KR100800307B1 - Image sensor, and method for controlling pixel circuit and sample and holder - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서용 화소 회로 및 샘플 및 홀더의 제어방법, 및 이미지 센서에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로 및 샘플 및 홀더의 제어방법, 및 CMOS형 이미지 센서에 관한 발명이다. The present invention relates to a pixel circuit for an image sensor, a method for controlling a sample and a holder, and an image sensor. More specifically, the present invention relates to a pixel circuit for a CMOS image sensor, a method for controlling a sample and a holder, and a CMOS image sensor. to be.
본 발명은 CMOS 이미지 센서용 화소 회로의 제어방법에 있어서, (a) 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결된 제1 트랜지스터와 상기 플로팅 확산 영역과 오버플로우 캐패시터 사이에 연결된 제2 트랜지스터를 오프 상태로 유지하며 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 단계; (b) 상기 제1 트랜지스터를 오프 상태로 유지하고 상기 플로팅 확산 영역을 리셋이 해제된 상태로 유지하며 상기 제2 트랜지스터를 온하여, 상기 포토다이오드로부터 플로팅 확산 영역으로 오버플로우되는 오버플로우 전하를 상기 오버플로우 캐패시터에 저장하는 단계; (c) 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계를 적어도 1회 이상 반복하는 단계; 및 (d) 상기 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 저조도 전압 및 상기 오버플로우 캐패시터에 저장된 오버플로우 전하에 대응하는 고조도 전압이 출력되는 단계를 포함하는 제어방법을 제공한다. The present invention provides a method of controlling a pixel circuit for a CMOS image sensor, the method comprising: (a) maintaining a first transistor connected between a photodiode and a floating diffusion region and a second transistor connected between the floating diffusion region and an overflow capacitor in an off state; Resetting the floating diffusion region; (b) maintaining the first transistor in an off state, maintaining the floating diffusion region in a reset-released state, and turning on the second transistor to receive overflow charges that overflow from the photodiode to the floating diffusion region; Storing in an overflow capacitor; (c) repeating steps (a) and (b) at least once; And (d) outputting a low illuminance voltage corresponding to the charge accumulated in the photodiode and a high illuminance voltage corresponding to the overflow charge stored in the overflow capacitor.
Description
도 1은 종래기술에 의한 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a pixel circuit of a conventional CMOS image sensor.
도 2는 도 1의 화소 회로(10)의 동작을 설명하기 위한 신호도이다. FIG. 2 is a signal diagram for describing an operation of the
도 3은 도 1의 화소 회로를 포함하는 종래기술에 의한 이미지 센서를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a conventional image sensor including the pixel circuit of FIG. 1.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제어방법을 설명하기 위한 신호도이다. 4 is a signal diagram illustrating a control method according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 샘플 및 홀더의 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 5 is a flowchart illustrating a method of controlling a sample and a holder according to an embodiment of the present invention.
도 6은 도 5의 제어 방법이 수행되는 샘플 및 홀더(41)를 개략적으로 나타내는 도면이다. FIG. 6 schematically shows a sample and a
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 샘플 및 홀더의 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 7 is a flowchart illustrating a method of controlling a sample and a holder according to another embodiment of the present invention.
도 8은 도 7의 제어 방법이 수행되는 샘플 및 홀더(42)를 개략적으로 나타내는 도면이다. FIG. 8 schematically shows a sample and a
도 9는 도 7 및 8을 이용하여 설명한 샘플 및 홀더의 제어방법을 채용한 이미지 센서를 나타내는 도면이다. FIG. 9 is a diagram illustrating an image sensor employing a method of controlling a sample and a holder described with reference to FIGS. 7 and 8.
도 10은 도 9의 ADC(80)를 상세히 설명하기 위한 도면이다. FIG. 10 is a diagram for describing the
도 11은 도 9 및 10에 표현된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 도로서, 특히 오버플로우가 발생하지 아니한 경우의 타이밍 도이다. FIG. 11 is a timing diagram for describing an operation of the image sensor illustrated in FIGS. 9 and 10, and in particular, when an overflow does not occur.
도 12는 도 9 및 10에 표현된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 도로서, 특히 오버플로우가 발생한 경우의 타이밍 도이다. FIG. 12 is a timing diagram for describing an operation of the image sensor illustrated in FIGS. 9 and 10, and particularly, when an overflow occurs.
*도면의 주요 부분에 부호의 설명** Explanation of symbols in the main part of the drawing *
PD : 포토 다이오드 M1~M5 :제1 내지 제5 트랜지스터PD: photodiodes M1 to M5: first to fifth transistors
FD : 플로팅 확산 영역 CS : 오버플로우 캐패시터FD: Floating Diffusion Area CS: Overflow Capacitor
10 : 픽셀 회로 20 : 화소 어레이10
30 : 로우 구동부 40, 41, 42, 50 : 샘플 및 홀더30:
60, 61, 70 : 컬럼 구동부 80 : ADC60, 61, 70: column driver 80: ADC
81 : CDS 회로 82 : CDS 제어 회로81: CDS circuit 82: CDS control circuit
83 : 비교기 84 : 제1 래치83: comparator 84: first latch
85 : 카운터 86 : 제2 래치85: counter 86: second latch
본 발명은 이미지 센서용 화소 회로 및 샘플 및 홀더의 제어방법, 및 이미지 센서에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로 및 샘플 및 홀더의 제어방법, 및 CMOS형 이미지 센서에 관한 발명이다. The present invention relates to a pixel circuit for an image sensor, a method for controlling a sample and a holder, and an image sensor. More specifically, the present invention relates to a pixel circuit for a CMOS image sensor, a method for controlling a sample and a holder, and a CMOS image sensor. to be.
근래에 들어서, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰 등이 널리 보급됨에 따라, 이미지 센서가 급속히 발전하고 있다. 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 크게 CCD(charge coupled device, 전하 결합 소자)형 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체)형 이미지 센서로 나눌 수 있다. 이들 중 CCD형 이미지 센서는 CMOS 회로와의 단일 칩화가 용이하지 아니하고, 소비 전력이 높다는 문제점이 있다. 이에 반하여, CMOS형 이미지 센서는 CMOS 회로와 단일 칩화가 용이하며, 소비 전력이 낮고, 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제조할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 최근에는 CMOS 이미지 센서에 대한 개발이 집중되고 있다. In recent years, with the widespread use of digital cameras, digital camcorders, and mobile phones including their functions, image sensors are rapidly developing. An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor may be classified into a charge coupled device (CCD) image sensor and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor. . Among them, the CCD image sensor is not easy to be single-chip with the CMOS circuit, there is a problem that the power consumption is high. In contrast, a CMOS image sensor has advantages in that it can be easily chipped with a CMOS circuit, has low power consumption, and can be manufactured using a general CMOS process. Therefore, in recent years, the development of the CMOS image sensor has been concentrated.
이러한 CMOS형 이미지 센서의 종래기술로는 "shigetoshi sugawa et al., A 100dB Dynamic Range CMOS Image Sensor Using a Lateral Overflow Integration Capacitor, 2005 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp. 352-353"에 공개된 기술이 있다. 상기 문헌에 공개된 종래 기술을 도 1 내지 3을 참조하여 간략히 설명하도록 하겠다. The prior art of such a CMOS image sensor is "shigetoshi sugawa et al., A 100dB Dynamic Range CMOS Image Sensor Using a Lateral Overflow Integration Capacitor, 2005 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp. 352-353 "There is a technique disclosed in. The prior art disclosed in the above document will be briefly described with reference to FIGS.
