KR102110482B1 - Analog-digital converter using time stretcher, and image sensor having the same - Google Patents

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KR102110482B1
KR102110482B1 KR1020190008832A KR20190008832A KR102110482B1 KR 102110482 B1 KR102110482 B1 KR 102110482B1 KR 1020190008832 A KR1020190008832 A KR 1020190008832A KR 20190008832 A KR20190008832 A KR 20190008832A KR 102110482 B1 KR102110482 B1 KR 102110482B1
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채영철
박인준
박찬민
조우진
박병철
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연세대학교 산학협력단
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    • H03M1/38Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type

Abstract

The present invention relates to an analog-to-digital converter having an improved effect such as reduction in required clock and power consumption by applying a time amplification technique. According to the present invention, the analog-to-digital converter comprises: a comparator for generating a first reference signal based on an analog signal; a time amplifier which amplifies the residual time difference formed between a falling edge of a master clock and a falling edge of the first reference signal generated by the comparator to generate a second reference signal; and a counter which generates a digital signal using the first and second reference signals.

Description

시간증폭기를 이용하는 아날로그-디지털 변환기 및 이것을 포함하는 이미지센서 {ANALOG-DIGITAL CONVERTER USING TIME STRETCHER, AND IMAGE SENSOR HAVING THE SAME}Analog-to-digital converter using time amplifier and image sensor including it {ANALOG-DIGITAL CONVERTER USING TIME STRETCHER, AND IMAGE SENSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 시간증폭기를 이용하는 아날로그-디지털 변환기 및 이것을 포함하는 이미지센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시간 증폭 기술을 적용하여 요구 클록 감소, 전력소모 감소 등 향상된 효과가 있는 아날로그-디지털 변환기에 관한 기술이다.The present invention relates to an analog-to-digital converter using a time amplifier and an image sensor including the same, and more specifically, a technique for an analog-to-digital converter having improved effects such as reduction in required clock and reduction in power consumption by applying time amplification technology. to be.

고속 이미지센서의 수요가 증가하면서 이미지센서의 출력을 변환하는 아날로그-디지털 변환기도 고속 구동이 필요하게 되었다.As the demand for high-speed image sensors increases, analog-to-digital converters that convert the output of image sensors also require high-speed driving.

싱글슬로프(Single-Slope) 아날로그-디지털 변환기는 이미지센서에 가장 널리 이용되고 있는 아날로그-디지털 변환기이다. 종래 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기는 저속 환경에서 필요 면적이 작고, 전력 소모가 효율적이며, 저잡음 설계가 가능한 장점이 있었다. 그러나 고속 이미지센서가 등장하면서 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기는 고속 동작을 위해 기가헤르츠(GHz)급 클록과 속도에 비례하는 전력소모를 필요하게 되었다. 종래 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기가 막대한 전력을 소모하게 되면서 모바일 기기의 카메라 성능 향상에 어려움이 있는 상황이다. The single-slope analog-to-digital converter is the most widely used analog-to-digital converter for image sensors. Conventional single-slope analog-to-digital converters have the advantages of small footprint, efficient power consumption, and low noise design in low-speed environments. However, with the advent of high-speed image sensors, single-slope analog-to-digital converters require gigahertz (GHz) clocks and power consumption proportional to speed for high-speed operation. As the conventional single-slope analog-to-digital converter consumes enormous power, it is difficult to improve the camera performance of a mobile device.

종래 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기의 문제 해결을 위해 다중 슬로프, 이중슬로프(double-slope) 아날로그-디지털 변환기, 이중 이득 증폭기 등 다양한 대안이 제시되었다.In order to solve the problems of the conventional single-slope analog-to-digital converter, various alternatives such as a multi-slope, double-slope analog-to-digital converter, and a dual gain amplifier have been proposed.

다중 슬로프 기법은 샘플링을 여러 차례 수행하기 위해 싱글슬로프에 필요한 램프신호가 다중 샘플링하는 수만큼 포함되어야한다. 다중 슬로프는 램프신호가 복수개 입력되면서 서로간의 미스매치가 발생되고, 미스매치에 의해 오류가 발생되어 실용화되지 못하고 있다.In the multi-slope technique, in order to perform sampling multiple times, the number of ramp signals required for a single slope must be included in the number of multiple samplings. As multiple ramp signals are inputted in multiple slopes, mismatch between each other is generated, and an error is generated due to mismatch, which has not been put into practical use.

이중 이득 증폭기는 램프의 기울기를 변환하는 기법이다. 이중 이득 증폭기는 선형성의 문제가 발생되어 실용화되지 못하고 있다. 또한, 램프 선단에 게인(Gain) 2개가 포함되는데, 이것에 의해 전력소모가 과도한 문제가 여전히 존재한다.The dual gain amplifier is a technique to convert the slope of the lamp. The double gain amplifier has not been put into practical use due to a problem of linearity. In addition, two gains are included at the front end of the lamp, whereby the problem of excessive power consumption still exists.

종래 제안된 기법들은 모두 메가헤르츠(MHz)급 환경에 적용하기 위해 제안된 기술로서 기가헤르츠급으로 이용될 경우 전력 소모량이 현저히 많고, 선형성 등에서 문제가 있기 때문에 종래의 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기를 대체하지 못하고 있다.All of the conventionally proposed techniques are proposed to be applied to a megahertz (MHz) environment, and when used in gigahertz, power consumption is remarkably high and there is a problem in linearity. I can't.

등록특허공고 제10-1750240호Patent Registration No. 10-1750240

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 시간 증폭 기술을 적용하여 요구 클록 감소, 전력소모 감소 등 향상된 효과가 있는 아날로그-디지털 변환기를 제공하는 것을 과제로 한다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide an analog-to-digital converter with improved effects such as reduction in required clock and reduction in power consumption by applying a time amplification technique. Let's do it as an assignment.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 시간증폭기를 이용하는 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기에 있어서, 상기 아날로그 신호에 기초하여 제1기준신호를 생성하는 비교기; 마스터클록의 하강 에지(edge) 및 상기 비교기에서 생성된 제1기준신호의 하강 에지 사이에 형성된 시간잔여차이를 증폭하여 제2기준신호를 생성하는 시간증폭기; 상기 제1기준신호 및 상기 제2기준신호를 이용하여 디지털신호를 생성하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an analog-to-digital converter using a time amplifier according to the technical idea of the present invention is an analog-to-digital converter for converting an analog signal into a digital signal, and based on the analog signal, a first reference signal Comparators to produce; A time amplifier for amplifying a time residual difference formed between a falling edge of the master clock and a falling edge of the first reference signal generated by the comparator to generate a second reference signal; It characterized in that it comprises a counter for generating a digital signal using the first reference signal and the second reference signal.

또한, 상기 시간증폭기는 상기 마스터클록과 동일한 클록 주파수에서 구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the time amplifier may be characterized in that it is driven at the same clock frequency as the master clock.

또한, 상기 시간증폭기는 증폭 배수만큼 용량이 상이한 적어도 두 개의 커패시터의 충전시간의 차이를 이용하여 상기 시간잔여차이를 증폭하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the time amplifier may be characterized by amplifying the remaining time difference by using a difference in charging time of at least two capacitors having different capacities by an amplification multiple.

또한, 상기 시간증폭기는, 상기 마스터클록 및 상기 제1기준신호를 이용하여 리셋신호 및 시동신호를 생성하는 신호제어부; 상기 신호제어부에서 리셋신호가 생성될 때 충전되는 제1전지 및 상기 신호제어부에서 시동신호가 생성될 때 충전되며 상기 제1전지보다 증폭 배수만큼 큰 용량을 가지는 제2전지를 포함하는 전지부; 상기 제1전지 및 상기 제2전지의 전압을 이용하여 상기 제2기준신호를 생성하는 동적비교부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the time amplifier, the signal control unit for generating a reset signal and a start signal using the master clock and the first reference signal; A battery unit including a first battery charged when a reset signal is generated by the signal control unit and a second battery charged when a start signal is generated by the signal control unit and having a capacity greater than an amplification multiple than the first battery; It may be characterized in that it comprises a dynamic comparison unit for generating the second reference signal using the voltage of the first battery and the second battery.

또한, 상기 제1전지와 상기 제2전지의 서로 상이한 리셋노이즈 제거를 위해, 상기 전지부와 상기 동적비교부 사이에 연결되는 노이즈제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, in order to remove different reset noises of the first battery and the second battery, a noise removing unit connected between the battery unit and the dynamic comparison unit may be further included.

또한, 상기 동적비교부는 상기 제2전지의 전압이 상기 제1전지의 전압에 도달될 때까지 클록을 발생시켜 제2기준신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the dynamic comparator may generate a second reference signal by generating a clock until the voltage of the second battery reaches the voltage of the first battery.

또한, 상기 카운터는 상기 제2기준신호 및 상기 마스터클록에 기초하여 제1 디지털 신호를 생성하는 제1카운터; 상기 제1기준신호 및 상기 마스터클록에 기초하여 제2 디지털 신호를 생성하는 제2카운터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the counter includes a first counter for generating a first digital signal based on the second reference signal and the master clock; It may be characterized in that it comprises a second counter for generating a second digital signal based on the first reference signal and the master clock.

