像素电路和图像传感器的制作方法

1.本实用新型涉及一种图像传感器技术，特别是涉及一种像素电路和图像传感器。


背景技术：

2.图像传感器广泛应用在数码照相机、智能电话等电子产品中，将光信号转换成电信号，以捕获数字图像，传统的图像传感器包括光电二极管，用于将光子转换成电荷来感测入射光。图像传感器还包括浮动扩散点，该浮动扩散点被配置为电容器，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，模数转换器再将电压量化为表示入射光强度的数字值。
3.传统的图像传感器在对像素进行曝光及采样的过程中，在读出pixel信号后需要依次进行高转换增益(hcg)量化和低转换增益(lcg)量化如图1所示。但实际对于同一时刻单个像素只会采用一种转换增益，故传统的图像传感器在像素处理过程中依次进行hcg量化和lcg量化存在量化时间长，pixel信号转化速度慢的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种像素电路和图像传感器，用于解决现有技术中pixel信号转化速度慢的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种像素电路，包括光电检测模块、模式切换模块和模拟输出模块；
6.所述光电检测模块接收入射光，输出端耦合连接至浮动扩散点；用于形成与所述入射光对应的电荷信号，并将所述电荷信号传输至所述浮动扩散点形成图像信号；
7.所述模式切换模块耦合连接至所述浮动扩散点，用于控制所述图像信号的量化模式，所述量化模式包括低转换增益模式和高转换增益模式；其中，所述模式切换模块接收增益控制指令，以实现所述量化模式的选择，所述增益控制指令基于所述图像信号产生；
8.所述模拟输出模块输入端耦合连接所述浮动扩散点；用于在所述像素电路被选择进行读出时产生所述图像信号在所述量化模式下的模拟输出电压。
9.优选地，所述像素电路还包括复位模块，所述复位模块通过所述模式切换模块耦合连接至所述浮动扩散点；和/或，所述光电检测模块包括光电转换元件和传输电路，所述光电转换元件用于将所述入射光转换成所述电荷信号，所述传输电路耦合连接在所述光电转换元件与所述浮动扩散点之间，用来传输所述电荷信号至所述浮动扩散点；和/或，所述模拟输出模块包括源极跟随晶体管和选择电路，所述源极跟随晶体管用于将图像信号从所述源极跟随晶体管的栅极传送至所述选择电路，所述选择电路的输入端耦合连接所述源极跟随晶体管，所述选择电路的输出端在所述像素电路被选择读出时产生所述模拟输出电压。
10.优选地，所述复位模块包括复位晶体管；和/或，所述光电转换元件包括光电二极管，所述传输电路包括传输晶体管；和/或，所述选择电路包括至少一个选择晶体管，所述源
极跟随晶体管将图像信号从所述源极跟随晶体管的栅极传送至所述源极跟随晶体管的源极，所述选择晶体管的输入端耦合连接所述源极跟随晶体管的源极，所述选择晶体管的输出端在所述像素电路被选择读出时产生所述图像信号在所述量化模式下的所述模拟输出电压。
11.优选地，所述模式切换模块包括增益控制晶体管，所述增益控制晶体管的一端耦合连接至控制电源，所述增益控制晶体管的另一端耦合连接至所述浮动扩散点，所述增益控制晶体管的栅极接收所述增益控制指令。
12.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型还提供一种自适应转换增益的图像传感器，包括多个像素、控制模块和数字输出模块；
13.每个所述像素包括如上述的像素电路；
14.所述控制模块接收所述图像信号对应的初始输出电压，并根据所述初始输出电压产生与控制所述图像信号的量化模式对应的所述增益控制指令；
15.所述数字输出模块的输入端连接所述像素电路的输出端并接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述数字输出模块的参考输入端接收斜坡信号；用于根据所述模拟输出电压和所述斜坡信号产生所述模拟输出电压的数字量化结果。
