CN210007779U - 读出电路、图像传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种读出电路、图像传感器和电子设备，能够有效降低图像传感器的面积和功耗上的开销。该读出电路包括：多个电容器、开关电路和输出电路；其中，多个电容器通过开关电路连接至输出电路；多个电容器用于分别存储多个像素电路的输出信号；输出电路用于通过开关电路逐个输出多个电容器存储的信号。

Description

读出电路、图像传感器和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及读出电路技术领域，并且更具体地，涉及一种读出电路、图像传感器和电子设备。

背景技术

图像传感器是一种将光信号转换成电信号的装置。图像传感器通常包括像素电路、读出电路、模数转换电路和数字处理电路，其中，像素电路可以将感受到的光信号转换成电信号后，输入到读出电路中，读出电路可以将像素电路输出的电信号放大和读出，模数转换电路可以将读出电路输出的模拟信号转换为数字信号，数字处理电路可以对模数转换电路输出的数字信号进行算法处理。

随着社会的发展，图像传感器的面积和功耗问题越来越受到人们的关注。因此，如何减小图像传感器的面积和功耗，是一项亟待解决的问题。

实用新型内容

本申请实施例提供一种读出电路、图像传感器和电子设备，能够有效降低图像传感器的面积和功耗上的开销。

第一方面，提供了一种读出电路，包括：多个电容器、开关电路和输出电路；其中，所述多个电容器通过所述开关电路连接至所述输出电路；所述多个电容器用于分别存储多个像素电路的输出信号；所述输出电路用于通过所述开关电路逐个输出所述多个电容器存储的信号。

在一些可能的实施例中，所述开关电路包括多个开关，所述多个开关与所述多个电容器一一对应，所述输出电路用于通过所述多个开关的逐个导通以逐个输出所述多个电容器存储的信号。

在一些可能的实施例中，当所述输出电路用于输出所述多个电容器中的第i个电容器存储的信号时，所述第i个电容器对应的开关导通，所述开关电路中除所述第i个电容器对应的开关之外的其他开关断开。

在一些可能的实施例中，所述多个像素电路为同一方向上的像素电路。

在一些可能的实施例中，所述多个电容器的数量小于或等于所述同一个方向上的像素电路的数量。

在一些可能的实施例中，所述多个电容器用于同时采样并存储所述多个像素电路的输出信号。

在一些可能的实施例中，当所述多个电容器同时采样所述多个像素电路的输出信号时，所述开关电路中的所有开关导通。

在一些可能的实施例中，所述输出电路包括运算放大器，所述运算放大器用于放大和输出所述多个电容器存储的信号。

在一些可能的实施例中，所述输出电路还包括：反馈电容器、第一开关、第二开关和第三开关；其中，所述第一开关的两端分别连接至所述运算放大器的输入端和输出端，所述反馈电容器的左极板连接至所述运算放大器的输入端，所述反馈电容器的右板通过第三开关连接至所述运算放大器的输出端，所述第二开关的两端分别连接至所述反馈电容器的右极板和电压源。

第二方面，提供了一种图像传感器，包括第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的读出电路。

第三方面，提供了一种电子设备，包括第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的读出电路。

上述技术方案，读出电路中包括多个(例如S个)电容器，从而可以对S个像素电路的输出信号进行独立的存储，然后逐个进行输出，使得S个像素电路可以共用一个读出电路，这样的话，图像传感器中的读出电路数目可以降低为原来的1/S。由于电容器在读出电路中的尺寸较小，增加电容器后增加的读出电路的面积可以忽略不计。此外，读出电路中的功耗主要来源于输出电路，增加电容器后读出电路的功耗几乎不变，从而图像传感器的面积和功耗可以降低为原来的1/S。

附图说明

图1是现有的一种读出电路的应用方式示意图。

图2是一种现有的读出电路结构示意图。

图3是图1和图2所示的读出电路对应的控制方式时序图。

图4是本申请实施例的读出电路的示意图。

图5是本申请实施例的一种读出电路的结构示意图。

图6是图5所示的读出电路的一种应用方式示意图。

图7是图5和图6所示的读出电路对应的控制方式时序图。

图8是本申请实施例的另一种读出电路的结构示意图。

图9是图8所示的读出电路的一种应用方式示意图。

图10是本申请实施例的超像素电路的结构示意图。

图11是本申请实施例的电子设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

图1是现有的一种读出电路100的应用方式示意图。在图1中，一个读出电路与一行的n个像素电路连接，像素电路的输出为读出电路的输入。下面结合图2和图3对读出电路100的工作原理进行描述。其中，图2为图1中的读出电路100的结构示意图，图3是该读出电路100对应的控制方式时序图。