또한, 상기 제2카운터는 상기 정확한 시간 증폭을 위해 상기 제1기준신호에 1비트의 여분비트를 추가하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the second counter may be characterized by adding an extra bit of 1 bit to the first reference signal for the accurate time amplification.

또한, 상기 제2카운터는 사이클 증가 없이 상기 제1기준신호에 상기 여분비트를 추가하는 DDR(Double Data Rate)카운터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Also, the second counter may include a double data rate (DDR) counter that adds the extra bit to the first reference signal without increasing the cycle.

본 발명에 의한 시간증폭기를 이용하는 아날로그-디지털 변환기 및 이것을 포함하는 이미지센서에 따르면,According to the analog-to-digital converter using the time amplifier according to the present invention and an image sensor comprising the same,

첫째, 본 발명은 시간증폭기를 이용함으로써 필요 클록이 현저히 감소되어 종래 싱글슬로프(Single-Slope) 아날로그-디지털 변환기와 대비하여 사이클이 1/10 이상 감소되는 효과가 있다.First, the present invention has an effect that the required clock is significantly reduced by using a time amplifier, so that the cycle is reduced by 1/10 or more compared to a conventional single-slope analog-to-digital converter.

둘째, 본 발명은 종래보다 사이클이 감소됨에 따라 소모되는 전력이 절약되는 효과가 있다.Second, according to the present invention, power consumption is reduced as cycles are reduced.

셋째, 본 발명은 DDR카운터가 제1기준신호에 여분비트를 추가함에 따라, 여분비트가 추가되더라도 사이클 추가가 발생되지 않는다.Third, according to the present invention, as the DDR counter adds an extra bit to the first reference signal, no cycle addition occurs even if the extra bit is added.

넷째, 본 발명은 제1카운터에서 음수 값이 도출될 수 있음에 따라, 1회의 연산으로도 필요한 CDS의 데이터를 획득하는 것이 가능하게 된다.Fourth, according to the present invention, since a negative value can be derived from the first counter, it is possible to acquire the necessary CDS data even in one operation.

다섯째, 본 발명은 픽셀신호, 램프신호와 같이 종래의 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기에 입력되는 신호의 포맷을 그대로 이용하기 때문에 종래의 이미지센서 모듈의 설계가 크게 변화되지 않아 적용하기가 용이하다.Fifth, since the present invention uses the format of a signal input to a conventional single-slope analog-to-digital converter such as a pixel signal and a ramp signal, it is easy to apply since the design of the conventional image sensor module is not significantly changed.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아날로그-디지털 변환기의 구성도.
도 2는 이 실시예의 아날로그-디지털 변환기 회로 구조를 나타내는 도면.
도 3은 이 실시예의 아날로그-디지털 변환기 회로의 동작 신호 관계를 나타내는 도면.
도 4는 제1카운터에서 음수 값이 도출되는 예시와, 그것을 처리하는 과정을 나타낸 도면.
도 5는 제1카운터 출력과 제2카운터 출력의 관계를 나타낸 도면.
도 6은 이 실시예에 따른 시간증폭기의 구성도.
도 7은 시간증폭기를 리셋신호를 이용하여 리셋하는 단계를 나타낸 도면.
도 8은 샘플링 단계로 구동하는 시간증폭기의 회로 구조 및 동작 신호 관계를 나타내는 도면.
도 9는 증폭 단계로 구동하는 시간증폭기의 회로 구조 및 동작 신호 관계를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 구성도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 실험 CMOS 이미지 센서의 블록 다이어그램 및 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.
도 12는 타임 스트레치의 블록 다이어그램과 작동 원리를 나타낸 도면.
도 13은 MSB카운터, LSB카운터 및 CDS 작동을 단순화하여 나타낸 블록 다이어그램.
도 14는 본 발명의 실험을 위해 제작된 실험용 칩을 나타낸 도면.
도 15는 실험 칩의 Random Noise를 측정한 결과를 나타낸 도면.
도 16은 실험 칩이 500fps에서 촬영한 샘플 이미지를 나타낸 도면.
1 is a block diagram of an analog-to-digital converter according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows the analog-to-digital converter circuit structure of this embodiment.
Fig. 3 is a diagram showing the operation signal relationship of the analog-to-digital converter circuit of this embodiment.
4 is a view showing an example in which a negative value is derived from the first counter and a process for processing the negative value.
5 is a view showing the relationship between the output of the first counter and the output of the second counter.
6 is a block diagram of a time amplifier according to this embodiment.
7 is a view showing a step of resetting the time amplifier using a reset signal.
8 is a diagram showing a circuit structure and an operation signal relationship of a time amplifier driven by a sampling stage.
9 is a view showing a circuit structure and an operation signal relationship of a time amplifier driven by an amplification step.
10 is a configuration diagram of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
11 is a block diagram and timing diagram of an experimental CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
Fig. 12 is a block diagram of time stretch and the principle of operation.
13 is a simplified block diagram of MSB counter, LSB counter and CDS operation.
14 is a diagram showing an experimental chip produced for the experiment of the present invention.
15 is a view showing the results of measuring the random noise of the test chip.
16 is a diagram showing a sample image taken at 500 fps by an experimental chip.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 시간증폭기를 이용하는 아날로그-디지털 변환기 및 이것을 포함하는 이미지센서에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.An analog-to-digital converter using a time amplifier according to embodiments of the present invention and an image sensor including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention can be variously changed and can have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood that it includes all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 아날로그-디지털 변환기(100)는 입력된 아날로그 신호에 기초하여 제1기준신호를 생성하는 비교기(Comparator, 110)를 포함한다. 또한, 마스터클록의 하강 에지(edge) 및 비교기(110)에서 생성된 제1기준신호의 하강 에지 사이에 형성된 시간잔여차이를 증폭하여 제2기준신호를 생성하는 시간증폭기(Time stretcher, 120)를 포함한다. 또한, 제1기준신호 및 제2기준신호를 이용하여 디지털신호를 생성하는 카운터(Counter, 140)를 포함한다.1 to 3, the analog-to-digital converter 100 according to an embodiment of the present invention includes a comparator 110 that generates a first reference signal based on an input analog signal. In addition, a time amplifier (120) for generating a second reference signal by amplifying the time residual difference formed between the falling edge of the master clock and the falling edge of the first reference signal generated by the comparator 110 (Time stretcher, 120) Includes. In addition, it includes a counter (Counter, 140) for generating a digital signal using the first reference signal and the second reference signal.

종래기술은 비교기(110)와 카운터(140) 1개가 직렬 연결되는 구성을 가진다. 본 발명의 실시예는 시간증폭기(120)를 더 포함하고, 카운터(140)가 2개로 구성되는 등의 차이가 있다.In the related art, one comparator 110 and one counter 140 are connected in series. The embodiment of the present invention further includes a time amplifier 120, the counter 140 is composed of two, and the like.

비교기(110)의 오프셋은 아날로그-디지털 변환 전 AZ신호(

Figure 112019008376873-pat00001
)의 변환에 의한 자동영점조정(Auto-Zeroing)에 의해 감소된다.The offset of the comparator 110 is AZ signal before analog-to-digital conversion (
Figure 112019008376873-pat00001
) Is reduced by auto-zeroing.

비교기(110)에는 입사광을 감지하여 아날로그 신호를 발생하는 픽셀(210)의 픽셀전압(

Figure 112019008376873-pat00002
)이 입력된다. 또한, 픽셀전압(
Figure 112019008376873-pat00003
)과 함께 램프전압(
Figure 112019008376873-pat00004
)도 입력된다. 픽셀전압(
Figure 112019008376873-pat00005
)은 먼저 리셋전압이 입력된다. 램프전압(
Figure 112019008376873-pat00006
)은 종래 싱글슬로프(Single-Slope) 아날로그-디지털 변환기에서도 이용되는 신호이다.The comparator 110 detects incident light and generates a pixel voltage of the pixel 210 (
Figure 112019008376873-pat00002
) Is entered. Also, the pixel voltage (
Figure 112019008376873-pat00003
) And lamp voltage (
Figure 112019008376873-pat00004
) Is also entered. Pixel voltage (
Figure 112019008376873-pat00005
), The reset voltage is input first. Lamp voltage (
Figure 112019008376873-pat00006
) Is a signal that is also used in a conventional single-slope analog-to-digital converter.

비교기(110)는 램프전압(

Figure 112019008376873-pat00007
)과 픽셀전압(
Figure 112019008376873-pat00008
)의 출력이 동일할 때 출력되는 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00009
)를 생성한다. 비교기(110)에서 생성된 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00010
)는 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00011
)과 함께 제2카운터(142) 및 시간증폭기(120)에 전달된다.The comparator 110 has a lamp voltage (
Figure 112019008376873-pat00007
) And pixel voltage (
Figure 112019008376873-pat00008
) Is the first reference signal output when the output is the same (
Figure 112019008376873-pat00009
). The first reference signal generated by the comparator 110 (
Figure 112019008376873-pat00010
) Is the master clock (
Figure 112019008376873-pat00011
) Is transmitted to the second counter 142 and the time amplifier 120.

