KR100656667B1 - 이미지 센서의 감도 개선 및 화질 개선을 위한 단위 화소구동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토 다이오드에 일정량의 전하를 유지할 수 있도록 단위 화소를 구동하여 출력이 나오지 않는 죽은 영역을 제거함으로써 감도를 향상시키는 동시에 화질을 개선하고 잡음을 줄일 수 있는 단위 화소 구동 제어 장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토 다이오드와, 제1 제어신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 생성된 광전하를 센싱 노드로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터와, 다음 신호 검출을 위해 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터와, 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터와, 제3 제어신호에 응답하여 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터를 구비한 단위 화소의 구동을 제어하기 위한 단위 화소 구동 제어 장치에 있어서, 외부 패드로부터 입력되는 셀렉트 신호 및 스캔 신호를 입력받아 부정논리곱하는 제1 부정논리곱 수단; 상기 제1 부정논리합 수단으로부터의 출력을 반전하여 상기 제3 제어신호로 출력하는 제1 반전 수단; 외부 패드로부터 입력되는 리셋 신호 및 상기 스캔 신호를 입력받아 부정논리곱하는 제2 부정논리곱 수단; 상기 제2 부정논리곱 수단으로부터의 출력을 지연한 후 상기 제2 제어신호로 출력하는 지연 수단; 상기 스캔 신호 및 반전된 스캔 신호에 응답하여 외부 패드로부터 입력되는 트랜스퍼 신호를 전달하는 전달 수단; 상기 전달 수단으로부터 출력되는 신호를 래치하는 래치 수단; 상기 래치 수단으로부터 출력되는 신호를 반전하여 상기 제1 제어신호로 출력하는 제2 반전 수단; 집적 신호를 게이트로 입력받으 며 상기 전달 수단의 출력단 및 접지전원단 사이에 연결되는 제1 트랜지스터; 프리트랜스퍼신호를 게이트로 입력받으며 상기 전달 수단의 출력단 및 전원전압단 사이에 연결되는 제2 트랜지스터를 포함한다.

이미지 센서, 단위 화소, 단위 화소 구동 제어 장치, 죽은 영역, 포토 다이오드

Description

이미지 센서의 감도 개선 및 화질 개선을 위한 단위 화소 구동 제어 장치{UNIT PIXEL DRIVING CONTROLLER FOR IMPROVING IMAGE QUALITY AND SENSITIVITY}

도 1은 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 회로도.

도 2는 종래의 단위 화소 구동 제어 장치에 대한 회로도.

도 3은 단위 화소를 구동하는 제1 내지 제3 제어신호(Transfer, Reset, Select)를 발생하기 위한 신호들(셀렉트 신호, 리셋 신호, 트랜스퍼 신호)에 대한 종래의 타이밍도.

도 4는 어레이된 다수의 단위 화소로부터 데이터를 읽기 위한 신호들에 대한 종래의 타이밍도.

도 5a는 트랜스퍼 시간 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프.

도 5b는 집적 시간 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소 구동 제어 장치의 회로도.

도 7은 단위 화소를 구동하는 제1 내지 제3 제어신호(Transfer, Reset, Select)를 발생하기 위한 신호들(셀렉트 신호, 리셋 신호, 트랜스퍼 신호)에 대한 본 발명의 타이밍도.

도 8은 어레이된 다수의 단위 화소로부터 데이터를 읽기 위한 신호들에 대한 본 발명의 타이밍도.

본 발명은 씨모스(Complementary Metal Oxide semiconductor, 이하 CMOS라 함)로 구현된 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지 센서를 구성하는 화소 어레이(pixel array)의 단위 화소의 구동을 제어하는 구동 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말하는 것이다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서 감지하는 장치의 각 화소(pixel)에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.

일반적으로, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device, 이하 CCD라 함)로 구현된 종래의 이미지 센서는 비교적 높은 전원(약 12V)이 필요하며, 또한 일반 공정과 달라 많은 공정 스텝(step) 수를 필요로 한다. 그리고, CCD로 구현된 센서는 아날로그 신호를 출력함으로 디지털 신호로 변환하는 별도의 로직을 필요로 하는데, 센서 공정과 별도의 로직 공정이 서로 달라 하나의 칩으로 구현하기 어려운 문제가 있다.

