KR100421121B1 - Method for operating a pixel circuit of a cmos image sensor - Google Patents

Method for operating a pixel circuit of a cmos image sensor Download PDF

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법에 관한 것으로, 개시된 일실시예에 따른 픽셀 회로 구동방법은, 온칩 전압 발생기를 사용하여 구동 전원 전압 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 단위 픽셀에 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시킴으로서 화질의 특성이 개선되는 이점이 있다.The present invention relates to a method of driving a pixel circuit in a CMOS image sensor. The pixel circuit driving method according to an embodiment of the present invention uses an on-chip voltage generator to apply a Vpp voltage higher than the driving power supply voltage Vcc to a unit pixel. Increasing the variation of the output voltage has the advantage that the characteristics of the image quality is improved.

Description

씨모스 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법{METHOD FOR OPERATING A PIXEL CIRCUIT OF A CMOS IMAGE SENSOR}METHODS FOR OPERATING A PIXEL CIRCUIT OF A CMOS IMAGE SENSOR}

본 발명은 CMOS 이미지 센서 픽셀에 대한 고 화질의 화상을 얻기 위해 픽셀의 소스 폴로어 회로를 온칩 전압 발생기에서 발생된 임의의 전압으로 구동시키도록 한 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of driving a pixel circuit in a CMOS image sensor which drives the source follower circuit of the pixel to any voltage generated by the on-chip voltage generator to obtain a high quality image for the CMOS image sensor pixel.

일반적으로, CMOS 이미지 센서라 함은 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서에 비하여 CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단자를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.In general, a CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal using a CMOS fabrication technology, and employs a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the output is sequentially detected using the same. Compared to the CCD (Charge Coupled Device) image sensor, which is widely used as an image sensor, CMOS image sensor can be easily driven, various scanning methods can be implemented, and the signal processing circuit can be integrated on a single chip, making the product smaller. Not only is this possible, but it also uses compatible CMOS technology to lower manufacturing terminals and significantly lower power consumption.

CMOS 이미지 센서에 사용되는 픽셀은 여러 종류가 있으나 그 중 대표적으로 상용화된 픽셀의 종류로는, 도 11과 같이 3개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-transistor) 구조의 픽셀과 도 12와 같이 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 4-T(4-transistor) 구조의 픽셀들이 있다.There are many types of pixels used in CMOS image sensors, but among them, a typical commercially available pixel type is a pixel of 3-T (3-transistor) structure composed of three basic transistors and one photodiode as shown in FIG. As shown in FIG. 12, there are four-transistor (4-T) pixels including four basic transistors and one photodiode.

도 11은 종래 기술의 제 1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도이다. 이에 나타낸 바와 같이 픽셀 회로는, 광(photon)을 전자(electron)로 바꾸어 주는 1개의 포토 다이오드(PD)와 3개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. NMOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)의 전위를 리셋 시켜주는 리셋 트랜지스터(Rx), 플로팅 확산(Floating Diffusion)의 전극 전압 변화에 따라 Dx, Sel, DC gate로 구성된 소스 폴로어 회로의 전류를 변화시켜 단위 픽셀의 출력 전압을 바꾸어주는 드라이브 트랜지스터(Dx), 픽셀 어레이 중 로우(row) 번지를 선택해주는 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 구성된다.11 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a first embodiment of the prior art. As shown in the drawing, the pixel circuit is composed of one photodiode PD and three NMOS transistors that convert light into electrons. The NMOS transistor changes the current of a source follower circuit composed of Dx, Sel, and DC gate according to the change of electrode voltage of reset transistor Rx and floating diffusion to reset the potential of the photodiode PD. The drive transistor Dx changes the output voltage of the pixel, and the select transistor Sel selects a row address of the pixel array.

DC gate는 트랜지스터의 게이트 전위를 항상 일정한 전압으로 인가하여 일정 전류만 흐르도록 하는 부하 트랜지스터, Vcc는 구동 전원 전압, Vss는 그라운드 전압, Output는 단위 픽셀의 출력 전압이다.The DC gate is a load transistor that applies a gate voltage of the transistor to a constant voltage at all times so that only a constant current flows, Vcc is a driving power supply voltage, Vss is a ground voltage, and Output is an output voltage of a unit pixel.

