CN210297887U - 暗电流相关双采样器和图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种暗电流相关双采样器和图像传感器，包括：开关电路、n个第一电容器、m个第二电容器、积分电容器和运算放大器，n个第一电容器的电容值之和与m个第二电容器的电容值之和相等；n个第一电容器通过开关电路分别与n个有源像素的输出电压和运算放大器的反相输入端相连，m个第二电容器通过开关电路分别与m个暗像素的输出电压和反相输入端相连，积分电容器通过开关电路连接在反相输入端与运算放大器的输出端之间。能够通过暗电流相关双采样器直接实现有源像素的输出电压与暗像素的输出电压相减，以补偿有源像素中的暗电流。

Description

暗电流相关双采样器和图像传感器

技术领域

本申请实施例涉及CMOS图像传感器领域，并且更具体地，涉及一种暗电流相关双采样器和图像传感器。

背景技术

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)(CMOS Image Sensor，CIS)暗电流是指光电二极管在反偏条件下，在暗环境时产生的反向电流。一般是由于载流子扩散运动、器件表面、内部缺陷以及有害杂质引起。因此暗电流的大小与温度密切相关，而且空间平面上分布可能存在不一致性和随机性。暗电流限制了图像传感器的灵敏度、动态范围和信噪比(SIGNAL-NOISE RATIO，SNR)等等，因此需要进行暗电流补偿。

现有技术中的暗电流补偿通过复杂的硬件电路来消除像素阵列中的暗电流。例如，在有源像素区域内设置一些暗像素，通过暗电流相关双采样器(Correlated DoubleSampling，CDS)分别采样有源像素和暗像素，并通过两个存储器分别存储CDS采样的有源像素和暗像素的输出电压，再经过可编程增益放大器(programmable-gain amplifier，PGA)放大后由补偿电路将有源像素中的暗电流消除。现有技术需要开销很多硬件成本。

实用新型内容

本申请实施例提供一种暗电流相关双采样器和图像传感器，无需专门的存储器和补偿电路就可以通过暗电流相关双采样器实现有源像素的输出电压与暗像素的输出电压相减，以补偿有源像素中的暗电流。

第一方面，提供了一种暗电流相关双采样器，所述暗电流相关双采样器包括：开关电路、n个第一电容器、m个第二电容器、积分电容器和运算放大器，其中，所述n个第一电容器的电容值之和与所述m个第二电容器的电容值之和相等，n和m均为正整数；所述n个第一电容器通过所述开关电路分别与n个有源像素的输出电压和所述运算放大器的反相输入端相连，所述m个第二电容器通过所述开关电路分别与m个暗像素的输出电压和所述反相输入端相连，所述积分电容器通过所述开关电路连接在所述反相输入端与所述输出端之间。

本申请实施例通过将连接有源像素的输出电压的n个第一电容器的电容值之和设置为与连接暗像素的输出电压的m个第二电容器的电容值之和相等，使得无需专门的存储器和补偿电路就可以通过暗电流相关双采样器的输出端实现有源像素的输出电压与暗像素的输出电压相减，以补偿有源像素中的暗电流。

使用本申请实施例中的暗电流相关双采样器，有利于降低图像传感器的硬件成本。

在一种可能的实现方式中，在第一阶段，所述开关电路用于控制所述n个第一电容器和所述m个第二电容器进行充电，所述开关电路还用于控制所述积分电容器进行放电；在第二阶段，所述开关电路用于控制所述n个第一电容器和所述m个第二电容器停止充电，并且控制所述n个第一电容器和所述m个第二电容器向所述积分电容器放电。

在一种可能的实现方式中，所述n个第一电容器的电容值之和以及所述m个第二电容器的电容值之和分别与所述积分电容器的电容值之比为k/p，其中，k大于或等于p。

通过调整充放电电容器(第一电容器或第二电容器)与积分电容器的电容值的比例系数k/p，就可以实现信号放大。

当暗电流相关双采样器应用于图像传感器中，无需专门的PGA就可以实现信号的放大，从而可以进一步地降低图像传感器的成本。

可选地，当需要实现信号缩小时，也可以设置k小于p。总之，无论是信号放大或缩小，本申请实施例中的暗电流相关双采样器均可以单独实现，而无需专用的放大或缩小电路。

在一种可能的实现方式中，所述n个有源像素和所述m个暗像素构成像素阵列中的一个像素单元。

由于每个像素单元内的暗电流可能存在差异比较大，在每个像素单元中插入一定比率的暗像素，可以完成每个像素单元的暗电流消除，从而使得暗电流消除的结果更准确，精度更高。

在一种可能的实现方式中，n为大于1的正整数。

可选地，n也可以等于1。

本申请实施例中的暗电流相关双采样器，当应用于图像传感器时，可以将多个有源像素平均之后再进行暗电流补偿，能够简化图像传感器的电路结构，从而可以降低图像传感器的成本。

