KR102336896B1 - Analog-to-digital conversion device and image sensing device and method thereof - Google Patents

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KR102336896B1
KR102336896B1 KR1020200090660A KR20200090660A KR102336896B1 KR 102336896 B1 KR102336896 B1 KR 102336896B1 KR 1020200090660 A KR1020200090660 A KR 1020200090660A KR 20200090660 A KR20200090660 A KR 20200090660A KR 102336896 B1 KR102336896 B1 KR 102336896B1
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김현준
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강원대학교 산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, an analog-to-digital conversion device capable of realizing high-speed operation performance by first converting an MSB code based on a reference voltage corresponding to half of the entire ADC conversion range, and performing LSB conversion based on the same comprises: a comparator which receives a pixel signal through one terminal, receives a ramp signal applied from a ramp signal generating device through the other terminal, compares values of the two signals according to a control signal of a control unit, and outputs a comparison signal; the control unit which determines the MSB code according to the size of the pixel signal based on the reference voltage corresponding to a preset size among the entire A/D conversion range, and determines a start point of an LSB conversion operation according to the determined MSB code; and a counting unit which outputs counting information by counting a clock from the control unit from the time when the ramp signal falls until the time when the comparison signal is inverted.

Description

아날로그-디지털 변환 장치 및 이를 포함하는 이미지 센싱 장치 및 방법{Analog-to-digital conversion device and image sensing device and method thereof}Analog-to-digital conversion device and image sensing device and method including same

본 발명은 아날로그-디지털 변환 장치 및 이를 포함하는 이미지 센싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전체 ADC 변환 범위 중 미리 설정된 크기에 해당되는 기준전압을 기초로 MSB 코드를 먼저 결정하고, 이를 기초로 LSB 변환을 수행함으로써, 고속 동작 성능의 구현이 가능한 아날로그-디지털 변환 장치 및 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an analog-to-digital conversion apparatus and an image sensing apparatus and method including the same, and more particularly, to first determine an MSB code based on a reference voltage corresponding to a preset size among the entire ADC conversion range, and based on the The present invention relates to an analog-to-digital conversion device and an image sensor capable of realizing high-speed operation performance by performing low LSB conversion.

일반적으로, 씨모스(CMOS) 공정으로 구현되는 씨모스 이미지 센서(CIS)는 기타 경쟁 제품(예를 들어, 고체 촬상 소자)에 비하여 저전력 소모, 저렴한 가격 및 소형 사이즈의 장점으로 인하여 빠르게 시장을 넓혀가고 있다. 특히, 씨모스 이미지 센서는 경쟁 제품에 비하여 상대적으로 부족하였던 화질 개선을 통해 점차 고해상도 및 고속의 프레임 레이트(Frame Rate)를 요구하는 비디오 영역까지 그 응용 범위를 확장해 나가고 있다.In general, CMOS image sensors (CIS) implemented in a CMOS process rapidly expand the market due to the advantages of low power consumption, low price, and small size compared to other competitive products (eg, solid-state imaging devices). is going In particular, the CMOS image sensor is gradually expanding its application range to the video field requiring high resolution and high frame rate through improved image quality, which was relatively insufficient compared to competing products.

이때, 씨모스 이미지 센서는 고체 촬상 소자와 달리 픽셀 어레이에서 출력되는 아날로그 형태의 신호(픽셀 신호)를 디지털 형태의 신호로 변환하는 동작이 필요한데, 이러한 아날로그 신호에서 디지털 신호로의 변환을 위해서 내부에 고해상도의 아날로그-디지털 변환 장치(ADC : Analog to Digital Converter)를 사용한다.At this time, unlike the solid-state image sensor, the CMOS image sensor needs to convert an analog signal (pixel signal) output from the pixel array into a digital signal. A high-resolution analog-to-digital converter (ADC: Analog to Digital Converter) is used.

이러한 씨모스 이미지 센서는 아날로그-디지털 변환 장치의 구현 방식에 따라 싱글 아날로그-디지털 변환 장치(Single ADC)를 사용하는 방식과 컬럼 아날로그-디지털 변환 장치(Column ADC)를 사용하는 방식으로 구분할 수 있다.Such CMOS image sensors can be classified into a method using a single analog-to-digital converter (Single ADC) and a method using a column analog-to-digital converter (Column ADC) according to an implementation method of the analog-to-digital converter.

싱글 아날로그-디지털 변환 방식은 고속으로 동작하는 하나의 아날로그-디지털 변환 장치를 사용하여 소정의 정해진 시간 내에 모든 컬럼의 픽셀 어레이에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방식으로, 씨모스 이미지 센서의 칩 면적을 줄일 수 있는 장점이 있지만 아날로그-디지털 변환 장치가 고속으로 동작하여야 하므로 전력 소모가 큰 단점이 있다.The single analog-to-digital conversion method converts analog signals output from the pixel arrays of all columns into digital signals within a predetermined time using one analog-to-digital conversion device operating at high speed. Although there is an advantage of reducing the chip area, there is a disadvantage of large power consumption because the analog-to-digital converter must operate at high speed.

이에 반하여, 컬럼 아날로그-디지털 변환 방식은 간단한 구조의 아날로그-디지털 변환 장치(일예로, 싱글-슬롭 아날로그-디지털 변환 장치)를 각 컬럼마다 배치하여 구현하는 방식으로, 씨모스 이미지 센서의 칩 면적이 증가되는 단점이 있지만 각 아날로그-디지털 변환 장치가 저속으로 동작하여도 되므로 전력 소모가 적은 장점이 있다.In contrast, the column analog-to-digital conversion method is a method in which an analog-to-digital conversion device (for example, a single-slop analog-to-digital conversion device) of a simple structure is arranged in each column, and the chip area of the CMOS image sensor is reduced. Although there is an increased disadvantage, since each analog-to-digital converter may operate at a low speed, there is an advantage in that power consumption is small.

컬럼 아날로그-디지털 변환 방식은 픽셀 어레이의 출력 신호인 아날로그 출력 전압에 대하여 상호상관 이중 샘플링(CDS : Correlated Double Sampling)을 수행하고 그 결과 전압을 저장하며, 또한 램프 신호 발생 장치에서 생성된 램프 신호에 응답해서 상호상관 이중 샘플링 동작에서 저장된 전압을 소정의 램프 신호와 비교함으로써 디지털 코드 생성을 위한 비교 신호를 제공한다.The column analog-to-digital conversion method performs cross-correlation double sampling (CDS) on the analog output voltage, which is the output signal of the pixel array, and stores the resultant voltage, and also stores the resulting voltage in the ramp signal generated by the ramp signal generator. In response, a comparison signal for digital code generation is provided by comparing the stored voltage to a predetermined ramp signal in a cross-correlation double sampling operation.