如图2所示，读出电路100主要可以由以下6个部分构成：①输入电容器C₁，输入电容器C₁的电容为C₁；②反馈电容器C₂，反馈电容器C₂的电容为C₂；③运算放大器(OperationalAmplifier，OPA)，OPA的增益为-A，理想情况下A为∞，OPA的输入电压为V_I，输出电压为V_OUT；④采样开关SW₁，SW₁的控制信号为CLK_S；⑤两个保持开关之一SW₂，SW₂控制信号为CLK_H1；⑥两个保持开关之一SW₃，SW₃的控制信号为CLK_H2。为了便于描述，前述3个开关均定义为：控制信号高电平时导通。

结合图3的时序图可以看出：

在t1时刻，CLK_S从低电平变为高电平，CLK_H1为高电平，CLK_H2为低电平，此时SW₁开始导通，SW₂导通，SW₃断开，并且在t1至t2时段SW₁、SW₂和SW₃的状态维持不变，该电路工作在采样相位。反馈可以使得理想情况下的OPA的输入电压V_I维持在共模电压，设OPA的共模电压为V_CM，t1至t2时段读出电路100的输入信号为V_IN1，则输入电容器C₁上存储的电荷满足：(V_IN1-V_CM)*C₁，反馈电容器C₂上存储的电荷满足：(V_REF-V_CM)*C₂。其中，V_REF为电压源的电压。

然后，在t2至t3时段，CLK_S从高电平变为低电平，CLK_H1从高电平变为低电平，CLK_H2从低电平变为高电平，因此在t3时刻SW₁断开，SW₂断开，SW₃开始导通，并且在t3至t4时段SW₁、SW₂和SW_3的状态维持不变，该电路工作在保持相位。反馈可以使得理想情况下的OPA输入电压V_I维持在共模电压V_CM，设t3至t4时段OPA的输入电压为V_IN2，则输入电容器C₁上存储的电荷可以满足：(V_IN2-V_CM)*C₁，反馈电容器C₂上存储的电荷可以满足：(V_OUT-V_CM)*C₂。

从采样相位切换到保持相位的过程中，输入电容器C₁的右极板以及反馈电容器C₂的左极板均没有电荷通路，因此根据电荷守恒原理有：

(V_IN2-V_CM)*C₁+(V_OUT-V_CM)*C₂＝(V_IN1-V_CM)*C₁+(V_REF-V_CM)*C₂ (1)

由公式(1)可以得到：

最后，在t4至t5时段，CLK_H2从高电平变为低电平，CLK_H1从低电平变为高电平，CLK_S从低电平变为高电平，因此在t5时刻SW₁开始导通，SW₂导通，SW₃断开，读出电路回复到t1时刻的状态。

需要说明的是，前述内容的采样相位、保持相位、采样开关、保持开关等仅仅为了区分不同的状态和不同的开关，它们也可以称为相位1、相位2、开关1和开关2等。

对于像素电路1来说，在t1至t2时段像素电路1可能输出信号电压V_sig1，t3至t4时段输出复位电压V_rst1，将像素电路1的输出作为读出电路的输入，读出电路即可将像素电路1中的光电信号读出：

或者，在t1至t2时段像素电路1可能输出复位电压V_rst1，t3至t4时段输出信号电压V_sig1，将像素电路1的输出作为读出电路的输入，读出电路即可将像素电路1中的光电信号读出：

其中，(V_sig1-V_rst1)为像素电路1的有效光电信号。从公式(3)和公式(4)中可以看到，调整输入电容器C₁和反馈电容器C₂的比例，可以改变读出电路的增益。

如前所述，在t1至t5时段，读出电路100可以对像素电路1的有效光电信号进行读出，在t5至t6时段，读出电路100重复t1至t5时段的操作，可以读出像素电路2的有效光电信号。按此方式，读出电路100可以连续将像素电路1至像素电路n的有效光电信号连续读出。

