本发明的实施例总体涉及电子电路领域，更具体地，涉及图像传感器及其操作方法。
背景技术：
有源像素传感器(aps)是包括集成电路的图像传感器，集成电路包含像素传感器阵列，每一个像素都包含光电检测器和有源放大器。cmosaps最广泛地用于手机摄像头、网络摄像机中以及一些数码单反(dslr)相机中。这种图像传感器通过cmos工艺生产，并且也被称为cmos图像传感器(cis)。在一些应用中，为了捕获图像的更多的信息，高动态范围成像技术用于图像传感器中。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器电路，包括：感测单元，被配置为接收光并且响应于所述光而在感测节点处生成感测电压；第一组开关单元，连接至所述感测节点，并且被配置为生成至第一节点的第一转移电压，以及生成至第二节点的第一辅助电压，所述第一转移电压和所述第一辅助电压中的至少一个被配置为被读出电路读取；以及第二组开关单元，连接至所述感测节点，并且被配置为生成至第三节点的第二转移电压，以及生成至第四节点的第二辅助电压，所述第二转移电压和所述第二辅助电压中的至少一个被配置为被所述读出电路读取。
根据本发明的又一方面，提供了一种图像传感器件，包括：多个像素，所述多个像素中的每一个都包括：感测单元，被配置为响应于光而累积电荷；第一组开关单元，被配置为：根据所述电荷生成至第一节点的第一转移电压，并且生成至第二节点的第一辅助电压；和第二组开关单元，被配置为：根据所述电荷生成至第三节点的第二转移电压，并且生成至第四节点的第二辅助电压；驱动器，被配置为驱动所述第一组开关和所述第二组开关；以及读出电路，被配置为读取数据信号，所述数据信号指示所述第一转移电压和所述第一辅助电压中的至少一个，或指示所述第二转移电压和所述第二辅助电压中的至少一个。
根据本发明的又一方面，提供了一种操作图像传感器的方法，包括：响应于光，通过感测单元在感测节点处生成感测电压；通过第一组开关单元生成分别至第一节点和第二节点的第一转移电压和第一辅助电压，其中，所述第一组开关单元连接至所述感测节点；以及通过第二组开关单元生成分别至第三节点和第四节点的第二转移电压和第二辅助电压，其中，所述第二组开关单元连接至所述感测节点。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1是根据本发明的各个实施例的电子器件的示意图；
图2是根据本发明的各个实施例的图1中的像素的示意图；
图3a至图3b是根据本发明的各个实施例的示出了第一模式下的图1中的电子器件以及图2中的像素的操作的方法300的流程图；
图3c是根据本发明的各个实施例的示出图3a至图3b中的操作的时序图；
图4a至图4b是根据本发明的各个实施例的示出了第二模式下的图1中的电子器件以及图2中的像素的操作的方法的流程图；
图4c是根据本发明的各个实施例的示出图4a至图4b中的操作的时序图；
图5是根据本发明的各个实施例的图1中的像素的示意图；
图6是根据本发明的各个实施例的图1中的像素的示意图；
图7是根据本发明的各个实施例的图1中的像素的示意图；
图8是根据本发明的各个实施例的图1中的像素的示意图；以及
图9是根据本发明的各个实施例的图1中的数据对准电路的示意图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多不同实施例或实例，用于实现所提供主题的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。而且，本发明在各个实例中可以重复参考数字和/或字母。这种重复仅是为了简明和清楚，其自身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。
本说明书中使用的术语通常具有其在本领域中以及在使用每一个术语的具体的内容中的普通含义。本说明书中使用的实例，包括本文所讨论的任何术语的实例，仅是示例性的，并且绝不是限制本发明的或任何示例性术语的范围和意义。同样，本发明不限于本说明书中给出的各个实施例。
尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等以描述各个元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语用于将一个元件与另一个元件区别开。例如，在不背离本发明的范围的情况下，可以将第一元件叫做第二元件，并且类似地，可以将第二元件叫做第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个所列的相关联项目的任何以及所有的组合。
图1是根据本发明的各个实施例的电子器件100的示意图。
如图1a说明性地示出，电子器件100包括振荡器120、图像传感器140、行驱动器160和列读出电路180。振荡器120被配置为生成至列读出电路180的振荡信号os0、并且生成至行驱动器160的振荡信号os1。在一些实施例中，利用至少一个锁相环、至少一个分频器和至少一个延时单元来实施振荡器120。
在一些实施例中，图像传感器140被被配置为捕获图像。在其他一些实施例中，图像传感器140被配置为检测物体。在一些实施例中，图像传感器140包括布置为行和列的像素141。为了简明，作为实例，图1仅示出了一个像素141。像素141被配置为接收光、并且响应于光而积累电荷，以生成感测电压，例如，如下文图2中示出的感测电压vs。在一些实施例中，像素141能够根据感测电压输出至列读出电路180的数据信号da1至da2。
