TWI709338B - 具有雙重轉換增益讀出之影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本申請涉及具有雙重轉換增益讀出之影像感測器。一種方法包括在一雙重轉換增益像素中自一第一儲存節點讀取一第一類比參考信號，並且使用耦接至該雙重轉換增益像素之一比較器將該第一類比參考信號轉換成一第一數位參考信號。該方法亦包括自該第一儲存節點讀取一第一類比影像信號，並且使用該比較器將該第一類比影像信號轉換成一第一數位影像信號。一第二類比影像信號可在該雙重轉換增益像素中自該第一儲存節點及一第二儲存節點讀取，並且該第二類比影像信號可轉換成一第二數位影像信號。一第二類比參考信號可以自該第一儲存節點及該第二儲存節點讀取，並且可使用該比較器將該第二類比參考信號轉換成一第二數位參考信號。

Description

具有雙重轉換增益讀出之影像感測器
本發明大體上係關於影像感測器，且確切地而非排他地說，係關於類比轉數位轉換(ADC)。
影像感測器已變得隨處可見。它們廣泛用於數碼靜態相機、蜂巢式電話、安全性相機，以及醫學、汽車及其他應用。用於製造影像感測器之技術已經以大步調持續發展。舉例而言，對較高解析度及較低功耗之需求已促進了此等器件之進一步小型化及積體。
典型之影像感測器操作如下。來自外部場景之影像光入射於影像感測器上。影像感測器包括複數個光敏元件，使得每個光敏元件吸收入射影像光之一部分。包括在影像感測器中之諸如光電二極體等光敏元件各自在吸收影像光之後產生影像電荷。所產生之影像電荷的量與影像光之強度成正比。所產生之影像電荷可用於生成表示外部場景之影像。
電荷可基於與參考電壓信號比較藉由影像感測器中之類比轉數位轉換器(ADC)電路轉換成電荷之數位表示。然而，若所產生之電荷的量超過ADC電路之電壓範圍，則可能並不校正電荷之數位表示。
已經採用許多技術來增加ADC電路之電壓範圍。然而，此等技術中之一些可能無法提供所希望之範圍。
本文中描述了與具有雙重轉換增益讀出之影像感測器相關之裝置、系統及方法的實例。在以下描述中，陳述眾多具體細節以提供對實例之透徹描述。然而，熟習相關領域者將認識到，可在無一或多個具體細節之情況下或利用其他方法、組件、材料等來實踐本文中所描述之技術。在其他情況下，為避免混淆某些態樣，未示出或詳細地描述眾所周知之結構、材料或操作。
在本說明書通篇中參考「一個實例」或「一個實施例」意謂結合實例描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一個實例中。因此，在本說明書通篇中在不同位置中出現短語「在一個實例中」或「在一個實施例中」未必皆係指同一個實例。此外，在一或多個實例中，特定特徵、結構或特性可以任何合適方式組合。
藉由雙重轉換增益(DCG)像素，更寬動態範圍可以藉由在低轉換增益(LCG)處讀出一個信號且在高轉換增益(HCG)處讀出一個信號並且隨後將該等信號組合在一起(引起高動態範圍(HDR)讀出)來實現。在DCG讀出中，在LCG讀出與HCG讀出之間在位元線重設位準中通常存在較大差異。在此問題之一些解決方案中，可使用具有兩個輸入級之比較器，但比較器之大小變為大於習知之比較器。此消耗積體電路芯片上之額外空間。在本發明中，引入具有小尺寸比較器之DCG讀出方法。另外，提出新像素讀出方案：HCG重設，隨後為HCG影像信號之讀出，隨後為LCG影像信號之讀出，並且隨後為LCG重設。
圖 1A 說明根據本發明之實施例之成像系統100的一個實例。成像系統100包括像素陣列102、控制電路104、讀出電路108及功能邏輯106。在一個實例中，像素陣列102為光電二極體之二維(2D)陣列，或影像感測器像素(例如，像素P1、P2……Pn)。如所說明，將光電二極體配置成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)，以獲取人、位置、物體等之影像資料，其可隨後用於渲染該人、位置、物體等之2D影像。然而，光電二極體不必配置成列及行，且可採取其他組態。
