KR101356049B1

KR101356049B1 - 상보적 램프신호를 이용하여 ａ／ｄ 변환을 수행하는 ａｄｃ 및 이를 적용한 이미지 센싱 장치

Info

Publication number: KR101356049B1
Application number: KR1020120027123A
Authority: KR
Inventors: 조규성; 이대희; 김현덕; 배준형; 김형택; 김종열; 강동욱; 조민식; 김명수; 유현준
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2014-01-29
Also published as: KR20130105034A

Abstract

상보적 램프신호를 이용하여 Ａ／Ｄ 변환을 수행하는 ＡＤＣ 및 이를 적용한 이미지 센싱 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 아날로그 픽셀값을 출력하는 픽셀, 픽셀에서 출력되는 아날로그 픽셀값을 샘플신호 앤드 홀드하여 샘플신호를 생성하는 S/H 및 S/H에서 생성된 샘플신호를 다수의 램프신호들과 비교하여 디지털화하는 ADC를 포함한다. 이에 의해, A/D 변환 속도를 증가시킬 수 있게 되어, 단위시간당 처리할 수 있는 픽셀값들의 개수 증가를 통해 고화질 영상을 지연 없이 제공하는 기틀을 마련할 수 있게 된다.

Description

상보적 램프신호를 이용하여 Ａ／Ｄ 변환을 수행하는 ＡＤＣ 및 이를 적용한 이미지 센싱 장치{ADC for A/D conversion using complementary ramp signal and image sensing device using the same}

본 발명은 ADC 및 이를 적용한 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 샘플신호를 램프신호와 비교하여 디지털화하여 출력하는 ADC 및 이를 적용한 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 회로인 ADC(Analog to Digital Converter)는 S/H(Sample and Hold)된 신호를 램프신호와 비교하여 디지털 신호로 변환한다. 여기서, 사용되는 램프신호는 시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호가 일반적이다.

고해상도 영상에서는 생성하고 처리하여야 할 픽셀값이 매우 많은데, 영상의 해상도는 점점 증가하는 추세에 있다. 따라서, 이미지 센싱 장치에서도 픽셀값에 대한 처리 속도를 증가시킬 것이 요구되는데, 이는 아날로그 픽셀값을 디지털화하는 ADC에서 더욱 그러하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, A/D 변환 속도를 증가시키기 위한 방안으로, 샘플신호를 다수의 램프신호들과 비교하여 디지털화하는 이미지 센싱 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 샘플신호를 다수의 램프신호들과 비교하여 디지털화하는 ADC를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 이미지 센싱 장치는, 아날로그 픽셀값을 출력하는 픽셀; 상기 픽셀에서 출력되는 아날로그 픽셀값을 샘플신호 앤드 홀드(Sample and Hold)하여 샘플신호를 생성하는 S/H(Sample and Hold aplifier); 및 상기 S/H에서 생성된 샘플신호를 다수의 램프신호들과 비교하여 디지털화하는 ADC(Analog to Digital Converter);를 포함한다.

그리고, 상기 다수의 램프신호들은, 상보적인 램프신호들일 수 있다.

또한, 상기 상보적인 램프신호들은, 시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호와 시간 경과에 따라 선형으로 감소하는 다운-램프신호를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 ADC는, 상기 업-램프신호와 상기 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제1 비교부; 상기 다운-램프신호와 상기 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제2 비교부; 및 카운팅값을 저장하다가 상기 제1 비교부 또는 상기 제2 비교부에서 래치신호가 출력되면, 최근에 저장된 카운팅값을 출력하는 메모리;를 포함하고, 상기 메모리에 저장된 카운팅값으로 상기 샘플신호의 레벨을 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 상기 카운팅값을 보수로 변환하는 보수 변환기; 및 상기 메모리에서 출력되는 카운팅값을 상기 ADC 외부로 직접 출력하거나 상기 보수 변환기를 통해 상기 ADC 외부로 출력하는 스위치;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 스위치는, 상기 제2 비교부에서 출력된 래치신호를 수신하지 않으면, 상기 메모리에서 출력되는 카운팅값이 상기 ADC 외부로 직접 출력되도록 스위칭할 수 있다.

또한, 상기 스위치는, 상기 제2 비교부에서 출력된 래치신호를 수신하면, 상기 메모리에서 출력되는 카운팅값이 상기 보수 변환기를 통해 상기 ADC 외부로 출력되도록 스위칭할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, ADC(Analog to Digital Converter)는, 제1 신호와 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제1 비교부; 제2 신호와 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제2 비교부; 카운팅값을 저장하다가 상기 제1 비교부 또는 상기 제2 비교부에서 래치신호가 출력되면, 최근에 저장된 카운팅값을 출력하는 메모리; 상기 카운팅값을 보수로 변환하는 보수 변환기; 및 상기 메모리에서 출력되는 카운팅값을 외부로 직접 출력하거나 상기 보수 변환기를 통해 외부로 출력하는 스위치;를 포함한다.

