KR102335638B1 - Read out circuit and image sensor including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, TDI 싸이클의 센싱신호를 적분하는 아날로그 앰프와; 상기 아날로그 앰프에 적분된 아날로그 적분 신호 레벨과 비교 레벨을 비교하는 비교기와; 상기 아날로그 적분 신호 레벨이 상기 비교 레벨을 넘을 경우 상기 아날로그 적분 신호를 디지털 코드로 변환하는 ADC와; 상기 디지털 코드를 저장하는 메모리와; 상기 아날로그 앰프에 적분된 상기 아날로그 적분 신호 레벨을 상기 메모리에 저장된 상기 디지털 코드 레벨 만큼 감소시키는 DAC 블록을 포함하는 리드아웃 회로를 제공한다.The present invention provides an analog amplifier for integrating a sensing signal of a TDI cycle; a comparator for comparing the analog integral signal level integrated in the analog amplifier with a comparison level; an ADC for converting the analog integral signal into a digital code when the analog integral signal level exceeds the comparison level; a memory for storing the digital code; and a DAC block for reducing the level of the analog integral signal integrated in the analog amplifier by the level of the digital code stored in the memory.

Description

리드아웃 회로 및 이를 포함한 이미지센서{Read out circuit and image sensor including the same}Read out circuit and image sensor including the same

본 발명은 리드아웃 회로 및 이를 포함한 이미지센서에 관한 것이다.The present invention relates to a readout circuit and an image sensor including the same.

이미지센서를 구현하는 방식에 있어 전력 효율 측면과 픽셀 및 리드아웃 회로의 호환성으로 인한 집적화와 관련하여 최근 CCD 이미지센서에서 CMOS 이미지센서로 많은 전환이 이루어 지고 있다. 하지만, CMOS 이미지센서는 많은 신호를 적분하는 것이 구조상으로 어려워 CCD 이미지센서에 비하여 SNR(Signal to Noise Ratio) 특성이 낮은 단점이 존재한다. 이러한 단점을 극복하기 위해, CMOS 이미지센서에서는 TDI(Time Delayed Integration) 방식을 사용하여 동일한 위치 정보를 가지는 신호를 중복 적분하여 SNR을 높일 수 있다.In the method of implementing the image sensor, in terms of power efficiency and integration due to the compatibility of pixels and readout circuits, a lot of conversion from CCD image sensors to CMOS image sensors has recently been made. However, the CMOS image sensor has a disadvantage in that it is structurally difficult to integrate many signals and thus has a lower signal to noise ratio (SNR) characteristic compared to the CCD image sensor. In order to overcome this drawback, the CMOS image sensor can increase the SNR by overlappingly integrating signals having the same position information using the TDI (Time Delayed Integration) method.

TDI를 구현하기 위한 대표적인 방법은 아날로그 앰프를 사용하여 아날로그 신호를 지속적으로 쌓아올려 최종 신호의 SNR을 증가시키는 아날로그 방식과, 한번 쌓아올린 아날로그 신호를 디지털 코드로 변환하고 변환된 디지털 코드를 여러번 합성하여 최종 신호의 SNR을 증가 시키는 디지털 방식이 존재한다.A representative method for implementing TDI is an analog method that continuously stacks up analog signals using an analog amplifier to increase the SNR of the final signal, and converts the stacked analog signal into a digital code and synthesizes the converted digital code several times. There are digital methods that increase the SNR of the final signal.

아날로그 TDI 방식에 대한 기본적인 예시가 도 1(a)에 도시되어 있다. 아날로그 방식의 경우 아날로그 신호를 아날로그 앰프를 가지고 지속적으로 적분하여 최종적으로 적분된 TDI 아날로그 신호를 ADC(Analog to Digital Converter)로 전달하여 디지털 코드로 변환한다. 신호를 반복적으로 적분하는 동작은 신호의 도메인을 다른 형태(예를 들어, 아날로그에서 디지털)로 변환할 필요가 없이 단지 아날로그 시스템의 특성에 의해 결정되므로 추가적인 블럭이 요구되는 다른 시스템에 비해 빠른 속도로 적분이 가능하다. 하지만, 이때 최대로 쌓을 수 있는 아날로그 신호는 앰프의 스윙 레인지(swing range)로 제한되므로, SNR을 증가시키기 위해서는 아날로그 앰프의 스윙 레인지가 물리적으로 증가되도록 아날로그 단에 공급되는 전원 레벨을 크게 늘려주거나 노이즈 레벨을 매우 낮게 설계 해야만 한다. 하지만, 이 경우에 전력 소모가 크게 늘어날 뿐만 아니라, 상당히 높은 난이도의 저노이즈 및 하이 스피드 아날로그 시스템 설계 수준이 요구되어지므로, 적용 가능한 시장의 감소 및 수율 측면에서 향후 제품화를 기획하는 데에 많은 문제점으로 작용할 수 있다. A basic example of the analog TDI scheme is shown in FIG. 1( a ). In the case of the analog method, the analog signal is continuously integrated with the analog amplifier, and the finally integrated TDI analog signal is transferred to the ADC (Analog to Digital Converter) to convert it into a digital code. The operation of repeatedly integrating the signal does not need to convert the domain of the signal into another form (eg, analog to digital), and is determined only by the characteristics of the analog system, so it is faster than other systems that require additional blocks. integration is possible However, at this time, the maximum stackable analog signal is limited by the swing range of the amplifier. In order to increase the SNR, either increase the power level supplied to the analog stage to physically increase the swing range of the analog amplifier or increase the noise level. You have to design the level very low. However, in this case, power consumption is greatly increased, and a low noise and high speed analog system design level of a fairly high degree of difficulty is required. can

디지털 TDI 방식에 대한 기본적인 예시가 도 1(b)에 도시되어 있다. 디지털 방식의 경우, 먼저 아날로그 신호를 아날로그 앰프로 샘플링 및 홀딩하고 홀딩된 신호를 ADC로 전달하여 디지털 코드로 변환한다. 이러한 동작을 반복하여 동일한 위치에 대한 디지털 코드를 여러번 산출한 다음 최종적으로 모든 디지털 코드를 하나로 합산하여 하나의 데이터를 형성한다. 이러한 방식으로 TDI를 수행하면 동일한 위치에 대한 신호의 SNR 수치를 늘릴 수 있어 노이즈에 영향을 상대적으로 덜 받는 고품질의 이미지를 얻을 수 있다. 또한 해당 방식으로 적분하는 동작은 신호의 총 적분량이 아날로그 앰프를 사용하는 아날로그 방식의 TDI 시스템에 비해 특별히 제약 받는 부분은 없으므로 SNR 수치를 매우 높일 수 있다는 장점이 존재한다. 하지만 해당 시스템은 적분 과정에서 신호의 도메인을 아날로그에서 디지털로 변환하는 ADC 변환 과정이 추가로 필요하기 때문에, 아날로그 TDI 시스템에 비해 적분 시간이 ADC 변환 시간으로 인해 많은 제약을 받을 수 밖에 없다. 그러므로, 빠른 동작이 요구되는 시스템을 구성함에 있어 디지털 TDI 방식을 사용하는 경우에는 매우 빠른 스피드를 갖는 고성능 ADC 설계 능력이 요구 될 수 밖에 없다. 그리고 매우 빠른 ADC를 구현하기 위해서는 높은 동작 클럭(clock) 또한 요구되므로 전력 효율 측면에서 이점이 줄어드는 단점도 존재한다.A basic example of a digital TDI scheme is shown in FIG. 1(b). In the case of the digital method, first, the analog signal is sampled and held by the analog amplifier, and the held signal is transferred to the ADC to convert it into a digital code. By repeating this operation, digital codes for the same position are calculated several times, and finally, all digital codes are summed into one to form one data. If TDI is performed in this way, the SNR value of the signal for the same location can be increased, so that a high-quality image that is relatively less affected by noise can be obtained. In addition, the operation of integrating in this way has the advantage that the SNR value can be very high because the total integration amount of the signal is not particularly restricted compared to the analog TDI system using an analog amplifier. However, since the corresponding system additionally requires an ADC conversion process that converts the signal domain from analog to digital during the integration process, the integration time is inevitably limited due to the ADC conversion time compared to the analog TDI system. Therefore, when the digital TDI method is used to configure a system requiring fast operation, a high-performance ADC design capability having a very high speed is inevitably required. In addition, since a high operating clock is also required to implement a very fast ADC, the advantage in terms of power efficiency is reduced.

본 발명의 목적은 아날로그 TDI 동작 방식과 디지털 TDI 동작 방식을 결합시켜, 디지털 TDI 방식과 비교하여 빠른 적분 속도를 갖는 아날로그 TDI 방식의 장점과, 아날로그 TDI 방식과 비교하여 적분량이 크게 제약 받지 않는 디지털 TDI 방식의 장점을 활용함으로써, 높은 SNR을 획득하면서도 빠른 동작이 가능한 방안을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to combine the analog TDI operation method and the digital TDI operation method to obtain the advantage of the analog TDI method having a faster integration speed compared to the digital TDI method, and the digital TDI method in which the integration amount is not significantly restricted compared to the analog TDI method It is to provide a method capable of fast operation while obtaining a high SNR by utilizing the advantages of the TDI method.

본 발명은, TDI 싸이클의 센싱신호를 적분하는 아날로그 앰프와; 상기 아날로그 앰프에 적분된 아날로그 적분 신호 레벨과 비교 레벨을 비교하는 비교기와; 상기 아날로그 적분 신호 레벨이 상기 비교 레벨을 넘을 경우 상기 아날로그 적분 신호를 디지털 코드로 변환하는 ADC와; 상기 디지털 코드를 저장하는 메모리와; 상기 아날로그 앰프에 적분된 상기 아날로그 적분 신호 레벨을 상기 메모리에 저장된 상기 디지털 코드 레벨 만큼 감소시키는 DAC 블록을 포함하는 리드아웃 회로를 제공한다.The present invention provides an analog amplifier for integrating a sensing signal of a TDI cycle; a comparator for comparing the analog integral signal level integrated in the analog amplifier with a comparison level; an ADC for converting the analog integral signal into a digital code when the analog integral signal level exceeds the comparison level; a memory for storing the digital code; and a DAC block for reducing the level of the analog integral signal integrated in the analog amplifier by the level of the digital code stored in the memory.

