CN118413753A - 具有扩展动态范围的图像传感器 - Google Patents

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CN118413753A CN202410107863.2A CN202410107863A CN118413753A CN 118413753 A CN118413753 A CN 118413753A CN 202410107863 A CN202410107863 A CN 202410107863A CN 118413753 A CN118413753 A CN 118413753A
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Abstract

本公开涉及具有扩展动态范围的图像传感器。该图像传感器可包括被布置成行和列的成像像素阵列。本发明提供一种操作成像像素的方法，该方法包括：在光敏元件中累积电荷；允许该光电二极管中的该累积电荷溢出到耦接到复位晶体管的电容器中，该复位晶体管具有被配置为在积分阶段期间接收复位控制信号的栅极端子；以及通过在该积分阶段期间将该复位控制信号从第一电压电平动态地调整到第二电压电平来扩展该成像像素的动态范围。该复位控制信号可以离散或连续方式从该第一电压电平降低到该第二电压电平，使得该电容器中的该溢出电荷的一部分表示线性信号并且该电容器中的该溢出电荷的一部分表示非线性信号。

Description

具有扩展动态范围的图像传感器
背景技术
图像传感器常常在诸如移动电话、相机和计算机的电子设备中用来捕获图像。在典型的布置中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。
本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。
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图。
图3A是根据一些实施方案的例示性5晶体管(5T)图像像素的电路图。
图3B是示出根据一些实施方案的在积分阶段期间图3A中所示的5T图像像素中的电荷水平的电势图。
图4是示出根据一些实施方案的在积分阶段期间减小复位电压的不同方式的时序图。
图5A是根据一些实施方案的例示性6晶体管(6T)图像像素的电路图。
图5B是示出了根据一些实施方案的在积分期间与图5A中所示的6T图像像素的第一电容器相关联的电荷电平的电势图。
图5C是示出了根据一些实施方案的在积分期间与图5A中所示的6T图像像素的第二电容器相关联的电荷电平的电势图。
图6A是根据一些实施方案的具有两个电容器的例示性6T图像像素的电路图。
图6B是示出根据一些实施方案的在积分期间图6A所示的6T图像像素中的电荷电平的电势图。
图7A是根据一些实施方案的具有单个溢出电容器的例示性6T图像像素的电路图。
图7B是示出根据一些实施方案的在积分期间图7A所示的6T图像像素中的电荷电平的电势图。
图8A是根据一些实施方案的例示性7晶体管(7T)图像像素的电路图。
图8B是示出根据一些实施方案的在积分期间图8A所示的7T图像像素中的电荷电平的电势图。
图9A是根据一些实施方案的具有两个电容器的例示性6T图像像素的电路图。
图9B是示出根据一些实施方案的在积分期间图9A中所示的6T图像像素中的电荷水平的电势图。
图10是示出根据一些实施方案的图7A中所示类型的多个像素结构如何可以共享读出晶体管和复位晶体管的电路图。
图11是示出根据一些实施方案的图8A中所示类型的多个像素结构如何可以共享读出晶体管和复位晶体管的电路图。
图12是示出根据一些实施方案的图像像素的操作的时序图。
图13是根据一些实施方案的用于操作图像传感器中的一个或多个图像像素的例示性步骤的流程图。
具体实施方式
本发明技术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、移动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是例示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、移动电话、视频摄像机、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)，可以是监视系统，或者可以是自动驾驶系统的一部分。
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可包括诸如在图像传感器阵列集成电路中的一个或多个图像传感器14以及一个或多个透镜。
在图像捕获操作期间，每个透镜可以将光聚焦到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可以包括将光转换为模拟数据的光敏元件(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)。
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。在一些示例中，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、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)和/或寻址电路。
可将来自传感器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。图像处理与数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调整白平衡和曝光、实施视频图像稳定和/或面部检测。图像处理与数据格式化电路16可附加地或另选地用于在需要时压缩原始相机图像文件(例如，压缩为联合摄影专家组或JPEG格式)。
在一个示例性布置中，诸如片上系统(SoC)布置，传感器14和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，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，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可经由路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括输入-输出设备22和存储处理电路24。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、或滤波或以其他方式处理由成像系统10提供的图像。例如，成像系统10的图像处理和数据格式化电路16可将采集的图像数据传输到主机子系统20的存储和处理电路24。
如果需要，系统100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。对于这些功能，主机子系统20的输入-输出设备22可以包括键盘、输入-输出端口、按钮、和显示器、以及存储和处理电路24。主机子系统20的存储和处理电路24可包括易失性存储器和/或非易失性存储器(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可附加地或另选地包括微处理器、微控制器、数字信号处理器和/或专用集成电路。
