CN212811862U - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种图像传感器，该图像传感器可包括图像像素阵列，该图像像素阵列被耦接到列读出电路，该列读出电路可读出由该图像像素生成的电荷。该列读出电路可包括列放大器，该列放大器具有模拟存储器单元。该模拟存储器单元可包括高增益电容器和低增益电容器，该高增益电容器和该低增益电容器并联耦接在图像像素列与该列放大器的输入之间。反馈电容器可被耦接在该输入与该列放大器的输出之间。分别被耦接到该高增益电容器和该低增益电容器的高增益选择开关和低增益选择开关可允许输出高增益复位值和低增益复位值和图像信号，这可用于相关双采样操作并且可增大该图像传感器的动态范围。

Description

图像传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月12日提交的第62/885698号美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本实用新型整体涉及成像设备，具体地涉及一种图像传感器，并且更具体地涉及在列读出放大器中包括模拟存储器单元以改善相关双采样操作并增大图像传感器的动态范围的成像传感器。

背景技术

图像传感器常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。在典型布置方式中，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。可将列读出电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。

典型图像像素包含用于响应于入射光而生成电荷的光电二极管。常规成像系统可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有亮部分和暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为低动态范围图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。图像传感器可因此配备有高动态范围(HDR)功能，其中用图像传感器在不同曝光时间捕获多个图像。随后将图像组合成高动态范围图像，但是这样尤其是在具有非静态对象的动态场景中可能引入运动伪影，以及引入由图像传感器捕获的每秒帧数的减少。另选地，图像传感器可通过多个接收路径增益读出像素输出。然而，该方法使得成像设备不能针对每个增益执行相关双采样操作，并且还减少了由图像传感器捕获的每秒帧数。

因此，可能期望的是能够提供具有改进的图像传感器的成像设备。

实用新型内容

本实用新型所要解决的额技术问题为：将图像组合成高动态范围图像在具有非静态对象的动态场景中可能引入运动伪影，以及引入由图像传感器捕获的每秒帧数的减少。

根据一实施方式，提供了一种图像传感器。所述图像传感器包括：图像传感器像素，所述图像传感器像素具有响应于入射光而生成电荷的光电二极管；和列读出电路，所述列读出电路被耦接到所述图像传感器像素以接收所生成的电荷。其中，所述列读出电路包括：列放大器；第一模拟存储器单元，所述第一模拟存储器单元被耦接在所述列放大器与所述图像传感器像素之间，所述第一模拟存储器单元包括第一增益电容器，所述第一增益电容器被耦接到所述列放大器的输入，其中，所述第一增益电容器被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压；以及第二模拟存储器单元，所述第二模拟存储器单元被耦接在所述列放大器与所述图像传感器像素之间，所述第二模拟存储器单元包括第二增益电容器，所述第二增益电容器与所述第一增益电容器并联耦接到所述列放大器的所述输入，其中，所述第二增益电容器被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压。

根据另一实施方式，提供了一种图像传感器。所述图像传感器包括：像素阵列，所述像素阵列具有被配置为响应于入射光而生成电荷的图像像素行和图像像素列，其中，所述像素阵列的每个像素包括光电二极管和转移晶体管，所述光电二极管被配置为生成所述电荷，所述转移晶体管被耦接到所述光电二极管并且被配置为将所述电荷转移到与源极跟随器晶体管的栅极相关联的浮动扩散；列读出电路，所述列读出电路被耦接到每一图像像素列并且被配置为从该每一图像像素列接收所生成的电荷。其中，所述列读出电路包括：第一增益电容器，所述第一增益电容器被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压；第二增益电容器，所述第二增益电容器与所述第一增益电容器并联并且被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压；以及列放大器，所述列放大器包括反馈电容器和复位开关，所述反馈电容器和所述复位开关并联耦接在所述列放大器的输入与输出之间，其中，所述第一增益电容器和所述第二增益电容器被耦接到所述列放大器的所述输入。

本实用新型所实现的技术效果为：通过使用以高增益和低增益读出图像信号，图像传感器像素可具有改善的动态范围。

附图说明

图1是根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以用于使用图像像素阵列捕获图像。

图2是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是根据实施方案的例示性图像传感器像素和具有模拟存储器单元的列读出电路的电路图，该模拟存储器单元在并联读出信号路径上具有高增益电容器和低增益电容器，该高增益电容器和该低增益电容器被耦接到列放大器。

图4是根据实施方案的操作图3所示的例示性图像传感器像素和列读出电路的例示性步骤的流程图。

图5是根据实施方案的可由例示性列读出电路在读出由图3所示的图像传感器像素生成的图像信号时执行的例示性相关双采样操作的流程图。

图6是根据实施方案的例示性图像传感器像素和具有模拟存储器单元的列读出电路的电路图，该模拟存储器单元在并联读出信号路径上具有高增益电容器和低增益电容器，该高增益电容器和该低增益电容器被耦接到列放大器、存储电容器和增益缓冲器。

图7是根据实施方案的例示性图像传感器像素和具有模拟存储器单元的列读出电路的电路图，该模拟存储器单元在并联读出信号路径上具有高增益电容器和低增益电容器，该高增益电容器和该低增益电容器被耦接到列放大器和失配补偿电路。

具体实施方式

本实用新型的实施方案涉及图像传感器，并且更具体地涉及具有列读出电路的图像传感器，该列读出电路具有模拟存储器单元以改善图像传感器的动态范围和对应的读出操作。本领域的技术人员应当理解，本实用新型的示例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，并未详细描述众所周知的操作，以免不必要地模糊本实施方案。

