CN114666519A - 图像传感器及其操作方法以及数据转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及图像传感器及其操作方法以及数据转换器，该图像传感器可包括模拟‑数字转换器。该转换器可具有输入电容器、一个或多个金属氧化物半导体电容器、数字‑模拟转换器和比较器。在该金属氧化物半导体电容器被激活时，可将输入信号采样到该输入电容器上。在该金属氧化物半导体电容器被激活时，可执行几个转换步骤。在该几个转换步骤之后，将该金属氧化物半导体电容器去激活以实现电压增益，这使得该转换器对比较器噪声不太敏感。

Description

图像传感器及其操作方法以及数据转换器
技术领域
本发明整体涉及图像传感器及其操作方法以及数据转换器，并且更具体地涉及具有模拟-数字转换器的图像传感器。
背景技术
现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。图像感测像素的阵列通常被布置成像素行和列。每个像素包括光敏层，该光敏层接收入射光子(光)并且将光子转换为电荷。列感测电路通常耦接到每个像素列以便从图像像素读出图像信号。
图像传感器通常包括用于将由图像像素产生的模拟信号转换为数字信号的模拟-数字转换电路。在一种配置中，图像传感器设置有电荷共享逐次逼近寄存器型(SAR)模拟-数字转换器(ADC)。电荷共享SAR ADC具有反馈数字-模拟转换器(DAC)，该反馈DAC被配置为基于比较器的输出逐次地并联添加预充电电容器。附加电容器的并联连接使采样的输入信号衰减。当信号电荷保持相同时，信号电压电平将在转换结束时衰减两倍。这种衰减增加了ADC对与比较器相关联的噪声的敏感性。
本文的实施方案就是在这种背景下出现的。
发明内容
根据第一方面，提供了图像传感器。该图像传感器包括：图像传感器像素；列线，该列线被配置为从图像传感器像素接收信号；和数据转换器，该数据转换器耦接到列线，其中数据转换器包括：第一输入端口；第二输入端口；比较器，该比较器具有耦接到第一输入端口的第一输入并且具有耦接到第二输入端口的第二输入；数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器耦接到比较器的第一输入和第二输入中的至少一者；和金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体电容器具有耦接到第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子。
根据第二方面，提供了操作图像传感器的方法。该方法包括：从图像传感器像素读取信号；通过列线传送信号；利用数据转换器，从列线接收信号；利用数据转换器，激活金属氧化物半导体电容器；以及利用数据转换器，在金属氧化物半导体电容器被激活时对所接收的信号进行采样。
根据第三方面，提供了数据转换器。该数据转换器包括：输入端口；比较器，该比较器具有耦接到输入端口的输入；数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器耦接到比较器的输入；金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体电容器具有耦接到输入端口的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的栅极端子，该控制信号在电荷采样阶段期间生效并且随后失效以提供电压增益；采样电容器，该采样电容器耦接到输入端口；和附加金属氧化物半导体电容器，该附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到金属氧化物半导体电容器的源极-漏极端子的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有图像传感器的例示性电子设备的示意图。
图2是根据一些实施方案的用于从图像传感器读出图像信号的例示性像素阵列以及相关联的行和列控制电路的示意图。
图3是根据一些实施方案的例示性逐次逼近寄存器型(SAR)模拟-数字转换器(ADC)的示意图。
图4是示出根据一些实施方案的具有可切换输入金属氧化物半导体电容器的例示性电荷共享SAR ADC的电路图。
图5是根据一些实施方案的用于操作图4所示类型的电荷共享SAR ADC的例示性步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本发明的例示性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
诸如数码相机、计算机、蜂窝电话和其他电子设备的电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集传入的光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括将传入的光转换成图像信号的光敏元件，诸如光电二极管。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。典型的图像传感器可例如具有数百或数千或数百万的像素(例如，百万像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如用于操作像素的电路)和用于读出与由光敏元件生成的电荷相对应的图像信号的读出电路。