이와 같이 구성된 픽셀 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.The operation of the pixel circuit constructed as described above is as follows.

먼저, 리셋 트랜지스터(Rx)에 의해 Vcc 전원으로 포토 다이오드(PD)를 리셋 시키고, 리셋된 포토 다이오드(PD)에 빛을 조사하면 포토 다이오드(PD)의 접합영역에서 전자와 홀이 형성되어 홀은 실리콘 기판으로 확산해 가고 전자들이 접합 영역에 축적되며, 이 축적된 전하가 소스 폴로어 회로의 드라이브 트랜지스터(Dx) 게이트 전극에 인가되어 드라이브 트랜지스터(Dx)가 온되고, 셀렉트 트랜지스터(Sel)가 선택되면 FD 전극의 전압 변화에 따라 단위 픽셀의 출력 전압이 발생되어 픽셀의 정보를 아날로그적으로 출력시키게 된다.First, when the photodiode PD is reset by the Vcc power supply by the reset transistor Rx, and light is irradiated to the reset photodiode PD, electrons and holes are formed in the junction region of the photodiode PD and the hole is formed. The electrons diffuse into the silicon substrate and accumulate in the junction region, and the accumulated charge is applied to the gate electrode of the drive transistor Dx of the source follower circuit to turn on the drive transistor Dx, and the select transistor Sel is selected. In this case, the output voltage of the unit pixel is generated according to the voltage change of the FD electrode to output the pixel information analogously.

상기의 동작 과정을 수치적으로 정리해보면 다음과 같다.To summarize the above operation process as follows.

FD 전압을 Vfd라고 하고 출력 전압을 Vout, 트랜지스터의 문턱 전압을 Vth라고 하면 리셋 상태일 때 FD의 전압은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.If the FD voltage is referred to as Vfd, the output voltage is referred to as Vout, and the threshold voltage of the transistor is referred to as Vth, the voltage of the FD in the reset state may be expressed by Equation 1.

Vfd = Vcc-VthrVfd = Vcc-Vthr

여기서, Vthr은 리셋 트랜지스터의 Vbs=0일 때의 트랜지스터 문턱 전압에 Vfd의 전위가 증가하면서 발생한 트랜지스터의 바디(body) 효과에 의해 Vbs=Vfd일 때의 문턱 전압을 나타낸다.Here, Vthr represents the threshold voltage when Vbs = Vfd due to the body effect of the transistor generated when the potential of Vfd increases to the transistor threshold voltage when Vbs = 0 of the reset transistor.

이 Vfd의 전압은 그대로 포토 다이오드의 전압으로 전달되며, 이 전압에 의해 실리콘 기판의 P형 접합과 포토 다이오드의 N형 접합 사이에 역 방향 전압에 의해 전하 궁핍 영역이 발생하게 된다.The voltage of this Vfd is transferred to the voltage of the photodiode as it is, and this voltage causes the charge depletion region to be generated by the reverse voltage between the P-type junction of the silicon substrate and the N-type junction of the photodiode.

이 상태에서 리셋 트랜지스터를 끄고 일정 시간(광 집적 시간) 동안 광을 조사하게 되면 포토 다이오드에는 포토 다이오드의 전하 궁핍 영역에서 발생한 전자-홀 생성에 의해 홀은 P형 기판으로 확산해 가고 전자는 포토 다이오드의 N형 접합에 계속 축적되게 된다. 그러므로 Vfd 전압은 포토 다이오드의 축적된 전하에 의해 리셋 상태의 전위 이하로 감소하게 된다.In this state, when the reset transistor is turned off and light is irradiated for a predetermined time (optical integration time), the photodiode diffuses holes into the P-type substrate by electron-hole generation generated in the charge depletion region of the photodiode, and the electrons are photodiode. Accumulate at the N-type junction of. Therefore, the voltage Vfd is reduced below the potential of the reset state by the accumulated charge of the photodiode.

이때의 Vfd의 전압을 Vfd'로 정의하면 수학식 2와 같다.If the voltage of Vfd at this time is defined as Vfd ', Equation 2 is obtained.