具有数字相机模块的成像系统广泛用于电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备中。数字相机模块可包括一个或多个图像传感器，这些图像传感器收集入射光以捕捉图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成电荷的光电二极管。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、数千或数百万的像素(如，百万像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所生成的电荷相对应。

通过使用以高增益和低增益读出图像信号，图像传感器像素可具有改善的动态范围。具体地，图像传感器像素可通过包括具有高增益电容器和低增益电容器的模拟存储器单元的并联高增益信号路径和低增益信号路径读出图像信号。高增益电容器和低增益电容器可用于存储对相应的高增益图像信号和低增益图像信号执行相关双采样操作所需的复位信号。

图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、蜂窝电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。

存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(例如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的部件(例如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(例如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线通信路径和/或无线通信路径将处理后的图像数据提供给外部设备(例如，计算机、外部显示器或其他设备)。

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以及控制和处理电路24。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可被耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、列读出电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。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，诸如复位控制信号、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读出控制信号提供给像素22。如果需要，这些行控制信号可用于启用图像传感器16内的双转换增益操作。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接到阵列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(例如，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生成的图像信号。

图像读出电路28(有时称为列读出和控制电路28)可通过列线32接收图像信号(例如，由像素22生成的模拟像素值)。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锁存电路、或者耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22和用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的采样保持电路可用于使用相关双采样操作读出由图像像素22生成的电荷。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20所接收的模拟像素值转换成对应数字像素值(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)。

如果需要，图像像素22可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。图像阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用对应的被布置成拜耳马赛克图案的红色、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。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。在另一个合适示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，可在任何期望数量的图像像素22上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。

图像传感器16可被配置为支持全局快门操作(例如，像素22可在全局快门模式下进行操作)。例如，阵列20中的图像像素22各自可包括光电二极管、浮动扩散区和局部电荷存储区。采用全局快门方案，图像传感器中的所有像素被同时复位。然后，使用电荷转移操作，将每个图像像素的光电二极管中收集的电荷同时转移至相关联的电荷存储区。接着例如可从每个存储区逐行读出数据。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，可使用任何期望的读序列。例如，可利用卷帘快门操作、流水线读出操作、非流水线读出操作或任何其他期望的读出操作。

图3是图像像素和具有用于改善的相关双采样读出操作的模拟存储器单元的列读出电路的电路图。具体地，图像传感器电路300可包括图像传感器像素302，该图像传感器像素可对应于图2所示的图像像素22中的一个图像像素。如图3所示，图像像素300可包括光敏元件306。光敏元件306可为例如光电二极管。光敏元件306可具有连接到接地结构308的第一端子。光敏元件306的第二端子被耦接到转移晶体管310。转移晶体管310可被耦接到源极跟随器晶体管312，该源极跟随器晶体管可将图像像素电路302连接到列读出电路304。具体地，源极跟随器晶体管312可具有被耦接到转移晶体管310的栅极、被耦接到电压源314的第一源极-漏极端子和被耦接到列开关316的第二源极-漏极端子。虽然未示出，但是源极跟随器复位晶体管可被耦接在源极跟随器晶体管312与电压源314之间。源极跟随器复位晶体管可接收控制信号而闭合(例如，接通晶体管)并将与源极跟随器晶体管312的栅极相关联的浮动扩散复位为由电压源314提供的复位电压。列开关316可被耦接到高增益开关318、低增益开关320和电流源322，该电流源可接地到接地结构324。接地结构324可以是与接地结构308相同的结构，或者它们可以是不同的结构。高增益开关318可被耦接到高增益电容器326，并且低增益开关320可被耦接到低增益电容器328。高增益电容器326和低增益电容器328可为存储用于高增益相关双采样操作和低增益相关双采样操作的复位电压的模拟存储器单元的一部分。高增益电容器和低增益电容器可并联耦接到列放大器330。列放大器330可包括反馈电容器332和复位开关334。列放大器330的输入可被耦接到来自电压源336的参考电压Vref和高增益电容器326的输出、低增益电容器328的输出以及反馈电容器332。列放大器330的输出可被耦接到信号输出线338。

虽然高增益电容器326和低增益电容器328在图3中已被示出为具有被耦接在电容器与图像像素之间的开关，但这仅仅是例示性的。一般来讲，电容器326和328可以任何期望的方式形成。例如，可能期望减少寄生效应和其他开关伪影。在一个实施方案中，高增益开关318和低增益开关320可在相应电容器726和728的相对电容器板上实现(例如，每个开关可被部署在电容器与反馈节点之间)。另选地，开关可被包括在电容器726和728的两侧上。

光电二极管306可响应于接收到撞击光子而生成电荷(例如，电子)。由光电二极管306收集的电荷量取决于撞击光子的强度和曝光持续时间(或积聚时间)。在光电二极管306处的电荷积聚之后，控制信号TX可生效以接通转移晶体管310并将电荷移动到源极跟随器晶体管312。如果需要，源极跟随器晶体管312可具有相关联的浮动扩散(或与源极跟随器晶体管312的栅极相关联的其他电容存储元件)。电荷可被转换成浮动扩散(或其他电容元件)上的电压。这样，电压可反映入射到光电二极管306上的光的量。

