KR100280488B1 - 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식의 픽셀 구조 - Google Patents

전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식의 픽셀 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에 관한 것으로, 종래 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조는 라인단위의 리셋을 하기 때문에 픽셀 단위의 리셋이 불가능하여 전자셔터로 사용할 수 없는 문제점이 있었기 때문에, 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조는 바둑판 모양으로 배열된 복수 개의 픽셀들(PX11-PXmn)과, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 로우선택신호(ROW)를 출력하는 로우선택디코더(10)와, 그 로우선택디코더(10)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제1 라인카운터(LC41)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 라인 리셋신호(LRS)를 출력하는 라인리셋선택디코더(20)와, 그 라인리셋선택디코더(20)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제2 라인카운터(LC42)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 칼럼 리셋신호(CRS)를 출력하는 칼럼리셋선택디코더(30)와, 그 칼럼리셋선택디코더(30)에 의해 선택된 픽셀 수를 카운트하는 제1 픽셀카운터(PC41)와, 픽셀 단위로 읽기 동작을 하는 픽셀읽기부(40)와, 그 픽셀읽기부(40)에 의해 읽기 동작을 하는 픽셀 수를 카운트하는 제2 픽셀카운터(PC42)로 구성된다.

Description

전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식의 픽셀 구조
본 발명은 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에 관한 것으로, 특히 전자셔터 기능이 가능하도록 각 픽셀이 이중 리셋 구조를 가지기 때문에 픽셀 단위의 리셋이 가능하도록 구성한 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에 관한 것이다.
씨모스센서(CMOS Sensor) 방식의 픽셀 구조 중에서 노이즈 처리에 가장 성공한 방식이 액티브 픽셀 센서(APS; Active Pixel Sensor) 방식의 픽셀 구조이다. 이러한 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에서 각 픽셀은 포토다이오드(Photo Diode)에 축적된 영상정보, 즉 광전자를 전압으로 전환하기 전에 증폭을 하는 것이 특징이다.
도 1은 종래 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조를 나타낸 블록도로써 이에 도시된 바와 같이, 바둑판 모양으로 배열된 복수개의 픽셀들(P11-Pmn)과, 상기 픽셀들(P11-Pmn)에 로우선택신호(ROW)를 선택적으로 출력하는 로우선택디코더(1)와, 그 로우선택디코더(1)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제1 라인카운터(LC1)와, 상기 각 픽셀에 리셋신호(RS)를 선택적으로 출력하는 리셋선택디코더(2)와, 그 리셋선택디코더(2)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제2 라인카운터(LC2)와, 픽셀에 저장된 영상정보를 읽기 동작하는 칼럼읽기부(3)와, 그 칼럼읽기부(3)가 읽어들이는 픽셀의 수를 카운트하는 픽셀카운터(PC1)로 구성된다.
도 2는 임의의 위치에 있는 픽셀(Pji)의 회로도로써 이에 도시된 바와 같이, 게이트에 리셋신호(RS)가, 드레인에 공급전압(VDD)이 인가되는 제1 엔모스 트랜지스터(NM21)와, 한 단자가 접지에, 다른 한 단자는 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM21)의 소스에 연결된 포토다이오드(PD)와, 게이트가 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM21)의 소스와 상기 포토다이오드(PD)의 다른 한 단자에 공통으로 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 인가된 제2 엔모스 트랜지스터(NM22)와, 게이트에 로우선택신호(ROW)가 인가되고, 드레인이 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM22)의 소스에 연결되어 소스에서 출력신호(OUT)가 출력되는 제3 엔모스 트랜지스터(NM23)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 선택된 임의의 위치에 있는 픽셀(Pji)의 제1 엔모스 트랜지스터(NM21)는 게이트에 리셋 선택디코더(2)에서 출력된 리셋신호(RS)가 입력되어 턴온되므로 빛에 의해 발생한 광전자를 방전시켜 포토다이오드(PD)의 내부전하를 제거한다. 이때 행하여지는 리셋은 라인 단위로 행하여진다.
이어서, 빛에 의해 특정 감광시간 동안 포토다이오드(PD)에 광전자가 축적되면, 그 축적된 광전자는 제2 엔모스 트랜지스터(NM22)에 의해 증폭된다.
이때, 제3 엔모스 트랜지스터(NM23)의 게이트에 로우선택디코더(1)에서 출력된 로우선택신호(ROW)가 인가되어 턴온되므로 소오스에서 출력신호(OUT)가 칼럼읽기부(3)에 출력된다.
여기서, 상기 출력신호(OUT)는 상기 선택된 픽셀(Pji)의 출력 영상정보가 된다.