Vfd' = Vfd-Q/CVfd '= Vfd-Q / C

여기서, Q는 광에 의해 발생된 전자의 총량이고, C는 포토 다이오드의 접합 캐패시턴스와 FD 전극의 접합 캐패시턴스, 드라이브 트랜지스터의 게이트 산화막 캐패시턴스 및 리셋 트랜지스터의 게이트-소스 전극의 중첩 캐패시턴스 합으로 주어진다.Where Q is the total amount of electrons generated by the light, and C is the sum of the junction capacitance of the photodiode and the junction capacitance of the FD electrode, the gate oxide capacitance of the drive transistor, and the overlap capacitance of the gate-source electrode of the reset transistor.

광에 의해 발생된 전하는 포토 다이오드의 전위를 최소 Vss-0.6V 정도까지 낮출 수가 있는데 이 이하로 될 경우는 자동적으로 접합이 순방향으로 되어 기판의 그라운드 전압으로 전자가 빠져나가게 된다.The charge generated by the light can lower the potential of the photodiode to a minimum of about Vss-0.6V. If it becomes less than this, the junction is automatically forwarded, and electrons escape to the ground voltage of the substrate.

일정 시간의 광 집적이 끝나면 셀렉트 트랜지스터를 선택하여 단위 픽셀의 광 정보를 출력시키는데, Vfd'의 전압에 의해 드라이브 트랜지스터가 온되고 출력으로 다음의 수학식 3과 같은 전압이 전달된다.After a certain period of optical integration, the select transistor is selected to output optical information of a unit pixel. The drive transistor is turned on by the voltage of Vfd ', and a voltage as shown in Equation 3 below is transferred to the output.

Vout = Vfd'-VthdVout = Vfd'-Vthd

여기서, Vthd는 드라이브 트랜지스터의 Vbs=Vout일 경우의 바디 효과에 의한 문턱 전압이다.Here, Vthd is a threshold voltage due to the body effect when Vbs = Vout of the drive transistor.

그러므로, 이때의 출력 전압을 다시 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.Therefore, the output voltage at this time can be expressed as Equation 4 again.

Vout = (Vfd-Q/C)-VthdVout = (Vfd-Q / C) -Vthd

= (Vcc-Vthr-Q/C)-Vthd= (Vcc-Vthr-Q / C) -Vthd

= Vcc-Vthr-Vthd-Q/C= Vcc-Vthr-Vthd-Q / C

그러므로, 수학식 4에서 알 수 있듯이 CMOS 이미지 센서 픽셀의 출력 전압은 Vcc, 트랜지스터의 바디 효과에 의한 문턱 전압, 그리고 광에 의해 발생된 총 전하량 및 포토 다이오드 기생 캐패시턴스 값의 변화에 따라 결정된다.Therefore, as shown in Equation 4, the output voltage of the CMOS image sensor pixel is determined by Vcc, the threshold voltage caused by the body effect of the transistor, and the change in the total amount of charge and photodiode parasitic capacitance generated by light.

도 12는 종래 기술의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도이다. 이에 나타낸 바와 같이 픽셀 회로는, 광(photon)을 전자(electron)로 바꾸어 주는 1개의 포토 다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)의 전위를 FD 전극과 입출력 시켜주는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 포토 다이오드(PD)의 전위를 리셋 시켜주는 리셋 트랜지스터(Rx), 플로팅 확산(Floating Diffusion)의 전극 전압 변화에 따라 Dx, Sel, DC gate로 구성된 소스 폴로어 회로의 전류를 변화시켜 픽셀의 출력 전압을 바꾸어주는 드라이브 트랜지스터(Dx), 픽셀 어레이 중 로우(row) 번지를 선택해주는 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 구성된다.12 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a second embodiment of the prior art. As shown in the drawing, the pixel circuit is composed of one photodiode (PD) and four NMOS transistors that convert light into electrons. Four NMOS transistors have a transfer transistor (Tx) for inputting and outputting the potential of the photodiode (PD) to the FD electrode, a reset transistor (Rx) for resetting the potential of the photodiode (PD), and a floating diffusion electrode. Drive transistor (Dx) to change the output voltage of the pixel by changing the current of the source follower circuit consisting of Dx, Sel, and DC gate according to the voltage change, and select transistor (Sel) to select the row address of the pixel array It consists of.

