TWI573460B - 針對雙轉換增益大動態範圍感測器的補償 - Google Patents
針對雙轉換增益大動態範圍感測器的補償 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI573460B TWI573460B TW105105542A TW105105542A TWI573460B TW I573460 B TWI573460 B TW I573460B TW 105105542 A TW105105542 A TW 105105542A TW 105105542 A TW105105542 A TW 105105542A TW I573460 B TWI573460 B TW I573460B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- input
- reset signal
- selectable
- coupled
- signal
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 45
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 title 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 9
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 9
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 6
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 241000593989 Scardinius erythrophthalmus Species 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 201000005111 ocular hyperemia Diseases 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/40—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/57—Control of the dynamic range
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/12—Analogue/digital converters
- H03M1/34—Analogue value compared with reference values
- H03M1/38—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type
- H03M1/46—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter
- H03M1/466—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter using switched capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/51—Control of the gain
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/57—Control of the dynamic range
- H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures
- H04N25/581—Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously
- H04N25/585—Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously with pixels having different sensitivities within the sensor, e.g. fast or slow pixels or pixels having different sizes
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/57—Control of the dynamic range
- H04N25/59—Control of the dynamic range by controlling the amount of charge storable in the pixel, e.g. modification of the charge conversion ratio of the floating node capacitance
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
- H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N3/00—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages
- H04N3/10—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
- H04N3/14—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
- H04N3/15—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation
- H04N3/155—Control of the image-sensor operation, e.g. image processing within the image-sensor
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/12—Analogue/digital converters
