KR102306972B1 - 넓은 동적 영역을 가지는 중 적외선 센서용 신호 검출 회로 및 이의 제어 방법 - Google Patents

넓은 동적 영역을 가지는 중 적외선 센서용 신호 검출 회로 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 넓은 동적 영역을 가지는 중 적외선(Mid Wavelength Infra-Red, MWIR) 센서용 신호 검출 회로(Read-Out Integrated Circuit, ROIC) 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 입력 전류 신호를 생성하는 검출 소자, 상기 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교하며, 비교 결과에 따라 적분 커패시터를 선택하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성하는 커패시터 선택 회로부, 상기 적분 커패시터의 다중 리셋을 제어하는 커패시터 리셋 블록 및 상기 적분 커패시터의 다중 리셋 횟수를 산출하는 N-비트 카운터를 포함한다.

Description

넓은 동적 영역을 가지는 중 적외선 센서용 신호 검출 회로 및 이의 제어 방법{WIDE DYNAMIC RANGE MID WAVELENGTH INFRA-RED SENSOR READ-OUT INTEGRATED CIRCUIT AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 넓은 동적 영역을 가지는 중 적외선(Mid Wavelength Infra-Red, MWIR) 센서용 신호 검출 회로(Read-Out Integrated Circuit, ROIC) 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 픽셀(Pixel)의 입력 신호에 따른 적분 커패시터(Capacitor) 선택을 통해 이득값(Gain)을 조절하고, 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 수행하여 동적 영역(Dynamic range)을 크게 향상시키는 중 적외선 센서용 신호 검출 회로 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
적외선이란, 가시광선보다 파장이 긴 영역을 말하며, 빛이 없어도 물체를 감지할 수 있는 점을 이용하여 보안용, 군사용, 의료용 등 많은 분야에 적용된다. 나아가, 적외선은 파장의 길이에 따라 근 적외선(Short Wavelength Infra-Red, 1∼2㎛), 중 적외선(Mid Wavelength Infra-Red, 3∼5㎛), 원 적외선(Long Wavelength Infra-Red, 8∼14㎛)으로 구분되며, 특히 중 적외선의 경우에는 적외선 투과 특성 및 영상 대조비(Contrast)가 우수하여 열상장비 및 미사일 등의 군사용으로 많이 이용된다.
중 적외선 센서로부터 발생한 전류신호는 신호 검출 회로(Read-Out Integrated Circuit, ROIC)를 통해 검출하고, 신호처리장치(Signal processor)로 전달되어 적외선 영상으로 출력된다.
도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명하자면, 도 1에 도시된 일반적인 기존의 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(ROIC)는 실제 검출 소자를 모사하여 구현한 트랜지스터(Transistor, 110), 트랜지스터로(110)부터 생성되는 전류 신호를 적분 커패시터로 전달하는 입력 회로(120), 전달된 전류 신호를 적분하는 적분 커패시터(130), 및 적분 커패시터(130)의 리셋 제어를 수행하는 리셋 회로(140)로 구성된다.
여기서, 트랜지스터(110)는 검출 소자로서 실제 소자를 대신하여 외부에서 가하는 가변 전압에 따라 전류 신호를 생성한다. 입력 회로(120)는 실제 검출 소자가 연결된 경우에 소자의 바이어스를 유지하고, 검출 소자로부터 생성된 광전류를 적분 커패시터(130)로 전달한다. 리셋 회로(140)는 온(ON)/오프(OFF) 동작하여 적분 커패시터(130)에 적분된 신호를 리셋한다. 이로 인해, 검출 소자인 트랜지스터(110)에서 생성된 전류 신호는 적분 커패시터(130)에 적분되어 출력단을 통해 전압 신호로 출력된다.
한편, 원거리로부터 접근하는 표적의 경우, 표적 정보는 센서와의 거리에 따라 다양하다. 도 2를 참조하여 설명하면, 도 2의 그래프에서 실선은 거리에 따라 표적이 차지하는 픽셀 수를 보여주며, 점선은 거리에 따른 표적의 신호 감소율을 보여준다.
