KR100618818B1 - Solid state image sensing device providing reset level correction for high brightness object and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
고휘도 시의 리셋 레벨 감소를 방지하는 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법이 개시된다. 상기 고체 촬상 소자는, 2차원 행렬형태로 배열된 픽셀들 각각에서, 광소자로부터 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환한 영상신호를 생성하여 전달 기간에 출력하고, 리셋신호를 생성하여 리셋 기간에 출력하는 픽셀 어레이; 상기 리셋신호의 전압 크기를 체크하여, 그 전압 크기가 정상상태의 일정 레벨 이하로 감소되는 고휘도 상태가 되면 내부 트랜지스터들의 전압 분배에 의하여 상기 리셋 기간에 상기 정상상태의 일정 레벨의 전압으로 보정된 리셋신호를 생성하여 출력하는 리셋 레벨 보정 회로부; 및 상기 리셋 기간에 상기 리셋신호 또는 상기 보정된 리셋신호 중 어느 하나를 입력받고, 상기 입력받은 신호와 상기 영상신호간의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환부를 구비한다.Disclosed are a solid-state imaging device and a driving method thereof for preventing the reduction of the reset level at high brightness. The solid-state imaging device, in each of the pixels arranged in a two-dimensional matrix form, generates an image signal detected by light from the optical element and converted into an electrical signal and output in the transmission period, and generates a reset signal and output in the reset period A pixel array; When the voltage level of the reset signal is checked and the voltage level becomes a high luminance state which is reduced below a certain level of the steady state, a reset corrected to the constant level voltage of the normal state in the reset period by the voltage distribution of internal transistors. A reset level correction circuit unit generating and outputting a signal; And an analog-digital converter configured to receive one of the reset signal or the corrected reset signal during the reset period, and convert an analog signal corresponding to a difference between the received signal and the video signal into a digital signal and output the digital signal. do.
Description
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In order to better understand the drawings cited in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.
도 1은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a general CIS type solid-state imaging device.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing a CIS type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 고체 촬상 소자를 구체적으로 나타내는 회로도이다.3 is a circuit diagram specifically illustrating the solid-state imaging device of FIG. 2.
도 4는 도 3의 고체 촬상 소자의 동작 설명을 위한 타이밍도이다.4 is a timing diagram for describing an operation of the solid-state imaging device of FIG. 3.
도 5는 도 3의 고체 촬상 소자의 동작 시뮬레이션 파형도이다.5 is an operation simulation waveform diagram of the solid-state imaging device of FIG. 3.
도 6은 도 3의 고체 촬상 소자의 시뮬레이션 결과를 정리한 그래프이다.6 is a graph summarizing simulation results of the solid-state imaging device of FIG. 3.
본 발명은 고체 촬상 소자(solid state image sensing device)에 관한 것으로, 특히 CIS(CMOS Image Sensor) 형 고체 촬상 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
CIS형 고체 촬상 소자는 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하여, 디지털 신호 처리부로 전송한다. 디지털 신호 처리부는 고체 촬상 소자에서 출력되는 컬러 이미지 데이터(R, G, B)를 신호처리하여 LCD(liquid crystal display)와 같은 디스플레이 장치를 구동한다. The CIS-type solid-state imaging device is mounted on a mobile phone camera, a digital still camera, or the like, and captures an image developed in a field of view, converts the image into an electrical signal, and transmits it to a digital signal processor. The digital signal processing unit processes color image data R, G, and B output from the solid state image pickup device to drive a display device such as a liquid crystal display (LCD).