行驱动器160被配置为接收振荡信号os，然后，生成至像素141的控制信号(例如，如下文图2中示出的，包括控制信号vc1至vc6、复位信号rst1至rst2以及选择信号se1至se2)，以执行捕获操作或读操作。在一些实施例中，行驱动器160被配置为控制像素141在不同的模式下操作。如图1所示，行驱动器160包括反相器161、驱动电路162和驱动电路163。反相器161被配置为接收振荡信号os1，并且因此输出振荡信号os2。换句话说，振荡信号os1和振荡信号os2被配置为相位差为约180°。驱动电路162被配置为根据模式信号tof和gs1以及振荡信号os2生成控制信号vc1、vc2、vc5和vc13、选择信号se1、复位信号rst1。驱动电路163被配置为根据模式信号tof和gs2以及振荡信号os1生成控制信号vc3、vc4、vc6和vc14、选择信号se2、复位信号rst2。在一些实施例中，根据模式信号gs1至gs2以及tof，电子器件100被配置为在第一模式下操作，如下文图3a至图3b中示出，或者在第二模式下操作，如下文图4a至图4b中示出。下文描述具体操作。
在一些实施例中，利用各种类型的数字电路来实施驱动电路162和驱动电路163。例如，在又一实施例中，数字电路包括至少一个与门、至少一个多路复用器和/或至少一个缓冲器。仅为了说明的目的给出行驱动器160的布置。行驱动器160的各种布置都在本发明所涉及的范围内。
列读出电路180被配置为从各像素141中的所选择的一个读出数据信号da1至da2。在一些实施例中，列读出电路180包括比较器181、计数器182、数据对准电路(dataalignmentcircuit)183和计算电路184。比较器181连接至图像传感器140的列以接收数据信号da1至da2，并且被配置为比较数据信号da1至da2与斜坡电压vr，从而生成数据信号da3。计数器182被配置为根据振荡信号os0输出至数据对准电路183的计数信号tc。在一些实施例中，利用至少一个纹波计数器、至少一个延时电路和至少一个编码器来实施计数器182。在一些实施例中，数据对准电路183设置在列间距1831中。在一些实施例中，每一个像素141都连接至一个列间距1831。在一些可选的实施例中，每一个像素141都连接至至少两个列间距1831。数据对准电路183被配置为顺序锁存数据信号da3在不同的时间处的值，然后，将锁存的数据信号da3的值作为数据信号da4同时转移至计算电路184。计算电路184被配置为对从数据对准电路183传输的数据信号da4进行解码，从而获得捕获的图像的信息。在一些实施例中，利用至少一个感测放大器和至少一个解码器来实施计算电路184。
仅为了说明的目的给出列读出电路180的布置。列读出电路180的各种布置都在本发明所涉及的范围内。
图2是根据本发明的各个实施例的图1中的像素141的示意图。
如图2说明性的示出，像素141包括感测单元1410、开关m1至m10、电容器c1和c2以及输出级1411和1412。感测单元1410连接在感测节点ns与地之间。感测单元1410被配置为响应于光而累积电荷，从而在感测节点ns处生成感测电压vs。在一些实施例中，如图2所示，感测单元1410包括光电检测器。
在一些实施例中，开关m1至m10分为组a和组b。为了说明，开关m1至m2、m5、m7和m9布置在组a中，而开关m3至m4、m6、m8和m10布置在组b中。
开关m1的第一端连接至感测节点ns，并且开关m1的第二端连接至节点n1。开关m1的控制端连接至图1中的驱动电路162以接收控制信号vc1。开关m1被配置为根据感测电压vs在节点n1处生成转移电压vt1。换句话说，当通过控制信号vc1使开关m1导通时，开关m1能够将感测单元1410中累积的电荷的一部分转移至连接至节点n1的寄生电容(未示出)。因此，通过存储在连接至节点n1的寄生电容中的电荷来生成转移电压vt1。开关m2的第一端连接至感测节点ns，并且开关m2的第二端连接至节点n2。开关m2的控制端连接至图1中的驱动电路162以接收控制信号vc2。电容器c1连接在节点n2与地之间。开关m2被配置为根据感测电压vs在节点n2处生成辅助电压va1。换句话说，当通过控制信号vc2使开关m2导通时，开关m2能够将感测单元1410中累积的电荷的一部分转移至连接至电容器c1。相应地，因此通过存储在电容器c1中的电荷来生成辅助电压va1。
对应于开关m1，开关m3的第一端连接至感测节点ns，并且开关m3的第二端连接至节点n3。开关m3的控制端连接至图1中的驱动电路163以接收控制信号vc3。开关m3被配置为根据感测电压vs在节点n3处生成转移电压vt2。换句话说，当通过控制信号vc3使开关m3导通时，开关m3能够将感测单元1410中累积的电荷的一部分转移至连接至节点n3的寄生电容(未示出)。因此，通过存储在连接至节点n3的寄生电容中的电荷来生成转移电压vt2。对应于开关m2，开关m4的第一端连接至感测节点ns，并且开关m4的第二端连接至节点n4。开关m4的控制端连接至图1中的驱动电路163以接收控制信号vc4。电容器c2连接在节点n4与地之间。开关m4被配置为根据感测电压vs在节点n4处生成辅助电压va2。换句话说，当通过控制信号vc4使开关m4导通时，开关m4能够将感测单元1410中累积的电荷的一部分转移至连接至电容器c2。相应地，因此通过存储在电容器c2中的电荷来生成辅助电压va2。