예를 들어, 15km의 거리에서, 표적은 1 픽셀 이내의 크기를 가지며, 신호 크기는 원래 표적 신호 크기의 약 10%의 값을 가진다. 그러므로, 적외선 검출기는 원거리에서 1 픽셀 이내의 작은 신호를 가지는 표적을 탐지할 수 있어야 하며, 근거리에서 큰 신호를 가지는 표적을 포화없이 식별할 수 있어야 한다. 이에 따라서, 신호의 크기가 작은 경우에는 이득값(Gain)을 증가시키고, 신호의 크기가 큰 경우에는 이득값을 감소시켜야 하며, 이러한 이득값은 다음과 같은 [수식 1]로 표현된다.
[수식 1]
Figure 112019099572994-pat00001
여기서, Vout은 적분된 출력 전압을 나타내고, Isignal은 검출 소자의 전류 신호를 나타내며, Tint는 적분시간을 나타내고, Cint는 적분 커패시터를 나타낸다. 이에, [수식 1]에서 이득값(Gain)은 적분시간에 비례하고 적분 커패시터에 반비례하는 특징을 가진다.
도 1의 회로에서 원거리의 작은 신호를 가지는 표적을 탐지하기 위해 작은 사이즈의 적분 커패시터(130)를 사용하여 이득값을 증가시키게 되면, 근거리의 큰 신호의 표적에 대해서는 포화되어 식별이 어려워지게 된다. 반면에, 근거리의 큰 신호를 가지는 표적을 식별하기 위해 큰 사이즈의 적분 커패시터(130)를 사용하여 이득값을 감소시키게 되면, 원거리의 작은 신호의 표적에 대해서는 신호량이 작아 탐지가 어려워지게 된다.
이에 따라서, 표적 정보에 따라 이득값 변경을 통해, 작은 신호는 이득값을 증가시켜서 검출하고, 큰 신호는 이득값을 감소시켜서 검출함으로써 작은 신호와 큰 신호 모두를 검출할 수 있는 기술이 요구된다. 이 경우, 검출 가능한 최대 신호와 최소 신호의 비율을 동적 영역(Dynamic range)이라고 하며, 다음과 같이 [수식 2]로 표현된다.
[수식 2]
Figure 112019099572994-pat00002
여기서, Imax는 검출 가능한 최대 전류 신호를 나타내고, Imin은 검출 가능한 최소 전류 신호를 나타낸다.
특히, 표적의 온도가 매우 높을 경우에는 매우 큰 신호를 검출하기 위해 픽셀 사이즈를 고려하여 이득값을 최대한 감소시킬 수 있는 기술이 추가적으로 필요하며, 이를 통해 검출기의 동적 영역 향상이 요구된다.
본 발명의 목적은 표적 정보가 다양한 상황에서 각 픽셀(Pixel)의 입력 신호에 따라 적분 커패시터를 선택하여 이득값(Gain)을 자동으로 조절하며, 더 나아가 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 수행함으로써, 동적 영역을 크게 향상시키는 중 적외선 센서용 신호 검출 회로 및 이의 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로는 입력 전류 신호를 생성하는 검출 소자, 상기 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교하며, 비교 결과에 따라 적분 커패시터를 선택하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성하는 커패시터 선택 회로부, 상기 적분 커패시터의 다중 리셋을 제어하는 커패시터 리셋 블록 및 상기 적분 커패시터의 다중 리셋 횟수를 산출하는 N-비트 카운터를 포함한다.
상기 커패시터 선택 회로부는 비교 결과를 기반으로, 검출 신호의 크기에 따라 상기 적분 커패시터를 선택하여 이득값(Gain)을 조절하여 상기 제1차 적분 신호 또는 상기 제2차 적분 신호를 생성할 수 있다.
상기 커패시터 선택 회로부는 상기 제1차 적분 신호를 생성하는 제1 적분 커패시터, 상기 제1 적분 커패시터와 병렬 연결되어 상기 제2차 적분 신호를 생성하는 제2 적분 커패시터, 상기 제1 적분 커패시터와 상기 제2 적분 커패시터를 연결하는 스위치, 상기 입력 전류 신호의 적분된 값을 상기 기준 전압과 비교하는 비교기 및 상기 비교기의 출력값을 유지하여 상기 스위치의 온(On) 상태를 유지하는 제1의 1-비트 래치를 포함할 수 있다.