在一种可能的实现方式中，所述开关电路包括第一开关组和第二开关组，所述n个第一电容器的一端通过所述第一开关组与所述n个有源像素的输出电压以及通过所述第二开关组与共模电压相连，所述n个第一电容器的另一端通过所述第一开关组与所述共模电压相连以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述m个第二电容器的一端通过所述第一开关组与所述m个暗像素的输出电压以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述m个第二电容器的另一端与所述共模电压相连，所述积分电容器与所述第一开关组中的开关并联，所述运算放大器的正向输入端与所述共模电压相连。

在一种可能的实现方式中，所述开关电路包括第一开关组和第二开关组，所述n个第一电容器的一端通过所述第一开关组与所述n个有源像素的输出电压以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述n个第一电容器的另一端与共模电压相连，所述m个第二电容器的一端通过所述第一开关组与所述m个暗像素的输出电压以及通过所述第二开关组与所述共模电压相连，所述m个第二电容器的另一端通过所述第一开关组与所述共模电压以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述积分电容器与所述第一开关组中的开关并联，所述运算放大器的正向输入端与所述共模电压相连。

可选地，在第一阶段，所述第一开关组闭合，所述第二开关组断开；在第二阶段，所述第一开关组断开，所述第二开关组闭合。

在一种可能的实现方式中，所述n个有源像素和所述m个暗像素中的任一像素包括光电二极管、传输管、复位开关管、源跟随器输入管以及选通开关管；其中，不同强度的光照在所述光电二极管中产生不同量的电荷，在所述传输管的传输下将产生的电荷转换成电压，转换后的电压通过所述源跟随输入管和所述选通开关管输出到所述第一电容器或所述第二电容器，所述复位开关管用于对所述光电二极管进行复位。

在一种可能的实现方式中，所述任一像素还包括寄生电容器；其中，所述光电二极管的正极接地，所述光电二极管的负极接所述传输管的源极，所述传输管的栅极由传输信号控制，所述传输管的漏极分别与所述寄生电容器的一端、所述源跟随输入管的栅极以及所述复位开关管的源极相连，所述寄生电容器的另一端接地，所述复位开关管的漏极接复位电压，所述复位开关管的栅极由复位信号控制，所述源跟随输入管的源极与所述选通开关管的漏极相连，所述源跟随输入管的漏极接电源电压，所述选通开关管的栅极由选通信号控制，所述选通开关管的源极输出相应像素的输出电压。

在一种可能的实现方式中，在第三阶段，所述n个有源像素和所述m个暗像素中的所有像素的复位开关管和传输管导通，所述所有像素的光电二极管被复位至所述复位电压；在第四阶段，所述所有像素的复位开关管和传输管关闭，所述所有像素开始曝光。

第二方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列、如第一方面或其任一实现方式中的暗电流相关双采样器和模数转换器，所述像素阵列包括所述n个有源像素和所述m个暗像素，所述模数转换器用于将所述暗电流相关双采样器的模拟输出转换成数字输出。

在一种可能的实现方式中，所述n个有源像素和所述m个暗像素构成所述像素阵列中的一个像素单元，所述图像传感器还包括行扫描控制器和列扫描控制器，所述行扫描控制器和所述列扫描控制器用于选择所述一个像素单元。

可选地，所述像素阵列可以包括多个像素单元，其中，每个像素单元可以都包括n个有源像素和m个暗像素。

附图说明

图1示出了一种典型的图像传感器的电路框图。

图2示出了本申请实施例的暗电流相关双采样器的示意性电路框图。

图3示出了本申请实施例的像素单元的示意性电路图。

图4示出了本申请实施例的暗电流相关双采样器的一种电路示意图。

图5示出了本申请实施例的暗电流相关双采样器的另一种电路示意图。

图6示出了本申请实施例的暗电流相关双采样器的工作时序图。

图7示出了本申请实施例的图像传感器的电路框图。

图8示出了本申请实施例的暗电流补偿方法的示意性框图。

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。

暗电流补偿原理：若在光电信号的积分开始时刻t1和积分结束时刻t2，分别对输出信号采样(在一个信号输出周期内，产生两个采样脉冲，分别采样输出信号的两个电压，即一次是对暗像素的输出电压进行采样，另一次是对有源像素的输出电压进行采样)，并且把握好两次采样时间间隔，若将两次采样值通过后续的补偿电路的处理，就基本消除了暗电流，得到有源像素在一定曝光时间内进光量转换的有效信号量。