도 3을 참조하면, 램프전압(

Figure 112019008376873-pat00012
)에 대응하여 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00013
)이 발생된다.3, the lamp voltage (
Figure 112019008376873-pat00012
) Corresponding to the master clock (
Figure 112019008376873-pat00013
) Occurs.

붉은색 파선 원 내의 마스터클록(

Figure 112019008376873-pat00014
)이 반복하여 상승하강하는 것은 램프전압(
Figure 112019008376873-pat00015
)의 하강을 개수하는 것이다.Master clock in red dashed circle (
Figure 112019008376873-pat00014
) Is the ramp voltage (
Figure 112019008376873-pat00015
) Is to count the descent.

ADC OUT은 램프전압(

Figure 112019008376873-pat00016
)이 픽셀전압(
Figure 112019008376873-pat00017
)의 신호에 도달될 때까지 증가된다.ADC OUT is lamp voltage (
Figure 112019008376873-pat00016
) Is the pixel voltage (
Figure 112019008376873-pat00017
) Until the signal is reached.

붉은색 파선 원의 확대도를 참조하면, 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00018
)의 하강 에지(edge)와 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00019
)의 다음 하강 에지 사이에는 시간잔여차이(
Figure 112019008376873-pat00020
)가 존재한다.Referring to the enlarged view of the red dashed circle, the first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00018
) 'S falling edge and master clock (
Figure 112019008376873-pat00019
) Between the next falling edges.
Figure 112019008376873-pat00020
) Exists.

시간증폭기(120)는 이득되는 A배(倍)수 만큼 시간잔여차이(

Figure 112019008376873-pat00021
)를 증폭한다.The time amplifier 120 is the difference in time remaining by the number of A times gained (倍)
Figure 112019008376873-pat00021
Amplify).

시간증폭기(120)가 시간잔여차이(

Figure 112019008376873-pat00022
)를 몇 배로 증폭하느냐에 따라 사이클의 속도가 상이해진다. 예를 들어, 시간증폭기(120)가 시간잔여차이(
Figure 112019008376873-pat00023
)를 16배 증폭하면 10ns 동안 나타나는 영역이 160ns 동안 나타나게 된다. 1GHz를 기준으로 가정하면, 10ns에서 10GHz를 얻기 위해서는 1GHz 클록이 10회 반복되어야 하고, 160ns에서 10GHz를 얻기 위해서는 16배 증가된 80MHz 클록이 10회 반복되어야 한다. 즉, 필요 클록이 현저히 감소된다.Time amplifier 120 is the time difference (
Figure 112019008376873-pat00022
), The speed of the cycle varies depending on how many times it is amplified. For example, the time amplifier 120 is the time remaining difference (
Figure 112019008376873-pat00023
When amplified) 16 times, the region appearing for 10 ns appears for 160 ns. Assuming 1 GHz, the 1 GHz clock must be repeated 10 times to obtain 10 GHz at 10 ns, and the 80 MHz clock increased by 16 times to obtain 10 GHz at 160 ns must be repeated 10 times. That is, the required clock is significantly reduced.

시간증폭기(120)는 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00024
) 및 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00025
)을 비교 및 증폭하여 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00026
)를 생성한다. 시간증폭기(120)에서 생성된 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00027
)는 제1카운터(141)에 전달된다. The time amplifier 120 is the first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00024
) And master clock (
Figure 112019008376873-pat00025
) To compare and amplify the second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00026
). The second reference signal generated by the time amplifier 120 (
Figure 112019008376873-pat00027
) Is transferred to the first counter 141.

시간증폭기(120)는 마스터클록(

Figure 112019008376873-pat00028
)과 동일한 클록 주파수에서 구동한다.Time amplifier 120 is a master clock (
Figure 112019008376873-pat00028
).

카운터(140)는 제2기준신호(

Figure 112019008376873-pat00029
) 및 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00030
)에 기초하여 제1 디지털 신호를 생성하는 제1카운터(141), 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00031
) 및 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00032
)에 기초하여 제2 디지털 신호를 생성하는 제2카운터(142)를 포함한다.The counter 140 is the second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00029
) And master clock (
Figure 112019008376873-pat00030
), A first counter 141 for generating a first digital signal, a first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00031
) And master clock (
Figure 112019008376873-pat00032
), A second counter 142 for generating a second digital signal.

제1카운터(141)는 LSB카운터(Least Significant Bit counter)가 될 수 있다. 또한, 제2카운터(142)는 MSB카운터(Most Significant Bit counter)가 될 수 있다.The first counter 141 may be an LSB counter (Least Significant Bit counter). Also, the second counter 142 may be a MSB counter (Most Significant Bit counter).

LSB카운터 및 MSB카운터에서 출력하는 신호는 픽셀전압(

Figure 112019008376873-pat00033
)이 아날로그-디지털 변환된 신호의 값이 출력된다.The signal output from the LSB counter and MSB counter is the pixel voltage (
Figure 112019008376873-pat00033
) The value of the analog-digital converted signal is output.

카운터(140)의 비트 분할은 시간증폭기(120)가 증폭하는 배수에 대응한다. 예를 들어, 픽셀(210)의 아날로그 신호를 10비트 디지털 신호로 변환하는 경우, 종래 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기는 1,024사이클(

Figure 112019008376873-pat00034
)이 필요하다. 반면 이 실시예는 시간증폭기(120)의 이득이 16배로 설정하면, 제1카운터(141)는 4비트, 제2카운터(142)는 6비트로 분할될 수 있다. 이때 제1카운터(141)는 16사이클(
Figure 112019008376873-pat00035
), 제2카운터(142)는 64사이클(
Figure 112019008376873-pat00036
)이 되고, 최종 변환되는 사이클은 제1카운터(141)의 사이클과 제2카운터(142)의 사이클을 더한 80사이클이 된다. 종래 싱글슬로프 아날로그-디지털 변환기와 이 실시예의 사이클 수를 비교하면, 종래기술이 이 실시예보다 12.8배 만큼 많은 사이클이 필요함을 알 수 있다.The bit division of the counter 140 corresponds to a multiple that the time amplifier 120 amplifies. For example, when the analog signal of the pixel 210 is converted into a 10-bit digital signal, the conventional single-slope analog-to-digital converter converts 1,024 cycles (
Figure 112019008376873-pat00034
) Is required. On the other hand, in this embodiment, when the gain of the time amplifier 120 is set to 16 times, the first counter 141 may be divided into 4 bits, and the second counter 142 may be divided into 6 bits. At this time, the first counter 141 is 16 cycles (
Figure 112019008376873-pat00035
), The second counter 142 is 64 cycles (
Figure 112019008376873-pat00036
), And the last converted cycle is 80 cycles of the cycle of the first counter 141 plus the cycle of the second counter 142. Comparing the number of cycles of this embodiment with the conventional single-slope analog-to-digital converter, it can be seen that the prior art requires 12.8 times as many cycles as this embodiment.

한편, 제2카운터(142)가 큰 범위를 아날로그-디지털 변환 후, 제1카운터(141)가 세부 범위 또는 남은 범위를 아날로그-디지털 변환하는 두 단계로 구성될 경우, 제1카운터(141)와 제2카운터(142)가 정확히 일치되어 구동하지 않으면 출력되는 디지털 신호의 코드가 누락되거나 중복되는 오류가 발생될 수 있다. 이 실시예의 제2카운터(142)는 범위를 벗어나는 오류를 방지하고, 정확한 시간 증폭을 위해 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00037
)에 1비트의 여분비트를 추가한다. 이때, 범위를 벗어나는 오류에는 칩과 같은 하드웨어 제조 공정의 문제로 시간증폭기(120)가 증폭하는 배수와 실제 이득이 서로 상이한 경우가 포함된다. 예를 들어, 시간증폭기(120)가 16배 증폭하는 것으로 설정되었으나, 칩이나 제조상의 문제에 의해 16.6배와 같이 실제 이득이 상이하게 나타날 수 있다. 이때 제1카운터(141)의 출력은 0 내지 16으로 나타나고, 16의 출력은 본래의 범위인 0 내지 15를 벗어나는 오류가 된다.On the other hand, if the second counter 142 is composed of two steps of analog-digital conversion of a large range, and then the first counter 141 is composed of two steps of analog-digital conversion of the detailed range or the remaining range, the first counter 141 and If the second counter 142 is not exactly matched and driven, a code of the output digital signal may be omitted or an error may occur. The second counter 142 of this embodiment prevents errors out of range, and a first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00037
) To add a 1-bit extra bit. At this time, the error out of the range includes a case in which the multiple of the time amplified by the time amplifier 120 and the actual gain are different due to a problem of a hardware manufacturing process such as a chip. For example, the time amplifier 120 is set to amplify 16 times, but the actual gain may be different, such as 16.6 times, due to chip or manufacturing problems. At this time, the output of the first counter 141 appears as 0 to 16, and the output of 16 becomes an error that is outside the original range of 0 to 15.

