KR101248436B1 - 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
광역 동적범위(Wide Dynamic Range)를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법이 개시된다. 이미지 센서의 화소 회로 구동방법은, 제1 축적시간 동안 포토 다이오드에 1회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계, 상기 1회차 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 제1 부유 확산 영역을 거쳐 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 단계 및 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 2회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계를 포함하되, 상기 제1 축적시간 및 상기 제2 축적시간은 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 포함되는 것을 특징으로 하며, 포토 다이오드에서 부유 확산 영역으로의 전류 누설 및/또는 블루밍 현상을 제거하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서의 화소 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광역 동적범위(Wide Dynamic Range)를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서로 구분된다. CCD 이미지 센서는 구동 방식이 복잡하고 전력 소비가 상대적으로 커서 CMOS 이미지 센서가 널리 이용된다.
CMOS 이미지 센서는 제어 회로 및 신호 처리 회로 등을 주변 회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터(MOS Transistor)들을 반도체 기판에 형성함으로써, 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토 공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등의 장점을 가진다. 또한, CMOS 이미지 센서는 각종 회로를 단일칩에 집적시킬 수가 있어 제품의 소형화가 용이한 장점도 가진다.
이러한 CMOS 이미지 센서는 2차원 행렬 형태로 배치된 다수의 화소들을 구비하고 있으며, 각 화소는 빛 에너지로부터 이미지 신호를 출력한다. 다수의 화소들 각각은 포토 다이오드를 통해 입사된 빛의 양에 상응하는 광전하를 축적하고, 축적된 광전하에 기초하여 화소의 데이터 신호를 출력한다.
도 1은 화소 어레이에 포함되는 단위 화소의 구동 회로도이다. 도 1을 참조하면, 단위 화소 구동 회로는 일반적으로 포토 다이오드(Photo Diode)(PD)와 4개의 트랜지스터를 포함한다. 4개의 트랜지스터는 전송 트랜지스터(Transfer Transistor)(Tx), 리셋 트랜지스터(Reset Transistor)(Rx), 구동 트랜지스터(Drive Transistor)(Dx), 선택 트랜지스터(Select Transistor)(Sx)이다. 전송 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)가 만나는 노드가 부유 확산 영역(Floating Diffusion Area)(FD)이다.
상관 이중 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 방식의 광전 변환에서는, 로우 선택 신호에 의해 선택된 행의 각 화소에서 리셋 제어 신호(RST)가 액티브될 때 전원(VDDP)으로부터 전달된 부유 확산 영역의 신호가 참조 신호(Vref)로서 출력되고, 전송 제어 신호(PTG)가 액티브될 때 포토 다이오드(PD)에 의해 감지되어 부유 확산 영역으로 전달된 신호가 데이터 신호(Vsig)로서 출력됨으로써, 참조 신호와 데이터 신호의 차이에 따른 아날로그-디지털 변환이 이루어진다.
이 경우 하나의 단위 화소에서 노출 시간이 다른 2회 이상의 데이터를 읽고 합성함으로써, 광역 동적범위(WDR: Wide Dynamic Range)를 구현할 수 있다. 이 경우 1회차 데이터와 2회차 이상의 데이터 간에 상호 간섭이 발생하고 화소 간에도 상호 간섭이 발생하여 블루밍(blooming) 현상 발생, 누설 전류(leakage current)에 의한 신호 왜곡, SNR(Signal-to-Noise Ratio) 특성 저하 등의 원인이 된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 1회차 데이터의 축적 시 혹은 1회차 데이터가 저장된 가운데 2회차 데이터의 축적 시 부유 확산 영역으로 발생하는 전류 누설을 제거함으로써 SNR 특성이 향상된 이미지 생성이 가능하도록 하는 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 1회차 데이터의 축적 시 혹은 1회차 데이터가 저장된 가운데 2회차 데이터의 축적 시 부유 확산 영역으로 발생하는 블루밍 현상을 제거함으로써 별도로 블랙선 제거 회로가 필요치 않도록 하는 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 인접 화소로 블루밍 현상이 발생하는 것을 방지하여 해상도 저하의 발생을 줄임으로써 고해상도의 이미지 생성이 가능한 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 센서의 화소 회로에 있어서, 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드의 일측에 형성되는 제1 부유 확산 영역; 상기 제1 부유 확산 영역의 일측에 형성되는 제2 부유 확산 영역; 전송 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 생성된 광전하를 상기 제1 부유 확산 영역으로 전송하는 전송 트랜지스터; 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 부유 확산 영역에 임시 저장된 광전하를 상기 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 제1 리셋 트랜지스터; 상기 제2 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 구동 트랜지스터; 선택 신호에 따라 상기 구동 트랜지스터의 출력을 화소 신호로 출력하는 선택 트랜지스터; 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제2 부유 확산 영역을 제2 전원전압으로 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터; 및 제3 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 부유 확산 영역을 제1 전원전압으로 리셋시키는 제3 리셋 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서의 화소 회로가 제공된다.
