KR101885093B1 - 다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로 - Google Patents

다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 한개의 광다이오드와 적어도 두개의 직렬 트랜지스터를 사용하고, 각각의 트랜지스터는 다이오드 구성과 같이 연결되며 광다이오드의 출력단에 위치되는, 다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로에 관한 것이다. 광다이오드로부터의 출력 전류는 복사 및 증폭되며 트랜지스터의 드레인-소스 채널을 통해 흐르고, 직렬의 마지막 트랜지스터의 소스는 접지 전압, 정전압 또는 제어된 전압 사이에서 선택된 전압에 연결된다.

Description

다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로{LOW-MISMATCH-IMPACT AND LOW-CONSUMPTION TRANSIMPEDANCE GAIN CIRCUIT FOR TEMPORALLY DIFFERENTIATING PHOTO-SENSING SYSTEMS IN DYNAMIC VISION SENSORS}
본 발명은 본 서술적 명세서에 표현되는 바와 같이, 다이오드에 연결되는 트랜지스터에 의해 다이나믹 비전 센서(DVS) 내의 시간 미분(temporally differentiating) 광-센싱(photo-sensing) 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로에 관한 것이다.
본 발명은 전자 회로, 특히 저-소비성, 감소 면적(reduced-area)을 갖는 아날로그 집적 회로 분야에 포함된다. 회로는 특히 전압 전류 전치증폭기(preamplifier) 또는 다른 말로 트랜스임피던스(transimpedance)의 카테고리에 관련된다.
다이나믹 비전 센서(DVS)는, 그것이 특별히 그렇지는 않지만, 비디오 카메라 종류(variety)의 새로운 집적 회로이다. 상업용 비디오 카메라에서, 장치는 포토그램(photogram) 뒤에 포토그램을 기록한다. DVS에는 포토그램이 없다. 집적 회로는 비디오 카메라와 유사한 광센서 매트릭스(photo sensor matrix)를 포함한다. 비디오 카메라에서, 각각의 광센서는 고정 주파수로 샘플링된다. 그러나, DVS에서 픽셀은 샘플링되지 않는다. 모든 픽셀은 그것이 감지하는 빛(light)의 시간 도함수(time derivative)를 계산하고, 이것이 어떤 레벨[임계(threshold)]을 초과할 때, 픽셀은 "이벤트"를 밖으로 낸다. 이벤트는 보통 2차원 광센서 매트릭스 내의 픽셀의 (x,y) 좌표로 구성된다. 이 방식으로, DVS의 출력은 그것이 감지하는 강도(intensity)에 있어서의 변화를 탐지하는 다양한 픽셀의 (x,y) 좌표의 플로우(flow)로 구성된다. 이 타입의 DVS 센서는 2006년에 리히슈타이너, 델브루크 및 포쉬(Lichtsteiner, Delbruck and Posch)에 의해 처음으로 보고되었고("A 128x128 120㏈ 30㎽ Asynchronous Vision Sensor that Responds to Relative Intensity Change" in Visuals Supplement to ISSCC Dig. Of Tech. Papers, San Fransisco, 2006, vol., pp 508-509(27.9) 그리고 다음으로 보다 구체적으로 P.리히슈타이너, C.포쉬 및 T.델브루크.(P. Lichtsteiner, C. Posch and T. Delbruck)에 의해 보고되었다("A 128x128 120㏈ 15㎲ Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor", IEEE J. Solid-State Circuits, vol.43, No.2, pp.556-576, Feb.2008).
보다 최근에, 포쉬는 새로운 프로토타입을 보고했다(C. Posch, D. Matolin and R. Wohlgenannt, "A QGVA 143㏈ dynamic range asynchronous address-event PWM dynamic image sensor with lossless pixel level video-compression" Solid-State Circuits, 2010 IEEE International Conference ISSCC, Dig of Tech Paper, pp.400-401, February 2010).
