CN116033276A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于电子摄像机的图像传感器，其具有用于生成曝光相关信号的多个像素，其中相应的像素至少包括至少一个光敏元件；读出节点；传输门；转换器晶体管；以及选择开关，其连接到所述转换器晶体管的信号输出，以将所述信号输出选择性地耦合到所述图像传感器的列线。列线耦合到或可经由输入电容器耦合到相关联的列放大器的负输入，其中列放大器的放大器输出连接到列读出电路和补偿线。补偿线经由相应的反馈电容器耦合到相关联像素的相应的读出节点。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及用于电子摄像机的图像传感器，特别地，本发明涉及CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括用于生成曝光相关信号的多个像素。

背景技术

电子摄像机例如被用作电影摄像机，以记录稍后在影院中显示的影片序列。在这方面，重要的是这些摄像机具有高图像质量。所记录的图像尤其是在后期制作过程中还在亮度、对比度和颜色方面进行改变，并且最终产品(经处理的影片序列或胶片)被投影到影院中的大屏幕上。

电子摄像机通常使用以CMOS或CCD技术中的硅组成的图像传感器。在这样的图像传感器中，像素形成像素场，并且它们以行和列排列。像素可以提供滤色器阵列(colorfilter array，CFA)，以具有不同光谱灵敏度。每个像素至少包括：从入射光生成电荷的光敏元件；额外的读出节点；传输门，其选择性地将光敏元件耦合到读出节点并且将所产生的电荷从光敏元件传输到读出节点；转换器晶体管，其将存在于读出节点处的电荷转换为信号输出处的电压信号；以及选择开关，其经由输出线连接到所述转换器晶体管的信号输出，以将转换器晶体管的信号输出选择性地耦合到图像传感器的相关联的读出线(其通常被指定为列线)。

各个像素还可以包括复位开关，以将读出节点选择性地耦合到复位电势。这种图像传感器还可以包括控制电路，其用于为相应的传输门生成控制信号，为相应的选择开关生成控制信号，并且如果适用的话，为像素的相应复位开关生成控制信号，以从读出节点选择性地读出图像信号(或图像信号和参考信号)。转换器晶体管可以形成阻抗转换器，该阻抗转换器根据在其输入处存在的电荷量在其信号输出处生成电压信号。图像传感器的列线可连接到相应的读出放大器(通常称为列放大器)，以将转换器晶体管的信号输出选择性地耦合到图像传感器的与图像传感器的多个像素相关联的列线。图像传感器的多个列线还可以连接到信号总线，该信号总线通向一个或多个列放大器，以放大多个列线的(可能已经预先放大的)电压信号。图像传感器的像素例如被逐行寻址，并且像素的信号被传导到列放大器(例如在像素场的边缘)，并且从列放大器到输出，像素的信号被数字化并且可选地利用校准数据偏移。

为了能够在不良光照条件下记录影片序列并且保持低成本的胶片组上的人工照明测量，期望电子摄像机的图像传感器具有高的光灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提供具有改进的图像质量的图像传感器。

本发明基于以下考虑。

光灵敏度大致由图像传感器的噪声确定。在不良光照条件下，最低的信号范围是特别关键的。图像传感器的噪声大致由相应像素的噪声和读出路径的噪声组成。通过适当的设计，读出路径的噪声可以被减小到例如80μV(微伏)的值，从而与例如180μV的像素噪声相比，它仅起到从属作用。

相应像素中的噪声电压大致由转换器晶体管(例如，源极跟随器，SF)确定。像素的噪声是电子引起的信号电压与转换器晶体管(SF)的噪声电压之间的比。为了减小噪声，因此必须减小转换器晶体管的噪声电压，或者必须增大电子引起的信号电压(所谓的倾斜度)。

当光子被吸收到光敏元件(例如pin二极管)中时，在那里产生电子。由于短暂控制像素的传输门，该电子被转移到读出节点(例如，浮动扩散，FD)(其中，通常在读出过程中多个光电生成的电子被转移)。该相应电子的电荷作用在读出节点(FD)的电容上，并在那里引起电压变化，该电压变化与读出节点的电容成反比。为了增加由电子引起的信号电压并从而减小像素的噪声，因此可以尝试减小读出节点(FD)的电容。

在典型的图像传感器中，相应像素的读出节点可以具有例如1.6fF(femto farad，毫微微法)的电容，由此实现大约每电子100μV的电压变化。例如，FD电容可以通过进一步的方法(例如使用保护结构)而减小到0.6fF，由此可以实现大约每电子260μV的电压变化。