图1示出了一种典型的图像传感器10的示意图。如图1所示，图像传感器10包括像素阵列11、CDS 13、第一存储器14、第二存储器15和补偿电路16，其中，像素阵列11包括多个暗像素11a和多个有源像素11b。CDS 13分别用来采样有源像素11b和暗像素11a的输出电压，第一存储器14用于存储有源像素11b的输出电压，第二存储器用于存储暗像素11a的输出电压，补偿电路16通过从第一存储器中的有源像素11b的输出电压中减去第二存储器中的暗像素11a的输出电压来执行暗电流补偿。进一步地，该图像传感器10还可以包括PGA(图中未示出)，将补偿电路的输出电压通过PGA进行放大。图1中的CDS只是用来采样暗像素和有源像素的输出电压，而对采样到的有源像素的输出电压和暗像素的输出电压的处理则是在其他硬件电路上实现的。因此，图1中的图像传感器的成本相对比较高。

本申请实施例提供了一种新的暗电流相关双采样器，当该暗电流相关双采样器应用于图像传感器时，可以降低图像传感器的硬件成本。如图2所示，该暗电流相关双采样器可以包括：开关电路、n个第一电容器、m个第二电容器、积分电容器和运算放大器，其中，所述n个第一电容器的电容值之和与所述m个第二电容器的电容值之和相等，n和m均为正整数；所述n个第一电容器通过所述开关电路分别与n个有源像素的输出电压和所述运算放大器的反相输入端相连，所述m个第二电容器通过所述开关电路分别与m个暗像素的输出电压和所述反相输入端相连，所述积分电容器通过所述开关电路连接在所述反相输入端与所述运算放大器的输出端之间。

具体地，在所述开关电路的控制下，所述n个第一电容器和所述m个第二电容器可以进行充电，所述积分电容器可以进行放电，使得所述积分电容器两端的电荷量为零。接着，在所述开关电路的控制下，充电后的所述n个第一电容器和所述m个第二电容器向所述积分电容器放电，并通过运算放大器的输出端输出。

或者，也可以说，在所述开关电路的控制下，所述n个第一电容器分别对n个有源像素的输出电压进行采样，所述m个第二电容器分别对m个暗像素的输出电压进行采样。接着，在所述开关电路的控制下，将采样后的所述n个第一电容器上的电荷和所述m个第二电容器上的电荷分别向所述积分电容器转移，并通过运算放大器的输出端输出，所述运算放大器的输出电压用于表示所述n个有源像素的输出电压与所述m个暗像素的输出电压的差值。

本申请实施例通过将连接有源像素的输出电压的n个第一电容器的电容值之和与连接暗像素的输出电压的m个第二电容器的电容值之和设置为相等，使得无需专门的存储器和补偿电路就可以通过暗电流相关双采样器的输出端实现有源像素的输出电压与暗像素的输出电压相减，以补偿有源像素中的暗电流。

应理解，处于工作状态下的第一电容器、第二电容器和运算放大器应该以同一电压为参考电压，例如，共模电压。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述n个第一电容器的电容值之和以及所述m个第二电容器的电容值之和分别与所述积分电容器的电容值之比为k/p。

由于n个第一电容器的电容值之和与m个第二电容器的电容值之和相等，因此，无论是n个第一电容器的电容值之和与积分电容器的电容值之比还是m个第二电容器的电容值之和与积分电容器的电容值之比均为k/p。

通过调整充放电电容器(第一电容器或第二电容器)与积分电容器的电容值的比例系数k/p，例如，k大于或等于p，就可以实现信号放大。当暗电流相关双采样器应用于图像传感器中，无需专门的PGA就可以实现信号的放大，从而可以进一步地降低图像传感器的成本。

可选地，当需要实现信号缩小时，也可以设置k小于p。总之，无论是信号放大或缩小，本申请实施例中的暗电流相关双采样器均可以单独实现，而无需专用的放大或缩小电路。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述n个有源像素和所述m个暗像素可以构成像素阵列中的一个像素单元。也就是说，可以将一个像素单元划分成多个子像素，并将多个子像素分别设置为有源子像素和暗子像素。

可选地，在本申请的另一实施例中，所述n个有源像素和所述m个暗像素中的每个像素也可以是像素阵列中的一个像素单元。

应理解，本申请实施例中的像素阵列可以包括多个像素单元，可以是每个像素单元都划分成包括有源子像素和暗子像素的多个子像素，并且每个像素单元都采用一个暗电流相关双采样器来实现暗电流的消除；也可以是部分像素单元中的每个像素单元划分成包括有源子像素和暗子像素的多个子像素，并且该部分像素单元分别采用一个暗电流相关双采样器来实现暗电流的消除，而另外一部分像素单元中的每个像素单元可以是一个有源像素或暗像素，共同构成n个有源像素和m个暗像素，并且采用一个暗电流相关双采样器来实现暗电流的消除。