此外，开关m5的第一端连接至感测节点n1，并且开关m5的第二端连接至节点n2。开关m5的控制端连接至图1中的驱动电路162以接收控制信号vc5。开关m5被配置为通过控制信号vc5进行导通，以将存储在节点n1处的电荷转移至电容器c1。因此，存储在电容器c1中的电荷的量增加。结果，当开关m5导通时，节点n1处的电压电平(即，转移电压vt1)有效地增加。
对应于开关m5，开关m6的第一端连接至感测节点n3，并且开关m6的第二端连接至节点n4。开关m6的控制端连接至图1中的驱动电路163以接收控制信号vc6。开关m6被配置为通过控制信号vc6进行导通，以将存储在节点n3处的电荷转移至电容器c2。因此，存储在电容器c2中的电荷的量增加。结果，当开关m6导通时，节点n3处的电压电平(即，转移电压vt2)有效地增加。
开关m7的第一端连接至电源以接收电压vdd，并且开关m7的第二端连接至节点n1。开关m7的控制端连接至图1中的驱动电路162以接收复位信号rst1。开关m7被配置为根据复位信号rst1而导通，以将节点n1的电压电平上拉至电压vdd。在一些实施例中，在复位操作期间，开关m7和开关m5导通。因此，电压vdd传输至节点n1和节点n2。因此，通过电压vdd来吸引存储在节点n1处的电荷和存储在电容器c1中的电荷。有效地，复位像素141。
对应于开关m7，开关m8的第一端连接至电源以接收电压vdd，并且开关m8的第二端连接至节点n3。开关m8的控制端连接至驱动电路163以接收复位信号rst2。开关m8被配置为根据复位信号rst2而导通，以将节点n3的电压电平上拉至电压vdd。在一些实施例中，在复位操作期间，开关m8和开关m6导通。因此，电压vdd传输至节点n3和节点n4。因此，通过电压vdd来吸引存储在节点n3处的电荷和存储在电容器c2中的电荷。有效地，复位像素141。
在一些实施例中，输出级1411被配置为根据节点n1的电压电平来生成数据信号da1。如图2所示，在一些实施例中，输出级1411是包括晶体管t1的源极跟随器。晶体管t1的第一端连接至电源以接收电压vdd，晶体管t1的第二端被配置为生成数据信号da1，以及晶体管t1的控制端连接至节点n1。当开关m5未导通时，晶体管t1根据转移电压vt1生成数据信号da1。在这种条件下，数据信号da1被配置为指示存储在节点n1处的电荷的量。可选地，当开关m5导通时，晶体管t1根据节点n1的电压电平生成数据信号da1。在这种条件下，如以上所描述的，数据信号da1能够指示存储在节点n1处的以及存储在电容器c1中的电荷的量。
对应于输出级1411，在一些实施例中，输出级1412被配置为根据节点n3的电压电平来生成数据信号da2。如图2所示，输出级1412是包括晶体管t2的源极跟随器。晶体管t2的第一端连接至电源以接收电压vdd，晶体管t2的第二端被配置为生成数据信号da2，以及晶体管t2的控制端连接至节点n3。当开关m6未导通时，晶体管t2根据转移电压vt2生成数据信号da2。在这种条件下，数据信号da2能够指示存储在节点n3处的电荷的量。可选地，当开关m6导通时，晶体管t2根据节点n3的电压电平生成数据信号da2。在这种条件下，如以上所描述的，数据信号da2能够指示存储在节点n3处的以及存储在电容器c2中的电荷的量。
开关m9的第一端连接至晶体管t1的第二端以接收数据信号da1，并且开关m9的第二端连接至图1的比较器181中的一个。开关m9的控制端连接至驱动电路162以接收选择信号se1。开关m9被配置为根据选择信号se1而导通以将数据信号da1传输至图1的比较器181。开关m10的第一端连接至晶体管t2的第二端以接收数据信号da2，并且开关m10的第二端连接至图1的比较器181中的一个。开关m10的控制端连接至驱动电路163以接收选择信号se2。开关m10被配置为根据选择信号se2而导通以将数据信号da2传输至图1的比较器181。
在一些实施例中，在同一晶圆上实施开关m1至m4以及感测单元1410。在一些实施例中，利用3dcmos图像芯片(cis)技术在不同的晶圆上来实施开关m1至m4以及感测单元1410。在一些实施例中，感测单元1410形成有半导体结构，并且开关m1至m4在四个角部处堆叠在感测单元1410上。在又一些实施例中，开关m1至m4在两个侧部处堆叠在感测单元1410上。在一些实施例中，开关m1至m4在四个边缘处堆叠在感测单元1410上。
仅为了说明的目的给出像素141的布置。像素141的各种布置都在本发明所涉及的范围内。
图3a至图3b是示出了根据本发明的各个实施例的在第一模式下的图1中的电子器件100以及图2中的像素141的操作的方法300的流程图。图3c是示出根据本发明的各个实施例的图3a至图3b中的操作的时序图。
为了说明，通过参考图1至图2、图3a至图3c的方法300来描述图1中的器件100的操作。在一些实施例中，方法300包括操作s310至s390。
在操作s310中，所有像素141中的开关m3、m4和m8导通，以复位存储在介电n3和电容器c2中的电荷。有效地，复位图像传感器140的像素141。
在操作s320中，当所有像素141的感测单元1410在整合时期(integrationperiod)ip中接收光以生成感测电压vs时，像素141的开关m3接收具有电压电平为v1的控制信号vc3，并且像素141的开关m4接收具有电压电平为v2的控制信号v4。