在一個實例中，在像素陣列102中之每個影像感測器光電二極體/像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路108讀出，並且隨後轉移至功能邏輯106。讀出電路108可耦接至來自像素陣列102中之複數個光電二極體之讀出影像資料。在各種實例中，讀出電路108可以包括放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。在一些實例中，可以包括一或多個比較器112以用於讀出行中之每一者。功能邏輯106可簡單地儲存影像資料，或者甚至藉由應用後期影像效果(例如，修剪、旋轉、移除紅眼、調節亮度、調節對比度或其他效果)來操控影像資料。在一個實例中，讀出電路108可沿(所說明)讀出行線一次讀出一列影像資料，或可使用多種其他技術(未說明)來讀出影像資料，該等技術諸如串行讀出或同時完全並行讀出所有像素。
為了執行ADC，舉例而言，讀出電路108可自斜坡電路110接收參考電壓VRAMP。VRAMP可由比較器112接收，該比較器亦可自像素陣列102之像素接收影像電荷。比較器112可基於VRAMP與影像電荷電壓位準之比較判定影像電荷之數位表示。取決於ADC操作之時序，信號VRAMP可位於各種電壓位準處，並且可用於在接收影像電荷之前(例如，藉由讀出電路108讀取)自動歸零比較器112之輸入。在一些實例中，當輸入自動歸零時VRAMP可以增大，舉例而言，其可提供在信號比較期間所使用之電壓範圍之增大。儘管斜坡電路110示出為成像系統100之單獨區塊，但斜坡電路110可包括於其他區塊中，諸如，行讀出電路108，或電壓產生器區塊(未示出)。
在一個實例中，控制電路104耦接至像素陣列102以控制像素陣列102中之複數個光電二極體之操作。舉例而言，控制電路104可產生用於控制影像獲取之快門信號。在一個實例中，快門信號係用於在單個獲取窗期間同時使得像素陣列102內之所有像素能夠同時捕捉其各別影像資料之全域快門信號。在另一實例中，快門信號係滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用像素之每個列、行或群組。在另一實例中，影像獲取與諸如閃光等照明效果同步。
在一個實例中，成像系統100可包括在數位相機、手機、膝上型電腦或類似者中。另外，成像系統100可耦接至硬體之其他件，諸如，處理器(通用或其他用途)、記憶體元件、輸出端(USB埠、無線發射器、HDMI埠等)、照明設備/閃光、電輸入端(鍵盤、觸摸顯示器、軌跡墊、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。硬體之其他件可將指令傳遞至成像系統100，自成像系統100提取影像資料或操控由成像系統100供應之影像資料。
圖 1B 說明可以包括在圖 1A 中之系統中的實例雙重轉換增益像素(例如，PD1)之示意圖。所說明的係光電二極體101、轉移電晶體103、第一儲存節點105 (例如，浮動擴散)、雙重浮動擴散電晶體107、第二儲存節點109 (例如，包括浮動擴散及電容器111)、重設電晶體113、選擇電晶體115及源極跟隨器電晶體117。
如圖所示，所有組件可以安置在半導體材料或基板中。當轉移信號被應用於轉移電晶體103之閘極端子時，光電二極體101將第一類比影像電荷(回應於入射在光電二極體101上之光產生)轉移至第一儲存節點105。源極跟隨器電晶體117可隨後放大第一儲存節點105上之第一類比信號，並且當選擇電晶體115開啟時信號可以讀出至位元線。讀出第一儲存節點105上之電荷可用於形成具有高轉換增益之影像。類似地，電荷可為光電二極體101至第一儲存節點105之讀出，並且，若額外之電荷需要被吸收，則可開啟雙重浮動擴散閘極107以在第二儲存節點109 (及電容器111)中儲存電荷。源極跟隨器電晶體117可隨後用於放大包括在第一儲存節點105及第二儲存節點107中之第二類比影像電荷，其讀出至位元線。此影像資料可用於形成具有低轉換增益之影像。雙重轉換增益像素中之影像電荷可以藉由開啟重設閘極(及其他電晶體)而重設。