读出电路读出的像素电路1至像素电路n的有效光电信号可以为：

或者：

其中，n为整数，且n＝1、2、3……n。

然而，图2所示的读出电路100仅能对一行(或者一列)像素的有效光电信号进行连续读出。在一个图像传感器中通常有m*n个像素电路，且像素电路的控制一般是按照逐行或者逐列进行的，设m为行数，n为列数，则一个图像传感器需要m个(或者n个)上述读出电路。对于图像传感器来说，在面积和功耗上都是巨大的开销。

鉴于此，本申请实施例提出了一种读出电路，可以减小图像传感器的面积和功耗开销。

图4示出了本申请实施例的读出电路200的示意图。如图4所示，读出电路200可以包括多个电容器210、开关电路220和输出电路230。其中，多个电容器210通过开关电路220连接至输出电路230，多个电容器210用于分别存储多个像素电路的输出信号，输出电路230用于通过开关电路220逐个输出多个电容器210存储的信号。

在本申请实施例中，读出电路中包括多个(例如S个)电容器，从而可以对S个像素电路的输出信号进行独立的存储，然后逐个进行输出，使得S个像素电路可以共用一个读出电路，这样的话，图像传感器中的读出电路数目可以降低为原来的1/S。由于电容器在读出电路中的尺寸较小，增加电容器后增加的读出电路的面积可以忽略不计。此外，读出电路中的功耗主要来源于输出电路，增加电容器后读出电路的功耗几乎不变，从而图像传感器的面积和功耗可以降低为原来的1/S。

应理解，本申请实施例的读出电路可以应用于集成电路领域。可选地，本申请实施例的读出电路可以应用于图像传感器。例如，图像传感器可以为光学指纹传感器。其中，图像传感器也可以称为图像传感器芯片或其他名称，光学指纹传感器也可以称为指纹传感器、光传感器、指纹传感器芯片。

还应理解，本申请实施例的读出电路对像素电路没有特殊要求，并且对运算放大器的结构也没有特殊要求，运算放大器例如可以是双端输入运算放大器、轨到轨运算放大器、全差分运算放大器等。因此本申请实施例的读出电路可以广泛应用于现有的图像传感器的设计中。

在本申请实施例中，多个像素电路可以为同一个方向上的像素电路。其中，此处提到的同一个方向上的像素电路可以为同一行的像素电路，或者，可以为同一列的像素电路。

可选地，多个电容器210的数量可以小于或等于像素电路的数量。例如，在图像传感器中，有m*n个像素电路，若上述内容提到的多个像素电路为同一列的像素电路，则多个电容器210的数量可以小于或等于m；若上述内容提到的多个像素电路为同一行的像素电路，则多个电容器210的数量可以小于或等于n。

优选地，多个电容器210的数量等于同一个方向上的像素电路的数量。此时，图像传感器中所需的读出电路的数量最少，图像传感器的面积和功耗最小。

对于多个电容器210来说，可选地，在一些实施例中，多个电容器210可以同时采样并存储多个像素电路的输出信号。

举例说明，若图像传感器有10*5个像素电路，本申请实施例中的像素电路为同一列的像素电路，则多个电容器210可以同时存储第1列的10个像素电路的输出信号，之后，输出电路逐个输出10个像素的电路的输出信号。接下来，多个电容器210同时存储第2列的10个像素电路的输出信号，然后，输出电路逐个输出第2列的10个像素的电路的输出信号。以此类推，多个电容器210可以同时存储第5列的10个像素电路的输出信号，之后，输出电路逐个输出第5列的10个像素的电路的输出信号。

当多个电容器210同时采样多个像素电路的输出信号时，本申请实施例中的开关电路220中的所有开关导通。

在该实现方式中，可以在不改变像素电路的控制方式的情况下减小读出电路的数量，从而降低图像传感器的面积和功耗开销。

可选地，在另一些实施例中，多个电容器210也可以不同时采样并存储多个像素电路的输出信号。例如，多个电容器210依次采样并存储多个像素电路的输出信号；或者，多个电容器210可以分为多个组，每组中的电容器同时采样并存储像素电路的输出信号，不同组的电容器采样并存储像素电路的输出信号的时刻不同。

可选地，在一些实施例中，输出电路230可以用于将多个电容器210存储的信号放大并输出放大后的信号，并对输出信号提供驱动能力。其中，本身申请实施例对输出电路230放大信号的放大倍数不作限定，例如，放大倍数可以小于1、等于1或者大于1。