이때, 씨모스 이미지 센서가 기본적으로 고해상도를 구현하면서 고속으로 동작하기 위해서는 아날로그-디지털 변환(ADC) 특성의 개선이 중요하다. 그런데, 종래의 아날로그-디지털 변환 방식(예들 들어, 싱글-슬롭 아날로그-디지털 변환 장치)은 해상도를 1비트씩 향상시키기 위해서 카운터의 동작 클럭을 2의 배수씩 증가시켜야 하기 때문에 해상도 향상에 필요한 카운터의 동작 클럭수를 감소시킬 수 있는 특별한 방법이 없이는 고해상도로 구현이 어려울 뿐만 아니라, 데이터를 아날로그-디지털 변환하는데 많은 시간이 소요되어 고속으로 구현이 어려우며, 그에 따라 소모 전력도 증가하는 단점을 가지고 있다.In this case, it is important to improve the analog-to-digital conversion (ADC) characteristics in order for the CMOS image sensor to operate at high speed while implementing high resolution. However, in the conventional analog-to-digital conversion method (eg, single-slop analog-to-digital conversion device), the counter operation clock must be increased by a multiple of 2 in order to improve the resolution by 1 bit. Without a special method to reduce the number of operating clocks, it is difficult to realize high resolution, and it takes a lot of time to convert data to analog-to-digital, so it is difficult to implement at high speed, and accordingly, power consumption increases.

본 발명의 실시 예에서는, 전체 ADC 변환 범위 중 미리 설정된 크기에 해당되는 기준전압을 기준으로, 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 결정한 후, 결정된 MSB 코드에 따라 LSB 변환 동작의 시작점을 결정하여, 고해상도에서 고속으로 동작 가능한 아날로그-디지털 변환 장치 및 이미지 센서를 제공한다.In an embodiment of the present invention, based on a reference voltage corresponding to a preset size among the entire ADC conversion range, the MSB code is determined according to the size of the pixel signal, and then the start point of the LSB conversion operation is determined according to the determined MSB code, An analog-to-digital converter and image sensor capable of high-speed operation at high resolution are provided.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 픽셀 신호를 일측 단자로 입력받고, 램프 신호 발생 장치로부터 인가되는 램프 신호를 타측 단자로 입력받아, 제어부의 제어 신호에 따라 두 신호의 값을 비교하여 비교 신호를 출력하는 비교기, 전체 A/D 변환 범위 중 미리 설정된 크기에 해당되는 기준전압을 기초로 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 결정한 후, 상기 결정된 MSB 코드에 따라 LSB 변환 동작의 시작점을 결정하는 제어부 및 상기 램프 신호가 하강하는 시점부터 상기 비교 신호가 반전되는 때까지 상기 제어부로부터의 클럭을 카운팅하여 카운팅 정보를 출력하는 카운팅부를 포함한다.An analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention receives a pixel signal through one terminal, receives a ramp signal applied from a ramp signal generator through the other terminal, and converts the values of the two signals according to a control signal of a control unit. A comparator that compares and outputs a comparison signal, determines the MSB code according to the size of the pixel signal based on a reference voltage corresponding to a preset size among the entire A/D conversion range, and then starts the LSB conversion operation according to the determined MSB code and a control unit for determining , and a counting unit for outputting counting information by counting the clock from the control unit from the time when the ramp signal falls until the comparison signal is inverted.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 작으면 턴온되어, 상기 비교기의 비반전 단자의 전압을 상기 전체 A/D 변환 범위 중 하부 전압으로 설정하는 CM 스위치부를 더 포함한다.The analog-to-digital conversion device according to an embodiment of the present invention is turned on when the pixel signal is less than the reference voltage, and sets the voltage of the non-inverting terminal of the comparator to the lower voltage of the entire A/D conversion range. It further includes a switch unit.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 크면 턴오프되어, 상기 비교기의 비반전 단자의 전압을 상기 전체 A/D 변환 범위 중 기준전압으로 설정하는 CM 스위치부를 더 포함한다.The analog-to-digital conversion device according to an embodiment of the present invention is turned off when the pixel signal is greater than the reference voltage, and sets the voltage of the non-inverting terminal of the comparator as a reference voltage among the entire A/D conversion range. It further includes a switch unit.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 상기 MSB 코드 변환동안 램프 기울기의 안정화 오류가 생긴 경우, 상기 램프 신호의 램핑 범위를 확장하여 오류를 정정하는 오류 정정 수행부는 더 포함한다.The analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention further includes an error correction performing unit configured to correct an error by extending a ramping range of the ramp signal when a stabilization error of a ramp slope occurs during the MSB code conversion.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 크면, 상기 MSB 코드를 '0'으로 결정하고, 상기 LSB 변환 동작의 시작점을 상기 전체 A/D 변환 범위의 상부 전압으로 설정한다.In the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention, when the pixel signal is greater than the reference voltage, the MSB code is determined to be '0', and the starting point of the LSB conversion operation is set as the starting point of the entire A/D conversion range. Set to the upper voltage.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 작으면, 상기 MSB 코드를 '1'로 결정하고, 상기 LSB 변환 동작의 시작점을 상기 전체 A/D 변환 범위의 하부 전압으로 설정한다.In the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention, when the pixel signal is smaller than the reference voltage, the MSB code is determined as '1', and the starting point of the LSB conversion operation is the entire A/D conversion range. set to the lower voltage of

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치 및 이미지 센서는, 전체 A/D 변환 범위의 중간값을 기준으로 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 결정한 후, 결정된 MSB 코드에 따라 LSB 변환 동작의 시작점을 결정하여, 카운터의 클락을 증가시키지 않고도 고해상도에서 고속으로 동작이 가능한 효과가 있다.The analog-to-digital conversion apparatus and the image sensor according to an embodiment of the present invention determine the MSB code according to the size of the pixel signal based on the median value of the entire A/D conversion range, and then perform the LSB conversion operation according to the determined MSB code. By determining the starting point, there is an effect that it can operate at high resolution and high speed without increasing the clock of the counter.

발명의 실시 예에 따른 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치 및 이미지 센서는 기존 아날로그-디지털 변환 장치 구조에서 CM 스위치를 더 구비하여 간편하게 설계할 수 있기 때문에 기존 아날로그-디지털 변환 장치에 몇 가지 스위치와 로직만을 추가하여 구현할 수 있고, 필요시에는 원래의 아날로그-디지털 변환 구조로 쉽게 되돌릴 수도 있어, 여러가지 형태의 상용 어플리케이션 이미지 센서에 적용이 가능한 효과가 있다.The single-slop analog-to-digital conversion device and image sensor according to an embodiment of the present invention can be designed simply by having a CM switch in the structure of the existing analog-to-digital conversion device, so only a few switches and logic in the existing analog-to-digital converter It can be implemented by adding it, and if necessary, it can be easily returned to the original analog-to-digital conversion structure, so it has an effect that can be applied to various types of commercial application image sensors.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치 및 이미지 센서는, 종래의 아날로그-디지털 변환 장치보다 비선형성에 대한 오류 수정을 보다 효과적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.In addition, the single-slop analog-to-digital conversion apparatus and the image sensor according to an embodiment of the present invention have the effect of more effectively correcting the nonlinearity error than the conventional analog-to-digital conversion apparatus.

