本公開總體上涉及電子電路，并且在具體的實(shí)施例中涉及一種像素電路。

背景技術(shù)：

在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)架構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)使用光電二極管像素的圖像傳感器。CMOS圖像傳感器的每個(gè)光電二極管像素可以包括圖像敏感元件并且可以在單個(gè)芯片中實(shí)施相關(guān)聯(lián)的圖像處理電路。每個(gè)光電二極管像素還可以包括多個(gè)電容器和至少一個(gè)源極跟隨器，該源極跟隨器可以充當(dāng)放大器。此類光電二極管像素由于電容器的使用會(huì)表現(xiàn)出高功耗，并且產(chǎn)生經(jīng)受與電容器相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲和與源極跟隨器相關(guān)聯(lián)的隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)噪聲。這樣，CMOS圖像傳感器的光電二極管像素對于其中期望低功率運(yùn)行模式或低噪聲基底中的至少一項(xiàng)的某些應(yīng)用或環(huán)境(例如，微光條件)是無效的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的目的是提供一種電路，以至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

根據(jù)實(shí)施例，一種電路包括：第一源極跟隨器，該第一源極跟隨器被配置成受第一節(jié)點(diǎn)處電壓控制；光電二極管，該光電二極管可控地耦合至該第一節(jié)點(diǎn)；以及偏置晶體管，該偏置晶體管被配置成受偏置電壓的控制。該偏置晶體管具有耦合至該第一源極跟隨器的輸出端的第一端子。該電路另外包括：存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可控地耦合至該第一源極跟隨器的該輸出端；以及放大器，該放大器可控地耦合于該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與輸出線路之間。該電路中還包括可控切換元件，該可控切換元件被配置成用于響應(yīng)于像素運(yùn)行于第一模式而將該偏置晶體管的第二端子耦合至電源電壓，并且響應(yīng)于該像素運(yùn)行于第二模式而將該偏置晶體管的該第二端子耦合至該輸出線路。

根據(jù)實(shí)施例，一種操作電路的方法包括：使用第一節(jié)點(diǎn)處的電壓控制第一源極跟隨器；并且響應(yīng)于像素從第一模式到第二模式切換操作：將電容器的端子從該第一源極跟隨器的輸出端解耦合；并且將第二源極跟隨器的輸出端從輸出線路解耦合，該第二源極跟隨器可控地耦合于該電容器的該端子與該輸出線路之間。該方法進(jìn)一步包括：將偏置晶體管的源極耦合至該輸出線路。該偏置晶體管的漏極被連結(jié)至該第一源極跟隨器的該輸出端。該方法另外包括：使用該偏置晶體管作為開關(guān)對該第一源極跟隨器的該輸出端執(zhí)行讀取操作，該開關(guān)被配置成用于將該第一元件跟隨器的該輸出端耦合至該輸出線路。

根據(jù)實(shí)施例，一種電路包括：光電二極管；第一源極跟隨器，該第一源極跟隨器受感測節(jié)點(diǎn)處的電壓控制；以及傳輸門晶體管，該傳輸門晶體管被配置成用于從該光電二極管向該感測節(jié)點(diǎn)傳輸電荷。該電路還包括：偏置晶體管，該偏置晶體管具有耦合至該第一源極跟隨器的輸出端的第一端子；第二源極跟隨器，該第二源極跟隨器耦合至該第一源極跟隨器的該輸出端并受其控制；以及電容器，該電容器可控地耦合于該第一源極跟隨器的輸出端與該第二源極跟隨器之間。該電路另外包括：可控切換元件，該可控切換元件被配置成用于：響應(yīng)于像素運(yùn)行于第一模式而將該偏置晶體管的第二端子耦合至電壓源線路，并且響應(yīng)于該像素運(yùn)行于第二模式而將該偏置晶體管的該第二端子耦合至電流源。

在根據(jù)本公開的實(shí)施例中，從輸出信號(hào)減少或排除控制信號(hào)噪聲、與電容器相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲、和與源極跟隨器相關(guān)聯(lián)的RTS噪聲，該輸出信號(hào)被讀出到列線上。在微光條件下，這可以允許減少像素的噪聲基底以及提高像素的動(dòng)態(tài)范圍。此外，可以將電容器從輸出信號(hào)傳播路徑排除，由此規(guī)避對電容器的充電和放電并減少功耗。

附圖說明

現(xiàn)在參考下面的說明并結(jié)合附圖，以更完整地理解本實(shí)用新型及其優(yōu)點(diǎn)，其中：

圖1根據(jù)各實(shí)施例示出了數(shù)字成像系統(tǒng)的框圖；

圖2根據(jù)一些實(shí)施例示意性地展示了具有CMOS架構(gòu)的像素；

圖3根據(jù)一些實(shí)施例示出了圖2中所示的像素的簡化時(shí)序圖；

圖4A和圖4B根據(jù)一些實(shí)施例示意性地展示了一種電路，該電路包括具有CMOS架構(gòu)的像素、兩條列線、第一可控切換元件、和控制器；

圖5根據(jù)一些實(shí)施例示出了圖4A和圖4B中所示的電路的簡化時(shí)序圖；

圖6根據(jù)一些實(shí)施例示意性地展示了一種電路，該電路包括具有CMOS架構(gòu)的像素、單條列線、第二可控切換元件、和控制器。

除非另外指出，在不同圖中相應(yīng)的數(shù)字和符號(hào)通常指代相應(yīng)的部分。附圖被繪制為清楚地展示實(shí)施例的相關(guān)方面而不一定按比例繪制。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)討論各實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)理解的是，在此所描述的各實(shí)施例可應(yīng)用于各種各樣的具體環(huán)境中。所討論的具體的實(shí)施例僅說明用于制造且使用各實(shí)施例的具體方式，并且不應(yīng)被解釋在受限的范圍中。

許多電子儀器的期望特征包括高信噪比(SNR)和簡化或減少的電路，其中的后者可以減少儀器的成本并提供更簡單的工程。電子噪聲減少技術(shù)可以提高信號(hào)分辨率并且可以允許更敏感的測量，這兩者都可以有利于許多儀器應(yīng)用。

在此所描述的各實(shí)施例提供像素電路及其操作方法。該電路提供低噪聲的信號(hào)讀出并且可以用于其中運(yùn)動(dòng)模糊是主要運(yùn)動(dòng)偽影(例如，微光情形下)的情況。該電路還可以用于像素需要具有低噪聲基底、低功耗、和高動(dòng)態(tài)范圍的情形。具體地，在此描述的各實(shí)施例中，從輸出信號(hào)減少或排除控制信號(hào)噪聲、與電容器相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲、和與源極跟隨器相關(guān)聯(lián)的RTS噪聲，該輸出信號(hào)被讀出到列線上。在微光條件下，這可以允許減少像素的噪聲基底以及提高像素的動(dòng)態(tài)范圍。此外，可以將電容器從輸出信號(hào)傳播路徑排除，由此規(guī)避對電容器的充電和放電并減少功耗。甚至進(jìn)一步地，與其他方案相比(比如可開關(guān)的電容-電壓-頻率方案)，各實(shí)施例借助減少的電路架構(gòu)實(shí)現(xiàn)這些效果。

圖1根據(jù)實(shí)施例示出了數(shù)字成像系統(tǒng)100的框圖。在一些實(shí)施例中，數(shù)字成像系統(tǒng)100可以是CMOS圖像傳感器。數(shù)字成像系統(tǒng)100捕捉可見光子并將這些光子轉(zhuǎn)換成電荷，該電荷隨后由數(shù)字成像系統(tǒng)100中所包括或與其耦合的電路處理。經(jīng)處理的信號(hào)隨后用于重構(gòu)數(shù)字圖像。數(shù)字成像系統(tǒng)100可以包括傳感器陣列102、行選擇邏輯104、列選擇邏輯106、列信號(hào)處理電路108、以及定時(shí)和控制邏輯110。

傳感器陣列102包括被安排成M行并且N列的矩陣的多個(gè)像素114，其中，M和N是大于1的整數(shù)。傳感器陣列102的每個(gè)像素114可以被稱為感光像素。在一些實(shí)施例中，比如在數(shù)字成像系統(tǒng)100是CMOS圖像傳感器的示例中，每個(gè)像素114可以被稱為有源像素傳感器(APS)像素。每個(gè)像素114包括感光元件和相關(guān)聯(lián)的讀出和復(fù)位電路，該相關(guān)聯(lián)的讀出和復(fù)位電路通信地耦合至并用于該感光元件。下面在圖2至圖6中更詳細(xì)地展示并描述了像素114和操作像素114的方法的各種實(shí)現(xiàn)方式。