이에 반해, CMOS 이미지 센서는 광전하(photon)에 의해 발생된 전하를 집적하는 집적 시간을 제어하는 신호, 집적된 전하량을 전압 변화로 나타내 읽어내는 신호 및 화소의 초기화를 담당하는 신호를 외부 패드로부터 입력받아 상기 신호들에 응답하여 전기적인 셔터(shutter)의 기능을 수행하게 된다.

이때, 이미지 센서를 통해 화소 어레이의 행(line) 단위로 이루어지는 이미지 찍기(capturing)를 위하여 화소 상기 세 가지 신호와 행 별로 집적의 시작을 알리는 집적 어드레스 및 스캔 어드레스로부터 각 행의 단위 화소를 직접 제어하는 적절한 타이밍을 가진 제어 신호(집적 신호, 스캔 신호 및 리셋 신호)가 필요한데, 이러한 구동 제어 신호를 발생하는 장치가 단위 화소 구동 제어 장치이다.

한편, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 도 1에 도시된 바와 같이 구성된다. 보다 구체적으로, 단위 화소는 저전압 포토 다이오드(100)와, 제1 제어신호(transfer)에 응답하여 포토 다이오드(100)에 생성된 광전하를 센싱 노드(A)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(NM1)와, 다음 신호 검출을 위해 제2 제어신호(Reset)에 응답하여 센싱 노드(A)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터(NM2)와, 소스 폴로우(source follower) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(NM3) 및 제3 제어신호(Select)에 응답하여 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(NM4)로 이루어지며, 설명되지 않은 나머지 트랜지스터(NM5)는 바이어스 전압(Vgg)에 의해 구동되는 로드 트랜지스터이다.

그리고, 상기 도 1과 같이 구성되는 단위 화소의 구동을 제어하기 위하여 제1 내지 제3 제어 신호를 발생하는 종래의 단위 화소 구동 제어 장치는 도 2와 같이 구성된다.

도 2는 종래의 단위 화소 구동 제어 장치의 회로도로서, 외부 패드로부터 입력되는 셀렉트 신호(Sx) 및 스캔 신호(Scan)를 입력받아 부정논리곱하는 NAND 게이트(200)와, NAND 게이트(200)로부터의 출력을 반전하여 제3 제어신호(Select)로 출력하는 인버터(201)와, 외부 패드로부터 입력되는 리셋 신호(Rx) 및 스캔 신호(Scan)를 입력받아 부정논리곱하는 NAND 게이트(202)와, NAND 게이트(202)로부터의 출력을 지연한 후 제2 제어신호(Reset)로 출력하는 2개 인버터(203, 204)와, 스캔 신호(Scan) 및 반전된 스캔 신호(/Scan)에 응답하여 외부 패드로부터 입력되는 트랜스퍼 신호(Tx)를 전달하는 트랜스미션 게이트(205)와, 트랜스미션 게이트(205)로부터 출력되는 신호를 래치하는 래치(206)와, 래치(206)로부터 출력되는 신호를 반전하여 제1 제어신호(Transfer)로 출력하는 인버터(207)와, 집적 신호(INTEGRATE)를 게이트로 입력받으며 트랜스미션 게이트(205)의 출력단 및 접지전원단 사이에 연결되는 트랜지스터(NM6)로 이루어진다.

여기서, 스캔 신호(Scan₀ 내지 Scan_n-1)는 윈도우 모드 시 임의 구간만을 윈도윙(windowing)하여 읽어내기 위한 어드레스 값이고, 제어 신호인 셀렉트 신호(Sx)는 셀렉트 트랜지스터(NM4)를 제어하는 제3 제어신호(Select)를 발생하기 위한 신호로서, 메모리의 비트 라인 선택과 동일한 기능을 가진다. 그리고, 리셋 신호(Rx)는 리셋 트랜지스터(NM2)를 제어하는 제2 제어신호(Reset)를 발생하기 위한 신호로서, 포토 다이오드(100)를 전원전압 레벨(Vdd)로 리셋시키거나 출력단에 서 기준 전압으로 사용하게 될 Vdd에 의한 출력값 발생을 위하여 사용되며, 나머지 트랜스퍼 신호(Tx)는 트랜스퍼 트랜지스터(NM1)를 제어하는 제1 제어신호(Transfer)를 발생하기 위한 신호로서, 포토 다이오드(100)를 Vdd 레벨로 리셋시킬 때 리셋 신호(Rx)와 함께 동작하며, 포토 다이오드(100)에 축적된 어느 일정 시간 동안의 이미지 데이터를 출력단(OUTPUT)으로 읽어내기 위하여 사용되는 신호이다.

