KR102426677B1 - 오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서 - Google Patents

오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR102426677B1
KR102426677B1 KR1020150032619A KR20150032619A KR102426677B1 KR 102426677 B1 KR102426677 B1 KR 102426677B1 KR 1020150032619 A KR1020150032619 A KR 1020150032619A KR 20150032619 A KR20150032619 A KR 20150032619A KR 102426677 B1 KR102426677 B1 KR 102426677B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
node
event
amplifier
output
transistor
Prior art date
Application number
KR1020150032619A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160109017A (ko
Inventor
서윤재
김성호
김준석
류현석
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020150032619A priority Critical patent/KR102426677B1/ko
Priority to US14/802,401 priority patent/US9739660B2/en
Publication of KR20160109017A publication Critical patent/KR20160109017A/ko
Priority to US16/533,895 priority patent/USRE49355E1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102426677B1 publication Critical patent/KR102426677B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45632—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection in differential amplifiers with FET transistors as the active amplifying circuit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/303—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters using a switching device
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45632—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection in differential amplifiers with FET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45636—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection in differential amplifiers with FET transistors as the active amplifying circuit by using feedback means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/29—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using visual detection
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
    • H03F3/082—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with FET's
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/129—Indexing scheme relating to amplifiers there being a feedback over the complete amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/375—Circuitry to compensate the offset being present in an amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/555—A voltage generating circuit being realised for biasing different circuit elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서가 제공된다. 일 실시예에 따른 차분 증폭기는, 증폭기를 리셋하는 스위치의 트랜지스터의 바디 노드 및 소스 노드가 증폭기의 출력단에 접속됨으로써, 해당 트랜지스터의 소스 노드 및 드레인 노드 간에 전류 경로가 형성될 수 있다.

Description

오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서{VISION SENSOR BASED ON EVENT AND DIFFERENCE AMPLIFIER WITH REDUCED NOISE AND OFFSET}
이하, 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서에서 오프셋 및 잡음을 감소시키는 기술이 제공된다.
복수의 픽셀들을 포함하는 센서는 각각의 픽셀마다 신호를 감지하기 위한 검출 소자, 검출 소자에서 감지된 신호를 증폭하기 위한 아날로그 회로, 및 증폭된 신호를 처리하는 디지털 회로(digital circuit)를 포함할 수 있다.
다만, 아날로그 회로에서는 장치 잡음 및 오프셋으로 인해 발생하는 오류에 의해, 각 픽셀마다 오류 신호가 검출될 수 있다. 이로 인해 각 픽셀에서 불필요한 전력 소모가 발생할 수 있고, 디지털 회로에서의 신호 처리 효율이 감소될 수 있다.
오프셋 제거(offset cancelation) 및 디바이스 잡음 제거(device noise rejection)를 위해 기존의 회로 설계 기법을 사용하게 되면, 각 픽셀 내에 추가되는 회로로 인하여, 전체 회로의 면적 및 전력 소모가 증가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 오프셋이 제거된 신호를 증폭하는 회로는, 입력 신호(input signal)를 증폭하는 증폭기(amplifier); 및 리셋 신호(reset signal)에 응답하여 증폭기를 리셋하는 트랜지스터(transistor)를 포함하는 스위치(switch)를 포함하고, 트랜지스터는 트랜지스터의 바디 노드(body node)와 증폭기의 입력단 사이에 전류 경로를 형성할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 잡음이 제거된 신호를 증폭하는 회로는, 입력 신호를 증폭하는 증폭기; 리셋 신호에 응답하여 증폭기를 리셋하는 트랜지스터를 포함하는 스위치; 및 증폭기에 의해 발생된 누설 전류가 증폭기의 입력단 및 출력단 사이로 흐르는, 전류 경로를 형성하는 제1 다이오드를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 이벤트에 기반한 비전 센서(vision sensor)는, 적어도 하나의 센싱 엘리먼트를 포함하고, 적어도 하나의 센싱 엘리먼트의 각각은, 이벤트의 발생을 감지하여 입력 신호를 생성하는 이벤트 감지부; 입력 신호를 증폭하는 차분 증폭기(difference amplifier); 및 증폭된 입력 신호를 처리하여, 증폭된 입력 신호에 대응하는 이벤트 신호를 생성하는 이벤트 신호 생성부를 포함하고, 차분 증폭기는, 리셋 신호에 응답하여 차분 증폭기를 리셋하는 스위치를 포함하며, 스위치는, 차분 증폭기의 출력 단자(output terminal) 및 스위치의 일단의 노드 사이의 접속에 의해 차분 증폭기의 입력 단자(input terminal) 및 출력 단자 간에 전류 경로(current path)를 형성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이벤트에 기반한 비전 센서를 구성하는 센싱 엘리먼트의 개괄적인 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 차분 증폭기(difference amplifier)의 개괄적인 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3b 및 도 3c는 일 실시예에 따른 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3d 및 도 3e는 일 실시예에 따른 스위치의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 5는 도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기를 포함하는 이벤트에 기반한 비전 센서에서 출력되는 이벤트 신호를 도시한 그래프이다.
도 6a 내지 도 8b는 일 실시예에 따른 DC 오프셋(DC offset)을 제거하는 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 9는 도 6a 내지 도 8a에 도시된 차분 증폭기를 포함하는 이벤트에 기반한 비전 센서에서 출력되는 이벤트 신호를 도시한 그래프이다.
도 10은 도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기의 신호 전달 함수 및 출력 잡음을 도시한 그래프이다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 신호의 잡음을 제거하는 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 차분 증폭기의 신호 전달 함수 및 출력 잡음을 도시한 그래프이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이벤트에 기반한 비전 센서를 구성하는 센싱 엘리먼트의 개괄적인 구성을 도시한 블럭도이다.
이벤트에 기반한 비전 센서는 적어도 하나의 센싱 엘리먼트(100)를 포함한다. 예를 들어, 이벤트에 기반한 비전 센서는 128 x 128 개의 센싱 엘리먼트(100)들을 포함할 수 있다.
센싱 엘리먼트(100)는 미리 정해진 이벤트의 발생을 감지하여 이벤트 신호를 출력할 수 있다.
본 명세서에서 이벤트는 빛의 세기가 변하는 이벤트 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이벤트는 외부 물체를 촬영하는 이벤트에 기반한 비전 센서로 감지되고 출력될 수 있다.