行選擇邏輯104包括允許一次處理M行像素114中的一行的電路。列選擇邏輯106包括允許一次選擇N列像素114中的一列的電路。在一些實(shí)施例中，行選擇電路104或列選擇電路106中的至少一項(xiàng)可以由本領(lǐng)域已知的電路實(shí)現(xiàn)，一個(gè)例子是時(shí)鐘發(fā)生器和移位寄存器(例如，用逆變器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn))。

傳感器陣列102中的N列像素114中的每一列可以具有與其相關(guān)聯(lián)的列感測電路。換言之，給定一列像素114的所有M個(gè)像素114可以通信地耦合至并用于對應(yīng)的列感測電路。在一些實(shí)施例中，給定一列像素114的列感測電路可以包括在列信號(hào)處理電路108中。該列感測電路可以包括用于復(fù)位和讀出聚集的電荷的電路，該聚集的電荷包含在對應(yīng)的一列像素114的每個(gè)像素114。在一種實(shí)現(xiàn)方式中，對應(yīng)的一列像素114中的每個(gè)像素114可以使用執(zhí)行復(fù)位和讀出功能的相同電子裝置。換言之，對應(yīng)的一列像素114中的每個(gè)像素114可以共享用于復(fù)位和讀出的同一電路。在一些實(shí)施例中，列信號(hào)處理電路108的列感測電路可以用本領(lǐng)域已知的電路實(shí)現(xiàn)，一個(gè)例子是與對應(yīng)的一列像素114中的每個(gè)像素114耦合的晶體管網(wǎng)絡(luò)。

定時(shí)和控制邏輯110控制行選擇邏輯104、列選擇邏輯106的定時(shí)以及列信號(hào)處理電路108的選擇，從而允許顯示、復(fù)位、和讀出傳感器陣列102的每個(gè)像素114。例如，在一種實(shí)現(xiàn)方式中，數(shù)字成像系統(tǒng)100可以運(yùn)行于全局快門模式，其中，傳感器陣列102的所有像素114同時(shí)地捕捉圖像(即，每個(gè)像素114的光敏元件中光子累積同時(shí)開始和停止)。在此類實(shí)施例中，每個(gè)像素114可以是全局快門像素(例如，電壓域全局快門像素)，并且定時(shí)和控制邏輯110提供控制信號(hào)給行選擇邏輯104和列選擇邏輯106，從而允許同時(shí)顯示傳感器陣列102的所有像素114。在每個(gè)像素114的光敏元件中的光子集成之后，通常使用卷簾快門讀出器來讀出跨每個(gè)像素114生成的電壓。

在卷簾快門讀出器中，按次序進(jìn)行對傳感器陣列102的像素114的讀出。例如，M行像素114中的每一行可以由行選擇邏輯104(例如，響應(yīng)于控制信號(hào)被定時(shí)和控制邏輯110提供給行選擇邏輯104)選擇。隨后針對所選擇的行中的N個(gè)像素114中的每個(gè)像素114讀出所選擇的行中的像素值(例如，從左到右)。換言之，順序讀出所選擇的行中的N列的像素值(例如，從左到右)。對所選擇的行中的N個(gè)像素114中的每個(gè)的選擇由列選擇邏輯106進(jìn)行，同時(shí)讀出所選擇的行中的N各像素114中的每一個(gè)由列信號(hào)處理邏輯108(例如，響應(yīng)于控制信號(hào)被定時(shí)和控制邏輯110發(fā)送至列選擇電路106和列信號(hào)處理電路108)進(jìn)行?？梢詫ο乱恍邢袼?14等重復(fù)此過程，直到傳感器陣列102的所有像素114均被讀取。

在一些實(shí)施例中，數(shù)字成像系統(tǒng)100可以包括放大器(圖1中未示出)，此放大器對從每個(gè)像素114(例如，由列信號(hào)處理電路108)讀出的電信號(hào)進(jìn)行放大。此放大器可以包括在列信號(hào)處理電路108中。經(jīng)放大的電信號(hào)可以用于包括在數(shù)字成像系統(tǒng)100中或與其耦合的其他電路。

圖2根據(jù)實(shí)施例示意性地展示了具有CMOS架構(gòu)的像素200。圖1中所示的傳感器陣列102的每個(gè)像素114可以用像素200實(shí)現(xiàn)。像素200有時(shí)可以稱為10T CMOS像素，因?yàn)槠浼軜?gòu)中使用了十個(gè)晶體管(例如，晶體管204、206、208、210、212、214、216、218、220、和222)。像素200可以是APS像素或全局快門像素(例如，電壓域全局快門像素)中的至少一項(xiàng)。

像素200包括光電二極管202(例如，用針固定的光電二極管)和晶體管204、206、208、210、212、214、216、218、220、和222。光電二極管202是像素200的光敏元件。入射在光電二極管202上的光導(dǎo)致光電二極管202中電荷的聚集(或集成)，該電荷可以存儲(chǔ)在光電二極管202的電容中。這進(jìn)而導(dǎo)致跨二極管202生成電壓，該電壓代表光電二極管202內(nèi)聚集的電荷。

在像素200是全局快門像素的實(shí)施例中，像素200包括存儲(chǔ)級(jí)(可以包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)，如下該)，該存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)所聚集的電荷直到它被讀出。換言之，每個(gè)像素200的光電二極管202中生成的圖像信息(例如，聚集的電荷)被傳輸至并暫時(shí)地存儲(chǔ)在每個(gè)像素200的存儲(chǔ)級(jí)中。隨后可以使用卷簾快門讀出器有系統(tǒng)地(例如，以逐行的方式)讀出所存儲(chǔ)的電荷。像素200包括第一電容器224和第二電容器226，該第一電容器和第二電容器可以被當(dāng)做像素200的存儲(chǔ)級(jí)。具體地，第一電容器224和第二電容器226分別被配置成用于緩存復(fù)位電壓和信號(hào)電壓。

復(fù)位電壓(有時(shí)稱為黑電平噪聲偏移)是復(fù)位調(diào)節(jié)下像素200的輸出，其中，像素200的輸出電壓是像素200中的固定或相關(guān)噪聲源導(dǎo)致的(并且不是暴露至光線所導(dǎo)致聚集在光電二極管202內(nèi)的電荷導(dǎo)致的)。固定或相關(guān)噪聲源的示例包括但不限于電源噪聲、控制信號(hào)噪聲、與電容器224和226相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲、與像素200中所包括的源極跟隨器的RTS噪聲、以及像素200的晶體管中的一個(gè)或多個(gè)的閾值電壓的變化。

另一方面，響應(yīng)于光電二極管202暴露至光線，信號(hào)電壓是像素200的輸出。在這種情況下，像素200的輸出電壓會(huì)與光電二極管202所捕捉到的光子數(shù)量成比例，并且因此代表光電二極管202內(nèi)聚集的電荷量。信號(hào)電壓還包括黑電平噪聲偏移，因?yàn)樯踔廉?dāng)光電二極管202暴露至光線時(shí)像素200中仍然產(chǎn)生噪聲。這樣，為了去除、或基本上減少固定或相關(guān)噪聲的效果，像素200被配置成用于以相關(guān)雙采樣(CDS)運(yùn)行。

在CDS中，在復(fù)位條件下進(jìn)行第一次測量來測量復(fù)位電壓(即，黑電平噪聲偏移)，并且進(jìn)行第二次測量來測量由光電二極管202響應(yīng)于光電二極管202暴露至光線所產(chǎn)生的信號(hào)電壓。復(fù)位電壓可以被緩存至第一電容器224上，同時(shí)信號(hào)電壓可以被緩存至第二電容器226上。電容器224和226上緩存的電壓隨后被讀出。隨后從復(fù)位電壓減去信號(hào)電壓(例如，通過在列信號(hào)處理電路108進(jìn)行處理)，由此減輕與黑電平噪聲偏移相關(guān)聯(lián)的效果。在另一些示例中，是從信號(hào)電壓減去復(fù)位電壓。在任何一種情況下，CDS可以為相關(guān)噪聲源提供校正，該相關(guān)噪聲源是第一次測量和第二次測量兩者中公共的。

