实施例的操作采样电路的方法的图。

参考图15A和图6，采样电路500可以对2PD像素的多个像素信号依次执行采样操作，所述多个像素信号例如是重置信号、第一图像信号和第二图像信号。例如，采样电路500可以对第一重置信号执行第一采样操作，并且可以对第二重置信号执行第二采样操作。此外，采样电路500可以对第一图像信号执行第三采样操作，并且可以对第二图像信号执行第四采样操作。可以使用计数方法来监视响应于采样电路500的采样操作而生成的比较信号，以确定每个采样的信号的模拟电平。模拟电平可以被转换成数字信号，并且可以被存储在锁存器或缓冲器中。列驱动器可以通过使用计数值作为存储在锁存器或缓冲器中的数字信号来执行差分计算来生成图像数据。

在示例实施例中，采样电路500可以以不同增益对低照度像素和高照度像素执行采样操作。在第一模式下，采样电路500可以以第一增益对低照度像素执行第一采样操作。采样电路500可以以小于第一增益的第二增益对高照度像素执行第二采样操作。

采样电路500可以取决于操作模式而不同地执行自动归零操作AZ。在示例实施例中，采样电路500可以在第一模式下执行第一采样操作之前仅执行自动归零操作AZ一次。由于在第一模式下仅执行自动归零操作AZ一次，所以自动归零操作AZ可以被称为单自动归零操作。与上述示例相比，采样电路500可以在第二模式下执行第一至第四采样操作之前执行自动归零操作AZ。由于自动归零操作AZ可以在第二模式下执行四次，所以自动归零操作AZ可以被称为多自动归零操作。

参考图15B，采样电路500可以依次对2PD像素的重置信号、第一图像信号和第二图像信号执行采样操作。而且，对于每个像素照度测量，采样电路500可以仅对重置信号执行一次采样操作。例如，采样电路500可以对重置信号执行第一采样操作，对第一图像信号执行第二操作，并且对第二图像信号执行第三采样操作。

采样电路500可以取决于操作模式而不同地执行自动归零操作AZ。在示例实施例中，采样电路500可以在第一模式下执行第一采样操作之前仅执行自动归零操作AZ一次。与上述示例不同，采样电路500可以在执行第一至第三采样操作之前执行自动归零操作AZ，使得采样电路500可以执行自动归零操作AZ三次。

参考图15A和图15B，由于采样电路500在其中采样电路500具有相对高的第一增益的第一模式下执行单自动归零操作，因此可以确保斜坡信号和像素信号之间的比较的结果的准确性。另外，由于采样电路500在其中采样电路500具有小于第一增益的第二增益的第二模式下执行多自动归零操作，所以可以减小与驱动电流对应的净空电压，使得可以降低功耗。

在下面的描述中，将基于根据示例实施例的图15B所示的采样方法更详细地描述采样电路的第一模式和第二模式。

图16是示出根据示例实施例的采样电路在第一模式下操作的示例的定时图。

参考图16和图6，当第一控制信号S1被激活(例如，激活到高逻辑值)并且第二控制信号S2被去激活(例如，去激活到低逻辑值)时，第一开关SW1和第三开关SW3可以导通，而第二开关SW2和第四开关SW4可以断开。当第一开关SW1和第三开关SW3导通时，斜坡信号RMP可以通过第一电容器C1被输入到比较器510的第一输入节点IN1，并且像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到第二输入节点IN2。

当在第一时段Tl中自动归零控制信号AZS被激活(例如，激活到高逻辑值)时，采样电路500可以执行自动归零操作。可以通过自动归零操作来初始化采样电路500。

比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1可以与斜坡信号RMP的电压相同。此外，比较器510的第二输入节点IN2的电压VIN2可以与像素信号PIX的电压相同。在第一时段T1中输入到比较器510的像素信号PIX可以是重置信号，并且可以具有等于斜坡信号RMP的初始电压的电压电平。

在第二时段T2中，可以将偏移添加到斜坡信号RMP。此后，斜坡信号RMP可以减小以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP减小的时间点到斜坡信号RMP低于像素信号PIX的时间点的第三时段T3进行计数，可以执行针对重置信号的模数转换。

在第四时段T4中，斜坡信号RMP可以具有等于第二时段T2中的电压的电平的电压电平。第一图像信号可以作为像素信号PIX被输入到比较器510。第一图像信号可以是与由像素的第一光电二极管生成的电荷对应的电信号，并且可以具有低于斜坡信号RMP的初始电压的第一电压电平。第一图像信号和斜坡信号RMP之间的初始电压之差可以对应于第一光电二极管生成的电荷量。