16.优选地，所述控制模块包括模式切换比较器和逻辑电路；
17.所述模式切换比较器接入所述初始输出电压和参考电压；用于对所述初始输出电压和所述参考电压进行比较得到模式比较结果；
18.所述逻辑电路的第一信号输入端连接所述模式切换比较器的输出端，所述逻辑电路的第二信号输入端接收图像增益控制信号；用于根据所述模式比较结果和所述图像增益控制信号产生所述增益控制指令。
19.优选地，根据所述模式比较结果和所述图像增益控制信号产生所述增益控制指令包括：
20.在所述图像信号的高转换增益模式下进行比较，当所述模式比较结果为第一结果时，所述增益控制指令为所述图像增益控制信号；当所述模式比较结果为第二结果时，所述增益控制指令为所述图像增益控制信号取反；
21.其中，所述第一结果代表所述初始输出电压大于所述参考电压，所述第二结果代表所述初始输出电压小于所述参考电压。
22.优选地，所述逻辑电路包括或非门及反相器，所述或非门的第一输入端接收所述模式比较结果，所述或非门的第二输入端接收所述图像增益控制信号，所述或非门的输出端连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端输出所述增益控制指令至所述模式切换模块，所述模式切换模块根据所述增益控制指令控制产生量化模式，以使所述模拟输出模块产生所述图像信号在所述量化模式下的所述模拟输出电压。
23.优选地，所述图像传感器还包括：
24.第一开关元件，设置在所述像素电路输出端与所述控制模块输入端之间；
25.和/或，第二开关元件，设置在所述模式切换模块的输入端与所述增益控制信号的控制线之间。
26.优选地，所述数字输出模块包括低增益数字输出模块和高增益数字输出模块；
27.所述低增益数字输出模块的模拟输入端接收所述像素电路产生的所述模拟输出
电压，所述低增益数字输出模块的参考输入端接收第一斜坡信号；用于对所述模拟输出电压和所述第一斜坡信号进行比较得到第一比较结果，基于所述第一比较结果产生所述模拟输出电压的低增益数字量化结果；
28.所述高增益数字输出模块的模拟输入端接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述高增益数字输出模块的参考输入端接收第二斜坡信号；用于对所述模拟输出电压和所述第二斜坡信号进行比较得到第二比较结果，基于所述第二比较结果产生所述模拟输出电压的高增益数字量化结果。
29.优选地，所述数字输出模块的低增益数字输出模块和高增益数字输出模块均还包括计数器和存储器；
30.所述计数器被配置成生成关于时间的计数值；
31.所述存储器被配置成基于比较结果存储所述计数器中的计数值作为所述数字量化结果。
32.如上所述，本实用新型的像素电路和图像传感器，具有以下有益效果：
33.本实用新型的像素电路对于接收的外部的入射光，进行光电转换后生成与入射光对应的电荷信号，并将电荷信号传送至浮动扩散点，在像素电路被选择进行读出时，由模式切换模块控制电荷信号的量化模式，然后产生量化模式下的输出电压；故在模式切换模块的作用下，能够直接控制读出时需要的一种量化模式，与现有技术相比，避免后续对输出电压依次进行低转换增益(lcg)量化和高转换增益(hcg)量化，减少了量化时间，图像传感器在控制模块的作用下，使像素电路产生一种量化模式下的输出电压，再通过数字输出模块完成后续量化过程，从而大大的提高了pixel信号采用过程的转化效率。
附图说明
34.图1显示为现有技术中的图像传感器pixel信号的采样过程示意图。
35.图2显示为本实用新型图像传感器pixel信号的采样量化示意图。
36.图3显示为本实用新型像素电路的结构示意图。
37.图4显示为本实用新型实施例中图像传感器的电路结构示意图。
38.图5显示为本实用新型实施例中数字输出模块的电路结构示意图。
39.图6显示为本实用新型实施例中图像传感器的信号采样方法的流程示意图。
40.图7显示为本实用新型实施例中自适应转换增益的图像传感器工作过程对应的时序图。