參照圖2，光電二極管202的第一端子(例如，正極)可以耦合至施加至襯底的至少一部分的體電壓V_體塊，光電二極管202形成于該襯底中。在一些實(shí)施例中，體電壓V_體塊可以是接地信號(hào)或靜態(tài)直流(DC)參考電壓。光電二極管202的第二端子(例如，陰極)可以耦合至第一晶體管204的源極。在一些實(shí)施例中，第一晶體管204可以被稱為傳輸門晶體管。

第一晶體管204可以充當(dāng)開關(guān)并且可以受控制信號(hào)TG控制，該控制信號(hào)被提供給第一晶體管204的柵極。控制信號(hào)TG可操作以O(shè)N(打開)或OFF(關(guān)閉)第一晶體管204，并且可以被稱為傳輸門電壓。第一晶體管204的漏極耦合至第二晶體管206的源極。在一些實(shí)施例中，第二晶體管206可以被稱為復(fù)位晶體管。第二晶體管206的漏極可以耦合至第一電源電壓V1，該第一電源電壓有時(shí)被稱為復(fù)位電壓。第一電源電壓V1可以是靜態(tài)DC參考電壓。第二晶體管206受控制信號(hào)RST控制，該控制信號(hào)有時(shí)被稱為復(fù)位信號(hào)?？刂菩盘?hào)RST被提供給第二晶體管206的柵極并且可操作以打開或關(guān)閉第二晶體管206。

如圖2的示例中所示，第二晶體管206的源極和第一晶體管204的漏極通過感測節(jié)點(diǎn)(SN)228耦合至第三晶體管208的柵極。換言之，第三晶體管208將其柵極連結(jié)至SN 228，該SN進(jìn)而被連結(jié)至第二晶體管206的源極和第三晶體管204的漏極。此外，如圖2中所示，光電二極管202可以可控地耦合至(例如，通過第一晶體管204)SN 228。

第三晶體管208有時(shí)被稱為第一源極跟隨器晶體管或感測節(jié)點(diǎn)源極跟隨器。由于第三晶體管208的柵極連結(jié)至SN 228，第三晶體管208受SN 228處電壓(有時(shí)稱為“感測節(jié)點(diǎn)電壓”)的控制。第三晶體管的漏極耦合至第二電源電壓V2，該第二電源電壓有時(shí)被稱為源極跟隨器電壓并且可以是靜態(tài)DC參考電壓。

在一些實(shí)施例中，SN 228處的電壓可以代表上述的復(fù)位電壓或信號(hào)電壓。例如，當(dāng)在復(fù)位條件下進(jìn)行該第一次測量(例如，用于將復(fù)位電壓緩存至第一電容器224)時(shí)，SN 228處的電壓可以代表復(fù)位電壓(即，黑電平噪聲偏移)。作為另一示例，當(dāng)進(jìn)行該第二次測量(例如，用于將信號(hào)電壓緩存至第二電容器226)時(shí)，SN 228處的電壓可以代表信號(hào)電壓。

第三晶體管208的源極(例如，在節(jié)點(diǎn)230處)通過第四晶體管210耦合至第三電源電壓V3，該第四晶體管受控制信號(hào)BIAS(偏置)(有時(shí)稱為偏置電壓)的控制。例如，第三晶體管208的源極可以耦合至(例如，連結(jié)至)第四晶體管210的漏極；第四晶體管210的源極可以耦合至(例如，連結(jié)至)第三電源電壓V3；并且控制信號(hào)BIAS可以被提供給第四晶體管210的柵極并且可操作以打開或關(guān)閉第四晶體管210。第四晶體管210可以被稱為偏置晶體管，并且在一些實(shí)施例中，第三電源電壓V3可以是地電壓或靜態(tài)DC參考電壓。當(dāng)?shù)谒木w管210被打開時(shí)，它可以作為第三晶體管208的負(fù)載運(yùn)行，并且第三晶體管208可以充當(dāng)放大器(例如，緩存放大器)，此放大器可以將SN 228處的電壓放大并在節(jié)點(diǎn)230處提供放大的電壓。

第三晶體管208的源極還通過第六晶體管214耦合至第五晶體管212的柵極，該第六晶體管受控制信號(hào)S1控制?？刂菩盘?hào)S1被提供給第六晶體管214的柵極并且可操作以打開或關(guān)閉第六晶體管214。第五晶體管212的漏極耦合至第二電源電壓V2，并且第五晶體管212的源極通過第七晶體管216耦合至第一列線VX。第五晶體管212可以充當(dāng)放大器(例如，緩存放大器)，此放大器在第一列線VX上提供輸出電壓，該輸出電壓代表第五晶體管212的柵極與第六晶體管214的漏極之間的節(jié)點(diǎn)232(例如，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn))處的電壓。在一些實(shí)施例中，第五晶體管212被稱為第二源極跟隨器(受節(jié)點(diǎn)232處的電壓控制)，而第七晶體管216被稱為第一讀取晶體管或第一行選擇晶體管。

第七晶體管216受控制信號(hào)READ(讀取)控制，該控制信號(hào)可操作以打開或關(guān)閉第七晶體管216。當(dāng)?shù)谄呔w管216被打開時(shí)，它作為第五晶體管212的負(fù)載運(yùn)行，并且第五晶體管212可以充當(dāng)放大器，此放大器可以在第一列線VX上提供電壓，該電壓代表節(jié)點(diǎn)232處電壓。這樣，第五晶體管212和第七晶體管216可以充當(dāng)放大器，此放大器具有連結(jié)至節(jié)點(diǎn)232的輸入端和連結(jié)至第一輸出節(jié)點(diǎn)240的輸出端，該第一輸出節(jié)點(diǎn)耦合至(例如，連結(jié)至)第一列線VX。如圖2中所示，節(jié)點(diǎn)232可以可控地耦合(通過第六晶體管214)至節(jié)點(diǎn)230，而第五晶體管212可控地耦合(通過第七晶體管216)在節(jié)點(diǎn)232與輸出線路VO之間。

類似地，第三晶體管208的源極還通過第九晶體管220耦合至第八晶體管218的柵極，該第九晶體管受控制信號(hào)S2控制?？刂菩盘?hào)S2被提供給第九晶體管220的柵極并且可操作以打開或關(guān)閉第九晶體管220。第八晶體管218的漏極耦合至第四電源電壓V4(例如，靜態(tài)DC參考電壓)，并且第八晶體管218的源極通過第十晶體管222耦合至第一列線VX。第八晶體管218可以充當(dāng)放大器(例如，緩存放大器)，此放大器在第一列線VX上提供輸出電壓，該輸出電壓代表第八晶體管218的柵極與第九晶體管220的漏極之間的節(jié)點(diǎn)234(例如，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn))處的電壓。在一些實(shí)施例中，第八晶體管218被稱為第三源極跟隨器(受節(jié)點(diǎn)234處的電壓控制)，而第十晶體管222被稱為第二讀取晶體管或第二行選擇晶體管。

第十晶體管222受控制信號(hào)READ2(讀取2)控制，該控制信號(hào)可操作以打開或關(guān)閉第十晶體管222。當(dāng)?shù)谑w管222被打開時(shí)，它作為第八晶體管218的負(fù)載運(yùn)行，并且第八晶體管218可以充當(dāng)放大器，此放大器可以在第一列線VX上提供電壓，該電壓代表節(jié)點(diǎn)234處電壓。這樣，第八晶體管218和第十晶體管222可以充當(dāng)放大器，此放大器具有連結(jié)至節(jié)點(diǎn)234的輸入端和連結(jié)至第二輸出節(jié)點(diǎn)242的輸出端，該第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至(例如，連結(jié)至)第一列線VX。如圖2中所示，節(jié)點(diǎn)234可以可控地耦合(通過第九晶體管220)至節(jié)點(diǎn)230，而第八晶體管218可控地耦合(通過第十晶體管222)在節(jié)點(diǎn)234與輸出線路VO之間。

應(yīng)注意的是，第一列線VX耦合至傳感器陣列102中的N列像素200中的給定列的每個(gè)像素200的輸出端。第一列線VX上的電壓的下限可以由列電流源238指示，該列電流源通過輸出線路VO耦合至第一列線VX。在一些實(shí)施例中，輸出線路VO和列電流源238可以包括在列信號(hào)處理電路108中。