如图3c所示，在时间1处，控制信号vc3转变为具有脉冲p1，以指示图1中的器件100进入全局整合事件(globalintegrationevent)。在全局整合事件中，图像传感器140的像素141被配置为接收光，以捕获图像。在一些实施例中，在全局整合事件的整合时期ip期间，控制信号vc3全局转变为电压电平v1，例如，该电压电平是图3c中示出的低电平，从而使图1的图像传感器140中的开关m3截止。同时，控制信号vc4全局转变为电压电平v2，例如，该电压电平比第一电压电平v1高，从而使图1的图像传感器140中的开关m4稍微截止。利用这种配置，在全局整合时期ip期间，开关m4的等效电阻足以使通过感测单元1410累积的电荷转移至电容器c2，从而生成辅助电压va2。例如，在全局整合时期ip期间，如果像素141处于强照射中，则感测单元1410中累积的电荷将会饱和，因此过量的电荷能够从感测单元1410通过开关m4泄漏至电容器c2。有效地，捕获的图像的附加的照明信息能够存储在像素141的电容器c2中。
继续参考图3a，在操作s330中，在整合时期ip结束之后，开关m3导通以将感测单元1410中累积的电荷转移至节点n3，从而生成转移电压vt2。在操作s340中，晶体管t2根据转移电压vt2生成数据信号da2。
如图3c所示，在时间2处，控制信号vc3具有脉冲p2以使开关m3导通。因此，在整合时期ip期间累积在感测单元1410中的存储电荷能够转移至节点n3。因此，节点n3的电压电平被上拉以生成转移电压vt2。然后，晶体管t2响应于转移电压vt2而生成数据信号da2。有效地，数据信号da2能够指示存储在节点n3处的电荷的量。在一些可选实施例中，在整合时期ip期间，开关m3被配置为通过控制信号vc3而周期性地导通和截止，从而将来自感测单元1410的电荷转移至节点n3。
现在参考图3b，在操作s350中，通过选择信号se2使选择的像素141的开关m10导通，以将数据信号da2传输至列读出电路180。在操作s360中，选择的像素141的开关m6导通以将存储在选择的像素141的节点n3处的电荷转移至电容器c2，并且节点n3的电压电平改变。在操作s370中，选择的像素141的晶体管t2还根据节点n3的电压电平而生成至列读出电路180的数据信号da2。在操作s380中，选择的像素141的开关m8导通以将节点n3的电压电平上拉至电压vdd。在操作s390中，选择的像素141的晶体管t2还根据节点n3的电压电平而生成至列读出电路180的数据信号da2。
为了说明，如图3c所示，在整合时期ip之后，器件100进入逐行读出事件，并且开关m3和m4截止。在时间3处，选择的像素141的选择信号se2转变为具有脉冲p3以执行读操作。在逐行读取事件中，像素141的数据信号da1或da2被配置为由列读出电路180相继读取。在时间4处，列读出电路180读取指示存储在节点n2处的电荷的量的数据信号da2。在一些实施例中，时间4处读取的数据信号da2对应于低照射或正常照射中捕获的图像的信息。在时间5处，控制信号vc6转变为具有脉冲p4以使开关m6导通。存储在节点n3处的电荷通过开关m6转移至电容器c2。换句话说，现在电容器c2存储在节点n3处存储的电荷以及在操作s320中从感测单元1410泄漏的电荷。因此，节点n4处的电压电平和节点n3处的电压电平都增加。然后，晶体管t2根据节点n3的当前电压电平生成数据信号da2。实际上，根据转移电压vt2和辅助电压va2两者来生成数据信号da2。如以上所述，在时间6处，列读出电路180读取指示存储在电容器c2处的电荷的量的数据信号da2。在一些实施例中，时间6处读取的数据信号da2对应于强照射中捕获的图像的信息。
在时间7处，复位信号rst2转变为具有脉冲p5以使开关m8导通。因此，电压vdd传输至节点n3。通过电压vdd来吸引节点n3处的电荷。有效地，将节点n3处的电压电平复位至复位电平。晶体管t2响应于复位电平而生成数据信号da2。在时间8处，列读出电路180读取指示复位电平的数据信号da2。在一些实施例中，这种数据信号da2用于执行偏移消除(offsetcancellation)。为了说明，图1中的计算电路184还被配置为通过利用时间8处读取的数据信号da2来执行偏移消除。
在一些实施例中，组a的开关执行操作s310至s340，而组b的开关执行操作s350至s390。为了说明，如图3a中的操作s310至s320所描述的，当组b的开关m3、m4、m6、m8、m10和晶体管t2进入全局整合事件时，如图3a中的操作s330至s390中描述的，组a的开关m1、m2、m7、m9和晶体管t1进入逐行读出事件，反之亦然。换句话说，当组a和组b中的一个处于全局整合事件中时，组a和组b中的另一个处于逐行读出事件中。例如，当开关组b处于逐行读出事件中时，开关m7和m5导通以复位节点n1和n2，这与以上所示的操作s310类似。然后，组a执行操作s320以捕获图像。
在一些实施例中，器件100的第一模式(即，方法300)被称为全局快门模式。利用电容器c2的布置和方法300，能够存储捕获的图像的额外的光信息。结果，器件100能够实现高动态范围成像应用。
在一些实施例中，如图1所示，器件100还包括缓冲器122和红外发光二极管(led)190。缓冲器122被配置为根据振荡信号os1来生成振荡信号os3。红外led190由振荡信号os3驱动。在一些实施例中，振荡信号os3和振荡信号os1被配置为同相。在一些实施例中，红外led被配置为向物体发射红外光，从而计算器件100与物体之间的距离。在又一些实施例中，当在第二模式下操作时，图像传感器140被配置为感测被物体反射的红外光，并且相应地生成数据信号da1和da2。列读出电路180还被配置为根据数据信号da1和da2来计算器件100与物体之间的距离。