列读出电路304然后可读出与由光电二极管306生成的电荷相对应的电压。可以两个增益执行读出，并且可使用相关双采样方法来减少增益读取中的每个增益读取中的噪声。在读出操作期间，可使用电压源314将浮动扩散区复位为复位电压(Vres)。浮动扩散区可在从光电二极管306转移电荷之前复位。在复位操作期间，列开关316闭合并且高增益开关318、低增益开关320和复位开关334可闭合以将高增益电容器326和低增益电容器328两端的电压设定为Vres-Vref(其中Vref是列读出电路用于执行相关双采样计算的参考电压)，将反馈电容器332两端的电压设定为复位电压(例如，其可为标称0V)，并且将输出电压338设定为等于参考电压Vref。复位开关334可被断开，并且复位可作为复位信号通过信号输出线338从列放大器330读出为Vref。高增益电容器326和低增益电容器328两端的电压可包含复位电压(例如，Vres-Vref)。具体地，高增益电容器和低增益电容器两者均将包含相同的复位值。因此，在单个过程中，可将两个读取路径均设定为包含静止值，并且可读取列放大器输出。

然后可断开低增益开关320，并且可将像素输出信号(例如，与由光电二极管306生成的电荷相对应的信号)(例如，通过转移晶体管310)转移到浮动扩散区，从而将源极跟随器晶体管312处的电压设定为Vres-Vsig，其中Vsig是与由光电二极管306生成的电荷相对应的电压。虽然列开关316可能已经由复位操作而闭合，但是列开关316可能在此时闭合，并且信号电压可被转移到高增益电容器326，从而导致改变被存储在高增益电容器326处的电荷。与存储在高增益电容器326处的电荷变化相关的电荷可移动到反馈电容器332中，从而将与反馈电容器332相关联的电压改变为与高增益电容器上的电压成反比的值。这样，反馈电容器332处的电压可与高增益条件下的电压信号成反比。反馈电容器332上的信号可通过信号输出线338从列放大器330读出为高增益图像信号。该高增益图像信号可以是Vref-Vsig-Vres。相关双采样操作可用于通过减去Vref-Vres复位信号来从高增益图像信号中消除噪声，从而以高增益读出信号。

然后可断开高增益开关318，可闭合复位开关334，并且可使用电压源336将列放大器输出线338复位为Vref。然后可断开复位开关334，并且可闭合低增益开关320，使得与存储在低增益电容器328处的电荷的变化(例如，由来自浮动扩散区的电压引起的电荷变化)相关的电荷可移动到反馈电容器332中，从而将与反馈电容器332相关联的电压改变为与低增益电容器上的电压成反比的值。这样，反馈电容器332处的电压可与低增益条件下的电压信号成反比。反馈电容器332上的信号可通过信号输出线338从列放大器330读出为低增益图像信号。该高增益图像信号可以是Vref-Vsig-Vres。相关双采样操作可用于通过减去Vref-Vres复位信号来从低增益图像信号中消除噪声，从而以低增益读出信号。

因为高增益电容器326和低增益电容器328并联耦接到列读出线(例如，耦接到源极跟随器晶体管312)和列放大器330两者，所以电容器326和328可接收由光电二极管306生成的相同信号，并且相同的复位信号可与在复位过程期间通过电容器326和328的信号相关。因此，可使用仅具有三次读取的相关双采样来执行高增益读取和低增益读取两者(例如，第一次读取中读出的复位值可用于校正高增益图像信号和低增益图像信号两者中的噪声)。另外，可能不需要获取多个图像帧，从而改善图像传感器的帧速率。

虽然电路300已被示出为具有图像传感器像素302，但这仅仅是例示性的。一般来讲，具有任何期望的数量的光敏元件和晶体管的任何期望的像素电路可用于响应于入射光而产生电荷，并且转移所产生的电荷以被读出。如果需要，像素电路可具有三个晶体管、四个晶体管、五个晶体管或超过五个晶体管。另外，图像传感器像素302可具有被耦接到一个或多个光敏元件的任何数量的像素增益路径。例如，图像传感器像素302可具有被耦接到两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个或者十个或更少光敏元件的两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个或者十个或更少源极跟随器晶体管，来以多个增益读出图像信号。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，图像传感器像素302可具有被耦接到任何数量的读取路径的任何数量的光敏元件。

在一些实施方案中，虽然未示出，但是像素302(例如，在光电二极管306与浮动扩散之间)可包括至少一个中间存储节点。例如，中间存储节点可用于启用全局快门操作。

结合图3和本文的其他附图所述的所有开关可为先合后断(make-before-break)型开关或可为先断后合(break-before-make)型开关。此外，虽然列开关316、高增益选择开关318和低增益选择开关320被示出为开关，但是如果需要，它们可被实现为晶体管。如果被实现为晶体管，则可使用控制信号来激活期望的晶体管并允许电荷流过晶体管，而不是闭合开关。

图3所示的电路不限于高增益电容器326和低增益电容器328。一般来讲，可使用任何数量的增益电容器来产生任何数量的增益读取。例如，第一增益电容器、第二增益电容器和第三增益电容器(和相关联的第一增益开关、第二增益开关和第三增益开关)可用于提供图像信号的三次增益读取。一般来讲，N个增益电容器可用于提供图像信号的N次增益读取。另选地或除此之外，可使用多个并联电容器以读出相同增益但具有不同噪声的信号。例如，电容器326可用于以第一噪声在第一增益处读出，并且电容器328(和串联的附加电容器，如果需要)可用于以第二噪声在第一增益处读出。在这种情况下，附加电容器可与电容器326和328并联使用，以用于以第一噪声在第二增益处读出并且以第二噪声在第二增益处读出。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，任何所需数量的电容器可以任何期望的布置方式使用以在不同增益和/或噪声下提供读出操作。