如圖2中所示，節(jié)點(diǎn)232通過第一電容器224和第二電容器226耦合至節(jié)點(diǎn)234。具體地，第一電容器224的第一端子被連結(jié)至節(jié)點(diǎn)232；第一電容器224的第二端子連結(jié)至第二電容器226的第一端子；并且第二電容器226的第二端子被連結(jié)至節(jié)點(diǎn)234。在一些實(shí)施例中，比如在圖2中所示的示例中，第五電源電壓V5(例如，靜態(tài)DC參考電壓)被施加于第一電容器224的第二端子和第二電容器226的第一端子。在圖2的示例中，第六晶體管214和第一電容器224被當(dāng)做第一存儲(chǔ)級(jí)，同時(shí)第九晶體管220和第二電容器226被當(dāng)做第二存儲(chǔ)級(jí)。

在像素200運(yùn)行過程中，以規(guī)定的方式打開和關(guān)閉晶體管204、206、208、210、212、214、216、218、220、和222。作為示例，定時(shí)和控制邏輯110可以使用控制信號(hào)TG、RST、BIAS、S1、S2、READ、和READ2以預(yù)定序列打開和關(guān)閉晶體管204、206、208、210、212、214、216、218、220、和222。下面參照圖3描述像素200運(yùn)行的示例。

圖3示出了圖2中所示的像素200的簡化時(shí)序圖300。時(shí)序圖300示出了控制信號(hào)RST、TG、BIAS、S1、S2、READ和READ2。在圖2和圖3中所示的示例中，可以通過分別將相應(yīng)的控制信號(hào)設(shè)置為LOW(低)電壓或HIGH(高)電壓來關(guān)閉或打開晶體管。然而，在另一些實(shí)施例中(例如，其中使用PMOS晶體管實(shí)現(xiàn)晶體管204、206、208、210、212、214、216、218、220、和222)，可以通過分別將相應(yīng)的信號(hào)設(shè)置為高電壓或低電壓來關(guān)閉或打開晶體管。在一些示例中，可以由行選擇邏輯104、列選擇邏輯106、和定時(shí)和控制邏輯110中的至少一項(xiàng)將控制信號(hào)RST、TG、BIAS、S1、S2、READ和READ2提供給像素200。

光電二極管202可以運(yùn)行于至少三個(gè)狀態(tài)，包括光電二極管復(fù)位、光電二極管集成、和光電二極管采樣。當(dāng)光電二極管202運(yùn)行于復(fù)位狀態(tài)(在圖3中表示為“光電二極管復(fù)位”)時(shí)，分別通過控制信號(hào)TG和RST打開第一晶體管204和第二晶體管206。如圖3中所示，在光電二極管復(fù)位過程中控制信號(hào)BIAS、S1、S2、READ和READ2被保持在低電壓，由此關(guān)閉晶體管210、214、216、220、和222或?qū)⑵浔３株P(guān)閉。

響應(yīng)于第一晶體管204和第二晶體管206被打開并且其他晶體管210、214、216、220、和222被關(guān)閉，光電二極管202被充電至反向偏置電壓。這可以通過以下步驟完成：將光電二極管202的第二端子帶到基本上等于第一電源電壓V1減跨第一晶體管204的漏-源極電壓降減跨第二晶體管206的漏-源極電壓降的電壓。光電二極管202的第二端子處的電壓大于光電二極管202的第一端子處的電壓(即，體電壓V_體塊)，并且光電二極管202處于反向偏置模式?？蛇@可以導(dǎo)致去除光電二極管202內(nèi)聚集的電子-空穴對并且可以使得光電二極管202的耗盡區(qū)變寬，由此提高下一電荷累積過程中的電荷收集效率。

接著光電二極管復(fù)位之后，控制信號(hào)TG從高電壓過渡至低電壓，同時(shí)控制信號(hào)BIAS、S1、S2、READ、和READ2被保持在低電壓。結(jié)果，第一晶體管204被關(guān)閉，同時(shí)晶體管210、214、216、220、和222被保持關(guān)閉狀態(tài)。在圖3中所示的示例中，當(dāng)控制信號(hào)TG從高電壓過渡至低電壓時(shí)，第二晶體管206被控制信號(hào)RST保持打開。結(jié)果是，光電二極管202運(yùn)行于集成狀態(tài)(圖3中表示為“光電二極管集成”)。由于第一晶體管204被關(guān)閉，光電二極管202被于像素200的剩余電路隔離并且被前向偏置，由此允許光生電荷在光電二極管202內(nèi)聚集。

雖然光電二極管202運(yùn)行于集成狀態(tài)，第四晶體管210第六晶體管214、和第九晶體管220可以分別被控制信號(hào)BIAS、S1、和S2打開?？刂菩盘?hào)RST被保持高電平，同時(shí)控制信號(hào)TG被保持低電平。這會(huì)具有對第一電容器224和第二電容器226預(yù)先充電(在圖3中表示為“電容器預(yù)充電”)的效果。接著第一電容器224和第二電容器226的預(yù)充電之后，控制信號(hào)BIAS、S1、和S2分別關(guān)閉第四晶體管210、第六晶體管214、和第九晶體管220。

在第一晶體管224和第二晶體管226被預(yù)充電之后，第二晶體管206可以被控制信號(hào)RST關(guān)閉，由此復(fù)位SN 228(圖3中表示為“SN復(fù)位”)。如圖3的示例中所示，當(dāng)控制信號(hào)RST從高電壓過渡至低電壓時(shí)，控制信號(hào)TG、BIAS、S1、S2、READ、和READ2被保持在低電壓，由此將晶體管204、210、214、216、220、和222保持在關(guān)閉狀態(tài)。響應(yīng)于第二晶體管206被關(guān)閉且晶體管204、210、214、216、220、和222被保持在關(guān)閉狀態(tài)，SN 228可以被設(shè)置于代表像素200的黑電平噪聲偏移的電壓。

接著SN 228的復(fù)位之后，第四晶體管210和第六晶體管214分別被控制信號(hào)BIAS和S1打開，同時(shí)晶體管204、206、216、220、和222保持關(guān)閉。結(jié)果是，第三晶體管208可以放大SN228處的電壓，并且可以將經(jīng)放大的電壓(例如，節(jié)點(diǎn)230處提供的)緩存至第一電容器224上作為上述的黑電平噪聲偏移。將黑電平噪聲偏移存儲(chǔ)在第一電容器224中之后，第六晶體管214被控制信號(hào)S1關(guān)閉。這個(gè)步驟序列在圖3中被表示為“樣本復(fù)位電壓”。在一些示例中，比如在圖3中，將黑電平噪聲偏移存儲(chǔ)在第一電容器224之后，第四晶體管210繼續(xù)保持打開。

隨后，在與光電二極管202中的電荷聚集相對應(yīng)的代表性電壓被采樣并緩存至第二電容器226上的情況下發(fā)生光電二極管采樣。換言之，在光電二極管采樣過程中，上述信號(hào)電壓被采樣并緩存至第二電容器226上。具體地，第一晶體管204被控制信號(hào)TG打開預(yù)定的時(shí)間段T，同時(shí)晶體管206、214、216、220、和222保持關(guān)閉。結(jié)果，光電二極管202內(nèi)聚集的電荷被傳輸至SN 228，因此SN可以被設(shè)置成與光電二極管202內(nèi)的電荷聚集相對應(yīng)的代表性電壓。如圖3中所示，第四晶體管210保持打開，同時(shí)第一晶體管204保持關(guān)閉預(yù)定時(shí)間段T。

電荷傳輸至SN 228之后，第一晶體管被控制信號(hào)TG關(guān)閉。隨后，第九晶體管220被控制信號(hào)S2打開，同時(shí)晶體管204、206、214、216、220、和222保持關(guān)閉。結(jié)果是，第三晶體管208可以放大SN 228處的電壓，并且可以將經(jīng)放大的電壓(例如，節(jié)點(diǎn)230處提供的)緩存至第二電容器226上作為上述的信號(hào)電壓。信號(hào)電壓存儲(chǔ)至第二電容器226中之后，第九晶體管220和第四晶體管210分別被控制信號(hào)S2和BIAS關(guān)閉。這個(gè)步驟序列在圖3中被表示為“樣本信號(hào)電壓”。