이벤트에 기반한 비전 센서는 입사되는 빛 세기 변화를 감지함에 따라 시간 비동기적으로 이벤트 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 이벤트에 기반한 비전 센서는 특정 센싱 엘리먼트(100)에서 빛의 세기가 증가하는 이벤트를 감지하는 경우, 해당 센싱 엘리먼트(100)는 온 이벤트(ON event)를 출력할 수 있다. 또한, 이벤트에 기반한 비전 센서는 특정 센싱 엘리먼트(100)에서 빛의 세기가 감소하는 이벤트를 감지하는 경우, 해당 센싱 엘리먼트(100)는 오프 이벤트(OFF event)를 출력할 수 있다.
이벤트에 기반한 비전 센서는 프레임 기반 비전 센서와 달리 각 픽셀의 포토 다이오드(111)의 출력을 프레임 단위로 스캔하지 않고, 빛의 세기 변화가 있는 부분의 센싱 엘리먼트(100)에서만 이벤트 신호를 출력할 수 있다. 이벤트에 기반한 비전 센서로 입사되는 빛의 세기 변화는 외부 물체 또는 이벤트에 기반한 비전 센서의 움직임에 기인할 수 있다.
예를 들어, 시간의 흐름에 따라 광원이 실질적으로 고정되어 있고 외부 물체는 스스로 발광하지 않는 경우, 이벤트에 기반한 비전 센서로 입사되는 빛은 광원에서 발생되어 외부 물체에 의해 반사된 빛이다. 외부 물체, 광원, 및 이벤트에 기반한 비전 센서 모두가 움직이지 않는 경우, 움직임이 없는 상태의 외부 물체에 의해 반사되는 빛은 실질적으로 변하지 않으므로, 이벤트에 기반한 비전 센서에 입사되는 빛의 세기 변화도 발생되지 않는다. 반면, 외부 물체가 움직이는 경우, 움직이는 외부 물체에 의해 반사되는 빛은 외부 물체의 움직임에 따라 변하므로, 이벤트에 기반한 비전 센서에 입사되는 빛의 세기 변화가 발생될 수 있다.
외부 물체의 움직임에 반응하여 출력되는 이벤트 신호는 시간 비동기적으로 생성된 정보로 인간의 망막으로부터 뇌로 전달되는 시신경 신호와 유사한 정보일 수 있다. 예를 들어, 이벤트 신호는 정지된 사물에 대하여는 발생되지 않고, 움직이는 사물이 감지되는 경우에 한하여 발생될 수 있다.
상술한 이벤트에 기반한 비전 센서는 빛의 세기가 변화한 센싱 엘리먼트(100)의 어드레스 및/또는 시간 정보만을 활용하므로 일반 이미지 카메라보다 처리되는 정보량이 크게 감소될 수 있다.
일 실시예에 따른 센싱 엘리먼트(100)는 이벤트 감지부(110), 차분 증폭기(120), 및 이벤트 신호 생성부(130)를 포함한다.
이벤트 감지부(110)는 이벤트의 발생을 감지하여 입력 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이벤트 감지부(110)는 포토 다이오드(111) 및 변환부(112)를 포함할 수 있다.
포토 다이오드(111)는 빛의 수신에 응답하여, 수신된 빛의 세기 변화에 대응하는 전류를 출력할 수 있다. 변환부(112)는 포토 다이오드(111)에서 출력된 전류를 전압 형태의 입력 신호로 변환할 수 있다. 변환된 입력 신호는 차분 증폭기(120)로 전달될 수 있다.
차분 증폭기(120)는 이벤트 감지부(110)로부터 전달 받은 입력 신호를 증폭할 수 있다. 차분 증폭기(120)의 예시적인 구성은 하기 도 2 내지 도 4 및 도 6a 내지 도 8a에서 상세히 설명한다.
이벤트 신호 생성부(130)는 증폭된 입력 신호를 처리하여, 증폭된 입력 신호에 대응하는 이벤트 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이벤트 신호 생성부(130)는 이벤트 결정부(131) 및 이벤트 출력부(132)를 포함할 수 있다.
이벤트 결정부(131)는 상술한 증폭된 입력 신호에 기초하여, 이벤트의 발생 여부 및 이벤트의 종류 등을 결정하여 그에 대응하는 이벤트 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이벤트 결정부(131)는 증폭된 입력 신호 및 미리 정한 임계값을 비교한 결과에 기초하여 이벤트의 발생 여부를 결정하고, 발생된 경우에 응답하여 발생된 이벤트의 종류(예를 들어, 온 이벤트 및 오프 이벤트)를 결정하며, 해당 이벤트에 대응하는 이벤트 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이벤트 결정부(131)는 결정된 이벤트의 종류(예를 들어, 온 이벤트 및 오프 이벤트)에 대응하는 이벤트 신호(예를 들어, 온 이벤트에 대해 1, 오프 이벤트에 대해 -1)를 생성할 수 있다.
이벤트 출력부(132)는 이벤트 결정부(131)에 의해 생성된 이벤트 신호 및 해당 이벤트가 발생한 픽셀의 좌표를 픽셀 어레이(pixel array) 외부로 출력할 수 있다. 예를 들어, 이벤트 출력부(132)는 AER (Address Event Representation) 프로토콜을 이용하여 이벤트가 발생한 픽셀의 좌표를 출력할 수 있다. AER 프로토콜은 이벤트 신호를 정송하기 위해 사용되는 비동기 핸드 세이킹 프로토콜(asynchronous handshaking protocol)이다.
일 실시예에 따르면, 센싱 엘리먼트(100)가 임의의 시간(예를 들어, 오랜 시간) 이상 대기 상태(예를 들어, 이벤트가 발생하지 않는 상태)에 있는 경우, DC 오프셋(DC offset)(181)이 차분 증폭기(120)에서 발생할 수 있다. DC 오프셋(181)이 제거되지 않는 경우, 차분 증폭기(120)는 증폭된 DC 오프셋(182)을 출력할 수 있다. 이벤트 결정부(131)는 증폭된 DC 오프셋(182)에 의해 시스템적 거짓 이벤트(systematic false event)(183)가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
또한, 변환부(112)에서 디바이스 잡음(device noise)(191)이 발생할 수 있다. 디바이스 잡음(191)은 센싱 엘리먼트(100) 또는 이벤트에 기반한 센서 내부의 소자들 간의 전기적 상호작용 및/또는 소자 내부의 구조 등에 의해 발생할 수 있다. 차분 증폭기(120)에서 상술한 디바이스 잡음(191)이 제거되지 않는 경우, 차분 증폭기(120)는 증폭된 디바이스 잡음(192)을 출력할 수 있다. 이벤트 결정부(131)는 증폭된 디바이스 잡음(192)에 의해 랜덤 거짓 이벤트(random false event)(193)가 발생한 것으로 결정할 수 있다. 랜덤 거짓 이벤트(193)는 랜덤하게 나타날 수 있다.