그러나, 이 DVS 센서에서 광센서에 의해 감지되는 광전류(photocurrent) Iph는 첫째로 대수(logarithmic) 변환에 의해 전압으로 변환된다. 이 전압은 첫째로 증폭되고 그것의 시간 도함수가 다음으로 계산된다. 중요한 파라미터는 이 첫째 증폭에 있어서의 전압 이득이다. 증폭이 커지면 커질수록 센서는 "시간 차이(Temporal Contrast)"에 더욱 민감해질 것이다. 문제는 이 증폭이 매트릭스의 각 픽셀 내에서 실행되어야 하고 거의 파워를 소비하지 않으며 마이크로칩 내에서 거의 면적을 차지하지 않는 회로에 의해 실행되어야 한다는 점이다. 또한, 이것이 픽셀마다 이득값에 있어서 너무 과도하게 부정합 임팩트되지 않는 회로에 의해 실행되어야 하는 점이 중요하고, 반대의 경우라면 그것은 서로와 비교하여 많은 편차를 다양한 픽셀의 속성(behaviour) 속에 넣게 되므로 센서의 전체적인 민감도를 감소시킨다. 지금까지 보고된 DVS는 캐패시터를 갖는 회로에 기반한 전압 증폭 스테이지(stage)를 사용한다. 집적된 아날로그 회로에서, 커패시터는 서로서로 사이에서 저-분산성을 갖고 따라서 전압 증폭 스테이지를 실행하기에 매우 적절하다. 그러나, DVS에서는 약 20 내지 100(또는 이상)의 전압 이득을 얻는 것이 바람직하다. 커패시터로 그와 같이 행하면, 적어도 두개의 커패시터가 요구되고 그 수치 비율은 원하는 이득의 수치 비율과 동일하다. 커패시터의 면적이 그것이 갖는 값에 비례하는 것을 고려하면, 이는 커패시터 중 하나는 다른 하나보다 20 내지 100배 큰 면적을 가져야하는 것을 의미한다. 최종 결과는 픽셀의 면적의 대부분이 커패시터에 의해 소모된다는 점이다.
각 스테이지의 이득이 곱해진다는 것을 고려하면, 가능한 대안은 두개의 연속적인 스테이지에 의해 전압 이득을 얻는 것이다. 그러나, 두개의 연속적인 스테이지 사이에 요구되는 동기화(synchronisation)가 또한 이를 매우 길어지게 하므로 DVS의 속도를 매우 감소시킨다.
목적을 달성하고 위에서 도출된 제한점을 회피하도록, 본 발명은 다이오드 구성에 연결된 트랜지스터에 의해, 다이나믹 비전 센서(DVS)에 있어서 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로로 구성된다.
따라서, 본 발명은 다이나믹 비전 센서(DVS) 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로에 관한 것이고, 그것은 적어도 하나의 광다이오드(photodiode)를 사용하며, 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로는 적어도 두개의 직렬 트랜지스터를 포함하고, 각 한개의 트랜지스터는 다이오드 구성으로 연결되며 상기 광다이오드의 출력단측에 위치된다.
상기 광다이오드의 출력 전류는 상기 트랜지스터로 복사, 증폭 및 공급되며 트랜지스터의 드레인-소스(drain-source) 채널을 통해 흐르고, 마지막 직렬 트랜지스터의 소스(source)는 접지 전압, 정전압과 제어된 전압 사이에서 선택된 전압에 연결된다. 따라서, DVS 카메라로도 알려진 다이나믹 비전 센서를 사용하는 카메라의 픽셀은 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로에 입력 전류를 생성하도록 적어도 하나의 광센서를 필요로한다. 그러나, 상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로가 또 다른 환경(context)에 사용되면, 입력 전류는 광다이오드가 아닌 또 다른 회로 또는 소자로부터 비롯될 수 있다. 실제로, 몇몇의 이들 스테이지가 연속접속(cascade)으로 사용될 때, 예를 들면, 첫번째 하나만 광다이오드로부터 전류를 받고 나머지는 트랜지스터로부터 전류를 받는다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 적어도 두개의 트랜지스터는 지수형(exponential) 전압-전류 특성을 갖는다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에서, 트랜지스터는 약반전(weak inversion)으로 바이어스되는 FET(field-effect transistor) 종류이다.
상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로는 광다이오드에서 생성되는 전류의 극성 및 이득을 제어하기 위한 수단을 포함하고, 상기 이득은 광다이오드와 적어도 두개의 트랜지스터 사이에 위치되는 전류 미러로 구성된다. 상기 전류 미러는 보다 빠른 회로 응답을 얻음으로써 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로의 출력을 향상시킨다.
상기 전류 미러는 전류 복사(copying) 수단을 포함한다.
상기 전류 미러는 전류 증폭 수단을 포함한다.
상기 전류 미러는 광다이오드와 직렬로 연결되고, 이를 구성하는 전류 미러의 출력 전류는 적어도 두개의 트랜지스터의 드레인-소스 채널을 통해 흐른다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로는 전류 미러의 이득을 자동으로 제어하기 위한 분극 회로를 포함하고, 상기 분극 회로는 전류 미러와 적어도 두개의 트랜지스터 사이에 위치된다.
본 발명의 바람직한 추가 실시형태에서, 상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로는 광다이오드에 의해 생성되는 전류에 대한 출력 전압의 대수(logarithmic) 의존성을 갖는 것을 포함한다.