이러한 4-T 구조의 픽셀 회로는 3-T 구조의 픽셀에 비하여 트랜스퍼 트랜지스터가 포토 다이오드와 연결되어 리셋과 데이터 출력시까지의 광 집적 시간을 별도로 제어할 수 있도록 되어 있다. 4-T 구조 픽셀의 전압 인가 방법은 앞서 설명한3-T의 경우와 거의 유사하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Compared to the pixel of the 3-T structure, the 4-T pixel circuit allows the transfer transistor to be connected to the photodiode so as to separately control the optical integration time until reset and data output. Since the voltage applying method of the 4-T structure pixel is almost similar to the case of 3-T described above, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 집적도의 증가에 따라 동작 전원의 값도 점차적으로 스케일링(scaling)되는데, 앞서 설명한 바와 같이 픽셀의 출력 전압은 동작 전압의 감소에 따라 선형적으로 감소하며 이러한 경우 픽셀의 화질은 점차적으로 나빠지게 되므로 스케일링에 따라 점점 어려움을 겪게 된다.On the other hand, as the density increases, the value of the operating power is also gradually scaled. As described above, the output voltage of the pixel decreases linearly with the decrease of the operating voltage. In this case, the image quality of the pixel gradually decreases. Therefore, as the scaling becomes more difficult.

다시 말하면, 종래 기술에 따르면 픽셀들은 소스 팔로우 회로를 구동시키기 위하여 Vcc와 Vss로 구성된 전원 전압을 인가하여 픽셀의 출력을 얻는다. 그러나 집적도의 증가에 따라 기존 CMOS 이미지 센서 제품들은 전원 전압으로 사용되던 5V 전원으로부터 점차적으로 스케일링되어 3.3V, 2.5V, 1.8V 등으로 낮아지게 되며, 이러한 전원 전압의 감소는 CMOS 이미지 센서의 픽셀에 대한 화질 성능을 급격하게 저하시키게 되므로 스케일링의 한계에 도달하는 문제점이 있었다.In other words, according to the prior art, the pixels obtain the output of the pixel by applying a power supply voltage composed of Vcc and Vss to drive the source follow circuit. However, as the density increases, conventional CMOS image sensor products are gradually scaled down from the 5V supply used as the supply voltage to lower to 3.3V, 2.5V, 1.8V, and so on. Since the image quality performance is drastically degraded, there was a problem of reaching the limit of scaling.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 온칩 전압 발생기를 사용하여 단위 픽셀의 구동 전원 전압을 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키거나, Vss 그라운드 전압보다 더 낮은 음 전압의 온칩 전압 Vbb를 인가하여 픽셀 출력 전압의 변화를 더 증대시켜 화질의 특성이 개선되도록 하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve such a conventional problem, by using the on-chip voltage generator to apply a Vpp voltage higher than Vcc to the driving power supply voltage of the unit pixel to increase the variation of the output voltage, or to increase the Vss ground voltage. The purpose is to apply a lower negative voltage on-chip voltage Vbb to further increase the change in pixel output voltage so that the quality of image quality is improved.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법은, 포토 다이오드와 음전압이 사용된 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 회로로 구성된 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법에 있어서, 온칩 전압발생기를 사용하여 구동 전원 전압 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 단위 픽셀에 인가하거나, 그라운드 전압 Vss보다 더 낮은 Vbb 음전압을 단위 픽셀에 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키는 것을 특징으로 한다.A pixel circuit driving method of a CMOS image sensor according to the present invention for realizing the above object is a pixel circuit driving method of a CMOS image sensor comprising a reset transistor and a source follower circuit using a photodiode, a negative voltage, An on-chip voltage generator is used to apply a Vpp voltage higher than the driving power supply voltage Vcc to the unit pixel, or to apply a Vbb negative voltage lower than the ground voltage Vss to the unit pixel to increase the variation of the output voltage.

도 1 내지 도 10은 본 발명의 제 1 내지 제 10 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도,1 to 10 are pixel circuit diagrams of a CMOS image sensor according to the first to tenth embodiments of the present invention;

도 11 및 도 12는 종래 기술의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도.11 and 12 are pixel circuit diagrams of CMOS image sensors according to the first and second embodiments of the prior art.

