CN208987026U - 图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型题为“图像传感器”。本实用新型公开了一种图像传感器，所述图像传感器可包括被布置成行和列的双转换增益图像像素的阵列。沿着相同列布置的所述图像像素可耦接到列线。所述列线可耦接到抗暗化控制电路。在一个合适的布置中，所述抗暗化控制电路可包括比较器，所述比较器将所述列线上的输出信号与抗暗化偏置电压进行比较。如果在重置采样周期期间，所述列线上的所述输出信号小于所述抗暗化偏置电压，则可使用电流源对所述选择的图像像素中的双转换栅极电容器的底板进行充电，以帮助恢复所述选择的像素中的所述浮动扩散节点的电压。
Description
技术领域
本实用新型整体涉及成像系统，并且更具体地讲，涉及具有用于处理暗化现象的电路的成像系统。
背景技术
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。阵列中的每个图像像素包括经由转移栅极耦接到浮动扩散区的光电二极管。将列电路耦接到每个像素列以用于读出来自图像像素的像素信号。列电路通常实现相关双采样(CDS)处理，该处理涉及通过计算在重置操作期间采样的重置信号与在电荷转移操作之后采样的图像信号之间的差异来获得像素信号。
当至少一些像素暴露于强光(诸如来自太阳的直接照射)时，会发生暗化现象。强光可使得浮动扩散泄漏，这导致错误的重置信号被采样(即，在重置操作期间采样的重置信号可表现出小于期望重置电平的电压电平)。因此，经由CDS计算的像素信号变为较小值，当过度照射的像素在其应该亮的时候呈现为暗时，这样的效果显现出来。
本文的实施方案就是在这种背景下出现的。
实用新型内容
本公开涉及图像传感器。
根据本公开的一个方面，提供有一种图像传感器，包括：图像像素；列输出线，所述列输出线耦接到所述图像像素；和抗暗化电路，所述抗暗化电路耦接到所述列输出线并且配置为减轻列固定模式噪声，其中所述抗暗化电路包括比较器和配置为从所述比较器接收输出信号的锁存器。
优选地，所述图像像素是包括双转换增益电容器的双转换增益图像像素。
优选地，所述双转换增益电容器直接耦接到所述抗暗化电路。
优选地，所述比较器具有不同的第一输出端和第二输出端。
优选地，所述抗暗化电路还包括：电流源，所述电流源被配置为选择性地对所述双转换增益电容器进行充电；第一开关，所述第一开关具有耦接到所述锁存器的栅极端子；和第二开关，所述第二开关具有耦接到所述比较器的所述第二输出端的栅极端子，其中所述第二开关与所述电流源和所述第一开关串联耦接。
优选地，所述锁存器是设置-重置锁存器。
根据本公开的另一个方面，提供有一种图像传感器，包括：像素，所述像素能够以多种增益模式操作，其中所述像素包括：浮动扩散节点；和电容器，所述电容器具有顶板和底板，其中所述电容器的所述顶板耦接到所述浮动扩散节点；和抗暗化电路，所述抗暗化电路被配置为选择性地对所述电容器的所述底板进行充电以减轻列固定模式噪声，其中所述抗暗化电路包括比较器和配置为从所述比较器接收输出信号的锁存器。
优选地，所述抗暗化电路包括：电流源，所述电流源被配置为对所述电容器的所述底板进行充电，其中所述比较器具有被配置为从所述像素接收信号的第一输入端、被配置为接收参考电压的第二输入端、第一输出端和第二输出端，在所述第一输出端上输出信号被提供到所述锁存器；第一开关，所述第一开关被配置为从所述锁存器接收信号；和第二开关，所述第二开关被配置为从所述比较器的所述第二输出端接收信号，其中所述电流源、所述第一开关和所述第二开关串联耦接。
附图说明
图1为根据一个实施方案的包括图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。
图3为耦接到抗暗化上拉电路的图像像素的电路图。
图4为根据一个实施方案的耦接到一列双转换增益图像传感器像素的示例性抗暗化电路的电路图。
图5为根据一个实施方案的示出图4的抗暗化电路的一个合适的实施方式的电路图。
图6为根据一个实施方案的示出图5中所示类型的抗暗化电路的操作的时序图。
具体实施方式
本实施方案涉及具有耦接到抗暗化电路的像素的图像传感器。图1中示出了可包括具有抗暗化电路的像素的示例性电子设备。电子设备10可以是数字照相机、计算机、移动电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12 (有时称为成像设备)可包括图像传感器16和一个或多个透镜14。在操作期间，透镜14将光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16包括将光转换成数字数据的光敏元件(例如，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16可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)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。