상기 ADC는 상기 TDI 싸이클 종료 시 상기 아날로그 앰프의 아날로그 적분 신호와 상기 메모리의 디지털 코드를 합산한 디지털 신호를 출력할 수 있다.The ADC may output a digital signal obtained by summing the analog integral signal of the analog amplifier and the digital code of the memory at the end of the TDI cycle.

상기 리드아웃 회로는 상기 아날로그 램프를 포함하는 신호적분영역과 상기 ADC를 포함하는 DAC 영역을 포함하고, 상기 신호적분영역은, 상기 아날로그 앰프의 입력단에 연결되고 상기 센싱신호가 인가되는 주입 커패시터와; 상기 아날로그 앰프의 입력단과 출력단 사이에 연결된 스토리지 커패시터와; 상기 아날로그 앰프의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제1스위치와; 상기 스토리지 커패시터의 일전극과, 상기 아날로그 앰프의 출력단 사이에 연결된 제2스위치와; 상기 스토리지 커패시터의 일전극에 연결되고, 리셋 기준 전압을 인가받는 제3스위치를 포함할 수 있다.The readout circuit includes a signal integration region including the analog lamp and a DAC region including the ADC, wherein the signal integration region includes: an injection capacitor connected to an input terminal of the analog amplifier and to which the sensing signal is applied; a storage capacitor connected between an input terminal and an output terminal of the analog amplifier; a first switch connected between an input terminal and an output terminal of the analog amplifier; a second switch connected between one electrode of the storage capacitor and an output terminal of the analog amplifier; A third switch connected to one electrode of the storage capacitor and to which a reset reference voltage is applied may be included.

다른 측면에서, 본 발명은, 픽셀을 포함하는 센서패널과; 상기 픽셀로부터 상기 센싱신호를 입력받는 리드아웃 회로를 포함하는 이미지센서를 제공한다.In another aspect, the present invention, a sensor panel including a pixel; Provided is an image sensor including a readout circuit for receiving the sensing signal from the pixel.

본 발명의 리드아웃 회로는 아날로그 TDI 방식의 빠른 동작 속도를 유지함과 동시에 적분양이 제한 받지 않는 디지털 TDI 방식의 이점 또한 취할 수 있는 아날로그 방식 및 디지털 방식이 공존하는 하이브리드형 TDI 동작 방식을 사용함으로써, 종래 회로 시스템에서 얻기 힘들었던 높은 동작 속도와 높은 다이나믹 레인지를 가지는 CMOS TDI 구조가 구현 가능하게 된다.The readout circuit of the present invention uses a hybrid TDI operation method in which an analog method and a digital method coexist, which maintains the fast operation speed of the analog TDI method and at the same time can take the advantage of the digital TDI method in which the amount of integration is not limited, A CMOS TDI structure having a high operating speed and a high dynamic range, which is difficult to obtain in a conventional circuit system, can be implemented.

아날로그 TDI 회로 시스템에서 SNR을 증가시키기 위한 방안으로 아날로그 앰프의 스윙 레인지를 넓히기 위해 전력 레일(power rail)의 크기가 크지 않게 구성할 수 있어 전력소모 감소의 장점이 있고 노이즈를 극도로 감소시키기 위한 아날로그 앰프의 설계적 난이도가 크게 감소할 수 있다. 더욱이, 앰프 스테이지에서 미리 디지털 코드를 일부 산출해서 ADC로 전달하므로, 실제 ADC가 산출해야 할 디지털 코드의 양은 종래 시스템 대비 동일한 해상도 환경에서 줄어들게 되어, 고해상도의 ADC를 요구하지 않게 되는바, ADC에 대한 설계적 장점이 있다.As a measure to increase the SNR in the analog TDI circuit system, the size of the power rail can be configured to be small in order to widen the swing range of the analog amplifier, so it has the advantage of reducing power consumption and the analog to extremely reduce noise The design difficulty of the amplifier can be greatly reduced. Furthermore, since some digital codes are calculated in advance in the amplifier stage and transferred to the ADC, the amount of digital codes to be calculated by the actual ADC is reduced in the same resolution environment compared to the conventional system, thereby eliminating the need for a high-resolution ADC. There are design advantages.

높은 SNR을 갖는 고속의 CMOS TDI 시스템이 구현 가능하게 됨으로써, 고성능의 제품 개발 및 고성능 장치의 시장 선정이 가능하게 된다. 그리고, 종래 시스템 대비 아날로그 앰프의 설계 난이도 및 ADC의 설계 난이도 또한 감소할 수 있으므로, 새로운 고성능의 IP 개발시 발생하는 개발 비용의 큰 감소 효과가 기대될 수 있다.Since a high-speed CMOS TDI system having a high SNR can be implemented, high-performance product development and market selection of high-performance devices are possible. In addition, since the design difficulty of the analog amplifier and the design difficulty of the ADC can also be reduced compared to the conventional system, a significant reduction in development cost that occurs when developing a new high-performance IP can be expected.

도 1은 종래의 아날로그 TDI 방식과 디지털 TDI 방식에 관한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 리드아웃 회로의 기본적인 동작 개념을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리드아웃 회로의 구성들을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리드아웃 회로에서의 동작 흐름을 나타내는 순서도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리드아웃 회로를 구동하는 신호들의 타이밍도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 1비트 DAC를 포함하는 일반적인 싸이클릭 ADC의 구성 및 동작을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 1비트 DAC와 1.5비트 DAC를 사용하는 2개의 싸이클릭 ADC를 비교하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 TDI 방식과 아날로그 TDI 방식이 통합되고 1.5비트 DAC을 사용한 싸이클릭 ADC가 포함된 리드아웃 회로의 동작의 예를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 리드아웃 회로의 구조의 일예를 도시한 도면.
도 10은 도 9의 앰프 스테이지 및 싸이클릭 ADC 스테이지에서 사용된 아날로그 앰프의 회로 구조의 일예를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 앰프 스테이지의 동작에 대한 시뮬레이션 동작 파형을 도시한 도면.
1 is a diagram of a conventional analog TDI scheme and a digital TDI scheme.
2 is a view for explaining a basic operation concept of a readout circuit of an image sensor according to an embodiment of the present invention;
3 is a block diagram schematically showing the configurations of a readout circuit according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating an operation flow in a readout circuit according to an embodiment of the present invention;
5 is a timing diagram of signals driving a readout circuit according to an embodiment of the present invention;
6 is a diagram illustrating the configuration and operation of a general cyclic ADC including a 1-bit DAC according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram comparing two cyclic ADCs using a 1-bit DAC and a 1.5-bit DAC according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating an example of operation of a readout circuit in which a digital TDI method and an analog TDI method are integrated and a cyclic ADC using a 1.5-bit DAC is included according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing an example of the structure of a readout circuit according to an embodiment of the present invention.
Fig. 10 is a diagram showing an example of a circuit structure of an analog amplifier used in the amplifier stage and the cyclic ADC stage of Fig. 9;
11 is a diagram illustrating a simulation operation waveform for an operation of an amplifier stage according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 리드아웃 회로의 기본적인 동작 개념을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a diagram for explaining a basic operating concept of a readout circuit of an image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서는, 다수의 픽셀(pixel)이 매트릭스 형태로 배치된 센서패널과, 픽셀에서 센싱된 아날로그 신호(또는 센싱 신호)를 리드아웃하는 리드하웃 회로를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , an image sensor according to an embodiment of the present invention includes a sensor panel in which a plurality of pixels are arranged in a matrix form, and a readout for reading out an analog signal (or a sensing signal) sensed by the pixels. circuit may be included.

본 발명의 실시예에서, 리드아웃 회로의 적분 방식은 아날로그 방식으로써 아날로그 앰프를 통해 적분을 수행할 수 있다. 이렇게 아날로그 적분 방식을 유지한 채, TDI 싸이클이 진행될수록 아날로그 방식에 의한 적분값은 점점 증가하게 된다. In an embodiment of the present invention, the integration method of the readout circuit is an analog method, and integration may be performed through an analog amplifier. As the TDI cycle progresses while maintaining the analog integral method, the integral value by the analog method gradually increases.

이렇게 TDI 동작이 증가함에 따라 점차 증가되는 적분 신호에 대해, 아날로그 앰프(AMP)의 스윙 레인지의 한계점에 도달하기 전에, 비교기(comparator)에 의해 비교 레벨(comparison level)을 넘게되었는지 감지될 수 있다. 비교 레벨을 넘은 것으로 감지되면, 디지털 코드(또는 익스트라(extra) 디지털 코드)로 치환될 수 있으며, 디지털 코드로 치환된 만큼 아날로그 신호는 줄어들게 되고, 아날로그 앰프(AMP)는 다시 아날로그 TDI 방식으로 적분할 수 있는 여분의 스윙 레인지를 확보할 수 있게 된다.With respect to the integral signal, which is gradually increased as the TDI operation increases, it may be detected whether a comparison level has been exceeded by a comparator before reaching the limit of the swing range of the analog amplifier AMP. When it is detected that the comparison level is exceeded, it can be replaced with a digital code (or extra digital code), and the analog signal is reduced as much as the digital code is replaced, and the analog amplifier (AMP) is integrated again in the analog TDI method. It is possible to secure an extra swing range that can be used.