상기 포토 다이오드는 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에서 구분되는 제1 축적시간 및 제2 축적시간 동안 1회차 광전하 및 2회차 광전하를 생성하여 축적할 수 있다. 상기 전송 제어 신호는 상기 제1 축적시간과 상기 제2 축적시간 사이의 전달시간 동안에 상기 전송 트랜지스터를 턴온시켜 상기 1회차 광전하를 상기 포토 다이오드에서 상기 제1 부유 확산 영역으로 전송시킬 수 있다. 상기 제1 리셋 제어 신호는 상기 전달시간 동안 상기 전송 트랜지스터와 동시에 또는 상기 전송 트랜지스터가 턴온된 이후에 상기 제1 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 1회차 광전하를 상기 제1 부유 확산 영역에서 상기 제2 부유 확산 영역으로 전송시킬 수 있다.
상기 제3 리셋 제어 신호는 상기 제1 축적시간 동안 상기 제3 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토 다이오드에서 상기 제1 부유 확산 영역으로의 누설 전류 혹은 초과 광전하를 상기 제1 전원전압으로 빠져 나가게 할 수 있다.
상기 제3 리셋 제어 신호는 상기 제2 축적시간 동안 상기 제3 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토 다이오드에서 상기 제1 부유 확산 영역으로의 누설 전류 혹은 초과 광전하를 상기 제1 전원전압으로 빠져 나가게 할 수 있다.
상기 제2 축적시간의 완료 이후 상기 제2 부유 확산 영역에 상기 1회차 광전하가 저장되어 있고 상기 포토 다이오드에 상기 2회차 광전하가 저장되어 있을 수 있다.
상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 1회차 광전하에 상응하는 1회차 데이터 신호가 상기 화소 신호로 출력된 후 상기 제2 리셋 제어 신호가 액티브되도록 하여 상기 제2 부유 확산 영역을 상기 제2 전원전압으로 리셋하고, 상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 제2 전원전압에 상응하는 1회차 참조 신호가 상기 화소 신호로 출력되도록 할 수 있다.
상기 제2 리셋 제어 신호 및 상기 제3 리셋 제어 신호가 동시에 또는 임의의 순서로 액티브되도록 하여 상기 제2 리셋 트랜지스터 및 상기 제3 리셋 트랜지스터가 턴온되어 상기 제2 부유 확산 영역 및 상기 제1 부유 확산 영역이 리셋되도록 할 수 있다.
상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 제2 전원전압에 상응하는 2회차 참조 신호가 상기 화소 신호로 출력된 후 상기 전송 제어 신호 및 상기 제1 리셋 제어 신호가 동시에 또는 순차적으로 액티브되도록 하여 상기 전송 트랜지스터 및 상기 제1 리셋 트랜지스터가 턴온되어 상기 포토 다이오드에 저장된 상기 2회차 광전하가 상기 제1 부유 확산 영역을 지나 상기 제2 부유 확산 영역으로 전달되도록 하고, 상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 2회차 광전하에 상응하는 2회차 데이터 신호가 상기 화소 신호로 출력되도록 할 수 있다.
상기 1회차 데이터 신호와 상기 1회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 1회차 화소 신호와, 상기 2회차 데이터 신호와 상기 2회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 2회차 화소 신호를 합성할 수 있다.
상기 1회차 광전하 및 상기 2회차 광전하에 상응하는 화소 신호들을 합성함으로써 상기 영상 프레임에 대하여 광역 동적범위를 획득하도록 할 수 있다.
상기 제2 전원전압이 상기 제1 전원전압보다 클 수 있다.
상기 제2 리셋 트랜지스터의 문턱전압이 상기 제3 리셋 트랜지스터의 문턱전압보다 작을 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이미지 센서의 화소 회로 구동방법에 있어서, 제1 축적시간 동안 포토 다이오드에 1회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계; 상기 1회차 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 제1 부유 확산 영역을 거쳐 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 단계; 및 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 2회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계를 포함하되, 상기 제1 축적시간 및 상기 제2 축적시간은 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법이 제공된다.
상기 1회차 광전하를 생성 축적하는 단계에서, 상기 제1 부유 확산 영역과 전원전압 사이에 전기적 경로를 생성하는 단계가 함께 수행될 수 있다.
상기 2회차 광전하를 생성 축적하는 단계에서, 상기 제1 부유 확산 영역과 전원전압 사이에 전기적 경로를 생성하는 단계가 함께 수행될 수 있다.
상기 제2 부유 확산 영역에 저장된 상기 1회차 광전하에 상응하는 1회차 데이터 신호를 독출하는 단계; 상기 제2 부유 확산 영역을 리셋시키는 단계; 상기 제2 부유 확산 영역의 리셋 전위에 상응하는 1회차 참조 신호를 독출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 부유 확산 영역을 리셋시키는 단계; 및 상기 제2 부유 확산 영역을 리셋시키는 단계를 더 포함하되, 상기 제1 부유 확산 영역의 리셋 단계와 상기 제2 부유 확산 영역의 리셋 단계는 동시에 또는 임의의 순서에 따라 수행될 수 있다.