然而，希望进一步降低噪声。这可以通过进一步减小读出节点的电容，从而通过增加由读出节点处的电子引起的信号电压来实现。读出节点的电容基本上是接地的寄生电容。因此，这种电容是无效的或尽可能小，读出节点处的电压必须保持恒定。然而，当电子从光敏元件转移到读出节点并由此在读出节点处引起电压变化时，该电压变化又影响读出节点的电容。为了显着地增加图像传感器的灵敏度，因此读出节点处的电压必须保持恒定，以便实现读出节点处的低电容，并因此实现每个电子的较高信号电压，并且还在电荷转移到读出节点时保持该较高信号电压。

通过具有权利要求1中的特征的图像传感器来满足所述目的。

在该图像传感器中，列放大器与列线相关联，其中列线耦合到或可(例如经由开关)经由输入电容器耦合到列放大器的负输入。列放大器具有用于输出放大器输出信号的放大器输出，其中放大器输出连接到列读出电路和补偿线。补偿线也可以被指定为补偿线。补偿线经由相应的反馈电容器耦合到与列线相关联的那些像素的相应读出节点。

因此，在相应像素的转换器晶体管的信号输出处生成的电压信号可有效地电容反馈到相应像素的读出节点。换句话说，形成包括列线、输入电容器、列放大器(通过其负输入)，补偿线和反馈电容器的反向反馈回路。

(间接)耦合到或可耦合到读出节点的反馈电容器确保在电荷从光敏元件转移到相应像素的读出节点的情况下，通过列放大器或放大器输出来调节读出节点的电压是可行的。特别地，可以调节读出节点处的电压，使得在读出节点处存在减小的电容。因此，可以在相应像素的读出节点处实现每电子增加的信号电压。

因此，反馈电容器确定每电子的信号电压，并由此确定像素的灵敏度。通过反馈和反馈电容器的相应尺寸可以实现每电子所需的信号电压。为了获得例如每电子4000μV的信号电压，需要大约40aF(atto farad，微微微法)的读出节点的电容。在此方面，反馈电容器的尺寸可非常小，因为尤其列线与读出节点之间的电容是决定性的。

上述数值应理解为示例性的。由反馈电容器实现的效果也可以更强或更弱。

读出节点的电容的这种主动限制特别适用于在不良光照条件下的低信号强度，即，适用于每次驱动传输门时从光敏元件传输到读出节点的少量电子。各个像素的光敏元件也可以以这种方式连续地以多次重复读出，其中获得了可以叠加在一起的部分结果。相反，对于光敏元件中较大的电荷量，可以使用常规的读出方法，而不需要通过反馈电容器的所解释的反向反馈。

本发明还可以与比上述更复杂的像素架构和/或读出架构一起使用。例如，可以在各个像素内提供具有附加传输门的溢流电容器，这将在下面解释。在一些实施例中，相应的像素还可以包括多个光敏元件，这些光敏元件被连接或可以经由相应的传输门耦合到公共读出节点(FD)(所谓的“共享”)和/或与公共转换器晶体管相关联(在时间上交替)。此外，图像传感器可以具有用于每个像素列的多个列线，其中多个列线可以经由信号总线耦合或能够耦合到公共列放大器。此外，可以为每个像素提供具有不同增益因子的多个信道。

如果参考与本发明有关的电压或电势，则必须考虑将电压定义为第一电势(例如所产生的或所考虑的电势)和第二电势(例如参考电势)之间的差。如果给出相应的参考电势，则在这方面，这两项最终可以是等同的或以等同的方式使用。

如果结合本发明参考图像传感器中的线，则这里应理解的是，可以例如通过金属化或掺杂将导电连接特别地形成在衬底上或衬底内。

下面将解释本发明的其它实施例。

在一些实施例中，列放大器可被配置成，根据在输入电容器处经由列线接收的相应像素的转换器晶体管的电压信号来生成放大器输出信号，以及将放大器输出信号输出到列读出电路，且经由补偿线输出到反馈电容器。

例如，当选择开关打开时，在读出节点处生成的电压可以作为电压信号经由转换器晶体管输出到列线。列线处的电压信号可特别地跟随(特别地作为成正比的值)例如由于经由传输门的电荷转移而在相应像素的读出节点处生成的电压。列线与列放大器的负输入之间存在的电压差可以确保布置在列线与负放大器输入之间的输入电容器根据该电压差充电。根据列放大器的工作模式，放大器输出信号可以采用不同的值，这将在下面进一步解释。放大器输出信号被发送到列读出电路，并且经由补偿线被发送到反馈电容器。列读出电路可以输出最终对应于图像信息的相应信号值。可以经由补偿线和反馈电容器形成到相应读出节点的所解释的反向反馈回路。