도 1은 종래기술에 의한 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 화소 회로(10)는 포토다이오드(PD), 제1 내지 5 트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5) 및 오버플로우 캐패시터(CS)를 포함한다. 제1 내지 5 트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5)는 CMOS 트랜지스터이다. 1 is a diagram illustrating a pixel circuit of a conventional CMOS image sensor. Referring to FIG. 1, the
포토다이오드(PD)는 입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 기능을 수행한다. The photodiode PD performs a function of generating a charge corresponding to the input light.
제1 트랜지스터(M1)는 포토다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 제1 제어신호(CS1)에 따라 동작한다. 플로팅 확산 영역(FD)은 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하를 저장하는 기능을 수행한다. 원칙적으로, 제1 제어신호(CS1)에 의하여 제1 트랜지스터(M1)가 오프(off) 상태가 되면 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)로 전달되지 아니하고 포토다이오드(PD) 내에 축적된다. 또한, 제1 제어신호(CS1)에 의하여 제1 트랜지스터(M1)가 온(on) 상태가 되면 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다. 그러나, 포토다이오드(PD)에 태양광과 같은 고조도의 광이 입력되는 경우 포토다이오드(PD)에 다량의 전하가 발생한다. 이렇게 발생된 전하는 제1 트랜지스터(M1)가 오프 상태인 기간에도 제1 트랜지스터(M1)의 게이트 전위 장벽을 넘어 플로팅 확산 영역(FD)로 오버플로우(overflow)된다. 이렇게 오버플로우에 의하여 플로팅 확산 영역(FD)로 넘어간 전하를 본 명세서에서는 간략히 '오버플로우 전하' 라 한다. 또한, 포토다이오드(PD)에 생성된 전하 중, 오버플로우 되지 아니하고 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 본 명세서에서는 간략히 '포토다이오드에 축적된 전하'라 한다. The first transistor M1 is connected between the photodiode PD and the floating diffusion region FD and operates according to the first control signal CS1. The floating diffusion region FD stores a charge generated in the photodiode PD. In principle, when the first transistor M1 is turned off by the first control signal CS1, the charge generated in the photodiode PD is not transferred to the floating diffusion region FD and the photodiode PD is applied. Accumulate within. In addition, when the first transistor M1 is turned on by the first control signal CS1, the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion region FD. However, when high intensity light such as sunlight is input to the photodiode PD, a large amount of charge is generated in the photodiode PD. The electric charge generated in this way overflows the gate potential barrier of the first transistor M1 to the floating diffusion region FD even when the first transistor M1 is in an off state. The charges transferred to the floating diffusion region FD due to the overflow are referred to as 'overflow charge' in this specification. In addition, among the charges generated in the photodiode PD, the charge accumulated in the photodiode PD without overflowing is simply referred to as “charge accumulated in the photodiode”.
오버플로우 캐패시터(CS)는 오버플로우 전하를 저장하는 기능을 수행한다. The overflow capacitor CS performs a function of storing the overflow charge.
제2 트랜지스터(M2)는 플로팅 확산 영역(FD)과 오버플로우 캐패시터(CS) 사이에 연결되어 있으며, 제2 제어신호(CS2)에 따라 동작한다. The second transistor M2 is connected between the floating diffusion region FD and the overflow capacitor CS and operates according to the second control signal CS2.
제3 트랜지스터(M3)는 전원전압과 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 제3 제어신호(CS3)에 따라 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키는 기능을 수행한다. The third transistor M3 is connected between the power supply voltage and the floating diffusion region FD and performs a function of resetting the floating diffusion region FD according to the third control signal CS3.
제4 트랜지스터(M4)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하여 출력한다. 소스 팔로워 버퍼 증폭기의 특성상 제4 트랜지스터(M4)의 전압 이득은 1일 수 있다. The fourth transistor M4 acts as a source follower buffer amplifier to amplify and output the voltage of the floating diffusion region FD. Due to the characteristics of the source follower buffer amplifier, the voltage gain of the fourth transistor M4 may be 1.
제5 트랜지스터(M5)는 제4 제어신호(CS4)에 따라 동작하며, 제4 트랜지스터(M4)에서 출력되는 전압 즉 증폭된 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 출력한다.The fifth transistor M5 operates according to the fourth control signal CS4 and outputs a voltage output from the fourth transistor M4, that is, a voltage of the amplified floating diffusion region FD.
도 2는 도 1의 화소 회로(10)의 동작을 설명하기 위한 신호도이다. FIG. 2 is a signal diagram for describing an operation of the
도 2를 참조하면, 한 주기 중에서 제1 기간(P11)에는 제1 트랜지스터(M1)가 오프 상태가 되도록 제1 제어신호(CS1)가 인가된다. 제1 트랜지스터(M1)가 오프 상태이므로, 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하는 포토다이오드(PD)에 축적되며, 오 버플로우 전하만이 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동한다. 제2 트랜지스터(M2)는 온 상태가 되고, 제3 트랜지스터(M3)는 오프 상태가 되도록 제2 제어신호(CS2) 및 제3 제어신호(CS3)가 인가되므로, 플로팅 확산 영역(FD)로 이동된 오버플로우 전하는 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장된다. 제5 트랜지스터(M5)가 오프 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되므로, 증폭된 플로팅 확산 영역(FD)의 전압이 출력되지는 않는다. Referring to FIG. 2, the first control signal CS1 is applied in the first period P11 to turn off the first transistor M1 in one period. Since the first transistor M1 is in the off state, charge generated in the photodiode PD is accumulated in the photodiode PD, and only the overflow flow moves to the floating diffusion region FD. Since the second control signal CS2 and the third control signal CS3 are applied such that the second transistor M2 is turned on and the third transistor M3 is turned off, the second transistor M2 is moved to the floating diffusion region FD. The overflow charges generated are stored in the overflow capacitor CS. Since the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned off, the voltage of the amplified floating diffusion region FD is not output.
