KR100588751B1 - 이미지 센서를 위한 아날로그-디지털 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화소 간의 아날로그 이미지 특성을 고려하여, 이전 로우에 위치한 화소들의 아날로그 이미지 데이터를 디지털 데이터로 변환할 때 사용되었던 최종 램프 신호 + α를 저장하였다가 그 다음 로우에 위치한 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터에 대한 디지털 이미지 데이터로의 변환 시 상기 저장된 램프 신호를 비교기의 최초 기준 전압으로 사용하여 아날로그-디지털 변환 동작을 수행함으로써, 아날로그-디지털 변환 시간을 감소시킨 아날로그-디지털 변환 장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 단위 화소들로 어레이된 N×M 화소 어레이를 구비하는 CMOS 이미지 센서를 위한 아날로그-디지털 변환 장치에 있어서, 클럭에 따라 일정한 경사를 가지고, 등간격으로 출력 전압이 낮아지는 아날로그 비교 기준 전압을 생성하기 위한 디지털-아날로그 변환 수단; 상기 디지털-아날로그 변환 수단으로부터 출력되는 아날로그 비교 기준 전압과 상기 화소 어레이로부터 로우단위로 출력되는 각 화소의 아날로그 출력 전압을 컬럼별로 입력받아 서로 비교하기 위한 비교수단; 및 상기 비교수단에서의 비교 결과, 상기 아날로그 비교 기준 전압이 상기 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아지면 그때의 상기 아날로그 비교 기준 전압보다 임의의 제1 전압 레벨만큼 큰 전압 레벨을 저장하는 저장 수단을 포함하여, 그 다음 로우에 위치한 화소의 아날로그 출력 전압에 대한 디지털 출력 전압으로의 변환 시, 상기 비교수단은 상기 저장 수단에 저장된 전압 레벨을 최초 기준 전압으로 사용하여 비교 동작하고, 상기 디지털-아날로그 변환 수단은, 상기 클럭에 따라 상기 저장 수단에 저장된 전압 레벨로부터 일정한 경사를 가지고, 등간격으로 출력 전압이 낮아지는 상기 아날로그 기준 전압을 생성한다.

이미지 센서, ADC, 비교기, 기준 전압, 램프 신호

Description

이미지 센서를 위한 아날로그-디지털 변환 장치{Analog-to-digital converter in image sensor}

도 1은 CMOS 이미지 센서의 일부 블록도.

도 2는 상기 도 1의 ADC 동작을 위해 비교 기준 전압으로 사용되는 램프 신호의 파형도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치를 구비한 CMOS 이미지 센서의 일부 블록도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치에서 ADC 동작을 위해 비교 기준 전압으로 사용되는 램프 신호의 파형을 도시한 도면.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 화소 어레이로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하기 위한 아날로그-디지털 변환 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말한다. 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.

최근 들어, 이러한 이미지 센서는 각종 보안 장비, 화상 회의용 카메라, 디지털 스틸 카메라, PC 카메라, 영상 정보를 전달하는 기능을 갖춘 차세대 개인용 휴대 통신 장비 등에 적용되어 큰 각광을 받고 있다.

이미지 센서에는 CCD(Charge-Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서가 있으며, 모니터로의 화면 재현을 위해 각각의 이미지 센서는 화소로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 주는 아날로그-디지털 변환 장치(Analog-to-Digital Converter, 이하 ADC라 함)를 필요로 한다.

도 1은 CMOS 이미지 센서의 일부 블록도로서, 다수의 단위 화소가 베이어 패턴(bayer pattern)으로 어레이된 화소 어레이(100)와, 화소 어레이(100)로부터 출력되는 아날로그 출력 전압을 디지털 전압 신호로 변환하기 위한 ADC(120)와, ADC(120)로부터 출력되는 디지털 전압 신호를 저장하기 위한 래치 어레이(140)로 이루어진다.