在一些实施例中，列读出电路可被配置成读出放大器输出信号。特别地，列读出电路可被配置成输出对应于放大器输出信号的信号值。

在一些实施例中，特别地，列读出电路可以被配置成读出作为放大器输出信号的参考信号和图像信号，并将它们彼此偏移(特别是通过减法)，以消除偏移值(所谓的相关双采样)，这将在下面进一步解释。

在一些实施例中，相应像素的转换器晶体管、列线、输入电容器、列放大器、补偿线和相应像素的反馈电容器可形成用于相应像素的读出节点的反向反馈回路。由于这种反向反馈回路，可以抵消由于电荷转移而导致的电压的不希望的增加以及因此读出节点的电容的不希望的增加。

特别地，输入电容器、列放大器和相应像素的反馈电容器可以被配置成(设置成和尺寸化成)使相应像素的读出节点处的电压保持大致恒定。

这种反向反馈不必永久地发生。然而，列放大器也可以仅经由所述元件形成临时反馈。对于反馈的时间段，列放大器可以调节补偿线处的电压，使得在电荷转移(从光敏元件经由传输门)的情况下，相应像素的读出节点处的电压也大致保持恒定。

在一些实施例中，在相应像素的读出节点处的电荷增加的情况下，输入电容器、列放大器和相应像素的反馈电容器可被配置成增加补偿线处的电压，并由此大致补偿读出节点处的电压变化。此反馈可利用列线处的电压跟随读出节点处的电压且列线处的电压也可经由输入电容器在列放大器处获得的事实。

在一些实施例中，列放大器除了包括负放大器输入之外，还可以包括被施加参考电压的正放大器输入。该参考电压可以特别地用作参考值，以执行所解释的反向反馈并提高测量的精度。由于负反馈，可以将参考电压具体地反射到负放大器输入上，以便使负放大器输入和连接到负放大器输入的输入电容器被限定为用于后续测量的起始值。

特别地，列放大器可以包括具有负放大器输入和正放大器输入的运算放大器。

在一些实施例中，列放大器的负放大器输入可以经由负反馈线和负反馈开关连接到放大器输出，其中，通过闭合负反馈开关，可以使列放大器进入负反馈模式，在该模式中，列线处的电压和参考电压之间的电势差被设置在输入电容器处。列放大器尤其可以作为负反馈模式中的电压跟随器工作，即，放大器输出信号可以对应于列放大器的正输入处的输入电压，即，对应于所施加的参考电压。

通过随后断开负反馈开关，列放大器可以从负反馈模式开始进入放大模式，在该放大模式中，放大器输出信号表示输入电容器处的相对于负反馈模式而改变的电势差。输入电容器处的电势差的变化尤其可以由从光敏元件到相应像素的读出节点的中间电荷转移以及相应转换器晶体管的电压信号的相应变化引起。在列放大器的放大模式中，放大器输出信号因此可以表示在相应像素的读出节点处的电压变化，并且因此表示被转移到读出节点的电子的数量。特别地，在放大模式中，列放大器可以操作为差分放大器。

在一些实施例中，图像传感器可以具有控制电路，该控制电路被配置成首先使列放大器进入负反馈模式，以读出相应像素；随后使列放大器进入放大模式；此后，使相应像素的传输门至少部分地开启一段短时间，以便将电荷传输到相应像素的读出节点；然后控制列读出电路读出放大器输出信号，然后放大器输出信号代表相应像素的信号值或图像信号值。控制电路例如可以包括集成电路、微处理器或FPGA。

在这种类型的整体读出过程中，可以闭合相应像素的选择开关。正如已经解释的，可以通过闭合负反馈开关来开始负反馈模式。可以通过负反馈模式将输入电容器带入限定的开始值。随后可以通过断开负反馈开关来开始放大模式。在放大模式中，放大器输出信号可表示传输到相应像素的读出节点的电荷。此外，列放大器可以在放大模式期间处于反馈模式，即，放大器输出信号经由补偿线和反馈电容器被电容性地反馈到相应像素的读出节点。

在一些实施例中，相应像素还可以具有复位开关，其用于将读出节点选择性地耦合到复位电势。控制电路可以被配置成短暂地闭合相应像素的复位开关，以去除存在于相应像素的读出节点中的电荷；然后，在列放大器的放大模式中，并且在控制(即，开启)传输门之前，控制列读出电路读出放大器输出信号，该放大器输出信号随后表示相应像素的参考值或参考信号值。

基于读出参考值，可以以更高的精度来确定由电荷转移到读出节点所产生的电压变化的幅度。特别地，可以从所述信号值中减去参考值(在传输门开启的情况下确定)(所谓的相关双采样)。

