[发明专利]双斜坡像素读出

说明书

一种图像传感器包括多个像素列和多个读出电路。每个读出电路耦合到多个像素列中的一个并且包括：ADC，用于在复位转换阶段接收像素的第一模拟信号和在信号测量阶段接收像素的第二模拟信号；双斜坡发生器，用于生成具有第一斜坡速率的第一斜坡和具有大于第一斜坡速率的第二斜坡速率的第二斜坡，并且在复位转换阶段向读出电路提供第一斜坡且在信号测量阶段向多个读出电路提供第二斜坡；以及控制器，被配置为向读出电路和双斜坡发生器提供控制信号。

本发明要求于2020年4月18日提交的且题为“DUAL RAMP PIXEL READOUT”的美国非临时专利申请号16/852,415的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器，并且更具体地涉及一种图像传感器及用于使用双斜坡发生器操作图像传感器的方法。

背景技术

具有高像素计数的现代图像传感器试图以最小的功耗实现高帧速率、低读取噪声和高动态范围。现代CMOS图像传感器(CIS)的基本功能是捕获在光电二极管中转换为电子的光子。这些捕获的电子由作为图像传感器一部分包含的一系列模数转换器(ADC)读出。特别是，在单个图像帧中读取接收到大量电子的像素同时为接收到少量电子的像素实现低噪声读取是非常具有挑战性的。这被定义为图像传感器的动态范围，其是可以读出的最大电子数除以读取噪声等于信号时捕获的电子数，即该像素中的电子数。这是图像传感器最重要的规格之一，因为实现更高的动态范围会带来更好的图像质量。

图像传感器的像素被布置成行和列。同一列中的像素连接到公共读出电路。像素包括接收多个光子的光电二极管，并且光子被转换成指示由光电二极管检测到的光强度的电信号。已经开发了许多方法和电路来降低由读出电路引起的噪声。

发明内容

在一方面中，本发明构思涉及使用多斜率斜坡方案来从图像传感器读出信号的图像传感器。还公开了从图像传感器读出信号的相应方法。

根据一方面，本发明构思涉及执行顺序斜坡以用于在复位转换阶段和信号测量阶段从图像传感器读出信号的图像传感器。

根据另一方面，本发明构思涉及执行两个连续斜坡以用于在复位转换阶段和信号测量阶段从图像传感器读出信号的图像传感器。

根据又一方面，本发明构思涉及在复位阶段和信号测量阶段并行执行两个斜坡的图像传感器。在一些实施例中，有必要在开始任一斜坡之前对像素输出电压进行粗略估计。由于像素输出需要一些时间来稳定，并且信号必须稳定到比这个粗略决定所需的水平更精确的水平，这可以在不增加总转换时间的情况下完成，但增加了比较器的复杂性以执行此操作并选择两个斜坡输入之一。理论上，然后这可以节省总转换时间。在任一实施方式中，仍然需要执行两个复位转换，并且它们必须串联执行，因为无法提前知道构建最终ADC输出将需要哪些转换。

根据又一方面，本发明构思涉及也通过为每个ADC添加第二比较器来并行执行复位转换，从而可以在复位转换阶段和信号转换阶段两者期间同时以两个斜坡速率来捕获转换的图像传感器。该实施例为了略微改进的总像素转换时间的益处，权衡了ADC的额外面积和功耗。在一个实施例中，为了节省功率和硅面积，与其他比较器相比，捕获快斜坡的第二比较器(其也与测量来自像素的较大信号相关联)可以被缩放到更小的面积和功率。这会增加噪声，但在大多数情况下，来自像素的信号的散粒噪声仍然会较大。