图4a至图4b是示出了根据本发明的各个实施例的第二模式下的图1中的电子器件100以及图2中的像素141的操作的方法400的流程图。图4c是示出根据本发明的各个实施例的图4a至图4b中的操作的时序图。
为了说明，通过参考图1至图2、图4a至图4c的方法400来描述图1中的器件100的操作。在一些实施例中，方法400包括操作s410至s4100。
现在参考图4b。在操作s410中，开关m5至m8导通以复位所有的像素141。在操作s420中，图1中的振荡器120生成振荡信号os3以驱动红外led190，并且组a中的开关m1和m2以及组b中的开关m3和m4交替导通。
为了说明，在全局整合事件期间，图2中的像素141的感测单元1410响应于被物体反射的红外光而累积电荷。如图4c所示，在全局整合事件期间，组a的控制信号vc1和vc2同相，并且组b的控制信号vc3和vc4同相。组a的控制信号vc1和vc2与组b的控制信号vc3和vc4相位相差约180°。利用这种配置，在全局整合事件期间，图2中的开关m1和m2以及图2中的开关m3和m4交替导通。因此，在图2中的开关m1至m2或m3至m4中的每一个的导通时间期间，由图2中的感测单元1410累积的电荷选择性地传输至图2中的节点n1至n2或节点n3至n4。因此，在全局整合事件期间，生成转移电压vt1至vt2和辅助电压va1至va2。
在一些实施例中，当开关m1和m2导通时，开关m1接收具有电压电平为v3的控制信号vc1，并且开关m2接收具有电压电平为v4的控制信号vc2，电压电平v4与电压电平v3不同。如图4c所示，电压电平v4低于电压电平v3。利用这种配置，在全局整合事件期间，开关m1导通，并且开关m2稍微导通。换句话说，在全局整合事件期间，开关m1的等效电阻低于开关m2的等效电阻。在一些实施例中，能够延长全局整合事件中的每一个开关的导通时间，从而增大物体与器件100之间的可检测的距离的范围。在全局整合事件期间，如果物体离器件100太近，则存储在节点n1处的电荷将会饱和。利用不同的电压电平v3至v4的配置，额外的电荷能够通过开关m2泄漏至节点n2并且存储在电容器c1中。结果，增大可检测的距离范围，同时防止模糊的电荷。
对应于控制信号vc1至vc2，在图4c中示出的一些实施例中，不同电压电平的配置还应用至控制信号vc3至vc4。图2中的控制信号vc3至vc4的配置以及开关m3至m4的相关的操作与以上描述的操作类似。因此，这里不再给出重复的描述。
继续参考图4a，在操作s430中，在全局整合事件结束之后，图2中的开关m1至m2和m3至m4截止。在操作s440中，图2中的选择的像素141的晶体管t1根据转移电压vt1生成数据信号da1，并且选择的像素141的晶体管t2根据转移电压vt2生成数据信号da2。在操作s450中，图2中的选择的像素141的开关m9至m10导通以将数据信号da1至da2传输至列读出电路180。
为了说明，在全局整合事件结束之后，器件100进入逐行读出事件。如图4c所示，在时间11处，选择信号se1至se2转变为具有脉冲p6以使图2中的开关m9至m10导通。在时间12处，列读出电路180读取数据信号da1至da2，其中，数据信号da1至da2分别指示存储在节点n1处的电荷的量和存储在节点n3处的电荷的量。在一些实施例中，时间12处读取的数据信号da1至da2对应于物体与图1中的器件100之间的中间距离的信息。
继续参考图4a，在操作s460中，开关m5和m6导通，存储在节点n1处的电荷转移至电容器c1，并且存储在节点n3处的电荷转移至电容器c2。在操作s470中，晶体管t1还根据节点n1的电压电平来生成至列读出电路180的数据信号da1，并且晶体管t2还根据节点n3的电压电平来生成至图1的列读出电路180的数据信号da2。
如图4c所示，在时间13处，控制信号vc5至vc6转变为具有脉冲p7以使图2中的开关m5至m6导通。因此，存储在节点n1处的电荷转移至节点n2并且存储在图2的电容器c1中。存储在节点n2处的电荷转移至节点n3并且存储在图2的电容器c2中。换句话说，现在图2中的电容器c1存储在节点n1处存储的电荷和在操作s420中从感测单元1410泄漏的电荷。现在图2中的电容器c2存储节点n3处存储的电荷和操作s420中从感测单元1410泄漏的电荷。因此，图2中的节点n1处的电压电平和图2中的节点n2处的电压电平增加。图2中的晶体管t1根据节点n1的当前电压电平来生成数据信号da1，并且图2中的晶体管t2根据节点n2的当前电压电平来生成数据信号da2。实际上，晶体管t1还根据转移电压vt1和辅助电压va1两者来生成数据信号da1，并且图2中的晶体管t2还根据转移电压vt2和辅助电压va2两者来生成数据信号da2。在时间14处，列读出电路180读取用于延长可检测的距离的数据信号da1至da2。
继续参考图4a，在操作s480中，选择的像素141的图2中的开关m7至m8导通以将节点n1和n3处的电压电平上拉至电压vdd。在操作s490中，图2中的晶体管t1还根据节点n1的电压电平来生成至列读出电路180的数据信号da1，并且晶体管t2还根据节点n3的电压电平来生成至列读出电路180的数据信号da2。在操作s4100中，图1中的计算电路180根据先前读取的数据信号da1至da2来确定物体与图1中的器件100之间的距离。
