KR100358146B1 - Cmos image sensor - Google Patents

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    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/766Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors comprising control or output lines used for a plurality of functions, e.g. for pixel output, driving, reset or power

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Abstract

본 발명은 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 읽어 평균을 구하고, 그 값이 원하는 소정 레벨의 전압보다 높을 경우 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터의 '온'전압을 감소시키고, 낮을 경우 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터의 '온'전압을 증가시켜 픽셀로부터의 기준 전압 레벨과 신호 레벨이 왜곡되는 것을 방지하여 화질을 개선하는 씨모스 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토 다이오드, 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터로 구성되는 단위 픽셀들로 어레이되는 메인 픽셀 어레이 및 더미 픽셀 어레이를 구비한 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 픽셀 어레이의 각 행을 제어하는 로우 디코더; 상기 로우 디코더에 연결되어 상기 픽셀 어레이 각각의 행에 상기 단위 픽셀의 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터를 각각 구동하는 제1 내지 제3 구동 수단; 상기 단위 픽셀의 출력단에 연결되어 픽셀로부터의 기준 전압과 신호 전압을 샘플 및 홀드하는 샘플 및 홀드 회로부; 상기 샘플 및 홀드 회로부에 연결되어 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 읽을 경우에만 인에이블되어 상기 샘플 및 홀드 회로부로부터 출력되는 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 스위칭하는 스위칭 수단; 상기 스위칭 수단에 의해 스위칭되는 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압과 전원전압 및 공정 변화에 따라 임의로 설정된 타겟 기준 전압을 비교하는 비교 수단; 상기 비교 수단의 비교 결과를 입력받아 '1'의 개수 및 '0'의 개수를 카운팅하는 카운팅 수단; 및 상기 카운팅 수단의 카운팅 결과에 응답하여 상기 제1 내지 제3 구동 수단을 제어하는 제어 수단을 포함한다.The present invention obtains an average by reading the reference voltage of the dummy pixel array, and decreases the 'on' voltage of the reset transistor and the transfer transistor when the value is higher than the desired level of the voltage, and lowers the 'on' voltage of the reset transistor and the transfer transistor when the value is higher than the desired voltage level. The present invention provides a CMOS image sensor that improves image quality by preventing a distortion of a reference voltage level and a signal level from a pixel by increasing a voltage. To this end, the present invention provides a photodiode, a reset transistor, a transfer transistor, and a drive transistor. And a CMOS image sensor having a main pixel array and a dummy pixel array arranged in unit pixels consisting of select transistors, the CMOS image sensor comprising: a row decoder controlling each row of the pixel array; First to third driving means connected to the row decoder to drive a reset transistor, a transfer transistor, and a select transistor of the unit pixel in each row of the pixel array; A sample and hold circuit unit connected to an output terminal of the unit pixel to sample and hold a reference voltage and a signal voltage from the pixel; Switching means connected to the sample and hold circuit part and switched only when the reference voltage of the dummy pixel array is read to switch the reference voltage of the dummy pixel array output from the sample and hold circuit part; Comparison means for comparing a reference voltage of the dummy pixel array switched by the switching means with a target reference voltage arbitrarily set according to a power supply voltage and a process change; Counting means for receiving a comparison result of the comparing means and counting the number of '1' and the number of '0'; And control means for controlling the first to third driving means in response to a counting result of the counting means.

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS IMAGE SENSOR}CMOS Image Sensor {CMOS IMAGE SENSOR}

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)에 관한 것으로, 특히 공정 변화에 따라 픽셀의 기준 전압(reference voltage)을 자동적으로 제어하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to an apparatus for automatically controlling a reference voltage of a pixel according to a process change.

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 픽셀에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.In general, an image sensor refers to a device that captures an image by using a property of a semiconductor that reacts to light. Each part of the subject in nature has different brightness and wavelength of light, and shows different electrical values at each pixel of the sensing device. This makes the electrical values at a level capable of signal processing. That's what sensors do.