상기 제1 적분 커패시터 및 상기 제2 적분 커패시터는 서로 다른 용량을 가질 수 있다.
상기 커패시터 리셋 블록은 상기 비교기의 출력값을 전달하는 출력 전달 회로, 상기 비교기의 출력값을 유지하는 제2의 1-비트 래치, 상기 신호 검출 회로에서 각 픽셀의 출력 신호를 순차적으로 외부로 출력하는 클럭 신호, 상기 클럭 신호에 동기되어 상기 제1 적분 커패시터 및 상기 제2 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 위해 커패시터 리셋 신호를 생성하는 단일 에지 트리거 플립 플롭, 및 낸드 게이트를 포함할 수 있다.
상기 커패시터 리셋 블록은 상기 클럭 신호 및 상기 단일 에지 트리거 플립 플롭을 이용하여 클럭 신호 1주기의 펄스폭을 가지는 펄스 신호를 생성하여 상기 제1 적분 커패시터 및 상기 제2 적분 커패시터의 다중 리셋을 제어할 수 있다.
상기 N-비트 카운터는 N개의 단일 에지 트리거 플립 플롭으로 구성되며, 상기 커패시터 리셋 블록에서 생성되는 상기 리셋 신호의 개수를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 제어 방법은 입력 전류 신호를 생성하는 단계, 상기 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교하는 단계, 비교 결과에 따라 적분 커패시터를 선택하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성하는 단계 및 상기 적분 커패시터의 다중 리셋 횟수를 산출하여 N-비트 카운터의 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 비교하는 단계는 상기 입력 전류 신호를 제1 적분 커패시터에 1차 적분하며, 적분된 1차 적분값과 상기 기준 전압을 비교할 수 있다.
상기 적분 신호를 생성하는 단계는 상기 1차 적분값이 상기 기준 전압보다 작으면, 제1 적분 커패시터만 적분을 위해 사용하여 상기 제1차 적분 신호를 생성하고, 상기 1차 적분값이 상기 기준 전압보다 크면, 스위치를 통해 상기 제1 적분 커패시터와 제2 적분 커패시터를 연결하여 결합된 상기 적분 커패시터에 상기 입력 전류 신호를 2차 적분할 수 있다.
상기 적분 신호를 생성하는 단계는 상기 입력 전류 신호를 상기 적분 커패시터에 2차 적분하여 적분된 2차 적분값과 상기 기준 전압의 비교 결과에 따라, 상기 2차 적분값이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 적분 커패시터를 사용하여 상기 제2차 적분 신호를 생성하고, 상기 2차 적분값이 상기 기준 전압보다 크면, 상기 적분 커패시터의 다중 리셋 제어와 함께 상기 제2차 적분 신호를 생성할 수 있다.
상기 N-비트 카운터의 신호를 생성하는 단계는 스위치 작동 신호와 함께 상기 다중 리셋 횟수를 산출하는 상기 N-비트 카운터의 신호를 생성하여 결과값을 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입력신호의 적분 구간 동안에 비교기를 통해 입력신호의 크기에 적합한 적분 커패시터(Capacitor)를 선택함으로써, 각 픽셀(Pixel) 별로 이득값(Gain)을 조절하여 작은 신호와 큰 신호를 모두 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제한된 픽셀 사이즈 내 제한된 용량의 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 통해 매우 큰 신호의 검출까지 가능하게 하여 신호 검출 회로의 동적 영역(Dynamic range)을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(ROIC)의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 표적과 센서 간의 거리에 따른 표적 정보에 대한 그래프를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 회로도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 리셋 블록의 회로도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로에서 출력되는 신호에 의해 구분되는 동작 모드를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 입력 신호에 대한 출력 신호를 그래프로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 회로도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 3은 검출신호의 크기에 맞는 적분 커패시터를 선택함으로써, 이득값(Gain)을 조절하고, 더 나아가 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 수행하는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 회로 구성도를 도시한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)는 검출 소자(310), 커패시터 선택 회로부(341, 342, 343, 361, 362), 커패시터 리셋 블록(370) 및 N-비트 카운터(380)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)는 입력 전류 신호를 생성하는 검출 소자(310), 검출 소자의 바이어스를 유지하고, 검출 소자로부터 생성된 광전류를 적분 커패시터로 전달하는 입력 회로(320), 적분 신호의 제어를 통해 적분 시간을 조절하는 적분 회로(330), 전달된 전류 신호를 적분하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성하는 적분 커패시터(341, 342), 스위치(343), 적분 커패시터의 리셋 제어를 수행하는 리셋 회로(350), 전류 신호의 적분된 값을 기 설정된 기준 전압(Reference voltage, Vref)과 비교하는 비교기(361), 비교기의 출력값을 유지하여 적절한 적분 커패시터를 선택하는 제1의 1-비트 래치(1-bit Latch, 362), 적분 커패시터의 다중 리셋을 위한 펄스 신호를 생성하는 커패시터 리셋 블록(Cap. Reset block, 370), 펄스 신호의 개수를 계산하는 N-비트 카운터(N-bit counter, 380) 및 적분 커패시터의 최종 출력값을 외부로 보내는 출력 버퍼(390)를 포함하여 구성될 수 있다.