- H03M1/34—Analogue value compared with reference values
- H03M1/38—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type
- H03M1/46—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter
- H03M1/466—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter using switched capacitors
- H03M1/468—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter using switched capacitors in which the input S/H circuit is merged with the feedback DAC array
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Image Input (AREA)
Description
本發明大體上係關於光學器件，且特定言之係關於大動態範圍感測器。
標準影像感測器具有大約60dB至70dB之一有限動態範圍。然而，真實世界之照度動態範圍遠更大。自然場景通常跨越90dB及以上之一範圍。為同時擷取強光及陰影，影像感測器中已使用大動態範圍(「HDR」)技術以增大所擷取動態範圍。用以增大動態範圍之最常見技術係將用標準(低動態範圍)影像感測器擷取之多個曝光合併為一單一線性HDR影像，該單一線性HDR影像具有比一單一曝光影像遠更大之動態範圍。
最常見的HDR感測器解決方案之一者將為使多個曝光進入一單一影像感測器中。在具有不同曝光積分時間或不同靈敏度(例如，藉由插入中性密度濾光器)之情況下，一影像感測器在一單一影像感測器中可具有2個、3個、4個或甚至更多個不同曝光。使用此HDR影像感測器，可在一單次拍攝中獲得多個曝光影像。然而，與一正常全解析度影像感測器相比，使用此HDR感測器降低總體影像解析度。例如，對於在一影像感測器中組合4個不同曝光之一HDR感測器，各HDR影像將僅為全解析度影像之一四分之一解析度。因此，希望包含
新的像素及讀出架構以及技術之經改良HDR成像技術。
100‧‧‧成像系統
102‧‧‧大動態範圍(HDR)像素陣列
104‧‧‧讀出電路
106‧‧‧功能邏輯
108‧‧‧控制電路
110‧‧‧大動態範圍(HDR)像素
112‧‧‧位元線
205‧‧‧光偵測器PD
207‧‧‧浮動擴散(FD)節點/浮動擴散(FD)
210‧‧‧大動態範圍(HDR)影像像素
233‧‧‧像素內電容器C/電容器
281‧‧‧TX信號
282‧‧‧DFD信號
283‧‧‧RS信號
284‧‧‧RST信號
291‧‧‧轉移電晶體
292‧‧‧DFD電晶體/電晶體DFD
293‧‧‧列選擇電晶體
294‧‧‧重設電晶體/電晶體RST
297‧‧‧放大器電晶體/源極跟隨器(SF)電晶體
299‧‧‧VPIX輸出
300‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)
323‧‧‧VIN
325‧‧‧取樣與保持開關SHX/SHX閘極
326‧‧‧輸入節點
327‧‧‧DAC_RST
330‧‧‧輸入級電路
331‧‧‧第一輸入N1
332‧‧‧第二輸入N2
333‧‧‧第三輸入P1
334‧‧‧第四輸入P2
335‧‧‧差動放大器
337‧‧‧輸出VON
338‧‧‧輸出VOP
339‧‧‧信號DCG
340‧‧‧再生鎖存器
342‧‧‧輸出D-
361‧‧‧CMP_RST1閘極/CMP_RST1開關
362‧‧‧CMP_RST2閘極
370‧‧‧逐次逼近暫存器(SAR)
371‧‧‧重設節點
380‧‧‧二進制加權電容器陣列
425‧‧‧信號SHX
439‧‧‧信號DCG
451‧‧‧第一重設電壓與第二重設電壓之間的差△VRST
452‧‧‧像素之高轉換增益下的相關雙取樣(CDS)值△VCDS_HI
453‧‧‧像素之低轉換增益下的相關雙取樣(CDS)值△VCDS_LO
461‧‧‧CMP_RST1信號
462‧‧‧CMP_RST2信號
C1至Cx‧‧‧行
P1至Pn‧‧‧像素
R1至Ry‧‧‧列
t0‧‧‧時間
t1‧‧‧時間
t2‧‧‧時間
t3‧‧‧時間
t4‧‧‧時間
t5‧‧‧時間
t6‧‧‧時間
t7‧‧‧時間
t8‧‧‧時間
t9‧‧‧時間
t10‧‧‧時間
參考以下圖式來描述本發明之非限制性及非窮舉性實施例，其中除非另有指定，否則貫穿各個視圖相似元件符號指代相似部分。
圖1係繪示根據本發明之一實施例之一成像系統之一項實例之一方塊示意圖，該成像系統包含一大動態範圍(「HDR」)像素陣列及經耦合以讀出HDR像素陣列之讀出電路。
圖2係根據本發明之一實施例之一HDR影像像素之一實例示意圖。
圖3A繪示根據本發明之一實施例之一例示性類比轉數位轉換器(「ADC」)，其包含經耦合以自圖2之HDR影像像素接收信號之輸入級電路。
圖3B繪示根據本發明之一實施例之具有可選擇輸入之一例示性差動放大器。
圖3C包含根據本發明之一實施例之用於耦合至圖3B之差動放大器之一例示性再生鎖存器。
圖4展示根據本發明之一實施例之用於操作圖3A之ADC之一時序圖。
本文中描述一種影像感測器及一種讀出一影像感測器之一像素陣列之方法的實施例。在以下描述中，陳述諸多具體細節以提供對該等實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認知，本文中描述之技術可在不具有該等具體細節之一或多者的情況下或用其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或描述熟知之結構、材料或操作，以避免使某些態樣模糊。
貫穿本說明書，對「一項實施例」或「一實施例」之引用意謂
結合該實施例描述之一特定特徵、結構或特性係包含於本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書之各處出現的片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」不一定皆指代相同實施例。此外，特定特徵、結構或特性在一或多項實施例中可係以任何適合方式組合。
