KR102128811B1 - 넓은 동적 범위를 가지는 포토 센서 - Google Patents

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넓은 동적 범위를 가지는 포토 센서가 게시된다. 본 발명의 포토 센서에서는, 수신광의 에너지가 상기 오실레이팅 신호의 주파수로 반영되어 확인될 때, 광센싱부 및/또는 전류 미러부에서 제공되는 전기적 성분으로는 전류량이 유의미하게 제공된다. 이러한 본 발명의 포토 센서에 의하면, 광센싱부의 연산 증폭기 및/또는 오실레이팅부의 인버터에 제공되는 전원 전압의 레벨이 낮아지는 경우에도, 수신되는 수신광의 세기를 효과적으로 감지할 수 있다. 즉, 본 발명의 포토 센서는 넓은 동적 범위를 가진다. 또한, 본 발명의 포토 센서에서는, 광전류를 전압 레벨로 변환하기 위한 축전 캐패시터가 요구되지 않으므로, 레이아웃 면적이 현저히 감소된다.

Description

넓은 동적 범위를 가지는 포토 센서{PHOTO SENSOR HAVING WIDE DYNAMIC RANGE}
본 발명은 수신광을 감지하는 포토 센서에 관한 것으로서, 특히 낮은 레벨의 전원 전압에서 구동될 수 있는 즉, 넓은 동적 범위를 가지는 포토 센서에 관한 것이다.
포토 센서는 수신되는 수신광(受信光)의 에너지를 감지하여 센싱 데이터로 발생하는 전자 회로이다. 현재, 수신광의 에너지를 전압 레벨의 신호로 변환하여 이용하는 전압 레벨형 포토 센서가 많이 사용되고 있다.
도 1은 기존의 포토 센서를 나타내는 도면으로서, 전압 레벨형 포토 센서이다. 도 1의 포토 센서는 광센싱부(10), 이득 증폭부(20) 및 데이터 변환부(30)를 포함하여 구성된다. 상기 광센싱부(10)의 포토 다이오드(11)는 수신되는 수신광(LGT)을 광전류(Ipd)로 변환한다. 그리고, 상기 광전류(Ipd)는 축전 캐패시터(13)와 연산증폭기(15)에 의하여 센싱 신호(XSEN)으로 발생된다.
이때, 상기 연산증폭기(15)에서 제공되는 센싱 신호(XSEN)는 상기 광전류(Ipd)의 양 즉, 수신광(LGT)을 반영하는 전압 레벨을 가진다. 그리고, 센싱 신호(XSEN)의 전압 레벨은 이득 증폭부(20) 및 데이터 변환부(30)에 의하여 디지털 성분의 센싱 데이터(DSEN)로 변환된다. 참고로, 도 1에서 참조부호 'VREF'는 기준 전압을 나타내며, 참조부호 'VNN'은 외부에서 제공되는 '다이오드 파워 전압'을 나타낸다.
그런데, 도 1과 같은 기존의 포토 센서에서는 상기 연산 증폭기(15)에 제공되는 전원 전압(VDD)이 낮아지는 경우, 상기 센싱 신호(XSEN)가 가질 수 있는 전압 레벨의 범위도 제한된다.
그 결과, 기존의 포토 센서에서는, 사용가능한 전원 전압(VDD)의 범위 즉, 동적 범위가 좁은 문제점이 발생된다.
