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DE112022002293T5 - Selbstkalibrierendes Pixel für Barrierenmodulation mit mehreren Barrieren, zweifacher Umwandlungsverstärkung und geringer Fläche - Google Patents

Selbstkalibrierendes Pixel für Barrierenmodulation mit mehreren Barrieren, zweifacher Umwandlungsverstärkung und geringer Fläche Download PDF

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DE112022002293T5
DE112022002293T5 DE112022002293.0T DE112022002293T DE112022002293T5 DE 112022002293 T5 DE112022002293 T5 DE 112022002293T5 DE 112022002293 T DE112022002293 T DE 112022002293T DE 112022002293 T5 DE112022002293 T5 DE 112022002293T5
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DE
Germany
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signal
charge carriers
capacitor
conversion gain
pixel
Prior art date
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Pending
Application number
DE112022002293.0T
Other languages
English (en)
Inventor
Denver Lloyd
Adi Xhakoni
Scott Johnson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Sensors Belgium BVBA
AMS Sensors USA Inc
Original Assignee
Ams Sensors Belgium BVBA
AMS Sensors USA Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Ams Sensors Belgium BVBA, AMS Sensors USA Inc filed Critical Ams Sensors Belgium BVBA
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Abstract

Es wird eine Pixelanordnung bereitgestellt, wobei die Pixelanordnung umfasst: einen Fotodetektor, der so ausgelegt ist, dass er Ladungsträger durch Umwandlung elektromagnetischer Strahlung akkumuliert, einen elektrisch mit dem Fotodetektor gekoppelten Transfertransistor, einen elektrisch mit dem Transfertransistor gekoppelten Diffusionsknoten, einen elektrisch mit dem Diffusionsknoten und einer Pixelversorgungsspannung gekoppelten Rücksetztransistor, eine Abtast- und Haltestufe, die mindestens einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst, wobei ein Eingang der Abtast- und Haltestufe über einen Verstärker elektrisch mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist, wobei der Transfertransistor so ausgelegt ist, dass er auf unterschiedliche Spannungspegel gepulst wird, um Teilmengen der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten zu übertragen, wobei zumindest der zweite Kondensator so ausgelegt ist, dass er ein Signal geringer Umwandlungsverstärkung speichert, das eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, und wobei der erste Kondensator so ausgelegt ist, dass er ein Signal hoher Umwandlungsverstärkung speichert, das eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt. Ferner werden ein Verfahren zum Betreiben einer Pixelanordnung und ein Bildsensor mit der Pixelanordnung bereitgestellt.

Description

  • PRIORITÄTSANSPRUCH UND QUERVERWEIS
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 63/263,861, eingereicht am 10. November 2021, und der deutschen Patentanmeldung Nr. 102021120779.7 , eingereicht am 10. August 2021, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen werden.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pixelanordnung, einen Bildsensor und ein Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung.
  • HINTERGRUND
  • CMOS-Bildsensoren werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, z. B. für Kameramodule und Smartphones, Tablet-Computer, Laptops usw. Für einige Anwendungen ist ein hoher Dynamikbereich (HDR), z. B. über 85 dB, erforderlich. Der Dynamikbereich (DR) wird einerseits durch das Grundrauschen bei geringen Lichtverhältnissen und andererseits durch Sättigungseffekte bei hohen Lichtverhältnissen begrenzt. Außerdem muss die Größe der Pixel, die solche Bildsensoren enthalten, klein gehalten werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Ziel ist es, eine Pixelanordnung mit einem hohen Dynamikbereich und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Pixelanordnung bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, einen Bildsensor mit einer Pixelanordnung mit hohem Dynamikbereich bereitzustellen.
  • Diese Ziele werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere Entwicklungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Hier und im Folgenden beziehen sich die Begriffe „Pixel“ und „Pixelanordnung“ auf ein Lichtempfangselement, das in einem zweidimensionalen Array, auch Matrix genannt, mit anderen Pixeln angeordnet sein kann. Die Pixel in dem Array sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Die Begriffe „Zeile“ und „Spalte“ können austauschbar verwendet werden, da sie nur von der Ausrichtung der Pixelanordnung abhängen. Das Pixel kann auch Schaltungen zur Steuerung von Signalen zum und vom Pixel enthalten. Somit kann das Pixel ein so genanntes aktives Pixel bilden. Das Pixel kann Licht in einem beliebigen Wellenlängenbereich empfangen. Der Begriff „Licht“ kann sich auf elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen beziehen, z. B. auf Infrarotstrahlung (IR), ultraviolette Strahlung (UV) und sichtbares Licht (VIS).
  • In einer Ausführungsform umfasst eine Pixelanordnung einen Fotodetektor, der so ausgelegt ist, dass er Ladungsträger durch Umwandlung elektromagnetischer Strahlung akkumuliert. Die Pixelanordnung kann ein Global-Shutter-Pixel bilden, insbesondere ein Voltage-Domain-Global-Shutter-Pixel, abgekürzt VGS-Pixel. Es ist auch möglich, dass das Pixel ein Rolling-Shutter-Pixel bildet. Der Fotodetektor kann insbesondere eine Fotodiode oder eine gepinnte Fotodiode sein. Die Fotodiode kann in einem Substrat, insbesondere in einem Halbleitersubstrat, angeordnet sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung einen Transfertransistor, der elektrisch mit dem Fotodetektor gekoppelt ist. In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung einen Diffusionsknoten, der elektrisch mit dem Transfertransistor gekoppelt ist. Der Transfertransistor bildet einen Schalter. Ein erster Anschluss des Transfertransistors ist mit dem Fotodetektor verbunden und ein zweiter Anschluss des Transfertransistors ist mit dem Diffusionsknoten verbunden. Durch Anlegen eines Transfersignals an das Gate des Transfertransistors können Ladungsträger vom Fotodetektor zum Diffusionsknoten diffundieren. Der Diffusionsknoten kann ein potentialfreier Diffusionsknoten sein, abgekürzt FD-Knoten. Der FD-Knoten kann eine Kapazität zur Zwischenspeicherung von Ladungsträgern enthalten. Im Folgenden werden die Begriffe FD-Knoten und Diffusionsknoten synonym verwendet.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung einen Rücksetztransistor, der elektrisch mit dem Diffusionsknoten und einer Pixelversorgungsspannung verbunden ist. Der Rücksetztransistor ist zum Rücksetzen des FD-Knotens vorgesehen. Der Rücksetztransistor bildet einen Schalter. Ein erster Anschluss des Rücksetztransistors ist mit einer PixelVersorgungsspannung verbunden und ein zweiter Anschluss ist mit dem FD-Knoten gekoppelt. Durch Anlegen eines Rücksetzsignals an das Gate des Rücksetztransistors werden alle überschüssigen Ladungsträger zur Pixelversorgung abgeleitet.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung eine Abtast- und Haltestufe mit mindestens einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator. Ein Eingang der Abtast- und Haltestufe ist über einen Verstärker elektrisch mit dem Diffusionsknoten gekoppelt. Die Abtast- und Haltestufe kann als S/H-Stufe abgekürzt werden. Der erste und der zweite Kondensator können als S/H-Kondensatoren bezeichnet werden. Der Verstärker kann von der S/H-Stufe umfasst sein. Der Verstärker kann als Common-Drain-Verstärker ausgebildet sein, der auch als Source-Folger bezeichnet wird. Ein Gate-Anschluss des Source-Followers ist mit dem FD-Knoten verbunden und dient als Eingangsanschluss des Verstärkers. Ein gemeinsamer Anschluss kann mit der Versorgungsspannung verbunden werden. An einem Ausgangsanschluss des Verstärkers wird auf der Grundlage des Ladungssignals am FD-Knoten ein verstärktes Signal erzeugt. Der Verstärker kann als Spannungspuffer verwendet werden. Der Verstärker kann so ausgelegt sein, dass er das Signal puffert und so den FD-Knoten von weiteren Pixelkomponenten entkoppelt. Die Kondensatoren sind über Schalttransistoren elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers gekoppelt. Die Kondensatoren können die gleiche oder eine ähnliche Kapazität haben.
  • In einer Ausführungsform ist der Transfertransistor so ausgelegt, dass er auf verschiedene Spannungspegel gepulst wird, um Teile der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten zu übertragen. Die verschiedenen Spannungspegel können Teilspannungspegel sein. So kann eine Potentialbarriere zwischen dem Fotodetektor und dem Diffusionsknoten modifiziert oder moduliert werden. So kann die Pixelanordnung zur Barrierenmodulation genutzt werden. Je nach Barriere können Bruchteile der akkumulierten Ladungsträger die Barriere überwinden und zum Diffusionsknoten übertragen werden.
  • In einer Ausführungsform ist zumindest der zweite Kondensator so ausgelegt, dass er ein Signal mit geringer Umwandlungsverstärkung speichert, das einen ersten Teil der akkumulierten Ladungsträger darstellt. Das Signal mit geringer Umwandlungsverstärkung kann als LCG-Signal bezeichnet werden. Das LCG-Signal kann auf dem zweiten Kondensator gespeichert oder sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Kondensator umverteilt werden. Das LCG-Signal bezieht sich auf ein Signal, das mit geringer Verstärkung erzeugt wird. Dies kann bedeuten, dass das Signal nur auf einem Teil der akkumulierten Ladungsträger basiert, insbesondere auf dem ersten Teil. Dies kann auch bedeuten, dass das LCG-Signal zusätzlich abgeschwächt wird.
  • In einer Ausführungsform ist der erste Kondensator so ausgelegt, dass er ein Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung speichert, das einen verbleibenden Teil der akkumulierten Ladungsträger darstellt. Das Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung kann als HCG-Signal bezeichnet werden. Das HCG-Signal wird auf dem ersten Kondensator gespeichert. Das HCG-Signal bezieht sich auf ein Signal, das mit hoher Verstärkung erzeugt wird. Dies kann bedeuten, dass das Signal auf einem verbleibenden Teil der akkumulierten Ladungsträger basiert, der ein Hauptteil sein kann. Dies kann auch bedeuten, dass das HCG-Signal zusätzlich verstärkt wird.
  • Die Barriere der Pixelanordnung nutzt die Barrierenmodulation des Transfergatters. Mit Hilfe der Barrierenmodulation kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht werden. Außerdem werden nur zwei Kondensatoren benötigt, um diese Funktion der Pixelanordnung zu realisieren. Dadurch kann die Pixelanordnung eine geringe Fläche aufweisen.
  • In einer Ausführungsform umfasst eine Pixelanordnung einen Fotodetektor, der so ausgelegt ist, dass er Ladungsträger durch Umwandlung elektromagnetischer Strahlung akkumuliert, einen elektrisch mit dem Fotodetektor gekoppelten Transfertransistor, einen elektrisch mit dem Transfertransistor gekoppelten Diffusionsknoten, einen elektrisch mit dem Diffusionsknoten und einer Pixelversorgungsspannung gekoppelten Rücksetztransistor, eine Abtast- und Haltestufe, die mindestens einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst, wobei ein Eingang der Abtast- und Haltestufe über einen Verstärker elektrisch mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist, wobei der Transfertransistor so ausgelegt ist, dass er auf verschiedene Spannungspegel gepulst wird, um Teile der akkumulierten Ladungsträger zu dem Diffusionsknoten zu übertragen, wobei zumindest der zweite Kondensator so ausgelegt ist, dass er ein Signal mit geringer Umwandlungsverstärkung speichert, das einen ersten Teil der akkumulierten Ladungsträger darstellt, und wobei der erste Kondensator so ausgelegt ist, dass er ein Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung speichert, das einen verbleibenden Teil der akkumulierten Ladungsträger darstellt.
  • In einer Ausführungsform umfassen das Signal mit geringer Umwandlungsverstärkung und das Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung einen gemeinsamen Rauschpegel. Der gemeinsame Rauschpegel kann insbesondere aus thermischem Rauschen und Rücksetzrauschen bestehen. Somit kann das LCG-Signal als Referenzpegel für das HCG-Signal verwendet werden. Dies bedeutet, dass auf das HCG-Signal mit korrelierter Doppelabtastung (CDS) zugegriffen werden kann. Da das HCG-Signal bei geringen Lichtverhältnissen verwendet wird, ist das thermische Rauschen ein relevanter Parameter. In diesem Fall kann das LCG-Signal nur aus Rauschen ohne jegliche Videoinformationen bestehen. Das HCG-Signal kann dem LCG-Signal plus einem zusätzlichen Videosignal entsprechen, wobei das zusätzliche Videosignal ein reines Videosignal ohne Rauschen darstellen kann. Somit ist das Rauschen des HCG-Signals mit dem Rauschen des LCG-Signals korreliert. Das thermische Rauschen und das Rücksetzrauschen können durch CDS wirksam unterdrückt werden. Die Durchführung von CDS kann bedeuten, dass das LCG-Signal vom HCG-Signal subtrahiert wird. Bei starken Lichtverhältnissen wird das LCG-Signal weiterverarbeitet. Hier ist das thermische Rauschen weniger relevant, da bei hohen Beleuchtungsstärken das Photonenschussrauschen dominiert. Hier ist die doppelte Delta-Abtastung, DDS, ausreichend. Anhand der jeweiligen Amplitudenwerte kann entschieden werden, ob das LCG-Signal oder das HCG-Signal für die weitere Verarbeitung verwendet werden soll.
  • In einer Ausführungsform zeigt das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen Kalibrierungspegel zum Einstellen eines Pixelausgangssignals in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert an. Somit ist es möglich, ein Pixelausgangssignal auf der Grundlage des LCG-Signals und des HCG-Signals in Abhängigkeit von dem pixelspezifischen Kniepunktwert einzustellen, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels bestimmt wird. Wenn die Spannungspegel für die Barrierenmodulation und das HCG-Signal bekannt sind, können Informationen über die Barriere abgeleitet werden. Somit kann das HCG-Signal als Kalibrierungspegel für das LCG-Signal verwendet werden. Dies kann bedeuten, dass der Kalibrierungspegel gleich dem HCG-Signal ist.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung ferner einen Dual-Conversion-Gain-Transistor und einen Dual-Conversion-Gain-Kondensator. Der Dual-Conversion-Gain-Transistor verbindet den Diffusionsknoten mit einem Anschlussknoten des Dual-Conversion-Gain-Kondensators, und der Rücksetztransistor ist über den Anschlussknoten und den Dual-Conversion-Gain-Transistor elektrisch mit dem Diffusionsknoten verbunden. Die doppelte Umwandlungsverstärkung kann mit DCG abgekürzt werden. Der DCG-Kondensator kann im Folgenden auch als dritter Kondensator bezeichnet werden. Der DCG-Transistor kann im Folgenden auch als Kopplungstransistor bezeichnet werden. Mit Hilfe des DCG-Transistors und des DCG-Kondensators kann eine Umwandlungsverstärkung des LCG-Signals und des HCG-Signals eingestellt werden. In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung ferner mindestens zwei Schalttransistoren, wobei jeder Schalttransistor jeweils einem Kondensator der Abtast- und Haltestufe zugeordnet ist und einen Anschlussknoten des jeweiligen Kondensators mit dem Eingang der Abtast- und Haltestufe koppelt. Durch Anlegen eines jeweiligen Schaltsignals können das LCG-Signal und das HCG-Signal auf den jeweiligen Kondensator übertragen und dort gespeichert werden.