구체적인 구성을 살펴보면, 상기 ADC(120)는 아날로그 비교 기준 전압을 생성하기 위한 램프 신호 생성기(121) 및 아날로그 비교 기준 전압과 화소 어레이(100)로부터의 아날로그 출력 전압을 컬럼별로 입력받아 서로 비교하여 디지털 전압 신호를 래치 어레이(140)로 출력하기 위한 비교부(122)로 이루어진다.

도 2는 상기 도 1의 ADC 동작을 위해 비교 기준 전압으로 사용되는 램프 신호의 파형을 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하여, ADC 동작을 구체적으로 살펴본다.

CMOS 이미지 센서는 비교기 및 단위 래치를 화소 어레이의 한 로우의 화소 수(N)만큼 배열하여, 한 로우의 화소로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터를 동시에 디지털 데이터로 변환하는 데, 먼저, 램프 신호 생성기(121)는 클럭에 따라 일정한 경사(기울기)를 가지고, 등간격으로 출력 전압이 낮아지는 램프 신호(아날로그 비교 기준 전압)를 생성하고, 비교부(122)는 생성된 램프 신호와 화소어레이의 임의의 제1 로우에 위치한 화소로부터 출력되는 아날로그 출력 전압(도 2에서 A점)을 비교한다.

상기 비교부(122)에서 수행되는 비교 동작은, 램프 신호가 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아질 때까지 계속되며, 이때 각 램프 신호에 해당하는 디지탈 코드가 래치 어레이(140)에 저장된다. 상기 과정에서 램프 신호가 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아지게 되면, 래치(140)에 디지탈 코드를 저장하는 과정을 중지하고, 이때 래치 어레이(140)에 저장된 값을 제1 로우에 위치한 화소의 출력 전압에 해당하는 디지탈 코드로 출력하게 된다.

다음으로, 상기한 바와 동일하게 그 다음 제2 로우의 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터(도 2의 B점)를 디지털 데이터로 변환한다.

한편, CMOS 이미지 센서의 각 화소로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터는, 인접한 화소의 아날로그 이미지 데이터와 서로 아주 높은 상호 연관성을 가지고, 그 크기도 서로 비슷한 특성을 가진다. 즉, 앞서 제1 로우의 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터와 제2 로우의 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터는 서로 비슷한 크기의 아날로그 전압 레벨을 가진다.

상기와 같이 이루어지는 종래의 아날로그-디지털 변환기는, 상기한 바와 같은 화소 간의 아날로그 이미지 데이터 특성에 관계없이 램프 신호 생성기(121)를 통해 일정한 초기 전압 레벨에서부터 매 클럭마다 정해진 단계만큼 전압 레벨을 떨어뜨리는 획일적인 방식, 즉, 일정한 초기 전압 레벨에서부터 동일한 감소율로 램프 신호, 즉 기준 전압(Vr)을 생성하고, 그 기준 전압(Vr)과 화소로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터를 비교하여 디지털 이미지 데이터로 변환함으로써 아날로그-디지털 변환 시 많은 시간을 필요로 하였다.