需要將被緩存至第一電容器224和第二電容器226的電壓驅(qū)動(dòng)至第一列線VX。換言之，需要將跨第一電容器224和第二電容器226的電壓讀出。這樣，在緩存黑電平噪聲偏移和信號(hào)電壓之后，通過控制第七晶體管216和第十晶體管222的運(yùn)行將這些電壓驅(qū)動(dòng)至第一列線VX?？刂菩盘?hào)READ和READ2分別可以打開第七晶體管216和第十晶體管222。在一些實(shí)施例中，控制信號(hào)READ和READ2可以被稱為行選擇信號(hào)并且可以由行選擇邏輯104提供。

如圖3中所示，通過打開第七晶體管216將被緩存至第一電容器224的黑電平噪聲偏移讀出，同時(shí)將晶體管204、206、210、214、220、和222保持在關(guān)閉狀態(tài)。在這個(gè)階段，第五晶體管212(即，第二源極跟隨器)可以充當(dāng)放大器，此放大器在第一列線VX上提供輸出電壓，該輸出電壓代表黑電平噪聲偏移。類似地，通過打開第十晶體管222將被緩存至第二電容器226的信號(hào)電壓讀出，同時(shí)將晶體管204、206、210、214、216、和220保持在關(guān)閉狀態(tài)。在這個(gè)階段，第八晶體管218(即，第三源極跟隨器)可以充當(dāng)放大器，此放大器在第一列線VX上提供輸出電壓，該輸出電壓代表信號(hào)電壓。如圖2中所示，在第一列線VX上讀出的電壓(例如，復(fù)位電壓和信號(hào)電壓)可以被放大器236放大，該放大器可以包括在列信號(hào)處理電路108中。這個(gè)步驟序列在圖3中被表示為“讀出復(fù)位和信號(hào)電壓”。

如上文關(guān)于圖1所描述的，卷簾快門讀出器可以用于傳感器陣列102的像素114的讀出。在這種實(shí)施例中，在對傳感器陣列102的第i行的行訪問階段，可以通過提高行選擇信號(hào)(例如，控制信號(hào)READ和/或控制信號(hào)READ2)來選擇第i行的像素200。這可以允許第i行至的每個(gè)像素200的第七晶體管216和第十晶體管222將其對應(yīng)的源極跟隨器212和218連接至第一列線VX?？梢岳鐝淖蟮接翼樞虻刈x出第i行的像素200的復(fù)位電壓和信號(hào)電壓。在完成讀出時(shí)，第i行的每個(gè)像素200的電容器224和226可以用于在其上緩存新的電壓，例如在第i行的下一行訪問階段。

基于像素200的上述操作，代表復(fù)位電壓的SN 228處的電壓的輸出信號(hào)傳播路徑包括第一源極跟隨器208、對第一電容器224充電、隨后對第一電容器224放電、第二源極跟隨器212、和充當(dāng)?shù)诙礃O跟隨器212的負(fù)載的第七晶體管216。類似地，代表信號(hào)電壓的SN 228處的電壓的輸出信號(hào)傳播路徑包括第一源極跟隨器208、對第二電容器226充電、隨后對第二電容器226放電、第三源極跟隨器218、和充當(dāng)?shù)谌礃O跟隨器218的負(fù)載的第十晶體管222。

在這兩種情況下，輸出信號(hào)傳播路徑向讀出至第一列線VX上的電壓引入與電源電壓V1、V2、V3、V4、和V5相關(guān)聯(lián)的電源噪聲、與控制信號(hào)S1、S2、READ、和READ2相關(guān)聯(lián)的控制信號(hào)噪聲、與電容器224和226相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲、以及與源極跟隨器208、212、和218相關(guān)聯(lián)的RTS噪聲。像素200中的這些噪聲源可以造成像素200的噪聲基底。

另外，源極跟隨器208、212、和218中的每一個(gè)上發(fā)生的漏-源極電壓降可以減小像素200的動(dòng)態(tài)范圍。源極跟隨器208、212、和218給予沿上述信號(hào)路徑傳播的電壓的增益可以進(jìn)一步減小像素200的該動(dòng)態(tài)范圍。

甚至進(jìn)一步，像素200的功耗會(huì)至少部分由于電容器224和226具有大電容值并且在像素200操作過程中被充電和放電(例如，如上文關(guān)于圖3所描述的)而較高。作為示例，電容器224和226可以具有約5皮法(fF)與約30fF之間的電容(例如，當(dāng)像素200具有小于約10微米的尺寸時(shí))。作為另一示例，電容器224和226可以具有高達(dá)150fF的電容(例如，當(dāng)像素200具有大于或等于約10微米的尺寸時(shí))。

像素200的高噪聲基底、低功耗、和減小的動(dòng)態(tài)范圍(例如，相對于卷簾快門像素)可以是像素200固有的，并且可以導(dǎo)致像素200對其中期望低功率運(yùn)行模式和低噪聲基底的某些應(yīng)用或環(huán)境(例如，在微光條件下)無效。例如，在微光條件下，可以期望假定光生信號(hào)(例如，信號(hào)電壓)的振幅)大于像素200的噪聲基底，從而使得可以實(shí)現(xiàn)足夠的信噪比(SNR)

一種用于提高SNR(例如，在微光條件下)的方法是使傳感器陣列102具有長曝光時(shí)間(例如，大于約5毫秒)，從而提高光電二極管202所捕捉到的光子數(shù)量。然而，當(dāng)傳感器陣列102的像素114經(jīng)受長曝光時(shí)間時(shí)，長曝光時(shí)間所導(dǎo)致的圖像模糊會(huì)超過卷簾快門運(yùn)動(dòng)偽影(例如，搖動(dòng)、偏斜、污跡、和部分曝光，全局快門傳感器被設(shè)計(jì)用來抑制這些的)?？傮w上，當(dāng)暴露時(shí)間大于約5毫秒時(shí)模糊的偽影變得可察覺。另外或可選地，在沿信號(hào)傳播路徑的噪聲減小的情況下通過進(jìn)行低噪聲讀出可以提高SNR(例如，在微光條件下)，由此減小像素200的噪聲基底。

一些全局快門圖像傳感器通過在SN 228具有可開關(guān)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)低噪聲讀出，該SN具有可切換的電容-電壓-偏離(CVF)。然而，這種方式需要用于SN 228處的附加電容器和開關(guān)的附加芯片固定資產(chǎn)(即，額外面積)。另外，具有可開關(guān)的CVF的像素200提高了功耗(例如，由于附加電路)。這樣，這些方式會(huì)導(dǎo)致像素200對其中期望低功率運(yùn)行模式和低噪聲基底(例如，約1到2個(gè)電子)的某些應(yīng)用或環(huán)境無效。

圖4A和圖4B根據(jù)實(shí)施例示意性地展示了一種電路400，該電路包括具有CMOS架構(gòu)的像素、第一可控切換元件401、第二列線VX2、和控制器406。圖2、圖4A和圖4B中的相應(yīng)數(shù)字和符號(hào)一般指相應(yīng)的零件；為了簡潔，參照了上文關(guān)于圖2給出的描述。在一些實(shí)施例中，圖1中所示的傳感器陣列102的每個(gè)像素114可以由圖4A和圖4B中所示的CMOS像素實(shí)現(xiàn)，同時(shí)第一可控切換元件401和控制器406可以包括在列信號(hào)處理電路108或列選擇邏輯106中。電路400可以用于數(shù)字圖像系統(tǒng)100，從而在某些應(yīng)用或環(huán)境下(例如，在微光條件下)實(shí)現(xiàn)低噪聲基底(例如，約1個(gè)電子與約2個(gè)電子之間)、低功耗、和高動(dòng)態(tài)范圍。

傳感器陣列102的像素114可以運(yùn)行于第一模式或(不同于該第一模式的)第二模式。作為示例，像素114的該第一模式可以是全局快門模式，在該全局快門模式下，圖像被傳感器陣列102的所有像素114同時(shí)捕捉到。另一方面，第二模式可以是卷簾快門讀出模式，在該卷簾快門讀出模式下，傳感器陣列102的像素114中所存儲(chǔ)的電荷被對稱地讀出(例如，以逐行的方式，如上文關(guān)于圖2和圖3所描述的)。

