KR100730691B1

KR100730691B1 - 단일 ｐｇａ를 이용한 이미지 센서

Info

Publication number: KR100730691B1
Application number: KR1020040115160A
Authority: KR
Inventors: 황재순; 정헌준
Original assignee: 엠텍비젼 주식회사
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2007-06-21
Also published as: KR20060076811A

Abstract

본 발명은 단일 PGA를 이용한 이미지 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이미지 센서는 복수의 칼라 화소에 대한 복수의 이득을 각각 복수개의 부분 이득으로 분할하고, 칼라 화소에 대한 이득별로 한 개씩의 부분 이득을 차례로 추출하여 복수개의 단일 이득으로 인코딩한 후, 칼라 화소에서 수집한 아날로그 데이터와 동기를 맞추어 단일 이득들을 차례로 출력하는 이득 인코더, 이득 인코더로부터 수신한 단일 이득을 칼라 화소별 부분 이득으로 디코딩하는 이득 디코더, 칼라 화소에서 수집한 아날로그 데이터 및 칼라 화소에 상응하는 이득 디코더에서 디코딩된 부분 이득을 바탕으로 증폭 아날로그 데이터를 출력하는 PGA(Programmable Gain Amplifier) 및 증폭 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 ADC(Analog to Digital Converter)를 포함한다.

PGA, ADC, 이미지 센서, 이득, 부분 이득

Description

단일 ＰＧＡ를 이용한 이미지 센서{Image Sensor using a single PGA}

도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면.

도 2는 종래 기술에 따른 다른 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PGA의 내부 구성을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 칼라 화소별 이득이 이득 인코더에서 아날로그 데이터와 동기를 맞추어 인코딩되는 방법을 설명하기 위한 타이밍도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

33 : PGA(Programmable Gain Amplifier)

37 : ADC(Analog to Digital Converter)

35 : 이득 디코더(Gain Decoder)

39 : 이득 인코더(Gain Encoder)

41 : 서브 앰프

본 발명은 단일 PGA를 이용한 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자를 말한다. 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지 센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지 부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다. 그리고 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 종래의 이미지 센서의 로직 회로 부분을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 이미지 센서는 R, G, B의 칼라 화소 어레이에 의한 각 화소 값을 각각의 이득 및 오프셋 보정 값에 따라 증폭시키는 PGA(Programmable Gain Amplifier), PGA에 의하여 증폭된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter, 13) 및 각 ADC(13)로부터 수신한 디지털 데 이터를 통합하여 영상 출력 데이터를 출력하는 멀티플렉서(15)를 포함한다. 도 2는 다른 실시예에 따른 종래의 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에서의 이미지 센서는 R 및 B를 묶어 하나의 PGA로 처리하는 경우로서, 이때의 이미지 센서는 2개의 PGA(11) 및 ADC(13)를 포함한다. 예를 들어 설명하지는 않았지만, 종래의 이미지 센서는 칼라 화소가 R, Gr, Gb, B로 구성될 수 있으며, 이때는 4개의 PGA 및 ADC를 필요로 할 것이다.

상기와 같이 종래의 이미지 센서는 각 칼라 화소에 해당하는 다수의 PGA 및 ADC로 구성되어 있으며, 물론 멀티플렉서의 추가도 필요하다. 따라서 종래의 이미지 센서는 각 PGA별로 이득 값 및 오프셋을 보정해 주어야 하며, 각 PGA의 선형성이 달라 AWB 등의 동작에 문제가 발생한다. 또한 다수의 PGA로 인하여 로직 회로부분의 면적이 증가하고, 전력 소모가 많으며, 각 PGA 및 ADC에 의하여 출력된 데이터를 통합하는 멀티플렉서 회로가 필요하다는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 단일의 PGA를 이용하여 R 화소, G 화소, B 화소를 모두 처리할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 회로를 단순화 하고, 소비 전력, 내부 점유 면적을 감소시킬 수 있는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 불균일한 이득 비율 및 오프셋을 해소시킬 수 있는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.