在一些實例中，當無影像電荷在第一儲存節點105中時，第一類比參考信號可為第一儲存節點105之讀出。當無影像電荷儲存在節點105/109中時，第二類比參考信號可為第一儲存節點105及第二儲存節點109兩者之讀出。應瞭解，第一及第二參考信號可自影像信號中減去並且可用於校正雜訊。此外，低轉換增益及高轉換增益影像信號可組合以形成高動態範圍影像。
圖 2 為根據本發明之實施例之比較器212的示意圖。比較器212可為圖 1A 之比較器112之實例。回應於在位元線輸入上接收到之影像電荷信號與在VRAMP輸入上接收到之參考電壓信號VRAMP的比較，比較器212可提供輸出信號。
在一個實例中，第一類比參考信號可自雙重轉換增益像素中之第一儲存節點中讀取(參見例如，圖 1A 中之PD1)，並且可至少部分使用比較器212以將第一類比參考信號轉換成第一數位參考信號。隨後，第一類比影像信號可自雙重轉換增益像素中之第一儲存節點中讀取，並且比較器212可將第一類比影像信號轉換成第一數位影像信號。然後，第二類比影像信號可自雙重轉換增益像素中之第一儲存節點及第二儲存節點中讀取，並且比較器212可用於將第二類比影像信號轉換成第二數位影像信號。接下來，第二類比參考信號可自雙重轉換增益像素中之第一儲存節點及第二儲存節點中讀取，並且比較器212可將第二類比參考信號轉換成第二數位參考信號。
比較器212之所說明實施例包括耦接在參考電壓、在一些實例中之接地與兩個(第一及第二) NMOS輸入電晶體之間的NMOS尾部電晶體。NMOS尾部電晶體可經耦接以在閘極處接收尾部偏置信號，其可啟用/停用NMOS尾部電晶體，並且繼而啟用/停用比較器212。第一NMOS輸入電晶體及第二NMOS輸入電晶體可以並聯耦接在NMOS尾部電晶體與第一PMOS電晶體及第二PMOS電晶體之間。兩個PMOS電晶體可以並聯耦接在兩個NMOS輸入電晶體與參考電壓(例如，VDD)之間。兩個PMOS電晶體可進一步藉由其閘極耦接在一起。另外，比較器212可包括耦接在兩個NMOS輸入電晶體之各別者的閘極與相同NMOS輸入電晶體之汲極側之間的兩個自動歸零開關AZQ1及AZQ2。在一些實例中，可以包括兩個雜訊濾波電容器以將它們之各別輸入端電容耦接至兩個NMOS輸入電晶體之閘極。
比較器212可以被描述為具有參考電壓輸入側及位元線，例如，影像電荷、輸入側。參考電壓輸入側可接收參考電壓VRAMP，並且位元線輸入側可接收影像電荷電壓信號。參考電壓輸入側可包括NMOS輸入電晶體、自動歸零開關AZQ1中之一者及PMOS電晶體中之一者。參考電壓輸入側之PMOS電晶體之閘極可耦接至相同電晶體的汲極，此可引起兩個PMOS電晶體之閘極皆耦接至汲極形成電流鏡。影像電荷輸入側可包括NMOS電晶體、自動歸零開關AZQ2中之一者及PMOS電晶體中之一者。
在操作中，在ADC操作期間比較器212可比較位元線輸入上的影像電荷信號之電壓位準與VRAMP參考信號之電壓位準。舉例而言，在ADC期間VRAMP信號之電壓範圍可用於判定影像電荷位準。然而，在ADC之前，可以標準化至比較器之輸入，例如，VRAMP及位元線，例如，自動歸零，至PMOS電晶體之基極電壓位準，其在本文中可以被稱作自動歸零電壓位準。分別提供至AZQ1及AZQ2之閘極的控制信號A及B可在執行ADC操作之前將NMOS輸入電晶體之閘極自其各別汲極耦接/解耦。標準化NMOS輸入電晶體之閘極上的電壓可強制至相同電壓位準之輸入如此以移除來自ADC操作之任何誤差或雜訊。