상기 제2 부유 확산 영역의 리셋 전위에 상응하는 2회차 참조 신호를 독출하는 단계; 상기 2회차 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 제1 부유 확산 영역을 거쳐 상기 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 단계; 상기 제2 부유 확산 영역에 저장된 상기 2회차 광전하에 상응하는 2회차 데이터 신호를 독출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 1회차 데이터 신호와 상기 1회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 1회차 화소 신호와, 상기 2회차 데이터 신호와 상기 2회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 2회차 화소 신호를 합성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 1회차 데이터의 축적 시 혹은 1회차 데이터가 저장된 가운데 2회차 데이터의 축적 시 부유 확산 영역으로 발생하는 전류 누설을 제거함으로써 SNR 특성이 향상된 이미지 생성이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 1회차 데이터의 축적 시 혹은 1회차 데이터가 저장된 가운데 2회차 데이터의 축적 시 부유 확산 영역으로 발생하는 블루밍 현상을 제거함으로써 별도로 블랙선 제거 회로가 필요치 않도록 하는 효과가 있다.
또한, 인접 화소로 블루밍 현상이 발생하는 것을 방지하여 해상도 저하의 발생을 줄임으로써 고해상도의 이미지 생성이 가능하다.
도 1은 화소 어레이에 포함되는 단위 화소의 구동 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 단위 화소의 화소 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 평면 레이 아웃을 나타낸 도면,
도 5는 도 4에 도시된 AB선에 따른 단면도로서 전류 누설/블루밍 제거 경로를 나타낸 도면,
도 6은 도 4에 도시된 AB선에 따른 단면도 및 포텐셜 구조를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에서 광전하를 포토 다이오드에서 제2 부유 확산 영역으로 전달하기 위한 타이밍 다이어그램,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에서 저장된 1회차 화소 데이터 및 2회차 화소 데이터를 독출하기 위한 타이밍 다이어그램.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 단위 화소의 화소 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 평면 레이 아웃을 나타낸 도면,
도 5는 도 4에 도시된 AB선에 따른 단면도로서 전류 누설/블루밍 제거 경로를 나타낸 도면,
도 6은 도 4에 도시된 AB선에 따른 단면도 및 포텐셜 구조를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에서 광전하를 포토 다이오드에서 제2 부유 확산 영역으로 전달하기 위한 타이밍 다이어그램,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에서 저장된 1회차 화소 데이터 및 2회차 화소 데이터를 독출하기 위한 타이밍 다이어그램.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 단위 화소의 화소 회로도이다.
본 발명에서 단위 화소는 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간(셔터링 구간) 동안 포토 다이오드에 축적되는 광전하를 복수 개의 구간으로 나누어 셔터링하고 샘플링함으로써 빛에 반응하는 화소의 동적범위를 넓힐 수 있다. 즉, 하나의 단위 화소에 대하여 단위 노출 시간 동안 2회 이상의 노출을 수행하고 각 회차의 노출에 따라 출력된 화소 신호를 합성함으로써, 이미지 센서가 넓은 동적범위를 가지도록 한다.
본 발명에 따른 단위 화소는 1회차 노출 시 및/또는 2회차 이상의 노출 시 포토 다이오드로부터의 누설 전류 혹은 포토 다이오드가 수용 가능한 포화 전하량(Qsat)을 넘어서는 광전하가 기 저장된 1회차 노출에 관한 데이터를 저장하고 있는 영역 혹은 인접 화소에 영향을 미치지 않고 제거되도록 함으로써 블루밍 현상의 발생을 방지하고 누설 전류에 따른 신호 왜곡이나 SNR 특성 저하를 방지할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위해 단위 노출 시간이 2개의 노출 구간으로 구분된 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
우선 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 화소 어레이(10), 제어부(20), 로우 어드레스 디코더(30), 로우 드라이버(40), 컬럼 어드레스 디코더(50), 컬럼 드라이버(60), 샘플 및 홀드부(70), 아날로그 디지털 변환부(80), 신호 합성부(90)를 포함한다. 필요에 따라 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함하거나 이미지 신호 프로세서가 외부 장치로서 결합될 수 있다.
화소 어레이(10)는 다수의 화소들이 2차원 행렬 형태로 배치되어 있으며, 각 화소는 로우(row) 라인들 중 하나 및 컬럼(column) 라인들 중 하나와 접속된다.
다수의 화소들 각각은 적색 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 적색 화소, 녹색 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 녹색 화소, 청색 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 청색 화소를 포함할 수 있다.
또한, 화소 어레이(10)를 구성하는 다수의 화소들 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 다수의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터의 패턴은 홀수열에는 적색 필터와 녹색 필터가 교번하여 배치되고, 짝수열에는 녹색 필터와 청색 필터가 교번하여 배치된 베이어 패턴(Bayer Pattern)일 수 있다.
화소 어레이(10)에 구현되어 있는 다수의 화소들 각각, 즉 단위 화소의 구동 회로도가 도 3에 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 단위 화소(100), 포토 다이오드(PD), 전송 트랜지스터(Tx), 제1 및 제2 부유 확산 영역(FD1, FD2), 제1 내지 제3 리셋 트랜지스터(Rx1, Rx2, Rx3), 구동 트랜지스터(Dx), 선택 트랜지스터(Sx), 제1 및 제2 전원 전압(VDDP1, VDDP2)이 도시되어 있다.