상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 복수의 칼라 화소에 대하여 각 칼라 화소별 이득을 각각 복수개의 부분 이득으로 분할하고, 상기 각 칼라 화소 별로 분할된 복수개의 부분 이득을 차례로 추출하여 각각 복수개의 단일 이득으로 인코딩한 후, 상기 복수의 칼라 화소의 각 칼라 화소별로 수신되는 아날로그 데이터와 동기하여 상기 인코딩한 각 칼라 화소별 단일 이득들을 순차적으로 출력하는 이득 인코더; 상기 이득 인코더로부터 수신한 각 칼라 화소별 단일 이득들을 상기 칼라 화소별 부분 이득들로 디코딩하는 이득 디코더; 상기 이득 디코더에서 디코딩되어 순차적으로 출력되는 상기 각 칼라 화소별 부분 이득을 바탕으로 복수의 칼라 화소별로 순차적으로 수신되는 아날로그 데이터를 증폭하여 순차적으로 출력하는 PGA(Programmable Gain Amplifier); 및 상기 PGA에 의해 증폭된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 ADC(Analog to Digital Converter)를 포함하는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서를 제공할 수 있다.
여기에서, 상기 PGA는 상기 각 칼라 화소별 부분 이득의 개수만큼의 직렬로 결합된 서브 앰프를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 칼라 화소별 부분 이득들은 각각 상기 서브 앰프의 이득일 수 있다.
또한, 상기 칼라 화소는 R 화소, G 화소, B 화소, Gr 화소, Gb 화소 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 이득 디코더는 상기 PGA에 포함될 수 있다.

삭제

이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 센서는 단일의 PGA(Programmable Gain Amplifier, 33) 및 ADC(Analog to Digital Converter, 37)를 포함하며, 이득 인코더(39) 및 이득 디코더(35)를 더 포함한다. 여기서 상기 PGA(33) 및 상기 이득 디코더(35)는 AGC(Auto Gain Control, 31)를 구성하며, 상기 AGC(31)는 아날로그 신호 처리기에 해당한다.

상기 PGA(33)는 각 칼라 화소에서 수집한 아날로그 데이터(43)를 각 칼라 화소에 상응하는 이득(Gain)으로 증폭시키는 기능을 수행한다. 상기 ADC(37)는 상기 PGA(33)에 의하여 증폭된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 출력하는 기능을 수행한다. 상기 ADC(37)에서 출력된 디지털 데이터는 영상 신호의 출력에 해당한다. 상기 이득 인코더(39)와 이득 디코더(35)는 각각 칼라 화소별 이득(45)을 시간 축 상에서 인코딩 및 디코딩하는 기능을 수행한다.

상기 구성을 가지는 이미지 센서의 동작 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 칼라 화소 별 이득(45)들은 이미지 센서 내부의 R, Gr, Gb, B 이득 레지스터에 저장된다. 상기 칼라 화소 별 이득(45)은 클럭(Clock)에 동기화되어 출력되는 각 칼라 화소에서 수집한 아날로그 데이터(43)와 동기를 맞추어 상기 이득 인코더(39)에서 8bit의 크기를 가지는 단일 이득(41)으로 인코딩된다. 상기 이득 인코더(39)에서 인코딩 과정은 도 5를 참조하여 자세히 설명될 것이다.

한편 각 칼라 화소에서 수집한 아날로그 데이터(43)는 상기 PGA(33)로 입력된다. 상기 아날로그 데이터(43)와 동기를 맞추어 인코딩된 상기 단일 이득(41)은 이득 디코더(35)에서 디코딩된 후 상기 PGA(33)로 입력된다. 상기 PGA(33)는 수신한 상기 아날로그 데이터(43) 및 디코딩된 이득을 바탕으로 상기 아날로그 데이터를 각 칼라 화소에 상응하는 이득에 따라 증폭한 후 이를 ADC(37)로 출력한다. 이후, PGA(33)에서 증폭된 아날로그 데이터는 ADC(37)에서 디지털 데이터로 변환되어 영상 신호로 출력된다.