도 1은 종래의 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 종래 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에서, 제안하는 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에서, 제안하는 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에서, 제안하는 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 에러 정정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에서, 제안하는 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 에러 정정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 픽셀 신호가 램프 신호보다 큰 경우, 비반전 노드를 재설정하는 두 가지 유형을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른, 픽셀 신호가 램프 신호보다 작은 경우, 비반전 노드를 재설정하는 두 가지 유형을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram for explaining the structure of a conventional single-slop analog-to-digital conversion device.
FIG. 2 is a timing diagram for explaining the operation of the conventional single-slop analog-to-digital converter of FIG. 1 .
3 is a diagram for explaining the structure of a single-slop analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a timing diagram for explaining the operation of the proposed single-slop analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a timing diagram for explaining the operation of the proposed single-slop analog-to-digital conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.
6 is a diagram for explaining error correction of a proposed single-slop analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram for explaining error correction of a proposed single-slop analog-to-digital conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.
8 is a diagram for describing two types of resetting a non-inverting node when a pixel signal is greater than a ramp signal according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram for describing two types of resetting a non-inverting node when a pixel signal is smaller than a ramp signal according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In the description of the embodiments disclosed herein, when a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but It should be understood that other components may exist in between.

또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.

도 1은 종래의 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the structure of a conventional single-slop analog-to-digital conversion device.

도 1을 참조하면, 종래의 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치(아날로그-디지털 변환 장치)는 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력하기 위한 픽셀 어레이(10), 제어부의 제어에 따라 램프 신호를 발생하기 위한 램프 신호 발생 장치(20), 램프 신호 발생 장치(20)로부터 인가되는 램프 신호의 값과 픽셀 어레이(10)로부터 출력되는 각 픽셀 신호의 값을 제어부의 제어에 따라 비교하기 위한 비교부(30), 제어부의 제어에 따라, 카운팅부(40)로부터의 카운팅 정보를 각각 저장하기 위한 메모리부를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a conventional single-slop analog-to-digital conversion device (analog-to-digital conversion device) includes a pixel array 10 for outputting a pixel signal corresponding to incident light, and for generating a ramp signal under the control of the controller. The ramp signal generating device 20 and the comparing unit 30 for comparing the value of the ramp signal applied from the ramp signal generating device 20 with the value of each pixel signal output from the pixel array 10 under the control of the controller , according to the control of the control unit, it may include a memory unit for respectively storing the counting information from the counting unit (40).

이때, 일반적으로 씨모스 이미지 센서에서는 픽셀 자체적으로 가지고 있는 오프셋(Offset) 값을 제거하기 위해 광신호가 입사되기 전과 후의 픽셀 신호(픽셀 출력 전압)를 비교하여 실제로 입사광에 의한 픽셀 신호만을 측정할 수 있도록 하며, 이러한 기법을 상호상관 이중 샘플링(CDS)이라고 한다. 이러한 상호상관 이중 샘플링 동작은 비교부(30)에서 수행된다.In general, CMOS image sensors compare the pixel signals (pixel output voltage) before and after the optical signal is incident in order to remove the offset value of the pixel itself so that only the pixel signal due to the incident light can be actually measured. This technique is called cross-correlation double sampling (CDS). This cross-correlation double sampling operation is performed by the comparator 30 .

비교부(30)는 복수의 비교기를 포함하고, 카운팅부(40)는 복수의 카운터를 포함하며, 메모리부는 복수의 메모리를 포함한다. 즉, 비교기와 카운터와 메모리가 각 컬럼별로 구비된다. 하나의 비교기, 카운터, 메모리의 동작을 도 2를 통해 설명하도록 한다.The comparator 30 includes a plurality of comparators, the counting unit 40 includes a plurality of counters, and the memory unit includes a plurality of memories. That is, a comparator, a counter, and a memory are provided for each column. Operations of one comparator, counter, and memory will be described with reference to FIG. 2 .

도 2는 도 1의 종래 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. FIG. 2 is a timing diagram for explaining the operation of the conventional single-slop analog-to-digital converter of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 비교기(30)는 픽셀 어레이의 일 컬럼으로부터 출력되는 픽셀 신호를 일측 단자로 입력받고, 램프 신호 발생 장치(20)로부터 인가되는 램프 신호를 타측 단자로 입력받아 제어부로부터의 제어 신호에 따라 두 신호의 값을 비교하여 비교 신호를 출력한다.Referring to FIG. 2 , the comparator 30 receives a pixel signal output from one column of the pixel array through one terminal, and receives a ramp signal applied from the ramp signal generating device 20 through the other terminal, and receives control from the control unit. A comparison signal is output by comparing the values of the two signals according to the signal.

램프 신호(VRAMP=VVINP)는 초기화 시작 이후에 시간이 경과함에 따라 일정한 크기로 전압 레벨이 감소 또는 증가하는 신호이기 때문에, 결국 각 비교기(30)에 입력되는 두 신호의 값이 일치하는 시점이 생기게 된다. 이렇게 일치하는 시점을 지나게 되면서 각 비교기(30)에서 출력되는 비교 신호의 값에 반전이 일어난다. Since the ramp signal (VRAMP=VVINP) is a signal in which the voltage level decreases or increases at a constant level as time elapses after the start of initialization, a point in time at which the values of the two signals input to each comparator 30 coincide occurs. do. As the coincident timing passes, the value of the comparison signal output from each comparator 30 is inverted.

그에 따라, 카운터는 램프 신호가 하강하는 시점(tR0, tSO)부터 비교기로부터 출력되는 비교 신호가 반전되는 순간(tRST, tSIG)까지 제어부로부터의 클럭을 카운팅하여 카운팅 정보를 출력한다. 여기서, 각각의 카운터는 제어부로부터의 리셋 제어 신호에 따라 초기화된다.Accordingly, the counter counts the clock from the controller from the time when the ramp signal falls (tR0, tSO) to the moment when the comparison signal output from the comparator is inverted (tRST, tSIG) and outputs counting information. Here, each counter is initialized according to a reset control signal from the control unit.

그러면, 메모리는 제어부로부터의 로드 제어 신호에 따라 카운팅부(40)로부터의 카운팅 정보를 저장하고 있다가 컬럼 리드아웃 회로로 출력한다.Then, the memory stores the counting information from the counting unit 40 according to the load control signal from the control unit and outputs it to the column readout circuit.