본 발명은 CMOS 이미지 센서의 동작 전압 감소에 따라 예상되는 픽셀의 화질을 개선하기 위하여 CMOS 이미지 센서 온칩에서 Vcc 전원을 사용하여 발생하는 내부 전압 발생기를 이용하는데 이러한 방법을 사용하여 집적도의 증가에 따라 전원 전압의 감소에도 불구하고 CMOS 이미지 센서의 화질을 개선시킬 수 있다.The present invention utilizes an internal voltage generator generated by using a Vcc power supply in a CMOS image sensor on-chip to improve the image quality of a pixel expected as the operating voltage of the CMOS image sensor decreases. Despite the reduction in voltage, the image quality of the CMOS image sensor can be improved.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 도 1 내지 도 10을 참조하여 여러 가지 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.There may be a plurality of embodiments of the present invention. Hereinafter, various embodiments will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 10.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신에 Vcc 전원보다 높게 온칩에서 발생된 Vpp를 인가하는 경우이다.FIG. 1 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention, in which Vpp generated from an on-chip higher than a Vcc power source is applied instead of Vcc.

동작 전압 Vcc 대신에 Vpp를 인가하여 줌으로서 픽셀의 출력 전압은 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.By applying Vpp instead of the operating voltage Vcc, the output voltage of the pixel can be expressed by Equation 5 below.

Vout = Vpp-Vthr-Vthd-Q/CVout = Vpp-Vthr-Vthd-Q / C

그러므로, Vpp의 전압에 따라 픽셀의 출력 전압을 높일 수 있다.Therefore, the output voltage of the pixel can be increased in accordance with the voltage of Vpp.

Vpp를 소스 폴로어 회로의 전원 전압으로 사용할 경우에 리셋 트랜지스터의 게이트 전압도 Vpp 전압을 인가하여 리셋 트랜지스터의 전압 전달을 최대로 사용할 수 있도록 해준다.When Vpp is used as the source voltage of the source follower circuit, the gate voltage of the reset transistor also applies the Vpp voltage to maximize the voltage transfer of the reset transistor.

Vpp 값은 Vcc 값의 1.5 배 정도를 사용, 즉 Vcc가 3.3V일 경우 약 4.85V 정도를 사용하고 Vcc가 2.5V일 경우 약 3.75V 사용한다. 그러므로 픽셀의 출력도 이 만큼의 전압 이득이 발생하게 되는데 이 전압 이득에 따라 화질도 그만큼 개선되어 집적도 증가에 따라 동작 전압 감소에도 불구하고 보다 좋은 화질을 구현할 수 있도록 해 준다.The Vpp value is about 1.5 times the Vcc value, that is, about 4.85V when Vcc is 3.3V, and about 3.75V when Vcc is 2.5V. Therefore, the pixel output also generates this voltage gain, and the image quality is improved according to the voltage gain, so that the image quality is improved even though the operating voltage decreases as the integration density increases.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 대신에 Vss보다 낮게 온칩에서 발생된 Vbb 음전압 전원을 사용하는 경우이다.2 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention, in which a Vbb negative voltage power source generated on-chip lower than Vss is used instead of Vss.

동작 전원의 Vcc를 이용하여 온칩에서 Vss보다 낮은 전압 Vbb를 발생시켜 이 전압을 DC 게이트 부하 트랜지스터의 그라운드 전극에 사용하는 경우 픽셀의 출력 전압은 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.When the voltage Vbb lower than Vss is generated on-chip using Vcc of the operating power supply and the voltage is used as the ground electrode of the DC gate load transistor, the output voltage of the pixel may be expressed as in Equation 6 below.

Vout = (Vcc+Vbb)-Vthr-Vthd-Q/CVout = (Vcc + Vbb) -Vthr-Vthd-Q / C

이때, Vfd의 전위는 포토 다이오드의 기판 전위가 그라운드로 되어 있기 때문에 최소 Vss-0.6V까지로 움직일 수 있다. 그러므로 소스 폴로어 회로의 그라운드 전위를 비록 Vbb로 하더라도 출력의 전압은 효과적으로 충분한 음 전압까지 감소하지 못한다.At this time, the potential of Vfd can move to a minimum of Vss-0.6V because the substrate potential of the photodiode is at ground. Therefore, even if the ground potential of the source follower circuit is Vbb, the voltage at the output is not effectively reduced to a sufficient negative voltage.