도 1은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자는 픽셀 어레이(110), 및 아날로그-디지털 변환부(ADC: analog-digital converter)(120)를 구비한다. 통상적으로 칼라 고체 촬상 소자인 경우에, 각 픽셀 상부에 특정 컬러의 빛만 받아들이도록 컬러 필터(color filter)를 설치하는데, 색 신호를 구성하기 위하여 적어도 3 가지 종류의 컬러 필터를 배치한다. 가장 일반적인 컬러 필터 어레이는 한 행에 R(red), G(green) 2 가지 컬러의 패턴, 및 다른 행에 G(green), B(blue) 2 가지 컬러의 패턴이 반복적으로 배치되는 베이어(Bayer) 패턴을 가진다. 이때, 휘도 신호와 밀접한 관련이 있는 G(green)는 모든 행에 배치되고, R(red) 컬러, B(blue) 컬러는 각 행마다 엇갈리게 배치되어 휘도 해상도를 높인다. 디지털 스틸 카메라 등에는 해상도를 높이기 위하여 100만 픽셀 이상의 많은 픽셀을 배열한 CIS가 적용되어 있다.1 is a block diagram showing a general CIS type solid-state imaging device. Referring to FIG. 1, a general CIS type solid-state imaging device includes a
이와 같은 픽셀 구조를 가지는 CIS형 고체 촬상 소자에서, 상기 픽셀 어레이(110)는 광소자(photodiode)를 이용하여 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하여 영상신호를 생성한다. 상기 픽셀 어레이(110)에서 출력되는 영상신호는 R(red), G(green), B(blue) 3색의 아날로그 신호이다. 아날로그-디지털 변환부(120)는 상기 픽셀 어레이(110)에서 출력되는 아날로그 영상신호를 받아 디지털 신호로 변환한다. In the CIS type solid-state imaging device having the pixel structure as described above, the
도 1과 같은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자에서, 광소자에서 감지된 영상신호를 아날로그-디지털 변환부(120)에서 디지털 신호로 변환할 때, CDS(correlated double sampling) 방식을 이용한다. 이와 같은 구동 방식에 대하여는 미국 특허, "USP5,982,318", 또는 "USP6,067,113" 등에 잘 나타나 있다. CDS 방식의 아날로그-디지털 변환에서는 기본적으로 픽셀 어레이(110)에서 리셋신호를 받은 후, 광소자에서 감지된 영상신호를 받아 디지털 신호로 변환하는 두 단계로 구분된다. 광소자에서 소정 주기로 빛을 새로이 감지할 때마다, 광소자가 새로이 감지된 영상신호를 아날로그-디지털 변환부(120)로 출력하기 전에, 픽셀 어레이(110)는 아날로그-디지털 변환부(120)로 리셋신호를 출력한다. 아날로그-디지털 변환부(120)는 리셋신호를 받아 리셋한 후에, 광소자로부터 입력받는 영상신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 디지털 신호 처리부로 출력되어 소정 보간(interpolation) 처리된다. 또한, 후속하는 디지털 신호 처리부는 LCD와 같은 디스플레이 장치의 해당 해상도에 적합한 구동 신호들을 생성하여, 디스플레이 장치를 구동한다.In the general CIS type solid-state imaging device as shown in FIG. 1, when converting an image signal sensed by an optical device into a digital signal by the analog-
그러나, 태양과 같이 고휘도를 가지는 물체를 촬상할 때, 픽셀 어레이(110)에 구비된 광소자에서 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 전하(전자) 넘침이 발생하여 리셋 레벨이 감소한다. 따라서, 아날로그-디지털 변환부(120)는 고 휘도 물체 촬상 시 리셋 기간에 정상적인 리셋 레벨보다 작은 전압을 가지는 리셋 신호를 받고, 이에 따라 광소자로부터 입력받는 영상신호의 디지털 신호로의 변환시 최대 고휘도에 대응하는 "full saturation code"를 발생시키지 못한다. 이에 따라, 디스플레이 장치에서는 해당 고휘도 물체의 영상이 실제 밝기보다 어둡게 표시된다. 즉, 아날로그-디지털 변환부(120)는 리셋신호와 광소자로부터 입력받는 영상신호를 비교하여, 영상신호가 리셋신호보다 상대적으로 얼마나 큰 지에 따라, 해당 빛의 양에 비례하는 디지털 코드를 발생시키는데, 특히 최대 고휘도 부근의 밝기를 가지는 물체를 촬상할 때 리셋신호의 레벨이 작아지면 빛의 양에 비례한 계조값을 가지는 정상적인 디지털 코드를 발생시키지 못한다는 문제점이 있다.However, when imaging an object having a high brightness, such as the sun, a charge (electron) overflow occurs in the floating diffusion region in the optical device provided in the
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 고휘도 물체를 촬상할 때에 리셋 레벨 감소를 방지하여 일정하게 유지시킴으로써 실제 물체의 밝기대로 디스플레이할 수 있는 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a driving method thereof capable of displaying the brightness of a real object by preventing a reset level reduction and maintaining a constant level when imaging a high brightness object.