圖1係繪示根據本發明之一實施例之一成像系統100之一項實例之一方塊示意圖，該成像系統100包含一大動態範圍(「HDR」)像素陣列102及經耦合以讀出HDR像素陣列102之讀出電路104。成像系統100包含HDR像素陣列102、控制電路108、讀出電路104及功能邏輯106。如所描繪之實例中所展示，HDR像素陣列102經耦合至控制電路108及讀出電路104。讀出電路104經耦合至功能邏輯106。控制電路108經耦合至像素陣列102以控制HDR像素陣列102之操作特性，以擷取由HDR像素陣列102接收之影像光所產生的HDR影像。例如，控制電路108可產生用於控制影像獲取之一快門信號或複數個快門信號。控制電路108亦經耦合至讀出電路104，使得控制電路108可使HDR像素陣列102之影像獲取與讀出HDR像素陣列102協調。
在一項實例中，HDR像素陣列102係HDR像素110(例如，像素P1、P2...、Pn)之一二維(2D)陣列。在一項實例中，用雙轉換增益讀出各HDR像素110以達成HDR成像。如所繪示，各HDR像素110係配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)，以獲取一人、位置、物體等之影像資料，接著，此等影像資料可用以呈現該人、位置、物體等之一影像。
在一項實例中，在各HDR像素110已獲取其影像資料或影像電荷之後，藉由讀出電路104透過位元線112(其等可為行線)讀出影像資料且接著將其轉移至功能邏輯106。在各項實例中，讀出電路104可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯106可簡單儲存影像資料或甚至藉由應用後影像效應(例如，剪裁、旋轉、移除
紅眼、調整亮度、調整對比度或以其他方式)操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路104可沿讀出行線一次讀出一列影像資料。
圖2係根據本發明之教示之用雙轉換增益讀出以達成HDR成像之一HDR影像像素210之一實例示意圖。應注意，圖2之像素210可為圖1之像素110之一例示性像素。在圖2中，像素210包含耦合至一轉移電晶體291之一光偵測器PD 205，該轉移電晶體291經耦合以由一TX信號281控制。轉移電晶體291耦合至一浮動擴散(FD)節點207。
在所描繪之實例中，浮動擴散(FD)節點207經耦合以透過一重設電晶體294及一DFD電晶體292重設為一RFD信號電壓。在所繪示之實例中，重設電晶體294經耦合以回應於一RST信號284而受控制，且DFD電晶體292經耦合以回應於一DFD信號282而受控制。圖2中繪示之實例亦繪示一像素內電容器C 233回應於DFD信號282而透過DFD電晶體292耦合至浮動擴散(FD)節點。換言之，當DFD信號282啟動DFD電晶體292時，浮動擴散節點207具有增加的電容。
繼續圖2中描繪之實例，浮動擴散節點207亦耦合至一放大器電晶體297之控制終端，在圖2中該放大器電晶體297係使其閘極終端耦合至浮動擴散(FD)節點之源極跟隨器(SF)耦合電晶體。在所描繪之實例中，用RS信號283控制之一列選擇電晶體293耦合於源極跟隨器(SF)電晶體297之一電壓源終端與汲極終端之間。在所描繪之實例中，源極跟隨器(SF)電晶體之源極終端耦合至VPIX輸出299，該VPIX輸出299係像素210之輸出位元線，且像素210之輸出信號透過該輸出位元線讀出。
在操作中，在PD 205回應於入射影像光而累積影像電荷時，浮動擴散207藉由啟用電晶體DFD 292且啟用重設電晶體294而重設。接著，FD 207之一第一重設信號被轉移至VPIX 299上，同時電晶體DFD 292被啟用(且電晶體RST 294被停用)。當DFD 292啟用時，FD 207耦
合至電容器233且因此在一低轉換增益下讀出第一重設信號。接著，電晶體DFD 292經停用以使電容器233從FD 207解耦。隨著電容器233從FD 207解耦，FD 207之一第二重設信號被轉移至VPIX 299上。由於當第二重設信號被轉移至VPIX 299上時FD 207從電容器233解耦，故在一高轉換增益下讀出第二重設信號。
在讀出第一及第二重設信號之後，轉移電晶體291經啟用(經脈動)以將PD 205中累積之影像電荷自PD 205轉移至FD 207。與FD 207中之影像電荷相關聯之一高增益影像信號被轉移至VPIX 299上，同時電晶體DFD被停用，此意謂在高轉換增益下取樣與FD 207中之影像電荷相關聯之高轉換影像信號。接著，電晶體DFD 292經啟用以將電容器233耦合至FD 207。在電容器233耦合至FD 207時，與FD 207中之影像電荷相關聯之一低增益影像信號被轉移至VPIX 299上，此意謂在低轉換增益下取樣與FD 207中之影像電荷相關聯之低增益影像信號。如上文描述，像素210依以下順序循序地產生一第一重設信號(在一低轉換增益下)、一第二重設信號(在一高轉換增益下)、一高增益影像信號(在高轉換增益下)及一低增益影像信號(在低轉換增益下)。
圖3A繪示根據本發明之一實施例之一例示性類比轉數位轉換器(「ADC」)300，其包含經耦合以自HDR影像像素210接收信號之輸入級電路330。藉由ADC 300在VIN 323上接收第一重設信號、第二重設信號、高增益影像信號及低增益影像信號。VPIX 299可直接耦合至VIN 323。取樣與保持開關SHX 325斷開且閉合以將信號取樣至輸入級電路330之輸入上。輸入級電路330包含一差動放大器335，該差動放大器335具有一第一輸入N1 331、一第二輸入N2 332、一第三輸入P1 333及一第四輸入P2 334。不同的放大器335之輸出係VON 337及VOP 338。鎖存器340經耦合以回應於自差動放大器335接收VON 337及VOP 338而產生輸出D- 342及D+ 342。一逐次逼近暫存器(「SAR」)
370經耦合以回應於在D- 342上接收一數位高信號而在重設節點371處重設。SAR 370耦合至一二進制加權電容器陣列380，該二進制加權電容器陣列380耦合至輸入節點326，該輸入節點326經由電容器耦合至輸入級電路330之第一輸入331及第二輸入332。