  • In einer Ausführungsform sind der erste und der zweite Kondensator der Abtast- und Haltestufe parallel angeordnet. In dieser Ausführungsform können die Kondensatoren durch die zugeordneten Schalttransistoren unabhängig voneinander gesteuert werden.
  • In einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Kondensatoren der Abtast- und Haltestufe kaskadiert angeordnet. In dieser Ausführungsform koppelt ein erster Schalttransistor den Ausgangsanschluss des Verstärkers mit einem Anschlussknoten des ersten Kondensators. Ein zweiter Schalttransistor koppelt den Anschlussknoten des ersten Kondensators mit einem Anschlussknoten des zweiten Kondensators. Es werden weniger Schaltungskomponenten benötigt als bei der Parallelschaltung.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Abtast- und Haltestufe genau zwei Kondensatoren.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Abtast- und Haltestufe ferner eine vorbestimmte Anzahl zusätzlicher Kondensatoren, wobei jeder der zusätzlichen Kondensatoren so ausgelegt ist, dass er ein zusätzliches Signal speichert, das einen weiteren Teil der akkumulierten Ladungsträger darstellt. Darüber hinaus kann jedes der zusätzlichen Signale einen zusätzlichen Kalibrierungspegel zur Einstellung des Pixelausgangssignals anzeigen.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung einen weiteren Verstärker, der mit einem Ausgang der Abtast- und Haltestufe gekoppelt ist, und einen Auswahltransistor, wobei der Auswahltransistor den weiteren Verstärker elektrisch mit einem Spaltenbus verbindet.
  • Außerdem wird ein Bildsensor bereitgestellt, der die in einer der obigen Ausführungsformen beschriebene Pixelanordnung umfasst. Insbesondere kann der Bildsensor ein Array von Pixelanordnungen umfassen. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung offenbart werden, auch für den Bildsensor offenbart werden und auf diesen anwendbar sind und vice versa.
  • Der Bildsensor kann praktisch in optoelektronischen Geräten wie Smartphones, Tablet-Computern, Laptops oder Kameramodulen eingesetzt werden. Das Kameramodul ist z. B. so ausgelegt, dass es im sichtbaren Bereich für Foto- und/oder Videoaufnahmen arbeitet. Ferner ist die Pixelanordnung insbesondere für den Betrieb im Global-Shutter-Modus geeignet, da die Signale in einem Speicher auf Pixelebene, d. h. dem ersten und dem zweiten Kondensator, gespeichert werden. Der Global-Shutter-Modus eignet sich insbesondere für Infrarotanwendungen, bei denen die Bildsensorvorrichtung außerdem eine Lichtquelle umfasst, die mit den Pixeln synchronisiert ist. So kann eine optoelektronische Vorrichtung mit einem solchen Bildsensor auch im Infrarotbereich (IR) arbeiten, z. B. für 3D-Bildgebung und/oder Identifikationszwecke. Bildsensoren mit Infrarotempfindlichkeit können in dunklen Umgebungen eingesetzt werden, wenn eine Videoübertragung erforderlich ist. Solche Anwendungen reichen von der Gesichtsentsperrung bei Mobiltelefonen bis zu Fahrerüberwachungssystemen. In beiden Fällen können Strahler im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) eingesetzt werden, so dass der Handybenutzer/Fahrer nicht von dem Licht geblendet wird, das ihn anstrahlt.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung bereitgestellt. Für das hier beschriebene Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung kann vorzugsweise die oben beschriebene Pixelanordnung verwendet werden. Dies kann bedeuten, dass die Pixelanordnung so ausgelegt werden kann, dass sie nach dem folgenden Verfahren betrieben werden kann. Alle Merkmale, die für die Pixelanordnung und den Bildsensor offenbart sind, sind auch für das Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung offenbart und umgekehrt.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren während einer Belichtungsperiode das Akkumulieren von Ladungsträgern in einer ersten Integrationsperiode mit einem Fotodetektor, der von der Pixelanordnung umfasst ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass während der Belichtungsperiode an einem Ende der ersten Integrationsperiode ein Transfertransistor auf einen ersten Spannungspegel gepulst wird, um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger zu einem Diffusionsknoten zu übertragen, wobei besagter Anteil so ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung abgeleitet wird. Die erste Integrationsperiode ist Teil der Belichtungsperiode. Dies kann bedeuten, dass die Belichtungsperiode in mehrere Integrationsperioden unterteilt ist, zum Beispiel eine erste Integrationsperiode und eine zweite Integrationsperiode. Der erste Spannungspegel kann ein Spannungspegel unterhalb einer Schwellenspannung des Transfertransistors sein. Dies kann bedeuten, dass der erste Spannungspegel ein Teilspannungspegel ist. Durch Anlegen des ersten Spannungspegels an den Transfertransistor wird eine Potentialbarriere zwischen dem Fotodetektor und dem Diffusionsknoten abgesenkt. So können überschüssige Ladungsträger die abgesenkte Potenzialbarriere überwinden und vom Fotodetektor zum Diffusionsknoten übertragen werden. Diese überschüssigen Ladungsträger werden als der besagte Anteil der akkumulierten Ladungsträger bezeichnet. Dieser Anteil ist so ausgelegt, dass er an die Versorgungsspannung abgeleitet wird. Dies kann bedeuten, dass der Diffusionsknoten nach der Übertragung des genannten Anteils an den Diffusionsknoten rückgesetzt wird. Das Rücksetzen des Diffusionsknotens kann, wie oben erwähnt, durch Anlegen eines Rücksetzsignals an einen Rücksetztransistor realisiert werden, der zwischen dem Diffusionsknoten und einem Pixelversorgungsanschluss angeschlossen ist. Die Ableitung des besagten Anteils kann am Ende der Belichtungsperiode oder nach der Belichtungsperiode erfolgen, zum Beispiel zu Beginn einer Speicherperiode oder in einer speziellen Ableitungsperiode.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass während der Belichtungszeit in einer zweiten Integrationszeit weiterhin Ladungsträger mit dem Fotodetektor akkumuliert werden. Die zweite Integrationsperiode ist Teil der Belichtungsperiode. Die zweite Integrationsperiode ist später als die erste Integrationsperiode. Die zweite Integrationsperiode kann unmittelbar auf die erste Integrationsperiode folgen. Der Belichtungsperiode kann die erste und die zweite Integrationsperiode umfassen oder aus ihnen bestehen. Die Belichtungsperiode kann aus mehreren Integrationsperioden bestehen. Die nach der zweiten Integrationsperiode an der Fotodiode akkumulierten Ladungsträger können die während der ersten und der zweiten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträger abzüglich des Anteils der abzuleitenden Ladungsträger umfassen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass während einer Speicherperiode der Transfertransistor auf den ersten Spannungspegel gepulst wird, um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten zu übertragen, und dass ein Signal mit geringer Umwandlungsverstärkung, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator gespeichert wird, der mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist. Die Speicherperiode kann unmittelbar auf die Belichtungsperiode folgen. Die Übertragung der ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger kann nach dem Rücksetzen des Diffusionsknotens zum Ableiten des Anteils der akkumulierten Ladungsträger durchgeführt werden. Die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger unterscheidet sich von dem Anteil der akkumulierten Ladungsträger. Da jedoch der erste Spannungspegel wieder an das Transfer-Gate angelegt wird, wird die Potentialbarriere um den gleichen Betrag abgesenkt. Die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger entspricht also den überschüssigen Ladungsträgern, die während der zweiten Integrationsperiode akkumuliert wurden. Die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger wird nicht abgeleitet, sondern gespeichert. Falls zwei Kondensatoren wie oben erwähnt kaskadiert angeordnet sind, kann das LCG-Signal, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf beide Kondensatoren verteilt werden. Falls die Kondensatoren parallel angeordnet sind, kann das LCG-Signal auf dem zweiten Kondensator gespeichert werden. Die Speicherung des LCG-Signals kann durch Anlegen von Schaltsignalen an entsprechende Schalter (Schalttransistoren) erfolgen, die den Kondensatoren zugeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass der Transfertransistor während der Speicherperiode auf einen Vollspannungspegel gepulst wird, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten zu übertragen, und dass ein Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator gespeichert wird, der mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist. Das Pulsen des Transfertransistors auf den Vollspannungspegel wird später durchgeführt als das Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel. Der Vollspannungspegel kann ein Spannungspegel oberhalb des Schwellenspannungspegels des Transfertransistors sein. Beim Anlegen des Vollspannungspegels befindet sich der Transfertransistor also in einem elektrisch leitenden Zustand. Beim Anlegen des Vollspannungspegels ist die Potenzialbarriere zwischen dem Fotodetektor und dem Diffusionsknoten geringer als die Potenzialbarriere beim Anlegen des ersten Spannungspegels. Insbesondere kann die Potentialbarriere vollständig abgebaut sein. Dadurch werden die verbleibenden Ladungsträger, die sich am Fotodetektor angesammelt haben, zum Diffusionsknoten übertragen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner während einer Ausleseperiode das Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung, die auf den Kondensatoren gespeichert sind. Die Ausleseperiode kann unmittelbar auf die Speicherperiode folgen. Das Auslesen der jeweiligen Signale kann durch Anlegen eines Auswahlsignals an einen Auswahltransistor, wie oben erwähnt, erfolgen. Das Auswahlsignal verbindet die Kondensatoren mit den in ihnen gespeicherten Signalen mit einem Spaltenbus des Pixels. Die Kondensatoren können über einen weiteren Verstärker, wie oben erläutert, elektrisch mit dem Spaltenbus gekoppelt sein. Der weitere Verstärker kann als weiterer Source-Folger ausgeführt sein.
  • Das beschriebene Verfahren umfasst eine Barrierenmodulation des Transfertransistors. Mit Hilfe der Barrierenmodulation kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht werden. Insbesondere wird der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht, indem ein Anteil der akkumulierten Ladungsträger bei hohen Lichtverhältnissen abgeleitet wird. Das HCG-Signal enthält einen Kniepunkt-Kalibrierungswert, der bei der Linearisierung des Pixelausgangssignals benötigt wird. Insbesondere ist es möglich, ein linearisiertes Signal zu rekonstruieren, wenn man die Dauer der ersten bzw. zweiten Integrationsperiode und den ersten Spannungspegel kennt. Der Transfertransistor jedes Pixels unterliegt Schwankungen und Fluktuationen während des Herstellungsprozesses. Daher ist die Schwellenspannung des Transfertransistors für jedes Pixel unterschiedlich. Dies kann bedeuten, dass die Barriere zwischen dem Fotodetektor und dem Diffusionsknoten bei jedem Pixel unterschiedlich hoch ist, wenn der erste Spannungspegel angelegt wird. Die genaue Kenntnis der Barriere ist jedoch wichtig, um das Fixed-Pattern-Rauschen (FPN) zu entfernen. Aus dem ersten Spannungspegel und dem HCG-Signal des Pixels (das der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger nach Anlegen des ersten Spannungspegels entspricht) lassen sich Informationen über die Abhängigkeit eines Ausgangssignals von der Barriere ableiten. Da der erste Spannungspegel, der während der Belichtungsperiode angelegt wird, auch während der Speicherperiode angelegt wird, kann außerdem aus dem Verhältnis der ersten und zweiten Integrationsperiode und dem HCG-Signal bestimmt werden, wie groß die Menge an Ladungsträgern war, die am Ende der ersten Integrationsperiode an die Versorgungsspannung abgeleitet wurde. Aus dieser Menge und dem LCG-Signal kann ein Pixel-Ausgangssignal rekonstruiert werden, das bei hohen Lichtverhältnissen verwendet wird.
  • Außerdem kann das LCG-Signal als Referenzpegel für das HCG-Signal dienen, da beide Signale auf einem gemeinsamen Rauschpegel beruhen, da der Diffusionsknoten zwischen der Speicherung des LCG- und des HCG-Signals nicht rückgesetzt wird. Somit kann CDS für das HCG-Signal durchgeführt werden, das bei geringen Lichtverhältnissen verwendet wird (bei geringen Lichtverhältnissen enthält das LCG-Signal nur Rauschen, aber keine Videoinformationen).
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren: während einer Belichtungsperiode, Akkumulieren von Ladungsträgern in einer ersten Integrationsperiode mit einem Fotodetektor, der von der Pixelanordnung umfasst ist, Takten eines Übertragungstransistors auf einen ersten Spannungspegel am Ende der ersten Integrationsperiode, um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger zu einem Diffusionsknoten zu übertragen, wobei der Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung abgeleitet wird, Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern mit dem Fotodetektor in einer zweiten Integrationsperiode. Das Verfahren umfasst ferner: während einer Speicherperiode das Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel zum Übertragen einer ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zu dem Diffusionsknoten, das Speichern eines Signals geringer Umwandlungsverstärkung, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator, der mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist, das Pulsen des Transfertransistors auf einen Vollspannungspegel zum Übertragen einer restlichen Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zu dem Diffusionsknoten, das Speichern eines Signal hoher Umwandlungsverstärkung, das die restliche Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator, der mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst ferner: Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung, die in den Kondensatoren gespeichert sind, während einer Ausleseperiode.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner während der Belichtungsperiode und nach der zweiten Integrationsperiode mindestens ein zusätzliches Pulsen des Transfertransistors auf einen jeweiligen weiteren Spannungspegel, wobei bei jedem zusätzlichen Pulsen ein zusätzlicher Anteil der akkumulierten Ladungsträger dazu ausgelegt ist, dass er an die Pixelversorgungsspannung abgeleitet wird. Auf jedes weitere Pulsen folgt ein weiteres Fortsetzen der Akkumulation von Ladungsträgern mit dem Fotodetektor in einer weiteren Integrationsperiode. In einem Beispiel ist der weitere Spannungspegel ein zweiter Spannungspegel bzw. ein dritter Spannungspegel. In einem Beispiel ist die zusätzliche Integrationsperiode eine dritte Integrationsperiode bzw. eine vierte Integrationsperiode. Die dritte Integrationsperiode kann auf den Puls zum zweiten Spannungspegel folgen. Die vierte Integrationsperiode kann den Puls zum dritten Spannungspegel folgen und so weiter. Mit anderen Worten: Während der Belichtungsperiode kann der Transfertransistor n-mal auf bestimmte Teilspannungspegel gepulst werden, und die Ladung wird zur Versorgung abgeleitet. Die Ableitung der akkumulierten Ladungsträger zur Versorgung kann nach der Belichtungsperiode durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich der Dynamikbereich weiter ausdehnen, da n zusätzliche Barrierepegel genutzt werden können.
  • In einer Ausführungsform sind die Spannungspegel, mit denen aufeinanderfolgende Impulse während der Belichtungszeit angelegt werden, gleich oder nehmen von Impuls zu Impuls ab. In einem Beispiel ist der erste Spannungspegel größer als oder gleich dem zweiten Spannungspegel. In einem Beispiel ist der zweite Spannungspegel größer oder gleich dem dritten Spannungspegel und so weiter.