그런데, 상기와 같은 아날로그-디지털 변환 방식은 해상도를 1비트씩 향상시키기 위해서 카운터의 동작 클럭을 2의 배수씩 증가시켜야 하기 때문에 해상도 향상에 필요한 카운터의 동작 클럭수를 감소시킬 수 있는 특별한 방법이 없이는 고해상도로 구현이 어려울 뿐만 아니라, 데이터를 아날로그-디지털 변환하는데 많은 시간이 소요되어 고속으로 구현이 어려우며, 그에 따라 소모 전력도 증가하는 단점을 가지고 있다.However, since the analog-to-digital conversion method as described above has to increase the counter operation clock by multiples of 2 to improve the resolution by 1 bit, there is no special method to reduce the number of operation clocks of the counter required to improve the resolution. Not only is it difficult to implement in high resolution, but it also takes a lot of time to convert data to analog-to-digital, which makes it difficult to implement at high speed, and accordingly, power consumption increases.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른, 아날로그-디지털 변환 장치는, 전체 A/D 변환 범위 중 미리 설정된 크기에 해당되는 기준전압을 기초로 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 결정한 후, 결정된 MSB 코드에 따라 LSB 변환 동작의 시작점을 결정함으로써, 카운터의 클락을 증가시키지 않고도 고해상도에서 고속으로 동작이 가능하고 소모 전력을 감소시킬 수 있다. Therefore, the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention determines the MSB code according to the size of the pixel signal based on the reference voltage corresponding to the preset size among the entire A/D conversion range, and then adds the MSB code to the determined MSB code. Accordingly, by determining the start point of the LSB conversion operation, it is possible to operate at a high resolution and at high speed without increasing the clock of the counter and to reduce power consumption.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 아날로그-디지털 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining the structure of an analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 복수의 샘플링 캐패시터(51, 52, 53), 두 개의 비교기(61, 62), 복수의 스위치(71, 72, 73), 카운팅부(41), 제어부(80)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3 , an analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention includes a plurality of sampling capacitors 51 , 52 , 53 , two comparators 61 and 62 , and a plurality of switches 71 , 72 and 73 . ), a counting unit 41 , and a control unit 80 .

실시예에서, 아날로그-디지털 변환 장치는 픽셀 신호를 일측 단자로 입력받고, 램프 신호 발생 장치로부터 인가되는 램프 신호를 타측 단자로 입력받아, 제어부(80)의 제어 신호에 따라 두 신호의 값을 비교하여 비교 신호를 출력하는 비교기(61), 전체 A/D 변환 범위 중 미리 설정된 기준전압을 기초로 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 결정한 후, 결정된 MSB 코드에 따라 LSB 변환 동작의 시작점을 결정하는 제어부(80) 및 램프 신호가 하강하는 시점부터 비교 신호가 반전되는 때까지 제어부(80)로부터의 클럭을 카운팅하여 카운팅 정보를 출력하는 카운팅부(41)를 포함할 수 있다.In an embodiment, the analog-to-digital conversion device receives a pixel signal through one terminal, receives a ramp signal applied from the ramp signal generator through the other terminal, and compares the values of the two signals according to the control signal of the controller 80 . The comparator 61 for outputting a comparison signal to determine the MSB code according to the size of the pixel signal based on a preset reference voltage among the entire A/D conversion range, and then to determine the starting point of the LSB conversion operation according to the determined MSB code The control unit 80 and the counting unit 41 for outputting counting information by counting the clock from the control unit 80 from the time when the ramp signal falls until the comparison signal is inverted may include.

예를 들어, 기준전압은 전체 A/D 변환 범위의 절반에 해당하는 전압일 수 있다. 이는 A/D 변환시 MSB 스텝의 크기가 전체 변환 범위의 절반에 해당하는 것을 의미한다. 이 경우 픽셀 신호가 기준전압을 기준으로 상부 또는 하부에 속하는지에 따라 MSB 코드 변환이 먼저 수행되고, 이후 픽셀 신호가 포함되는 MSB 스텝 구간에 대해 LSB 코드 변환이 순차적으로 수행되게 된다.For example, the reference voltage may be a voltage corresponding to half of the entire A/D conversion range. This means that during A/D conversion, the size of the MSB step corresponds to half of the entire conversion range. In this case, MSB code conversion is first performed depending on whether the pixel signal belongs to the upper or lower portion with respect to the reference voltage, and thereafter, the LSB code conversion is sequentially performed for the MSB step section including the pixel signal.

MSB 코드 변환 동작동안(PMSB)에는 전체 스텝 수를 MSB 스텝의 크기로 나눈 값만큼 MSB 코드 변환의 아날로그-디지털 변환이 수행될 수 있다. 즉, 전체 스텝 수가 일정할 때, MSB 스텝을 크게 설정할수록 MSB 코드 변환의 A/D 동작 횟수는 감소하며, 반대로 MSB 스텝을 작게 설정할수록 MSB 코드 변환의 A/D 동작 횟수는 증가한다.During the MSB code conversion operation (PMSB), the analog-to-digital conversion of the MSB code conversion may be performed by a value obtained by dividing the total number of steps by the size of the MSB step. That is, when the total number of steps is constant, the number of A/D operations of MSB code conversion decreases as the MSB step is set larger, and the number of A/D operations of MSB code conversion increases as the MSB step is set smaller.

제어부(80)는 미리 설정된 알고리즘에 따라 MSB 스텝의 크기와 기준전압을 조절할 수 있다. 기준전압은 실시 예에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 반드시 전체 A/D 변환 범위의 절반으로 설정되지 않을 수 있다. 기준전압은 아날로그-디지털 변환 장치의 성능, 작동 환경, 적용되는 어플리케이션, 카운터 정보 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다.The controller 80 may adjust the size of the MSB step and the reference voltage according to a preset algorithm. The reference voltage may be variously set according to an embodiment, and may not necessarily be set to half of the entire A/D conversion range. The reference voltage may be variously set in consideration of the performance, operating environment, applied application, counter information, etc. of the analog-to-digital conversion device.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 종래 ADC에 CM 스위치(71)만을 추가하여 구성될 수 있으므로, 종래의 아날로그-디지털 변환 장치에 대해 가역적이라는 구조적 이점을 갖는다.Since the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention can be configured by adding only the CM switch 71 to the conventional ADC, it has a structural advantage of being reversible compared to the conventional analog-to-digital conversion apparatus.

CM 스위치(71)는 픽셀 신호가 기준전압보다 작으면 턴온되어, 비교기의 비반전 단자의 전압을 전체 A/D 변환 범위 중 하부 전압으로 설정할 수 있다. 또는, 픽셀 신호가 기준전압보다 크면 턴오프되어, 상기 비교기의 비반전 단자의 전압을 전체 A/D 변환 범위 중 기준전압으로 설정할 수 있다.The CM switch 71 may be turned on when the pixel signal is smaller than the reference voltage, and may set the voltage of the non-inverting terminal of the comparator as the lower voltage of the entire A/D conversion range. Alternatively, if the pixel signal is greater than the reference voltage, it may be turned off, and the voltage of the non-inverting terminal of the comparator may be set as the reference voltage in the entire A/D conversion range.

아날로그-디지털 변환은 MSB 코드 변환의 제1 변환과, LSB 코드의 제2 변환으로 구성될 수 있다. 제1 변환의 목적은 제1 변환에 이진 가중치 검색 알고리즘을 적용하여 전체 변환 범위 중 미리 설정된 범위를 미리 결정함으로써, 전체 ADC의 리소스를 줄이고 결과적으로 아날로그-디지털 변환 장치의 변환 속도를 향상시키는 것에 있다.The analog-to-digital conversion may consist of a first conversion of the MSB code conversion and a second conversion of the LSB code. The purpose of the first conversion is to reduce the resources of the entire ADC and improve the conversion speed of the analog-to-digital conversion device as a result by applying a binary weight search algorithm to the first conversion to determine a preset range among the entire conversion range in advance. .

