CN117897965A

CN117897965A - 自校准势垒调制像素

Info

Publication number: CN117897965A
Application number: CN202280056005.9A
Authority: CN
Inventors: D·洛伊德; S·约翰森; A·泽科尼
Original assignee: Ames Sensors Belgium GmbH; Ames Sensors Usa Inc
Current assignee: Ames Sensors Belgium GmbH; Ames Sensors Usa Inc
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2024-04-16
Also published as: CN117678236A; CN117813835A; CN117795975A

Abstract

提供了一种像素布置，该像素布置包括：光电检测器，其被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子；传输晶体管，其电耦合到光电检测器；扩散节点，其电耦合到传输晶体管；复位晶体管，其电耦合到扩散节点和像素电源电压；采样和保持级，其包括至少第一电容器和第二电容器，采样和保持级的输入经由放大器电耦合到扩散节点，其中，传输晶体管被配置为脉冲到不同的电压电平，以将所累积的电荷载流子的部分传输到扩散节点，至少第二电容器被配置为存储表示所累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中，第一电容器被配置为存储表示所累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。此外，提供了一种操作像素布置的方法和包括该像素布置的图像传感器。

Description

自校准势垒调制像素

优先权声明和交叉引用

本专利申请要求于2021年11月10日提交的美国临时申请63/263,861和于2021年8月10日提交的德国申请102021120779.7的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及像素布置、图像传感器和用于操作像素布置的方法。

背景技术

CMOS图像传感器用于广泛的应用中，诸如用于相机模块和智能电话、平板计算机、膝上型计算机等。对于一些应用，需要高动态范围(HDR)，例如高于85dB。动态范围(DR)在一侧受到低光条件下的本底噪声的限制，并且在另一侧受到高光条件下的饱和效应的限制。此外，这种图像传感器所包括的像素的尺寸必须保持较小。

发明内容

要实现的目的是提供一种具有高动态范围的像素布置和用于操作这种像素布置的方法。要实现的另一个目的是提供一种包括具有高动态范围的像素布置的图像传感器。

这些目的利用独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。

在这里和下文中，术语“像素”和“像素布置”是指光接收元件，其可以与其他像素布置在二维阵列(也称为矩阵)中。阵列中的像素按行和列布置。术语“行”和“列”可以互换使用，因为它们仅取决于像素阵列的取向。像素还可以包括用于控制去往和来自像素的信号的电路。因此，像素可以形成所谓的有源像素。像素可以接收任意波长范围内的光。术语“光”通常可以指电磁辐射，包括例如红外(IR)辐射、紫外(UV)辐射和可见(VIS)光。

在实施例中，像素布置包括光电检测器，该光电检测器被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子。像素布置可以形成全局快门像素，特别是电压域全局快门像素，缩写为VGS像素。像素也可以形成滚动快门像素。光电检测器具体地可以是光电二极管或钉扎光电二极管。光电二极管可以布置在基板中，特别是半导体基板中。

在实施例中，像素布置包括电耦合到光电检测器的传输晶体管。在实施例中，像素布置包括电耦合到传输晶体管的扩散节点。传输晶体管形成开关。传输晶体管的第一端子连接到光电检测器，并且传输晶体管的第二端子连接到扩散节点。通过将传输信号施加到传输晶体管的栅极，电荷载流子可以从光电检测器朝向扩散节点扩散。扩散节点可以是浮动扩散节点，缩写为FD节点。FD节点可以包括用于临时存储电荷载流子的电容。在下文中，术语FD节点和扩散节点同义使用。

在实施例中，像素布置包括电耦合到扩散节点和像素电源电压的复位晶体管。复位晶体管被提供用于复位FD节点。复位晶体管形成开关。复位晶体管的第一端子连接到像素电源电压，并且第二端子耦合到FD节点。通过将复位信号施加到复位晶体管的栅极，任何冗余电荷载流子被排出到像素电源。

在实施例中，像素布置包括采样和保持级，该采样和保持级至少包括第一电容器和第二电容器。采样和保持级的输入经由放大器电耦合到扩散节点。采样和保持阶段可以缩写为S/H阶段。第一电容器和第二电容器可以被称为S/H电容器。放大器可以由S/H级包括。放大器可以形成为共漏极放大器，也称为源极跟随器。源极跟随器的栅极端子连接到FD节点并用作放大器的输入端子。公共端子可以连接到电源电压。基于FD节点处的充电信号，在放大器的输出端子处生成放大信号。放大器可以用作电压缓冲器。放大器可以被配置为缓冲信号，从而将FD节点与另外的像素分量解耦。电容器经由开关晶体管电耦合到放大器的输出端子。电容器可以具有相同或相似的电容。

在实施例中，传输晶体管被配置为脉冲到不同的电压电平，用于将累积的电荷载流子的部分传输到扩散节点。不同的电压电平可以是部分电压电平。因此，可以修改或调制光电检测器和扩散节点之间的势垒。因此，像素布置可以用于势垒调制。取决于势垒，累积的电荷载流子的一部分可以克服势垒并且可以被传输到扩散节点。

在实施例中，至少第二电容器被配置为存储表示累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号。低转换增益信号可以被称为LCG信号。LCG信号可以存储在第二电容器上或者在第一电容器和第二电容器两者上重新分配。LCG信号是指以低增益生成的信号。这可以意味着信号仅基于累积的电荷载流子的一部分，特别是第一部分。这还可以意味着LCG信号被额外衰减。

在实施例中，第一电容器被配置为存储表示累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。高转换增益信号可以被称为HCG信号。HCG信号存储在第一电容器上。HCG信号是指以高增益产生的信号。这可以意味着信号基于累积的电荷载流子的剩余部分，其可以是主要部分。这也可以意味着HCG信号被另外放大。

像素布置势垒利用传输门的势垒调制。借助于势垒调制，可以增加像素布置的动态范围。此外，仅需要两个电容器来实现像素布置的这种功能。这允许像素布置具有低面积。

在实施例中，像素布置包括：光电检测器，其被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子；电耦合到光电检测器的传输晶体管；电耦合到传输晶体管的扩散节点；电耦合到扩散节点和像素电源电压的复位晶体管；至少包括第一电容器和第二电容器的采样和保持级，采样保持级的输入经由放大器电耦合到扩散节点，其中，所述传输晶体管被配置为脉冲到不同的电压电平，用于将所累积的电荷载流子的部分传输到扩散节点，至少所述第二电容器被配置为存储表示所累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中，所述第一电容器被配置为存储表示所累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。

在实施例中，低转换增益信号和高转换增益信号包括公共噪声水平。公共噪声水平可以具体地包括热噪声和复位噪声。因此，LCG信号可以用作HCG信号的参考电平。这意味着可以用相关双采样CDS访问HCG。由于HCG信号在低光条件下使用，因此热噪声是相关参数。在这种情况下，LCG信号可以仅包括噪声而没有任何视频信息。HCG信号可以等于LCG信号加上附加视频信号，其中附加视频信号可以表示没有噪声的纯视频信号。因此，HCG信号的噪声与LCG信号的噪声相关。CDS可以有效地抑制热噪声和复位噪声。执行CDS可以意味着从HCG信号中减去LCG信号。在高光条件下，进一步处理LCG。这里，热噪声不太相关，因为光子散粒噪声在高照度水平下占主导地位。这里，双增量采样DDS是足够的。可以基于相应的幅度水平来确定是使用LCG信号还是HCG信号进行进一步处理。

在实施例中，高转换增益信号指示用于根据像素特定拐点值来调整像素输出信号的校准电平。因此，可以根据基于校准电平确定的像素特定拐点值来基于LCG信号和HCG信号调整像素输出信号。知道势垒调制的电压水平和HCG信号，可以推导出关于势垒的信息。因此，HCG信号可以用作LCG信号的校准水平。这可能意味着校准水平等于HCG信号。

在实施例中，像素布置还包括双转换增益晶体管和双转换增益电容器。所述双转换增益晶体管将所述扩散节点连接到所述双转换增益电容器的端子节点，并且所述复位晶体管经由所述端子节点和所述双转换增益晶体管电耦合到所述扩散节点。双转换增益可以缩写为DCG。DCG电容器在下文中也可称为第三电容器。DCG晶体管在下文中可以被称为耦合晶体管。借助于DCG晶体管和DCG电容器，可以调节LCG信号和HCG信号的转换增益。

在实施例中，像素布置还包括至少两个开关晶体管，其中每个开关晶体管被分配给采样和保持级的相应电容器，并且将相应电容器的端子节点耦合到采样和保持级的输入。通过施加相应的开关信号，LCG信号和HCG信号可以被传输到相应的电容器并存储在其上。

在实施例中，采样和保持级的第一电容器和第二电容器并联布置。在该实施例中，可以借助于所分配的开关晶体管来独立地控制电容器。

在实施例中，采样和保持级的至少两个电容器级联布置。在该实施例中，第一开关晶体管将放大器的输出端子耦合到第一电容器的端子节点。第二开关晶体管将第一电容器的端子节点耦合到第二电容器的端子节点。与并联布置的情况相比，需要更少的电路部件。

在实施例中，采样和保持级恰好包括两个电容器。

在实施例中，采样和保持级还包括预定数量的附加电容器，每个附加电容器被配置为存储表示累积的电荷载流子的另一部分的附加信号。此外，每个附加信号可以指示用于调整像素输出信号的附加校准电平。