이하, 본 명세서에서는 상술한 시스템적 거짓 이벤트(183) 및 랜덤 거짓 이벤트(193)를 에러 이벤트(error)라고 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이벤트에 기반한 비전 센서의 센싱 엘리먼트(100)의 각각에서 발생하는 시스템적 거짓 이벤트(183)를 제거하고, 랜덤 거짓 이벤트(193)의 발생을 억제함으로써, 에러 이벤트에 의한 전력 소모를 감소시키고, 백엔드 AP(back-end AP, back-end application processor)의 처리 효율을 증가시킬 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 차분 증폭기(difference amplifier)의 개괄적인 구성을 도시한 블럭도이다.
이하, 본 명세서에서, 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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
일 실시예에 따른 차분 증폭기(200)는 증폭기(210) 및 스위치(220)를 포함한다. 또한, 차분 증폭기(200)는 제1 커패시터(CA) 및 제2 커패시터(CB)를 포함할 수 있다.
증폭기(210)는 입력 신호(input signal)를 증폭할 수 있다. 입력 신호는 차분 증폭기(200)의 입력 단자(input terminal)(Vin)를 통해 수신될 수 있다. 예를 들어, 증폭기(210)는 음의 이득(예를 들어, -A)을 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따른 증폭기(210)는 차분 증폭기(200)의 입력 단자(Vin) 및 출력 단자(output terminal)(Vout)에 접속될 수 있다. 또한, 증폭기(210)는 제1 커패시터(CA)를 경유하여 차분 증폭기(200)의 입력 단자(Vin)에 접속될 수 있다.
스위치(220)는 리셋 신호(reset signal)에 응답하여 증폭기(210)를 리셋할 수 있다. 예를 들어, 스위치(220)는 리셋 신호에 응답하여 증폭기(210)를 리셋하는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 여기서, 스위치(220)는 스위치(220)의 양단을 쇼트(short)시킴으로써 증폭기(210)의 양단에 걸리는 전압이 동일해지도록, 증폭기(210)를 초기화할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치(220)의 일단은 증폭기(210)의 입력단(input stage)에 접속되고, 다른 일단은 증폭기(210)의 출력단에 접속될 수 있다.
제1 커패시터(CA)는 차분 증폭기(200)의 입력 단자(Vin) 및 증폭기(210)의 입력단에 접속될 수 있다. 제2 커패시터(CB)는 증폭기(210)의 입력단 및 출력단(output stage)에 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 커패시터(CA)의 일단(one side), 증폭기(210)의 입력단, 제2 커패시터(CB)의 일단, 및 스위치(220)의 일단은 플로팅 노드(NFLOAT)를 통해 접속될 수 있다. 또한, 증폭기(210)의 출력단, 차분 증폭기(200)의 출력 단자(Vout), 제2 커패시터(CB)의 일단, 및 스위치(220)의 일단은 출력 노드(NOUT)를 통해 접속될 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3a은 도 2에 도시된 차분 증폭기(200)에 대한 예시적인 회로도를 나타낼 수 있다. 도 2에 도시된 증폭기(210) 및 스위치(220)는 각각 도 3a에 도시된 증폭기(310) 및 스위치(320)로 나타낼 수 있다. 다만, 도 2의 증폭기(210) 및 스위치(220)를 도 3a에 도시된 바로 한정하는 것은 아니고, 증폭기(210)는 도 3b에 도시된 증폭기(311) 또는 도 3c에 도시된 증폭기(312)를 포함할 수도 있고, 스위치(220)는 도 3d에 도시된 스위치(321) 또는 도 3e에 도시된 증폭기(322)를 포함할 수도 있다.
증폭기(310)는 입력 신호를 증폭하는 트랜지스터(MAMP)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(MAMP)의 소스 노드는 공급 전압(VDD)에 접속되고, 게이트 노드는 차분 증폭기(300)의 입력 단자(VIN)에 접속되며, 드레인 노드는 차분 증폭기(300)의 출력 단자(VOUT)에 접속될 수 있다. 트랜지스터(MAMP)의 게이트 노드는 증폭기(310)의 입력단, 드레인 노드는 출력단을 나타낼 수 있다. 달리 말해, 증폭기(310)의 트랜지스터(MAMP)는 공급 전압과 접속되는 소스 노드, 입력 신호를 수신하는 게이트 노드, 및 입력 신호가 증폭된 출력 신호를 출력하는 드레인 노드를 포함하는 피모스 트랜지스터일 수 있다.
또한, 증폭기(310)는 예를 들어, 트랜지스터(MAMP) 및 트랜지스터(MRESET)으로 바이어스 전력을 공급하는 전원(power source)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전원은 바이어스 전류를 공급하는 전류원(IBIAS)일 수 있다.
스위치(320)는 리셋 신호에 응답하여 증폭기(310)를 리셋하는 트랜지스터(MRESET)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드는 증폭기(310)의 출력단과 접속되고, 게이트 노드는 리셋 신호(RESET)를 수신하며, 드레인 노드는 증폭기(310)의 입력단과 접속되고, 바디 노드는 공급 전압(VDD)과 접속될 수 있다. 예를 들어, 스위치(320)는 증폭기(310)의 게이트 노드의 전압(VG)이 증폭기(310)의 출력단의 전압과 같아지도록 하여, 증폭기(310)를 리셋할 수 있다.
