KR101181310B1 - 램프 신호 발생기 및 이미지 센서 - Google Patents

램프 신호 발생기 및 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

제1 입력단으로 입력되는 제1 바이어스 전압 및 제2 입력단으로 입력되는 제2 바이어스 전압을 비교하여 출력단에서 램프 신호를 출력하는 비교기와, 상기 비교기의 입력단과, 상기 비교기의 출력단 사이에 연결되고, 각각 스위치 및 커패시터가 직렬로 연결된 복수의 스위치드 커패시터를 구비한 스위치드 커패시터부와, 상기 스위치드 커패시터부의 스위치를 스위칭하여, 상기 비교기에서 출력되는 램프 신호가 시간에 따라 비선형이 되도록 조정하는 제어부를 포함하는 램프 신호 발생기 및 이미지 센서를 제공한다.

Description

램프 신호 발생기 및 이미지 센서{RAMP SIGNAL GENERATOR AND IMAGE SENSOR}
본 발명은 램프 신호 발생기 및 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐하는 장치이며, 최근 들어 CMOS 기술의 발달로 CMOS를 이용한 CMOS 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
CMOS 이미지 센서는 CDS(Correlatged Double Sampling) 방식을 채용하고, CDS 방식에 의해 샘플링된 신호, 즉, 리셋 신호와 영상 신호의 차이를 디지털 신호로 출력한다.
여기에서, 리셋 신호와 영상 신호의 차이를 디지털 신호로 출력하기 위하여 램프(ramp) 신호가 이용된다. 예를 들어, CMOS 이미지 센서는 외부 빛의 조도에 따라 달라지는 영상 신호와 리셋 신호의 차이를 픽업하고, 그 차이를 램프 신호의 기울기에 따라 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
그런데, 램프 신호의 기울기가 일정하다면, 영상 신호와 리셋 신호의 차이가 큰 부분(밝은 부분)과 작은 부분(어두운 부분)이 공존하는 경우에, 램프 신호의 기울기를 크게 하면 어두운 부분의 픽셀들의 미세한 차이를 읽어내기 힘들어 상대적인 구분이 힘들어진다. 이와 반대로, 램프 신호의 기울기를 작게 한다면, 밝은 부분의 픽셀은 그 구분이 거의 불가능하다.
본 발명의 일 실시예는 이미지에서 밝은 부분의 픽셀과 어두운 부분의 픽셀에서의 차이를 구분할 수 있게 하는 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생기 및 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 양태에서, 제1 입력단으로 입력되는 제1 바이어스 전압 및 제2 입력단으로 입력되는 제2 바이어스 전압을 비교하여 출력단에서 램프 신호를 출력하는 비교기와, 각각 스위치 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 비교기의 제1 입력단과 상기 비교기의 출력단 사이에 병렬로 연결된 복수의 스위치드 커패시터를 구비한 램프 신호 조정부와, 상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치를 스위칭하여, 상기 비교기에서 출력되는 램프 신호가 시간에 따라 비선형이 되도록 조정하는 제어부를 포함하는 램프 신호 발생기를 제공한다.
본 발명의 다른 양태에서, 리셋 신호와 영상 신호를 생성하는 픽셀 어레이와, 램프 신호를 출력하는 램프 신호 발생기와, 상기 램프 신호를 이용하여 상기 리셋 신호와 상기 영상 신호를 상호 연관 이중 샘플링하여 디지털 신호를 생성하는 ADC를 포함하고, 상기 램프 신호 발생기는, 제1 입력단으로 입력되는 제1 바이어스 전압 및 제2 입력단으로 입력되는 제2 바이어스 전압을 비교하여 출력단에서 램프 신호를 출력하는 비교기와, 각각 스위치 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 비교기의 제1 입력단과 상기 비교기의 출력단 사이에 병렬로 연결된 복수의 스위치드 커패시터를 구비한 램프 신호 조정부와, 상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치를 스위칭하여, 상기 비교기에서 출력되는 램프 신호가 시간에 따라 비선형이 되도록 조정하는 제어부를 포함하는 램프 신호 발생기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이미지 센서에서 ADC에 공급되는 램프 신호가 비선형적인 특성을 가지므로, 픽셀의 동적 범위를 넓게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 램프 신호 발생기를 포함하는 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.
도 2는 램프 신호의 파형을 도시한 그래프로, 도 2의 (a)는 종래의 램프 신호 발생기에서 출력된 램프 신호의 파형을 나타내고, 도 2의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기에서 출력된 램프 신호의 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기의 블록도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기를 설명한다.