이를 위해 이미지 센서는 수만에서 수십만 개의 단위 픽셀로 구성된 픽셀 어레이와, 수천개 정도의 픽셀에서 감지한 아날로그(analog) 전압을 디지털(digital) 전압으로 바꿔주는 장치와, 수백에서 수천 개의 저장 장치 등으로 구성된다.To do this, the image sensor is a pixel array consisting of tens of thousands to hundreds of thousands of unit pixels, a device that converts the analog voltage detected by thousands of pixels into a digital voltage, and hundreds to thousands of storage devices. It is composed.

한편, 씨모스 이미지 센서는 일반 공정에 비하여 컬러 필터(color filter), 마이크로 렌즈(micro lens) 등의 공정을 더 포함하고, 빛을 입력으로 하므로 빛의 투과도가 제품의 특성에 미치는 영향이 커 공정 상의 변화(variation)에 민감한 특성을 갖는다.On the other hand, the CMOS image sensor further includes a process such as a color filter and a micro lens, compared to a general process, and since light is input, the transmittance of light has a greater effect on product characteristics. It is sensitive to phase variations.

도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 대한 구성도이다.1 is a block diagram of a unit pixel of a general CMOS image sensor.

도면에 도시된 바와 같이 단위 픽셀(100)은 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(110)에 생성된 광전하를 센싱 노드(A)로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 다음 신호 검출을 위해상기 센싱 노드(A)에 저장되어 있는 전하를 배출하며, 기준 전압 레벨을 읽기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 픽셀에서 발생하는 신호를 왜곡시키지 않고 픽셀과 도시되지 않았지만 픽셀로부터의 출력 신호를 받는 아날로그-디지털 변환기 사이를 인터페이스하기 위해 샘플 및 홀드(sample and hold)를 구동하기 위한 소스 폴로우로 연결된 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 행 단위로 픽셀의 전압을 읽어가도록 어드레싱하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)이다. 설명되지 않은 나머지 트랜지스터(LD)는 바이어스 전압(Pixel Bias)에 의해 구동되는 로드 트랜지스터이다.As shown in the drawing, the unit pixel 100 includes one photodiode and four transistors. The four transistors discharge a transfer transistor Tx for transferring the photocharge generated in the photodiode 110 to the sensing node A, and charges stored in the sensing node A for the next signal detection. Sample and hold to interface between a reset transistor (Rx) for reading a reference voltage level and an analog-to-digital converter that does not distort the signal generated at the pixel and receives an output signal from the pixel (not shown). A drive transistor Dx connected to a source follower for driving a hold, and a select transistor Sx addressed to read the voltage of the pixel in units of rows. The other transistor LD which is not described is a load transistor driven by a bias voltage Pixel Bias.

도 1을 참조하여, 단위 픽셀의 구동 동작을 간단히 설명하면 아래와 같다.Referring to FIG. 1, the driving operation of the unit pixel will be described below.

먼저, 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 '온(on)'시킨 후 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 '오프(off)'시키고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 '온'시켜 기준 전압을 읽는다. 이후, 일정 시간동안 포토 다이오드(110)에 생성된 광전하를 읽어 센싱 노드(A)로 전달하기 위하여 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 '온'시켜 신호 레벨을 읽는다. 이렇게 읽어온 기준 전압 레벨과 신호 레벨의 차가 일정 시간동안 입력된 빛에 상응하는 픽셀의 출력 신호가 된다.First, the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx are 'on', and then the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx are 'off' and the select transistor Sx is 'on'. Read the reference voltage. Subsequently, in order to read the photocharge generated in the photodiode 110 for a predetermined time and transfer it to the sensing node A, the transfer transistor Tx is turned on to read the signal level. The difference between the reference voltage level and the signal level thus read becomes the output signal of the pixel corresponding to the light input for a predetermined time.