포토 다이오드(PD)는 빛 에너지를 수신하여 광전하를 생성하고 축적한다. 본 실시예에서는 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간을 2개의 노출 구간, 즉 제1 및 제2 축적시간(1st and 2nd Integration Time)으로 구분하고, 2회에 걸쳐서 각 축적시간 동안 광전하를 축적한다. 본 명세서에서는 제1 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하를 1회차 광전하, 제2 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하를 2회차 광전하라 칭하기로 한다.
제1 축적시간과 제2 축적시간 사이에는 소정 길이의 전달시간이 배치되어 있어 전달시간 동안 1회차 광전하가 포토 다이오드(PD)로부터 제1 부유 확산 영역(FD1)을 지나 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 전달되도록 한다.
전송 트랜지스터(Tx)는 포토 다이오드(PD)와 제1 부유 확산 영역(FD1) 사이에 접속되고, 게이트로 입력되는 전송 제어 신호에 응답하여 포토 다이오드(PD)에 의해 축적된 1회차 광전하 및 2회차 광전하를 소정 시간 간격을 두고 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 전송한다. 소정 시간 간격은 예를 들면, 제1 축적시간의 완료시점 및 제2 축적시간의 완료시점 사이의 간격에 상응한다.
제1 부유 확산 영역(FD1)은 소정 시간 간격을 두고 포토 다이오드(PD)에 의해 축적된 1회차 광전하 및 2회차 광전하를 전송 트랜지스터(Tx)를 통해 수신하고 임시 저장한다.
또한, 제1 부유 확산 영역(FD1)은 각 축적시간(제1 축적시간 및/또는 제2 축적시간) 동안 포토 다이오드(PD)에서 누설되는 전류 혹은 블루밍을 제거하기 위한 경로의 일부로서 기능한다.
제1 리셋 트랜지스터(Rx1)는 제1 부유 확산 영역(FD1)과 제2 부유 확산 영역(FD2) 사이에 접속되고, 게이트로 입력되는 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 제1 부유 확산 영역(FD1)에 임시 저장된 1회차 광전하 및 2회차 광전하를 소정 시간 간격을 두고 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 전송한다.
제2 부유 확산 영역(FD2)은 소정 시간 간격을 두고 제1 부유 확산 영역(FD1)에 임시 저장된 1회차 광전하 및 2회차 광전하를 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)를 통해 수신하고 저장한다.
제2 리셋 트랜지스터(Rx2)는 제2 전원전압(VDDP2)과 제2 부유 확산 영역(FD2) 사이에 접속되고, 게이트로 입력되는 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 제2 부유 확산 영역(FD2)을 제2 전원전압(VDDP2)으로 리셋시킨다.
제3 리셋 트랜지스터(Rx3)는 제1 전원전압(VDDP1)과 제1 부유 확산 영역(FD1) 사이에 접속되고, 게이트로 입력되는 제3 리셋 제어 신호에 응답하여 제1 부유 확산 영역(FD1)을 제1 전원전압(VDDP1)으로 리셋시킨다.
또한, 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)는 제1 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 1회차 광전하가 축적될 때 포토 다이오드(PD)로부터 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 발생하는 누설 전류나 초과 광전하가 제1 전원전압(VDDP1)으로 빠져 나가 인접 화소에 영향을 미치지 않도록 제3 리셋 제어 신호에 의해 턴온될 수 있다. 또는 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)는 제2 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 2회차 광전하가 축적될 때 포토 다이오드(PD)로부터 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 발생하는 누설 전류나 초과 광전하가 제1 전원전압(VDDP1)으로 빠져 나가 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장되어 있는 1회차 광전하 혹은 인접 화소에 영향을 미치지 않도록 제3 리셋 제어 신호에 의해 턴온될 수 있다.
포토 다이오드(PD), 전송 트랜지스터(Tx), 제1 부유 확산 영역(FD1), 제3 리셋 트랜지스터(Rx3), 제1 전원전압(VDDP1)에 이르는 경로가 전류 누설이나 블루밍 현상을 제거하는 경로가 된다.
포토 다이오드(PD)의 포화 전하량을 넘어서는 광전하가 생성되는 경우 전송 트랜지스터(Tx)의 누설 전류 형태로 빠져 나가거나 포토 다이오드(PD)를 둘러싸고 있는 STI(Shallow Trench Isolation) 영역으로 넘쳐 주변에 인접한 타 단위 화소의 포토 다이오드(PD) 혹은 부유 확산 영역(FD)에 영향을 미치게 된다. 이를 방지하기 위해 전송 트랜지스터(Tx)의 오프 전류(Off current)를 상대적으로 크게 함으로써 포토 다이오드(PD)에서 과생성된 초과 광전하에 대해서 전송 트랜지스터(Tx)의 누설 전류로 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 흐르게 하고, 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 넘어온 광전하는 턴온된 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)를 통해 제1 전원전압(VDDP1)으로 빠져 나갈 수 있게 된다.
구동 트랜지스터(Dx)는 전원전압(제1 전원전압(VDDP1) 혹은 제2 전원전압(VDDP2))과 제1 노드(N1) 사이에 접속되며, 게이트에 접속된 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 광전하에 기초하여 제1 노드(N1)를 소스 팔로우(source follow)한다.
