KR100265364B1 - 넓은 동적 범위를 갖는 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CDS를 지원하되, 단위화소의 출력단이 움직일 수 있는 전압 변화폭, 즉 동적 범위가 매우 큰 CMOS 이미지센서를 제공하고, 또한 단위 화소를 보다 적은 수의 트랜지스터로 구성하여 전체 CMOS 이미지 센서의 칩 면적을 줄인 CMOS 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로서, 이를 위해 본 발명은 광전하에 대응되는 전기적 신호를 상호 연관된 이중 샘플링(correlated double sampling) 방식으로 출력하는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 서로 병렬 연결된 다수의 단위 화소; 상기 단위 화소의 공통 노드에 연결되어 상기 공통 노드의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 수단; 및 상기 증폭 수단으로부터 증폭된 신호를 상기 단위 화소의 출력으로 최종 출력하기 위한 출력 수단을 포함하여 구성된 단위 어레이단을 포함한다.

Description

넓은 동적 범위를 갖는 씨모스 이미지 센서
본 발명은 씨모스(Complementary Metal Oxide semiconductor, 이하 CMOS라 함) 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지 센서를 구성하는 화소(pixel)의 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말하는 것이다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서 감지하는 장치의 각 화소에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.
이를 위해 이미지 센서는 수만에서 수십만 개의 화소로 구성된 화소 어레이와, 수백개 정도의 화소에서 감지한 아날로그(analog) 전압을 디지털(digital) 전압으로 바꿔주는 장치와, 수백에서 수천 개의 저장 장치 등으로 구성된다.
도 1은 CMOS 이미지 센서에 대한 일실시예 블록도로서, CMOS 이미지 센서의 전체적인 동작을 제어하며, 외부 시스템(system)에 대한 인터페이스(interface) 역할을 담당하는 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10), 빛에 반응하는 성질을 극대화 시키도록 만든 화소를 가로 N개, 세로 M개로 배치하여 외부에서 들어오는 상(image)에 대한 정보를 감지하는 화소 어레이부(20), 센서의 각 화소에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 시스템에서 처리가 가능하도록 디지털 전압으로 바꿔주는 아날로그-디지털 변환기(Analog-digital converter, 30), 및 상기 아날로그-디지털 변환기(30)의 출력에 응답하여 디지털화된 화소의 이미지 신호값을 저장하는 버퍼(40)로 이루어진다. 그리고, 아날로그-디지털 변환기(30)는 각 화소에서 감지한 전압과 비교하는 데 사용되는, 클럭에 따라 선형적으로 감소하는 램프(ramp)형태의 비교 기준 전압(reference voltage)을 만들어내는 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog converter, 이하 DAC라 함, 31) 및 화소 어레이(20)로부터 출력되는 감지 전압(아날로그 전압)과 DAC(31)로부터 출력되는 비교 기준 전압을 비교하여, 비교 기준 전압이 화소 전압보다 큰 동안 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10)로부터 출력되는 카운터 값을 버퍼(40)에 쓰여지도록 하는 쓰기 가능 신호를 출력하는 N개의 배열로 구성된 전압 비교기(32)로 이루어진다.
상기와 같은 구성의 CMOS 이미지 센서가 고화질의 이미지 생성을 위해 상호 연관된 이중 샘플링 방식(correlated double sampling method, 이하 CDS라 함)을 지원하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 단위 화소(100)는 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(101)에 생성된 광전하를 센싱 노드(D)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(MT)와, 다음 신호 검출을 위해 상기 센싱 노드(D)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터(MR)와, 소스 폴로우(source follower) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(MD) 및 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(MS)이다.