도 1은 일반적인 램프 신호 발생기를 포함하는 이미지 센서(10)의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(10)는 픽셀 어레이(11), 로우 드라이버(12), ADC(Analog-to-Digital Converter)(13) 및 램프 신호 발생기(14)를 포함한다.
픽셀 어레이(11)는 다수의 광 감지 소자, 예를 들어, 포토 다이오드 또는 핀드(pinned) 포토 다이오드 등의 광 감지 소자를 포함한다. 픽셀 어레이(10)는 다수의 광 감지 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성한다.
로우 드라이버(12)는 픽셀 어레이(11)를 로우(row) 단위로 구동한다. 예를 들어, 로우 드라이버(12)는 행 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 픽셀 어레이(11)는 로우 드라이버(12)로부터 제공된 행 선택 신호의 의해 선택된 행으로부터 리셋 신호와 영상 신호를 ADC(13)로 출력한다.
ADC(13)는 램프 신호 발생기(14)로부터 제공된 램프 신호(Vramp)를 이용하여 픽셀 어레이(11)로부터 출력되는 영상 신호를 디지털 신호로 변환한다. 예를 들어, ADC(13)는 램프 신호(Vramp)를 이용하여 픽셀 어레이(11)로부터 출력되는 리셋 신호와 영상 신호를 상호 연관 이중 샘플링(correlated double sampling)하여 디지털 신호를 생성한다.
이와 같이, 이미지 센서는 램프 신호 발생기로부터의 램프 신호를 이용하여 ADC에서 픽셀의 영상 신호를 디지털 신호로 변환한다. 따라서, 이미지의 품질은 램프 신호에 의해 영향을 받게 된다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 램프 신호를 이용한 디지털 신호의 생성 방법에 대하여 설명한다. 도 2는 램프 신호의 파형을 도시한 그래프로, 도 2의 (a)는 종래의 램프 신호 발생기에서 출력된 램프 신호의 파형을 나타내고, 도 2의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기에서 출력된 램프 신호의 파형을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 램프 신호는 램프 신호 발생기가 리셋될 때에 일정한 일정한 값의 리셋 신호가 되며, 리셋이 된 후에, 소정의 값으로 감소한다. 이 때, 픽셀의 영상 신호가 램프 신호가 같아질 때까지의 시간(Δt)은 픽셀의 리셋 신호와 영상 신호의 차이에 대응하게 된다. 이 시간(Δt)을 디지털 신호로 변환함으로써, 픽셀의 영상 신호에 대한 디지털 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 영상 신호에 따라 Δt의 크기가 달라지므로, Δt를 디지털 신호로 변환함으로써, 그 픽셀의 영상 신호에 대응하는 디지털 신호가 생성될 수 있다. 이 때, 픽셀이 어두운 부분일 수록 이 시간(Δt)은 더 짧아지고, 픽셀이 밝은 부분일수록 더 길어진다.
도 2의 (a)에서는 램프 신호가 일정한 기울기를 가지게 되므로, 픽셀의 밝은 부분과 어두운 부분에 이미지에서 공존하는 경우에는 어두운 부분의 픽셀의 미세한 차이를 읽어내기 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 램프 신호를 비선형으로 생성하게 되면, 픽셀의 어두운 부분에서의 미세한 차이를 더 세밀하게 읽어낼 수 있으며, 픽셀의 밝은 부분의 구분도 가능하게 할 수 있다.
즉, 픽셀의 어두운 부분에 대응하는 램프 신호 부분의 기울기를 작게하고, 이와 반대로 픽셀의 밝은 부분에 대응하는 램프 신호 부분의 기울기를 크게 함으로써, 픽셀의 어두운 부분을 미세하게 판독할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 부분의 판독도 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기에서 발생된 램프 신호를 이용하여 픽셀의 영상 신호를 디지털 신호로 변환함으로써, 이를 이용하는 이미지 센서의 동적 범위를 넓게 할 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기를 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기(100)의 블록도를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생기(100)는, 비교기(110)와 램프 신호 조정부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
비교기(110)는, 제1 바이어스 전압(V1)이 입력되는 반전 입력단(즉, 제1 입력단)과 제2 바이어스 전압(V2)이 입력되는 비반전 입력단(즉, 제2 입력단) 및 램프 신호(Vramp)가 출력되는 출력단을 포함한다.