此后，斜坡信号RMP可以减小以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP减小的时间点到斜坡信号RMP低于像素信号PIX的时间点的第五时段T5进行计数，可以执行针对第一图像信号的模数转换。

在第六时段T6中，斜坡信号RMP可以具有等于第二时段T2中的电压电平的电压电平。第二图像信号可以作为像素信号PIX被输入到比较器510。第二图像信号可以是与像素的第二光电二极管生成的电荷对应的电信号，并且可以具有低于斜坡信号RMP的初始电压的第二电压电平。第二图像信号和斜坡信号RMP之间的初始电压之差可以对应于由第二光电二极管生成的电荷量。

此后，斜坡信号RMP可以减小以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP减小的时间点到斜坡信号RMP低于像素信号PIX的时间点的第七时段T7进行计数，可以执行针对第二图像信号的模数转换。而且，在第八时段T8中，可以将斜坡信号RMP初始化以用于随后的采样操作。

示例实施例中的图像传感器可以通过计算与第一图像信号的数字值对应的第五时段T5的计数值和与重置信号的数字值对应的第二时段T2的计数值之间的差来生成第一图像数据。此外，示例实施例中的图像传感器可以通过计算与第二图像信号的数字值对应的第七时段T7的计数值和与重置信号的数字值对应的第二时段T2的计数值之间的差来生成第二图像数据。此后，图像信号处理器ISP可以使用第一图像数据和第二图像数据来生成图像。

图17是示出根据示例实施例的采样电路在第二模式下操作的示例的定时图。

参考图17和图6，当在第一时段T1中自动归零控制信号AZS被激活(例如，激活到高逻辑值)时，采样电路500可以执行第一自动归零操作。可以通过第一自动归零操作来初始化采样电路500。

另外，当第一控制信号S1被去激活(例如，激活到低逻辑值)并且第二控制信号S2被激活(例如，激活到高逻辑值)时，第一开关SW1和第三开关SW3可以断开，而第二开关SW2和第四开关SW4可以导通。当第二开关SW2和第四开关SW4导通时，像素信号PIX可以通过第一电容器C1和第二电容器C2被输入到比较器510的第一输入节点IN1和第二输入节点IN2。因此，比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1和第二输入节点IN2的电压VIN2可以与像素信号PIX的电压相同。在第一时段T1中输入到比较器510的像素信号PIX可以是重置信号，并且可以具有高于斜坡信号RMP的电压电平的电压电平。像素信号PIX和斜坡信号RMP之间的电压差可以被认为是斜坡信号RMP的偏移。

当在第二时段T2中第一控制信号S1被激活以及第二控制信号S2被去激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以导通，而第二开关SW2和第四开关SW4可以断开。当第一开关SW1和第三开关SW3导通时，斜坡信号RMP可以通过第一电容器C1被输入到比较器510的第一输入节点IN1，并且像素信号PIX可以通过第二电容器C2被输入到第二输入节点IN2。因此，比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1可以变得与斜坡信号RMP的电压相同，并且第二输入节点IN2的电压VIN2可以变得与像素信号PIX的电压相同。

此后，斜坡信号RMP可以增加以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP增加的时间点到斜坡信号RMP大于像素信号PIX的时间点的第三时段T3进行计数，可以执行针对重置信号的模数转换。

当在第四时段T4中自动归零控制信号AZS再次被激活时，采样电路500可以执行第二自动归零操作。采样电路500可以通过第二自动归零操作被重新初始化。而且，当第一控制信号S1被去激活并且第二控制信号S2被激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以断开，并且第二开关SW2和第四开关SW4可以导通。当第二开关SW2和第四开关SW4导通时，像素信号PIX可以通过第一电容器C1和第二电容器C2被输入到比较器510的第一输入节点IN1和第二输入节点IN2。因此，比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1和第二输入节点IN2的电压VIN2可以与像素信号PIX的电压相同。

在第四时段T4中，斜坡信号RMP可以具有低于其初始电压的电压电平。第一图像信号可以作为像素信号PIX被输入到比较器510，并且由第一图像信号的输入引起的像素信号PIX的电压的降低可以被认为是斜坡信号RMP的偏移。