图2中示出了图1的图像传感器14的布置的示例。如图2所示，图像传感器14可包括控制和处理电路44。控制和处理电路44(有时被称为控制和处理逻辑部件)可以是图1中的图像处理和数据格式化电路16的一部分，或者可与电路16分开。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素)的阵列32。控制和处理电路44可以经由控制路径27耦接到行控制电路40，并且可以经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。
行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并且可通过一个或多个控制路径36将对应的行控制信号提供给图像像素34。行控制信号可包括像素复位控制信号、电荷转移控制信号、溢出控制信号、行选择控制信号、双转换增益控制信号或任何其他期望的行像素控制信号。
列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的一个或多个列。给定列线38可耦接到图像像素阵列32中的图像像素34的列，并且可用于从图像像素34读出图像信号以及用于向图像像素34提供偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在一些示例中，每个像素列可耦接到对应的列线38。对于图像像素读出操作，可使用行驱动器电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列读出电路42在列线38上读出。列读出电路42可以任选地包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模数转换器电路，和/或用于对读出信号和任何其它期望数据进行存储的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素读出值输出到控制和处理逻辑部件44。
阵列32可具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32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。虽然在本文中行和列通常分别被描述为水平和垂直，但行和列可指任何网格状结构。本文描述为行的特征可垂直布置，并且本文描述为列的特征可水平布置。涉及阵列32的不同尺寸的术语“行”和“列”有时可以互换使用。
像素阵列32可具备具有多个滤色器元件的滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，图像传感器像素(诸如阵列32中的图像像素)可具备滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用对应的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。红色、绿色和蓝色图像传感器像素可被布置成拜耳马赛克图案。拜耳马赛克图案由2×2个图像像素的重复单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一示例中，可以使用具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件)的宽带图像像素来代替拜耳图案中的绿色像素。这些示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，可以在任何期望数量的图像像素34上形成任何期望颜色(例如，青色、黄色、红色、绿色、蓝色等)和任何期望图案的滤色器元件。
常规图像像素有时提供有溢出电容器以帮助增加图像传感器的动态范围。然而，这样的图像像素需要相对大的溢出电容器来提供期望的动态范围和无闪烁性能。因此，设计具有必要的动态范围以及无闪烁和无运动伪影性能的小图像传感器像素可能是具有挑战性的。
根据实施方案，图3A是例示性图像传感器像素34的电路图，该例示性图像传感器像素可被操作以提供超过140dB的无闪烁且无运动伪影的高动态范围(HDR)性能。如图3A中所示，图像传感器像素34可包括诸如光电二极管PD等光敏元件、诸如电荷转移晶体管TX等电荷转移开关、由浮动扩散节点FD表示的浮动扩散区域、诸如源极跟随器晶体管SF等源极跟随器开关、诸如行选择晶体管RS等行选择开关、诸如复位晶体管RST等复位开关、诸如低转换增益晶体管LCG等转换增益开关，以及诸如电容器C等电容器。
光电二极管PD可具有耦接到其上提供接地电压Vss的接地电源线的阳极端子和经由电荷转移晶体管TX耦接到浮动扩散节点FD的阴极端子。电荷转移晶体管TX可具有被配置为接收电荷转移控制信号的栅极端子，该电荷转移控制信号被选择性地断言以接通或启用晶体管TX并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管TX。关于开关(或晶体管)的术语“启用”在本文中可指或定义为将开关置于接通或低阻抗状态以使得开关的两个端子电连接以传导电流的动作。关于开关(或晶体管)的术语“停用”在本文中可指或定义为将开关置于断开或高阻抗状态以使得开关/晶体管的两个端子以最小漏电流断开电连接的动作。
源极跟随器晶体管SF可具有耦接到浮动扩散节点FD的栅极端子、耦接到正电源电压Vaa的漏极端子以及经由行选择晶体管RS耦接到像素输出线Pixout的源极端子。行选择晶体管RS可具有被配置为接收行选择信号的栅极端子，该行选择信号被选择性地断言以接通或启用晶体管RS并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管RS。像素输出线Pixout可表示列线，诸如图2中所示的列线38。当涉及金属氧化物半导体晶体管的导电端子时，术语“源极”和“漏极”有时可互换地使用。源极端子和漏极端子因此有时被称为“源极-漏极”端子(例如，晶体管具有栅极端子、第一源极-漏极端子和第二源极-漏极端子)。
低转换栅极晶体管LCG可具有耦接到浮动扩散节点FD的源极端子、被配置为接收(低)增益模式控制信号的栅极端子以及耦接到复位晶体管RST的漏极端子。增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管LCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管LCG。复位晶体管RST可具有耦接到漏极端子晶体管LCG的源极端子、被配置为接收复位控制信号的栅极端子以及被配置为接收复位电压Vrst的漏极端子。复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST。电容器C可具有耦接到晶体管RST的源极端子的第一端子和耦接到晶体管RST的漏极端子的第二端子。如果需要，图3A的像素34可以具有多于五个晶体管和多于一个电容器，或者可以具有少于五个晶体管。
图3B是示出在积分阶段期间结合图3A描述的类型的5晶体管(5T)图像像素34中的电荷电平的电势图。积分阶段有时被称为积分时间、积分时段或具有固定或可调节持续时间的积分。如图3B中所示，电荷202可响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中。即使当电荷转移晶体管TX被停用时，由光电二极管PD产生的过量电荷202也可溢出到浮动扩散区域FD中，如由TX晶体管的高电势垒所指示(见溢出箭头204)。在电势图的上下文中，控制高电平有效栅极/开关的低电压对应于阻止电荷转移的高(较高)电势垒，而高电压对应于允许电荷转移的低(较低)电势垒。在积分阶段期间，低转换增益晶体管LCG可被完全启用(参见箭头205)，因此溢出电荷可填满浮动扩散区域FD和电容器C两者。电荷经由LCG晶体管从光电二极管PD到电容器C的此溢出也在图3A中由箭头200所示。