图1是说明性成像和响应系统的图，该成像和响应系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、蜂窝电话、摄像机或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。
如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个透镜。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者在给定的图像传感器阵列集成电路中可以存在不同类型的图像传感器。在图像捕获操作期间，每个透镜可将光聚焦到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，图像传感器像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14还可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或JPEG格式)。在典型布置(有时被称为片上系统(SoC)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可形成在单独的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可形成在已堆叠的单独衬底上。
成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中至物体的距离、滤波或以其他方式处理由成像系统10提供的图像。
如果需要，系统100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
图2是图像传感器中的例示性图像像素阵列的示意图。如图2所示，图像传感器(例如，图1的图像传感器14)可包括具有多个像素201(本文有时称为图像像素201或图像传感器像素201)的像素阵列202以及耦接到图像像素阵列202的行控制电路204。行控制电路204可通过对应的行控制线203向像素201提供像素控制信号(例如，行选择信号、像素复位信号、电荷转移信号等)以控制使用阵列202中的图像传感器像素对图像的捕获和读出。
图像传感器14可包括列控制和读出电路212以及控制和处理电路208，该控制和处理电路耦接到行控制电路204和列电路212。列控制电路212可经由多个列线211耦接到阵列202。例如，阵列202中的每列像素201可耦接到相应列线211。对应的模拟-数字转换器(ADC)214和列放大器216可插置在每个列线211上以便放大由阵列202捕获的模拟信号并且将所捕获的模拟信号转换为对应的数字像素数据。列控制和读出电路212可耦接到外部硬件，诸如处理电路。列控制和读出电路212可基于从控制和处理电路208接收到的信号来执行列读出。列控制和读出电路212可包括列ADC电路214和列放大器216。
放大器216可被配置为从像素阵列202接收模拟信号(例如，模拟复位或图像电平信号)并且放大模拟信号。模拟信号可包括来自单列像素或来自多列像素的数据，具体取决于应用。ADC 214可从放大器216接收放大的模拟信号，并且可对模拟信号执行模拟-数字转换操作以生成数字数据。数字数据可传输到列控制和读出电路212以便处理和读出。
阵列202可具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列202的大小以及阵列202中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实现方式。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征可水平地布置)。
图3是可包括在图像传感器中的例示性模拟-数字转换器(ADC)(例如，图2的ADC214)的框图。如结合图2所讨论，转换器214可从像素阵列202接收模拟信号。模拟-数字转换器214可接收输入信号Vin。输入信号Vin可为来自像素阵列202中的一个或多个像素201的模拟信号(例如，通过列线211接收)。模拟-数字转换器214可用于将输入模拟信号Vin转换成对应的等效数字像素数据。
根据一个实施方案，ADC 214可为逐次逼近寄存器型(SAR)模拟-数字转换器。逐次逼近寄存器型ADC使用二进制搜索算法，该二进制搜索算法使用数字-模拟转换器(DAC)302、比较器304和逐次逼近寄存器型(SAR)控制逻辑306来实现。DAC 302可输出模拟信号VDAC，使用比较器304将该模拟信号与像素信号Vin进行比较。由DAC 302输出的电压(VDAC)可改变，从而允许与Vin的逐次比较。每一次比较均可进一步缩小Vin的可能值范围，其中比较次数确定转换分辨率。DAC 302可接收基准电压作为输入(Vref)。来自DAC 302的输出电压可为Vref的已知函数。作为示例，VDAC可等于基准电压的一半、基准电压的四分之一、基准电压的四分之三等。DAC 302可从SAR控制逻辑306接收信号，这些信号确定DAC 302的输出。
比较器304可在第一(正)输入处接收电压Vin，并且在第二(负)输入处接收电压VDAC。比较器可将电压Vin的幅值与电压VDAC的幅值进行比较。比较器304的输出可为向SAR控制逻辑306提供的信号。该信号的值可指示哪个信号具有较高电压(例如，如果Vin大于VDAC，则可使比较器输出在逻辑高电平“1”处生效，而如果VDAC大于Vin，则可将比较器输出驱动为逻辑低电平“0”)。