圖3B繪示根據本發明之一實施例之具有可選擇輸入之一例示性差動放大器335。當信號DCG 339為數位低時，輸入N1 331及P1 333上方之開關為閉合，且差動放大器放大輸入N1 331及P1 333上之信號。輸入N1 331及P1 333係差動放大器335之第一對輸入。當信號DCG 339為數位高時，輸入N2 332及P2 334上方之開關為閉合，且差動放大器放大輸入N2 332及P2 334上之信號。輸入N2 332及P2 334係差動放大器335之第二對輸入。
圖3C包含根據本發明之一實施例之用於耦合至差動放大器335之一例示性再生鎖存器340。再生鎖存器340經耦合以回應於自差動放大器335接收VON 337及VOP 338而產生輸出D- 342及D+ 342。在一項實施例中，再生鎖存器340具有12位元解析度。
圖4展示根據本發明之一實施例之用於操作ADC 300之一時序圖。圖4中展示之信號可由控制電路108控制及/或由讀出電路104控制。在時間t0處，DAC_RST 327經脈動以重設/放電二進制加權電容器陣列380。在時間t1處，SHX 425變為高，此閉合SHX閘極325，且將第一重設信號(在低轉換增益下產生)自VIN 323取樣至輸入節點326上。亦在時間t1處，CMP_RST1 461信號變為高，此閉合CMP_RST1 361閘極，且將輸入N1 331及P1 333之電壓分別重設為輸出VON 337及VOP 338。由於信號DCG 439為低，故在時間t1處輸入N1 331及P1 333係差動放大器335之有效輸入。在時間t2處，CMP_RST1 461信號變為低，此斷開CMP_RST1 361開關，且差動放大器將輸入N1 331上之第一重設信號(在低轉換增益下產生)放大至其輸出上，且在再生鎖
存器340上設定第一重設信號之放大版本，以由ADC進行比較及數位轉換。在時間t3處，信號SHX 425變為低，此閉合SHX閘極325。亦在時間t3處，信號DCG 439變為高，此將差動放大器335之輸入自N1 331及P1 333(第一對輸入)切換至N2 332及P2 334(第二對輸入)。
在時間t4處，SHX 425再次變為高，此閉合SHX閘極325，且將第二重設信號(在高轉換增益下產生)自VIN 323取樣至輸入節點326上。亦在時間t4處，CMP_RST2 462信號變為高，此閉合CMP_RST2 362閘極，且將輸入N2 332及P2 334之電壓分別重設為輸出VON 337及VOP 338。在時間t5處，CMP_RST2 462信號變為低，此斷開CMP_RST2 362開關，且差動放大器將輸入N2 333上之第二重設信號(在高轉換增益下產生)放大至其輸出上，且在再生鎖存器340上設定第二重設信號之放大版本，以由ADC進行比較及數位轉換。在時間t6處，信號SHX 425變為低，此閉合SHX閘極325。因此，ADC 300具有在輸入級電路330中具有一複製之輸入級的優點，此使能夠取樣在高轉換增益及低轉換增益兩者下的兩個重設位準。由於信號DCG 439在一第一對輸入(N1 331及P1 333)與一第二對輸入(N2 332及P2 334)之間選擇，故藉由使差動放大器335包含可選擇輸入使複製的輸入級成為可能。
在時間t7處，SHX 425再次變為高，此閉合SHX閘極325，且將高增益影像信號(在高轉換增益下產生)自VIN 323取樣至輸入節點326上。由於DCG 439仍為高，故第二對輸入N2 332及P2 334仍為差動放大器335之有效輸入。差動放大器335將輸入N2 333上之高增益影像信號(在高轉換增益下產生)放大至其輸出上，且在再生鎖存器340上設定高增益重設信號之放大版本，以由ADC進行比較及數位轉換。在時間t8處，信號SHX 425變為低，此閉合SHX閘極325。
亦在時間t8處，DCG 439變為低，此選擇第一對輸入N1 331及P1 333作為差動放大器335之有效輸入。在時間t9處，SHX 425再次變為
高，此閉合SHX閘極325且將低增益影像信號(在低轉換增益下產生)自VIN 323取樣至輸入節點326上。差動放大器335將輸入N1 331上之低增益影像信號(在低轉換增益下產生)放大至其輸出上，且在再生鎖存器340上設定低增益重設信號之放大版本以由ADC進行比較及數位轉換。在時間t10處，信號SHX 425變為低，此閉合SHX閘極325。
如圖4中所展示，第一重設電壓與第二重設電壓之間的差係△VRST 451。像素210之高轉換增益下的相關雙取樣(「CDS」)值展示為△VCDS_HI 452，而像素210之低轉換增益下的CDS值展示為△VCDS_LO 453。可藉由低轉換增益使△VCDS_LO 453倍增以產生低轉換增益下的像素210之數位影像信號，而可藉由高轉換增益使△VCDS_HI 452倍增以產生高轉換增益下的像素210之數位影像信號。
依據電腦軟體及硬體描述上文說明之過程。所描述之技術可構成嵌入於一有形或非暫時性機器(例如，電腦)可讀儲存媒體內之機器可執行指令，當藉由一機器執行該等指令時將引起機器執行所描述之操作。另外，該等過程可嵌入於硬體內，諸如一特定應用積體電路(「ASIC」)或其他。
一有形非暫時性機器可讀儲存媒體包含提供(即，儲存)呈可由一機器(例如，一電腦、網路裝置、個人數位助理、製造工具、具有一組一或多個處理器之任何裝置等)存取的一形式之資訊之任何機構。例如，一機器可讀儲存媒體包含可記錄/不可記錄媒體(例如，唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置等)。
本發明之所繪示實施例之上文描述(包含摘要中所描述之內容)並非意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文中為闡釋性目的而描述本發明之特定實施例及實例，但熟習相關技術者將認知，在本發明之範疇內之各種修改係可能的。
鑒於上文【實施方式】，可對本發明進行此等修改。以下申請專利範圍中使用之術語不應被解釋為將本發明限於本說明書中所揭示之特定實施例。實情係，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍判定，該等申請專利範圍應根據申請專利範圍解釋之既定原則予以解釋。
300‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)
323‧‧‧VIN
325‧‧‧取樣與保持開關SHX/SHX閘極
326‧‧‧輸入節點
327‧‧‧DAC_RST
330‧‧‧輸入級電路
331‧‧‧第一輸入N1
332‧‧‧第二輸入N2
333‧‧‧第三輸入P1
334‧‧‧第四輸入P2
335‧‧‧差動放大器
337‧‧‧輸出VON
338‧‧‧輸出VOP
340‧‧‧再生鎖存器
342‧‧‧輸出D-
361‧‧‧CMP_RST1閘極/CMP_RST1開關
362‧‧‧CMP_RST2閘極
370‧‧‧逐次逼近暫存器(SAR)
371‧‧‧重設節點
380‧‧‧二進制加權電容器陣列
Claims (19)
- 一種影像感測器，其包括：一像素陣列；控制電路，其經耦合至該像素陣列以有利於影像獲取，其中該像素陣列中之像素經組態以依以下順序循序地在一第一轉換增益下產生一第一重設信號、在大於該第一轉換增益之一第二轉換增益下產生一第二重設信號、在該第二轉換增益下產生一高增益影像信號，及在該第一轉換增益下產生一低增益影像信號；及一逐次逼近暫存器(「SAR」)類比轉數位轉換器(「ADC」)，其包含具有一第一可選擇輸入及一第二可選擇輸入之輸入級電路，其中該SAR ADC經耦合以依以下順序循序地接收該第一重設信號、該第二重設信號、該高增益影像信號，及該低增益影像信號，且其中該輸入級電路經組態以當接收該第一重設信號及該低增益影像信號時，選擇該第一可選擇輸入，且經組態以當接收該第二重設信號及該高增益影像信號時，選擇該第二可選擇輸入。
- 如請求項1之影像感測器，其中該輸入級電路包含一差動放大器，該差動放大器包含該等第一及第二可選擇輸入。
- 如請求項2之影像感測器，其中該第一可選擇輸入係包含於一第一對可選擇輸入中，且該第二可選擇輸入係包含於一第二對可選擇輸入中，且其中該第一對可選擇輸入經耦合以由一第一重設信號重設，該第二對可選擇輸入經耦合以由與該第一重設信號分離之一第二重設信號重設。
- 如請求項1之影像感測器，其中該SAR ADC包含： 一二進制加權電容器陣列，其經耦合至一輸入節點，其中該第一可選擇輸入及該第二可選擇輸入亦經耦合至該輸入節點，且其中該輸入節點經耦合至一取樣與保持開關；及一逐次逼近暫存器(「SAR」)，其經耦合至該二進制加權電容器陣列。
- 如請求項4之影像感測器，其中該SAR ADC包含：一再生鎖存器，其係耦合於該輸入級電路之一輸出與該SAR之一輸入之間。
- 如請求項1之影像感測器，其中該像素陣列包含經配置成列及行之像素。
- 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器包含複數個該SAR ADC，且其中該複數個SAR ADC中之各者經耦合至該像素陣列自身之行。
- 如請求項1之影像感測器，其中該輸入級電路經組態以回應於依以下順序循序地接收該第一重設信號、該第二重設信號、該高增益影像信號，及該低增益影像信號，而依以下順序循序地輸出該第一重設信號、該第二重設信號、該第二重設信號與該低增益影像信號之間之一差，及該第一重設信號與該高增益影像信號之間之一差。
- 一種用於一影像感測器之讀出電路，該讀出電路包括：複數個逐次逼近暫存器(「SAR」)類比轉數位轉換器(「ADC」)，其包含具有一第一可選擇輸入及一第二可選擇輸入之輸入級電路，其中該SAR ADC經耦合以依以下順序循序地接收一第一重設信號、一第二重設信號、一高增益影像信號，及一低增益影像信號，且其中該輸入級電路經組態以當接收該第一重設信號及該低增益影像信號時，選擇該第一可選擇輸入， 且經組態以當接收該第二重設信號及該高增益影像信號時，選擇該第二可選擇輸入，其中輸入級電路用於耦合至一像素陣列之位元線，且其中該複數個SAR ADC中之各者包含用於傳輸該第一重設信號、該第二重設信號、該高增益影像信號，及該低增益影像信號之一數位轉換之一輸出。
- 如請求項9之讀出電路，其中該輸入級電路包含一差動放大器，該差動放大器包含該等第一及第二可選擇輸入。
- 如請求項10之讀出電路，其中該第一可選擇輸入係包含於一第一對可選擇輸入中，且該第二可選擇輸入係包含於一第二對可選擇輸入中，且其中該第一對可選擇輸入經耦合以由一第一重設信號重設，該第二對可選擇輸入經耦合以由與該第一重設信號分離之一第二重設信號重設。
- 如請求項9之讀出電路，其中該複數個SAR ADC中之各者包含：一二進制加權電容器陣列，其經耦合至一輸入節點，其中該第一可選擇輸入及該第二可選擇輸入亦經耦合至該輸入節點，且其中該輸入節點經耦合至一取樣與保持開關；及一逐次逼近暫存器(「SAR」)，其經耦合至該二進制加權電容器陣列。
- 如請求項12之讀出電路，其中該SAR ADC包含：一再生鎖存器，其係耦合於該輸入級電路之一輸出與該SAR之一輸入之間。
- 一種用於操作一影像感測器之方法，其包括：在輸入級(stage)電路處，依以下順序循序地接收一第一重設信號、一第二重設信號、一高增益影像信號，及一低增益影像信號，其中藉由該影像感測器像素在一第一轉換增益(conversion gain)下產生該第一重設信號及該低增益影像信號，且其中藉由該影像感測器像素在大於該第一轉換增益之一第二轉換增益下產生該第二重設信號及該高增益影像信號；當藉由該輸入級電路接收該第一重設信號及該低增益影像信號時，選擇該輸入級電路之一第一可選擇輸入以放大且輸出而由一類比轉數位轉換器(「ADC」)進行比較；及當藉由該輸入級電路接收該第二重設信號及該高增益影像信號時，選擇該輸入級電路之一第二可選擇輸入以放大且輸出而由該ADC進行比較。
- 如請求項14之方法，其中該輸入級電路包含一差動放大器，該差動放大器包含該等第一及第二可選擇輸入。
- 如請求項15之方法，進一步包括：在接收該第二重設信號之前重設一第一對可選擇輸入，且在接收該第二重設信號與接收該低增益影像信號之間不重設該第一對可選擇輸入，其中該第一可選擇輸入係包含於該第一對可選擇輸入中；及在接收該第一重設信號之後重設一第二對可選擇輸入，且在接收該高增益影像信號與接收該低增益影像信號之間不重設該第二對可選擇輸入，其中該第二可選擇輸入係包含於該第二對可選擇輸入中；且其中該第二對可選擇輸入經耦合以由與該第一重設信號分離之一第二重設信號重設。