제2 기간(P12)에는 제3 트랜지스터(M3)가 온 상태가 되도록 제3 제어신호(CS3)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋(reset)된다. 이 기간에 제1 및 제2 트랜지스터(M1, M2)가 오프 상태가 되도록 제1 및 제2 제어신호(CS1, CS2)가 인가된다. 또한, 제5 트랜지스터(M5)가 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 화소 회로(10)는 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 전압을 출력한다. 이때 출력되는 전압은 제3 기간(P13)에 출력되는 전압인 저조도 전압(VSN1)의 잡음 성분을 제거하기 위하여 사용된다. 본 명세서에서는 이와 같이 저조도 전압(VSN1)의 잡음 성분 제거에 사용되는 전압을 저조도 잡음 전압(VN1)이라 한다. In the second period P12, the third control signal CS3 is applied such that the third transistor M3 is turned on, and the floating diffusion region FD is reset. In this period, the first and second control signals CS1 and CS2 are applied so that the first and second transistors M1 and M2 are turned off. In addition, the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned on, and the
제3 기간(P13)에는 제1 트랜지스터(M1)가 온 상태가 되도록 제1 제어신호(CS1)가 인가되어, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)로 이동한다. 이 기간에 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)는 오프 상태가 되도록 제2 및 제3 제어신호(CS2, CS3)가 인가된다. 또한, 제5 트랜지스터(M5)가 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 화소 회로(10)는 플로팅 확산 영역(FD)에 위치 한 전하에 대응하는 전압을 출력한다. 이때 출력되는 전압은 포토다이오드(PD)에 축적된 전하에 대응하는 전압으로서, 오버플로우를 발생시키지 아니하는 저조도의 광이 포토다이오드(PD)로 입사될 때 유용한 전압이다. 본 명세서에서는 이와 같이 저조도의 광이 입사될 때 유효한 전압을 저조도 전압(VSN1)이라 한다. In the third period P13, the first control signal CS1 is applied so that the first transistor M1 is turned on, and the charge accumulated in the photodiode PD moves to the floating diffusion region FD. In this period, the second and third control signals CS2 and CS3 are applied so that the second and third transistors M2 and M3 are turned off. In addition, the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned on, and the
제4 기간(P14)에는 제1 및 제2 트랜지스터(M1, M2)가 온 상태가 되도록 제1 및 제2 제어신호(CS1, CS2)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)에는 포토다이오드에 축적된 전하와 오버플로우 캐패시터에 저장된 오버플로우 전하가 위치한다. 이 기간에 제3 트랜지스터(M3)는 오프 상태가 되도록 제3 제어신호(CS3)가 인가된다. 또한, 제5 트랜지스터(M5)가 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 화소 회로(10)는 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 전압을 출력한다. 이때 출력되는 전압은 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장된 전하에 대응하는 전압으로서, 오버플로우를 발생시키는 고조도의 광이 포토다이오드(PD)로 입사될 때 유용한 전압이다. 본 명세서에서는 이와 같이 고조도의 광이 입사될 때 유효한 전압을 고조도 전압(VSN2)이라 한다. In the fourth period P14, the first and second control signals CS1 and CS2 are applied such that the first and second transistors M1 and M2 are turned on, and are accumulated in the photodiode in the floating diffusion region FD. Charges and overflow charge stored in the overflow capacitor are located. In this period, the third control signal CS3 is applied such that the third transistor M3 is turned off. In addition, the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned on, and the
제5 기간(P15)에는 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)가 온 상태가 되도록 제2 및 제3 제어신호(CS2, CS3)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD) 및 오버플로우 캐패시터(CS)가 리셋된다. 이 기간에 제1 트랜지스터(M1)가 오프 상태가 되도록 제1 제어신호(CS1)가 인가된다. 또한, 제5 트랜지스터(M5)가 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 화소 회로(10)는 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 전압을 출력한다. 이때 출력되는 전압은 고조도 전압(VSN2)의 잡음 성분을 제거하기 위하여 사용된다. 본 명세서에서는 이와 같이 고조도 전압(VSN2)의 잡음 성분 제거에 사용되는 전압을 고조도 잡음 전압(VN2)이라 한다. In the fifth period P15, the second and third control signals CS2 and CS3 are applied to turn on the second and third transistors M2 and M3 so that the floating diffusion region FD and the overflow capacitor CS) is reset. In this period, the first control signal CS1 is applied so that the first transistor M1 is turned off. In addition, the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned on, and the
종래기술에 의한 화소 회로는 이와 같이 동작하여, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하에 대응하는 저조도 전압(VSN1), 저조도 전압의 잡음 성분에 대응하는 저조도 잡음 전압(VN1), 오버플로우 전하에 대응하는 고조도 전압(VSN2) 및 고조도 전압의 잡음 성분에 대응하는 고조도 잡음 전압(VN2)을 출력한다. The pixel circuit according to the prior art operates as described above to respond to the low light voltage VSN1 corresponding to the charge accumulated in the photodiode PD, the low light noise voltage VN1 corresponding to the noise component of the low light voltage, and the overflow charge. Outputs a high illuminance voltage VSN2 and a high illuminance noise voltage VN2 corresponding to the noise component of the high illuminance voltage.
도 3은 도 1의 화소 회로를 포함하는 종래기술에 의한 이미지 센서를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a conventional image sensor including the pixel circuit of FIG. 1.
도 3을 참조하면, 이미지 센서는 복수의 화소 회로를 포함하는 화소 어레이(pixel array, 20), 로우 구동부(row driver, 30), 제1 및 제2 샘플 및 홀더(40, 50), 제1 및 제2 컬럼 구동부(column driver, 60, 70)를 포함한다. Referring to FIG. 3, an image sensor includes a
이들 중 제1 샘플 및 홀더(40)는 저조도 전압(VSN1)과 저조도 잡음 전압(VN1)을 샘플링하기 위하여 사용되며, 제2 샘플 및 홀더(50)는 고조도 전압(VSN2)과 고조도 잡음 전압(VN2)을 샘플링하기 위하여 사용된다. Of these, the first sample and the
종래기술에 의한 이미지 센서는 이와 같은 방식으로 저조도 전압(VSN1), 저조도 잡음 전압(VN1), 고조도 전압(VSN2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 출력함으로써, 넓은 동작 범위(dynamic range)를 가진다는 장점을 가진다. 보다 구체적으로, 종래기술에 의한 이미지 센서는 그 이전에 기술에 비하여 제2 트랜지스터(M2)와 오버플로우 캐패시터(CS)를 추가적으로 구비함으로써, 오버플로우 전하도 축적하여 출력할 수 있으며, 따라서, 오버플로우 전하를 저장할 수 없는 그 이전의 기술에 비하여 동작영역이 넓어질 수 있다. The image sensor according to the prior art outputs a low illuminance voltage VSN1, a low illuminance noise voltage VN1, a high illuminance voltage VSN2 and a high illuminance noise voltage VN2 in this manner, thereby providing a wide dynamic range. Has the advantage. More specifically, the image sensor according to the prior art further includes the second transistor M2 and the overflow capacitor CS as compared to the prior art, thereby accumulating and outputting the overflow charge, and thus, the overflow. The operating range can be wider than in previous technologies that cannot store charge.
그러나, 종래기술에 의한 이미지 센서는 동작 범위를 넓히기 위해서는 화소 회로가 큰 용량의 오버플로우 캐패시터(CS)를 구비하여야만 한다는 문제점을 가진다. 그러나, 좁은 화소 영역에 큰 캐패시터를 생성한다는 것은 기술적 한계가 있으므로, 종래기술과 같이 100dB 정도의 동작 범위만을 얻을 수 있다. 또한, 종래기술에 의한 이미지 센서는 저조도 전압(VSN1)을 위한 제1 샘플 및 홀더(40) 및 고조도 전압(VSN2)을 위한 제2 샘플 및 홀더(50) 즉 2개의 샘플 및 홀더를 필요로 한다는 문제점을 가진다. However, the image sensor according to the prior art has a problem that the pixel circuit must have a large capacity overflow capacitor CS in order to widen the operation range. However, there is a technical limitation in generating a large capacitor in a narrow pixel region, so that only an operating range of about 100 dB can be obtained as in the prior art. Further, the image sensor according to the prior art requires the first sample and
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 오버플로우 캐패시터의 용량을 증가시키지 아니하면서도 동작범위를 증가시킬 수 있는 이미지 센서용 화소 회로의 제어 방법을 제공한다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, and provides a method of controlling a pixel circuit for an image sensor that can increase an operating range without increasing the capacity of an overflow capacitor.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 샘플 및 홀더를 사용하여 저조도 전압 및 고조도 전압을 샘플링할 수 있는 이미지 센서용 샘플 및 홀더의 제어방법 및 이미지 센서를 제공한다. In addition, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a control method and an image sensor of the sample and the holder for the image sensor that can sample the low and high illumination voltage using a single sample and the holder.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 CMOS 이미지 센서용 화소 회로의 제어방법에 있어서, (a) 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결된 제1 트랜지스터와 상기 플로팅 확산 영역과 오버플로우 캐패시터 사이에 연결된 제2 트랜지스터를 오프 상태로 유지하며 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 단계; (b) 상기 제1 트랜지스터를 오프 상태로 유지하고 상기 플로팅 확산 영역을 리셋이 해제된 상태로 유지하며 상기 제2 트랜지스터를 온하여, 상기 포토다이오드로부터 플로팅 확산 영역으로 오버플로우되는 오버플로우 전하를 상기 오버플로우 캐패시터에 저장하는 단계; (c) 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계를 적어도 1회 이상 반복하는 단계; 및 (d) 상기 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 저조도 전압 및 상기 오버플로우 캐패시터에 저장된 오버플로우 전하에 대응하는 고조도 전압이 출력되는 단계를 포함하는 제어방법을 제공한다. As a technical means for achieving the above object, a first aspect of the present invention provides a method for controlling a pixel circuit for a CMOS image sensor, comprising: (a) a first transistor connected between a photodiode and a floating diffusion region and the floating diffusion region; Resetting the floating diffusion region while keeping the second transistor coupled between the overflow capacitor and the overflow capacitor off; (b) maintaining the first transistor in an off state, maintaining the floating diffusion region in a reset-released state, and turning on the second transistor to receive overflow charges that overflow from the photodiode to the floating diffusion region; Storing in an overflow capacitor; (c) repeating steps (a) and (b) at least once; And (d) outputting a low illuminance voltage corresponding to the charge accumulated in the photodiode and a high illuminance voltage corresponding to the overflow charge stored in the overflow capacitor.
