KR100411733B1 - 배경전류억제, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 기능을내장한 스마트 신호취득회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배경전류억제, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 기능을 내장한 스마트 신호취득 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 적외선 검출기의 잡음 특성을 개선하고자 TDI(time delay and integration) 회로가 사용된다. 그러나, TDI 회로는 잡음 특성이 개선되는 반면, 적분 커패시터의 크기가 커지고 불량 화소의 발생 확률이 증가하는 문제점을 가진다. 또한, 기존의 신호취득 회로의 경우 전체 적외선 감지 소자 어레이에 일정한 크기의 전류를 빼줌으로써 배경전류를 제거해 주는 방식을 사용하나 각 셀간의 배경전류 불균일이 큰 문제가 되었다.

이에, 본 발명에서는 1) 각각의 셀에 전류복사 셀이 존재하여 적외선 감지소자의 배경 전류를 저장한 후, 보상해 줌으로써 배경전류 억제와 동시에 불균일 보상까지 수행한다. 2) 전류 복사 셀에 저장된 값은 접합 누설 전류에 의해 오류가 발생하므로 이를 해결하기 위해 추가로 ACD, DAC, 메모리 등을 내장하였다. 3) 전류복사 셀에 저장된 값은 디지털화 되어 메모리에 저장된 후, 주기적으로 재 설정해 주는 동작을 취한다. 이때 메모리에 저장된 값을 이용하며, 불량 화소가 발생한 경우 이를 제거해 줄 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 스마트 신호취득 회로는 HgCdTe 적외선 검출기를 위한 신호취득 회로 내에 불균일 보상 및 불량화소 복원의 기능을 삽입한 것으로 TDI의 문제점을 해결할 수 있으며, 적외선 검출기의 제작 수율을 향상시킬 수 있다.

Description

배경전류억제, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 기능을 내장한 스마트 신호취득회로{Smart readout circuit including background suppression, non-uniformity compensation, and dead pixel correction}

본 발명은 배경전류억제, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 기능을 내장한 스마트 신호취득 회로에 관한 것이다. 보다 상세하게는 HgCdTe 적외선 감지소자의 신호취득을 위한 실리콘 CMOS 회로의 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

신호 취득 회로는 적외선 감지소자 어레이로부터 발생된 광신호를 영상신호에 적합한 형태로 변환하는 기능을 수행하는 회로이다. 일반적으로 적외선 감지소자와는 서로 다른 기판에 제작된 후, 전기 기계적인 연결을 통하여 하나의 적외선 센서 칩으로 구현된다. 이러한 센서 칩의 제작에 있어서 감지소자의 제작 기술은 초기에 비하여 상당한 발전을 보이고 있으므로 현재 신호취득 회로의 성능이 적외선 센서 칩의 성능을 결정하는 요소가 되고 있다.

지금까지 신호취득 회로의 발전 방향은 픽셀의 수가 점점 증가함에 따라 고집적, 고속의 저잡음 회로가 많이 연구되어 왔으나, 현재는 적외선 영상 시스템에서 수행하던 많은 기능을 신호취득 회로 내에 삽입하여 그 성능을 개선하는 연구가 이루어지고 있다. HgCdTe 적외선 검출기를 위한 스마트 신호취득 회로는 현재까지 TDI, background suppression 정도의 기능을 내장하였을 뿐 그 외의 많은 기능에 대해서는 연구 중에 있다.

HgCdTe 장파장 적외선 검출기를 위한 신호취득 회로의 설계에 있어서 잡음 특성은 가장 중요한 고려사항이다. 일반적으로 적외선 검출기의 신호대잡음비(S/N)는 적외선 영상의 한 점을 바라보는 시간인 적분 시간의 제곱근에 비례한다. TDI (time delay and integration)는 frame rate, 해상도, field-of-view 등의 변화 없이 효과적으로 적분 시간을 증가시키는 기법이다. TDI는 n을 TDI depth라 할 때, n 줄의 감지 소자 어레이를 필요로 하며, n개의 서로 다른 적외선 감지 소자가 번갈아 가며 영상의 동일한 점을 바라본 후, 시간차를 가지며 순차적으로 합쳐져 하나의 화소 신호를 형성한다. 결과적으로 TDI를 사용할 때 적분 시간을 n배만큼 증가하며 신호대잡음비는 n^1/2배만큼 개선된다.

