CN110121037B - 具有双重转换增益读出的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及具有双重转换增益读出的图像传感器。一种方法包含在双重转换增益像素中从第一存储节点读取第一模拟参考信号，并且使用耦合到所述双重转换增益像素的比较器将所述第一模拟参考信号转换第一数字参考信号。所述方法还包含从所述第一存储节点读取第一模拟图像信号，并且使用所述比较器将所述第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号。第二模拟图像信号可以在所述双重转换增益像素中从所述第一存储节点和第二存储节点读取，并且所述第二模拟图像信号可以转换成第二数字图像信号。第二模拟参考信号可以从所述第一存储节点和所述第二存储节点读取，并且可以使用所述比较器将所述第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。

Description

具有双重转换增益读出的图像传感器

技术领域

本发明大体上涉及图像传感器，且确切地而非排他地说，涉及模/数转换(ADC)。

背景技术

图像传感器已变得随处可见。它们广泛用于数码静态相机、蜂窝式电话、安全性相机，以及医学、汽车和其它应用。用于制造图像传感器的技术已经以大步调持续发展。举例来说，对较高分辨率和较低功耗的需求已促进了这些装置的进一步小型化和集成。

典型的图像传感器操作如下。来自外部场景的图像光入射于图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每个光敏元件吸收入射图像光的一部分。包含在图像传感器中的例如光电二极管等光敏元件各自在吸收图像光之后产生图像电荷。所产生的图像电荷的量与图像光的强度成正比。所产生的图像电荷可用于生成表示外部场景的图像。

电荷可以基于与参考电压信号比较通过图像传感器中的模/数转换器(ADC)电路转换成电荷的数字表示。然而，如果所产生的电荷的量超过ADC电路的电压范围，那么可能并不校正电荷的数字表示。

已经采用许多技术来增加ADC电路的电压范围。然而，这些技术中的一些可能无法提供所希望的范围。

发明内容

根据本申请的实施例，一种方法包括：在双重转换增益像素中从第一存储节点读取第一模拟参考信号；使用耦合到双重转换增益像素的比较器将第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号；从第一存储节点读取第一模拟图像信号；使用比较器将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号；在双重转换增益像素中从第一存储节点和第二存储节点读取第二模拟图像信号；使用比较器将第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号；从第一存储节点和第二存储节点读取第二模拟参考信号；以及使用比较器将第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。

根据本申请的另一个实施例，一种包含模/数转换器的图像传感器设备包括：双重转换增益像素，其包含耦合到第一存储节点和第二存储节点的光电二极管；斜坡电路，其耦合到双重转换增益像素以输出斜坡信号；以及比较器，其耦合到双重转换增益光电二极管和斜坡电路以接收斜坡信号，其中比较器经配置以：将从第一存储节点输出的第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号；在转换第一模拟参考信号之后将从第一存储节点输出的第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号；在转换第一模拟图像信号之后将从第一存储节点和第二存储节点输出的第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号；以及在转换第二模拟图像信号之后将从第一存储节点和第二存储节点输出的第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。

附图说明

参考以下图式描述本发明的非限制性且非穷尽性的实例，其中除非另外规定，否则在各图通篇中相同的参考标号指代相同的部分。

图1A说明根据本发明的教示的成像系统的一个实例。

图1B说明根据本发明的教示可以包含在图1A的系统中的实例双重转换增益像素的示意图。

图2说明根据本发明的教示的比较器的示意图。

图3说明根据本发明的教示的图2中的比较器的相对电压范围。

图4说明根据本发明的教示可以耦合到图2的比较器的二元斜坡电路的示意图。

图5说明根据本发明的教示可以耦合到图2的比较器的电流积分斜坡电路的示意图。

图6A到6F说明根据本发明的教示用于在图2中描绘的比较器中且耦合到在图2中描绘的比较器的电子元件的时序图。

图7说明根据本发明的教示操作具有双重转换增益读出的图像传感器的方法。

对应的参考标号在图式的若干视图通篇中指示对应的组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而进行说明，且未必按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件加以放大以有助于改进对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件，以便促进本发明的这些各种实施例的遮挡较少的视图。

