KR100331850B1 - 고체 촬상 소자 - Google Patents

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    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
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Abstract

본 발명은 저전력 구동 가능한 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 5V 입력 전압 (VDD)을 4 단 펌핑하여 15V 전압을 발생하는 차아지 펌프부, 상기 15V 전압을 인가받는 CCD를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고, 상기 차아지 펌프부는 다이오드와 캐패시터를 병렬 연결한 다수의 차아지 펌프와 상기 차아지 펌프의 최종 펌핑전압을 전압분배하여 15V 전압을 발생하는 전압분배부를 포함하고, 또한 상기 전압분배부는 상기 차아지 펌프의 최종 펌핑전압을 전압 분배하도록 두 개의 저항이 병렬 연결됨을 특징으로 한다.

Description

고체 촬상 소자{SOLID STATE IMAGE SENSOR}
본 발명은 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 저전력 구동 가능한 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
일반적으로 고체 촬상 소자(Charge Coupled Device;CCD)는 외부의 영상신호를 포토 다이오드(Photodiode;이하 PD)에서 받아 신호 전하를 발생하고, 이처럼 입사한 빛에 의하여 발생한 신호 전자(signal charge)들은 수직 전하 전송 채널 (Vertical channel CCD;이하 VCCD)로 이동하고, 상기 VCCD 는 PD 에서 이동된 신호 전하들을 게이트 클럭킹(gate clocking)에 의하여 수직방향으로 이동시킨다.
그리고 상기 VCCD의 게이트 클럭킹에 의해 이동하는 신호 전하들은 수평 전하 전송 채널(Horizontal channel CCD;이하 HCCD)로 이동하고, 상기 수평 전하 전송 채널도 게이트 클럭킹에 의해 전하 전송이 이루어진다.
이러한 전하 전송(Charge transfer)은 각 게이트에 인가되는 전압에 의하여 발생하는 게이트 영역의 채널내의 전압차에 의하여 전하를 이동하게 된다.
여기서 상기 VCCD의 폴리게이트에 4 위상 클럭(V1,V2,V3,V4)이 인가되고, HCCD의 폴리게이트에 2 위상 클럭(H1,H2)이 인가된다.
이와 같이 HCCD 의 최종단까지 이동한 신호 전하들을 검출해내는 플로우팅 디퓨전(Floating diffusion;이하 FD) 영역과 이 영역의 전하량을 증폭하여 신호를 검출해내는 센싱 앰프(Sensing amplifier;이하 SA) 회로를 포함하여 이루어진다.
최종단에 해당하는 신호 전하를 센싱하는 부분은 플로우팅 디퓨전, 리셋 게이트/리셋 드레인(Reset gate/Reset drain;이하 RG/RD), 센싱 증폭기(Sensing amplifier;SA)등으로 구성된다.
이어 상기 FD 영역에 집속된 신호 전하는 센싱 증폭에 의하여 그 양이 검출된 후, RG 에 5V의 게이트 전압을 인가하여 신호 전하를 RD로 빼낸다.
상기와 같은 CCD는 센스 앰프의 VDD, TG(Transfer Gate), RD 에 15V의 고전압을 인가하고 VCCD 및 HCCD의 게이트에 각 5V 전압을 인가한다.
이러한 15V 고전압을 이용함에 따른 전력 소모를 감소시키기 위한 CCD의 개발이 진행되고 있다.
이하 첨부도면을 참조하여 종래 기술의 고체 촬상 소자에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1a 는 종래의 최종단 및 센스 앰프를 도시한 도면으로서, 2 위상 게이트 클럭킹(H1,H2 = 5V)에 의해 HCCD(1)의 최종단으로 전송된 신호 전하를 검출하는 플로우팅 디퓨전 영역(2)은 리셋 드레인(3) 및 6 개의 트랜지스터(M1~M6)로 구성된 센싱 증폭부(4)에 연결된다.