图3中的SAR控制逻辑306有时可称为处理电路。处理电路306可跟踪比较器304的比较结果并且相应地调节DAC 302的输出。处理电路306可最终输出模拟-数字转换的结果Dout(即，Vin的数字表示)。DAC 302可为任何所需类型的数字-模拟转换器。作为示例，DAC302可为电荷共享数字-模拟转换器。当DAC 302被实现为电荷共享DAC时，ADC 214可被称为电荷共享SAR ADC。
如背景技术部分中所述，常规电荷共享SAR ADC将输入信号采样到输入电容上，并且将附加并联电容器逐次添加到输入电容。其中添加了电容器的极性取决于比较器的输出。该极性使得添加电容器会使与添加的电容器并联的输入电容器上的电压更接近中间范围。添加电容器还会使信号衰减。然而，输入信号以这种方式衰减会使ADC对比较器的噪声更敏感。
根据一个实施方案，图4中示出了电荷共享SAR ADC，诸如电荷共享逐次逼近寄存器型模拟-数字转换器214，其通过在转换过程期间的某个时间有效地移除输入电容同时保存总信号电荷来减少输入信号的衰减。如图4所示，转换器214可具有：第一(正)输入端口INp；第二(负)输入端口INn；第一采样开关402p，该第一采样开关用于选择性地通过来自输入端口INp的信号；第二采样开关402n，该第二采样开关用于选择性地通过来自输入端口INn的信号；采样电容器Cs，该采样电容器用于对跨INp和INn的电压进行采样；比较器304，该比较器从电容器Cs接收采样信号；SAR控制逻辑306，该SAR控制逻辑从比较器输出接收结果(参见Comp_Result)；和DAC 302，该DAC也耦接到比较器304的差分输入。可跨差分输入端口INp和INn提供输入电压Vin。SAR控制逻辑306可输出用于接通和断开采样开关402p/402n、预充电开关409、DAC 302内的开关的控制信号，并且可输出最终数字输出信号Dout。
DAC 302可包括可选择性地并联耦接到比较器输入端口的多个电容器，如虚线框410所示。对于N位电荷共享SAR ADC，DAC 302可包括N个电容器。作为示例，10位电荷共享SAR ADC将包括DAC 302内的十个电容器C9,C8,C7,…,C0。因此，一般来讲，N位电荷共享SARADC可包括DAC 302内的N个电容器CN-1,CN-2,CN-3,…,C1,C0。通过使用SAR控制逻辑306接通开关409(例如，向第一比较器输入供应第一基准电压电平Vrefh并向第二比较器输入供应第二基准电压电平Vrefl)，可将DAC 302内的N个电容器块410全部预充电至已知基准电压电平。DAC 302内的N个电容器中的每个电容器可以第一极性(例如，通过使用SAR控制逻辑306接通开关406，而不接通开关408)或以第二极性(例如，通过使用SAR控制逻辑306接通开关408，而不接通开关406)选择性地耦接到比较器304的输入端口中。
在一个实施方案中，DAC电容器可为二进制缩放的(即，DAC电容器将具有基数-2(radix-2)尺寸设定方案)。换句话讲，N位电荷共享SAR ADC将包括具有电容值C,2C,4C,8C,16C,…,2N-1C的N个DAC电容器。
在其他实施方案中，DAC电容器可使用次基数-2(sub-radix-2)尺寸设定/缩放方案来实现，其中对于任何第N电容器，其电容CN-1小于所有较小电容器CN-2,CN-3,CN-4,…,C0的电容总和。作为示例，代替缩放系数2，缩放系数可为1.9、1.8、1.7、1.5-1.9999、介于1和2之间的任何数或小于2的任何合适的数。如果需要，缩放系数不需要是恒定的，并且可在每个DAC电容器处进行优化。在另一种合适的布置中，DAC电容器中的一些DAC电容器可使用小于2的系数来缩放，而其他DAC电容器中的一些DAC电容器可使用系数2来缩放(例如，较大的DAC电容器可为次基数-2，而较小的DAC电容器可为基数-2)。
作为本实施方案提供的次基数-2电荷共享SAR ADC表现出意外的改善，其中公差增大且对比较器偏移的敏感性降低。换句话讲，当电压域中的比较器偏移表示转换的每个循环中的可预测但不同的信号(电荷)域时，DAC电容器的次基数-2缩放可提供所需的附加裕度。基数1.9可能能够提供比较器偏移或其他合适范围(作为示例)的约10mV-50mV的裕度。只要由比较器偏移电压引起的等效电荷的变化在冗余范围内，转换的输出就将是正确的。虽然允许的比较器偏移仍存在上限，但足够小的比较器偏移将不会影响ADC 214的有效位数(ENOB)。以这种方式配置，具有次基数-2电容器缩放的电荷共享SAR ADC 214能够克服比较器偏移限制并实现10位或更高的分辨率。
如上所述，输入采样电容器Cs具有经由开关402p耦接到输入端口INp的第一端子并且具有经由开关402n耦接到输入端口INn的第二端子。采样电容器Cs具有相对小的固定电容。如果需要，采样电容Cs可仅由布局寄生电容组成(即，Cs并非显式电容器)。
仍然参见图4，转换器214还可设置有可切换电容性结构，诸如金属氧化物半导体电容器400n-1、金属氧化物半导体电容器400p-1、金属氧化物半导体电容器400n-2和金属氧化物半导体电容器400p-2。金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)400n-1和400n-2可为n型(例如，n沟道)晶体管，其具有被配置为接收控制信号Vmoscap的栅极端子并且具有耦接到电容器Cs的相对端子的源极-漏极端子。金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)400p-1和400p-2可为p型(例如，p沟道)晶体管，其具有被配置为接收控制信号Vmoscap的反相版本(例如，使用反相器404反相)的栅极端子并且具有耦接到电容器Cs的相对端子的源极-漏极端子。n型MOS电容器的本体端子可耦接到接地电源线路(作为示例)。p型MOS电容器的本体端子可耦接到正电源线路(作为示例)。可使控制信号Vmoscap生效(驱动为高)以激活输入MOSCAP，并且可使控制信号失效(驱动为低)以去激活输入MOSCAP。