- 如請求項14之方法，其中該ADC係一逐次逼近寄存器(「SAR」)ADC，且該SAR ADC包含：一二進制加權電容器陣列，其經耦合至一輸入節點，其中該第一可選擇輸入及該第二可選擇輸入亦經耦合至該輸入節點，且其中該輸入節點經耦合至一取樣與保持開關；及 一逐次逼近暫存器(「SAR」)，其經耦合至該二進制加權電容器陣列。
- 如請求項17之方法，其中該ADC包含：一再生鎖存器，其經耦合於該輸入級電路之一輸出與該SAR之一輸入之間。
- 如請求項14之方法，其中經配置成該等影像感測器像素之列及行之一影像感測器包含複數個該輸入級電路，且其中該影像感測器之各列或行經耦合至該複數個輸入級電路中之一輸入級電路。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14/656,341 US9386240B1 (en) | 2015-03-12 | 2015-03-12 | Compensation for dual conversion gain high dynamic range sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201642649A TW201642649A (zh) | 2016-12-01 |
| TWI573460B true TWI573460B (zh) | 2017-03-01 |
Family
ID=56235070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW105105542A TWI573460B (zh) | 2015-03-12 | 2016-02-24 | 針對雙轉換增益大動態範圍感測器的補償 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9386240B1 (zh) |
| CN (1) | CN105979173B (zh) |
| HK (1) | HK1225545B (zh) |
| TW (1) | TWI573460B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI747422B (zh) * | 2020-08-06 | 2021-11-21 | 財團法人成大研究發展基金會 | 循續漸近式類比至數位轉換器 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7018294B2 (ja) * | 2017-11-10 | 2022-02-10 | ブリルニクス シンガポール プライベート リミテッド | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 |
| US10356351B1 (en) * | 2018-02-07 | 2019-07-16 | Omnivision Technologies, Inc. | Image sensor with dual conversion gain readout |
| US10986290B2 (en) * | 2018-05-18 | 2021-04-20 | Omnivision Technologies, Inc. | Wide dynamic range image sensor with global shutter |
| JP7374586B2 (ja) * | 2019-01-17 | 2023-11-07 | ブリルニクス シンガポール プライベート リミテッド | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 |
| US11451717B2 (en) * | 2019-11-05 | 2022-09-20 | Omnivision Technologies, Inc. | Multi-cell pixel array for high dynamic range image sensors |
| US11870454B2 (en) * | 2020-01-15 | 2024-01-09 | Lg Electronics Inc. | Analog to digital converter |
| US11240458B2 (en) * | 2020-06-12 | 2022-02-01 | Omnivision Technologies, Inc. | Image sensor with capacitor randomization for column gain |
| KR20210156458A (ko) | 2020-06-18 | 2021-12-27 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센싱 장치 및 이를 포함하는 전자 장치 |
| KR20220023601A (ko) | 2020-08-21 | 2022-03-02 | 삼성전자주식회사 | Cds 회로 및 이의 동작 방법, cds 회로를 포함하는 이미지 센서 |
| TWI782637B (zh) * | 2021-07-26 | 2022-11-01 | 新唐科技股份有限公司 | 增量型類比數位轉換器與使用其的電路系統 |
| EP4178197A1 (en) * | 2021-11-03 | 2023-05-10 | Teledyne Innovaciones Microelectrónicas, SLU | Analogue to digital converter for image sensor readout |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130110444A1 (en) * | 2011-10-31 | 2013-05-02 | Aptina Imaging Corporation | Failsafe image sensor with real time integrity checking of pixel analog paths and digital data paths |