제1카운터(141)가 4비트이면, 여분비트는 제1카운터(141)의 4번째 비트(

Figure 112019008376873-pat00038
=8)와 같다. 예를 들어, 여분비트가 0이라면 제1카운터(141)는 0 내지 7의 값이 출력되어야 하고(제1카운터의 4번째 비트가 0이므로), 여분비트가 1이라면 제1카운터(141)는 8 내지 15의 값이 출력되어야 한다. 따라서 여분비트가 0임에도 8 또는 9가 출력되거나, 여분비트가 1임에도 16이 출력되면 이것을 비교하여 보정한다.If the first counter 141 is 4 bits, the extra bit is the 4th bit of the first counter 141 (
Figure 112019008376873-pat00038
= 8). For example, if the extra bit is 0, the first counter 141 should output a value from 0 to 7 (because the fourth bit of the first counter is 0), and if the extra bit is 1, the first counter 141 is Values from 8 to 15 should be output. Therefore, if 8 or 9 is output even if the spare bit is 0 or 16 is output even when the spare bit is 1, it is compared and corrected.

여분비트를 일반적인 카운터로 추가하면 클록의 주파수가 2배가 되어야 한다. 즉, 같은 시간 내에 두 배의 변환 사이클이 실행되어야 한다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 제2카운터(142)는 사이클 증가 없이 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00039
)에 여분비트를 추가하는 DDR(Double Data Rate)카운터(143)를 포함한다. 일반적인 카운터는 클록의 하강에지(edge) 또는 상승에지를 이용한다. 하지만 DDR카운터(143)는 클록의 상승에지 및 하강에지를 모두 이용하기 때문에 기준 클록의 두 배의 주파수를 갖는 클록을 사용하는 효과를 가지게 된다. 즉, 일반 카운터는 여분비트의 추가에 2배의 클록 주파수가 필요하지만, DDR카운터(143)는 기준 클록을 2배의 주파수 클록처럼 이용하므로 클록이 증가되지 않는다.Adding an extra bit as a normal counter should double the clock frequency. That is, double conversion cycles must be executed within the same time. To solve this problem, the second counter 142 has a first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00039
) Includes a double data rate (DDR) counter 143 that adds an extra bit. A typical counter uses the clock's falling edge or rising edge. However, since the DDR counter 143 uses both the rising edge and falling edge of the clock, it has an effect of using a clock having a frequency twice the reference clock. That is, the normal counter requires twice the clock frequency to add an extra bit, but the DDR counter 143 uses the reference clock like a double frequency clock, so the clock does not increase.

DDR카운터(143)가 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00040
)에 추가한 1비트에 의해 제1카운터(141) 및 제2카운터(142)가 정확히 일치되어 오류 방지가 가능하게 된다.DDR counter 143 is the first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00040
), The first counter 141 and the second counter 142 are exactly matched by 1 bit added to prevent errors.

이 실시예는 이미지센서(10)의 저잡음 구현을 위해 디지털 CDS(Correlated Double Sampling)가 실행된다. CDS는 원하지 않는 오프셋을 제거할 수 있는 전압 또는 전류 값을 측정하는 방법이다.In this embodiment, digital CDS (Correlated Double Sampling) is performed to implement low noise of the image sensor 10. CDS is a method of measuring voltage or current values that can eliminate unwanted offsets.

종래 기술은 한 번에 CDS를 실시하지 못하여 두 차례에 걸쳐 연산을 실시한 후 연산결과를 병합한다. 하지만, 이 실시예는 1회의 연산으로도 필요한 CDS의 데이터 획득이 가능하다.In the prior art, since the CDS cannot be performed at one time, the calculation results are merged after performing the calculation twice. However, in this embodiment, it is possible to acquire data of the CDS required even in one operation.

종래 기술은 ADC OUT 신호 중 선행되는 리셋데이터(

Figure 112019008376873-pat00041
)가 후행되는 픽셀데이터(
Figure 112019008376873-pat00042
)보다 항상 작기 때문에 픽셀데이터(
Figure 112019008376873-pat00043
)에서 리셋데이터(
Figure 112019008376873-pat00044
)를 차감하면 양수 값이 도출되는 규칙이 있었다.In the prior art, reset data preceded by the ADC OUT signal (
Figure 112019008376873-pat00041
) Followed by pixel data (
Figure 112019008376873-pat00042
Pixel data (because it is always smaller than)
Figure 112019008376873-pat00043
) To reset data (
Figure 112019008376873-pat00044
There was a rule that subtracted) to derive a positive value.

반면, 이 실시예의 제1카운터(141)는 음수 값이 도출될 수 있다. 도 4는 예시로서 시그널 출력 67에서 리셋출력 57을 차감하는 과정을 나타낸 도면이다. 10진수 기준으로 67에서 57을 차감한 해가 10이라는 것은 단순 계산으로 알 수 있다. 하지만, 이것을 16진수로 분해하면

Figure 112019008376873-pat00045
과 같이 연산된다. 이때, 1의 자리에 해당되는 제1카운터(141)는 [3-9]를 연산하여 [-6]이라는 음수 값을 발생시킨다. 이로써 67에서 57을 차감하여 10이라는 양수의 결과가 출력되는 과정에 제1카운터(141)는 음수 값을 도출할 수 있음을 알 수 있다.On the other hand, a negative value may be derived from the first counter 141 of this embodiment. 4 is a diagram showing a process of subtracting the reset output 57 from the signal output 67 as an example. It can be seen by a simple calculation that the solution of the decimal value minus 67 to 57 is 10. However, if you decompose this into hexadecimal
Figure 112019008376873-pat00045
Is calculated as At this time, the first counter 141 corresponding to 1 digit calculates [3-9] to generate a negative value of [-6]. Accordingly, it can be seen that the first counter 141 can derive a negative value in the process of subtracting 67 from 57 and outputting a positive result of 10.

이 실시예는 음수 값을 알려주는 부호플래그비트(sign flag bit)가 제1카운터(141) 위에 추가된다. 이때 이용되는 방식이 비트반전(BI)이다.In this embodiment, a sign flag bit indicating a negative value is added over the first counter 141. The method used at this time is bit inversion (BI).

리셋데이터(

Figure 112019008376873-pat00046
)는 픽셀(210)의 다음 신호로 변환된 때의 초기 값으로 이용된다. 픽셀(210)의 신호 변환 후, 픽셀데이터(
Figure 112019008376873-pat00047
)도 리셋데이터(
Figure 112019008376873-pat00048
)를 읽을 때와 마찬가지의 신호형태를 갖는다.Reset data (
Figure 112019008376873-pat00046
) Is used as an initial value when converted to the next signal of the pixel 210. After the signal conversion of the pixel 210, the pixel data (
Figure 112019008376873-pat00047
) Reset data (
Figure 112019008376873-pat00048
) Has the same signal format as when reading.

도 5를 참조하면, 리셋데이터(

Figure 112019008376873-pat00049
)는 제1카운터(141)의 출력
Figure 112019008376873-pat00050
와 제2카운터(142)의 출력
Figure 112019008376873-pat00051
가 더해진 값이고, 픽셀데이터(
Figure 112019008376873-pat00052
)는 제1카운터(141)의 출력
Figure 112019008376873-pat00053
와 제2카운터(142)의 출력
Figure 112019008376873-pat00054
가 더해진 값이다.5, reset data (
Figure 112019008376873-pat00049
) Is the output of the first counter 141
Figure 112019008376873-pat00050
And the output of the second counter 142
Figure 112019008376873-pat00051
Is the added value, and the pixel data (
Figure 112019008376873-pat00052
) Is the output of the first counter 141
Figure 112019008376873-pat00053
And the output of the second counter 142
Figure 112019008376873-pat00054
Is the added value.

제1카운터(141) 및 제2카운터(142)의 최종 결과는

Figure 112019008376873-pat00055
-
Figure 112019008376873-pat00056
와 같게 된다.The final result of the first counter 141 and the second counter 142 is
Figure 112019008376873-pat00055
-
Figure 112019008376873-pat00056
It becomes like.

도 6 내지 도 9를 참조하여 시간증폭기(120)의 구성 및 동작을 보다 구체적으로 설명한다.The configuration and operation of the time amplifier 120 will be described in more detail with reference to FIGS. 6 to 9.

이 실시예의 시간증폭기(120)는, 마스터클록(

Figure 112019008376873-pat00057
) 및 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00058
)를 이용하여 리셋신호(
Figure 112019008376873-pat00059
) 및 시동신호(
Figure 112019008376873-pat00060
)를 생성하는 신호제어부(122)를 포함한다. 또한, 신호제어부(122)에서 리셋신호(
Figure 112019008376873-pat00061
)가 생성될 때 충전되는 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00062
) 및 신호제어부(122)에서 시동신호(
Figure 112019008376873-pat00063
)가 생성될 때 충전되며 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00064
)보다 증폭 배수(A)만큼 큰 용량을 가지는 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00065
)를 포함하는 전지부(124)를 포함한다. 또한, 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00066
) 및 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00067
)의 전압을 이용하여 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00068
)를 생성하는 동적비교부(126)를 포함한다.The time amplifier 120 of this embodiment, the master clock (
Figure 112019008376873-pat00057
) And the first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00058
) To reset signal (
Figure 112019008376873-pat00059
) And start signal (
Figure 112019008376873-pat00060
It includes a signal control unit 122 for generating a. In addition, the reset signal from the signal control unit 122 (
Figure 112019008376873-pat00061
) Is the first cell that is charged when it is generated (
Figure 112019008376873-pat00062
) And the start signal (
Figure 112019008376873-pat00063
) Is charged when generated and the first cell (
Figure 112019008376873-pat00064
), The second battery having a capacity greater than the amplification multiple (A) (
Figure 112019008376873-pat00065
), Including a battery unit 124. In addition, the first battery (
Figure 112019008376873-pat00066
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00067
), The second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00068
It includes a dynamic comparison unit 126 to generate a.