在一些實例中，增大自動歸零電壓位準可允許比較器212判定較大影像電荷值。增大自動歸零電壓位準之一個技術可為在比較器212之自動歸零操作期間增大VRAMP之電壓。舉例而言，當比較器212標準化時，VRAMP之電壓位準可以增大，諸如，在AZQ1停用之後但在AZQ2停用之前。增大自動歸零電壓可引起比較器212之電壓範圍之增大，因為自動歸零電壓位準與最小輸入電壓位準之間的電壓差可以增大，此可引起比較器212之電壓範圍之增大。
比較器212可以藉由使XAZ_1及XAZ_2邏輯低而重設。重設操作藉由使XAZ_1及XAZ_2兩者變為邏輯高而結束。XAZ_1可在XAZ_2變為邏輯高之前或在相同時間變為邏輯高。比較器212可在ADC用於HCG重設之前重設。因此，比較器212之操作點被調節至HCG讀出處之位元線電壓。當比較器212重設時，kT/C雜訊可以在浮動節點Vinn及Vinp中誘發。但比較器212之重設雜訊及比較器偏移可以藉由自在HCG信號處之輸出中減去在HCG重設處之輸出抵消，因為比較器212在HCG讀出期間僅重設一次。
類似地，比較器在ADC用於LCG信號之前重設。因此，比較器之操作點被調節至LCG模式處之位元線電壓。並且比較器212之重設雜訊及比較器偏移可以藉由減去用於LCG之重設及信號輸出抵消，因為比較器212在LCG讀出期間僅重設一次。
圖 3 說明根據本發明之教示的圖 2 中之比較器之相對電壓範圍。如上文所陳述，針對此應用之設計器件的一個問題在於比較器之電壓範圍可能並不足夠。舉例而言，比較器在較低側上具有較大電壓範圍但對於較高側具有較小電壓範圍。在本發明之實例中，低轉換增益(LCG)影像信號在LCG重設之前讀出。在比較器針對LCG信號讀出重設之後位元線電壓可為較高的。此意謂可以降低用於接收LCG信號至重設過程之比較器的初始電壓範圍。使用本文中論述之斜坡及偏移技術，本發明將供應給比較器之電壓保持在可操作範圍中。
圖 4 說明可耦接至圖 2 之比較器以產生斜坡信號之實例斜坡電路450的示意圖。藉由改變解碼器451之輸出，斜坡產生器可以產生圖 6A 至圖 6B 中所示之信號。如圖所示，斜坡電路450包括使用耦接至解碼器451之電流源陣列453以產生斜坡信號。解碼器451耦接至複數個開關455之閘極端子以單獨地啟動複數個開關455中之每一者。複數個開關455耦接在電流源陣列453與斜坡電路450之輸出端之間。在所描繪之實例中，驅動器亦耦接在電流源陣列453與斜坡電路450之輸出端之間。電阻器(「Rout」)亦耦接在接地、電流源陣列453與斜坡電路450之輸出端之間。
圖 5 說明可耦接至圖 2 之比較器以產生斜坡信號之實例電流積分斜坡電路560的示意圖。如圖所示，斜坡電路560包括耦接在電流源561、電流槽569與斜坡產生器之輸出端之間的電流積分器(例如，具有電容器及開關之運算放大器)。如圖所示，第一開關563耦接在電流源561與電流積分器565之間，並且第二開關567耦接在電流槽569與電流積分器565之間。此組態允許藉由開啟第一開關563或第二開關567控制斜坡信號之方向(參見例如，圖 6D ，斜坡信號對於HCG信號向下，並且斜坡信號對於LCG信號向上)。開啟第一開關563或第二開關567將放大器之輸入端連接至電流源561或電流槽569。這有助於保持比較器在其規定之限制內。
在電流積分中，斜坡產生器560可輸出在以下項之間的斜坡電壓偏移：(1)第1比較器重設及HCG重設之斜坡開始；(2)第2比較器重設及LCG信號(例如，在圖 6A 至圖 6B 中所示)；(3) XAZ_1至邏輯高並且XAZ_2至邏輯高(例如，在圖 6B 中)。電壓偏移可藉由改變「Vref」電壓產生(如圖 6C 中所示)，或者其可藉由將電流沈降或源化至圖 5 中之「integ.」節點產生。然而，LCG信號與LCG重設之間的大電壓偏移可以藉由沈降電流穿過電流源產生，因為偏移應該精確地匹配斜坡信號且不過多改變電流積分器之操作點。此偏移可以相加至LCG重設之輸出，使得電壓偏移中之誤差將累計至最終輸出。