여기서, 이와 같이 구성되는 단위 픽셀의 조합으로 구성된 픽셀 어레이가 전체 칩의 면적 중 가장 큰 부분을 차지하기 때문에, 전체 칩의 크기를 줄이고 픽셀 간의 변화를 줄이기 위해 단위 픽셀의 크기를 가능한 최소화시키는 것이 중요한 문제이다. 따라서, 단위 픽셀을 구성하는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 거의 최소 사이즈로 구현되어야 하는 데, 공정 상의 변화에 의하여 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage) 및 전류 구동 능력이 픽셀별로 달라 단위 픽셀의 크기를 최소화하는 것이 쉽지 않다. 그러나, 이 차이는 픽셀 간의 차이에 비하여 칩 간, 웨이퍼(wafer) 간, 로트(lot) 간에서 더 크며, 특히 드라이브 트랜지스터(Dx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 경우에는 이러한 변화가 칩의 특성에 거의 영향을 미치지 못하지만 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 경우는 씨모스 이미지 센서의 화질에 큰 영향을 미친다.Here, since the pixel array composed of the combination of unit pixels configured as above occupies the largest part of the area of the entire chip, it is important to minimize the size of the unit pixel as much as possible in order to reduce the size of the entire chip and change between pixels. It is a problem. Therefore, the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, the drive transistor Dx, and the select transistor Sx constituting the unit pixel should be implemented in almost the minimum size. Threshold voltage and current driving capability vary from pixel to pixel, making it difficult to minimize the size of a unit pixel. However, this difference is greater between chips, wafers, and lots than with differences between pixels, especially for drive transistors Dx and select transistors Sx. Although hardly affected, the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx have a great influence on the image quality of the CMOS image sensor.

한편, 최근 공급 전압이 지속적으로 낮아지고 있어 씨모스 이미지 센서 또한 충분히 높은 공급 전압을 사용할 수 없으므로, 픽셀의 다이나믹 레인지(dynamic range)가 줄어 들 수 밖에 없는 실정이다. 이러한 제약을 극복하기 위해서는 주어진 공급 전원에 대하여 최대한의 다이나믹 레인지를 얻어야 한다. 상기한 바와 같이, 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 크기가 매우 작으므로 공정과정에서 필연적으로 발생하는 변화에 의해 문턱 전압 및 전류 구동 능력의 변화가 매우 크다. 특히, 문턱 전압이 증가하고, 전류 구동 능력이 감소한 경우 기준 전압이 너무 낮아져서 신호 레벨을 읽을 때 로드 트랜지스터(LD)의 동작이 정상 동작 영역을 벗어나 신호를 왜곡시킨다. 그리고, 문턱 전압이 감소하고 전류 구동능력이 증가할 경우 기준 전압이 너무 높아져서 이를 읽어 내는 과정에서 픽셀과 아날로그-디지털 변환기 사이의 인터페이스 역할을 하는 샘플 및 홀드의 동작이 정상적인 동작 영역을 벗어나 신호가 왜곡되어 화질이 저하된다.On the other hand, since the supply voltage is steadily decreasing recently, the CMOS image sensor cannot use a sufficiently high supply voltage, thereby reducing the dynamic range of the pixel. To overcome this limitation, the maximum dynamic range must be obtained for a given supply. As described above, since the size of the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx is very small, the threshold voltage and the current driving capability are very large due to the change inevitably generated during the process. In particular, when the threshold voltage is increased and the current driving capability is decreased, the reference voltage is so low that the operation of the load transistor LD distorts the signal when reading the signal level. When the threshold voltage decreases and the current driving capability increases, the reference voltage becomes too high, and the sample and hold operation, which serves as an interface between the pixel and the analog-to-digital converter, reads out of the normal operating range and distorts the signal. The image quality deteriorates.