신호제어부(122)는 D-플립플롭과 NOR 로직 게이트를 이용하여 마스터클록(

Figure 112019008376873-pat00069
)과 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00070
)의 하강 에지를 비교하여 리셋신호(
Figure 112019008376873-pat00071
) 및 시동신호(
Figure 112019008376873-pat00072
)를 생성한다.The signal control unit 122 uses a D-flip-flop and a NOR logic gate to create a master clock (
Figure 112019008376873-pat00069
) And the first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00070
) To compare the falling edge of the reset signal (
Figure 112019008376873-pat00071
) And start signal (
Figure 112019008376873-pat00072
).

신호제어부(122)는 리셋신호(

Figure 112019008376873-pat00073
) 생성 시 전류원(
Figure 112019008376873-pat00074
)과 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00075
)를 연결하는 제1스위치를 on 한다(도 7 참조).Signal control unit 122 is a reset signal (
Figure 112019008376873-pat00073
) Current source at creation (
Figure 112019008376873-pat00074
) And the first battery (
Figure 112019008376873-pat00075
) Is turned on (see Fig. 7).

또한, 시동신호(

Figure 112019008376873-pat00076
) 생성 시 제1스위치를 off 하고, 전류원(
Figure 112019008376873-pat00077
)와 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00078
)를 연결하는 제2스위치를 on 한다(도 8 참조).Also, the start signal (
Figure 112019008376873-pat00076
) When generating, turn off the first switch, and
Figure 112019008376873-pat00077
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00078
) Is turned on (see Fig. 8).

제1전지(

Figure 112019008376873-pat00079
) 및 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00080
)는 커패시터로 구성될 수 있다. 만약, 증폭 배수(A)가 16이면, 제2전지의 용량은 16×
Figure 112019008376873-pat00081
가 된다.First battery (
Figure 112019008376873-pat00079
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00080
) May be composed of a capacitor. If the amplification multiple (A) is 16, the capacity of the second battery is 16 ×
Figure 112019008376873-pat00081
Becomes.

동적비교부(126)는 일측에 제1전지(

Figure 112019008376873-pat00082
)의 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00083
가 입력되고, 타측에 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00084
) 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00085
가 입력된다.The dynamic comparison unit 126 has a first battery (
Figure 112019008376873-pat00082
) Output voltage
Figure 112019008376873-pat00083
Is input, and the second battery (
Figure 112019008376873-pat00084
) Output voltage
Figure 112019008376873-pat00085
Is input.

동적비교부(126)는 오프셋 제거 기술이 포함된다. 동적비교부(126)는 제2기준신호(

Figure 112019008376873-pat00086
) 생성 전에 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00087
)의 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00088
및 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00089
) 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00090
를 초기화한다.The dynamic comparison unit 126 includes an offset removal technique. The dynamic comparison unit 126 is a second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00086
) First battery before creation (
Figure 112019008376873-pat00087
) Output voltage
Figure 112019008376873-pat00088
And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00089
) Output voltage
Figure 112019008376873-pat00090
Initialize

이 실시예의 시간증폭기(120)는 제1전지(

Figure 112019008376873-pat00091
)와 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00092
)의 서로 상이한 리셋노이즈 제거를 위해, 전지부(124)와 동적비교부(126) 사이에 연결되는 노이즈제거부(
Figure 112019008376873-pat00093
, 128)를 더 포함한다. 노이즈제거부(
Figure 112019008376873-pat00094
, 128)는 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00095
)와 동적비교부(126)를 연결하는 선로와 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00096
)와 동적비교부(126)를 연결하는 선로에 각각 연결되는 커패시터가 될 수 있다.The time amplifier 120 of this embodiment is a first battery (
Figure 112019008376873-pat00091
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00092
) For removing different reset noises of the noise removing unit connected between the battery unit 124 and the dynamic comparison unit 126 (
Figure 112019008376873-pat00093
, 128). Noise removal unit (
Figure 112019008376873-pat00094
, 128) is the first cell (
Figure 112019008376873-pat00095
) And the line connecting the dynamic comparison unit 126 and the second battery (
Figure 112019008376873-pat00096
) And a capacitor connected to a line connecting the dynamic comparison unit 126, respectively.

제1전지(

Figure 112019008376873-pat00097
)와 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00098
)의 오프셋은 동적비교부(126)의 입력 오프셋과 같다. 따라서 리셋을 하는 동안 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00099
)와 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00100
)의 오프셋은 노이즈제거부(
Figure 112019008376873-pat00101
, 128)에 음수로 저장된다. 리셋 후 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00102
)와 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00103
)의 출력은 가지고 있는 오프셋에 노이즈제거부(
Figure 112019008376873-pat00104
, 128)에 저장된 음수 오프셋이 더해져 오프셋이 제거된 형태로 동적비교부(126)에 입력된다.First battery (
Figure 112019008376873-pat00097
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00098
) Is the same as the input offset of the dynamic comparison unit 126. Therefore, during reset, the first battery (
Figure 112019008376873-pat00099
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00100
) Is the noise removal part (
Figure 112019008376873-pat00101
, 128). After reset, the first battery (
Figure 112019008376873-pat00102
) And the second battery (
Figure 112019008376873-pat00103
), The noise is removed at the offset of the output (
Figure 112019008376873-pat00104
, 128) is added to the dynamic comparison unit 126 in a form in which the offset is removed by adding the negative offset.

도 7을 참조하면, 먼저 리셋신호(

Figure 112019008376873-pat00105
)가 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00106
), 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00107
) 및 동적비교부(126)에 전달되어 각 구성이 리셋된다.Referring to Figure 7, first, the reset signal (
Figure 112019008376873-pat00105
) Is the first battery (
Figure 112019008376873-pat00106
), Second battery (
Figure 112019008376873-pat00107
) And the dynamic comparison unit 126 to reset each component.

도 8을 참조하면, 신호제어부(122)에서 리셋신호(

Figure 112019008376873-pat00108
)가 생성될 때 시간잔여차이(
Figure 112019008376873-pat00109
)의 샘플링이 실시된다. 신호제어부(122)가 제1스위치를 on 하면(제2스위치는 off), 전류원(
Figure 112019008376873-pat00110
)이 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00111
)에 공급되어, 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00112
)가 충전된다. 이때 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00113
신호는
Figure 112019008376873-pat00114
보다 상대적으로 높은 기울기로 상승하게 된다.Referring to FIG. 8, the reset signal (
Figure 112019008376873-pat00108
) Is generated, the time residual difference (
Figure 112019008376873-pat00109
) Is sampled. When the signal control unit 122 turns on the first switch (the second switch is off), the current source (
Figure 112019008376873-pat00110
) Is the first battery (
Figure 112019008376873-pat00111
), The first battery (
Figure 112019008376873-pat00112
) Is charged. At this time, the output voltage
Figure 112019008376873-pat00113
The signal is
Figure 112019008376873-pat00114
It rises at a higher slope.

도 9를 참조하면, 신호제어부(122)에서 시동신호(

Figure 112019008376873-pat00115
)가 생성될 때 시간잔여차이(
Figure 112019008376873-pat00116
)의 증폭이 실시된다. 신호제어부(122)가 제1스위치 off 및 제2스위치를 on 하면, 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00117
)의 충전이 중단되어
Figure 112019008376873-pat00118
신호의 상승도 중단된다. 이때
Figure 112019008376873-pat00119
Figure 112019008376873-pat00120
가 된다. 또한 전류원(
Figure 112019008376873-pat00121
)이 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00122
)에 공급되어 제2전지(
Figure 112019008376873-pat00123
)가 충전된다.Referring to FIG. 9, the start signal from the signal control unit 122 (
Figure 112019008376873-pat00115
) Is generated, the time residual difference (
Figure 112019008376873-pat00116
) Is amplified. When the signal control unit 122 turns on the first switch and the second switch, the first battery (
Figure 112019008376873-pat00117
) Is stopped charging
Figure 112019008376873-pat00118
The signal rise is also stopped. At this time
Figure 112019008376873-pat00119
The
Figure 112019008376873-pat00120
Becomes. Also the current source (
Figure 112019008376873-pat00121
) Is the second battery (
Figure 112019008376873-pat00122
) Supplied to the second battery (
Figure 112019008376873-pat00123
) Is charged.

제2전지(

Figure 112019008376873-pat00124
)는 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00125
)와 대비하여 증폭 배수만큼 큰 용량을 가지므로,
Figure 112019008376873-pat00126
Figure 112019008376873-pat00127
보다 증폭 배수만큼 느리게 전압이 상승한다.Second battery (
Figure 112019008376873-pat00124
) Is the first battery (
Figure 112019008376873-pat00125
), So it has a capacity as large as the amplification multiple,
Figure 112019008376873-pat00126
The
Figure 112019008376873-pat00127
The voltage rises more slowly than the amplification multiple.