在实施例中，像素布置包括耦合到采样和保持级的输出的另一放大器，以及选择晶体管，选择晶体管将另一放大器电连接到列总线。

此外，提供了一种图像传感器，其包括如上述实施例之一中所述的像素布置。具体地，图像传感器可以包括像素布置的阵列。这意味着针对像素布置公开的所有特征也被公开用于图像传感器并且适用于图像传感器，反之亦然。

图像传感器可以方便地用于光电设备，诸如智能电话、平板计算机、膝上型计算机或相机模块。例如，相机模块被配置为在可见域中操作以用于摄影和/或视频捕获。此外，像素布置特别适合于在全局快门模式下操作，因为信号被存储在像素级存储器(即，第一电容器和第二电容器)中。全局快门模式特别适用于红外应用，其中图像传感器设备还包括与像素同步的光源。因此，包括这种图像传感器的光电器件也可以在红外(IR)域中工作，例如用于3D成像和/或识别目的。具有红外灵敏度的图像传感器可以用于需要视频馈送的黑暗环境中。这样的应用从移动电话面部解锁到驾驶员监控系统。两者都可以部署在短波红外(SWIR)频谱中的照明器，使得电话用户/驾驶员不会被照亮他/她的光致盲。

此外，提供了一种用于操作像素布置的方法。上述像素布置可以优选地用于操作本文所述的像素布置的方法。这可以意味着像素布置可以被配置为根据以下方法来操作。针对用于操作像素布置的方法还公开了针对像素布置和图像传感器公开的所有特征，反之亦然。

在该方法的实施例中，该方法包括，在曝光时间段期间，在第一积分时间段中利用由像素布置包括的光电检测器累积电荷载流子。该方法还包括，在曝光时间段期间，在第一积分时间段结束时，将传输晶体管脉冲到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点，其中所述部分被配置为被排出到电源电压。第一积分时间段是曝光时间段的一部分。这可以意味着曝光时间段被细分为若干积分时间段，例如第一积分时间段和第二积分时间段。第一电压电平可以是低于传输晶体管的阈值电压的电压电平。这可以意味着第一电压电平是部分电压电平。通过将第一电压电平施加到传输晶体管，光电检测器和扩散节点之间的势垒降低。因此，过量的电荷载流子可以克服降低的势垒以从光电检测器传输到扩散节点。这些过量的电荷载流子被称为累积电荷载流子的所述部分。所述部分被配置为被排出到所述电源电压。这可以意味着在所述部分被传送到扩散节点之后，扩散节点被重置。如上所述，通过将复位信号施加到连接在扩散节点和像素电源端子之间的复位晶体管，可以实现对扩散节点的复位。所述部分的排出可以在曝光时间段结束时或在曝光时间段之后进行，例如在存储时间段开始时或在专用排出时间段中进行。

在实施例中，该方法还包括：在曝光时间段期间，在第二积分时间段中利用光电检测器继续累积电荷载流子。第二积分时间段是曝光时间段的一部分。第二积分时间段晚于第一积分时间段。第二积分时间段可以紧接在第一积分时间段之后。曝光时间段可以包括第一积分时间段和第二积分时间段或由第一积分时间段和第二积分时间段组成。曝光时间段可以包括更多的积分时间段。在第二积分时间段之后在光电二极管处累积的电荷载流子可以包括在第一积分时间段和第二积分时间段期间累积的电荷载流子减去要排出的电荷载流子的部分。

在实施例中，该方法还包括：在存储时间段期间，将传输晶体管脉冲到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的第一部分传输到扩散节点，并且将表示累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号存储在耦合到扩散节点的至少第二电容器上。存储期可以紧接在曝光期之后。转移累积的电荷载流子的第一部分可以在重置扩散节点以耗尽累积的电荷载流子的该部分之后进行。累积的电荷载流子的第一部分不同于累积的电荷载流子的部分。然而，由于第一电压电平再次施加到传输门，因此势垒降低相同的量。因此，累积的电荷载流子的第一部分对应于在第二积分时间段期间累积的过量电荷载流子。累积的电荷载流子的第一部分不被耗尽而是被存储。在两个电容器级联布置的情况下，如上所述，表示累积的电荷载流子的第一部分的LCG信号可以分布在两个电容器上。在电容器并联布置的情况下，LCG信号可以存储在第二电容器上。存储LCG信号可以通过将开关信号施加到分配给电容器的相应开关(开关晶体管)来实现。

在实施例中，该方法还包括：在存储时间段期间，将传输晶体管脉冲到全电压电平，以将累积的电荷载流子的剩余部分传输到扩散节点，并将表示累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号存储在耦合到扩散节点的第一电容器上。将传输晶体管脉冲到全电压电平比将传输晶体管脉冲到第一电压电平更晚地进行。全电压电平可以是高于传输晶体管的阈值电压电平的电压电平。因此，通过施加全电压电平，传输晶体管处于导电状态。因此，通过施加全电压电平，光电检测器和扩散节点之间的势垒低于施加第一电压电平时的势垒。具体地，可以完全耗散势垒。因此，在光电检测器处累积的剩余电荷载流子被传输到扩散节点。

在实施例中，该方法还包括：在读出时间段期间，读出存储在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号。读出时间段可以紧接在存储时间段之后。如上所述，可以通过将选择信号施加到选择晶体管来进行相应信号的读出。选择信号将具有存储在其上的信号的电容器连接到像素的列总线。如上所述，电容器可以经由另一放大器电耦合到列总线。另外的放大器可以被实现为另外的源极跟随器。

所描述的方法包括传输晶体管的势垒调制。借助于势垒调制，可以增加像素布置的动态范围。具体地，通过在高光条件下排出一部分累积的电荷载流子来增加像素布置的动态范围。HCG信号包含在像素输出信号的线性化期间所需的拐点校准值。具体地，分别知道第一积分时间段和第二积分时间段的持续时间以及第一电压电平，可以重建线性化信号。每个像素的传输晶体管在制造过程中受到变化和波动的影响。因此，传输晶体管的阈值电压对于每个像素是不同的。这可以意味着当施加第一电压电平时，光电检测器和扩散节点之间的势垒对于每个像素是不同的。然而，知道确切的势垒电平与去除固定模式噪声FPN相关。根据第一电压电平和像素的HCG信号(其对应于在施加第一电压电平之后累积的电荷载流子的剩余部分)，可以导出关于输出信号对势垒的依赖性的信息。此外，由于在曝光时间段期间施加的第一电压电平也在存储时间段期间施加，因此第一积分时间段和第二积分时间段的比率以及HCG信号可以用于确定在第一积分时间段结束时排出到电源电压的电荷载流子的量有多大。给定该量和LCG信号，可以重建在高光条件下使用的像素输出信号。

此外，LCG信号可以用作HCG信号的参考电平，因为两个信号都基于共同的噪声电平，因为在存储LCG和HCG信号之间不重置扩散节点。因此，可以对在低光条件下使用的HCG信号执行CDS(在低光条件下，LCG信号仅包含噪声，但不包含视频信息)。

在实施例中，该方法包括：在曝光时间段期间，在第一积分时间段中利用由像素布置包括的光电检测器累积电荷载流子，在第一积分时间段结束时将传输晶体管脉冲到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点，其中所述部分被配置为排出到电源电压，在第二积分时间段中利用光电检测器继续累积电荷载流子。该方法还包括：在存储时间段期间，将传输晶体管脉冲到第一电压电平，用于将累积的电荷载流子的第一部分传输到扩散节点，将表示累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号存储在耦合到扩散节点的至少第二电容器上，将传输晶体管脉冲到全电压电平，用于将累积的电荷载流子的剩余部分传输到扩散节点，将表示所累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号存储在耦合到所述扩散节点的第一电容器上。该方法还包括：在读出时间段期间，读出存储在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号。

在实施例中，该方法还包括：在曝光时间段期间和第二积分时间段之后，将传输晶体管至少一个附加脉冲调制到相应的另一电压电平，其中，利用每个附加脉冲调制，累积的电荷载流子的附加部分被配置为排出到像素电源电压。每个附加脉冲之后是在相应的附加积分时间段中利用光电检测器累积电荷载流子的附加继续。在示例中，另一电压电平分别是第二电压电平或第三电压电平。在示例中，附加积分时间段分别是第三积分时间段或第四积分时间段。第三积分时间段可以在脉冲之后到达第二电压电平。第四积分时间段可以在脉冲之后到达第三电压电平，依此类推。换句话说，在曝光时间段期间，传输晶体管可以被脉冲到一些部分电压电平n次，并且电荷被排出到电源。可以在曝光时间段之后进行排出要供应的累积电荷载流子的部分。因此，动态范围可进一步扩展，因为可利用n个额外势垒电平。

在实施例中，在曝光时间段期间施加连续脉冲的电压电平从脉冲到脉冲相等或减小。在示例中，第一电压电平大于或等于第二电压电平。在示例中，第二电压电平大于或等于第三电压电平，以此类推。

在实施例中，在曝光时间段期间脉冲之后的积分时间段从积分时间段到积分时间段减小。这意味着所述积分时间段的时间间隔减小。在示例中，第一积分时间段长于第二积分时间段。在示例中，第二积分时间段长于第三积分时间段，第三积分时间段可以长于第四积分时间段，依此类推。以这种方式，累积的电荷载流子的量从积分时间段到积分时间段减少。因此，关于累积的电荷载流子的耗尽部分的信息不会丢失，但是可以基于电压电平和积分时间段的知识来重建。因此，可以重构线性化的像素输出信号。