如图4c所示，在时间15处，复位信号rst1至rst2转变为具有脉冲p8以使开关m7至m8导通。因此，电压vdd传输至节点n1和n3。通过电压vdd来诱发节点n3处的电荷。有效地，将节点n1和n3的电压电平复位至复位电平。图2中的晶体管t1至t2响应于复位电平而生成数据信号da1至da2。在时间16处，列读出电路读取指示复位电平的数据信号da1至da2。在一些实施例中，通过图1中的计算电路184使用指示复位电平的数据信号da1至da2来执行偏移消除。然后，计算电路184根据时间12、14和16处读取的数据信号da1至da2来计算物体与器件100之间的距离。
在一些实施例中，图1中的器件100的第二模式(即，方法400)中的操作被称为飞行时间(time-of-flight，tof)模式。如以上描述的，利用图2中的电容器c1至c2的布置以及方法400，能够增大可检测的距离。
图5是根据本发明的各个实施例的图1中的像素141的示意图。为了易于理解，参考图2的实施例，图5中类似的元件标记有相同的参考标号。与图2中的像素141相比，在图5中示出的一些实施例中，像素141还包括输出级1413和1414以及开关m11至m12。在一些实施例中，输出级1413与输出级1411协同工作以根据节点n2处的电压电平来生成数据信号da1，并且输出级1414与输出级1412协同工作以根据节点n4处的电压电平来生成数据信号da2。为了说明，输出级1413包括晶体管t3，并且输出级1414包括晶体管t4。开关m11和晶体管t3的连接和操作与开关m9和晶体管t1的连接和操作类似。开关m12和晶体管t4的连接和操作与开关m10和晶体管t2的连接和操作类似。因此，这里不再给出重复的描述。与图2中的像素141相比，图2中的电容器c1至c2被晶体管t3至t4的控制端处的寄生电容(未示出)来有效地替代。通过使用像素141中的多个输出级，能够最小化像素141的噪声。
图6是根据本发明的各个实施例的图1中的像素141的示意图。为了易于理解，参考图2的实施例，图6中的类似元件标记有相同的参考标号。如以上描述的，能够通过3dcis技术来实施像素141。与图2中的像素141相比，在图6中示出的一些实施例中，利用金属-氧化物-金属(mom)电容器结构来实施电容器c1和电容器c2，并且通过3dcis技术来将电容器c1和电容器c2设置在感测单元1410上。在一些实施例中，mom电容器结构实际上形成了能够滤除光的不必要的波长的衍射光栅结构。因此，在一些实施例中，图6中示出的像素141能够应用于近红外应用。
图7是根据本发明的各个实施例的图1中的像素141的示意图。为了易于理解，参考图2的实施例，图7中的类似元件标记有相同的参考标号。与图2的像素141相比，在图7中示出的一些实施例中，调换开关m1和位置和开关m2的位置，并且调换开关m3的位置和开关m4的位置。为了说明，开关m7的第二端、晶体管t1的控制端以及开关m5的第一端连接至节点n2而不是连接至节点n1。开关m8的第二端、晶体管t2的控制端以及开关m6的第一端连接至节点n4而不是连接至节点n3。
此外，利用图7中的像素141的布置，在图3中的整合时期ip期间，电荷从感测单元1410泄漏至节点n1或n2，然后，首先通过图1中的列读出电路180来读取指示从感测单元1410泄漏的电荷的数据信号da1或da2。之后，开关m7或m8导通以复位节点n2和/或n3，然后，通过图1中的列读出电路180来读取指示节点n3或n4的复位电平的数据信号da1或da2。然后，开关m5和/或m6导通以将电荷从节点n1或n3转移至节点n2或n4。然后，通过图1中的列读出电路180来读取指示存储在节点n1或n2处的电荷的数据信号da1或da2。
为了说明，现在参考图3c和图7，利用以上描述的图7中的布置和操作，在时间4处，列读出电路180读取指示从感测单元1410泄漏而存储的电荷的量的数据信号da2。在时间6处，列读出电路180读取指示复位电平的数据信号da2。在时间8处，列读出电路180读取指示从节点n1节点或n2转移的电荷的量的数据信号da2。换句话说，与在图3a至图3c中示出的操作下的图2中的像素141相比，在将存储在节点n1至n2处的电荷转移至节点n3至n4之前，将图7中的节点n3和n4复位至复位电平。
图8是根据本发明的各个实施例的图1中的像素141的示意图。为了易于理解，参考图2的实施例，图8中的类似元件标记有相同的参考标号。与图7的像素141相比，在图8中示出的一些实施例中，像素141还包括开关m13至m14以及电容器c3。开关m13的第一端连接至开关m7的第二端，并且开关m13的第二端连接至节点n2。开关m13的控制端连接至驱动电路162以接收控制信号vc13。开关m14的第一端连接至开关m8的第二端，并且开关m14的第二端连接至节点n4。开关m14的控制端连接至驱动电路163以接收控制信号vc14。电容器c3连接在开关m13的第一端与开关m14的第一端之间，并且如以上所示出的，被配置为作为具有公共地的电容器c1至c2来工作。在全局整合期间，开关m13至m14导通以允许额外的电荷从感测单元1410泄漏。图8的像素141在第一模式和第二模式下的操作与以上描述的操作类似。因此，这里不再给出重复的描述。
在一些实施例中，如图8所示，利用mom电容器结构来实施电容器c3。如以上描述的，mom电容器结构能够形成衍射光栅结构，以滤除光的不必要的波长。在其他一些实施例中，组a和组b共用电容器c3，与以上讨论的实施例相比，能够减小像素141的面积。
此外，参考图1，在一些实施例中，列读出电路180还包括开关mo。开关mo连接在图2中的开关m9的第二端和m10的第二端之间。在一些实施例中，开关mo被配置为在器件100工作在全局快门模式下时而导通。如以上方法300中描述的，当图2中的组a和组b中的一个处于全局整合事件中时，组a和组b中的另一个处于逐行读出事件中。因此，利用开关mo的布置，在相同的时期期间，像素141的数据信号da1或da2传输至两个比较器以用于读操作。与图4a至图4b中的tof模式相比，数据信号da1至da2能够被列读出电路180过采样。结果，能够更加有效地执行全局快门模式的读操作。