상기 구성에서 상기 이득 디코더(35)는 상기 PGA(33)의 내부 또는 외부에 위치하도록 설계될 수 있다. 본 발명에서는 설명의 편의상 이미지 센서의 칼라 화소 어레이가 R 화소, Gr 화소, Gb 화소, B 화소로 구성되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 칼라 화소 어레이는 R 화소, G 화소, B 화소로 구성되거나 G 화소, B/R 화소로 구성되거나 또는 Cy 화소, Mg 화소, Ye 화소로 구성되는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PGA의 내부 구성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 PGA(33)는 복수개의 서브 앰프(34)를 포함하며, 각 서브 앰프(34)는 직렬로 결합되어 있다. 본 도면에서는 PGA(33)가 3개의 서브 앰프(34)로 구성되어 있는 것으로 설명되어 있으나, 서브 앰프(34)의 개수가 꼭 3개로 한정되는 것은 아니다. 여기서 PGA(33)는 칼라 화소별 이득이 이득 인코더에서 분할되는 부분 이득의 개수만큼 서브 앰프(34)를 포함하며, 상기 부분 이득들은 각각 상기 서브 앰프(34)의 이득에 해당한다. 이득 인코더에서 인코딩된 각 칼라 화소별 부분 이득들을 포함하는 단일 이득은 이득 디코더(35)에서 각 칼라 화소별 부분 이득으로 디코딩되며, 상기 부분 이득들은 이득 디코더(35)에서 서브 앰프(34)의 이득으로 각각 인가된다. 상기 구성을 가지는 PGA(33)는 수신한 아날로그 데이터를 한번에 증폭하는 것이 아니라 서브 앰프(34)의 수만큼의 단계별로 차례로 증폭한다. 예로 R 화소에 대한 이득이 R1, R2, R3의 부분 이득을 갖는다면, R 화소에서 수집한 아날로그 데이터가 PGA(33)로 입력될 때 이 아날로그 데이터는 각각 R1, R2, R3의 이득을 가지는 서브 앰프(34)들에 의하여 3단계에 걸쳐 증폭된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 칼라 화소별 이득이 이득 인코더에서 아날로그 데이터와 동기를 맞추어 인코딩되는 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 5를 참조하면, ADIN(51)은 칼라 화소에서 수집되어 PGA로 입력되는 아날로그 데이터, GAIN(55)은 칼라 화소별 부분 이득, ADOUT(57)는 PGA에서 출력되는 증폭된 아날로그 데이터를 의미한다.

