KR100638196B1 - 차지 펌프 동작에 기인하는 잡음을 저감한 cmos이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차지 펌프식 승압 회로를 이용하는 CMOS 이미지 센서에 있어서 차지 펌프 동작에 기인하는 잡음을 저감하는 것을 목적으로 한다. CMOS 이미지 센서는 화소 회로의 배열과, 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과, 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단과, 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 수단을 구비한다. 방지 수단은 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작을 금지하는 수단이라도 좋다. 차지 펌프식 승압 수단은 부여되는 클록에 따른 승압 출력을 부여하는 승압 회로와, 승압 출력이 소정의 승압 전압과 일치하도록 클록을 생성하는 클록 발생 회로를 구비하고, 또한 상기한 펌핑 동작을 금지하는 수단은 클록 발생 회로의 출력을 승압 회로에 부여하지 않도록 하는 수단으로 이루어진다.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 개념적으로 도시한 블록도.
도 2a는 도 1의 화소 회로(100)의 구성을 도시한 회로도.
도 2b는 승압 전압(VD)을 발생하는 차지 펌프식 승압 회로의 구성을 도시한 회로도.
도 2c는 도 2a의 승압 회로(250)에 있어서 HTC 신호 발생 회로(210)의 출력이 논리 1인 경우의 출력 전압(VD)의 파형을 도시한 도면.
도 3a는 1H마다의 화소행 로드와 수평 스캔의 상태를 도시한 도면.
도 3b는 화소 회로(100)와 행 제어 회로(200)의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트.
도 4는 바람직한 수평 타이밍 제어(HTC) 신호의 예.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : CMOS 이미지 센서
10 : APS 어레이
20 : 픽셀 제어 회로
30 : 수직 시프트 레지스터
40 : 화소행 로드 회로
50 : CDS 회로
60 : 수평 시프트 레지스터
100 : 화소 회로(APS)
101 : 포토 다이오드 PD
200 : 행 제어 회로
102∼105 : CMOS 트랜지스터
201 : 승압 회로
202 : 목표 전압 검출기
3 : 평활 콘덴서
210 : 수평 타이밍 제어(HTC) 신호 발생기
220 : 논리곱 회로
250 : 승압 회로
본 발명은 차지 펌프에 의한 승압 회로를 이용하는 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이러한 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서에 있어서 차지 펌프 동작에 기인하는 잡음을 저감하는 기술에 관한 것 이다.
CMOS 이미지 센서에 있어서 어느 정도의 화질을 확보하기 위해서는 센서의 전원 전압을 넘는 고전압이 일반적으로 필요하다. 이 고전압을 얻는 데 비교적 소형화가 용이하고 IC화하기 쉬운 차지 펌프가 이용되는 경우가 많다. 그러나, 이 경우, 펌핑 동작으로 인한 잡음이 문제가 된다. 본 발명은 차지 펌프에 의해 승압을 행하는 CMOS 이미지 센서에 있어서 펌핑 동작에 기인하는 잡음을 경감하는 기술에 관한 것이다.
차지 펌프식 승압 회로를 이용하여 발생시킨 고전압을 이용하는 CCD 촬상 소자에 있어서 승압 클록이 촬상 신호에 삽입되는 것에 따른 잡음을 회피하는 기술은 개시되어 있다[일본 특허 공개 제2001-218119호 공보(제7 페이지, 도 3); 특허문헌 1]. 본 문헌에서는, CCD 이미지 센서로부터 촬상 신호의 출력이 정지되어 있는 기간(즉, 수평 블랭킹 기간 등)을 이용하여, 타이밍 발생 회로로부터 제어부에 승압 클록을 인가하도록(즉, 펌핑 동작을 행하도록), 타이밍 발생부의 타이밍을 설정한다.
그러나, 상기 특허문헌 1의 기술을 CMOS 이미지 센서에 적용하면, 화소 판독에서 가장 중요한 CDS(상관 이중 샘플링) 동작의 기간인 블랭킹 기간에 차지 펌프 동작을 행하게 되기 때문에, 이 기술에는 문제가 있다.