본 발명의 제2 측면은 (a) 샘플 및 홀더 회로가 픽셀 회로로부터 출력되는 저조도 전압을 샘플링하는 단계; (b) 상기 저조도 전압과 기준 전압을 비교하여, 오버플로우가 발생하였는지 여부를 판단하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계를 수행한 결과 오버플로우가 발생된 것으로 판단되는 경우에는 상기 샘플 및 홀더 회로가 고조도 전압을 샘플링하고, 상기 (b) 단계를 수행한 결과 오버플로우가 발생되지 않은 것으로 판단되는 경우에는 상기 샘플 및 홀더 회로가 샘플링된 저조도 전압을 유지하는 단계를 포함하는 샘플 및 홀더 회로의 제어 방법을 제공한다. A second aspect of the invention includes the steps of: (a) sampling a low light voltage output from a pixel circuit by a sample and holder circuit; (b) comparing the low light voltage with a reference voltage to determine whether an overflow has occurred; And (c) if it is determined that an overflow has occurred as a result of performing step (b), the sample and holder circuit samples a high illuminance voltage, and overflow does not occur as a result of performing step (b). If not determined, the method provides a method of controlling the sample and holder circuit, the method comprising maintaining the sampled low illuminance voltage.
본 발명의 제3 측면은 (a) 샘플 및 홀더 회로가 픽셀 회로로부터 출력되는 저조도 전압 및 저조도 잡음 전압을 샘플링하는 단계; (b) 상기 저조도 전압 및 상기 저조도 잡음 전압의 차에 대응되는 잡음이 제거된 저조도 전압을 기준 전압과 비교하여, 오버플로우가 발생하였는지 여부가 판단되는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계를 수행한 결과 오버플로우가 발생된 것으로 판단되는 경우에는 상기 샘플 및 홀더 회로가 고조도 전압 및 고조도 잡음 전압을 샘플링하고, 상기 (b) 단계를 수행한 결과 오버플로우가 발생되지 않은 것으로 판단되는 경우에는 상기 샘플 및 홀더 회로가 샘플링된 저조도 전압 및 저조도 잡음 전압을 유지하는 단계를 포함하는 샘플 및 홀더 회로의 제어 방법을 제공한다. A third aspect of the present invention includes the steps of: (a) sampling a low light voltage and a low light noise voltage output from a pixel circuit by a sample and holder circuit; (b) determining whether an overflow has occurred by comparing the low light voltage from which noise corresponding to the difference between the low light voltage and the low light noise voltage is removed with a reference voltage; And (c) if it is determined that an overflow occurs as a result of performing step (b), the sample and holder circuit samples a high illuminance voltage and a high illuminance noise voltage, and performs the step (b). If it is determined that no overflow has occurred, the method provides a method of controlling the sample and holder circuit, the method comprising maintaining the sampled low light voltage and low light noise voltage.
본 발명의 제4 측면은 제1 기간에는 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 저조도 전압 및 상기 저조도 전압의 잡음 성분에 대응하는 저조도 잡음 전압을 출력하고, 제2 기간에는 오버플로우 전하에 대응하는 고조도 전압 및 상기 고조도 전압의 잡음 성분에 대응하는 고조도 잡음 전압을 출력하는 화소 회로; 및 잡음이 제거된 저조도 전압 및 잡음이 제거된 고조도 전압 중에서 상기 잡음이 제거된 저조도 전압의 크기에 따라 선택된 어느 하나에 대응하는 디지털 변환 값과 상기 디지털 변환 값이 상기 잡음이 제거된 저조도 전압 및 상기 잡음이 제거된 고조도 전압 중 어느 것에 대응하는 것인지를 알리는 플래그 비트를 출력하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하며, 상기 잡음이 제거된 저조도 전압은 상기 저조도 전압 및 상기 저조도 잡음 전압의 차에 대응하는 전압이며, 상기 잡음이 제거된 고조도 전압은 상기 고조도 전압 및 상기 고조도 잡음 전압의 차에 대응하는 전압인 이미지 센서를 제공한다. A fourth aspect of the invention outputs a low light voltage corresponding to the charge accumulated in the photodiode and a low light noise voltage corresponding to the noise component of the low light voltage in the first period, and a high peak corresponding to the overflow charge in the second period. A pixel circuit outputting a high illuminance noise voltage corresponding to a nominal voltage and a noise component of the high illuminance voltage; And a digital conversion value corresponding to any one selected from the noise-reduced low light voltage and the noise-reduced high light voltage according to the magnitude of the noise-reduced low light voltage, and the digital conversion value being the low light voltage from which the noise is removed. And an analog-to-digital converter for outputting a flag bit indicating which of the noise canceled high illumination voltages corresponds to, wherein the noise canceled low illumination voltage corresponds to a voltage corresponding to a difference between the low illumination voltage and the low illumination noise voltage. And the high illumination voltage from which the noise is removed is a voltage corresponding to the difference between the high illumination voltage and the high illumination noise voltage.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various forms, the scope of the present invention should not be construed in a way that is limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제어방법을 설명하기 위한 신호도이다. 도 4에 표현된 제어방법은 도 1에 표현된 CMOS 이미지 센서용 화소 회로(10)를 제어하는데 사용될 수 있다. 4 is a signal diagram illustrating a control method according to an embodiment of the present invention. The control method shown in FIG. 4 can be used to control the
도 1 및 4를 참조하면, 제1 기간(P21)에는 플로팅 확산 영역(FD)의 리셋을 반복하면서, 오버플로우 전하를 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장한다. 보다 구체적으로, 먼저 제1 트랜지스터(M1)와 제2 트랜지스터(M2)는 오프 상태가 되고, 제3 트랜지스터(M3)가 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가된다. 이 기간에는 포토다이오드(PD)로부터 넘어온 오버플로우 전하가 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장되지 못하고, 제3 트랜지스터(M3)를 경유하여 배출된다. 그 후, 제1 트랜지스터(M1) 및 제3 트랜지스터(M3)는 오프 상태가 되고, 제2 트랜지스터(M2)는 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가된다. 이 기간에는 포토다이오드(PD)로부터 넘어온 오버플로우 전하가 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장된다. 제1 기간(P21) 중에, 상술한 바와 같은 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋하는 기간과 오버플로우 전하를 캐패시터(CS)에 저장하는 기간은 수차례 반복되어 수행된다. 1 and 4, in the first period P21, the overflow charge is stored in the overflow capacitor CS while the reset of the floating diffusion region FD is repeated. More specifically, first, the first and second transistors M1 and M2 are turned off, and the first to third control signals CS1, CS2, and CS3 are applied to turn on the third transistor M3. do. In this period, the overflow charges from the photodiode PD are not stored in the overflow capacitor CS and are discharged through the third transistor M3. Thereafter, the first to third control signals CS1, CS2, and CS3 are applied such that the first transistor M1 and the third transistor M3 are turned off, and the second transistor M2 is turned on. In this period, the overflow charges from the photodiode PD are stored in the overflow capacitor CS. During the first period P21, the period for resetting the floating diffusion region FD as described above and the period for storing the overflow charge in the capacitor CS are repeated several times.