위 동작을 수행하는 경우, 아날로그 앰프(AMP)에 축적되는 신호가 비교기의 비교 레벨을 넘은 것으로 감지될 때 마다, 아날로그 신호가 디지털 코드로 치환되면서 아날로그 신호는 치환된 디지털 코드의 수치 만큼 줄어들게 되고, 디지털 코드는 메모리에 저장될 수 있다. 그 후, TDI 싸이클이 모두 종료되면 마지막으로 아날로그 앰프(AMP)에 담겨있던 마지막 아날로그 신호는 ADC로 전달되고 디지털 코드로 변환될 수 있다. 그리고, ADC를 통해 변환된 디지털 코드는 이전 TDI 동작에서 변환되었던 디지털 코드와 결합되어 최종 출력 디지털 TDI 신호가 만들어지게 된다.In the case of performing the above operation, whenever it is detected that the signal accumulated in the analog amplifier (AMP) exceeds the comparison level of the comparator, the analog signal is replaced with a digital code and the analog signal is reduced by the numerical value of the replaced digital code, The digital code may be stored in the memory. After that, when the TDI cycle is all finished, the last analog signal contained in the last analog amplifier (AMP) is transferred to the ADC and can be converted into a digital code. In addition, the digital code converted through the ADC is combined with the digital code converted in the previous TDI operation to create a final output digital TDI signal.

위와 같이, 아날로그 앰프(AMP)에 의해 TDI 동작을 수행하며, 적분 신호가 비교기의 비교 레벨을 넘어가는 경우 아날로그 신호가 디지털 코드로 변환될 수 있다. 그리고, 디지털 코드로 변환된 만큼 감소된 아날로그 신호로 인해, 신호를 적분하기 위한 아날로그 앰프(AMP)의 스윙 레인지에 여유가 생겨 지속적으로 적분할 수 있는 환경이 제공될 수 있다. 그러므로, 기존의 아날로그 TDI 방식의 문제점인 아날로그 앰프의 스윙 레인지의 한계로 인해 최종 신호 적분량이 제한되는 문제점이 해결될 수 있다.As described above, the TDI operation is performed by the analog amplifier AMP, and when the integral signal exceeds the comparison level of the comparator, the analog signal may be converted into a digital code. In addition, due to the reduced analog signal converted to the digital code, there is a margin in the swing range of the analog amplifier AMP for integrating the signal, so that an environment for continuous integration may be provided. Therefore, the problem that the final signal integration amount is limited due to the limitation of the swing range of the analog amplifier, which is a problem of the conventional analog TDI method, can be solved.

한편, 비교기의 비교 레벨에 의해 감지되어 변환되는 디지털 코드는, 리드아웃 회로 시스템이 실제 구현할 수 있는 해상도 수준의 고해상도 디지털 코드가 아닌 것을 전제로 할 수 있으며, 이와 같이 고해상도의 변환이 아니므로 풀(full) 시스템 해상도 변환 시간에 비해 시간이 짧게 걸린다는 장점이 존재한다. 그리고, 추가적으로 아날로그 앰프(AMP)를 통해 적분된 신호를 ADC로 전달하기 전, 이미 디지털 코드가 산출되어 있으므로 ADC의 성능이 시스템에서 요구하는 해상도 수준이 되지 않아도 되는 설계적 이점이 존재한다. 해당 방식에서 1회의 TDI 동작 속도는 아날로그 TDI 동작 속도 + 디지털 코드 산출 속도이며, 이 속도는 시스템의 풀 해상도 디지털 데이터를 얻기 위한 ADC 변환 시간과 비교하면 매우 적은 시간에 해당 하므로, 기존의 디지털 TDI 방식의 문제점인 시스템의 동작 속도가 ADC 변환 시간에 의해 제약받게 되는 문제점은 해결될 수 있다.On the other hand, the digital code that is detected and converted by the comparison level of the comparator may be premised on not being a high-resolution digital code of a resolution level that the readout circuit system can actually implement. full) There is an advantage that it takes a shorter time compared to the system resolution conversion time. In addition, there is a design advantage in that the performance of the ADC does not have to be at the resolution level required by the system because the digital code is already calculated before the signal integrated through the analog amplifier (AMP) is transferred to the ADC. In this method, one TDI operation speed is analog TDI operation speed + digital code output speed, and this speed corresponds to a very small time compared to the ADC conversion time to obtain full resolution digital data of the system. The problem that the operating speed of the system is limited by the ADC conversion time, which is the problem of , can be solved.

위와 같은 본 실시예의 방식을 구현하기 위한 보다 구체적인 회로 구성들이 도시된 리드아웃 회로의 블록도가 도 3에 나타나 있다. A block diagram of a readout circuit showing more specific circuit configurations for implementing the method of the present embodiment as described above is shown in FIG. 3 .

도 3을 참조하면, 리드아웃 회로에 있어 이의 회로 구성들을 크게 2개의 영역으로 나누어 보면, 아날로그 TDI 동작을 수행하기 위한 신호 적분(signal integration) 영역(또는 신호 적분부)과, 디지털 코드를 산출 하기 위한 DAC 동작(operation) 영역(또는 DAC 동작부)이 존재할 수 있다. Referring to FIG. 3 , when the circuit configurations of the readout circuit are largely divided into two regions, a signal integration region (or signal integrator) for performing an analog TDI operation, and a digital code calculation There may be a DAC operation area (or DAC operation unit) for

신호 적분 영역에 관해, 전하 결합 스위치 커패시터(charge coupled switched capacitor) 구조가 적용될 수 있으며, 픽셀로부터 신호가 입력 되면 주입(injection) 커패시터(CIN)와 스토리지(storage) 커패시터(CS)의 용량 비율에 따라 아날로그 앰프(AMP)의 출력단에 TDI 적분 신호가 출력될 수 있다. 여기서, TDI 적분 신호의 시작점은 리셋 기준 전압(V_RESET_REFERENCE)을 통해 결정될 수 있다. Regarding the signal integration region, a charge coupled switched capacitor structure may be applied, and when a signal is input from a pixel, depending on the capacity ratio of the injection capacitor CIN and the storage capacitor CS A TDI integral signal may be output to an output terminal of the analog amplifier AMP. Here, the starting point of the TDI integration signal may be determined through the reset reference voltage V_RESET_REFERENCE.

주입 커패시터(CIN)는 일전극이 아날로그 앰프(AMP)의 입력단(예를 들어, 반전(-) 입력단)과 연결되고, 타전극은 픽셀의 신호를 인가받도록 구성될 수 있다. 그리고, 스토리지 커패시터(CS)는 아날로그 앰프(AMP)에 병렬 연결되도록 구성될 수 있는데, 일전극은 아날로그 앰프(AMP)의 출력단과 전기적 연결이 온/오프 스위칭되고 타전극은 아날로그 앰프(AMP)의 입력단(예를 들어, 반전(-) 입력단)과 연결될 수 있다.The injection capacitor CIN may be configured such that one electrode is connected to an input terminal (eg, an inverting (-) input terminal) of the analog amplifier AMP, and the other electrode receives a pixel signal. In addition, the storage capacitor CS may be configured to be connected in parallel to the analog amplifier AMP. One electrode has an output terminal of the analog amplifier AMP and an electrical connection is switched on/off, and the other electrode is the analog amplifier AMP. It may be connected to an input terminal (eg, an inverted (-) input terminal).

더욱이, 스토리지 커패시터(CS) 및 아날로그 앰프(AMP)의 동작을 제어하는 다수의 스위치들이 구비될 수 있다. 이와 관련하여 예를 들면, 아날로그 앰프(AMP)의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제1스위치(SW_RESET)와, 스토리지 커패시터(CS)의 일전극에 직렬 연결되는 것으로서 스토리지 커패시터(CS)와 아날로그 앰프(AMP)의 출력단 사이에 연결된 제2스위치(SW_CON)와, 스토리지 커패시터(CS)의 일전극에 직렬 연결되는 것으로서 리셋 기준 전압(V_RESET_REFERENCE)을 인가받는 제3스위치(SW_RESET_CAP)가 구비될 수 있다.Furthermore, a plurality of switches for controlling operations of the storage capacitor CS and the analog amplifier AMP may be provided. In this regard, for example, the first switch SW_RESET connected between the input terminal and the output terminal of the analog amplifier AMP and the storage capacitor CS and the analog amplifier AMP are connected in series to one electrode of the storage capacitor CS. .

한편, 아날로그 앰프(AMP)의 입력단으로서 예를 들어 비반전(-) 입력단에는 앰프 기준 전압(V_AMP_REFERENCE)이 인가될 수 있다.Meanwhile, an amplifier reference voltage V_AMP_REFERENCE may be applied to, for example, a non-inverting (-) input terminal as an input terminal of the analog amplifier AMP.

DAC 동작 영역에 관해, 아날로그 앰프(AMP)의 적분된 신호 출력이 이의 스윙 레인지를 넘어가는 것을 감지하기 위해, 아날로그 앰프(AMP)의 출력단에 비교기(CMP)가 연결될 수 있다. 비교기(CMP)는 ADC와 병렬 연결 관계를 가질 수 있다. 비교기(CMP)에는 비교기 기준 전압(V_CMP_REFERENCE)이 인가될 수 있다.Regarding the DAC operating region, a comparator CMP may be connected to an output terminal of the analog amplifier AMP to detect that the integrated signal output of the analog amplifier AMP exceeds its swing range. The comparator CMP may have a parallel connection relationship with the ADC. A comparator reference voltage V_CMP_REFERENCE may be applied to the comparator CMP.