따라서, 종래 액티브 픽셀 센서(APS)방식의 픽셀 구조는 라인단위의 리셋을 하기 때문에 픽셀 단위의 리셋이 불가능하여 전자셔터 기능을 할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 픽셀 단위로 리셋을 하여 전자셔터 기능을 할 수 있는 액티브 픽셀 센서(APS)방식의 픽셀 구조를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조는, 바둑판 모양으로 배열된 복수 개의 픽셀들(PX11-PXmn)과, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 로우선택신호(ROW)를 출력하는 로우선택디코더(10)와, 그 로우선택디코더(10)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제1 라인카운터(LC41)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 라인 리셋신호(LRS)를 출력하는 라인리셋선택디코더(20)와, 그 라인리셋선택디코더(20)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제2 라인카운터(LC42)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 칼럼 리셋신호(CRS)를 출력하는 칼럼리셋선택디코더(30)와, 그 칼럼리셋선택디코더(30)에 의해 선택된 픽셀 수를 카운트하는 제1 픽셀카운터(PC41)와, 픽셀에 저장되어 있는 영상정보를 읽기 동작하는 칼럼읽기부(40)와, 그 칼럼읽기부(40)에 의해 읽기 동작하는 픽셀 수를 카운트하는 제2 픽셀카운터(PC42)로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조의 블록도.
도 2는 도 1의 종래 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에서 일반적인 픽셀의 회로도.
도 3은 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조의 블록도.
도 4 는 도 3의 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에서 픽셀의 제1 실시예의 회로도.
도 5 는 도 3의 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에서 픽셀의 제2 실시예의 회로도.
*****도면의주요부분에대한부호의설명*****
10: 열 선택 디코더 20: 라인 리셋 선택 디코더
30: 행 리셋 선택 디코더 40: 행 읽기부
LC31,LC32: 제1,제2 라인 카운터 PC31,PC32: 제1,제2 픽셀 카운터
PX11-PXmn: 픽셀 NM41-NM46,NM51-NM54: 엔모스 트랜지스터
PD: 포토다이오드
도 3은 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조의 블록도로써 이에 도시된 바와 같이, 바둑판 모양으로 배열되어 영상정보를 저장하는 복수 개의 픽셀들(PX11-PXmn)과, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 저장된 영상정보를 출력하도록 하는 로우선택신호(ROW)를 출력하는 로우선택디코더(10)와, 그 로우선택디코더(10)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제1 라인카운터(LC41)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)을 라인 단위로 리셋하기 위한 라인 리셋신호(LRS)를 출력하는 라인리셋선택디코더(20)와, 그 라인리셋선택디코더(20)에 의해 선택된 라인 수를 카운트하는 제2 라인카운터(LC42)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)을 칼럼 단위로 리셋하기 위한 칼럼 리셋신호(CRS)를 출력하는 칼럼리셋선택디코더(30)와, 그 칼럼리셋선택디코더(30)에 의해 선택된 픽셀 수를 카운트하는 제1 픽셀카운터(PC41)와, 픽셀에 저장되어 있는 영상정보를 읽기 동작하는 칼럼읽기부(40)와, 그 칼럼읽기부(40)에 의해 읽기 동작하는 픽셀 수를 카운트하는 제2 픽셀카운터(PC42)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 전하축적시간을 ΔT(ji)라고 하면 ΔT(ji)의 값은 전자셔터가 동작하지 않을 경우에는 필드 또는 프레임 구성 시간과 동일하다. 그러나 각 픽셀들의 광전자 축적시간은 동일하지만, 광전자 축적을 시작하는 시간은 각 픽셀들의 위치 편차만큼의 시간 차이가 발생한다. 즉, 임의의 픽셀(PXji)과 다음 단의 픽셀(PXj(i+1)) 사이에는 한 클럭만큼의 시간 차이가 발생한다.
여기서, 상기 임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 전하축적시간(ΔT(ji))은 전자셔터를 동작시킬 때, 픽셀(PXji)을 리셋한 후, 포토다이오드(PD)에 축적된 광전자를 스위칭 동작에 의해 출력하기 전까지의 시간만큼이 된다. 즉, 픽셀(PXji)이 리셋된 후, 로우선택신호(ROW)에 의해 출력신호(OUT)가 출력되기까지의 시간이 된다.
상기 전하축적시간(ΔT)을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
ΔT = T(line)×n + T(column)×m
여기서, n은 라인 수를 나타내며, m은 칼럼 수를 나타낸다.
임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 전하축적시간을 ΔT(ji)이라고 할 때, 상기 픽셀(PXji)에 축적되어 있는 광전자에 의한 영상정보를 읽어내기 위해서는 적어도 전하축적시간(ΔT1(ji)) 만큼 전에는 포토다이오드(PD)를 리셋 하여 초기화해야만 픽셀단위로 일정한 전하축적시간(ΔT)을 부여해서 전자셔터 기능이 가능하다.