본 발명의 목적은 상기 기존기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 레벨의 전원 전압(VDD)에서도 사용 가능한, 즉, 넓은 동적 범위를 가지는 포토 센서를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 포토 센서에 관한 것이다. 본 발명의 포토 센서는 포토 다이오드를 포함하는 광센싱부로서, 상기 포토 다이오드는 수신되는 수신광을 감지하여 광전류로 변환하는 상기 광센싱부; 상기 광전류를 미러링 증폭하여 미러링 전류를 발생하는 전류 미러부; 및 다수개의 인버터들을 포함하여 오실레이팅 신호를 생성하도록 구동되는 오실레이팅부로서, 상기 오실레이팅 신호는 상기 미러링 전류의 전류량에 따른 주파수를 가지며 진동하는 상기 오실레이팅부를 구비한다. 상기 광센싱부는 상기 포토 다이오드; 자신의 게이트 단자 및 드레인 단자로 상기 포토 다이오드에서 발생되는 상기 광전류를 수신하며, 소스 단자가 접지 전압에 전기적으로 연결되는 소스 트랜지스터; 및 상기 포토 다이오드의 애노드 단자의 전압을 일정한 레벨로 유지시키기 위하여, 상기 포토 다이오드의 애노드 단자와 상기 소스 트랜지스터의 상기 드레인 단자 사이에 형성되는 안정화 유닛을 구비한다. 그리고, 상기 안정화 유닛은 일측 접합이 상기 포토 다이오드의 상기 애노드 단자에 전기적으로 연결되며, 다른 일측 접합은 상기 소스 트랜지스터의 상기 게이트 단자 및 상기 드레인 단자에 전기적으로 연결되는 안정화 트랜지스터; 및 기준 전압에 대한 상기 포토 다이오드의 상기 애노드 단자의 전압의 차이에 따른 레벨을 가지는 출력 신호를 발생하는 연산 증폭기로서, 상기 출력 신호는 상기 안정화 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 상기 연산 증폭기를 구비한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 포토 센서에서는, 수신광의 에너지가 상기 오실레이팅 신호의 주파수로 반영되어 확인될 때, 광센싱부 및/또는 전류 미러부에서 제공되는 전기적 성분으로는 전류량이 유의미하게 제공된다. 이러한 본 발명의 포토 센서에 의하면, 광센싱부의 연산 증폭기 및/또는 오실레이팅부의 인버터에 제공되는 전원 전압의 레벨이 낮아지는 경우에도, 수신되는 수신광의 세기를 효과적으로 감지할 수 있다. 즉, 본 발명의 포토 센서는 넓은 동적 범위를 가진다.
그리고 본 발명의 포토 센서에서, 광센싱부는 포토 다이오드의 애노드 단자의 전압을 일정한 레벨로 유지시키는 안정화 유닛을 구비한다. 이에 따라, 본 발명의 포토 센서는 높은 센싱 정확도를 가진다.
또한, 본 발명의 포토 센서에서는, 광전류를 전압 레벨로 변환하기 위한 축전 캐패시터가 요구되지 않으므로, 레이아웃 면적이 현저히 감소된다.
본 발명에서 사용되는 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 기존의 포토 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 포토 센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 오실레이팅부를 자세히 나타내는 도면이다.
본 발명의 내용을 명세서 전반에 걸쳐 설명함에 있어서, 개개의 구성요소들 사이에서 '전기적으로 연결된다', '연결된다', '접속된다'의 용어의 의미는 직접적인 연결뿐만 아니라 속성을 일정 정도 이상 유지한 채로 중간 매개체를 통해 연결이 이루어지는 것도 모두 포함하는 것이다. 개개의 신호가 '전달된다', '도출된다'등의 용어 역시 직접적인 의미뿐만 아니라 신호의 속성을 어느 정도 이상 유지한 채로 중간 매개체를 통한 간접적인 의미까지도 모두 포함된다. 기타, 전압 또는 신호가 '가해진다, '인가된다', '입력된다' 등의 용어도, 명세서 전반에 걸쳐 모두 이와 같은 의미로 사용된다.