在一些实施例中，列读出电路可具有用于此目的的参考值读出路径和信号值读出路径。特别地，可以经由参考值读出路径进行参考值的读出，并且特别地，可以经由信号值读出路径进行信号值的读出，其中可以在不同的时间点进行参考值的读出和信号值的读出。

在一些实施例中，相应像素还可以包括溢流电容器和将读出节点选择性地耦合到溢流电容器的另一传输门。因此，可以选择性地暂时增加像素的电容，以便能够在高曝光时从光敏元件接收大的电荷量。所述控制电路还可以被配置成生成用于另一传输门的控制信号。

附图说明

下面将参考实施例和附图来描述本发明，其中相同元件或相同类型的元件由相同的附图标记来表征。

图1示出了四晶体管CMOS图像传感器；在该图像传感器中，仅示出了一个像素和与像素的列线相关联的列放大器电路；

图2以与图1相对应的表示方式示出了根据本发明的图像传感器；

图3示出了根据图2的图像传感器的相应像素的可替代实施例；以及

图4示出了根据本发明的图像传感器的控制电路的电路图。

附图标记列表

10 像素

20 光敏元件

21 传输门

22 读出节点

23 寄生电容

24 转换器晶体管

25 选择开关

26 复位开关

27 电压源端子

28 反馈电容器

29 转换器晶体管的信号输出

30 溢流电容器

31 另一传输门

40 控制电路

41 列线

42 补偿线

60 用于小电荷量的放大器电路

61、81 输入电容器

62 动力源

63、83 电压节点

64、84 放大器电容器

85 列放大器

66、86 负反馈开关

67 列放大器的负输入

68 列放大器的正输入

69 放大器输出

70 列读出电路

71、91 信号值开关

72、92 信号值电容器

73、93 参考值开关

74、94 参考值电容器

80 用于大电荷量的放大器电路

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面将参照图1来解释APS(有源像素传感器)类型的示例性四晶体管图像传感器的基本操作，其中该图像传感器的独立部件也存在于根据本发明的图像传感器中。然而，总体上，本发明不限于有源四晶体管图像传感器，而是也可用于每像素具有少于或多于四个晶体管的图像传感器，如下文将解释的。

在图1中仅示出了单个像素10，该像素包括光电二极管形式的光敏元件20，特别是所谓的pin二极管形式的光敏元件。光敏元件20经由传输门21形式的开关可选择性地电荷耦合到读出节点22，特别地，该读出节点22可形成为所谓的浮动扩散(floatingdiffusion，FD)。

读出节点22连接到被配置为源极跟随器的转换器晶体管24的栅极端子，该转换器晶体管24由场效应晶体管(FET)形成并且表示电荷-电压转换器电路。此外，读出节点22经由复位开关26形式的另一开关器件连接到电压源VDD(例如，正电压源)的端子27。转换器晶体管24的两个沟道端子中的一者(漏极端子)同样连接到正电压源VDD，而转换器晶体管24的两个沟道端子中的另一者(源极端子)形成信号输出29，在该信号输出29处输出电压信号，并且该信号输出29连接到选择开关25。选择开关25用作行选择开关，其中通过激活或闭合选择开关25，转换器晶体管24的信号输出29可以选择性地耦合到与所表示的像素10相关联的列线41。

提供列线41(column line，COL)以将布置在相关列中的相同类型的多个或所有像素10连接到公共列放大器电路60，该公共列放大器电路60例如布置在图像传感器的像素场之外。这通过临时闭合像素10的相应选择开关25以交替的方式来进行。

列放大器电路60包括连接到列线41和电压节点63的输入电容器61(CIN)。列放大器电路60还包括列放大器65，该列放大器65的负输入67连接到电压节点63，并且向其正输入68施加参考电压VREF。放大器电容器64还连接到放大器的输出69和电压节点63。与放大器电容器64并联的负反馈开关66经由负反馈线连接到放大器输出69和电压节点63。放大器输出69还连接到列读出电路70，该列读出电路70包括参考值读出路径的参考值电容器74，其中参考值电容器74通过一个端子接地，并且可以通过另一个端子经由参考值开关73选择性地耦合到放大器输出69。列读出电路70还包括信号值读出路径的信号值电容器72，其中信号值电容器72同样通过一个端子接地，并且同样可以通过另一个端子经由信号值开关71选择性地耦合到放大器输出69。

包括动力源62的预充电电路还与图像传感器的像素场之外的列线41相关联。

通过图像传感器的公共控制电路40，经由控制线TG1可控制各个像素10的传输门21；经由控制线RES可控制复位开关26；经由控制线SEL可控制选择开关25；经由控制线FB可控制负反馈开关66；经由控制线SHR可控制参考值开关73；以及经由控制线SHS可控制信号值开关71。