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는, 2차원 행렬형태로 배열된 픽셀들 각각에서, 광소자로부터 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환한 영상신호를 생성하여 전달 기간에 출력하고, 리셋신호를 생성하여 리셋 기간에 출력하는 픽셀 어레이; 상기 리셋신호의 전압 크기를 체크하여, 그 전압 크기가 정상상태의 일정 레벨 이하로 감소되는 고휘도 상태가 되면 내부 트랜지스터들의 전압 분배에 의하여 상기 리셋 기간에 상기 정상상태의 일정 레벨의 전압으로 보정된 리셋신호를 생성하여 출력하는 리셋 레벨 보정 회로부; 및 상기 리셋 기간에 상기 리셋신호 또는 상기 보정된 리셋신호 중 어느 하나를 입력받고, 상기 입력받은 신호와 상기 영상신호간의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.The solid-state imaging device according to the present invention for achieving the above technical problem, in each of the pixels arranged in a two-dimensional matrix form, generates an image signal detected by the light from the optical device converted into an electrical signal and output in the transmission period A pixel array for generating a reset signal and outputting the reset signal in a reset period; When the voltage level of the reset signal is checked and the voltage level becomes a high luminance state which is reduced below a certain level of the steady state, a reset corrected to the constant level voltage of the normal state in the reset period by the voltage distribution of internal transistors. A reset level correction circuit unit generating and outputting a signal; And an analog-digital converter configured to receive one of the reset signal or the corrected reset signal during the reset period, and convert an analog signal corresponding to a difference between the received signal and the video signal into a digital signal and output the digital signal. Characterized in that.
상기 리셋 레벨 보정 회로부는, 상기 리셋신호의 생성시 사용되는 트랜지스터들의 구조와 동일 연결 구조 및 사이즈를 가지는 상기 내부 트랜지스터들에 의하여 상기 보정된 리셋신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 상기 내부 트랜지스터들은, 리셋 게이트 신호의 제어를 받아 전원을 전달하는 리셋 트랜지스터; 선택 신호의 제어를 받아 상기 전원을 전달하는 선택 트랜지스터; 및 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 선택 트랜지스터로부터 전달된 전원을 이용하여 보정된 리셋신호를 출력하는 소스 폴로워 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다. The reset level correction circuit unit may generate the corrected reset signal by the internal transistors having the same connection structure and size as that of the transistors used in generating the reset signal. The internal transistors may include: a reset transistor configured to transfer power under control of a reset gate signal; A selection transistor configured to transfer the power under the control of a selection signal; And a source follower transistor for outputting a reset signal corrected using the power supplied from the reset transistor and the selection transistor.
상기 리셋 레벨 보정 회로부는, 상기 고휘도 상태가 아닌 정상 상태 시에는 상기 리셋신호의 제어를 받는 판정 트랜지스터가 액티브되는 것에 의하여 상기 보정된 리셋신호를 출력하지 않는 것을 특징으로 한다. 상기 리셋 레벨 보정 회로부는, 상기 고휘도 상태 시에 상기 리셋신호의 제어를 받는 판정 트랜지스터가 액티브되지 않고, 상기 전달 기간에 상기 보정된 리셋신호를 출력하는 다른 소스 폴로워 트랜지스터의 출력 신호의 제어를 받는 콘트롤 트랜지스터도 액티브되지 않는 것에 의하여 상기 보정된 리셋신호를 출력하는 것을 특징으로 한다. 