또한 각 구성요소에 대한 복수의 표현도 생략될 수도 있다. 예컨대 신호선은 동일한 속성을 가지는 여러 신호선들, 예컨대 데이터 신호들과 같이 다발로 이루어진 경우에 이를 굳이 단수와 복수로 구분할 필요가 없기 때문이기도 하다. 이런 점에서 이러한 기재는 타당하다. 따라서 이와 유사한 표현들 역시 명세서 전반에 걸쳐 모두 이와 같은 의미로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서에서, '전압 레벨형 포토 센서'는 '수신되는 수신광에 따른 광전류의 양을 전압으로 변환하고, 변환된 전압의 레벨에 따른 센싱 데이터를 발생하는 포토 센서'를 의미한다. 그리고, '전류형 포토 센서'는 '수신되는 수신광에 따른 광전류의 양에 따른 센싱 데이터를 발생하되, 광전류의 양을 전압으로 변환하지 않는 포토 센서'를 의미한다
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
그리고, 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 포토 센서를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 포토 센서는 '전류형 포토 센서'로서, 광센싱부(100), 전류 미러부(200) 및 오실레이팅부(300)를 구비하며, 바람직하기로는, 데이터 변환부(400)를 더 구비한다.
상기 광센싱부(100)는 다이오드 파워 전압(VNN)과 안정 노드(NSTV) 사이에 형성되는 포토 다이오드(110)를 구비한다. 이때, 상기 포토 다이오드(110)의 애노드(anode) 단자는 상기 안정 노드(NSTV)와 전기적으로 연결되며, 상기 포토 다이오드(110)의 캐소트(cathode) 단자는 상기 다이오드 파워 전압(VNN)에 전기적으로 연결된다. 이러한 상기 포토 다이오드(110)는 수신되는 수신광(100)의 에너지(광의 세기, 조사시간 등에 따름)를 감지하여 광전류(Ipd)로 변환한다.
바람직하기로는, 상기 광센싱부(100)는 상기 포토 다이오드(110)과 함께 소스 트랜지스터(120)를 구비한다. 이때, 상기 소스 트랜지스터(120)는 자신의 게이트 단자 및 드레인 단자로 상기 포토 다이오드(110)에서 발생되는 상기 광전류(Ipd)를 수신하며, 소스 단자가 접지 전압(VSS)에 전기적으로 연결되는 앤모스 트랜지스로 구현될 수 있다. 이러한 상기 소스 트랜지스터(120)에 의하여, 상기 포토 다이오드(110)에서 발생되는 상기 광전류(Ipd)의 전류 패스가 형성된다.
더욱 바람직하기로는, 상기 광센싱부(100)는 상기 포토 다이오드(110)의 애노드 단자의 전압을 일정한 레벨로 유지시키기 위하여, 상기 포토 다이오드(110)의 애노드 단자와 상기 소스 트랜지스터(120)의 상기 드레인 단자 사이에 형성되는 안정화 유닛(130)을 더 구비한다.
상기 안정화 유닛(130)은 구체적으로 안정화 트랜지스터(131) 및 연산 증폭기(133)를 구비한다.
상기 안정화 트랜지스터(131)는 일측 접합이 상기 포토 다이오드(110)의 상기 애노드 단자 즉, 상기 안정 노드(NSTV)에 전기적으로 연결되며, 다른 일측 접합은 상기 소스 트랜지스터(120)의 상기 게이트 단자 및 상기 드레인 단자에 전기적으로 연결되는 피모스 트랜지스터이다.
그리고, 상기 연산 증폭기(133)는 기준 전압(VREF)에 대한 상기 포토 다이오드(110)의 상기 애노드 단자 즉, 상기 안정 노드(NSTV)의 전압의 차이에 따른 레벨을 가지는 출력 신호를 발생한다. 그리고, 상기 연산 증폭기(133)의 출력 신호는 상기 안정화 트랜지스터(131)의 게이트 단자에 인가된다.
이러한 구성을 가지는 상기 안정화 유닛(130)에 의하여, 상기 안정 노드(NSTV) 즉, 상기 포토 다이오드(110)의 애노드 단자의 전압은 상기 기준 전압(VREF)와 동일하게 된다.
