具有可控转换增益的图像传感器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2018-0163920的优先权，其公开通过引用而整体并入本文。

本文描述的实施例涉及图像传感器，并且更具体地，涉及宽动态范围图像传感器。

背景技术：

图像传感器将光学图像转换为电信号。随着当今计算和电信的进步，在诸如数字相机、摄像机、智能手机、个人通信系统(personalcommunicationsystem，pcs)、游戏控制台、安全相机、医用微型相机等等的各种电子设备中对高性能图像传感器的需求与日俱增。

图像传感器像素的转换增益通常可以被定义为随着像素的光电检测元件对电荷单位的吸收而在输出电压中发生的改变。图像传感器像素的转换增益可以简单地理解为像素灵敏度的度量。因此，当像素具有高转换增益时，其输出图像数据对由图像数据表示的入射光中的改变更敏感，反之亦然。

如果图像传感器产生具有过亮或过暗的区域的图像，则由图像表示的场景内的信息可能是不可感知的。通常，高动态范围(highdynamicrange，hdr)或宽动态范围图像传感器产生在帧上具有高动态范围的图像数据，这改善了过亮或过暗区域中的图像质量。在具有黑暗区域和明亮区域的单个帧中，明亮区域中的期望图像质量可以通过在明亮区域的像素内设置低转换增益而获得。相反，黑暗区域中的期望图像质量可以通过在黑暗区域的像素内设置高转换增益而获得。具有分别为明亮区域和黑暗区域中的像素不同地设置转换增益的这样的能力的图像传感器有时被称为双转换增益图像传感器。

技术实现要素：

本发明构思的实施例提供了一种图像传感器，其中该图像传感器动态设置像素的转换增益，以在短响应时间内实现宽动态范围。

图像传感器的实施例可以通过避免在测量像素的高照度(illuminance)条件或低照度条件之后的重复测量或曝光来表现出短响应时间。

根据示例性实施例，图像传感器可以包括：像素，其包括将入射光转换为电信号的光电转换元件、调节在其处存储与电信号相对应的电荷的浮动扩散(floatingdiffusion，fd)节点的电容的开关、以及基于fd节点将输出电压输出的读出电路；模数转换器，其分别在第一时间和第二时间对通过输出线从读出电路传输的输出电压进行采样，并且基于第一时间的输出电压和第二时间的输出电压之间的差来生成数字代码；以及转换增益控制器，其通过在第一时间和第二时间之间的第三时间将通过输出线从读出电路传输的输出电压与阈值电压进行比较来生成转换增益控制信号，并且将转换增益控制信号提供给开关以设置像素的转换增益。

根据示例性实施例，图像传感器可以包括：像素，其包括将入射光转换为电信号的光电转换元件、调节在其处存储与电信号相对应的电荷的浮动扩散(fd)节点的电容的开关、以及基于fd节点将输出电压输出的读出电路；转换增益控制器，其通过将通过输出线从读出电路传输的输出电压与阈值电压进行比较来生成转换增益控制信号，并且通过与输出线平行放置的转换增益控制线将转换增益控制信号提供给开关；以及模数转换器，基于在使用由像素、输出线、转换增益控制器和转换增益控制线定义的反馈回路确定并设置像素的转换增益之前的输出电压和在使用该反馈回路确定并设置像素的转换增益之后的输出电压之间的差来生成数字代码。

根据示例性实施例，图像传感器可以包括：第一像素，其连接到传输线、垂直于传输线放置的第一输出线、以及第一转换增益控制线；第二像素，其连接到传输线、垂直于传输线放置的第二输出线、以及第二转换增益控制线；第一转换增益控制器，其基于将通过第一输出线传输的第一输出电压与阈值电压进行比较的结果，通过第一转换增益控制线确定并设置第一像素的第一转换增益；第二转换增益控制器，其基于将通过第二输出线传输的第二输出电压与阈值电压进行比较的结果，通过第二转换增益控制线确定并设置第二像素的第二转换增益；第一模数转换器，其在第一像素的第一转换增益被确定并设置之后，通过第一输出线对第一输出电压进行采样；以及第二模数转换器，其在第一像素的第二转换增益被确定并设置之后，通过第二输出线对第二输出电压进行采样。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明构思的示例性实施例，本发明构思的上述和其他方面和特征将变得显而易见，在附图中，相同的参考字符表示相同的元件或特征。

图1示出了根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图。

图2示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的框图。

图3和图4示出了根据本发明构思的实施例的图1或图2的图像传感器的相应示例时序图。

图5和图6示出了根据本发明构思的另一实施例的图1或图2的图像传感器的相应示例时序图。

图7示出了根据本发明构思的另一实施例的图1或图2的图像传感器的示例时序图。

图8详细示出了图1或2的图像传感器的示例框图。

图9详细示出了图8的示例像素阵列。

图10示出了与图8的图像传感器的示例操作相关联的流程图。

具体实施方式

以下，将以本领域普通技术人员可以容易地实施本发明构思的这样的程度来详细和清楚地描述本发明构思的实施例。

图1示出了根据本发明构思的实施例的图像传感器100的框图。例如，图像传感器100可以包括以行和列排列的多个像素110a、转换增益(conversiongain，cg)控制器120、以及模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)130。在一些示例中，为像素110a中的每一列提供一个cg控制器120和一个adc130，并且逐行执行像素处理。

像素110a可以将入射光转换为电信号。像素110a可以通过沿着图像帧的行方向(下文称为x轴方向)而传输的复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel而控制。像素110a可以通过沿着列方向(y轴方向)而传输的转换增益控制信号cg_ctrl而控制。像素110a可以基于上述控制信号或驱动信号rg、tg、sel和cg_ctrl在列方向上传输输出电压vout。