픽셀 간의 변화에 비하여 칩 간, 웨이퍼 간, 롯트 간의 변화에 대한 마진까지 고려할 경우 픽셀의 다이나믹 레인지가 너무 작아 이를 아날로그-디지털 변환하기 위해서는 증폭을 시켜야 하는 데, 이 경우 신호뿐만 아니라 픽셀에서 발생하는 잡음과 읽어오는 과정에서 발생하는 잡음이 동시에 증폭되므로 칩의 화질이 떨어진다.Considering the margin of change between chip, wafer, and lot compared to the change between pixels, the dynamic range of the pixel is so small that it needs to be amplified to analog-to-digital conversion. Since the noise generated during and reading is amplified at the same time, the image quality of the chip is reduced.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 읽어 평균을 구하고, 그 값이 원하는 소정 레벨의 전압보다 높을 경우 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터의 '온'전압을 감소시키고, 낮을 경우 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터의 '온'전압을 증가시켜 픽셀로부터의 기준 전압 레벨과 신호 레벨이 왜곡되는 것을 방지하여 화질을 개선하는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and by reading the reference voltage of the dummy pixel array to obtain an average, if the value is higher than the desired level of the desired voltage, and reduces the 'on' voltage of the reset transistor and the transfer transistor The purpose of the present invention is to provide a CMOS image sensor that improves image quality by preventing the distortion of the reference voltage level and the signal level from the pixel by increasing the 'on' voltage of the reset transistor and the transfer transistor when the voltage is low.

도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀에 대한 구성도.1 is a block diagram of a unit pixel of a general CMOS image sensor.

도 2는 메인 픽셀 어레이와 더미 픽셀 어레이를 구비한 개략적인 씨모스 이미지 센서의 블록도.2 is a block diagram of a schematic CMOS image sensor having a main pixel array and a dummy pixel array.

도 3은 픽셀의 기준 전압 레벨과 신호 전압 레벨을 저장하는 본 발명의 일실시예에 따른 샘플 및 홀드 회로도.3 is a sample and hold circuit diagram in accordance with one embodiment of the present invention for storing a reference voltage level and a signal voltage level of a pixel;

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 블록도.4 is a block diagram of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawing

300 : 로우 디코더 310 : 포토 다이오드300: low decoder 310: photodiode

320 : 샘플 및 홀드 회로부 330 : 비교기320: sample and hold circuit portion 330: comparator

340 : 카운터 350 : 제어부340: counter 350: control unit

400 : 단위 픽셀400: unit pixels

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토 다이오드, 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터로 구성되는 단위 픽셀들로 어레이되는 메인 픽셀 어레이 및 더미 픽셀 어레이를 구비한 씨모스 이미지 센서에 있어서, 상기 픽셀 어레이의 각 행을 제어하는 로우 디코더; 상기 로우 디코더에 연결되어 상기 픽셀 어레이 각각의 행에 상기 단위 픽셀의 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터를 각각 구동하는 제1 내지 제3 구동 수단; 상기 단위 픽셀의 출력단에 연결되어 픽셀로부터의 기준 전압과 신호 전압을샘플 및 홀드하는 샘플 및 홀드 회로부; 상기 샘플 및 홀드 회로부에 연결되어 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 읽을 경우에만 인에이블되어 상기 샘플 및 홀드 회로부로부터 출력되는 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 스위칭하는 스위칭 수단; 상기 스위칭 수단에 의해 스위칭되는 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압과 전원전압 및 공정 변화에 따라 임의로 설정된 타겟 기준 전압을 비교하는 비교 수단; 상기 비교 수단의 비교 결과를 입력받아 '1'의 개수 및 '0'의 개수를 카운팅하는 카운팅 수단; 및 상기 카운팅 수단의 카운팅 결과에 응답하여 상기 제1 내지 제3 구동 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object, in the CMOS image sensor having a main pixel array and a dummy pixel array arrayed into unit pixels consisting of a photodiode, a reset transistor, a transfer transistor, a drive transistor and a select transistor, A row decoder for controlling each row of the pixel array; First to third driving means connected to the row decoder to drive a reset transistor, a transfer transistor, and a select transistor of the unit pixel in each row of the pixel array; A sample and hold circuit unit connected to an output terminal of the unit pixel to sample and hold a reference voltage and a signal voltage from the pixel; Switching means connected to the sample and hold circuit part and switched only when the reference voltage of the dummy pixel array is read to switch the reference voltage of the dummy pixel array output from the sample and hold circuit part; Comparison means for comparing a reference voltage of the dummy pixel array switched by the switching means with a target reference voltage arbitrarily set according to a power supply voltage and a process change; Counting means for receiving a comparison result of the comparing means and counting the number of '1' and the number of '0'; And control means for controlling the first to third driving means in response to a counting result of the counting means.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.