또한, 본 발명은 트랜스컨덕턴스(transconductance) 회로 앞 스테이지로서 상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로를 위치시킴으로써 전압 증폭 스테이지를 생성하기 위한 DVS 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로의 사용을 고려한다.
또한, 본 발명은 트랜스컨덕턴스 회로 뒤 스테이지로서 상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로를 위치시킴으로써 전압 증폭 스테이지를 생성하기 위한 DVS 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로의 사용을 포함한다.
또한, 본 발명은 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로의 출력 신호의 연속 전압(continuous voltage)을 제거함으로써, 픽셀들 사이의 부정합을 감소시키는 상기 출력단에 신호를 보내기 위한 신호 미분 회로 앞 스테이지로서 DVS 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로의 사용을 포함한다.
도 1은 하나의 단일 스테이지를 포함하는 본 발명의 실시형태의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태의 예시도이고 여기서 회로는 두개의 스테이지로 구성된다.
도 3은 회로에서의 실시형태의 예시도이고 여기서 회로는 각 하나가 "3"과 같은 이득을 갖는 두개의 스테이지를 포함한다.
아래는 도면에 채택된 도면 부호를 참조한, 본 발명의 다양하고 특징적인 실시형태의 예시적이고 비한정적인 서술이다.
본 발명에서, 대수 변환(logarithmic conversion)에 의해 광전류(photocurrent)를 전압으로 변환하는 회로는 동일한 마이크로칩 내의 다양한 픽셀 사이에서 저-부정합-임팩트의 이득을 갖는 전압 증폭을 내재적으로(implicitly) 실행한다.
따라서, 도 1은 본 발명의 목적인 회로의 가장 기본적인 실시형태를 도시한다. 상기 특징적인 실시형태는 이득 A를 갖는 전류 미러(2)에 의해 증폭되는 광전류 Iph를 생성하는 광다이오드(photodiode)(1)를 포함한다. 증폭된 전류는 일련의 N개(N은 자연수)의 트랜지스터(3, 4, 5)에 이르고, 그들 모두는 자신의 게이트를 자신의 드레인에 연결하고 있는데, 그것은 다이오드 구성의 연결로 알려져 있다. 도 1은 3개의 트랜지스터를 도시하지만, 실제로는 임의의 N개의 트랜지스터일 수 있다는 점에 유의해야 한다.
NMOS FET 트랜지스터를 이용하는 실시형태의 경우, 각각의 트랜지스터(3, 4, 5)에 형성되고, 약반전(weak inversion)으로 바이어스되는(biased) 전위차(voltage difference)는 대략
Figure 112013119113363-pct00001
이거나 같다.
이 방식으로, 가장 높은 트랜지스터에서 얻어지는 전압은 대략
Figure 112013119113363-pct00002
이다.
집적 회로의 실시형태에서, 전류 미러의 이득에 대응하는 파라미터 A 및 FET 트랜지스터의 파라미터 특성에 대응하고 보통 "비전류(specific current)"라 칭해지는 Ig는 픽셀마다 크게 변화하는 반면 UT는 모든 픽셀에 대해 동일한 물리 상수이다. 보통 "경사 인자(slope factor)"로 알려진 FET 트랜지스터의 다른 파라미터 특성에 해당하는 파라미터 n은 픽셀마다 상대적으로 작게 변화한다. 출력 전압 VN이 미분 회로(derivative circuit)에 취해질 때, 이는 출력
Figure 112013119113363-pct00003
을 제공한다.
이 회로가 이전 기술에 의해 얻어진 이득에 N인자(N은 각 스테이지에서의 트랜지스터의 갯수)를 추가하는 것과 같은 방식으로 픽셀마다 크게 부정합되는 파라미터 A 및 Ig는 개입되지 않는다.
실제로 매우 높은 N수치를 사용하는 것은 불가능하고 3개 또는 4개로 제한된다. 그러나, 도 1에 도시된 것들과 같은, 서로 다른 스테이지를 연속접속으로 연결하는 것은 가능하다. 이것이 도 2에 도시된다, 여기에서 제 1 스테이지가 N1개의 직렬 트랜지스터를 갖고 제 2 스테이지가 N2개를 갖고 있다.
제 1 블록 VN1(3)에 형성되는 전압은 VQ에 연결된 소스를 가진 트랜지스터(11)의 게이트에 전달되고, 전류
Figure 112013119113363-pct00004
를 생성한다.