如在下文的描述中将变得显而易见的，图像传感器100可以用其中不需要在初始照明条件测量之后重复图像捕获的“单次拍摄(1-slot)”方法实现宽动态范围图像捕获。因此，与其中有时在测量像素的照明条件之后针对像素重复图像捕获操作的相关技术方法相比，图像捕获响应时间可以被缩短。为此，cg控制器120可以基于在电荷已经在复位操作之后积累了短时间之后由像素110a接收到的光量来确定像素110a的期望的转换增益，例如高转换增益(highconversiongain，hcg)或低转换增益(lowconversiongain，lcg)。测量的光量基于输出电压vout的样本。对于指示明亮条件的测量，低转换增益可能是期望的，而对于黑暗条件，高转换增益可能是期望的。cg控制器120然后可以以足以在像素110a中设置适当转换增益的电平来提供控制信号cg_ctrl。

对于明亮条件，提供cg_ctrl信号可以将在其处输出电压vout刚刚被测量的初始hcg设置改变为lcg设置。由于将电容引入到电路中，该设置改变可以改变在浮动扩散fd节点处积累的电压。使用校准方案，输出电压vout然后可以由adc130采样，并且该样本可以用作像素的最终图像数据样本。换句话说，最终图像数据样本可以准确地表示在首先使用lcg设置的情况下可能已经获得的fd节点处的电压。因此，本发明构思的该方面可以允许其中省略了针对明亮条件的另一测量的单次拍摄方法。因此，图像捕获的整体响应时间可以被显著缩短。

继续参考图1，x轴方向可以是在其中传输施加到像素110a的复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel的方向。复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel可以分别通过复位线、传输线和选择线而传输。y轴方向可以垂直于x轴，并且可以与在其中传输施加到像素110a的转换增益控制信号cg_ctrl的方向一致。输出电压vout在列方向上的输出线上从像素110a输出(或传输)。转换增益控制信号cg_ctrl和输出电压vout可以分别通过转换增益控制线和输出线而传输。在平面图中，转换增益控制线和输出线可以被排列、布置或放置为垂直于复位线、传输线和选择线。

像素110a可以包括光电转换元件pd。光电转换元件pd可以与从场景入射到其上的光量成比例地生成和累积光电荷。光电转换元件可以将光强度转换为电荷。光电转换元件可以将入射光转换为电信号。光电转换元件中生成和累积的电荷量可以随着用于捕获图像的环境(低照度或高照度)而变化。例如，在高照度(明亮)环境中，光电转换元件的电荷量可以达到光电转换元件的满井容量(fullwellcapacity，fwc)；然而，在低照度(黑暗)环境中，光电转换元件的电荷量可能达不到满井容量(fwc)。例如，光电转换元件pd可以是光电二极管(如由图1中的示例性符号所描绘的)、光电晶体管、光电门、钳位光电二极管(pinnedphotodiode)、或其组合。

在示出的实施例中，像素110a包括光电转换元件pd和配置读出电路的五个晶体管开关，但是其他实施例可以具有多于或少于五个开关。如图1所示，连接到光电转换元件pd的读出电路被示出为包括开关tx、rx、cgx、dx和sx，但是本发明构思不限于此。例如，开关tx、rx、cgx、dx和sx中的每一个可以体现为晶体管。

传输开关tx可以基于传输信号tg将光电转换元件pd电连接到浮动扩散fd节点。传输开关tx可以通过传输信号tg而接通或断开。传输开关tx可以将累积在光电转换元件pd中的电荷(或电子)传输到fd节点。通过传输开关tx而传输的fd节点的电荷量(q)可以被转换为电信号，例如，通过fd节点的电容(cfd)得到的电压差(电位差)(δvfd＝q/cfd)。从光电转换元件pd提供的、与电信号相对应的电荷可以被存储在fd节点中。像素110a的转换增益(例如，以μv/e^-为单位而表达)可以根据fd节点的电容而变化。

转换增益控制开关cgx(下文可互换地称为“晶体管cgx”)可以通过转换增益控制信号cg_ctrl而控制，以改变或调节fd节点的电容。转换增益控制开关cgx可以通过转换增益控制信号cg_ctrl而接通或断开。例如，当转换增益控制开关cgx被接通时，fd节点的电容可能相对增大；当转换增益控制开关cgx断开时，fd节点的电容可能相对减小。

在图1的示例中，晶体管cgx直接连接在fd节点和参考电位点(下文称为“地电位”)之间。在这种情况下，晶体管cgx的寄生电容可以是fd节点的整体电容的一部分。当在接通(on)和断开(off)状态之间切换晶体管cgx时，fd节点电容可以在使得像素110a的转换增益等于lcg的第一电容状态至使得像素110a的转换增益等于hcg的第二电容状态之间改变。可替换地，如由虚线电路路径指示的，像素110a可以进一步包括可以通过传输开关tx与晶体管cgx串联地连接到fd节点的电容器c1(例如，无源元件、金属氧化物半导体(metaloxidesemiconductor，mos)晶体管或金属绝缘体金属(metalinsulatormetal，mim)电容器)。在这种情况下，电容器c1可以连接在接收地电压(或电源电压vpix)的节点n2和连接到晶体管cgx的一端的节点n1之间(本文中，任何fet晶体管的“端”是晶体管的源极或漏极)；并且节点n1和节点n2之间的电路路径102可以被省略。当fd节点的电容增大时，像素110a的转换增益可以相对减小；当fd节点的电容减小时，像素110a的转换增益可以相对增大。