图9是根据本发明的各个实施例的图1中的数据对准电路183的示意图。为了易于理解，图9中类似元件标记有与图1的实施例相同的参考标号。
在图9中示出的一些实施例中，数据对准电路183包括锁存器1831至1836。锁存器1831至1833以级联方式连接。锁存器1831被配置为根据对应的计数信号tc而锁存数据信号da3。锁存器1832被配置为根据触发信号tr1而锁存从锁存器1831输出的数据。锁存器1833被配置为根据触发信号tr2而锁存从锁存器1832输出的数据。锁存器1834被配置为根据触发信号tr3而锁存从锁存器1831输出的数据，然后输出至计算电路184的锁存的数据以作为数据信号da4。锁存器1835被配置为根据触发信号tr3而锁存从锁存器1832输出的数据，然后将锁存的数据作为数据信号da4输出至计算电路184。锁存器1836被配置为根据触发信号tr3而锁存从锁存器1833输出的数据。利用这种布置，数据对准电路183能够同时将数据信号da4的在不同时间处读取的不同的值转移至计算电路184，从而计算捕获的图像的信息。
例如，通过使用图9中的数据对准电路183，能够将图3c中的在时间4、6和8处读取的数据信号da2有效转移至计算电路184。类似地，通过使用图9中的数据对准电路183，能够将在时间12、14和16处读取的数据信号da1至da2有效转移至计算电路184。
在本文中，术语“耦合”可以被称为“电耦合”，并且术语“连接”可以被称为“电连接”。“连接”和“连接”也可以用于指示两个或多个元件相互配合或相互作用。
在一些实施例中，公开了一种包括感测单元、第一组开关单元以及第二组开关单元的电路。感测单元被配置为接收光并且响应于光而在感测节点处生成感测电压。第一组开关单元连接至感测节点、并且被配置为生成至第一节点的第一转移电压、以及生成至第二节点的第一辅助电压。第一转移电压和第一辅助电压中的至少一个被配置为被读出电路读取。第一组开关单元连接至感测节点、并且被配置为生成至第三节点的第二转移电压、以及生成至第四节点的第二辅助电压。第二转移电压和第二辅助电压中的至少一个被配置为被读出电路读取。
优选地，所述第一组开关单元包括第一开关单元和第二开关单元，所述第二组开关单元包括第三开关单元和第四开关单元，所述第一开关单元连接在所述感测节点与所述第一节点之间，所述第二开关单元连接在所述感测节点与所述第二节点之间，所述第三开关单元连接在所述感测节点与所述第三节点之间，以及所述第四开关单元连接在所述感测节点与所述第四节点之间。
优选地，当所述感测单元接收所述光时，所述第一开关单元、所述第二开关单元以及所述第三开关单元被配置为接收具有第一电压电平的第一控制信号，第四开关单元被配置为接收具有第二电压电平的第二控制信号，并且所述第一电压电平与所述第二电压电平不同。
优选地，当所述感测单元接收所述光时，所述第一组开关单元和所述第二组开关单元被配置为交替导通；其中，当所述第一组开关单元导通时，所述第一开关单元被配置为接收具有第一电压电平的第一控制信号，所述第二开关单元被配置为接收具有第二电压电平的第二控制信号，并且所述第一电压电平与所述第二电压电平不同。
优选地，该电路还包括：第一电容单元，连接至所述第二节点；以及第二电容单元，连接至所述第四节点。
优选地，该电路还包括：第五开关单元，连接在所述第一节点与所述第二节点之间；第六开关单元，连接在所述第三节点与所述第四节点之间；第七开关单元，连接在电源与所述第一节点之间；以及第八开关单元，连接在所述电源与所述第三节点之间；第一输出级，被配置为响应于所述第一节点的电压电平而生成第一数据信号；第九开关单元，被配置为根据第一选择信号而将所述第一数据信号传输至所述读出电路；第二输出级，被配置为根据所述第三节点的电压电平而生成第二数据信号；以及第十开关单元，被配置为根据第二选择信号而将所述第二数据信号传输至所述读出电路。
优选地，该电路还包括：第三输出级，被配置为与所述第一输出级协同工作，以根据所述第二节点的电压电平来生成所述第一数据信号；第十一开关单元，被配置为根据所述第一选择信号而将所述第三数据信号传输至所述感测单元；第四输出级，连接至所述第四节点，并且被配置为与所述第二输出级协同工作，以根据所述第四节点的电压电平来生成所述第二数据信号；以及第十二开关单元，被配置为根据所述第二选择信号而将所述第四数据信号传输至所述读出电路。
优选地，该电路还包括：第五开关单元，连接在所述第一节点与所述第二节点之间；第六开关单元，连接在所述第三节点与所述第四节点之间；第七开关单元，连接在电源与所述第二节点之间；以及第八开关单元，连接在所述电源与所述第四节点之间；第一输出级，被配置为根据所述第二节点的电压电平而生成第一数据信号；第九开关单元，被配置为根据第一选择信号而将所述第一数据信号传输至所述感测单元；第二输出级，被配置为根据所述第四节点的电压电平而生成第二数据信号；以及第十开关单元，被配置为根据第二选择信号而将所述第二数据信号传输至所述读出电路。
优选地，该电路还包括：电容单元；第十一开关单元，在第五节点处连接至所述电容单元，并且连接在所述第五节点与所述第二节点之间；以及第十二开关单元，在第六节点处连接至所述电容单元，并且连接在所述第六节点与所述第四节点之间，其中，所述第七开关单元通过所述第十一开关连接至所述第二节点，并且所述第八开关单元通过所述第十二开关单元连接至所述第四节点。