可将来自图像传感器16的静态图像数据和视频图像数据提供至处理电路18。处理电路18可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、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。
处理电路18也可用于根据需要来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(有时称为片上系统(SOC) 布置)中，图像传感器16和处理电路18在共用集成电路上实现。使用单个集成电路来实现图像传感器16和处理电路18可有助于降低成本。不过，这仅为示例性的。如果需要，图像传感器16和处理电路18可使用单独的集成电路来实现。处理电路18可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路、或其他处理电路。
如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20，并且还可包括控制和处理电路24(例如，图像信号处理电路)。阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26(有时称为行寻址或行解码器电路)和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路、列解码器电路或数据转换器电路)。可在半导体衬底23上形成像素阵列20、控制和处理电路24、行控制电路26 和图像读出电路28。如果需要，图像传感器16的一些或所有部件可替代地形成在除衬底23之外的衬底上，所述衬底可例如通过引线结合或倒装芯片结合连接到衬底23。
行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30 将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和/或读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20中的像素22的每一列。列线32 可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路 26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素 22产生的图像信号。
图像读出电路28可通过列线32接收图像信号(如，由像素22产生的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的闩锁电路，或者耦接至阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22以及用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素通过路径25将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。
图3示出耦接到抗暗化电路150的图像像素22的示意图。像素22包括光电二极管102(PD)、电荷转移栅极106、浮动扩散节点104(FD)、重置晶体管108、源极跟随器晶体管110(SF)和行选择晶体管112。光电二极管102 经由电荷转移晶体管106耦接到浮动扩散节点104。控制信号TX可被驱动为高，以允许在光电二极管102中累积的电荷被转移到节点104。重置晶体管108连接在电源端子122和浮动扩散节点104之间。电源端子122可耦接到任何期望的偏置电压VAAPIX(例如，1.8V、2.8V、介于1.5V和3.5V之间、介于1V和6V之间、大于1V、小于10V等)。重置晶体管108可通过以下方式来接通：将重置信号RST驱动为高以将节点104驱动到VAAPIX重置电平。源极跟随器晶体管110和行选择晶体管112串联耦接在电源端子124和列输出线32之间。电源端子124可耦接到任何期望的偏置电压VAAPIX(例如，1.8V、2.8V、介于1.5V和3.5V之间、介于1V和6V之间、大于1V、小于10V等)。列输出线32可耦接到电流源，诸如电流源128。晶体管110 可具有连接到节点104的栅极，而晶体管112可具有由行选择信号SEL控制的栅极。
信号SEL可被驱动为高，使得信号可从像素22读出到列输出线上。列输出线上的电压Vpixout可表示在读出操作期间的任何给定时间点处的像素信号。如图3所示，电路150连接到列输出线32。具体地讲，电路150包括串联连接在电源端子126和列输出线32之间的上拉晶体管151和152。电源端子126可耦接到任何期望的偏置电压VAAPIX(例如，1.8V、2.8V、介于1.5V 和3.5V之间、介于1V和6V之间、大于1V、小于10V等)。晶体管151 可具有接收抗暗化偏置电压(ECL_BIAS)的栅极端子。抗暗化偏置电压可以是任何期望的电压(例如，1.7V、2.7V、介于1.5V和3.5V之间、介于1V 和6V之间、大于1V、小于10V等)。晶体管152可具有接收抗暗化控制脉冲ECL_EN的栅极端子。电路150可帮助减轻暗化状况对像素数据的负面影响。