本申请实施例中，输出电路230包括：运算放大器、反馈电容器、第一开关、第二开关和第三开关。其中，第一开关的两端可以分别连接至运算放大器的输入端和输出端，反馈电容器的左极板可以连接至运算放大器的输入端，反馈电容器的右极板可以通过第三开关连接至运算放大器的输出端，第二开关的两端可以分别连接至反馈电容器的右极板和电压源。

其中，第一开关还可以称为采样开关，第二开关和第三开关还可以分别称为保持开关。示例性地，运算放大器、反馈电容器、第一开关、第二开关和第三开关可以分别对应于图2中的OPA、C₂、SW₁、SW₂和SW₃。

应理解，在本申请实施例中，“第一”、“第二”和“第三仅仅为了区分不同的对象，但并不对本申请实施例的范围构成限制。

对于开关电路220来说，可选地，在一些实施例中，开关电路220中可以只包括一个开关，该开关可以具有多个触点。其中，开关触点的数量可以与像素电路的数量相同。

在该实施例中，当输出电路230输出多个电容器210中的第i个电容器存储的信号时，开关电路220中的开关可以切换到与第i个电容器连接，以输出第i个电容器存储的信号。

可选地，在另一些实施例中，开关电路220可以包括多个开关，该多个开关与多个电容器210一一对应。此时，输出电路230可以用于通过多个开关的逐个导通以逐个输出多个电容器210存储的信号。

在该实施例中，当输出电路230输出多个电容器210中的第i个电容器存储的信号时，第i个电容器对应的开关导通，其余开关即开关电路220中除第i个电容器对应的开关之外的其他开关断开。

此时，开关电路220和多个电容器210可以整体形成输入电容阵列。在该实施例中，读出电路200的一种可能的读出电路2100的结构示意图可以如图5所示。可以看到，读出电路2100主要可以由以下部分构成：

(a)输入电容阵列。其中，输入电容阵列可以包括电容组11至电容组1S，电容组11包括输入电容器C₁和开关SW₁，电容组12包括输入电容器C₂和开关SW₂……电容组1S包括输入电容器C_S和开关SW_S。输入电容器C₁、输入电容器C₂……输入电容器C_S的电容分别为C₁、C₂……C_S。电容组开关SW₁的控制信号为CLK_P1，电容组开关SW₂的控制信号为CLK_P2……电容组开关SW_S的控制信号为CLK_PS。

(b)输出电路。其中，输出电路可以由反馈电容器C_F、运算放大器、第一开关SW_S+1、第二开关SW_S+2和第三开关SW_S+3组成。反馈电容器C_F的电容为C_F。运算放大器的增益为-A，理想情况下A为∞，运算放大器的输入电压为V_I，输出电压为V_OUT。第一开关SW_S+1的控制信号为CLK_S，第二开关SW_S+2的控制信号为CLK_H1，第三开关SW_S+3的控制信号为CLK_H2。

图6是读出电路2100的一种可能的应用方式示意图。如图6所示，图像传感器包括S*n个像素电路，多个电容器210的数量与同一列的像素电路的数量相同，则一个图像传感器可以只需要1个读出电路。

图7是图5和图6所示的读出电路2100对应的控制方式时序图。下面结合图6描述读出电路2100的工作原理。为了便于描述，前述所有开关均定义为：控制信号高电平时导通。

首先，在t1时刻，CLK_S从低电平变为高电平，CLK_H1为高电平，CLK_H2为低电平，CLK_P1至CLK_PS均为高电平。此时，SW_S+1开始导通，SW_S+2导通，SW_S+3断开，SW₁至SW_S均导通，并且在t1至t2时段所有的开关状态维持不变，读出电路2100工作在采样相位。反馈可以使得理想情况下的运算放大器的输入电压V_I维持在共模电压。

设运算放大器的共模电压为V_CM，设t1至t2时段读出电路2100的输入电压分别为V_IN11至V_INS1，则输入电容器C₁至C_S上存储的电荷分别满足：(V_IN11-V_CM)*C₁至(V_INS1-V_CM)*C_S，反馈电容器C_F上存储的电荷满足：(V_REF-V_CM)*C_F。其中，V_REF为电压源的电压。