도 3은 단위 화소를 구동하는 제1 내지 제3 제어신호(Transfer, Reset, Select)를 발생하기 위한 신호들(셀렉트 신호, 리셋 신호, 트랜스퍼 신호)에 대한 종래의 타이밍도이고, 도 4는 어레이된 다수의 단위 화소로부터 데이터를 읽기 위한 신호들에 대한 종래의 타이밍도로서, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 종래의 단위 화소 구동 제어 장치를 통한 단위 화소의 구동에 대해 설명한다.

먼저, 도 2의 단위 화소 구동 제어 장치로부터 '하이(high)' 레벨의 제3 제어신호(Select)가 출력되면 단위 화소의 소스 폴로우단이 동작 상태로 들어가고, 이후, 포토 다이오드(100)에서 소정의 집적 시간 동안에 축적된 광전하를 검출하기 위하여 '로우(low)' 레벨의 제2 제어신호(Reset)가 구동 제어 장치로부터 출력되어 부동 확산 영역이 Vdd로 리셋된다. 부동 확산 영역이 Vdd로 리셋된 후, 제2 제어신호(Reset)는 계속 '로우' 상태로 유지되고 이에 따라 리셋 트랜지스터(NM2)의 게이트단 아래에 있었던 전자 일부가 부동 확산 영역으로 흘러 들어감으로써 부동 확산 영역의 전위가 상기 전자에 해당하는 만큼 감소되고, 이 신호가 상호 연관된 이중 샘플링 방식(correlated double sampling method)에서의 기준 전압이 된다.

이후, 광전하를 검출하기 위해서 단위 화소 구동 제어 장치로부터 '하이'레벨의 제1 제어신호(Transfer)가 출력되어 포토 다이오드(100)에서 집적 시간 동안 축적된 광전하가 부동 확산 영역으로 유입되고, 이 유입된 광전하에 해당되는 만큼의 전위 감소가 이루어진다. 이때의 신호가 상호 연관된 이중 샘플링 방식에서의 데이터 전압이 된다.

마지막으로, 신호 검출이 이루어진 후 단위 화소 구동 제어 장치로부터 '로우' 레벨의 제3 제어신호(Select)가 출력되어 단위 화소로부터의 데이터 읽기 동작을 종료하게 된다.

그런데, 상기한 바와 같은 신호 검출이 이루어진 후에도, 도 3에 도시된 바와 같이 외부로부터 인가되는 리셋 신호(Rx)가 '하이' 레벨을 유지하고, 트랜스퍼 신호(Tx) 역시 일정 구간 동안 '하이' 레벨을 유지하면서 입력된다. 이로 인해, 제1 제어신호(Transfer)는 집적 신호(Integrate)가 '하이'레벨로 인에이블되기 전에 트랜스퍼 신호(Tx)가 '하이'레벨인 구간(도 3의 '가'구간)에서 인에이블(도 4의 Enable 신호가 제1 제어신호의 인에이블 상태를 나타냄)됨으로써 데이터 전압 추출 시 트랜스퍼 트랜지스터(NM1)를 통해 완전히 부동 확산 영역으로 전송되지 못하고 남아 있던 포토 다이오드(100)의 광전하가 부동 확산 영역을 통해 리셋 트랜지스터(NM2)를 거쳐 Vdd로 빠져나가게 된다. 따라서, 집적 신호(Integrate) 신호가 '하이' 레벨이 되고 포토다이오드(100)에 광전하의 축적이 이루어지게 되면, 리셋 시간 동안에 빠져나간 신호양만큼 포토 다이오드(100)에 전하가 축적되기 전까지는 출력이 나오지 않게 되어 죽은 영역(Dead Zone)이 존재하게 된다. 이러한 출력이 나오지 않는 죽은 영역이 존재함에 따라 이미지 센서의 전체 감도가 떨어지게 되고, 동작 영역 감소와 각 단위 화소마다 리셋시 빠져나가는 전하양의 차이로 인해 심한 잡음이 발생하게 되는 문제가 있다.