램프 신호 조정부(120)는 비교기(110)의 반전 입력단과 비교기(110)의 출력단 사이에 연결되며, 스위치(SW1, ... SWn) 및 커패시터(C1, ..., Cn)가 직렬로 연결된 스위치드 커패시터를 복수개 구비하며, 복수의 스위치드 커패시터는 비교기(110)의 반전 입력단과 비교기(110)의 출력단 사이에서 서로 병렬로 연결된다.
램프 신호 조정부(120)는 복수의 스위치드 커패시터와 병렬로 연결되고 제어부(130)의 리셋 제어 신호에 따라 램프 신호 조정부를 리셋하는 리셋 스위치(SWreset)와, 역시 복수의 스위치드 커패시터와 병렬로 연결된 베이스 커패시터(CB)를 더 포함할 수 있다.
제어부(130)는 램프 신호 조정부(120)에 포함된 스위치들을 스위칭하여, 비교기(110)의 반전 입력단과 비교기(110)의 출력단 사이의 커패시턴스를 조정한다. 특히, 제어부(130)는 비교기(110)에서 출력되는 램프 신호가 시간에 따라 낮은 기울기에서 높은 기울기를 갖도록 램프 신호 조정부(120)에 포함된 스위치들을 스위칭한다. 또한, 제어부(130)는 리셋 스위치(SWreset)에 리셋 제어 신호를 공급한다.
한편, 램프 신호 발생기(100)는, 비교기(110)의 출력단에 연결되어 램프 신호를 버퍼링하여 출력하는 버퍼를 더 포함할 수 있다.
이러한 램프 신호 발생기(100)의 동작을 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 제어부(130)는 리셋 제어 신호를 램프 신호 조정부(120)의 리셋 스위치(SWreset)에 공급한다. 리셋 스위치(SWreset)가 온인 상태에서는 비교기(110)가 출력하는 신호는 반전 입력단에 입력된 전압과 동일한 값, 즉, 픽셀의 리셋 신호가 갖는 값과 동일한 크기의 값을 갖게 된다. 리셋 제어 신호에 의해 리셋 스위치(SWreset)가 온 상태에서 오프 상태로 천이하면, 비교기(110)는 램프 신호를 출력하기 시작한다. 이 순간, 복수의 스위치드 커패시터의 모든 스위치들(SW1, ..., SWn)은 단락 상태가 되도록 스위칭된다. 바람직하게는, 리셋 제어 신호에 의해 리셋 스위치(SWreset)가 온 상태로 될 때, 제어부(130)는 복수의 스위치드 커패시터의 모든 스위치들(SW1, ..., SWn)도 온 상태가 되도록 스위치들(SW1, ..., SWn)을 제어한다.
이 때, 비교기(110)와 램프 신호 조정부(120)는 적분기를 형성하여, 제1 바이어스 전압(V1)과 제2 바이어스 전압(V2)의 차가 적분되어 램프 신호로서 공급된다.
그 다음, 복수의 스위치드 커패시터의 스위치들(SW1, ..., SWn)은 순차적으로 개방된다. 복수의 스위치드 커패시터의 스위치들(SW1, ..., SWn)이 순차적으로 개방됨으로써, 램프 신호 조정부(120)의 커패시턴스는 순차적으로 감소된다. 한편, 적분기에서 출력되는 신호의 기울기는 비교기의 출력단과 반전 단자에 연결된 커패시턴스에 반비례한다. 따라서, 램프 신호 조정부(120)의 커패시턴스가 순차적으로 감소되기 때문에, 비교기(110)의 출력단에서 제공되는 램프 신호의 기울기는 점점 더 커진다. 복수의 스위치드 커패시터의 모든 스위치가 개방되면, 비교기(110)의 반전 입력단과 비교기(110)의 출력단에는 베이스 커패시터(CB)만이 연결된 상태로 된다.
이러한 동작에 의하여, 램프 신호의 최초 기울기는 램프 신호 조정부(120)의 베이스 커패시터를 포함하는 모든 커패시터들(C1, ..., Cn, CB)의 커패시턴스의 합에 의해 결정되며, 시간이 경과함에 따라 기울기는 점차적으로 증가하다. 램프 신호의 최종 기울기는 베이스 커패시터(CB)의 커패시턴스에 의해 결정된다.
따라서, 제1 바이어스 전압(V1)과 제2 바이어스 전압(V2)의 크기와, 램프 신호 조정부(120)의 스위치들(SW1, ..., SWn)의 온/오프 타이밍, 및 램프 신호 조정부(120)의 커패시터들(C1, ..., Cn)의 커패시턴스를 원하는 바에 따라 조정함으로써, 도 2의 (b)와 같은 파형을 갖는 램프 신호를 출력할 수 있다.