41.元件标号说明：101、模式切换比较器；102、逻辑电路。
具体实施方式
42.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
43.请参阅图2-7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件
数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
44.本实用新型针对现有技术中对pixel信号进行量化时依次进行hcg量化和lcg量化使量化时间长，进而导致pixel信号转化速度慢，本实用新型提出一种根据需求选择进行一次量化(hcg量化或lcg量化)，如图2所示的采样量化示意图，能够减少量化时间，提高pixel信号转化速度的效果。
45.基于上述技术构思，本实用新型提出像素电路、图像传感器及信号采样方法；并通过以下实施例对本实用新型的技术构思进行详细介绍。
46.实施例一：
47.为实现上述技术目的，本实用新型实施例中提出一种像素电路如图3所示，包括光电检测模块、模式切换模块和模拟输出模块；
48.所述光电检测模块接收入射光，输出端耦合连接至浮动扩散点；用于形成与所述入射光对应的电荷信号，并将所述电荷信号传输至所述浮动扩散点形成图像信号；
49.所述模式切换模块耦合连接至所述浮动扩散点，用于控制所述图像信号的量化模式，所述量化模式包括低转换增益模式和高转换增益模式；其中，所述模式切换模块接收增益控制指令，以实现所述量化模式的选择，所述增益控制指令基于所述图像信号产生；
50.所述模拟输出模块输入端耦合连接所述浮动扩散点；用于在所述像素电路被选择进行读出时产生所述图像信号在所述量化模式下的模拟输出电压。
51.本实用新型的像素电路对于接收的外部的入射光，进行光电转换后生成与入射光对应的电荷信号，并将电荷信号传送至浮动扩散点形成图像信号，在像素电路被选择进行读出时，由模式切换模块控制图像信号的量化模式，然后产生量化模式下的模拟输出电压；故在模式切换模块的作用下，能够直接控制读出时需要的一种量化模式，与现有技术相比，避免后续对输出电压依次进行低转换增益(lcg)量化和高转换增益(hcg)量化，减少了量化时间，提高pixel信号采用过程的转化效率。
52.作为对本实用新型的进一步限定，光电检测模块包括光电转换元件pd和传输电路；所述光电转换元件用于将所述入射光转换成所述电荷信号，具体是将入射光成比例地生成和累积电荷以产生电荷信号；所述传输电路耦合连接在所述光电转换元件与所述浮动扩散点之间，用来传输所述电荷信号至所述浮动扩散点。本实用新型通过光电检测模块的光电转换元件和传输电路，分别完成了对外部的入射光进行光电转换和传输的过程。
53.在本实用新型实施例中，光电转换元件为光电二极管pd，作为其他实施方式，光电转换元件也可以为光电晶体管、光电门等或其组合。
54.在本实用新型实施例中，传输电路包括传输晶体管m3，基于传输控制信号tx将光电转换元件电连接至浮动扩散点fd。传输晶体管m3受控传输控制信号tx导通或截止，在传输晶体管m3导通时，将电荷信号传送至浮动扩散点。
55.作为对本实用新型的进一步限定，像素电路还包括复位模块；所述复位模块通所述模式切换模块耦合连接至所述浮动扩散点；进一步示例中，所述模式切换模块包括增益控制晶体管，所述增益控制晶体管的一端耦合连接至控制电源，所述增益控制晶体管的另一端耦合连接至所述浮动扩散点，所述增益控制晶体管的栅极接收所述增益控制指令。另外，需要说明的是，“耦接”、“耦合连接”可以是直接连接某处，还可以是通过其他部件电性
连接至某处。