다만, 도 3a에 도시된 트랜지스터들은 피모스 트랜지스터(PMOS transistor)를 예로 들었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 엔모스 트랜지스터(NMOS transistor)가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도 3a에서 증폭기(310)의 트랜지스터로 피모스 트랜지스터가 사용되고, 스위치(320)의 트랜지스터로 엔모스 트랜지스터가 사용되거나, 그 반대로 사용될 수 있고, 더 나아가 동일한 종류의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 이하, 피모스 트랜지스터를 기준으로 설명하지만, 이로 한정하는 것은 아니고, 상술한 바와 같이 설계에 따라 다양한 조합으로 트랜지스터가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면 도 2의 증폭기(210)의 형태를 도 3a의 증폭기(310)로 한정하는 것은 아니고, 신호를 증폭할 수 있는 모든 형태가 포함될 수 있다. 예를 들어, 증폭기(210)는 하나의 트랜지스터 또는 복수의 트랜지스터들의 조합으로 구성되는 다양한 구조 및 형태를 포함할 수 있다. 하기 도 3b 및 도 3c에서 증폭기(210)의 예시적인 다른 형태를 도시한다.
일 실시예에 따르면, 도 3a의 스위치(320)의 등가 회로는 도 4에 도시된 스위치(420)와 같이 나타낼 수 있다. 다만, 도 2의 스위치(220)의 형태를 도 3a의 스위치(320)로 한정하는 것은 아니고, 다양한 형태가 포함될 수 있다. 하기 도 3d 및 도 3e에서 스위치(220)의 예시적인 다른 형태를 도시한다.
도 3b 및 도 3c는 일 실시예에 따른 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3b에 도시된 증폭기(311) 및 도 3c에 도시된 증폭기(312)는 각각 도 2에 도시된 증폭기(210)의 예시적인 구성일 수 있다.
도 3b에 도시된 증폭기(311)는 바이어스 전류원(IBIAS) 및 입력 신호를 증폭하는 트랜지스터(MAMP)를 포함할 수 있다. 도 3b에 도시된 증폭기(311)의 트랜지스터(MAMP)는 플로팅 노드(NFLOAT)와 접속되는 게이트 노드, 및 바이어스 전류원(IBIAS) 및 출력 노드(NOUT)와 접속되는 드레인 노드를 포함하는 엔모스 트랜지스터일 수 있다.
도 3c에 도시된 증폭기(312)의 트랜지스터(MAMP)는 플로팅 노드(NFLOAT)와 접속되는 게이트 노드, 및 바이어스 전류원(IBIAS) 및 출력 노드(NOUT)와 접속되는 드레인 노드를 포함하는 피모스 트랜지스터일 수 있다.
도 3d 및 도 3e는 일 실시예에 따른 스위치의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3d에 도시된 스위치(321) 및 도 3e에 도시된 스위치(322)는 각각 도 2에 도시된 스위치(220)의 예시적인 구성일 수 있다.
도 3d에 도시된 스위치(321)는 리셋 신호(RESET)에 응답하여 도 2의 증폭기(210)를 리셋하는 트랜지스터(MRESET)를 포함할 수 있다. 도 3d에 도시된 스위치(321)의 트랜지스터(MRESET)는 플로팅 노드(NFLOAT)와 접속되는 드레인 노드, 리셋 신호(RESET)를 수신하는 게이트 노드, 출력 노드(NOUT)와 접속되는 소스 노드, 및 접지(GND)와 접속되는 바디 노드를 포함하는 엔모스 트랜지스터일 수 있다.
도 3e에 도시된 스위치(322)의 트랜지스터(MRESET)는 플로팅 노드(NFLOAT)와 접속되는 드레인 노드, 리셋 신호(RESET)를 수신하는 게이트 노드, 출력 노드(NOUT)와 접속되는 소스 노드, 및 공급 전압(VDD)과 접속되는 바디 노드를 포함하는 피모스 트랜지스터일 수 있다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 4에 도시된 스위치(420)는 바디 노드에 인가된 공급 전압(VDD)에 의해 바디 노드 및 드레인 노드 간에 형성된 PN 접합으로 인한 다이오드를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이러한 다이오드로 인해, 공급 전압(VDD)으로부터 플로팅 노드(NFLOAT)로 정션 누설 전류(junction leakage current)(IJ . Leak)가 발생할 수 있다. 정션 누설 전류에 의해 다이오드에서 전압 강하가 발생하면서, 증폭기에서 DC 오프셋이 발생할 수 있다.
예를 들어, MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect-transistor)의 소스 접합(source junction) 및 드레인 접합(drain junction)에서는 바디(body)로의 정션 누설 전류(junction leakage current)(IJ . Leak)가 근본적으로 발생할 수 있다. 정션 누설 전류(junction leakage current)(IJ . Leak)가 차분 증폭기(300)의 증폭기의 트랜지스터(MAMP)의 게이트 노드(gate node)에 인가되면, DC 오프셋 전압(offset voltage)(예를 들어, 피모스 트랜지스터인 경우 게이트 전압(VG)이 증가하고, 출력 전압(VOUT)이 감소)이 발생하고, 이로 인해 지속적인 시스템적 거짓 이벤트(systematic false event)가 발생할 수 있다.
또한, 도 1의 변환부(112)에서 발생한 디바이스 잡음(device noise)이 차분 증폭기(300)로 인가되어 증폭되면 랜덤 거짓 이벤트(random false event)가 발생할 수 있다.
도 5는 도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기를 포함하는 이벤트에 기반한 비전 센서에서 출력되는 이벤트 신호를 도시한 그래프이다.
도 5는 입력 신호로서, 입력 전압(VIN)(510)이 일정한 전압에서 대기 상태에 있는 경우를 가정할 수 있다. 도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기에서는, 상술한 바와 같이 정션 누설 전류(IJ . Leak)(520)가 발생함으로써, DC 오프셋 전압이 발생할 수 있다.
정션 누설 전류(IJ . Leak)(520)에 의해 다이오드에서 발생하는 전압 강하로 인해, 게이트 전압(VG)(530)가 증가하게 되고, 이에 따라 출력 전압(VOUT)(540)의 크기도 증가하게 될 수 있다. 여기서, 증폭기의 이득이 음인 경우, 출력 전압(VOUT)(540)은 음의 방향으로 증가할 수 있다.
게이트 전압(VG)(530) 및 출력 전압(VOUT)(540)이 변화하면서, 이벤트 신호 생성부는 입력 전압(VIN)(510)이 변화하지 않았는데도, 에러 이벤트에 대응하는 이벤트 신호(550)가 생성될 수 있다. 리셋 신호(RESET)(560)에 의해 증폭기가 초기화되지만, 대기 시간이 지속되면 DC 오프셋이 발생하게 되므로, 주기적으로 에러 이벤트에 대응하는 이벤트 신호(550)가 발생할 수 있다.