  • In einer Ausführungsform nehmen die Integrationsperioden, die dem Pulsen während der Belichtungsperiode folgen, von Integrationsperiode zu Integrationsperiode ab. Das bedeutet, dass die Zeitintervalle der Integrationsperioden abnehmen. In einem Beispiel ist die erste Integrationsperiode länger als die zweite Integrationsperiode. In einem Beispiel ist die zweite Integrationsperiode länger als die dritte Integrationsperiode, die wiederum länger als die vierte Integrationsperiode sein kann, und so weiter. Auf diese Weise nimmt die Menge der akkumulierten Ladungsträger von Integrationsperiode zu Integrationsperiode ab. Auf diese Weise geht die Information über die abgeleiteten Anteile der akkumulierten Ladungsträger nicht verloren, sondern kann auf der Grundlage der Kenntnis der Spannungspegel und Integrationsperioden rekonstruiert werden. So ist es möglich, ein linearisiertes Pixel-Ausgangssignal zu rekonstruieren.
  • In einer Ausführungsform zeigt das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen Kalibrierungspegel an, der auf der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert. Das HCG-Signal enthält den Kalibrierungspegel, da der erste Spannungspegel, der während der Belichtungsperiode angelegt wird, auch während der Speicherzeit angelegt wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Anpassung eines Pixelausgangssignals auf der Grundlage des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und/oder des Signals hoher Umwandlungsverstärkung in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels bestimmt wird. Aus dem ersten Spannungspegel und dem HCG-Signal können Informationen über die Barriere abgeleitet werden. So kann das HCG-Signal als Kalibrierungspegel für das LCG-Signal verwendet werden. Dies kann bedeuten, dass der Kalibrierungspegel gleich dem HCG-Signal ist. Mit anderen Worten, die Information über den abgeleiteten Anteil der akkumulierten Ladungsträger geht nicht verloren, sondern kann auf der Grundlage des ersten Spannungspegels und des HCG-Signals sowie der Integrationsperioden rekonstruiert werden. Außerdem wird der Kalibrierungspegel in der Nachbearbeitung benötigt, um FPN zu entfernen, das durch Schwankungen im Transfertransistor verursacht werden. Der Kalibrierungspegel kann auch als Referenz verwendet werden, um FPN-Variationen zu entfernen, die durch die zusätzlichen n-1-Impulse während der Integration verursacht wurden.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Lesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung eine doppelte Delta-Abtastung (DDS). DDS kann durchgeführt werden, indem ein Rücksetzpegel als Referenzpegel für das LCG-Signal verwendet wird. Der Rücksetzpegel kann in einem Schritt während der Ausleseperiode ausgelesen werden, zum Beispiel nachdem das HCG- und das LCG-Signal ausgelesen wurden. Das Rücksetzen des FD-Knotens erfolgt durch Anlegen eines Rücksetzsignals an den Rücksetztransistor. Der Rücksetzpegel bezieht sich auf ein Nicht-Videosignal der Pixelanordnung, d. h. ohne Videosignal des Fotodetektors. Durch das Rücksetzen des FD-Knotens wird zusätzliches Rauschen eingeführt, das nicht mit dem Rauschen des HCG- und des LCG-Signals korreliert ist. Der Rücksetzpegel der Pixelanordnung enthält jedoch Informationen über das Fixed-Pattern-Rauschen, FPN.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Lesen des Signals hoher Umwandlungsverstärkung eine korrelierte Doppelabtastung. Wie bereits erwähnt, kann das LCG-Signal als Referenzpegel für das HCG-Signal verwendet werden, um CDS durchzuführen, da beide Signale auf einem gemeinsamen Rauschpegel beruhen. Daher kann das LCG-Signal vom HCG-Signal subtrahiert werden.
  • In einer Ausführungsform wird der Diffusionsknoten zwischen der Übertragung der ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger und der restlichen Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger nicht rückgesetzt, so dass das Signal hoher Umwandlungsverstärkung und das Signal geringer Umwandlungsverstärkung auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass der Transfertransistor während der Speicherperiode auf den jeweiligen weiteren Spannungspegel gepulst wird, um eine weitere Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten zu übertragen, und dass ein weiteres Signal, das die weitere Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem weiteren Kondensator gespeichert wird, der mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist. Dies kann bedeuten, dass die S/H-Stufe weitere Kondensatoren umfassen kann, die kaskadiert oder parallel zu dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator angeordnet sind. Der weitere Spannungspegel kann der jeweilige Spannungspegel sein, der während der Belichtungsperiode anliegt. Das heißt, der weitere Spannungspegel kann der zweite Spannungspegel, der dritte Spannungspegel usw. sein. Das Pulsen des Transfertransistors auf den jeweiligen weiteren Spannungspegel kann vor dem Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel während der Speicherperiode erfolgen. Die Reihenfolge, in der die entsprechenden Spannungspegel während des Speicherzeitraums angelegt werden, kann die umgekehrte Reihenfolge sein, in der die entsprechenden Pulse während des Belichtungszeitraums angelegt werden. Die entsprechende weitere Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger gibt somit Auskunft über den Anteil an Ladungsträgern, der während der Belichtungszeit bei dem entsprechenden Puls auf den jeweiligen Spannungspegel abgeleitet wurde, und kann somit als weiterer Kalibrierungspegel dienen.
  • In einer Ausführungsform zeigt das weitere Signal einen weiteren Kalibrierungspegel an, der auf der weiteren Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert, und die Einstellung des Pixelausgangssignals erfolgt in Abhängigkeit von einem weiteren pixelspezifischen Kniepunktwert, der auf der Grundlage des weiteren Kalibrierungspegels bestimmt wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner während der Ausleseperiode das Auslesen des auf dem weiteren Kondensator gespeicherten weiteren Signals, wobei das Auslesen des weiteren Signals eine korrelierte Doppelabtastung umfasst. Dies kann bedeuten, dass das/die weitere(n) Signal(e), das LCG-Signal und das HCG-Signal auf einem gemeinsamen Rauschpegel beruhen.
  • Darüber hinaus ist ein weiteres Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung vorgesehen. Die oben beschriebene Pixelanordnung kann auch für dieses Betriebsverfahren verwendet werden. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung und den Bildsensor offenbart wurden, auch für das folgende Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung offenbart werden und umgekehrt. Ferner sind Aspekte des oben beschriebenen Verfahrens auch für das nachfolgende Verfahren relevant. Somit sind Ausführungsformen des obigen Verfahrens auch für das nachfolgende Verfahren offenbart und anwendbar.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben der Pixelanordnung das Akkumulieren von Ladungsträgern mit einem Fotodetektor, der von der Pixelanordnung umfasst wird, während einer Belichtungsperiode. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen der folgenden Schritte während der Akkumulation: erstes Pulsen eines Transfertransistors auf einen ersten Spannungspegel, um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger zu einem Diffusionsknoten zu übertragen, wobei der genannte Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung abgeleitet wird; zweites Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel, um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zu dem Diffusionsknoten zu übertragen, und Speichern eines Signals geringer Umwandlungsverstärkung, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator, der mit dem Diffusionsknoten verbunden ist. Am Ende der Belichtungsperiode umfasst das Verfahren ferner das Pulsen des Transfertransistors auf einen Vollspannungspegel, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten zu übertragen. Nach dem Pulsen auf den Vollspannungspegel umfasst das Verfahren ferner das Speichern eines Signals hoher Umwandlungsverstärkung, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator, der mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner während einer Ausleseperiode das Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung, die auf den Kondensatoren gespeichert sind.
  • Der erste Spannungspegel kann kleiner sein als der Vollspannungspegel. Der Vollspannungspegel kann z. B. 2,8 V betragen. Der erste Spannungspegel kann z. B. 0,8 V betragen. Die Speicherung des Signals hoher Umwandlungsverstärkung und des Signals geringer Umwandlungsverstärkung auf den Kondensatoren kann während einer Speicherperiode erfolgen. Somit kann sich die Speicherperiode mit der Belichtungsperiode überschneiden. Der Zeitraum zwischen dem ersten Puls auf den ersten Spannungspegel und dem zweiten Puls auf den ersten Spannungspegel kann als erste Integrationsperiode bezeichnet werden. Das Ableiten des Teils der akkumulierten Ladungsträger wird durch Anlegen eines Rücksetzsignals an einen Rücksetztransistor erreicht, wie oben erläutert.
  • Vorteilhafterweise nutzt das Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung die Barrierenmodulation des Transfertransistors zur Erhöhung des Dynamikbereichs der Pixelanordnung. Vorteilhafterweise sind nur zwei Speicherkondensatoren erforderlich, d.h. der erste und der zweite Kondensator, wobei einer der Kondensatoren das LCG-Signal speichert, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, und der andere der Kondensatoren das HCG-Signal speichert, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger repräsentiert. Vorteilhafterweise kann ein Pixelausgangssignal auf der Grundlage des LCG-Signals und des HCG-Signals rekonstruiert werden. Das HCG-Signal kann einen Kalibrierungspegel für die Barrierenmodulation angeben, insbesondere bei starken Lichtverhältnissen. Das LCG-Signal kann einen Referenzpegel für die korrelierte Doppelabtastung angeben, insbesondere bei schwachen Lichtverhältnissen.
  • In einer Ausführungsform wird die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger durch Anwendung einer geringen Umwandlungsverstärkung gespeichert. Dies kann bedeuten, dass das LCG-Signal mit einer geringen Umwandlungsverstärkung abgetastet/gespeichert wird. Dies kann erreicht werden, indem ein Kopplungssignal an einen Kopplungstransistor aktiviert wird. Der Kopplungstransistor kann als Dual-Conversion-Gain-Transistor bezeichnet werden. In einer Ausführungsform wird die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger durch Anwendung einer hohen Umwandlungsverstärkung gespeichert. Dies kann bedeuten, dass das LCG-Signal mit einer geringen Umwandlungsverstärkung abgetastet/gespeichert wird. Dies kann durch Deaktivierung des Kopplungssignals erreicht werden. Durch Anlegen des Kopplungssignals an den Dual-Conversion-Gain-Transistor ist der Diffusionsknoten elektrisch mit einem Dual-Conversion-Gain-Kondensator verbunden, der als dritter Kondensator bezeichnet werden kann. Somit können der Diffusionsknoten und der Dual-Conversion-Gain-Kondensator kurzgeschlossen werden. Durch das Kurzschließen des Diffusionsknotens und des Dual-Conversion-Gain-Kondensators wird die Gesamtkapazität erhöht. Da die Ladung konstant bleibt, führt dies zu einem verringerten Spannungssignal. So kann die Spannung am Diffusionsknoten komprimiert werden. Durch die Vergrößerung der Kapazität wird also die Verstärkung verringert. Das bedeutet, dass die Pixelanordnung eine verringerte Verstärkung hat, wenn der Diffusionsknoten und der dritte Kondensator kurzgeschlossen sind. Mit anderen Worten, die Pixelanordnung hat eine höhere Verstärkung, wenn der dritte Kondensator vom Diffusionsknoten elektrisch entkoppelt ist. Auf diese Weise können zwei verschiedene Umwandlungsverstärkungen bereitgestellt werden. Die Verwendung von Dual Gain ermöglicht einen größeren Dynamikbereich der Pixelanordnung. Vorteilhafterweise kann die zweifache Verstärkung mit einer Barrierenmodulation kombiniert werden, wodurch ein noch größerer Dynamikbereich erreicht wird. Vorteilhafterweise werden nur zwei Speicherkondensatoren benötigt, nämlich der erste und der zweite Kondensator. Im Dual-Conversion-Gain-Modus werden also beide Verstärkungen auf Kondensatoren auf Pixelebene gespeichert und stehen für die Rekonstruktion auf Spaltenebene zur Verfügung.
  • Der erste und der zweite Kondensator können parallel oder kaskadiert angeordnet sein. Vor der Belichtungsperiode kann es eine Rücksetzperiode geben, um alle überschüssigen Ladungsträger aus der Fotodiode und dem Diffusionsknoten zu entfernen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner nach dem ersten Pulsen auf den ersten Spannungspegel und vor dem zweiten Pulsen auf den ersten Spannungspegel mindestens ein zusätzliches Pulsen des Transfertransistors auf einen jeweiligen weiteren Spannungspegel, um einen jeweiligen weiteren Anteil der akkumulierten Ladungsträger zu dem Diffusionsknoten zu übertragen, wobei der weitere Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an die Versorgungsspannung abgeleitet wird.
  • In einem Beispiel umfasst das Verfahren das Pulsen des Transfertransistors auf einen zweiten Spannungspegel, um einen weiteren Anteil der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten zu übertragen, wobei der weitere Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an die Versorgungsspannung abgeleitet wird. Der zweite Spannungspegel kann kleiner sein als der erste Spannungspegel. Der zweite Spannungspegel kann z.B. 0,4 V betragen. Der Zeitraum zwischen dem Puls auf den zweiten Spannungspegel und dem zweiten Puls auf den ersten Spannungspegel kann als zweite Integrationsperiode bezeichnet werden. Die zweite Integrationsperiode ist also kleiner als die erste Integrationsperiode und überschneidet sich mit der ersten Integrationsperiode.
  • In einer Ausführungsform sind die Spannungspegel, auf die aufeinanderfolgende Pulse bis zum zweiten Puls auf den ersten Spannungspegel angelegt werden, gleich oder nehmen von Puls zu Puls ab. In einer Ausführungsform zeigt das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen Kalibrierungspegel an, der auf der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Einstellen eines Pixel-Ausgangssignals auf der Grundlage des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und/oder des Signals hoher Umwandlungsverstärkung in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels bestimmt wird. In einer Ausführungsform ist das Lesen des Signals für die geringe Umwandlungsverstärkung ein doppeltes Delta-Sampling-Lesen. In einer Ausführungsform ist das Lesen des Signals für die hohe Umwandlungsverstärkung ein korreliertes Doppelabtastungslesen.
  • Weitere Ausführungsformen der Verfahren ergeben sich für den geübten Leser aus den oben beschriebenen Ausführungsformen der Pixelanordnung und dem Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung und umgekehrt. Die Pixelanordnung kann ein Voltage-Domain-Global-Shutter-Pixel bilden. Alternativ dazu kann die Pixelanordnung ein Rolling-Shutter-Pixel bilden. Mit dem beschriebenen Verfahren wird HDR erreicht, ohne dass der Pipeline-Modus des Pixels (Pipelining der jeweiligen Signale zu den S/H-Kondensatoren) beeinträchtigt wird. Der Dynamikbereich kann durch die Verwendung mehrerer Barrieren noch erweitert werden. Die Pixelanordnung kann durch die Verwendung von nur zwei S/H-Kondensatoren eine geringe Fläche aufweisen. Außerdem kann die Leistung bei schwachem Licht durch die Verwendung von Komponenten mit zweifacher Umwandlungsverstärkung verbessert werden. Das Verfahren nutzt selbstkalibrierende Barrierenmodulation, so dass kein zusätzliches Auslesen erforderlich ist. Dies ist möglich, da das HCG-Signal einen Kalibrierungspegel als Referenzpegel zur Kalibrierung zusätzlicher Barrieren enthält. Die Offenbarung gilt für jedes System, bei dem eine der Ablesungen als Kalibrierung des Kniepunkts verwendet wird und zusätzliche Kniepunkte unter Verwendung des ersten Kniepunkts als Referenzpegel verwendet und kalibriert werden.
  • Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer bildgebenden Vorrichtung bereitgestellt, wobei die bildgebende Vorrichtung eine Pixelanordnung wie oben beschrieben umfasst. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung und den Bildsensor offenbart werden, auch für das Verfahren zum Betreiben der bildgebenden Vorrichtung offenbart werden und umgekehrt.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Bildgebungsvorrichtung folgende Schritte:
    • während einer Belichtungsperiode:
    • Akkumulieren von Ladungsträgern in einer ersten Integrationsperiode mit einem Fotodetektor eines Pixels, das von der Bildgebungsvorrichtung umfasst wird,
    • erstes Pulsen eines Transfertransistors am Ende der ersten Integrationsperiode auf einen ersten Spannungspegel, wobei der Transfertransistor elektrisch mit dem Fotodetektor gekoppelt ist,
    • Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern in einer zweiten Integrationsperiode mit dem Fotodetektor,
    • zweites Pulsen des Transfertransistors am Ende der zweiten Integrationsperiode auf einen zweiten Spannungspegel,
    • Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern in einer dritten Integrationsperiode mit dem Fotodetektor und
    • während einer Speicherperiode:
    • Rücksetzen eines Diffusionsknotens, der elektrisch mit dem Transfertransistor gekoppelt ist, und eines Umwandlungsverstärkungsknotens, der elektrisch mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist,
    • drittes Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel, um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten und den Umwandlungsverstärkungsknoten zu übertragen,
    • Speichern eines Signals geringer Umwandlungsverstärkung, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, in einem Paar von Kondensatoren, die elektrisch mit dem Diffusionsknoten verbunden sind,
    • viertes Pulsen des Transfertransistors auf einen Schwellenspannungspegel, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten zu übertragen,
    • Speichern eines Signals hoher Umwandlungsverstärkung, das die verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator des Kondensatorpaares, und
    • während einer Ausleseperiode:
    • Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung, die auf dem Kondensatorpaar gespeichert sind.
    • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem:
    • während der Belichtungsperiode:
    • mindestens ein weiteres Pulsen des Transfertransistors nach der dritten Integrationsperiode auf einen jeweiligen weiteren Spannungspegel, wobei
    • jedem weiteren Pulsen eine weitere Akkumulation von Ladungsträgern mit dem Fotodetektor in einer weiteren Integrationsperiode folgt.
  • In einer Ausführungsform wird bei jedem Pulsen während der Belichtungsperiode ein Anteil der akkumulierten Ladungsträger an eine Pixelversorgungsspannung abgeleitet.
  • In einer Ausführungsform ist der erste Spannungspegel größer als der zweite Spannungspegel.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung eine doppelte Delta-Abtastung, und das Auslesen des Signals hoher Umwandlungsverstärkung umfasst eine korrelierte doppelte Abtastung.
  • In einer Ausführungsform wird der Diffusionsknoten zwischen der Übertragung der ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger und der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger nicht rückgesetzt, so dass das Signal hoher Umwandlungsverstärkung und das Signal geringer Umwandlungsverstärkung auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren.
  • In einer Ausführungsform zeigt das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen Kalibrierungspegel an, der auf der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Einstellen eines Pixelausgangssignals auf der Grundlage des ausgelesenen Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels bestimmt wird.
  • Ferner wird eine Bildgebungsvorrichtung bereitgestellt, wobei die Bildgebungsvorrichtung die oben beschriebene Pixelanordnung umfasst. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung und den Bildsensor offenbart sind, auch für die Bildgebungsvorrichtung offenbart sind und umgekehrt.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Bildgebungsvorrichtung eine Vielzahl von Pixeln, wobei jedes Pixel umfasst:
    einen Fotodetektor, der so ausgelegt ist, dass er Ladungsträger durch Umwandlung elektromagnetischer Strahlung akkumuliert,
    einen Transfertransistor, der elektrisch mit dem Fotodetektor gekoppelt ist,
    einen Diffusionsknoten, der elektrisch mit dem Transfertransistor verbunden ist,
    einen Umwandlungsverstärkungsknoten, der über einen Verstärkungsschalter elektrisch mit dem Diffusionsknoten verbunden ist,
    einen Rücksetzschalter, der über den Verstärkungsschalter elektrisch mit dem Diffusionsknoten verbunden ist,
    eine Abtast- und Haltestufe, die ein Paar Kondensatoren umfasst, wobei ein Eingang der Abtast- und Haltestufe über einen Verstärker elektrisch mit dem Diffusionsknoten gekoppelt ist, wobei
    der Transfertransistor so ausgelegt ist, dass er auf verschiedene Spannungspegel gepulst wird,
    das Kondensatorpaar so ausgelegt ist, dass es ein Signal geringer Umwandlungsverstärkung speichert, das eine ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, und wobei
    ein erster Kondensator des Kondensatorpaares ferner so ausgelegt ist, dass er ein Signal hoher Umwandlungsverstärkung speichert, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Bildgebungsvorrichtung außerdem einen Dual-Gain-kondensator, der elektrisch mit dem Umwandlungsverstärkungsknoten gekoppelt ist.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Kondensatorpaar einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, wobei ein erstes Ende des ersten Kondensators über einen ersten Schalter elektrisch mit dem Verstärker gekoppelt ist, ein erstes Ende des zweiten Kondensators über einen zweiten Schalter elektrisch mit dem ersten Ende des ersten Kondensators gekoppelt ist und einen Ausgang der Abtast- und Haltestufe bildet, und zweite Enden beider Kondensatoren elektrisch mit einem Konstantspannungsknoten verbunden sind.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Bildgebungsvorrichtung außerdem einen Auswahlschalter, der den Ausgang der Abtast- und Haltestufe über einen weiteren Verstärker mit einem Spaltenbus verbindet.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgende Beschreibung der Figuren kann Aspekte der Pixelanordnung und des Verfahrens zum Betrieb der Pixelanordnung weiter veranschaulichen und erläutern. Komponenten und Teile der Pixelanordnung, die funktional identisch sind oder eine identische Wirkung haben, sind durch identische Referenzsymbole gekennzeichnet. Identische oder praktisch identische Komponenten und Teile werden möglicherweise nur in Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen sie zuerst vorkommen. Ihre Beschreibung wird in den nachfolgenden Abbildungen nicht unbedingt wiederholt.
    • zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Pixelanordnung.
    • zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Bildsensors.
    • zeigt einen beispielhaften Vorgang, der von der Pixelanordnung ausgeführt wird.
    • zeigt ein beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung.
    • zeigt die Ladung an der Fotodiode während der Barrierenmodulation.
    • zeigt eine beispielhafte Charakteristik der Pixelanordnung.
    • zeigt ein linear rekonstruiertes Signal.
    • zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Pixelanordnung.
    • zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Pixelanordnung.
    • zeigt ein weiteres beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung.
    • zeigt ein weiteres beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung.
    • zeigt ein weiteres beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung.
    • zeigt ein weiteres beispielhaftes Merkmal der Pixelanordnung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Pixelanordnung 10 dargestellt, die von einen Bildsensor 200 umfasst ist. Die dargestellte Pixelanordnung 10 kann so betrieben werden, dass ein hoher Dynamikbereich (HDR) erreicht wird. Die Pixelanordnung 10 ist so ausgelegt, dass sie elektromagnetische Strahlung in ein Signal hoher Umwandlungsverstärkung (HCG) und in ein Signal geringer Umwandlungsverstärkung (LCG) umwandelt.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst eine Fotodiode 20, die so ausgelegt ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in Ladungsträger umwandelt. Die Fotodiode 20 kann auch als Fotodetektor 20 bezeichnet werden. Die Fotodiode 20 umfasst einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss. Ein Anodenanschluss der Fotodiode 20 ist mit einer negativen Pixelversorgungsspannung VSS verbunden, die auch Masse (GND) sein kann. Die Fotodiode 20 kann Licht beliebiger Wellenlänge umwandeln, z. B. sichtbares Licht, Infrarotlicht und/oder ultraviolettes Licht.
  • Das Pixel umfasst außerdem einen Transfertransistor 30 zwischen der Fotodiode 20 und einem Diffusionsknoten 42. Der Transfertransistor 30 fungiert als Schalter. Der Transfertransistor 30 ist so ausgelegt, dass er auf verschiedene Spannungspegel gepulst werden kann, um Teile der akkumilierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten 42 zu übertragen. Ein erster Anschluss des Transfertransistors 30 ist elektrisch mit dem Kathodenanschluss der Fotodiode 20 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transfertransistors 30 ist elektrisch mit dem Diffusionsknoten 42 verbunden. Der Diffusionsknoten 42 kann im Folgenden als potentialfreier Diffusionsknoten (FD) bezeichnet werden. Der FD-Knoten 42 kann eine Kapazität 40 aufweisen oder mit ihr verbunden sein (in dargestellt). Die Kapazität kann als Kondensator (nicht dargestellt) implementiert sein und kann als FD-Kapazität bezeichnet werden. Alternativ kann die Kapazität auch durch parasitäre Kapazitäten gebildet werden. Der Transfertransistor 30 ist so ausgelegt, dass er ein Transfersignal TX zum Übertragen von Ladungsträgern von der Fotodiode 20 zum FD-Knoten 42 empfängt. Der FD-Knoten 42, insbesondere die FD-Kapazität, ist so ausgelegt, dass er Ladungsträger von der Fotodiode 20 puffert oder vorübergehend speichert. Die FD-Kapazität kann so ausgelegt sein, dass sie die Ladungsträger in ein Spannungssignal umwandelt.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen Rücksetztransistor 50, der elektrisch mit dem FD-Knoten 42 verbunden ist, um den FD-Knoten 42 rückzusetzen. Der Rücksetztransistor 50 fungiert als Schalter. Ein erster Anschluss des Rücksetztransistors 50 ist elektrisch mit einer Pixelversorgungsspannung VDD verbunden. Ein zweiter Anschluss des Rücksetztransistors 50 ist über einen Koppeltransistor 140 elektrisch mit dem FD-Knoten verbunden. Der Koppeltransistor 140 kann als Dual-Conversion-Gain (DCG)-Transistor 140 bezeichnet werden. Der Rücksetztransistor 30 ist so ausgelegt, dass er ein Rücksetzsignal RST zum Rücksetzen des FD-Knotens 42 empfängt, indem er die Pixelversorgungsspannung VDD anlegt und somit alle überschüssigen Ladungsträger ableitet.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen Verstärker 60, der elektrisch mit dem FD-Knoten 42 verbunden ist. Der Verstärker 60 ist so ausgelegt, dass er das LCG-Signal (Low Conversion Gain) bzw. das HCG-Signal (High Conversion Gain) in Abhängigkeit von der Kapazitätsspannung am FD-Knoten 42 erzeugt. Der Verstärker 60 kann, wie in dargestellt, einen Common-Drain-Verstärker bilden, der auch als Source-Follower bezeichnet wird. Ein Gate-Anschluss 62 des Source-Followers ist mit dem FD-Knoten 42 verbunden und dient als Eingangsanschluss 62 des Verstärkers 60. Ein gemeinsamer Anschluss ist mit der Versorgungsspannung VDD verbunden. Das jeweils verstärkte Signal wird an einem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 erzeugt.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen ersten Kondensator 70 und einen zweiten Kondensator 80. Der erste Kondensator 70 umfasst einen Anschlussknoten 72 und einen weiteren Anschlussknoten 74. Der weitere Anschlussknoten 74 kann mit einem Bezugspotenzial VSS1 verbunden sein, wie in dargestellt. Ferner umfasst der zweite Kondensator 80 einen Anschlussknoten 82 und einen weiteren Anschlussknoten 84. Der weitere Anschlussknoten 84 kann mit dem in gezeigten Bezugspotenzial VSS1 verbunden sein. Zumindest der zweite Kondensator 80 ist so ausgelegt, dass er das LCG-Signal speichert, das eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt. Der erste Kondensator 70 ist so ausgelegt, dass er das HCG-Signal speichert, das eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen ersten Schalter 90 zwischen dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 und dem ersten Kondensator 70. Der erste Schalter 90 ist für die Übertragung des LCG-Signals und des HCG-Signals an einen oder beide Kondensatoren 70, 80 vorgesehen. Der erste Schalter 90 kann durch einen ersten Schalttransistor 90 gebildet werden. Der erste Schalttransistor umfasst einen Gate-Anschluss, der zum Empfang eines ersten Schaltsignals S1 ausgelegt ist. Ein erster Anschluss des ersten Schalttransistors 90 ist mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Schalttransistors 90 ist mit dem Anschlussknoten 72 des ersten Kondensators 70 verbunden.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen zweiten Schalter 100, der zwischen dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 und dem zweiten Kondensator 80 angeordnet ist. Der zweite Schalter 100 ist für die Übertragung des LCG-Signals oder des HCG-Signals an den zweiten Kondensator 80 vorgesehen. Der zweite Schalter 100 kann durch einen zweiten Schalttransistor 100 gebildet werden. Der zweite Schalttransistor 100 kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der zum Empfang eines zweiten Schaltsignals S2 ausgelegt ist. Ein erster Anschluss des zweiten Schalttransistors 100 ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalttransistors 90 und mit dem Anschlussknoten 72 des ersten Kondensators 70 verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Schalttransistors 100 ist mit dem Anschlussknoten 82 des zweiten Kondensators 80 verbunden.
  • Die Pixelanordnung 10 gemäß 1 umfasst ferner einen Vorladetransistor 160, der elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden ist. Der Vorladetransistor 160 kann zum Vorladen des ersten Kondensators 70 und des zweiten Kondensators 80 vorgesehen sein, was insbesondere bedeuten kann, dass die Kondensatoren 70, 80 entladen werden, bevor neue Signale gespeichert werden. Der Vorladetransistor 160 umfasst einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Referenzpotenzial VSS1 verbunden ist. Durch Anlegen eines Vorladesignals PC an den Vorladetransistor 160 werden der erste und der zweite Kondensator 70, 80 entladen, und es wird ein Vorspannungsstrom für den Verstärker 60 geliefert.
  • In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist der zweite Anschluss des Vorladetransistors 160 mit einem weiteren Referenzpotential VSS_PC verbunden, das sich von der Referenzspannung VSS1 unterscheiden kann.