56.具体的，复位模块包括复位晶体管m1，模式切换模块包括增益控制晶体管m2，复位晶体管m1的栅极连接复位信号rst，复位晶体管m1的漏极连接像素电路的控制电源，复位晶体管m1的源极连接增益控制晶体管m2的漏极，增益控制晶体管m2的源极连接浮动扩散点，增益控制晶体管m2的栅极接收增益控制指令如dcg《i》。根据增益控制指令控制增益控制晶体管m2是否导通；当增益控制晶体管m2导通时，像素电路切换至低转换增益模式，进行lcg量化；当增益控制晶体管m2断开时，像素电路切换至高转换增益模式，进行hcg量化。同时，复位晶体管m1在像素电路上电后，根据复位信号rst分别对低转换增益模式进行复位得到低转换增益模式下的复位信号、对高转换增益模式进行复位得到高转换增益模式下的复位信号。通过复位、清零能够减少干扰，提高输出电压的准确性。
57.作为对本实用新型的进一步限定，所述模拟输出模块包括源极跟随晶体管和选择电路；所述源极跟随晶体管用于将图像信号从所述源极跟随晶体管的栅极传送至所述选择电路，所述选择电路的输入端耦合连接所述源极跟随晶体管，所述选择电路的输出端在所述像素电路被选择读出时产生所述模拟输出电压。更具体的，所述选择电路包括至少一个选择晶体管，所述源极跟随晶体管sf用于将图像信号从所述源极跟随晶体管sf的栅极传送至所述源极跟随晶体管sf的源极；所述选择晶体管的输入端耦合连接所述源极跟随晶体管的源极，所述选择晶体管的输出端在所述像素电路被选择读出时产生所述图像信号在所述量化模式下的所述模拟输出电压。在一具体示例中，像素电路包括光电转换元件(pd)、传输晶体管(tx)、复位晶体管(rst)、转换增益晶体管(dcg)、源跟随晶体管(sf)以及像素选择晶体管(rs)。
58.另外，需要说明的，在本实施例中，上述提到的晶体管均选择为nmos管，当然，在其他实施例中，也可以依据实际需求选择为pmos管。
59.通过本实用新型图像传感器能够在实际应用时，提供仅针对一种量化模式(高转换增益模式或低转换增益模式)下的输出电压，从而能够匹配后续的量化过程，从而提高pixel信号的转换效率。
60.实施例二：
61.为实现上述技术目的，本实用新型实施例中还提出一种自适应转换增益(自适应cg技术)的图像传感器，如图4所示为本实用新型实施例中图像传感器的电路结构示意图，包括多个像素、控制模块和数字输出模块；每个所述像素包括上述实施例一中任意一种的像素电路；所述控制模块接收所述图像信号对应的初始输出电压，并根据所述初始输出电压产生与控制所述图像信号的量化模式对应的所述增益控制指令；所述数字输出模块的模拟输入端连接所述像素电路的输出端并接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述数字输出模块的参考输入端接收斜坡信号；用于根据所述模拟输出电压和所述斜坡信号产生所述模拟输出电压的数字量化结果。
62.对于像素电路已在实施例一中详细介绍，在此不再进行赘述。在本实施例中，对控制模块和数字输出模块进行详细介绍：
63.在本实用新型中，所述控制模块包括模式切换比较器和逻辑电路；所述模式切换比较器接入所述初始输出电压和参考电压；用于对所述初始输出电压和所述参考电压进行比较得到模式比较结果；所述逻辑电路的第一信号输入端连接所述模式切换比较器的输出
端，所述逻辑电路的第二信号输入端接收图像增益控制信号；用于根据所述模式比较结果和所述图像增益控制信号产生所述增益控制指令。
64.在一种实施方式中，根据所述模式比较结果和所述图像增益控制信号产生所述增益控制指令的方法可以是：
65.在所述图像信号的高转换增益模式下进行比较，当所述模式比较结果为第一结果时，所述增益控制指令为所述图像增益控制信号；
66.当所述模式比较结果为第二结果时，所述增益控制指令为所述图像增益控制信号取反；
67.其中，所述第一结果代表所述初始输出电压大于所述参考电压，所述第二结果代表所述初始输出电压小于所述参考电压。
68.在本实用新型实施例中，逻辑电路如图4，包括或非门和反相器，所述或非门的第一输入端接收所述模式比较结果，所述或非门的第二输入端接收所述图像增益控制信号，所述或非门的输出端连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端输出所述增益控制指令至所述模式切换模块，所述模式切换模块根据所述增益控制指令控制产生量化模式，以使所述模拟输出模块产生所述图像信号在所述量化模式下的所述模拟输出电压。作为其他实施方式，逻辑电路也可以通过其他元器件组成，能够实现逻辑处理即可。