第一可控切換元件401可以受控制器406控制并且被配置成用于當(dāng)像素114運(yùn)行于第一模式時(shí)將第四晶體管210的源極耦合至第三電源電壓V3。當(dāng)像素114運(yùn)行于第二模式時(shí)，第一可控切換元件401可以被配置成用于將第四晶體管210的源極從第三電源電壓V3解耦合并相反將第四晶體管210的源極耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)。更詳細(xì)地，響應(yīng)于傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第一模式，第一可控切換元件401可以被配置成用于將第四晶體管210的源極耦合至第三電源電壓V3并將四晶體管216和222的源極耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)。另一方面，響應(yīng)于傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第二模式，第一可控切換元件401可以被配置成用于將第四晶體管210的源極耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)并將晶體管216和222的源極從輸出線路VO(或從列電流源238)解耦合。

在圖4A和圖4B中所示的示例中，第一可控切換元件401包括第一開關(guān)402和第二開關(guān)404，該第一開關(guān)和第二開關(guān)使得：當(dāng)像素114運(yùn)行于第一模式和第二模式時(shí)分別能夠?qū)⒌谒木w管210的源極耦合至第三電源電壓V3并耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)。第一開關(guān)402和第二開關(guān)404中的每一個(gè)可以是可編程開關(guān)。第一開關(guān)402和第二開關(guān)404可以通信地耦合至控制器406。控制器406可以被配置成用于：響應(yīng)于傳感器陣列102的像素114在第一模式與第二模式之間的切換操作，改變(例如，使用控制信號(hào)GS)第一開關(guān)402和第二開關(guān)404中的每一個(gè)的位置。

第一開關(guān)402的第一端子402a可以通過第二列線VX2耦合至傳感器陣列102中的N列像素114中的給定的一列中的每個(gè)像素114的第四晶體管210的源極。第二列線VX2可以被稱為電壓源線路，因?yàn)榈谝婚_關(guān)402的第二端子402b可以響應(yīng)于像素114運(yùn)行于第一模式(例如，如圖4A中所示)而耦合至(例如，連結(jié)至)第三電源電壓V3。另一方面，響應(yīng)于像素114運(yùn)行于第二模式(例如，如圖4B中所示)，第一開關(guān)402的第二端子402b可以耦合至(例如，連結(jié)至)輸出線路VO(或至列電流源238)。

第二開關(guān)404的第一端子可以通過第一列線VX耦合至傳感器陣列102中的N列像素114中的給定的一列中的每個(gè)像素114的晶體管216和222的源極。響應(yīng)于像素114運(yùn)行于第一模式(例如，如圖4A中所示)，第二開關(guān)404的第二端子404b可以耦合至輸出線路VO(或至列電流源238)。另一方面，響應(yīng)于像素114運(yùn)行于第二模式(例如，如圖4B中所示)，第二開關(guān)404可以被配置成打開。這樣，如圖4B中所描繪的，在第二模式下，輸出線路VO(或列電流源238)可以被從第一列線VX并從晶體管216和222的源極解耦合。相反，輸出線路VO(或列電流源238)可以通過第二列線VX2耦合至傳感器陣列102中的N列像素114中的給定的一列中的每個(gè)像素114的第四晶體管210的源極。

圖5根據(jù)實(shí)施例示出了圖4A和圖4B中所示的電路400的簡化時(shí)序圖500。當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第一模式時(shí)，控制器406將控制信號(hào)GS設(shè)置為第一電平(例如，高電壓)并將控制信號(hào)GS提供給第一開關(guān)402和第二開關(guān)404。在一些實(shí)施例中，將控制信號(hào)GS設(shè)置為第一電平可以由傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第一模式或向第一模式的切換操作觸發(fā)。響應(yīng)于接收到具有第一電平的控制信號(hào)GS，第一開關(guān)402通過第二列線VX2將這N列像素114中的給定一列中的每個(gè)像素114的第四晶體管210的源極耦合至第三電源電壓V3(例如，如圖4A中所示)。另外，第二開關(guān)404將輸出線路VO(或列電流源238)通過第一列線VX耦合至這N列像素114中的給定一列中的每個(gè)像素114的讀取晶體管216和222的源極。這樣，電路400具有圖4A中所示的安排。根據(jù)圖3中所示的時(shí)序圖，控制信號(hào)TG、RST、BIAS、S1、S2、READ、和READ2被提供給圖4A中所示的電路安排。這樣，圖4A中所示的電路400被配置成如上文關(guān)于圖2和圖3所描述地運(yùn)行。為了簡潔，參照了上文關(guān)于圖2和圖3的描述。

另一方面，當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第二模式時(shí)，控制器406將控制信號(hào)GS設(shè)置為不同于該第一電平的第二電平(例如，低電壓)。具有該第二電平的控制信號(hào)GS被提供(例如，由控制器406)給第一開關(guān)402和第二開關(guān)404。在一些實(shí)施例中，將控制信號(hào)GS設(shè)置為第二電平可以由傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第二模式或向第二模式的切換操作觸發(fā)。響應(yīng)于接收到具有該第二電平的控制信號(hào)GS，第一開關(guān)402將第四晶體管210的源極耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)，同時(shí)第二開關(guān)404將輸出線路VO(或列電流源238)從第一列線VX(例如，如圖4B中所示)解耦合。這樣，第三電源電壓V3不再被連結(jié)至第四晶體管210的源極。此外，讀取晶體管216和222不再連結(jié)至輸出線路VO(或連結(jié)至列電流源238)。

參照圖5，當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第二模式，控制信號(hào)READ和READ2被保持在低電壓，由此將源極跟隨器212和218的輸出端從該第一列線VX斷開。另外，控制信號(hào)S1和S2被保持在低電壓，從而有效地將電容器224和226從第三晶體管208的輸出端(即，第一源極跟隨器)斷開。這樣，圖4B中所示的電路400可以作為4T CMOS像素運(yùn)行，其中，用于復(fù)位、顯示、和讀出的晶體管是第一晶體管204、第二晶體管206、第三晶體管208、和第四晶體管210(該第四晶體管充當(dāng)4T CMOS像素的讀取使能晶體管)。

在圖4B中所示的電路400中，光電二極管202運(yùn)行于復(fù)位狀態(tài)、集成狀態(tài)、和采樣狀態(tài)。當(dāng)光電二極管202運(yùn)行于復(fù)位狀態(tài)(在圖5中表示為“光電二極管復(fù)位2”)時(shí)，分別通過控制信號(hào)TG和RST打開第一晶體管204和第二晶體管206。如圖5中所示，控制信號(hào)BIAS被保持在低電平，由此將第四晶體管210關(guān)閉或保持其關(guān)閉。響應(yīng)于第一晶體管204和第二晶體管206打開并且第四晶體管210關(guān)閉，光電二極管202被充電至反向偏置電壓，如上文關(guān)于圖3中的“光電二極管復(fù)位”所描述的。

在光電二極管復(fù)位之后，通過使用控制信號(hào)TG關(guān)閉第一晶體管204，光電二極管202運(yùn)行于集成狀態(tài)(圖5中表示為“光電二極管集成2”)，由此將光電二極管202與剩余的電路電學(xué)地隔離。在圖5中所示的示例中，當(dāng)控制信號(hào)TG從高電壓過渡至低電壓時(shí)，第二晶體管206被控制信號(hào)RST保持打開并且第四晶體管210被控制信號(hào)BIAS保持關(guān)閉。第一晶體管204被關(guān)閉、第二晶體管206打開、并且第四晶體管210關(guān)閉的結(jié)果是，光電二極管202可以被前向偏置，由此允許光電二極管202聚集光生電荷。

當(dāng)光電二極管202運(yùn)行于集成狀態(tài)時(shí)，第二晶體管206可以被控制信號(hào)RST關(guān)閉，由此復(fù)位SN 228(圖5中表示為“SN復(fù)位2”)。應(yīng)注意的是，當(dāng)SN 228被復(fù)位時(shí)，晶體管204和210保持關(guān)閉。換言之，響應(yīng)于第二晶體管206被關(guān)閉且晶體管204和210保持關(guān)閉，SN 228可以被設(shè)置于代表電路400中像素的黑電平噪聲偏移的電壓。