비교기(CMP)의 후단에는, 비교기(CMP)에서 발생된 디지털 코드를 저장하는 메모리(MEM)가 연결될 수 있다. 또한, 비교기(CMP)의 후단에는 DAC 블럭이 연결될 수 있다. DAC 블럭에 관해, 아날로그 앰프(AMP)의 출력 신호에 대해 이후 적분되어져 쌓여질 TDI 신호가 아날로그 앰프(AMP)의 스윙 레인지를 넘지 못하도록, 변환된 디지털 코드 만큼 감소시키기 위해 DAC 블럭(BLOCK)이 구비될 수 있고, 이는 아날로그 앰프(AMP)의 입력단(예를 들어, 반전(-) 입력단)에 연결될 수 있다. 이에 대해, DAC 블럭은 비교기(CMP)로부터 디지털 코드를 입력받고, 이에 대응되는 레벨 만큼 아날로그 앰프(AMP)의 출력 신호를 감소시킬 수 있도록 하는 아날로그 신호를 아날로그 앰프(AMP)의 입력단에 출력할 수 있다. DAC 블럭에는 DAC 기준 전압(V_DAC_REFERENCE)이 인가될 수 있다.A memory MEM for storing the digital code generated by the comparator CMP may be connected to a rear end of the comparator CMP. In addition, a DAC block may be connected to the rear end of the comparator CMP. Regarding the DAC block, the DAC block (BLOCK) is provided in order to reduce the converted digital code so that the TDI signal to be integrated and accumulated later on the output signal of the analog amplifier (AMP) does not exceed the swing range of the analog amplifier (AMP). may be, and it may be connected to an input terminal (eg, an inverting (-) input terminal) of the analog amplifier AMP. In contrast, the DAC block receives a digital code from the comparator (CMP) and outputs an analog signal that can reduce the output signal of the analog amplifier (AMP) by a corresponding level to the input terminal of the analog amplifier (AMP). have. A DAC reference voltage (V_DAC_REFERENCE) may be applied to the DAC block.

전하 결합 스위치 커패시터 구조가 적용된 신호 적분 영역에서는, 주입 커패시터(CIN)와 스토리지 커패시터(CS)의 비율에 따라 아날로그 앰프(AMP)의 출력단에 TDI 적분 신호가 출력될 수 있다. 여기서, 신호 크기를 키우기 위해서는, 주입 커패시터(CIN)의 크기(또는 용량)가 스토리지 커패시터(CS)의 크기(또는 용량)보다 클 수 있다. 즉, 스토리지 커패시터(CS)의 크기가 주입 커패시터(CIN)의 크기보다 작을 수 있다. 한편, 이 2개의 커패시터(CIN,CS)의 상대적인 비율은, TDI 신호를 적분하기 위해 상당히 정교하게 설계되는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 해당 커패시터들은 크기가 커질수록 아날로그 앰프(AMP)의 리셋 노이즈 및, 반도체 공정의 특성 변화율에 덜 민감하게 되므로, 설계적 측면에서 볼 때 가능하면 큰 크기로 설계되는 것이 바람직 할 수 있다.In the signal integration region to which the charge-coupled switch capacitor structure is applied, the TDI integration signal may be output to the output terminal of the analog amplifier AMP according to the ratio of the injection capacitor CIN to the storage capacitor CS. Here, in order to increase the signal level, the size (or capacity) of the injection capacitor CIN may be greater than the size (or capacity) of the storage capacitor CS. That is, the size of the storage capacitor CS may be smaller than the size of the injection capacitor CIN. On the other hand, the relative ratio of the two capacitors (CIN, CS) may be desirably designed to be quite sophisticated in order to integrate the TDI signal. In general, as the size of the capacitors increases, they become less sensitive to the reset noise of the analog amplifier and the rate of change in characteristics of the semiconductor process.

전하 결합 스위치 커패시터 구조가 적용된 신호 적분 영역의 아날로그 앰프(AMP)는, 빠른 시스템 동작을 위해 충분히 넓은 대역폭(bandwidth)과, 높은 정확도(accuracy)를 위해 충분히 높은 DC 게인(gain)을 갖는 것이 바람직하다. 빠른 동작 속도 측면에서 아날로그 앰프(AMP)는 넓은 대역폭을 갖는 것이 바람직 하지만, 아날로그 앰프(AMP)의 내부에서 형성되는 노이즈 및 외부에서 인가되는 노이즈는 아날로그 앰프(AMP)의 대역폭이 넓을수록 아날로그 앰프(AMP)의 출력단에 많이 나타나게 되므로, 시스템의 SNR 특성을 감소시키는 영향을 제공할 수 있다. 또한, 높은 정확도가 요구되는 시스템에 있어, 매우 높은 DC 게인을 필요로 하는데, 이 경우 일반적으로 2 스테이지 이상의 게인을 얻도록 설계 될 수 있다. 이 경우 높은 동작 속도를 위해 넓게 설계된 대역폭으로 인하여 고주파 단의 비지배적 폴(non-dominant pole)이 아날로그 앰프(AMP)의 UGF(Unity Gain Feedback) 안으로 들어올 수 있는 원인을 제공하여 시스템의 안정성이 감소될 수 있으므로, 높은 동작 속도 및 높은 DC 게인 모두를 만족하기 위해서는 안정성 문제를 보상하기 위한 추가 수단을 고려할 필요성이 있을 수 있다.It is desirable that the analog amplifier (AMP) in the signal integration region to which the charge-coupled switch capacitor structure is applied has a sufficiently wide bandwidth for fast system operation and a sufficiently high DC gain for high accuracy. . In terms of fast operation speed, it is desirable for the analog amplifier (AMP) to have a wide bandwidth, but the noise formed inside the analog amplifier (AMP) and the noise applied from the outside are affected by the wider bandwidth of the analog amplifier (AMP). AMP), so it can provide an effect of reducing the SNR characteristic of the system. In addition, in a system requiring high accuracy, a very high DC gain is required, and in this case, it can be designed to obtain a gain of two or more stages in general. In this case, due to the wide bandwidth designed for high operating speed, the non-dominant pole of the high frequency stage can enter into the UGF (Unity Gain Feedback) of the analog amplifier (AMP), and the stability of the system is reduced. Therefore, in order to satisfy both high operating speed and high DC gain, it may be necessary to consider additional means to compensate for the stability problem.

비교기(CMP) 및 DAC 블럭 그리고 메모리(MEM)로 구성된 DAC 동작 영역에 사용되는 비교기(CMP)에 대해, 빠른 비교 동작을 위해 래치 타입(latched type) 비교기가 사용될 수 있다. 그리고, 해당 비교기(CMP)의 구성 방식에 따라 출력되는 디지털 코드는 1비트 이상의 값이 될 수 있다. For the comparator CMP and the comparator CMP used in the DAC operation region composed of the DAC block and the memory MEM, a latched type comparator may be used for a fast comparison operation. In addition, the digital code output according to the configuration method of the comparator CMP may be a value of 1 bit or more.

비교기(CMP)에 인가되는 비교 기준 전압(V_CMP_REFERENCE)은 아날로그 앰프(AMP)에 쌓여지는 아날로그 신호가 디지털 값으로 변하는 기준 지점(또는 기준 값)이며, 해당 값은 비교기(CMP) 구성에 따라 서로 다른 다수의 값으로 구성될 수 있다.The comparison reference voltage (V_CMP_REFERENCE) applied to the comparator (CMP) is the reference point (or reference value) at which the analog signal accumulated in the analog amplifier (AMP) changes to a digital value, and the corresponding value is different depending on the comparator (CMP) configuration. It can consist of multiple values.

DAC 동작 영역에서 사용되는 DAC 블럭의 경우, 비교기(CMP)에서 나오는 신호를 받아서 디지털 코드에 해당하는 수준 만큼 아날로그 앰프(AMP)에 적분되어 있는 아날로그 신호를 감소시켜주는 역할을 수행할 수 있다. DAC 블록은, 신호 적분 영역의 입력 커패시터(CIN)와 스토리지 커패시터(CS)로 구성된 전하 결합 스위치 커패시터 구조와 유사한 구성을 가질 수 있다. DAC 동작이 전하 결합 스위치 커패시터 동작과 유사한 경우, 해당 동작의 속도는 아날로그 앰프(AMP)의 동작 속도에 의해 결정 되므로, 아날로그 TDI 동작 속도와 거의 동일한 수준으로 볼 수 있다. In the case of the DAC block used in the DAC operation area, it can receive the signal from the comparator (CMP) and reduce the analog signal integrated in the analog amplifier (AMP) by the level corresponding to the digital code. The DAC block may have a structure similar to that of the charge-coupled switch capacitor structure including the input capacitor CIN and the storage capacitor CS in the signal integration region. When the DAC operation is similar to the charge-coupled switch capacitor operation, the speed of the operation is determined by the operation speed of the analog amplifier (AMP), so it can be seen as almost the same as the analog TDI operation speed.

DAC 동작 영역에서 사용되는 메모리(MEM)에 대해, 비교기(CMP)에서 발생한 디지털 코드를 저장하는 역할을 수행할 수 있다. TDI 동작에 따라 계속적으로 발생되는 디지털 코드들은 합산되어 메모리(MEM)에 지속적으로 갱신되며, TDI 동작이 종료되는 시점에서 메모리(MEM)에 저장된 최종 디지털 코드는 ADC 동작 후 발생하는 최종 디지털 코드와 합산되어 최종 출력 디지털 코드가 생성될 수 있다.For the memory (MEM) used in the DAC operation area, it may serve to store the digital code generated by the comparator (CMP). The digital codes continuously generated according to the TDI operation are summed up and continuously updated in the memory (MEM), and when the TDI operation is finished, the final digital code stored in the memory (MEM) is summed with the final digital code generated after the ADC operation. to generate a final output digital code.

본 발명의 실시예에 따른 리드아웃 회로에서의 동작 흐름을 나타내는 순서도가 도 4에 도시되어 있다. A flowchart showing an operation flow in the readout circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 신호 적분 동작 시의 흐름과, DAC 동작 시의 동작 흐름을 확인 할 수 있다. 이에 대해 설명하면 아래와 같다.Referring to FIG. 4 , it is possible to check the flow during the signal integration operation and the operation flow during the DAC operation. This is explained below.