69.具体的，在图4中像素包括m个，每个像素在读出时均受控于一个独立的控制模块，像素电路产生的初始输出电压pixout，模式切换比较器102对初始输出电压pixout与参考电压cg_ref进行比较后输出模式比较结果；然后再由逻辑电路101对比较结果和图像增益控制信号进行逻辑运算，从而输出用于像素电路中对图像信号进行处理的增益控制指令。在一实施例中，可以是像素这列中，每一列对应一个控制模块，从而各行像素读出均可基于添加的这一行控制模块实现图像信号在单一选定的模式下进行量化。
70.在另外一种实施例中，所述图像传感器还包括：第一开关元件，设置在所述像素电路输出端与所述控制模块输入端(如模式切换比较器的负极输入端)之间；和/或，第二开关元件，设置在所述模式切换模块的输入端(如双转换增益控制晶体管的栅极)与所述增益控制信号的控制线之间。
71.在本实施例中，如果像素电路的输出电压pixout大于参考电压cg_ref，则模式切换比较器输出低电平；如果像素电路的输出电压pixout小于参考电压cg_ref，则模式切换比较器输出高电平；因此，模式切换比较器的模式比较结果包括高电平和低电平，当模式比较结果为低电平时，增益控制指令为图像增益控制信号，对输出电压pixout进行hcg量化；当模式比较结果为高电平时，增益控制指令为高电平，对输出电压pixout进行lch量化。
72.在一种实施方式中，在本实用新型通过增加的模式切换比较器和逻辑电路能够实现自适应的转换增益，以任一行像素点为例，图像传感器的pixel信号在获取低转换增益的复位信号lcg_rst和高转换增益的复位信号hcg_rst阶段，模式切换比较器的输出为低电平，此时，像素电路的增益控制指令dcg《1，
…
，m》均为增益控制信号dcg，低转换增益的复位信号lcg_rst和高转换增益的复位信号hcg_rst的获取过程与现有技术中的时序一致。
73.在对像素电路的输出电压进行读出时，传输晶体管m3导通后，光电二极管pd中的电子传输，使像素电路的输出电压pixout迅速下降，具体以pixel《i》、pixel《k》为例：
74.如果pixel《i》的pixout信号仍一直大于模式切换比较器的参考电压cg_ref，则模
式切换比较器输出为低电平，dcg《i》等于dcg，pixel《i》进行hcg量化。
75.如果pixout《k》的pixout信号小于参考电压cg_ref，说明pixel信号的下降幅度过大，转换增益过高，此时比较器输出为高电平，dcg《k》为高电平，pixel《k》进行lcg量化。
76.因此，本实用新型通过增加模式切换比较器与逻辑电路，实现了自适应的转换增益，从而节省了一次量化时间，提高了转换速率。其中，cg_ref可以是基于器件结构本身(如pd和fd的满阱状态)设定的一个经验值，如小于光电二极管pd和浮动扩散点fd的满阱状态对应的信号值。例如，可以设定为像素值240时对应的电压值。
77.也就是说，如果传输电路的传输晶体管受控传输控制信号tx打开后，像素电路输出的输出电压一直在参考电压cg_ref之上，可以认为表示还没有达到器件满阱，此时，增益控制晶体管m2的栅极dcg维持增益控制信号不变，即不需要打开增益控制晶体管m2，像素继续在hcg模式下进行hcg量化即可。反之，如果传输电路的传输晶体管受控传输控制信号tx打开后，像素电路输出的输出电压降低到了参考电压cg_ref，可以认为表示器件达到满阱，需要再使用额外的电容，则此时，需要打开增益控制晶体管m2，增益控制晶体管m2的栅极dcg置高电平打开，像素在lcg模式下进行量化。