선택 트랜지스터(Sx)는 제1 노드(N1)와 출력 노드(ND) 사이에 접속되며, 게이트에 입력되는 선택 신호에 응답하여 제1 노드(N1)와 출력 노드(ND) 사이에 전기적 경로를 형성하여 제1 노드(N1)의 전압이 출력 신호로 출력되도록 한다.
이상에서 각 제어 신호(예를 들면, 전송 제어 신호, 리셋 제어 신호, 선택 신호 등)는 액티브될 때(즉, 논리 하이 혹은 논리 로우 중 하나의 상태에 있을 때) 제어 대상이 되는 트랜지스터를 턴온시키는 것으로 가정할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 다수의 화소들 각각은 로우 드라이버(40)에서 발생된 다수의 제어 신호들(예를 들어, PTG, RST, RSEL 등)에 응답하여 화소 신호들(예를 들어, 참조 신호 및 데이터 신호)을 컬럼 단위로 출력한다.
제어부(20)는 로우 어드레스 디코더(30), 로우 드라이버(40), 컬럼 어드레스 디코더(50), 컬럼 드라이버(60), 샘플 및 홀드부(70), ADC(80), 신호 합성부(90)의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어신호들을 출력할 수 있으며, 화소 어레이(10)에서 감지된 화소 신호들의 출력을 위한 어드레싱 신호를 생성할 수 있다.
제어부(20)는 화소 어레이(10)에 구현된 다수의 화소들 중 어느 하나의 화소에서 감지된 화소 신호의 출력을 위해 해당 화소가 접속된 로우 라인을 선택하기 위하여 로우 어드레스 디코더(30) 및 로우 드라이버(40)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(20)는 해당 화소가 접속된 컬럼 라인을 선택하기 위하여 컬럼 어드레스 디코더(50) 및 컬럼 드라이버(60)를 제어할 수 있다.
제어부(20)는 선택된 화소에 대하여 단위 노출 시간 동안 제1 축적시간 및 제2 축적시간으로 구분하여 복수 회차의 화소 데이터가 출력되고 후술할 신호 합성부(90)에서 합성되도록 제어할 수 있다.
샘플 및 홀드부(70)는 컬럼 드라이버(60)를 통해 최종 선택된 화소로부터 출력되는 화소 신호들(예를 들면, 참조 신호 및/또는 데이터 신호)을 샘플 및 홀드한다.
ADC(80)는 샘플 및 홀드된 화소 신호를 아날로그-디지털 변환한다. ADC(80)는 샘플 및 홀드부(70)에서 출력되는 화소 신호들(예를 들면, 참조 신호 및/또는 데이터 신호)을 상관 이중 샘플링하는 CDS 회로를 더 포함할 수 있으며, 상관 이중 샘플링된 신호와 램프 신호(미도시)를 비교하고 비교결과를 아날로그-디지털 변환된 화소 데이터로 출력할 수 있다.
신호 합성부(90)는 ADC(80)에서 출력된 제1 축적시간 동안의 화소 데이터인 1회차 화소 데이터와 제2 축적시간 동안의 화소 데이터인 2회차 화소 데이터를 합성하여 넓은 동적범위를 획득할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 ADC(80) 후단에 신호 합성부(90)가 배치된 것으로 설명하였지만, 실시예에 따라 ADC(80) 전단에 신호 합성부(90)가 배치되어 있어, 신호 합성부(90)는 아날로그 형태의 각 회차 화소 데이터를 합성할 수도 있을 것이다.
이하에서는 화소 어레이에 구현된 단위 화소에서 1회차 화소 데이터 및 2회차 화소 데이터를 구분 저장하고 독출하기 위한 구동 방법에 대하여 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 평면 레이 아웃을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 AB선에 따른 단면도로서 전류 누설/블루밍 제거 경로를 나타낸 도면이며, 도 6은 도 4에 도시된 AB선에 따른 단면도 및 포텐셜 구조를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단위 화소의 평면 레이 아웃 및 포토 다이오드에서 발생 가능한 초과 광전하에 대한 제거 경로가 도시되어 있다.
포토 다이오드(PD)는 활성 영역 중 폭이 넓은 부분에 형성되며, 빛을 받아 광전하를 생성한다. 전송 트랜지스터(Tx)는 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 전달한다. 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)는 제1 부유 확산 영역(FD1)에 임시 저장된 광전하를 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 전달한다. 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 광전하는 게이트를 가지는 구동 트랜지스터(Dx)에 의해 소스 팔로우되며, 구동 트랜지스터(Dx)에 연결된 선택 트랜지스터(Sx)를 통해 출력 신호로 출력된다.
제2 리셋 트랜지스터(Rx2)는 제2 부유 확산 영역(FD2)의 전위를 세팅 또는 리셋시키며, 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)는 제1 부유 확산 영역(FD1)의 전위를 세팅 또는 리셋시킨다. 특히 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)는 제1 축적시간 및/또는 제2 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)의 포화 전하량을 넘어서서 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 넘친 초과 광전하가 제거 경로(P1)를 따라 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 이전 회차의 광전하에 영향을 미치지 않고 제1 전원전압(VDDP1)으로 빠져 나가도록 턴온되어 있을 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단위 화소에서 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 제1 부유 확산 영역 및 제2 부유 확산 영역으로 전달하기 위한 포텐셜(Potential) 구조가 도시되어 있다. 도 6에 도시된 포텐셜 전위의 값은 예시적인 것으로, 필요에 따라 변화가능함은 물론이다.