회로 VN1으로부터 출력을 유도하면, 다음의 근사적 결과가 얻어진다:
Figure 112013119113363-pct00005
다시 한번, 픽셀 사이의 고-부정합 인덱스의 파라미터는 최종 등식에 나타나지 않는다. 이 방법은 보다 연속적인 스테이지로 확장하는 것을 가능하게 한다.
도 3은 두개의 스테이지를 갖는 예시적인 실시형태를 도시하고, 각 하나가 추가 이득 "3"을 구성한다. 이는 전류 미러의 가능한 실시형태를 도시한다. 상기 추가 이득을 얻도록 3개의 FET 트랜지스터(3', 4', 5')는 각 하나의 스텝에서 연속접속되어 사용된다. FET 트랜지스터(11)는 전류 I2를 생성하도록 전압 VQ에 연결되는 소스를 갖는 제 2 스테이지의 입력단에 위치된다.
전류 미러는 아날로그 집적 회로 디자인에 관한 문헌을 통해 잘 알려진 기본 회로이다. 이것은 그 입력 지선(branch)에서의 전류를 출력 지선으로 복사하고 상기 출력 지선에 선택적 증폭(amplification) 또는 감소(attenuation)를 제공한다. 도 3에서 제 1 스테이지의 전류 미러는 3개의 소자, 즉 자신의 게이트가 각각의 정전압(constant voltage) Va와 Vb에 연결되는 두개의 PMOS FET 트랜지스터(6, 7) 및, 광다이오드(1)를 제 1 PMOS 트랜지스터(6)에 연결하는 노드에 있어서 "가상 접지(virtual ground)" 상태를 만들기에 충분히 높은 이득을 갖는 전압 증폭기(8)로 형성되고, 따라서 회로의 속도를 현저히 향상시키게 된다. 제 2 스테이지(8, 9, 10)의 전류 미러는 그것이 상이한 전압 Vc와 Vd로 극성화(polarized)될 수 있고, 이는 다른 이득을 줄 수 있음에도 불구하고 제 1 스테이지의 그것과 동일하다.
각각의 픽셀에 대해 반복되는 이 회로는 전압 Va, Vb, Vc, Vd, 및 VQ를 고정시키도록 다수의 분극 회로(polarisation circuit)에 의해 보완되고, 모든 픽셀 사이에서 공유되어야 한다.
DVS 카메라를 사용하는 특별한 경우에, 적어도 하나의 광다이오드가 각각의 픽셀에서의 빛을 캡처하도록 필요된다. 따라서, DVS 카메라의 각각의 픽셀에 트랜스임피던스 스테이지(또는 연속접속된 스테이지)가 있을 수 있다.
스테이지가 DVS 카메라 외의 환경에 사용되면 입력 전류는 광다이오드가 아닌 또 다른 회로로부터 올 수 있다. 실제로, 예를 들면, 몇개의 이들 스테이지가 연속접속으로 사용되면, 첫번째 것만 다이오드로부터 전류를 받는다. 나머지는 트랜지스터로부터 전류를 받는다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 광다이오드(1)를 사용하는 다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로로서,
    - 각각이 다이오드 구성으로 연결되며 전류 미러(2)를 통해서 상기 광다이오드(1)의 출력단에 위치되는 적어도 두개의 직렬 트랜지스터(3, 4, 5)와,
    - 상기 적어도 하나의 광다이오드(1)에 생성되는 전류의 극성 및 이득을 제어하도록 구성되고, 전류 복사 수단과 전류 증폭 수단을 포함하며, 상기 적어도 하나의 광다이오드(1)와 상기 적어도 두개의 직렬 트랜지스터(3, 4, 5) 사이에 위치되는 전류 미러(2)를 포함하고,
    상기 적어도 두개의 직렬 트랜지스터(3, 4, 5)는 상기 광다이오드 전류의 복사에 의해 공급되고, 상기 광다이오드 전류의 복사는 상기 적어도 두개의 직렬 트랜지스터(3, 4, 5)의 드레인-소스 채널을 통해 흐르는 상기 전류 미러(2)의 출력 전류이며, 또한 마지막 직렬 트랜지스터는 접지 전압, 정전압 그리고 제어된 전압 사이에서 선택되는 전압에 연결되는 트랜지스터의 소스를 갖는 것을 특징으로 하는 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두개의 직렬 트랜지스터는 지수형 전류-전압 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 두개의 직렬 트랜지스터는 FET 트랜지스터이고, 약반전 상태로 동작하는 것을 특징으로 하는 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로는 출력 전압 대(versus) 광다이오드(1)에 의해 생성되는 전류 사이에서 대수 의존성을 갖는 것을 특징으로 하는 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020137034589A 2011-05-26 2012-05-22 다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로 KR101885093B1 (ko)

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