78.作为对本实用新型的进一步限定，所述数字输出模块包括低增益数字输出模块和高增益数字输出模块；如图5所示，所述低增益数字输出模块的模拟输入端接收所述像素电路产生的模拟输出电压，所述低增益数字输出模块的参考输入端接收第一斜坡信号；用于对所述模拟输出电压和所述第一斜坡信号进行比较得到第一比较结果，基于所述第一比较结果产生所述模拟输出电压的低增益数字量化结果；所述高增益数字输出模块的模拟输入端接收所述像素电路产生的所述模拟输出电压，所述高增益数字输出模块的参考输入端接收第二斜坡信号；用于对所述模拟输出电压和所述第二斜坡信号进行比较得到第二比较结果，基于所述第二比较结果产生所述模拟输出电压的高增益数字量化结果。
79.具体的，低增益数字输出通道包括第一比较器，第一比较器的模拟输入端vinn通过第一选择开关lcg_en连接像素电路的输出端pixout，第一比较器的参考输入端vinp接收第一斜坡信号lcg_vramp，第一比较器的参考输入端vinp通过第一低增益清零开关lcg_cmp_az1连接第一比较器的第一级正输出端vop1，第一比较器的模拟输入端vinn通过第二低增益清零开关lcg_cmp_az2连接第一比较器的第一级负输出端von1。在第一选择开关lcg_en闭合的前提下，将第一低增益清零开关lcg_cmp_az1和第二低增益清零开关lcg_cmp_az2闭合，使第一级正输出端vop1与第一比较器的参考输入端短路、第一级负输出端von1与第一比较器的模拟输入端短路，完成低转换增益模式下的复位清零；然后断开第一低增益清零开关lcg_cmp_az1和第二低增益清零开关lcg_cmp_az2，对模拟输出电压和第一斜坡信号进行低转换增益输出，当第一斜坡信号下降到与模拟输出电压交叠时，第一比较器输出零，完成一次低增益数字量化。
80.高增益数字输出通道包括第二比较器，第二比较器的模拟输入端vinn通过第二选择开关hcg_en连接像素电路的输出端pixout，第二比较器的参考输入端vinp接收第二斜坡信号lcg_vramp，第二比较器的参考输入端vinp通过第一高增益清零开关hcg_cmp_az1连接第二比较器的第二级正输出端vop1，第二比较器的模拟输入端vinn通过第二高增益清零开关lcg_cmp_az2连接第二比较器的第二级负输出端von1。在第二选择开关hcg_en闭合的前提下，将第一高增益清零开关hcg_cmp_az1和第二高增益清零开关hcg_cmp_az2闭合，使第
二级正输出端vop1与第二比较器的参考输入端短路、第二级负输出端von1与第二比较器的模拟输入端短路，完成高转换增益模式下的复位清零；然后断开第一高增益清零开关lcg_cmp_az1和第二高增益清零开关lcg_cmp_az2，对模拟输出电压和第二斜坡信号进行高转换增益输出，当第二斜坡信号下降到与模拟输出电压交叠时，第二比较器输出零，完成一次高增益数字量化。
81.在本实用新型实施例中，所述数字输出模块的低增益数字输出模块和高增益数字输出模块均还包括计数器和存储器；所述计数器被配置成生成关于时间的计数值；所述存储器被配置成基于比较结果存储所述计数器中的计数值作为所述数字量化结果。
82.具体是在斜坡信号与输出电压交叠时，第一比较器或第二比较器就会跳变，在输出电压跳变时计数器的计数值存储在存储器中，将基于第一比较结果或第二比较结果的计数值作为数字量化结果。
83.因此，本实用新型的自适应cg技术的图像传感器，通过增加模式切换比较器与逻辑电路，实现了自适应的转换增益，从而节省了一次量化时间，提高了转换速率，进而通过高增益数字输出通道和低增益数字输出通道，能够有效完成hcg量化或lcg量化，并且得到准确的数字量化结果。
84.实施例三：
85.为实现上述技术目的，本实用新型实施例中还提出一种自适应转换增益的图像传感器的信号采样方法，所述采样方法可以适用于上述实施例中的任意一项像素电路或者图像传感器。如图6所示为所述采样方法至少包括以下步骤：
86.生成与接收入射光对应的所述电荷信号；
87.所述像素电路根据所述电荷信号产生所述图像信号并输出所述初始输出电压；
88.根据所述初始输出电压产生与所述图像信号的被控量化模式对应的增益控制指令；所述量化模式包括低转换增益模式和高转换增益模式；
89.所述像素电路在所述量化模式下进行读出产生所述模拟输出电压；