此后，斜坡信号RMP可以再次增加以具有特定的斜率。通过使用特定的时钟信号对从斜坡信号RMP增加的时间点到斜坡信号RMP大于像素信号PIX的时间点的第五时段T5进行计数，可以执行针对图像信号的模数转换。

当在第六时段T6中自动归零控制信号AZS被激活时，采样电路500可以执行第三自动归零操作。可以通过第三自动归零操作来重新初始化采样电路500。而且，当第一控制信号S1被去激活并且第二控制信号S2被激活时，第一开关SW1和第三开关SW3可以断开，并且第二开关SW2和第四开关SW4可以导通。当第二开关SW2和第四开关SW4导通时，像素信号PIX可以通过第一电容器C1和第二电容器C2被输入到比较器510的第一输入节点IN1和第二输入节点IN2。因此，比较器510的第一输入节点IN1的电压VIN1和第二输入节点IN2的电压VIN2可以与像素信号PIX的电压相同。

在第七时段T7中输入到比较器510的像素信号PIX可以是第二图像信号，并且可以具有高于斜坡信号RMP的电压电平的电压电平。像素信号PIX和斜坡信号RMP之间的电压差可以被认为是斜坡信号RMP的偏移。

此后，斜坡信号RMP可以再次增加以具有特定的斜率。通过使用特定时钟信号对从斜坡信号RMP增加的时间点到斜坡信号RMP大于像素信号PIX的时间点的第八时段T8进行计数，可以执行针对图像信号的模数转换。在第九时段T9中，可以将斜坡信号RMP初始化以用于随后的采样操作。

示例实施例中的图像传感器可以通过计算与第一图像信号的数字值对应的第五时段T5的计数值和与重置信号的数字值对应的第三时段T3的计数值之间的差来生成第一图像数据。此外，示例实施例中的图像传感器可以通过计算与第二图像信号的数字值对应的第八时段T8的计数值和与重置信号的数字值对应的第三时段T3的计数值之间的差来生成第二图像数据。

当采样电路500使用上斜坡信号执行采样操作时，第一图像数据和第二图像数据可以通过从2n(n是模数转换器的分辨率)减去与第一图像信号和第二图像信号对应的计数值和与重置信号对应的计数值之间的差来生成。

此后，图像信号处理器ISP可以使用第一图像数据和第二图像数据生成图像。

图18是示出根据示例实施例的包括图像传感器的电子设备的框图。

参考图18，电子设备1000可以包括存储器1010、成像设备1020、处理器1030、通信模块1040等。

在图18所示的元件中，可以为电子设备1000提供通信模块1040，以与视频卡、声卡、存储卡、USB设备等进行通信。电子设备1000可以包括通用台式计算机和膝上型计算机，并且还可以包括智能电话、平板PC、智能可穿戴设备等。

存储器1010可以由用于存储电子设备1000的操作所需的数据、多媒体数据等的存储介质来实现。存储器1010可以包括基于非易失性存储器设备配置的存储设备。而且，存储器1010可以包括固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)和光盘驱动器(ODD)中的至少一种作为存储设备。

处理器1030可以执行特定计算或可以处理命令和任务。处理器1030可以由中央处理单元(CPU)或微处理器单元(MCU)、片上系统(SoC)等实现，并且可以通过总线1050与存储器1010和图像传感器1020以及还与通过通信模块1040连接到电子设备1000的其他设备进行通信。

包括在图18所示的电子设备1000中的成像设备1020可以包括前述示例实施例中描述的图像传感器。作为示例，成像设备1020可以根据参考图1至图17描述的前述示例实施例进行操作。

根据前述示例实施例，图像传感器可以在高增益模式下执行单自动归零操作，使得可以去除重置噪声并且可以改善图像质量。

此外，图像传感器可以在针对高照度像素的采样操作中执行多自动归零操作，使得可以减小与驱动电流对应的净空电压，并且因此可以降低功耗。

尽管上面已经示出和描述了示例实施例，但是对于本领域技术人员而言将明显的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明构思的范围的情况下，可以进行修改和变化。

Claims (20)

1.一种成像设备，包括：

像素阵列，包括被连接到多条行线和多条列线的多个像素，其中，多个像素中的每一个被配置为生成重置信号和图像信号；

采样电路，包括被连接到多条列线的多个采样器电路，其中，多个采样器电路中的每一个被配置为通过将重置信号与斜坡信号进行比较来生成第一比较信号，以及通过将图像信号与斜坡信号进行比较来生成第二比较信号；