씨모스 이미지 센서는 도 2에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이와, 공정 상의 에지 효과(edge effect)를 줄이고 디지털 블록에서 발생되는 잡음이 메인 픽셀 어레이로 넘어오는 것을 줄여주기 위해 픽셀 어레이 주변에 더미 픽셀 어레이(dummy pixel array)를 추가로 구비한다.CMOS image sensor, as shown in Figure 2, the dummy pixel around the pixel array and the pixel array to reduce the process edge effects and reduce the noise generated in the digital block to the main pixel array It further comprises an array (dummy pixel array).

도 3은 픽셀의 기준 전압 레벨과 신호 전압 레벨을 저장하는 샘플 및 홀드 회로도로서, 단위 픽셀의 기준 전압 레벨 및 신호 레벨을 각각의 커패시터에 저장한 후 이를 읽어내어 아날로그-디지털 변환기에 인가한다.3 is a sample and hold circuit diagram for storing a reference voltage level and a signal voltage level of a pixel. The reference voltage level and the signal level of a unit pixel are stored in respective capacitors, and then read and applied to the analog-to-digital converter.

도 3을 참조하면, 샘플 및 홀드 회로는 단위 픽셀(200)에 연결되어 기준 전압 및 신호 전압을 스위칭하는 트랜지스터(M2, M3)와, 트랜지스터(M2, M3)에 각기연결되어 기준 전압 및 신호 전압을 각기 저장하는 커패시터(CR, CS)와, 커패시터(CR, CS)에 각기 연결되어 각각의 커패시터에 저장된 신호를 아날로그-디지털 변환기로 전달하는 버퍼 역할을 수행하는 트랜지스터(M4, M5)와, 각각이 바이어스 전류를 공급하는 트랜지스터(M1, M6, M7)와, 트랜지스터(M5, M4)의 게이트단 사이에 연결되어 트랜지스터들(M4 내지 M7)에 존재하는 옵셋 전압에 의한 신호의 왜곡을 막아주는 트랜지스터(M9)로 이루어진다.Referring to FIG. 3, the sample and hold circuits are transistors M2 and M3 connected to the unit pixel 200 to switch the reference voltage and the signal voltage, and the reference and signal voltages respectively connected to the transistors M2 and M3. Capacitors CR and CS, respectively, and transistors M4 and M5 respectively connected to the capacitors CR and CS to serve as buffers for transmitting signals stored in the capacitors to the analog-to-digital converters, respectively. A transistor connected between the transistors M1, M6 and M7 for supplying the bias current and the gate terminals of the transistors M5 and M4 to prevent distortion of a signal due to offset voltages present in the transistors M4 to M7. It consists of M9.

보다 구체적으로, 트랜지스터(M4, M5)의 바디(body)를 각 PMOS 트랜지스터의 소스(source) 단자에 연결한 것은 바디 효과(body effect)에 의한 신호의 왜곡을 막기 위함이다.More specifically, connecting the bodies of the transistors M4 and M5 to the source terminals of the respective PMOS transistors is to prevent distortion of a signal due to a body effect.

상기와 같이 구성되는 샘플 및 홀드 회로부는, 픽셀로부터 출력되는 기준 전압과 신호 전압을 각각 커패시터(CR, CS)에 저장한 후 트랜지스터(M4 내지 M7)를 통해 각각의 커패시터에 저장된 신호를 출력단(Reference Output, Signal Output)으로 전달하고, 이 전달된 신호는 아날로그-디지털 변환기로 입력된다.The sample and hold circuit unit configured as described above stores the reference voltage and the signal voltage output from the pixel in the capacitors CR and CS, respectively, and then outputs the signals stored in the respective capacitors through the transistors M4 to M7. Output, Signal Output), and this signal is input to the analog-to-digital converter.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 블록도로서, 단위 픽셀(400), 상기 도 3의 샘플 및 홀드 회로부(320), 단위 픽셀(400)을 구성하는 트랜지스터의 스위칭을 제어하기 위한 제어 회로부들로 구성된다.FIG. 4 is a block diagram of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. The switching of transistors constituting the unit pixel 400, the sample and hold circuit 320 of FIG. 3, and the unit pixel 400 is performed. It consists of control circuit parts for controlling.