90.根据所述模拟输出电压和所述斜坡信号产生所述模拟输出电压的数字量化结果。
91.在本实施例中，信号采样方法还包括以下步骤：
92.所述像素电路生成所述图像信号前产生第一复位电压及第二复位电压；在一示例中，所述第一复位电压可以代表低转换增益转换模式下的复位信号，所述第二复位电压可以代表高转换增益转换模式下的复位信号；
93.所述像素电路输出端与所述控制模块输入端之间具有第一开关元件，如，在像素电路的输出端与模式切换比较器的负极输入端之间设置第一开关元件，其中，断开所述第一开关元件，所述模式切换模块接收所述图像增益控制信号dcg，以在所述图像增益控制信号dcg的控制下量化所述第一复位电压及所述第二复位电压；
94.在另外一个种实施例中，所述模式切换模块的输入端(如双转换增益控制晶体管的栅极)与所述增益控制信号的控制线(所述图像增益控制信号dcg的输入)之间具有第二开关元件，其中，至少闭合所述第二开关元件，所述模式切换模块直接接收所述图像增益控制信号，以在所述图像增益控制信号的控制下量化所述第一复位电压及所述第二复位电压；
95.本实用新型通过第一开关元件和/或第二开关元件的闭合能够控制量化复位电
压，在一种具体实施方式中，同时设置第一开关元件和第二开关元件，从而可以使得复位信号的量化基于所述增益控制信号的控制线(所述图像增益控制信号dcg的输入)进行量化，复位信号的量化不经过控制模块生成增益控制指令，直接基于控制电路给出的增益控制信号。
96.作为对本实用新型的进一步限定，所述根据所述初始输出电压产生与控制所述图像信号的被控量化模式对应的增益控制指令包括：对所述初始输出电压和所述参考电压进行比较得到模式比较结果；根据所述模式比较结果和增益控制信号产生所述增益控制指令。
97.如果像素电路的初始输出电压pixout大于参考电压cg_ref，则模式切换比较器输出第一结果(低电平)；如果像素电路的初始输出电压pixout小于参考电压cg_ref，则模式切换比较器输出第二结果(高电平)；因此，模式切换比较器的模式比较结果包括高电平和低电平，当模式比较结果为低电平时，增益控制指令为图像增益控制信号，对模拟输出电压pixout进行hcg量化；当模式比较结果为高电平时，增益控制指令为图像增益控制信号取反(高电平)，对模拟输出电压pixout进行lch量化。
98.具体的，在对模拟输出电压pixout进行lch量化时是通过低增益数字输出模块对所述模拟输出电压和第一斜坡信号进行低转换增益量化得到所述低增益数字量化结果；在对模拟输出电压pixout进行hch量化时是通过高增益数字输出模块对所述模拟输出电压和第二斜坡信号进行高转换增益量化得到所述高增益数字量化结果。
99.在此需要说明的是，初始输出电压和模拟输出电压均为像素电路的输出，其中，模拟输出电压为根据增益控制指令对图像信号进行增益控制后使得对初始输出电压进行更新的信号。
100.如图7所示为本实用新型实施例中自适应转换增益的图像传感器工作过程对应的时序图，结合该时序图对本实用新型图像传感器中pixel信号采样进行示例性的描述。需要注意的是，图所示的时序图指示为了说明的目的，并非对本实用新型的限制。
101.t0时刻行选择信号rowsel置为高电平，选择晶体管m4导通，第一选择开关lcg_en导通，像素的初始输出电压pixout和低增益数字输出通道接通，此时dcg《1,
…
,m》的值均等于dcg信号的值；
102.t1时刻两个低增益清零开关(lcg_cmp_az1和lcg_cmp_az2)和两个高增益清零开关(hcg_cmp_az1和hcg_cmp_az2)导通，第一比较器的参考输入端vinp和第一级正输出端vop1短接在一起，模拟输入端vinn和第一级负输出端von1短接在一起，开始清零；
103.t2时刻复位信号rst置为低电平，得到低转换增益模式下的图像复位信号；