그리고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는, 상보적인 신호들일 수 있다.

또한, 상기 상보적인 신호들은, 시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호와 시간 경과에 따라 선형으로 감소하는 다운-램프신호를 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 샘플신호를 다수의 램프신호들(특히, 상보적인 램프신호들)과 비교하여 디지털화할 수 있게 되므로, A/D 변환 속도를 증가시킬 수 있게 된다.

특히, 업-램프신호와 다운-램프신호를 이용하여 샘플신호를 디지털화하는 경우, 기존의 업-램프신호만을 이용하는 경우 보다 변환 속도를 2배로 증가시킬 수 있게 된다.

이와 같은 변환 속도의 증가는, 단위시간당 처리할 수 있는 픽셀값들의 개수 증가로 이어지므로, 고화질의 영상을 지연 없이 제공하는 기틀을 마련할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 적용가능한 이미지 센싱 장치의 설명에 제공되는 도면,
도 2는, 도 1에 도시된 ADC의 상세 블럭도,
도 3은, 샘플신호 출력, 램프신호 발생, 카운터의 리셋과 동작 간의 관계가 나타난 타이밍도, 그리고,
도 4는 업-램프신호만을 이용한 샘플신호 비교와, 업-램프신호와 다운-램프신호 모두를 이용한 샘플신호 비교의 설명에 제공되는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용가능한 이미지 센싱 장치의 설명에 제공되는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용가능한 이미지 센싱 장치는, 픽셀들(110-1, 110-2, ... , 110-n), S/H(Sample and Hold aplifier)들(120-1, 120-2, ... , 120-n), ADC(Analog to Digital Converter)들(130-1, 130-2, ... , 130-n), 램프신호 발생부(140) 및 카운터(150)를 구비한다.

픽셀 #1(110-1)은 이미지 센싱 장치의 촬상면에서 첫 번째 열에 위치하는 픽셀들이고, 픽셀 #2(110-2)는 이미지 센싱 장치의 촬상면에서 두 번째 열에 위치하는 픽셀들이며, ... , 픽셀 #n(110-n)은 이미지 센싱 장치의 촬상면에서 n 번째 열에 위치하는 픽셀들이다.

S/H #1(120-1)은 픽셀 #1(110-1)을 구성하는 픽셀들에서의 아날로그 출력들을 순차적으로 Sample and Hold하여 샘플신호를 생성한다. 즉, S/H #1(120-1)은 첫 번째 열에 위치하는 픽셀들에서 출력되는 아날로그 출력들에 대한 Sample and Hold를 담당한다.

마찬가지로, S/H #2(120-2)는 픽셀 #2(110-2)를 구성하는 픽셀들에서의 아날로그 출력들을 순차적으로 Sample and Hold하여 샘플신호를 생성하고, ... , S/H #n(120-n)은 픽셀 #n(110-n)을 구성하는 픽셀들에서의 아날로그 출력들을 순차적으로 Sample and Hold하여 샘플신호를 생성한다.

ADC #1(130-1)은 S/H #1(120-1)에서 생성된 샘플신호를 디지털화하여 출력한다. 즉, ADC #1(130-1)은 첫 번째 열에 위치하는 픽셀들에서의 아날로그 픽셀값들에 대한 디지털화 담당한다고 할 수 있다.

마찬가지로, ADC #2(130-2)는 S/H #2(120-2)에서 생성된 샘플신호를 디지털화하여 출력하고, ... , ADC #n(130-n)은 S/H #n(120-n)에서 생성된 샘플신호를 디지털화하여 출력한다.

램프신호 발생부(140)는 램프신호를 발생시켜 ADC들(130-1, 130-2, ... , 130-n)에 인가한다. 램프신호 발생부(140)에 의해 발생되는 램프신호에는, 1) 시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호와 2) 시간 경과에 따라 선형으로 감소하는 다운-램프신호가 포함된다.

ADC들(130-1, 130-2, ... , 130-n)은 램프신호 발생부(140)에 의해 발생된 램프신호들을 이용하여 S/H들(120-1, 120-2, ... , 120-n)로부터 인가받은 샘플신호를 비교하고, 카운터(150)로부터 인가되는 카운팅 값으로 샘플신호의 크기를 디지털화한다.

이하에서, 도 1에 도시된 ADC들(130-1, 130-2, ... , 130-n)에 대해, 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는, 도 1에 도시된 ADC의 상세 블럭도이다.

ADC들(130-1, 130-2, ... , 130-n)은 동일한 구성으로 구현가능하므로, 도 2에서는 ADC들(130-1, 130-2, ... , 130-n)을 참조부호 "130"으로 대표하여 하나만 도시하였다.