在现有技术方案中，通常是在有源像素区域外围设置暗像素，读取暗像素平均值用于表征像素阵列中的暗电流，经过后期软件算法处理估计暗电流信号并消除。由于暗电流在像素阵列分布不均、发热不均等原因导致每个像素单元暗电流可能存在差异比较大，因此现有技术无法达到预期效果。而本申请实施例，可以是在每个像素单元中插入一定比率的暗像素，可以完成每个像素单元的暗电流的补偿，从而使得暗电流消除的结果更准确，精度更高。

可选地，n为大于1的正整数，也就是说，所述n个第一电容器为多个第一电容器。

本申请实施例中的暗电流相关双采样器，当应用于图像传感器时，可以将多个有源像素平均之后再进行暗电流补偿，能够简化图像传感器的电路结构，从而可以降低图像传感器的成本。

可选地，n也可以等于1，同样地能够在暗电流相关双采样器的输出端实现有源像素的输出电压与暗像素的输出电压相减，以补偿有源像素中的暗电流。

图3示出了本申请提供的一个像素单元实施例。在该示例中，一个像素单元由4个完全相同的子像素1～4组成，其中有3个子像素是有源像素，1个子像素是暗像素。有源像素和暗像素的比率为3:1。需要说明的是，本申请实施例并不限定于图3中有源像素和暗像素的比率，具体实施时可以设置任意合理的比率值。或者在具体实施中只要保证图3中的有源像素和暗像素的PD面积比值与FD点寄生电容器C_FD比值相等即可。

具体地，如图3所示，一个像素单元由4个子像素构成，其中，子像素1～3为有源子像素，子像素4为暗子像素。一个子像素可以包括光电二极管(photodiode，PD)、传输管M1、复位开关管M2、源跟随输入管M3和选通开关管M4；其中，不同强度的光照在所述光电二极管PD中产生不同量的电荷，通过所述传输管M1传输到FD点上，将电荷转换为电压信号，该结点电压通过源跟随输入管M3以及选通开关管M4输出到所述第一电容器或所述第二电容器，该复位开关管M2用于对光电二极管PD进行复位。

可选地，如图3所示，其中，一个子像素还包括寄生电容器C_FD，其中，所述光电二极管PD的正极接地，所述光电二极管PD的负极接所述传输管M1的源极，所述传输管M1的栅极由传输信号TX控制，所述传输管M1的漏极分别与所述寄生电容器C_FD的一端、所述源跟随输入管M3的栅极以及所述复位开关管M2的源极相连，所述寄生电容器C_FD的另一端接地，所述复位开关管的漏极接复位电压V_rst，所述复位开关管的栅极由复位信号RST控制，所述源跟随输入管M3的源极与所述选通开关管M4的漏极相连，所述源跟随输入管M3的漏极接电源电压VCCP，所述选通开关管M4的栅极由选通信号RSEL控制，所述选通开关管M4的源极输出相应子像素的输出电压。例如，子像素1输出V_p1，子像素2输出V_p2，子像素3输出V_p3，子像素4输出V_p4。

需要说明的是，本申请实施例中子像素的电路结构包括但不限于图3所示电路结构。例如，该子像素的电路结构还可以是电容反馈跨阻放大器(Capacitive Trans-impedance Amplifier，CTIA)结构。

下面将结合图3的实施例在下文中详细说明本申请实施例的暗电流相关双采样器。

图4是本申请一个实施例的暗电流相关双采样器的电路示意图。其中，V_p1，V_p2，V_p3，V_p4分别对应图3中的每个子像素的输出电压，V_p1，V_p2以及V_p3为一个像素单元中的有源子像素的输出电压，V_p4为一个像素单元中的暗子像素的输出电压。

如图4所示，暗电流相关双采样器包括：1个电容器101(即图2中的第二电容器)、3个电容器102(即图2中的第一电容器)、运算放大器103(即图2中的运算放大器)、开关组1041和开关组1042(即图2中的开关电路，可以包括第一开关组和第二开关组)以及积分电容器105(即图2中的积分电容器)。

其中，电容器101的一端与图3中的一个像素单元中的暗子像素的输出电压V_p4通过开关组1041中的至少一个开关相连以及通过开关组1042中的一个开关与运算放大器103的反相输入端相连，电容器101的另一端与共模电压VCM相连，该共模电压也可以称为是参考电压。每个电容器102的一端通过开关组1041中的一个开关与图3中的一个像素单元中的一个有源子像素的输出电压相连。即3个电容器102的一端分别与V_p1，V_p2以及V_p3相连，该每个电容器102的一端还可以通过开关组1042中的一个开关与共模电压相连，即3个第一电容器102的一端均连接到共模电压。该3个电容器102的另一端可以通过开关组1042中的同一个开关与运算放大器103的反相输入端相连以及通过开关组1041与共模电压相连。积分电容器105与开关组1041中的一个开关并联，并且连接在运算放大器103的反相输入端与输出端之间。运算放大器103的正向输入端可以与共模电压相连。