상기 ADIN(51)은 CLOCK(53) 신호에 맞추어 PGA로 입력되며, 상기 ADIN(51)과 동기를 맞추어 GAIN(55)은 이득 인코더에서 인코딩되고, 이득 디코더에서 디코딩된 후 PGA의 이득 값으로 입력된다. 여기서 R 화소에 대한 이득을 이득 R이라 하고, G 화소에 대한 이득을 이득 G라 하면, 이득 R 및 이득 G는 예컨대 각각 R1, R2, R3 및 G1, G2, G3의 부분 이득으로 이득 인코더에서 분할될 수 있다. 이때 이득 R 및 이득 G는 각각 R1, R2, R3 및 G1, G2, G3의 부분 이득들의 곱에 해당하는 값을 가진다. 이득 인코더에서 분할된 분할 이득들은 이득 인코더에서 단일 이득으로 인코딩되어 ADIN(51)과 동기를 맞추어 이득 디코더 및 PGA로 출력된다. 즉 ADIN(51)의 최초 값인 R 화소의 아날로그 데이터가 PGA로 입력될 때, 이득 R의 부분 이득인 R1, R2, R3이 이득 인코더에서 단일 이득(R)으로 인코딩된 후 ADIN(51)과 동기를 맞추어 이득 디코더로 입력되고 이득 디코더는 이를 디코딩하여 PGA로 출력한다. 여기서 상기 단일 이득은 복수의 칼라 화소에 대한 부분 이득을 포함한다. 본 도의 예에서는 이득 R의 부분 이득인 R1은 이득 G의 부분 이득인 G3과 함께 단일 이득으로 인코딩되며, CLOCK(53) 신호에 맞추어 다음 타이밍에서는 R2가 인코딩되고, 그 다음 타이밍에서는 G1, R3가 함께 단일 이득으로 인코딩되며, 그 다음 타이밍에서는 G2가 인코딩되고, 그 다음 타이밍에서는 다시 R1, G3가 단일 이득으로 인코딩되는 과정을 반복함을 알 수 있다. 이러한 과정에 의하여 이득 디코더는 인코딩된 단일 이득을 디코딩하여 CLOCK(53) 신호에 맞추어서 PGA로 출력하게 된다. 본 도의 예에서는 칼라 화소 R 및 칼라 화소 G만을 예로 설명하였으나, 칼라 화소 B를 더 포함할 수 있으며, 4개의 칼라 화소를 가지는 경우에도 적용이 가능하다. 또한 본 도의 예에서 부분 이득은 3개인 경우로 설명하였으나, 부분 이득의 개수는 꼭 이 수에 한정되는 것은 아니며 복수의 수를 갖도록 설계될 수 있다.

상기 단일 이득은 이득 디코더에서 칼라 화소별 부분 이득으로 디코딩되어 PGA에 입력되며, 모든 부분 이득이 PGA로 입력되면 증폭된 아날로그 데이터인 ADOUT(57)이 PGA의 아웃단으로 출력된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 이미지 센서에서 단일의 PGA를 이용함으로써 회로를 단순화 하고, 소비 전력 및 내부 점유 면적을 감소시키며, 불균일한 이득 비율 및 오프셋을 해소시키는 효과가 있다.

Claims

복수의 칼라 화소에 대하여 각 칼라 화소별 이득을 각각 복수개의 부분 이득으로 분할하고, 상기 각 칼라 화소 별로 분할된 복수개의 부분 이득을 차례로 추출하여 각각 복수개의 단일 이득으로 인코딩한 후, 상기 복수의 칼라 화소의 각 칼라 화소별로 수신되는 아날로그 데이터와 동기하여 상기 인코딩한 각 칼라 화소별 단일 이득들을 순차적으로 출력하는 이득 인코더;

상기 이득 인코더로부터 수신한 각 칼라 화소별 단일 이득들을 상기 칼라 화소별 부분 이득들로 디코딩하는 이득 디코더;

상기 이득 디코더에서 디코딩되어 순차적으로 출력되는 상기 각 칼라 화소별 부분 이득을 바탕으로 복수의 칼라 화소별로 순차적으로 수신되는 아날로그 데이터를 증폭하여 순차적으로 출력하는 PGA(Programmable Gain Amplifier); 및

상기 PGA에 의해 증폭된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 ADC(Analog to Digital Converter)

를 포함하는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서.
삭제
제1항에 있어서,

상기 PGA는 상기 각 칼라 화소별 부분 이득의 개수만큼의 직렬로 결합된 서브 앰프를 포함하는 것

을 특징으로 하는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서.
제3항에 있어서,

상기 각 칼라 화소별 부분 이득들은 각각 상기 서브 앰프의 이득인 것

을 특징으로 하는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서.
제1항에 있어서,

상기 칼라 화소는 R 화소, G 화소, B 화소, Gr 화소, Gb 화소 중 어느 하나인 것

을 특징으로 하는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서.
제1항에 있어서,

상기 이득 디코더는 상기 PGA에 포함되는 것

을 특징으로 하는 단일 PGA를 이용한 이미지 센서.