보다 구체적으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 4개의 트랜지스터(Rx, Tx, Dx, Sx)로 구성되는 단위 픽셀(400)과, 픽셀 어레이의 각 행을 제어하는 로우 디코더(300)와, 각각의 행에 픽셀의 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 구동하는 인버터들(INV1, INV2, INV3)과, 단위 픽셀(400)의 출력단에 연결되어 픽셀로부터의 기준 전압과 신호 전압을 샘플 및 홀드하는 샘플 및 홀드 회로부(320)와, 샘플 및 홀드 회로부(320)에 연결되어 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 읽을 때 샘플 및 홀드 회로부(320)로부터 출력되는 기준 전압(Reference Output)을 스위칭하는 트랜지스터(M8)와, 비반전 입력단(+)이 트랜지스터(M8)의 드레인단에 연결되고 반전 입력단(-)으로 전원전압 및 공정 변화에 따라 임의로 설정된 타겟 기준 전압(Target Reference)을 인가받아 비교하는 비교기(330)와, 비교기(330)로부터 출력되는 비교 결과의 '1'의 개수 및 '0'의 개수를 카운팅하는 카운터(340)와, 카운터(340)의 결과에 따라 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 구동하는 인버터(INV1, INV2, INV3)의 동작을 제어하는 제어부(350)로 이루어진다.More specifically, the CMOS image sensor of the present invention includes a unit pixel 400 including four transistors Rx, Tx, Dx, and Sx, a row decoder 300 for controlling each row of the pixel array, and Inverters INV1, INV2, INV3 for driving the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx of the pixel in the row of the pixel connected to the output terminal of the unit pixel 400, and the reference from the pixel. A sample and hold circuit unit 320 for sample and hold voltage and signal voltage, and a reference voltage output from the sample and hold circuit unit 320 when the reference voltage of the dummy pixel array is read when connected to the sample and hold circuit unit 320. A transistor M8 for switching a reference output and a non-inverting input terminal (+) are connected to the drain terminal of the transistor M8, and a target reference voltage (Target Reference) arbitrarily set according to a power supply voltage and a process change to the inverting input terminal (-) Licensed) The comparator 330 to compare, the counter 340 counting the number of '1' and the number '0' of the comparison result output from the comparator 330, and the reset transistor Rx according to the result of the counter 340. ) And a control unit 350 for controlling the operations of the inverters INV1, INV2, and INV3 driving the transfer transistor Tx and the select transistor Sx.

여기서, 제어부(350)는 비교기(330)의 비교 결과를 카운팅한 결과, '1'의 개수가 '0'의 개수보다 일정량(α)이상 많을 경우 인버터들(INV1 내지 INV3)의 전원전압을 증가시키고, '0'의 개수가 '1'의 개수보다 일정량(α)이상 많을 경우 인버터들(INV1 내지 INV3)의 전원전압을 감소시킨다.Here, as a result of counting the comparison result of the comparator 330, the control unit 350 increases the power supply voltages of the inverters INV1 to INV3 when the number of '1' is more than a predetermined amount α by more than the number of '0'. If the number of '0' is greater than the number '1' by a predetermined amount α or more, the power supply voltages of the inverters INV1 to INV3 are reduced.

상기와 같이 구성되는 씨모스 이미지 센서의 동작을 설명하면, 아래와 같다.The operation of the CMOS image sensor configured as described above will be described below.