각 픽셀들(PX11-PXmn)의 광전자 전송 시간은 픽셀 위치만큼, 즉 라인수(n), 칼럼수(m) 만큼의 시간 차이가 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 나타난다. 따라서, 한 프레임에 있어서 최초 전송하는 픽셀과 맨 마지막에 전송하는 픽셀 사이에는 한 프레임 또는 한 필드만큼의 시간 차이가 발생하기 때문에 리셋을 라인, 칼럼 단위로 제어함으로써 픽셀단위의 초기화를 가능하게 하여 전자셔터타이밍을 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 차별적으로 부여할 수 있다.
도 4는 상기 임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 제1 실시예의 회로도로써 이에 도시된 바와 같이, 게이트와 드레인이 공통 연결되어 공급전압(VDD)이 인가되는 제1 엔모스 트랜지스터(NM41)와, 게이트에 라인리셋신호(LRS)가 입력되고, 드레인이 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM51)의 소오스에 연결된 제2 엔모스 트랜지스터(NM42)와, 게이트에 칼럼리셋신호(CRS)가 입력되고, 드레인이 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM42)의 소오스에, 소오스가 접지전압(VSS)에 연결된 제3 엔모스 트랜지스터(NM43)와, 게이트가 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM41)의 소오스와 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM42)의 드레인에 공통으로 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 입력되는 제4 엔모스 트랜지스터(NM44)와, 한 단자가 접지전압(VSS)에 연결되고, 다른 한 단자는 상기 제4 엔모스 트랜지스터(NM44)의 소오스에 연결된 포토다이오드(PD)와, 게이트가 상기 제4 엔모스트랜지스터(NM44)의 소오스와 상기 포토다이오드(PD)의 다른 한 단자에 공통으로 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 입력되는 제5 엔모스트랜지스터(NM45)와, 게이트에 로우선택신호(ROW)가 입력되고, 드레인이 상기 제5 엔모스트랜지스터(NM45)의 소오스에 연결되어 소오스에서 출력신호(OUT)가 출력되는 제6 엔모스 트랜지스터(NM46)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조에서 임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 제1 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기 직렬 연결된 제2,제3 엔모스트랜지스터(NM42,NM43)의 게이트에 각각 라인리셋신호(LRS)와 칼럼리셋신호(CRS)가 동시에 입력되면, 상기 제2,제3 엔모스트랜지스터(NM42,NM43)가 모두 턴온되므로 포토다이오드(PD)에 축적된 광전자를 방전시킨다.
이어서, 빛에 의해 특정 감광시간 동안 상기 포토다이오드(PD)에 축적된 광전자가 제5 엔모스 트랜지스터(NM45)를 통해 증폭되면, 제6 엔모스 트랜지스터(NM46)의 게이트에 로우선택신호(ROW)가 입력되어 턴온될 때, 소오스에서 출력신호(OUT)가 출력된다.
도 5는 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식 픽셀 구조에서 임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 제2 실시예의 회로도로써 이에 도시된 바와 같이, 게이트에 라인리셋신호(LRS)가, 드레인에 공급전압(VDD)이 인가되는 제1 엔모스 트랜지스터(NM51)와, 게이트에 칼럼리셋신호(CRS)가 입력되고, 드레인이 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM51)의 소오스에 연결된 제2 엔모스 트랜지스터(NM52)와, 한 단자가 접지전압(VSS)에, 다른 한 단자는 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM52)의 소오스에 연결된 포토다이오드(PD)와, 게이트가 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM52)의 소오스와 상기 포토다이오드(PD)의 다른 한 단자에 공통 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 인가되는 제3 엔모스 트랜지스터(NM53)와, 게이트에 로우선택신호(ROW)가 입력되고, 드레인이 상기 제3 엔모스 트랜지스터(NM53)의 소오스에 연결되어 소오스에서 출력신호(OUT)가 출력되는 제4 엔모스 트랜지스터(NM54)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식 픽셀 구조에서 임의의 위치에 있는 픽셀(PXji)의 제2 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 직렬 연결된 제1,제2 엔모스트랜지스터(NM51,NM52)의 게이트에 각각 라인리셋신호(LRS)와 칼럼리셋신호(CRS)가 동시에 입력되면, 상기 제1,제2 엔모스트랜지스터(NM51,NM52)가 모두 턴온되므로 포토다이오드(PD)에 축적된 광전자를 방전시킨다.
이어서, 빛에 의해 특정 감광시간 동안 상기 포토다이오드(PD)에 축적된 광전자가 제3 엔모스 트랜지스터(NM43)를 통해 증폭되면, 제4 엔모스 트랜지스터(NM54)의 게이트에 로우선택신호(ROW)가 입력되어 턴온될 때, 소오스에서 출력신호(OUT)가 출력된다.