  • Die Pixelanordnung 10 gemäß 1 umfasst ferner einen weiteren Verstärker 110, der einen mit dem zweiten Kondensator 80 elektrisch verbundenen Eingangsanschluss 112 aufweist und der zur Erzeugung eines Pixelausgangssignals an einem Ausgangsanschluss 114 des weiteren Verstärkers 110 ausgebildet ist. Der weitere Verstärker 110 kann wie der Verstärker 60 als Source-Folger ausgeführt sein, wobei das Gate 112 als Eingangsanschluss 112 wirkt und ein gemeinsamer Anschluss mit der Pixelversorgungsspannung VDD verbunden ist.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen Auswahltransistor 120 zwischen dem Ausgangsanschluss 114 des weiteren Verstärkers 110 und einem Spaltenbus 130 zur Übertragung des Pixelausgangssignals an den Spaltenbus 130. Der Auswahltransistor 120 umfasst einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss 114 des weiteren Verstärkers 110 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Spaltenbus 130 verbunden ist. Durch Anlegen eines Auswahlsignals SEL an den Auswahltransistor 120 wird das Pixelausgangssignal an den Spaltenbus 130 weitergeleitet.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen Kopplungstransistor 140 zwischen dem FD-Knoten 42 und dem Rücksetztransistor 50. Ferner umfasst die Pixelanordnung 10 einen dritten Kondensator 150. Der dritte Kondensator 150 umfasst einen Anschlussknoten 152 und einen weiteren Anschlussknoten 154. Der weitere Anschlussknoten 154 des dritten Kondensators 150 ist mit einem zweiten weiteren Referenzpotential Vref verbunden, das auch VSS sein kann. Der Kopplungstransistor 140 umfasst einen ersten Anschluss, der mit dem FD-Knoten 42 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Anschlussknoten 152 des dritten Kondensators 150 verbunden ist. Durch Anlegen eines Kopplungssignals DCG an den Kopplungstransistor 140 wird der FD-Knoten 42 mit dem Anschlussknoten 152 des dritten Kondensators 150 kurzgeschlossen. Dadurch wird die Gesamtkapazität erhöht und die Umwandlungsverstärkung verringert. Der Koppeltransistor 140 kann als Dual-Conversion-Gain-Transistor 140 bezeichnet werden, und der dritte Kondensator 150 kann als Dual-Conversion-Gain-Kondensator 150 bezeichnet werden. Das Kopplungssignal DCG kann als Dual-Conversion-Gain-Signal DCG bezeichnet werden.
  • Die Kapazität des FD-Knotens 42 umfasst z. B. eine Kapazität des Eingangsanschlusses 62 des Verstärkers 60, eine Kapazität eines pn-Übergangs eines Anschlusses des Transfertransistors 30 und eine Kapazität eines pn-Übergangs des ersten Anschlusses des Koppeltransistors 140. Somit können parasitäre Kapazitäten der an den FD-Knoten 42 angeschlossenen Transistoren zu der Kapazität des FD-Knotens 42 führen. Der Wert der Kapazität des FD-Knotens 42 kann die Summe der Werte der parasitären Kapazitäten der mit dem FD-Knoten 42 verbundenen Transistoren sein. Optional enthält die Pixelanordnung 10 z. B. einen Kondensator (nicht dargestellt), der mit dem FD-Knoten 42 verbunden ist; dieser Kondensator kann zur Kapazität beitragen.
  • Zum Beispiel sind die Kapazität des ersten Kondensators 70 und die Kapazität des zweiten Kondensators 80 gleich. Die Kapazität des ersten Kondensators 70 ist z. B. höher als der Wert der Kapazität des FD-Knotens 42. Die Kapazität des zweiten Kondensators 80 ist z. B. größer als der Wert der Kapazität des FD-Knotens 42. Die Kapazität des dritten Kondensators 150 ist z. B. größer als der Wert der Kapazität des FD-Knotens 42. Der erste und der zweite Kondensator 70, 80 sind z. B. als Metall-Isolator-Metall-Kondensator oder als Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator ausgeführt. Der dritte Kondensator 150 ist z.B. als Metall-Isolator-Metall-Kondensator oder als Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator ausgeführt.
  • Der erste Kondensator 70 und der zweite Kondensator 80 sowie der erste Schalttransistor 90 und der zweite Schalttransistor 100 bilden eine Sampleand-Hold-Stufe, die über den Verstärker 60 mit dem Diffusionsknoten 42 elektrisch gekoppelt ist. Der Verstärker 60 und/oder der weitere Verstärker 110 und/oder der Vorladetransistor 160 können Teil der Abtast- und Haltestufe sein.
  • zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Bildsensors 200 mit der Pixelanordnung 10. Der Bildsensor
  • 200 umfasst ein Array von Pixelanordnungen 10. Außerdem umfasst der Bildsensor 200 einen Zeilentreiber 204, der das Übertragungssignal TX, das Kopplungssignal DCG, das Rücksetzsignal RST, das Vorladesignal PC, das erste Schaltsignal S1, das zweite Schaltsignal S2 und das Auswahlsignal SEL an das Array von Pixelanordnungen 10 liefert. Der Zeilentreiber 204 stellt diese Signale für jede der Zeilen bereit. Der Bildsensor 200 enthält eine Auswerteschaltung 205 zum Digitalisieren der Signale an den Spaltenbussen 130.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise der Pixelanordnung 10 erläutert. zeigt einen beispielhaften Vorgang, der von der in gezeigten Pixelanordnung 10 ausgeführt wird. In 3 ist der Betrieb in Blöcken dargestellt. Ein Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung 10 umfasst z. B. die folgenden Blöcke, die als Verfahren oder Schritte bezeichnet werden können:
  • Block 350: Beginn der Belichtung: Elektromagnetische Strahlung wird von der Fotodiode 20 in Ladungsträger umgewandelt. Dies bedeutet, dass in der Fotodiode 20 Ladungsträger akkumuliert werden. Diese Phase kann als Belichtungsperiode EP bezeichnet werden. Die Belichtungsperiode EP kann in mehrere aufeinander folgende Integrationszeiten T1, T2, T3 usw. unterteilt werden. Die Anzahl der Integrationsperioden kann mindestens zwei betragen.
  • Block 351: Die Transferbarriere wird auf der Grundlage einer Systemeingabe geändert: Das Transfersignal TX, das dem Transfertransistor 30 zugeführt wird, steuert eine Barriere zwischen der Fotodiode 20 und dem FD-Knoten 42. Der Transfertransistor wird auf einen ersten Spannungspegel V1 des Transfersignals TX gepulst. Der erste Spannungspegel V1 des Transfersignals TX wird so gewählt, dass die Barriere für einen Ladungsträgerfluss zwischen der Fotodiode 20 und dem FD-Knoten 42 abgesenkt wird. Das bedeutet, dass ein Teil der angesammelten Ladungsträger zum FD-Knoten 42 übertragen wird. Danach werden die Ladungsträger weiter akkumuliert. Der Transfertransistor kann auf einen zweiten Spannungspegel V2 des Transfersignals TX gepulst werden. Der zweite Spannungspegel V2 des Transfersignals TX kann so gewählt werden, dass der erste Spannungspegel V1 größer ist als der zweite Spannungspegel V2. Durch den zweiten Puls wird ein weiterer Teil der akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42 übertragen. Während der Gesamtbelichtung kann eine beliebige Anzahl von Pulsen angelegt werden. Zum Beispiel wird ein dritter Puls auf einen dritten Spannungspegel V3 angelegt. In einem Beispiel ist der erste Spannungspegel V1 gleich oder größer als der zweite Spannungspegel V2. Im Allgemeinen kann der jeweilige Spannungspegel nachfolgender Pulse gleich oder kleiner sein als der Spannungspegel eines vorangegangenen Pulses. Dies kann bedeuten, dass V1≥V2≥V3 usw.
  • Die Ableitung der Anteile der akkumulierten Ladungsträger an die Pixelversorgungsspannung kann durch gleichzeitiges Anlegen des Rücksetzsignals RST und des Kopplungssignals DCG erfolgen, so dass der FD-Knoten 42 elektrisch mit der Pixelversorgungsspannung VDD verbunden ist. Die Ableitung des besagten Anteils kann während der Belichtungsperiode EP oder am Ende der Belichtungsperiode EP oder nach der Belichtungsperiode EP erfolgen, beispielsweise zu Beginn einer Speicherperiode FS oder in einer speziellen Ableitungsperiode D (siehe 4).
  • Mit anderen Worten: Während der gesamten Belichtungszeit kann der Transfertransistor 30 n-mal auf einen Teilpegel gepulst werden, und die Ladung wird durch den DCG-Transistor 140 und den Rücksetztransistor 50 zur Versorgung VDD abgeleitet. Auf diese Weise können während der Belichtung mehrere Barrieren verwendet und kalibriert werden, um den Pegel der ersten Barriere als Referenzpunkt zu verwenden und den Dynamikbereich weiter zu erweitern.
  • In einem Beispiel wird der Transfertransistor 30 nach einer ersten Integrationsperiode T1 auf einen ersten (Teil-)Spannungspegel V1 gepulst und ein Teil der Fotodiodenladung wird zur Versorgung VDD abgeleitet. Einige Zeit später kann der Transfertransistor 30 erneut auf einen zweiten Spannungspegel V2 gepulst werden. Die Zeit zwischen dem ersten Puls auf den ersten Spannungspegel V1 und dem zweiten Puls auf den zweiten Spannungspegel V2 kann als zweite Integrationsperiode T2 bezeichnet werden. Die Zeit nach dem zweiten Puls auf den zweiten Spannungspegel V2 kann als dritte Integrationsperiode T3 bezeichnet werden. Der erste Spannungspegel V1 kann größer sein als der zweite Spannungspegel V2, d. h. V1>V2.
  • Block 352: Übertragung eines ersten Teils der von der Fotodiode 20 akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42 und den dritten Kondensator 150. Dem Transfertransistor 30 wird ein Puls des Transfersignals TX zugeführt, der dem ersten Spannungspegel V1 entspricht. Das bedeutet, dass der erste Spannungspegel V1 an den Transfertransistor 30 angelegt wird. An den Kopplungstransistor 140 wird ein Puls des Kopplungssignals DCG angelegt. Die erste Teilmenge der Ladungsträger, die den in der letzten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträgern entspricht, wird von der Fotodiode 20 über den Transfertransistor 30 und den Kopplungstransistor 140 auf die Kapazität 40 des FD-Knotens 42 und den dritten Kondensator 150 übertragen. Dadurch erzeugen die Ladungsträger eine Kapazitätsspannung VC am Eingang 62 des Verstärkers 60. Da die Gesamtkapazität des FD-Knotens und des dritten Kondensators groß ist, wird die Verstärkung des an den Eingangsanschluss 62 des Verstärkers 60 angelegten Signals verringert (geringe Verstärkung).
  • Block 353: In einer ersten Phase FS1 der Speicherperiode FS Speichern einer ersten Teilmenge der Ladungsträger auf dem ersten und dem zweiten Kondensator 70, 80: Der erste und der zweite Schalttransistor 90, 100 werden in einen leitenden Zustand versetzt, um die erste Teilmenge der Ladungsträger vom FD-Knoten 42 zum zweiten Kondensator 80 zu übertragen. Dies kann bedeuten, dass die verstärkte Kapazitätsspannung an den ersten und den zweiten Kondensator 70, 80 angelegt wird. Das zweite Schaltsignal S2 kann einen kurzen Puls zum Ausgleich der Spannungen an dem ersten und dem zweiten Kondensator 70, 80 aufweisen. Dies kann bedeuten, dass das Signal auf den ersten und den zweiten Kondensator 70, 80 umverteilt wird. Die verstärkte Kapazitätsspannung entspricht dem Low-Conversion-Gain (LCG)-Signal.
  • Block 354: In einer ersten Phase RO1 der Ausleseperiode RO, Auslesen des zweiten Kondensators 80: Eine am zweiten Kondensator 80 abgegriffene Ausgangsspannung VO wird durch den weiteren Verstärker 110 verstärkt. Falls der Auswahltransistor 120 in einer ersten Auslesephase RO1 der Ausleseperiode RO in einen leitenden Zustand versetzt wird, wird die verstärkte Ausgangsspannung der Spaltenleitung 130 zur Digitalisierung zugeführt. In Abhängigkeit von einem ersten Wert der Ausgangsspannung VO wird ein erster Digitalisierungswert erzeugt, z.B. durch eine Auswerteschaltung (dargestellt in 2). Der genannte erste Wert der Ausgangsspannung VO entspricht dem LCG-Signal.
  • Block 355: Übertragung der verbleibenden Ladungsträger an den FD-Knoten 42: Ein zweiter Puls des Transfersignals TX wird an den Transfertransistor 30 angelegt, um die restlichen Ladungsträger von der Fotodiode 20 zum FD-Knoten 42 zu übertragen. Der zweite Puls kann einem Vollspannungspegel Vf des Transfertransistors 30 entsprechen, so dass die Barriere zwischen der Fotodiode 20 und dem FD-Knoten 42 minimiert oder entfernt wird.
  • Der erste Spannungspegel V1 des Transfersignals führt zu einer höheren Barriere als der Vollspannungspegel Vf. In einem Beispiel ist V1 < Vf. Der Kopplungstransistor 140 bleibt in einem nichtleitenden Zustand, so dass die einzelne Kapazität des FD-Knotens 42 zu einer hohen Verstärkung des am Eingangsanschluss 62 des Verstärkers 60 anliegenden Signals führt.
  • Block 356: In einer zweiten Phase FS2 der Speicherperiode FS Speichern der verbleibenden von der Fotodiode 20 akkumulierten Ladungsträger auf dem ersten Kondensator 70. Dies kann bedeuten, dass die Kapazitätsspannung VC, die am FD-Knoten 42 abgegriffen wird, durch den Verstärker 60 verstärkt wird. Die verstärkte Kapazitätsspannung wird dem ersten Kondensator 70 zugeführt, indem ein Puls des ersten Schaltsignals S1 an den ersten Schalttransistor 90 angelegt wird. Die verstärkte Kapazitätsspannung entspricht dem Signal hoher Umwandlungsverstärkung (HCG).
  • Block 357: In einer zweiten Phase RO2 der Ausleseperiode RO, Auslesen des ersten Kondensators 70: Nachdem in Block 354 in der ersten Auslesephase RO1 die Ausgangsspannung VO am zweiten Kondensator 80 ausgelesen wurde, wird der zweite Schalttransistor 100 in einen leitenden Zustand versetzt. Damit gleichen sich die Spannungen am ersten Kondensator 70 und am zweiten Kondensator 80 an. Da die Kapazitätsspannung VC noch durch den Verstärker 60 verstärkt wird, ist die Ausgangsspannung VO am zweiten Kondensator 80 gleich der verstärkten Kapazitätsspannung. Die Ausgangsspannung VO wird durch den weiteren Verstärker 110 verstärkt. Wenn der Auswahltransistor 120 in der zweiten Auslesephase RO2 der Auslesephase RO in einen leitenden Zustand versetzt wird, wird die verstärkte Ausgangsspannung der Spaltenleitung 130 zur Digitalisierung zugeführt. In Abhängigkeit von einem zweiten Wert der Ausgangsspannung VO wird von der Auswerteschaltung ein zweiter Digitalisierungswert erzeugt. Dieser zweite Wert der Ausgangsspannung VO entspricht dem HCG-Signal.
  • Typischerweise werden die Schritte der Blöcke 352, 353, 355, 356 in der Frame-Speicherperiode FS durchgeführt. Die Schritte der Blöcke 354, 357 werden in der Ausleseperiode RO ausgeführt.
  • Block 358: Subtraktion einer Spannung des zweiten Kondensators 80 bzw. eines digitalisierten Wertes der Spannung des zweiten Kondensators 80 von einer Spannung des ersten Kondensators 70 bzw. eines digitalisierten Wertes der Spannung des ersten Kondensators 70: Ein Ausgangssignal, das eine Beleuchtungsstärke IL der Fotodiode 20 darstellt, ist eine Funktion des ersten digitalisierten Wertes (resultierend aus Block 353) und des zweiten digitalisierten Wertes (resultierend aus Block 357). In einem Beispiel wird der erste digitalisierte Wert (resultierend aus Block 353) von dem zweiten digitalisierten Wert (resultierend aus Block 357) durch die Auswerteschaltung subtrahiert. Durch diesen Vorgang kann auf das HCG-Signal mit korrelierter Doppelabtastung (CDS) zugegriffen werden, da der erste (digitalisierte) Wert und der zweite (digitalisierte) Wert auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren.