또한, ADC(130)에 의한 A/D 변환에는 램프신호 발생부(140)와 카운터(150)가 반드시 필요하므로, 도 2에는 램프신호 발생부(140)의 세부 구성과 카운터(150)를 함께 도시하였다.

아울러, 이해와 설명의 편의를 위해, 도 2에서는 픽셀들(110-1, 110-2, ... , 110-n)과 S/H들(120-1, 120-2, ... , 120-n)을 참조부호 "110"과 "120"으로 각각 대표하여 하나씩 도시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 1) ADC(130)는 비교기-1(131), 비교기-2(132), 메모리(133), 스위치(134) 및 보수 변환기(135)를 구비하고, 2) 램프신호 발생부(140)는 업-램프신호 발생기(141)와 다운-램프신호 발생기(142)를 구비한다.

S/H(120)는 픽셀(110)에서 아날로그로 출력되는 픽셀값을 Sample and Hold하여 생성한 샘플신호를 비교기-1(131)과 비교기-2(132)에 출력한다.

S/H(120)에서 샘플신호가 출력되는 시점에, 램프신호 발생부(140)는 램프신호 발생을 개시한다.

구체적으로, 업-램프신호 발생기(141)는 시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호를 발생시켜 비교기-1(131)에 인가하고, 다운-램프신호 발생기(142)는 시간 경과에 따라 선형으로 감소하는 다운-램프신호를 발생시켜 비교기-2(132)에 인가한다.

또한, S/H(120)에서 샘플신호가 출력되면, 카운터(150)가 리셋되어 새로운 카운팅을 시작한다.

S/H(120)에서의 샘플신호 출력, 램프신호 발생부(140)의 램프신호 발생, 카운터(150)의 리셋과 동작 간의 관계는, 도 3에 도시된 타이밍도를 통해 파악 가능하다.

비교기-1(131)은 샘플신호와 업-램프신호를 비교하며, 양자가 일치하는 시점에 메모리(133)로 래치신호를 출력한다. 그리고, 비교기-2(132)는 샘플신호와 다운-램프신호를 비교하며, 양자가 일치하는 시점에 메모리(133)로 래치신호를 출력한다.

비교기-2(132)에서 출력되는 래치신호는 메모리(133) 외에 스위치(134)로도 전달된다.

메모리(133)는 카운터(150)로부터 인가되는 카운팅값을 갱신하면서 저장하여 최근에 인가된 카운팅값만을 보유한다. 비교기-1(131) 또는 비교기-2(132) 중 어느 하나로부터 래치신호를 수신하면, 메모리(133)는 저장되어 최근에 인가된 카운팅값을 스위치(134)로 출력한다.

스위치(134)는 메모리(133)로부터 수신되는 카운팅값이, ADC(130) 외부 또는 보수 변환기(135)에 선택적으로 전달되도록 스위칭한다. 스위치(134)의 스위칭 동작은 비교기-2(132)에서 출력되는 래치신호에 의해 제어된다.

구체적으로, 비교기-2(132)에서 래치신호가 먼저 출력되지 않은 경우, 스위치(134)는 카운팅값을 ADC(130) 외부에 바로 출력한다. 비교기-2(132)에서 래치신호가 먼저 출력되지 않은 경우는 비교기-1(131)에서 래치신호가 먼저 출력된 경우로, 카운팅값은 샘플신호과 업-램프신호가 동일해진 시점을 나타낸다.

따라서, 카운팅값은 샘플신호(픽셀값)에 비례하기 때문에, 카운팅값은 그 자체로 픽셀값을 나타낸다고 할 수 있다.

한편, 비교기-2(132)에서 래치신호가 먼저 출력된 경우, 스위치(134)는 카운팅값을 보수 변환기(135)를 통해 ADC(130) 외부에 출력한다. 비교기-2(132)에서 래치신호가 먼저 출력되는 경우, 카운팅값은 샘플신호와 다운-램프신호가 동일해진 시점을 나타낸다.

따라서, 카운팅값은 샘플신호(픽셀값)에 반비례하기 때문에, 카운팅값의 보수가 픽셀값을 나타내므로, 카운팅값을 보수 변환기(135)를 통해 ADC(130) 외부로 출력하는 것이다.

도 4의 하부에 도시된 그래프를 참조하면, 이를 분명하게 이해할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같은 레벨의 샘플신호(Sampled Signal)가 비교기-1(131)과 비교기-2(132)에 인가된다면, 샘플신호는 "t₁" 시점에 다운-램프신호와 동일해지므로, "t₁" 시점에 비교기-2(132)에서 래치신호가 출력된다.