在实施例中，高转换增益信号指示基于累积的电荷载流子的剩余部分的校准电平。HCG信号包含校准电平，因为在曝光时间段期间施加的第一电压电平也在存储时间段期间施加。

在实施例中，所述方法还包括：根据基于所述校准电平确定的像素特定拐点值，基于所述低转换增益信号和/或所述高转换增益信号来调整像素输出信号。给定第一电压电平和HCG信号，可以导出关于势垒的信息。因此，HCG信号可以用作LCG信号的校准水平。这可能意味着校准水平等于HCG信号。换句话说，关于累积电荷载流子的耗尽部分的信息不会丢失，但是可以基于第一电压电平和HCG信号以及积分时间段来重建。此外，在后处理中需要校准电平以去除由传输晶体管中的变化引起的FPN。校准电平还可以用作参考，以去除由积分期间发生的附加n-1个脉冲引起的FPN变化。

在实施例中，读取低转换增益信号包括双增量采样DDS。可以通过使用复位电平作为LCG信号的参考电平来执行DDS。可以在读出时间段期间的一个步骤中读出复位水平，例如在读出HCG和LCG信号之后。通过将复位信号施加到复位晶体管来执行对FD节点的复位。复位电平是指像素布置的非视频信号，即没有来自光电检测器的视频信号。通过重置FD节点，引入了与HCG和LCG信号的噪声不相关的附加噪声。然而，像素排列的复位电平包括关于固定图案噪声FPN的信息。

在实施例中，读取高转换增益信号包括相关双采样。如上所述，LCG信号可以用作HCG信号的参考电平以执行CDS，因为两个信号都基于共同的噪声电平。因此，可以从HCG信号中减去LCG信号。

在实施例中，扩散节点在转移累积的电荷载流子的第一部分和累积的电荷载流子的剩余部分之间不被复位，使得高转换增益信号和低转换增益信号基于公共噪声水平。

在实施例中，该方法还包括：在存储时间段期间，将传输晶体管脉冲到相应的另一电压电平，以将累积的电荷载流子的另一部分传输到扩散节点，并且将表示累积的电荷载流子的另一部分的另一信号存储在耦合到扩散节点的另一电容器上。这可以意味着S/H级可以包括与第一电容器和第二电容器级联或并联布置的另外的电容器。另一电压电平可以是在曝光时间段期间施加的相应电压电平。也就是说，另一电压电平可以是第二电压电平、第三电压电平等。在存储时间段期间，将传输晶体管脉冲到相应的另一电压电平可以先于将传输晶体管脉冲到第一电压电平。在存储时间段期间施加相应电压电平的顺序可以与在曝光时间段中施加相应脉冲的顺序相反。因此，累积的电荷载流子的对应的另外的部分给出关于在曝光时间段期间在对应的脉冲处排出到相应电压电平的电荷载流子的部分的信息，并且因此可以用作另外的校准电平。

在实施例中，另一信号指示基于累积的电荷载流子的另一部分的另一校准电平，并且根据基于另一校准电平确定的另一像素特定拐点值来进行调整像素输出信号。

在实施例中，该方法还包括：在读出时间段期间，读出存储在另一电容器上的另一信号，其中，读取另一信号包括相关双采样。这可以意味着另外的信号、LCG信号和HCG信号基于共同的噪声水平。

此外，提供了另一种用于操作像素布置的方法。上述像素布置也可以用于该操作方法。这意味着针对像素布置和图像传感器公开的所有特征也针对操作像素布置的以下方法公开，反之亦然。此外，上述方法的各方面也与以下方法相关。因此，上述方法的实施例也被公开用于并且适用于以下方法。

在实施例中，操作像素布置的方法包括在曝光时间段期间利用由像素布置包括的光电检测器累积电荷载流子。该方法还包括在累积期间执行以下步骤：将传输晶体管第一脉冲到第一电压电平，以将累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点，其中所述部分被配置为被排出到电源电压；将所述传输晶体管脉冲到第二电压电平，用于将所述累积的电荷载流子的另一部分传输到所述扩散节点，其中所述另一部分被配置为被排出到所述电源电压；第二脉冲传输晶体管到第一电压电平，用于将累积的电荷载流子的第一部分传输到扩散节点，并且将表示累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号存储在耦合到扩散节点的至少第二电容器上。在曝光时间段结束时，该方法还包括将传输晶体管脉冲到全电压电平，以将累积的电荷载流子的剩余部分传输到扩散节点。在所述脉冲到满电压电平之后，该方法还包括将表示累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号存储在耦合到扩散节点的第一电容器上。

在实施例中，该方法还包括：在读出时间段期间，读出存储在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号。

第二电压电平可以小于第一电压电平。第一电压电平可以小于全电压电平。全电压电平可以是例如2.8V。第一电压电平可以是例如0.8V。第二电压电平可以是例如0.4V。在电容器上存储高转换增益信号和低转换增益信号可以在存储时间段期间进行。因此，存储时间段可以与曝光时间段重叠。从第一脉冲到第一电压电平到第二脉冲到第一电压电平的时间段可以被称为第一积分时间段。从脉冲到第二电压电平到第二脉冲到第一电压电平的时间段可以被称为第二积分时间段。因此，第二积分时间段小于第一积分时间段并且与第一积分时间段重叠。如上所述，通过将复位信号施加到复位晶体管来实现使累积的电荷载流子的一部分和另一部分漏极。

有利地，操作像素排列的方法使用传输晶体管的势垒调制来增加像素排列的动态范围。有利地，仅需要存储电容器，即第一电容器和第二电容器，其中电容器中的一个存储表示累积的电荷载流子的第一部分的LCG信号，并且电容器中的另一个存储表示累积的电荷载流子的剩余部分的HCG信号。有利地，可以基于LCG信号和HCG信号来重建像素输出信号。HCG信号可以指示势垒调制的校准水平，特别是在高光条件下。LCG信号可以指示用于相关双采样的参考电平，特别是在低光条件下。

在实施例中，通过应用低转换增益来存储累积的电荷载流子的第一部分。这可以意味着以低转换增益对LCG信号进行采样/存储。这可以通过激活到耦合晶体管的耦合信号来实现。耦合晶体管可以被称为双转换增益晶体管。在实施例中，通过应用高转换增益来存储累积的电荷载流子的剩余部分。这可能意味着以高转换增益对HCG信号进行采样/存储。这可以通过停用耦合信号来实现。通过将耦合信号施加到双转换增益晶体管，扩散节点电连接到双转换增益电容器，其可以称为第三电容器。因此，扩散节点和双转换增益电容器可以被短路。通过使扩散节点和双转换增益电容器短路，总电容增加。保持电荷恒定，这导致电压信号减小。因此，可以压缩扩散节点上的电压。因此，通过增大电容，增益减小。这意味着，如果扩散节点和第三电容器短路，则像素布置具有减小的增益。换句话说，如果第三电容器与扩散节点电去耦，则像素布置具有增加的增益。因此，可以提供两个不同的转换增益。使用双增益允许像素布置的更动态范围。有利地，双增益可以与势垒调制组合，从而允许甚至更多的动态范围。有利地，仅需要两个存储电容器，即第一电容器和第二电容器。因此，在双转换增益模式中，两个增益都存储在像素级电容器上，并且可用于列级的重构。

第一电容器和第二电容器可以并联或级联布置。在曝光时间段之前，可以存在用于从光电二极管和扩散节点移除任何冗余电荷载流子的重置时间段。

在脉冲到第二电压电平之后，可以存在到另外的电压电平的另外的脉冲，如上所述。这可以意味着在实施例中，该方法还包括在脉冲到第二电压电平之后，将传输晶体管至少一个附加脉冲到相应的另一电压电平，其中利用每个附加脉冲，累积的电荷载流子的附加部分被配置为被排出到像素电源电压。

在实施例中，施加连续脉冲的电压电平在脉冲与脉冲之间相等或减小。在实施例中，高转换增益信号指示基于累积的电荷载流子的剩余部分的校准电平。在实施例中，所述方法还包括：根据基于所述校准电平确定的像素特定拐点值，基于所述低转换增益信号和/或所述高转换增益信号来调整像素输出信号。在实施例中，读取低转换增益信号是双增量采样读取。在实施例中，读取高转换增益信号是相关双采样读取。

根据上述像素布置和操作像素布置的方法的实施例，方法的其他实施例对于本领域技术人员而言变得显而易见，反之亦然。像素布置可以形成电压域全局快门像素。可替代地，像素布置形成滚动快门像素。所公开的方法在不影响像素的流水线模式(将相应信号流水线化到S/H电容器)的情况下实现HDR。通过使用多个势垒可以进一步扩展动态范围。通过仅利用两个S/H电容器，像素布置可以具有低面积。此外，可以通过利用双转换增益部件来改善低光性能。该方法利用自校准势垒调制，使得不需要额外的读取。这是可能的，因为HCG信号包含校准水平作为校准附加势垒的参考水平。本公开适用于其中读数之一用作拐点校准并且使用第一拐点作为参考水平来使用和校准附加拐点的任何系统。