이에 따라, 상기 포토 다이오드(110)의 캐소드 단자와 상기 애노드 단자 사이의 전압차는 센싱동작 중에 노이즈 혹은 주변의 간섭과 같은 외적 요소에 관계없이 일정하게 유지된다. 그 결과, 상기 광전류(Ipd)의 크기는 수신광(LGT)의 에너지에 의존하게 된다. 즉, 상기 광전류(Ipd)의 크기는 수신광(LGT)의 에너지를 보다 정확히 반영하게 된다.
계속 도 2를 참조하면, 상기 전류 미러부(200)는 상기 광전류(Ipd)를 미러링 증폭하여 미러링 전류(Imr)를 발생한다.
바람직하기로는, 상기 전류 미러부(200)는 미러링 트랜지스터(210)를 구비한다. 이때, 상기 미러링 트랜지스터(210)는 상기 광센싱부(100)의 소스 트랜지스터(120)의 게이트 단자에 공통으로 접속되는 게이트 단자와 상기 접지 전압(VSS)에 전기적으로 접속되는 소스 단자를 가지는 앤모스 트랜지스터이다.
그 결과, 상기 미러링 트랜지스터(210)에 흐르는 상기 미러링 전류(Imr)는 상기 광전류(Ipd)를 미러링하게 된다. 여기서, 상기 광전류(Ipd)의 크기에 대한 상기 미러링 전류(Imr)의 크기는 상기 소스 트랜지스터(120)에 대한 상기 미러링 트랜지스터(210)의 폭/길이의 비에 따른다.
상기 오실레이팅부(300)는 다수개의 인버터들(INV1~INV5)을 포함하여 오실레이팅 신호(XOSC)를 생성하도록 구동된다.
도 3은 도 2의 오실레이팅부(300)를 자세히 나타내는 도면이다.
도 3은 참조하면, 상기 오실레이팅부(300)의 상기 다수개의 인버터들(INV1~INV5)은 상기 미러링 트랜지스터(210)에서 제공되는 상기 미러링 전류(Imr)를 수신한다. 이때, 상기 오실레이팅부(300)의 상기 다수개의 인버터들(INV1~INV5)은 오실레이팅 소스단(NOSC)에 공통으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 오실레이팅 소스단(NOSC)은 상기 미러링 트랜지스터(210)에서 제공되는 상기 미러링 전류(Imr)를 수신한다.
이에 따라, 상기 오실레이팅 신호(XOSC)는 상기 미러링 전류(Imr)의 전류량 즉, 상기 광전류(Ipd)의 전류량에 따른 주파수를 가지며 오실레이션한다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 데이터 변환부(400)는 상기 오실레이팅 신호(XOSC)의 주파수를 감지하여 센싱 데이터(DSEN)으로 변환한다.
정리하면, 본 발명의 포토 센서에서는, 상기 수신광(LGT)의 에너지가 상기 오실레이팅 신호(XOSC)의 주파수로 반영되어 확인될 때, 상기 광센싱부(100) 및/또는 전류 미러부(200)에서 제공되는 전기적 성분으로는 전압 레벨이 아니라 전류량이 유의미하게 이용된다. 즉, 본 발명의 포토 센서는 전류형 포토 센서이다.
이러한 본 발명의 포토 센서에 의하면, 광센싱부(100)의 연산 증폭기(133) 및/또는 오실레이팅부(300)의 인버터(INV1~INV5)에 제공되는 전원 전압(VDD)의 레벨이 낮아지는 경우에도, 수신되는 수신광(LGT)의 에너지를 효과적으로 감지할 수 있다. 즉, 본 발명의 포토 센서는 넓은 동적 범위를 가진다.
그리고, 본 발명의 포토 센서에서, 상기 광센싱부(100)는 상기 포토 다이오드(110)의 애노드 단자의 전압을 일정한 레벨로 유지시키는 상기 안정화 유닛(130)을 구비한다.