본 발명은 화소 간의 아날로그 이미지 특성을 고려하여, 이전 로우에 위치한 화소들의 아날로그 이미지 데이터를 디지털 데이터로 변환할 때 사용되었던 최종 램프 신호에 +α 정도의 전압레벨(최종 램프 신호와 더해서 더해진 값이 램프 신호의 초기전압 레벨의 전압레벨보다 낮은 레벨로 결정됨)을 더하여 램프 신호를 갱신하여 저장하였다가, 그 다음 로우에 위치한 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터에 대한 디지털 이미지 데이터로의 변환 시 저장된 갱신 램프 신호를 비교기의 최초 기준 전압으로 사용하여 아날로그-디지털 변환 동작을 수행함으로써, 아날로그-디지털 변환 시간을 감소시킨 아날로그-디지털 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수의 단위 화소들로 어레이된 N×M 화소 어레이를 구비하고, 로우(row) 단위로 상기 화소로부터 아날로그 출력전압을 순차적으로 출력하는 CMOS 이미지 센서를 위한 아날로그-디지털 변환 장치에 있어서, 클럭에 따라 일정한 경사를 가지고, 초기 전압레벨이 등간격으로 점점 낮아지는 제1 아날로그 비교 기준전압을 생성하기 위한 램프신호 생성부와, 상기 램프신호 생성부로부터 출력되는 상기 제1 아날로그 비교 기준전압과 상기 화소 어레이로부터 로우단위로 출력되는 상기 화소의 아날로그 출력전압을 컬럼별로 입력받아 서로 비교하기 위한 비교수단과, 상기 비교수단에서의 비교 결과, 상기 제1 아날로그 비교 기준전압이 상기 화소의 아날로그 출력전압보다 낮아지면, 낮아지는 시점에서의 상기 제1 아날로그 비교 기준전압보다는 높고 상기 제1 아날로그 비교 기준전압의 초기 전압레벨보다 낮은 범위 내에서 상기 제1 아날로그 비교 기준전압을 갱신하여 저장하는 저장 수단을 포함하되, 그 다음 상기 화소 어레이의 로우에 위치한 화소의 아날로그 출력전압에 대한 디지털 출력전압으로의 변환시, 상기 디지털-아날로그 변환 수단은 상기 클럭에 따라 상기 저장 수단에 갱신되어 저장된 갱신된 전압을 일정한 경사를 가지고, 등간격으로 낮추어 제2 아날로그 비교 기준전압을 생성하고, 상기 비교수단은 상기 제2 아날로그 비교 기준전압을 이용하여 상기 화소로부터 출력되는 아날로그 출력전압과 비교하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환 장치를 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치를 구비한 CMOS 이미지 센서의 일부 블록도를 도시한 것으로서, 종래의 아날로그-디지털 변환 장치에 램프 신호 생성기(121)로부터 출력되는 램프 신호를 저장하는 램프신호저장부(200)를 더 구비한다.

본 발명의 아날로그-디지털 변환 장치에서 수행되는 아날로그-디지털 변환은, 제1 로우에 대해서는 종래와 동일한 방식으로 이루어지지만 그 다음번 제2 로우에 위치한 화소들의 아날로그 이미지 데이터에 대한 디지털 이미지 데이터로의 변환 동작은 종래와 다르게 제1 로우에 위치한 화소들에 대한 변환 동작 시 램프신호저장부(200)에 저장된 램프 신호(아날로그 비교 기준 전압)를 사용한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치에서 ADC 동작을 위해 비교 기준 전압으로 사용되는 램프 신호의 파형을 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 ADC 동작을 구체적으로 살펴본다.

먼저, 램프 신호 생성기(121)는 클럭에 따라 일정한 경사(기울기)를 가지고, 등간격으로 출력 전압이 낮아지는 램프 신호(아날로그 비교 기준 전압)를 생성하고, 비교부(122)는 생성된 램프 신호와 화소어레이의 임의의 제1 로우에 위치한 화소로부터 출력되는 아날로그 출력 전압(도 4에서 C점)을 비교한다.

상기 비교부(122)에서 수행되는 비교 동작은, 램프 신호가 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아질 때까지 계속되며, 이때 각 램프 신호에 해당하는 디지탈 코드가 래치 어레이(140)에 저장된다. 상기 과정에서 램프 신호가 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아지게 되면, 래치(140)에 디지탈 코드를 저장하는 과정을 중지하고, 이때 래치 어레이(140)에 저장된 값을 제1 로우에 위치한 화소의 출력 전압에 해당하는 디지탈 코드로 출력하게 된다. 그리고, 이때의 램프 신호보다 임의의 전압 레벨(α)만큼 큰 값을 램프신호저장부(200)에 저장한다. 여기서, 임의의 전압 레벨은 사용자에 의해 프로그램될 수 있는 값으로, 이 값에 따라 전체 변환 시간의 단출 비율이 결정된다.

다음으로, 제1 로우의 그 다음 제2 로우에 위치한 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터(도 4의 D점)를 디지털 데이터로 변환하게 되는 데, 이때 비교부(122)는 램프신호저장부(200)에 저장된 값과 화소어레이의 임의의 제2 로우에 위치한 화소로부터 출력되는 아날로그 출력 전압(도 4에서 D점)을 최초로 비교하게 된다.