然后，在t2至t3时段，CLK_P1至CLK_PS同时从高电平变为低电平，CLK_S从高电平变为低电平，CLK_H1从高电平变为低电平，CLK_H2从低电平变为高电平，CLK_P1从低电平变为高电平。因此，在t3时刻SW_S+1断开，SW_S+2断开，SW_S+3开始导通，SW₁开始导通，其余开关断开，并且在t3至t4时段所有的开关状态维持不变，该电路工作在保持相位1。

反馈可以使得理想情况下的运算放大器的输入电压V_I维持在共模电压V_CM，设t3至t4时段C₁左极板的输入信号为V_IN12，则输入电容器C₁上存储的电荷满足：(V_IN12-V_CM)*C₁，反馈电容器C_F上存储的电荷满足：(V_OUT-V_CM)*C_F。

从采样相位切换到保持相位1的过程中，输入电容器C₁的右极板以及反馈电容器C_F的左极板均没有电荷通路，因此根据电荷守恒原理有：

(V_IN12-V_CM)*C₁+(V_OUT-V_CM)*C_F＝(V_IN11-V_CM)*C₁+(V_REF-V_CM)*C_F (7)

由公式(7)可以得到：

接下来，在t4至t5时段，CLK_S从低电平变为高电平，CLK_H2从高电平变为低电平，CLK_H1从低电平变为高电平，CLK_P1从高电平变为低电平，因此在t5时刻，SW_S+1导通，SW_S+2导通，SW_S+3断开，SW₁开始断开，读出电路2100恢复到t2时刻的状态，反馈电容器C_F上的电荷又重新变为(V_REF-V_CM)*C_F。

然后，在t5至t6时段，CLK_P1从高电平变为低电平，CLK_S从高电平变为低电平，CLK_H1从高电平变为低电平，CLK_H2从低电平变为高电平，CLK_P2从低电平变为高电平。因此，在t6时刻SW_S+1断开，SW_S+2断开，SW_S+3开始导通，SW₂开始导通，其余开关断开，并且在t6至t7时段开关状态维持不变，该电路工作在保持相位2。反馈可以使得理想情况下的运算放大器的输入电压V_I维持在共模电压V_CM。设t6至t7时段输入电容器C₂左极板的输入信号为V_IN22，则输入电容器C₂上存储的电荷满足(V_IN22-V_CM)*C₂，反馈电容器C_F上存储的电荷满足：(V_OUT-V_CM)*C_F。

从采样相位切换到保持相位2的过程中，输入电容器C₂的右极板没有电荷通路，从t5时刻切换为保持相位2的过程中，反馈电容器C_F的左极板没有电荷通路，因此根据电荷守恒原理有：

(V_IN22-V_CM)*C₂+(V_OUT-V_CM)*C_F＝(V_IN21-V_CM)*C₂+(V_REF-V_CM)*C_F (9)

可以解得：

然后，在t7至t9时段，读出电路可以连续进行S-2次类似t4至t7时段的操作，可以得到：

最后在t9至t10时段，CLK_H1从低电平变为高电平，CLK_H2从高电平变为低电平，CLK_P1至CLK_P(S-1)均从低电平变为高电平，CLK_S从低电平变为高电平，因此在t10时刻SW_S+1开始导通，SW_S+2导通，SW_S+3断开，SW₁至SW_S均导通，读出电路回复到t1时刻的状态。

对于像素电路11至像素电路S1来说，在t1至t2时段，像素电路11至像素电路S1可能分别输出信号电压V_sig11，t3至t4时段像素电路11输出复位电压V_rst11，将像素电路11的输出作为读出电路2100的输入，读出电路2100即可将像素电路中11的光电信号读出：

或者，在t1至t2时段，像素电路11至像素电路S1可能分别输出信号电压V_rst11，t3至t4时段像素电路11输出复位电压V_sig11，将像素电路11的输出作为读出电路2100的输入，读出电路2100即可将像素电路中11的光电信号读出：

其中，(V_sig11-V_rst11)为像素电路11的有效光电信号。从公式(12)和公式(13)中可以看到，调整输入电容器C₁和反馈电容器C_F的比例可以改变读出电路2100的增益。

与像素电路11类似，在t6至t7时段，若像素电路21输出复位电压V_rst21(或者信号电压V_sig21)，将像素电路21的输出作为读出电路2100的输入，读出电路2100即可将像素电路中21的光电信号读出，有：