검출 소자(310)는 입력 전류 신호를 생성한다. 상세하게는, 검출 소자(310)는 중 적외선을 검출하기 위한 트랜지스터로 구성되며, 실제 검출 센서를 모사하여 구현하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 중 적외선을 검출하기 위한 검출 소자로서는 광기전력형 센서인 InSb, HgCdTe 등의 소자가 많이 사용될 수 있다.
커패시터 선택 회로부(341, 342, 343, 361, 362)는 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교하며, 비교 결과에 따라 적분 커패시터를 선택하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성한다. 상세하게는, 커패시터 선택 회로부(341, 342, 343, 361, 362)는 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교하며, 비교 결과를 기반으로, 검출 신호의 크기에 따라 적분 커패시터를 선택하여 이득값(Gain)을 조절하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)에서, 커패시터 선택 회로부(341, 342, 343, 361, 362)는 제1차 적분 신호를 생성하는 제1 적분 커패시터(341), 제1 적분 커패시터와 병렬 연결되어 제2차 적분 신호를 생성하는 제2 적분 커패시터(342), 제1 적분 커패시터와 제2 적분 커패시터를 연결하는 스위치(343), 입력 전류 신호의 적분된 값을 기준 전압과 비교하는 비교기(361) 및 비교기의 출력값을 유지하여 스위치의 온(On) 상태를 유지하는 제1의 1-비트 래치(362)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하여 커패시터 선택 회로부(341, 342, 343, 361, 362)에 대해 상세히 설명하면, 적분 커패시터(341, 342)는 광전류를 전압으로 바꾸어 주는 역할을 하는데, 입력 신호에 적절한 이득값(Gain)과 광전류의 포화를 고려하여 사이즈를 선택해야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)는 이러한 사이즈 선택을 위해 표적 정보에 따른 이득값을 변경함으로써, 작은 신호는 이득값을 증가시켜 검출하고, 큰 신호는 이득값을 감소시켜서 검출하여 작은 신호와 큰 신호를 모두 검출할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)는 작은 신호와 큰 신호 모두를 검출하기 위해, 제1차 적분 신호를 생성하는 제1 적분 커패시터(341), 제1 적분 커패시터와 함께 스위치(343)로 연결되어 제2차 적분 신호를 생성하는 제2 적분 커패시터(342)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제1차 적분 신호는 작은 신호에 의해 생성된 적분 신호이며, 제2차 적분 신호는 큰 신호에 의해 생성된 적분 신호일 수 있다. 나아가, 작은 신호 또는 큰 신호는 기 설정된 기준 전압과의 비교를 통해 상대적으로 일컫는 것으로, 기준 전압보다 작으면 작은 신호, 기준 전압보다 크면 큰 신호라 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)에서, 제1 적분 커패시터(341) 및 제2 적분 커패시터(342)의 용량은 각기 서로 다르다. 예를 들면, 제1 적분 커패시터(341)의 용량은 약 100fF이고, 제2 적분 커패시터(342)의 용량은 약 300fF일 수 있다. 이에, 제1차 적분 신호를 생성하는 적분 커패시터의 용량은 100fF, 제2차 적분 신호를 생성하는 적분 커패시터의 용량은 400fF이 될 수 있다. 이러한 적분 커패시터의 용량은 픽셀 사이즈 및 표적 정보를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
구체적으로, 100fF의 적분 커패시터 용량과 400fF의 적분 커패시터 용량은 다음과 같이 선택될 수 있다.