그리고 상기 센싱 증폭부(4)의 트랜지스터들(M1~M6)은 캐스캐이드 소오스 팔로우(cascade source follower)를 이루고 있고, 각 트랜지스터들의 드레인단은 15V의 고전압이 인가된다.
여기서 3 개의 트랜지스터(M2,M4,M6)는 이상적인 경우 정전류원이 되며 M1및 M2의 전류는 같고, 신호 전하는 플로우팅 디퓨전(2)의 전위를 변화시키면서 M1만을 구동시킨다.
그리고 M1은 다시 M3를 구동시키고, M3는 M5를 구동시키며 M5는 증폭된 전류로써 본딩 패드와 연결된 외부 접속단을 구동시킬 수 있다.
도 1b 는 종래의 픽셀 영역을 나타낸 구성도로서, 포토다이오드 영역(6)에서광전 변환된 신호전하들을 전송하는 트랜스퍼 게이트(TG)와, 상기 신호 전하들을 수직 전송하는 VCCD(5)를 포함한다.
이 때 상기 트랜스퍼 게이트의 입력으로 15V의 고전압이 인가되며, 상기 VCCD(5)의 각 폴리 게이트(V1,V2,V3,V4)에는 5V의 클럭이 인가된다.
그러나 상기와 같은 종래의 고체 촬상 소자는 15V 고전압이 인가되므로 다른 영상 소자에 비해 전력 소모가 많은 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 차아지 펌프를 이용하여 전력 소모를 감소시키는데 적당한 고체 촬상 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 는 종래기술의 고체 촬상 소자의 최종단 및 센스 앰프를 나타낸 도면
도 1b 는 종래기술의 고체 촬상 소자의 픽셀 영역을 나타낸 도면
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 구성 블록도
도 3 은 도 2 의 차아지 펌프부와 전압분배부를 나타낸 회로도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : CCD 20 : 차아지 펌프부
21 : 제 1 차아지 펌프 22 : 제 2 차아지 펌프
23 : 제 3 차아지 펌프 24 : 제 4 차아지 펌프
25 : 제 1 저항 26 : 제 2 저항
30 : 전압 분배부
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 5V 입력 전압(VDD)을 4 단 펌핑하여 15V 전압을 발생하는 차아지 펌프부, 상기 15V 전압을 인가받는 CCD를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고, 상기 차아지 펌프부는 다이오드와 캐패시터를 병렬 연결한 4단의 차아지 펌프와 상기 차아지 펌프의 최종 펌핑 전압을 전압분배하여 15V 전압을 발생하는 전압분배부를 포함하고, 또한 상기 전압분배부는 상기 차아지 펌프의 최종 펌핑전압을 전압 분배하도록 두 개의 저항이 병렬 연결됨을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 구성 블록도이다.
즉 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자는 5V 입력 전압(VDD)을 펌핑하여 15V 전압을 발생하는 차아지 펌프부(20)를 포함한다.
여기서 상기 차아지 펌프부(20)는 CCD(10)의 리셋 드레인(RD), 트랜스퍼 게이트(TG)와 센싱 증폭부의 트랜지스터들의 드레인단에 15V의 동작 전압을 공급한다.
도 3 은 도 2 의 차아지 펌프부와 전압 분배부를 나타낸 회로도이다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 차아지 펌프부(20)는 다이오드(D1~Dn)와 캐패시터(C1~Cn)를 병렬 연결한 4단의 차아지 펌프(21,22,23,24)와, 상기 최종 차아지 펌프(24)에 연결되어 최종 펌핑 전압을 전압 분배하여 15V 전압을 발생하는 전압 분배부(30)를 포함한다.
여기서 상기 전압 분배부(30)는 병렬 연결된 저항(R1,R2)을 이용하여 상기 최종 펌핑 전압을 전압 분배하여 15V 전압을 발생한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저 차아지 펌프부(20)의 제 1 차아지 펌프(21)는 애노드에 5V 입력전압이 인가되고 캐소드에 제 1 캐패시터(C1)가 병렬 연결된 제 1 다이오드(D1)와, 상기 캐패시터에 직렬 연결된 제 1 스위치(SW1)로 구성된다.
