KR100398618B1

KR100398618B1 - 전력소모를 최소화한 라인 필터회로를 가지는 열영상리드아웃 집적회로

Info

Publication number: KR100398618B1
Application number: KR10-2001-0012578A
Authority: KR
Inventors: 윤태준
Original assignee: 주식회사 케이이씨
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2003-09-19
Also published as: KR20020072639A

Abstract

전력소모를 최소화한 라인 필터회로를 가지는 열영상 리드아웃 집적회로가 개시된다. 본 발명에 따라, 셀 전압버퍼와, 행스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 전압버퍼에서 인가되는 전류증폭된 신호를 라인버퍼로 제공하기 위한 셀 단위 스위치로 이루어진 단위 셀 파트를 복수개로 가지는 열영상 리드아웃 집적회로는: 상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 셀 전압버퍼의 공통 전원전압단자 사이에 연결된 저장 캐패시터와, 상기 저장 캐패시터 및 상기 셀 단위 스위치와 함께 저항소자를 구성하기 위해 상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 라인버퍼의 입력간에 연결되며 라인스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 단위 스위치의 선택된 출력노드의 출력신호를 상기 라인 버퍼로 전송하는 라인 스위치와, 상기 저항소자와 함께 필터소자를 구성하여 상기 셀 단위 스위치의 스위칭에 기인하는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 상기 라인버퍼의 입력과 접지단간에 연결된 필터 캐패시터로 이루어진 라인 필터회로를 컬럼라인단위로 구비함에 의해, 라인버퍼의 입력신호 레벨을 저하시킴이 없이 단위 셀 파트에 인가되는 전원전압을 낮출 수 있어 전력의 소모를 대폭적으로 줄일 수 있게 된다.

Description

전력소모를 최소화한 라인 필터회로를 가지는 열영상 리드아웃 집적회로 {IR readout IC having line filter circuit with optimized power consumption}

본 발명은 열영상 신호처리 분야에 관한 것으로, 특히 전력소모를 최소화한 라인 필터회로를 가지는 열영상 리드아웃 집적회로에 관한 것이다.

통상적으로, 열영상 신호처리 시스템은 물체에서 방출되는 적외선 에너지를 받아 디지털 신호로 변환하여 메모리에 저장한 후 화면을 통하여 영상신호로 나타내는 장치로서 알려져 있으며, 군용 뿐 만 아니라 산업계 전반에서 널리 사용된다.

그러한 시스템은 물체에서 발생되는 적외선을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 적외선 센서부와 상기 센서부에서 발생되는 전기적 신호를 영상신호로 나타낼 수 있도록 신호처리하는 열영상 리드아웃 집적회로(IR readout IC)와, 상기 열영상 리드아웃 집적회로에서 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하고 영상신호로 디스플레이 될 수 있도록 처리하는 열영상 신호처리부를 포함하여 구성된다.

통상적인 열영상 리드아웃 집적회로의 배치구조는 도 1에 도시된다. 도 1은 본원출원인에 의해 1999년 4월 30일자로 특허출원된 출원번호 99-15611호에 설명의 일부로서 개시된 것으로, 부호 10은 셀 어레이를 나타내고, 부호 11은 단위셀, 부호 15는 로우 선택 스위치, 부호 20은 로우 시프트 레지스터, 부호 30은 컬럼 시프트 레지스터, 부호 40은 컬럼 선택 스위치, 부호 50은 출력버퍼를 나타낸다.

2차원 열영상을 얻기 위해 적외선 센서와 하이브리드 형태로 제작되는 상기 열영상 리드아웃 집적회로 내의 단위 셀 파트는 상온에서 동작되는 적외선 센서와 연결되어 미약하고 노이즈의 영향을 많이 받게 되는 센싱된 신호를 받아 전치 증폭하고 필터링 한 후, 전류증폭을 행하는 전자적 소자들을 갖는다. 상기 전자적 소자들은 셀 집적도에 지장을 주지 않도록 최소의 점유면적을 갖도록 설계된다. 여기서, 상기 전류증폭을 행하는 셀 전압버퍼의 구조 및 이와 관련된 부분의 회로는 도 2와 같이 구성되어 있다.