圖 6A 至圖 6F 說明根據本發明之教示用於在圖 2 中描繪的比較器中且耦接至在圖 2 中描繪之比較器之電子元件的時序圖。應瞭解，所描繪之時序圖僅為控制圖 2 中之電路之許多方法中的一者。
圖 6A 描繪比較器(例如，在圖 2 中之比較器212)之操作。如所描繪，讀出/ADC轉換順序為：(1) HCG重設；(2) HCG信號；(3) LCG信號；(4) LCG重設。斜坡之長度用於將影像及參考信號轉換至數位域中。然而，如結合圖 3 所描述，小比較器可能不具有必需之電壓範圍。
圖 6B 描繪了與圖 6A 類似之時序圖，然而，圖 6B 包括使用斜坡信號之負偏移以降低比較器之重設位準。如圖所示，斜坡電壓在比較器重設之後在開始用於LCG重設之ADC之前增大。若浮動節點之電壓Vinn及Vinp (參見例如，在圖 2 中之節點)增大得過多，則比較器之輸入器件可以在翻轉點滑動至線性區中。在線性區中，比較器之增益變得較小，使得當比較器作出其匹配決策時誤差可能較大。一般而言，若比較器以圖 6A 中所示之方式重設，則當比較器重設時並且當比較器作出決策應該與輸入器件之臨限值電壓相比小得多時，電壓在浮動節點中在Vinn與 Vinp之間遞增。
在一些實例中，ADC之電壓範圍可以藉由改變重設順序增加。如圖 6B 中所示，斜坡信號之電壓在XAZ_1變為邏輯高之後減小。當XAZ_1為邏輯高並且XAZ_2為邏輯低時，比較器充當電壓跟隨器並且「Vout」及「Vinn」係與「Vinp」幾乎相同之電壓。相應地，若斜變電壓減小，則「Vinp」、「Vout」及「Vinn」亦降低。因此，當比較器重設時「Vinp」及「Vinn」可以降低。此將輸入器件置放在飽和區中，無論位元線及斜坡信號之電壓是否在重設之後增大。
圖 6C 描繪了與圖 6B 類似之時序圖，然而，圖 6C 包括使用雙向斜坡信號(例如，藉由在圖 5 中之斜坡電路生成之信號)。LCG信號與LCG重設之間的電壓偏移藉由來自「integ」節點之沈降電流產生(參見例如，圖 5 )，並且其他電壓偏移藉由「Vref」產生。一般熟習此項技術者將瞭解藉由電流槽或電流源以相同方式亦可產生其他偏移。
圖 6D 類似於圖 6A ，然而，在LCG信號及LCG重設讀出期間圖 6D 採用雙向斜坡信號。換言之，斜坡信號在相反方向上。因此，不需要在LCG信號與LCG重設之間產生電壓偏移，器件簡單地需要藉由將「integ_en」信號(參見例如，圖 5 )變為邏輯低以使電容器短路來重設積分器。
圖 6E 類似於圖 6B ，然而，圖 6E 採用偏移電壓及雙向斜坡信號兩者用於LCG信號及LCG重設之讀出。
圖 6F 描繪了用於圖 6E 之時序圖的電流積分ADC控制信號。應瞭解，在圖 5 中之斜坡電路可用於產生所描繪之斜坡信號。亦應瞭解，當不存在產生在LCG信號與LCG重設之間的電壓偏移之明確需要時，偏移電壓可藉由使用圖 5 中所描繪之器件之電流源及電流槽產生。然而，此可能增強比較器之效率。
圖 7 說明操作具有雙重轉換增益讀出之影像感測器之方法700。具有本發明之權益之熟習此項技術者將瞭解圖 7 中之區塊701-715中之一些可能按與論述之次序不同之次序發生並且甚至並行發生。此外，根據本發明之教示，可向方法700加入區塊或自方法700移除區塊。
區塊701示出了在雙重轉換增益像素中自第一儲存節點(例如，圖 1B 中之第一儲存節點109)讀取第一類比參考信號(例如，沒有儲存之影像電荷)。在一些實例中，讀取可包括使用源極跟隨器電晶體放大儲存節點上之電壓以及自位元線中讀取經放大信號。
區塊703描繪了使用耦接至雙重轉換增益像素之比較器(例如，在圖 2 中之比較器212)將第一類比參考信號轉換成第一數位參考信號。第一數位參考信號可用於移除高轉換增益影像資料中之雜訊(參見下文)。