또, 차지 펌프에 의한 승압 회로를 이용하는 CMOS 이미지 센서에 있어서 펌핑 동작에 의한 잡음을 경감하는 기술은 제안되어 있지 않다.
본 발명은 차지 펌프식 승압 회로를 이용하면서도 차지 펌프 동작에 기인하는 잡음을 저감할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 차지 펌프식 승압 회로를 이용하는 CMOS 이미지 센서에 있어서 차지 펌프 동작에 기인하는 잡음을 저감하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일면에 있어서, 화소 회로의 배열과, 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과, 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단과, 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 수단을 구비한 CMOS 이미지 센서를 제공한다.
방지 수단은 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작을 금지하는 수단이라도 좋다.
차지 펌프식 승압 수단은 부여되는 클록에 따른 승압 출력을 부여하는 승압 회로와, 승압 출력이 소정의 승압 전압과 일치하도록 클록을 생성하는 클록 발생 회로를 구비하고, 또한 상기 펌핑 동작을 금지하는 수단은 클록 발생 회로의 출력을 승압 회로에 부여하지 않도록 하는 수단으로 이루어진다.
상기 방지하는 기간에 논리 0이 되는 제어 신호를 생성하는 수단을 더 구비하고, 상기 부여하지 않도록 하는 수단은 클록 발생 회로로부터의 클록과 제어 신호와의 논리곱을 승압 회로에 부여하는 수단이라도 좋다.
상기 방지하는 기간은 상관 이중 샘플링의 N 판독의 종료시부터 S 판독의 종료시의 기간을 적어도 포함하는 기간인 것이 바람직하다.
상기 방지하는 기간은 수평 블랭킹 기간이어도 좋다.
본 발명은 다른 면에서는, 화소 회로의 배열과, 이 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과, 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단을 구비한 CMOS 이미지 센서에 있어서, 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 단계를 포함하는 펌핑 동작에 의한 잡음을 저감하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 실시 형태와 첨부 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명한다. 또, 복수의 도면에 동일한 요소를 나타내는 경우에는 동일한 참조 부호를 붙인다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의해 펌핑 동작에 기인하는 잡음을 저감한 차지 펌프식 승압 회로를 이용하는 CMOS 이미지 센서의 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다. 도 1에 있어서, CMOS 이미지 센서(1)는 대체로 화소 회로의 배열[APS(active pixel sensor) 어레이](1), APS 어레이(10)를 구성하는 APS를 제어 ·구동하는 픽셀 제어 회로(20), 열 어드레스를 저장하는 수직 시프트 레지스터(30), APS 어레이(10)의 각 행을 한 줄씩 CDS(상관 이중 샘플링) 회로(50)에 로드하는 행 로드 회로(40) 및 행 어드레스를 저장하는 수평 시프트 레지스터(60)로 구성된다. APS 어레이(10)는 M행 x N열의 APS(화소 회로)(100)의 배열로 이루어진다. 도 1에는 APS(100)의 대표로서 i열(i=1, 2, …M), j행(j=1, 2, …N)의 화소 회로만을 도시하였다. 또한, 픽셀 제어 회로(20)를 구성하는 행마다의 행 제어 회로(200)의 대 표로서 제j행의 행 제어 회로만을 도시하였다.