여기서 CDS라 함은, 단위 화소를 구성하는 리셋 트랜지스터(MR)를 턴-온(turn-on), 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-오프(turn-off) 시켜 리셋 레벨에 해당하는 전압을 얻고, 그 다음 리셋 트랜지스터(MR)를 턴-오프시킨 상태에서 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-온 시켜 포토 다이오드(101)에서 생성된 전하를 읽어내어 데이터 전압을 얻은 후 리셋 레벨의 전압에서 데이터 레벨의 전압을 빼고, 그 뺀 값을 CMOS 이미지 센서로부터 출력되는 이미지 값이라 한다. 따라서, 화소 및 비교기(32)에서 발생할 수 있는 옵셋(offset)을 제거할 수 있다. 이때, 트랜스퍼 트랜지스터(MT)와 리셋 트랜지스터(MR)가 턴-온 및 턴-오프를 반복함으로써 트랜스퍼 트랜지스터(MT),리셋 트랜지스터(MR) 및 드라이브 트랜지스터(MD)의 기생 캐패시터(parasitic capacitor)에 의해 클럭 커플링(clock coupling)이 발생하게 된다.
도 3은 상기 도 2의 단위 화소 구성에서 각 트랜지스터를 제어하는 신호에 대한 제어 타이밍도로서, 이를 참조하여 단위 화소(100) 동작을 살펴본다.
먼저, 트랜스퍼 트랜지스터(MT) 및 리셋 트랜지스터(MR)를 각각 턴-온(turn-on)시키고, 셀렉트 트랜지스터(MS)를 턴-오프(turn-off)시켜 포토 다이오드(101)를 완전히 공핍(fully depletion)시킨다.(A 구간) 다음으로, 리셋 트랜지스터(MR)를 턴-온, 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-오프시켜 센싱 노드(D)에 리셋 레벨을 전달한다. 그리고, 셀렉트 트랜지스터(MS)를 턴-온시켜 리셋 레벨을 출력한다(리셋 레벨 트랜스퍼 구간, B구간).
다음으로, 셀렉트 트랜지스터(MS)를 턴-오프, 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-온시켜 포토 다이오드(101)에서 생성된 전하를 읽어낸다. 그리고, 셀렉트 트랜지스터(MS)를 다시 턴-온시켜 데이터 레벨을 출력한다(데이터 레벨 트랜스퍼 구간, C구간).
여기서, 광원에 의해 포토 다이오드(101)에서 생성된 전하의 양인 전자에 의해 화소의 출력(data_out)을 결정하는 소스 폴로워의 동작은 셀렉트 트랜지스터(MS)가 턴온되는 구간에서 화소의 출력(data_out)으로 나가게 된다. 이때, 화소 출력을 결정하는 로드 트랜지스터(MB)의 바이어스 신호(Bias)에 의하여 드라이브 트랜지스터(MD)의 전류를 결정하게 되는 데, 이러한 동작은 결국 센싱 노드(D)의 전위 즉, 드라이브 트랜지스터(MD)의 Vgs값을 결정하게 되는 현상을 초래하게 된다. 이러한 현상은 동적영역인 Vgs의 값을 적게 하는 결과를 낳는다. 도 2를 참조하면, 센싱 노드(D)의 전위량은 리셋 레벨 트랜스퍼 구간(A)에서 약2.6V, 데이터 레벨 트랜스퍼 구간(B)에서 약1.7V로, 약 0.9V 정도의 동적 범위를 가지며, 소스 폴로워 동작에 의해 Vgs의 변화량을 그대로 화소의 출력(data_out)으로 내보낸다.
상술한 바와 같은 종래의 단위 화소(100) 동작은 다른 모든 단위 화소에서도 동일하다.
상기와 같은 종래의 단위 화소에서 화소의 출력단이 움직일 수 있는 전압 변화폭이 좁음으로 인해 전체 이미지 센서의 화상도를 떨어뜨리는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 CDS를 지원하되, 단위화소의 출력단이 움직일 수 있는 전압 변화폭, 즉 동적 범위가 매우 큰 CMOS 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 단위 화소를 보다 적은 수의 트랜지스터로 구성하여 전체 CMOS 이미지 센서의 칩 면적을 줄인 CMOS 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 CMOS 이미지 센서에 대한 일실시예 블록도.