區塊705說明自第一儲存節點讀取第一類比影像信號(例如，自圖 1B 之光電二極體101產生之電荷吸收光)。如同讀出第一類比參考信號，此可能涉及藉由源極跟隨器放大儲存節點上之信號並且讀出經放大信號至位元線。
區塊707示出了使用比較器將第一類比影像信號轉換成第一數位影像信號。在所描繪之實例中，將第一類比影像信號轉換成第一數位影像信號發生在將第一類比參考信號轉換成第一數位參考信號與將第二類比影像信號轉換成第二數位影像信號之間。換言之，區塊707時間上發生在區塊703之後及區塊711之前。第一類比影像信號可用於形成高轉換增益影像資料。
在一些實例中，斜坡電路(參見例如，圖 4 至圖 5 )耦接至比較器以在將第一類比影像信號轉換成第一數位影像信號之後輸出偏移信號。換言之，偏移信號可以藉由區塊707與711之間的比較器接收。在一些實例中，偏移信號包括調節來自斜坡電路之自動歸零電壓位準輸出。
區塊709描繪在雙重轉換增益像素中自第一儲存節點及第二儲存節點(例如，在圖 1B 中第二儲存節點109包括電容器111)讀取第二類比影像信號。
區塊711說明使用比較器將第二類比影像信號轉換成第二數位影像信號。在所描繪之實例中，將第二類比影像信號轉換成第二數位影像信號發生在將第一類比影像信號轉換成第一數位影像信號與將第二類比參考信號轉換成第二數位參考信號之間。換言之，區塊711發生在區塊707之後但在區塊715之前。第二類比參考信號可用於形成低轉換增益影像資料，因為電荷為兩個儲存節點(並且，在一些實例中，亦為電容器)之讀出。
區塊713描繪自第一儲存節點及第二儲存節點讀取第二類比參考信號。
區塊715說明使用比較器將第二類比參考信號轉換成第二數位參考信號。第二類比參考信號可用於移除低轉換增益影像資料中之雜訊。
應瞭解區塊703、707、711及715中所示之轉換步驟可為至少部分藉由自耦接至雙重轉換增益像素之斜坡電路將斜坡信號輸出至比較器完成的。如前所述，斜坡信號由比較器使用以將第一類比參考信號轉換成第一數位參考信號，將第一類比影像信號轉換成第一數位影像信號，將第二類比影像信號轉換成第二數位影像信號，並且將第二類比參考信號轉換成第二數位參考信號。在一些實例中，輸出斜坡信號包括使用耦接至解碼器之電流源陣列以產生斜坡信號，並且解碼器耦接至複數個開關之閘極端子以啟動複數個開關。在一個實例中，使用耦接在電流源、電流槽與斜坡電路之輸出端之間的電流積分器產生斜坡信號。並且輸出斜坡信號包括藉由開啟耦接在電流源與電流積分器之間的第一開關或耦接在電流槽與電流積分器之間的第二開關中之一個控制斜坡信號之方向。
在以上描述中，描述電路之各種零件。具有本發明之權益之熟習此項技術者將瞭解，施加至電路之各種零件上之電信號的時序可按任何次序發生且甚至並行地發生。此外，根據本發明之教示，可新增或移除電路之零件及時序事件。應瞭解，根據本發明之教示，電晶體可被稱作「開關」或「閘極」。
對本發明之所說明實例之以上描述(包括摘要中所描述之內容)並不意欲為窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。雖然本文中出於說明性目的描述了本發明之具體實例，但在本發明之範圍內，各種修改係可能的，如相關領域之技術者將認識到。
可鑒於以上詳細描述對本發明作出此等修改。所附申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限制於本說明書中所揭示之具體實例。實際上，本發明之範疇圍應完全由所附申請專利範圍判定，應如請求項解釋之已確立之原則來解釋所附申請專利範圍。