具体实施方式

本文中描述了与具有双重转换增益读出的图像传感器相关的设备、系统和方法的实例。在以下描述中，陈述众多具体细节以提供对实例的透彻描述。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有一或多个具体细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践本文中所描述的技术。在其它情况下，为避免混淆某些方面，未示出或详细地描述众所周知的结构、材料或操作。

在本说明书通篇中参考“一个实例”或“一个实施例”意味着结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在本说明书通篇中在不同位置中出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必都是指同一个实例。此外，在一或多个实例中，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合。

通过双重转换增益(DCG)像素，更宽动态范围可以通过在低转换增益(LCG)处读出一个信号且在高转换增益(HCG)处读出一个信号并且随后将所述信号组合在一起(引起高动态范围(HDR)读出)来实现。在DCG读出中，在LCG读出与HCG读出之间在位线重置电平中通常存在较大差异。在此问题的一些解决方案中，可使用具有两个输入级的比较器，但是比较器的大小变为大于常规的比较器。这消耗集成电路芯片上的额外空间。在本发明中，引入具有小尺寸比较器的DCG读出方法。另外，提出新像素读出方案：HCG重置，随后是HCG图像信号的读出，随后是LCG图像信号的读出，并且随后是LCG重置。

图1A说明根据本发明的实施例的成像系统100的一个实例。成像系统100包含像素阵列102、控制电路104、读出电路108和功能逻辑106。在一个实例中，像素阵列102是光电二极管的二维(2D)阵列，或图像传感器像素(例如，像素P1、P2……、Pn)。如所说明，将光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)和列(例如，列C1到Cx)，以获取人、位置、物体等的图像数据，其可随后用于渲染所述人、位置、物体等的2D图像。然而，光电二极管不必布置成行和列，且可采取其它配置。

在一个实例中，在像素阵列102中的每个图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路108读出，并且随后转移到功能逻辑106。读出电路108可以耦合到来自像素阵列102中的多个光电二极管的读出图像数据。在各种实例中，读出电路108可以包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。在一些实例中，可以包含一或多个比较器112以用于读出列中的每一个。功能逻辑106可简单地存储图像数据，或者甚至通过应用后期图像效果(例如，修剪、旋转、去除红眼、调节亮度、调节对比度或其它效果)来操控图像数据。在一个实例中，读出电路108可沿(所说明)读出列线一次读出一行图像数据，或可使用多种其它技术(未说明)来读出图像数据，所述技术例如串行读出或同时完全并行读出所有像素。

为了执行ADC，举例来说，读出电路108可从斜坡电路110接收参考电压VRAMP。VRAMP可以由比较器112接收，所述比较器也可以从像素阵列102的像素接收图像电荷。比较器112可基于VRAMP与图像电荷电压电平的比较确定图像电荷的数字表示。取决于ADC操作的时序信号VRAMP可位于各种电压电平处，并且可用于在接收图像电荷之前(例如，通过读出电路108读取)自动归零比较器112的输入。在一些实例中，当输入自动归零时VRAMP可以增大，举例来说，其可提供在信号比较期间所使用的电压范围的增大。虽然斜坡电路110示出为成像系统100的单独的框，但是斜坡电路110可以包含于其它框中，例如，列读出电路108，或电压产生器框(未示出)。

在一个实例中，控制电路104耦合到像素阵列102以控制像素阵列102中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路104可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是用于在单个获取窗口期间同时使得像素阵列102内的所有像素能够同时俘获其相应的图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗口期间依序启用像素的每个行、列或群组。在另一实例中，图像获取与例如闪光等照明效果同步。

在一个实例中，成像系统100可以包含在数码相机、手机、膝上型计算机或类似者中。另外，成像系统100可耦合到硬件的其它件，例如，处理器(通用或其它用途)、存储器元件、输出端(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明设备/闪光、电输入端(键盘、触摸显示器、轨迹垫、鼠标、麦克风等)和/或显示器。硬件的其它件可将指令传递到成像系统100，从成像系统100提取图像数据或操控由成像系统100供应的图像数据。

