JP2000125207A - 画素アレイ駆動方法及びそのイメ―ジセンサ - Google Patents
画素アレイ駆動方法及びそのイメ―ジセンサInfo
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Abstract
通じてイメージセンサの画質を改善するための単位画素
駆動方法を提供すること。 【解決手段】単位画素はトランスファートランジスタ、
リセットトランジスタ、ドライブトランジスタ及びセレ
クトトランジスタで構成される。相互関連された二重サ
ンプリング方式下で、前記リセットトランジスタがター
ンオフされた後所定時間内に前記セレクトトランジスタ
をターンオンさせて前記ドライブトランジスタを通じて
電源電圧端から伝えられたリセット電圧レベルを単位画
素出力信号で出力する。電源電圧端が直接的に単位画素
の出力と連結しないことで不要な電力消耗を效果的に減
らし画質を改善する。
Description
し、特に電力消耗を低減させながら画質を改善させるこ
とができるイメージセンサを駆動させるための方法及び
そのイメージセンサに関するものである。
する半導体の性質を用いてイメージを捕獲(capture)す
る装置である。このようなイメージセンサは本願発明と
同一出願人によって出願され係留中の「CMOSセンサ及び
その駆動方法」という発明の名称で特願平11−129
154号に掲載されている。
ステムインターフェースユニットは集積時間、スキャン
アドレス(scan addresses)、動作モード、フレームレー
ト(frame rate)、バンク(bank)及びクロック分割(clock
division)を制御することによってイメージセンサを
制御し、外部システムとのインターフェース役割を遂行
する。M×N個の単位画素を含む画素アレイは被写体か
らのイメージを感知する。
た二重サンプリング方式(correlated double sampling
method、以下CDSとする)を利用することによって高
画質を獲得する。CDSを具現するために、各単位画素
は例えば、フォトダイオード及び4個のトランジスタを
含む。また、単位画素で4個のトランジスタはトランス
ファートランジスタ(transfer transistor)、リセット
トランジスタ(reset transistor)、ドライブトランジス
タ(drive transisotr)及びセレクトトランジスタ(selec
t transistor)を含む。CDSによって単位画素は制御
及びシステムインターフェースユニットの制御下でトラ
ンスファートランジスタがターンオフ(turn-off)状態
を、リセットトランジスタがターンオン(turn-on)状態
を維持する間セレクトトランジスタをターンオン(turn-
on)させることによってリセット電圧レベルを獲得す
る。また、単位画素はリセットトランジスタがターンオ
フ状態を維持する間、トランスファートランジスタをタ
ーンオフさせて制御及びシステムインターフェースユニ
ットの制御下でフォトダイオードで生成された光電荷を
読み出すことによってデータ電圧レベルを獲得する。結
論的に、単位画素での予期できない電圧が效果的に除去
できて、純粋なイメージ電圧値は単位画素出力信号とし
てリセット電圧レベル及びデータ電圧レベルを利用する
ことによって獲得できる。
式を表すタイミング図が図示されている。リセットトラ
ンジスタ及びセレクトトランジスタが各々ターンオン状
態及びターンオフ状態を維持する間にターンオンされた
トランスファートランジスタがトランスファー制御信号
(Tx1)に応答してターンオフされ所定時間の間ターンオ
フ状態を維持する。図に示すように、リセットトランジ
スタ及びトランスファートランジスタが各々ターンオン
状態及びターンオフ状態を維持する間にセレクトトラン
ジスタがセレクト制御信号(Sx1)に応答してターンオン
されることによってリセット電圧レベルが単位画素出力
信号としてドライブトランジスタ及びセレクトトランジ
スタを介して出力される。
ジスタ及びセレクトトランジスタがドライブトランジス
タ及びセレクトトランジスタを介してリセット電圧レベ
ルを出力するために同時にターンオンされなければなら
ない。この時、電源及び接地間の電流経路(current pat
h)が形成されるため不要な漏洩電流が流れることがあり
得る。
0は画素アレイ300周辺に配置される。図4の区間Bで
引き起こされた漏洩電流は電源ライン310に隣接する
単位画素に対する影響は小さいが、画素アレイの中央部
に配置された単位画素の場合に、漏洩電流により電力消
耗が発生するため低下された電圧レベルが単位画素32