100‧‧‧成像系統 101‧‧‧光電二極體 102‧‧‧像素陣列 103‧‧‧轉移電晶體 104‧‧‧控制電路 105‧‧‧第一儲存節點 106‧‧‧功能邏輯 107‧‧‧雙重浮動擴散電晶體 108‧‧‧讀出電路 109‧‧‧第二儲存節點 110‧‧‧斜坡電路 111‧‧‧ 電容器 112‧‧‧比較器 113‧‧‧重設電晶體 115‧‧‧選擇電晶體 117‧‧‧源極跟隨器電晶體 212‧‧‧比較器 450‧‧‧斜坡電路 451‧‧‧解碼器 453‧‧‧電流源陣列 455‧‧‧開關 560‧‧‧斜坡電路 561‧‧‧電流源 563‧‧‧第一開關 565‧‧‧電流積分器 567‧‧‧第二開關 569‧‧‧電流槽 700‧‧‧方法 701‧‧‧區塊 703‧‧‧區塊 705‧‧‧區塊 707‧‧‧區塊 709‧‧‧區塊 711‧‧‧區塊 713‧‧‧區塊 715‧‧‧區塊 AZQ1‧‧‧自動歸零開關 AZQ2‧‧‧自動歸零開關
參考以下圖式描述本發明之非限制性且非窮盡性之實例，其中除非另外規定，否則在各圖通篇中相同之參考標號指代相同之部分。
圖 1A 說明根據本發明之教示之成像系統的一個實例。
圖 1B 說明根據本發明之教示可以包括在圖 1A 之系統中的實例雙重轉換增益像素之示意圖。
圖 2 說明根據本發明之教示之比較器的示意圖。
圖 3 說明根據本發明之教示之圖 2 中之比較器的相對電壓範圍。
圖 4 說明根據本發明之教示可耦接至圖 2 之比較器的二元斜坡電路之示意圖。
圖 5 說明根據本發明之教示可耦接至圖 2 之比較器的電流積分斜坡電路之示意圖。
圖 6A 至圖 6F 說明根據本發明之教示用於在圖 2 中描繪的比較器中且耦接至在圖 2 中描繪之比較器之電子元件的時序圖。
圖 7 說明根據本發明之教示操作具有雙重轉換增益讀出之影像感測器的方法。
對應之參考標號在圖式之若干視圖通篇中指示對應的組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件僅為簡單及清晰起見而進行說明，且未必按比例繪製。舉例而言，圖中之一些元件的尺寸可能相對於其他元件加以放大以有助於改良對本發明之各種實施例之理解。並且，通常未描繪在商業可行之實施例中有用或必需之常見但眾所周知的元件，以便促進本發明之此等各種實施例之遮擋較少的視圖。
700‧‧‧方法
701‧‧‧區塊
703‧‧‧區塊
705‧‧‧區塊
707‧‧‧區塊
709‧‧‧區塊
711‧‧‧區塊
713‧‧‧區塊
715‧‧‧區塊

Claims (20)

  1. 一種類比轉數位轉換(ADC)方法，其包含：在一雙重轉換增益像素中自一第一儲存節點讀取一第一類比參考信號；使用耦接至該雙重轉換增益像素之一比較器將該第一類比參考信號轉換成一第一數位參考信號；自該第一儲存節點讀取一第一類比影像信號；使用該比較器將該第一類比影像信號轉換成一第一數位影像信號；在該雙重轉換增益像素中自該第一儲存節點及一第二儲存節點讀取一第二類比影像信號；使用該比較器將該第二類比影像信號轉換成一第二數位影像信號；自該第一儲存節點及該第二儲存節點讀取一第二類比參考信號；及使用該比較器將該第二類比參考信號轉換成一第二數位參考信號。
  2. 如請求項1之方法，其中將該第一類比影像信號轉換成該第一數位影像信號發生在將該第一類比參考信號轉換成該第一數位參考信號與將該第二類比影像信號轉換成該第二數位影像信號之間。
  3. 如請求項2之方法，其中將該第二類比影像信號轉換成該第二數位影像信號發生在將該第一類比影像信號轉換成該第一數位影像信號與將該第二類比參考信號轉換成該第二數位參考信號之間。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含自耦接至該雙重轉換增益像素之一斜坡電路將一斜坡信號輸出至該比較器，其中該斜坡信號由該比較器使用以將該第一類比參考信號轉換成該第一數位參考信號，將該第一類比影像信號轉換成該第一數位影像信號，將該第二類比影像信號轉換成該第二數位影像信號，並且將該第二類比參考信號轉換成該第二數位參考信號。