或者：

同样地，在t8至t9时段，读出电路2100可以将像素电路中S1的光电信号读出，有：

或者：

如前所述，在t1至t10时段，读出电路2100对像素电路11至像素电路S1(即图像传感器第一列的像素电路)的有效光电信号进行连续读出，在t10至t11时段，读出电路2100重复t1至t10时段的操作，可以对图像传感器第二列的像素电路，即像素电路12至像素电路S2的有效光电信号进行连续读出。按此方式，读出电路2100可以连续将像素电路11至像素电路Sn的有效光电信号连续读出。可以得到：

或者：

其中，n为整数，且1≤n≤S。

需要说明的是，关于读出电路2100的描述中的采样相位、保持相位1和保持相位2仅仅为了区分不同的相位状态，并不对本申请实施例的范围造成任何限定，它们也可以称为相位1、相位2和相位3等。

本申请实施例的读出电路可以和现有的图像传感器技术同时运用，并且对图像传感器技术没有任何限制，比如，图像传感器技术可以是多像素平均技术等。

图8是本申请实施例的一种可能的读出电路2200的结构示意图。读出电路2200结合了像素平均技术，并且输出电路中的运算放大器为双端输入运算放大器。

图9为读出电路2200的一种可能的应用方式示意图。图9中的像素电路为超像素电路，超像素电路的结构示意图可以参考图10。从图10中可以看到，一个超像素电路中可以包括多个子像素电路，一个超像素电路可以有X个输出信号V_PO1至V_POX，其中V_PO1为子像素电路1的输出信号，V_POX为子像素X的输出信号。

从图8中可以看出，读出电路2200主要可以由以下部分构成：

(a)输入电容阵列。其中，输入电容阵列可以包括电容组11至电容组1S，电容组11包括输入电容器C₁₁至C_X1和开关SW₁₁至SW_X1，输入电容器C₁₁至C_X1的电容分别为C₁₁至C_X1；电容组12包括输入电容器C₁₂至C_X2和开关SW₁₂至SW_X2，输入电容器C₁₂至C_X2的电容分别为C₁₂至C_X2……电容组1S包括输入电容器C_1S至C_XS和开关SW_1S至SW_XS，输入电容器C_1S至C_XS的电容分别为C_1S至C_XS。电容组11开关SW₁₁至SW_X1的控制信号为CLK_P1，电容组12开关SW₁₂至SW_X2的控制信号为CLK_P2……电容组1S开关SW_1S至SW_XS的控制信号为CLK_PS。

可选地，每个电容组中包括的电容器的数量可以与每个超像素电路中的子像素电路的数量相同。例如，每个超像素电路中包括X个子像素电路，则每个电容组中包括X个电容器和X个电容器对应的开关。

可以看到，在图8中，多个电容器210和开关电路220整体上形成了输入电容阵列。

(b)输出电路。其中，输出电路可以由反馈电容器C_F、运算放大器、第一开关SW_S+1、第二开关SW_S+2和第三开关SW_S+3组成。反馈电容器C_F的电容为C_F。运算放大器的增益为A，理想情况下A为∞，运算放大器的负相输入电压为V_I，输出电压为V_OUT，正相输入电压为V_CM。第一开关SW_S+1的控制信号为CLK_S，第二开关SW_S+2的控制信号为CLK_H1，第三开关SW_S+3的控制信号为CLK_H2。

下面结合图7描述读出电路2200的工作原理。为了便于描述，图8中的所有开关均定义为：控制信号高电平时导通。

首先，在t1时刻，CLK_S从低电平变为高电平，CLK_H1为高电平，CLK_H2为低电平，CLK_P1至CLK_PS均为高电平。因此SW_S+1开始导通，SW_S+2导通，SW_S+3断开，SW₁₁至SW_XS均导通，并且在t1至t2时段所有的开关状态维持不变，该电路工作在采样相位。

反馈可以使得理想情况下的运算放大器的负相输入电压V_I与正相输入电压V_CM相等。设t1至t2时段读出电路2200的输入电压为V_IN111至V_INXS1，则输入电容器C₁₁至C_XS上存储的电荷分别为(V_IN111-V_CM)*C₁₁至，(V_INXS1-V_CM)*C_XS，反馈电容器C_F上存储的电荷满足：(V_REF-V_CM)*C_F。