在积分阶段期间，复位晶体管RST最初可以接收电压电平被设置为等于V1的复位控制信号。一定量的电荷206可填满浮动扩散节点FD和电容器C直到由电压电平V1确定的电平。电荷206可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷206的量。
根据一些实施方案，可以在积分阶段期间动态地调整复位控制信号的电压。例如，复位控制信号的电压可以从第一电压电平V1调节到第二电压电平V2。第二电压V2应小于第一电压V1。这在图3B中示出，其中复位晶体管RST的电势垒从V1升高到V2，如箭头209所指示。当复位控制信号从V1降低到V2时，附加量的电荷208可进一步填满浮动扩散区域FD和电容器C。电荷208可表示可能需要经校准线性化的非线性溢出信号。以此方式在积分时间期间操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能扩展许多倍，诸如从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
图4是示出如何在积分阶段期间降低控制复位晶体管RST的复位控制信号的时序图。波形210示出了可如何经由单个电压阶跃将复位控制信号从第一电压电平V1降低到第二电压电平V2。电压电平V2可等于接地电压、0V、负电压或其它低电压。电压电平V1可等于V2与正电源电压Vaa之间的某一电压、Vaa或其它中间电压。在积分阶段期间，复位控制信号保持在V1的持续时间可以大于复位控制信号保持在V2的持续时间。以此方式操作，浮动扩散区域FD和电容器C中的大多数溢出电荷将来自线性溢出电荷(见图3B中的电荷206)。复位控制信号处于V1和V2的持续时间可为可调整的，如箭头212所指示。例如，增加复位控制信号处于V1的持续时间将减少复位控制信号处于V2的持续时间，并且反之亦然。如果需要，复位控制信号保持在V1的持续时间可以等于或小于在积分期间复位控制信号保持在V2的持续时间。
示出了用于晶体管RST的复位控制信号如何能够经由单个电压阶跃从V1降低到V2的波形210是示例性的。如果需要，可以采用以离散和/或连续方式减小复位控制信号的其它方式。波形214示出了其中用于晶体管RST的复位控制信号经由多个电压阶跃从V1降低到V2的另一示例。特别地，波形214可以在一路下降到V2之前下降到一个中间电压电平。波形216示出了其中复位控制信号以线性方式从电压电平V1逐渐斜降到V2的另一示例。波形218示出了其中用于晶体管RST的复位控制信号在一路下降到V2之前经由三个中间电压电平从V1降低到V2的另一示例。波形220示出了其中用于晶体管RST的复位控制信号以指数方式从V1逐渐降低到V2的又一个示例。图4的示例仅为例示性的并且不旨在限制本实施方案的范围。
其中像素34包括一个电容器的图3A的实施方案是示例性的。图5A示出了包括多个电容器的图像传感器像素34的另一实施方案。如图5A中所示，图像传感器像素34可包括诸如光电二极管PD等光敏元件、诸如电荷转移晶体管TX等电荷转移开关、由浮动扩散节点FD表示的浮动扩散区域、诸如源极跟随器晶体管SF等源极跟随器开关、诸如行选择晶体管RS等行选择开关、诸如复位晶体管RST等复位开关、诸如低转换增益晶体管LCG和中间(中等)转换增益晶体管MCG等转换增益开关，以及诸如电容器C1和C2等电容器。
光电二极管PD可具有耦接到其上提供接地电压Vss的接地电源线的阳极端子和经由电荷转移晶体管TX耦接到浮动扩散节点FD的阴极端子。电荷转移晶体管TX可具有被配置为接收电荷转移控制信号的栅极端子，该电荷转移控制信号被选择性地断言以接通或启用晶体管TX并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管TX。源极跟随器晶体管SF可具有耦接到浮动扩散节点FD的栅极端子、耦接到正电源电压Vaa的漏极端子以及经由行选择晶体管RS耦接到像素输出线Pixout的源极端子。行选择晶体管RS可具有被配置为接收行选择信号的栅极端子，该行选择信号被选择性地断言以接通或启用晶体管RS并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管RS。
低转换栅极晶体管LCG可具有耦接到浮动扩散节点FD的源极端子、被配置为接收低增益模式控制信号的栅极端子以及耦接到复位晶体管RST的漏极端子。低增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管LCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管LCG。复位晶体管RST可具有耦接到漏极端子晶体管LCG的源极端子、被配置为接收复位控制信号的栅极端子以及被配置为接收复位电压Vrst的漏极端子。复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST。电容器C2可具有耦接到晶体管RST的源极端子的第一端子和耦接到晶体管RST的漏极端子的第二端子。
中间转换栅极晶体管MCG可具有耦接到浮动扩散节点FD的源极端子、被配置为接收中间(中等)增益模式控制信号的栅极端子以及经由电容器C1耦接到复位电压Vrst的漏极端子。中间增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管MCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管MCG。以此方式连接，晶体管MCG和电容器C1被认为串联耦接于浮动扩散节点FD与复位电压Vrst之间。如果需要，图5A的像素34可以任选地包括多于六个晶体管和多于两个电容器，或者可以任选地具有少于六个晶体管。
图5B是示出了在积分阶段期间与结合图5A描述的类型的6晶体管(6T)图像像素34中的电容器C1相关联的电荷电平的电势图。如图5B中所示，即使当电荷转移晶体管TX被停用时，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的过量电荷也可溢出到浮动扩散区域FD中，如TX晶体管的高电势垒所指示(见溢出箭头230)。在积分阶段期间，中间转换增益晶体管MCG可至少部分地被启用到电压电平VMCG(见箭头231)，使得溢出电荷可填满浮动扩散区域FD和电容器C1两者，如电荷232所示。这是示例性的。如果需要，中间转换增益晶体管MCG可以在积分时间期间被完全启用，使得MCG开关的电势垒如箭头233所示一路下降。以此方式储存于C1中的所有电荷232可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷232的量。
图5C是示出了在积分阶段期间与结合图5A描述的类型的6晶体管(6T)图像像素34中的电容器C2相关联的电荷电平的电势图。如图5C中所示，即使当电荷转移晶体管TX停用时，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的过量电荷也可溢出到浮动扩散区域FD中，如TX晶体管的高电势垒所指示(见溢出箭头234)。在积分阶段期间，低转换增益晶体管LCG可被部分地启用到电压电平VLCG(见箭头235)，使得溢出电荷可填满浮动扩散区域FD和电容器C2两者，如电荷236所示。这里，电压电平VLCG被设置为小于VMCG，因此电容器C1将在电容器C2之前首先填满。