참고로, 트랜스퍼 구간에서 포토 다이오드의 광전하가 트랜스퍼 트랜지스터를 통해 완전히 전송되지 못하고 있음을 나타내는 트랜스퍼 시간 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프를 도 5a에 도시하였고, 도 5b에는 트랜스퍼 구간에서 완전히 전송되지 못하고 있던 광전하가 리셋 구간에서 Vdd로 빠져나감으로 인해 소정의 집적 시간 동안까지 출력이 나오지 않고 있음을 보여주는 집적 시간 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프를 도시하였다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 포토 다이오드에 일정량의 전하를 유지할 수 있도록 단위 화소를 구동하여 출력이 나오지 않는 죽은 영역을 제거함으로써 감도를 향상시키는 동시에 화질을 개선하고 잡음을 줄일 수 있는 단위 화소 구동 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토 다이오드와, 제1 제어신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 생성된 광전하를 센싱 노드로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터와, 다음 신호 검출을 위해 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱 노드 에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터와, 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터와, 제3 제어신호에 응답하여 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터를 구비한 단위 화소의 구동을 제어하기 위한 단위 화소 구동 제어 장치에 있어서, 외부 패드로부터 입력되는 셀렉트 신호 및 스캔 신호를 입력받아 부정논리곱하는 제1 부정논리곱 수단; 상기 제1 부정논리합 수단으로부터의 출력을 반전하여 상기 제3 제어신호로 출력하는 제1 반전 수단; 외부 패드로부터 입력되는 리셋 신호 및 상기 스캔 신호를 입력받아 부정논리곱하는 제2 부정논리곱 수단; 상기 제2 부정논리곱 수단으로부터의 출력을 지연한 후 상기 제2 제어신호로 출력하는 지연 수단; 상기 스캔 신호 및 반전된 스캔 신호에 응답하여 외부 패드로부터 입력되는 트랜스퍼 신호를 전달하는 전달 수단; 상기 전달 수단으로부터 출력되는 신호를 래치하는 래치 수단; 상기 래치 수단으로부터 출력되는 신호를 반전하여 상기 제1 제어신호로 출력하는 제2 반전 수단; 집적 신호를 게이트로 입력받으며 상기 전달 수단의 출력단 및 접지전원단 사이에 연결되는 제1 트랜지스터; 및 프리트랜스퍼신호를 게이트로 입력받으며 상기 전달 수단의 출력단 및 전원전압단 사이에 연결되는 제2 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.

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

먼저, 본 발명을 간략히 요약하면 아래와 같다.

본 발명은 리셋 구간에서 트랜스퍼 트랜지스터를 소정 시간 턴-온하는 종래 와 달리 집적 구간 바로 직전에서 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온하도록 단위 화소를 구동함으로써 포토 다이오드에 소정의 전하를 축적하되 리셋 구간에서도 지속적으로 일정량만큼의 전하를 유지하여 포토 다이오드가 빛에 반응한 후 죽은 영역없이 데이터 전압을 출력할 수 있도록 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소 구동 제어 장치의 회로도로서, 상기 도 2에 도시된 종래의 단위 화소 구동 제어 장치와 동일하되, 추가로 프리트랜스퍼신호(Tx-pre)를 게이트로 입력받으며 트랜스미션 게이트(205)의 출력단 및 전원전압단(Vdd) 사이에 연결되는 트랜지스터(NM7)를 더 포함한다. 참고로, 도 6과 도 2의 동일한 도면 부호는 동일한 회로 소자를 나타낸다.