下面将通过基于3.3V CMOS技术的示例方式来描述这种像素10的操作原理。这个过程也被称为“相关双采样(correlated double sampling，CDS)”。通常，以相同的方式读出并且特别地并行读出一行中的所有像素10，使得对于读出过程的描述而言仅查看连接到相同列线41的那些像素10就足够。

在曝光过程中入射的光被相应像素10的光敏元件20转换为电荷，使得光敏元件20填充电子。在曝光过程中，控制线TG1、SEL和RES各自保持在0V，即，由此控制的开关21、24、26是断开的。

在各个像素10的实际读出之前，将3.3V的电压短暂地施加到控制线RES，以去除由漏电流和/或由来自读出节点22的散射光形成的电荷，即删除读出节点22。因此，读出节点22被设置为由电压源VDD定义的起始状态。因此，在转换器晶体管24的信号输出29处采用与删除的读出节点22处的电荷相对应的电压。

此外，将3.3V的电压施加到控制线FB，以闭合负反馈开关66，从而列放大器65是负耦合的。因此，在列放大器65的负输入67处以及因此在电压节点63处以及在输入电容器61的相关端子处采用VREF的电压。

为了读出参考值，将3.3V的电压施加到控制线SEL，使得选择开关25闭合。因此，与读出节点22中的电荷相对应的转换器晶体管24的电压信号经由选择开关25切换到列线41，并因此切换到输入电容器61。因此，输入电容器61被充电到参考电压VREF与列线41处的电压之间的电势差。此外，负反馈开关66断开(控制线FB被设置为0V)。由于切换过程，产生了小的干扰(例如，电荷注入)。列放大器65相应地重新调整。现在将3.3V的电压短暂地施加到控制线SHR，以闭合参考值开关73，并由此根据放大器输出信号对参考值电容器74充电。在参考值开关73再次断开之后，可以因此从参考值电容器74读出参考值。

为了读出信号值，随后将3.3V或更小的电压短暂地施加到控制线TRF，以至少暂时地打开相应像素10的传输门21一段短时间，或者闭合由此形成的开关，使得根据曝光生成的电子可以从光敏元件20转移到读出节点22。与读出节点22中的改变的电荷相对应的转换器晶体管24的改变的电压信号经由选择开关25(再次或仍然闭合)转移到列线41，并因此转移到输入电容器61。列放大器65以输入电容器61和放大器电容器64的电容比(负反馈开关66保持断开)来放大该改变的信号，并在放大器输出69处生成相应的改变的放大器输出信号。因此，现在将电压施加到列放大器65的输出69，该电压起始于读出节点22的开始状态(偏置值)，对应于由于电荷从光敏元件20转移到读出节点22而引起的电压变化(电压降)。将3.3V的电压短暂地施加到控制线SHS，以闭合信号值开关71，并由此根据改变的放大器输出信号对信号值电容器72充电。在信号值开关71再次断开之后，可以从信号值电容器72读出信号值(图像信号值)。

读出参考值与信号值之间的差对应于通过打开传输门21而从光敏元件20传输到读出节点22的电荷量。

此后，如果需要，可以将3.3V的电压再次短暂地施加到控制线RES，以从读出节点22去除当前电荷，并且针对进一步的部分电荷量来重复所解释的读出过程，其中通过更大的打开传输门21该部分电荷量从光敏元件20传输到读出节点22(读出参考值和信号值)。

最后，还可以将3.3V的电压短暂地施加到控制线RES和TG1，以去除来自读出节点22的电荷和来自光敏元件20的任何残余电荷，使得可以以完全“空”像素10来再次开始下一曝光过程。

还将对连接到相应列线41的其它像素10执行这些步骤。

图2示出了根据本发明的图像传感器的各个部分，其中再次通过示例的方式示出了四晶体管图像传感器，并且即使图像传感器具有布置成行和列的多个像素10，也仅示出了单个像素10作为代表。特别地，下面将解释与根据图1的图像传感器的主要区别。

与根据图1的图像传感器的区别在于，除了列线41之外，各个像素10还耦合到补偿线42(CMP)，该补偿线42平行于列线41延伸，并且与列线41类似，与像素11的列相关联。补偿线42在一端连接到相关联列线41的列放大器65的放大器输出69。在另一端，补偿线42分支到与列线41相关联的像素11，并经由相应的反馈电容器28电容性地耦合到相应像素10的读出节点22。