转换器214包括n型MOSCAP和p型MOSCAP两者的图4的示例仅仅为例示性的。作为另一示例，模拟-数字转换器214可能仅包括n型MOSCAP 400n-1和400-2，而不包括任何p型MOSCAP。作为另一示例，模拟-数字转换器214可能仅包括p型MOSCAP 400p-1和400p-2，而不包括任何n型MOSCAP。一般来讲，转换器214可包括耦接到比较器输入的一个或多个n型MOSCAP 400n。如果需要，转换器214可包括耦接到比较器输入的一个或多个p型MOSCAP400p。
图5是用于操作图4所示类型的电荷共享SAR ADC 214的例示性步骤的流程图。在步骤500处，可对DAC电容器预充电(例如，通过激活预充电开关和DAC连接开关406)以将框410内的所有电容器预充电至所需的基准电压电平。
在步骤502处，可在ADC的输入处激活所有输入MOS电容器，诸如电容器400n-1、400p-1、400n-2和400p-2。可通过驱动高信号Vmoscap来接通MOS电容器。n型MOS电容器400n-1和400n-2可通过将其栅极端子偏置到高于正供电电压电平的至少一个阈值电压而完全接通。p型MOS电容器400p-1和400p-2可通过将其栅极端子偏置到低于接地电源电压电平的至少一个阈值电压而完全接通。在框500的预充电操作之后接通MOS电容器的该示例仅仅为例示性的。作为另一示例，可在预充电步骤500之前接通MOS电容器。
在步骤504处，可跨转换器214的差分输入端口对输入电压Vin进行采样。这可通过激活采样开关402p和402n使得跨电容器Cs的两个端子对Vin进行采样来实现。因此，步骤504有时可被称为电荷采样阶段、电荷采样周期或电荷采样操作。电容器Cs可为显式电容器、仅寄生电容或一个或多个显式电容器与相关联的寄生电容的组合。换句话讲，在MOS电容器被激活时，将输入电压Vin采样到输入电容上。当激活时，MOS电容器提供与设备400n-1、400n-2、400p-1和400p-2相关联的附加设备电容(例如，栅极电容、漏极电容、源极电容等)，这增加了转换器214的总输入电容。转换器214的噪声由该总输入电容的采样噪声设定。
在步骤506处，转换器214可执行少量转换以使采样的输入电压信号更接近中间标度电压电平(即，SAR操作的几个循环可使输入信号更接近基准电压电平的一半)。每次转换可涉及在框410内切换次最大电容器并评估比较器304。使用开关406或408以正确的极性添加电荷，以将输入信号朝向中间范围会聚。作为示例，在步骤506处可仅执行一个转换循环。作为另一示例，可在步骤506处执行两个转换循环。作为又一示例，可在步骤506处执行三个转换循环。一般来讲，在去激活MOS电容器之前，可在步骤506期间进行一至五次、零至六次、三至七次或任何合适数量的转换。
在步骤508处，可去激活MOS电容器以提供电压增益。为了实现这一点，使电压Vmoscap失效(驱动为低)。将先前在MOSCAP上的电荷推送到固定电容器Cs和通过SAR操作的几个循环而添加的DAC电容器中的任一个DAC电容器。换句话讲，与MOSCAP相关联的电容在步骤508处被去激活时被移除或消失。
由于现在将相同数量的电荷强加到较小的总电容上，因此由于电荷转换原理，将存在电压增益。由于总电荷不改变，因此不生成附加噪声。电荷放电或从MOSCAP中移出几乎瞬时发生，因此立即达到最终信号电平(即，稳定时间最短并且不受带宽限制)。增益将由MOSCAP电容和固定Cs之和与固定Cs的比率来设定。以这种方式实现增益通过降低ADC 214对比较器噪声的敏感性来改善ADC，从而增强ADC的整体噪声性能。当信号较小时，在几个转换步骤之后放大信号有助于避免在获得大输入信号时出现饱和的风险。
在步骤510处，转换器214可执行剩余数量的转换(例如，以执行精细转换步骤以获得最低有效位的剩余部分)。在步骤512处，将在控制逻辑306的输出处生成最终数字输出值。以这种方式执行SAR ADC转换提供了电压放大，而不会将噪声增加到固有采样噪声之外，并且仅与MOS电容器上的控制信号的切换相关的动态功率消耗相对较低。由于MOSCAP不汲取任何静态功率，因此使转换器214中的功率消耗最小化。
转换器214(有时称为基于MOS电容器的电荷共享SAR ADC)为低功率、低噪声和高速模拟-数字转换器，其不仅限于图像传感器应用。转换器214具有差分输入端口的图4的示例也仅仅为例示性的。在其他合适的实施方案中，转换器214可具有单端输入端口。
本发明提供了具有可切换输入MOSCAP的电荷共享SAR ADC的各种实施方案。根据一些实施方案，提供了一种图像传感器，该图像传感器包括：图像传感器像素；列线，该列线被配置为从图像传感器像素接收信号；和数据转换器，该数据转换器耦接到列线。该数据转换器可包括：第一输入端口；第二输入端口；比较器，该比较器具有耦接到第一输入端口的第一输入并且具有耦接到第二输入端口的第二输入；数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器耦接到比较器的第一输入和第二输入中的至少一者；和金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体电容器具有耦接到第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子。