먼저 TDI 동작이 시작되면, 픽셀로부터 아날로그 신호가 주입 커패시터(CIN)를 통해 입력될 수 있다. First, when the TDI operation is started, an analog signal may be input from the pixel through the injection capacitor CIN.

신호가 입력되어 아날로그 앰프(AMP)의 출력이 발생되면 비교기(CMP)는 아날로그 앰프(AMP)에 담겨있는 아날로그 신호의 값이 어느 정도 레벨인지 파악할 수 있다. When a signal is input and an output of the analog amplifier AMP is generated, the comparator CMP can determine the level of the analog signal contained in the analog amplifier AMP.

여기서, 만약 아날로그 앰프(AMP)의 출력단의 신호값이 비교기(CMP)의 비교 레벨을 넘어가는 경우(즉, 비교 레벨 보다 큰 경우), 디지털 코드를 생성하고 이와 동시에 디지털 코드 값에 상응하는 아날로그 신호 레벨 만큼 아날로그 앰프(AMP)의 출력을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 다음 들어오는 아날로그 신호에 대해 아날로그 앰프(AMP)의 스윙 레인지를 충분히 확보할 수 있다. 생성된 디지털 코드는 메모리(MEM)에 저장될 수 있다.Here, if the signal value of the output terminal of the analog amplifier AMP exceeds the comparison level of the comparator CMP (ie, greater than the comparison level), a digital code is generated and an analog signal corresponding to the digital code value is simultaneously generated. It is possible to reduce the output of the analog amplifier (AMP) by the level, and accordingly, it is possible to sufficiently secure the swing range of the analog amplifier (AMP) for the next incoming analog signal. The generated digital code may be stored in the memory MEM.

만약 아날로그 앰프(AMP)에 담긴 아날로그 신호가 비교기(CMP)의 비교 레벨을 넘어가지 않는 경우(즉, 비교 레벨 이하인 경우), 일반적인 아날로그 TDI 동작과 유사하게 TDI 동작 싸이클(cycle)이 종료될 때까지 반복적으로 이루어 질 수 있다. If the analog signal contained in the analog amplifier (AMP) does not exceed the comparison level of the comparator (CMP) (ie, it is below the comparison level), similarly to the general analog TDI operation, the TDI operation cycle is completed until the end of the TDI operation cycle. can be done repeatedly.

만약 TDI 싸이클이 종료되면, 아날로그 앰프(AMP)가 최종적으로 가지고 있는 아날로그 신호와 메모리(MEM)에 저장된 디지털 코드들의 합산 값이 한꺼번에 ADC로 넘겨져 함께 최종 디지털 신호로 변환될 수 있다.If the TDI cycle is finished, the sum of the final analog signal of the analog amplifier (AMP) and the digital codes stored in the memory (MEM) may be transferred to the ADC at once and converted into a final digital signal together.

위와 같은 동작 플로우를 구현하기 위한 타이밍도와 타이밍 동작에 따른 일부 동작 파형이 도 5에 도시되어 있다. A timing diagram for implementing the above operation flow and some operation waveforms according to the timing operation are shown in FIG. 5 .

도 5의 각 부호에 대해 설명하면 다음과 같다. 'Analog Amp Out'은 도 3의 아날로그 앰프(AMP)의 출력단의 출력 신호이다. 'SIG_OUTPUT'은 도 3의 픽셀의 출력단의 출력 신호이다. 여기서, 픽셀은 3T의 픽셀 구조로 구성된 경우를 예로 들며 해당 픽셀에서 주입되는 동작은 픽셀 리셋을 의미하는 상승 동작을 의미한다. 'SW_RESET','SW_CON','SW_RESET_CAP'은 각각 도 3의 동일 명칭의 스위치(제1 내지 3스위치)에 대한 스위칭 신호이다. 'CLK_CMP_LATCH'는 DAC 동작을 하기위해 래치 타입 비교기(CMP)에 인가하는 클럭이며, 'SW_SIG_TO_ADC'는 TDI 싸이클이 종료되고 최종적으로 쌓여진 TDI 데이터를 ADC로 전달하기 위한 클럭이다. 도 4에서의 기준 전압 3개는 도 3에 표현된 각 동일명의 기준 전압에 해당된다. 도 4에 부여되어 있는 1~6번까지의 번호는 각 상황별 구간을 나타내고 있다.Each code in FIG. 5 will be described as follows. 'Analog Amp Out' is an output signal of the output terminal of the analog amplifier AMP of FIG. 3 . 'SIG_OUTPUT' is an output signal of the output terminal of the pixel of FIG. 3 . Here, a case in which the pixel is configured with a 3T pixel structure is taken as an example, and an operation injected from the pixel means a rising operation that means resetting the pixel. 'SW_RESET', 'SW_CON', and 'SW_RESET_CAP' are switching signals for switches (first to third switches) of the same name of FIG. 3 , respectively. 'CLK_CMP_LATCH' is a clock applied to the latch type comparator (CMP) to operate the DAC, and 'SW_SIG_TO_ADC' is a clock to transfer the accumulated TDI data to the ADC after the TDI cycle is finished. The three reference voltages in FIG. 4 correspond to reference voltages of the same name shown in FIG. 3 . Numbers 1 to 6 provided in FIG. 4 indicate sections for each situation.

먼저 각 상황별로 도 5의 동작을 설명하면 다음과 같다. First, the operation of FIG. 5 for each situation will be described as follows.

(1) 1번 구간은, 아날로그 앰프(AMP) 및 스토리지 커패시터(CS)가 리셋되는 단계이다. 이때, 아날로그 앰프(AMP)는 V_AMP_REFERENCE 레벨로 리셋되고, 스토리지 커패시터(CS)는 V_RESET_REFERENCE 레벨로 리셋될 수 있다. 여기서 Analog Amp Out은 리셋 동작에 의해 UGF(Unity Gain Feedback)되어져 있으므로 출력 또한 V_AMP_REFERENCE가 됨을 알 수 있다.(1) Section 1 is a step in which the analog amplifier AMP and the storage capacitor CS are reset. In this case, the analog amplifier AMP may be reset to the V_AMP_REFERENCE level, and the storage capacitor CS may be reset to the V_RESET_REFERENCE level. Here, it can be seen that the analog Amp Out is UGF (Unity Gain Feedback) by the reset operation, so the output is also V_AMP_REFERENCE.

(2) 2번 구간은, 아날로그 앰프(AMP)가 리셋 동작을 해제하고 스토리지 커패시터(CS)로 피드백되어지고, 이어서 신호가 주입되는 동작이 수행되는 단계이다. 먼저 V_AMP_REFERENCE 레벨로 출력되고 있던 아날로그 앰프(AMP)의 출력단 전위는 스토리지 커패시터(CS)로 피드백이 변경되어지면서 스토리지 커패시터(CS)에 형성되어있던 V_RESET_REFERENCE 레벨로 이동하게 된다. 그 이후 바로 픽셀에서 신호가 주입되면서, Analog Amp Output의 전위는 입력된 양 만큼 신호가 하강할 수 있다(반전 출력 구조인 경우). (2) In section 2, an operation in which the analog amplifier AMP releases the reset operation, is fed back to the storage capacitor CS, and then a signal is injected is performed. First, the output potential of the analog amplifier (AMP), which was output at the V_AMP_REFERENCE level, moves to the V_RESET_REFERENCE level formed in the storage capacitor (CS) as the feedback is changed to the storage capacitor (CS). Immediately after that, as a signal is injected from the pixel, the potential of the Analog Amp Output may decrease by the input amount (in the case of an inverted output structure).

(3) 3번 구간은, 아날로그 앰프(AMP)의 출력단의 신호와 래치 타입 비교기(CMP)에 인가된 V_CMP_REFERENCE를 비교하여 DAC 동작을 수행하게 되는 단계이다. 현재 단계에서는 아날로그 앰프(AMP)가 가진 신호의 양은 비교기(CMP)에 인가된 V_CMP_REFERENCE보다 작은 수준으로 형성되어 있으므로 디지털 코드는 발생되지 않으며, 아날로그 앰프(AMP)가 가지고 있던 아날로그 신호의 양도 변화하지 않으므로, 특별한 변화 없이 출력 신호가 유지되고 있는 모습을 볼 수 있다. (3) Section 3 is a step in which the DAC operation is performed by comparing the signal of the output terminal of the analog amplifier (AMP) with V_CMP_REFERENCE applied to the latch type comparator (CMP). At the present stage, since the amount of signal of the analog amplifier (AMP) is formed at a level smaller than V_CMP_REFERENCE applied to the comparator (CMP), no digital code is generated, and the amount of analog signal of the analog amplifier (AMP) does not change. , it can be seen that the output signal is maintained without any special change.

(4) 4번 구간은, 첫번째 TDI 싸이클이 지나고 두번째 TDI 싸이클이 진행 될때, 다시 스토리지 커패시터(CS)로 피드백이 형성된 상황을 나타내는 단계이다. V_AMP_REFERENCE로 전위가 형성되어있던 Analog Amp Output은 이전 싸이클에서 스토리지 커패시터(CS)에 저장된 마지막 전위(즉, 첫번째 TDI 싸이클의 마지막 시점의 전위)로 변화하게 된다. 그 이후, 다시 픽셀에서 신호가 주입되고, 결과적으로 픽셀에서 인가된 신호가 2번 쌓인 양만큼 Analog Amp Output이 하강하게 된다. 여기서, 신호는 V_CMP_REFERENCE 수준을 넘어간 것을 볼 수 있다. (4) Section 4 is a step representing a situation in which feedback is formed back to the storage capacitor CS when the first TDI cycle passes and the second TDI cycle proceeds. Analog Amp Output, whose potential was formed as V_AMP_REFERENCE, is changed to the last potential stored in the storage capacitor (CS) in the previous cycle (ie, the potential at the end of the first TDI cycle). After that, the signal is injected again from the pixel, and as a result, the analog amp output decreases by the amount of the signal applied from the pixel stacked twice. Here, it can be seen that the signal has crossed the V_CMP_REFERENCE level.