此外，提供了一种用于操作成像设备的方法，该成像设备包括如上所述的像素布置。这意味着对于操作成像设备的方法也公开了针对像素布置和图像传感器公开的所有特征，反之亦然。

在实施例中，操作成像装置的方法包括：

在曝光时间段期间：

在第一积分时间段中，利用由所述成像设备包括的像素的光电检测器来累积电荷载流子，

在所述第一积分时间段结束时，将传输晶体管第一脉冲到第一电压电平，所述传输晶体管电耦合到所述光电检测器，

在第二积分时间段中利用所述光电检测器继续累积电荷载流子，

在所述第二积分时间段结束时，将所述传输晶体管第二脉冲到第二电压电平，

在第三积分时间段中利用所述光电检测器继续累积电荷载流子，以及

在存储期间：

复位电耦合到所述传输晶体管的扩散节点和电耦合到所述扩散节点的增益转换节点，

将所述传输晶体管第三脉冲到所述第一电压电平，用于将所累积的电荷载流子的第一部分传输到所述扩散节点和所述增益转换节点，

将表示所述累积电荷载流子的所述第一部分的低转换增益信号存储在电耦合到所述扩散节点的一对电容器上，

第四脉冲传输晶体管到阈值电压电平，用于将累积的电荷载流子的剩余部分传输到扩散节点，

将表示所述累积电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号存储在所述一对电容器中的第一电容器上，以及

在读出时间段期间：

读出存储在所述一对电容器上的所述低转换增益信号和所述高转换增益信号。

在实施例中，该方法还包括：

在曝光期间：

在所述第三积分时间段之后，将所述传输晶体管至少一次另外脉冲到相应的另外电压电平，其中

每个另外的脉冲之后是在相应的另外的积分时间段中利用光电检测器进一步继续累积电荷载流子。

在实施例中，随着在曝光时间段期间的每次脉冲，累积的电荷载流子的一部分被排出到像素电源电压。

在实施例中，第一电压电平大于第二电压电平。

在实施例中，读出低转换增益信号包括双增量采样，并且其中读出高转换增益信号包括相关双采样。

在实施例中，高转换增益信号指示基于累积的电荷载流子的剩余部分的校准电平。

在实施例中，该方法还包括：根据基于校准电平确定的像素特定拐点值，基于读出的低转换增益信号和高转换增益信号来调整像素输出信号。

此外，提供了一种成像装置，该成像装置包括如上所述的像素布置。这意味着针对像素布置和图像传感器公开的所有特征也针对成像设备公开，反之亦然。

在实施例中，成像装置包括多个像素，每个像素包括：

光电检测器，所述光电检测器被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子，

传输晶体管，其电耦合到所述光电检测器，

扩散节点，所述扩散节点电耦合到所述传输晶体管，

增益转换节点，其经由增益开关电耦合到所述扩散节点，

复位开关，所述复位开关经由所述增益开关电耦合到所述扩散节点，

采样和保持级，所述采样和保持级包括一对电容器，所述采样和保持级的输入经由放大器电耦合到所述扩散节点，其中

所述传输晶体管被配置为脉冲到不同的电压电平，

所述一对电容器被配置为存储表示所累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中

该对电容器中的第一电容器还被配置为存储表示累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。

在实施例中，成像器件还包括电耦合到增益转换节点的双增益电容器。

在实施例中，该对电容器包括第一电容器和第二电容器，其中第一电容器的第一端经由第一开关电耦合到放大器，第二电容器的第一端经由第二开关电耦合到第一电容器的第一端并形成采样和保持级的输出，并且两个电容器的第二端电连接到恒定电压节点。

在实施例中，成像设备还包括选择开关，该选择开关经由另一放大器将采样和保持级的输出电连接到列总线。

附图说明

附图的以下描述可以进一步说明和解释像素布置和操作像素布置的方法的各方面。功能上相同或具有相同效果的像素布置的部件和部分由相同的附图标记表示。相同或有效相同的部件和部分可以仅关于它们首先出现的附图来描述。它们的描述不一定在连续的附图中重复。

图1示出了像素布置的示例性实施例。

图2示出了图像传感器的示例性实施例。

图3示出了由像素布置执行的示例性操作。

图4示出了用于像素布置的示例性信号定时。

图5示出了在势垒调制期间光电二极管处的电荷。

图6示出了像素布置的示例性特性。

图7示出了线性重构信号。

图8示出了像素布置的另一示例性实施例。

图9示出了像素布置的另一示例性实施例。

图10示出了用于像素布置的另一示例性信号定时。

具体实施方式

在图1中，示出了由图像传感器200包括的像素布置10的示例性实施例。所示的像素布置10可以被操作以实现高动态范围(HDR)。像素布置10被配置为将电磁辐射转换为高转换增益(HCG)信号和低转换增益(LCG)信号。

像素布置10包括光电二极管20，光电二极管20被配置为将电磁辐射转换为电荷载流子。光电二极管20也可以被称为光电检测器20。光电二极管20包括阳极端子和阴极端子。光电二极管20的阳极端子连接到负像素电源电压VSS，该负像素电源电压VSS也可以是接地(GND)。光电二极管20可以转换任何波长的光，例如可见光、红外光和/或紫外光。

像素还包括光电二极管20和扩散节点42之间的传输晶体管30。传输晶体管30用作开关。传输晶体管30被配置为脉冲到不同的电压电平，用于将部分累积的电荷载流子传输到扩散节点42。传输晶体管30的第一端子电连接到光电二极管20的阴极端子。传输晶体管30的第二端子电连接到扩散节点42。扩散节点42在下文中可以被命名为浮动扩散(FD)节点。FD节点42可以具有或可以连接到电容40(如图8所示)。电容可以被实现为电容器(未示出)并且可以被称为FD电容。或者，电容可以由寄生电容形成。传输晶体管30被配置为接收用于将电荷载流子从光电二极管20传输到FD节点42的传输信号TX。FD节点42，特别是FD电容，被配置为缓冲或临时存储来自光电二极管20的电荷载流子。FD电容可以被配置为将电荷载流子转换为电压信号。

像素布置10还包括电耦合到FD节点42的复位晶体管50，用于复位FD节点42。复位晶体管50用作开关。复位晶体管50的第一端子电连接到像素电源电压VDD。复位晶体管50的第二端子经由耦合晶体管140电连接到FD节点。耦合晶体管140可以被称为双转换增益(DCG)晶体管140。复位晶体管30被配置为接收复位信号RST，用于通过施加像素电源电压VDD来复位FD节点42，并因此耗尽任何冗余的电荷载流子。

像素布置10还包括放大器60，放大器60电连接到FD节点42。放大器60被配置为根据FD节点42处的电容电压分别生成低转换增益(LCG)信号和高转换增益(HCG)信号。如图1所示，放大器60可以形成共漏极放大器，也称为源极跟随器。源极跟随器的栅极端子62连接到FD节点42并且用作放大器60的输入端子62。公共端子连接到电源电压VDD。在放大器60的输出端子64处生成相应的放大信号。

像素布置10还包括第一电容器70和第二电容器80。第一电容器70包括端子节点72和另一端子节点74。另一端子节点74可以连接到参考电位VSS1，如图1所示。此外，第二电容器80包括端子节点82和另一端子节点84。另一端子节点84可以连接到参考电位VSS1，如图1所示。至少第二电容器80被配置为存储表示累积的电荷载流子的第一部分的LCG信号。第一电容器70被配置为存储表示累积的电荷载流子的剩余部分的HCG信号。

像素布置10还包括在放大器60的输出端子64和第一电容器70之间的第一开关90。第一开关90被提供用于将LCG信号和HCG信号传送到电容器70、80中的一个或两个。第一开关90可以由第一开关晶体管90形成。第一开关晶体管包括被配置为接收第一开关信号S1的栅极端子。第一开关晶体管90的第一端子连接到放大器60的输出端子64。第一开关晶体管90的第二端子连接到第一电容器70的端子节点72。

像素布置10还包括布置在放大器60的输出端子64和第二电容器80之间的第二开关100。第二开关100被提供用于将LCG信号或HCG信号传送到第二电容器80。第二开关100可以由第二开关晶体管100形成。第二开关晶体管100可以包括被配置为接收第二开关信号S2的栅极端子。第二开关晶体管100的第一端子连接到第一开关晶体管90的第二端子和第一电容器70的端子节点72。第二开关晶体管100的第二端子连接到第二电容器80的端子节点82。

根据图1的像素布置10还包括电耦合到放大器60的输出端子64的预充电晶体管160。预充电晶体管160可以被提供用于对第一电容器70和第二电容器80预充电，这可以具体地意味着电容器70、80在新信号被存储之前被放电。预充电晶体管160包括连接到放大器60的输出端子64的第一端子和连接到参考电位VSS1的第二端子。通过将预充电信号PC施加到预充电晶体管160，第一电容器70和第二电容器80放电，并且为放大器60输送偏置电流。

在未示出的替代实施例中，预充电晶体管160的第二端子连接到可以与参考电压VSS1不同的另一参考电位VSS_PC。

根据图1的像素布置10还包括另一放大器110，该另一放大器110包括电连接到第二电容器80的输入端子112，并且该另一放大器110被配置为在另一放大器110的输出端子114处生成像素输出信号。与放大器60一样，另一放大器110可以实现为源极跟随器，其中栅极112用作输入端子112，并且公共端子连接到像素电源电压VDD。