图4示出了示出可用于操作像素和读出电路(诸如图3所示的像素和读出电路300)的例示性步骤。在步骤402处，光电二极管(诸如光电二极管306)可用于响应于入射光而生成电荷。虽然图3中已经示出了单个光电二极管，但是像素302可包括例如两个光电二极管、三个光电二极管或四个光电二极管。一般来讲，像素302可具有响应于入射光而生成电荷的任何数量的光电二极管。

在步骤404处，可使转移信号TX生效以激活转移晶体管310并将所生成的电荷转移到浮动扩散(或与源极跟随器晶体管312相关联的其他电容元件)，这可将所生成的电荷转换为对应电压。虽然图3中已经示出了转移晶体管和源极跟随器晶体管，但是像素302可包括任何期望的数量的晶体管。如果像素302(例如，在光电二极管306与浮动扩散之间)具有中间存储节点，则可使用全局快门读出操作，并且可能需要更多步骤来将电荷从光电二极管转移到浮动扩散。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，电荷可从光电二极管306读出并通过任何期望的中间电路转移到浮动扩散。

在步骤406处，可使用相关双采样操作通过列读出电路304读出所生成的电荷。使用相关双采样可减少读出图像信号中的噪声。图5中示出了包括相关双采样操作的更详细的读出步骤。

图5中示出了列读出电路(诸如图3的列读出电路304)的例示性操作步骤。在步骤502处，可使用电压源314将浮动扩散区(或与源极跟随器晶体管312相关联的其他电容元件)复位为复位电压。源极跟随器晶体管处的输出电压可等于Vres。

在步骤504处，可闭合高增益选择开关S1、低增益选择开关S2、列开关Scol和复位开关Sres。通过闭合这些开关，可将高增益电容器Chi和低增益电容器Clo两端的电压设定为Vres-Vref，可将反馈电容器Cfb两端的电压设定为标称0V(或其他期望的复位电压)，并且输出线338处的电压可等于Vref。如图3所示，Vref可以是由电压源336提供给列放大器330以在相关双采样计算期间使用的电压。

在步骤506处，可断开开关Sres，并且可通过列放大器330读出复位值。具体地，Vref可以作为复位信号读出。该复位信号可由处理电路用于从由列读出电路稍后读出的图像信号中消除噪声。

在步骤508处，可断开开关S2并且可将像素输出信号(例如，与由光电二极管306生成的电荷相对应的信号)(例如，通过转移晶体管310)转移到浮动扩散区，从而将源极跟随器晶体管312处的电压设定为Vres-Vsig，其中Vsig是与由光电二极管306生成的电荷相对应的电压。

在步骤510处，可将与由光电二极管306生成的电荷相对应的电压转移到高增益电容器Chi，从而导致存储在高增益电容器Chi处的电荷发生变化。与存储在高增益电容器Chi处的电荷变化相关的电荷可移动到反馈电容器Cfb中，从而将与反馈电容器Cfb相关联的电压改变为与高增益电容器上的电压成反比的值。这样，反馈电容器Cfb处的电压可与高增益条件下的电压信号成反比。

在步骤512处，可从列放大器330读出反馈电容器Cfb上的信号。具体地，读出信号可表示高增益下的图像信号电压。换句话讲，读出高增益图像信号。该高增益图像信号可以是Vref-Vsig-Vres。相关双采样操作可与高增益图像信号和复位信号一起使用以减去Vref-Vres，从而以高增益读出信号。

在步骤514处，可断开高增益选择开关S1并且可闭合复位开关Sres。列放大器330(包括反馈电容器Cfb)可被复位。反馈电容器Cfb上的电压可被设定为标称0V(或其他期望的复位电压)，并且输出线338处的电压可等于Vref。

在步骤516处，可断开复位开关Sres并且可闭合低增益选择开关S2以将图像信号转移到低增益电容器Clo，使得与存储在低增益电容器Clo处的电荷变化相关的电荷可移动到反馈电容器Cfb中，从而将与反馈电容器Cfb相关联的电压改变为与低增益电容器上的电压成反比的值。这样，反馈电容器Cfb处的电压可与低增益条件下的电压信号成反比。

在步骤518处，可从列放大器330读出反馈电容器Cfb上的信号。具体地，读出信号可表示低增益下的图像信号电压。换句话讲，读出低增益图像信号。该低增益图像信号可以是Vref-Vsig-Vres。相关双采样操作可与低增益图像信号和复位信号一起使用以减去Vref-Vres，从而以低增益读出信号。

虽然图5的方法被描述用于具有两个增益电容器(例如，图3的高增益电容器和低增益电容器)的列读出电路的操作，但这仅仅是例示性的。一般来讲，列读出电路可具有任何数量的期望的增益电容器，并且可针对任何附加增益电容器重复图5的图像信号读出步骤(例如，步骤514至518)以提供不同增益下的附加读取。此外，如图4和图5所示的方法已描述了图像像素的操作和用于读出由单个图像帧中的单个像素生成的电荷的对应列读出电路的操作。这些方法可根据需要重复以读出由像素阵列(诸如图2的阵列20)中的所有像素生成的信号并且读出后续图像帧中的信号。