在暗化状况下，浮动扩散区104中的过量电荷可导致浮动扩散区域104 处的电压下降。因为Vpixout与浮动扩散区处的电压成比例，所以暗化状况也导致Vpixout的电压降。因此，当对重置电荷电平进行采样时，重置电荷电平表现为低。这使得来自光电二极管的相关双采样读出不准确。抗暗化电路150通过在重置采样周期期间将Vpixout钳位到给定电压来帮助解决该问题。在图3中，ECL_BIAS可以是任何期望的电压(例如，1.7V、2.7V、介于1.5V和3.5V之间、介于1V和6V之间、大于1V、小于10V等)。图3 中的抗暗化电路150因此确保采样的重置电荷电平将具有最小值(例如，1.7V 或另一个期望的最小值)。即使浮动扩散区下降到低值，由于抗暗化电路150， Vpixout也将保持在最小值。
理想的是，抗暗化电路150在非暗化状况下不应干扰Vpixout。由于 Vpixout重置电位的变化(其可能由源极跟随器晶体管的阈值电压、晶体管 151的阈值电压、或一些其他非线性效应的变化导致)，抗暗化电路150仍可被触发。在此类情况下，电压Vpixout将具有两个竞争重置电位-一个来自抗暗化电路150而另一个来自源极跟随器晶体管110。抗暗化电位可超越源极跟随器。因此，从抗暗化电路150采样重置噪声，同时仅从像素采样信号噪声。这两种噪声不相关，并且不能取消。由于每个单独列的电路150中的晶体管151和152之间的变化，这可能发生在一列而不是另一列中。因此，图3的布置可产生不期望的列固定模式噪声(cFPN)。
根据一个实施方案，图像传感器电路400可包括耦接到逐列抗暗化电路 410的像素402，该逐列抗暗化电路被配置为减轻列固定模式噪声(参见例如图4)。如图4所示，图像传感器像素402可以是双转换增益(DCG)像素，该双转换增益像素可在第一模式(例如，低增益模式)和第二模式(例如，高增益模式)下操作。每个DCG像素402可包括双转换增益电容器，该双转换增益电容器被选择性地切换成使用和不使用以将该像素置于第一模式和第二模式中的一个中。沿着相同列布置的像素402可耦接到对应的列读出线404，在该列读出线上提供电压Vpixout。
每列抗暗化电路410可包括比较器412、锁存器414、电流源416和开关电路418。比较器412可以是电压比较器，其接收电压Vpixout并且将 Vpixout与参考电压进行比较。比较器412和锁存器414均可根据Vpixout 的当前电压电平来控制开关电路418。开关电路418可选择性地允许电流源 416使用路径420对所选择的像素402中的DCG电容器进行充电。
图5为示出抗暗化电路410的一个合适的实施方式的电路图。如图5所示，像素402可包括光敏元件诸如光电二极管502、电荷转移晶体管诸如电荷转移栅极508、浮动扩散节点(或区)FD、重置晶体管510、源极跟随器晶体管512、行选择晶体管514、DCG电容器518、以及DCG开关晶体管 516。
光电二极管502可经由电荷转移晶体管508耦接到浮动扩散节点FD。控制信号TX可生效，以允许在光电二极管502中累积的电荷被转移到节点 FD。重置晶体管510可耦接在电源线506和浮动扩散节点FD之间。电源线 506可被偏置到任何期望的电源电压VAAPIX(例如，1.8V、2.8V、介于1.5V 和3.5V之间、介于1V和6V之间、大于1V、小于10V等)。重置晶体管 510可通过以下方式来接通：使重置信号RST生效以将节点FD驱动到VAAPIX重置电平。
源极跟随器晶体管512和行选择晶体管514串联耦接在电源端子506和列输出线404之间。源极跟随器晶体管512可具有连接到节点FD的栅极，而行选择晶体管514可具有由行选择信号RS控制的栅极。信号RS可生效，使得信号可从像素402读出到列输出线404上。列输出线404上的电压 Vpixout可表示在读出操作期间的任何给定时间点处的像素信号。
晶体管516和电容器518可串联耦接在节点FD和控制线420之间，该控制线耦接到每列抗暗化电路410。电容器518可直接耦接到电路410。如果晶体管516被接通，则电容器518可加载浮动扩散节点FD(例如，电容器518可经由电荷共享来影响节点FD的电压，可降低像素402的增益等)。如果晶体管516被关断，则电容器518与浮动扩散节点FD解耦。
仍然参见图5，抗暗化电路410可包括比较器412(例如，差分比较器电路)、锁存器414(例如，设置-重置锁存器)、电流源416、和开关电路 418(例如，耦接到负载电容器CL的开关晶体管S1和S2)。比较器412可具有从列线404接收Vpixout的第一(+)输入端，接收参考暗化偏置电压 Vecl_bias的第二(-)输入端，耦接到锁存器414的第一(+)输出端，以及耦接到开关S2的栅极端子的第二(-)输出端。比较器412可通过信号Ven启用(例如，如果Ven为高则可激活比较器，或者当Ven为低时可停用比较器)。