작은 입력 신호에 의해 100fF의 적분 커패시터 출력값이 기준 전압(Reference voltage)보다 작은 경우, 비교기(361)의 출력값은 0이 되고, 스위치(343)는 오프(OFF)되며, 입력 신호는 100fF의 적분 커패시터에 적분된다.
반면에, 큰 입력 신호에 의해 100fF의 적분 커패시터 출력값이 기준 전압(Reference voltage)보다 큰 경우, 비교기(361)의 출력값은 1이 되고, 제1의 1-비트 래치(362)에 의해 스위치(343)는 온(On) 상태를 계속 유지하며, 입력 신호는 400fF의 적분 커패시터에 적분된다.
이러한 동작은 비동기식으로 이루어지기 때문에, 이차원 어레이에서 각 픽셀은 서로 다른 이득값(Gain)을 가질 수 있으며, 도 1에 도시된 기존 회로(100)에서 사용되는 제어 신호들에 의해 동작될 수 있다.
커패시터 리셋 블록(370)은 적분 커패시터(341, 342)의 다중 리셋을 제어한다.
N-비트 카운터(380)는 적분 커패시터(341, 342)의 다중 리셋 횟수를 산출한다. N-비트 카운터(380)는 N개의 단일 에지 트리거 플립 플롭으로 구성되며, 커패시터 리셋 블록(370)에서 생성된 리셋 신호의 개수를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)에서, N-비트 카운터(380)는 N개의 단일 에지 트리거 플립 플롭으로 구성되며, 커패시터 리셋 블록(370)에서 생성되는 리셋 신호의 개수를 계산하며, 픽셀 사이즈를 고려하여 비트 수를 선택할 수 있다.
이때 비트 수가 증가하면, 적분 커패시터의 리셋 가능 횟수가 증가되어 신호 검출 회로의 동적 영역을 더 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 2-비트 카운터를 적용하게 되면, 최대 3번의 리셋 신호를 읽을 수 있으며, 이는 400fF의 적분 커패시터의 리셋을 최대 3번까지 가능하게 한다는 것을 의미한다. 이러한 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 통해 제한된 픽셀 사이즈 내 제한된 용량의 적분 커패시터를 이용하여 매우 큰 입력 신호도 적분이 가능할 수 있다.
적분 커패시터의 다중 리셋 동작 역시 비동기식으로 이루어지기 때문에, 이차원 어레이에서 각 픽셀은 서로 다른 이득값을 가질 수 있고, 또한 도 1의 기존 회로(100)에서 사용되는 제어 신호들에 의해 동작될 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)의 커패시터 리셋 블록(370)에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 리셋 블록의 회로도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 커패시터 리셋 블록(Cap. Reset block, 400)은 비교기(361)의 출력값을 전달하는 출력 전달 회로(410), 비교기(361)의 출력값을 유지하는 제2의 1-비트 래치(420), 신호 검출 회로에서 각 픽셀의 출력 신호를 순차적으로 외부로 출력하는 클럭 신호(VCLK), 클럭 신호에 동기되어 제1 적분 커패시터 및 제2 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 위해 커패시터 리셋 신호를 생성하는 단일 에지 트리거 플립 플롭(430) 및 낸드 게이트(NAND gate, 440)로 구성될 수 있다.