与根据图1的图像传感器的另一区别在于，在列放大器65的负输入67和放大器输出69之间不设置放大器电容器64，而是仅设置负反馈开关66。

根据图2的图像传感器即使在少量电荷的情况下也能够以高的光灵敏度操作，这些少量电荷从光敏元件20转移到相应像素10的读出节点22，从而即使在不良光照条件下也能够记录影片序列。这是通过相应读出节点22的高的灵敏度(增益特性的倾斜度)来实现的。

相应像素10的转换器晶体管24、列线41、输入电容器61、列放大器65、补偿线42和相应像素10的反馈电容器28形成用于相应像素10的读出节点22的相应反向反馈回路。反向反馈回路的结果是，由从光敏元件20传送到读出节点22的电荷载流子引起的读出节点22中的电压变化被放大器输出69到读出节点22的有源反馈补偿。特别地，列放大器65可以通过增加放大器输出69处或补偿线42处的电压来抵消读出节点22处的电压降，从而由于经由反馈电容器28的电容耦合，读出节点22处的电压可以保持大致恒定。因此，读出节点22(由图2中的参考数字23示出)处的寄生电容变得基本无效。因此，被转移到读出节点22的电荷载流子和由此引起的(寄生)电容的增加不会损害增益特性。

由于反馈电容器28的尺寸具有例如40aF或更小的电容，因此可以在读出节点22中实现大约每电子4000μV的信号电压，该信号电压对应于0.05电子的噪声值。作为示例，可以通过使用两个线端之间的电容将MIM(金属-绝缘体-金属)电容器用作反馈电容器28。

与针对根据图1的图像传感器所解释的类似，针对读出相应的像素10，可以首先发生列放大器65的负反馈模式，以将输入电容器61设置为定义的开始值，并且随后可以发生列放大器65的放大模式。在放大模式中，列放大器65可根据经由列线41在输入电容器61处接收的转换器晶体管24的电压信号来生成放大器输出信号，并经由补偿线42将放大器输出信号输出到反馈电容器28。

下面将描述可行的读出过程。

在相应像素10的实际读出之前，将3.3V的电压短暂地施加到控制线RES，以短暂地闭合复位开关26并删除读出节点22(读出节点22的开始状态)。因此，在转换器晶体管24的信号输出29处采用与删除的读出节点22处的(残余)电荷相对应的电压。进一步将3.3V的电压施加到控制线FB，以闭合负反馈开关66，使得列放大器65是负耦合的。因此，在列放大器65的负输入67处并因此在电压节点63处以及在输入电容器61的相关联端子处采用VREF的电压。

为了读出参考值，将3.3V的电压施加到控制线SEL，使得选择开关25闭合。与读出节点22中的电荷相对应或与读出节点22的起始状态相对应的转换器晶体管24的电压信号由此经由选择开关25连接到列线41并因此连接到输入电容器61。因此，输入电容器61被充电到列放大器65的参考电压VREF与列线41处的电压之间的电势差。

此外，负反馈开关66是断开的。由于切换过程，产生了小的干扰(例如，电荷注入)。列放大器65根据两个输入端67、68处存在的电压差而重新调整。在该时间点将3.3V的电压施加到控制线SHR，或者现在施加该电压以闭合参考值开关73，由此根据放大器输出信号对参考值电容器74充电。在参考值开关73再次开启之后，可以从参考值电容器74读出参考值。

为了读出信号值，此后将3.3V或更小的电压短暂地施加到控制线TG1，以部分地或完全地开启相应像素10的传输门21一段短时间，使得根据曝光(或其一部分)生成的电子从光敏元件20转移到读出节点22。在该时间段内，用于连接到列线41的选择开关25可以被短暂地开启，或者选择开关25可以保持闭合。根据读出节点22中变化的电荷而变化的转换器晶体管24的电压信号经由选择开关25传输到列线41，并因此传输到输入电容器61。由于输入电容器61与列放大器65的负输入67的耦合，导致负输入67处的电势变化。列放大器65在放大器输出69处生成改变的放大器输出信号，其对应于两个输入67、68之间的电势差，即对应于相对于VREF的进一步的电势变化。因此，放大器输出信号表示从读出节点22的开始状态(偏移值)开始，通过开启传输门21从光敏元件20传输到读出节点22的电荷。通过根据放大器输出信号来增加补偿线42处的电压直到(由于与读出节点22的电容耦合)读出节点22中的电压再次对应于原始值，列放大器65补偿相应像素10的读出节点22中的电荷的影响。

将3.3V的电压施加到控制线SHS，以短暂地闭合信号值开关71，并由此根据放大器输出信号对信号值电容器72充电。在信号值开关71再次断开之后，可以从信号值电容器72读出信号值(图像信号值)。此外，可以形成读出参考值和读出信号值之间的差。