그러나, 늘어난 적분 시간만큼 이를 저장하기 위한 적분 용량도 증가되어야하므로 전체 단위셀 면적이 그 만큼 증가하는 문제점을 가지며, 또한 TDI에서는 불량 화소 수가 증가하는 문제점도 함께 나타난다.

지표상의 적외선 영상은 일반적으로 매우 작은 조도와 매우 큰 배경 전류를 가진다. 따라서, 목표체 전류와 배경 전류가 함께 신호취득 회로로 전달되며, 필요 없는 큰 배경 전류를 저장하기 위해 큰 적분 용량이 필요하게 된다.

그러나, 제한된 작은 단위 셀 면적에 적분 커패시터를 삽입하기 위해서는 작은 면적의 적분 커패시터가 요구되며, 적분 커패시터가 작을수록 전류대전압 이득은 증가하는 장점도 가진다. 따라서, 배경 전류를 제거할 수 있는 추가의 신호처리 회로가 TDI 신호취득 회로 내에 삽입될 때, TDI 회로의 문제점을 일부 해결할 수 있다. 이러한 관점에서 기존의 신호취득 회로는 HgCdTe 적외선 감지 소자의 모든 셀에 동일한 크기의 배경 전류를 제거해줌으로써 적분 커패시터의 크기를 줄이는 회로로 사용해 왔다.

그러나, 실제적인 측면에서 HgCdTe 적외선 감지 소자는 셀 간의 배경 전류 불균일이 매우 커므로 (불균일도 > 배경 전류의 10%), 전체 적으로 일정한 배경 전류를 제거하게 되면 셀 간의 불균일이 심화되는 효과를 불러와 고정형상 잡음(fixed pattern noise)이 증가하며, 이 불균일에 의해 적분 커패시터의 크기를 감소시키는 데에도 제한을 받는 문제점을 가진다.

따라서, 셀간의 불균일을 보상할 수 있는 회로가 필요하며, 앞서 언급한 바와 같이 불량화소 수가 증가하는 문제점을 해결할 수 있는 회로가 필요하다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 배경전류억제, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 신호처리 기능을 내장한 스마트 신호취득 회로를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 1) 각각의 셀에 전류복사 셀이 존재하여 적외선 감지소자의 배경 전류를 저장한 후, 보상해 줌으로써 배경전류 억제와 동시에 불균일 보상까지 수행한다. 2) 전류 복사 셀에 저장된 값은 접합 누설 전류에 의해 오류가 발생하므로 이를 해결하기 위해 추가로 ACD, DAC, 메모리 등을 내장하였다. 3) 전류복사 셀에 저장된 값은 디지털화 되어 메모리에 저장된 후, 주기적으로 재 설정해 주는 동작을 취한다. 이때, 메모리에 저장된 값을 이용하며, 불량 화소가 발생한 경우 이를 제거할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 배경 억제와 불균일 보상을 위해 전류복사 셀을 사용하여 적외선 감지 소자의 배경 전류를 저장하는 신호취득 회로의 회로도이다.

도 2는 접합 누설 전류에 의한 오류를 보상하기 위해 ADC, DAC, 메모리를 사용한 신호취득 회로의 회로도이다.

도 3은 배경 억제, 불균일 보상, 불량화소 보정 등의 신호처리 기능을 수행하는 스마트 신호취득 회로의 하나의 셀에 대한 회로도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 신호취득 회로의 단위셀의 회로도로서, 적외선 감지소자의 바이어스를 유지하기 위한 BDI(buffered direct injection) 입력 회로와, 적외선 감지소자의 배경 전류를 기억하고 제거하는 전류 복사셀(current copier cell)로 구성되어 있다.

도 1을 살펴보면, 적외선 감지소자의 입력 전류를 일정하게 주입시키기 위한제 1 NMOSFET(M_inj)의 소오스와 게이트 단에는 감지소자와 증폭기(A)가 연결되고, 상기 M_inj의 드레인과 각 셀의 보정 시간을 결정하기 위한 제 2 NMOSFET(M_int)의 드레인이 연결된 상태에서 상기 M_int의 게이트에는 E_cell이 연결되고, M_int의 드레인에는 자체적으로 적분되어 신호대 잡음비를 개선하기 위한 TDI 회로가 연결되어 있다.