미리 설정된 범위가 전체 변환 범위의 절반인 경우를 예시하면, 첫 번째 변환에서 전체 A/D 변환 범위의 절반을 기준으로, 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 먼저 변환하고(상위 섹션: MSB = '0', 하위 섹션: MSB = '1'), 두 개의 하위 섹션으로 구분하여 LSB 코드 변환을 수행할 수 있다.Taking the case where the preset range is half of the full conversion range, based on half of the full A/D conversion range in the first conversion, the MSB code is first converted according to the size of the pixel signal (upper section: MSB = ' 0', subsection: MSB = '1'), LSB code conversion can be performed by dividing into two subsections.

이후 MSB 변환의 결과에 따라 선택된 서브 섹션 내의 나머지 최하위 비트(LSB)에 대해서만 아날로그-디지털 변환이 수행되기 때문에, MSB 코드를 얻기 위한 실제 변환 단계는 종래의 싱글 슬롭 아날로그-디지털 변환 방식에 비해 효과적으로 감소될 수 있다.Since analog-to-digital conversion is performed only on the remaining least significant bits (LSB) in the selected subsection according to the result of the MSB conversion thereafter, the actual conversion step for obtaining the MSB code is effectively reduced compared to the conventional single-slop analog-to-digital conversion method can be

도 4는 본 발명의 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에서, 제안하는 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.4 is a timing diagram for explaining the operation of the analog-to-digital conversion device of the present invention. 5 is a timing diagram for explaining the operation of the proposed analog-to-digital conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.

도 4 및 5는 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치의 파형을 픽셀 신호의 위치에 따라 두 가지 경우로 구분한 것이다. VINP와 VRAMP의 공통 레벨이 이상적인 설계와 동일하다고 가정하며, 변환은 A/D 변환기간 동안 PMSB, PCM, PRZ 및 PLSB의 4 단계를 통해 수행된다. 구체적으로, 램프 신호 생성기는 PMSB, PCM, PRZ에서 MSB 코드 변환을, PLSB에서 LSB 코드 변환을 수행한다.4 and 5 show the waveform of the analog-to-digital conversion device according to the embodiment of the present invention divided into two cases according to the position of the pixel signal. It is assumed that the common level of VINP and VRAMP is the same as in the ideal design, and conversion is performed through four stages of PMSB, PCM, PRZ and PLSB during the A/D conversion period. Specifically, the ramp signal generator performs MSB code conversion in PMSB, PCM, and PRZ and LSB code conversion in PLSB.

변환은 전체 변환 범위 중 미리 설정된 크기에 해당되는 기준전압(VCM)과, 픽셀 신호(VINN= VSIG)를 비교하여 시작될 수 있다. MSB 코드 변환동안(PMSB) 램프 신호(VRAMP)는 상부 전압(VREFP)에서 기준전압(VCM)까지 감소되고, 비반전 신호(VINP)와 AC 커플링된다. 따라서, MSB 코드 변환시에는 비반전 신호(VINP)와 반전 신호(VINN)를 비교한 결과로써 설명될 수 있다.The conversion may be started by comparing the reference voltage VCM corresponding to a preset size among the entire conversion range and the pixel signal VINN=VSIG. During MSB code conversion (PMSB), ramp signal VRAMP is reduced from upper voltage VREFP to reference voltage VCM, and AC-coupled with non-inverting signal VINP. Accordingly, the MSB code conversion can be described as a result of comparing the non-inverted signal VINP and the inverted signal VINN.

비반전 신호(VINP)와 반전 신호(VINN)를 비교한 결과에 따라, 1) VINP가 VINN 보다 작은 경우, 2) VINP가 VINN 보다 큰 경우로 구분하여 MSB 코드의 결정과 LSB 코드 변환이 수행될 수 있다. According to the result of comparing the non-inverted signal (VINP) and the inverted signal (VINN), the MSB code determination and LSB code conversion can be performed by dividing into 1) VINP less than VINN and 2) VINP greater than VINN. can

먼저, VINP가 VINN 보다 작은 경우를 도 4의 타이밍도를 통해 설명하도록 한다.First, a case in which VINP is smaller than VINN will be described with reference to the timing diagram of FIG. 4 .

도 4를 참조하면, VINP < VINN인 경우, 비교기의 최종 출력(VCO)이 로직 하이로 변경되고 '0'의 변환 결과(DMSB)가 1 비트의 메모리에 저장된다. 그 후 RZ스위치(ΦRZ)가 활성화되고(PRZ), 램프 신호(VRAMP)가 상부 전압(VRFEP)으로 돌아가 VINP = VRFEP가 된다.Referring to FIG. 4 , when VINP < VINN, the final output (VCO) of the comparator is changed to logic high, and the conversion result (DMSB) of '0' is stored in 1-bit memory. After that, the RZ switch ΦRZ is activated (PRZ), and the ramp signal VRAMP returns to the upper voltage VRFEP so that VINP = VRFEP.

LSB 스위치(ΦLSB)가 활성화되면(PLSB), 종래의 아날로그-디지털 변환 장치 알고리즘과 동일한 방식으로 A/D 변환은 LSB 단계와 함께 수행되어 상부 섹션의 나머지 비트를 획득한다(VINP=VREFP-VRAMP_U). VRAMP_U의 범위는 전체 기준 스케일의 상부 전압(VREFP)에서 기준전압(VCM)까지 일 수 있다. 변환 결과(DLSB)는 (N-1)비트 로컬 카운터의 래치에 저장된다. 전체 디지털 코드 (DFULL)는 웨이트에 따라 DMSB를 DLSB와 병합하여 얻을 수 있다.When the LSB switch ΦLSB is activated (PLSB), in the same way as the conventional analog-to-digital converter algorithm, A/D conversion is performed together with the LSB step to obtain the remaining bits of the upper section (VINP=VREFP-VRAMP_U) . The range of VRAMP_U may be from the upper voltage VREFP of the entire reference scale to the reference voltage VCM. The conversion result (DLSB) is stored in the latch of the (N-1) bit local counter. Full digital code (DFULL) can be obtained by merging DMSB with DLSB according to weight.

도 5를 참조하면, VINP > VINN 인 경우 '1'의 변환 결과(DMSB)가 1 비트 메모리에 저장되고 CM스위치(ΦCM)가 온(on) 될 수 있다(PCM). 그 후, 비반전 신호(VINP)의 노드는 전체 참조의 하부 전압(VREFN)으로 재설정된다.Referring to FIG. 5 , when VINP > VINN, the conversion result DMSB of '1' may be stored in a 1-bit memory and the CM switch ΦCM may be turned on (PCM). Thereafter, the node of the non-inverting signal VINP is reset to the lower voltage VREFN of the full reference.