0に供給されることがあり得る。したがって、従来イメ
ージセンサでは出力されるイメージ値レベルが低くなっ
て画質が低下される問題点があった。
解決するために案出されたもので、不要な漏洩電流を減
らし安定した電力供給を通じてイメージセンサの画質を
改善するための単位画素駆動方法を提供することにその
目的がある。
の本発明の画素アレイ駆動方法は、イメージセンサであ
って、物体から光を受信して光電荷を生成するための光
感知手段、入力信号を増幅して出力するための増幅手
段、前記入力信号として前記光感知手段からの前記光電
荷を前記増幅手段に伝達するための第1スイッチング手
段、電源からリセット電圧レベルを前記光感知手段に伝
達するための第2スイッチング手段と、単位画素出力信
号として前記増幅された信号及び前記リセット電圧レベ
ルを出力するための第3スイッチング手段でなされた多
数の単位画素を含む画素アレイを駆動させるための方法
において、前記第1、第2及び第3スイッチング手段を制
御して前記リセット電圧レベルを前記光感知手段に提供
して前記光感知手段の空乏領域を完全空乏させる第1ス
テップと、前記第1ステップが完了した後第1所定時間以
後、前記第1及び第3スイッチング手段がターンオフ(tur
n-off)状態を維持する間前記第2スイッチング手段をタ
ーンオフさせる第2ステップと、前記第2ステップが完了
した後第2所定時間内に、前記第1及び第2スイッチング
手段が前記ターンオフ状態を維持する間に前記第3スイ
ッチング手段をターンオン(turn-on)させ単位画素出力
信号として前記リセット電圧レベルを出力する第3ステ
ップを含んでなることを特徴とする。
ージを電気的な信号に変換するためのイメージセンサに
おいて、物体から光を受信して光電荷を生成するための
光感知手段、入力信号を増幅して前記増幅された信号及
びリセット電圧レベルを出力するための増幅手段、第1
制御信号に応答して前記入力信号として前記光感知手段
からの前記光電荷を前記増幅手段に伝達するための第1
スイッチング手段、第2制御信号に応答して電源からの
リセット電圧レベルを前記光感知手段及び前記増幅手段
に伝達するための第2スイッチング手段、第3制御信号に
応答して単位画素出力信号として前記増幅された信号及
び前記リセット電圧レベルを出力するための第3スイッ
チング手段で構成された多数の単位画素を含んで、光電
荷に相応する増幅された信号及び前記単位画素出力信号
としてリセット電圧レベルを出力する画素アレイと、前
記第1スイッチング手段がターンオフ状態にある間に前
記第2スイッチング手段が前記第2制御信号に応答してタ
ーンオフされ、前記第3スイッチング手段が前記第2スイ
ッチング手段のターンオフ状態以後所定時間内に前記第
3制御信号に応答してターンオンされて単位画素出力信
号として前記増幅手段及び前記第3スイッチング手段を
通じて前記リセット電圧レベルを出力する第1単位画素
出力制御モードを含む制御モードによって前記第1、第2
及び第3制御信号を生成して前記画素アレイを制御する
ための制御手段とを含むことを特徴とする。
施の形態を詳細に説明する。図1及び図2に示すイメー
ジセンサは、制御及びシステムインターフェースユニッ
ト10、多数の光感知素子で構成された画素アレイ2
0、単一傾斜アナログ/デジタル変換器30で構成され
る。また、前記単一傾斜アナログ/デジタル変換器30
は基準電圧を発生するランプ電圧発生器31、前記ラン
プ電圧信号と前記画素アレイからのアナログ信号を比較
するための比較器32及び二重バッファー40からな
る。
ニット10は集積時間、スキャンアドレス(scan addres
s)、動作モード、フレームレート(frame rate)、バンク
(bank)及びクロック分割(clock division)を制御して
前記イメージセンサを制御し、また外部システムとのイ
ンターフェース機能を有する。前記画素アレイ20は横
M個、縦N個で配列(M×N)された単位画素で構成され
て、各単位画素は光感知素子を含んでいて物体からイメ
ージを感知する。前記単一傾斜アナログ/デジタル変換
器30は前記画素アレイ20からの単位画素出力信号を
含むアナログ信号をデジタル信号に変換する。このよう
なアナログ/デジタル変換は制御信号に応答して前記ラ
ンプ電圧信号と前記アナログ信号を比較することによっ
て遂行される。前記アナログ信号に該当する変換された
デジタル値を前記二重バッファー40に貯蔵する。
す図である。図2に示すように、画素アレイ(図1の2
0)は行列形態で配列された多数の単位画素で構成され
ている。各単位画素100、100nは光感知素子でフ
ォトダイオード101,102と4個のトランジスタで