(5) 5번 구간은, Analog Amp Output이 V_CMP_REFERENCE를 넘어간 상태에서 CLK_CMP_LATCH가 인가되어 DAC 동작으로 인해 Analog Amp Output이 다시 상승한 상황을 나타낸 단계이다. 이 단계에서는 비교기(CMP)에서 출력된 디지털 코드의 값 만큼 Analog Amp Output 노드에 축적되어있던 아날로그 신호를 상승시켜 이미 디지털 코드 값으로 치환된 아날로그 신호 값이 남아 있지 않게 만들어준다. (5) Section 5 shows a situation in which Analog Amp Output rises again due to DAC operation when CLK_CMP_LATCH is applied while Analog Amp Output exceeds V_CMP_REFERENCE. In this step, the analog signal accumulated in the Analog Amp Output node is increased by the value of the digital code output from the comparator (CMP), so that the analog signal value already replaced with the digital code value does not remain.

(6) 6번 구간은, 마지막 TDI 싸이클이 종료되어 최종적으로 아날로그 앰프(AMP)에 쌓여진 아날로그 신호를 ADC로 전달해주는 단계이다. 이때, 이전까지의 TDI 싸이클들에서 발생되었던 디지털 코드들 또한 함께 ADC로 넘겨지게 되면서, TDI 싸이클들 동안 발생한 아날로그 신호 및 디지털 코드가 ADC로 넘겨지게 된다. 이후, ADC는 해당 신호들을 전달받아 ADC 변환을 진행하게 된다.(6) Section 6 is a step in which the last TDI cycle ends and finally the analog signal accumulated in the analog amplifier (AMP) is transferred to the ADC. At this time, while digital codes generated in previous TDI cycles are also transferred to the ADC, analog signals and digital codes generated during TDI cycles are transferred to the ADC. Thereafter, the ADC receives the corresponding signals and performs ADC conversion.

도 6은 1비트 DAC를 포함하는 일반적인 싸이클릭(cyclic) ADC의 구성 및 동작을 도시한 도면이다. 도 6(a)에는 싸이클릭 ADC를 구성하기 위한 회로 블럭이 도시되어 있고, 도 6(b) 및 6(c)에는 싸이클릭 ADC가 동작하며 아날로그 신호를 디지털 코드로 변환하는 과정을 도시하고 있다. 6 is a diagram illustrating the configuration and operation of a general cyclic ADC including a 1-bit DAC. 6(a) shows a circuit block for configuring a cyclic ADC, and FIGS. 6(b) and 6(c) illustrate a process of converting an analog signal into a digital code while the cyclic ADC operates. .

먼저, 도 6(a)에 도시된 회로 블록에 대해, 아날로그 앰프 및 래치 타입 비교기 그리고 래치 타입 비교기의 출력을 이용해 동작되는 DAC 블럭이 사용된다. 추가로, 해당 싸이클릭 ADC가 아날로그 신호을 디지털 신호로 변환하는 과정을 살펴보면, 샘플링된 신호가 비교기의 비교 레벨을 통해 비교되고 디지털 코드로 한 비트씩 변화되는 동작을 확인할 수 있으며, 이 동작이 싸이클릭 ADC의 싸이클이 종료될 때까지 반복되는 동작임을 확인할 수 있다. First, for the circuit block shown in Fig. 6(a), an analog amplifier, a latch-type comparator, and a DAC block operated using the outputs of the latch-type comparator are used. In addition, if you look at the process of the cyclic ADC converting an analog signal into a digital signal, you can see that the sampled signal is compared through the comparison level of the comparator and the operation is changed bit by bit with a digital code, and this operation is a cyclic It can be seen that the operation is repeated until the cycle of ADC is completed.

도 6에 도시된 회로 구성 및 동작의 유사성과 비교해 볼 때, 이 ADC는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예의 시스템의 구성 및 동작과 상당한 유사성이 있음을 파악할 수 있다. 그러므로, 회로의 재사용성 및 호환성을 고려할 때, 도 3의 ADC에 대해 싸이클릭 ADC를 적용함으로써, 설계적인 부분에서 고려해야할 복잡성이 상당히 줄어드는 장점을 얻을 수 있다.Comparing with the similarity of the circuit configuration and operation shown in FIG. 6 , it can be seen that this ADC has significant similarity to the configuration and operation of the system of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 . Therefore, when considering the reusability and compatibility of the circuit, by applying the cyclic ADC to the ADC of FIG. 3 , it is possible to obtain an advantage in that the complexity to be considered in the design part is significantly reduced.

도 7은 1비트 DAC와 1.5비트 DAC를 사용하는 2개의 싸이클릭 ADC를 서로 비교하는 도면이다. 7 is a diagram comparing two cyclic ADCs using a 1-bit DAC and a 1.5-bit DAC with each other.

도 7을 참조하면, 좌측 도면에 나타난 2개의 싸이클릭 ADC의 회로 구성을 살펴보면, 대부분의 회로 구성은 유사하나 DAC가 1비트에서 1.5비트로 변화된 점과, 회로 구성에 사용된 비교기가 1개에서 2개로 늘어 났다는 점이 상이하다. 1비트 DAC를 사용한 싸이클릭 ADC와는 달리, 1.5비트 DAC를 사용한 싸이클릭 ADC는 회로 구성의 복잡성은 증가하나, 비교기의 입력 오프셋(input offset)의 영향으로 인한 비교 에러(error)가 상당히 완화됨을 도 7의 우측 도면을 통해 알 수 있다. Referring to FIG. 7 , looking at the circuit configuration of the two cyclic ADCs shown in the diagram on the left, most of the circuit configurations are similar, but the DAC is changed from 1 bit to 1.5 bits, and the comparator used in the circuit configuration is 1 to 2 The difference is that it has grown into a dog. Unlike a cyclic ADC using a 1-bit DAC, a cyclic ADC using a 1.5-bit DAC increases the complexity of circuit configuration, but the comparison error due to the influence of the input offset of the comparator is significantly mitigated. It can be seen from the figure on the right of Fig. 7.

먼저, 1비트 DAC를 사용하는 싸이클릭 ADC의 경우, 비교기 오프셋 에러가 해당 ADC에서 얻으려 하는 해상도의 1LSB 이하의 오프셋만 허용되어지는 것을 알 수 있다. 만약 1LSB 이상의 비교기 입력 오프셋이 발생하는 경우, 싸이클릭 ADC가 동작하는 과정에서 전부 신호 손실로 이어질 수 있다. First, in the case of a cyclic ADC using a 1-bit DAC, it can be seen that only an offset of 1 LSB or less of the resolution that the comparator offset error is trying to obtain from the ADC is allowed. If the comparator input offset of 1LSB or more occurs, it may lead to signal loss while the cyclic ADC operates.

다음으로, 1.5비트 DAC를 사용하는 싸이클릭 ADC의 경우, 비교기 오프셋 에러가 해당 ADC에서 얻으려 하는 1/4 x ADC 레인지의 오프셋 수준의 입력 오프셋 에러를 허용하는 경우에도 신호 손실이 발생하지 않음을 알 수 있다. 이는 10비트 ADC 기준으로 128LSB의 오차 수준을 허용하게 되므로, 1비트 DAC를 사용하는 싸이클릭 ADC와 비교하여 비교기의 설계적 부담이 상당히 줄어든다는 점을 알 수 있다. Next, note that in the case of a cyclic ADC using a 1.5-bit DAC, no signal loss occurs even if the comparator offset error allows an input offset error of the level of the offset of 1/4 x ADC range that the ADC is trying to achieve. Able to know. Since this allows an error level of 128LSB based on a 10-bit ADC, it can be seen that the design burden of the comparator is significantly reduced compared to a cyclic ADC using a 1-bit DAC.

그러므로, 도 3에 도시된 ADC로서 1.5비트 DAC를 사용하는 싸이클릭 ADC를 사용할 수 있으며, 해당 구조는 동일하게 도 3에 도시된 비교기 및 DAC에도 적용하여 비교기의 오프셋 에러가 본 실시예의 시스템에 미치는 문제점을 제거할 수 있음과 동시에 비교기 설계의 어려움까지 완화할 수 있는 장점을 이용할 수 있다.Therefore, as the ADC shown in Fig. 3, a cyclic ADC using a 1.5-bit DAC can be used, and the structure is equally applied to the comparator and DAC shown in Fig. 3, so that the offset error of the comparator affects the system of this embodiment. The advantage of being able to eliminate the problem and at the same time alleviating the difficulty of designing a comparator can be used.

전술한 모든 동작 기법에 대해 통합된 리드아웃 회로 시스템이 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 도 8은 디지털 TDI 방식과 아날로그 TDI 방식이 통합되고 1.5비트 DAC를 사용한 싸이클릭 ADC가 포함된 리드아웃 회로의 동작 예를 보여주고 있다. An integrated readout circuit system for all of the above-described operating techniques is schematically illustrated in FIG. 8 . 8 shows an operation example of a readout circuit in which a digital TDI method and an analog TDI method are integrated and a cyclic ADC using a 1.5-bit DAC is included.