광전하는 전자이기 때문에 이를 원활히 전달하기 위해서는 도착지의 전위가 출발지의 전위보다 높아야 한다. 이는 제2 부유 확산 영역(FD2)의 리셋 전위가 제1 부유 확산 영역(FD1)의 리셋 전위보다 높아야 하고, 제1 부유 확산 영역(FD1)의 리셋 전위가 포토 다이오드(PD)의 전위보다 높아야 함을 의미한다.
즉, 포토 다이오드(PD), 제1 부유 확산 영역(FD1), 제2 부유 확산 영역(FD2) 순으로 전위가 높아지는 포텐셜 구조를 만들 필요가 있으며, 제1 및 제2 전원전압(VDDP2) 및/또는 제1 내지 제3 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Rx1 Vth, Rx2 Vth, Rx3 Vth)을 소정의 설계조건에 따라 적절하게 조합함으로써 이러한 포텐셜 구조를 만들 수 있다.
예를 들면, 제1 설계조건에 따르면 제2 전원전압(VDDP2)이 제1 전원전압(VDDP1)보다 큰 값을 가지도록 할 수 있다(VDDP2 > VDDP1). 이는 전원전압이 높을수록 연결된 리셋 트랜지스터의 리셋 전위를 높게 형성할 수 있기 때문이다.
또는 제1 전원전압(VDDP1)과 제2 전원전압(VDDP2)이 동일한 경우(VDDP1 = VDDP2), 제2 설계조건에 따르면 제2 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Rx2 Vth)이 제3 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Rx3 Vth)보다 작은 값을 가지도록 할 수 있다(Rx2 Vth < Rx3 Vth). 문턱전압이 높은 경우 전압 강하가 커지므로, 리셋 이후 전압이 더 많이 떨어지기 때문이다.
제1 설계조건과 제2 설계조건은 전술한 것과 같이 독립적으로 구현할 수도 있지만, 필요에 따라 조합하여 적용할 수도 있을 것이다.
제1 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Rx1 Vth) 역시 제1 부유 확산 영역(FD1)에서 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 광전하를 원활히 전달하기 위해 적합한 설계조건을 충족시켜야 하며, 제1 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Rx1 Vth)에 관한 설계조건은 제1 및 제2 전원전압(VDDP2), 제2 및 제3 리셋 트랜지스터의 문턱전압(Rx2 Vth, Rx3 Vth)에 종속적으로 영향을 받게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에 적용되는 화소 타이밍 다이어그램이 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에서 광전하를 포토 다이오드에서 제2 부유 확산 영역으로 전달하기 위한 타이밍 다이어그램이다. 이하에서는 논리 하이(High)인 경우에 제어 신호가 액티브된 상태로서 해당 트랜지스터가 턴온되는 것을 가정하여 설명하기로 한다.
하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간은 제1 축적시간(T1), 전달시간(T2), 제2 축적시간(T3)으로 구분될 수 있다.
제1 축적시간(T1) 동안 제3 리셋 제어 신호(1st_Rx3)가 하이로 설정되어 있어 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)가 턴온됨으로써, 제1 축적시간(T1) 동안 포토 다이오드(PD)에서 생성 가능한 초과 광전하가 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 넘치는 경우에도 제1 전원전압(VDDP1)으로 제거 경로(P1)를 따라 빠져 나가도록 함으로써, 제1 축적시간(T1) 동안 발생하는 전류 누설이나 불루밍 현상을 제거할 수 있다.
제1 축적시간(T1)의 완료 후 전달시간(T2) 동안 전송 제어 신호(1st_Tx)와 제1 리셋 제어 신호(1st_Rx1)가 순차적으로 하이가 되도록 설정되어 있어 전송 트랜지스터(Tx)와 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)가 순차적으로 턴온됨으로써, 1회차 광전하가 포토 다이오드(PD)에서 제1 부유 확산 영역(FD1)을 거쳐 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 전달되도록 한다. 도면에서는 전송 제어 신호와 제1 리셋 제어 신호가 순차적으로 하이가 되는 것으로 도시되어 있지만, 실시예에 따라 전송 제어 신호와 제1 리셋 제어 신호는 동시에 하이가 되도록 설정되어 있을 수도 있다.
그리고 제2 축적시간(T3) 동안 제3 리셋 제어 신호(1st_Rx3)가 다시 하이로 설정되어 있어 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)가 다시 턴온됨으로써, 제2 축적시간(T3) 동안 포토 다이오드(PD)에서 생성 가능한 초과 광전하가 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 넘치는 경우에도 제1 전원전압(VDDP1)으로 제거 경로(P1)를 따라 빠져 나가도록 함으로써, 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 1회차 광전하에 영향을 미치지 않고 인접 화소에도 영향을 미치지 않으면서 제2 축적시간(T3) 동안 발생하는 전류 누설이나 불루밍 현상을 제거할 수 있다.