然而，除了产生信号值之外，放大器输出信号还被用于所解释的反向反馈。为此目的，如所解释的，放大器输出信号还经由补偿线42被传导到相应像素10的反馈电容器28，以保持读出节点22处的电压大致恒定。

可以至少以小电荷量或以低曝光量执行该读出过程。读出过程也可以重复多次，以通过多次、增加传输门21的开启而将部分电荷量传输并读出到读出节点22。

为了实现高动态，读出方法可以与允许同时读出更多数量的电子的其它读出方法相结合。例如，在所解释的读出过程之前或之后，可以发生在其中负反馈开关66保持闭合的读出过程。然后将电压VREF永久地施加到补偿线42，其中像素10表现为常规的四晶体管像素。例如，替代性的放大器电路80也可以用于大的电荷量，这将在下面结合图3进行解释。

一方面，图3示出了与经由补偿线42(在图3中由参考数字60标记)进行反向反馈的所解释的放大器电路并行的为大电荷量提供的另一放大器电路80(与放大器电路60中相同类型的元件由放大器电路80中的增加了数字20的参考数字来标记)。因此，可以为光敏元件20中的不同电荷量提供不同的增益因子(所谓的“增益”)，例如，放大器电路80的增益因子小于放大器电路60的增益因子。也可以在根据图2的四晶体管像素10中提供这种可选择的双增益因子(所谓的“双增益”)。

在其它实施例(未示出)中，除了放大器电路60和80，并且实际上与之并联，还可以提供具有不同增益因子(所谓的“三倍增益”)的另一放大器电路80。

另一方面，图3示出了根据图2的反馈电容器28例如也可以设置在五晶体管图像传感器中。根据图3的相应像素10额外地包括溢流电容器30和另一传输门31。控制电路40可经由控制线TG2选择性地控制另一传输门31，以将读出节点22耦合到溢流电容器30。因此，读出节点22的电容可以选择性地暂时增加，以便能够在像素10的高曝光时接收在光敏元件20中生成的大电荷量。与其相关联的读出节点22的电容的(暂时的)增加对光灵敏度不存在不利影响，因为无论如何在高曝光下均实现高信噪比。

对于高曝光，特别是对于根据图3的溢流电容器30的读出，可以使用与结合图1解释的放大器电路对应的放大器电路80。对于高曝光，也可以彼此并联地提供多个相同类型的放大器电路80，然而，如上面解释的，这些放大器电路80具有不同的增益因子(例如，具有不同尺寸的放大器电容器84)。

图4示出了根据图2的图像传感器的控制电路40的电路图。示出了复位开关26(RES)、传输门21(TG)、选择开关25(SEL)、负反馈开关66(FB)、信号值开关71(SHS)和参考值开关73(SHR)的时间切换序列。

在各个像素10曝光之前(在两个垂直条左侧的时间段I)，复位开关26(RES)被短暂地闭合，并且传输门21(TG)被短暂地开启，以清空光敏元件20，即，去除存在其中的电荷载流子。在列放大器65的一侧，负反馈开关66(FB)闭合。现在可以进行像素10的曝光(时间段II)。

在曝光结束时(在两个垂直条右侧的时间段III)，通过短暂地闭合复位开关26(RES)以去除由漏电流和/或来自读出节点22的散射光形成的电荷来启动像素10的读出过程。

然后闭合选择开关25(SEL)和参考值开关73(SHR)，使得与读出节点22处的(残余)电荷相对应的转换器晶体管24的电压信号经由列线41到达输入电容器61。同时，在列放大器65处闭合的负反馈开关66(FB)最初确保列放大器65工作在负反馈模式，并且确保参考电压VREF被施加到列放大器65的负输入67。列线41与列放大器65的负输入67之间的电势差使得输入电容器61相应地充电。负反馈开关66(FB)现在断开，使得列放大器65进入放大模式。现在存在的放大器输出信号被施加到补偿线42。通过闭合的参考值开关73(SHR)，可以根据放大器输出信号或放大器输出69处的电压对参考值电容器74充电。然后断开参考值开关73(SHR)和选择开关25(SEL)。可以现在或以后读出参考值电容器74。

随后，进行信号电压值的读出。为此目的，传输门21(TG)被短暂地闭合，使得电荷可以从光敏元件20移动到读出节点22。然后闭合选择开关25(SEL)和信号值开关71(SHS)。由此改变输入电容器61处的电压以及由此改变对信号值电容器72进行充电的放大器输出信号。同时发生对读出节点22的反向反馈。为此目的，其放大器输出信号经由转换器晶体管24、列线41和输入电容器61取决于读出节点22中的电荷的列放大器65的放大器输出69经由补偿线42和反馈电容器28被反馈到具有负号的读出节点22。在此反向反馈操作中，列放大器65补偿由读出节点22处的电荷转移所引起的电压降，因为列放大器65增加放大器输出69处且因此增加补偿线42处的电压。此后，信号值开关71(SHS)和选择开关25(SEL)断开。信号值电容器72可以现在或以后读出。基于读出信号值和参考值之间的差值，随后可以确定对应于像素10的曝光值的偏移校正值。