在积分阶段期间，复位晶体管RST最初可以接收电压电平被设置为等于V1的复位控制信号。溢出到浮动扩散节点FD和电容器C2中的电荷236的量填满到由电压电平V1确定的电平。电荷236可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷236的量。
根据一些实施方案，可以在积分阶段期间动态地调整复位控制信号的电压。例如，可如图4的示例所示以各种方式将复位控制信号的电压从第一电压电平V1调整到第二电压电平V2。这也在图5C中示出，其中复位晶体管RST的电势垒从V1升高到V2，如箭头237所指示。当复位控制信号从V1降低到V2时，附加量的电荷238可进一步填满电容器C2。电荷238可表示可能需要经校准线性化的非线性溢出信号。以此方式在积分时间期间操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
其中LCG和MCG晶体管均直接耦接到浮动扩散节点FD的图5A的实施方案是示例性的。图6A示出了图像传感器像素34的另一实施方案，其中LCG和MCG晶体管串联耦接。如图6A中所示，图像传感器像素34可包括诸如光电二极管PD等光敏元件、诸如电荷转移晶体管TX等电荷转移开关、由浮动扩散节点FD表示的浮动扩散区域、诸如源极跟随器晶体管SF等源极跟随器开关、诸如行选择晶体管RS等行选择开关、诸如复位晶体管RST等复位开关、诸如低转换增益晶体管LCG和中间(中等)转换增益晶体管MCG等转换增益开关，以及诸如电容器C1和C2等电容器。
光电二极管PD可具有耦接到其上提供接地电压Vss的接地电源线的阳极端子和经由电荷转移晶体管TX耦接到浮动扩散节点FD的阴极端子。电荷转移晶体管TX可具有被配置为接收电荷转移控制信号的栅极端子，该电荷转移控制信号被选择性地断言以接通或启用晶体管TX并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管TX。源极跟随器晶体管SF可具有耦接到浮动扩散节点FD的栅极端子、耦接到正电源电压Vaa的漏极端子以及经由行选择晶体管RS耦接到像素输出线Pixout的源极端子。行选择晶体管RS可具有被配置为接收行选择信号的栅极端子，该行选择信号被选择性地断言以接通或启用晶体管RS并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管RS。
中间转换栅极晶体管MCG可具有耦接到浮动扩散节点FD的源极端子、被配置为接收中间增益模式控制信号的栅极端子，以及漏极端子。中间增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管MCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管MCG。电容器C1可具有耦接到晶体管MCG的漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。低转换栅极晶体管LCG可具有耦接到晶体管MCG的漏极端子的源极端子、被配置为接收低增益模式控制信号的栅极端子以及经由复位晶体管RST耦接到电压Vrst的漏极端子。低增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管LCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管LCG。电容器C2可具有耦接到晶体管LCG的漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。电容器C2可小于电容器C1以提供更好的信噪比(SNR)转变，尤其是在较高操作温度下。
复位晶体管RST可具有被配置为接收复位控制信号的栅极端子，该复位控制信号被选择性地断言以启用晶体管RST且被选择性地解除断言以停用晶体管RST。以此方式连接，晶体管MCG和LCG被认为串联耦接于浮动扩散节点FD与复位晶体管RST之间。如果需要，图6A的像素34可以任选地包括多于六个晶体管和多于两个电容器，或者可以任选地具有少于六个晶体管。
图6B是示出在积分阶段期间与结合图6A描述的类型的6T图像像素34相关联的电荷电平的电势图。如图6B中所示，即使当电荷转移晶体管TX被停用或轻微启用时(见虚线)，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的过量电荷也可溢出到浮动扩散区域FD中，如溢出箭头240所指示。在积分阶段期间，中间转换增益晶体管MCG可至少部分地被启用到电压电平VMCG(见箭头241)，使得溢出电荷可填满浮动扩散区域FD和电容器C1两者，如电荷242所示。这是示例性的。如果需要，中间转换增益晶体管MCG可以在积分时间期间被完全启用，使得MCG开关的电势垒如箭头243所示一路下降。以此方式储存于C1中的所有电荷242可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷242的量。
在积分阶段期间，低转换增益晶体管LCG可被部分地启用到电压电平VLCG(见箭头244)，使得来自电容器C1的溢出电荷可然后流入电容器C2中，如电荷246所示。这里，电压电平VLCG被设置为小于VMCG，因此电容器C1将在填满电容器C2之前首先填满。在积分阶段期间，复位晶体管RST最初可以接收电压电平被设置为等于V1的复位控制信号。溢出到电容器C2中的电荷246的量填满到由电压电平V1确定的电平。电荷246可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷246的量。
根据一些实施方案，可以在积分阶段期间动态地调整复位控制信号的电压。例如，可如图4的示例所示以各种方式将复位控制信号的电压从第一电压电平V1调整到第二电压电平V2。这也在图6B中示出，其中复位晶体管RST的电势垒从V1升高到V2，如箭头247所指示。当复位控制信号的电压从V1降低到V2时，附加量的电荷248可进一步填满电容器C2。电荷248可表示可能需要经校准线性化的非线性溢出信号。以此方式在积分时间期间操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
仅包括一个复位晶体管RST的图3A、图5A和图6A的实施方案是示例性的。图7A示出了包括多个复位晶体管的图像传感器像素34的另一实施方案。如图7A中所示，图像传感器像素34可包括诸如光电二极管PD等光敏元件、诸如电荷转移晶体管TX等电荷转移开关、由浮动扩散节点FD表示的浮动扩散区域、诸如源极跟随器晶体管SF等源极跟随器开关、诸如行选择晶体管RS等行选择开关、诸如复位晶体管RST和RST2等复位开关、诸如低转换增益晶体管LCG等转换增益开关，以及诸如电容器C等电容器。
光电二极管PD可具有耦接到其上提供接地电压Vss的接地电源线的阳极端子和经由电荷转移晶体管TX耦接到浮动扩散节点FD的阴极端子。电荷转移晶体管TX可具有被配置为接收电荷转移控制信号的栅极端子，该电荷转移控制信号被选择性地断言以接通或启用晶体管TX并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管TX。源极跟随器晶体管SF可具有耦接到浮动扩散节点FD的栅极端子、耦接到正电源电压Vaa的漏极端子以及经由行选择晶体管RS耦接到像素输出线Pixout的源极端子。行选择晶体管RS可具有被配置为接收行选择信号的栅极端子，该行选择信号被选择性地断言以接通或启用晶体管RS并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管RS。