온칩 Vbb 값은 Vcc 갑의 1/3 배 정도를 사용, 즉 동작 전압이 3.3V일 경우 Vbb 전압은 약 0.99V의 음전압을 사용하며, 동작 전압이 2.5V일 경우는 약 0.75V의 음전압을 사용한다.On-chip Vbb value uses 1/3 times of Vcc value, that is, when operating voltage is 3.3V, Vbb voltage uses about 0.99V of negative voltage and when operating voltage is about 2.5V, about 0.75V use.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 대신에 Vbb를 사용하고 또한 포토 다이오드의 기판 전위를 Vss 대신 Vbb로 사용하는 경우이다.3 is a pixel circuit diagram in the CMOS image sensor according to the third embodiment of the present invention, in which Vbb is used instead of Vss and the substrate potential of the photodiode is used as Vbb instead of Vss.

포토 다이오드의 기판 전위까지 Vss 대신에 Vbb로 인가하여 포토 다이오드의 최소 전위도 Vbb-0.6V 까지 떨어 질 수 있도록 하여 FD의 전압을 음 전압까지 떨어 질 수 있도록 하기 때문에 픽셀의 출력 전압도 효과적으로 충분한 음 전압까지 떨어뜨릴 수 있으므로 포토 다이오드의 Saturation 상태도 증가시키면서 출력을 음 전압까지 충분히 떨어뜨릴 수 있어 보다 효과적으로 Vbb의 인가 전압에 의한 픽셀의 출력을 증가시킬 수 있다.The output voltage of the pixel is effectively effectively negative because the minimum potential of the photodiode can drop to Vbb-0.6V by applying Vbb to the substrate potential of the photodiode instead of Vss. Since the voltage can be dropped, the output can be sufficiently dropped to the negative voltage while increasing the saturation state of the photodiode, thereby increasing the output of the pixel by the applied voltage of Vbb more effectively.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신 Vpp를 사용하고 Vss 대신 Vbb를 사용한 경우이다.4 is a pixel circuit diagram in a CMOS image sensor according to a fourth embodiment of the present invention, in which Vpp is used instead of Vcc and Vbb is used instead of Vss.

Vcc 대신 Vpp를 사용하고 또한 Vss 대신 Vbb를 사용하게 되면 픽셀의 출력은 이중으로 확장해서 사용할 수가 있다. 이때의 픽셀 출력 전압은 다음의 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.If you use Vpp instead of Vcc and Vbb instead of Vss, the output of the pixel can be doubled. The pixel output voltage at this time may be expressed as in Equation 7 below.

Vout = Vpp+Vbb-Vthr-Vthd-Q/CVout = Vpp + Vbb-Vthr-Vthd-Q / C

수학식 7에서 알 수 있듯이 비록 Vcc의 동작 전원을 사용하더라도 CMOS 이미지 센서 내부에서 발생시킨 Vpp와 Vbb 전압을 픽셀의 Vcc 와 Vss 대신에 사용하여 최종 단위 픽셀의 출력 전압은 Vpp와 Vbb 전압만큼 더 확대된 전압으로 증가시킬 수 있다.As can be seen from Equation 7, the output voltage of the final unit pixel is further expanded by the Vpp and Vbb voltages by using the Vpp and Vbb voltages generated inside the CMOS image sensor instead of the pixels Vcc and Vss even though the Vcc operating power is used. Can be increased to the rated voltage.

물론 이 경우는 포토 다이오드의 기판 전압이 Vss로 되어 있기 때문에 출력 전압 또한 효과적으로 충분한 음의 전압까지 떨어뜨릴 수 없는 단점을 가지고 있다.Of course, in this case, since the substrate voltage of the photodiode is set to Vss, the output voltage also has a disadvantage that it cannot effectively drop a sufficient negative voltage.

도 5는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신 Vpp를 Vss 대신 Vbb를 사용하고 포토 다이오드의 기판 전위를 Vbb로 사용한 경우이다.5 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a fifth embodiment of the present invention, in which Vpp is used instead of Vcc and Vbb is used instead of Vss, and the substrate potential of the photodiode is used as Vbb.