  • Block 359: Verstärkung des LCG-Signals. Dies kann bedeuten, dass das LCG-Signal angepasst wird. Insbesondere kann das LCG-Signal verstärkt werden. Die Anpassung oder Verstärkung des LCG-Signals kann durch die Auswerteschaltung 205 vorgenommen werden. Das LCG-Signal wird mittels des dritten Kondensators 150 (Dual-Conversion-Gain Kondensator 150) mit einer geringeren Verstärkung abgetastet, um den Dynamikbereich zu erhöhen. Um diese Verstärkungsanpassung zu korrigieren, wird das LCG-Signal in Block 359 hochverstärkt. Außerdem kann auf das LCG-Signal mit doppelter Delta-Abtastung (DDS) zugegriffen werden. Das LCG-Signal wird bei hohen Beleuchtungsstärken verwendet, bei denen das thermische Rauschen weniger relevant ist, da das Photonenschussrauschen dominiert. Daher ist eine korrelierte Doppelabtastung zur Entfernung des Rauschens aus dem Videosignal nicht erforderlich. Es kann jedoch erwünscht sein, das fixed-Pattern-Rauschen (FPN) aus dem Videosignal zu entfernen. Durch die Durchführung einer doppelten Delta-Abtastung (DDS) kann FPN aus dem LCG-Signal entfernt werden. DDS kann durch Subtraktion eines Rücksetzpegels vom LCG-Signal durchgeführt werden, wobei der Rücksetzpegel in einer dritten Phase RO3 der Ausleseperiode RO nach der zweiten Auslesephase RO2 ausgelesen werden kann.
  • Block 360: Kniepunkt-Kalibrierung pro Pixel: Das HCG-Signal enthält den ersten Kalibrierungspegel, der in der Nachbearbeitung benötigt wird, um FPN zu entfernen, das durch Schwankungen der Transfertransistoren 30 verursacht wird, die die Schwellenspannung der Transfertransistoren 30 beeinflussen. Da der gleiche erste Spannungspegel V1, der für die Barrierenmodulation während der Belichtungsperiode angelegt wurde, auch während der Frame Speicherung angelegt wird, enthält das HCG-Signal den Kniepunkt-Kalibrierungswert, der während der Linearisierung und für die FPN-Korrektur benötigt wird. Die Kniepunktkorrektur für weitere Pulse (z. B. auf den zweiten Spannungspegel V2) des Transfertransistors 30 während der Integration kann abgebildet werden und den exakten Kalibrierungswert des ersten Spannungspegels V1 als Bezugspunkt verwenden. Der Kalibrierungswert wird auch als Referenz verwendet, um die FPN-Schwankungen zu beseitigen, die durch die zusätzlichen Pulse während der Integration verursacht wurden. Da während der Gesamtbelichtung eine beliebige Anzahl von Pulsen angelegt werden kann, kann der exakte Kalibrierungswert des ersten Spannungspegels V1 auch als Referenz für die Korrektur solcher weiterer Pulse verwendet werden. Im Falle eines dritten Pulses auf einen dritten Spannungspegel V3 könnte man beispielsweise den V3-Puls korrigieren, indem man den exakten Pegel von V1 als Referenz verwendet. Die Kniepunkt-Kalibrierung wird für jedes Pixel separat durchgeführt. Außerdem ist die Pixelanordnung 10 selbstkalibrierend, da die Barriereninformation im HCG-Signal enthalten ist. Daher ist kein zusätzliches Auslesen erforderlich. Block 360 ist optional.
  • Block 361: Linearisierung. Es ist möglich, ein linearisiertes Pixelausgangssignal zu rekonstruieren, d. h. ein Pixelausgangssignal, das linear von der Beleuchtungsstärke abhängt. Eine solche Rekonstruktion wird im Folgenden erläutert. Die Dauer der Integrationsperioden kann zur Rekonstruktion des Pixelausgangssignals verwendet werden. Die Spannungspegel V1, V2 usw. des Pulses für die Barrierenmodulation des Transfertransistors 30 können optional verwendet werden, um das Pixelausgangssignal zu rekonstruieren.
  • zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm, das von einer Pixelanordnung 10, die z. B. in dargestellt ist, ausgeführt wird. Die folgenden Signale sind in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt: Das Übertragungssignal TX, das Kopplungssignal DCG, das Rücksetzsignal RST, das erste Schaltsignal S1 und das zweite Schaltsignal S2. Es sei darauf hingewiesen, dass der dargestellte Signalverlauf eher ein Beispiel ist und variiert werden könnte. Außerdem sollte die Skalierung der Zeitintervalle nicht als exakte Angabe verstanden werden.
  • zeigt eine Rücksetzperiode R, eine Belichtungsperiode EP, eine Ableitungsperiode D und eine (Frame-)Speicherperiode FS. Eine Ausleseperiode RO ist nicht dargestellt. Die Ausleseperiode RO würde auf die Speicherperiode FS folgen. Die Speicherperiode FS folgt auf die Belichtungsperiode EP. Die Belichtungsperiode EP folgt auf die Rücksetzperiode R. Die Belichtungsperiode EP umfasst die erste, die zweite und die dritte Integrationsperiode T1, T2 und T3. Die dritte Integrationsperiode folgt auf die zweite Integrationsperiode T2, die auf die erste Integrationsperiode T1 folgt. Die Speicherperiode FS umfasst eine erste und eine zweite Speicherphase FS1, FS2. Die zweite Speicherphase FS2 folgt auf die erste Speicherphase FS1. Die Speicherperiode FS kann eine globale Speicherperiode für jedes Pixel innerhalb des Pixelarrays sein. Die Ausleseperiode RO kann für jede Zeile separat durchgeführt werden. Daher kann zwischen der zweiten Speicherphase FS2 und der Ausleseperiode RO eine Zeitlücke bestehen.
  • Während der Rücksetzperiode R wird ein Rücksetzsignal RST, ein Kopplungssignal DCG und ein Übertragungssignal TX angelegt. Dies kann bedeuten, dass der Rücksetztransistor 50, der Kopplungstransistor 140 (Dual-Conversion-Gain-Transistor 140) und der Transfertransistor 30 gepulst werden, was dazu führt, dass alle überschüssigen Ladungsträger durch Anschluss der Fotodiode 20 und des FD-Knotens 42 an die Pixelversorgungsspannung VDD abgeleitet werden. Der Transfertransistor 30 kann auf den Vollspannungspegel Vf gepulst werden.
  • Während der ersten Integrationsperiode T1 werden Ladungsträger von der Fotodiode 20 akkumuliert. Die Menge der akkumulierten Ladungsträger hängt von der Dauer der ersten Integrationsperiode T1 ab. Am Ende der ersten Integrationsperiode T1 wird das Transfergate 30 auf einen ersten Spannungspegel V1 gepulst. Dies führt zu einem Transfer eines Teils der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten 42. Dieser Teil ist dazu ausgelegt, dass er in einer späteren Phase an die Pixelversorgungsspannung VDD abgeleitet wird.
  • Nach diesem Puls des Transfergates 30 werden in der zweiten Integrationsperiode T2 weiterhin Ladungsträger von der Fotodiode 20 akkumuliert. Die zweite Integrationsperiode T2 kann kürzer sein als die erste Integrationsperiode T1. Die Menge der akkumulierten Ladungsträger in der zweiten Integrationsperiode T2 hängt von der Dauer der zweiten Integrationsperiode T2 ab.
  • Am Ende der zweiten Integrationsperiode T2 wird das Transfergate 30 auf einen zweiten Spannungspegel V2 gepulst, der kleiner als der erste Spannungspegel sein kann. Dies führt zu einer Übertragung eines weiteren Teils der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten 42. Dieser weitere Teil ist ebenfalls dazu ausgelegt, dass er in einer späteren Phase an die Pixelversorgungsspannung VDD abgeleitet wird.
  • Nach diesem Puls des Transfergatters 30 werden in der dritten Integrationsperiode T3 weiterhin Ladungsträger von der Fotodiode 20 akkumuliert. Die dritte Integrationsperiode T3 kann kürzer sein als die zweite Integrationsperiode T2. Die Menge der akkumulierten Ladungsträger in der dritten Integrationsperiode T3 hängt von der Dauer der dritten Integrationsperiode T3 ab.
  • In der anschließenden Ableitungsperiode wird am Ende der dritten Integrationsperiode T3 ein Rücksetz-Puls RST und ein Kopplungspuls DCG angelegt. Dadurch werden alle überschüssigen Ladungsträger vom Diffusionsknoten 42 entfernt, insbesondere die Anteile der akkumulierten Ladungsträger, die während der Belichtungszeit durch die TX-Impulse (V1, V2 usw.) übertragen wurden. Diese Anteile werden somit an die Pixelversorgungsspannung VDD abgeleitet.
  • In der folgenden ersten Speicherphase FS1 der Speicherperiode FS wird das Transfergate 30 wieder auf den ersten Spannungspegel V1 gepulst. Dies führt zu einer Übertragung einer ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42. Diese erste Teilmenge kann den Ladungsträgern entsprechen, die während der letzten Integrationsperiode, z.B. der dritten Integrationsperiode T3, akkumuliert wurden. Gleichzeitig wird das Kopplungssignal DCG hochgeschaltet, um die Verstärkung durch Kurzschließen des FD-Knotens 42 mit dem dritten Kondensator 150 zu verringern. Dann werden das erste und das zweite Schaltsignal S1, S2 angelegt, um das LCG-Signal, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf dem Kondensatorpaar 70, 80 zu speichern, das über den Source-Follower 60 elektrisch mit dem FD-Knoten 42 gekoppelt ist. Das LCG-Signal kann auf den ersten Kondensator 70 und den zweiten Kondensator 80 umverteilt werden.
  • Die zweite Speicherphase FS2 folgt, indem der Transfertransistor 30 auf den Vollspannungspegel Vf gepulst wird, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42 zu übertragen. Alle verbleibenden Ladungsträger werden übertragen. Das Kopplungssignal DCG bleibt im Low-Zustand, so dass eine hohe Umwandlungsverstärkung erreicht wird. Dann wird das erste Schaltsignal S1 an den ersten Schalter 90 angelegt, um das HCG-Signal, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf dem ersten Kondensator 70 zu speichern.
  • veranschaulicht die Barrierenmodulation und ergänzt das Zeitdiagramm von im Hinblick auf die Belichtungsperiode EP. In ist die während der Belichtungsperiode EP an der Fotodiode 20 akkumulierte Ladung Qout im Zeitverlauf dargestellt. In der ersten Integrationsperiode T1 wird die Ladung an der Fotodiode 20 akkumuliert. Im Gegenzug steigt das Ladungssignal Qout an. Die akkumulierten Ladungen können einen Sättigungspegel Qsat erreichen, wie in dargestellt. Am Ende der ersten Integrationsperiode T1 wird die Barriere durch einen Puls auf den ersten Spannungspegel V1 moduliert. Dies führt zu einem Abfall des Ladungssignals Qout an der Fotodiode 20. Das Ladungssignal Qout fällt auf einen ersten Barrierenpegel Qbarr1 ab, der dem ersten Spannungspegel V1 entspricht. In der zweiten Integrationsperiode T2 steigt das Ladungssignal Qout aufgrund der Photokonversion an der Fotodiode 20 von dem ersten Barrierenpegel Qbarr1 weiter an. Am Ende der zweiten Integrationsperiode T2 wird ein Puls auf den zweiten Spannungspegel V2 angelegt, der zu einem weiteren Abfall des Ladungssignals Qout führt. Ist der zweite Spannungspegel V2 kleiner als der erste Spannungspegel V1, fällt das Ladungssignal Qout auf einen zweiten Barrierenpegel Qbarr2, der höher ist als der erste Barrierenpegel Qbarr1. In der dritten Integrationsperiode T3 steigt das Ladungssignal Qout ab dem zweiten Barriereniveau Qbarr2 aufgrund der Photokonversion an der Fotodiode 20 weiter an. Die Ladung, die den in dargestellten Signalabfällen entspricht, wird, wie oben erläutert, zur Versorgung abgeleitet. Somit wird das Ladungssignal Qout an der Fotodiode 20 durch beide Skimming-Vorgänge/ Barrierenmodulationen beeinflusst.
  • zeigt eine beispielhafte Charakteristik einer Pixelanordnung 10. Ein Antwortsignal SIG in künstlichen Einheiten ist als Funktion einer Beleuchtungsstärke IL in künstlichen Einheiten dargestellt. Das Antwortsignal SIG kann das ladungsäquivalente Signal an den Abtast- und Haltekondensatoren (dem ersten und dem zweiten Kondensator 70, 80) sein. Ein Signal SIG1 (schmale durchgezogene Linie) ist das Signal, das sich aus der ersten Integrationsperiode T1 ergibt. Es sättigt bei höheren Belichtungspegeln, da das Pulsen des Transfergatters 30 auf den ersten Spannungspegel V1 dazu führt, dass überschüssige Ladungsträger zur Pixelversorgungsspannung VDD abfließen.
  • Ein Signal SIG2 (gestrichelte Linie) ist das Signal, das sich aus der zweiten Integrationsperiode T2 ergibt. Die Steigung des Signals SIG2 ist weniger steil als die Steigung des Signals SIG1, da die Integrationsperiode T2 kürzer sein kann als die Integrationsperiode T1. Alternativ oder zusätzlich ist die Steigung des Signals SIG2 weniger steil als die Steigung des Signals SIG1, da beide Signale mit unterschiedlichen Umwandlungsverstärkungen gewonnen werden. Zum Beispiel wird das Signal SIG1 (bis zum Kniepunkt) bei hoher Umwandlungsverstärkung gewonnen. Das Signal SIG2 wird zum Beispiel mit einer geringen Umwandlungsverstärkung gewonnen. Die Steigung hängt also z. B. von einem Kapazitätswert des FD-Knotens 42 und vom Kapazitätswert des dritten Kondensators 150 ab. Die Steigungsdifferenz hängt vom Verstärkungsverhältnis ab. Das Signal SIG2 kann bei höheren Beleuchtungsstärken in die Sättigung gehen, da das Pulsen des Transfergates 30 auf den ersten Spannungspegel V2 dazu führt, dass überschüssige Ladungsträger an die Pixelversorgungsspannung VDD abfließen.
  • Ein Signal SIG3 (gestrichelte Linie) ist das Signal, das sich aus der dritten Integrationsperiode T3 ergibt. Die Steigung des Signals SIG3 ist weniger steil als die Steigung des Signals SIG2, da die Integrationsperiode T3 kürzer sein kann als die Integrationsperiode T2. Alternativ oder zusätzlich ist die Steigung des Signals SIG3 weniger steil als die Steigung des Signals SIG2, da beide Signale mit unterschiedlichen Umwandlungsverstärkungen erhalten werden. Zum Beispiel wird das Signal SIG2 (bis zu seinem Kniepunkt) bei hoher Umwandlungsverstärkung gewonnen. Das Signal SIG3 wird zum Beispiel bei einer geringen Umwandlungsverstärkung gewonnen. Die Steigung hängt also z. B. von einem Kapazitätswert des FD-Knotens 42 und vom Kapazitätswert des dritten Kondensators 150 ab. Die Steigungsdifferenz hängt vom Verstärkungsverhältnis ab.