도 2a는 하나의 APS(100)의 구성과 이 APS(100)를 구동하는 행 제어 회로(200)의 설명에 필요한 부분의 구성만을 도시하는 회로도이다. 도 2a에 있어서, APS(100)는 광을 검출하여 전기로 변환하는 포토다이오드 등의 광전 변환 소자(01) 및 4개의 CMOSFET(CMOS field effect transistor)로 이루어진다. 광전 변환 소자(101)의 애노드는 접지되고, 캐소드는 트랜지스터(102)의 한쪽 채널 전극에 접속되며, 트랜지스터(102)의 다른 쪽 채널 전극은 리셋 트랜지스터(103)의 한쪽 채널 전극과 증폭 트랜지스터(104)의 게이트 전극에 접속된다. 리셋 트랜지스터(103)의 다른 쪽 채널 전극은 후술하는 바와 같이 행 제어 회로(200)에 의해 승압된 고전압(VD)용 도체에 접속된다. 증폭 트랜지스터(104)는 한쪽 채널 전극이 고전압(VD)을 부여하는 도체에 접속되고, 다른 쪽 채널 전극이 트랜지스터(105)의 한쪽 채널 전극에 접속되며, 게이트 전극이 행 제어 회로(200)로부터 공급되는 행 선택 신호(SLCT)에 의해 제어된다. 트랜지스터(105)의 다른 쪽 채널 전극은 행 로드 회로(40)의 판독선(VS)에 접속된다. 트랜지스터(102)의 게이트는 행 제어 회로(200)의 TG(transfer gate) 제어 신호에 의해 제어된다. 리셋 트랜지스터(103)의 게이트 전극은 행 제어 회로(200)로부터의 리셋 제어 신호(RST)에 의해 제어된다. 이와 같이, APS 어레이(10)를 구성하는 각 APS(100)는 매우 전형적인 화소 회로이지만, 이것에 한하지 않고, 승압된 전압(VD)에 의해 구동되는 화소 회로이면 된다. 바꾸어 말하면, 본 발명은 승압된 전압(VD)에 의해 구동되는 화소 회로(100)로 이루어지는 APS 어레이(10)를 갖는 CMOS 센서라면, 적용할 수 있다.
한편, 행 제어 회로(200)는 상세히 후술하는 TG 제어 신호, 행 선택 제어(SLCT) 및 리셋 신호(RST)를 생성하는 기능을 갖는다. 차지 펌프식 승압 회로(250)는 공급되는 펌프 클록 신호에 따른 출력 전압(VD)을 인가하는 승압 회로(201), 이 승압 회로(201)의 출력 레벨이 목표로 하는 승압 전압과 일치하도록, 승압 회로(201)에 공급하기 위한 펌핑 클록을 생성하는 목표 전압 검출기(202), 승압 회로(201)의 출력 전압(VD)을 평활화하는 콘덴서(203), 본 발명에 의해 승압 회로(201)의 펌핑 동작을 제어하기 위한 수평 타이밍 제어(HTC) 신호를 발생하는 HTC 신호 발생 회로(210), 목표 전압 검출기(202)로부터의 펌핑 클록을 HTC 신호 발생 회로(210)로부터의 HTC 신호로 게이트하기 위한 논리곱 회로(220)로 이루어진다. 또, 승압 회로(201)와 목표 전압 검출기(202)로 구성되는 차지 펌프식 승압 회로는 적절한 것이면 어떠한 회로라도 좋다.
도 2b는 도 2a의 승압 회로(250)에 있어서 HTC 신호 발생 회로(210)의 출력이 논리 1인 경우의 출력 전압(VD)의 파형을 도시한 도면이다. 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이 승압 전압(VD)은 목표 전압 검출기(202)로부터의 펌핑 클록에 동기한 톱니 파형이 된다.
도 3a는 도 1의 CMOS 이미지 센서(1)에 있어서의 1수평 주사선(1H) 기간의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a는 화소 어레이(10)와 CDS 회로(50) 사이의 1H마다의 로드와 수평 전송 출력(수평 스캔)을 도시한 도면이다. 화소 어레이(10)의 각 화소행은 행 선택 신호(SLCT)에 의해 선택되면, 수평 블랭킹(도 3a에 있어서 해칭으로 도시한 기간) 중에 행 로드 회로(40)를 통해 CDS 회로(50)에 로드되는 동 시에, CDS 처리가 행해지고, 계속되는 수평 스캔 기간에 순차 수평 방향으로 전송되어 출력된다.
도 3b는 수평 주사 기간(점의 그물 표시로 나타낸 기간)과 수평 블랭킹 기간(해칭으로 도시한 기간)에 행해지는 화소 회로(100)와 행 제어 회로(200)의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다. 도 3b에 있어서는, 가로 방향(시간 방향) 대소의 비는 반드시 현실을 반영하지 않는 점에 주의가 필요하다. 예컨대, 실제로는, 수평 방향 스캔의 기간은 수평 블랭킹 기간보다 훨씬 길지만, 수평 블랭킹 기간의 동작을 설명하는 형편상, 양자가 길이를 거의 동일하게 그렸다.