在实施例中，像素110a可以基于转换增益控制信号cg_ctrl来改变转换增益。在低照度环境中，像素110a的光电荷量可以相对低，而在高照度环境中，像素110a的光电荷量可以相对高。因为像素110a的转换增益在低照度环境中可以通过转换增益控制信号cg_ctrl而增大，所以灵敏度更高，读出噪声可以更低，并且低照度图像质量可以改善。用于处理从像素110a输出的输出电压vout的电路(例如，模数转换器)的增益可以相对减小。因此，可以改善图像传感器100的信噪比(signaltonoiseratio，snr)。因为像素110a的转换增益在高照度环境中可以通过转换增益控制信号cg_ctrl而减小，所以在其中用于处理从像素110a输出的输出电压vout的电路可以在供应给图像传感器100的电源电压下操作的范围可以得到改善，并且灵敏度可以被降低，从而改善明亮区域中的图像质量。

因为像素110a可以通过支持双转换增益以分别适于低照度环境和高照度环境的转换增益操作，所以图像传感器100的动态范围可以被扩展(或增大)。因此，图像传感器100可以生成同时清楚地表示单次拍摄图像的明亮区域和黑暗区域的图像数据。

复位开关rx可以基于复位信号rg将fd节点复位到电源电压vpix。复位开关rx可以释放累积在fd节点中的电荷(或电子)。复位开关rx可以通过复位信号rg而接通或断开。此外，当复位开关rx和传输开关tx都被接通时，光电转换元件pd的电荷可以被释放，因此，光电转换元件pd可以被复位。

驱动开关dx可以是源极跟随器缓冲放大器，其生成与输入到驱动开关dx的栅电极的fd节点的电荷量成比例的源极-漏极电流。驱动开关dx可以基于fd节点的电压，通过选择开关sx将输出电压vout输出到输出线。驱动开关dx的一端(漏电极)可以连接到电源电压vpix，并且驱动开关dx的另一端(源电极)可以连接到选择开关sx的一端。

选择开关sx可以选择像素110a。在图1中仅示出了一个单位像素110a作为示例，但是图像传感器100可以进一步包括与像素110a相同的多个其他像素。图像传感器100的像素110a可以沿着x轴方向和y轴方向而排列；选择信号sel可以被生成以读取、访问或选择每一行的像素110a；并且，选择开关sx可以通过选择信号sel而接通或断开。在选择开关sx被接通的状态下，选择开关sx可以将通过驱动开关dx而提供的电信号(电压或电流)输出到输出线。可以通过复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel将输出电压vout从读出电路输出到输出线。

本文中，当说转换增益被确定并设置时，期望的转换增益被确定，并且如果当前转换增益还没有被设置为期望的转换增益，其可以被改变并设置为期望的转换增益。

转换增益控制器120可以接收通过输出线从像素110a传输的输出电压vout。转换增益控制器120可以将输出电压vout与阈值电压(参考电压)vth进行比较。转换增益控制器120可以基于比较结果来生成转换增益控制信号cg_ctrl。转换增益控制器120可以将转换增益控制信号cg_ctrl设置为第一逻辑电平(例如，逻辑高)，其接通转换增益控制开关cgx，并且可以根据高照度将像素110a的转换增益确定并设置为第一转换增益lcg。相反，转换增益控制器120可以将转换增益控制信号cg_ctrl设置为第二逻辑电平(例如，逻辑低)，其断开转换增益控制开关cgx，并且可以根据低照度将像素110a的转换增益确定并设置为第二转换增益hcg。所有逻辑电平都仅是示例性的。如上所述，根据低照度的第二转换增益hcg可以大于根据高照度的第一转换增益lcg。

转换增益控制器120可以接收可以是用于采样的定时信号的转换增益采样信号cg_smpl。转换增益控制器120可以根据转换增益采样信号cg_smpl在采样时间处对输出电压vout进行采样，并且可以将采样电压与阈值电压vth进行比较。可替换地，转换增益控制器120可以在转换增益采样信号cg_smpl被激活后的某个时间将输出电压vout与阈值电压vth进行比较。也就是说，转换增益采样信号cg_smpl可以是指示将输出电压vout与阈值电压vth进行比较的时间的触发信号。

转换增益控制器120可以通过转换增益控制线向像素110a的转换增益控制开关cgx提供转换增益控制信号cg_ctrl。转换增益控制线和输出线可以彼此平行地被排列、布置或放置，并且可以被排列为垂直于复位线、传输线和选择线。如图1所示，像素110a的转换增益可以通过反馈回路而确定并设置，其中该反馈回路包括输出线、转换增益控制器120、转换增益控制线、以及包括转换增益控制开关cgx、fd节点、驱动开关dx和选择开关sx的像素110a。因为转换增益控制线沿着y轴而针对每个像素110a放置，所以可以在给定列中为每个像素110a提供反馈回路。像素110a的转换增益可以通过反馈回路而确定并设置为根据高照度的第一转换增益lcg和根据低照度的第二转换增益hcg。图像传感器100的多个像素110a的多个转换增益可以分别由多个这样的反馈回路而独立地确定并设置。

模数转换器(adc)130可以接收通过输出线从像素110a传输的输出电压vout。adc130可以双采样并保持输出电压vout。模数转换器130可以执行相关双采样(correlateddoublesampling，cds)。模数转换器130可以将双采样的输出电压vout的电平(例如，测量的噪声电平和由于电信号引起的测量电平)之间的差转换为表示像素110a的图像数据的数字代码，例如照度电平。