이와 같이 본 발명에 의한 제어방법은 종래기술에 의한 제어방법과 달리, 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋하는 동작과 리셋 후에 플로팅 확산 영역(FD)으로 새로이 넘어온 오버플로우 전하를 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장하는 동작을 반복하여 수행함으로써, 오버플로우 전하 중 일부의 전하만을 오버플로우 캐패시터에 저장할 수 있다. 이와 같이 오버플로우 전하 중 일부의 전하만을 오버플로우 캐패시터에 저장하면, 오버플로우 전하에 대한 감도를 낮출 수 있으며, 결과적으로 이미지 센서의 동작 범위를 넓힐 수 있다. 보다 구체적으로, 도면과 같이 T와 ts를 정의하면, 오버플로우 전하에 대한 감도는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. As described above, the control method according to the present invention, unlike the control method according to the related art, resets the floating diffusion region FD and overflows the overflow charge newly transferred to the floating diffusion region FD after the reset capacitor CS. By repeatedly performing the operation of storing in, only a part of the overflow charges can be stored in the overflow capacitor. In this way, if only a part of the overflow charge is stored in the overflow capacitor, the sensitivity to the overflow charge can be lowered, and consequently, the operating range of the image sensor can be extended. More specifically, if T and ts are defined as shown in the drawing, the sensitivity to the overflow charge may be expressed by
상기 수학식에서 Cfd는 플로팅 확산 영역의 용량, Cs는 오버플로우 캐패시터(CS)의 용량을 의미한다. 이미지센서의 동작영역을 넓히기 위해서는 오버플로우 전하에 대한 감도를 낮추어야 하며, 상기 수학식1과 도4에 표현된 바와 같이, 전체 PD 전하 축적 시간 중에서 오버플로우 전하를 저장하는 시간(ts) 줄임으로써, 오버플로우 캐패시터(CS)의 용량을 증가시키지 아니하고도 용이하게 오버플로우 전하의 감도를 낮출 수 있다. In the above equation, Cfd denotes the capacitance of the floating diffusion region, and Cs denotes the capacitance of the overflow capacitor CS. To widen the operating area of the image sensor, the sensitivity to the overflow charge should be lowered. As shown in
또한, PD 전하 축적 기간 중 한 기간에만 오버플로우 전하를 축적하지 아니하고, 주기적으로 오버플로우 전하를 축적함으로써, 한 PD 전하 축적 기간 중에 입 사되는 광의 세기가 변화하는 경우에도 보다 정확하게 오버플로우 전하를 축적할 수 있다는 장점이 있다. In addition, by accumulating the overflow charge periodically, instead of accumulating the overflow charge only in one period of the PD charge accumulation period, the overflow charge accumulates more accurately even when the intensity of light incident in one PD charge accumulation period changes. The advantage is that you can.
또한, 오버플로우 전하를 저장하는 기간이 가변 가능한(programmable) 경우에는 필요에 따라 감도와 동작 영역을 가변할 수 있다는 장점이 있다. In addition, when the period for storing the overflow charge is programmable, there is an advantage in that the sensitivity and the operating area can be changed as necessary.
제2 기간(P22)에는 제1 트랜지스터(M1)와 제2 트랜지스터(M2)는 오프 상태가 되고, 제3 트랜지스터(M3)가 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋된다. 이 기간에 제5 트랜지스터(M5)는 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 저조도 잡음 전압(VN1)이 출력된다. 저조도 잡음 전압(VN1)은 제3 기간에 측정되는 저조도 전압(VSN1)에 포함된 잡음 성분을 제거하기 위하여 사용된다. In the second period P22, the first to third control signals CS1, CS2, and CS3 are turned off and the first and second transistors M1 and M2 are turned off, and the third transistor M3 is turned on. Is applied to reset the floating diffusion region FD. In this period, the fourth control signal CS4 is applied to the fifth transistor M5 so that the fifth transistor M5 is turned on, and the low light noise voltage VN1 corresponding to the charge located in the floating diffusion region FD is output. The low light noise voltage VN1 is used to remove a noise component included in the low light voltage VSN1 measured in the third period.
제3 기간(P23)에는 제2 트랜지스터(M2)와 제3 트랜지스터(M3)는 오프 상태가 되고, 제1 트랜지스터(M1)가 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가되어, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동한다. 이 기간에 제5 트랜지스터(M5)는 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 저조도 전압(VSN1)이 출력된다. 이와 같은 방식으로 출력된 저조도 전압(VSN1)은 PD 전하 축적 기간 동안 포토다이오드(PD)에 축적된 전하에 대응하는 전압을 가진다. In the third period P23, the second transistor M2 and the third transistor M3 are turned off, and the first to third control signals CS1, CS2, and CS3 are turned on. Is applied, and the charge accumulated in the photodiode PD moves to the floating diffusion region FD. In this period, the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned on, and the low light voltage VSN1 corresponding to the charge located in the floating diffusion region FD is output. The low illuminance voltage VSN1 output in this manner has a voltage corresponding to the charge accumulated in the photodiode PD during the PD charge accumulation period.
제4 기간(P24)에는 제1 트랜지스터(M1)와 제2 트랜지스터(M2)는 오프 상태가 되고, 제3 트랜지스터(M3)가 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋된다. 이 기간에 제5 트랜지스터(M5)는 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 고조도 잡음 전압(VN2)이 출력된다. 고조도 잡음 전압(VN2)은 제5 기간에 측정되는 고조도 전압(VSN2)에 포함된 잡음 성분을 제거하기 위하여 사용된다.In the fourth period P24, the first to second control signals CS1, CS2, and CS3 are turned off and the first and second transistors M1 and M2 are turned off, and the third transistor M3 is turned on. Is applied to reset the floating diffusion region FD. In this period, the fourth control signal CS4 is applied to the fifth transistor M5 to be in an on state, and the high illuminance noise voltage VN2 corresponding to the charge located in the floating diffusion region FD is output. The high illuminance noise voltage VN2 is used to remove a noise component included in the high illuminance voltage VSN2 measured in the fifth period.
제5 기간(P25)에는 제1 트랜지스터(M1)와 제3 트랜지스터(M3)는 오프 상태가 되고, 제2 트랜지스터(M2)가 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가되어, 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장된 오버플로우 전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동한다. 이 기간에 제5 트랜지스터(M5)는 온 상태가 되도록 제4 제어신호(CS4)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 고조도 전압(VSN2)이 출력된다. 이와 같은 방식으로 출력된 고조도 전압(VSN2)은 오버플로우 캐패시터(CS)에 저장된 오버플로우 전하에 대응하는 전압이다. In the fifth period P25, the first to third control signals CS1, CS2, and CS3 are turned off and the first and third transistors M1 and M3 are turned off, and the second transistor M2 is turned on. Is applied, and the overflow charge stored in the overflow capacitor CS moves to the floating diffusion region FD. In this period, the fourth control signal CS4 is applied such that the fifth transistor M5 is turned on, and the high illuminance voltage VSN2 corresponding to the charge located in the floating diffusion region FD is output. The high illuminance voltage VSN2 output in this manner is a voltage corresponding to the overflow charge stored in the overflow capacitor CS.