우선, 도 3b의 중단의 펌프 정지 제어가 없는(종래 기술) 동작을 설명한다. 이것은, 도 2a의 행 제어 회로(200)에 있어서, HTC 신호 발생 회로(210)의 출력을 항상 논리 1로 고정한 경우의 동작에 해당한다. 도 3b에 있어서, 우선, 수평 방향 스캔의 경우, 주지의 적절한 타이밍으로, 제어 신호(RST)를 논리 1로 하고, 추가로 RST 신호가 논리 1의 기간중, 제어 신호(TG)를 논리 1로 한다. 이에 따라, 광전 변환 소자(101)를 소정의 전압까지 충전한다.
수평 블랭킹 기간에서는, 현재의 화소행(j)의 SLCT 신호를 논리 1로 유지함으로써 현재의 화소행(j)을 선택한 상태에서, 우선 RST 신호를 소정의 기간만 논리 1로 함으로써, 트랜지스터(105)의 판독선(VS)에 N 레벨이 나타나고, 소정의 기간만 제어 신호(TG)를 논리 1로 함으로써, 트랜지스터(105)의 판독선(VS)에 N+S 레벨이 나타나기 때문에, 이들 N 레벨과 N+S 레벨을 적절한 타이밍으로, 즉, CDS-SH(샘플 앤드 홀드) 신호의 N 및 N+S라고 적은 타이밍으로 CDS_SH를 논리 1로 함으로써, 표 본화한다. 이와 같이 하여, N 및 N+S의 타이밍으로 표본화된 판독선(VS)의 2개의 신호레벨의 차를 취함으로써, 신호 성분 S를 구할 수 있다(상관 이중 샘플링).
그러나, 만일, 도 3b에 도시한 바와 같이, 타이밍 N의 종료시부터 타이밍 N+S의 종료시까지의 사이에 승압 회로(201)에 펌핑 클록이 들어가면, 출력 전압(VD)에 톱니파가 나타나고, 이것이 잡음으로서 판독선(VS)에 나타나기 때문에(즉, N+S의 레벨이 잡음에 의해 오차를 일으키기 때문에), CDS의 결과는 노광량을 반영하는 값이 되지 않게 된다.
그래서, 본 발명에 의해, 적어도 CDS 처리의 광전 변환 소자(101)의 캐소드의 전위를 획득하는 기간, 즉, 샘플 타이밍 N(N 판독)의 종료시부터 샘플 타이밍(N+S)(「S 판독」이라 칭함)의 종료시까지의 기간은 승압 회로(201)의 펌핑 동작을 금지하는 것으로 한다. 이와 같이 함으로써, 적어도 N 판독의 종료시부터 S 판독의 종료시까지의 기간은 펌핑에 의한 잡음의 영향은 받지 않고서 끝나기 때문에, 펌핑에 의한 잡음의 영향을 경감할 수 있다.
도 4는 바람직한 수평 타이밍 제어(HTC) 신호의 예이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 수평 블랭킹 기간에 걸쳐 HTC 신호를 논리 0으로 하고, 펌핑 동작을 금지하는 편이 CDS 처리에 전혀 영향을 주지 않게 되며, 추가로, HTC 신호 발생 회로(210)의 구성도 간단해지기 때문에, 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 펌핑 동작에 의한 잡음의 영향을 경감할 수 있다.
이상은, 본 발명의 설명을 위해 실시예를 예시한 것에 불과하다. 따라서, 본 발명의 기술 사상 또는 원리에 따라 전술한 실시예에 여러 가지 변경, 수정 또는 추가하는 것이 당업자에게는 용이하다.
예컨대, HTC 신호가 논리 0인 기간은 N 판독의 종료시부터 S 판독의 종료시까지의 기간을 포함하고, 또한 APS(100)의 동작에 지장이 없는 기간이라면, 도 4의 예에 한하지 않고, 자유롭게 결정할 수 있다.
또한, APS(100)의 회로 구성도, 도 2a의 회로에 한하지 않고, 차지 펌프식 승압 회로에서 승압한 전압을 이용하는 화소 회로라면 어떤 것이라도 좋다.