像素布置10还包括在另一放大器110的输出端114和列总线130之间的选择晶体管120，用于将像素输出信号传送到列总线130。选择晶体管120包括连接到另一放大器110的输出端子114的第一端子和连接到列总线130的第二端子。通过将选择信号SEL施加到选择晶体管120，像素输出信号被转发到列总线130。

像素布置10还包括FD节点42和复位晶体管50之间的耦合晶体管140。此外，像素布置10包括第三电容器150。第三电容器150包括端子节点152和另一端子节点154。第三电容器150的另一端子节点154连接到第二另一参考电位Vref，其也可以是VSS。耦合晶体管140包括连接到FD节点42的第一端子和连接到第三电容器150的端子节点152的第二端子。通过将耦合信号DCG施加到耦合晶体管140，FD节点42与第三电容器150的端子节点152短路。因此，总电容增加并且转换增益减小。耦合晶体管140可以被称为双转换增益晶体管140，并且第三电容器150可以被称为双转换增益电容器150。耦合信号DCG可以被称为双转换增益信号DCG。

FD节点42的电容包括例如放大器60的输入端子62的电容、传输晶体管30的端子的pn结的电容以及耦合晶体管140的第一端子的pn结的电容。因此，连接到FD节点42的晶体管的寄生电容可以导致FD节点42的电容。FD节点42的电容的值可以是连接到FD节点42的晶体管的寄生电容的值的总和。可选地，像素布置10包括例如连接到FD节点42的电容器(未示出)；该电容器可以有助于电容。

例如，第一电容器70的电容和第二电容器80的电容相等。第一电容器70的电容例如高于FD节点42的电容值。第二电容器80的电容例如高于FD节点42的电容值。第三电容器150的电容例如高于FD节点42的电容值。第一电容器70和第二电容器80被实现为例如金属-绝缘体-金属电容器或金属-绝缘体-半导体电容器。第三电容器150被实现为例如金属-绝缘体-金属电容器或金属-绝缘体-半导体电容器。

第一电容器70和第二电容器80以及第一开关晶体管90和第二开关晶体管100形成经由放大器60电耦合到扩散节点42的采样保持级。放大器60和/或另一放大器110和/或预充电晶体管160可以是采样保持级的一部分。

图2示出了具有像素布置10的图像传感器200的示例性实施例。图像传感器

200包括像素布置10的阵列。此外，图像传感器200还包括向像素布置10的阵列提供传输信号TX、耦合信号DCG、复位信号RST、预充电信号PC、第一开关信号S1、第二开关信号S2和选择信号SEL的行驱动器204。行驱动器204为每个行提供这些信号。图像传感器200包括用于数字化列总线130处的信号的评估电路205。

在下文中，解释了像素布置10的操作。图3示出了由图1所示的像素布置10执行的示例性操作。在图3中，操作以框示出。用于操作像素布置10的方法包括例如以下块，其可以被称为过程或步骤：

框350：曝光开始：光电二极管20将电磁辐射转换成电荷载流子。这意味着电荷载流子累积在光电二极管20中。该阶段可以被称为曝光时间段EP。曝光时间段EP可以被细分为若干个随后的积分时间段T1、T2、T3等。积分时间段的数量可以是至少两个。

框351：基于系统输入修改传输势垒：提供给传输晶体管30的传输信号TX控制光电二极管20和FD节点42之间的势垒。传输晶体管被脉冲到传输信号TX的第一电压电平V1。选择传输信号TX的第一电压电平V1，使得光电二极管20和FD节点42之间的电荷载流子流的势垒降低。这意味着一部分累积的电荷载流子被传输到FD节点42。之后，电荷载流子继续累积。传输晶体管可以被脉冲到传输信号TX的第二电压电平V2。传输信号TX的第二电压电平V2可以被选择为使得第一电压电平V1大于第二电压电平V2。借助于第二脉冲，累积的电荷载流子的另一部分被传输到FD节点42。在总曝光期间可以施加任何数量的脉冲。例如，施加到第三电压电平V3的第三脉冲。在示例中，第一电压电平V1等于或大于第二电压电平V2。通常，后续脉冲的相应电压电平可以等于或小于前一脉冲的电压电平。这可能意味着V1≥V2≥V3等。

累积的电荷载流子的所述部分将被排出到像素电源电压可以通过同时施加复位信号RST和耦合信号DCG来传导将所述部分排出到像素电源电压VDD，使得FD节点42电连接到像素电源电压VDD。所述部分的排出可以在曝光时间段EP期间或在曝光时间段EP结束时或在曝光时间段EP之后进行，例如在存储时间段FS开始时或在专用排出时间段D中(参见图4)。

换句话说，在总曝光时间期间，传输晶体管30可以被脉冲到某个部分电平n次，并且电荷通过DCG晶体管140和复位晶体管50排出以提供VDD。因此，可以在曝光期间使用多个势垒，并且可以校准多个势垒以使用第一势垒水平作为参考点，进一步扩展动态范围。

在示例中，在第一积分时间段T1之后，传输晶体管30被脉冲到第一(部分)电压电平V1，并且光电二极管电荷的一部分被排出以供应VDD。在一段时间之后，传输晶体管30可以再次被脉冲到第二电压电平V2。第一脉冲到第一电压电平V1与第二脉冲到第二电压电平V2之间的时间可以被称为第二积分时间段T2。在第二脉冲到第二电压电平V2之后的时间可以被称为第三积分时间段T3。第一电压电平V1可以大于第二电压电平V2，即，V1>V2。

框352：将由光电二极管20累积的电荷载流子的第一部分传输到FD节点42和第三电容器150。传输信号TX的脉冲被提供给传输晶体管30，其对应于第一电压电平V1。这意味着第一电压电平V1被施加到传输晶体管30。耦合信号DCG的脉冲被施加到耦合晶体管140。与在最后一个积分时间段中累积的电荷载流子相对应的电荷载流子的第一部分经由传输晶体管30和耦合晶体管140从光电二极管20传输到FD节点42的电容40和第三电容器150。因此，电荷载流子在放大器60的输入62处生成电容电压VC。由于FD节点和第三电容器的总电容大，因此在放大器60的输入端子62处施加的信号的增益减小(低增益)。

框353：在存储时间段FS的第一阶段FS1中，将电荷载流子的第一部分存储在第一电容器70和第二电容器80上：第一开关晶体管90和第二开关晶体管100被设置为导通状态，用于将电荷载流子的第一部分从FD节点42传输到第二电容器80。这可以意味着放大的电容电压被施加到第一电容器70和第二电容器80。第二开关信号S2可以具有用于均衡第一电容器70和第二电容器80处的电压的短脉冲。这可以意味着信号在第一电容器70和第二电容器80上重新分布。所述放大的电容电压对应于低转换增益(LCG)信号。

框354：在读出时间段RO的第一阶段RO1中，第二电容器80的读出：在第二电容器80处分接的输出电压VO由另一放大器110放大。在选择晶体管120在读出时间段RO的第一读出阶段RO1中被设置为导通状态的情况下，放大的输出电压被提供给列线130以用于数字化。作为输出电压VO的第一值的函数，例如通过评估电路(图2所示)生成第一数字化值。输出电压VO的所述第一值对应于LCG信号。

框355：将剩余的电荷载流子传输到FD节点42：将转移信号TX的第二脉冲施加到传输晶体管30，用于将剩余的电荷载流子从光电二极管20传输到FD节点42。第二脉冲可以对应于传输晶体管30的全电压电平Vf，使得光电二极管20和FD节点42之间的势垒被最小化或去除。

传输信号的第一电压电平V1导致比全电压电平Vf更高的势垒。在示例中，V1<Vf。耦合晶体管140保持在非导通状态，使得FD节点42的单个电容导致在放大器60的输入端子62处施加的信号的高增益。

框356：在存储时间段FS的第二阶段FS2中，将由光电二极管20累积的剩余电荷载流子存储在第一电容器70上。这可以意味着在FD节点42处分接的电容电压VC由放大器60放大。通过向第一开关晶体管90提供第一开关信号S1的脉冲，将放大的电容电压提供给第一电容器70。所述放大的电容电压对应于高转换增益(HCG)信号。

框357：在读出时间段RO的第二阶段RO2中，第一电容器70的读出：在第一读出阶段RO1中在框354中读出第二电容器80处的输出电压VO之后，将第二开关晶体管100设置为导通状态。因此，第一电容器70和第二电容器80处的电压均衡。由于电容电压VC仍然被放大器60放大，所以第二电容器80处的输出电压VO等于放大的电容电压。输出电压VO由另一放大器110放大。当选择晶体管120在读出阶段RO的第二读出阶段RO2中被设置为导通状态时，放大的输出电压被提供给列线130以用于数字化。由评估电路根据输出电压VO的第二值生成第二数字化值。输出电压VO的所述第二值对应于HCG信号。

通常，框352、353、355、356的步骤在帧存储时间段FS中执行。在读出时间段RO中执行块354、357的步骤。

框358：从第一电容器70的电压或第一电容器70的电压的数字化值中减去第二电容器80的电压或第二电容器80的电压的数字化值：表示光电二极管20的照明IL的输出信号是第一数字化值(由框353产生)和第二数字化值(由框357产生)的函数。在示例中，由评估电路从第二数字化值(由框357产生)中减去第一数字化值(由框353产生)。通过该操作，可以用相关双采样(CDS)访问HCG信号，因为第一(数字化)值和第二(数字化)值基于共同的噪声水平。