먼저, 샘플 및 홀드 회로부(320) 및 트랜지스터(M8)를 통해 픽셀의 외곽에 위치한 더미 픽셀 어레이로부터의 기준 전압(Reference Output)을 읽어오고, 읽어온 더미 픽셀 어레이의 기준 전압과 타겟 기준 전압과 비교기(330)에서 비교한다. 그리고, 카운터(340)에서 비교기(330)의 출력 중 '1'인 개수와 '0'인 개수를 카운팅하고, 제어부(350)에서 카운팅된 '1'의 개수와 '0'의 개수에 응답하여 '1'의 개수가 '0'의 개수보다 많은 경우 픽셀의 기준 전압 평균이 타겟 기준 전압에 비하여 높으므로 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 '온' 전위를 낮추어 줌으로써 픽셀의 기준 전압을 낮추어 트랜지스터(M6, M7)가 정상적인 동작 모드인 충만 모드(saturation mode)에서 동작하도록 제어하고, '0'의 개수가 '1'의 개수보다 많은 경우 트랜지스터(M1)가 정상적인 동작모드를 벗어나 신호가 왜곡되므로 리셋 트랜지스터(Rx)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 '온' 전위를 높여서 픽셀의 기준 전압을 증가시키도록 제어한다.First, a reference output is read from the dummy pixel array located at the outer side of the pixel through the sample and hold circuit 320 and the transistor M8, and the reference voltage and the target reference voltage and the comparator of the read dummy pixel array are read. Compare at 330. In addition, the counter 340 counts the number '1' and the number '0' among the outputs of the comparator 330, and responds to the number of '1' and the number of '0' counted by the controller 350. If the number of '1' is larger than the number of '0', the reference voltage average of the pixel is higher than the target reference voltage, so the reference voltage of the pixel is lowered by lowering the 'on' potential of the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx. The transistors M6 and M7 operate in a saturation mode, which is a normal operation mode, and when the number of '0's is greater than the number of' 1 ', the transistor M1 leaves the normal operation mode. Is distorted so that the reference voltage of the pixel is increased by increasing the 'on' potential of the reset transistor Rx and the transfer transistor Tx.

여기서, 제어부(350)가 카운터(340)의 결과에 따라 전원전압을 변화시킨 것은 픽셀의 기준 전압을 제어하는 루프가 발진하는 현상을 막기 위한 것이고, 타겟 기준 전압과 전원전압을 제어하는 마진에 해당하는 'α'의 크기를 변화시킬 수 있다.Here, the change of the power supply voltage according to the result of the counter 340 by the control unit 350 is to prevent the loop that controls the reference voltage of the pixel from oscillating and corresponds to the margin controlling the target reference voltage and the power supply voltage. Can change the size of α.

상기한 바와 같이, 픽셀의 기준 전압을 전원전압과 프로세스 변화에 대하여 최적의 값으로 셋팅함으로써 픽셀에서 나오는 신호가 왜곡되지 않으면서 큰 신호를 얻을 수 있어 씨모스 이미지 센서의 특성을 극대화시킬 수 있다.As described above, by setting the reference voltage of the pixel to an optimal value for the power supply voltage and the process change, a large signal can be obtained without distorting the signal from the pixel, thereby maximizing the characteristics of the CMOS image sensor.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 종래에 비하여 보다 넓은 범위의 전원전압을 사용하더라도 제품의 특성이 유지되며, 프로세스 변화에 보다 덜 민감하므로 고화질의 씨모스 이미지 센서의 구현과 칩 수율의 증대를 가져온다.The present invention made as described above, even if using a wider range of power supply voltage than the prior art, the characteristics of the product is maintained, and less sensitive to process changes, resulting in the implementation of high-quality CMOS image sensor and increase in chip yield.

Claims (4)