1.5비트 DAC를 사용함으로써 디지털 코드(익스트라 디지털 코드) 추출시 마다 1.5비트 수준의 데이터가 출력될 수 있다. 도 8은, 디지털 방식이 통합된 아날로그 TDI 방식에서 발생된 디지털 코드가 싸이클릭 ADC에서 발생된 디지털 코드와 어떻게 합성이 되는지에 대한 코드 합성에 대한 예시 또한 보여주고 있다. 해당 동작을 살펴보면, 최종적으로 얻기 위한 최종 디지털 코드의 일부를 미리 추출해 합성할 수 있으므로, 싸이클릭 ADC가 감당하는 실제 해상도는 리드아웃 회로 시스템의 전체 해상도보다 작아도 되어, ADC 스테이지 전단의 스테이지에서 사전에 추출하는 디지털 코드가 많을수록 ADC의 설계 난이도가 더욱 감소할 수 있음을 파악할 수 있다. 또한 제시된 시스템은 아날로그 TDI 방식에 디지털 TDI 방식을 채용함으로써, 쌓을 수 있는 아날로그 신호의 값이 크게 증가하게 되므로 마치 아날로그 TDI 동작을 수행하는 아날로그 앰프의 스윙 레인지가 증가된 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 증가된 앰프의 스윙 레인지는 실제 물리적으로 늘어난 스윙 레인지가 아니므로 가상의 스윙 레인지로 표현할 수 있다. 가상의 스윙 레인지가 있다고 가정할 때, 시스템의 노이즈 레벨은 그대로인 반면 적분할 수 있는 신호가 가상 스윙 레인지만큼 크게 증가하므로, 최종적으로 높은 SNR 또한 얻을 수 있는 장점이 존재한다.By using a 1.5-bit DAC, 1.5-bit level data can be output whenever a digital code (extra digital code) is extracted. FIG. 8 also shows an example of code synthesis for how a digital code generated in an analog TDI method in which a digital method is integrated is combined with a digital code generated in a cyclic ADC. Looking at the operation, since a part of the final digital code to be finally obtained can be extracted and synthesized in advance, the actual resolution covered by the cyclic ADC can be smaller than the overall resolution of the readout circuit system, It can be seen that the more digital codes to extract, the more the ADC design difficulty can be further reduced. Also, since the proposed system adopts the digital TDI method over the analog TDI method, the value of the analog signals that can be accumulated is greatly increased, so it is possible to obtain an effect as if the swing range of the analog amplifier performing the analog TDI operation was increased. The increased swing range of the amplifier is not a physically increased swing range, so it can be expressed as a virtual swing range. Assuming that there is a virtual swing range, the noise level of the system remains the same, while the integrable signal increases significantly by the virtual swing range, so there is an advantage of finally obtaining a high SNR.

실시예에서 제시한 회로 방식을 구현함에 있어, 스위치 등을 포함한 보다 구체적인 회로 구성의 예가 도 9에 도시되어 있다. 도 9를 참고하면, 동작을 위한 여러 스위치 구조 및 동작에 핵심을 이루는 아날로그 앰프와 DAC 블럭와 래치 타입 비교기 등이, 앰프 스테이지와 싸이클릭 ADC 스테이지 모두에 구비될 수 있다.In implementing the circuit method presented in the embodiment, an example of a more specific circuit configuration including a switch and the like is shown in FIG. 9 . Referring to FIG. 9 , an analog amplifier, a DAC block, a latch-type comparator, and the like, which are key to various switch structures and operations for operation, may be provided in both the amplifier stage and the cyclic ADC stage.

여기서, 싸이클릭 ADC 스테이지의 경우에는, 기존의 1.5비트 DAC를 사용하는 싸이클릭 ADC 구조와 실질적으로 동일 유사하게 구성될 수 있다. 한편, 기존의 구조와 다른 점은 1.5비트 DAC를 사용하는 싸이클릭 ADC를 구성하는데 필요한 회로 블록을 아날로그 TDI를 수행하기 위한 앰프 스테이지에서도 사용함으로써, 아날로그 TDI 동작 회로에 디지털 TDI 동작의 특징을 함께 통합(merge)하여 하이브리드(hybrid) 구성을 가능하게 하였고, 싸이클릭 ADC에서 사용하고 있는 1.5비트 DAC 구조를 그대로 차용하여 래치 타입 비교기의 입력 오프셋의 영향을 줄이는 이점 또한 얻을 수 있게 된다.Here, in the case of the cyclic ADC stage, the cyclic ADC structure using the existing 1.5-bit DAC may be configured substantially the same. On the other hand, the difference from the existing structure is that the circuit block required to construct a cyclic ADC using a 1.5-bit DAC is also used in the amplifier stage to perform analog TDI, thereby integrating the characteristics of digital TDI operation into the analog TDI operation circuit. (merge) to enable a hybrid configuration, and by borrowing the 1.5-bit DAC structure used in the cyclic ADC as it is, it is also possible to obtain the advantage of reducing the influence of the input offset of the latch-type comparator.

앰프 스테이지와 싸이클릭 ADC 스테이지의 차이점으로는, 앰프 스테이지는 먼저 각 TDI 위치에 존재하는 위치적 데이터도 구분하기 위해 다수의 TDI 커패시터로 구성된 커패시터 어레이를 가질 수 있다는 것이다. 이는 도 9에 도시되어 있는데, 앰프 스테이지의 아날로그 앰프에는 병렬 배치된 다수의 스토리지 커패시터(Cap1 내지 CapN)로 구성된 커패시터 어레이가 연결될 수 있다. 이 스토리지 커패시터들(Cap1 내지 CapN)은 구성하고자 하는 TDI 스테이지 만큼 증가할 수 있다.The difference between the amplifier stage and the cyclic ADC stage is that the amplifier stage may first have a capacitor array consisting of multiple TDI capacitors to distinguish also the positional data present at each TDI location. This is illustrated in FIG. 9 , and a capacitor array including a plurality of storage capacitors Cap1 to CapN arranged in parallel may be connected to the analog amplifier of the amplifier stage. The storage capacitors Cap1 to CapN may increase by the TDI stage to be configured.

제시된 구조에서 앰프 스테이지 및 싸이클릭 ADC 스테이지에서 사용된 아날로그 앰프의 회로 구조의 일예가 도 10에 도시되어 있다. An example of the circuit structure of the analog amplifier used in the amplifier stage and the cyclic ADC stage in the presented structure is shown in FIG. 10 .

현재 리드아웃 회로 시스템의 성능을 만족하기 위해서는 약 120dB 이상의 DC 게인이 필요할 수 있으며, 5Mhz 이상의 UGF의 성능이 요구되어 질 수 있다. 이러한 성능을 만족하기 위해, 도 10과 같이 2 스테이지 구조를 가지는 간단한 구조의 아날로그 앰프를 사용할 수 있다. 이와 관련하여, 제1스테이지(Stage 1)는 일반적인 NMOS 입력을 갖는 폴디드 캐스코드 앰프(folded cascode amp) 구조로 구성될 수 있고, 제2스테이지(Stage2)는 일반적인 커먼 소스 앰프(common source amp) 구조로 구성될 수 있다.In order to satisfy the performance of the current readout circuit system, DC gain of about 120dB or more may be required, and UGF performance of 5Mhz or more may be required. In order to satisfy this performance, an analog amplifier having a simple structure having a two-stage structure as shown in FIG. 10 may be used. In this regard, the first stage (Stage 1) may be configured in a folded cascode amplifier (folded cascode amp) structure having a general NMOS input, and the second stage (Stage2) is a general common source amplifier (common source amp) can be structured.

해당 앰프의 특징으로는 'SW_Boost' 라는 셋업 스위치 값에 따라 앰프의 UGF가 크게 늘어날 수 있는 추가적인 장치가 들어갈 수도 있다는 점에 있다. 해당 부분이 들어간 이유는 게인 부스트(gain boost)의 경우 혹은 컬럼 비닝(column binning) 시 급격하게 늘어난 주입 커패시터에 의해 커패시터 피드백이 고려된 루프(loop) UGF가 시스템이 요구하는 5MHz로 나오지 않을 수 있기 때문에, 이러한 상황에서는 UGF를 크게 늘려줄 필요성이 존재하므로, 이러한 상황을 보상하기 위한 장치로 해당 스위치들이 구비될 수 있다. 게인 부스트가 디스에이블(disable)되어 있는 경우, 제1스테이지(Stage1)의 입력 테일 전류(input tail current)의 크기는 절반으로 줄어들게 되고 그로 인하여 입력 트랜스컨덕턴스(input transconductance)는 줄어들게 된다. 그리고, 밀러(Miller) 커패시터는 크게 늘어나게 되므로, 결과적으로 입력 트랜스컨덕컨스와 밀러 커패시터의 크기로 결정되는 시스템의 UGF는 줄어들어 있는 상태가 된다. The characteristic of the amplifier is that an additional device that can greatly increase the UGF of the amplifier may be added depending on the value of the setup switch called 'SW_Boost'. The reason that this part is included is that in the case of gain boost or column binning, the loop UGF in consideration of capacitor feedback may not come out to the 5 MHz required by the system due to the rapidly increased injection capacitor. Therefore, in such a situation, there is a need to significantly increase the UGF, and thus corresponding switches may be provided as a device for compensating for such a situation. When the gain boost is disabled, the magnitude of the input tail current of the first stage Stage1 is halved, thereby reducing the input transconductance. And, since the Miller capacitor is greatly increased, as a result, the UGF of the system, which is determined by the input transconductance and the size of the Miller capacitor, is in a reduced state.