따라서, 본 발명의 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서(APS) 방식의 픽셀 구조는 픽셀을 행과 열 단위로 리셋을 하기 때문에 각 픽셀은 행과 열에 대한 리셋신호가 동시에 입력될 때 초기화가 되어 픽셀 단위의 초기화가 가능하게 되므로 무빙카메라에 적합한 전자셔터 기능을 가질 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 바둑판 모양으로 배열된 복수 개의 픽셀들(PX11-PXmn)과, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 로우선택신호(ROW)를 출력하는 로우선택디코더(10)와, 그 로우선택디코더(10)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제1 라인카운터(LC41)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 라인 리셋신호(LRS)를 출력하는 라인리셋선택디코더(20)와, 그 라인리셋선택디코더(20)에 의해 선택된 픽셀의 라인 수를 카운트하는 제2 라인카운터(LC42)와, 상기 각 픽셀들(PX11-PXmn)에 칼럼 리셋신호(CRS)를 출력하는 칼럼리셋선택디코더(30)와, 그 칼럼리셋선택디코더(30)에 의해 선택된 픽셀 수를 카운트하는 제1 픽셀카운터(PC41)와, 픽셀 단위로 읽기 동작을 하는 픽셀읽기부(40)와, 그 픽셀읽기부(40)에 의해 읽기 동작을 하는 픽셀 수를 카운트하는 제2 픽셀카운터(PC42)로 구성된 것을 특징으로 하는 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식 픽셀 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 임의의 위치에 있는 픽셀은 게이트와 드레인이 공통 연결되어 공급전압(VDD)이 인가되는 제1 엔모스 트랜지스터(NM41)와, 게이트에 라인리셋신호(LRS)가 입력되고, 드레인이 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM51)의 소오스에 연결된 제2 엔모스 트랜지스터(NM42)와, 게이트에 칼럼리셋신호(CRS)가 입력되고, 드레인이 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM42)의 소오스에, 소오스가 접지전압(VSS)에 연결된 제3 엔모스 트랜지스터(NM43)와, 게이트가 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM41)의 소오스와 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM42)의 드레인에 공통으로 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 입력되는 제4 엔모스 트랜지스터(NM44)와, 한 단자가 접지전압(VSS)에 연결되고, 다른 한 단자는 상기 제4 엔모스 트랜지스터(NM44)의 소오스에 연결된 포토다이오드(PD)와, 게이트가 상기 제4 엔모스트랜지스터(NM44)의 소오스와 상기 포토다이오드(PD)의 다른 한 단자에 공통으로 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 입력되는 제5 엔모스트랜지스터(NM45)와, 게이트에 로우선택신호(ROW)가 입력되고, 드레인이 상기 제5 엔모스트랜지스터(NM45)의 소오스에 연결되어 소오스에서 출력신호(OUT)가 출력되는 제6 엔모스 트랜지스터(NM46)로 구성된 것을 특징으로 하는 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식 픽셀 구조.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 임의의 위치에 있는 픽셀은 게이트에 라인리셋신호(LRS)가, 드레인에 공급전압(VDD)이 인가되는 제1 엔모스 트랜지스터(NM51)와, 게이트에 칼럼리셋신호(CRS)가 입력되고, 드레인이 상기 제1 엔모스 트랜지스터(NM51)의 소오스에 연결된 제2 엔모스 트랜지스터(NM52)와, 한 단자가 접지전압(VSS)에, 다른 한 단자는 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM52)의 소오스에 연결된 포토다이오드(PD)와, 게이트가 상기 제2 엔모스 트랜지스터(NM52)의 소오스와 상기 포토다이오드(PD)의 다른 한 단자에 공통 연결되고, 드레인에 공급전압(VDD)이 인가되는 제3 엔모스 트랜지스터(NM53)와, 게이트에 로우선택신호(ROW)가 입력되고, 드레인이 상기 제3 엔모스 트랜지스터(NM53)의 소오스에 연결되어 소오스에서 출력신호(OUT)가 출력되는 제4 엔모스 트랜지스터(NM54)로 구성된 것을 특징으로 하는 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식 픽셀 구조.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 임의의 위치에 있는 픽셀의 전하량을 읽어내기 전하축적시간(ΔT(ji)) 만큼 전에 픽셀(PXji)을 리셋 하여 각 픽셀이 일정한 전하축적시간(ΔT(ji))을 갖는 것을 특징으로 하는 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식의 픽셀 구조.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 전하축적시간(ΔT(ji))은 픽셀이 리셋된 후, 로우선택신호(ROW)에 의해 출력신호(OUT)가 출력되기까지의 시간인 것을 특징으로 하는 전자셔터 기능을 가지는 액티브 픽셀 센서 방식의 픽셀 구조.
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