图5的方法依赖于在整个高增益读取和低增益读取中复位值的模拟存储。因为复位值这样存储，所以复位信号可用于减少高增益图像信号和低增益图像信号两者中的噪声，并且图像信号可仅从图像像素转移一次(例如，图像信号可对应于单个图像帧)。然而，该方法依赖于列读出电路中的电容器中的每个电容器存在最小泄漏。在一些情况下，可能期望减少低增益电容器中的泄漏，因为需要最长时间地(例如，在读出高增益信号时)保持复位电压。图6中示出了减少低增益电容器的泄漏的电路的示例。

如图6所示，图像传感器电路600可包括图像传感器像素602和列读出电路604。图像传感器像素602可基本上类似于结合图3的图像传感器像素302所述的图像传感器像素。例如，图像传感器像素602可包括被耦接在接地608与转移晶体管610之间的光电二极管606，该光电二极管响应于入射光而生成电荷。转移晶体管310还可被耦接到源极跟随器晶体管612的栅极。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，任何期望的图像像素电路可与任何数量的光电二极管和晶体管一起使用。例如，可使用具有两个或更多个、三个或更多个或者六个或更少光电二极管和三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个或者七个或更少晶体管的图像传感器。列开关616可将源极跟随器晶体管612的源极-漏极端子耦接到列读出电路604。

列读出电路604可包括与结合图3的列读出电路304所述的那些部件相同的部件。具体地，列读出电路604可包括高增益选择开关618、高增益电容器626、低增益选择开关620、低增益电容器628、列放大器630、反馈电容器632和复位开关634。这些部件中的每个部件可与结合图3所述的那些部件基本上相同地操作。

另外，列读出电路604可包括存储电容器640，该存储电容器通过开关652和单位增益缓冲器650耦接到低增益电容器628。存储电容器640可允许比单独的低增益电容器628进行更多存储，从而减少在读出低增益图像信号之前的泄漏。

在读出操作期间，可使用电压源614将浮动扩散区复位为复位电压(Vres)(例如，源极跟随器晶体管612与电压源614之间的复位晶体管可将源极跟随器晶体管612的栅极短路到电压源614)。列开关616闭合，并且高增益开关618、低增益开关620、存储开关646和复位开关634可闭合以将高增益电容器626、低增益电容器628两端的电压设定为Vres-Vref(其中Vref是由列读出电路在执行相关双采样计算时使用的参考电压)，将存储电容器640两端的电压设定为Vres，将反馈电容器632两端的电压设定为复位电压(例如，其可为标称0V)，并且将输出电压638设定为等于参考电压Vref。任选地，此时开关652也可闭合。然后复位开关634可被断开，并且复位可作为复位信号通过信号输出线638从列放大器630读出为Vref。高增益电容器626和低增益电容器628两端的电压可包含复位电压(例如，Vres-Vref)。具体地，高增益电容器和低增益电容器两者均将包含相同的复位值。因此，在单个过程中，可将两个读取路径均设定为包含静止值，并且可读取列放大器输出。

然后可断开低增益开关620和存储开关646，并且可闭合开关652(如果先前未闭合)以将低增益电容器628上的电压保持到存储在存储电容器640上的复位值。可将像素输出信号(例如，与由光电二极管606生成的电荷相对应的信号)转移到浮动扩散区，从而将源极跟随器晶体管612处的电压设定为Vres-Vsig，其中Vsig是与由光电二极管606生成的电荷相对应的电压。虽然列开关616可能已经由复位操作而闭合，但是列开关616可能在此时闭合，并且信号电压可被转移到高增益电容器626，从而导致改变被存储在高增益电容器626处的电荷。与存储在高增益电容器326处的电荷变化相关的电荷可移动到反馈电容器632中，从而将与反馈电容器632相关联的电压改变为与高增益电容器上的电压成反比的值。这样，反馈电容器632处的电压可与高增益条件下的电压信号成反比。反馈电容器632上的信号可通过信号输出线638从列放大器630读出为高增益图像信号。该高增益图像信号可以是Vref-Vsig-Vres。相关双采样操作可与高增益图像信号和复位信号一起使用以减去Vref-Vres，从而以高增益读出信号。

然后可断开高增益开关618，可闭合复位开关634，并且可使用电压源636将列放大器630复位，从而将输出638设定为Vref。然后可断开复位开关634和附加开关652，并且可闭合低增益开关620以将像素输出信号转移到低增益电容器628，使得与存储在低增益电容器628处的电荷的变化相关的电荷可移动到反馈电容器632中，从而将与反馈电容器632相关联的电压改变为与低增益电容器上的电压成反比的值。这样，反馈电容器632处的电压可与低增益条件下的电压信号成反比。反馈电容器632上的信号可通过信号输出线638从列放大器630读出为低增益图像信号。

虽然图6是减少高增益电容器和低增益电容器中的泄漏的一个示例，但是这仅仅是例示性的。一般来讲，可使用任何期望的减少渗漏的方法/技术。

虽然使用附加的存储电容器可能增加噪声并降低低增益信号的相关性，但是这也可能减少高增益读出操作期间的泄漏量。因此，如果需要长时间保持复位电压(例如，如果高增益读取将花费太长时间来将用于低增益读出的复位电压保持恒定)，则可能期望使用附加的存储电容器，诸如图6的存储电容器640。