Vcc 대신 Vpp를 Vss 대신 Vbb를 사용하고 포토 다이오드의 기판 전압까지 Vbb로 인가하여 픽셀의 출력을 더욱 효과적으로 음의 전압까지 떨어 뜨려 사용할 수 있다.Vpp instead of Vcc is used instead of Vss, and Vbb is applied to the substrate voltage of the photodiode to reduce the output of the pixel to the negative voltage more effectively.

도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, 4-T 픽셀에서 Vcc 대신 Vpp를 인가하여 픽셀 출력을 증대시킨 경우이다.FIG. 6 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a sixth exemplary embodiment of the present invention, in which a pixel output is increased by applying Vpp instead of Vcc in a 4-T pixel.

도 7은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 그라운드 대신에 Vbb를 인가하여 픽셀의 출력 전압을 증가시킨 경우이다.FIG. 7 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a seventh exemplary embodiment of the present invention, in which an output voltage of a pixel is increased by applying Vbb instead of Vss ground.

도 8은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 대신 Vbb를 인가하고 포토 다이오드를 Vss 대신 Vbb로 인가한 경우이다.FIG. 8 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to an eighth embodiment of the present invention, in which Vbb is applied instead of Vss and a photo diode is applied to Vbb instead of Vss.

도 9는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신에 Vpp를 인가하고 Vss 대신에 Vbb를 인가한 경우이다.FIG. 9 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a ninth embodiment of the present invention in which Vpp is applied instead of Vcc and Vbb is applied instead of Vss.

도 10은 본 발명의 제 10 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신 Vpp를 인가하고 Vss 대신 Vbb를 또한 포토 다이오드의 Vss 대신 Vbb를 인가한 경우이다.FIG. 10 is a pixel circuit diagram of a CMOS image sensor according to a tenth exemplary embodiment of the present invention in which Vpp instead of Vcc is applied, Vbb instead of Vss, and Vbb instead of Vss of a photodiode.

도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한 본 발명의 제 6 내지 제 10 실시예에 따른 전압 인가 방법은 도 1 내지 도 5를 통하여 설명한 3-T의 경우와 거의 유사하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Since the voltage application method according to the sixth to tenth embodiments of the present invention described with reference to FIGS. 6 to 10 is almost similar to the case of 3-T described with reference to FIGS. 1 to 5, a detailed description thereof will be omitted.

전술한 바와 같이 본 발명은 단위 픽셀의 구동 전원 전압을 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키거나, Vss 그라운드 전압보다 더 낮은 음 전압의 온칩 전압 Vbb를 인가하여 픽셀 출력 전압의 변화를 더 증대시켜 화질의 특성이 개선되는 효과가 있다.As described above, the present invention increases the variation of the output voltage by applying a Vpp voltage higher than Vcc to the driving power supply voltage of a unit pixel, or by applying an on-chip voltage Vbb of a negative voltage lower than Vss ground voltage. By further increasing the change of the image quality is an effect that is improved.

Claims (4)

포토 다이오드와 음전압이 사용된 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 회로로 구성된 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법에 있어서,In a pixel circuit driving method of a CMOS image sensor composed of a reset diode and a source follower circuit using a photodiode and a negative voltage, 온칩 전압 발생기를 사용하여 구동 전원 전압 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 단위 픽셀에 인가하거나, 그라운드 전압 Vss보다 더 낮은 Vbb 음전압을 단위 픽셀에 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키는 것을 특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.CMOS image, characterized by increasing the variation of output voltage by applying Vpp voltage higher than driving power supply voltage Vcc to unit pixel or applying Vbb negative voltage lower than ground voltage Vss to unit pixel using on-chip voltage generator Method for driving pixel circuit of sensor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Vpp 전압을 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 회로의 구동 전원으로 사용하는 것을 특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.And using the Vpp voltage as a driving power source for a reset transistor and a source follower circuit. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Vbb 전압을 상기 소스 폴로어 회로의 그라운드 전극에 사용하는 것을 특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.And using the Vbb voltage as the ground electrode of the source follower circuit. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Vpp 전압을 상기 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어의 구동 전원으로 사용하며, 상기 Vbb 전압을 상기 소스 폴로어 회로의 그라운드 전극에 사용하는 것을특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.And using the Vpp voltage as a driving power source for the reset transistor and the source follower, and using the Vbb voltage as a ground electrode of the source follower circuit.
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