제2 축적시간(T3)이 완료된 후 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 1회차 광전하와 포토 다이오드(PD)에 저장된 2회차 광전하를 독출하는 과정에 대하여 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 구조에서 저장된 1회차 화소 데이터 및 2회차 화소 데이터를 독출하기 위한 타이밍 다이어그램이다. 여기서, CDS 방식에 따라 화소 데이터를 독출하게 되며, 참조 신호와 데이터 신호의 독출 순서는 중요하지 않다.
도 8을 참조하면, 1회차 화소 데이터를 독출함에 있어서 우선 제1 샘플 및 홀드 데이터 신호(1st_SHD)에 의해 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 1회차 광전하에 따른 전위가 1회차 데이터 신호(1st Vsig)로 샘플 및 홀드된다.
이후 제2 리셋 제어 신호(1st_Rx2)에 의해 제2 리셋 트랜지스터(Rx2)를 턴온시킴으로써 제2 부유 확산 영역(FD2)의 전위를 제2 전원전압(VDDP2)으로 리셋시킨다. 그리고 제1 샘플 및 홀드 참조 신호(1st_SHR)에 의해 제2 부유 확산 영역(FD2)의 리셋 전위가 1회차 참조 신호(1st Vref)로 샘플 및 홀드된다.
순차적으로 샘플 및 홀드된 1회차 데이터 신호(1st Vsig)와 1회차 참조 신호(1st Vref)의 차이가 CDS 방식에 따라 1회차 화소 데이터로 독출된다.
이후 제2 리셋 트랜지스터(Rx2) 및 제3 리셋 트랜지스터(Rx3)가 각각 제2 리셋 제어 신호(2nd_Rx2) 및 제3 리셋 제어 신호(2nd_Rx3)에 의해 순차적으로 턴온시킴으로써, 제2 부유 확산 영역(FD2) 및 제1 부유 확산 영역(FD1)이 리셋되도록 한다. 이 경우 리셋 순서는 변경될 수 있으며, 필요에 따라 동시에 리셋될 수도 있을 것이다.
이후 2회차 화소 데이터를 독출함에 있어서, 제2 부유 확산 영역(FD2)이 리셋된 상태에 놓여 있기 때문에 이번에는 참조 신호 및 데이터 신호의 순서로 샘플 및 홀드한다.
우선 제2 샘플 및 홀드 참조 신호(2nd_SHR)에 의해 제2 부유 확산 영역(FD2)의 리셋 전위가 2회차 참조 신호(2nd Vref)로 샘플 및 홀드된다.
그리고 포토 다이오드(PD)에 저장된 2회차 광전하가 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 전달될 수 있도록, 전송 제어 신호(2nd_Tx) 및 제1 리셋 제어 신호(2nd_Rx1)를 이용하여 전송 트랜지스터(Tx)와 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)를 각각 턴온시킴으로써 제2 부유 확산 영역(FD2)에 2회차 광전하가 전달되어 저장되도록 한다. 이 경우 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)의 턴온은 전송 트랜지스터(Tx)의 턴온 이후에 이루어지거나 동시에 이루어질 수 있을 것이다.
이후 제2 샘플 및 홀드 데이터 신호(2nd_SHD)에 의해 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 2회차 광전하에 의한 전위가 2회차 데이터 신호(2nd Vsig)로 샘플 및 홀드된다.
순차적으로 샘플 및 홀드된 2회차 참조 신호(2nd Vref)와 2회차 데이터 신호(2nd Vsig)의 차이가 CDS 방식에 따라 2회차 화소 데이터로 독출된다
순차적으로 독출된 1회차 화소 데이터와 2회차 화소 데이터는 신호 합성부(90)에서 합성되어 넓은 동적범위를 가지는 이미지 센서가 구현되도록 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 이미지 센서 10: 화소 어레이
20: 제어부 30: 로우 어드레스 디코더
40: 로우 드라이버 50: 컬럼 어드레스 디코더
60: 컬럼 드라이버 70: 샘플 및 홀드부
80: ADC 90: 신호 합성부
100: 단위 화소
20: 제어부 30: 로우 어드레스 디코더
40: 로우 드라이버 50: 컬럼 어드레스 디코더
60: 컬럼 드라이버 70: 샘플 및 홀드부
80: ADC 90: 신호 합성부
100: 단위 화소
Claims (21)
- 이미지 센서의 화소 회로에 있어서,
포토 다이오드;
상기 포토 다이오드의 일측에 형성되는 제1 부유 확산 영역;
상기 제1 부유 확산 영역의 일측에 형성되는 제2 부유 확산 영역;
전송 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 생성된 광전하를 상기 제1 부유 확산 영역으로 전송하는 전송 트랜지스터;
제1 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 부유 확산 영역에 임시 저장된 광전하를 상기 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 제1 리셋 트랜지스터;
상기 제2 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 구동 트랜지스터;
선택 신호에 따라 상기 구동 트랜지스터의 출력을 화소 신호로 출력하는 선택 트랜지스터;
제2 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제2 부유 확산 영역을 제2 전원전압으로 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터; 및
제3 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 부유 확산 영역을 제1 전원전압으로 리셋시키는 제3 리셋 트랜지스터를 포함하되,
상기 포토 다이오드는 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에서 구분되는 제1 축적시간 및 제2 축적시간 동안 1회차 광전하 및 2회차 광전하를 생성하여 축적하고,
상기 제3 리셋 제어 신호는 상기 제1 축적시간 또는 상기 제2 축적시간 동안 상기 제3 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토 다이오드에서 상기 제1 부유 확산 영역으로의 누설 전류 혹은 초과 광전하를 상기 제1 전원전압으로 빠져 나가게 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전송 제어 신호는 상기 제1 축적시간과 상기 제2 축적시간 사이의 전달시간 동안에 상기 전송 트랜지스터를 턴온시켜 상기 1회차 광전하를 상기 포토 다이오드에서 상기 제1 부유 확산 영역으로 전송시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 리셋 제어 신호는 상기 전달시간 동안 상기 전송 트랜지스터와 동시에 또는 상기 전송 트랜지스터가 턴온된 이후에 상기 제1 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 1회차 광전하를 상기 제1 부유 확산 영역에서 상기 제2 부유 확산 영역으로 전송시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 축적시간의 완료 이후 상기 제2 부유 확산 영역에 상기 1회차 광전하가 저장되어 있고 상기 포토 다이오드에 상기 2회차 광전하가 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제7항에 있어서,