여기서, 커패시터 리셋 블록(400)은 더 큰 입력 신호를 적분하기 위해 400fF의 적분 커패시터의 다중 리셋을 위한 펄스 신호를 생성하게 되는데, 작은 픽셀 사이즈를 고려하고 안정적인 펄스 신호 생성을 위해 신호 검출 회로에서 각 픽셀 신호를 외부로 순차적으로 내보내기 위한 클럭 신호(VCLK)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 커패시터 리셋 블록(400)은 클럭 신호(VCLK) 및 단일 에지 트리거 플립 플롭(430)을 이용하여 클럭 신호 1주기의 펄스폭을 가지는 펄스 신호를 생성하여 제1 적분 커패시터 및 제2 적분 커패시터의 다중 리셋을 제어할 수 있다. 예를 들어 10MHz의 클럭 신호가 사용되는 경우, 단일 에지 트리거 플립 플롭(430)의 동작에 의해 클럭 신호의 1주기 펄스폭을 가지는 100ns의 안정적인 펄스 신호가 생성될 수 있다. 이는 적분 커패시터의 리셋 신호(VHDR)로 사용되며, 매우 큰 입력 신호에 의해 400fF의 적분 커패시터의 출력값이 기준 전압(Vref)보다 큰 경우, 커패시터 리셋 블록(400)은 100ns의 커패시터 리셋 신호를 생성하고, 이 신호는 도 3에 도시된 리셋 회로(350)를 동작시켜 400fF의 적분 커패시터를 리셋하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로에서 출력되는 신호에 의해 구분되는 동작 모드를 설명하기 위해 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로(300)에서 출력되는 세 가지 신호에 의해 구분되는 동작 모드를 도시한 것이다. 여기서, 세 가지 신호는 스위치 작동 신호(Vgain)와 2-비트 카운터 신호(Vcount2, Vcount1)이다.
도 5를 참조하면, 세 가지 신호가 모두 0인 경우(Vgain, Vcount2, Vcount1 = 0, 0, 0), 100fF의 적분 커패시터에 입력 신호가 적분되기 때문에, 높은 이득 모드(High-gain mode)로 동작할 수 있다. 또한, 스위치 작동 신호가 1이고, 2-비트 카운터 신호가 모두 0인 경우(Vgain, Vcount2, Vcount1 = 1, 0, 0), 400fF의 적분 커패시터에 입력 신호가 적분되며, 적분 커패시터의 리셋이 발생되지 않기 때문에 낮은 이득 모드(Low-gain mode)로 동작할 수 있다.
반면에, 스위치 작동 신호가 1을 유지하고, 2-비트 카운터 신호가 0이 아닌 경우(Vgain, Vcount2, Vcount1 = 1, 0, 1 or 1, 1, 0 or 1, 1, 1)에는, 400fF 적분 커패시터의 다중 리셋 동작을 수행하기 때문에, 신호 검출 회로는 높은 동적 영역 모드(HDR(High Dynamic Range) mode)로 동작할 수 있다. 이로 인해, 2-비트 카운터 신호에 따라 적분 커패시터의 리셋 횟수를 확인할 수 있음을 알 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 입력 신호에 대한 출력 신호를 그래프로 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로에서, 검출 소자의 신호 크기가 작은 경우, 신호 검출 회로의 동작을 보여주는 출력 신호 그래프를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로에서, 검출 소자의 신호 크기가 큰 경우, 신호 검출 회로의 동작을 보여주는 출력 신호 그래프를 도시한 것이며, 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로에서, 검출 소자의 신호 크기가 매우 큰 경우, 신호 검출 회로의 동작을 보여주는 출력 신호 그래프를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c에 도시된 한 프레임은 적분 구간과 읽기 구간으로 구분되며, 적분 구간동안 검출 소자에 의한 광전류를 적분 커패시터에 적분하고, 읽기 구간동안 적분 구간 마지막 신호 크기를 유지하여 해당 픽셀의 출력값으로 사용한다.
도 6a는 입력 신호가 작은 경우의 출력 신호 그래프를 도시한 것으로, 도 6a를 참조하면, 적분 구간동안 적분 커패시터의 출력값은 기준 전압(Vref)보다 작기 때문에, 입력 신호는 100fF의 적분 커패시터에 적분되어 높은 이득 모드(High-gain mode)로 동작한다. 이에, 스위치 작동 신호(Vgain)와 2-비트 카운터 신호(Vcount2, Vcount1)는 모두 0으로 출력된다.
도 6b는 입력 신호가 큰 경우의 출력 신호 그래프를 도시한 것으로, 도 6b를 참조하면, 적분 구간동안 적분 커패시터의 출력값은 기준 전압(Vref)보다 크기 때문에, 스위치 작동 신호(Vgain)에 의해 입력 신호는 400fF의 적분 커패시터에 적분되어 낮은 이득 모드(Low-gain mode)로 동작한다. 이때, 커패시터 리셋 신호(VHDR)는 0이므로, 2-비트 카운터 신호(Vcount2, Vcount1) 또한 0이 된다.