低转换栅极晶体管LCG可具有耦接到光电二极管PD的阴极端子的源极端子、被配置为接收低增益模式控制信号的栅极端子，以及漏极端子。低增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管LCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管LCG。电容器C可具有耦接到晶体管LCG的漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。复位晶体管RST可具有耦接到晶体管LCG的漏极端子的第一源极-漏极端子、被配置为接收第一复位控制信号的栅极端子以及耦接到浮动扩散节点FD的第二源极-漏极端子。第一复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST。复位晶体管RST2可具有耦接到浮动扩散节点FD的源极端子、被配置为接收第二复位控制信号的栅极端子以及被配置为接收复位电压Vrst的漏极端子。第二复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST2并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST2。如果需要，图7A的像素34可以任选地包括多于六个晶体管和多于一个电容器，或者可以任选地具有少于六个晶体管。
图7B是示出在积分阶段期间与结合图7A描述的类型的6T图像像素34相关联的电荷电平的电势图。如图7B中所示，即使当电荷转移晶体管TX停用时，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的过量电荷也可溢出到浮动扩散区域FD中，如TX晶体管的高电势垒所指示(见溢出箭头250)。在积分阶段期间，低转换增益晶体管LCG可被部分地启用到电压电平VLCG，使得光电二极管PD中的溢出电荷可流入电容器C中(参见电荷256)且不流入浮动扩散区域FD中。当复位晶体管RST2接通时，晶体管TX可以被完全停用。在积分阶段期间，复位晶体管RST最初可以接收电压电平设置为等于V1的第一复位控制信号。溢出到电容器C中的电荷256的量可填满到由电压电平V1确定的电平。电荷256可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷256的量。
根据一些实施方案，可在积分阶段期间动态地调整第一复位控制信号的电压。例如，可如图4的示例所示以各种方式将第一复位控制信号的电压从第一电压电平V1调整到第二电压电平V2。这也在图7B中示出，其中复位晶体管RST的电势垒从V1升高到V2，如箭头257所指示。当第一复位控制信号的电压从V1降低到V2时，附加量的电荷258可进一步填满电容器C。电荷258可表示可能需要经校准线性化的非线性溢出信号。以此方式在积分时间期间操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
包括两个复位晶体管和仅一个电容器的图7A的实施方案是示例性的。图8A示出了包括多个复位晶体管和多个电容器的图像传感器像素34的另一实施方案。如图8A中所示，图像传感器像素34可包括诸如光电二极管PD等光敏元件、诸如电荷转移晶体管TX等电荷转移开关、由浮动扩散节点FD表示的浮动扩散区域、诸如源极跟随器晶体管SF等源极跟随器开关、诸如行选择晶体管RS等行选择开关、诸如复位晶体管RST和RST2等复位开关、诸如低转换增益晶体管LCG和中间(中等)转换增益晶体管MCG等转换增益开关，以及诸如电容器C1和C2等电容器。
光电二极管PD可具有耦接到其上提供接地电压Vss的接地电源线的阳极端子和经由电荷转移晶体管TX耦接到浮动扩散节点FD的阴极端子。电荷转移晶体管TX可具有被配置为接收电荷转移控制信号的栅极端子，该电荷转移控制信号被选择性地断言以接通或启用晶体管TX并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管TX。源极跟随器晶体管SF可具有耦接到浮动扩散节点FD的栅极端子、耦接到正电源电压Vaa的漏极端子以及经由行选择晶体管RS耦接到像素输出线Pixout的源极端子。行选择晶体管RS可具有被配置为接收行选择信号的栅极端子，该行选择信号被选择性地断言以接通或启用晶体管RS并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管RS。
中间转换栅极晶体管MCG可具有耦接到光电二极管PD的阴极端子的第一源极-漏极端子、被配置为接收中间增益模式控制信号的栅极端子，以及第二源极-漏极端子。中间增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管MCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管MCG。电容器C1可具有耦接到晶体管MCG的第二源极-漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。低转换栅极晶体管LCG可具有耦接到晶体管MCG的第二源极-漏极端子的第一源极-漏极端子、被配置为接收低增益模式控制信号的栅极端子，以及第二源极-漏极端子。低增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管LCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管LCG。电容器C2可具有耦接到晶体管LCG的第二源极-漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。
复位晶体管RST可具有耦接到晶体管LCG的第二源极-漏极端子的第一源极-漏极端子、被配置为接收第一复位控制信号的栅极端子以及耦接到浮动扩散节点FD的第二源极-漏极端子。第一复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST。复位晶体管RST2可具有耦接到浮动扩散节点FD的源极端子、被配置为接收第二复位控制信号的栅极端子以及被配置为接收复位电压Vrst的漏极端子。第二复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST2并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST2。如果需要，图8A的像素34可以任选地包括多于七个晶体管和多于两个电容器，或者可以任选地具有少于七个晶体管。
图8B是示出在积分阶段期间与结合图8A描述的类型的7T图像像素34相关联的电荷电平的电势图。如图8B中所示，即使当电荷转移晶体管TX停用时，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的过量电荷也可溢出到浮动扩散区域FD中，如TX晶体管的高电势垒所指示(见溢出箭头260)。在积分阶段期间，中间转换增益晶体管MCG可至少部分地被启用到电压电平VMCG，使得溢出电荷可填满电容器C1，如电荷262所示。这是示例性的。如果需要，中间转换增益晶体管MCG可以在积分时间期间被完全启用，使得MCG开关的电势垒一路下降。以此方式储存在电容器C1中的所有电荷262可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷262的量。