如果包括三个或更多个读取路径，则每个附加路径可以具有与开关652等效的开关，使得每个路径可以被保持在存储于存储电容器640上的复位值，直到需要在随后以与上述类似的方式释放信号样本时执行信号样本。

另外，在一些实施方案中，可能期望在读出之间(例如，在复位阶段期间)校准列放大器以减少放大器内的任何失配误差。图7中示出了可用于执行列放大器的校准的例示性电路。

如图7所示，电路702包括像素电路702和列读出电路704。像素电路702可对应于图3的像素电路302和图6的像素电路602。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，可使用任何像素电路。

列读出电路704可包括与结合图3的列读出电路304所述的那些部件相同的部件。具体地，列读出电路704可包括高增益选择开关718、高增益电容器726、低增益选择开关720、低增益电容器728、列放大器730、反馈电容器732和复位开关734。这些部件中的每个部件可与结合图3所述的那些部件基本上相同地操作。

另外，列读出电路704可包括第一校准开关742和第二校准开关740。在复位阶段之前，诸如图5的步骤502至506，可执行列放大器730的校准。具体地，在校准期间，第一校准开关742和第二校准开关740可闭合，并且复位开关734可断开。第二校准开关740可使列放大器730的输入短路。因为第一校准开关742闭合，所以反馈电容器732可被充电到与列放大器730内的任何电压失配相对应的电压。然后可断开第一校准开关742和第二校准开关740，并且可闭合复位开关734。然后可如先前结合图5的步骤502至506所述进行复位操作，但其中第一校准开关742断开。具体地，可使用电压源714将浮动扩散复位为某个电压。然后，可闭合高增益选择开关718、低增益选择开关720和复位开关734。然后可断开复位开关734并且读出复位电压。

一般来讲，当复位开关在复位操作结束时断开时，可能发生失配。然而，因为第一校准开关742是断开的，所以反馈电容器732不连接到列放大器730的输出(该反馈电容器已被预充电到列放大器730的失配电压)。因此，当复位开关734断开并且第一校准开关闭合以读出该电压时，考虑列放大器730的失配电压，并且不发生电荷转移。

列读出电路706然后可继续读出高增益信号和低增益信号，如上文结合图3和结合图5的步骤508至518所讨论的。

已经描述了示出具有列读出电路的图像传感器的各种实施方案，该列读出电路具有可增大图像传感器的动态范围的模拟存储器单元。

在本实用新型的各种实施方案中，一种图像传感器可包括图像传感器像素和列读出电路，该图像传感器像素具有响应于入射光而生成电荷的光电二极管(或其他光敏元件)，该列读出电路被耦接到该图像传感器像素以接收所生成的电荷。该列读出电路可包括列放大器和模拟存储器单元。第一模拟存储器单元可包括第一电容器，该第一电容器被耦接到该列放大器的输入并且被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压，并且第二模拟存储器单元可包括第二增益电容器，该第二增益电容器与该第一增益电容器并联耦接到该列放大器的输入并且被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压。

在一些实施方案中，该列放大器可包括复位开关和反馈电容器，该复位开关和该反馈电容器并联耦接在该列放大器的输入与输出之间。该图像传感器还可包括第一增益选择开关和第二增益选择开关，该第一增益选择开关被耦接在该第一增益电容器与该图像传感器像素之间，该第二增益选择开关被耦接在该第二增益电容器与该图像传感器像素之间。该图像传感器像素可包括源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管通过转移晶体管耦接到该光电二极管。该第一增益选择开关和该第二增益选择开关两者均可被耦接到该源极跟随晶体管。

在复位操作期间，该第一增益选择开关、该第二增益选择开关和复位开关可闭合。在该第一增益读出期间，该第一增益选择开关可闭合，并且该第二增益选择开关和该复位开关两者均可断开。在该第二增益读出期间，该第二增益选择开关可闭合，并且该第一增益选择开关和该复位开关两者均可断开。

该图像传感器还可包括存储电容器，该存储电容器与该第二增益选择开关并联耦接在该图像传感器像素与该第二增益电容器之间。该存储电容器可在该第一增益读出期间为用于以该第二增益进行的读出操作的复位电压提供附加存储。

在一些实施方案中，该图像传感器还可包括第一校准开关和第二校准开关，该第一校准开关被耦接在该反馈电容器与该列放大器的输出之间，该第二校准开关被耦接到该列放大器的输入。该第一校准开关和该第二校准开关可在该复位操作期间使用以减少该列放大器内的失配误差。

在各种实施方案中，一种操作图像传感器的方法，该图像传感器具有图像像素和列读出电路，该列读出电路具有：列放大器，该列放大器具有反馈电容器，该反馈电容器被耦接在该列放大器的输入与输出之间；第一模拟存储器单元，该第一模拟存储器单元包括高增益电容器，该高增益电容器被耦接到该列放大器的输入；和第二模拟存储器单元，该第二模拟存储器单元包括低增益电容器，该低增益电容器与该高增益电容器并联耦接到该列放大器的输入，该方法可包括复位该高增益电容器、该低增益电容器和该模拟存储器单元的反馈电容器。使用该高增益电容器，来自该图像像素的信号可被读出为高增益图像信号。使用该低增益电容器，来自该图像像素的信号可被读出为低增益图像信号。