还公开了一种包括像素、驱动器和读出电路的器件。每一个像素都包括感测单元、第一组开关以及第二组开关。感测单元被配置为响应于光而累积电荷。第一组开关被配置为：根据电荷生成至第一节点的第一转移电压、并且生成至第二节点的第一辅助电压。第二组开关被配置为：根据电荷生成至第三节点的第二转移电压、并且生成至第四节点的第二辅助电压。驱动器被配置为驱动第一组开关和第二组开关。读出电路被配置为读取数据信号，该数据信号指示第一转移电压和第一辅助电压中的至少一个、或第二转移电压和第二辅助电压中的至少一个。
优选地，所述第一组开关单元包括第一开关单元和第二开关单元，所述第二组开关单元包括第三开关单元和第四开关单元，所述第一开关单元连接在所述感测节点与所述第一节点之间，所述第二开关单元连接在所述感测节点与所述第二节点之间，所述第三开关单元连接在所述感测节点与所述第三节点之间，以及所述第四开关单元连接在所述感测节点与所述第四节点之间。
优选地，当所述感测单元接收所述光时，所述驱动器被配置为生成具有第一电压电平的第一控制信号以驱动所述第一开关单元、所述第二开关单元，并且生成具有第二电压电平的第二控制信号以驱动所述第三开关单元，并且所述第一电压电平与所述第二电压电平不同。
优选地，所述驱动器被配置为交替导通所述第一组开关和所述第二组开关，其中，当所述第一组开关单元导通时，所述驱动器被配置为生成具有第一电压电平的第一控制信号以驱动所述第一开关单元，并且生成具有第二电压电平的第二控制信号以驱动所述第二开关单元，并且所述第一电压电平与所述第二电压电平不同。
优选地，所述多个像素中的每一个像素都包括：第五开关单元，连接在所述第一节点与所述第二节点之间；第六开关单元，连接在所述第三节点与所述第四节点之间；第七开关单元，连接在电源与所述第一节点之间；以及第八开关单元，连接在所述电源与所述第三节点之间；第一输出级，被配置为响应于所述第一节点的电压电平而生成第一数据信号；第九开关单元，被配置为根据第一选择信号而将所述第一数据信号传输至所述读出电路；第二输出级，被配置为根据所述第三节点的电压电平而生成第二数据信号；以及第十开关单元，被配置为根据第二选择信号而将所述第二数据信号传输至所述读出电路。
优选地，所述多个像素中的每一个像素都包括：第三输出级，被配置为根据所述第二节点的电压电平而生成第三数据信号；第十一开关单元，被配置为根据所述第一选择信号而将所述第三数据信号传输至所述感测单元；第四输出级，连接至所述第四节点、并且被配置为根据所述第四节点的电压电平而生成第四数据信号；第十二开关单元，被配置为根据所述第二选择信号而将所述第四数据信号传输至所述读出电路；第二输出级，连接至所述第三存储节点，并且被配置为根据所述第三存储节点的电压电平而生成第二数据信号；以及第十开关，被配置为根据第二选择信号而将所述第二数据信号传输至所述读出电路。
优选地，所述多个像素中的每一个像素都包括：第五开关单元，连接在所述第一节点与所述第二节点之间；第六开关单元，连接在所述第三节点与所述第四节点之间；第七开关单元，连接在电源与所述第二节点之间；第八开关单元，连接在所述电源与所述第四节点之间；第一输出级，被配置为根据所述第二节点的电压电平而生成第一数据信号；第九开关单元，被配置为根据第一选择信号而将所述第一数据信号传输至所述感测单元；第二输出级，被配置为根据所述第四节点的电压电平而生成第二数据信号；以及第十开关单元，被配置为根据第二选择信号而将所述第二数据信号传输至所述读出电路。
还公开了一种包括如下操作的方法。响应于光，通过感测单元在感测节点处生成感测电压。通过连接至感测节点的第一组开关单元来生成至第一节点的第一转移电压。通过第一组开关单元来生成至第二节点的第一辅助电压。通过连接至感测节点的第二组开关单元来生成至第三节点的第二转移电压。通过第二组开关单元来生成至第四节点的第二辅助电压。
优选地，生成所述感测电压包括：响应于所述光，通过所述感测单元来累积电荷以生成所述感测电压；通过驱动器来生成具有第一电压电平的第一控制信号，以在所述感测单元累积所述电荷时驱动所述第一组开关单元的第一开关单元、所述第一组开关单元的第二开关单元以及所述第二组开关单元的第三开关单元；以及通过所述驱动器来生成具有第二电压电平的第二控制信号，以在所述感测单元累积所述电荷时驱动所述第二组开关单元的第四开关单元，并且所述第一电压电平与所述第二电压电平不同；其中，所述第一开关单元连接在所述感测节点与所述第一节点之间，所述第二开关单元连接在所述感测节点与所述第二节点之间，所述第三开关单元连接在所述感测节点与所述第三节点之间，以及所述第四开关单元连接在所述感测节点与所述第四节点之间。
优选地，生成所述感测电压包括：响应于所述光，通过所述感测单元来累积电荷以生成所述感测电压；以及通过驱动器交替导通所述第一组开关单元和所述第二组开关单元。
优选地，交替导通所述第一组开关单元和所述第二组开关单元包括：通过所述驱动器生成具有第一电压电平的第一控制信号，以在所述第一组开关单元导通时驱动所述第一组开关单元的第一开关单元；以及通过所述驱动器来生成具有第二电压电平的第二控制信号，以在所述第一组开关单元导通时驱动所述第一组开关单元的第二开关单元，并且所述第一电压电平与所述第二电压电平不同；其中，所述第一开关单元连接在所述感测节点与所述第一节点之间，所述第二开关单元连接在所述感测节点与所述第二节点之间。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。