可选地，电容器101的一端可以通过开关组1041中的一个开关或多个开关与V_p4相连，例如，可以通过与电容器102的数量相同的开关与V_p4相连，本申请实施例对此不构成限定。具体地，在本申请实施例中，电容器101的一端可以通过开关组1041中的3个开关与V_p4相连，由此可以尽量避免开关对电路所带来的电荷馈通的影响(或电荷注入的影响)。

下面将结合图6中的时序图描述图4中所示的暗电流相关双采样器的工作时序。

对于图6，图4中的暗电流相关双采样器的工作时序主要包括四个阶段，其中，第一阶段(下述T4时间段)、第二阶段(下述T5时间段)、第三阶段(下述T1时间段)以及第四阶段(下述T2时间段)。

具体地，在T1时间段，所选中的某行、某列像素单元中的四个子像素的RST和TX为高，复位开关管M2和传输管M1导通，FD和光电二极管PD均被复位至V_rst电压，此时输出电压理论值为V_{P1_0}、V_{P2_0}、V_{P3_0}和V_{P3_0}。因为它们是同时被复位，且认为每个子像素的读出电路误差相同，那么V_{P1_0}＝V_{P2_0}＝V_{P3_0}＝V_{P4_0}＝V_{P_RST}，其中，V_{P_RST}＝V_rst-V_gs，V_gs为源跟随输入管的栅源电压。在T2时间段，RST和TX为低，复位开关管M2和传输管M1关闭，所述像素单元开始曝光。在此阶段里，有源子像素根据进光量不同转换出对应的电子，相应的还有暗电流积累的电子；暗子像素因为处于暗环境而对光不敏感因此仅积累暗电流产生的电子。可选地，在单个像素单元内，我们可以认为四个子像素的暗电流密度近似相等，而它们的PD面积之比和C_FD之比相等，因此在曝光结束时刻，我们可以表示有源子像素的输出电压V_p1～3＝V_{P_RST}–V_{P_LI}–V_{P_DK}＝V_{sig_a1～3}，即V_p1＝V_{sig_a1},V_p2＝V_{sig_a2},V_p3＝V_{sig_a3},其中，V_{P_LI}表示在一定曝光时间内进光量转换出的电压，V_{P_DK}表示在一定曝光时间内暗电流产生电压，假设V_{sig_a1～3}＝V_{sig_a}；同理，在曝光结束时刻V_P4＝V_{P_RST}–V_{P_DK}＝V_{sig_d}。在T3时间段，暗电流相关双采样器的运算放大器使能信号OP_EN为高，运算放大器103提前开启准备工作。

假设，开关组1041由开关信号SW1控制，开关组1042由开关信号SW2控制，电容器102的电容值用C2表示，电容器101的电容值用C1表示，积分电容器105的电容值用C_int表示，运算放大器用OP表示，其中，C1与3个C2之和相等，即若C2＝C，则C1＝3C。

在T4时间段，SW1拉高导通开关组1041，SW2拉低闭合开关组1042。电容器101对V_P4采样，电容器101上的电荷量：Q1＝3C*(V_{sig_d}-VCM)；电容器102对V_P1/V_P2/V_P3采样并求平均，3个电容器102并联构成的等效电容器上的电荷量：Q2＝3C*(V_{sig_a}-VCM)；积分电容器105被复位，利用OP的虚短原理，VO＝VCM。

在T5时间段，SW1拉低关闭开关组1041，SW2拉高导通开关组1042。电容器101的上极板接OP的反相输入端，电容器101的下极板接VCM，电容器102的下极板接OP的反相输入端，电容器102的上极板接VCM，电容器101、电容器102的电荷转移至积分电容器105，假设OP增益足够大，利用OP的虚短原理，

根据电容器101上的电荷与3个电容器102并联构成的等效电容器上的电荷之和等于积分电容器105上的电荷，可以推导出如下公式：

-C_int(VO-VCM)+C1*(V_{sig_d}-VCM)-C2^’*(V_{sig_a}-VCM)＝0

其中，C2^’表示3个电容器102并联构成的等效电容器的电容值，假设C_int＝n*C，C1＝C2^’＝3*C，代入上述公式，则

VO＝VCM+(V_{sig_d}-V_{sig_a})*3/n＝VCM-V_{P_LI}*3/n

从上可知，本申请实施例中的暗电流相关双采样器可以通过n个第一电容器和m个第二电容器同时对有源像素的输出电压和暗像素的输出电压进行采样，并且将采样后的n个第一电容器和m个第二电容器上的电荷同时转移到积分电容器上，从而能够实现将有源像素中的暗电流消除的目的。在本申请实施例中，暗电流相关双采样器的输出信号仅剩共模电压VCM和光照转换电压V_{P_LI}，即可得到有用的光照转换信号量，从而达到了消除暗电流影响的作用。同时可以通过调节系数n实现信号放大作用而省去PGA。