图1B说明可以包含在图1A中的系统中的实例双重转换增益像素(例如，PD1)的示意图。所说明的是光电二极管101、转移晶体管103、第一存储节点105(例如，浮动扩散)、双重浮动扩散晶体管107、第二存储节点109(例如，包含浮动扩散和电容器111)、重置晶体管113、选择晶体管115和源极跟随器晶体管117。

如图所示，所有组件可以安置在半导体材料或衬底中。当转移信号被应用于转移晶体管103的栅极端子时光电二极管101将第一模拟图像电荷(响应于入射在光电二极管101上的光产生)转移到第一存储节点105。源极跟随器晶体管117可随后放大第一存储节点105上的第一模拟信号，并且当选择晶体管115开启时信号可以读出到位线。读出第一存储节点105上的电荷可用于形成具有高转换增益的图像。类似地，电荷可以是光电二极管101到第一存储节点105的读出，并且，如果额外的电荷需要被吸收，那么可以开启双重浮动扩散栅极107以在第二存储节点109(和电容器111)中存储电荷。源极跟随器晶体管117可随后用于放大包含在第一存储节点105和第二存储节点107中的第二模拟图像电荷，其读出到位线。此图像数据可用于形成具有低转换增益的图像。双重转换增益像素中的图像电荷可以通过开启重置栅极(和其它晶体管)而重置。

在一些实例中，当没有图像电荷在第一存储节点105中时第一模拟参考信号可以是第一存储节点105的读出。当没有图像电荷存储在节点105/109中时第二模拟参考信号可以是第一存储节点105和第二存储节点109两者的读出。应了解第一和第二参考信号可以从图像信号中减去并且可用于校正噪声。此外，低转换增益和高转换增益图像信号可以组合以形成高动态范围图像。

图2是根据本发明的实施例的比较器212的示意图。比较器212可以是图1A的比较器112的实例。响应于在位线输入上接收到的图像电荷信号与在VRAMP输入上接收到的参考电压信号VRAMP的比较，比较器212可提供输出信号。

在一个实例中，第一模拟参考信号可以从双重转换增益像素中的第一存储节点中读取(参见例如，图1A中的PD1)，并且可至少部分使用比较器212以将第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号。随后，第一模拟图像信号可以从双重转换增益像素中的第一存储节点中读取，并且比较器212可将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号。然后，第二模拟图像信号可以从双重转换增益像素中的第一存储节点和第二存储节点中读取，并且比较器212可用于将第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号。接下来，第二模拟参考信号可以从双重转换增益像素中的第一存储节点和第二存储节点中读取，并且比较器212可将第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。

比较器212的所说明的实施例包含耦合在参考电压、在一些实例中的接地与两个(第一和第二)NMOS输入晶体管之间的NMOS尾部晶体管。NMOS尾部晶体管可以经耦合以在栅极处接收尾部偏置信号，其可启用/停用NMOS尾部晶体管，并且继而启用/停用比较器212。第一NMOS输入晶体管和第二NMOS输入晶体管可以并联耦合在NMOS尾部晶体管与第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管之间。两个PMOS晶体管可以并联耦合在两个NMOS输入晶体管与参考电压(例如，VDD)之间。两个PMOS晶体管可进一步通过它们的栅极耦合在一起。另外，比较器212可以包含耦合在两个NMOS输入晶体管的相应者的栅极与相同NMOS输入晶体管的漏极侧之间的两个自动归零开关AZQ1和AZQ2。在一些实例中，可以包含两个噪声滤波电容器以将它们的相应的输入端电容耦合到两个NMOS输入晶体管的栅极。

比较器212可以被描述为具有参考电压输入侧和位线，例如，图像电荷、输入侧。参考电压输入侧可接收参考电压VRAMP，并且位线输入侧可接收图像电荷电压信号。参考电压输入侧可以包含NMOS输入晶体管、自动归零开关AZQ1中的一个和PMOS晶体管中的一个。参考电压输入侧的PMOS晶体管的栅极可以耦合到相同晶体管的漏极，这可引起两个PMOS晶体管的栅极都耦合到漏极形成电流镜。图像电荷输入侧可以包含NMOS晶体管、自动归零开关AZQ2中的一个和PMOS晶体管中的一个。