复位该高增益电容器、该低增益电容器和反馈电容器可包括闭合被耦接在该高增益电容器与该图像像素之间的高增益选择开关，闭合被耦接在该低增益电容器与该图像像素之间的低增益选择开关，闭合与该反馈电容器并联耦接在该列放大器的输入与输出之间的复位开关，以及将该高增益电容器、该低增益电容器和该反馈电容器设定为复位电压。从该图像像素读出该信号作为该高增益图像信号可包括断开该低增益选择开关和该复位开关，将该信号从该图像像素转移到该高增益电容器和该反馈电容器，以及读出该信号作为该高增益图像信号。从该图像像素读出该信号作为该低增益图像信号包括断开该高增益选择开关并闭合该复位开关以复位该列放大器，断开该复位开关并闭合该低增益选择开关以将该信号转移到该低增益电容器和该反馈电容器，以及读出该信号作为该低增益图像信号。

在一些实施方案中，该方法还可包括闭合存储开关以将附加存储电容器设定为该第一静止电压，同时闭合该低增益选择开关以转移该信号。该方法还可包括在复位该高增益电容器、该低增益电容器和该模拟存储器单元的反馈电容器之前，使用被耦接在该列放大器的输出与该反馈电容器之间的第一校准开关和被耦接到该列放大器的输入的第二校准开关来校准该列放大器。校准该列放大器可包括闭合该第一校准开关和该第二校准开关并断开该复位开关，以及断开该第一校准开关和该第二校准开关并闭合该静止开关。

在各种实施方案中，一种图像传感器可包括像素阵列，该像素阵列被配置为响应于入射光而生成电荷。该像素阵列的每个像素可包括光电二极管和转移晶体管，该光电二极管被配置为生成该电荷，该转移晶体管被耦接到该光电二极管并且被配置为将该电荷转移到源极跟随器晶体管。列读出电路可被耦接到每个源极跟随器晶体管并且可被配置为从给定像素接收所生成的电荷。该列读出电路可包括第一模拟存储器单元和第二模拟存储器单元，该第一模拟存储器单元包括第一增益电容器，该第一增益电容器存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压，该第二模拟存储器单元包括第二增益电容器，该第二增益电容器与该第一增益电容器并联，该第二增益电容器存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压。该列读出电路还可包括列放大器，该列放大器具有反馈电容器和复位开关，该反馈电容器和该复位开关并联耦接在该列放大器的输入与输出之间。该第一增益电容器和该第二增益电容器可被耦接到该列放大器的输入。

在一些实施方案中，该图像传感器还可包括：列开关，该列开关被耦接到该源极跟随器晶体管；高增益选择开关，该高增益选择开关被耦接在该高增益电容器与该列开关之间；和低增益选择开关，该低增益选择开关被耦接在该低增益电容器与该列开关之间。该高增益读出和该低增益读出可被配置为使用第一相关双采样操作和第二相关双采样操作来读出。单个复位信号可用于该第一相关双采样操作和该第二相关双采样操作两者。该图像传感器还可包括至少一个附加增益电容器，该至少一个附加增益电容器被耦接到该列放大器的输入。该至少一个附加增益电容器可存储用于以第一增益进行至少一个附加读出操作的复位电压。

根据一个实施方案，一种图像传感器包括图像传感器像素和列读出电路，该图像传感器像素具有响应于入射光而生成电荷的光电二极管，该列读出电路被耦接到该图像传感器像素以接收所生成的电荷。该列读出电路可包括：列放大器；第一模拟存储器单元，该第一模拟存储器单元被耦接在该列放大器与该图像传感器像素之间，该第一模拟存储器单元包括第一增益电容器，该第一增益电容器被耦接到该列放大器的输入，其中该第一增益电容器被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压；和第二模拟存储器单元，该第二模拟存储器单元被耦接在该列放大器与该图像传感器像素之间，该第二模拟存储器单元包括第二增益电容器，该第二增益电容器与该第一增益电容器并联耦接到该列放大器的输入，其中该第二增益电容器被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压。

根据另一个实施方案，该列放大器包括复位开关和反馈电容器，该复位开关和该反馈电容器并联耦接在该列放大器的输入与输出之间。

根据另一个实施方案，该图像传感器还包括第一增益选择开关和第二增益选择开关，该第一增益选择开关被耦接在该第一增益电容器与该图像传感器像素之间，该第二增益选择开关被耦接在该第二增益电容器与该图像传感器像素之间。

根据另一个实施方案，该图像传感器像素包括源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管通过转移晶体管耦接到该光电二极管，其中该第一增益选择开关和该第二增益选择开关两者均被耦接到该源极跟随器晶体管。

根据另一个实施方案，在复位操作期间，该第一增益选择开关、该第二增益选择开关和该复位开关闭合，在该第一增益读出期间，该第一增益选择开关闭合并且该第二增益选择开关和该复位开关断开，并且在该第二增益读出期间，该第二增益选择开关闭合并且该第一增益选择开关和该复位开关断开。

根据另一个实施方案，该图像传感器还可包括存储电容器，该存储电容器与该第二增益选择开关并联耦接在该图像传感器像素与该第二增益电容器之间，其中该存储电容器在该第一增益读出期间为用于以该第二增益进行的该读出操作的该复位电压提供附加存储。

根据另一个实施方案，该图像传感器还可包括第一校准开关和第二校准开关，该第一校准开关被耦接在该反馈电容器与该列放大器的该输出之间，该第二校准开关被耦接到该列放大器的该输入，其中该第一校准开关和该第二校准开关被配置为在该复位操作期间使用以减少该列放大器内的失配误差。