상기 콘트롤 트랜지스터는 게이트에 인가되는 전압에 의하여, 정상 상태에서 고휘도 상태로 됨에 따라 상기 보정된 리셋신호가 출력되는 영상신호의 시작 전압 크기를 나타내는 클램프 전압을 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기 리셋 트랜지스터는, NMOSFET, 공핍형 NMOSFET, 또는 PMOSFET 일 수 있다.The reset level correction circuit unit may not output the corrected reset signal when the determination transistor under the control of the reset signal is activated in a normal state other than the high brightness state. The reset level correction circuit section is configured to receive a control of an output signal of another source follower transistor that outputs the corrected reset signal in the transmission period when the determination transistor under the control of the reset signal is not activated in the high luminance state. The control transistor is also inactive, characterized in that for outputting the corrected reset signal. The control transistor adjusts a clamp voltage indicating a start voltage level of an image signal to which the corrected reset signal is output as the control transistor changes from a normal state to a high luminance state by a voltage applied to the gate. The reset transistor may be an NMOSFET, a depletion NMOSFET, or a PMOSFET.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자 구동 방법은, 2차원 행렬형태로 배열된 픽셀들 각각에서, 광소자로부터 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환한 영상신호를 생성하여 전달 기간에 출력하고, 리셋신호를 생성하여 리셋 기간에 출력하는 단계; 상기 리셋신호의 전압 크기를 체크하여, 그 전압 크기가 정상상태의 일정 레벨 이하로 감소되는 고휘도 상태가 되면 내부 트랜지스터들의 전압 분배에 의하여 상기 리셋 기간에 상기 정상상태의 일정 레벨의 전압으로 보정된 리셋신호를 생성하여 출력하는 단계; 및 상기 리셋 기간에 상기 리셋신호 또는 상기 보정된 리셋신호 중 어느 하나를 입력받고, 상기 입력받은 신호와 상기 영상신호간의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 보정된 리셋신호 생성 단계는, 상기 리셋신호의 생성시 사용되는 트랜지스터들의 구조와 동일 구조 및 사이즈를 가지는 상기 내부 트랜지스터들에 의하여 상기 보정된 리셋신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a solid-state imaging device, which generates and transmits an image signal that is converted into an electrical signal by detecting light from an optical device in each of pixels arranged in a two-dimensional matrix form. Outputting in a period, generating a reset signal and outputting the reset signal; When the voltage level of the reset signal is checked and the voltage level becomes a high luminance state which is reduced below a certain level of the steady state, a reset corrected to the constant level voltage of the normal state in the reset period by the voltage distribution of internal transistors. Generating and outputting a signal; And receiving one of the reset signal or the corrected reset signal in the reset period, and converting an analog signal corresponding to a difference between the received signal and the video signal into a digital signal and outputting the digital signal. It is done. The generating of the corrected reset signal may include generating the corrected reset signal by the internal transistors having the same structure and size as that of the transistors used in generating the reset signal.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자는, 픽셀 어레이(pixel array)(210), 리셋 레벨 보정 회로부(reset level correction circuit unit)(220), 및 아날로그-디지털 변환부(ADC:analog-digital conversion unit) (230)를 구비한다.2 is a block diagram showing a CIS type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. 2, a CIS type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes a
상기 픽셀 어레이(210)는 2차원 행렬형태로 배열된 픽셀들 각각에서, 광소자(PD:photodiode)(미도시)로부터 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환한 영상신호(VFD)를 생성하여 영상신호(VFD) 전달 기간에 출력한다. 또한, 상기 픽셀 어레이(210)는 리셋신호(VRST)를 생성하여 리셋 기간에 출력한다. 이와 같은 상기 픽셀 어레이(210)의 동작에 대해서는 도 3의 설명에서 자세히 기술된다.The