제6 기간(P26)에는 제1 트랜지스터(M1)는 오프 상태가 되고, 제2 트랜지스터(M2)와 제3 트랜지스터(M3)가 온 상태가 되도록 제1 내지 3 제어신호(CS1, CS2, CS3)가 인가되어 오버플로우 캐패시터(CS)를 리셋한다. In the sixth period P26, the first to third control signals CS1, CS2, and CS3 are turned off and the first and third control signals CS1, CS2, and CS3 are turned on. Is applied to reset the overflow capacitor CS.
본 발명에 의한 제어 방법에 있어서, 저조도 전압(VSN1), 저조도 잡음 전압(VN1), 고조도 전압(VSN2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 출력하고, 오버플로우 캐패시터(CS)를 리셋하기 위하여, 도 4의 제2 내지 제6 기간(P2~P6)에 표현된 방식으로 동작할 수도 있으나, 도 2의 제2 내지 제5 기간(P2~P5)에 표현된 방식으로 동작하여도 무방하다. 또한 도 2 및 도 4와 다른 방식으로 동작하여 저조도 전 압(VSN1), 저조도 잡음 전압(VN1), 고조도 전압(VSN2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 출력하고, 오버플로우 캐패시터(CS)를 리셋하여도 무방하다. In the control method according to the present invention, in order to output the low illuminance voltage VSN1, the low illuminance noise voltage VN1, the high illuminance voltage VSN2 and the high illuminance noise voltage VN2, and to reset the overflow capacitor CS. 4 may be operated in the manner expressed in the second to sixth periods P2 to P6 of FIG. 4, but may be operated in the manner expressed in the second to fifth periods P2 to P5 of FIG. 2. Also, it operates in a different manner from FIGS. 2 and 4 to output the low light voltage VSN1, the low light noise voltage VN1, the high light voltage voltage VSN2, and the high light noise voltage VN2, and the overflow capacitor CS. May be reset.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 샘플 및 홀더의 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 보다 구체적으로, 화소 회로에서 출력되는 저조도 전압과 고조도 전압을 별도의 샘플 및 홀더를 사용하지 아니하고, 즉 저조도 전압의 샘플링 및 홀딩에 사용된 샘플 및 홀더를 고조도 전압의 샘플링 및 홀딩에도 사용하여 샘플 및 홀더의 갯수를 줄일 수 있는 샘플 및 홀더 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 도 6은 도 5의 제어 방법이 수행되는 샘플 및 홀더(41)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 5 is a flowchart illustrating a method of controlling a sample and a holder according to an embodiment of the present invention. More specifically, the low light voltage and the high light voltage output from the pixel circuit are not used as separate samples and holders, that is, the samples and holders used for sampling and holding the low light voltage are also used for sampling and holding the high light voltage. A flowchart showing a sample and holder control method capable of reducing the number of samples and holders. FIG. 6 schematically shows a sample and a
도 5 및 6을 참조하면, 제1 단계(S10)에서, 샘플 및 홀더(41)가 저조도 전압(VSN1)을 샘플링한다. 5 and 6, in a first step S10, the sample and the
제2 단계(S20)에서, 저조도 전압(VSN1)과 기준 전압(Vref)을 비교한다. 기준 전압(Vref)은 오버플로우가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있는 전압으로서, 일례로, 오버플로우가 발생하기 직전의 저조도 전압(VSN1)에 해당하는 값을 가질 수 있다. 비교 결과 오버플로우가 발생한 것으로 판단되는 경우에는, 고조도 전압(VSN2)를 측정하기 위하여 제3 단계(S30)가 수행되고, 오버플로우가 발생하지 아니한 것으로 판단되는 경우에는, 고조도 전압(VSN2)의 측정이 불필요하므로, 바로 제4 단계(S40)가 수행된다. In a second step S20, the low illuminance voltage VSN1 and the reference voltage Vref are compared. The reference voltage Vref is a voltage capable of determining whether or not an overflow has occurred. For example, the reference voltage Vref may have a value corresponding to the low illuminance voltage VSN1 immediately before the overflow occurs. When it is determined that the overflow has occurred as a result of the comparison, a third step S30 is performed to measure the high illuminance voltage VSN2, and when it is determined that the overflow has not occurred, the high illuminance voltage VSN2 is determined. Is unnecessary, so the fourth step S40 is performed.
제3 단계(S30)에서, 제1 단계에서 사용된 샘플 및 홀더(41)를 이용하여 고조도 전압(VSN2)을 샘플링한다. In a third step S30, the high illuminance voltage VSN2 is sampled using the sample and the
제4 단계(S40)에서, 샘플 및 홀더(41)에 저장된 신호를 아날로그 디지털 변환 회로로 출력한다. 만일 제2 단계(S20)에서 오버플로우가 발생하지 아니한 것으로 판단된 경우에는 바로 제4 단계(S40)가 수행되므로 샘플 및 홀더(41)에는 저조도 전압(VSN1)이 저장되어 있을 것이고, 따라서 저조도 전압(VSN1)이 아날로그 디지털 변환회로로 출력될 것이다. 만일 제2 단계(S20)에서 오버플로우가 발생한 것으로 판단된 경우에는 제3 단계(S30)가 수행된 이후에 제4 단계(S40)가 수행되므로 샘플 및 홀더(41)에는 고조도 전압(VSN2)이 저장되어 있을 것이고, 따라서 고조도 전압(VSN2)이 아날로그 디지털 변환회로로 출력될 것이다. 제4 단계(S40)에서, 아날로그 디지털 변환 회로로 출력되는 신호가 저조도 전압(VSN1)인지 고조도 전압(VSN2)인지를 알리는 플래그 비트 또한 출력된다. In a fourth step S40, the signals stored in the sample and the
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 샘플 및 홀더의 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 보다 구체적으로, 화소 회로, 일례로 도 1에 표현된 화소 회로(10)에서 출력되는 저조도 전압, 저조도 잡음 전압, 고조도 전압, 고조도 잡음 전압을 별도의 샘플 및 홀더를 사용하지 아니하고, 즉 저조도 전압의 샘플링 및 홀딩에 사용된 샘플 및 홀더를 고조도 전압의 샘플링 및 홀딩에도 사용하고, 저조도 잡음 전압의 샘플링 및 홀딩에 사용된 샘플 및 홀더를 고조도 잡음 전압의 샘플링 및 홀딩에도 사용하여, 샘플 및 홀더의 갯수를 줄일 수 있는 샘플 및 홀더 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 도 8은 도 7의 제어 방법이 수행되는 샘플 및 홀더(42)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 7 is a flowchart illustrating a method of controlling a sample and a holder according to another embodiment of the present invention. More specifically, the low illuminance voltage, the low illuminance noise voltage, the high illuminance voltage, and the high illuminance noise voltage output from the pixel circuit, for example, the
도 7 및 8을 참조하면, 제1 단계(S11)에서, 샘플 및 홀더(41)가 저조도 전압(VSN1)과 저조도 잡음 전압(VN1)을 샘플링한다. 7 and 8, in a first step S11, the sample and
제2 단계(S21)에서, 저조도 전압(VSN1)과 저조도 잡음 전압(VN1)의 차에 해당하는 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)과 기준 전압(Vref)을 비교한다. 기준 전압은 오버플로우가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있는 전압으로서, 일례로, 오버플로우가 발생하였을 때의 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)보다 약간 낮은 전압일 수 있다. 비교 결과 오버플로우가 발생한 것으로 판단되는 경우에는, 고조도 전압(VSN2)을 측정하기 위하여 제3 단계(S31)가 수행되고, 오버플로우가 발생하지 아니한 것으로 판단되는 경우에는, 고조도 전압(VSN2)의 측정이 불필요하므로, 바로 제4 단계(S41)가 수행된다. In a second step S21, the low light voltage VS1 from which the noise corresponding to the difference between the low light voltage VSN1 and the low light noise voltage VN1 is removed is compared with the reference voltage Vref. The reference voltage is a voltage capable of determining whether or not an overflow has occurred. For example, the reference voltage may be a voltage slightly lower than the low light voltage VS1 from which the noise when the overflow occurs is removed. When it is determined that the overflow has occurred as a result of the comparison, a third step S31 is performed to measure the high illuminance voltage VSN2, and when it is determined that the overflow has not occurred, the high illuminance voltage VSN2 is determined. Is unnecessary, so the fourth step S41 is performed.