框359：增加LCG信号。这可以意味着LCG信号被调整。具体地，可以放大LCG信号。调整或放大LCG信号可以由评估电路205执行。借助于第三电容器150(双转换增益电容器150)以较低增益对LCG信号进行采样，以增加动态范围。为了校正该增益调整，在框359中增加LCG信号。此外，可以利用双增量采样(DDS)来访问LCG信号。LCG信号用于高照度的情况，其中热噪声不太相关，因为光子散粒噪声占主导地位。因此，不需要从视频信号中去除噪声的相关双采样。然而，可能希望从视频信号中去除固定模式噪声(FPN)。通过执行双增量采样(DDS)，可以从LCG信号中去除FPN。可以通过从LCG信号中减去重置电平来执行DDS，其中，可以在第二读出阶段RO2之后的读出时间段RO的第三阶段RO3中读出重置电平。

框360：每像素拐点校准：HCG信号包含后处理中所需的第一校准电平，以去除由影响传输晶体管30的阈值电压的传输晶体管30的变化引起的FPN。由于在帧存储期间也施加了在曝光时间段期间已经施加用于势垒调制的相同的第一电压电平V1，因此HCG信号包括在线性化期间和FPN校正期间所需的拐点校准值。在积分期间传输晶体管30的另外的脉冲(例如，到第二电压电平V2)的拐点校正可以被映射并且利用第一电压电平V1的精确校准值作为参考点。校准值还将用作参考，以去除由积分期间发生的附加脉冲引起的FPN变化。由于在总曝光期间可以施加任何数量的脉冲，所以第一电压电平V1的精确校准值也可以用作校正这种另外的脉冲的参考。例如，在第三脉冲到第三电压电平V3的情况下，可以通过使用V1精确电平作为参考来校正V3脉冲。对每个像素分别执行拐点校准。此外，像素布置10是自校准的，因为势垒信息包含在HCG信号中。因此，不需要额外的读取。框360是可选的。

框361：线性化。可以重建线性化的像素输出信号，即线性地取决于照度水平的像素输出信号。下面解释这种重建。积分时间段的持续时间可用于重构像素输出信号。用于传输晶体管30的势垒调制的脉冲的电压电平V1、V2等可以可选地用于重建像素输出信号。

图4示出了由例如在图1中示出的像素布置10执行的示例性时序图。以下信号被示出为时间的函数：传输信号TX、耦合信号DCG、复位信号RST、第一开关信号S1和第二开关信号S2。应当注意，所示的信号定时更多是示例并且可以变化。此外，时间间隔的缩放不应被视为精确指示。

图4示出了复位时间段R、曝光时间段EP、排出时间段D和(帧)存储时间段FS。未示出读出时间段RO。读出时间段RO将在存储时间段FS之后。存储时间段FS在曝光时间段EP之后。曝光时间段EP在重置时间段R之后。曝光时间段EP包括第一积分时间段T1、第二积分时间段T2和第三积分时间段T3。第三积分时间段在第二积分时间段T2之后，第二积分时间段T2在第一积分时间段T1之后。存储时间段FS包括第一和第二存储阶段FS1、FS2。第二存储阶段FS2在第一存储阶段FS1之后。存储时间段FS可以是像素阵列内的每个像素的全局存储时间段。可以分别对每一行执行读出时间段RO。因此，在第二存储阶段FS2和读出时间段RO之间可能存在时间间隙。

在复位时间段R期间，施加复位信号RST、耦合信号DCG和传输信号TX。这可以意味着复位晶体管50、耦合晶体管140(双转换增益晶体管140)和传输晶体管30被脉冲，导致通过将光电二极管20和FD节点42连接到像素电源电压VDD来排出任何冗余电荷载流子。传输晶体管30可以被脉冲到全电压电平Vf。

在第一积分时间段T1期间，光电二极管20累积电荷载流子。累积的电荷载流子的量取决于第一积分时间段T1的持续时间。在第一积分时间段T1结束时，传输门30被脉冲到第一电压电平V1。这导致累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点42。所述部分被配置为在稍后阶段中被排出到像素电源电压VDD。

在传输门30的所述脉冲之后，光电二极管20在第二积分时间段T2中继续累积电荷载流子。第二积分时间段T2可以短于第一积分时间段T1。在第二积分时间段T2中累积的电荷载流子的量取决于第二积分时间段T2的持续时间。

在第二积分时间段T2结束时，传输门30被脉冲到第二电压电平V2，该第二电压电平V2可以小于第一电压电平。这导致累积的电荷载流子的另一部分传输到扩散节点42。所述另一部分还被配置为在稍后阶段中被排出到像素电源电压VDD。

在传输门30的所述脉冲之后，光电二极管20在第三积分时间段T3中继续累积电荷载流子。第三积分时间段T3可以短于第二积分时间段T2。在第三积分时间段T3中累积的电荷载流子的量取决于第三积分时间段T3的持续时间。

在随后的耗尽时间段中，在第三积分时间段T3结束时施加复位脉冲RST和耦合脉冲DCG。这从扩散节点42移除任何冗余的电荷载流子，特别是在曝光时间段期间借助于TX脉冲(V1、V2等)转移的累积电荷载流子的部分。因此，所述部分被排出到像素电源电压VDD。

在存储时间段FS的随后的第一存储阶段FS1中，传输门30再次被脉冲到第一电压电平V1。这导致累积的电荷载流子的第一部分传输到FD节点42。所述第一部分可以对应于在最后的积分时间段(例如，第三积分时间段T3)期间累积的电荷载流子。同时，耦合信号DCG变高以通过使FD节点42与第三电容器150短路来减小增益。然后，施加第一开关信号S1和第二开关信号S2以将表示累积电荷载流子的第一部分的LCG信号存储在经由源极跟随器60电耦合到FD节点42的一对电容器70、80上。LCG信号可以在第一电容器70和第二电容器80上重新分配。

第二存储阶段FS2之后是将传输晶体管30脉冲到全电压电平Vf，用于将累积的电荷载流子的剩余部分传输到FD节点42。所有剩余的电荷载流子被传输。耦合信号DCG保持低，使得实现高转换增益。然后，第一开关信号S1被施加到第一开关90，用于存储表示第一电容器70上的累积电荷载流子的剩余部分的HCG信号。

图5进一步图示了势垒调制，并且关于曝光时间段EP补充了图4的时序图。在图5中，随时间示出了在光电二极管20处在曝光时间段EP期间累积的电荷Qout。在第一积分时间段T1中，电荷累积在光电二极管20处。反过来，充电信号Qout增加。累积的电荷可以达到饱和电平Qsat，如图5所示。在第一积分时间段T1结束时，通过脉冲将势垒调制到第一电压电平V1。这导致光电二极管20处的充电信号Qout下降。充电信号Qout下降到对应于第一电压电平V1的第一势垒电平Qbarr1。在第二积分时间段T2中，由于光电二极管20处的光转换，电荷信号Qout从第一势垒电平Qbarr1继续增加。在第二积分时间段T2结束时，施加到第二电压电平V2的脉冲，这导致充电信号Qout的进一步下降。如果第二电压电平V2小于第一电压电平V1，则充电信号Qout下降到高于第一势垒电平Qbarr1的第二势垒电平Qbarr2。在第三积分时间段T3中，由于光电二极管20处的光转换，电荷信号Qout从第二势垒电平Qbarr2继续增加。如上所述，对应于图5中所示的信号下降的电荷被排出以供应。因此，光电二极管20处的电荷信号Qout受到撇除操作/势垒调制两者的影响。

图6示出了根据图3和图4的方法操作的像素布置10的示例性特性。以人工单位的响应信号SIG被示出为以人工单位的照度IL的函数。响应信号SIG可以是采样和保持电容器(第一电容器70和第二电容器80)上的电荷等效信号。信号SIG1(窄实线)是由第一积分时间段T1产生的信号。它对于更高的曝光水平饱和，因为将传输门30脉冲到第一电压电平V1导致将过量的电荷载流子排出到像素电源电压VDD。

信号SIG2(虚线)是从第二积分时间段T2产生的信号。信号SIG2的斜率不如信号SIG1的斜率陡，因为积分时间段T2可以比积分时间段T1短。可替代地或另外地，信号SIG2的斜率不如信号SIG1的斜率陡峭，因为两个信号都是在不同的转换增益下获得的。例如，在高转换增益下获得信号SIG1(直到拐点)。例如，以低转换增益获得信号SIG2。因此，斜率取决于例如FD节点42的电容值和第三电容器150的电容值。斜率差取决于增益比。对于更高的照度水平，信号SIG2可以饱和，因为将传输门30脉冲到第一电压电平V2导致将过量的电荷载流子排出到像素电源电压VDD。

信号SIG3(虚线)是从第三积分期间T3产生的信号。信号SIG3的斜率不如信号SIG2的斜率陡，因为积分时间段T3可以比积分时间段T2短。可替代地或另外地，信号SIG3的斜率不如信号SIG2的斜率陡峭，因为两个信号都是在不同的转换增益下获得的。例如，在高转换增益下获得信号SIG2(直到其拐点)。例如，以低转换增益获得信号SIG3。因此，斜率取决于例如FD节点42的电容值和第三电容器150的电容值。斜率差取决于增益比。