통상적인 경우와 마찬가지로, 상기 픽셀 어레이(210)는 각 픽셀 상부에 베이어(Bayer) 패턴을 가지는 컬러 필터(color filter)가 설치되어 있다. 즉, 상기 픽셀 어레이(210)에서 출력되는 3색(R, G, B) 영상신호(VFD) 패턴은, 한 행에서 R(red), G(green) 2 가지 색 신호 패턴, 및 다른 행에서 G(green), B(blue) 2 가지 색 신호 패턴을 가지고, 이러한 패턴의 영상신호(VFD)가 2 행마다 반복적으로 출력되는 패턴을 가진다. 상기 픽셀 어레이(210)는 휴대폰 카메라, 또는 디지털 스틸 카메라 등에 적용되어 해상도를 높이기 위하여 100만 픽셀 이상의 많은 픽셀을 가질 수 있다.As in the conventional case, the
상기 리셋 레벨 보정 회로부(220)는 컬럼 단위로 리셋 레벨 보정 회로를 구비하고, 상기 픽셀 어레이(210) 상의 같은 열에서 픽셀마다 발생하는 리셋신호(VRST)를 보정한다. 상기 리셋 레벨 보정 회로부(220)는 상기 리셋신호(VRST)의 전압 크기를 체크하여, 그 전압 크기가 일정 레벨 이하로 감소되는 고휘도 상태가 되면 보정된 리셋신호를 생성하여 출력한다. 이와 같은 상기 리 셋 레벨 보정 회로부(220)의 동작은 도 3의 설명에서 자세히 기술된다. The reset level
상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 컬럼 단위로 아날로그-디지털 변환기를 구비하고, 상기 픽셀 어레이(210)에서 출력되는 아날로그 영상신호(VFD)를 받아, 상기 아날로그 영상신호(VFD)의 전압 크기에 따라 서로 다른 계조값을 나타내는 디지털 신호로 변환한다. 특히, 상기 아날로그-디지털 변환부(230)는, 주지된 바와 같이, CDS(correlated double sampling) 방식을 이용한다. 이와 같은 구동 방식에서는, 상기 아날로그-디지털 변환부(230)가 리셋 기간에 상기 픽셀 어레이(210) 상의 픽셀에서 발생하는 리셋신호(VRST)를 받고, 광소자(PD)의 영상신호(VFD) 전달 기간에 같은 열의 상기 픽셀에 존재하는 광소자(PD)에서 감지된 영상신호(VFD)를 받는다. 이에 따라, 상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 상기 리셋신호(VRST)와 상기 영상신호(VFD)의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 상기 차이에 따라 서로 다른 계조값을 나타내는 디지털 신호로 변환한다. The analog-to-
이때, 태양과 같이 고휘도를 가지는 물체를 촬상하게 되면, 상기 리셋신호(VRST)의 전압 레벨이 감소하므로, 상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 그 물체의 실제 밝기에 대응하는 계조값을 나타내는 정상적인 디지털 신호를 발생시키지 못한다. 고휘도 시에 이와 같이 상기 리셋신호(VRST)의 전압 레벨이 감소하는 것은, 위에서 기술한 바와 같이, 픽셀 어레이(210)에 구비된 광소자(PD)에서 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 전하(전자) 넘침이 발생하기 때문이다. 따라서, 본 발명은 고휘도 시에 상기 리셋신호(VRST)의 전압 레벨이 감소하는 것을 보정하기 위하여, 고휘도 시에는 상기 리셋 레벨 보정 회로부(220)가 생성하는 보정된 리셋신호를 이용한다. 즉, 상기 리셋 레벨 보정 회로부(220)는 리셋신호(VRST)의 전압 크기를 체크하여, 그 전압 크기가 일정 레벨 이하로 감소되는 고휘도 상태가 되면 보정된 리셋신호를 생성하여 출력하고, 이와 같이 생성된 보정된 리셋신호가 상기 보정전 리셋신호(VRST) 대신에 상기 아날로그-디지털 변환부(230)로 입력된다. 이에 따라, 상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 리셋 기간에 상기 리셋신호(VRST) 또는 상기 보정된 리셋신호 중 어느 하나를 입력받고, 광소자(PD)의 영상신호(VFD) 전달 기간에 광소자(PD)에서 감지된 영상신호(VFD)를 입력받는다. 상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 입력받은 상기 리셋신호(VRST) 또는 상기 보정된 리셋신호 중 어느 하나에 대한 상기 영상신호(VFD)의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 상기 차이에 따라 서로 다른 계조값을 나타내는 디지털 신호로 변환한다. At this time, when the image of the object having a high brightness, such as the sun, the voltage level of the reset signal (VRST) is reduced, the analog-to-
이와 같이 광소자(PD)로부터 전달된 상기 영상신호(VFD)가 소정 계조값을 가지는 디지털 신호로 변환되면, 이와 같이 변환된 디지털 신호는 후속하는 신호 처리부에서 소정 보간(interpolation) 처리된다. 또한, 후속 신호 처리부는 컬러 이미지 데이터(R, G, B)를 신호 처리하여 LCD와 같은 디스플레이 장치의 해당 해상도에 적합한 구동 신호들을 발생시킴으로써 디스플레이 장치를 구동한다.When the image signal VFD transmitted from the optical device PD is converted into a digital signal having a predetermined gray scale value, the converted digital signal is subjected to predetermined interpolation in a subsequent signal processor. Further, the subsequent signal processor drives the display apparatus by signal processing the color image data R, G, and B to generate driving signals suitable for the corresponding resolution of the display apparatus such as an LCD.