图2示出了根据本发明构思的另一实施例的图像传感器的框图。除了以像素110b为例的不同像素配置之外，图2的图像传感器100可以与图1的图像传感器100基本相同。如像素110a中那样，像素110b可以基于转换增益控制信号cg_ctrl而支持双转换增益。

如像素110a中那样，像素110b可以包括光电转换元件pd、传输开关tx、转换增益控制开关cgx、复位开关rx、驱动开关dx和选择开关sx。像素110b的转换增益控制开关cgx可以不同于像素110a的转换增益控制开关cgx而配置。参考图2，转换增益控制开关cgx可以基于转换增益控制信号cg_ctrl将fd节点电连接到复位开关rx。在替换配置中，像素110b可以进一步包括连接在接收电源电压vpix(或地电压)的节点n3和晶体管cgx的第一端处的节点n4(其中晶体管cgx的第二端连结到fd节点)之间的电容器c2。

当转换增益控制开关cgx通过转换增益控制信号cg_ctrl而接通时，fd节点的电容可以相对增大，并且像素110b的转换增益可以根据高照度而确定并设置为第一转换增益lcg。当转换增益控制开关cgx通过转换增益控制信号cg_ctrl而断开时，fd节点的电容可以相对减小，并且像素110b的转换增益可以根据低照度而确定并设置为第二转换增益hcg。

图1的fd节点可以由通过复位信号rg而接通的复位开关rx复位。图2的fd节点可以由通过复位信号rg而接通的复位开关rx和通过转换增益控制信号cg_ctrl而接通的转换增益控制开关cgx复位。图1的光电转换元件pd可以由通过复位信号rg而接通的复位开关rx和通过传输信号tg而接通的传输开关tx复位。图2的光电转换元件pd可以由通过复位信号rg而接通的复位开关rx、通过转换增益控制信号cg_ctrl而接通的转换增益控制开关cgx和通过传输信号tg而接通的传输开关tx复位。

参考图1和图2描述的像素110a和像素110b是示例性的，并且根据本发明构思的实施例的图像传感器100可以包括支持双转换增益的任何像素以及像素110a或像素110b。例如，像素110a和像素110b中的每一个可以专用于表示特定颜色。像素110a的组合或像素110b的组合可以配置一个“单位像素”，其是一起生成复合颜色的像素集合。此外，在像素110a和像素110b的每一个中，一个或多个光电转换元件和一个或多个传输开关tx可以进一步连接到fd节点。在以下描述中，图例110将用来指代像素110a或像素110b。

图3和图4示出了根据本发明构思的实施例的图1或图2的图像传感器100的示例时序图。将一起描述图3和图4。在图3和图4中，假设当信号rg、sel和tg的电平与逻辑高相对应时，信号rg、sel和tg被激活，因此开关rx、sx和tx被接通。此外，假设当信号rg、sel和tg的电平与逻辑低相对应时，信号rg、sel和tg被去激活，因此开关rx、sx和tx被断开。假设当转换增益采样信号cg_smpl与逻辑高相对应时，转换增益采样信号cg_smpl的电平被激活，而当转换增益采样信号cg_smpl的电平与逻辑低相对应时，转换增益采样信号cg_smpl被去激活。上述信号的所有电平仅是示例性的。

在时间t1之前，像素110的光电转换元件pd和fd节点可以被复位，使得fd节点的电压电平可以已经被复位到电源电压vpix。在复位操作之后并且在时间t1之前，复位信号rg可以在时间t0处被去激活，并且复位开关rx可以被断开，选择信号sel可以被激活，并且选择开关sx可以被接通(即，排列在任何行中的像素110被选择)。因此，在紧接着时间t0的时间段中，由于入射光转换，电荷可能开始在光电检测元件pd中积累。注意，在图3和图4中示出了切换复位信号rg和选择信号sel的时间相同的示例，但是在其他示例中这些时间可以不一致。

在像素110被完全复位的时间和时间t1之间，转换增益控制器120可以通过设置转换增益控制信号cg_ctrl的电平，来预先将像素110的转换增益设置为根据低照度的第二转换增益hcg。例如，转换增益控制器120可以将像素110的初始转换增益设置为第二转换增益hcg。

在时间t1处，模数转换器130可以采样并保持输出电压vout。在时间t1处，因为fd节点处的电压被复位，所以输出电压vout的电压电平l1可以是参考电平，并且可以包括噪声。模数转换器130在时间t1处的操作可以被称为“基于相关双采样的复位采样”。在时间t1处采样的输出电压vout的电平l1可以基于在传输开关tx被断开使得电子不从光电转换元件pd传输并且转换增益控制开关cgx被断开的情况下的fd节点的电压的电平。输出电压vout被采样的时间t1可以与通过反馈回路确定并设置像素110的转换增益之前的时间相对应。

在时间t2处，传输信号tg可以被激活，并且传输开关tx可以被接通。电子可以从光电转换元件pd传输到fd节点。参考图3和图4，在传输开关tx被接通的间隔期间，输出电压vout的电平可以逐渐降低到电压电平l2。这是因为fd节点处的电压由于电荷的传输而正在该时间期间积累，并且输出电压vout中的改变可能与fd节点电压中的改变成反比。与图4相比，在图3中，输出电压vout的电平可以更快地降低。图3可以与高照度相关联，而图4可以与低照度相关联。当传输信号tg被激活时，传输开关tx可以被接通，然后，当传输信号tg被去激活时(即，传输信号tg是脉冲)，传输开关tx可以被断开。

