[发明专利]具有扩展的动态范围的数字像素

说明书

在一个示例中，一种装置包括：光电二极管、电荷存储单元和模数转换器(ADC)电路。在第一模式中，ADC电路可以将表示存储在电荷存储单元处的溢出电荷的量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；并且基于第一判定输出获得第一数字值。在第二模式中，ADC电路可以将表示存储在光电二极管中的剩余电荷量的第二电压与第二斜坡电压进行比较，以产生第二判定，并基于第二判定获得第二数字值。ADC电路可以基于第一判定输出或第二判定输出之一来确定光电二极管是否饱和，并输出第一数字值或第二数字值之一来表示入射光的强度。

背景

本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元结构，用于确定用于图像生成的光强度。

典型的图像传感器包括光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。图像传感器还包括浮置节点(floating node)，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管产生的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，模数转换器可以将电压量化为表示入射光的强度的数字值。然而，量化的准确度会受到各种噪声源(例如浮置节点处的暗电流)的影响。

概述

本公开涉及图像传感器。更具体地，但不限于，本公开涉及像素单元。本公开还涉及操作像素单元的电路以在不同的测量模式中测量入射光的强度。

本公开提供了一种用于测量入射光的强度的装置。在一个示例中，该装置包括：光电二极管、电荷存储单元和模数转换器(ADC)电路。在第一测量模式中，ADC电路被配置为：将表示存储在电荷存储单元处的溢出电荷量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；并且基于第一判定获得第一数字值。在第二测量模式中，ADC电路被配置为：将表示存储在光电二极管中的剩余电荷量的第二电压与第二斜坡电压进行比较，以产生第二判定；并且基于第二判定获得第二数字值。ADC电路被配置为基于第一判定或第二判定之一来确定光电二极管是否饱和，并且基于光电二极管是否饱和来输出第一数字值或第二数字值以表示入射光的强度。

在一些方面，第二测量模式在第一测量模式之后执行。

在一些方面，该装置还包括：计数器，其被配置为生成计数值；存储器；以及寄存器，其被配置为存储指示光电二极管是否饱和的标志。ADC电路被配置为：基于第一判定，将来自计数器的第一计数值作为第一数字值存储在存储器中；并且基于该标志是否指示光电二极管饱和，或者将第一数字值保持在存储器中，或者用来自计数器的第二计数值作为第二数字值重写第一数字值。

在一些方面，光电二极管是否饱和的确定基于第一判定。第一斜坡电压的电压范围基于浮置漏极节点(floating drain node)处的暗电流的预测量，浮置漏极节点是电荷存储单元的一部分。

在一些方面，第一斜坡电压的电压范围还基于在曝光周期内暗电流沉积的噪声电荷的预测量以及电荷存储单元的电荷存储容量。

在一些方面，ADC电路被配置为基于确定光电二极管在第一测量模式中饱和：将标志设置为第一值，以指示光电二极管在第一测量模式中饱和；以及基于标志的第一值，在第二测量模式中将第一数字值保持在存储器中，而不在存储器中用第二数字值重写第一数字值。

在一些方面，ADC电路被配置为基于确定光电二极管在第一测量模式中不饱和：将标志设置为第二值，以指示光电二极管在第一测量模式中不饱和；以及基于标志的第二值，在第二测量模式中将第二数字值存储在存储器中。

在一些方面，光电二极管是否饱和的确定基于第二判定。ADC电路被配置为在第一测量模式中，基于第一判定，将标志设置为第一值以指示光电二极管饱和。ADC电路被配置为在第二测量模式中：基于第二判定，确定光电二极管是否饱和；以及基于第二判定，或者将标志设置为第二值以指示光电二极管不饱和，或者将标志保持在第一值。