도 6c는 입력 신호가 매우 큰 경우의 출력 신호 그래프를 도시한 것으로, 도 6c를 참조하면, 적분 구간동안 스위치 작동 신호(Vgain)에 의해 높은 이득 모드에서 낮은 이득 모드로 변경된다. 이후에, 400fF의 적분 커패시터의 출력값이 기준 전압(Vref)보다 클 때마다 커패시터 리셋 신호(VHDR)에 의해 출력 전압은 리셋 전압(Vrst)으로 떨어진 후, 다시 적분을 수행하게 된다. 이에, 2-비트 카운터를 적용하는 경우, 400fF 적분 커패시터의 리셋은 최대 3번까지 가능하며, 이 경우 2-비트 카운터 신호는 (1, 1)이 된다.
이로 인해, 본 발명은 중 적외선(MWIR) 센서용 신호 검출 회로(ROIC)에서 각 픽셀(Pixel)의 검출 소자로 들어오는 광량의 크기에 맞는 적분 커패시터를 선택함으로써, 이득값(Gain)을 자동으로 조절하여 작은 신호와 큰 신호 모두를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 제한된 픽셀 사이즈 내 제한된 용량의 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 통해, 매우 큰 신호의 검출까지 가능하게 하여 신호 검출 회로의 동적 영역(Dynamic range)을 크게 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중 적외선 센서용 신호 검출 회로의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 검출 신호 크기에 맞는 적분 커패시터를 선택하여 이득값(Gain)을 조절하고, 더 나아가 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 수행하는 신호 검출 과정을 보여주는 동작 흐름도이다.
단계 S710에서, 입력 전류 신호를 생성한다.
단계 S720에서, 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교한다. 이후에, 단계 S730 및 단계 S740에서, 비교 결과에 따라 적분 커패시터를 선택하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성하고, 적분 커패시터의 다중 리셋 횟수를 산출하여 N-비트 카운터의 신호를 생성한다.
도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명하자면, 단계 S710에서, 검출 소자가 입력 전류 신호를 생성한다. 이후에, 단계 S721 및 단계 S722에서, 입력 전류 신호를 100fF의 적분 커패시터에 1차 적분한 후, 1차 적분값을 기준 전압과 비교한다.
이때, 단계 S731, 단계 S732 및 단계 S733에서, 1차 적분값이 기준 전압보다 작으면 스위치는 오프(OFF)되어 적분 커패시터는 100fF이 되고, 기준 전압보다 크면 스위치는 온(ON)되어 적분 커패시터는 400fF이 되며, 스위치 작동 신호를 생성한다. 이후에 단계 S734 및 단계 S735에서, 스위치가 오프(OFF)된 경우는 제1차 적분 신호가 생성되고, 스위치가 온(ON)된 경우는 입력 전류 신호를 2차 적분하게 된다.
일 예로, 단계 S722의 비교 결과에 따라, 단계 S731은 1차 적분값이 기준 전압보다 작으면, 스위치를 오프(OFF)하며, 단계 S733 및 단계 S734는 제1 적분 커패시터만 적분을 위해 사용하며, 제1차 적분 신호를 생성할 수 있다. 다른 예로, 단계 S722의 비교 결과에 따라, 단계 S732는 1차 적분값이 기준 전압보다 크면, 스위치를 온(ON)하며, 단계 S733 및 단계 S735는 제1 적분 커패시터와 제2 적분 커패시터를 연결하여 결합된 적분 커패시터를 사용하며, 입력 전류 신호를 2차 적분할 수 있다.
이후에, 단계 S736은 입력 전류 신호를 적분 커패시터에 2차 적분하여 적분된 2차 적분값과 기준 전압을 비교할 수 있다.
이에, 단계 S737 및 단계 S738에서, 2차 적분값이 기준 전압보다 작으면, 적분 커패시터를 사용하여 제2차 적분 신호를 생성하고, 2차 적분값이 기준 전압보다 크면, 적분 커패시터의 다중 리셋 동작과 함께 제2차 적분 신호를 생성한다.