在时间t3处，转换增益采样信号cg_smpl可以被激活，并且转换增益控制器120可以采样并保持输出电压vout。接下来，转换增益采样信号cg_smpl可以被去激活(即，转换增益采样信号cg_smpl是脉冲)。转换增益控制器120可以将时间t3的输出电压vout与阈值电压vth进行比较。阈值电压vth的电平可以预先在输出电压vout的最大电平和最小电平之间被确定。基于比较结果，转换增益控制器120可以维持在时间t1之前设置的像素110的第二转换增益hcg而不进行修改，或者可以将第二转换增益hcg改变为第一转换增益lcg。

参考图3，因为输出电压vout的电平低于阈值电压vth的电平，所以比较结果可以指示像素110在高照度条件下存在。转换增益控制器120可以改变时间t1的转换增益控制信号cg_ctrl的逻辑电平，并且可以将预先设置的第二转换增益hcg改变为第一转换增益lcg。像素110的转换增益可以通过反馈回路而确定并设置为第一转换增益lcg。当转换增益控制开关cgx被接通时，由于通过时间t3之后不久的转换增益控制信号cg_ctrl而改变的、在时间t3之后不久的cg_ctrl信号的逻辑电平，fd节点的电容增大，fd节点处的电压对应地降低，并且输出电压vout的电平对应地升高。在电容中的改变的作用下，电压vout升高，直到它在由图例302指示的时间左右达到基本稳定的电平l3。

参考图4，因为输出电压vout的电平高于(或等于)阈值电压vth的电平，所以比较结果可以指示像素110在低照度条件下存在。转换增益控制器120可以维持时间t1的转换增益控制信号cg_ctrl的逻辑电平，并且可以维持预先设置的第二转换增益hcg。像素110的转换增益可以由反馈回路确定并设置为第二转换增益hcg。当转换增益控制开关cgx通过转换增益控制信号cg_ctrl而断开并且fd节点的电容被维持时，输出电压vout的电平可以被维持而不改变。

在时间t4处，adc130可以采样并保持输出电压vout。adc130在t4时间处的操作可以被称为“基于相关双采样的信号采样”。在时间t4处采样的输出电压vout的电平l3可以是基于根据由转换增益控制器120在时间t3处确定并设置的转换增益的fd节点的电压的电平。输出电压vout被采样的时间t4可以与通过反馈回路确定并设置像素110的转换增益之后的时间相对应。adc130可以基于在时间t1处采样的输出电压vout的电平l1和在时间t4处采样的输出电压vout的电平l3之间的差vd来生成数字代码。adc130可以将上述差转换为数字代码，其可以是被输出以用于进一步的图像处理的图像数据。

先前针对像素110执行的校准操作的结果可以用来获得最终图像数据，其中该最终图像数据的值与由于控制信号cg_ctrl而在转换增益中没有改变的情况下可能获得的值相对应。例如，在针对明亮条件的图3的示例中，假定转换增益最初被设置为lcg并且在时间t0至t4中被保留在该设置。在这种情况下，电压vout中的差的采样值将由adc130获得。使用校准，图3中示出的操作可以产生基本相同的差值(l1-l3)，如同转换增益一直被设置为lcg一样。因此，与相关技术方法相反，可能不需要重复针对明亮条件的测量，显著减少了图像传感器100的整体响应时间。

在信号被采样之后，复位信号rg可以被激活，以复位像素110用于后续测量，并且选择信号sel可以被去激活。图3和图4的所有时间t1至t4可以存在于复位信号rg被去激活并且复位开关rx被断开的间隔和选择信号sel被激活并且选择开关sx被接通的间隔中的任何一个内。所有时间t1至t4可以存在于与排列在一行中的像素110相关联的读取间隔(例如，“1h”时间)内。

具体地，当传输信号tg被激活时，可以由转换增益控制器120在时间t3处将在光电转换元件pd电连接到fd节点时改变的输出电压vout与阈值电压vth进行比较。将输出电压vout与阈值电压vth进行比较的时间t3存在于复位采样时间t1和信号采样时间t4之间。在输出电压vout和阈值电压vth被比较并且像素110的转换增益被确定并设置为第一转换增益lcg或第二转换增益hcg之后，可以执行信号采样。在与像素110相关联的一个读取操作(例如，复位开关rx被断开的一个间隔、选择开关sx被接通的一个间隔或一个读取间隔)期间，复位采样操作、将输出电压vout与阈值电压vth相比较的操作、以及信号采样操作被针对每个操作顺序执行一次。因此，根据本发明构思的实施例，转换增益控制器120可以通过仅使用时间t4的比较结果来确定像素110的转换增益。

图5和图6示出了根据本发明构思的另一实施例的图2的图像传感器的时序图。将主要描述图3和图5的时序图之间的差异以及图4和图6的时序图之间的差异。将一起描述图5和图6。

图像传感器100在图5的时间t2至t5的操作可以与图像传感器100在图3的时间t1至t4的操作基本相同。此外，图像传感器100在图6的时间t2至t5的操作可以与图像传感器100在图4的时间t1至t4的操作基本相同。

参考图5和图6，与图3和图4的时序图相比，在时间t1处，模数转换器130可以采样并保持输出电压vout。模数转换器130在时间t1的操作可以被称为“基于相关双采样的第一复位采样”。在时间t1处采样的输出电压vout的电平可以基于在传输开关tx被断开使得电子不从光电转换元件pd传输并且转换增益控制开关cgx被接通的情况下的fd节点的电压的电平而确定。输出电压vout被采样的时间t1可以与通过反馈回路确定并设置像素110的转换增益之前的时间相对应。在像素110的复位被完成的时间和时间t1之间，转换增益控制器120可以通过设置转换增益控制信号cg_ctrl的电平来预先将像素110的转换增益设置为第一转换增益lcg。