RZ 스위치(ΦRZ)가 활성화되는 기간동안(PRZ), 램프 신호(VRAMP)가 상부 전압(VRFEP)으로 복귀하는 동안 비반전 신호(VINP)가 전체 스케일의 기준전압(VCM)이 된다. LSB 스위치(ΦLSB)가 활성화되면(PLSB), A/D 변환은 하위 섹션(VINP = VCM-dVRAMP_L)에서 수행된다. 이때 VRAMP_L의 범위는 전체 참조의 VCM에서 VREFN까지이다.During the period in which the RZ switch ΦRZ is activated PRZ, the non-inverting signal VINP becomes the full-scale reference voltage VCM while the ramp signal VRAMP returns to the upper voltage VRFEP. When the LSB switch (ΦLSB) is activated (PLSB), A/D conversion is performed in the subsection (VINP = VCM-dVRAMP_L). At this time, the range of VRAMP_L is from VCM to VREFN of the full reference.

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 기존 아날로그-디지털 변환 장치에서 CM스위치를 더 구비하여 설계할 수 있기 때문에 기존 아날로그-디지털 변환 장치에 몇 가지 스위치와 로직만을 추가하여 구현할 수 있고, 필요시에는 원래 아날로그-디지털 변환 장치구조로 쉽게 되돌릴 수도 있어 여러가지 형태의 상용 어플리케이션 이미지 센서에 적용이 가능하다.Since the analog-to-digital conversion device according to an embodiment of the present invention can be designed with a CM switch in the existing analog-to-digital conversion device, it can be implemented by adding only a few switches and logic to the existing analog-to-digital conversion device, If necessary, it can be easily returned to the original analog-to-digital conversion device structure, so it can be applied to various types of commercial application image sensors.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치에서는, 아날로그-디지털 변환 장치의 요구 해상도가 높아질수록 줄일 수 있는 비트 수가 증가하기 때문에 고성능 CIS에도 효율적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다. In addition, in the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention, since the number of bits that can be reduced increases as the resolution required of the analog-to-digital conversion apparatus increases, it has an advantage that it can be effectively applied to a high-performance CIS.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 전체 변환 범위에서 상위 섹션과 하위 섹션이 있는 두 가지 경우에만 작동하므로 다른 종래 아날로그-디지털 변환 장치보다 비선형성에 대한 오류 수정을 보다 효과적으로 수행할 수 있다. 이하 도 6 및 7을 참조하여, 비선형성에 대한 오류 수정을 보다 상세하게 설명하기로 한다.In addition, since the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention operates only in two cases having an upper section and a lower section in the entire conversion range, error correction for nonlinearity is more effectively performed than other conventional analog-to-digital conversion apparatuses can do. Hereinafter, error correction for nonlinearity will be described in more detail with reference to FIGS. 6 and 7 .

도 6은 본 발명의 일 실시 예에서, 아날로그-디지털 변환 장치의 에러 정정을 설명하기 위한 도면이다. 이를 위해, 제어부는 MSB 코드 변환동안 램프 기울기의 안정화 오류가 생긴 경우, 램프 신호의 램핑 범위를 확장하여 오류를 정정하는 오류 정정 수행부를 더 포함할 수 있다.6 is a diagram for explaining error correction of an analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention. To this end, when a stabilization error of the ramp slope occurs during MSB code conversion, the controller may further include an error correction performing unit that corrects the error by extending the ramping range of the ramp signal.

비반전 노드(VINP)의 CM 스위치는 PLSB 동안 전체 변환의 상단과 하단 사이의 램프 기울기 차이를 유발할 수 있으나, 아날로그-디지털 변환의 선형성에 영향을 미치지 않으며 오프셋 오류로 간주할 수 있다. The CM switch of the non-inverting node (VINP) may cause a difference in ramp slope between the top and bottom of the overall conversion during PLSB, but it does not affect the linearity of the analog-to-digital conversion and can be considered an offset error.

이와 대비하여, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환의 비선형성의 주요 원인은 MSB 코드 변환동안(PMSB) 램프 기울기의 안정화 오류(Settling error)로 설명할 수 있다. In contrast, the main cause of nonlinearity in analog-to-digital conversion according to an embodiment of the present invention can be explained as a setting error of the ramp slope during MSB code conversion (PMSB).

도 6 및 7은 4 비트 아날로그-디지털 변환 장치의 파형이 다른 두 가지 경우에 대해 도시하고 있다. 도 6 및 7의 경우 모두에서, 검은 선으로 도시된 바와 같이, VINP를 VCM만큼 정확히 제어하지 못해 안정화 오류가 생긴 경우를 가정할 수 있다.6 and 7 show two cases in which the waveforms of the 4-bit analog-to-digital conversion device are different. 6 and 7, as shown by a black line, it can be assumed that a stabilization error occurs because VINP cannot be accurately controlled as much as VCM.

도 6의 경우, 본래 VINN은 VCM보다 크지만, VINP가 VCM까지 도달하지 못하여 MSB 코드 변환의 결과(DMSB)는 '1'로 얻어진다. 따라서, MSB 코드 변환의 결과가 '1'로 얻어지므로 LSB 코드 변환이 전체 범위의 하단에서 수행되게 된다. 이 경우 카운팅의 기준이 되는 영점 교차가 없기 때문에 LSB 코드 변환은 '0000'의 결과를 얻게 된다. In the case of FIG. 6 , although VINN is originally larger than VCM, VINP does not reach VCM, so the result (DMSB) of MSB code conversion is obtained as '1'. Therefore, since the result of MSB code conversion is '1', LSB code conversion is performed at the lower end of the entire range. In this case, since there is no zero crossing, which is the basis for counting, the LSB code conversion results in '0000'.

본 발명은 이를 해결하기 위해, VRAMP의 램핑 범위를 청색 선과 같이 VCM의 범위를 커버하도록 확장된다. 램핑 범위를 확장하면 LSB 코드 변환의 결과는 '1110'으로 나타난다. 결과적으로 오류 정정 4비트 풀코드는, 코드 가중치에 따라 MSB 코드 변환(DMSB = '1000') 및 LSB 코드 변환(DLSMB = '1110')의 결과를 병합하여 풀코드(DFULL = '0110')을 얻을 수 있다.In order to solve this problem, the present invention extends the ramping range of VRAMP to cover the range of VCM like the blue line. If the ramping range is extended, the result of LSB code conversion appears as '1110'. As a result, the error-correcting 4-bit full code merges the results of MSB code conversion (DMSB = '1000') and LSB code conversion (DLSMB = '1110') according to the code weight to obtain a full code (DFULL = '0110'). can be obtained

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치의 에러 정정을 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for explaining error correction of an analog-to-digital conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.

도 7의 경우, VINN은 VCM보다 작지만 MSB 코드 변환의 결과(DMSB)는 검은 선과 같이 '0'으로 얻어진다. 이 경우 상부 섹션에서 LSB 코드 변환이 수행되어 DLSB ='0111'을 얻는다. In the case of FIG. 7, VINN is smaller than VCM, but the result (DMSB) of MSB code conversion is obtained as '0' as shown by the black line. In this case, LSB code conversion is performed in the upper section to get DLSB = '0111'.