锁存器414可具有耦接到比较器412的第一(+)输出端的设置(S)输入端，接收线有效电压Vline_valid的重置(S)输入端，以及耦接到开关S1的栅极端子的输出(Q)端。如果重置输入端为高，则输出端Q被驱动为低。如果设置输入端为高，则输出端Q被驱动为高。否则，锁存器414应保持其值。设置输入端和重置输入端不应同时为高。
开关S1耦接在节点560和地电源线504(例如，在其上提供地电源电压的地线)之间。电容器CL耦接在节点560和地504之间。开关S2耦接在电流源416和节点560之间。节点560可经由路径420耦接到沿着该特定列布置的每个像素402中的电容器518的底板。
在正常操作期间(例如，当Vpixout大于Vecl_bias时)，DCG电容器 518的底板处于地，因为开关S2通常是断开的，并且开关S1是导通的。然而，在暗化状况下，亮光将导致节点FD下降，这然后可使得Vpixout下降到Vecl_bias以下。当Vpixout小于Vecl_bias时，比较器412跳闸并接通开关S2，同时关断开关S1。在任何给定的时间点处，只应接通开关S1和S2 中的一个。当开关S2被接通时，电流源416对节点560进行充电，该节点线性地对DCG电容器518的底板进行充电。这样做将直接增加浮动扩散节点FD的电压，从而将Vpixout恢复到其期望电平。
开关S1将保持断开，并且Vline_valid一生效就可被接通，这在操作移动到下一行时发生，或者可由一些其他中间信号触发，这然后将使电容器518 的底部位置恢复回到地。通过以这种方式直接将抗暗化补偿应用于浮动扩散节点FD而不是简单地对列输出线进行充电，可通过相关双采样(CDS)过程来消除由电路410引入的任何噪声，从而消除cFPN。如果需要，可实现用抗暗化电路直接对浮动扩散节点进行充电的其他方式。此外，双转换增益像素设计不需要额外的结构。
图6为示出在访问给定行时抗暗化电路410的操作的时序图。在时间t1 处，信号Vline_valid可被脉冲为高以重置锁存器414。在时间t2处，信号 RST可生效以将浮动扩散电压Vfd充电高至重置电平。当Vfd被充电时， Vpixout(线602)将跟着被充电。
在时间t3处，信号RST失效，并且信号RS、采样-保持-重置控制信号 SHR和启用信号Ven生效以获得采样的重置电平。因此，Vfd可开始下降，并且波形602也将会下滑。当Vpixout在时间t4处下降到Vecl_bias以下(如电压电平604所示)时，开关S1的栅极处的电压Vs1将变低，而开关S2的栅极处的电压Vs2将暂时脉冲为高。当开关S2导通时，电流源416将开始对对应DCG电容器的底板进行充电，这将导致Vfd开始增加。当Vfd开始斜升回来时，Vpixout也将开始充电。Vpixout一超过Vecl_bias(在时间t5 处)，比较器412就再次跳闸，使得Vs2变低。启用列读出电路(图2)中的模数转换器的信号Vadc_en然后可生效以将采样的重置电平转换为数字等效值。
在时间t6处，信号TX被脉冲为高以转移累积的电荷。在时间t7处，信号RS、采样-保持-信号控制信号SHS和启用信号Ven生效以获得采样的信号电平。信号Vadc_en然后可再次生效以将采样的信号电平转换为数字等效值。可(经由CDS)从采样的重置电平中减去采样的信号电平，以获得没有任何cFPN噪声的最终像素输出。在时间t8处，信号Vline_valid可生效以表示下一行的开始。
这些步骤仅仅是示例性的，并且不旨在限制本实施方案。可修改或省去现有步骤；可并行执行步骤中的一些；可添加附加步骤；并且可颠倒或改变某些步骤的顺序。
根据一个实施方案，提供了图像传感器，该图像传感器包括：图像像素；耦接到图像像素的列输出线；以及耦接到列输出线的抗暗化电路，其中抗暗化电路包括比较器和锁存器。
根据另一个实施方案，图像像素任选地为包括双转换增益电容器的双转换增益图像像素。
根据另一个实施方案，双转换增益电容器任选地直接耦接到抗暗化电路。
根据另一个实施方案，比较器任选地具有不同的第一输出端和第二输出端。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地还包括被配置为选择性地对双转换增益电容器进行充电的电流源。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地还包括具有耦接到锁存器的栅极端子的第一开关。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地还包括具有耦接到比较器的第二输出端的栅极端子的第二开关，并且第二开关任选地与电流源和第一开关串联耦接。
根据另一个实施方案，锁存器任选地为设置-重置锁存器。
根据一个实施方案，提供了操作图像传感器的方法，其中该方法包括：利用双转换增益图像像素，累积电荷；利用双转换增益图像像素，将电压输出到对应的列线上；以及利用抗暗化电路，比较输出电压与参考偏置电压，并且响应于下降到参考偏置电压以下的输出电压来将电流选择性地提供给双转换增益图像像素。