然后，在t2至t3时段，CLK_P1至CLK_PS同时从高电平变为低电平，CLK_S从高电平变为低电平，CLK_H1从高电平变为低电平，CLK_H2从低电平变为高电平，CLK_P1从低电平变为高电平。因此在t3时刻SW_S+1断开，SW_S+2断开，SW_S+3开始导通，SW₁₁至SW_X1开始导通，其余开关断开，并且在t3至t4时段所有的开关状态维持不变，该电路工作在保持相位1。

反馈可以使得理想情况下的运算放大器的负相输入电压V_I与正相输入电压V_CM相等。设t3至t4时段输入电容器C₁₁至C_X1左极板的输入信号为V_IN112至V_INX12，则输入电容器C₁₁至C_X1上存储的电荷分别为(V_IN112-V_CM)*C₁₁至(V_INX12-V_CM)*C_X1，反馈电容器C_F上存储的电荷为(V_OUT-V_CM)*C_F。

从采样相位切换到保持相位1的过程中，输入电容器C₁₁至C_X1的右极板以及反馈电容器C_F的左极板均没有电荷通路，因此根据电荷守恒原理有：

可以解得：

接下来，在t4至t5时段，CLK_S从低电平变为高电平，CLK_H2从高电平变为低电平，CLK_H1从低电平变为高电平，CLK_P1从高电平变为低电平，因此在t5时刻，SW_S+1导通，SW_S+2导通，SW_S+3断开，SW₁₁至SW_X1开始断开，读出电路回复到t2时刻的状态，反馈电容器C_F上的电荷又重新变为(V_REF-V_CM)*C_F。

然后，在t5至t6时段，CLK_P1从高电平变为低电平，CLK_S从高电平变为低电平，CLK_H1从高电平变为低电平，CLK_H2从低电平变为高电平，CLK_P2从低电平变为高电平。因此，在t6时刻SW_S+1断开，SW_S+2断开，SW_S+3开始导通，SW₁₂至SW_X2开始导通，其余开关断开，并且在t6至t7时段开关状态维持不变，该电路工作在保持相位2。

反馈可以使得理想情况下的OPA负相输入电压V_I与正相输入电压V_CM相等。设t6至t7时段输入电容器C₁₂至C_X2左极板的输入信号为V_IN122至V_INX22，则输入电容器C₁₂至C_X2上存储的电荷分别为(V_IN122-V_CM)*C₁₂至(V_INX22-V_CM)*C_X2，反馈电容器C_F上存储的电荷为(V_OUT-V_CM)*C_F。

从采样相位切换到保持相位2的过程中，输入电容器C₁₂至C_X2右极板没有电荷通路，从t5时刻切换为保持相位2的过程中，反馈电容器C_F的左极板没有电荷通路，因此根据电荷守恒原理有：

可以解得：

然后，在t7至t9时段，读出电路可以连续进行S-2次类似t4至t7时段的操作，可以得到：

最后在t9至t10时段，CLK_H1从低电平变为高电平，CLK_H2从高电平变为低电平，CLK_P1至CLK_P(S-1)均从低电平变为高电平，CLK_S从低电平变为高电平。因此在t10时刻SW_S+1开始导通，SW_S+2导通，SW_S+3断开，SW₁₁至SW_XS均导通，读出电路回复到t1时刻的状态。

对于超像素电路11至超像素电路S1来说，在t1至t2时段，超像素电路11至超像素电路S1可能分别输出信号电压<V_sig111:V_sigX11>至<V_sig1S1:V_sigXS1>，在t3至t4时段超像素电路11可能输出复位电压<V_rst111:V_rstX11>，将超像素电路11的输出作为读出电路2200的输入，读出电路2200即可将超像素电路中11的光电信号读出：

或者，在t1至t2时段，超像素电路11至超像素电路S1可能分别输出复位电压<V_rst111:V_rstX11>至<V_rst1S1:V_rstXS1>，t3至t4时段像素电路11输出信号电压<V_sig111:V_sigX11>，将像素电路11的输出作为读出电路2200的输入，读出电路2200即可将像素电路中11的光电信号读出：

其中，(V_sigm11-V_rstm11)为超像素电路11中第m个子像素电路的有效光电信号。从公式(25)和公式(26)中可以看到，调整输入电容器C_m1和反馈电容器C_F的电容比例可以改变读出电路2200的增益。