동적비교부(126)는 제2전지(

Figure 112019008376873-pat00128
)의 전압
Figure 112019008376873-pat00129
가 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00130
)의 전압
Figure 112019008376873-pat00131
에 도달될 때까지 클록을 발생시켜 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00132
)를 생성한다.The dynamic comparison unit 126 is a second battery (
Figure 112019008376873-pat00128
) Voltage
Figure 112019008376873-pat00129
1st battery (
Figure 112019008376873-pat00130
) Voltage
Figure 112019008376873-pat00131
Generate a clock until reaching the second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00132
).

따라서 제2기준신호(

Figure 112019008376873-pat00133
)의 동작 시간은
Figure 112019008376873-pat00134
이 된다.Therefore, the second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00133
)
Figure 112019008376873-pat00134
It becomes.

제1전지와 제2전지의 커패시터에 차이가 있는 이유는 시간증폭기(120)가 슬루레이트(slew rate)를 가지고 시간을 곱하기 때문이다.The reason for the difference between the capacitors of the first battery and the second battery is that the time amplifier 120 multiplies the time with a slew rate.

시간증폭기(120)는 전류원(

Figure 112019008376873-pat00135
)만을 이용하기 때문에 커패시터로 구성된 전지부(124)의 용량이 클수록 전하를 충전하기 위해 비례하는 시간이 필요하다. 즉, 증폭 배수가 16인 상태에서 전류원(
Figure 112019008376873-pat00136
)을 이용하여 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00137
)가 충전되면, 제2전지는 제1전지만큼 충전하기 위해 16×
Figure 112019008376873-pat00138
, 즉 16배 더 많은 시간이 필요하다. 이로써 시간 증폭이 실시될 수 있게 된다.The time amplifier 120 is a current source (
Figure 112019008376873-pat00135
), The larger the capacity of the battery unit 124 made of a capacitor, the more time is required to charge the electric charge. That is, the current source (with amplification multiple of 16)
Figure 112019008376873-pat00136
) Using the first battery (
Figure 112019008376873-pat00137
) Is charged, the second battery is 16 × to charge as much as the first battery.
Figure 112019008376873-pat00138
In other words, 16 times more time is required. This allows time amplification to be performed.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예는 이미지센서(10)가 될 수 있다.Referring to FIG. 10, an embodiment of the present invention may be an image sensor 10.

이 실시예의 이미지센서(10)는 입사광을 감지하여 아날로그 신호를 발생하는 픽셀(210)을 포함한다. 또한 픽셀(210)과 연결되고, 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(100)를 포함한다.The image sensor 10 of this embodiment includes a pixel 210 that detects incident light and generates an analog signal. It also includes an analog-to-digital converter 100 that is connected to the pixel 210 and converts an analog signal to a digital signal.

픽셀(210)은 다수개로 구성된다. 다수개의 픽셀(210)은 칼럼라인들에 각각 결합되어 픽셀 어레이(200)를 형성한다.The pixel 210 is composed of a plurality. The plurality of pixels 210 are respectively coupled to the column lines to form the pixel array 200.

각 픽셀(210)은 광신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 픽셀 어레이(200)는 행 디코더로부터 선택신호, 리셋신호 및 전송신호와 같은 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 구동 신호들에 응답하여 각각의 픽셀(210)들에 의해서 센싱된 전기적 신호인 픽셀전압(

Figure 112019008376873-pat00139
)는 복수의 칼럼라인을 통해 아날로그-디지털 변환기(100)에 제공될 수 있다.Each pixel 210 may convert an optical signal into an electrical signal. The pixel array 200 may be driven by driving signals such as a selection signal, a reset signal, and a transmission signal from a row decoder. In addition, the pixel voltage, which is an electrical signal sensed by each pixel 210 in response to the driving signals (
Figure 112019008376873-pat00139
) May be provided to the analog-to-digital converter 100 through a plurality of column lines.

아날로그-디지털 변환기(100)는, 아날로그 신호에 기초하여 제1기준신호를 생성하는 비교기(110), 마스터클록의 하강 에지(edge) 및 비교기(110)에서 생성된 제1기준신호의 하강 에지 사이에 형성된 시간잔여차이를 증폭하여 제2기준신호를 생성하는 시간증폭기(120), 제1기준신호 및 제2기준신호를 이용하여 디지털신호를 생성하는 카운터(140)를 포함한다.The analog-to-digital converter 100 includes a comparator 110 generating a first reference signal based on the analog signal, a falling edge of the master clock, and a falling edge of the first reference signal generated by the comparator 110. It includes a time amplifier 120 for amplifying the residual time difference formed in the second reference signal to generate a digital signal using the first reference signal and the second reference signal.

이 실시예의 아날로그-디지털 변환기(100)는 앞서 설명된 아날로그-디지털 변환기(100)의 실시예의 구성 및 특징을 포함할 수 있다.The analog-to-digital converter 100 of this embodiment may include the configuration and features of the embodiments of the analog-to-digital converter 100 described above.

실험.Experiment.

도 11은 이 실시예의 블록 및 타이밍 다이어그램이다. 열 회로(column circuit)는 비교기(Comparator, 110), 시간증폭기(Time Stretcher, 120) 및 MSB카운터(142)와 LSB카운터(141)로 구성된다. 1-H 변환 시간은 4μs로 설정되어 VGA 픽셀 배열에 대해 500fps를 허용한다. 변환 전, 비교기(100)의 오프셋은 AZ신호(

Figure 112019008376873-pat00140
)의 변환에 의한 자동영점조정(Auto-Zeroing)에 의해 감소된다. 픽셀의 리셋 신호는 비교기(100)에 적용되며, 리셋 변환은 0.6μs 변환 시간 내에 수행된다. 램프전압(
Figure 112019008376873-pat00141
)이 픽셀전압(
Figure 112019008376873-pat00142
)의 출력 전압과 같을 때, 비교기(100) 출력인 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00143
)는 100MHz 클록 주파수에서 작동하는 7b MSB카운터(142)를 트리거한다. 제1기준신호(
Figure 112019008376873-pat00144
)의 하강 에지와 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00145
)의 다음 하강 에지 사이에는 시간잔여차이(
Figure 112019008376873-pat00146
)가 여전히 존재한다. 시간증폭기(120)는 시간잔여차이(
Figure 112019008376873-pat00147
)를 16배로 확장하고, 4b LSB카운터(141)에 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00148
)를 제공한다. LSB카운터(141)는 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00149
)과 동일한 클록 주파수에서 작동한다. 10b 변환의 경우, 64 (MSB)와 16 (LSB)의 합계로 계산되는 80 사이클을 필요로 한다. 범위를 벗어나는 오류를 피하기 위해, MSB카운터(142)는 1b 이중화를 사용하여 시간증폭기(120)의 정확성에 대한 요구 사항을 완화한다. 리셋 변환 후 카운터 출력의 각 비트가 반전된다. 이 비트반전(BI)은 리셋데이터의 음의 값(-
Figure 112019008376873-pat00150
)을 제공하며 다음 변환의 초기 값으로 이용한다. 픽셀에서의 전하 전송 후, 0.8μs의 변환 시간 내에 픽셀전압(
Figure 112019008376873-pat00151
)(전압 스윙 = 1V)의 신호 레벨을 판독한다. MSB카운터(142)와 LSB카운터(141)의 최종 결과는 디지털 CDS 작동을 실현하는 두 신호 (
Figure 112019008376873-pat00152
-
Figure 112019008376873-pat00153
)의 차이를 가진다. 변환 후, 각 열의 카운터 출력은 SRAM으로 동시에 전송되고, 다음 행의 변환 동안 감지증폭기(sense amplifiers)에 의해 판독된다.11 is a block and timing diagram of this embodiment. The column circuit is composed of a comparator 110, a time stretcher 120, and an MSB counter 142 and an LSB counter 141. The 1-H conversion time is set to 4 μs, allowing 500 fps for the VGA pixel array. Before conversion, the offset of the comparator 100 is an AZ signal (
Figure 112019008376873-pat00140
) Is reduced by auto-zeroing. The reset signal of the pixel is applied to the comparator 100, and the reset conversion is performed within 0.6 μs conversion time. Lamp voltage (
Figure 112019008376873-pat00141
) Is the pixel voltage (
Figure 112019008376873-pat00142
), The same as the output voltage, the first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00143
) Triggers a 7b MSB counter 142 operating at a 100 MHz clock frequency. 1st reference signal (
Figure 112019008376873-pat00144
) 'S falling edge and master clock (
Figure 112019008376873-pat00145
) Between the next falling edges.
Figure 112019008376873-pat00146
) Still exists. The time amplifier 120 is the time remaining difference (
Figure 112019008376873-pat00147
) To 16 times, and the second reference signal (4b LSB counter 141)
Figure 112019008376873-pat00148
). LSB counter 141 is the master clock (
Figure 112019008376873-pat00149
) At the same clock frequency. For a 10b conversion, it takes 80 cycles, calculated as the sum of 64 (MSB) and 16 (LSB). To avoid out-of-range errors, MSB counter 142 uses 1b redundancy to alleviate the requirement for accuracy of time amplifier 120. After reset conversion, each bit of the counter output is inverted. This bit inversion (BI) is the negative value of the reset data (-
Figure 112019008376873-pat00150
) And is used as the initial value of the next transformation. Pixel voltage (within 0.8 μs conversion time after charge transfer from pixel)
Figure 112019008376873-pat00151
) (Voltage swing = 1V). The final result of the MSB counter 142 and LSB counter 141 is that the two signals that realize digital CDS operation (
Figure 112019008376873-pat00152
-
Figure 112019008376873-pat00153
). After conversion, the counter output of each column is simultaneously sent to the SRAM and read by sense amplifiers during the conversion of the next row.