在积分阶段期间，低转换增益晶体管LCG可被部分地启用到电压电平VLCG，使得来自电容器C1的溢出电荷可然后流入电容器C2中，如电荷266所示。这里，电压电平VLCG被设置为大于VMCG，因此电容器C1将在填满电容器C2之前首先填满。在积分阶段期间，复位晶体管RST最初可以接收电压电平被设置为等于V1的复位控制信号。溢出到电容器C2中的电荷266的量填满到由电压电平V1确定的电平。电荷266可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷266的量。
根据一些实施方案，可在积分阶段期间动态地调整第一复位控制信号的电压。例如，可如图4的示例所示以各种方式将第一复位控制信号的电压从第一电压电平V1调整到第二电压电平V2。这也在图8B中示出，其中复位晶体管RST的电势垒从V1升高到V2，如箭头267所指示。当第一复位控制信号的电压从V1降低到V2时，附加量的电荷268可进一步填满电容器C2。电荷268可表示可能需要经校准线性化的非线性溢出信号。以此方式在积分时间期间操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
其中7T像素34包括串联耦接的晶体管MCG和LCG的图8A的实施方案是示例性的。图9A示出了包括单个复位晶体管和多个电容器的图像传感器像素34的另一实施方案。如图9A中所示，图像传感器像素34可包括诸如光电二极管PD等光敏元件、诸如电荷转移晶体管TX等电荷转移开关、由浮动扩散节点FD表示的浮动扩散区域、诸如源极跟随器晶体管SF等源极跟随器开关、诸如行选择晶体管RS等行选择开关、诸如复位晶体管RST等复位开关、诸如低转换增益晶体管LCG和中间(中等)转换增益晶体管MCG等转换增益开关、以及诸如电容器C1和C2等电容器。
光电二极管PD可具有耦接到其上提供接地电压Vss的接地电源线的阳极端子和经由电荷转移晶体管TX耦接到浮动扩散节点FD的阴极端子。电荷转移晶体管TX可具有被配置为接收电荷转移控制信号的栅极端子，该电荷转移控制信号被选择性地断言以接通或启用晶体管TX并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管TX。源极跟随器晶体管SF可具有耦接到浮动扩散节点FD的栅极端子、耦接到正电源电压Vaa的漏极端子以及经由行选择晶体管RS耦接到像素输出线Pixout的源极端子。行选择晶体管RS可具有被配置为接收行选择信号的栅极端子，该行选择信号被选择性地断言以接通或启用晶体管RS并且被选择性地解除断言以关断或停用晶体管RS。
中间转换栅极晶体管MCG可具有耦接到光电二极管PD的阴极端子的第一源极-漏极端子、被配置为接收中间增益模式控制信号的栅极端子，以及第二源极-漏极端子。中间增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管MCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管MCG。电容器C1可具有耦接到晶体管MCG的第二源极-漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。
低转换栅极晶体管LCG可具有耦接到浮动扩散节点FD的第一源极-漏极端子、被配置为接收低增益模式控制信号的栅极端子，以及第二源极-漏极端子。低增益模式控制信号可以被选择性地断言以启用晶体管LCG并且被选择性地解除断言以停用晶体管LCG。电容器C2可具有耦接到晶体管LCG的第二源极-漏极端子的第一端子以及被配置为接收复位电压Vrst的第二端子。复位晶体管RST可具有耦接到晶体管LCG的第二源极-漏极端子的源极端子、被配置为接收复位控制信号的栅极端子以及被配置为接收Vrst的漏极端子。复位控制信号可被选择性地断言以启用晶体管RST并且可被选择性地解除断言以停用晶体管RST。如果需要，图8A的像素34可以任选地包括多于六个晶体管和多于两个电容器，或者可以任选地具有少于六个晶体管。
图9B是示出在积分阶段期间与结合图9A描述的类型的6T图像像素34相关联的电荷电平的电势图。如图9B中所示，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的电荷可经由部分地启用的晶体管MCG溢出到电容器C1中(参见溢出阵列270)。中间转换增益晶体管MCG可至少部分地被启用到电压电平VMCG，使得溢出电荷可填满电容器C1，如电荷271所示。以此方式储存于电容器C1中的电荷271可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷271的量。
即使当电荷转移晶体管TX被停用时，响应于撞击光子而累积在光电二极管PD中的过量电荷也可溢出到浮动扩散区域FD中，如由TX晶体管的高电势垒所指示(参见溢出箭头272)。在积分阶段期间，低转换增益晶体管LCG可至少部分地被启用到电压电平VLCG，使得溢出电荷可填满电容器C2，如电荷276所示。这里，电压电平VLCG被设置为大于VMCG。这是示例性的。如果需要，可以在积分时间期间完全启用低转换增益晶体管LCG，使得LCG开关的电势垒一路下降。在积分阶段期间，复位晶体管RST最初可以接收电压电平被设置为等于V1的复位控制信号。溢出到电容器C2中的电荷276的量填满到由电压电平V1确定的电平。电荷276可表示线性溢出信号，其中可基于使用已知增益比的简单线性化计算来确定溢出电荷276的量。
根据一些实施方案，可以在积分阶段期间动态地调整复位控制信号的电压。例如，可如图4的示例所示以各种方式将复位控制信号的电压从第一电压电平V1调整到第二电压电平V2。这也在图9B中示出，其中复位晶体管RST的电势垒从V1升高到V2，如箭头277所指示。当复位控制信号的电压从V1降低到V2时，附加量的电荷278可进一步填满电容器C2。电荷278可表示可能需要经校准线性化的非线性溢出信号。以此方式在积分时间期间操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
其中像素34包括一个光电二极管PD的图7A的实施方案是示例性的。图10是示出根据一些实施方案的图7A所示类型的多个像素结构如何可以共享共用的一组读出晶体管和RST2晶体管的电路图。如图10所示，第一子像素34-1、第二子像素34-2、第三子像素34-3和第四子像素34-4可以耦接到共用(共享)浮动扩散节点FD。共用浮动扩散节点FD可耦接到源极跟随器晶体管SF和行选择晶体管RS(有时统称为读出晶体管)。以此方式共享浮动扩散区域和读出晶体管的四个子像素可帮助增加像素密度。作为其它示例，各自具有一个或多个电容器和至少两个复位晶体管的两个或更多个子像素可耦接到共用FD节点，各自具有一个或多个电容器和至少两个复位晶体管的三个或更多个子像素可耦接到共用FD节点，或各自具有一个或多个电容器和至少两个复位晶体管的四个以上子像素可耦接到共用FD节点。