이에 따라, 상기 포토 다이오드(110)의 캐소드 단자와 상기 애노드 단자 사이의 전압차는 센싱동작 중에 노이즈 혹은 주변의 간섭과 같은 외적 요소에 관계없이 일정하게 유지된다. 그 결과, 상기 광전류(Ipd)의 크기는 수신광(LGT)의 에너지를 보다 정확히 반영하게 되며, 본 발명의 포토 센서는 높은 센싱 정확도를 가지게 된다.
또한, 본 발명의 포토 센서에서는, 광전류(Ipd)를 전압 레벨로 변환하기 위한 도 1의 축전 캐패시터가 요구되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 포토 센서에 의하면, 도 1의 포토 센세에 비하여, 레이아웃 면적이 현저히 감소된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
예를 들면, 본 명세서에서는, 상기 오실레이팅부(300)의 인버터들이 하나의 오실레이션 소스단(NOSC)에 공통적으로 접속되고, 상기 오실레이션 소스단을 통하여 공통된 미러링 전류를 수신하는 실시예가 도시되고 기술되었다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 오실레이팅부(300)의 인버터들이 각각의 오실레이션 소스단을 통해 각자의 미러링 전류를 수신하는 실시예에 의해서도 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 전류 미러부(200)에는 상기 오실레이팅부(300)의 인버터의 수에 상응하는 개수의 상기 미러링 트랜지스터(210)가 구비될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
또한, 본 명세서에서는, 상기 오실레이팅부(300)가 5개의 인버터(INV1~INV5)들로 구성되는 실시예가 도시되고 기술되었다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 오실레이팅부(300)가 (2n+1)(여기서, n은 자연수)개의 인버터들로 구성되는 다양한 실시예들에 의해서도 구현될 수 있음은 자명하다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 포토 센서에 있어서,
    포토 다이오드를 포함하는 광센싱부로서, 상기 포토 다이오드는 수신되는 수신광을 감지하여 광전류로 변환하는 상기 광센싱부;
    상기 광전류를 미러링 증폭하여 미러링 전류를 발생하는 전류 미러부; 및
    다수개의 인버터들을 포함하여 오실레이팅 신호를 생성하도록 구동되는 오실레이팅부로서, 상기 오실레이팅 신호는 상기 미러링 전류의 전류량에 따른 주파수를 가지며 진동하는 상기 오실레이팅부를 구비하며,
    상기 광센싱부는
    상기 포토 다이오드;
    자신의 게이트 단자 및 드레인 단자로 상기 포토 다이오드에서 발생되는 상기 광전류를 수신하며, 소스 단자가 접지 전압에 전기적으로 연결되는 소스 트랜지스터; 및
    상기 포토 다이오드의 애노드 단자의 전압을 일정한 레벨로 유지시키기 위하여, 상기 포토 다이오드의 애노드 단자와 상기 소스 트랜지스터의 상기 드레인 단자 사이에 형성되는 안정화 유닛을 구비하며,
    상기 안정화 유닛은
    일측 접합이 상기 포토 다이오드의 상기 애노드 단자에 전기적으로 연결되며, 다른 일측 접합은 상기 소스 트랜지스터의 상기 게이트 단자 및 상기 드레인 단자에 전기적으로 연결되는 안정화 트랜지스터; 및
    기준 전압에 대한 상기 포토 다이오드의 상기 애노드 단자의 전압의 차이에 따른 레벨을 가지는 출력 신호를 발생하는 연산 증폭기로서, 상기 출력 신호는 상기 안정화 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 상기 연산 증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 포토 센서는
    상기 오실레이팅 신호의 주파수를 감지하여 센싱 데이터로 변환하는 데이터 변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005136839A (ja) * 2003-10-31 2005-05-26 Yamatake Corp ヒステリシスコンパレータ
JP2008301288A (ja) * 2007-05-31 2008-12-11 Sharp Corp 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器
WO2014057806A1 (ja) * 2012-10-12 2014-04-17 シャープ株式会社 光センサおよび電子機器

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