도 6a 내지 도 8b는 일 실시예에 따른 DC 오프셋(DC offset)을 제거하는 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 6a, 도 7a, 및 도 8a는 스위치(620)의 트랜지스터(MRESET)의 바디 노드가 출력 노드(NOUT)에 접속되는 실시예를 도시한다. 도 6b, 도 7b, 및 도 8b는 스위치(620)의 트랜지스터(MRESET)의 바디 노드가 플로팅 웰(floating well)(FW)에 접속되는 실시예를 도시한다.
상술한 에러 이벤트를 방지하기 위해, 센싱 엘리먼트 레벨에서 정션 누설 전류(IJ . Leak)를 제어하면서, 원하지 않는 디바이스 잡음을 밴드패스필터(BPF, band pass filter)를 이용하여 억제해야 할 수 있다. 도 6a 내지 도 8b의 차분 증폭기(600)는 센싱 엘리먼트의 면적 및 전력 소모를 증가시키지 않으면서, 정션 누설 전류(IJ . Leak)를 제어하고, 디바이스 잡음을 억제할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 6a은 도 2에 도시된 차분 증폭기(200)에 대한 예시적인 회로도를 나타낼 수 있다. 도 2에 도시된 증폭기(210) 및 스위치(220)는 각각 도 6a에 도시된 차분 증폭기(600)에 포함되는 증폭기(310) 및 스위치(620)로 나타낼 수 있다. 여기서, 도 3a 및 도 6a에 도시된 증폭기(310)는 유사하게 구성될 수 있다.
스위치(620)는 리셋 신호(RESET)에 응답하여 증폭기(310)를 리셋하는 트랜지스터(MRESET)를 포함할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(MRESET)의 바디 노드(body node)는, 증폭기(310)의 출력단(output stage)과 접속될 수 있다. 또한, 트랜지스터(MRESET)가 피모스 트랜지스터인 경우 나머지 노드에 대해서, 드레인 노드는 증폭기의 입력단(input stage)과 접속되고, 게이트 노드는 리셋 신호(RESET)를 수신하며, 소스 노드는 출력단과 접속될 수 있다.
도 6b에서는, 도 6a와 다른 형태의 스위치(640)가 도 2에 도시된 스위치(220)로서 사용될 수 있다.
스위치(640)의 트랜지스터(MRESET)는 리셋 신호(RESET)를 수신하는 게이트 노드, 플로팅 노드(NFLOAT)와 접속되는 드레인 노드, 출력 노드(NOUT)와 접속되는 소스 노드, 및 플로팅 웰(FW)과 접속되는 바디 노드를 포함하는 엔모스 트랜지스터일 수 있다.
도 7a은 상술한 스위치(620)에 포함된 트랜지스터의 바디 노드(624)가 증폭기의 출력단에 대응하는 출력 노드(NOUT)에 접속된 구조를 나타낼 수 있다.
스위치(620)에 포함된 트랜지스터는 피모스 트랜지스터인 경우를 예로 들어 설명한다. 예를 들어, 트랜지스터의 바디 노드(624)는 p 서브스트레이트(p-substrate) 상에 형성된 n-웰(n-well)이고, 게이트 노드(623)는 금속 산화막(metal oxide)이며, 소스 노드(621) 및 드레인 노드(622)는 p+영역일 수 있다. 또한, p 서브스트레이트의 일부(625)는 접지와 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 소스 노드(621)와 바디 노드(624)는 증폭기의 출력단(VOUT)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 스위치(620)는, 차분 증폭기의 출력 노드(NOUT) 및 스위치(620)에 포함되는 트랜지스터(MRESET)의 일단의 노드(예를 들어, 바디 노드(624)) 사이의 접속에 의해, 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드(621) 및 드레인 노드(622) 간에 전류 경로(current path)를 형성할 수 있다. 여기서, 드레인 노드(622)는 차분 증폭기(600)의 플로팅 노드(NFLOAT)에 접속되고, 소스 노드(621)는 차분 증폭기(600)의 출력 노드(NOUT)에 접속될 수 있다. 따라서, 차분 증폭기(600)의 플로팅 노드(NFLOAT) 및 출력 노드(NOUT)간에 전류 경로가 형성될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(MRESET)는 바디 노드(624)와 증폭기(310)의 입력단 사이에 전류 경로를 형성하고, 입력단은 플로팅 노드(NFLOAT)에 접속되며, 바디 노드(624)는 출력 노드(NOUT)에 접속될 수 있다.
예를 들어, 상술한 전류 경로는, 출력 노드(NOUT)에 접속된 바디 노드(624)와 플로팅 노드(NFLOAT)에 접속된 드레인 노드(622) 간에 PN 접합에 의한 다이오드 및 n-웰에 의한 저항으로서 형성될 수 있다. 바디 노드(624)는 소스 노드(621)에 접속되어 있으므로, 소스 노드(621) 및 드레인 노드(622) 간에 형성되는 전류 경로는 다이오드 성분 및 저항 성분을 나타낼 수 있다. 달리 말해, 전류 경로는 차분 증폭기(600)의 출력 노드(NOUT) 및 플로팅 노드(NFLOAT) 사이에 접속되는 다이오드 및 저항을 포함할 수 있다.
도 7b는 도 6b에서 상술한 스위치(640)에 포함된 트랜지스터의 바디 노드(644)와 플로팅 웰(FW)이 접속된 구조를 나타낼 수 있다.
스위치(640)에 포함된 트랜지스터는 엔모스 트랜지스터인 경우를 예로 들어 설명한다. 예를 들어, 트랜지스터의 바디 노드(644)는 p 서브스트레이트(p-substrate) 상에 형성된 딥 n-웰(DNW, deep n-well)이고, 게이트 노드(643)는 금속 산화막(metal oxide)이며, 소스 노드(641) 및 드레인 노드(642)는 n+영역일 수 있다. 또한, p 서브스트레이트의 일부(645)는 접지와 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 바디 노드(644)는 플로팅 웰(FW)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 스위치(640)는, 트랜지스터(MRESET)의 바디 노드(644)와 플로팅 웰(FW) 간의 접속에 의해, 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드(641) 및 드레인 노드(642) 간에 전류 경로(649)를 형성할 수 있다. 여기서, 드레인 노드(642)는 차분 증폭기(600)의 플로팅 노드(NFLOAT)에 접속되고, 소스 노드(641)는 차분 증폭기(600)의 출력 노드(NOUT)에 접속될 수 있다. 따라서, 차분 증폭기(600)의 플로팅 노드(NFLOAT) 및 출력 노드(NOUT)간에 전류 경로(649)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(MRESET)는 바디 노드(644)와 증폭기(310)의 입력단 사이에 전류 경로를 형성하고, 입력단은 플로팅 노드(NFLOAT)에 접속되며, 바디 노드(644)는 출력 노드(NOUT)에 접속될 수 있다.