도 12를 참조하여 시간증폭기(120)의 작동을 설명한다. 비교기(110)의 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00154
)를 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00155
) 신호의 하강 에지와 비교하는 것으로 리셋신호(
Figure 112019008376873-pat00156
) 및 시동신호(
Figure 112019008376873-pat00157
)가 생성된다. 시간증폭기(120)는 전류원(
Figure 112019008376873-pat00158
), 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00159
)와 제2전지(16×
Figure 112019008376873-pat00160
) 및 오프셋을 캔슬하는 동적비교부(126)로 구성된다. 변환 전, 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00161
)와 제2전지(16×
Figure 112019008376873-pat00162
)의 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00163
Figure 112019008376873-pat00164
가 리셋된다. 동시에, 비교기(110)의 프리앰프의 바이어스 전압은 노이즈제거부(
Figure 112019008376873-pat00165
, 128)에 저장된다. 리셋신호(
Figure 112019008376873-pat00166
)를 이용한 잔여 샘플링 단계에서 전류원(
Figure 112019008376873-pat00167
)은 제1전지(
Figure 112019008376873-pat00168
)(0.2pF)를 충전하고, 출력 전압
Figure 112019008376873-pat00169
는 선형으로 상승하며,
Figure 112019008376873-pat00170
는 0으로 유지된다. 비교기(110)의 오차를 고려할 때, 최대
Figure 112019008376873-pat00171
스윙은 0.8V로 선택되며, 이것은 625ps의 시간 분해능을 위한 50mV의 LSB스텝에 해당한다.The operation of the time amplifier 120 will be described with reference to FIG. 12. The first reference signal of the comparator 110 (
Figure 112019008376873-pat00154
) To the master clock (
Figure 112019008376873-pat00155
) Compared to the falling edge of the signal to reset signal (
Figure 112019008376873-pat00156
) And start signal (
Figure 112019008376873-pat00157
) Is generated. The time amplifier 120 is a current source (
Figure 112019008376873-pat00158
), The first battery (
Figure 112019008376873-pat00159
) And the second battery (16 ×
Figure 112019008376873-pat00160
) And the dynamic comparison unit 126 for canceling the offset. Before conversion, first battery (
Figure 112019008376873-pat00161
) And the second battery (16 ×
Figure 112019008376873-pat00162
) Output voltage
Figure 112019008376873-pat00163
And
Figure 112019008376873-pat00164
Is reset. At the same time, the bias voltage of the preamplifier of the comparator 110 is a noise removing unit (
Figure 112019008376873-pat00165
, 128). Reset signal (
Figure 112019008376873-pat00166
Current source in the residual sampling stage using)
Figure 112019008376873-pat00167
) Is the first battery (
Figure 112019008376873-pat00168
) (0.2pF), output voltage
Figure 112019008376873-pat00169
Is linearly rising,
Figure 112019008376873-pat00170
Remains 0. Considering the error of the comparator 110, the maximum
Figure 112019008376873-pat00171
The swing is chosen to be 0.8V, which corresponds to an LSB step of 50mV for a time resolution of 625ps.

시간증폭 단계의 시작에서 전류원(

Figure 112019008376873-pat00172
)은 제2전지(16×
Figure 112019008376873-pat00173
)로 전환되어 공급되고,
Figure 112019008376873-pat00174
Figure 112019008376873-pat00175
Figure 112019008376873-pat00176
/
Figure 112019008376873-pat00177
로 설정한다.
Figure 112019008376873-pat00178
는 16배 느린 슬루레이트로 램프 업을 시작하고,
Figure 112019008376873-pat00179
Figure 112019008376873-pat00180
값에 도달할 때까지 동적비교부(126)가 LSB카운터(141)에 대한 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00181
)를 생성한다. 따라서 제2기준신호(
Figure 112019008376873-pat00182
)의 동작주기는 16
Figure 112019008376873-pat00183
를 나타내며, 주기는 LSB카운터(141)의 값을 결정한다.The current source (
Figure 112019008376873-pat00172
) Is the second battery (16 ×
Figure 112019008376873-pat00173
) And supplied,
Figure 112019008376873-pat00174
To
Figure 112019008376873-pat00175
Figure 112019008376873-pat00176
/
Figure 112019008376873-pat00177
Set to
Figure 112019008376873-pat00178
Starts ramping up with a 16x slow slew rate,
Figure 112019008376873-pat00179
end
Figure 112019008376873-pat00180
The dynamic comparison unit 126 until the value reaches the second reference signal for the LSB counter 141 (
Figure 112019008376873-pat00181
). Therefore, the second reference signal (
Figure 112019008376873-pat00182
) Is 16
Figure 112019008376873-pat00183
And the period determines the value of the LSB counter 141.

도 13의 상단 그림은 MSB카운터(142) 및 LSB카운터(141)의 단순화된 블록 다이어그램이다. MSB카운터(142)와 LSB카운터(141)는 상호 작용이 없으므로 독립적으로 작동할 수 있다. 각 카운터 셀은 토글플립플롭(TFF)과 BI 블록을 포함한다. 카운터 연산을 위해 BI 블록은 LSB카운터(141)에서 MSB셀로 비트를 전달한다.13 is a simplified block diagram of the MSB counter 142 and the LSB counter 141. Since the MSB counter 142 and the LSB counter 141 have no interaction, they can operate independently. Each counter cell includes a toggle flip-flop (TFF) and a BI block. For counter operation, the BI block transfers bits from the LSB counter 141 to the MSB cell.

CDS 동작은 LSB카운터(141)의 상태에 관계없이 토글 신호를 생성하고, 각 카운터 셀의 상태를 반전시킨다.The CDS operation generates a toggle signal regardless of the state of the LSB counter 141, and inverts the state of each counter cell.

1b 이중화를 구현하기 위해 MSB카운터(142)는 제1기준신호(

Figure 112019008376873-pat00184
)가 트리거 될 때 마스터클록(
Figure 112019008376873-pat00185
)의 상태를 저장하는 DDR(Double Data Rate)카운터(143) 셀을 사용하므로 MSB카운터(142)의 1b 확장(
Figure 112019008376873-pat00186
)이 발생한다. 클록 스위칭이 배제되기 때문에 DDR카운터(143) 셀의 전력 소비는 무시할 수 있다.To implement 1b redundancy, the MSB counter 142 has a first reference signal (
Figure 112019008376873-pat00184
) When the master clock (
Figure 112019008376873-pat00185
) Uses the DDR (Double Data Rate) counter 143 cell to store the state, so the 1b extension of the MSB counter 142 (
Figure 112019008376873-pat00186
) Occurs. Since the clock switching is excluded, the power consumption of the DDR counter 143 cell can be neglected.

CDS 동작 후, MSB카운터(142)의 값(예컨대, 16)과 달리, LSB카운터(141)의 값은 도 13의 하단에 나타낸 바와 같이 양수 또는 음수(예를 들어, -1)가 될 수 있다. 이렇게 되면 두 카운터의 결과 간에 직접적인 비트 조합이 금지된다. 이러한 문제는 LSB카운터(141)에 부호플래그비트(sign flag bit)(

Figure 112019008376873-pat00187
)를 추가하여 해결된다.After the CDS operation, unlike the value of the MSB counter 142 (eg, 16), the value of the LSB counter 141 may be positive or negative (eg, -1) as shown in the lower part of FIG. 13. . This prevents direct bit combinations between the results of the two counters. This problem is caused by the sign flag bit (sign flag bit) in the LSB counter 141 (
Figure 112019008376873-pat00187
).

CDS 동작을 포함하는 변환 후, ADC 출력은 MSB카운터(142) 및 LSB카운터(141) 출력을 합산함으로써 얻을 수 있다(예를 들어, 15=16-1). 이러한 합산 연산은 감지증폭기(sense amplifier)의 출력에서 처리될 수 있으므로 열 레벨의 복잡성을 증가시키지 않는다.After conversion, including CDS operation, the ADC output can be obtained by summing the MSB counter 142 and LSB counter 141 outputs (eg, 15 = 16-1). This summation operation can be processed at the output of the sense amplifier, so it does not increase the complexity of the heat level.