在操作中，在ADC操作期间比较器212可比较位线输入上的图像电荷信号的电压电平与VRAMP参考信号的电压电平。举例来说，在ADC期间VRAMP信号的电压范围可用于确定图像电荷电平。然而，在ADC之前，可以标准化到比较器的输入，例如，VRAMP和位线，例如，自动归零，到PMOS晶体管的基极电压电平，其在本文中可以被称作自动归零电压电平。分别提供到AZQ1和AZQ2的栅极的控制信号A和B可在执行ADC操作之前将NMOS输入晶体管的栅极从它们的相应的漏极耦合/解耦。标准化NMOS输入晶体管的栅极上的电压可强制到相同电压电平的输入如此以移除来自ADC操作的任何误差或噪声。

在一些实例中，增大自动归零电压电平可允许比较器212确定较大图像电荷值。增大自动归零电压电平的一个技术可以是在比较器212的自动归零操作期间增大VRAMP的电压。举例来说，当比较器212标准化时VRAMP的电压电平可以增大，例如，在AZQ1停用之后但是在AZQ2停用之前。增大自动归零电压可引起比较器212的电压范围的增大，因为自动归零电压电平与最小输入电压电平之间的电压差可以增大，这可引起比较器212的电压范围的增大。

比较器212可以通过使XAZ_1和XAZ_2逻辑低而重置。重置操作通过使XAZ_1和XAZ_2两者变为逻辑高而结束。XAZ_1可以在XAZ_2变为逻辑高之前或在相同时间变为逻辑高。比较器212可以在ADC用于HCG重置之前重置。因此，比较器212的操作点被调节到HCG读出处的位线电压。当比较器212重置时，kT/C噪声可以在浮动节点Vinn和Vinp中诱发。但是比较器212的重置噪声和比较器偏移可以通过从在HCG信号处的输出中减去在HCG重置处的输出抵消，因为比较器212在HCG读出期间仅重置一次。

类似地，比较器在ADC用于LCG信号之前重置。因此，比较器的操作点被调节到LCG模式处的位线电压。并且比较器212的重置噪声和比较器偏移可以通过减去用于LCG的重置和信号输出抵消，因为比较器212在LCG读出期间仅重置一次。

图3说明根据本发明的教示的图2中的比较器的相对电压范围。如上文所陈述，针对此应用的设计装置的一个问题在于比较器的电压范围可能并不足够。举例来说，比较器在较低侧上具有较大电压范围但是对于较高侧具有较小电压范围。在本发明的实例中，低转换增益(LCG)图像信号在LCG重置之前读出。在比较器针对LCG信号读出重置之后位线电压可以是较高的。这意味着可以降低用于接收LCG信号到重置过程的比较器的初始电压范围。使用本文中论述的斜坡和偏移技术，本发明将供应给比较器的电压保持在可操作范围中。

图4说明可以耦合到图2的比较器以产生斜坡信号的实例斜坡电路450的示意图。通过改变解码器451的输出，斜坡产生器可以产生图6A到6B中所示的信号。如图所示，斜坡电路450包含使用耦合到解码器451的电流源阵列453以产生斜坡信号。解码器451耦合到多个开关455的栅极端子以单独地激活多个开关455中的每一个。多个开关455耦合在电流源阵列453与斜坡电路450的输出端之间。在所描绘的实例中，驱动器也耦合在电流源阵列453与斜坡电路450的输出端之间。电阻器(“Rout”)也耦合在接地、电流源阵列453与斜坡电路450的输出端之间。

图5说明可以耦合到图2的比较器以产生斜坡信号的实例电流积分斜坡电路560的示意图。如图所示，斜坡电路560包含耦合在电流源561、电流汇569与斜坡产生器的输出端之间的电流积分器(例如，具有电容器和开关的运算放大器)。如图所示，第一开关563耦合在电流源561与电流积分器565之间，并且第二开关567耦合在电流汇569与电流积分器565之间。此配置允许通过开启第一开关563或第二开关567控制斜坡信号的方向(参见例如，图6D，斜坡信号对于HCG信号向下，并且斜坡信号对于LCG信号向上)。开启第一开关563或第二开关567将放大器的输入端连接到电流源561或电流汇569。这有助于保持比较器在其规定的限制内。