在光電二極管集成過程中和復(fù)位SN 228之后，第四晶體管210可以被控制信號(hào)BIAS打開(例如，使控制信號(hào)BIAS從低電壓過渡至高電壓)。如圖5中所示，當(dāng)?shù)谒木w管210被打開時(shí)，第一晶體管204和第二晶體管206保持關(guān)閉。結(jié)果是，第三晶體管208可以放大SN 228處的電壓，并且可以將經(jīng)放大的電壓(例如，節(jié)點(diǎn)230處提供的)讀出至第二列線VX2上作為黑電平噪聲偏移。將黑電平噪聲偏移讀出至第二列線VX2之后，第四晶體管210可以被控制信號(hào)BIAS關(guān)閉。這個(gè)步驟序列在圖5中被表示為“黑電平讀出2”。

光電二極管集成之后，在與光電二極管202中的電荷聚集相對應(yīng)的代表性電壓被讀出至第二列線VX2的情況下發(fā)生光電二極管采樣。具體地，第一晶體管204被控制信號(hào)TG打開預(yù)定時(shí)間T，同時(shí)第二晶體管206和第四晶體管210保持關(guān)閉。結(jié)果，光電二極管202內(nèi)聚集的電荷可以被傳輸至SN 228，結(jié)果是將SN 228設(shè)置在代表光電二極管202內(nèi)聚集的電荷的電壓。第四晶體管210隨后被控制信號(hào)BIAS打開。如圖5中所示，當(dāng)?shù)谒木w管210被打開時(shí)，第一晶體管204和第二晶體管206保持關(guān)閉。這樣，第三晶體管208放大SN 228處的電壓，并且可以將經(jīng)放大的電壓(例如，節(jié)點(diǎn)230處提供的)讀出至第二列線VX2上作為信號(hào)電壓。將黑電平噪聲偏移讀出至第二列線VX2之后，第四晶體管210可以被控制信號(hào)BIAS關(guān)閉。這個(gè)步驟序列在圖5中被表示為“信號(hào)電壓讀出”。

基于圖4B中所示的電路400的上述操作，代表復(fù)位電壓和信號(hào)電壓的SN 228處電壓的輸出信號(hào)傳播路徑包括充當(dāng)?shù)谝辉礃O跟隨器208的負(fù)載的第一源極跟隨器208和第四晶體管210。結(jié)果是，晶體管212、214、216、218、220、222和電容器224和226被從輸出信號(hào)傳播路徑排除。結(jié)果是，與控制信號(hào)S1、S2、READ、和READ2相關(guān)聯(lián)的控制信號(hào)噪聲、與電容器224和226相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲、以及與源極跟隨器208、212、和218相關(guān)聯(lián)的RTS噪聲可以被從讀出至第二列線VX2的輸出信號(hào)減少或排除。在微光條件下，這可以允許減少像素114的噪聲基底并提高其動(dòng)態(tài)范圍。此外，通過將電容器224和226從輸出信號(hào)傳播路徑排除，規(guī)避了對電容器的充電和放電，由此減少了當(dāng)電路400運(yùn)行于第二模式時(shí)其功耗。甚至進(jìn)一步，與上文相對于圖2所描述的可開關(guān)CVF方案相比，這些效果是用減少的電路架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

電路400及其操作方法可以有用于下述條件(例如，微光情形下)下：運(yùn)動(dòng)模式(并且不是卷簾快門效果)是主要運(yùn)動(dòng)偽影的條件下，以及傳感器陣列102的每個(gè)像素114會(huì)需要具有低噪聲基底、低功耗、和高動(dòng)態(tài)范圍的條件下。換言之，從全局快門模式到卷簾快門讀出模式的切換操作可以產(chǎn)生更高的微光靈敏度，而不會(huì)留下數(shù)字成像系統(tǒng)100易受卷簾快門偽影的影響。此外，針對需要數(shù)字成像系統(tǒng)100處于低功率空閑狀態(tài)的應(yīng)用，在卷簾快門讀出模式中電路400的功耗極大地減小會(huì)是有利的。

圖6示意性地展示了一種電路600，該電路包括具有CMOS架構(gòu)的像素、單個(gè)列線VX1、第二可控切換元件602、和控制器406。電路600可以用于數(shù)字圖像系統(tǒng)100，從而在某些應(yīng)用或環(huán)境下(例如，在微光條件下)實(shí)現(xiàn)低噪聲基底(例如，約1個(gè)電子與約2個(gè)電子之間)、低功耗、和高動(dòng)態(tài)范圍。然而，與圖4中的電路400相比，電路600在不使用第二列線VX2的情況下實(shí)現(xiàn)這些效果。相反，電路600包括第二可控切換元件602，該第二可控切換元件通信地耦合至控制器406。與第一可控切換元件401類似，第二可控切換元件602被配置成用于：當(dāng)像素114運(yùn)行于第一模式和第二模式時(shí)，分別將第四晶體管210的源極耦合至第三電源電壓V3并耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)。

第二可控切換元件602可以是可編程式開關(guān)，并且控制器406可以被配置成用于改變第二可控切換元件602的位置(例如，通過使用控制信號(hào)GS)。第二可控切換元件602可以具有第一位置和第二位置。在第一位置，第二可控切換元件602的第一端子耦合至第一列線VX1，同時(shí)第二可控切換元件602的第二端子耦合至第三電源電壓V3。在第二位置，第二可控切換元件602的第一端子繼續(xù)耦合至第一列線VX1，同時(shí)第二可控切換元件602的第二端子被從第三電源電壓V3解耦合并反而被耦合至輸出線路VO(或耦合至列電流源238)。圖6將第二可控切換元件602的第一位置示為虛線并將第二可控切換元件602的第二位置示為實(shí)線?？刂破?06可以被配置成用于：響應(yīng)于傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第一模式或第二模式，切換第二可控切換元件602的位置。

返回參照圖3，要注意的是，將復(fù)位電壓和信號(hào)電壓緩存至電容器224和226上(被表示為“樣本復(fù)位電壓”和“樣本信號(hào)電壓”)以及這些電壓的讀出(被表示為“讀出復(fù)位電壓和信號(hào)電壓”)不是并行的或同時(shí)的。這樣，在不影響像素200的運(yùn)行的輕下，可以在對復(fù)位電壓和信號(hào)電壓進(jìn)行緩存的過程中將讀取晶體管216和222的源極從輸出線路VO(或列電流源238)解耦合，只要在緩存過程中第四晶體管210的源極被耦合至第三電源電壓V3。此外，在不影響像素200的運(yùn)行的情況下，可以在將這些電壓讀出的過程中將第四晶體管210的源極從第三電源電壓V3解耦合，只要在讀出過程中讀取晶體管216和222的源極被耦合至輸出線路VO(或列電流源238)。

基于這種觀察，第二可控切換元件602可以被配置為：當(dāng)復(fù)位電壓和信號(hào)電壓分別被緩存至電容器224和226上時(shí)，運(yùn)行于第一位置(即，圖6中所示的虛線)。另一方面，當(dāng)傳感器102的像素114仍運(yùn)行于第一模式時(shí)，第二可控切換元件602可以被配置成：當(dāng)被緩存至電容器224和226的電壓被讀出時(shí)，運(yùn)行于第二位置(即，圖6中的實(shí)線)。在緩存和讀出兩個(gè)階段中，當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第一模式時(shí)，將與圖3中所示的那些類似的控制信號(hào)提供給電路600。這樣，當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第一模式時(shí)，電路600如上文關(guān)于圖2和圖3所描述地運(yùn)行。

然而，當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第二模式時(shí)，將與圖5中所示的那些類似并被標(biāo)記為“針對第二模式的時(shí)序圖”的控制信號(hào)提供給電路600。此外，當(dāng)傳感器陣列102的像素114運(yùn)行于第二模式時(shí)，第二可控切換元件602可以被配置成只運(yùn)行于第二位置。由于控制信號(hào)READ和READ2被保持在低電壓，晶體管212和218的輸出端被從第一列線VX斷開。另外，由于控制信號(hào)S1和S2被保持在低電壓，電容器224和226被有效地從第三晶體管208的輸出端解耦合。這樣，晶體管212、214、216、218、220、222和電容器224和226被從輸出信號(hào)傳播路徑排除。結(jié)果是，電路600可以如上關(guān)于圖4B和圖5該地運(yùn)行。