| US20130194118A1 (en) * | 2012-01-27 | 2013-08-01 | Analog Devices, Inc. | Correlated double-sample differencing within an adc |
| US20140118176A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-01 | Qualcomm Incorporated | Methods and apparatus for a successive approximation register analog-to-digital converter |
| TW201427419A (zh) * | 2012-12-27 | 2014-07-01 | Omnivision Tech Inc | 用於減少像素陣列讀出時間之轉換電路 |
| TW201434318A (zh) * | 2013-02-21 | 2014-09-01 | Omnivision Tech Inc | 用於提供像素陣列之轉換增益之電路結構 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE602006007551D1 (de) * | 2005-02-24 | 2009-08-13 | Microchip Tech Inc | A/d-wandler mit austausch von auflösungen durch mehrere probe- und haltekanäle |
| US7728896B2 (en) * | 2005-07-12 | 2010-06-01 | Micron Technology, Inc. | Dual conversion gain gate and capacitor and HDR combination |
| JP4238900B2 (ja) * | 2006-08-31 | 2009-03-18 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置、撮像装置 |
| US20090237540A1 (en) * | 2008-03-20 | 2009-09-24 | Micron Technology, Inc. | Imager method and apparatus having combined gate signals |
| TWI470939B (zh) * | 2009-11-04 | 2015-01-21 | Pixart Imaging Inc | 類比至數位轉換器及其相關之校準比較器 |
| JP5589780B2 (ja) * | 2010-11-08 | 2014-09-17 | セイコーエプソン株式会社 | Ａ／ｄ変換回路、電子機器及びａ／ｄ変換方法 |
| US8294077B2 (en) * | 2010-12-17 | 2012-10-23 | Omnivision Technologies, Inc. | Image sensor having supplemental capacitive coupling node |
| US20120249851A1 (en) * | 2011-03-28 | 2012-10-04 | Aptina Imaging Corporation | Eclipse detection using double reset sampling for column parallel adc |
| CN105144699B (zh) * | 2013-03-15 | 2019-03-15 | 拉姆伯斯公司 | 阈值监测的有条件重置的图像传感器及其操作方法 |
| US9001251B2 (en) * | 2013-09-10 | 2015-04-07 | Rambus Inc. | Oversampled image sensor with conditional pixel readout |
| GB201318404D0 (en) * | 2013-10-17 | 2013-12-04 | Cmosis Nv | An image sensor |
| CN110233978B (zh) * | 2014-02-07 | 2022-03-11 | 拉姆伯斯公司 | 馈通补偿图像传感器 |
| US9160360B1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-13 | Mediatek Inc. | Multiplying digital-to-analog converter and pipeline analog-to-digital converter using the same |
| US9270293B2 (en) * | 2014-06-18 | 2016-02-23 | Texas Instruments Incorporated | System and method for multi channel sampling SAR ADC |
-
2015
- 2015-03-12 US US14/656,341 patent/US9386240B1/en active Active
-
2016
- 2016-02-02 CN CN201610071678.8A patent/CN105979173B/zh active Active
- 2016-02-24 TW TW105105542A patent/TWI573460B/zh active
- 2016-12-05 HK HK16113842A patent/HK1225545B/zh unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130110444A1 (en) * | 2011-10-31 | 2013-05-02 | Aptina Imaging Corporation | Failsafe image sensor with real time integrity checking of pixel analog paths and digital data paths |