模数转换器，被配置为将第一比较信号和第二比较信号中的每一个转换为相应的数字信号；以及

列驱动器，被配置为基于被转换为数字信号的第一比较信号和第二比较信号来生成图像数据，

其中，所述多个采样器电路中的每一个在第一模式下在执行针对重置信号的比较之前执行用于对其自身进行初始化的自动归零操作，并且在第二模式下在执行针对重置信号和图像信号中的每一个的比较之前执行相应的自动归零操作。

2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一模式是用于测量在与所述像素的低照度状态对应的第一范围内的像素的照度的模式，并且所述第二模式是用于测量在与所述像素的高照度状态对应的第二范围内的像素的照度的模式。

3.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述多个采样器电路中的每一个的放大增益在所述第一模式下比在所述第二模式下更高。

4.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：

斜坡信号生成器，被配置为在定时控制器的控制下生成斜坡信号并将斜坡信号输出至采样电路；

其中，所述斜坡信号包括上斜坡信号和下斜坡信号。

5.根据权利要求4所述的成像设备，其中，所述多个采样器电路中的每一个在第一模式下使用下斜坡信号来执行比较操作。

6.根据权利要求4所述的成像设备，其中，所述多个采样器电路中的每一个在第二模式下使用上斜坡信号来执行比较操作。

7.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述模数转换器通过对第一比较信号进行计数来生成第一计数值，并且通过对第二比较信号进行计数来生成第二计数值。

8.根据权利要求7所述的成像设备，其中，所述列驱动器通过对第一计数值和第二计数值的差分计算来生成所述图像数据。

9.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述多个采样器电路中的每一个在第一模式下使用斜坡信号和重置信号来执行自动归零操作。

10.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述多个采样器电路中的每一个在第二模式下使用重置信号和图像信号来执行自动归零操作。

11.一种图像传感器，包括：

像素阵列，包括连接到多条行线和多条列线的多个像素，其中多个像素中的每一个被配置为生成像素信号；

多个采样器电路，被连接到多条列线，并且被配置为通过将像素信号与斜坡信号进行比较来输出比较信号；以及

模数转换器，被配置为通过将比较信号转换为数字信号来生成图像数据，

其中，所述多个采样器电路中的每一个包括：

比较器；

第一自动归零开关，被连接在比较器的第一输入节点和第一输出节点之间；

第二自动归零开关，被连接在比较器的第二输入节点和第二输出节点之间；

第一电容器，被连接在第一输入节点和第一节点之间；

第二电容器，被连接在第二输入节点和第二节点之间；

第一开关，被连接在第一节点和斜坡信号的输入端之间；

第二开关，被连接在第一节点和像素信号的输入端之间；以及

第三开关和第四开关，被并联连接在第二节点和像素信号的输入端之间。

12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，第一开关和第三开关响应于第一控制信号而操作，并且第二开关和第四开关响应于第二控制信号而操作。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，第一开关和第三开关与第二开关和第四开关交替地操作。

14.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，第一自动归零开关和第二自动归零开关响应于自动归零控制信号而操作。

15.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述多个采样器电路中的每一个通过第二输出节点输出比较信号。

16.一种图像传感器，包括：

多个像素，被连接到多条行线和多条列线，并被配置为生成重置信号、第一图像信号和第二图像信号；

多个采样器电路，被连接到多条列线，并被配置为通过将重置信号、第一图像信号和第二图像信号中的每一个与上斜坡信号或下斜坡信号顺序地比较来生成比较信号；以及

模数转换器，被配置为通过将比较信号转换为数字信号来生成图像数据，

其中，所述多个采样器电路中的每一个在第一模式下以第一放大增益操作并使用下斜坡信号生成比较信号，并且所述多个采样器电路中的每一个在第二模式下以小于第一放大增益的第二放大增益操作并使用上斜坡信号生成比较信号。

17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，在第一模式下，在对重置信号执行比较操作之前，所述多个采样器电路中的每一个执行自动归零操作，以初始化所述多个采样器电路中的每一个的输入电压和输出电压。

18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述多个采样器电路中的每一个使用上斜坡信号或下斜坡信号以及重置信号来执行自动归零操作。

19.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，在第二模式下，在对重置信号、第一图像信号和第二图像信号执行每个比较操作之前，所述多个采样器电路中的每一个执行自动归零操作，以初始化所述多个采样器电路中的每一个的输入电压和输出电压。

20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述多个采样器电路中的每一个使用重置信号、第一图像信号和第二图像信号来执行自动归零操作。

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