도 2는 도 1중 단위 셀과 관련된 부분의 상세 회로도로서, 열상센서에서 감지된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기의 출력을 수신하는 셀 전압버퍼(10)와, 행스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 전압버퍼에서 인가되는 전류증폭된 신호를 라인버퍼로 제공하기 위한 셀 단위 스위치(M3)로 이루어진 단위 셀 파트가 보여진다. 상기 단위 셀 파트는 하나의 셀 라인당 예컨대 240개로 구비될 수 있으며, 각 셀 라인들(10,20,30)은 320라인이 될 수 있다. 상기 복수의 단위 셀 파트의 각 출력단이 되는 공통 출력노드(CN)에는 상기 셀 단위 스위치(M3)의 스위칭에 의한 고주파 노이즈를 제거하기 위해 저항(R1) 및 캐패시터(C1)로 이루어진 저역통과 필터(F1)가 설치되고, 상기 저역통과 필터(F1)의 출력노드(A)는 라인(컬럼)버퍼(BU)의 입력과 연결된다. 상기 라인버퍼(BU)의 출력은 공통라인(L1)을 통해 칩 외부 혹은 타의 신호처리 블록으로 전송된다.

도 2에서, 상기 셀 전압버퍼(10)의 모오스 트랜지스터(M1)의 게이트에 연결된 캐패시터(ca)는 입력신호(Vin)의 직류성분을 제거하고 교류성분을 통과시키는 역할을 행하며, 상기 입력신호(Vin)는 적외선 센서에서 발생되는 미약한 신호를 수백 mV레벨로 증폭하는 전치 증폭기의 출력일 수 있다. 또한, 상기 전치 증폭기의 출력단은 상기 캐패시터(ca)에 직접적으로 연결되거나 혹은 상기 전치 증폭기의 이전 단에서 발생된 고주파 잡음을 제거하고 필요한 저역의 신호만을 통과시키는 저역통과 필터에 연결될 수 있다.

상기 셀 전압버퍼(10)를 구성하는 엔형 모오스 트랜지스터(M1,M2)는 소오스 팔로워로서 전류앰프로서의 역할을 하며, 행스위칭 신호(Sn)에 응답하여 상기 셀 전압버퍼(10)에서 인가되는 전류증폭된 신호를 상기 공통 출력노드(CN)로 제공하기 위한 엔형 모오스 트랜지스터(M3)는 셀 단위 스위치이다.

도 2에서, 상기 셀 전압버퍼(10)는 전류앰프 역할을 수행하기 위하여 두 개의 엔형 모오스 트랜지스터의 드레인-소오스 채널이 직렬로 연결된 구조를 가짐을 알 수 있는데, 여기서, 상기 셀 전압버퍼(10)에 흐르는 전류의 량은 상기 트랜지스터(M2)의 게이트 단자에 인가되는 바이어스 전압(Bias)의 레벨에 따라 결정된다. 센싱된 신호의 전류레벨은 매우 낮기 때문에 신호의 감쇠없이 외부로 출력을 하기 위해서는 상기 셀 전압버퍼(10)의 전류 구동능력은 커야한다. 따라서, 상기 셀 전압버퍼(10)에 제공되는 전원전압(Vcc)의 레벨은 최대로 낮추게 되더라도 약 3.8 내지 4볼트 정도가 되어야 한다. 왜냐하면, 상기 라인버퍼(BU)의 입력 DC 레벨이 통상적으로 약 2.5 볼트(volt)정도로 유지되어야 하고 각기 문턱전압을 0.7볼트정도로 갖는 트랜지스터(M1,M3)의 문턱전압 강하를 고려하여야 하기 때문이다. 즉, 4볼트에서 1.4볼트를 빼면 2.6볼트가 남기 때문에 전원전압(Vcc)의 레벨을 3.8볼트 이하로 낮추기는 곤란한 것이다.

결국, 도 2와 같은 종래의 회로는 셀 전압버퍼(10)에 제공되는 전원전압(Vcc)의 레벨을 약 3.8볼트 정도 까지 낮출 수 있고 그 이하로 낮출 경우에는 출력되는 신호레벨이 감쇄되어 비정상적인 출력이 제공되는 것이다. 그러므로, 셀 전압버퍼(10)에 인가되는 전원전압(Vcc)은 약 4볼트로, 라인버퍼(BU)및 캐패시터(C1)의 일측 플레이트에 인가되는 전원공급전압(Vdd)은 약 5볼트로 인가되어진다. 그런데, 상기 셀 전압버퍼(10)는 하나의 라인당 240개가 배치되고, 전체 라인은 320라인이므로, 240 x 320개로 되어 하나의 집적회로내에 76800개가 존재하게 된다. 상기 하나의 셀 전압버퍼(10)를 통해 흐르는 전류는 수백 nA 되는데, 약 200nA로 가정한 경우에 전체 전력은 200nA x 4V x 76800으로 되어 61.44mW 라는 큰전력 소모가 발생된다.