構成されている。また、4個のトランジスタは第1スイッ
チング素子でトランスファートランジスタMT1、第2
スイッチング素子でリセットトランジスタMR1、増幅
素子でドライブトランジスタMD1及び第3スイッチン
グ素子でセレクトトランジスタMS1を含んでなる。前
記フォトダイオード101は物体から光を受けて光電荷
を生成し、前記トランスファートランジスタMT1は前
記フォトダイオード101で生成された光電荷をセンシ
ングノードN1を通じて入力信号として前記ドライブト
ランジスタMD1に伝達する。前記リセットトランジス
タMR1は電源電圧VDDから前記フォトダイオード1
01及び前記ドライブトランジスタMD1にリセット電
圧レベルを伝達する。前記ドライブトランジスタMD1
はソースフォロワ(source follower)の役割をし前記フ
ォトダイオード101及び前記リセットトランジスタM
R1からの入力信号を増幅する。前記セレクトトランジ
スタMS1は単位画素出力信号で前記増幅された信号ま
たは前記リセット電圧レベルを出力する。本発明に係る
一実施の形態では前記4個のトランジスタはNMOSト
ランジスタで具現可能である。
れた二重サンプリング方式(correlated double samplin
g、CDS)を支援し、高画質のイメージを得ることが
できる。
素を構成するトランジスタを制御するための制御信号の
タイミング図を表す。図2及び図5を参照しながら前記
単位画素の動作を説明する。
画素の動作によってリセット制御モード1’、第1単位
画素出力モード2’及び第2単位画素出力モード3’で
構成された3つの制御モードで構成される。
領域(fully depleted region)を生成するために前記ト
ランスファートランジスタMT1、前記リセットトラン
ジスタMR1及び前記セレクトトランジスタMS1を制
御する前記リセット制御モード1’は次の通りである。
ンジスタMT1及び前記セレクトトランジスタMS1が
ターンオフ状態を維持する間に、リセット制御信号Rx
1に応答して前記リセットトランジスタMR1をターン
オンさせる。 ロ)A2’区間は、前記リセットトランジスタMR1が
ターンオン状態を、前記セレクトトランジスタMS1が
ターンオフ状態を維持する間に、トランスファー制御信
号Tx1に応答して前記トランスファートランジスタM
T1を所定時間の間ターンオンさせる。したがって、前
記電源電圧が前記トランスファートランジスタMT1を
通じて前記フォトダイオード101に伝達され、前記フ
ォトダイオード101内に完全空乏領域を作る。これは
前記フォトダイオード101のリセット(reset)を意味
する。
スタMT1がターンオフ状態を維持する時、前記フォト
ダイオード101が物体から光を受けてその光に該当す
る光電荷を発生させ、さらに単位画素出力信号としてリ
セット電圧レベルを出力させる前記第1単位画素出力モ
ード2’は次の通りである。
スタMR1がターンオン状態を、前記セレクトトランジ
スタMS1がターンオフ状態を維持する間、前記トラン
スファー制御信号Tx1に応答して前記トランスファー
トランジスタMT1をターンオフさせて所定時間の間タ
ーンオフ状態を維持させる。
ランジスタMT1及び前記セレクトトランジスタMS1
がターンオフ状態を維持する間、前記リセット制御信号
Rx1に応答して前記リセットトランジスタMR1をタ
ーンオフさせ、前記単位画素100の出力端で前記リセ
ット電圧レベルを安定化(settling)させる。
ランジスタMT1及び前記リセットトランジスタMR1
がターンオフ状態を維持する間、前記セレクト制御信号
Sx1に応答して前記リセットトランジスタMR1がタ
ーンオフされた後所定時間内に前記セレクトトランジス
タMS1をターンオンさせて、前記リセット電圧レベル
を単位画素出力信号で出力して、同時に前記アナログ/
デジタル変換器(図1の30)により前記リセット電圧レ
ベルをサンプリングする(B4’区間)。この時、前記B
1’区間から前記B3’区間の間前記フォトダイオード
101で光電荷が発生する。この実施の形態では前記セ
レクトトランジスタMS1は前記リセットトランジスタ
MR1がターンオフされた後所定時間以後にターンオン
させ電力消耗を減らすことができる。さらに、前記所定
時間は前記フォトダイオード101と接地間、センシン
グノードN1と接地間のキャパシタンスによって決定さ
れる。
された光電荷に該当するデータ電圧レベルを出力してサ
ンプリングする前記第2単位画素出力モード3’は次の
通りである。
スタMR1がターンオフ状態を、前記セレクトトランジ
スタMS1がターンオン状態を維持する間、前記トラン