예를 들어, 상술한 전류 경로(649)는, 출력 노드(NOUT)에 접속된 바디 노드(644)와 플로팅 웰(FW) 간에 PN 접합에 의한 다이오드, 드레인 노드(642)와 플로팅 웰(FW) 간에 접합에 의한 다이오드, 및 소스 노드(641)와 플로팅 웰(FW) 간에 접합에 의한 다이오드로서 형성될 수 있다. 소스 노드(641) 및 드레인 노드(642) 간에 형성되는 전류 경로(649)는 다이오드 성분 및 저항 성분을 나타낼 수 있다. 달리 말해, 전류 경로(649)는 차분 증폭기(600)의 출력 노드(NOUT) 및 플로팅 노드(NFLOAT) 사이에 접속되는 다이오드 및 저항을 포함할 수 있다.
도 7b에서 바디 노드(644)와 플로팅 웰(FW) 간의 접속에 의한 전류 경로(649)가 포함하는 다이오드 성분은 대칭적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(MRESET)가 엔모스 트랜지스터인 경우, 도 7b의 전류 경로(649)는 플로팅 웰(FW)로부터 소스 노드(641)로의 방향이 순방향인 제1 다이오드 성분 및 플로팅 웰(FW)로부터 드레인 노드(642)로의 방향이 순방향인 제2 다이오드 성분을 포함할 수 있다.
도 8a은 상술한 스위치(820)(도 6a 및 도 7a의 스위치(620)에 대응함)에 포함된 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드 및 드레인 노드 간에 형성된 전류 경로의 등가 회로를 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 8a의 스위치(820)는 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드 및 드레인 노드 사이에 접속되는 다이오드(DPJ) 및 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드 및 드레인 노드 사이에 접속되는 저항(RPC)을 더 포함하도록 표현될 수 있다. 도 8a에 도시된 다이오드(DPJ) 및 저항(RPC)은, 차분 증폭기(600)의 출력 단자(VOUT)가 트랜지스터(MRESET)의 바디 노드에 접속됨으로써 나타나는 이차 효과(secondary effect)를 등가적으로 표현한 것일 수 있다. 여기서, 저항(RPC)는 예를 들어, 수 기가 옴(giga ohm) 내지 수 테라 옴(tera ohm)의 크기를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 3a의 스위치(320)에서 존재하였던 공급 전압(VDD)이 인가되는 바디 노드로부터 정션 누설 전류(IJ . Leak)가 플로팅 노드(NFLOAT)로 흐르는 경로가, 도 8a에서는 제거될 수 있다. 정션 누설 전류(IJ . Leak)가 흐르는 경로의 제거에 의해, 차분 증폭기(600)의 DC 오프셋이 발생하지 않을 수 있다. 차분 증폭기(600)가 증폭된 DC 오프셋을 출력하지 않으므로, 이벤트에 기반한 비전 센서는 시스템적 거짓 이벤트를 출력하지 않을 수 있다. 정션 누설 전류(IJ . Leak)의 차단에 의한 결과는 하기 도 9에서 상세히 설명한다.
또한, 상술한 저항(RPC)에 의해 채널 누설 전류(IC . LEAK)가 증가될 수 있다. 채널 누설 전류(IC . Leak)가 증가함으로써, 차분 증폭기(600)의 디바이스 잡음이 제거될 수 있다. 예를 들어, 바디 전압(body voltage)과 소스 전압(source voltage)의 차이가 없어지면서, 트랜지스터(MRESET)의 채널 누설 전류(IC . Leak)가 증가되면서, 저항(RPC) 성분이 나타남으로써 회로가 밴드패스필터 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 정션 누설 전류(IJ . Leak)가 다이오드(DPJ)에 대해 역방향으로 흐름으로써, 다이오드(DPJ)가 저항처럼 동작하여 회로가 밴드패스필터 특성을 나타낼 수 있다.
도 8b는 스위치(840)(도 6b 및 도 7b의 스위치(640)에 대응함)에 포함된 트랜지스터(MRESET)의 소스 노드 및 드레인 노드 간에 형성된 전류 경로(649)의 등가 회로를 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 트랜지스터(MRESET)가 엔모스 트랜지스터인 경우, 도 8b의 스위치(840)에 대해 형성되는 전류 경로(649)는 플로팅 웰(FW)로부터 드레인 노드로의 방향이 순방향인 제1 다이오드(D1), 및 플로팅 웰(FW)로부터 소스 노드로의 방향이 순방향인 제2 다이오드(D2)를 포함하도록 표현될 수 있다. 도 8b에 도시된 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는, 차분 증폭기(600)의 플로팅 웰(FW)에 트랜지스터(MRESET)의 바디 노드가 접속됨으로써 나타나는 이차 효과(secondary effect)를 등가적으로 표현한 것일 수 있다.
예를 들어, 스위치(640)는, 트랜지스터(MRESET)의 드레인 노드 및 플로팅 웰(FW)에 접속되는 제1 다이오드(D1), 및 트랜지스터의 소스 노드 및 플로팅 웰(FW)에 접속되는 제2 다이오드(D2)를 더 포함하고, 제1 다이오드 및 제2 다이오드는 서로 역방향이면서 직렬로 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 8a와 유사하게, 도 8b에서도 공급 전압(VDD)로부터의 정션 누설 전류(IJ . Leak)가 흐르는 경로의 제거에 의해, 차분 증폭기(600)의 DC 오프셋이 발생하지 않을 수 있다. 차분 증폭기(600)가 증폭된 DC 오프셋을 출력하지 않으므로, 이벤트에 기반한 비전 센서는 시스템적 거짓 이벤트를 출력하지 않을 수 있다.
또한, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 서로 역방향이 되도록 형성되는 바, 항상 역방향 바이어스가 걸리게 되고, 저항처럼 동작할 수 있다. 서로 역방향인 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)가 저항처럼 동작함으로써 회로가 밴드패스필터 특성을 나타낼 수 있다.