도 2는 종래의 단위 화소에 대한 일실시예 구성도.
도 3은 상기 도 2의 단위 화소에 대한 제어 타이밍도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 어레이단을 도시한 회로도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도4의 단위 어레이단에 대한 제어 타이밍도.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명
MT : 트랜스퍼 트랜지스터 MR : 리셋 트랜지스터
MS : 셀렉트 트랜지스터 MB : 로드 트랜지스터
MD : 드라이브 트랜지스터
200, 210, 220 : 단위 화소 230 : 증폭기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광전하에 대응되는 전기적 신호를 상호 연관된 이중 샘플링(correlated double sampling) 방식으로 출력하는 씨모스 이미지 센서에 있어서, 서로 병렬 연결된 다수의 단위 화소; 상기 단위 화소의 공통 노드에 연결되어 상기 공통 노드의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 수단; 및 상기 증폭 수단으로부터 증폭된 신호를 상기 단위 화소의 출력으로 최종 출력하기 위한 출력 수단을 포함하여 구성된 단위 어레이단을 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
상기 도 2에 도시된 종래의 단위 화소는, 트랜스퍼 트랜지스터(MT)가 턴온됨에 따라 포토 다이오드(101)에 축적된 전하가 센싱 노드(D)의 확산(Diffusion) 캐패시터(Cd, 단위 화소의 실제 구성요소는 아님)에 전달되어 그 전달된 전하의 양에 의해 화소 출력의 전위가 결정되어지는 구조이다. 여기서 포토 다이오드(101)에 생성되어있는 캐패시터(Cph, 단위 화소의 실제 구성요소는 아님)와 센싱 노드(D)의 확산 캐패시터(Cd)에 축적된 전하량의 비율에 의해 화소 출력(data_out)의 전위가 결정된다.
포토 다이오드에 집적된 즉, 광전하에 의해 발생된 전하의 변화량을 dQ라 하면, dQ = C × dV이다. 여기서 C는 캐패시터(Cph)와 센싱 노드(D)의 확산 캐패시터의 값이고, dV는 각 캐패시터에 축적되어 변화되는 전위량이다.
화소 출력(data_out)의 전위를 높이기 위해 전위량(dV)을 증가시키는 방법은, 커패시터(Cph) 및 확산 커패시터(Cd)의 값을 줄이거나 dQ의 양을 늘이는 방법이 있다. 그러나, 커패시터(Cph)의 값을 줄이는 방법은 거의 존재하지 않으며, dQ의 양을 늘이기 위해 광전하에 의한 전하의 양을 늘려 양자 효율(Quantum Efficiency)을 높이거나 포토 다이오드(101)에서 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 통해 센싱 노드(D)로 전하를 옮기는 전달 효율(Transfer Efficiency)을 높이는 방법이 있다.
그러나, 상기 방법에도 불구하고 각 트랜지스터의 기생 캐패시터에 의한 클럭 커플링에 의해 종래의 센싱 노드(D)는 최대 2.6v에서 최소 1.7v 사이에서 변화된다.
따라서, 본 발명은 센싱 노드의 좁은 동적 범위를 증폭기를 사용하고, 증폭기의 이득 조절을 통해 dV의 값을 증가시킴으로써 단위 화소의 출력이 넓은 동적 범위를 가지도록 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 어레이단을 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 단위 어레이단은 서로 병렬 연결된 다수의 단위 화소(200, 210, 220)와, 상기 단위 화소의 공통 출력단(E)에 연결되어 단위 화소의 출력을 증폭시키는 증폭기(230)와, 상기 증폭기(230)로부터 증폭된 신호를 게이트 입력으로 받아 전압 폴로워 동작을 수행하는 드라이브 트랜지스터(MD)와, 상기 드라이브 트랜지스터(MD)에 연결되어 바이어스 동작을 수행하는 로드 트랜지스터(MB)로 이루어진다. 그리고, 상기 각 단위 화소의 출력(data_out)은 상기 드라이브 트랜지스터(MD)와 로드 트랜지스터(MB)의 공통 드레인단으로부터 출력된다.