생성된 램프 신호는 버퍼(140)를 통해 버퍼링된 후에, 이미지 센서에 포함된 ADC(200)에 공급될 수 있으며, ADC(200)는 픽셀 어레이(300)에서 공급되는 각 픽셀의 리셋 신호 및 영상 신호를 입력받아, 램프 신호를 이용하여 리셋 신호와 영상 신호를 상호 연관 이중 샘플링하여 디지털 신호를 생성할 수 있다.
이와 같이, 이미지에서 더 어두운 부분에 해당하는 픽셀에 대하여는 기울기가 더 작은 램프 신호를 적용함으로써, 특히 어두운 부분의 해당하는 픽셀들의 미세한 차이를 식별하기가 용이하여 이미지의 품질을 높일 수 있고, 픽셀의 동적 범의를 넓힐 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되는 것으로 의도된다. 따라서, 청구범위에 기재된 범위 및 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 이미지 센서 11: 픽셀 어레이
12: 로우 드라이버 13: ADC
14: 램프 신호 발생기 100: 램프 신호 발생기
110: 비교기 120: 램프 신호 조정부
130: 제어부 140: 버퍼
200: ADC 300: 픽셀 어레이

Claims (7)

  1. 픽셀의 영상 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 이용되는 램프 신호 발생기에 있어서
    반전 입력단으로 입력되는 리셋 전압 및 비반전 입력단으로 입력되는 바이어스 전압을 비교하여 출력단에서 램프 신호를 출력하는 비교기;
    각각 스위치 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 비교기의 반전 입력단과 상기 비교기의 출력단 사이에 병렬로 연결된 복수의 스위치드 커패시터, 상기 복수의 스위치드 커패시터와 병렬로 연결된 리셋 스위치, 및 상기 복수의 스위치드 커패시터와 병렬로 연결된 베이스 커패시터를 구비한 램프 신호 조정부; 및
    상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치를 스위칭하여, 상기 픽셀의 어두운 부분에 대응하는 부분의 기울기의 절대치보다 상기 픽셀의 밝은 부분에 대응하는 부분의 기울기의 절대치가 더 크도록 상기 비교기에서 출력되는 램프 신호를 조정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 리셋 스위치가 단락될 때, 상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치들을 모두 단락 상태로 스위칭하며,
    상기 리셋 스위치가 개방된 후, 상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치들을 순차적으로 개방 상태로 스위칭하고,
    상기 리셋 전압은 상기 픽셀의 리셋 신호가 가지는 값과 동일한 크기를 가지는 램프 신호 발생기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교기의 출력단에 연결되어 상기 램프 신호를 버퍼링하는 버퍼를 더 포함하는
    램프 신호 발생기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 리셋 신호와 영상 신호를 생성하는 픽셀 어레이;
    램프 신호를 출력하는 램프 신호 발생기; 및
    상기 램프 신호를 이용하여 상기 리셋 신호와 상기 영상 신호를 상호 연관 이중 샘플링하여 디지털 신호를 생성하는 ADC
    를 포함하고,
    상기 램프 신호 발생기는,
    반전 입력단으로 입력되는 리셋 전압 및 비반전 입력단으로 입력되는 바이어스 전압을 비교하여 출력단에서 상기 램프 신호를 출력하는 비교기;
    각각 스위치 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 비교기의 반전 입력단과 상기 비교기의 출력단 사이에 병렬로 연결된 복수의 스위치드 커패시터, 상기 복수의 스위치드 커패시터와 병렬로 연결된 리셋 스위치, 및 상기 복수의 스위치드 커패시터와 병렬로 연결된 베이스 커패시터를 구비한 램프 신호 조정부; 및
    상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치를 스위칭하여, 상기 픽셀의 어두운 부분에 대응하는 부분의 기울기의 절대치보다 상기 픽셀의 밝은 부분에 대응하는 부분의 기울기의 절대치가 더 크도록 상기 비교기에서 출력되는 램프 신호를 조정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 리셋 스위치가 단락될 때, 상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치들을 모두 단락 상태로 스위칭하며,
    상기 리셋 스위치가 개방된 후, 상기 복수의 스위치드 커패시터의 스위치들을 순차적으로 개방 상태로 스위칭하고,
    상기 리셋 전압은 상기 픽셀의 리셋 신호가 가지는 값과 동일한 크기를 가지는 이미지 센서.
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