그러면, 메모리(133)에서는 카운팅값으로 "t₁"이 출력되는데, 이는 스위치(134)를 통해 보수 변환기(135)로 전달되어 "t₂"로 변환된다. 보다 구체적으로, "t₁"을 0010₂라고 가정한다면, 보수 변환기(135)에서 보수로 변환되어 출력되는 "t₂"는 1101₂가 된다.

만약, 업-램프신호와 다운-램프신호 모두를 이용하여 샘플신호를 비교하지 않고, 업-램프신호만을 이용하였다면, 도 4의 상부에 도시된 바와 같이, 비교기에서는 "t₂" 시점에 래치신호가 출력되어 메모리(133)에서 카운팅값으로 "t₂"이 출력될 것이다.

도 4의 상부와 하부를 비교하면, 업-램프신호만을 이용하는 경우(상부)에 샘플신호의 레벨을 검출하는 시간(t₂) 보다 업-램프신호와 다운-램프신호 모두를 이용하는 경우(하부)에 샘플신호의 레벨을 검출하는 시간(t₁)이 훨씬 단축됨을 확인할 수 있다.

지금까지, A/D 변환 속도를 증가시키기 위해, 상보적인 램프신호들을 샘플신호와 비교하여 디지털화하는 이미지 센싱 장치에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에서 언급한 램프신호들은 필요에 따라 다른 신호들로 대체될 수 있음은 물론이고, 설계에 따라 상보적이지 않은 신호들로 대체되는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 이미지 센싱 장치를 구성하는 ADC(130)만을 구현하거나 ADC(130)를 다른 장치에 구현하는 경우도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다. 다만, 이 경우 ADC(130)에 램프신호 발생부(140)와 카운터(150)를 내장시키거나 부가해야 할 필요가 발생할 수도 있는데, 이는 구현상 선택의 문제이다.

그리고, 위 실시예에서는 2개의 램프신호들을 이용하는 것으로 설명하였으나, 3개 이상의 램프신호들을 이용하는 경우도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110, 110-1, 110-2, ... , 110-n : 픽셀
120, 120-1, 120-2, ... , 120-n : S/H(Sample and Hold aplifier)
130, 130-1, 130-2, ... , 130-n : ADC(Analog to Digital Converter)
131, 132 : 비교기 133 : 메모리
134 : 스위치 135 : 보수 변환기
140 : 램프신호 발생부 141 : 업-램프신호 발생기
142 : 다운-램프신호 발생기 150 : 카운터

Claims

아날로그 픽셀값을 출력하는 픽셀;
상기 픽셀에서 출력되는 아날로그 픽셀값을 샘플신호 앤드 홀드(Sample and Hold)하여 샘플신호를 생성하는 S/H(Sample and Hold aplifier); 및
상기 S/H에서 생성된 샘플신호를 다수의 램프신호들과 비교하여 디지털화하는 ADC(Analog to Digital Converter);를 포함하고,
상기 다수의 램프신호들은,
시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호와 시간 경과에 따라 선형으로 감소하는 다운-램프신호를 포함하며,
상기 ADC는,
상기 업-램프신호와 상기 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제1 비교부;
상기 다운-램프신호와 상기 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제2 비교부;
카운팅값을 저장하다가 상기 제1 비교부 또는 상기 제2 비교부에서 래치신호가 출력되면, 최근에 저장된 카운팅값을 출력하는 메모리;
상기 카운팅값을 보수로 변환하는 보수 변환기; 및
상기 메모리에서 출력되는 카운팅값을 상기 ADC 외부로 직접 출력하거나 상기 보수 변환기를 통해 상기 ADC 외부로 출력하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
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제 1항에 있어서,
상기 스위치는,
상기 제2 비교부에서 출력된 래치신호를 수신하지 않으면, 상기 메모리에서 출력되는 카운팅값이 상기 ADC 외부로 직접 출력되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
제 1항에 있어서,
상기 스위치는,
상기 제2 비교부에서 출력된 래치신호를 수신하면, 상기 메모리에서 출력되는 카운팅값이 상기 보수 변환기를 통해 상기 ADC 외부로 출력되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
제1 신호와 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제1 비교부;
제2 신호와 샘플신호를 비교하여 일치하면 래치신호를 출력하는 제2 비교부;
카운팅값을 저장하다가 상기 제1 비교부 또는 상기 제2 비교부에서 래치신호가 출력되면, 최근에 저장된 카운팅값을 출력하는 메모리;
상기 카운팅값을 보수로 변환하는 보수 변환기; 및
상기 메모리에서 출력되는 카운팅값을 외부로 직접 출력하거나 상기 보수 변환기를 통해 외부로 출력하는 스위치;를 포함하고,
상기 제1 신호는,
시간 경과에 따라 선형으로 증가하는 업-램프신호이고,
상기 제2 신호는,
시간 경과에 따라 선형으로 감소하는 다운-램프신호인 것을 특징으로 하는 ADC(Analog to Digital Converter).
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