在时间t1和时间t2之间，转换增益控制器120可以通过设置转换增益控制信号cg_ctrl的电平来预先将像素110的转换增益设置为第二转换增益hcg。像素110的转换增益可以由转换增益控制器120在时间t1和时间t2的每一个之前设置，而无需参考图3和图4描述的将输出电压vout与阈值电压vth进行比较。例如，当启动与排列在一行中的像素110相关联的读取操作时，像素110的转换增益可以由转换增益控制器120在像素110的复位被完成的时间和时间t1之间以及时间t1和时间t2之间设置。

在时间t2处，模数转换器130可以采样并保持输出电压vout。模数转换器130在时间t2处的操作可以被称为“基于相关双采样的第二复位采样”。在时间t2处采样的输出电压vout的电平可以基于在传输开关tx被断开使得电子不从光电转换元件pd传输并且转换增益控制开关cgx被断开的情况下的fd节点的电压的电平而确定。输出电压vout被采样的时间t2可以与通过反馈回路确定并设置像素110的转换增益之前的时间相对应。

在时间t3处，传输信号tg可以被激活，并且传输开关tx可以被接通。参考图5和图6，输出电压vout的电平可以在传输开关tx被接通的间隔期间逐渐降低。

在时间t4处，转换增益控制器120可以将输出电压vout与阈值电压vth进行比较。参考图5，转换增益控制器120可以改变时间t2的转换增益控制信号cg_ctrl的逻辑电平，并且可以将预先设置的第二转换增益hcg改变为第一转换增益lcg。相反，参考图6，转换增益控制器120可以维持时间t2的转换增益控制信号cg_ctrl的逻辑电平，并且可以维持预先设置的第二转换增益hcg。此后，在时间t5处，模数转换器130可以采样并保持输出电压vout以执行信号采样。输出电压vout被采样的时间t5可以与通过反馈回路确定并设置像素110的转换增益之后的时间相对应。模数转换器130可以选择在时间t1处采样的输出电压vout的电平和在时间t2处采样的输出电压vout的电平中的一个。

参考图5，因为像素110的转换增益由转换增益控制器120确定并设置为第一转换增益lcg，所以模数转换器130可以选择在时间t1处采样的输出电压vout的电平。参考图6，因为像素110的转换增益由转换增益控制器120确定并设置为第二转换增益hcg，所以模数转换器130可以选择在时间t2处采样的输出电压vout的电平。模数转换器130可以基于所选电平和在时间t5处采样的输出电压vout的电平之间的差来生成数字代码。

总之，因为模数转换器130在时间t1和时间t2处不知道第一转换增益lcg和第二转换增益hcg中的任何一个是否在时间t4之后被选择作为像素110的转换增益，所以模数转换器130可以分别在时间t1和时间t2处预先采样并保持输出电压vout。在像素110的转换增益在时间t4之后被确定并设置为第一转换增益lcg的情况下(参考图5)，模数转换器130可以基于在转换增益控制开关cgx被接通的状态下采样的电压之间的差来生成数字代码。相反，在像素110的转换增益在时间t4之后被确定并设置为第二转换增益hcg的情况下(参考图6)，模数转换器130可以基于在转换增益控制开关cgx被断开的状态下采样的电压之间的差来生成数字代码。

图7示出了根据本发明构思的另一实施例的图2的图像传感器的时序图。下面将描述图5的时序图和图7的时序图之间的差异。

图像传感器100在图7的时间t1至t4处的操作可以与图像传感器100在图5的时间t1至t4处的操作基本相同。在时间t4和时间t6之间的时间t5处，当传输信号tg被激活时，传输开关tx可以被接通，然后，当传输信号tg被去激活时，传输开关tx可以被断开。在传输开关tx随着传输信号tg在时间t5之前的时间t3处被激活而接通的间隔期间没有被传输到fd节点并且保留在光电转换元件pd中的电子可以在传输开关tx被接通的间隔期间被传输到fd节点。输出电压vout的电平可以在传输开关tx被接通的间隔期间逐渐降低。此后，时间t6的、图像传感器100的操作可以与时间t5的、图像传感器100的操作基本相同。

图8详细示出了图1的图像传感器的框图。图8的图像传感器1000是图1或图2的图像传感器100，并且图1和图2中未示出的图像传感器100的组件在图8中详细示出。图像传感器1000可以包括像素阵列1100、转换增益控制电路1200、模数转换器电路1300、行驱动器1400、定时发生器1500和输入/输出缓冲器1600。

像素阵列1100可以包括沿着x轴方向和y轴方向排列的像素。像素阵列1100的像素中的每一个可以是上述像素110a和像素110b中的一个，并且可以支持双转换增益。在图8中仅示出了沿着一行排列的像素1101至1103作为示例，但是沿着一行排列的像素的数量不限于图8的图示。此外，在图8中省略了沿着列排列的像素的图示，但是像素阵列1100可以进一步包括沿剩余行排列的像素。