图5是本申请另一个实施例的暗电流相关双采样器的电路示意图。其中，V_p1，V_p2，V_p3，V_p4分别对应图3中的每个子像素的输出电压，V_p1，V_p2以及V_p3为一个像素单元中的有源子像素的输出电压，V_p4为一个像素单元中的暗子像素的输出电压。

如图5所示，暗电流相关双采样器包括：1个电容器201(即图2中的第二电容器)、3个电容器202(即图2中的第一电容器)、运算放大器203(即图2中的运算放大器)、开关组2041和开关组2042(即图2中的开关电路，可以包括第一开关组和第二开关组)以及积分电容器205(即图2中的积分电容器)。

其中，电容器201的一端与图3中的一个像素单元中的暗子像素的输出电压V_p4通过开关组2041中的至少一个开关相连，以及通过开关组2042中的至少一个开关与共模电压VCM相连，该共模电压也可以称为是参考电压。该电容器201的另一端通过开关组2042中的一个开关与运算放大器203的反相输入端相连以及通过开关组2041中的一个开关与VCM相连。每个电容器202的一端通过开关组2041中的一个开关与图3中的一个像素单元中的一个有源子像素的输出电压相连。即3个电容器202的一端分别与V_p1，V_p2以及V_p3相连，该每个电容器202的一端还可以通过开关组2042中的一个开关与运算放大器203的反相输入端相连，即3个电容器202的一端可以通过开关组2042中的同一个开关与运算放大器203的反相输入端相连。每个电容器202的另一端与共模电压相连。积分电容器205与开关组2041中的一个开关并联，并且连接在运算放大器203的反相输入端与输出端之间。运算放大器203的正向输入端与共模电压相连。

可选地，电容器201的一端可以通过开关组2041中的一个开关或多个开关与V_p4相连，例如，可以通过与电容器202的数量相同的开关与V_p4相连，本申请实施例对此不构成限定。具体地，在本申请实施例中，电容器201的一端可以通过开关组2041中的3个开关与V_p4相连，由此可以尽量避免开关对电路所带来的电荷馈通的影响(或电荷注入的影响)。

下面将结合图6中的时序图描述图5中所示的暗电流相关双采样器的工作时序。

类似地，对于图6，图4中的暗电流相关双采样器的工作时序主要包括四个阶段，其中，第一阶段(下述T4时间段)、第二阶段(下述T5时间段)、第三阶段(下述T1时间段)以及第四阶段(下述T2时间段)。

具体地，在T1时间段，所选中的某行、某列像素单元中的四个子像素的RST和TX为高，复位开关管M2和传输管M1导通，FD和光电二极管PD均被复位至V_rst电压，此时输出电压理论值为V_{P1_0}、V_{P2_0}、V_{P3_0}和V_{P3_0}。因为它们是同时被复位，且认为每个子像素的读出电路误差相同，那么V_{P1_0}＝V_{P2_0}＝V_{P3_0}＝V_{P4_0}＝V_{P_RST}，其中，V_{P_RST}＝V_rst-V_gs，V_gs为源跟随输入管的栅源电压。在T2时间段，RST和TX为低，复位开关管M2和传输管M1关闭，所述像素单元开始曝光。在此阶段里，有源子像素根据进光量不同转换出对应的电子，相应的还有暗电流积累的电子；暗子像素因为处于暗环境而对光不敏感因此仅积累暗电流产生的电子。可选地，在单个像素单元内，我们可以认为四个子像素的暗电流密度近似相等，而它们的PD面积之比和C_FD之比相等，因此在曝光结束T3时刻，我们可以表示有源子像素的输出电压V_p1～3＝V_{P_RST}–V_{P_LI}–V_{P_DK}＝V_{sig_a1～3}，即V_p1＝V_{sig_a1},V_p2＝V_{sig_a2},V_p3＝V_{sig_a3},其中，V_{P_LI}表示在一定曝光时间内进光量转换出的电压，V_{P_DK}表示在一定曝光时间内暗电流产生电压，假设V_{sig_a1～3}＝V_{sig_a}；同理，在曝光结束时刻V_P4＝V_{P_RST}–V_{P_DK}＝V_{sig_d}。在T3时间段，暗电流相关双采样器的运算放大器使能信号OP_EN为高，运算放大器103提前开启准备工作。

假设，开关组2041由开关信号用SW1控制，开关组2042由开关信号SW2控制，电容器202的电容值用C1表示，电容器201的电容值用C2表示，积分电容器205的电容值用C_int表示，运算放大器用OP表示，其中，C2与3个C1之和相等，即若C1＝C，则C2＝3C。