마지막으로, 단계 S741 및 단계 S742에서, 스위치 작동 신호와 함께 다중 리셋 횟수를 산출하는 N-비트 카운터의 신호를 생성하여 모든 결과값을 출력한다. 이때, 스위치 작동 신호와 N-비트 카운터 신호는 신호 검출 회로의 동작 모드를 구분하는 신호로 사용된다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
300: 중 적외선 센서용 신호 검출 회로
310: 검출 소자
320: 입력 회로
330: 적분 회로
341: 제1 적분 커패시터
342: 제2 적분 커패시터
343: 스위치
350: 리셋 회로
361: 비교기
362: 제1의 1-비트 래치
370, 400: 커패시터 리셋 블록
380: N-비트 카운터
390: 출력 버퍼
410: 출력 전달 회로
420: 제2의 1-비트 래치
430: 단일 에지 트리거 플립 플롭
440: 낸드 게이트

Claims (12)

  1. 입력 전류 신호를 생성하는 검출 소자;
    상기 입력 전류 신호를 적분하여 적분된 값과 기 설정된 기준 전압을 비교하며, 비교 결과에 따라 적분 커패시터를 선택하여 제1차 적분 신호 또는 제2차 적분 신호를 생성하는 커패시터 선택 회로부;
    상기 적분 커패시터의 다중 리셋을 제어하는 커패시터 리셋 블록; 및
    상기 적분 커패시터의 다중 리셋 횟수를 산출하는 N-비트 카운터를 포함하되,
    상기 커패시터 선택 회로부는
    상기 제1차 적분 신호를 생성하는 제1 적분 커패시터;
    상기 제1 적분 커패시터와 병렬 연결되어 상기 제2차 적분 신호를 생성하는 제2 적분 커패시터;
    상기 제1 적분 커패시터와 상기 제2 적분 커패시터를 연결하는 스위치;
    상기 입력 전류 신호의 적분된 값을 상기 기준 전압과 비교하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력값을 유지하여 상기 스위치의 온(On) 상태를 유지하는 제1의 1-비트 래치를 포함하고,
    서로 다른 용량을 가지는 상기 제1 적분 커패시터 및 상기 제2 적분 커패시터를 이용하여 기준 전압보다 작은 작은 신호, 또는 기준 전압보다 큰 큰 신호의 상기 제1차 적분 신호 또는 상기 제2차 적분 신호를 생성하며,
    상기 커패시터 리셋 블록은
    상기 신호 검출 회로에서 각 픽셀의 출력 신호를 순차적으로 외부로 출력하기 위한 클럭 신호 및 단일 에지 트리거 플립 플롭을 이용하여 클럭 신호 1주기의 펄스폭을 가지는 펄스 신호를 생성하여 상기 제1 적분 커패시터 및 상기 제2 적분 커패시터의 다중 리셋을 제어하는 것을 특징으로 하는, 중 적외선 센서용 신호 검출 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 선택 회로부는
    비교 결과를 기반으로, 검출 신호의 크기에 따라 상기 적분 커패시터를 선택하여 이득값(Gain)을 조절하여 상기 제1차 적분 신호 또는 상기 제2차 적분 신호를 생성하는, 중 적외선 센서용 신호 검출 회로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 리셋 블록은
    상기 비교기의 출력값을 전달하는 출력 전달 회로;
    상기 비교기의 출력값을 유지하는 제2의 1-비트 래치;
    상기 신호 검출 회로에서 각 픽셀의 출력 신호를 순차적으로 외부로 출력하는 상기 클럭 신호;
    상기 클럭 신호에 동기되어 상기 제1 적분 커패시터 및 상기 제2 적분 커패시터의 다중 리셋 제어를 위해 커패시터 리셋 신호를 생성하는 상기 단일 에지 트리거 플립 플롭; 및
    낸드 게이트
    를 포함하는, 중 적외선 센서용 신호 검출 회로.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 N-비트 카운터는
    N개의 단일 에지 트리거 플립 플롭으로 구성되며, 상기 커패시터 리셋 블록에서 생성되는 상기 리셋 신호의 개수를 산출하는, 중 적외선 센서용 신호 검출 회로.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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