실시 예에서, 디지털 코드의 오류를 정정하기 위해 도 7과 같이 VRAMP의 램핑 범위가 청색 선과 같이

Figure 112020076262188-pat00001
VCM 범위를 커버하도록 확장될 수 있다. 결과적으로 LSB 코드 변환의 결과는 '1010'으로 얻어지며, 코드 가중치에 따라 MSB 코드 변환(DMSB = '0000') 및 LSB 코드 변환(DLSMB = '1010')의 결과를 병합하여 DFULL = '1010'의 4 비트 풀 코드를 얻을 수 있다.In an embodiment, in order to correct the error of the digital code, the ramping range of VRAMP is set as shown in the blue line as shown in FIG. 7 .
Figure 112020076262188-pat00001
It can be extended to cover the VCM range. As a result, the result of LSB code conversion is obtained as '1010', and by merging the results of MSB code conversion (DMSB = '0000') and LSB code conversion (DLSMB = '1010') according to the code weight, DFULL = '1010' You can get the 4-bit full code of

본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환의 에러 정정은 VCM의 램핑 범위를 VCMR+ 또는 VCMR-로 확장함으로써 수행된다. 이 설계에서는 오류 정정을 위한 단계가 PLSB에 삽입될 수 있다.Error correction of analog-to-digital conversion according to an embodiment of the present invention is performed by extending the ramping range of VCM to VCMR+ or VCMR-. In this design, steps for error correction can be inserted into the PLSB.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능 뿐만 아니라 각각의 구성 요소들은 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.According to the software implementation, each component as well as the procedures and functions described in this specification may be implemented as a separate software module. Each of the software modules may perform one or more functions and operations described herein. The software code may be implemented as a software application written in a suitable programming language. The software code may be stored in a memory and executed by a controller or a processor.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 픽셀 신호가 램프 신호보다 큰 경우, 비반전 노드를 재설정하는 두 가지 유형을 설명하기 위한 도면이다. 8 is a diagram for describing two types of resetting a non-inverting node when a pixel signal is greater than a ramp signal according to an embodiment of the present invention.

첫 번째 유형(Type-1)에서, 본 발명의 아날로그-디지털 변환 장치는, 도 3의 CM 스위치를 사용하여, CM 스위치 동작동안(PCM) 비반전 노드(VINP)의 전압을 상부 전압(VREFP)으로 설정할 수 있다.In the first type (Type-1), the analog-to-digital conversion device of the present invention uses the CM switch of FIG. 3 to convert the voltage of the non-inverting node VINP to the upper voltage VREFP during the CM switch operation (PCM). can be set to

또는, 두 번째 유형(Type-2)에서, 본 발명의 아날로그-디지털 변환 장치는, CM 스위치를 사용하지 않고, 비반전 노드(VINP)의 전압을 상부 전압(VREFP)으로 설정할 수 있다.Alternatively, in the second type (Type-2), the analog-to-digital conversion device of the present invention may set the voltage of the non-inverting node VINP to the upper voltage VREFP without using the CM switch.

도 8의 첫 번째 유형(Type-1)의 경우, 비반전 노드(VINP)는 CM 스위치(ΦCM)를 통해 상부 전압(VREFP)으로 재설정되고, 이 과정에서(PCM) 노이즈(kT/C)가 발생될 수 있다. 이때 이중 CDS 작동에 의해 상기 노이즈가 충분히 제거되지 않으므로 원하는 화면 이미지를 얻을 수 없는 문제가 발생된다.In the case of the first type (Type-1) in Fig. 8, the non-inverting node (VINP) is reset to the upper voltage (VREFP) through the CM switch (ΦCM), and in this process (PCM) the noise (kT/C) is can occur. In this case, since the noise is not sufficiently removed by the double CDS operation, a desired screen image cannot be obtained.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는, 픽셀 신호가 램프 신호보다 크면 CM스위치를 사용하지 않고 비반전 단자(VINP)의 전압값을 일정하게 유지시키고, 이후 상부 전압으로 설정하는 방법을 사용할 수 있다(Type-2).Therefore, in the analog-to-digital conversion apparatus according to an embodiment of the present invention, if the pixel signal is greater than the ramp signal, the voltage value of the non-inverting terminal VINP is constantly maintained without using the CM switch, and then set to the upper voltage. method can be used (Type-2).

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른, 픽셀 신호가 램프 신호보다 작은 경우, 비반전 노드를 재설정하는 두 가지 유형을 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram for describing two types of resetting a non-inverting node when a pixel signal is smaller than a ramp signal according to an embodiment of the present invention.

첫 번째 유형(Type-1)에서, 본 발명의 아날로그-디지털 변환 장치는, CM 스위치를 사용하지 않고, 비반전 노드(VINP)의 전압을 하부 전압(VREFN)으로 설정할 수 있다.In the first type (Type-1), the analog-to-digital conversion device of the present invention can set the voltage of the non-inverting node VINP to the lower voltage VREFN without using a CM switch.

또는, 두 번째 유형(Type-2)에서, 본 발명의 아날로그-디지털 변환 장치는, 도 3의 CM 스위치를 사용하여, CM 스위치 동작동안(PCM) 비반전 노드(VINP)의 전압을 하부 전압(VREFN)으로 설정할 수 있다.Alternatively, in the second type (Type-2), the analog-to-digital conversion device of the present invention uses the CM switch of FIG. 3 to convert the voltage of the non-inverting node VINP to the lower voltage ( VREFN).

도 9의 두 번째 유형(Type-2)의 경우, 비반전 노드(VINP)는 CM스위치(ΦCM)를 통해 하부 전압(VREFN)으로 리셋된다. 이 과정에서 주요 노이즈 소스로서 광자 샷 노이즈가 발생될 수 있으나, 이는 종래 아날로그-디지털 변환 장치의 허용 노이즈 범위보다 개선된 노이즈 성능을 제공할 수 있다. In the case of the second type (Type-2) of FIG. 9 , the non-inverting node VINP is reset to the lower voltage VREFN through the CM switch ΦCM. In this process, photon shot noise may be generated as a main noise source, but it may provide improved noise performance than the allowable noise range of the conventional analog-to-digital converter.

따라서, 픽셀 신호가 램프 신호보다 작은 경우, 아날로그-디지털 변환 장치의 노이즈 성능을 고려하여 두 번째 유형(Type-2)의 동작에 따라 아날로그-디지털 변환을 수행할 수 있다.Accordingly, when the pixel signal is smaller than the ramp signal, analog-to-digital conversion may be performed according to the second type (Type-2) operation in consideration of noise performance of the analog-to-digital conversion device.