该数据转换器还可包括：采样电容器，该采样电容器具有耦接到第一输入端口的第一端子并且具有耦接到第二输入端口的第二端子；第一采样开关，该第一采样开关耦接在第一输入端口与采样电容器的第一端子之间；第二采样开关，该第二采样开关耦接在第二输入端口与采样电容器的第二端子之间；第一附加金属氧化物半导体电容器，该第一附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到电容器的第一端子的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子；第二附加金属氧化物半导体电容器，该第二附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到电容器的第二端子的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子；和第三附加金属氧化物半导体电容器，该第三附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到电容器的第二端子的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。金属氧化物半导体电容器和第二附加金属氧化物半导体电容器可为n型金属氧化物半导体电容器，而第一附加金属氧化物半导体电容器和第三附加金属氧化物半导体电容器可为p型金属氧化物半导体电容器。
根据一些实施方案，提供了一种操作图像传感器的方法，该方法包括：从图像传感器像素读取信号；通过列线传送信号；使用数据转换器从列线接收信号；使用数据转换器激活金属氧化物半导体电容器；以及使用数据转换器在金属氧化物半导体电容器被激活时对所接收的信号进行采样。该方法还可包括：使用数据转换器执行第一数量的转换；在执行第一数量的转换之后，使用数据转换器通过去激活金属氧化物半导体电容器来提供电压增益；以及在去激活金属氧化物半导体电容器之后，利用数据转换器执行第二数量的转换。该方法还可包括在激活金属氧化物半导体电容器之前或之后使用数据转换器对数字-模拟转换器电容器预充电。
根据一些实施方案，提供了一种数据转换器，该数据转换器包括：输入端口；比较器，该比较器具有耦接到输入端口的输入；数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器耦接到比较器的输入；和金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体电容器具有耦接到输入端口的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的栅极端子，该控制信号在电荷采样阶段期间生效并且随后失效以提供电压增益。数据转换器还可包括：采样电容器，该采样电容器耦接到输入端口；和附加金属氧化物半导体电容器，该附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到金属氧化物半导体电容器的源极-漏极端子的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。数据转换器还可包括：附加输入端口，其中比较器具有耦接到附加输入端口的附加输入；和附加金属氧化物半导体电容器，该附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到附加输入端口的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的栅极端子。
根据一个实施方案，提供了一种图像传感器，该图像传感器包括：图像传感器像素；列线，该列线被配置为从图像传感器像素接收信号；和数据转换器，该数据转换器耦接到列线。数据转换器可任选地包括：第一输入端口；第二输入端口；比较器，该比较器具有耦接到第一输入端口的第一输入并且具有耦接到第二输入端口的第二输入；数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器耦接到比较器的第一输入和第二输入中的至少一者；和金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体电容器具有耦接到第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子。
根据另一个实施方案，数据转换器还可任选地包括：采样电容器，该采样电容器具有耦接到第一输入端口的第一端子并且具有耦接到第二输入端口的第二端子；第一采样开关，该第一采样开关耦接在第一输入端口与采样电容器的第一端子之间；第二采样开关，该第二采样开关耦接在第二输入端口与采样电容器的第二端子之间；第一附加金属氧化物半导体电容器，该第一附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到电容器的第一端子的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子；第二附加金属氧化物半导体电容器，该第二附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到电容器的第二端子的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子；和第三附加金属氧化物半导体电容器，该第三附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到电容器的第二端子的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。