  • Ein Ausgangssignal SIG4 (breite durchgezogene Linie) ist das Signal, das durch eine Kombination der Signale SIG1, SIG2 und SIG3 erhalten wird. Ferner kann das Ausgangssignal SIG3 eine Funktion des Signals SIG1, des Signals SIG2, des Signals SIG3 und eines Rücksetzsignals (nicht dargestellt) sein. Durch die Kombination der Signale SIG1, SIG2 und SIG3 kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung 10 erhöht werden. Der genaue Sättigungspegel des Signals SIG1 kann aus dem HCG-Signal bestimmt werden, da das HCG-Signal den verbleibenden Ladungsträgern nach dem Puls auf den ersten Spannungspegel V1 entspricht. Dies kann bedeuten, dass das Signal SIG1 dem HCG-Signal entspricht. Das Signal SIG3 kann dem LCG-Signal entsprechen. Ferner kann der genaue Sättigungspegel des Signals SIG2 auch aus dem HCG-Signal bestimmt werden, und zwar auf der Grundlage der Kenntnis der Dauer der Integrationsperioden T1-T3 und der Spannungspegel V1-V2. Mit anderen Worten, die Kniepunktkorrektur für V2 wird abgebildet und verwendet den exakten Kalibrierungswert von V1 als Referenzpunkt.
  • zeigt ein rekonstruiertes lineares Signal Qlin in Abhängigkeit von der Lichtintensität IL. Das linearisierte Signal Qlin und die Lichtintensität/Beleuchtung sind in künstlichen Einheiten dargestellt. Es ist zu beachten, dass der in gezeigte Intensitätsbereich dem in gezeigten Intensitätsbereich entspricht. Das linearisierte Signal Qlin ist das effektive Signal nach der Rekonstruktion. Das linearisierte Signal Qlin kann auf den in dargestellten Signalen SIG1, SIG2 und SIG3 basieren. Dies kann bedeuten, dass das linearisierte Signal Qlin aus den Signalen SIG1 bis SIG3 rekonstruiert wird, die während der Belichtungszeit EP erhalten wurden. Wie gezeigt, kann das linearisierte Signal Qlin bei sehr hohen Beleuchtungsstärken in die Sättigung gehen. Durch die Barrierenmodulation wird jedoch der Dynamikbereich vergrößert.
  • In ist eine weitere Ausführungsform der Pixelanordnung 10 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 8 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass die Kondensatoren 70, 80 nicht kaskadiert, sondern parallel angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der zweite Schalter 100, der mit dem zweiten Kondensator 80 gekoppelt ist, direkt mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden ist und nicht wie in 1 über den ersten Schalter 90. Es sei darauf hingewiesen, dass das Vorladegate 160 auch als Konstantstromquelle ausgeführt werden kann, die so ausgelegt ist, dass sie einen festen Strom liefert. Ferner umfasst die Ausführungsform gemäß 8 einen zweiten weiteren Verstärker 110' und ein weiteres Auswahlgate 120', die mit dem zweiten Kondensator 80 verbunden sind, während der weitere Verstärker 110 und das Auswahlgatter 120 mit dem ersten Kondensator 70 verbunden sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die gezeigte Ausführungsform nur beispielhaft eine parallele Anordnung der Kondensatoren 70, 80 zeigt. Andere Anordnungen sind möglich. Zum Beispiel könnten die parallel angeordneten Kondensatoren 70, 80 durch zusätzliche Schalter einen gemeinsamen weiteren Verstärker 110 nutzen. Der Fachmann wird verstehen, wie ein ähnliches Signal-Timing wie in dargestellt realisiert werden kann. Allerdings kann sich das Signal-Timing während des Speicherns und Auslesens von Bildern geringfügig ändern, da der erste Schalter und der zweite Schalter unabhängig voneinander betätigt werden können.
  • Die Pixelanordnung 10 kann weitere Kondensatoren umfassen, die in ähnlicher Weise angeordnet sind, wie in durch den Dreipunkt angedeutet. Auf diese Weise kann mindestens ein weiteres Signal auf den weiteren Kondensatoren gespeichert werden. Die weiteren Signale können den in dargestellten Signalen entsprechen. Beispielsweise kann das weitere Signal dem Signal SIG2 entsprechen. Das Signal SIG2 zeigt einen weiteren Kalibrierungspegel an, der seinem Sättigungspegel entsprechen kann. Somit kann das Pixelausgangssignal auf der Grundlage des weiteren Kalibrierungspegels bestimmt werden. In diesem Fall kann das Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung 10 mehrere Speicherphasen umfassen, z.B. eine dritte Speicherphase FS3, in der das weitere Signal auf dem weiteren Kondensator gespeichert wird. Die weitere Speicherphase kann vor der ersten Speicherphase FS1 liegen. Die weitere Speicherphase kann durch einen Puls des Transfertransistors 30 auf einen entsprechenden Spannungspegel, z.B. den zweiten Spannungspegel V2, eingeleitet werden. Im Allgemeinen kann die Pixelanordnung 10 eine Anzahl von n Abtast- und Haltekondensatoren (S/H) umfassen, die n weitere Selbstkalibrierungspunkte ermöglichen, wobei alle Lesevorgänge außer dem ersten CDS-Lesevorgänge sind (der erste Lesevorgang ist ein DDS-Lesevorgang). Auf diese Weise kann der Dynamikbereich erweitert werden, und auf die Kalibrierungspegel, die den vielzähligen Barrieren entsprechen und für die Kniepunktkalibrierung und Linearisierung benötigt werden, kann direkt zugegriffen werden.
  • In ist eine weitere Ausführungsform der Pixelanordnung 10 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass sie einen weiteren Kondensator 75 umfasst, der kaskadiert mit dem ersten Kondensator 70 und dem zweiten Kondensator 80 angeordnet ist. Dem weiteren Kondensator 75 ist ein weiterer Schalttransistor 95 zugeordnet. Das heißt, der weitere Schalttransistor 95 verbindet einen Anschlussknoten des ersten Kondensators 70 mit einem Anschlussknoten des weiteren Kondensators 75. Der zweite Schalttransistor 100 verbindet den Anschlussknoten des weiteren Kondensators 75 mit einem Anschlussknoten des zweiten Kondensators 80. Die Pixelanordnung 10 kann zweite weitere Kondensatoren umfassen, die in ähnlicher Weise angeordnet sind, wie durch den Dreipunkt angedeutet. Wie in der Ausführungsform von 8 kann mindestens ein weiteres Signal auf den (weiteren) Kondensatoren 70, 75, 80 gespeichert werden, so dass mehr Selbstkalibrierungspunkte zur Bestimmung des Pixelausgangssignals gespeichert werden können. Dazu kann das Verfahren zum Betreiben der Pixelanordnung 10 mehrere Speicherphasen, z.B. eine dritte Speicherphase FS3, umfassen, in der das weitere Signal auf dem weiteren Kondensator 75 gespeichert bzw. auf zumindest einige der S/H-Kondensatoren 70, 75, 80 umverteilt wird. Auf diese Weise kann direkt auf die den vielzähligen Barrieren entsprechenden Kalibrierpegel zugegriffen werden.
  • zeigt ein Zeitdiagramm gemäß einer anderen Ausführungsform des Betriebsverfahrens, das von einer in dargestellten Pixelanordnung 10 durchgeführt wird. Wie in 4 sind die folgenden Signale als Funktion der Zeit dargestellt: Das Übertragungssignal TX, das Kopplungssignal DCG, das Rücksetzsignal RST, das erste Schaltsignal S1 und das zweite Schaltsignal S2. Es sei darauf hingewiesen, dass der dargestellte Signalverlauf eher ein Beispiel ist und variiert werden könnte. Außerdem sollte die Skalierung der Zeitintervalle nicht als exakte Angabe verstanden werden.
  • Das Timing umfasst eine Belichtungsperiode EP, während der Ladungsträger mit dem von der Pixelanordnung 10 umfassten Fotodetektor 20 akkumuliert werden. Vor der Belichtungsperiode EP wird ein TX-Puls auf den Vollspannungspegel Vf an den Transfertransistor 30 angelegt. Da das Rücksetzsignal RST und das Kopplungssignal DCG gleichzeitig im High-Zustand sind, führt dies zu einem Reset der Fotodiode 20 und des Diffusionsknotens 42, bei dem alle überschüssigen Ladungsträger entfernt werden, so dass die Pixelanordnung 10 bereit ist, einen neuen Frame aufzunehmen. Das Kopplungssignal DCG und das Rücksetzsignal RST können, wie in dargestellt, für eine vorgegebene Zeitspanne innerhalb der Belichtungsperiode EP im high-Zustand bleiben.
  • Während der Akkumulation von Ladungsträgern, d. h. während der Belichtungsperiode EP, werden die folgenden Schritte durchgeführt:
  • Der Transfertransistor wird auf einen ersten Spannungspegel V1 gepulst, um einen Anteil der angesammelten Ladungsträger zum Diffusionsknoten 42 zu übertragen. Dieser Anteil ist dazu ausgelegt, dass er an die Versorgungsspannung abgeleitet wird, was dadurch erreicht wird, dass sowohl das Kopplungssignal DCG als auch das Rücksetzsignal RST im high-Zustand sind. Somit ist der potentialfreie Diffusionsknoten 42 elektrisch mit der Pixelversorgungsspannung VDD verbunden.
  • Dann wird der Transfertransistor 30 auf einen zweiten Spannungspegel V2 gepulst, um einen weiteren Anteil der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten 42 zu übertragen. Der zweite Spannungspegel V2 ist geringer als der erste Spannungspegel V1, was zu einer höheren Barriere zwischen der Fotodiode 20 und dem Diffusionsknoten 42 führt. Der besagte weitere Anteil ist dazu ausgelegt, dass er an die Versorgungsspannung VDD abgeleitet wird, was dadurch erreicht wird, dass sowohl das Kopplungssignal DCG als auch das Rücksetzsignal RST noch im high-Zustand sind. Danach fällt das Rücksetzsignal RST ab, so dass der Diffusionsknoten 42 nicht mehr mit der Pixelversorgungsspannung VDD verbunden ist.
  • Hierauf wird der Transfertransistor 30 auf den ersten Spannungspegel V1 gepulst, um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten 42 zu übertragen. Eine Darstellung der ersten Teilmenge ist so ausgelegt, dass sie als LCG-Signal (Low Conversion Gain) gespeichert wird. Das LCG-Signal wird mit einer geringen Umwandlungsverstärkung gespeichert, die dadurch erreicht wird, dass das DCG-Signal noch im high-Zustand ist, so dass der Diffusionsknoten 42 elektrisch mit dem Kopplungskondensator 150 verbunden ist, was zu einer erhöhten Kapazität führt.
  • Das Signal geringer Umwandlungsverstärkung, das den ersten Teil der akkumulierten Ladungsträger darstellt, wird auf dem zweiten Kondensator 80 gespeichert, der über den Verstärker 60 und die Schalttransistoren 90, 100 mit dem Diffusionsknoten 42 verbunden ist. Dies wird dadurch erreicht, dass beide Schaltsignale S1 und S2 auf „high“ gehen. Das Signal geringer Umwandlungsverstärkung kann auf den ersten Kondensator 70 und den zweiten Kondensator 80 umverteilt werden. Danach geht das Kopplungssignal DCG in den low-Zustand, um die Umwandlungsverstärkung zu erhöhen, da der Diffusionsknoten 42 nicht mehr mit dem Kopplungskondensator 150 verbunden ist.
  • Am Ende der Belichtungsperiode wird der Transfertransistor 30 auf den Vollspannungspegel Vf gepulst, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten 42 zu übertragen. Eine Darstellung der verbleibenden Teilmenge ist so ausgelegt, dass sie als HCG-Signal (High Conversion Gain) gespeichert wird. Das HCG-Signal wird mit einer hohen Umwandlungsverstärkung gespeichert, die dadurch erreicht wird, dass das DCG-Signal gering ist.
  • Nach diesem Pulsen auf den Vollspannungspegel Vf wird das Signal hoher Umwandlungsverstärkung, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf dem ersten Kondensator 70 gespeichert, der über den Verstärker 60 und die ersten Schalttransistoren 90 mit dem Diffusionsknoten 42 verbunden ist. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste Schaltsignal S1 auf High geht. Alternativ kann das erste Schaltsignal S1 auch nach dem Speichern des LCG-Signals auf High bleiben, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet. Während einer Ausleseperiode (nicht dargestellt) werden das auf den Kondensatoren gespeicherte Low-Conversion-Gain-Signal und das High-Conversion-Gain-Signal ausgelesen und über den Spaltenbus 130 an eine Auswerteschaltung weitergeleitet.
  • Im gezeigten Beispiel wird die Zeitspanne zwischen dem ersten Puls auf dem ersten Spannungspegel V1 und dem zweiten Impuls auf dem ersten Spannungspegel mit T1 bezeichnet. Der Zeitraum zwischen dem Puls auf den zweiten Spannungspegel V2 und dem zweiten Puls auf den ersten Spannungspegel wird mit T2 bezeichnet. Das LCG-Signal liefert Informationen über die Belichtung während der Periode T1 und der Periode T2.
  • Das HCG-Signal gibt Aufschluss über die Gesamtbelichtung während der Belichtungsperiode (schwaches Licht) oder der ersten Barriere (starkes Licht). Die Rekonstruktion eines linearisierten Signals hängt von den Lichtverhältnissen ab:
  • Im Folgenden wird ein Signal, das einem Rücksetzpegel minus dem LCG-Signal entspricht, als DDS-Signal bezeichnet. Ein Signal, das dem LCG-Signal minus dem HCG-Signal entspricht, wird als CDS-Signal bezeichnet.
  • Bei schwachen Lichtverhältnissen, bei denen keiner der Barrierenpulse TX die Ladungen der Fotodiode beeinflusst, erfolgt die Rekonstruktion durch Auslesen des CDS-Signals.
  • Bei schwachen bis mittleren Lichtverhältnissen, bei denen nur der zweite Barrierenpuls TX (Impuls auf den zweiten Spannungspegel V2) die Fotodiodenladungen beeinflusst, wird die Rekonstruktion durch Summierung des DDS-Signals und des DDS-Signals im digitalen Bereich erreicht.
  • Bei mittleren bis starken Lichtverhältnissen, bei denen beide Barrierenpulse (auf den ersten und den zweiten Spannungspegel) die Ladungen der Fotodioden beeinflussen, wird die Rekonstruktion nur durch das DDS-Signal erreicht. Zur Linearisierung wird es mit dem Verhältnis der Perioden EP/T1 multipliziert.