상기한 바와 같이 종래의 회로는 출력신호를 감쇄없이 라인버퍼를 통해 출력하기 위해서는 약 3.8내지 4볼트 정도의 전원전압을 셀 전압버퍼로 인가하여야 하기 때문에 칩 전체로는 약 60mW 이상의 전력 소모가 유발되는 문제가 있어왔다.

더구나, 종래의 통상적인 칩 전체의 전력 스펙은 100mW ~ 150 mW 값을 갖고 있기 때문에 상기 열영상 리드아웃 집적회로 내에서 저전력 소모를 위한 대책은 더욱 절실히 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 전력소비를 줄일수 있는 열영상 리드아웃 집적회로를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 라인 필터회로의 구조를 개선하여 셀 전압버퍼의 전력소모를 최소화 또는 저감할 수 있는 라인 필터회로를 가지는 열영상 리드아웃 집적회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 출력 DC 레벨을 안정화시켜 라인 버퍼의 회로구현을 간단히 할 수 있는 열영상 리드아웃 집적회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 셀 단위 스위치의 스위칭에 의한 고주파 노이즈를 저항소자를 이용함이 없이도 제거할 수 있는 방법 및 라인 필터회로를 가지는 열영상 리드아웃 집적회로를 제공함에 있다.

상기한 목적들 및 타의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라, 열상센서에서감지된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기의 출력을 수신하는 셀 전압버퍼와, 행스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 전압버퍼에서 인가되는 전류증폭된 신호를 라인버퍼로 제공하기 위한 셀 단위 스위치로 이루어진 단위 셀 파트를 복수개로 가지는 열영상 리드아웃 집적회로는:

상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들 및 상기 셀 전압버퍼의 공통 전원전압단자와 상기 라인버퍼의 입력단에 연결되며, 상기 전류증폭된 신호의 레벨을 저하시킴이 없이 상기 공통 전원전압단의 인가전압을 낮출 수 있는 스위치드 캐패시터 필터구조를 형성하는 라인 필터회로를 컬럼라인단위로 구비함을 특징으로 한다.

바람직 하기로는 상기 라인 필터회로는, 상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 셀 전압버퍼의 공통 전원전압단자 사이에 연결된 저장 캐패시터와; 상기 저장 캐패시터 및 상기 셀 단위 스위치와 함께 저항소자를 구성하기 위해 상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 라인버퍼의 입력간에 연결되며 라인스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 단위 스위치의 선택된 출력노드의 출력신호를 상기 라인 버퍼로 전송하는 라인 스위치와; 상기 저항소자와 함께 필터소자를 구성하여 상기 셀 단위 스위치의 스위칭에 기인하는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 상기 라인버퍼의 입력과 접지단간에 연결된 필터 캐패시터를 구비할 수 있다.

상기한 구성에 따르면 셀 전압버퍼의 전원전압을 라인버퍼의 설정전압 레벨까지 낮출 수 있어 집적회로내의 전력의 소모를 대폭적으로 줄일 수 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 열영상 리드아웃 집적회로의 배치구조도

도 2는 도 1중 단위 셀과 관련된 부분의 상세 회로도

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열영상 리드아웃 집적회로의 단위 셀 관련부분의 상세회로도

도 4는 도 3의 회로에 인가되는 신호들의 타이밍도

상기한 본 발명의 목적들 및 타의 목적들, 특징, 그리고 이점들은, 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 기술되는 본 발명의 상세하고 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 도면들 내에서 서로 동일 내지 유사한 부분들은 설명 및 이해의 편의상 동일 내지 유사한 참조부호들로 기재됨을 주목하여야 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열영상 리드아웃 집적회로의 단위 셀 관련부분의 상세회로도이다. 도면을 참조하면, 열상센서에서 감지된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기의 출력을 수신하는 셀 전압버퍼(10)와, 행스위칭 신호(Sn)에 응답하여 상기 셀 전압버퍼(10)에서 인가되는 전류증폭된 신호를 라인버퍼(BU)로 제공하기 위한 셀 단위 스위치(M3)로 이루어진 단위 셀 파트를 복수개로 가지는 열영상 리드아웃 집적회로는, 스위치드 캐패시터 필터구조를 형성하는 라인 필터회로를 컬럼라인단위로 구비함을 알 수 있다.