根据另一个实施方案，金属氧化物半导体电容器和第二附加金属氧化物半导体电容器可为n型金属氧化物半导体电容器，并且第二金属氧化物半导体电容器和第四附加金属氧化物半导体电容器可为p型金属氧化物半导体电容器。
根据另一个实施方案，数字-模拟转换器可为使用次基数-2缩放方案来设定尺寸的电容器。
根据另一个实施方案，图像传感器还可包括第一附加金属氧化物半导体电容器，该第一附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到第二输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子。
根据另一个实施方案，图像传感器还可包括第二附加金属氧化物半导体电容器，该第二附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。
根据另一个实施方案，图像传感器还可包括第三附加金属氧化物半导体电容器，该第三附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到第二输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。
根据另一个实施方案，图像传感器还可包括附加金属氧化物半导体电容器，该附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。
根据另一个实施方案，金属氧化物半导体电容器可在电荷采样阶段期间被激活。
根据另一个实施方案，金属氧化物半导体电容器可在第一数量的转换循环期间被激活。
根据另一个实施方案，金属氧化物半导体电容器可在第一数量的转换循环之后的第二数量的转换循环之前被去激活以提供电压增益。
根据一个实施方案，提供了一种操作图像传感器的方法，该方法包括：从图像传感器像素读取信号；通过列线传送信号；在数据转换器处从列线接收信号；使用数据转换器激活金属氧化物半导体电容器；以及使用数据转换器在金属氧化物半导体电容器被激活时对所接收的信号进行采样。
根据另一个实施方案，该方法还可包括：使用数据转换器执行第一数量的转换；在执行第一数量的转换之后，使用数据转换器通过去激活金属氧化物半导体电容器来提供电压增益；以及在去激活金属氧化物半导体电容器之后，利用数据转换器执行第二数量的转换。
根据另一个实施方案，第一数量可等于零、一、二、三、四、五或六。
根据另一个实施方案，该方法还可包括使用数据转换器通过去激活金属氧化物半导体电容器来提供电压增益。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在激活金属氧化物半导体电容器之前对数字-模拟转换器电容器预充电。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在激活金属氧化物半导体电容器之后对数字-模拟转换器电容器预充电。
根据一个实施方案，提供了一种数据转换器，该数据转换器包括：输入端口；比较器，该比较器具有耦接到输入端口的输入；数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器耦接到比较器的输入；和金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体电容器具有耦接到输入端口的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的栅极端子，该控制信号在电荷采样阶段期间生效并且随后失效以提供电压增益。
根据另一个实施方案，数据转换器还可包括：采样电容器，该采样电容器耦接到输入端口；和附加金属氧化物半导体电容器，该附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到金属氧化物半导体电容器的源极-漏极端子的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的反相版本的栅极端子。
根据另一个实施方案，数据转换器还可包括：附加输入端口，其中比较器具有耦接到附加输入端口的附加输入；和附加金属氧化物半导体电容器，该附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到附加输入端口的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的栅极端子。
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，其特征在于，所述图像传感器包括：
图像传感器像素；
列线，所述列线被配置为从所述图像传感器像素接收信号；和
数据转换器，所述数据转换器耦接到所述列线，其中所述数据转换器包括：
第一输入端口；
第二输入端口；
比较器，所述比较器具有耦接到所述第一输入端口的第一输入并且具有耦接到所述第二输入端口的第二输入；