  • Bei mittleren bis starken Lichtverhältnissen, bei denen beide Barrierenpulse TX die Fotodiodenladungen beeinflussen, wird die Rekonstruktion nur durch Verwendung des DDS-Signals erreicht. Ein Offset (zweiter Barrierenpegel Qbarr2 - erster Barrierenpegel Qbarn) kann subtrahiert werden. Der erste Barrierenpegel Qbarr1 ist gleich dem gelesenen CDS, der zweite Barrierenpegel Qbarr2 kann geschätzt werden.
  • Zur Linearisierung wird das DDS-Signal nach Entfernung des Offsets mit dem Verhältnis der Perioden EP/T2 multipliziert.
  • Das gezeigte Beispiel illustriert ein Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung 10 unter Verwendung der Barrierenmodulation mit zwei Barrieren. Das Verfahren kann jedoch mit zusätzlichen Barrieren erweitert werden, wie der geübte Leser leicht erkennen wird.
  • zeigt ein anderes Signal-Timing für die in gezeigte Pixelanordnung 10. Das Signal-Timing gemäß 11 ähnelt dem von 4 mit dem Unterschied, dass der Transfertransistor 30 nicht auf den zweiten Spannungspegel V2 gepulst wird. Die Belichtungszeit umfasst also nur die erste und die zweite Integrationszeit T1, T2. Mit anderen Worten: Das Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung 10 nutzt nur eine Barriere des Transfertransistors 30, um den Dynamikbereich zu erhöhen. Für eine weitere Beschreibung von 11 wird auf die Ausführungen zu 4 verwiesen.
  • zeigt ein anderes Signal-Timing für die in gezeigte Pixelanordnung 10. Das Signal-Timing gemäß 12 ähnelt dem von 10 mit dem Unterschied, dass der Transfertransistor 30 nicht auf den zweiten Spannungspegel V2 gepulst wird. Mit anderen Worten, bei dem Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung 10 wird nur eine Barriere des Transfertransistors 30 verwendet, um den Dynamikbereich zu erhöhen. Für eine weitere Beschreibung von 12 wird auf die Ausführungen zu 10 verwiesen.
  • 13 zeigt eine weitere beispielhafte Charakteristik einer Pixelanordnung 10, die nur eine Barriere verwendet, wie in den 11 oder 12 dargestellt. Wie in ist ein Antwortsignal SIG in künstlichen Einheiten als Funktion einer Beleuchtung IL in künstlichen Einheiten dargestellt. Das Antwortsignal SIG kann das ladungsäquivalente Signal an den Abtast- und Halte-Kondensatoren sein. Ein Ausgangssignal SIG3 ist das Signal, das durch eine Kombination der Signale SIG1 und SIG2 erhalten wird. Ferner kann das Ausgangssignal SIG3 eine Funktion des Signals SIG1, des Signals SIG2 und eines Rücksetzsignals (nicht dargestellt) sein. Durch die Kombination der Signale SIG1, SIG2 kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung 10 erhöht werden.
  • Das Signal SIG2 ist das Signal, das sich aus der Integrationsperiode zwischen dem ersten Pulsieren auf den ersten Spannungspegel V1 und dem zweiten Pulsieren auf den ersten Spannungspegel V1 ergibt (die erste Integrationsperiode T1 gemäß ). Es kann das LCG-Signal darstellen. Das Signal SIG1 ist das Schwachlichtsignal, d. h. es kann das HCG-Signal darstellen. Das Signal SIG1 kann sich aus der Gesamtbelichtungsperiode EP ergeben. Es sättigt bei hohen Beleuchtungsstärken. Der Sättigungspegel kann als Kalibrierungspegel verwendet werden, um das Ausgangssignal bei hohen Beleuchtungsstärken zu rekonstruieren. Die Steigungsdifferenz zwischen SIG 1 und SIG 2 kann vom Verstärkungsverhältnis und/oder von unterschiedlichen Integrationszeiten abhängen. Für weitere Einzelheiten wird auf die Beschreibung von verwiesen.
  • Die Ausführungsformen der Pixelanordnung 10 und das Verfahren zum Betrieb einer solchen Pixelanordnung 10, die hier offenbart werden, wurden erörtert, um den Leser mit den neuen Aspekten der Idee vertraut zu machen. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können viele Änderungen, Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen der offengelegten Konzepte von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne unnötig vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.
  • Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen und auf das, was hier besonders gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
  • Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
  • Referenz-Symbole
    • 10
    Pixelanordnung
    20
    Fotodiode
    30
    Transfertransistor
    40
    Kapazität
    42
    Diffusionsknoten
    44
    weiterer Anschlussknoten der Kapazität
    50
    Rücksetztransistor
    60
    Verstärker
    62
    Eingangsanschluss des Verstärkers
    64
    Ausgangsanschluss des Verstärkers
    70
    erster Kondensator
    72
    Anschlussknoten des ersten Kondensators
    74
    weiterer Anschlussknoten des ersten Kondensators
    75
    zusätzlicher Kondensator
    80
    zweiter Kondensator
    82
    Anschlussknoten des zweiten Kondensators
    84
    weiterer Anschlussknoten des zweiten Kondensators
    90
    erster Schalter, Schalttransistor
    95
    weiterer Schalter, Schalttransistor
    100
    zweiter Schalter, Schalttransistor
    110
    weiterer Verstärker
    112
    Eingangsanschluss des weiteren Verstärkers
    114
    Ausgangsanschluss des weiteren Verstärkers
    120
    Auswahltransistor
    130
    Spaltenbus
    140
    Dual-conversion-gain-Transistor
    150
    Dual-conversion-gain (dritter) Kondensator
    152
    Anschlussknoten des dritten Kondensators
    154
    weiterer Anschlussknoten des dritten Kondensators
    160
    Vorladetransistor
    200
    Bildsensor
    204
    Reihentreiber
    205
    Auswerteschaltung
    350-361
    Block
    D
    Ableitungsperiode
    DCG
    Kopplungssignal, dual-conversion-gain-Signal
    FS1, FS2
    Speicherphase
    IL
    Beleuchtungsstärke/ Lichtintensität
    Qbarr1
    erster Barrierenpegel
    Qbarr2
    zweiter Barrierenpegel
    Qlin
    lineares Signal
    Qout
    Ladungssignal
    Qsat
    Sättigungspegel
    RST
    Rücksetzsignal
    S1, S2
    Schaltsignal
    SIG1-SIG4
    Signale
    T1-T3
    Integrationsperiode
    EP
    Pixelbelichtung, Belichtungsperiode
    FS
    Speicherperiode
    RO
    Pixelauslesung, Ausleseperiode
    R
    Rücksetzperiode
    TX
    Transfersignal
    V1, V2
    Spannungspegel
    Vf
    Vollspannungspegel
    Vref
    zweites weiteres Bezugspotential
    VSS
    negative Pixel-Versorgungsspannung, GND
    VSS1
    Bezugspotenzial
    VSS_PC
    weiteres Bezugspotential
    VDD
    Pixel-Versorgungsspannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 1020211207797 [0001]

Claims (20)

  1. Pixelanordnung (10) aufweisend: einen Fotodetektor (10), der dazu ausgelegt ist, dass er Ladungsträger durch Umwandlung elektromagnetischer Strahlung akkumuliert, einen Transfertransistor (30), der elektrisch mit dem Fotodetektor (20) gekoppelt ist, einen Diffusionsknoten (42), der elektrisch mit dem Transfertransistor (30) verbunden ist, einen Rücksetztransistor (50), der elektrisch mit dem Diffusionsknoten (42) und mit einer Pixelversorgungsspannung (VDD) verbunden ist, eine Abtast- und Haltestufe, die mindestens einen ersten Kondensator (70) und einen zweiten Kondensator (80) umfasst, wobei ein Eingang der Abtast- und Haltestufe über einen Verstärker (60) elektrisch mit dem Diffusionsknoten (42) gekoppelt ist, wobei der Transfertransistor (30) so ausgelegt ist, dass er auf verschiedene Spannungspegel gepulst wird, um Teilmengen der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten (42) zu übertragen, mindestens der zweite Kondensator (80) so ausgelegt ist, dass er ein Signal geringer Umwandlungsverstärkung speichert, das eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, und wobei der erste Kondensator (70) so ausgelegt ist, dass er ein Signal hoher Umwandlungsverstärkung speichert, das eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt.
  2. Pixelanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das Signal geringer Umwandlungsverstärkung und das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen gemeinsamen Rauschpegel aufweisen, und wobei das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen Kalibrierungspegel zum Einstellen eines Pixelausgangssignals in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert angibt.
  3. Pixelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner umfassend einen Dual-Conversion-Gain-Transistor (140), und einen Dual-Conversion-Gain-Kondensator (150), wobei der Dual-Conversion-Gain-Transistor (140) den Diffusionsknoten (42) mit einem Anschlussknoten des Dual-Conversion-Gain-Kondensators (150) verbindet, und wobei der Rücksetztransistor (50) über den Anschlussknoten und den Dual-Conversion-Gain-Transistor (140) mit dem Diffusionsknoten (42) elektrisch gekoppelt ist.
  4. Pixelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend mindestens zwei Schalttransistoren (90, 100), wobei jeder Schalttransistor (90, 100) einem jeweiligen Kondensator (70, 80) der Abtast- und Haltestufe zugeordnet ist und einen Anschlussknoten des jeweiligen Kondensators (70, 80) mit dem Eingang der Abtast- und Haltestufe koppelt.
  5. Pixelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abtast- und Haltestufe genau zwei Kondensatoren (70, 80) umfasst.
  6. Pixelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Abtast- und Haltestufe ferner eine vorbestimmte Anzahl zusätzlicher Kondensatoren (75) umfasst, wobei jeder der zusätzlichen Kondensatoren (75) dazu ausgelegt ist, um ein zusätzliches Signal zu speichern, das eine weitere Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt.
  7. Pixelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend einen weiteren Verstärker (110), der mit einem Ausgang der Abtast- und Haltestufe verbunden ist, und einen Auswahltransistor (120), wobei der Auswahltransistor (120) den weiteren Verstärker (110) elektrisch mit einem Spaltenbus (130) verbindet.
  8. Bildsensor (200) mit der Pixelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung (10), wobei das Verfahren umfasst: während einer Belichtungsperiode (EP): Akkumulieren von Ladungsträgern in einer ersten Integrationsperiode (T1) mit einem Fotodetektor (20), der von der Pixelanordnung (10) umfasst ist, Pulsen eines Transfertransistors (30) am Ende der ersten Integrationsperiode (T1) auf einen ersten Spannungspegel (V1), um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger zu einem Diffusionsknoten (42) zu übertragen, wobei dieser Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung (VDD) abgeleitet wird, Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern mit dem Fotodetektor (20) in einer zweiten Integrationsperiode (T2), und während einer Speicherperiode (FS): Pulsen des Transfertransistors (30) auf den ersten Spannungspegel (V1) zum Übertragen einer ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten (42), Speichern eines Signals geringer Umwandlungsverstärkung, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator (80), der mit dem Diffusionsknoten (42) verbunden ist, Pulsen des Transfertransistors (30) auf einen Vollspannungspegel (Vf), um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten (42) zu übertragen, Speichern eines Signals hoher Umwandlungsverstärkung, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator (70), der mit dem Diffusionsknoten (42) verbunden ist, und während einer Ausleseperiode (RO): Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung, die auf den Kondensatoren (70, 80) gespeichert sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: während der Belichtungsperiode (EP), nach der zweiten Integrationsperiode (T2): mindestens ein zusätzliches Pulsen des Transfertransistors (30) auf jeweils einen weiteren Spannungspegel (V2, V3), wobei mit jedem zusätzlichen Pulsen ein zusätzlicher Anteil der akkumulierten Ladungsträger dazu ausgelegt ist, dass er an die Pixelversorgungsspannung (VDD) abgeleitet wird, und wobei jedem zusätzlichen Pulsen ein zusätzliches Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern mit dem Fotodetektor (20) in einer jeweiligen zusätzlichen Integrationsperiode (T3, T4) folgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Spannungspegel (V1, V2, V3), auf die aufeinanderfolgende Pulse während der Belichtungsperiode angelegt werden, gleich sind oder von Puls zu Puls abnehmen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die Integrationsperioden (T1, T2, T3, T4), die auf das Pulsen während der Belichtungsperiode (EP) folgen, von Integrationsperiode zu Integrationsperiode abnehmen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Signal hoher Umwandlungsverstärkung einen Kalibrierungspegel anzeigt, der auf der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend Einstellen eines Pixelausgangssignals auf der Grundlage des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und/oder des Signals hoher Umwandlungsverstärkung in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels bestimmt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Lesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung eine doppelte Delta-Abtastung umfasst, und wobei das Lesen des Signals hoher Umwandlungsverstärkung eine korrelierte Doppelabtastung umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: während der Speicherperiode (FS): Pulsen des Transfertransistors (30) auf den jeweiligen weiteren Spannungspegel zum Übertragen einer weiteren Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten (42), und Speichern eines weiteren Signals, das die weitere Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem weiteren Kondensator (75), der mit dem Diffusionsknoten (42) verbunden ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das weitere Signal einen weiteren Kalibrierungspegel anzeigt, der auf der weiteren Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert, und das Anpassen des Pixelausgangssignals in Abhängigkeit von einem weiteren pixelspezifischen Kniepunktwert erfolgt, der auf der Grundlage des weiteren Kalibrierungspegels bestimmt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: während der Ausleseperiode (RO): Auslesen des auf dem weiteren Kondensator (75) gespeicherten weiteren Signals, wobei das Auslesen des weiteren Signals eine korrelierte Doppelabtastung umfasst.
  19. Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung (10), wobei das Verfahren umfasst: Akkumulieren von Ladungsträgern mit einem von der Pixelanordnung (10) umfassten Fotodetektor (10) während einer Belichtungsperiode (EP) und Durchführen der folgenden Schritte während der Akkumulation: erstes Pulsen eines Transfertransistors (30) auf einen ersten Spannungspegel (V1), um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger zu einem Diffusionsknoten (42) zu übertragen, wobei der Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung (VDD) abgeleitet wird, zweites Pulsen des Transfertransistors (30) auf den ersten Spannungspegel (V1) zum Übertragen einer ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten (42), und Speichern eines Signals geringer Umwandlungsverstärkung, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator (80), der mit dem Diffusionsknoten (42) verbunden ist, am Ende der Belichtungsperiode (EP), Pulsen des Transfertransistors (30) auf einen Vollspannungspegel (Vf), um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten (42) zu übertragen, nach dem Pulsen auf den Vollspannungspegel (Vf), Speichern eines Signals hoher Umwandlungsverstärkung, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator (70), der mit dem Diffusionsknoten (42) gekoppelt ist, und während einer Ausleseperiode (RO), Auslesen des Signals geringer Umwandlungsverstärkung und des Signals hoher Umwandlungsverstärkung, die auf den Kondensatoren (70, 80) gespeichert sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: nach dem ersten Pulsen auf den ersten Spannungspegel (V1) und vor dem zweiten Pulsen auf den ersten Spannungspegel (V1) mindestens ein zusätzliches Pulsen des Transfertransistors (30) auf einen jeweiligen weiteren Spannungspegel (V2, V3) zum Übertragen eines jeweiligen weiteren Anteils der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten (42), wobei der weitere Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an die Versorgungsspannung (VDD) abgeleitet wird.
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