| US20130194118A1 (en) * | 2012-01-27 | 2013-08-01 | Analog Devices, Inc. | Correlated double-sample differencing within an adc |
| US20140118176A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-01 | Qualcomm Incorporated | Methods and apparatus for a successive approximation register analog-to-digital converter |
| TW201427419A (zh) * | 2012-12-27 | 2014-07-01 | Omnivision Tech Inc | 用於減少像素陣列讀出時間之轉換電路 |
| TW201434318A (zh) * | 2013-02-21 | 2014-09-01 | Omnivision Tech Inc | 用於提供像素陣列之轉換增益之電路結構 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI747422B (zh) * | 2020-08-06 | 2021-11-21 | 財團法人成大研究發展基金會 | 循續漸近式類比至數位轉換器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105979173B (zh) | 2017-11-14 |
| HK1225545B (zh) | 2017-09-08 |
| US9386240B1 (en) | 2016-07-05 |
| TW201642649A (zh) | 2016-12-01 |
| CN105979173A (zh) | 2016-09-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI573460B (zh) | 針對雙轉換增益大動態範圍感測器的補償 | |
| US7920193B2 (en) | Methods, systems and apparatuses using barrier self-calibration for high dynamic range imagers | |
| TWI424742B (zh) | 用於像素單元之高動態運作之方法及裝置 | |
| EP2832090B1 (en) | Cmos image sensors implementing full frame digital correlated double sampling with global shutter | |
| US8134623B2 (en) | Analog-to-digital conversion in image sensors using a differential comparison | |
| JP4485203B2 (ja) | ノイズ消去型ｃｍｏｓ画像センサ | |
| US8310576B2 (en) | Imaging system and driving method thereof with image output based on signal amplification | |
| US7586523B2 (en) | Amplification-type CMOS image sensor of wide dynamic range | |
| US7667176B2 (en) | Readout technique for increasing or maintaining dynamic range in image sensors | |
| US7995124B2 (en) | Image sensor apparatus and method for improved dynamic range with multiple readout circuit paths | |
| US7265329B2 (en) | Image sensors with distributed amplifiers and related methods | |
| JP5711975B2 (ja) | 改善されたダイナミックレンジを有するイメージング配列 | |
| US20060187329A1 (en) | Clamped capacitor readout noise rejection circuit for imagers | |
| KR20210024608A (ko) | 복수의 슈퍼-픽셀(super-pixel)들을 포함하는 이미지 센서 | |
| CN212811862U (zh) | 图像传感器 | |
| JP6539157B2 (ja) | 固体撮像装置および撮像システム | |
| US20150102206A1 (en) | Readout circuit for image sensors | |
| TWI574514B (zh) | 用於實施延伸範圍近似類比數位轉換器之方法及系統 | |
| US10218930B2 (en) | Counting circuit including a plurality of latch circuits and image sensing device with the counting circuit | |
| US10051216B2 (en) | Imaging apparatus and imaging method thereof using correlated double sampling | |
| US11765474B2 (en) | Pixel arrangement, image sensor and method of operating a pixel arrangement | |
| JP2017028513A (ja) | 撮像装置、撮像システム及び信号処理方法 | |
| Shang et al. | A CMOS camera with extended dynamic range | |
| JP2011139181A (ja) | 固体撮像装置 |