数字-模拟转换器，所述数字-模拟转换器耦接到所述比较器的所述第一输入和所述第二输入中的至少一者；和
金属氧化物半导体电容器，所述金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收控制信号的栅极端子。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述数据转换器还包括：
采样电容器，所述采样电容器具有耦接到所述第一输入端口的第一端子并且具有耦接到所述第二输入端口的第二端子；
第一采样开关，所述第一采样开关耦接在所述第一输入端口与所述采样电容器的所述第一端子之间；
第二采样开关，所述第二采样开关耦接在所述第二输入端口与所述采样电容器的所述第二端子之间；
第一附加金属氧化物半导体电容器，所述第一附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述电容器的所述第一端子的源极-漏极端子和被配置为接收所述控制信号的反相版本的栅极端子；
第二附加金属氧化物半导体电容器，所述第二附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述电容器的所述第二端子的源极-漏极端子和被配置为接收所述控制信号的栅极端子；和
第三附加金属氧化物半导体电容器，所述第三附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述电容器的所述第二端子的源极-漏极端子和被配置为接收所述控制信号的所述反相版本的栅极端子。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中：
所述金属氧化物半导体电容器和所述第二附加金属氧化物半导体电容器包括n型金属氧化物半导体电容器；并且
所述第二金属氧化物半导体电容器和第四附加金属氧化物半导体电容器包括p型金属氧化物半导体电容器。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述数字-模拟转换器包括使用次基数-2缩放方案来设定尺寸的电容器。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述图像传感器还包括：
第一附加金属氧化物半导体电容器，所述第一附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述第二输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收所述控制信号的栅极端子；
第二附加金属氧化物半导体电容器，所述第二附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述第一输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收所述控制信号的反相版本的栅极端子；和
第三附加金属氧化物半导体电容器，所述第三附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述第二输入端口的源极-漏极端子和被配置为接收所述控制信号的所述反相版本的栅极端子。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述金属氧化物半导体电容器在电荷采样阶段期间被激活。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述金属氧化物半导体电容器在第一数量的转换循环期间被激活，并且其中所述金属氧化物半导体电容器在所述第一数量的转换循环之后的第二数量的转换循环之前被去激活以提供电压增益。
8.一种操作图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
从图像传感器像素读取信号；
通过列线传送所述信号；
利用数据转换器，从所述列线接收所述信号；
利用所述数据转换器，激活金属氧化物半导体电容器；以及
利用所述数据转换器，在所述金属氧化物半导体电容器被激活时对所接收的信号进行采样。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括：
利用所述数据转换器，执行第一数量的转换；
在执行所述第一数量的转换之后，使用所述数据转换器通过去激活所述金属氧化物半导体电容器来提供电压增益；以及
在去激活所述金属氧化物半导体电容器之后，利用所述数据转换器执行第二数量的转换。
10.一种数据转换器，其中，所述数据转换器包括：
输入端口；
比较器，所述比较器具有耦接到所述输入端口的输入；
数字-模拟转换器，所述数字-模拟转换器耦接到所述比较器的所述输入；
金属氧化物半导体电容器，所述金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述输入端口的源极-漏极端子并且具有被配置为接收控制信号的栅极端子，所述控制信号在电荷采样阶段期间生效并且随后失效以提供电压增益；
采样电容器，所述采样电容器耦接到所述输入端口；和
附加金属氧化物半导体电容器，所述附加金属氧化物半导体电容器具有耦接到所述金属氧化物半导体电容器的所述源极-漏极端子的源极-漏极端子并且具有被配置为接收所述控制信号的反相版本的栅极端子。
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