在电流积分中，斜坡产生器560可输出在以下项之间的斜坡电压偏移：(1)第1比较器重置和HCG重置的斜坡开始；(2)第2比较器重置和LCG信号(例如，在图6A到6B中所示)；(3)XAZ_1到逻辑高并且XAZ_2到逻辑高(例如，在图6B中)。电压偏移可通过改变“Vref”电压产生(如图6C中所示)，或者它们可通过将电流沉降或源化到图5中的“integ.”节点产生。然而，LCG信号与LCG重置之间的大电压偏移可以通过沉降电流穿过电流源产生，因为偏移应该精确地匹配斜坡信号且不过多改变电流积分器的操作点。此偏移可以添加到LCG重置的输出，使得电压偏移中的误差将累计到最终输出。

图6A到6F说明根据本发明的教示用于在图2中描绘的比较器中且耦合到在图2中描绘的比较器的电子元件的时序图。应了解所描绘的时序图仅是控制图2中的电路的许多方法中的一个。

图6A描绘比较器(例如，在图2中的比较器212)的操作。如所描绘，读出/ADC转换顺序是：(1)HCG重置；(2)HCG信号；(3)LCG信号；(4)LCG重置。斜坡的长度用于将图像和参考信号转换到数字域中。然而，如结合图3所描述，小比较器可能不具有必需的电压范围。

图6B描绘了与图6A类似的时序图，然而，图6B包含使用斜坡信号的负偏移以降低比较器的重置电平。如图所示，斜坡电压在比较器重置之后在开始用于LCG重置的ADC之前增大。如果浮动节点的电压Vinn和Vinp(参见例如，在图2中的节点)增大的过多，那么比较器的输入装置可以在翻转点滑动到线性区中。在线性区中，比较器的增益变得较小，使得当比较器作出其匹配决策时误差可以较大。一般来说，如果比较器以图6A中所示的方式重置，那么当比较器重置时并且当比较器作出决策应该与输入装置的阈值电压相比小得多的时电压在浮动节点中在Vinn和Vinp之间递增。

在一些实例中，ADC的电压范围可以通过改变重置顺序增加。如图6B中所示，斜坡信号的电压在XAZ_1变为逻辑高之后减小。当XAZ_1是逻辑高并且XAZ_2是逻辑低时，比较器充当电压跟随器并且“Vout”和“Vinn”是与“Vinp”几乎相同的电压。相应地，如果斜变电压减小，那么“Vinp”、“Vout”和“Vinn”也降低。因此，当比较器重置时“Vinp”和“Vinn”可以降低。这将输入装置放置在饱和区中，无论位线和斜坡信号的电压是否在重置之后增大。

图6C描绘了与图6B类似的时序图，然而，图6C包含使用双向斜坡信号(例如，通过在图5中的斜坡电路生成的信号)。LCG信号与LCG重置之间的电压偏移通过来自“integ”节点的沉降电流产生(参见例如，图5)，并且其它电压偏移通过“Vref”产生。所属领域的一般技术人员将了解通过电流汇或电流源以相同方式也可产生其它偏移。

图6D类似于图6A，然而，在LCG信号和LCG重置读出期间图6D采用双向斜坡信号。换句话说，斜坡信号在相反方向上。因此，不需要在LCG信号与LCG重置之间产生电压偏移，装置简单地需要通过将“integ_en”信号(参见例如，图5)变为逻辑低以使电容器短路来重置积分器。

图6E类似于图6B，然而，图6E采用偏移电压和双向斜坡信号两者用于LCG信号和LCG重置的读出。

图6F描绘了用于图6E的时序图的电流积分ADC控制信号。应了解在图5中的斜坡电路可用于产生所描绘的斜坡信号。还应了解当不存在产生在LCG信号与LCG重置之间的电压偏移的明确的需要时，偏移电压可通过使用图5中所描绘的装置的电流源和电流汇产生。然而，这可能增强比较器的效率。

图7说明操作具有双重转换增益读出的图像传感器的方法700。具有本发明的权益的所属领域的技术人员将了解图7中的框701-715中的一些可能按与论述的次序不同的次序发生并且甚至并行发生。此外，根据本发明的教示，可向方法700加入框或从方法700移除框。