제3 단계(S31)에서, 제1 단계에서 사용된 샘플 및 홀더(41)를 이용하여 고조도 전압(VSN2)과 고조도 잡음 전압(VN2)을 샘플링한다. In a third step S31, the high illuminance voltage VSN2 and the high illuminance noise voltage VN2 are sampled using the sample and
제4 단계(S41)에서, 샘플 및 홀더에 저장된 2개의 전압의 차에 대응하는 전압을 아날로그 디지털 변환 회로로 출력한다. 만일 제2 단계(S21)에서 오버플로우가 발생하지 아니한 것으로 판단된 경우에는 바로 제4 단계(S41)가 수행되므로 샘플 및 홀더(41)에는 저조도 전압(VSN1)과 저조도 잡음 전압(VN1)이 저장되어 있을 것이고, 따라서 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)이 아날로그 디지털 변환회로로 출력될 것이다. 만일 제2 단계(S21)에서 오버플로우가 발생한 것으로 판단된 경우에는 제3 단계(S31)가 수행된 이후에 제4 단계(S41)가 수행되므로 샘플 및 홀더(41)에는 고조도 전압(VSN2)과 고조도 잡음 전압(VS2)이 저장되어 있을 것이고, 따라서 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)이 아날로그 디지털 변환회로로 출력될 것이다. 제4 단계(S41)에서, 아날로그 디지털 변환 회로로 출력되는 신호가 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)인지 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)인지를 알리는 플래그 비트 또한 출력된다. In a fourth step S41, the voltage corresponding to the difference between the two voltages stored in the sample and the holder is output to the analog-to-digital conversion circuit. If it is determined that the overflow does not occur in the second step (S21), the fourth step (S41) is performed immediately, so that the low light voltage VSN1 and the low light noise voltage VN1 are stored in the sample and
도 9는 도 7 및 8을 이용하여 설명한 샘플 및 홀더의 제어방법을 채용한 이미지 센서를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9의 ADC(80)를 상세히 설명하기 위한 도면이다. FIG. 9 is a diagram illustrating an image sensor employing a method of controlling a sample and a holder described with reference to FIGS. 7 and 8, and FIG. 10 is a diagram for describing the
도 9 및 10을 참조하면 이미지 센서는 복수의 화소 회로를 포함하는 화소 어레이(20), 로우 구동부(30), 컬럼 구동부(61) 및 ADC(80)를 포함한다. 9 and 10, the image sensor includes a
ADC(80)는 상호연관 이중 샘플링 회로(correlated double sampling circuit, 이하 간략히 CDS 회로라 함, 81), CDS 제어 회로(82), 비교기(83), 제1 래치(84), 카운터(85) 및 제2 래치(86)를 포함한다. The
CDS 회로(81)는 일반적인 어떤 CDS 회로를 사용하여도 무방하다. CDS 회로(81)는 CDS 제어 회로(82)에서 출력되는 제3 및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')에 의하여 제어된다. 제1 기간(P31)에, CDS 회로(81)는 픽셀 회로(10)로부터 전달되는 저조도 전압(VSN1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)을 샘플링하여 두 전압의 차에 해당하는 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)을 비교기(83)로 출력한다. 제2 기간에, CDS 회로(81)는 오버플로우가 발생하지 않았음을 알리는 플래그 비트(OVS)가 CDS 제어 회로(82)로 입력되는 경우에는 저조도 전압(VSN1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)을 그대 로 유지하고, 오버플로우가 발생하였음을 알리는 플래그 비트(OVS)가 CDS 제어 회로(82)로 입력되는 경우에는 픽셀 회로(10)로부터 전달되는 고조도 전압(VSN2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 샘플링하여 두 전압의 차에 해당하는 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)을 비교기(83)로 출력한다.The
CDS 제어 회로(82)는 제1 및 제2 샘플링 신호(SSR, SSD) 및 플래그 비트(OVS)를 입력받아, 제3 및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')를 출력한다. CDS 제어 회로(82)는 2개의 앤드(AND) 연산기를 포함할 수 있다. 제1 기간(P31)에, CDS 제어 회로(82)는 제1 및 제2 샘플링 신호(SSR, SSD)를 그대로 제3 및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')로서 출력한다. 제2 기간(P32)에, CDS 제어 회로(82)는 오버플로우가 발생하였음을 알리는 플래그 비트(OVS)를 입력받는 경우에 제1 및 제2 샘플링 신호(SSR, SSD)를 그대로 제3및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')로서 출력하고, 오버플로우가 발생하지 않았음을 알리는 플래그 비트(OVS)를 입력받는 경우에 제1 및 제2 샘플링 신호(SSR, SSD)를 제3및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')로 전달하지 아니한다. The
비교기(83)는 램프 신호(RAMP)와 CDS 회로에서 출력되는 신호를 비교하여 그 결과를 출력한다. 제1 기간(P31)에, 비교기(83)는 기준 전압(Vref)에 해당하는 램프 신호(RAMP)와 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)을 입력받아, 입력받은 2개의 전압 중 어느 전압이 더 큰지를 판단한 결과를 출력한다. 만일 오버플로우가 발생하였다면 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)이 기준 전압(Vref)보다 클 것이므로, '1'에 해당하는 신호가 출력될 것이며, 오버플로우가 발생하지 았았다면 잡음이 제거 된 저조도 전압(VS1)이 기준 전압(Vref)보다 작을 것이므로, '0'에 해당하는 신호가 출력될 것이다. 이때 출력된 신호는 플래그 비트(OVS)에 해당하는 신호로서, 제 1 래치 제어신호(SP)에 의하여 제어되는 제1 래치(84)에 저장된다. 제2 기간(P32)에, 비교기(83)는 점차 전압값이 증가하는 램프 전압에 해당하는 램프 신호(RAMP)와 CDS 회로(81)의 출력을 입력받아, 입력받은 2개의 전압 중 어느 전압이 더 큰지를 판단한 결과를 출력한다. 이때, 만일 오버플로우가 발생하지 않았다면 CDS 회로(81)는 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)을 출력할 것이며, 오버플로우가 발생하였다면 CDS 회로(81)는 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)을 출력할 것이다. The
제1 래치(84)는 비교기(83)에서 출력되는 플래그 비트(OVS)에 해당하는 신호를 저장하는 기능을 수행한다. 저장된 플래그 비트(OVS)는 CDS 제어 회로(82)에 입력되며, ADC(80)의 외부로 출력된다.The
카운터(85)는 램프 전압의 값에 대응하는 디지털 값을 출력하는 기능을 수행한다. The
제2 래치(86)는 점차 증가하는 램프 전압과 CDS 회로(81)의 출력을 비교한 결과를 비교기(83)로부터 입력받고, 카운터(85)로부터 램프 전압의 전압 값에 대응하는 디지털 값을 입력받는다. 제2 래치(86)는 램프 전압이 CDS 회로(81)의 출력보다 커지는 순간의 디지털 값을 출력한다. The
본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서는 이와 같은 구성을 가짐으로써, 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1) 및 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2) 중 어느 하나를 디지털 변환한 값과 플래그 비트(OVS)를 출력한다. The image sensor according to the embodiment of the present invention has such a configuration, and digitally converts any one of the low illumination voltage VS1 from which the noise is removed and the high illumination voltage VS2 from which the noise is removed and the flag bit OVS. )
도 11은 도 9 및 10에 표현된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 도로서, 특히 오버플로우가 발생하지 아니한 경우의 타이밍 도이다. FIG. 11 is a timing diagram for describing an operation of the image sensor illustrated in FIGS. 9 and 10, and in particular, when an overflow does not occur.