104.t3时刻两个低增益清零开关(lcg_cmp_az1和lcg_cmp_az2)断开，t4时刻第一斜坡信号lcg_vramp开始下降，第一计数器开始向下计数，第一斜坡电压lcg_vramp和初始输出电压pixout通过电容耦合到第一比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn，当第一比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn交叠时，第一比较器输出零，计数停止，得到低转换增益模式下的复位信号，t5时刻低转换增益模式下的复位信号量化结束，第一斜坡信号lcg_vramp回到基准状态；
105.t6时刻第一选择开关lcg_en断开，t7时刻第二选择开关hcg_en导通，像素的初始输出电压pixout和高增益数字输出通道接通；
106.t7时刻增益控制指令dcg置为低电平，增益控制晶体管m2关断，得到高转换增益模式下的图像复位信号；
107.t8时刻两个低增益清零开关(lcg_cmp_az1和lcg_cmp_az2)断开，t9时刻第二斜坡信号hcg_vramp开始下降，第二计数器开始向下计数，第二斜坡信号hcg_vramp和初始输出电压pixout通过电容耦合到第二比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn，参考输入端vinp和模拟输入端vinn交叠时，第二比较器输出零，计数停止，得到高转换增益模式下的复位信号，t10时刻高转换增益模式下的复位信号量化结束，第二斜坡信号hcg_vramp开始回到基准状态；
108.t11至t12时刻，传输控制信号tx置为高电平，传输晶体管m3导通，开始传输图像信号。
109.t12时刻，传输控制信号tx置为低电平，传输晶体管m3关断。pixel《1,
…
,m》的pixel的初始输出电压pixout与模式切换比较器的参考电压cg_ref进行比较。
110.以pixel《i》、pixel《k》为例，
111.pixel《i》的初始输出电压pixout大于参考电压cg_ref，因此增益控制指令dcg《i》的值仍然等于图像增益控制信号dcg，pixel《i》采用高转换增益模式，即hcg模式。
112.pixel《k》的初始输出电压pixout小于参考电压cg_ref，因此增益控制指令dcg《k》置为高电平，pixel《k》采用低转换增益模式，即lcg模式，因此第一选择开关lcg_en导通。
113.t13时刻斜坡信号(hcg_vramp、lcg_vramp)开始下降，第二计数器开始向上计数，第一计数器也开始向上计数。斜坡电压hcg_vramp和pixel《i》的模拟输出电压pixout通过电容耦合到第二比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn；斜坡信号lcg_vramp和pixel《k》的模拟输出电压pixout通过电容耦合到第一比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn。
114.t14时刻第二比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn交叠时，第二比较器输出零，计数停止，得到高转换增益模式下的图像信号和复位信号的差值，即pixel《i》在高转换增益模式hcg下的图像量化值，t14时刻pixel《i》的高转换增益图像信号量化结束。
115.t15时刻第一比较器的参考输入端vinp和模拟输入端vinn交叠时，第一比较器输出零，计数停止，得到低转换增益模式下的图像信号和复位信号的差值，即pixel《k》在低转换增益模式lcg下的图像量化值，t15时刻pixel《k》的低转换增益图像信号量化结束。
116.综上所述，本实用新型采用自适应cg技术可以节省一次量化时间，从而大大提高了pixel信号转化的速度。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
117.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。