상기 라인 필터회로는 상기 셀 단위 스위치(M3)의 출력노드 들 및 상기 셀 전압버퍼(10)의 공통 전원전압단자(Vcc)와 상기 라인버퍼(BU)의 입력단에 연결됨에 의해 상기 전류증폭된 신호의 레벨을 저하시킴이 없이 상기 공통 전원전압단(Vcc)의 인가전압을 낮출 수 있게 된다.

상기 라인 필터회로는, 상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 셀 전압버퍼(10)의 공통 전원전압단자 사이에 연결된 저장 캐패시터(C1)와, 상기 저장 캐패시터(C1) 및 상기 셀 단위 스위치(M3)와 함께 저항소자를 구성하기 위해 상기 셀 단위 스위치(M3)의 출력노드 들과 상기 라인버퍼(BU)의 입력간에 연결되며 라인스위칭 신호(Sn+1)에 응답하여 상기 셀 단위 스위치(M3)의 선택된 출력노드의 출력신호를 상기 라인 버퍼(BU)로 전송하는 라인 스위치(M4)와, 상기 저항소자와 함께 필터소자를 구성하여 상기 셀 단위 스위치(M3)의 스위칭에 기인하는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 상기 라인버퍼(BU)의 입력과 접지단간에 연결된 필터 캐패시터(C2)로 구성된다.

도 3에서, 상기 저장 캐패시터(C1)의 타측 플레이트를 상기 셀 전압버퍼(10)의 공통 전원전압단자(Vcc)에 연결함에 의해, 상기 트랜지스터들(M1,M3)의 문턱전압 강하를 고려함이 없이, 상기 공통 전원전압단자(Vcc)에 인가되는 전원전압(Vcc)을 상기 라인버퍼(BU)의 설정입력 레벨 예컨대 2.5볼트인 경우에 2.5볼트 근방 까지로 낮출 수 있다. 실질적으로, 상기 공통 전원전압단자(Vcc)에 인가되는 전원전압(Vcc)을 2.5볼트로 한 경우에 상기 공통노드(n1)에는 DC 전압레벨은 2.5볼트 이상이 된다. 왜냐하면, 상기 저장 캐패시터(C1)가 2.5볼트를 충전하고 있는 초기 상태에서는 상기 공통노드(n1)에는 0볼트가 되나, 입력신호가 인가되는 경우에 트랜지스터(M3)의 DC 출력레벨은 2.5 볼트에서 트랜지스터(M1,M3)의 문턱전압의 합인 1.4볼트를 뺀 1.1볼트정도가 된다. 따라서, 상기 캐패시터(C1)의 특성에 의해 상기 공통노드(n1)의 전압은 2.5 + 1.1볼트가 되어 3.6볼트 까지 상승된다. 상기 공통노드(N1)의 3.6볼트는 트랜지스터(M4)에 0.7볼트 정도 강하되어 결국, 노드(n2)에는 2.9볼트의 전압이 제공되어진다.

따라서, 소모전력은 인가되는 전압의 제곱에 비례하는 것이므로, 종래에 비해 인가전압이 낮은 본 발명의 경우에 전체의 소모전력은 현격히 적어진다. 예를 들어, 셀 전압버퍼(10)의 전류소모를 종래의 경우와 마찬가지로 200nA로 가정한 경우에 전체 전력은 200nA x 2.5V x 76800 = 38.40mW 가 된다. 따라서, 종래의 전력소모에 비해 절반이 절감됨을 알 수 있다.

한편, 도 3에서 상기 트랜지스터들(M3,M4)에 인가되는 신호들의 타이밍은 도 4에서와 같이 되므로, 상기 트랜지스터들(M3,M4) 및 캐패시터(C1)는 등가적으로 저항소자(R1)로서 기능한다. 상기 등가적 저항소자(R1)는 종래의 저항(R1)에 비해 저항값이 작으므로 전력소모가 적다. 그리고, 상기 저항소자(R1)와 필터 캐패시터(C2)는 함께 RC 저역통과 필터를 구성하여 상기 트랜지스터들(M3,M4)의 스위칭동작에 기인하여 생성되는 고주파 노이즈를 제거하게 된다.

도 3의 회로에 인가되는 신호들의 타이밍도인 도 4를 참조하면, 구간 T1에서 DC레벨에 실려진 센싱 신호가 상기 커패시터(C1)에 저장되고, 구간 T2에서 노드(n2)를 통해 라인버퍼(BU)에 제공된다.