도 11을 참조하면, 제1 기간(P31)에, 제1, 3 제어신호(CS1, CS3) 및 제3, 4 샘플링 신호(SSR', SSD')에 의하여 CDS 회로(81)는 저조도 전압(VSN1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)을 샘플링하여 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)을 출력한다. 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)은 저조도 전압(VSN1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)의 전압 차에 해당하는 전압일 수 있다. 오버플로우가 발생하지 아니하였으므로, 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)는 기준 전압(Vref)보다 낮은 전압을 가지므로 비교기(83)는 '0'에 해당하는 전압을 출력하고, 결과적으로 플래그 비트(OVS)는 '0'이 된다. Referring to FIG. 11, in the first period P31, the
제2 기간(P32)에, 제2 및 제3 제어신호(CS2, CS3)에 의하여 픽셀 회로(10)가 고조도 전압(VNS2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 출력한다. 또한, 플래그 비트(OVS)가 '0'이므로, '1'인 제1 및 제2 샘플링 신호(SSR, SSD)가 인가됨에도 불구하고, 제3 및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')는 계속 '0'인 상태를 유지한다. 따라서, CDS 회로(81)는 고조도 전압(VNS2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 새로이 샘플링하지 아니하고, 이전의 저조도 전압(VNS1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)을 그대로 유지한다. 따라서, 비교기(83)는 점차 증가하는 램프 전압와 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)을 비교한 결과를 출력하며, 제2 래치(86)는 카운터(85)에서 출력되는 값들 중 비교기(83)의 출력에 따라 선택된 값을 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)에 대응하는 디지털 변환 값으로서 출력한다. In the second period P32, the
이미지 센서는 이와 같이 동작하여, 오버플로우가 발생하지 아니하는 경우 에, '0'의 값을 가지는 플래그 비트(OVS)와 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)에 대응하는 디지털 변환 값을 출력한다. The image sensor operates as described above and outputs a digital conversion value corresponding to the flag bit OVS having a value of '0' and the low light voltage VS1 from which the noise is removed when no overflow occurs.
도 12은 도 9 및 10에 표현된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 도로서, 특히 오버플로우가 발생한 경우의 타이밍 도이다. FIG. 12 is a timing diagram for describing an operation of the image sensor illustrated in FIGS. 9 and 10, and particularly, when an overflow occurs.
도 12를 참조하면, 먼저 제1, 3 제어신호(CS1, CS3) 및 제3, 4 샘플링 신호(SSR', SSD')에 의하여 CDS 회로(81)는 저조도 전압(VSN1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)을 샘플링하여 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)을 출력한다. 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)은 저조도 전압(VSN1) 및 저조도 잡음 전압(VN1)의 전압 차에 해당하는 전압일 수 있다. 오버플로우가 발생하였으므로, 잡음이 제거된 저조도 전압(VS1)은 기준 전압(Vref)보다 높은 전압을 가지므로 비교기(83)는 '1'에 해당하는 전압을 출력하고, 결과적으로 플래그 비트(OVS)는 '1'이 된다. Referring to FIG. 12, first, the
그 후, 제2 및 제3 제어신호(CS2, CS3)에 의하여 픽셀 회로(10)가 고조도 전압(VNS2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 출력한다. 또한, 플래그 비트(OVS)가 '1'이므로, '1'인 제1 및 제2 샘플링 신호(SSR, SSD)가 인가될 때, '1'인 제3 및 제4 샘플링 신호(SSR', SSD')가 인가된다. 따라서, CDS 회로(81)는 고조도 전압(VNS2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)을 새로이 샘플링하여, 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)을 출력한다. 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)은 고조도 전압(VSN2) 및 고조도 잡음 전압(VN2)의 전압 차에 해당하는 전압일 수 있다. 따라서, 비교기(83)는 점차 증가하는 램프 전압과 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)을 비교한 결과를 출력하며, 제2 래치(86)는 카운터(85)에서 출력되는 값들 중 비교기(83)의 출력에 따라 선택된 값을 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)에 대응하는 디지털 변환 값으로서 출력한다. Thereafter, the
이미지 센서는 이와 같이 동작하여, 오버플로우가 발생하는 경우에, '1'의 값을 가지는 플래그 비트(OVS)와 잡음이 제거된 고조도 전압(VS2)에 대응하는 디지털 값을 출력한다. The image sensor operates as described above and, when an overflow occurs, outputs a digital value corresponding to the flag bit OVS having a value of '1' and the high illuminance voltage VS2 from which the noise is removed.
본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서용 화소 회로의 제어 방법은 캐패시터의 용량을 증가시키지 아니하면서도 동작범위를 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. The method of controlling a pixel circuit for a CMOS image sensor according to the present invention has an advantage that the operating range can be increased without increasing the capacitance of the capacitor.
또한, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서용 화소 회로의 제어 방법은 PD 전하 축적 기간 중 한 기간에만 오버플로우 전하를 축적하지 아니하고, 주기적으로 오버플로우 전하를 축적함으로써, 한 PD 전하 축적 기간 중에 입사되는 광의 세기가 변화하는 경우에도 보다 정확하게 오버플로우 전하를 측정할 수 있다는 장점이 있다. In addition, the control method of the pixel circuit for a CMOS image sensor according to the present invention does not accumulate the overflow charge only in one period of the PD charge accumulation period, but periodically accumulates the overflow charge, thereby preventing the incident light during one PD charge accumulation period. The advantage is that the overflow charge can be measured more accurately even when the intensity changes.
본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서용 샘플 및 홀더의 제어 방법 및 이미지 센서는 샘플 및 홀더의 개수를 줄이면서도 저조도 전압 및 고조도 전압을 효율적으로 출력할 수 있다는 장점이 있다. The control method and image sensor of the CMOS image sensor sample and holder according to the present invention has the advantage that it is possible to efficiently output a low light voltage and a high light voltage while reducing the number of samples and holders.
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KR101251744B1 (en) * | 2011-04-13 | 2013-04-05 | 엘지이노텍 주식회사 | Wdr pixel array, image sensor including the pixel array and method for operating the same |
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KR20000003346A (en) * | 1998-06-27 | 2000-01-15 | 김영환 | Cmos image sensor having range of wide movement |
JP2005348042A (en) | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Canon Inc | Solid state imaging device and imaging system |
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2006
- 2006-04-27 KR KR1020060037905A patent/KR100800307B1/en not_active IP Right Cessation
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