도 3은 도 2의 고체 촬상 소자를 구체적으로 나타내는 회로도이다. 도 4는 도 3의 고체 촬상 소자의 동작 설명을 위한 타이밍도이다. 이하, 도 3과 같은 회로의 동작 설명을 위하여 도 4의 타이밍도가 이용된다. 3 is a circuit diagram specifically illustrating the solid-state imaging device of FIG. 2. 4 is a timing diagram for describing an operation of the solid-state imaging device of FIG. 3. Hereinafter, the timing diagram of FIG. 4 is used to explain the operation of the circuit of FIG. 3.
도 3을 참조하면, 픽셀 어레이(210)를 구성하는 한 픽셀은 광소자(PD:photodiode), 전달 트랜지스터(M2), 제1 리셋 트랜지스터(M1), 제1 선택 트랜지스터(M3), 제1 소스 폴로워 트랜지스터(M4), 및 제1 레벨조정 트랜지스터(M9)를 구비한다. 리셋 레벨 보정 회로부(220)를 구성하는 컬럼 단위의 한 리셋 레벨 보정 회로는 제2 리셋 트랜지스터(M5), 제2 선택 트랜지스터(M3'), 제2 소스 폴로워 트랜지스터(M4'), 제3 선택 트랜지스터(M3"), 제3 소스 폴로워 트랜지스터(M4"), 판정 트랜지스터(M6), 콘트롤 트랜지스터(M7), 및 제2 레벨조정 트랜지스터(M8)를 구비한다. 상기 픽셀 어레이(210) 및 상기 리셋 레벨 보정 회로부(220)를 구성하는 트랜지스터들은 NMOSFET(n-type metal-oxide-semiconductor field effect transistor)로 이루어져 있다. 특히, 상기 제1 리셋 트랜지스터(M1) 및 제2 리셋 트랜지스터(M5)는, 문턱전압(threshold voltage) 만큼의 전압 손실을 방지하기 위하여 공핍형(depletion) NMOSFET, 또는 PMOSFET로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 선택 트랜지스터(M3)와 제1 소스 폴로워 트랜지스터(M4)의 위치는 서로 바뀌어도 같은 기능을 수행한다. 마찬가지로, 제2 선택 트랜지스터(M3')와 제2 소스 폴로워 트랜지스터(M4')의 위치는 서로 바뀔 수 있고, 제3 선택 트랜지스터(M3")와 제3 소스 폴로워 트랜지스터(M4")의 위치도 서로 바뀔 수 있다.Referring to FIG. 3, one pixel constituting the
도 3 회로의 동작은 고휘도 상태가 아닌 정상 상태 시와 고휘도 상태 시의 동작으로 나뉘어 설명될 수 있다. 먼저, 정상 상태 시에, 픽셀 어레이(210) 상의 행 선택 신호(VSEL)가 제1 논리상태(논리 로우 상태)에서 제2 논리상태(논리 하이 상태)로 액티브되어 해당 행이 선택되면, 픽셀 어레이(210)에서는 리셋 게이트 신호(VRG)가 액티브되어 제1 리셋 트랜지스터 M1의 소스 단자에 전원 전압(VDD)이 전달된다. 제1 리셋 트랜지스터 M1의 소스 단자에 전달된 전원 전압(VDD)은 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4를 온(on)시키고, 이에 따라 온 상태에 있는 제1 선택 트랜지스터 M3, 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4, 및 제1레벨 조정 트랜지스터 M9의 전압 분배에 의하여, 소정 레벨의 전압(예를 들어, 1.5 볼트)을 가지는 리셋신호(VRST)가 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4의 소스 단자로 출력된다. 제1 레벨조정 트랜지스터 M9의 게이트에는 이 회로의 동작에 필요한 소정 바이어스 전압(BIAS1)이 인가되어 있다고 가정한다. The operation of the circuit of FIG. 3 can be described by dividing the operation in the normal state and the high luminance state, not in the high luminance state. First, in the normal state, when the row selection signal VSEL on the
정상 상태 시에 리셋 레벨 보정 회로부(220)에서는, 리셋 게이트 인에이블 신호(VENRG)가 액티브되어 제2 리셋 트랜지스터 M5의 소스 단자에 전원 전압(VDD)이 전달된다. 이때, 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4의 소스 단자로 출력된 소정 레벨(예를 들어, 1.5 볼트)의 리셋신호(VRST)가 판정 트랜지스터 M6을 액티브/온시키므로, 제2 리셋 트랜지스터 M5의 소스 단자는 접지와 연결되고, 이에 따라 제3 소스 폴로워 트랜지스터 M4"를 오프(off)시킨다. 제2 레벨조정 트랜지스터 M8의 게이트에는 이 회로의 동작에 필요한 다른 소정 바이어스 전압(BIAS2)이 인가되어 있다고 가정한다. 따라서, 클램프 제어 신호(VCKMP)가 액티브될 때, 동시에 스위치 제어신호(VSW)에 의하여 액티브되는 스위치(SW)를 통하여, 아날로그-디지털 변환부(230)는 M4의 소스 단자로 출력된 소정 레벨(예를 들어, 1.5 볼트)의 리셋신호(VRST)를 입력받는다. 또한, 아날로그-디지털 변환부(230)는 전달 게이트 신호(VTG)가 액티브될 때, 동시에 액티브되는 스위치(SW)를 통하여, 영상신호(VFD)를 입력받는다. In the normal state, in the reset level