转换增益控制电路1200可以包括转换增益控制器1201至1203。例如，转换增益控制器1201至1203的数量可以与像素阵列1100中沿着x轴排列的像素1101至1103的数量相同。转换增益控制器1201至1203中的每一个可以是上述的转换增益控制器120。转换增益控制器1201至1203可以分别确定排列在通过反馈回路而选择的所选行中的像素1101至1103的转换增益。也就是说，转换增益控制器1201可以控制其自身的反馈回路，并且可以确定像素1101的转换增益。剩余的转换增益控制器1202和1203可以对确定转换增益控制器1201的转换增益的操作没有影响。此外，转换增益控制器1201至1203可以分别确定排列在图8中未示出的不同行中的像素的转换增益。例如，接收从转换增益控制器1201输出的转换增益控制信号cg_ctrl的、通过转换增益控制线而连接到转换增益控制器1201的、并且沿着列方向而排列的像素可以共享转换增益控制线。同样，与转换增益控制器1202和1203相关联的像素也可以共享对应的转换增益控制线。

模数转换器电路1300包括模数转换器1301至1303。例如，模数转换器1301至1303的数量可以与像素阵列1100中沿着x轴排列的像素1101至1103的数量相同。模数转换器1301至1303中的每一个可以是上述模数转换器130。模数转换器1301至1303中的每一个可以基于像素1101至1103中的每一个的输出电压来生成数字代码。此外，模数转换器1301至1303中的每一个可以基于排列在图8中未示出的不同行中的像素中每一个的输出电压来生成数字代码。模数转换器电路1300可以将由模数转换器1301至1303的数字代码组成的图像数据传输到输入/输出缓冲器1600。例如，通过输出线而连接到模数转换器1301并且沿着列方向而排列的像素可以共享输出线。同样，与模数转换器1302和1303相关联的像素可以共享对应的输出线。

在实施例中，模数转换器1301至1303可以包括转换增益校准器1304至1306。因为像素1101至1103中的每一个的转换增益从第一转换增益lcg改变为第二转换增益hcg，反之亦然，转换增益校准器1304至1306可以校准上述波动(变化)。可以在制造图像传感器1000的过程中分别测量第一转换增益lcg和第二转换增益hcg，并且测量值可以分别存储在图像传感器1000的寄存器(未示出)中。通过使用第一转换增益lcg和第二转换增益hcg的测量值，转换增益校准器1304至1306中的每一个可以组成基于第一转换增益lcg的输出电压vout和基于第二转换增益hcg的输出电压vout。

例如，转换增益校准器1304至1306中的每一个可以通过使用诸如逆变器、nand门、nor门、xor门、xnor门、开关、触发器、锁存器、寄存器等各种电路用硬件而实施。此外，图像传感器1000的组件1200、1300、1400、1500和1600可以通过使用各种模拟或数字电路用硬件而实施。在另一实施例中，转换增益校准器1304至1306可以被包括在图像传感器1000的图像信号处理器(imagesignalprocessor，isp)(未示出)内，而不是在模数转换器1301至1303内。图像信号处理器可以从模数转换器电路1300接收信号，可以执行诸如颜色插值、颜色校正、伽马校正、颜色空间转换、边缘校正等的信号处理操作，并且可以生成校正的图像数据。

行驱动器1400可以在x轴方向上将复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel发送到排列在根据对行地址进行解码的结果而选择的行中的像素1101至1103。此外，行驱动器1400可以在x轴方向上将复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel发送到排列在不同行中的像素。沿着一行排列的像素(例如，1101至1103)可以共享沿着一行排列的复位线、传输线和选择线。行驱动器1400可以以行为单位向像素阵列1100发送复位信号rg、传输信号tg和选择信号sel。

定时发生器1500可以控制转换增益控制电路1200、模数转换器电路1300、行驱动器1400和输入/输出缓冲器1600。例如，定时发生器1500可以向行驱动器1400提供指示一行的行地址和控制信号，使得行驱动器1400选择一行。

定时发生器1500可以生成转换增益采样信号cg_smpl并且可以将转换增益采样信号cg_smpl提供给转换增益控制电路1200，其中，该转换增益采样信号cg_smpl允许转换增益控制电路1200在与排列在一行中的像素1101至1103相关联的一个读取操作中启动确定像素1101至1103的相应转换增益的操作。转换增益控制电路1200的转换增益控制器1201至1203可以接收转换增益采样信号cg_smpl，并且可以启动确定像素1101至1103的相应转换增益的操作。

定时发生器1500可以生成控制信号并且可以将控制信号提供给模数转换器电路1300，其中，该控制信号允许模数转换器电路1300在与排列在一行中的像素1101至1103相关联的一个读取操作中启动对输出电压vout进行采样的操作(参见图3至图7的复位采样操作和信号采样操作)。模数转换器电路1300的模数转换器1301至1303可以接收控制信号，并且可以分别启动复位采样操作和信号采样操作。

输入/输出缓冲器1600可以接收用于请求图像的命令、用于控制图像传感器1000的操作的命令、以及信号，并且可以将命令提供给定时发生器1500。输入/输出缓冲器1600可以从模数转换器电路1300接收图像数据，并且可以将图像数据输出到外部。

在实施例中，输入/输出缓冲器1600可以输出转换增益数据以及图像数据。为此，输入/输出缓冲器1600可以从模数转换器电路1300接收转换增益数据。模数转换器电路1300可以从转换增益控制电路1200接收由转换增益控制器1201至1203生成的转换增益控制信号cg_ctrl，并且可以以比特为单位存储数据。模数转换器电路1300可以向输入/输出缓冲器1600提供包括指示转换增益控制信号cg_ctrl的逻辑状态的比特的转换增益数据。例如，转换增益数据的大小可以为排列在像素阵列1100的一行中的像素的数量乘以排列在像素阵列1100的一列中的像素的数量(＝(排列在像素阵列1100的一行中的像素的数量)x(排列在像素阵列1100的一列中的像素的数量))。图像数据的大小可以为排列在像素阵列1100的一行中的像素的数量乘以排列在像素阵列1100的一列中的像素的数量和模数转换器1300的分辨率(或比特的数量)(＝(排列在像素阵列1100的一行中的像素的数量)x(排列在像素阵列1100的一列中的像素的数量)x(模数转换器1300的分辨率))。转换增益数据在大小上小于图像数据，但是可以指示像素阵列1100中的哪些像素被应用第一转换增益lcg或者像素阵列1100中的哪些像素被应用第二转换增益hcg。