Claims (11)

1.一种用于电子摄像机的图像传感器，所述图像传感器包括用于生成曝光相关信号的多个像素(10)，其中，所述多个像素(10)中相应的一个像素至少包括：

-光敏元件(20)，其根据入射光生成电荷；

-读出节点(22)；

-传输门(21)，其将所述光敏元件选择性地耦合到所述读出节点(22)；

-转换器晶体管(24)，其将所述读出节点(22)处存在的电荷转换为信号输出(29)处的电压信号；和

-选择开关(25)，其连接到所述转换器晶体管(24)的所述信号输出(29)，以将所述转换器晶体管(24)的所述信号输出(29)选择性地耦合到与所述图像传感器的多个像素(10)相关联的所述图像传感器的列线(41)；

其中，列放大器(65)与列线(41)相关联，其中，所述列线(41)耦合到或能够经由输入电容器(61)耦合到所述列放大器(65)的负放大器输入(67)，其中，所述列放大器(65)具有用于输出放大器输出信号的放大器输出(69)，其中，所述放大器输出(69)连接到列读出电路(70)和补偿线(42)，其中，所述补偿线(42)经由相应的反馈电容器(28)耦合到与所述列线(41)相关联的像素(10)的相应的读出节点(22)。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述列放大器(65)被配置成，根据在所述输入电容器(61)处经由所述列线(41)接收的所述相应的一个像素(10)的所述转换器晶体管(24)的电压信号来生成所述放大器输出信号，以及将所述放大器输出信号输出到所述列读出电路(70)并且经由所述补偿线(42)输出到所述反馈电容器(28)。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，

所述列读出电路(70)被配置成读出所述放大器输出信号。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述相应的一个像素(10)的所述转换器晶体管(24)、所述列线(41)、所述输入电容器(61)、所述列放大器(65)、所述补偿线(42)和所述相应的一个像素(10)的反馈电容器(28)形成用于所述相应的一个像素(10)的所述读出节点(22)的反向反馈回路。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，

所述输入电容器(61)、所述列放大器(65)和所述相应的一个像素(10)的所述反馈电容器(28)被配置成使所述相应的一个像素(10)的所述读出节点(22)处的电压保持大致恒定。

6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，

在所述相应的一个像素(10)的所述读出节点(22)处的电荷增加的情况下，所述输入电容器(61)、所述列放大器(65)和所述相应的一个像素(10)的所述反馈电容器(28)被配置成增加所述补偿线(42)处的电压，并由此大致补偿所述读出节点(22)处的电压变化。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述列放大器(65)包括被施加参考电压(VREF)的正放大器输入(68)。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，

所述负放大器输入(67)能够经由负反馈开关(66)连接到所述放大器输出，

通过闭合所述负反馈开关(66)，所述列放大器(65)能够进入负反馈模式，在所述负反馈模式中，在所述输入电容器(61)处设定所述列线(41)处的电压与所述参考电压(VREF)之间的电势差，并且

通过断开所述负反馈开关(66)，所述列放大器(65)能够进入放大模式，在所述放大模式中，所述放大器输出信号表示所述输入电容器(61)处的相对于所述负反馈模式而改变的电势差。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，

所述图像传感器具有控制电路(40)，所述控制电路(40)被配置成，首先使所述列放大器(65)进入所述负反馈模式，用于读出所述相应的一个像素(10)；随后使所述列放大器(65)进入所述放大模式；此后，使所述相应的一个像素(10)的所述传输门(21)至少部分地开启一段短时间，以便将电荷传输到所述相应的一个像素(10)的所述读出节点(22)；然后控制所述列读出电路(70)读出信号值。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，

所述相应的一个像素(10)还具有复位开关(26)，所述复位开关(26)将所述读出节点(22)选择性地耦合到复位电势(VDD)，

所述控制电路(40)被配置成短暂地闭合所述相应的一个像素(10)的所述复位开关(26)，以去除存在于所述相应的一个像素(10)的读出节点(22)中的电荷；然后，在所述列放大器(65)的所述放大模式中并且在开启所述传输门(21)之前，控制所述列读出电路(70)读出参考值。

11.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述相应的一个像素(10)还包括：

-溢流电容器(30)；和

-另一传输门(31)，其将所述读出节点(22)选择性地耦合到所述溢流电容器(30)。

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