其中像素34包括一个光电二极管PD的图8A的实施方案是示例性的。图11是示出根据一些实施方案的图8A所示类型的多个像素结构如何可以共享共用的一组读出晶体管和RST2晶体管的电路图。如图11所示，第一子像素34-1、第二子像素34-2、第三子像素34-3和第四子像素34-4可以耦接到共用(共享)浮动扩散节点FD。共用浮动扩散节点FD可耦接到源极跟随器晶体管SF和行选择晶体管RS(有时统称为读出晶体管)。以此方式共享浮动扩散区域和读出晶体管的四个子像素可帮助增加像素密度。作为其它示例，各自具有两个或更多个电容器和至少两个复位晶体管的两个或更多个子像素可耦接到共用FD节点，各自具有两个或更多个电容器和至少两个复位晶体管的三个或更多个子像素可耦接到共用FD节点，或各自具有两个或更多个电容器和至少两个复位晶体管的四个以上子像素可耦接到共用FD节点。
图12是示出根据一些实施方案的结合图6A描述的类型的图像像素34的操作的时序图。如图12中所示，图像像素34可在(1)复位阶段、(2)积分阶段、(3)读出阶段以及任选地(4)校准阶段中操作。在复位阶段期间，电荷转移控制信号可被断言(例如，驱动为高电平)以启用晶体管TX；复位控制信号可被断言以启用晶体管RST；复位电压Vrst可被驱动到高电压电平；模式控制信号可以脉冲为高电平以启用转换增益晶体管LCG和MCG；并且晶体管RS被停用。
在积分阶段期间，电荷转移控制信号减小到将允许电荷从光电二极管溢出到浮动扩散区域的低电势电平Vtx。如果需要，电荷转移控制信号可静态地保持在Vtx电压电平或在积分期间一次或多次脉冲到Vtx电压电平，如脉冲300所示。复位控制信号可以从电压V1降低到电压V2。其中复位控制信号线性斜降的图12的示例是例示性的。如果需要，可采用减小复位控制信号的电压的其它方式(例如，见图4)。
在积分期间，可将复位电压Vrst调整到经优化以减少暗信号非均匀性(DSNU)的电压电平V0。暗信号可能由于诸如热噪声和漏电流等各种因素而出现。暗信号非均匀性是图像传感器中的像素之间的暗信号电平的非均匀性或变化的量度。较高的DSNU值指示暗信号电平的较大不一致性，而较低的DSNU值指示更均匀的暗信号行为。低增益模式控制信号调制晶体管LCG可降低到LCG溢出电压电平VLCG，而中间增益模式控制信号调制晶体管MCG可降低到MCG溢出电压电平VMCG。这里，可以将LCG溢出电压电平VLCG设置为比TX溢出电压Vtx大，可以将MCG溢出电压电平VMCG设置为比VLCG大。这与图6B的电势图一致。如果需要，低增益模式控制信号可静态地保持在VLCG或在积分期间一次或多次脉冲到VLCG电压电平，如脉冲302所示。类似地，中间增益模式控制信号可静态地保持在VMCG或在积分期间一次或多次脉冲到VMCG电压电平，如脉冲304所示。行选择晶体管可在积分时段期间保持停用。
读出阶段可以包括多个读出操作。在第一高转换增益或HCG读出时段期间，可执行光电二极管(PD)采样和保持复位(SHR)操作以及PD采样和保持信号(SHS)操作，同时停用晶体管LCG和MCG两者。在整个HCG读出时段期间，行选择晶体管RS可以被启用。在PD SHR操作之前，中间转换增益模式控制信号可脉冲为高电平。在PD SHR操作之后且在PD SHS操作之前，电荷转移控制信号可脉冲为高电平以执行允许所累积电荷从光电二极管PD流动到浮动扩散区域FD的电荷转移操作。
HCG读出时段之后可以是中间转换增益或MCG读出时段。在MCG读出时段期间，可以执行MCG SHS操作和MCG SHR操作，同时启用晶体管MCG。在MCG SHS操作之前，电荷转移控制信号可脉冲为高电平以暂时启用晶体管TX以执行允许所累积电荷从光电二极管PD流动到浮动扩散区域FD的电荷转移操作。在MCG SHS操作之后且在MCG SHR操作之前，复位控制信号可脉冲为高电平以暂时启用复位晶体管RST，低转换增益模式控制信号可脉冲为高电平以暂时启用晶体管LCG，且行选择晶体管RS可暂时关断。从MCG SHS操作读出的信号可包括使用电容器C1储存的溢出电荷。
MCG读出时段之后可以是低转换增益或LCG读出时段。在LCG读出时段期间，可执行LCG SHS操作和LCG SHR操作，同时启用晶体管MCG和LCG两者。在LCG SHS操作之前，电荷转移控制信号可脉冲为高电平以暂时启用晶体管TX以执行允许所累积电荷从光电二极管PD流动到浮动扩散区域FD的电荷转移操作。在LCG SHS操作之后且在LCG SHR操作之前，复位控制信号可脉冲为高电平以暂时启用复位晶体管RST，且行选择晶体管RS可暂时关断。从LCG SHS操作读出的信号包括使用电容器C1和C2两者储存的溢出电荷，该溢出电荷可包括线性部分和非线性部分以用于在信号超过V1复位栅极电势垒的情况下扩展动态范围。
在正常操作期间，复位控制信号的电压V1可在像素之间变化。复位栅极势垒的变化可减小信噪比(SNR)且可引入固定图案噪声或光响应非均匀性(PRNG)问题，尤其是在图像的非常亮的部分处。为了消除这种像素间变化，作为每行读出的一部分，可以采用校准操作来对每个像素校准V1势垒电平。如图12所示，附加的校准阶段可以在读出阶段之后。在校准阶段开始时，复位晶体管RST可被完全启用，复位电压Vrst被驱动到低电压电平，并且行选择晶体管RS被停用。
在校准阶段期间，然后可将复位控制信号驱动到电压电平V1，将复位电压Vrst驱动到在积分期间使用的DSNU优化电平，将低增益模式控制信号驱动到在积分期间使用的VLCG，将中间增益模式控制信号驱动到在积分期间使用的VMCG，并且启用行选择晶体管。在具备这些条件的情况下，然后可执行LCG SHS校准操作以获得选定像素的V1电势读数。该读数然后可以用于将多个像素重新对准到相同的V1势垒电平，以补偿任何可变性影响。
图12的示例是例示性的，其中校准阶段用于校准复位控制信号的V1势垒电平。如果需要，可以采用类似的校准操作来校准复位控制信号的V2势垒电平。如果需要，用于校准V1和V2电平的校准阶段可以在每次读出操作之后执行，在设备通电时执行一次或多次，在工厂或实验室中执行一次或多次，和/或在图像传感器的寿命期间时定期执行。以此方式执行校准可在技术上有利且有益于改进SNR且减少图像传感器设备的固定模式噪声。
图13是根据一些实施方案的用于操作图像传感器中的一个或多个图像像素的例示性步骤的流程图。框350示出了在积分阶段期间可如何降低复位控制信号的电压以扩展图像传感器的动态范围。复位控制信号可以以具有一个或多个阶跃的步进方式、线性方式、指数方式、图4所示方式的一些变化形式或其它离散/连续方式减小。框350的操作可在如图12中所示的复位阶段之后执行。
在框352的操作中，可在多个增益模式下执行一个或多个读出。在图12的示例中，可以以顺序方式执行高增益模式(HCG)读出时段、中间增益模式(MCG)读出时段和低增益模式(LCG)读出时段。这仅仅是例示性的。如果需要，可以在MCG读出之后或在LCG读出之后执行HCG读出。如果需要，可以在HCG读出之前或在LCG读出之后执行MCG读出。如果需要，可以在HCG读出之前或在MCG读出之前执行LCG读出。图12所示的读出操作可用于具有两个电容器以及LCG晶体管和MCG晶体管两者的像素34。对于仅具有一个电容器且不具有MCG晶体管的像素(例如，参见图3A以及图7A的像素34)，读出阶段可省略MCG读出时段。
在框354的操作中，可针对每个像素执行复位电平校准。在该校准阶段期间，可以对每个像素校准复位控制信号的V1电压电平和/或V2电压电平。在校准期间，复位电压Vrst以及LCG晶体管和MCG晶体管的栅极处的控制信号应保持在与积分阶段期间所使用的电压电平相同的电压电平。