도 3의 회로와 같이 두개의 선택 스위치(M3,M4)를 통하여 출력신호를 라인버퍼로 전달하는 방법을 응용하면, 칩 전체의 동작상태를 샘플링 방법으로 테스트를 할 수가 있게 된다. 즉, 칩의 정상적으로 동작시키기 이전에 미리 특정 선택신호를 상기 두개의 선택 스위치(M3,M4)에 인가하여 상기 캐패시터(C1)에 저장된 기본적 신호를 외부로 출력하여 시스템 메모리에 저장함으로써, 선택된 셀이 가지고 있는 기본적인 노이즈 신호의 레벨 및 실제의 DC 전압 레벨을 측정할 수 있다.

상기한 바와 같은 회로에 따르면, 상기 셀 전압버퍼(10)는 전력의 소모를 최소화하면서도 정상적으로 센싱 신호를 출력할 수 있게 되는 것이다.

본 실시 예에서 상기 모오스 트랜지스터(M1,M2,M3,M4)는 각기 엔형 모오스트랜지스터로 구성되었으나 회로의 구성방법에 따라 피형 모오스 또는 엔형 모오스의 조합으로도 구성 가능하며 또한,바이폴라 트랜지스터도 채용될 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 회로의 동작 속도에 따라 가감이 가능함은 물론이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 도면을 기준으로 예를 들어 기술되었지만 이에 한정되지 않으며 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다. 예를 들어, 회로의 구조나 트랜지스터의 타입 등을 사안에 따라 다양하게 변경 또는 변화시킬 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 회로에 따르면, 셀 전압버퍼의 전원전압을 라인버퍼의 설정전압 레벨까지 낮출 수 있어 집적회로내의 전력의 소모를 대폭적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 출력 DC 레벨을 안정화시켜 라인 버퍼의 회로구현을 간단히 할 수 있으며, 셀 단위 스위치의 스위칭에 의한 고주파 노이즈를 저항소자를 이용함이 없이도 제거할 수 있는 장점이 있다. 더구나, 두 개의 스위치를 통하여 칩 전체의 동작을 샘플링 하여 측정할 수 있는 부가적 이점을 갖는다.

Claims

열상센서에서 감지된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기의 출력을 수신하는 셀 전압버퍼와, 행스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 전압버퍼에서 인가되는 전류증폭된 신호를 라인버퍼로 제공하기 위한 셀 단위 스위치로 이루어진 단위 셀 파트를 복수개로 가지는 열영상 리드아웃 집적회로에 있어서:

상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들 및 상기 셀 전압버퍼의 공통 전원전압단자와 상기 라인버퍼의 입력단에 연결되며, 상기 전류증폭된 신호의 레벨을 저하시킴이 없이 상기 공통 전원전압단의 인가전압을 낮출 수 있는 스위치드 캐패시터 필터구조를 형성하는 라인 필터회로를 컬럼라인단위로 구비함을 특징으로 하는 회로.
제1항에 있어서, 상기 라인 필터회로는:

상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 셀 전압버퍼의 공통 전원전압단자 사이에 연결된 저장 캐패시터와;

상기 저장 캐패시터 및 상기 셀 단위 스위치와 함께 저항소자를 구성하기 위해 상기 셀 단위 스위치의 출력노드 들과 상기 라인버퍼의 입력간에 연결되며 라인스위칭 신호에 응답하여 상기 셀 단위 스위치의 선택된 출력노드의 출력신호를 상기 라인 버퍼로 전송하는 라인 스위치와;

상기 저항소자와 함께 필터소자를 구성하여 상기 셀 단위 스위치의 스위칭에기인하는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 상기 라인버퍼의 입력과 접지단간에 연결된 필터 캐패시터를 구비함을 특징으로 하는 회로.
제1항에 있어서, 상기 셀 전압버퍼는, 채널이 서로 직렬로 연결된 제1,2 엔형 모오스 트랜지스터로 구성되며, 상기 제1엔형 모오스 트랜지스터의 드레인에는 동작전원전압이 인가되고 게이트에는 입력신호가 인가되며, 상기 제2엔형 모오스 트랜지스터의 게이트에는 바이어스 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 회로.
제3항에 있어서, 상기 입력신호는 적외선 센서에 의해 센싱되고 증폭기를 통해 증폭된 후 로우패스 필터에 의해 필터링된 것임을 특징으로 하는 회로.
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