그리고, 램프 신호 생성기(121)는 클럭에 따라 일정한 경사(기울기)를 가지고, 등간격으로 램프신호저장부에 저장된 값으로부터 출력 전압이 낮아지는 램프 신호를 생성하고, 비교부(122)는 이렇게 생성된 램프 신호와 화소어레이의 임의의 제2 로우에 위치한 화소로부터 출력되는 아날로그 출력 전압(도 4에서 D점)을 비교한다.

상기 비교부(122)에서 수행되는 상기 비교 동작은, 램프 신호가 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아질 때까지 계속되며, 이때 각 램프 신호에 해당하는 디지탈 코드가 래치 어레이(140)에 저장된다. 상기 과정에서 램프 신호가 화소의 아날로그 출력 전압보다 낮아지게 되면, 래치(140)에 디지탈 코드를 저장하는 과정을 중지하고, 이때 래치 어레이(140)에 저장된 값을 제2 로우에 위치한 화소의 출력 전압에 해당하는 디지탈 코드로 출력하게 된다.

따라서, 제2 로우에 위치한 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터에 대한 디지털 이미지 데이터로의 변환 시 초기 전압 레벨부터 비교하지 않고, 램프신호저장부(200)에 저장된 전압 레벨부터 비교하게 됨으로써, 변환 동작시 소요되는 시간이 도 4에 도시된 것과 같이 대폭 줄어들게 된다.

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.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 화소 간의 아날로그 이미지 특성을 고려하여, 이전 로우에 위치한 화소들의 아날로그 이미지 데이터를 디지털 데이터로 변환할 때 사용되었던 최종 램프 신호 + α를 저장하였다가 그 다음 로우에 위치한 화소들로부터 출력되는 아날로그 이미지 데이터에 대한 디지털 이미지 데이터로의 변환 시 상기 저장된 램프 신호를 비교기의 최초 기준 전압으로 사용하여 아날로그-디지털 변환 동작을 수행함으로써, 아날로그-디지털 변환 시간을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 복수의 단위 화소들로 어레이된 N×M 화소 어레이를 구비하고, 로우(row) 단위로 상기 화소로부터 아날로그 출력전압을 순차적으로 출력하는 CMOS 이미지 센서를 위한 아날로그-디지털 변환 장치에 있어서,

   클럭에 따라 일정한 경사를 가지고, 초기 전압레벨이 등간격으로 점점 낮아지는 제1 아날로그 비교 기준전압을 생성하기 위한 램프신호 생성부;

   상기 램프신호 생성부로부터 출력되는 상기 제1 아날로그 비교 기준전압과 상기 화소 어레이로부터 로우단위로 출력되는 상기 화소의 아날로그 출력전압을 컬럼별로 입력받아 서로 비교하기 위한 비교수단; 및

   상기 비교수단에서의 비교 결과, 상기 제1 아날로그 비교 기준전압이 상기 화소의 아날로그 출력전압보다 낮아지면, 낮아지는 시점에서의 상기 제1 아날로그 비교 기준전압보다는 높고 상기 제1 아날로그 비교 기준전압의 초기 전압레벨보다 낮은 범위 내에서 상기 제1 아날로그 비교 기준전압을 갱신하여 저장하는 저장 수단을 포함하되,

   그 다음 상기 화소 어레이의 로우에 위치한 화소의 아날로그 출력전압에 대한 디지털 출력전압으로의 변환시,

   상기 디지털-아날로그 변환 수단은 상기 클럭에 따라 상기 저장 수단에 갱신되어 저장된 갱신된 전압을 일정한 경사를 가지고, 등간격으로 낮추어 제2 아날로그 비교 기준전압을 생성하고,

   상기 비교수단은 상기 제2 아날로그 비교 기준전압을 이용하여 상기 화소로부터 출력되는 아날로그 출력전압과 비교하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환 장치.
2. 삭제

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