在框356的操作中，控制电路(诸如图2中的电路42或44或图1中的电路16)可通过组合来自多个增益模式的读出值同时考虑校准结果来计算总电荷或最终读出信号。例如，HCG读出操作可以产生第一HCG读出值，MCG读出操作(如果执行的话)可以产生第二MCG读出值，并且LCG读出操作可以产生第三LCG读出值。LCG读出值可以包括在复位控制信号保持在V1时获得的线性信号部分和在复位控制信号从V1降低到V2时获得的非线性信号部分。至少可以基于校准结果来调整LCG读出值。如果需要，可任选地基于校准结果来调整MCG读出值。然后可以通过组合HCG读出值、MCG读出值和经调整的/校准的LCG读出值来计算最终读出值。以此方式操作图像像素34可在技术上有利且有益于跨越宽范围的操作温度将无闪烁且无运动伪影的HDR性能扩展许多倍，诸如从120dB扩展到140dB或更多，而不造成大面积成本。
上述内容仅仅为例示性的，并且可对所描述的实施方案进行各种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (20)

1.一种操作图像传感器像素的方法，所述方法包括：
在光电二极管中累积电荷；
在积分阶段期间，所述光电二极管中的所累积的电荷溢出到耦接到复位晶体管的电容器中，所述复位晶体管具有被配置为接收复位控制信号的栅极端子；以及
在所述积分阶段期间，通过将所述复位控制信号从第一电压电平调整到第二电压电平来扩展所述图像传感器像素的动态范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述复位控制信号包括以步进方式将所述复位控制信号从所述第一电压电平降低到所述第二电压电平。
3.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述复位控制信号包括以线性方式将所述复位控制信号从所述第一电压电平降低到所述第二电压电平。
4.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述复位控制信号包括以指数方式将所述复位控制信号从所述第一电压电平降低到所述第二电压电平。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述积分阶段期间，所述复位控制信号处于所述第一电压电平的时间段大于所述复位控制信号处于所述第二电压电平的时间段。
6.根据权利要求1所述的方法，其中当所述复位控制信号处于所述第一电压电平时，储存在所述电容器中的所述电荷表示线性信号，并且其中当所述复位控制信号从所述第一电压电平调整到所述第二电压电平时，储存在所述电容器中的附加电荷表示非线性信号。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述积分阶段期间部分地启用或完全启用低转换增益LCG晶体管。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
在所述积分阶段期间部分地启用中间转换增益MCG晶体管，其中所述LCG晶体管被配置为在所述积分阶段期间接收第一栅极电压，并且其中所述MCG晶体管被配置为在所述积分阶段期间接收不同于所述第一栅极电压的第二栅极电压。
9.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
在读出阶段期间，获得高转换增益HCG读出值和低转换增益LCG读出值；以及
在所述读出阶段之后的校准阶段期间，校准所述复位控制信号的所述第一电压电平。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
在所述积分阶段期间，将所述LCG晶体管的栅极电压设置为部分地启用所述LCG晶体管的给定电压电平；以及
在所述校准阶段期间，将所述复位控制信号设置为所述第一电压电平并且将所述LCG晶体管的所述栅极电压设置为所述给定电压电平。
11.一种图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：
光电二极管；
电荷转移晶体管，所述电荷转移晶体管耦接在所述光电二极管和浮动扩散节点之间；
复位晶体管，所述复位晶体管具有耦接到所述浮动扩散节点的第一源极-漏极端子、被配置为接收复位电压的第二源极-漏极端子、以及被配置为接收复位控制信号的栅极端子；和
电容器，所述电容器直接耦接到所述复位晶体管并且被配置为在积分阶段期间从所述光电二极管接收溢出电荷，其中所述复位控制信号在所述积分阶段期间被动态地调整以扩展所述图像传感器像素的动态范围。
12.根据权利要求11所述的图像传感器像素，所述图像传感器像素还包括：
低转换增益LCG晶体管，所述LCG晶体管耦接在所述浮动扩散节点与所述复位晶体管之间，其中所述LCG晶体管在所述积分阶段期间被部分地启用或完全启用。
13.根据权利要求12所述的图像传感器像素，所述图像传感器像素还包括：
附加电容器，所述附加电容器具有被配置为接收所述复位电压的第一端子并且具有第二端子；和
中间转换增益MCG晶体管，所述MCG晶体管耦接在所述浮动扩散节点与所述附加电容器的所述第二端子之间，其中所述MCG晶体管在所述积分阶段期间被部分地启用。
14.根据权利要求12所述的图像传感器像素，所述图像传感器像素还包括：
中间转换增益MCG晶体管，所述MCG晶体管耦接在所述浮动扩散节点与所述LCG晶体管之间；和
附加电容器，所述附加电容器具有被配置为接收所述复位电压的第一端子并且具有耦接到在所述LCG晶体管与所述MCG晶体管之间的节点的第二端子。
15.根据权利要求12所述的图像传感器像素，所述图像传感器像素还包括：
中间转换增益MCG晶体管，所述MCG晶体管具有耦接到所述光电二极管的第一源极-漏极端子并且具有第二源极-漏极端子；和
附加电容器，所述附加电容器具有耦接到所述MCG晶体管的所述第二源极-漏极端子的第一端子并且具有被配置为接收所述复位电压的第二端子。
16.根据权利要求11所述的图像传感器像素，其中所述复位控制信号在所述积分阶段期间以离散或连续方式从第一电压电平降低到第二电压电平。
17.一种图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：
光电二极管；
电荷转移晶体管，所述电荷转移晶体管耦接在所述光电二极管和浮动扩散节点之间；
第一复位晶体管，所述第一复位晶体管具有耦接到所述浮动扩散节点的第一源极-漏极端子和被配置为接收复位控制信号的栅极端子；
第二复位晶体管，所述第二复位晶体管具有耦接到所述浮动扩散节点的第一源极-漏极端子和被配置为接收复位电压的第二源极-漏极端子；和
电容器，所述电容器直接耦接到所述第一复位晶体管的第二源极-漏极端子并且被配置为在积分阶段期间从所述光电二极管接收溢出电荷。
18.根据权利要求17所述的图像传感器像素，其中所述复位控制信号在所述积分阶段期间从第一电压电平降低到第二电压电平以扩展所述图像传感器像素的动态范围。
19.根据权利要求17所述的图像传感器像素，所述图像传感器像素还包括：
低转换增益LCG晶体管，所述LCG晶体管耦接在所述光电二极管与所述第一复位晶体管的所述第二源极-漏极端子之间，其中所述LCG晶体管在所述积分阶段期间被部分地启用。
20.根据权利要求19所述的图像传感器像素，所述图像传感器像素还包括：
中间转换增益MCG晶体管，所述MCG晶体管耦接在所述光电二极管和所述LCG晶体管之间；和
附加电容器，所述附加电容器具有被配置为接收所述复位电压的第一端子并且具有耦接到在所述MCG晶体管与所述LCG晶体管之间的节点的第二端子。
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