在T4时间段，SW1拉高导通开关组2041，SW2拉低闭合开关组2042。电容器201对V_P4采样，电容器201上的电荷量：Q1＝3C*(V_{sig_d}-VCM)；电容器202对V_P1/V_P2/V_P3采样并求平均，3个电容器202并联构成的等效电容器上的电荷量：Q2＝3C*(V_{sig_a}-VCM)；积分电容器205被复位，利用OP的虚短原理，VO＝VCM。

在T5时间段，SW1拉低关闭开关组2041，SW2拉高导通开关组2042，电容器201的下极板接OP的反相输入端，电容器201的上极板接VCM，电容器202的上极板接OP的反相输入端，电容器202的下极板接VCM，电容器201、电容器202的电荷转移至积分电容器205，假设OP增益足够大，利用OP的虚短原理，

根据电容器201上的电荷与3个电容202并联构成的等效电容器上的电荷之和等于积分电容器205上的电荷，可以推导出如下公式：

-C_int(VO-VCM)-C1’*(V_{sig_d}-VCM)+C2*(V_{sig_a}-VCM)＝0

其中，C1’表示3个电容202并联构成的等效电容器的电容值，假设C_int＝n*C，C1’＝C2＝3*C，代入上述公式，则

VO＝VCM+(V_{sig_a}-V_{sig_d})*3/n＝VCM+V_{P_LI}*3/n

从上可知，本申请实施例中的暗电流相关双采样器可以通过n个第一电容器和m个第二电容器同时对有源像素的输出电压和暗像素的输出电压进行采样，并且将采样后的n个第一电容器和m个第二电容器上的电荷同时转移到积分电容器上，从而能够实现将有源像素中的暗电流消除的目的。在本申请实施例中，暗电流相关双采样器的输出信号仅剩共模电压VCM和光照转换电压V_{P_LI}，即可得到有用的光照转换信号量，从而达到了消除暗电流影响的作用。同时可以通过调节系数n实现信号放大作用而省去PGA。

需要说明的是，本申请实施例的暗电流相关双采样器包括但不限于应用于图像传感器中。

上述结合图2至图6详细说明本申请实施例的暗电流相关双采样器的电路示意图，下面结合图7说明上述暗电流相关双采样器的应用实例。这里，

图7以图像传感器为例进行说明。

如图7所示，该图像传感器包括像素阵列301、上述各种实施例中的暗电流相关双采样器302以及模数转换器303。其中，像素阵列301可以包括X行Y列的像素单元，暗电流相关双采样器302的数量可以为至少一个，每一个暗电流相关双采样器302用于采集像素阵列300中的n个有源像素和m个暗像素，并通过从n个有源像素的输出电压中减去m个暗像素的输出电压，以补偿n个有源像素中的暗电流，模数转换器303用于将暗电流相关双采样器302的模拟输出转换成数字输出。

可选地，该图像传感器还包括行扫描控制器304和列扫描控制器305，并且该n个有源像素和m个暗像素构成了像素阵列301中的一个像素单元，也就是说，该像素阵列可以包括多个像素单元，该行扫描控制器304和列扫描控制器305用于选择像素阵列301中的一个像素单元。

通过暗电流相关双采样器对暗电流做两次采样并相减消除，从而不需要专门的存储器、补偿电路以及PGA等其他硬件电路，能够减少图像传感器的硬件成本。

图8示出了本申请实施例的暗电流补偿方法400的示意性框图。该方法400由暗电流相关双采样器执行，所述暗电流相关双采样器包括开关电路、n个第一电容器、m个第二电容器、积分电容器和运算放大器，所述n个第一电容器的电容值之和与所述m个第二电容器的电容值之和相等，n和m均为正整数，暗电流补偿方法400的具体流程如下。

S401，在第一阶段，在所述开关电路的控制下，所述n个第一电容器分别对n个有源像素的输出电压进行采样，所述m个第二电容器分别对m个暗像素的输出电压进行采样；

S402，在第二阶段，在所述开关电路的控制下，采样后的所述n个第一电容器上的电荷和采样后的所述m个第二电容器的电荷分别向所述积分电容器转移，所述运算放大器的输出电压用于表示所述n个有源像素的输出电压与所述m个暗像素的输出电压的差值。

可选地，所述运算放大器的输出电压用于表示所述n个有源像素的输出电压的平均值与所述m个暗像素的输出电压的平均值之间的差值。

根据本申请实施例的暗电流补偿方法可对应于本申请实施例的暗电流相关双采样器中的各个单元/模块，并且，该方法中的相应流程都可以通过图2、图4和图5中所示暗电流相关双采样器中的各个单元/模块来实现，为了简洁，在此不再赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

应理解，在本申请实施例中，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

另外，本文中术语“系统”和“网络”在本文中常可互换使用。应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

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 (13)