도 6a 내지 도 8b의 차분 증폭기(600) 구조가 밴드패스필터(BPF, band pass filter) 특성을 나타낼 수 있고, 밴드패스필터 특성에 의해 저역에서 디바이스 잡음이 제거될 수 있다. 이에 따라, 이벤트에 기반한 비전 센서는 랜덤 거짓 이벤트를 출력하지 않을 수 있다. 디바이스 잡음 제거는 하기 도 13에서 상세히 설명한다.
도 9는 도 6a 내지 도 8a에 도시된 차분 증폭기를 포함하는 이벤트에 기반한 비전 센서에서 출력되는 이벤트 신호를 도시한 그래프이다.
도 6a 내지 도 8a의 차분 증폭기에 입력되는 입력 전압(VIN)은 도 5의 입력 전압(VIN)과 동일할 수 있다. 다만, 도 6a 내지 도 8a에서는 정션 누설 전류(IJ . Leak)가 제거될 수 있다. 정션 누설 전류(IJ . Leak)가 제거되어 DC 오프셋이 발생하지 않으므로, 게이트 전압(VG)(930) 및 출력 전압(VOUT)(940)이 변화하지 않을 수 있다. 상술한 바와 같이, 입력 전압(VIN)이 변하지 않으면, 게이트 전압(VG)(930) 및 출력 전압(VOUT)(940)도 변하지 않으므로, 에러 이벤트가 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 대기 시간이 지속되더라도, 입력 전압(VIN)이 변하지 않으면 이벤트 신호(950)가 출력되지 않을 수 있다.
도 10은 도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기의 신호 전달 함수 및 출력 잡음을 도시한 그래프이다.
예를 들어, 차분 증폭기의 신호 전달 함수(1010)는 출력 전압(VOUT)/입력 전압(VIN)로 나타낼 수 있다. 도 10에 도시된 신호 전달 함수(1010)는 로그 스케일(log scale)로 도시될 수 있다. 차분 증폭기의 회로 구조에 따르면, 차분 증폭기는 일종의 밴드패스필터(BPF, band pass filter)의 특성을 나타낼 수 있다. 도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기의 신호 전달 함수(1010)는 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이, 약 10mHz부터 100kHz의 주파수 대역에 대해 이득을 가지고, 나머지 주파수 대역의 신호는 제거(reject)될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차분 증폭기의 출력에서는 도 10에 도시된 출력 잡음(1020)과 같이, 약 0Hz부터 10Hz까지의 주파수 대역에서 1/f 잡음(1/f noise)가 도미넌트(dominant)하고, 약 10Hz부터 10MHz까지의 주파수 대역에서 열 잡음(thermal noise)이 도미넌트할 수 있다. 출력 잡음(1020) 중, 열 잡음에 비해 1/f 잡음이 출력 전압(VOUT)에 대해 비교적 큰 영향을 미칠 수 있다. 1/f 잡음이 주로 발생하는 주파수 대역의 출력 잡음(1020)이 제거될 필요가 있다.
상술한 도 6a 내지 도 8b에 도시된 차분 증폭기 및 하기 도 11 및 도 12에 도시된 차분 증폭기는, 상술한 1/f 잡음이 주로 발생하는 주파수 대역의 출력 잡음(1020)을 제거할 수 있다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 신호의 잡음을 제거하는 차분 증폭기의 예시적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3a, 도 11 및 도 12에 도시된 증폭기(310) 및 스위치(320)는 유사하게 구성될 수 있다.
도 11의 차분 증폭기(1100)는 제1 다이오드를 더 포함할 수 있다. 제1 다이오드는 증폭기(310)에 의해 발생된 누설 전류가 증폭기(310)의 입력단 및 출력단 사이로 흐르는, 전류 경로(1130)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 여기서 누설 전류는 채널 누설 전류(IC . Leak)를 나타낼 수 있다. 제1 다이오드는 증폭기의 입력단 및 출력단 사이에 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 다이오드는 역전압(inverse voltage)이 걸리면 저항처럼 동작할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압(VOUT)이 게이트 전압(VG)보다 높은 경우, 제1 다이오드는 저항으로서 동작할 수 있다. 이 때, 제1 다이오드가 저항처럼 동작하므로, 채널 누설 전류(IC . Leak)가 출력 노드(NOUT)로부터 플로팅 노드(NFLOAT)로 흐를 수 있다.
도 12의 차분 증폭기(1200)는 도 11의 제1 다이오드에 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다. 제2 다이오드는 전류 경로(1230)를 따라 배치되고, 제1 다이오드와 반대 극성을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 12에 도시된 회로에서는 항상 제1 다이오드 및 제2 다이오드 중 적어도 하나에 역전압이 걸리므로 저항처럼 동작할 수 있다. 도 12에 도시된 전류 경로(1230)는 항상 저항처럼 동작하므로, 채널 누설 전류(IC . Leak)가 출력 노드(NOUT)로부터 플로팅 노드(NFLOAT)로 흐를 수 있다.
전원은 증폭기(310), 스위치(320), 제1 다이오드(1130) 및 제2 다이오드(1230)로 바이어스 전력을 공급할 수 있다. 전원은 바이어스 전류원(IBIAS)을 포함할 수 있다.
도 11의 차분 증폭기(1100) 및 도 12의 차분 증폭기(1200)는 밴드패스필터 특성을 나타낼 수 있다. 여기서, 상술한 도 11 및 도 12에 도시된 제1 다이오드 및 제2 다이오드는 트랜지스터의 p-서브스트레이트 상에 형성되는 n-웰 및 p+영역에 의해 구현될 수 있고, 각 다이오드에 대응하는 p+영역의 n-웰에 대한 면적이 증가할 수록, 밴드패스필터 특성의 저역 차단 주파수가 증가될 수 있다.
또한, 도 6a 내지 도 8b 및 도 11 및 도 12에 도시된 차분 증폭기의 구조 및 형태는 증폭기 및 스위치에 사용되는 트랜지스터의 종류(예를 들어, 엔모스 트랜지스터 및 피모스 트랜지스터) 및 그 조합에 따라 맞춤 설계될 수 있다.
도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 차분 증폭기의 신호 전달 함수 및 출력 잡음을 도시한 그래프이다.