상기 제 1 NMOSFET(M_inj)과 제 2 NMOSFET(M_int)이 접점된 드레인 사이에는 감지소자의 배경전류 값을 기억하여 배경억제 전류를 생성하기 위한 제 1 PMOSFET(M_skim)과 배경전류 값을 기억하기 위한 스위칭 역할을 하는 제 2 PMOSFET(M_mem)의 각 소오스 단자가 각각 연결된 상태에서 상기 M_skim의 게이트와 M_mem의 드레인이 서로 연결됨과 더불어 M_skim의 게이트 전압을 소정시간 동안 유지시키기 위한 C_mem이 연결되고, 상기 M_mem의 게이트에 E_mem이 연결되어 있다.

상기와 같이 구성된 스마트 신호취득 회로는 열영상 구현에 앞서 각 셀의 배경 전류를 기억하기 위한 한 번의 보정(calibration)이 필요하며, 그 보정 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 한 번의 보정에서 모든 셀이 일정한 배경온도를 바라보게 만든 후 M_mem을 온(on)시키게 되면, M_skim의 gate 전압은 I_skim이 I_det와 크기가 같아지도록 자동으로 조정되어진다. 이 때, M_mem을 오프(off)시키게 되면 M_skim의 drain 전류인 I_skim은I_det와 상관없이 일정한 전류(배경온도에 대한 셀의 광전류와 같은 값)를 가지게 된다.

이렇게 보정(calibration)이 끝나고 통상의 이미지 모드에 들어가게 되면 TDI 회로로 전달되는 광전류(I_int)는 " I_det- I_skim", 즉 'IR detector photocurrent - background current'가 되어 배경 전류 억제가 이루어진다. 여기서, 각 셀의 I_skim은 그 셀의 배경전류 값으로 정해지게 되므로 셀 간의 배경전류 불균일도 해소할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 회로에서는 접합누설전류(junction leakage current)에 의해 M_skim의 게이트 전압이 변화할 수 있으며, 이로 인해 I_skim의 변화를 유발하는 문제점을 가진다.

이를 해결하기 위해 도 2와 같은 신호취득 회로를 제시하였다. 즉, 접합 누설 전류에 의한 오류를 보상하기 위해 ADC, DAC, 메모리를 사용한 신호취득 회로의 회로도로서 그 구성을 살펴보면, 제 1 PMOSFET(M_skim)의 게이트와 제 2 PMOSFET(M_mem)의 드레인 단에는 제 1 PMOSFET(M_skim)의 게이트 전압을 저장시키기 위한 제 3 PMOSFET(M_sel)의 소오스가 연결됨과 더불어 M_sel의 게이트에 φ_mem이 연결되고, 상기 M_sel의 드레인에는 BUS_ref에 의해 ADC/DAC가 연결되며, 상기 ADC/DAC는 BUS_mem에 의해 메모리(latch)와 연결됨으로서 전류복사 셀에 저장된 배경전류 값을 디지털화 하여저장한 후 주기적으로 제 1 PMOSFET(M_skim)의 게이트 전압을 재 설정하게 된다.

이는 보정시 M_skim의 gate 전압을 ADC를 통해 디지털 값으로 변환하여 내장한 메모리(latch)에 저장하고, normal image mode에서 주기적으로 저장된 값을 DAC를 통해 M_skim의 gate에 전달하여 M_skim의 gate 전압을 리프레쉬(refresh)해 주는 역할을 수행한다.

한편, 도 3은 도 2의 메모리에 저장된 디지털 값을 이용하여 불량화소를 판별하는 회로로서 메모리(latch)와 제 2 NMOSFET(M_int) 게이트 단에는 메모리(latch)에 저장된 배경전류 값을 사용하여 불량화소를 제거하기 위한 XOR 논리소자가 연결되어 있다.