상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 1회차 광전하에 상응하는 1회차 데이터 신호가 상기 화소 신호로 출력된 후 상기 제2 리셋 제어 신호가 액티브되도록 하여 상기 제2 부유 확산 영역을 상기 제2 전원전압으로 리셋하고, 상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 제2 전원전압에 상응하는 1회차 참조 신호가 상기 화소 신호로 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제8항에 있어서,
상기 제2 리셋 제어 신호 및 상기 제3 리셋 제어 신호가 동시에 또는 임의의 순서로 액티브되도록 하여 상기 제2 리셋 트랜지스터 및 상기 제3 리셋 트랜지스터가 턴온되어 상기 제2 부유 확산 영역 및 상기 제1 부유 확산 영역이 리셋되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제9항에 있어서,
상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 제2 전원전압에 상응하는 2회차 참조 신호가 상기 화소 신호로 출력된 후 상기 전송 제어 신호 및 상기 제1 리셋 제어 신호가 동시에 또는 순차적으로 액티브되도록 하여 상기 전송 트랜지스터 및 상기 제1 리셋 트랜지스터가 턴온되어 상기 포토 다이오드에 저장된 상기 2회차 광전하가 상기 제1 부유 확산 영역을 지나 상기 제2 부유 확산 영역으로 전달되도록 하고, 상기 선택 신호가 액티브되도록 하여 상기 2회차 광전하에 상응하는 2회차 데이터 신호가 상기 화소 신호로 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제10항에 있어서,
상기 1회차 데이터 신호와 상기 1회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 1회차 화소 신호와, 상기 2회차 데이터 신호와 상기 2회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 2회차 화소 신호를 합성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 1회차 광전하 및 상기 2회차 광전하에 상응하는 화소 신호들을 합성함으로써 상기 영상 프레임에 대하여 광역 동적범위를 획득하도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 전원전압이 상기 제1 전원전압보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 제1항 또는 제13항에 있어서,
상기 제2 리셋 트랜지스터의 문턱전압이 상기 제3 리셋 트랜지스터의 문턱전압보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
- 이미지 센서의 화소 회로 구동방법에 있어서,
제1 축적시간 동안 포토 다이오드에 1회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계;
상기 1회차 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 제1 부유 확산 영역을 거쳐 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 단계; 및
제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 2회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계를 포함하되,
상기 제1 축적시간 및 상기 제2 축적시간은 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 포함되고,
상기 1회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계 또는 상기 2회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계에서, 상기 제1 부유 확산 영역과 전원전압 사이에 전기적 경로를 생성하는 단계가 함께 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
- 삭제
- 삭제
- 제15항에 있어서,
상기 제2 부유 확산 영역에 저장된 상기 1회차 광전하에 상응하는 1회차 데이터 신호를 독출하는 단계;
상기 제2 부유 확산 영역을 리셋시키는 단계;
상기 제2 부유 확산 영역의 리셋 전위에 상응하는 1회차 참조 신호를 독출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제1 부유 확산 영역을 리셋시키는 단계; 및
상기 제2 부유 확산 영역을 리셋시키는 단계를 더 포함하되,
상기 제1 부유 확산 영역의 리셋 단계와 상기 제2 부유 확산 영역의 리셋 단계는 동시에 또는 임의의 순서에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
- 제19항에 있어서,
상기 제2 부유 확산 영역의 리셋 전위에 상응하는 2회차 참조 신호를 독출하는 단계;
상기 2회차 광전하를 상기 포토 다이오드로부터 상기 제1 부유 확산 영역을 거쳐 상기 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 단계;
상기 제2 부유 확산 영역에 저장된 상기 2회차 광전하에 상응하는 2회차 데이터 신호를 독출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
- 제20항에 있어서,
상기 1회차 데이터 신호와 상기 1회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 1회차 화소 신호와, 상기 2회차 데이터 신호와 상기 2회차 참조 신호를 상관 이중 샘플링한 2회차 화소 신호를 합성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
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| KR1020110040395A KR101248436B1 (ko) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법 |
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| KR1020110040395A KR101248436B1 (ko) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서의 화소 회로 및 그 구동 방법 |
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