도 14를 참조하면, 이 실시예의 칩은 5.5×4.5mm²의 면적을 차지한다. 이 칩은 3.3/1.5V(아날로그/디지털) 전원에서 76mW를 소비한다. 픽셀 배열은 4μm 픽셀 피치의 640×480 픽셀로 구성되며, 표준 4T 픽셀로 구현된다.14, the chip of this embodiment occupies an area of 5.5 x 4.5 mm2. The chip consumes 76mW from a 3.3 / 1.5V (analog / digital) power supply. The pixel array consists of 640x480 pixels with a 4μm pixel pitch and is implemented with standard 4T pixels.

도 15를 참조하면, Random Noise(RN)는 램프생성기(ramp generator)의 아날로그 게인을 이용하여 측정된다. 82

Figure 112019008376873-pat00188
의 픽셀 변환 이득으로 2.85
Figure 112019008376873-pat00189
의 RN을 달성하였다. 이 RN은 8배 아날로그 게인으로 1.95
Figure 112019008376873-pat00190
로 더욱 개선되었다. 시간증폭의 이득은 모든 열에 대해서도 측정된다. 16.12의 평균 이득과 15.84와 16.34 사이의 이득 편차를 나타내며, 누락된 코드가 없는 경우 ±0.2LSB 오류를 나타내었다. 수직FPN(VFPN)은 0.71
Figure 112019008376873-pat00191
와 0.18
Figure 112019008376873-pat00192
이다. 각각 1배와 8배의 아날로그 게인을 얻는다. 도 16은 이 실시예에 따른 칩이 500fps에서 촬영한 샘플 이미지이다.Referring to FIG. 15, random noise (RN) is measured using an analog gain of a ramp generator. 82
Figure 112019008376873-pat00188
With a pixel conversion gain of 2.85
Figure 112019008376873-pat00189
RN was achieved. This RN is an 8x analog gain of 1.95
Figure 112019008376873-pat00190
Was further improved. The gain of time amplification is also measured for all heat. It shows the average gain of 16.12 and the gain deviation between 15.84 and 16.34, and ± 0.2LSB error when there is no missing code. Vertical FPN (VFPN) is 0.71
Figure 112019008376873-pat00191
And 0.18
Figure 112019008376873-pat00192
to be. 1 and 8 times the analog gain, respectively. 16 is a sample image taken by the chip according to this embodiment at 500 fps.

Figure 112019008376873-pat00193
Figure 112019008376873-pat00193

표 1은 이 실시예에 따른 칩의 성능 요약과 종래 최신 기술과의 비교를 나타낸다. 본 발명의 실시예의 픽셀 속도는 다른 것보다 낮지만, 클록주파수가 낮더라도 싱글슬로프 ADC 중에서 빠른 1-H 시간을 가진다. 에너지 효율 면에서 이 실시예는 각각 1.41 및 0.96

Figure 112019008376873-pat00194
의 FoM을 1배 및 8배 아날로그 게인으로 달성하였다.Table 1 shows a summary of the performance of the chip according to this embodiment and a comparison with the state-of-the-art technology. The pixel rate of the embodiment of the present invention is lower than the others, but it has a fast 1-H time among single-slope ADCs even when the clock frequency is low. In terms of energy efficiency, these examples are 1.41 and 0.96 respectively.
Figure 112019008376873-pat00194
FoM was achieved with 1x and 8x analog gain.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 다음 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention can use various changes, modifications, and equivalents. It is clear that the present invention can be equally applied by appropriately modifying the above embodiments. Therefore, the above description is not intended to limit the scope of the present invention as defined by the following claims.

10 : 이미지센서 100 : 아날로그-디지털 변환기
110 : 비교기 120 : 시간증폭기
122 : 신호제어부 124 : 전지부
126 : 동적비교부 128 : 노이즈제거부
140 : 카운터 141 : 제1카운터
142 : 제2카운터 143 : DDR카운터
200 : 픽셀 어레이 210 : 픽셀
10: image sensor 100: analog to digital converter
110: comparator 120: time amplifier
122: signal control unit 124: battery unit
126: dynamic comparison unit 128: noise removal unit
140: counter 141: first counter
142: 2nd counter 143: DDR counter
200: pixel array 210: pixel

Claims (10)

아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기에 있어서,
상기 아날로그 신호에 기초하여 제1기준신호를 생성하는 비교기;
마스터클록의 하강 에지(edge) 및 상기 비교기에서 생성된 제1기준신호의 하강 에지 사이에 형성된 시간잔여차이를 증폭하여 제2기준신호를 생성하는 시간증폭기; 및
상기 제1기준신호 및 상기 제2기준신호를 이용하여 디지털신호를 생성하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
In the analog-to-digital converter for converting an analog signal to a digital signal,
A comparator generating a first reference signal based on the analog signal;
A time amplifier for amplifying a time residual difference formed between a falling edge of the master clock and a falling edge of the first reference signal generated by the comparator to generate a second reference signal; And
And a counter for generating a digital signal using the first reference signal and the second reference signal.
제1항에 있어서,
상기 시간증폭기는 상기 마스터클록과 동일한 클록 주파수에서 구동되는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
According to claim 1,
The time amplifier is analog-to-digital converter, characterized in that is driven at the same clock frequency as the master clock.
제1항에 있어서,
상기 시간증폭기는 증폭 배수만큼 용량이 상이한 적어도 두 개의 커패시터의 충전시간의 차이를 이용하여 상기 시간잔여차이를 증폭하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
According to claim 1,
The time amplifier is an analog-to-digital converter, characterized in that amplifying the remaining time difference by using a difference in charging time of at least two capacitors having different capacities by amplification multiples.
제1항에 있어서, 상기 시간증폭기는,
상기 마스터클록 및 상기 제1기준신호를 이용하여 리셋신호 및 시동신호를 생성하는 신호제어부;
상기 신호제어부에서 리셋신호가 생성될 때 충전되는 제1전지 및 상기 신호제어부에서 시동신호가 생성될 때 충전되며 상기 제1전지보다 증폭 배수만큼 큰 용량을 가지는 제2전지를 포함하는 전지부; 및
상기 제1전지 및 상기 제2전지의 전압을 이용하여 상기 제2기준신호를 생성하는 동적비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
The method of claim 1, wherein the time amplifier,
A signal control unit generating a reset signal and a start signal using the master clock and the first reference signal;
A battery unit including a first battery charged when a reset signal is generated by the signal control unit and a second battery charged when a start signal is generated by the signal control unit and having a capacity greater than an amplification multiple than the first battery; And
And a dynamic comparison unit that generates the second reference signal using the voltages of the first battery and the second battery.
제4항에 있어서,
상기 제1전지와 상기 제2전지의 서로 상이한 리셋노이즈 제거를 위해, 상기 전지부와 상기 동적비교부 사이에 연결되는 노이즈제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
The method of claim 4,
Analog-to-digital converter further comprises a noise removing unit connected between the battery unit and the dynamic comparison unit to remove different reset noises of the first battery and the second battery.
제4항에 있어서,
상기 동적비교부는 상기 제2전지의 전압이 상기 제1전지의 전압에 도달될 때까지 클록을 발생시켜 제2기준신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
The method of claim 4,
The dynamic comparison unit generates a second reference signal by generating a clock until the voltage of the second battery reaches the voltage of the first battery.
제1항에 있어서, 상기 카운터는
상기 제2기준신호 및 상기 마스터클록에 기초하여 제1 디지털 신호를 생성하는 제1카운터; 및
상기 제1기준신호 및 상기 마스터클록에 기초하여 제2 디지털 신호를 생성하는 제2카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
The method of claim 1, wherein the counter
A first counter for generating a first digital signal based on the second reference signal and the master clock; And
And a second counter for generating a second digital signal based on the first reference signal and the master clock.
제7항에 있어서,
정확한 시간 증폭을 위해 상기 제2카운터에 1비트의 여분비트를 추가하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
The method of claim 7,
Analog-to-digital converter, characterized in that by adding an extra bit of 1 bit to the second counter for accurate time amplification.
제8항에 있어서,
상기 제2카운터는 사이클 증가 없이 상기 여분비트를 추가하는 DDR(Double Data Rate)카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환기.
The method of claim 8,
The second counter includes an analog-to-digital converter, comprising a DDR (Double Data Rate) counter that adds the extra bits without increasing cycles.
입사광을 감지하여 아날로그 신호를 발생하는 픽셀; 및
상기 픽셀과 연결되고, 상기 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고,
상기 아날로그-디지털 변환기는,
상기 아날로그 신호에 기초하여 제1기준신호를 생성하는 비교기;
마스터클록의 하강 에지(edge) 및 상기 비교기에서 생성된 제1기준신호의 하강 에지 사이에 형성된 시간잔여차이를 증폭하여 제2기준신호를 생성하는 시간증폭기; 및
상기 제1기준신호 및 상기 제2기준신호를 이용하여 디지털신호를 생성하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
A pixel that senses incident light to generate an analog signal; And
An analog-to-digital converter connected to the pixel and converting the analog signal to a digital signal,
The analog-to-digital converter,
A comparator generating a first reference signal based on the analog signal;
A time amplifier for amplifying a time residual difference formed between a falling edge of the master clock and the falling edge of the first reference signal generated by the comparator to generate a second reference signal; And
And a counter for generating a digital signal using the first reference signal and the second reference signal.
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