한편, 고휘도 상태 시에는, 픽셀 어레이(210) 상의 행 선택 신호(VSEL)가 액티브되어 해당 행이 선택된 후, 픽셀 어레이(210)에서 리셋 게이트 신호(VRG)가 액티브될 때, 위에서 기술된 광소자(PD)의 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 전하(전자) 넘침 발생으로 인하여, 제1 리셋 트랜지스터 M1의 소스 단자에는 전원 전압(VDD)이 전달되지 못하고, 전원 전압(VDD) 보다 작은 전압이 전달된다. 이에 따라 액티브/온 상태에 있는 제1 선택 트랜지스터 M3, 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4, 및 제1레벨 조정 트랜지스터 M9의 전압 분배에 의하여, 정상 상태의 소정 레벨의 전압(예를 들어, 1.5 볼트) 보다 작은 레벨의 보정전 리셋신호(VRST)가 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4의 소스 단자로 출력된다. On the other hand, in the high luminance state, the optical element described above when the row selection signal VSEL on the
이와 같은 고휘도 상태 시에 리셋 레벨 보정 회로부(220)에서는, 리셋 게이트 인에이블 신호(VENRG)가 액티브되어 제2 리셋 트랜지스터 M5의 소스 단자에 전원 전압(VDD)이 전달된다. 이때, 제1 소스 폴로워 트랜지스터 M4의 소스 단자로 출력된 보정전 리셋신호(VRST)는 판정 트랜지스터 M6을 액티브/온 시킬 정도의 충분한 전압을 가지지 못하므로, 제2 리셋 트랜지스터 M5의 소스 단자는 접지와 연결되지 않는다. 이때, 온 상태에 있는 제3 선택 트랜지스터 M3", 제3 소스 폴로워 트랜지스터 M4", 및 제1 레벨 조정 트랜지스터 M9의 전압 분배에 의하여, 정상 상태의 소정 레벨의 전압(예를 들어, 1.5 볼트)으로 보정된 리셋신호가 제3 소스 폴로워 트랜지스터 M4"의 소스 단자로 출력된다. 따라서, 클램프 제어 신호(VCKMP)가 액티브될 때, 동시에 스위치 제어신호(VSW)에 의하여 액티브되는 스위치(SW)를 통하여, 아날로그-디지털 변환부(230)는 제3 소스 폴로워 트랜지스터 M4"의 소스 단자로 출력되는 보정된 리셋신호를 입력받는다. 제3 소스 폴로워 트랜지스터 M4"의 소스 단자로 보정된 리셋신호가 출력될 때, 판정 트랜지스터 M6이 액티브/온 되는 것을 방지하기 위하여, 콘트롤 트랜지스터 M7의 소스 단자는 제2 소스 폴로워 트랜지스터 M4'의 소스 단자와 연결된다. 이에 따라, 콘트롤 트랜지스터 M7이 액티브/온 되지 않는 것에 의하여 상기 보정된 리셋신호가 안정적으로 M4"의 소스 단자로 출력된다. 또한, 아날로그-디지털 변환부(230)는 전달 게이트 신호(VTG)가 액티브될 때, 동시에 액티브되는 스위치(SW)를 통하여, 영상신호(VFD)를 입력받는다. In the high brightness state, the reset level enable
이와 같은 회로의 안정된 동작을 위하여, 리셋 레벨 보정 회로부(220)에서 상기 보정된 리셋신호의 생성에 사용되는 트랜지스터들(M5, M3", M4")의 연결 구조는, 상기 보정전 리셋신호(VRST)의 생성에 사용되는 트랜지스터들(M1, M3, M4)의 구조와 동일 연결 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이때 사용되는 각 트랜지스터의 사이즈도 서로 같은 것이 바람직하다. For the stable operation of such a circuit, the connection structure of the transistors M5, M3 ", M4" used to generate the corrected reset signal in the reset level
도 5는 도 3의 고체 촬상 소자의 동작 시뮬레이션 파형도이다. 도 6은 도 3의 고체 촬상 소자의 시뮬레이션 결과를 정리한 그래프이다.5 is an operation simulation waveform diagram of the solid-state imaging device of FIG. 3. 6 is a graph summarizing simulation results of the solid-state imaging device of FIG. 3.