반대로, 게인 부스트가 인에이블(enable)되어 있는 경우, 제1스테이지(Stage1)의 입력 트랜스컨덕턴스는 늘어나고 밀러 커패시터는 감소하게 되므로, 더욱 높은 UGF를 형성하게 되어 커패시터 피드백으로 인해 루프 UGF가 줄어들게 되는 부분을 완화시켜줄 수 있다.Conversely, when the gain boost is enabled, the input transconductance of the first stage Stage1 increases and the Miller capacitor decreases, so a higher UGF is formed, and the loop UGF is reduced due to the capacitor feedback. can alleviate

위와 같이 제시된 시스템의 동작을 검증하기 위해 앰프 스테이지의 동작에 대한 시뮬레이션 동작 파형이 도 11에 도시되어 있다. 도 11에서는, 아날로그 TDI방식으로만 동작되며 작은 신호가 들어왔을 경우(상부 도면)와, 아날로그 TDI 방식 도중 디지털 TDI 방식의 동작이 수행되며 충분히 큰 신호가 들어왔을 경우(하부 도면)에 대한 시뮬레이션 동작 파형을 도시하고 있다. In order to verify the operation of the system presented above, a simulation operation waveform for the operation of the amplifier stage is shown in FIG. 11 . In FIG. 11 , simulation operation for a case where a small signal is received while operating only in the analog TDI method (upper drawing), and when a sufficiently large signal is received while the operation of the digital TDI method is performed during the analog TDI method (lower drawing) The waveform is shown.

아날로그 TDI 방식으로만 동작하는 경우, DAC가 따로 동작하지 않기 때문에 신호가 들어오는 매순간 아날로그 앰프에 쌓여지게 된다. In case of operating only in the analog TDI method, since the DAC does not operate separately, every time a signal is received, it is accumulated in the analog amplifier.

반대로, 아날로그 TDI 방식 및 디지털 TDI 방식으로 동작하는 경우, 큰 신호가 들어오게 될 때, 아날로그 앰프의 스윙 레인지가 인가되는 아날로그 신호로 인해 포화되기 전 디지털 코드로 치환 되어지므로, 인가되는 신호들이 아날로그 앰프의 스윙 레인지에 제한받지 않고 지속적으로 쌓여지고 있는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 실시예에서 제시된 리드아웃 회로는 빠른 속도를 가지고 동작 하면서도 아날로그 앰프의 스윙 레인지에 신호의 적분양이 제한받지 않음을 알 수 있다.Conversely, when operating in the analog TDI method and the digital TDI method, when a large signal is received, the swing range of the analog amplifier is replaced with a digital code before being saturated with the applied analog signal, so the applied signals are It can be seen that it is continuously stacked without being limited by the swing range of Through this, it can be seen that the readout circuit presented in this embodiment operates at a high speed, but the integral amount of the signal is not limited by the swing range of the analog amplifier.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 리드아웃 회로는 아날로그 TDI 방식의 빠른 동작 속도를 유지함과 동시에 적분양이 제한 받지 않는 디지털 TDI 방식의 이점 또한 취할 수 있는 아날로그 방식 및 디지털 방식이 공존하는 하이브리드형 TDI 동작 방식을 사용함으로써, 종래 회로 시스템에서 얻기 힘들었던 높은 동작 속도와 높은 다이나믹 레인지를 가지는 CMOS TDI 구조가 구현 가능하게 된다.As described above, the readout circuit of the present embodiment maintains the fast operation speed of the analog TDI method and at the same time can take the advantage of the digital TDI method in which the amount of integration is not limited. A hybrid TDI operation in which the analog method and the digital method coexist. By using the method, a CMOS TDI structure having a high operating speed and a high dynamic range, which is difficult to obtain in a conventional circuit system, can be implemented.

아날로그 TDI 회로 시스템에서 SNR을 증가시키기 위한 방안으로 아날로그 앰프의 스윙 레인지를 넓히기 위해 전력 레일(power rail)의 크기가 크지 않게 구성할 수 있어 전력소모 감소의 장점이 있고 노이즈를 극도로 감소시키기 위한 아날로그 앰프의 설계적 난이도가 크게 감소할 수 있다. 더욱이, 앰프 스테이지에서 미리 디지털 코드를 일부 산출해서 ADC로 전달하므로, 실제 ADC가 산출해야 할 디지털 코드의 양은 종래 시스템 대비 동일한 해상도 환경에서 줄어들게 되어, 고해상도의 ADC를 요구하지 않게 되는바, ADC에 대한 설계적 장점이 있다.As a measure to increase the SNR in the analog TDI circuit system, the size of the power rail can be configured to be small in order to widen the swing range of the analog amplifier, so it has the advantage of reducing power consumption and the analog to extremely reduce noise The design difficulty of the amplifier can be greatly reduced. Furthermore, since some digital codes are calculated in advance in the amplifier stage and transferred to the ADC, the amount of digital codes to be calculated by the actual ADC is reduced in the same resolution environment compared to the conventional system, thereby eliminating the need for a high-resolution ADC. There are design advantages.

높은 SNR을 갖는 고속의 CMOS TDI 시스템이 구현 가능하게 됨으로써, 고성능의 제품 개발 및 고성능 장치의 시장 선정이 가능하게 된다. 그리고, 종래 시스템 대비 아날로그 앰프의 설계 난이도 및 ADC의 설계 난이도 또한 감소할 수 있으므로, 새로운 고성능의 IP 개발시 발생하는 개발 비용의 큰 감소 효과가 기대될 수 있다.Since a high-speed CMOS TDI system having a high SNR can be implemented, high-performance product development and market selection of high-performance devices are possible. In addition, since the design difficulty of the analog amplifier and the design difficulty of the ADC can also be reduced compared to the conventional system, a significant reduction in development cost that occurs when developing a new high-performance IP can be expected.

전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.The above-described embodiment of the present invention is an example of the present invention, and free modifications are possible within the scope included in the spirit of the present invention. Accordingly, the present invention is intended to cover the modifications of the present invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents.

Claims (5)

TDI 싸이클의 센싱신호를 적분하는 아날로그 앰프와;
상기 아날로그 앰프에 적분된 아날로그 적분 신호 레벨과 비교 레벨을 비교하는 비교기와;
상기 아날로그 적분 신호 레벨이 상기 비교 레벨을 넘을 경우 상기 아날로그 적분 신호를 디지털 코드로 변환하는 ADC와;
상기 디지털 코드를 저장하는 메모리와;
상기 아날로그 앰프에 적분된 상기 아날로그 적분 신호 레벨을 상기 메모리에 저장된 상기 디지털 코드 레벨 만큼 감소시키는 DAC 블록과;
상기 아날로그 앰프의 입력단에 연결되고 상기 센싱신호가 인가되는 주입 커패시터와;
상기 아날로그 앰프의 입력단과 출력단 사이에 연결된 스토리지 커패시터와;
상기 아날로그 앰프의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제1스위치와;
상기 스토리지 커패시터의 일전극과, 상기 아날로그 앰프의 출력단 사이에 연결된 제2스위치
를 포함하는 리드아웃 회로.
an analog amplifier for integrating the sensing signal of the TDI cycle;
a comparator for comparing the analog integral signal level integrated in the analog amplifier with a comparison level;
an ADC for converting the analog integral signal into a digital code when the analog integral signal level exceeds the comparison level;
a memory for storing the digital code;
a DAC block for reducing the level of the analog integral signal integrated in the analog amplifier by the level of the digital code stored in the memory;
an injection capacitor connected to the input terminal of the analog amplifier and to which the sensing signal is applied;
a storage capacitor connected between an input terminal and an output terminal of the analog amplifier;
a first switch connected between an input terminal and an output terminal of the analog amplifier;
a second switch connected between one electrode of the storage capacitor and an output terminal of the analog amplifier
A readout circuit comprising a.
제1항에 있어서,
상기 ADC는 상기 TDI 싸이클 종료 시 상기 아날로그 앰프의 아날로그 적분 신호와 상기 메모리의 디지털 코드를 합산한 디지털 신호를 출력하는 리드아웃 회로.
According to claim 1,
The ADC outputs a digital signal obtained by summing the analog integral signal of the analog amplifier and the digital code of the memory at the end of the TDI cycle.
제1항에 있어서,
상기 스토리지 커패시터의 일전극에 연결되고, 리셋 기준 전압을 인가받는 제3스위치
를 더 포함하는 리드아웃 회로.
According to claim 1,
A third switch connected to one electrode of the storage capacitor and to which a reset reference voltage is applied
A readout circuit further comprising a.
픽셀을 포함하는 센서패널과;
상기 픽셀로부터 상기 센싱신호를 입력받는 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 리드아웃 회로
를 포함하는 이미지센서.
a sensor panel including pixels;
The readout circuit of any one of claims 1 to 3 for receiving the sensing signal from the pixel
An image sensor comprising a.
입사광을 감지하여 아날로그 신호를 생성하는 픽셀 어레이와;
상기 아날로그 신호를 연속해서 적분하는 TDI 동작을 수행하면서 동시에 디지털 코드를 생성하고 해당 디지털 코드에 상응하는 DAC를 수행하여 상기 TDI 동작이 끝나는 시점에서 아날로그 데이터 및 디지털 데이터를 동시에 생성하는 제1스테이지와;
상기 제1스테이지에서 출력한 상기 아날로그 데이터 및 디지털 데이터를 동시에 받아 최종 디지털 코드로 변환 시키는 아날로그 디지털 변환부로 구성된 제2스테이지
를 포함하는 이미지 센서.
a pixel array for generating an analog signal by sensing incident light;
a first stage of simultaneously generating a digital code while performing a TDI operation for continuously integrating the analog signal, and performing a DAC corresponding to the digital code to simultaneously generate analog data and digital data at the end of the TDI operation;
A second stage comprising an analog-to-digital converter that simultaneously receives the analog data and the digital data output from the first stage and converts them into a final digital code
An image sensor comprising a.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2904770B1 (en) * 2012-10-05 2018-01-10 Rambus Inc. Conditional-reset, multi-bit read-out image sensor
KR20140104169A (en) * 2013-02-20 2014-08-28 삼성전자주식회사 Image sensor and computing system having the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001235794A (en) 1999-12-07 2001-08-31 Semiconductor Insights Inc Electric sensor device, method for generating electric signal from array of converter element

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