결론적으로, 픽셀 신호가 램프 신호보다 큰 경우에는 유형-1(Type-1)에 따라 비반전 노드(VINP)가 상부 전압(VREFP)으로 재설정되고, 픽셀 신호가 램프 신호보다 작은 경우에는 유형-2(Type-2)에 따라 비반전 노드(VINP)가 하부 전압(VREFN)으로 재설정될 수 있다. 다만, 실시 예에 따라 ADC의 성능을 고려하여 도 8 및 도 9의 각 경우에 두 가지 유형을 모두 사용할 수도 있으며, 반드시 위의 실시 예에 한정되지 않는다.In conclusion, the non-inverting node VINP is reset to the upper voltage VREFP according to Type-1 when the pixel signal is greater than the ramp signal, and type-2 when the pixel signal is smaller than the ramp signal. According to (Type-2), the non-inverting node VINP may be reset to the lower voltage VREFN. However, depending on the embodiment, both types may be used in each case of FIGS. 8 and 9 in consideration of ADC performance, and the embodiment is not limited thereto.

본 명세서와 도면에 게시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 게시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Embodiments of the present invention published in the present specification and drawings are merely provided for specific examples to easily explain the technical content of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention may be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

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10: 픽셀 어레이
20: 램프 신호 발생 장치
30: 비교부
40: 카운팅부
51, 52, 53: 샘플링 캐패시터
61, 62: 비교기
71, 72, 73: 스위치
80: 제어부
10: pixel array
20: ramp signal generator
30: comparison unit
40: counting unit
51, 52, 53: sampling capacitor
61, 62: comparator
71, 72, 73: switch
80: control unit

Claims (8)

픽셀 신호를 일측 단자로 입력받고, 램프 신호 발생 장치로부터 인가되는 램프 신호를 타측 단자로 입력받아, 제어부의 제어 신호에 따라 두 신호의 값을 비교하여 비교 신호를 출력하는 비교기;
전체 A/D 변환 범위 중 미리 설정된 크기에 해당되는 기준전압을 기초로 픽셀 신호의 크기에 따라 MSB 코드를 결정한 후, 상기 결정된 MSB 코드에 따라 LSB 변환 동작의 시작점을 결정하는 제어부; 및
상기 램프 신호가 하강하는 시점부터 상기 비교 신호가 반전되는 때까지 상기 제어부로부터의 클럭을 카운팅하여 카운팅 정보를 출력하는 카운팅부;를 포함하되,
상기 제어부는
미리 설정된 알고리즘에 따라 MSB 스텝의 크기를 조절하고, MSB 코드 변환 동작동안 전체 스텝 수를 상기 MSB 스텝의 크기로 나눈 값만큼, 상기 MSB 코드 변환 동작을 수행하는 아날로그-디지털 변환 장치.
a comparator that receives a pixel signal through one terminal, receives a ramp signal applied from a ramp signal generator through the other terminal, compares values of the two signals according to a control signal of a control unit, and outputs a comparison signal;
a control unit that determines an MSB code according to the size of a pixel signal based on a reference voltage corresponding to a preset size among the entire A/D conversion range, and determines a start point of an LSB conversion operation according to the determined MSB code; and
A counting unit for outputting counting information by counting the clock from the control unit from the time when the ramp signal falls until the comparison signal is inverted;
the control unit
An analog-to-digital conversion apparatus for adjusting the size of an MSB step according to a preset algorithm and performing the MSB code conversion operation by a value obtained by dividing the total number of steps by the size of the MSB step during the MSB code conversion operation.
제1항에 있어서,
상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 작으면 턴온되어, 상기 비교기의 비반전 단자의 전압을 상기 전체 A/D 변환 범위 중 최저값인 하부 전압(VREFN)으로 설정하는 CM 스위치부;를 더 포함하되,
상기 CM 스위치부는 상기 램프 신호 발생 장치와 상기 비교기의 비반전단자 사이에 배치된 캐패시터와 상기 비교기의 비반전 단자 사이에 배치되는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 1,
A CM switch unit which is turned on when the pixel signal is smaller than the reference voltage and sets the voltage of the non-inverting terminal of the comparator to a lower voltage (V REFN ), which is the lowest value among the entire A/D conversion range;
The CM switch unit is disposed between a capacitor disposed between the ramp signal generator and a non-inverting terminal of the comparator and a non-inverting terminal of the comparator.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 작으면, 상기 MSB 코드를 '1'로 결정하고, 상기 LSB 변환 동작의 시작점을 상기 전체 A/D 변환 범위의 기준전압으로 설정하는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 2, wherein the control unit,
When the pixel signal is smaller than the reference voltage, the MSB code is determined as '1', and a starting point of the LSB conversion operation is set as a reference voltage of the entire A/D conversion range.
제1항에 있어서,
상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 크면 턴오프되어, 상기 비교기의 비반전 단자의 전압을 상기 전체 A/D 변환 범위 중 상기 기준전압으로 설정하는 CM 스위치부;를 더 포함하되,
상기 CM 스위치부는 상기 램프 신호 발생 장치와 상기 비교기의 비반전단자 사이에 배치된 캐패시터와 상기 비교기의 비반전 단자 사이에 배치되는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 1,
a CM switch unit which is turned off when the pixel signal is greater than the reference voltage, and sets the voltage of the non-inverting terminal of the comparator to the reference voltage in the entire A/D conversion range;
The CM switch unit is disposed between a capacitor disposed between the ramp signal generator and a non-inverting terminal of the comparator and a non-inverting terminal of the comparator.
제4항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 픽셀 신호가 상기 기준전압보다 크면, 상기 MSB 코드를 '0'으로 결정하고, 상기 LSB 변환 동작의 시작점을 상기 전체 A/D 변환 범위 중에서 최고값인 상부 전압(VREFP)으로 설정하는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 4, wherein the control unit,
When the pixel signal is greater than the reference voltage, the MSB code is determined as '0', and the starting point of the LSB conversion operation is set to the upper voltage (V REFP ), which is the highest value among the entire A/D conversion range. digital conversion device.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 MSB 코드 변환동안 램프 기울기의 안정화 오류가 생긴 경우, 상기 램프 신호의 램핑 범위가 상기 기준전압의 범위를 커버하도록 상기 램핑 범위를 확장하여 오류를 정정하는 오류 정정 수행부를 포함하는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 1, wherein the control unit,
and an error correction performing unit for correcting the error by extending the ramping range so that the ramping range of the ramp signal covers the range of the reference voltage when a stabilization error of the ramp slope occurs during MSB code conversion; .
제1항에 있어서,
상기 카운팅부로부터의 수신한 상기 카운팅 정보를 저장하기 위한 메모리부를 더 포함하고,
상기 메모리부는, 1 비트의 상기 MSB 코드를 저장하기 위한 물리적 또는 논리적으로 구분된 저장영역을 포함하는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 1,
Further comprising a memory unit for storing the counting information received from the counting unit,
The memory unit includes a physically or logically separated storage area for storing the 1-bit MSB code.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
아날로그-디지털 변환 장치의 성능, 작동 환경, 적용되는 어플리케이션 및 카운터 정보 중 적어도 하나를 고려하여, 상기 알고리즘에 따라 상기 MSB 스텝의 크기와 상기 기준전압을 설정하는 아날로그-디지털 변환 장치.
According to claim 1, wherein the control unit,
An analog-to-digital converter for setting the size of the MSB step and the reference voltage according to the algorithm in consideration of at least one of performance, operating environment, applied application, and counter information of the analog-to-digital converter.
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