スファー制御信号Tx1に応答して所定時間の間前記ト
ランスファートランジスタMT1をターンオンさせて、
前記データ電圧レベルを前記ドライブトランジスタMD
1及び前記セレクトトランジスタMS1を通じて単位画
素出力信号で出力する。
スタMR1がターンオフ状態を、前記セレクトトランジ
スタMS1がターンオン状態を維持する間、前記トラン
スファートランジスタMT1を所定時間の間ターンオフ
させて、前記単位画素101の出力端でデータ電圧レベ
ルを安定化(settling)させる。
号、すなわちデータ電圧レベルを前記単一傾斜アナログ
/デジタル変換器(図1の30)によりサンプリングする。
スタMR1及び前記トランスファートランジスタMT1
がターンオフ状態を維持する間、前記セレクト制御信号
Sx1に応答して前記セレクトトランジスタMS1をタ
ーンオフさせる。
記モード1’からモード3’を繰り返す。
て、前記リセットトランジスタMR1がターンオフされ
た時から(B3’区間)所定時間内に前記セレクトトラン
ジスタMS1をターンオンさせて(B2’区間)、前記リ
セットトランジスタMR1と前記セレクトトランジスタ
MS1が同時にターンオンされることを防止しながら前
記リセット電圧レベルを伝達できる。したがって、電源
電圧端と接地電源端間の電流経路を遮断して不要な電流
浪費を防止できる。
って具体的に記述したが、前記した一実施の形態はその
説明のためのものであり、その制限のためのものではな
いことを注意するべきである。また、本発明の技術分野
の通常の専門家であるならば本発明の技術思想の範囲内
で多様な実施例が可能であることを理解することができ
る。
をターンオンさせてリセット電圧レベルをセンシングノ
ードに伝達した後リセットトランジスタをターンオフさ
せ、所定時間後にセレクトトランジスタをターンオンさ
せリセット電圧レベルをサンプリングすることによっ
て、ドライバートランジスタ及びセレクトトランジスタ
を通した電源電圧端及び接地電源端間の電流経路を遮断
して不要な電流消耗を減らし、それによる電力損失を減
らすことができるすぐれた効果を奏する。
少することによって、画素アレイの中央部に位置する単
位画素に安定した電力供給が可能であるのでイメージセ
ンサの全体画質を改善することができる。
実施の形態のブロック図である。
を示すブロック図である。
タイミング図である。
イン配置図の一実施例を示した模式図である。
御信号タイミング図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 イメージセンサで、物体から光を受信し
て光電荷を生成するための光感知手段、入力信号を増幅
して出力するための増幅手段、前記入力信号として前記
光感知手段からの前記光電荷を前記増幅手段に伝達する
ための第1スイッチング手段、電源からリセット電圧レ
ベルを前記光感知手段に伝達するための第2スイッチン
グ手段及び単位画素出力信号として前記増幅された信号
及び前記リセット電圧レベルを出力するための第3スイ
ッチング手段でなされた多数の単位画素を含む画素アレ
イを駆動させるための方法において、 前記第1、第2及び第3スイッチング手段を制御して前記
リセット電圧レベルを前記光感知手段に提供して前記光
感知手段の空乏領域を完全空乏させる第1ステップと、 前記第1ステップが完了した後第1所定時間以後、前記第
1及び第3スイッチング手段がターンオフ(turn-off)状態
を維持する間に前記第2スイッチング手段をターンオフ
させる第2ステップと、 前記第2ステップが完了した後第2所定時間内に、前記第
1及び第2スイッチング手段が前記ターンオフ状態を維持
する間に前記第3スイッチング手段をターンオン(turn-o
n)させ単位画素出力信号として前記リセット電圧レベル
を出力する第3ステップとを含むことを特徴とする画素
アレイ駆動方法。 - 【請求項2】 前記第3スイッチング手段が前記第3ステ
ップでターンオンされる同時に前記リセット電圧レベル
をサンプリングする第4ステップをさらに含むことを特
徴とする請求項1記載の画素アレイ駆動方法。 - 【請求項3】 前記第3ステップは、 前記第1及び第3スイッチング手段が前記ターンオフ状態
を維持する間前記第2スイッチング手段をターンオンさ
せる第5ステップと、 前記第1スイッチング手段をターンオンさせて、第3所定
時間の間前記第1スイッチング手段をターンオンさせ前
記光感知手段の空乏領域を完全空乏させる第6ステップ
と、 前記第1スイッチング手段をターンオフさせる第7ステッ
プとを含むことを特徴とする請求項1記載の画素アレイ
駆動方法。 - 【請求項4】 前記第3ステップが完了した後第4所定時