도 5 및 도 6을 참조하면, 고휘도의 영향으로 영상신호(VFD)의 전압 크기가 감소함에 따라, 리셋신호(VRST)의 전압크기가 감소하고, 영상신호(VFD)의 전압 크기가 2.4V 이하에서는, 리셋 레벨 보정 회로부(220)에 의하여 보정전 리셋신호(VRST)가 정상 상태의 리셋신호(VRST) 전압 레벨(예를 들어, 1.5 볼트)로 복원되어, 그 일정 레벨로 유지된다. 고휘도 상태로 됨에 따라, 상기 보정된 리셋신호가 출력되는 영상신호(VFD)의 시작 전압 크기, 즉, 도 6에 도시된 바와 같은 클램프 전압(VCLAMP)은 콘트롤 트랜지스터 M7의 게이트 전압에 따라 조절될 수 있다. 5 and 6, as the magnitude of the voltage of the image signal VFD decreases due to the high brightness, the voltage magnitude of the reset signal VRST decreases, and the magnitude of the voltage of the image signal VFD is 2.4 V or less. In this case, the reset level correction circuit VRST is restored to the reset signal VRST voltage level (for example, 1.5 volts) in the normal state by the reset level
위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체 촬상 소자는, 고휘도 물체를 촬상할 때에 감소된 리셋 레벨을, 리셋 레벨 보정 회로에 의하여 정상 상태의 리셋 레벨로 복원시켜 일정하게 유지시킬 수 있다. 따라서, 아날로그-디지 털 변환부(230)는 실제 물체의 밝기에 비례하는 정상적인 디지털 코드를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 LCD와 같은 디스플레이 장치는 실제 물체의 밝기대로 디스플레이할 수 있다.As described above, the solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention can restore the reduced reset level to a reset level in a normal state by a reset level correction circuit to maintain a constant level when imaging a high brightness object. have. Therefore, the analog-
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는, 최대 고휘도 부근의 밝기를 가지는 물체의 촬상 시에도 "full saturation code"를 발생시켜, LCD와 같은 디스플레이 장치에서 실제 물체의 밝기가 디스플레이 되도록 함으로써 표시 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.As described above, the solid-state imaging device according to the present invention generates a "full saturation code" even when imaging an object having brightness near the maximum high brightness, so that the brightness of the actual object is displayed on a display device such as an LCD. There is an effect to improve.
Claims (13)
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KR1020040005643A KR100618818B1 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Solid state image sensing device providing reset level correction for high brightness object and driving method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020040005643A KR100618818B1 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Solid state image sensing device providing reset level correction for high brightness object and driving method thereof |
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KR1020040005643A KR100618818B1 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Solid state image sensing device providing reset level correction for high brightness object and driving method thereof |
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-
2004
- 2004-01-29 KR KR1020040005643A patent/KR100618818B1/en not_active IP Right Cessation
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