输出信号SIG4(宽实线)是通过信号SIG1、信号SIG2及信号SIG3的组合而得到的信号。此外，输出信号SIG3可以是信号SIG1、信号SIG2、信号SIG3和复位信号(未示出)的函数。通过组合信号SIG1、SIG2和SIG3，可以增加像素排列10的动态范围。信号SIG1的精确饱和电平可以从HCG信号确定，因为HCG信号对应于脉冲到第一电压电平V1之后的剩余电荷载流子。这可能意味着信号SIG1对应于HCG信号。信号SIG3可以对应于LCG信号。此外，基于积分时间段T1-T3的持续时间和电压电平V1-V2的知识，也可以从HCG信号确定信号SIG2的精确饱和电平。换句话说，V2的拐点校正将被映射并利用V1精确校准值作为参考点。

图7示出了依赖于光强度IL的重建线性信号Qlin。线性化信号Qlin和光强度/照度以人工单位示出。应注意，图7中所示的强度范围对应于图6中所示的强度范围。线性化信号Qlin是重构后的有效信号。线性化信号Qlin可以基于图6所示的信号SIG1、SIG2和SIG3。这可以意味着使用在曝光时间段EP期间获得的信号SIG1至SIG3来重建线性化信号Qlin。如图所示，线性化信号Qlin可以针对非常高的照度水平饱和。然而，由于势垒调制，动态范围增加。

在图8中，示出了像素布置10的另一实施例。根据图8的实施例与根据图1的实施例的不同之处在于，电容器70、80不是级联布置的，而是并联布置的。这意味着耦合到第二电容器80的第二开关100直接连接到放大器60的输出端子64，而不是如图1中那样经由第一开关90。应注意，预充电门160还可实施为被配置为提供固定电流的恒定电流源。此外，根据图8的实施例还包括耦合到第二电容器80的另一第二放大器110'和另一选择门120'，而另一放大器110和选择门120耦合到第一电容器70。然而，应当注意，所示的实施例仅通过示例的方式示出了电容器70、80的并联布置。其他布置是可能的。例如，并联布置的电容器70、80可以通过附加开关共享公共的另一放大器110。本领域技术人员将理解如何实现如图4所示的类似信号定时。然而，信号定时可能在帧存储和读出期间稍微改变，因为第一开关和第二开关可以独立地操作。

像素布置10可以包括以类似方式布置的另外的电容器，如图8中的省略号所示。以这种方式，至少一个另外的信号可以存储在另外的电容器上。另外的信号可以对应于图6中所示的信号。例如，另一信号可以对应于信号SIG2。信号SIG2指示可以对应于其饱和电平的另一校准电平。因此，可以基于另一校准电平来确定像素输出信号。在这种情况下，用于操作像素布置10的方法可以包括更多存储阶段，例如第三存储阶段FS3，其中另一信号存储在另一电容器上。另一存储阶段可以在第一存储阶段FS1之前。可以通过传输晶体管30的脉冲将另一存储阶段引入到相应的电压电平，例如第二电压电平V2。通常，像素布置10可以包括n个采样和保持(S/H)电容器，允许n个更多的自校准点，其中除了第一次读取之外的所有读取都是CDS读取(第一次读取是DDS)。因此，可以扩展动态范围，并且可以直接访问拐点校准和线性化所需的与多个势垒相对应的校准水平。

在图9中，示出了像素布置10的另一实施例。根据图9的实施例与根据图1的实施例的不同之处在于，它包括与第一电容器70和第二电容器80级联布置的另一电容器75。另一开关晶体管95被分配给另一电容器75。也就是说，另一开关晶体管95将第一电容器70的端子节点连接到另一电容器75的端子节点。第二开关晶体管100将另一电容器75的端子节点连接到第二电容器80的端子节点。像素布置10可以包括以与省略号所示类似的方式布置的第二另外的电容器。如在图8的实施例中，至少一个另外的信号可以存储在(另外的)电容器70、75、80上，使得可以存储更多的自校准点以确定像素输出信号。为此，用于操作像素布置10的方法可以包括更多存储阶段，例如第三存储阶段FS3，其中另一信号被存储在另一电容器75上或分别在S/H电容器70、75、80中的至少一些上重新分配。以这种方式，可以直接访问对应于多个势垒的校准水平。

图10示出了根据由图1所示的像素布置10执行的操作方法的另一实施例的时序图。如图4所示，以下信号被示出为时间的函数：传输信号TX、耦合信号DCG、复位信号RST、第一开关信号S1和第二开关信号S2。应当注意，所示的信号定时更多是示例并且可以变化。此外，时间间隔的缩放不应被视为精确指示。

该定时包括曝光时间段EP，在该曝光时间段EP期间，利用由像素布置10包括的光电检测器20来累积电荷载流子。在曝光时间段EP之前，将到全电压电平Vf的TX脉冲施加到传输晶体管30。由于复位信号RST和耦合信号DCG同时为高，这导致光电二极管20和扩散节点42的复位，其中任何冗余电荷载流子被去除，使得像素布置10准备好捕获新帧。耦合信号DCG和重置信号RST可以在曝光时间段EP内的预定时间段内保持为高，如图10所示。

在电荷载流子的累积期间，即在曝光时间段EP期间，执行以下步骤：

传输晶体管被脉冲到第一电压电平V1，以将累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点42。所述部分被配置为被排出到电源电压，这通过耦合信号DCG和复位信号RST都为高的事实来实现。因此，浮动扩散节点42电连接到像素电源电压VDD。

然后，传输晶体管30被脉冲到第二电压电平V2，用于将累积的电荷载流子的另一部分传输到扩散节点42。第二电压电平V2低于第一电压电平V1，导致光电二极管20和扩散节点42之间的更高势垒。所述另一部分被配置为被排出到电源电压VDD，这通过耦合信号DCG和复位信号RST两者仍然为高的事实来实现。之后，复位信号RST下降，使得扩散节点42S1不再连接到像素电源电压VDD。

然后，传输晶体管30被脉冲到第一电压电平V1，用于将累积的电荷载流子的第一部分传输到扩散节点42。第一部分的表示被配置为被存储为低转换增益信号LCG信号。LCG信号以低转换增益存储，这通过DCG信号仍然为高的事实来实现，使得扩散节点42电连接到耦合电容器150，导致电容增加。

表示累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号存储在经由放大器60和开关晶体管90、100耦合到扩散节点42的第二电容器80上。这通过开关信号S1和S2都变高来实现。低转换增益信号可以在第一电容器70和第二电容器80上重新分配。之后，耦合信号DCG变低以增加转换增益，因为扩散节点42不再连接到耦合电容器150。

在曝光时间段结束时，传输晶体管30被脉冲到全电压电平Vf，用于将累积的电荷载流子的剩余部分传输到扩散节点42。剩余部分的表示被配置为被存储为高转换增益信号(HCG信号)。HCG信号以高转换增益存储，这通过DCG信号低的事实来实现。

在所述脉冲到全电压电平Vf之后，表示累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号被存储在经由放大器60和第一开关晶体管90耦合到扩散节点42的第一电容器70上。这通过第一开关信号S1变高来实现。可替代地，第一开关信号S1可以在存储LCG信号之后保持为高，如虚线所示。在读出时间段(未示出)期间，存储在电容器上的低转换增益信号和高转换增益信号被读取并经由列总线130转发到评估电路。

在所示的示例中，从第一脉冲到第一电压电平V1到第二脉冲到第一电压电平的时间段由T1表示。从脉冲到第二电压电平V2到第二脉冲到第一电压电平的时间段由T2表示。LCG信号提供关于时间段T1和时间段T2期间的曝光的信息。

HCG信号提供关于曝光时间段(低光)或第一势垒(高光)期间的总曝光的信息。重建线性化信号取决于光条件：

在下文中，对应于复位电平减去LCG信号的信号被称为DDS信号。对应于LCG信号减去HCG信号的信号被称为CDS信号。

在势垒脉冲TX都不影响光电二极管电荷的低光条件下，通过读取CDS信号来实现重建。

在其中仅第二势垒脉冲TX(脉冲到第二电压电平V2)影响光电二极管电荷的低到中光条件下，通过在数字域中对DDS信号和DDS信号求和来实现重构。

在两个势垒脉冲(到第一和第二电压电平)都影响光电二极管电荷的中高光条件下，通过仅使用DDS信号来实现重建。为了线性化，将其乘以时间段EP/T1的比率。

在两个势垒脉冲TX都影响光电二极管电荷的中高光条件下，通过仅使用DDS信号来实现重建。可以减去偏移(第二势垒电平Qbarr2-第一势垒电平Qbarr1)。第一势垒电平Qbarr1等于CDS读取，可以估计第二势垒电平Qbarr2。

为了线性化，将偏移消除后的DDS信号乘以时间段EP/T2的比率。

所示示例示出了用于通过使用具有两个势垒的势垒调制来操作像素布置10的方法。然而，该方法可以用附加的势垒来扩展，因为实践的读者将容易认识到。

为了使读者熟悉该构思的新颖方面，已经讨论了本文公开的像素布置10和操作这种像素布置10的方法的实施例。尽管已经示出和描述了优选实施例，但是本领域技术人员可以对所公开的概念进行许多改变、修改、等同和替换，而不会不必要地脱离权利要求的范围。