도 4를 참조하면, 센싱 노드(D')의 전위는 VD' = (Cph × Vph) / (Cph + Ct)이고, 여기서 Ct는 기생 캐패시터(Cp)와 확산 캐패시터(Cd)와 각 단위 화소의 출력단(E)의 커패시터(CLoad)를 모두 포함한 값이다. 여기서, 증폭기(23)의 증폭 이득을 구하기 위해 종래의 센싱 노드(D)의 전위를 VD = (Cph × Vph) / (Cph + Cp)라 한다.(여기서 Cp는 기생캐패시터(Cp)와 확산 캐패시터(Cd)를 포함한 값이다). 먼저, VD'를 VD로 나누면, VD' / VD = (Cph + Cp) / (Cph + Ct)이 되고, Cph가 Ct에 비하여 상대적으로 매우 작으므로, (Cph + Cp) / Ct가 된다. 그리고, 증폭기(23)의 증폭 이득은 (Cph + Cp) / Ct에 원하는 동적 영역의 값을 곱해주면 바로 얻을 수 있다.
상기와 같이 구해진 증폭기의 이득으로부터 증폭기를 구현하면 된다.
도 5는 본 발명에 따른 상기 도 4의 단위 어레이단 구성에서 각 트랜지스터를 제어하는 신호에 대한 제어 타이밍도로서, 이를 참조하여 단위 어레이단(200) 동작을 살펴본다.
먼저, 트랜스퍼 트랜지스터(MT1) 및 리셋 트랜지스터(MR1)를 각각 턴-온(turn-on)시키고, 셀렉트 트랜지스터(MS1)를 턴-오프(turn-off)시켜 포토 다이오드(201)를 완전히 공핍(fully depletion)시킨다.(A 구간) 다음으로, 리셋 트랜지스터(MR1)를 턴-온, 트랜스퍼 트랜지스터(MT1)를 턴-오프시키고, 이어서 셀렉트 트랜지스터(MS1)를 턴-온시켜 노드(E)를 통해 제1 리셋 레벨을 증폭기(230)에 전달하고, 증폭기(230)를 통해 증폭된 제1 리셋 레벨을 단위 화소(200)의 출력(data_out)으로 내보낸다.(리셋 레벨 트랜스퍼 구간, B구간).
다음으로, 셀렉트 트랜지스터(MS1)를 턴-오프, 트랜스퍼 트랜지스터(MT1)를 턴-온시켜 포토 다이오드(201)에서 생성된 전하를 읽어낸다. 그리고, 셀렉트 트랜지스터(MS1)를 다시 턴-온시켜 노드(E)를 통해 제1 데이터 레벨을 증폭기(230)에 전달하고, 증폭기(230)를 통해 증폭된 제1 데이터 레벨을 단위 화소(200)의 출력(data_out)으로 내보낸다.(데이터 레벨 트랜스퍼 구간, C구간).
다음으로, 트랜스퍼 트랜지스터(MT2) 및 리셋 트랜지스터(MR2)를 각각 턴-온시키고, 셀렉트 트랜지스터(MS2)를 턴-오프시켜 포토 다이오드(211)를 완전히 공핍시킨다.(D 구간) 다음으로, 리셋 트랜지스터(MR2)를 턴-온, 트랜스퍼 트랜지스터(MT2)를 턴-오프시키고, 이어서 셀렉트 트랜지스터(MS2)를 턴-온시켜 노드(E)를 통해 제2 리셋 레벨을 증폭기(230)에 전달하고, 증폭기(230)를 통해 증폭된 제2 리셋 레벨을 단위 화소(210)의 출력(data_out)으로 내보낸다.(리셋 레벨 트랜스퍼 구간, E구간).