間以後、前記第2スイッチング手段が前記ターンオフ状
態にあって、前記第3スイッチング手段が前記ターンオ
ン状態を維持する間に、前記第1スイッチング手段をタ
ーンオンさせ単位画素出力信号として前記光感知手段か
らの前記光電荷に該当する前記増幅された信号を出力す
る第4ステップをさらに含むことを特徴とする請求項1
から3のいずれかに記載の画素アレイ駆動方法。 - 【請求項5】 前記第1スイッチング手段の前記ターンオ
フ状態から所定時間以後前記増幅された信号をサンプリ
ングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項
4記載の画素アレイ駆動方法。 - 【請求項6】 前記第1、第2、第3スイッチング手段及び
前記増幅手段は、 NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項4
記載の画素アレイ駆動方法。 - 【請求項7】 前記光感知手段は、 フォトダイオードであることを特徴とする請求項6記載
の画素アレイ駆動方法。 - 【請求項8】 イメージを電気的な信号に変換するため
のイメージセンサにおいて、 物体から光を受信して光電荷を生成するための光感知手
段、入力信号を増幅して前記増幅された信号及びリセッ
ト電圧レベルを出力するための増幅手段、第1制御信号
に応答し前記入力信号として前記光感知手段からの前記
光電荷を前記増幅手段に伝達するための第1スイッチン
グ手段、第2制御信号に応答し電源からのリセット電圧
レベルを前記光感知手段及び前記増幅手段に伝達するた
めの第2スイッチング手段、第3制御信号に応答し単位画
素出力信号として前記増幅された信号及び前記リセット
電圧レベルを出力するための第3スイッチング手段で構
成された多数の単位画素を含んで、光電荷に相応する増
幅された信号及び前記単位画素出力信号としてリセット
電圧レベルを出力する画素アレイと、 前記第1スイッチング手段がターンオフ状態にある間に
前記第2スイッチング手段が前記第2制御信号に応答して
ターンオフされて、前記第3スイッチング手段が前記第2
スイッチング手段のターンオフ状態以後所定時間内に前
記第3制御信号に応答してターンオンされ単位画素出力
信号として前記増幅手段及び前記第3スイッチング手段
を通じて前記リセット電圧レベルを出力する第1単位画
素出力制御モードを含む制御モードによって前記第1、
第2及び第3制御信号を生成して前記画素アレイを制御す
るための制御手段を含むことを特徴とするイメージセン
サ。 - 【請求項9】 前記第1単位画素出力モードで前記第3ス
イッチング手段がターンオンされる同時に前記リセット
電圧レベルをサンプリングする前記単位画素出力信号を
デジタル信号に変換するための変換手段をさらに含むこ
とを特徴とする請求項8記載のイメージセンサ。 - 【請求項10】 前記制御モードはリセット制御モードを
含んで、前記リセット制御モードで前記第2制御信号に
応答して、前記第1スイッチング手段及び前記第2スイッ
チング手段がターンオフ状態にある間前記第2スイッチ
ング手段はターンオンされ、前記第1制御信号に応答し
て前記第1スイッチング手段がターンオンされて第2所定
時間の間ターンオン状態が維持されて、前記第1スイッ
チング手段がターンオフされて前記光感知手段の空乏領
域が完全空乏されることを特徴とする請求項8記載のイ
メージセンサ。 - 【請求項11】 前記制御モードは第2単位画素出力モー
ドを含んで、前記第2単位画素出力モードで前記第1制御
信号に応答して前記第2スイッチング手段がターンオフ
状態にあって、前記第3スイッチング手段がターンオン
状態にある間前記第1スイッチング手段がターンオン及
びターンオフされて単位画素出力信号として前記光感知
手段からの前記光電荷に該当する前記増幅された信号を
出力することを特徴とする請求項8から10のいずれか
に記載のイメージセンサ。 - 【請求項12】 前記第2単位画素出力モードで前記第3
スイッチング手段がターンオンされる同時に前記増幅さ
れた信号をサンプリングして前記単位画素出力信号をデ
ジタル信号に変換するための変換手段をさらに含むこと
を特徴とする請求項11記載のイメージセンサ。 - 【請求項13】 前記第1,第2,第3スイッチング手段
及び前記増幅手段は、 NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1
2記載のイメージセンサ。 - 【請求項14】 前記光感知手段は、 フォトダイオードであることを特徴とする請求項13記
載イメージセンサ。
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