尽管图8中未示出，但是图像传感器1000可以包括电压发生器。电压发生器可以生成供应给图像传感器1000的组件1100、1200、1300、1400、1500和1600的电源电压。具体地，电压发生器可以生成阈值电压vth，并且可以将阈值电压vth供应给转换增益控制电路1200的转换增益控制器1201至1203。

图9详细示出了图8的像素阵列。参考图9，在实施例中，8个像素沿着x轴而示出，并且8个像素沿着y轴而示出(8×8矩阵)，但是本发明构思不限于此。

像素阵列的像素可以包括具有三种颜色或四种颜色的滤色器。像素可以包括蓝色(b)、红色(r)和绿色(gb或gr)滤色器中的一个。然而，本发明构思不限于此。例如，像素阵列1100的像素“r”、“b”、“gb”和“gr”可以包括通过(passing)品红色(mg)光、黄色(y)光、青色(cy)光和/或白色(w)光的滤色器。单位像素“r”、“b”、“gb”和“gr”的一部分可以包括通过红外光的红外滤波器“z”。

详细地，在一行中，第一滤色器(红色滤色器“r”或蓝色滤色器“b”)和第二滤色器(绿色滤色器“gr”或“gb”)可以被交替排列。每个滤色器可以接收有关颜色的光。蓝色滤色器“b”和绿色滤色器“gb”可以被交替排列在一行中，并且红色滤色器“r”和绿色滤色器“gr”可以被交替排列在相邻行中。这里，蓝色滤色器“b”可以与红色滤色器“r”一起对角排列。这样，由于与亮度(luminance)信号相关联的绿色滤色器“gb”和“gr”被排列在所有行中，并且红色滤色器“r”和蓝色滤色器“b”针对每一行而交替排列，因此可以改善图像传感器1000的分辨率。

在实施例中，在第一行被选择的情况下，排列在第一行中的像素的转换增益可以由转换增益控制电路1200的转换增益控制器1201至1203独立地确定并设置。在图9中，(l)可以指示具有第一转换增益lcg的像素，并且(h)可以指示具有第二转换增益hcg的像素。在第二行被选择的情况下，排列在第二行中的像素的转换增益可以由转换增益控制电路1200的转换增益控制器1201至1203独立地确定并设置。根据本发明构思的实施例，像素的转换增益可以根据在与像素相关联的一次读取操作中将像素的输出电压vout与阈值电压vth进行比较的结果而确定并设置。诸如任何其他像素和先前读取操作中像素的输出电压vout的因素对确定当前像素的转换增益没有影响。

图10示出了与图8的图像传感器的操作相关联的流程图。将参考图3至图6以及图8描述图10。

在操作s110中，为了读取单次拍摄图像，行驱动器1400可以激活选择信号sel，并且可以选择排列在一行中的像素(参见图8的1101至1103)。所选像素的选择开关sx可以被接通。

在操作s120中，模数转换器电路1300可以对所选像素执行复位采样。模数转换器电路1300可以在从像素被选择的时间至传输信号tg由行驱动器1400激活的时间的时间间隔的任何一个时间(参考图3和图4的时间t1)处对输出电压进行采样。如参考图5和图6所描述的，模数转换器电路1300可以在从像素被选择的时间至传输信号tg由行驱动器1400激活的时间的时间间隔的任何两个时间(参考图5和图6的时间t1和时间t2)处对输出电压进行采样。在执行复位采样操作之后，行驱动器1400可以激活传输信号tg以接通传输开关tx，然后可以去激活传输信号tg以断开传输开关tx(参考图3和图4的时间t2以及图5和图6的时间t3)。

在操作s130中，转换增益控制电路1200可以通过将像素的输出电压vout中的每一个与阈值电压vth进行比较来确定像素的转换增益(参考图3和图4的时间t3以及图5和图6的时间t4)。像素的转换增益可以被独立地确定并设置。因为相应转换增益是独立地确定并设置的，所以可以改善图像传感器1000的分辨率。

在操作s140中，在由转换增益控制电路1200确定并设置像素的转换增益之后，模数转换器电路1300可以对所选像素执行信号采样(参考图3和图4的时间t4以及图5和图6的时间t5)。在操作s150中，模数转换器电路1300可以基于在操作s120中采样的输出电压vout和在操作s140中采样的输出电压vout之间的差来生成图像数据。此外，模数转换器电路1300可以基于在操作s130中确定并设置的像素的转换增益来生成转换增益数据。在执行信号采样操作之后，行驱动器1400可以去激活选择信号sel，并且可以断开选择开关sx。图像传感器1000可以对其他行重复执行操作s110至操作s150。图像传感器1000可以对像素阵列1100的所有行重复执行操作s110至操作s150。

根据本发明构思的实施例，像素的转换增益可以通过分别平行于支持双转换增益的像素的输出线排列的转换增益控制线而独立地确定并设置、或改变。因此，可以改善图像传感器分辨率。此外，可以通过避免重复测量来针对高动态范围图像捕获而缩短图像传感器响应时间。

虽然已经参考本发明构思的示例性实施例描述了本发明构思，但是将对本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明构思的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变和修改。