적외선 검출기의 경우 불량화소가 발생하면 과전류가 흐르거나 저전류가 흐르는 현상을 보인다. 즉, 불량화소가 발생하게 되면 메모리에 저장되는 디지털 값은 " 00000000 " 이거나 " 11111111 " 이 된다. 따라서, 메모리에 저장된 값을 XOR하여 M_int를 제어하게 되면 불량셀 발생 시 자동적으로 불량 셀을 판별하여 제거할 수 있게 된다.

TDI 회로는 여러 개의 셀전류를 합쳐서 하나의 픽셀 영상 값을 만들어 내므로 여러 개의 셀 중 하나의 셀이 죽더라도 불량 픽셀이 생기게 되며, 이 회로를 사용할 경우 불량 셀을 판별하여 제거해 주므로 나머지 셀 전류로 픽셀 영상 값을 복원할 수 있게 된다.

예컨대, TDI depth가 4인 TDI의 경우 하나의 화소 신호를 구현하기 위해 4개의 셀 전류가 적분되므로 4개의 셀 중 하나의 불량 셀이 발생한다면 이는 다른 3개 셀 전류와 함께 적분 커패시터에 적분되어 화소 신호가 포화되거나 손상을 입게 된다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 스마트 TDI 신호취득 회로를 사용하게 되면, 불량 셀은 제거되고 나머지 세 개의 셀 전류만이 적분되므로 손상 없이 화소 신호를 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 스마트 신호취득 회로에 따르면, HgCdTe 적외선 검출기를 위한 신호취득 회로내에 불균일 보상 및 불량화소 복원의 기능을 삽입함으로서 TDI의 문제점을 해결할 수 있다.

즉, 적분 커패시터의 면적을 감소시킴으로서 단위 셀 면적을 줄일 수 있으며, 적외선 검출기의 전류대전압 이득을 향상시킬 수 있다. 또한, 불량 화소 복원을 통해 제작 수율의 매우 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 적외선 감지소자의 입력 전류를 일정하게 주입시키기 위한 제 1 NMOSFET(M_inj)의 소오스와 게이트 단에는 감지소자와 증폭기(A)가 연결되고, 상기 M_inj의 드레인과 각 셀의 보정 시간을 결정하기 위한 제 2 NMOSFET(M_int)의 드레인이 연결된 상태에서 상기 M_int의 게이트에는 E_cell이 연결되고, M_int의 드레인에는 자체적으로 적분되어 신호대 잡음비를 개선하기 위한 TDI 회로가 연결되어 있으며,

   상기 제 1 NMOSFET(M_inj)과 제 2 NMOSFET(M_int)이 접점된 드레인 사이에는 감지소자의 배경전류 값을 기억하여 배경억제 전류를 생성하기 위한 제 1 PMOSFET(M_skim)과 배경전류 값을 기억하기 위한 스위칭 역할을 하는 제 2 PMOSFET(M_mem)의 각 소오스 단자가 각각 연결된 상태에서 상기 M_skim의 게이트와 M_mem의 드레인이 연결됨과 더불어 상기 M_skim의 게이트 전압을 소정시간 동안 유지시키기 위한 C_mem이 연결되고, 상기 M_mem의 게이트에는 E_mem이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스마트 신호취득 회로.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 PMOSFET(M_skim)의 게이트와 제 2 PMOSFET(M_mem)의 드레인 단에는 제 1 PMOSFET(M_skim)의 게이트 전압을 저장시키기 위한 제 3PMOSFET(M_sel)의 소오스가 연결됨과 더불어 M_sel의 게이트에 φ_mem이 연결되고, 상기 M_sel의 드레인에는 BUS_ref에 의해 ADC/DAC가 연결되며, 상기 ADC/DAC는 BUS_mem에 의해 메모리(latch)와 연결됨으로서 전류복사 셀에 저장된 배경전류 값을 디지털화 하여 저장한 후 주기적으로 제 1 PMOSFET(M_skim)의 게이트 전압을 재 설정하는 것을 특징으로 하는 스마트 신호취득 회로.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 메모리(latch)와 제 2 NMOSFET(M_int) 게이트 단에는 메모리(latch)에 저장된 배경전류 값을 사용하여 불량화소를 제거하기 위한 XOR 논리소자가 연결되어 있는 특징으로 하는 스마트 신호취득 회로.