다음으로, 셀렉트 트랜지스터(MS2)를 턴-오프, 트랜스퍼 트랜지스터(MT2)를 턴-온시켜 포토 다이오드(211)에서 생성된 전하를 읽어낸다. 그리고, 셀렉트 트랜지스터(MS2)를 다시 턴-온시켜 노드(E)를 통해 제2 데이터 레벨을 증폭기(230)에 전달하고, 증폭기(230)를 통해 증폭된 제2 데이터 레벨을 단위 화소(210)의 출력(data_out)으로 내보낸다.(데이터 레벨 트랜스퍼 구간, F구간).
상기 동작에서 단위 화소의 출력(data_out)으로 각각 전달되는 리셋 레벨 및 데이터 레벨은 증폭기(230)의 증폭 이득에 따라 조절 가능하다.
단위 어레이단에서 상기와 같은 동작으로 병렬 연결된 단위 화소의 셀렉트 트랜지스터는 순서적으로 턴온되어 각 단위 화소의 리셋 레벨 및 데이터 레벨을 차례로 읽는다.
상기와 같은 본 발명의 동작에서는 로드 캐패시터(CLoad)가 상당히 커지지만, 증폭기의 이득에 의해 완화가 되어지고, 기준전압(Vref)을 정하여 증폭기의 입력단에 인가하면 노드(D')에서 원하는 동적영역의 값을 가질 수 있고, 그에 따라 원하는 동적영역의 값을 가지는 각 단위 화소의 출력을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 단위 화소에 대한 출력의 동적 영역을 크게 함으로써 상기 출력을 디지털화 하기 쉽고, 그에 따라 화질의 해상도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 단위 화소를 구성하는 트랜지스터의 개수를 줄임으로써 전체 화소 어레이의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 광전하에 대응되는 전기적 신호를 상호 연관된 이중 샘플링(correlated double sampling) 방식으로 출력하는 씨모스 이미지 센서에 있어서,
    서로 병렬 연결된 다수의 단위 화소;
    상기 단위 화소의 공통 노드에 연결되어 상기 공통 노드의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 수단; 및
    상기 증폭 수단으로부터 증폭된 신호를 상기 단위 화소의 출력으로 최종 출력하기 위한 출력 수단
    을 포함하여 구성된 단위 어레이단을 구비하여,
    상기 단위 화소의 출력에 대한 동적 범위를 넓히는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 화소는,
    외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 광전하 생성 수단;
    상기 광전하 생성 수단으로부터의 각 광전하를 제1 노드로 전달하기 위한 전달 수단;
    상기 제1 노드를 리셋시키는 리셋 수단; 및
    상기 제1 노드와 상기 단위 화소의 공통 노드 사이에 연결되어 스위칭 역할로 어드레싱을 수행하는 어드레싱 수단
    을 포함하여 이루어지는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광전하 생성 수단은,
    포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전달 수단, 상기 리셋 수단 및 상기 어드레싱 수단은 각각,
    엔모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 수단은,
    전원전압단에 연결되고, 상기 증폭 수단으로부터 증폭된 신호에 응답하여 상기 단위 화소의 출력을 내보내는 소스 폴로워 수단; 및
    상기 소스 폴로우 수단 및 접지전원단에 연결되어 바이어스 동작을 수행하는 바이어스 수단
    을 포함하여 이루어지는 씨모스 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소스 폴로워 수단은,
    게이트로 상기 증폭 수단으로부터 증폭된 신호가 연결되고, 상기 전원전압단과 상기 바이어스 수단 사이에 연결되는 엔모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이어스 수단은,
    엔모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 증폭 수단은,
    상기 광전하 생성 수단에 생성되는 캐패시턴스와, 상기 전달 수단 및 상기 리셋 수단의 기생 캐패시턴스를 가산하고, 그 가산된 값을 상기 기생 캐패시턴스와 상기 제1 노드에 생성되는 확산 캐패시턴스와 상기 단위 화소의 공통 노드에 생성되는 캐패시턴스를 모두 더한 값으로 나눈 후 그 나눈 값에 원하는 상기 단위 화소의 출력의 동적 범위를 곱한 값을 증폭 이득으로 하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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