框701示出了在双重转换增益像素中从第一存储节点(例如，图1B中的第一存储节点109)读取第一模拟参考信号(例如，没有存储的图像电荷)。在一些实例中，读取可以包含使用源极跟随器晶体管放大存储节点上的电压以及从位线中读取经放大信号。

框703描绘了使用耦合到双重转换增益像素的比较器(例如，在图2中的比较器212)将第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号。第一数字参考信号可用于移除高转换增益图像数据中的噪声(参见下文)。

框705说明从第一存储节点读取第一模拟图像信号(例如，从图1B的光电二极管101产生的电荷吸收光)。如同读出第一模拟参考信号，这可能涉及通过源极跟随器放大存储节点上的信号并且读出经放大信号到位线。

框707示出了使用比较器将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号。在所描绘的实例中，将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号发生在将第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号与将第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号之间。换句话说，框707时间上发生在框703之后和框711之前。第一模拟图像信号可用于形成高转换增益图像数据。

在一些实例中，斜坡电路(参见例如，图4到5)耦合到比较器以在将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号之后输出偏移信号。换句话说，偏移信号可以通过框707和711之间的比较器接收。在一些实例中，偏移信号包含调节来自斜坡电路的自动归零电压电平输出。

框709描绘在双重转换增益像素中从第一存储节点和第二存储节点(例如，在图1B中第二存储节点109包含电容器111)读取第二模拟图像信号。

框711说明使用比较器将第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号。在所描绘的实例中，将第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号发生在将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号与将第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号之间。换句话说，框711发生在框707之后但是在框715之前。第二模拟参考信号可用于形成低转换增益图像数据，因为电荷是两个存储节点(并且，在一些实例中，也是电容器)的读出。

框713描绘从第一存储节点和第二存储节点读取第二模拟参考信号。

框715说明使用比较器将第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。第二模拟参考信号可用于移除低转换增益图像数据中的噪声。

应了解框703、707、711和715中所示的转换步骤可以是至少部分通过从耦合到双重转换增益像素的斜坡电路将斜坡信号输出到比较器完成的。如前所述，斜坡信号由比较器使用以将第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号，将第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号，将第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号，并且将第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。在一些实例中，输出斜坡信号包含使用耦合到解码器的电流源阵列以产生斜坡信号，并且解码器耦合到多个开关的栅极端子以激活多个开关。在一个实例中，使用耦合在电流源、电流汇与斜坡电路的输出端之间的电流积分器产生斜坡信号。并且输出斜坡信号包含通过开启耦合在电流源与电流积分器之间的第一开关或耦合在电流汇与电流积分器之间的第二开关中的一个控制斜坡信号的方向。

在以上描述中，描述电路的各种零件。具有本发明的权益的所属领域的技术人员将了解，施加到电路的各种零件上的电信号的时序可按任何次序发生且甚至并行地发生。此外，根据本发明的教示，可添加或移除电路的零件和时序事件。应了解，根据本发明的教示，晶体管可被称作“开关”或“栅极”。

对本发明的所说明实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)并不意图是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但是在本发明的范围内，各种修改是可能的，如相关领域的技术人员将认识到。

可鉴于以上详细描述对本发明作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限制于本说明书中所公开的具体实例。实际上，本发明的范围应完全由所附权利要求书确定，应根据权利要求解释的已确立的原则来解释所附权利要求书。

Claims (20)