포토 다이오드, 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터로 구성되는 단위 픽셀들로 어레이되는 메인 픽셀 어레이 및 더미 픽셀 어레이를 구비한 씨모스 이미지 센서에 있어서,In a CMOS image sensor having a main pixel array and a dummy pixel array, which are arranged into unit pixels consisting of a photodiode, a reset transistor, a transfer transistor, a drive transistor, and a select transistor, 상기 픽셀 어레이의 각 행을 제어하는 로우 디코더;A row decoder for controlling each row of the pixel array; 상기 로우 디코더에 연결되어 상기 픽셀 어레이 각각의 행에 상기 단위 픽셀의 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터를 각각 구동하는 제1 내지 제3 구동 수단;First to third driving means connected to the row decoder to drive a reset transistor, a transfer transistor, and a select transistor of the unit pixel in each row of the pixel array; 상기 단위 픽셀의 출력단에 연결되어 픽셀로부터의 기준 전압과 신호 전압을 샘플 및 홀드하는 샘플 및 홀드 회로부;A sample and hold circuit unit connected to an output terminal of the unit pixel to sample and hold a reference voltage and a signal voltage from the pixel; 상기 샘플 및 홀드 회로부에 연결되어 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 읽을 경우에만 인에이블되어 상기 샘플 및 홀드 회로부로부터 출력되는 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압을 스위칭하는 스위칭 수단;Switching means connected to the sample and hold circuit part and switched only when the reference voltage of the dummy pixel array is read to switch the reference voltage of the dummy pixel array output from the sample and hold circuit part; 상기 스위칭 수단에 의해 스위칭되는 상기 더미 픽셀 어레이의 기준 전압과 전원전압 및 공정 변화에 따라 임의로 설정된 타겟 기준 전압을 비교하는 비교 수단;Comparison means for comparing a reference voltage of the dummy pixel array switched by the switching means with a target reference voltage arbitrarily set according to a power supply voltage and a process change; 상기 비교 수단의 비교 결과를 입력받아 '1'의 개수 및 '0'의 개수를 카운팅하는 카운팅 수단; 및Counting means for receiving a comparison result of the comparing means and counting the number of '1' and the number of '0'; And 상기 카운팅 수단의 카운팅 결과에 응답하여 상기 제1 내지 제3 구동 수단을제어하는 제어 수단Control means for controlling the first to third driving means in response to a counting result of the counting means 을 포함하여 이루어지는 씨모스 이미지 센서.CMOS image sensor comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은,The method of claim 1, wherein the control means, 상기 카운팅 수단에서 카운팅된 '1'의 개수가 '0'의 개수보다 소정의 제1 계수 이상으로 많을 때 상기 제1 내지 제3 구동 수단의 전원전압을 증가시키고, 상기 '0'의 개수가 상기 '1'의 개수보다 상기 제1 계수 이상으로 많을 때 상기 제1 내지 제3 구동 수단의 전원전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.When the number of '1' counted by the counting means is greater than the number of '0' by more than a predetermined first coefficient, increase the power supply voltage of the first to third driving means, and the number of '0' The CMOS image sensor, characterized in that to reduce the power supply voltage of the first to third driving means when the number greater than the number of '1' by the first coefficient. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 계수값은,The method of claim 2, wherein the first coefficient value, 가변적인 값임을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.CMOS image sensor, characterized in that the variable value. 제 1 항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드 회로부는,The method of claim 1, wherein the sample and hold circuit portion, 상기 단위 픽셀의 출력단에 연결되어 픽셀의 기준 전압 및 신호 전압을 각기 스위칭하는 제1 및 제2 트랜지스터;First and second transistors connected to an output terminal of the unit pixel to switch the reference voltage and the signal voltage of the pixel, respectively; 상기 제1 및 제2 트랜지스터에 각기 연결되어 상기 픽셀의 기준 전압 및 신호 전압을 저장하는 제1 및 제2 커패시터;First and second capacitors respectively connected to the first and second transistors to store a reference voltage and a signal voltage of the pixel; 상기 제1 및 제2 커패시터에 각기 연결되어 저장된 신호를 버퍼링하는 제3 및 제4 트랜지스터;Third and fourth transistors each coupled to the first and second capacitors to buffer a stored signal; 전원전압단과 상기 제3 및 제4 트랜지스터의 드레인단 사이에 각각 연결되어 바이어스 전류를 공급하는 제5 및 제6 트랜지스터; 및Fifth and sixth transistors connected between a power supply voltage terminal and a drain terminal of the third and fourth transistors to supply bias currents, respectively; And 상기 제3 및 제4 트랜지스터의 게이트단 사이에 연결되어 상기 제3 내지 제6 트랜지스터에 존재하는 옵셋 전압에 의한 신호의 왜곡을 막아주는 제7 트랜지스터A seventh transistor connected between gate ends of the third and fourth transistors to prevent distortion of a signal due to offset voltages present in the third to sixth transistors; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.CMOS image sensor, characterized in that comprises a.
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