이와 같은 차아지 펌프부(20)는 상기 제 1 다이오드(D1)의 문턱전압을 VT라하면, 상기 제 1 스위치(SW1)가 스위치 오프(switch off)되고 상기 제 1 다이오드 (D1)가 턴온되면, 제 1 차아지 펌프(21)의 펌핑전압(V1)은 VDD - VT를 유지한다.
이어 상기 제 1 스위치(SW1)를 스위치 온(switch on)하면, 상기 제 1 다이오드(D1)는 턴오프되고, 순간적으로 상기 제 1 캐패시터(C1)에 VDD(5V)이 충전된다.
이어 VDD - VT를 유지하던 제 1 펌핑전압(V1)은 상기 캐패시터(C1)의 충전 전압만큼 즉 VDD + VDD - VT로 상승한다.
즉 제 1 펌핑전압(V1)은 VDD - VT에서 2VDD - VT까지 상승한다.
이어 제 2 다이오드(D2)는 턴온되고 제 2 스위치(SW2)가 스위치 오프이면, 제 2 펌핑전압(V2)은 2VDD - VT를 유지한다.
이어 제 2 스위치(SW2)를 스위치 온하면 상기 제 2 다이오드(D2)는 턴오프되고, 상기 제 2 캐패시터(C2)는 순간적으로 VDD로 충전된다.
이 때, 상기 제 2 펌핑전압(V2)은 2VDD - VT에서 3VDD - VT로 상승한다.
즉 제 3 차아지 펌프(23)의 제 3 펌핑전압(V3)이 된다.
이어 상기 제 1, 2 차아지 펌프(21,22)와 같은 펌핑을 실시하여 제 3 차아지 펌프(23)는 3VDD-VT에서 4VDD-VT로 상승한다.
이와 같은 펌핑을 이용하여 일반적인 CCD의 동작 전원 15V를 얻기 위해서는 총 4 단의 펌핑이 필요하다.
즉 4VDD-VT로 펌핑된 전압은 상기 차아지 펌프부(20)의 끝단에 구성된 전압분배부(30)에 입력되어 15V 전압을 발생한다.
이러한 전압 분배에 대해 수식으로 설명하면,가 된다.
이처럼 제 1, 2 저항(R1,R2)값을 조정하여 15V의 전압이 발생되도록 한다.
상기와 같은 차아지 펌프부(20)는 스위치를 이용하여 펌핑이 이루어지고, 전압분배부(30)에서 발생된 15V 전압은 각각 센스앰프의 트랜지스터들의 드레인단 (VDD) , 리셋드레인(VRD) 및 트랜스퍼 게이트(TG)에 입력된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자는 5V 전원을 이용함에 따른 소모전력을 감소시킬 수 있으므로 CCD칩의 히팅을 방지하여 소자의 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 다이오드와 캐패시터가 병렬로 연결되어 5V 입력 전압을 펌핑하여 15V 전압을 발생하는 4단의 차아지 펌프와 상기 4단의 차아지 펌프의 최종 펌핑 전압을 받아 전압 분배하여 15V 전압을 발생하는 전압 분배부로 이루어진 차아지 펌프부와,
    상기 차지 펌프부로부터 발생한 15V 전압을 인가받아 동작하는 CCD를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압분배부는 상기 차아지 펌프부의 최종 펌핑 전압을 전압 분배하도록 두 개의 저항이 병렬 연결됨을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 4단의 차아지 펌프는 상기 캐패시터에 직렬 연결된 스위치를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차아지 펌프부는 상기 CCD의 리셋 드레인, 트랜스퍼 게이트 및 센스앰프의 드레인단에 15 V 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
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