1.一种用于图像传感器的方法，其包括：

在双重转换增益像素中从第一存储节点读取第一模拟参考信号；

使用耦合到所述双重转换增益像素的比较器将所述第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号；

从所述第一存储节点读取第一模拟图像信号；

使用所述比较器将所述第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号；

在所述双重转换增益像素中从所述第一存储节点和第二存储节点读取第二模拟图像信号；

使用所述比较器将所述第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号；

从所述第一存储节点和所述第二存储节点读取第二模拟参考信号；以及

使用所述比较器将所述第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一模拟图像信号转换成所述第一数字图像信号发生在将所述第一模拟参考信号转换成所述第一数字参考信号与将所述第二模拟图像信号转换成所述第二数字图像信号之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述第二模拟图像信号转换成所述第二数字图像信号发生在将所述第一模拟图像信号转换成所述第一数字图像信号与将所述第二模拟参考信号转换成所述第二数字参考信号之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括从耦合到所述双重转换增益像素的斜坡电路将斜坡信号输出到所述比较器，其中所述斜坡信号由所述比较器使用以将所述第一模拟参考信号转换成所述第一数字参考信号，将所述第一模拟图像信号转换成所述第一数字图像信号，将所述第二模拟图像信号转换成所述第二数字图像信号，并且将所述第二模拟参考信号转换成所述第二数字参考信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括在将所述第一模拟图像信号转换成所述第一数字图像信号与将所述第二模拟图像信号转换成所述第二数字图像信号之间将偏移信号输出到具有所述斜坡电路的所述比较器。

6.根据权利要求5所述的方法，其中输出所述偏移信号包含调节来自所述斜坡电路的自动归零电压电平输出。

7.根据权利要求4所述的方法，其中输出所述斜坡信号包含使用耦合到解码器的电流源阵列以产生所述斜坡信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中输出所述斜坡信号包含通过开启耦合在所述电流源与电流积分器之间的第一开关或耦合在所述电流汇与所述电流积分器之间的第二开关中的一个控制所述斜坡信号的方向。

9.根据权利要求4所述的方法，其中解码器耦合到多个开关的栅极端子以单独地激活所述多个开关中的每一个，并且其中所述多个开关耦合在电流源阵列与所述斜坡电路的输出端之间。

10.根据权利要求4所述的方法，其中输出所述斜坡信号包含使用耦合在电流源、电流汇与所述斜坡电路的输出端之间的电流积分器。

11.一种包含模/数转换器的图像传感器设备，其包括：

双重转换增益像素，其包含耦合到第一存储节点和第二存储节点的光电二极管；

斜坡电路，其耦合到所述双重转换增益像素以输出斜坡信号；以及

比较器，其耦合到所述双重转换增益光电二极管和所述斜坡电路以接收所述斜坡信号，其中所述比较器经配置以：

将从所述第一存储节点输出的第一模拟参考信号转换成第一数字参考信号；

在转换所述第一模拟参考信号之后将从所述第一存储节点输出的第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号；

在转换所述第一模拟图像信号之后将从所述第一存储节点和所述第二存储节点输出的第二模拟图像信号转换成第二数字图像信号；以及

在转换所述第二模拟图像信号之后将从所述第一存储节点和所述第二存储节点输出的第二模拟参考信号转换成第二数字参考信号。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一存储节点包含浮动扩散，并且所述第二存储节点包含浮动扩散或电容器中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的设备，其中在将所述第一模拟图像信号转换成第一数字图像信号之后所述斜坡电路经耦合以将偏移信号输出到所述比较器。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述偏移信号调节来自所述斜坡电路的自动归零电压电平输出。

15.根据权利要求11所述的设备，其中所述斜坡电路包含耦合到解码器的电流源阵列以产生所述斜坡信号。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述解码器耦合到多个开关的栅极端子以激活所述多个开关，并且其中所述多个开关安置在所述电流源阵列与所述斜坡电路的输出端之间。

17.根据权利要求11所述的设备，其中所述斜坡电路包含耦合在电流源、电流汇与所述斜坡电路的输出端之间的电流积分器。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述斜坡电路包含耦合在所述电流源与所述电流积分器之间的第一开关，以及耦合在所述电流汇与所述电流积分器之间的第二开关，并且其中所述斜坡信号的方向通过开启所述第一开关或所述第二开关受到控制。

19.根据权利要求11所述的设备，其中所述比较器包含：

第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管，其并联耦合到电源电压，其中所述第一PMOS晶体管的栅极端子和所述第二PMOS晶体管的栅极端子耦合到所述第一PMOS晶体管的漏极端以形成电流镜；

第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，其并联耦合，其中所述第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管分别耦合到所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管；以及

NMOS尾部晶体管，其耦合到所述第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管和接地。

20.根据权利要求11所述的设备，其进一步包括多个所述双重转换增益像素，其包含至少部分安置在半导体材料中且布置到阵列中的所述双重转换增益像素。

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