与像素电路11类似，在t6至t7时段超像素电路21可能输出复位电压<V_rst121:V_rstX21>(或者信号电压<V_sig121:V_sigX21>)，将超像素电路21的输出作为读出电路2200的输入，读出电路2200即可将超像素电路中21的光电信号读出，有：

或者：

同样地，在t8至t9时段，读出电路2200可以将超像素电路中S1的光电信号读出，有：

或者：

如前所述，在t1至t10时段，读出电路2200对超像素电路11至超像素电路S1(即图像传感器第一列的超像素电路)的有效光电信号进行连续读出，在t10至t11时段，读出电路2200重复t1至t10时段的操作，可以对图像传感器第二列的超像素电路，即超像素电路12至超像素电路S2的有效光电信号进行连续读出。按此方式，读出电路2200可以对超像素电路11至超像素电路Sn的有效光电信号进行连续读出。可以得到：

或者：

需要说明的是，关于读出电路2200的描述中的采样相位、保持相位1和保持相位2仅仅为了区分不同的相位状态，并不对本申请实施例的范围造成任何限定，它们也可以称为相位1、相位2和相位3等。

本申请实施例，读出电路中包括多个(例如S个)电容器，从而可以对S个像素电路的输出信号进行独立的存储，然后逐个进行输出，使得S个像素电路可以共用一个读出电路，这样的话，图像传感器中的读出电路数目可以降低为原来的1/S。由于电容器在读出电路中的尺寸较小，增加电容器后增加的读出电路的面积可以忽略不计。此外，读出电路中的功耗主要来源于输出电路，增加电容器后读出电路的功耗几乎不变，从而图像传感器的面积和功耗可以降低为原来的1/S。

本申请实施例还提供了一种图像传感器，用于将光信号转换成电信号。

可选地，该图像传感器可以包括读出电路。该读出电路可以为前述实施例中的读出电路200，可以实现读出电路200的相应操作，为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本申请实施例的读出电路可以应用于各种电子设备，例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑、游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine，ATM)等其他电子设备，本申请实施例对此并不限定。

本申请实施例还提供了一种电子设备300，如图11所示，所述电子设备300可以包括读出电路310。该读出电路310可以为前述实施例中的读出电路200，可以实现读出电路200的相应操作，为了简洁，在此不再赘述。

可选地，电子设备还可以包括显示屏320。该显示屏320可以为具有自发光显示单元的显示屏，比如有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏或者微型发光二极管(Micro-LED)显示屏。

应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围。

应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种读出电路，其特征在于，包括：

多个电容器、开关电路和输出电路；

其中，所述多个电容器通过所述开关电路连接至所述输出电路；

所述多个电容器用于分别存储多个像素电路的输出信号；

所述输出电路用于通过所述开关电路逐个输出所述多个电容器存储的信号。

2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述开关电路包括多个开关，所述多个开关与所述多个电容器一一对应，所述输出电路用于通过所述多个开关的逐个导通以逐个输出所述多个电容器存储的信号。

3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，当所述输出电路用于输出所述多个电容器中的第i个电容器存储的信号时，所述第i个电容器对应的开关导通，所述开关电路中除所述第i个电容器对应的开关之外的其他开关断开。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的读出电路，其特征在于，所述多个像素电路为同一个方向上的像素电路。

5.根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述多个电容器的数量小于或等于所述同一个方向上的像素电路的数量。

6.根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述多个电容器用于同时采样并存储所述多个像素电路的输出信号。

7.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，当所述多个电容器同时采样所述多个像素电路的输出信号时，所述开关电路中的所有开关导通。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的读出电路，其特征在于，所述输出电路包括运算放大器，所述运算放大器用于放大和输出所述多个电容器存储的信号。

9.根据权利要求8所述的读出电路，其特征在于，所述输出电路还包括：

反馈电容器、第一开关、第二开关和第三开关；

其中，所述第一开关的两端分别连接至所述运算放大器的输入端和输出端，所述反馈电容器的左极板连接至所述运算放大器的输入端，所述反馈电容器的右板通过第三开关连接至所述运算放大器的输出端，所述第二开关的两端分别连接至所述反馈电容器的右极板和电压源。

10.一种图像传感器，其特征在于，包括：根据权利要求1至9中任一项所述的读出电路。

11.一种电子设备，其特征在于，包括：根据权利要求1至9中任一项所述的读出电路。

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