또한, 승압 전압을 상기 RST, SLCT, TG 등의 신호에 사용하는 것도 좋다.
(부기 1) 화소 회로의 배열과,
상기 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과,
상기 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단과,
상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상기 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
(부기 2) 상기 방지 수단은 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작을 금지하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재한 CMOS 이미지 센서.
(부기 3) 상기 차지 펌프식 승압 수단은,
부여되는 클록에 따른 승압 출력을 부여하는 승압 회로와,
상기 승압 출력이 상기 소정의 승압 전압과 일치하도록 상기 클록을 생성하 는 클록 발생 회로를 구비하고, 또한
상기 펌핑 동작을 금지하는 수단은 상기 클록 발생 회로의 출력을 상기 승압 회로에 부여하지 않도록 하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 2에 기재한 CMOS 이미지 센서.
(부기 4) 상기 방지하는 기간에 논리 0이 되는 제어 신호를 생성하는 수단을 더 구비하고, 상기 부여하지 않도록 하는 수단은 상기 클록 발생 회로로부터의 상기 클록과 상기 제어 신호와의 논리곱을 상기 승압 회로에 부여하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 3에 기재한 CMOS 이미지 센서.
(부기 5)
상기 방지하는 기간은 상기 상관 이중 샘플링의 N 판독의 종료시부터 S 판독 종료시의 기간을 적어도 포함하는 기간인 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재한 CMOS 이미지 센서.
(부기 6) 상기 방지하는 기간은 수평 블랭킹 기간인 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재한 CMOS 이미지 센서.
(부기 7) 화소 회로의 배열과, 이 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과, 상기 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단을 구비한 CMOS 이미지 센서에 있어서,
상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상기 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌핑 동작에 의한 잡음을 저감하는 방법.
(부기 8) 상기 방지 단계는 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작을 금지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 7에 기재한 펌핑 동작에 의한 잡음을 저감하는 방법.
본 발명에 따르면, 차지 펌프식 승압 회로를 이용하는 CMOS 이미지 센서에 있어서 차지 펌프 동작에 기인하는 잡음을 저감할 수 있다.
Claims (8)
- 화소 회로의 배열과,상기 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과,상기 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단과,상기 상관 이중 샘플링의 N 판독의 종료 시부터 S 판독의 종료 시의 기간을 적어도 포함하는 기간에, 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상기 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
- 화소 회로의 배열과,상기 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과,상기 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단과,수평 블랭킹 기간에, 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상기 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방지 수단은 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작을 금지하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 차지 펌프식 승압 수단은,부여되는 클록에 따른 승압 출력을 부여하는 승압 회로와,상기 승압 출력이 상기 소정의 승압 전압과 일치하도록 상기 클록을 생성하는 클록 발생 회로를 구비하고,상기 펌핑 동작을 금지하는 수단은 상기 클록 발생 회로의 출력을 상기 승압 회로에 부여하지 않도록 하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
- 제4항에 있어서, 상기 방지하는 기간에 논리 0이 되는 제어 신호를 생성하는 수단을 더 구비하고,상기 부여하지 않도록 하는 수단은 상기 클록 발생 회로로부터의 상기 클록과 상기 제어 신호와의 논리곱을 상기 승압 회로에 부여하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
- 삭제
- 화소 회로의 배열과, 이 배열의 1화소행을 상관 이중 샘플링하는 수단과, 상기 배열을 구성하는 화소 회로에 승압한 소정의 승압 전압을 공급하는 차지 펌프식 승압 수단을 구비한 CMOS 이미지 센서에 있어서,상기 상관 이중 샘플링의 N 판독의 종료 시부터 S 판독의 종료 시의 기간을 적어도 포함하는 기간에, 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작에 의한 잡음이 상기 상관 이중 샘플링에 영향을 미치는 것을 방지하는 방지 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌핑 동작에 의한 잡음을 저감하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 방지 단계는 상기 차지 펌프식 승압 수단의 펌핑 동작을 금지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펌핑 동작에 의한 잡음을 저감하는 방법.
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