1.一种暗电流相关双采样器，其特征在于，所述暗电流相关双采样器包括：开关电路、n个第一电容器、m个第二电容器、积分电容器和运算放大器，其中，所述n个第一电容器的电容值之和与所述m个第二电容器的电容值之和相等，n和m均为正整数；

所述n个第一电容器通过所述开关电路分别与n个有源像素的输出电压和所述运算放大器的反相输入端相连，所述m个第二电容器通过所述开关电路分别与m个暗像素的输出电压和所述反相输入端相连，所述积分电容器通过所述开关电路连接在所述反相输入端与所述运算放大器的输出端之间。

2.根据权利要求1所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，

在第一阶段，所述开关电路用于控制所述n个第一电容器和所述m个第二电容器进行充电，所述开关电路还用于控制所述积分电容器进行放电；

在第二阶段，所述开关电路用于控制所述n个第一电容器和所述m个第二电容器停止充电，并且控制所述n个第一电容器和所述m个第二电容器向所述积分电容器放电。

3.根据权利要求1或2所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，所述n个第一电容器的电容值之和以及所述m个第二电容器的电容值之和分别与所述积分电容器的电容值之比为k/p，其中，k大于或等于p。

4.根据权利要求1或2所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，所述n个有源像素和所述m个暗像素构成像素阵列中的一个像素单元。

5.根据权利要求1或2所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，n为大于1的正整数。

6.根据权利要求1所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，所述开关电路包括第一开关组和第二开关组，

所述n个第一电容器的一端通过所述第一开关组与所述n个有源像素的输出电压以及通过所述第二开关组与共模电压相连，所述n个第一电容器的另一端通过所述第一开关组与所述共模电压相连以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述m个第二电容器的一端通过所述第一开关组与所述m个暗像素的输出电压以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述m个第二电容器的另一端与所述共模电压相连，所述积分电容器与所述第一开关组中的开关并联，所述运算放大器的正向输入端与所述共模电压相连。

7.根据权利要求1所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，所述开关电路包括第一开关组和第二开关组，

所述n个第一电容器的一端通过所述第一开关组与所述n个有源像素的输出电压以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述n个第一电容器的另一端与共模电压相连，所述m个第二电容器的一端通过所述第一开关组与所述m个暗像素的输出电压以及通过所述第二开关组与所述共模电压相连，所述m个第二电容器的另一端通过所述第一开关组与所述共模电压以及通过所述第二开关组与所述反相输入端相连，所述积分电容器与所述第一开关组中的开关并联，所述运算放大器的正向输入端与所述共模电压相连。

8.根据权利要求6或7所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，

在第一阶段，所述第一开关组闭合，所述第二开关组断开；

在第二阶段，所述第一开关组断开，所述第二开关组闭合。

9.根据权利要求1所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，所述n个有源像素和所述m个暗像素中的任一像素包括光电二极管、传输管、复位开关管、源跟随输入管以及选通开关管；

其中，不同强度的光照在所述光电二极管中产生不同量的电荷，在所述传输管的传输下将产生的电荷转换成电压，转换后的电压通过所述源跟随输入管和所述选通开关管输出到所述第一电容器或所述第二电容器，所述复位开关管用于对所述光电二极管进行复位。

10.根据权利要求9所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，所述任一像素还包括寄生电容器；

其中，所述光电二极管的正极接地，所述光电二极管的负极接所述传输管的源极，所述传输管的栅极由传输信号控制，所述传输管的漏极分别与所述寄生电容器的一端、所述源跟随输入管的栅极以及所述复位开关管的源极相连，所述寄生电容器的另一端接地，所述复位开关管的漏极接复位电压，所述复位开关管的栅极由复位信号控制，所述源跟随输入管的源极与所述选通开关管的漏极相连，所述源跟随输入管的漏极接电源电压，所述选通开关管的栅极由选通信号控制，所述选通开关管的源极输出相应像素的输出电压。

11.根据权利要求9或10所述的暗电流相关双采样器，其特征在于，

在第三阶段，所述n个有源像素和所述m个暗像素中的所有像素的复位开关管和传输管导通，所述所有像素的光电二极管被复位至复位电压；

在第四阶段，所述所有像素的复位开关管和传输管关闭，所述所有像素开始曝光。

12.一种图像传感器，其特征在于，包括像素阵列、如权利要求1至11中任一项所述的暗电流相关双采样器和模数转换器，所述像素阵列包括所述n个有源像素和所述m个暗像素，所述模数转换器用于将所述暗电流相关双采样器的模拟输出转换成数字输出。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述n个有源像素和所述m个暗像素构成所述像素阵列中的一个像素单元，所述图像传感器还包括行扫描控制器和列扫描控制器，所述行扫描控制器和所述列扫描控制器用于选择所述一个像素单元。

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