與圖4B中所示的電路400類似，與控制信號(hào)S1、S2、READ、和READ2相關(guān)聯(lián)的控制信號(hào)噪聲、與電容器224和226相關(guān)聯(lián)的kTC噪聲、以及與源極跟隨器208、212、和218相關(guān)聯(lián)的RTS噪聲可以被從讀出至第一列線VX1的輸出信號(hào)減少或排除。在微光條件下，這可以允許減少像素114的噪聲基底并提高其動(dòng)態(tài)范圍。此外，通過將電容器224和226從輸出信號(hào)傳播路徑排除，規(guī)避了對電容器的充電和放電，由此減少了當(dāng)電路400運(yùn)行于第二模式時(shí)其功耗。甚至進(jìn)一步，與上文相對于圖2所描述的可開關(guān)CVF方案相比，這些效果是用減少的電路架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

電路600及其操作方法可以有用于下述條件(例如，微光情形下)下：運(yùn)動(dòng)模式(并且不是卷簾快門效果)是主要運(yùn)動(dòng)偽影的條件下，以及傳感器陣列102的每個(gè)像素114需要具有低噪聲基底、低功耗、和高動(dòng)態(tài)范圍的條件下。換言之，從全局快門模式到卷簾快門讀出模式的切換操作可以產(chǎn)生更高的微光靈敏度，而不會(huì)留下數(shù)字成像系統(tǒng)100易受卷簾快門偽影的影響。此外，針對需要數(shù)字成像系統(tǒng)100處于低功率空閑狀態(tài)的應(yīng)用，在卷簾快門讀出模式中電路400的功耗極大地減小會(huì)是有利的。

如圖4A、圖4B和圖6中所示，電路400和600包括耦合至第一源極跟隨器208的光電二極管202(例如，用針固定的二極管)，該第一源極跟隨器具有分別被開關(guān)(例如，晶體管214和220)與存儲(chǔ)電容器224和226隔離的輸出端(例如，節(jié)點(diǎn)230)。此外，存儲(chǔ)電容器224和226中的每一個(gè)具有相應(yīng)的輸出級(jí)。具體地，存儲(chǔ)電容器224具有包括晶體管212和216并具有輸出節(jié)點(diǎn)240的輸出級(jí)，同時(shí)存儲(chǔ)電容器226具有包括晶體管218和222并具有第二輸出節(jié)點(diǎn)242的輸出級(jí)。應(yīng)注意的是，雖然在電路400和600的背景下描述了可控切換元件401和602，可以通過各種不同的方式安排電容器224和226，以及晶體管212、214、216、218、220、和222。本公開中所提出的方案(例如，具有可控切換元件，被配置成用于：當(dāng)像素運(yùn)行于第一模式和第二模式時(shí)，分別將偏置晶體管的源極耦合至電源電壓并耦合至列電流源)可以應(yīng)用于任何這種變體，只要存在具有以下各項(xiàng)的用針固定的光電二極管：感測節(jié)點(diǎn)源極跟隨器、被開關(guān)與感測節(jié)點(diǎn)源極跟隨器的輸出端隔離并具有其自己的輸出級(jí)的存儲(chǔ)電容。

根據(jù)實(shí)施例，一種電路包括：第一源極跟隨器，該第一源極跟隨器被配置成受第一節(jié)點(diǎn)處電壓控制；光電二極管，該光電二極管可控地耦合至該第一節(jié)點(diǎn)；以及偏置晶體管，該偏置晶體管被配置成受偏置電壓的控制。該偏置晶體管具有耦合至該第一源極跟隨器的輸出端的第一端子。該電路另外包括：存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可控地耦合至該第一源極跟隨器的該輸出端；以及放大器，該放大器可控地耦合于該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與輸出線路之間。該電路中還包括可控切換元件，該可控切換元件被配置成用于響應(yīng)于像素運(yùn)行于第一模式而將該偏置晶體管的第二端子耦合至電源電壓，并且響應(yīng)于該像素運(yùn)行于第二模式而將該偏置晶體管的該第二端子耦合至該輸出線路。

根據(jù)實(shí)施例，一種操作電路的方法包括：使用第一節(jié)點(diǎn)處的電壓控制第一源極跟隨器；并且響應(yīng)于像素從第一模式到第二模式切換操作：將電容器的端子從該第一源極跟隨器的輸出端解耦合；并且將第二源極跟隨器的輸出端從輸出線路解耦合，該第二源極跟隨器可控地耦合于該電容器的該端子與該輸出線路之間。該方法進(jìn)一步包括：將偏置晶體管的源極耦合至該輸出線路。該偏置晶體管的漏極被連結(jié)至該第一源極跟隨器的該輸出端。該方法另外包括：使用該偏置晶體管作為開關(guān)對該第一源極跟隨器的該輸出端執(zhí)行讀取操作，該開關(guān)被配置成用于將該第一元件跟隨器的該輸出端耦合至該輸出線路。

根據(jù)實(shí)施例，一種電路包括：光電二極管；第一源極跟隨器，該第一源極跟隨器受感測節(jié)點(diǎn)處的電壓控制；以及傳輸門晶體管，該傳輸門晶體管被配置成用于從該光電二極管向該感測節(jié)點(diǎn)傳輸電荷。該電路還包括：偏置晶體管，該偏置晶體管具有耦合至該第一源極跟隨器的輸出端的第一端子；第二源極跟隨器，該第二源極跟隨器耦合至該第一源極跟隨器的該輸出端并受其控制；以及電容器，該電容器可控地耦合于該第一源極跟隨器的輸出端與該第二源極跟隨器之間。該電路另外包括：可控切換元件，該可控切換元件被配置成用于：響應(yīng)于像素運(yùn)行于第一模式而將該偏置晶體管的第二端子耦合至電壓源線路，并且響應(yīng)于該像素運(yùn)行于第二模式而將該偏置晶體管的該第二端子耦合至電流源。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步理解的是，結(jié)合在此所公開的實(shí)施例描述的各示意性邏輯塊、模塊、電路、和算法可以被實(shí)現(xiàn)為電子硬件、存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中或另一計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中并被處理器或其他處理設(shè)備執(zhí)行的指令、或兩者的組合。在此所描述的設(shè)備和處理系統(tǒng)可以用于任何電路、硬件部件、集成電路(IC)、或IC芯片(作為示例)。在此所公開的存儲(chǔ)器可以是任何類型或尺寸的存儲(chǔ)器并且可以被配置成用于存儲(chǔ)任何類型的期望信息。為了清楚地展示這種可交換性，上文已經(jīng)總體上就各示意性部件、塊、模塊、電路、和步驟的功能對其進(jìn)行了描述。如何實(shí)現(xiàn)這種功能取決于具體應(yīng)用、設(shè)計(jì)選擇、和/或?qū)傮w系統(tǒng)施加的設(shè)計(jì)限制。技術(shù)人員可以對每個(gè)具體應(yīng)用以不同方式實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但此類實(shí)現(xiàn)決策不應(yīng)當(dāng)被理解為造成背離本實(shí)用新型的范圍。

各示意性邏輯塊、模塊、以及結(jié)合在此所公開實(shí)施例描述的電路可以用以下各項(xiàng)實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行：處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、和專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其他可編程邏輯器件、分離式門或晶體管邏輯、分離式硬件部件、或其被設(shè)計(jì)成用于執(zhí)行在此所描述的功能的任何組合。處理器可以是微處理器，但在替代方案中，處理器可以是任何常規(guī)處理器、控制器、微控制器、或狀態(tài)機(jī)。處理器還可以被實(shí)現(xiàn)為計(jì)算設(shè)備的組合，例如，DSP與微處理器的組合、多個(gè)微處理器、一個(gè)或多個(gè)微處理器結(jié)合DSP內(nèi)核、或任何其他這種配置。

在此所公開的實(shí)施例可以用硬件和用存儲(chǔ)在硬件中的指令具體化，并且可以例如存在于隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(RAM)、閃存存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、電可編程ROM(EPROM)、電可擦除可編程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盤、可移除磁盤、CD-ROM、或本領(lǐng)域中已知的任何其他形式的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。示例性存儲(chǔ)介質(zhì)耦合至存儲(chǔ)器，從而使得處理器可以從該存儲(chǔ)介質(zhì)讀取信息和向其寫入信息。在替代方案中，該存儲(chǔ)介質(zhì)對處理器可以是完整的。處理器和存儲(chǔ)介質(zhì)可以存在于ASIC中。

雖然已經(jīng)參考說明性實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，但是本說明書并非旨在以限制性意義被解釋。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過參考本說明書將明白說明性實(shí)施例的各種修改和組合以及本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。因此，旨在所附權(quán)利要求書包括任何此類修改或?qū)嵤├?/p>