根据一个实施方案，一种图像传感器可包括：像素阵列，该像素阵列具有被配置为响应于入射光而生成电荷的像素行和列，其中该像素阵列的每个像素包括光电二极管、转移晶体管，该光电二极管被配置为生成该电荷，该转移晶体管被耦接到该光电二极管并且被配置为将该电荷转移到与源极跟随器晶体管的栅极相关联的浮动扩散；和列读出电路，该列读出电路被耦接到图像像素的每一列并且被配置为从每一列接收所生成的电荷。该列读出电路可包括：第一增益电容器，该第一增益电容器被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压；第二增益电容器，该第二增益电容器与该第一增益电容器并联并且被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的该复位电压；和列放大器，该列放大器包括反馈电容器和复位开关，该反馈电容器和该复位开关并联耦接在该列放大器的输入与输出之间，其中该第一增益电容器和该第二增益电容器被耦接到该列放大器的输入。

根据另一个实施方案，该图像传感器还可包括：列开关，该列开关被耦接到该源极跟随器晶体管；第一增益选择开关，该第一增益选择开关被耦接在该第一增益电容器与该列开关之间；和第二增益选择开关，该第二增益选择开关被耦接在该第二增益电容器与该列开关之间。

根据另一个实施方案，该第一增益读出和该第二增益读出被配置为使用第一相关双采样操作和第二相关双采样操作来读出，并且单个复位信号被配置为用于该第一相关双采样操作和该第二相关双采样操作两者。

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 (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

图像传感器像素，所述图像传感器像素具有响应于入射光而生成电荷的光电二极管；和

列读出电路，所述列读出电路被耦接到所述图像传感器像素以接收所生成的电荷，其中，所述列读出电路包括：

列放大器；和

第一模拟存储器单元，所述第一模拟存储器单元被耦接在所述列放大器与所述图像传感器像素之间，所述第一模拟存储器单元包括第一增益电容器，所述第一增益电容器被耦接到所述列放大器的输入，其中，所述第一增益电容器被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压，和

第二模拟存储器单元，所述第二模拟存储器单元被耦接在所述列放大器与所述图像传感器像素之间，所述第二模拟存储器单元包括第二增益电容器，所述第二增益电容器与所述第一增益电容器并联耦接到所述列放大器的所述输入，其中，所述第二增益电容器被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述列放大器包括复位开关和反馈电容器，所述复位开关和所述反馈电容器并联耦接在所述列放大器的输入与输出之间。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括第一增益选择开关和第二增益选择开关，所述第一增益选择开关被耦接在所述第一增益电容器与所述图像传感器像素之间，所述第二增益选择开关被耦接在所述第二增益电容器与所述图像传感器像素之间。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器像素包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管通过转移晶体管耦接到所述光电二极管，其中，所述第一增益选择开关和所述第二增益选择开关两者均被耦接到所述源极跟随器晶体管。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，在复位操作期间，所述第一增益选择开关、所述第二增益选择开关和所述复位开关闭合；在第一增益读出期间，所述第一增益选择开关闭合并且所述第二增益选择开关和所述复位开关断开；并且在于，在第二增益读出期间，所述第二增益选择开关闭合并且所述第一增益选择开关和所述复位开关断开。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括存储电容器，所述存储电容器与所述第二增益选择开关并联耦接在所述图像传感器像素与所述第二增益电容器之间，其中，所述存储电容器在所述第一增益读出期间为用于以所述第二增益进行读出操作的所述复位电压提供附加存储。

7.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括第一校准开关和第二校准开关，所述第一校准开关被耦接在所述反馈电容器与所述列放大器的所述输出之间，所述第二校准开关被耦接到所述列放大器的所述输入，其中，所述第一校准开关和所述第二校准开关被配置为在所述复位操作期间使用以减少所述列放大器内的失配误差。

8.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

像素阵列，所述像素阵列具有被配置为响应于入射光而生成电荷的图像像素行和图像像素列，其中，所述像素阵列的每个像素包括光电二极管和转移晶体管，所述光电二极管被配置为生成所述电荷，所述转移晶体管被耦接到所述光电二极管并且被配置为将所述电荷转移到与源极跟随器晶体管的栅极相关联的浮动扩散；

列读出电路，所述列读出电路被耦接到每一图像像素列并且被配置为从该每一图像像素列接收所生成的电荷，其中，所述列读出电路包括：

第一增益电容器，所述第一增益电容器被配置为存储用于以第一增益进行读出操作的复位电压，

第二增益电容器，所述第二增益电容器与所述第一增益电容器并联并且被配置为存储用于以第二增益进行读出操作的复位电压，和

列放大器，所述列放大器包括反馈电容器和复位开关，所述反馈电容器和所述复位开关并联耦接在所述列放大器的输入与输出之间，其中，所述第一增益电容器和所述第二增益电容器被耦接到所述列放大器的所述输入。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括：

列开关，所述列开关被耦接到所述源极跟随器晶体管；

第一增益选择开关，所述第一增益选择开关被耦接在所述第一增益电容器与所述列开关之间；和

第二增益选择开关，所述第二增益选择开关被耦接在所述第二增益电容器与所述列开关之间。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，第一增益读出和第二增益读出被配置为使用第一相关双采样操作和第二相关双采样操作来读出，并且在于，单个复位信号被配置为用于所述第一相关双采样操作和所述第二相关双采样操作两者。

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