应当理解，本公开不限于所公开的实施例以及上文具体示出和描述的内容。相反，可以有利地组合在单独的从属权利要求或说明书中记载的特征。此外，本公开的范围包括那些变化和修改，这些变化和修改对于本领域技术人员将是显而易见的并且落入所附权利要求的范围内。

在权利要求书或说明书中使用的范围内，术语“包括”不排除相应特征或过程的其他元件或步骤。在术语“一”或“一个”与特征结合使用的情况下，它们不排除多个这样的特征。此外，权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

附图标记

10 像素布置

20 光电二极管

30 传输晶体管

40 电容

42 扩散节点

44 电容的另一端子节点

50 复位晶体管

60 放大器

62 放大器的输入端

64 放大器的输出端

70 第一电容器

72 第一电容器的端子节点

74 第一电容器的另一端子节点

75 附加电容器

80 第二电容器

82 第二电容器的端子节点

84 第二电容器的另一端子节点

90 第一开关，开关晶体管

95 另一开关、开关晶体管

100 第二开关，开关晶体管

110 另一放大器

112 另一放大器的输入端子

114 另一放大器的输出端子

120 选择晶体管

130 列总线

140 双转换增益晶体管

150 双转换增益(第三)电容器

152 第三电容器的端子节点

154 第三电容器的另一端子节点

160 预充电晶体管

200 图像传感器

204 行驱动器

205 评估电路

350-361 块

D 排出时间段

DCG 耦合信号、双转换增益信号

FS1、FS2 存储时间段

IL 照度/光强度

Qbarr1 第一势垒电平

Qbarr2 第二势垒电平

Qlin 线性化信号

Qout 充电信号

Qsat 饱和电平

RST 复位信号

S1、S2 开关信号

SIG1-SIG4 信号

T1-T3 积分时间段

EP 像素曝光，曝光时间段

FS 存储时间段

RO 像素读出，读出时间段

R 复位时间段

TX 传输信号

V1、V2 电压电平

Vf 全电压电平

Vref 第二另外的参考电位

VSS 负像素电源电压，GND

VSS1 参考电位

VSS_PC 另一参考电位

VDD 像素电源电压

Claims

1.一种像素布置(10)，包括：

光电检测器(10)，其被配置为通过转换电磁辐射来累积电荷载流子，

传输晶体管(30)，其电耦合到所述光电检测器(20)，

扩散节点(42)，其电耦合到所述传输晶体管(30)，

复位晶体管(50)，其电耦合到所述扩散节点(42)和像素电源电压(VDD)，

采样和保持级，其至少包括第一电容器(70)和第二电容器(80)，所述采样和保持级的输入经由放大器(60)电耦合到所述扩散节点(42)，其中

所述传输晶体管(30)被配置为被脉冲到不同的电压电平，用于将所累积的电荷载流子的部分传输到所述扩散节点(42)，

至少所述第二电容器(80)被配置为存储表示所累积的电荷载流子的第一部分的低转换增益信号，并且其中

所述第一电容器(70)被配置为存储表示所累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号。

2.根据权利要求1所述的像素布置(10)，

其中，所述低转换增益信号和所述高转换增益信号包括公共噪声水平，并且

其中，所述高转换增益信号指示用于根据像素特定拐点值来调整像素输出信号的校准电平。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的像素布置(10)，还包括：

双转换增益晶体管(140)，以及

双转换增益电容器(150)，

其中，所述双转换增益晶体管(140)将所述扩散节点(42)连接到所述双转换增益电容器(150)的端子节点，并且

其中，所述复位晶体管(50)经由所述端子节点和所述双转换增益晶体管(140)电耦合到所述扩散节点(42)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的像素布置(10)，还包括：

至少两个开关晶体管(90、100)，

其中每个开关晶体管(90、100)被分配给所述采样和保持级的相应电容器(70、80)，并且将所述相应电容器(70、80)的端子节点耦合到所述采样和保持级的输入。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的像素布置(10)，

其中所述采样和保持级恰好包括两个电容器(70、80)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的像素布置(10)，

其中所述采样和保持级还包括预定数量的附加电容器(75)，所述附加电容器(75)中的每一个被配置为存储表示所累积的电荷载流子的另一部分的附加信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的像素布置(10)，还包括：

另一放大器(110)，其耦合到所述采样和保持级的输出，以及

选择晶体管(120)，所述选择晶体管(120)将所述另一放大器(110)电连接到列总线(130)。

8.一种图像传感器(200)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的像素布置(10)。

9.一种操作像素布置(10)的方法，所述方法包括：

在曝光时间段(EP)期间：

在第一积分时间段(T1)中，利用所述像素布置(10)所包括的光电检测器(20)来累积电荷载流子，

在所述第一积分时间段(T1)结束时，将传输晶体管(30)脉冲到第一电压电平(V1)，以将所累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点(42)，其中所述部分被配置为被排出到电源电压(VDD)，

在第二积分(T2)时间段中，利用所述光电检测器(20)继续累积电荷载流子，以及

在存储时间段(FS)期间：

将所述传输晶体管(30)脉冲到所述第一电压电平(V1)，用于将所累积的电荷载流子的第一部分传输到所述扩散节点(42)，

将表示所累积的电荷载流子的所述第一部分的低转换增益信号存储在耦合到所述扩散节点(42)的至少第二电容器(80)上，

将所述传输晶体管(30)脉冲到全电压电平(Vf)，用于将所累积的电荷载流子的剩余部分传输到所述扩散节点(42)，

将表示所累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号存储在耦合到所述扩散节点(42)的第一电容器(70)上，以及

在读出时间段(RO)期间：

读出存储在所述电容器(70、80)上的所述低转换增益信号和所述高转换增益信号。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

在所述曝光时间段(EP)期间，在所述第二积分时间段(T2)之后：

将所述传输晶体管(30)脉冲到相应的另一电压电平(V2、V3)的至少一个附加脉冲，

其中，利用每个附加脉冲，所累积的电荷载流子的附加部分被配置为被排出到所述像素电源电压(VDD)，并且

其中，每个附加脉冲之后是利用所述光电检测器(20)在相应的附加积分时间段(T3、T4)中累积电荷载流子的附加继续。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，在所述曝光时间段期间施加连续脉冲的电压电平(V1、V2、V3)从脉冲到脉冲相等或减小。

12.根据权利要求9至10中任一项所述的方法，

其中，在所述曝光时间段(EP)期间的所述脉冲之后的积分时间段(T1、T2、T3、T4)从积分时间段到积分时间段减小。

13.根据权利要求9至12中的一项所述的方法，

其中所述高转换增益信号指示基于所累积的电荷载流子的剩余部分的校准电平。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

根据基于所述校准电平确定的像素特定拐点值，基于所述低转换增益信号和/或所述高转换增益信号来调整像素输出信号。

15.根据权利要求9至14中的一项所述的方法，

其中读取所述低转换增益信号包括双增量采样，并且其中读取所述高转换增益信号包括相关双采样。

16.根据权利要求9至15中的一项所述的方法，

其中所述扩散节点(42)在转移所累积的电荷载流子的所述第一部分与所累积的电荷载流子的所述剩余部分之间不被复位，使得所述高转换增益信号和所述低转换增益信号基于公共噪声水平。

17.根据权利要求10所述的方法，还包括：

在所述存储时间段(FS)期间：

将所述传输晶体管(30)脉冲到所述相应的另一电压电平，用于将所累积的电荷载流子的另一部分传输到所述扩散节点(42)，以及

将表示所累积的电荷载流子的所述另一部分的另一信号存储在耦合到所述扩散节点(42)的另一电容器(75)上。

18.根据权利要求17所述的方法，

其中，所述另一信号指示基于所累积的电荷载流子的所述另一部分的另一校准电平，以及

根据基于所述另一校准电平确定的另一像素特定拐点值来进行所述像素输出信号的调整。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

在所述读出时间段(RO)期间：

读出存储在所述另一电容器(75)上的所述另一信号，其中，读取所述另一信号包括相关双采样。

20.一种操作像素布置(10)的方法，所述方法包括：

在曝光时间段(EP)期间，利用所述像素布置(10)所包括的光电检测器(10)来累积电荷载流子，并且在所述累积期间执行以下步骤：

将传输晶体管(30)第一脉冲到第一电压电平(V1)，以将所累积的电荷载流子的一部分传输到扩散节点(42)，其中所述部分被配置为被排出到电源电压(VDD)，

将所述传输晶体管(30)脉冲到第二电压电平(V2)，用于将所累积的电荷载流子的另一部分传输到所述扩散节点(42)，其中所述另一部分被配置为被排出到所述电源电压(VDD)，

将所述传输晶体管(30)第二脉冲到所述第一电压电平(V1)，用于将所累积的电荷载流子的第一部分传输到所述扩散节点(42)，以及

在所述曝光时间段(EP)结束时，将所述传输晶体管(30)脉冲到全电压电平(Vf)，用于将所累积的电荷载流子的剩余部分传输到所述扩散节点(42)，

在所述脉冲到所述全电压电平(Vf)之后，将表示所累积的电荷载流子的剩余部分的高转换增益信号存储在耦合到所述扩散节点(42)的第一电容器(70)上，以及

在读出时间段(RO)期间，读出存储在所述电容器(70、80)上的所述低转换增益信号和所述高转换增益信号。