  5. 如請求項4之方法，其進一步包含在將該第一類比影像信號轉換成該第一數位影像信號與將該第二類比影像信號轉換成該第二數位影像信號之間將偏移信號輸出至具有該斜坡電路之該比較器。
  6. 如請求項5之方法，其中輸出該偏移信號包括調節來自該斜坡電路之一自動歸零電壓位準輸出。
  7. 如請求項4之方法，其中輸出該斜坡信號包括使用耦接至一解碼器之一電流源陣列以產生該斜坡信號。
  8. 如請求項4之方法，其中該解碼器耦接至複數個開關之閘極端子以單獨地啟動該複數個開關中之每一者，並且其中該複數個開關耦接在該電流源陣列與該斜坡電路的一輸出端之間。
  9. 如請求項4之方法，其中輸出該斜坡信號包括使用耦接在一電流源、一電流槽與該斜坡電路之一輸出端之間的一電流積分器。
  10. 如請求項7之方法，其中輸出該斜坡信號包括藉由開啟耦接在該電流源與該電流積分器之間的一第一開關或耦接在該電流槽與該電流積分器之間的一第二開關中之一者控制該斜坡信號之一方向。
  11. 一種包括類比轉數位轉換器之影像感測器裝置，其包含：一雙重轉換增益像素，其包括耦接至一第一儲存節點及一第二儲存節點之一光電二極體；一斜坡電路，其耦接至該雙重轉換增益像素以輸出一斜坡信號；及一比較器，其耦接至該雙重轉換增益光電二極體及該斜坡電路以接收該斜坡信號，其中該比較器經組態以：將自該第一儲存節點輸出之一第一類比參考信號轉換成一第一數位參考信號；在轉換該第一類比參考信號之後將自該第一儲存節點輸出之一第一類比影像信號轉換成一第一數位影像信號；在轉換該第一類比影像信號之後將自該第一儲存節點及該第二儲存節點輸出之一第二類比影像信號轉換成一第二數位影像信號；及在轉換該第二類比影像信號之後將自該第一儲存節點及該第二儲存節點輸出之一第二類比參考信號轉換成一第二數位參考信號。
  12. 如請求項11之影像感測器裝置，其中該第一儲存節點包括一浮動擴散，並且該第二儲存節點包括一浮動擴散或一電容器中之至少一者。
  13. 如請求項11之影像感測器裝置，其中在將該第一類比影像信號轉換 成一第一數位影像信號之後該斜坡電路經耦接以將一偏移信號輸出至該比較器。
  14. 如請求項13之影像感測器裝置，其中該偏移信號調節來自該斜坡電路之一自動歸零電壓位準輸出。
  15. 如請求項11之影像感測器裝置，其中該斜坡電路包括耦接至一解碼器之一電流源陣列以產生該斜坡信號。
  16. 如請求項15之影像感測器裝置，其中該解碼器耦接至複數個開關之閘極端子以啟動該複數個開關，並且其中該複數個開關安置在該電流源陣列與該斜坡電路的一輸出端之間。
  17. 如請求項11之影像感測器裝置，其中該斜坡電路包括耦接在一電流源、一電流槽與該斜坡電路的一輸出端之間的一電流積分器。
  18. 如請求項17之影像感測器裝置，其中該斜坡電路包括耦接在該電流源與該電流積分器之間的一第一開關，以及耦接在該電流槽與該電流積分器之間的一第二開關，並且其中該斜坡信號之一方向藉由開啟該第一開關或該第二開關受到控制。
  19. 如請求項11之影像感測器裝置，其中該比較器包括：一第一PMOS電晶體及一第二PMOS電晶體，其並聯耦接至一電源電 壓，其中該第一PMOS電晶體之該閘極端子及該第二PMOS電晶體之該閘極端子耦接至該第一PMOS電晶體的一汲極端子以形成一電流鏡；一第一NMOS電晶體及一第二NMOS電晶體，其並聯耦接，其中該第一NMOS電晶體及一第二NMOS電晶體分別耦接至該第一PMOS電晶體及該第二PMOS電晶體；及一NMOS尾部電晶體，其耦接至該第一NMOS電晶體、第二NMOS電晶體及接地。
  20. 如請求項11之影像感測器裝置，其進一步包含複數個該雙重轉換增益像素，其包括至少部分安置在一半導體材料中且配置至一陣列中之該雙重轉換增益像素。
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