根据另一个实施方案，其中比较输出电压与参考偏置电压任选地包括使用差分比较器来比较输出电压与参考偏置电压。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括：利用抗暗化电路中的锁存器，从差分比较器接收第一比较器输出信号。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括：利用抗暗化电路中的第一开关，从锁存器接收锁存器信号。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括：利用抗暗化电路中的第二开关，从差分比较器接收第二比较器输出信号，其中第一开关和第二开关中的仅一个在任何给定时间点处被接通。
根据另一个实施方案，其中将电流选择性地提供给双转换增益图像像素任选地包括使用第二开关来将来自抗暗化电路中的电流源的电流直接传递到双转换增益图像像素。
根据另一个实施方案，双转换增益图像像素任选地包括双转换增益电容器，并且将电流选择性地提供给双转换增益图像像素任选地包括使用电流源对双转换增益电容器的底板进行充电。
根据一个实施方案，提供了图像传感器，该图像传感器包括：可以多种增益模式操作的像素，其中像素包括：浮动扩散节点；以及具有顶板和底板的电容器，其中电容器的顶板耦接到浮动扩散节点；以及被配置为选择性地对电容器的底板进行充电的抗暗化电路。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地包括比较器。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地包括锁存器。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地包括被配置为对电容器的底板进行充电的电流源。
根据另一个实施方案，抗暗化电路任选地包括：比较器，该比较器具有被配置为从像素接收信号的第一输入端、被配置为接收参考电压的第二输入端、第一输出端和第二输出端；锁存器，该锁存器被配置为从比较器的第一输出端接收信号；第一开关，该第一开关被配置为从锁存器接收信号；和第二开关，该第二开关被配置为从比较器的第二输出端接收信号，其中电流源、第一开关和第二开关串联耦接。
前述内容仅是对本实用新型原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的实质和范围的前提下进行多种修改。
Claims (8)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
图像像素；
列输出线，所述列输出线耦接到所述图像像素；和
抗暗化电路，所述抗暗化电路耦接到所述列输出线并且配置为减轻列固定模式噪声，其中所述抗暗化电路包括比较器和配置为从所述比较器接收输出信号的锁存器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像像素是包括双转换增益电容器的双转换增益图像像素。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述双转换增益电容器直接耦接到所述抗暗化电路。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述比较器具有不同的第一输出端和第二输出端。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述抗暗化电路还包括：
电流源，所述电流源被配置为选择性地对所述双转换增益电容器进行充电；
第一开关，所述第一开关具有耦接到所述锁存器的栅极端子；和
第二开关，所述第二开关具有耦接到所述比较器的所述第二输出端的栅极端子，其中所述第二开关与所述电流源和所述第一开关串联耦接。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述锁存器是设置-重置锁存器。
7.一种图像传感器，其特征在于，包括：
像素，所述像素能够以多种增益模式操作，其中所述像素包括：
浮动扩散节点；和
电容器，所述电容器具有顶板和底板，其中所述电容器的所述顶板耦接到所述浮动扩散节点；和
抗暗化电路，所述抗暗化电路被配置为选择性地对所述电容器的所述底板进行充电以减轻列固定模式噪声，其中所述抗暗化电路包括比较器和配置为从所述比较器接收输出信号的锁存器。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述抗暗化电路包括：
电流源，所述电流源被配置为对所述电容器的所述底板进行充电，其中所述比较器具有被配置为从所述像素接收信号的第一输入端、被配置为接收参考电压的第二输入端、第一输出端和第二输出端，在所述第一输出端上输出信号被提供到所述锁存器；
第一开关，所述第一开关被配置为从所述锁存器接收信号；和
第二开关，所述第二开关被配置为从所述比较器的所述第二输出端接收信号，其中所述电流源、所述第一开关和所述第二开关串联耦接。
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