도 7은 단위 화소를 구동하는 제1 내지 제3 제어신호(Transfer, Reset, Select)를 발생하기 위한 신호들(셀렉트 신호, 리셋 신호, 트랜스퍼 신호)에 대한 본 발명의 타이밍도이고, 도 8은 어레이된 다수의 단위 화소로부터 데이터를 읽기 위한 신호들에 대한 본 발명의 타이밍도로서, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 단위 화소 구동 제어 장치를 통한 단위 화소의 구동에 대해 설명한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 제1 제어신호(transfer)를 변경하기 위해 트랜스퍼 신호(Tx)의 변경과 더불어 프리트랜스퍼신호(Tx-pre)에 제어되는 트랜지스터(NM7)를 추가하여 죽은 영역을 제거하는 데, 이를 위해 포토 다이오드(100)의 데이터 신호 추출시 트랜스퍼 트랜지스터(NM1)를 통해 완전히 부동 확산 영역으로 전송되지 못한 광전하가 리셋 시간 동안에 빠져 나가는 것을 최소화하기 위해 트랜스퍼 신호(Tx)를 변경하여 제1 제어신호(transfer)를 신호검출 이후에 오프시킨다. 이때, 오프된 제1 제어신호(transfer)가 집적 신호(integrate)가 온되기 바로 직전에 프리트랜스퍼신호(Tx-pre)를 동작시켜 그동안 축적되었던 신호를 리셋시킨다. 다시말해, 프리트랜스퍼신호(Tx-pre)가 온되는 시점에서 집적 신호(integrate)가 온되는 타이밍은 포토다이오드에서 광전하를 전송하기 위해 제1 제어신호(transfer)가 온되는 타이밍과 비슷할수록 죽은 영역을 방지할 수 있다. 또한, 프리트랜스퍼신호(Tx-pre)가 온되는 시점에서 집적 신호(integrate)가 온되는 시점의 타이밍을 조정하므로 인해 일정량의 팻(fat) 신호를 가져갈 수 있다. 팻 신호의 경우 저조도 상태에서 화질 개선 응용에 사용할 수 있는 이점도 있다.

따라서, 포토다이오드에서는 트랜스퍼 시 완전히 전송되지 못하고 잔류하는 신호를 일정하게 가져감으로 인해 죽은 영역에 해당되는 전하 축적을 위한 과정이 없어지고, 이로 인해 저조도에서도 이에 해당되는 출력이 나오게 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, 집적 구간 바로 직전에서 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온하도록 단위 화소를 구동함으로써 포토 다이오드에 소정의 전하를 축적하되 리셋 구간에서도 지속적으로 일정량만큼의 전하를 유지하여 포토 다이오 드가 빛에 반응한 후 죽은 영역없이 데이터 전압을 출력할 수 있어 화소의 감도를 향상시키는 동시에 화질을 개선하고 잡음을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 포토 다이오드와, 제1 제어신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 생성된 광전하를 센싱 노드로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터와, 다음 신호 검출을 위해 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터와, 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터와, 제3 제어신호에 응답하여 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터를 구비한 단위 화소의 구동을 제어하기 위한 단위 화소 구동 제어 장치에 있어서,

   외부 패드로부터 입력되는 셀렉트 신호 및 스캔 신호를 입력받아 부정논리곱하는 제1 부정논리곱 수단;

   상기 제1 부정논리합 수단으로부터의 출력을 반전하여 상기 제3 제어신호로 출력하는 제1 반전 수단;

   외부 패드로부터 입력되는 리셋 신호 및 상기 스캔 신호를 입력받아 부정논리곱하는 제2 부정논리곱 수단;

   상기 제2 부정논리곱 수단으로부터의 출력을 지연한 후 상기 제2 제어신호로 출력하는 지연 수단;

   상기 스캔 신호 및 반전된 스캔 신호에 응답하여 외부 패드로부터 입력되는 트랜스퍼 신호를 전달하는 전달 수단;

   상기 전달 수단으로부터 출력되는 신호를 래치하는 래치 수단;

   상기 래치 수단으로부터 출력되는 신호를 반전하여 상기 제1 제어신호로 출력하는 제2 반전 수단;

   집적 신호를 게이트로 입력받으며 상기 전달 수단의 출력단 및 접지전원단 사이에 연결되는 제1 트랜지스터; 및

   프리트랜스퍼신호를 게이트로 입력받으며 상기 전달 수단의 출력단 및 전원전압단 사이에 연결되는 제2 트랜지스터를 포함하되,

   상기 프리트랜스퍼신호는,

   상기 집적 신호가 하이로 온되기 소정 시간 전에 온되어 상기 집적 신호가 온되기 전까지 상기 포토 다이오드를 리셋시키는 것을 특징으로 하는 단위 화소 구동 제어 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 트랜스퍼신호는,

   상기 집적 신호가 온된 후 로우로 천이되어 상기 포토 다이오드에 광전하를 축적하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단위 화소 구동 제어 장치.

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