일 실시예에 따르면, 이벤트에 기반한 비전 센서에 포함되는 센싱 엘리먼트는, 미리 정한 신호 동적 범위(signal dynamic range)(예를 들어, 원하는 범위(desirable range))에서 동작할 수 있다. 센싱 엘리먼트는 미리 정한 신호 동적 범위 내의 주파수를 가지는 신호는 통과(pass)시키고, 미리 정한 신호 동적 범위 외의 주파수를 가지는 신호는 제거(reject)할 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 미리 정한 신호 동적 범위는 약 0.3 Hz 부터 100kHz의 주파수 대역으로 설정될 수 있다.
도 3a 및 도 4에 도시된 차분 증폭기(300)의 신호 전달 함수(1010)와 비교하면, 도 6a 내지 도 8a에 도시된 차분 증폭기(600)의 신호 전달 함수(1311) 및 도 11에 도시된 차분 증폭기(1100)의 신호 전달 함수(1312)는 높은 저역 차단 주파수(lower cut-off frequency)를 가질 수 있다. 도 13에서 차분 증폭기(300)의 저역 차단 주파수에 비해, 차분 증폭기(600) 및 차분 증폭기(1100)의 저역 차단 주파수는 화살표로 표시된 바와 같이 증가될 수 있다.
도 13에 도시된 신호 전달 함수(1311) 및 신호 전달 함수(1312)에 따르면, 차분 증폭기(600) 및 차분 증폭기(1100)은 저주파수 대역(low frequency band)(예를 들어, 1 Hz 미만)에 대응하는 신호를 제거(reject)할 수 있다.
도 13의 하단부의 그래프는 각 차분 증폭기의 출력 잡음을 나타낼 수 있다. 차분 증폭기(300)의 출력 잡음(1020)은 저주파수 대역(low frequency band)에서 1/f 잡음이 비교적 크게 나타날 수 있다. 일 실시예에 따른 차분 증폭기(600)의 출력 잡음(1321) 및 차분 증폭기(1100)의 출력 잡음(1322)은 차분 증폭기(300)의 출력 잡음(1020)에 비해 1/f 잡음이 화살표로 표시된 바와 같이 감소될 수 있다. 또한, 차분 증폭기(1100)의 출력 잡음(1322)은 열 잡음도 화살표처럼 감소될 수 있다.
상술한 도 6a 내지 도 8b 및 도 11 및 도 12에 도시된 차분 증폭기는 이벤트에 기반한 비전 센서의 센싱 엘리먼트에 적용되는 것을 가정하여 서술되었으나 이로 한정하는 것은 아니고, 해당 차분 증폭기는 크기/면적이 제한되는 회로(예를 들어, 센싱 엘리먼트 또는 픽셀의 크기가 20 μm x 20 μm 이하인 센서 등) 또는 대기 상태가 오래 지속되는 회로(예를 들어, 센서, 버퍼, ADC 등)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 센서는 바이오메트릭 센서(biometric sensor) 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 센싱 엘리먼트 내 차분 증폭기의 스위치에 포함된 트랜지스터의 바디 노드(body node)의 전압 바이어스(voltage bias)를 출력 단자(output terminal)로 설정할 수 있다. 이를 통해, 회로의 면적 및 전력 소모 증가 없이 DC 오프셋에 의해 발생하는 시스템적 거짓 이벤트(systematic false event)가 제거되고, 원하는 신호 범위 밖의 디바이스 잡음이 효과적으로 제거될 수 있다. 따라서 에러 이벤트에 의해 증가하는 전력 소모를 억제하고 디지털 회로에서 효율적인 처리가 수행될 수 있다.
또한, 이벤트에 기반한 비전 센서뿐만 아니라 여러 바이오메디컬 시스템(biomedical system) 등 픽셀(pixel) 내 누설 전류(leakage current)에 의해 오류 신호가 빈번히 발생하는 시스템에 보편적으로 적용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 플로팅 노드를 통해 신호를 수신하고, 상기 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 출력 노드로 출력하도록 구성된 증폭기(amplifier);
    상기 플로팅 노드 및 입력단 사이에 연결된 제1 커패시터;
    상기 플로팅 노드 및 상기 출력 노드 사이에 연결된 제2 커패시터; 및
    상기 플로팅 노드 및 상기 출력 노드 사이에 연결되고, 리셋 신호에 응답하여, 상기 증폭기를 리셋하도록 구성된 리셋 트랜지스터를 포함하고,
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 출력 노드와 연결된 바디 노드를 포함하는 차분 증폭기(difference amplifier).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리셋 트랜지스터는:
    상기 리셋 신호를 수신하도록 구성된 게이트 노드;
    상기 출력 노드 및 상기 바디 노드와 연결된 소스 노드; 및
    상기 플로팅 노드와 연결된 드레인 노드를 더 포함하는 차분 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    p 서브스트레이트 상에 형성된 리셋 트랜지스터는 PMOS(P-channel metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터이고,
    상기 리셋 트랜지스터의 상기 바디 노드는 상기 p 서브스트레이트 상에 형성된 n-웰이고,
    상기 리셋 트랜지스터의 상기 소스 노드는 상기 바디 노드에 형성된 제1 p+영역이고,
    상기 리셋 트랜지스터의 상기 드레인 노드는 상기 바디 노드에 형성된 제2 p+영역인 차분 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 플로팅 노드 및 상기 출력 노드 사이의 전류 경로는 상기 바디 노드 및 상기 출력 노드를 연결함으로써 형성되는 차분 증폭기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 p 서브스트레이트는 접지 노드와 연결된 차분 증폭기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 리셋 트랜지스터는 p 서브스트레이트 상에 형성된 NMOS(N- channel metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터이고,
    상기 리셋 트랜지스터의 상기 바디 노드는 상기 p 서브스트레이트 상에 형성된 딥 n-웰이고, 플로팅 웰과 연결되고,
    상기 리셋 트랜지스터의 상기 소스 노드는 상기 플로팅 웰에 형성된 제1 n+ 영역이고,
    상기 리셋 트랜지스터의 상기 드레인 노드는 상기 플로팅 웰에 형성된 제2 n+ 영역인 차분 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 p 서브스트레이트의 일부는 공급 전압과 연결되는 차분 증폭기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 플로팅 웰 및 상기 소스 노드에 의해 제1 다이오드가 형성되고, 상기 플로팅 웰 및 상기 드레인 노드에 의해 제2 다이오드가 형성되고,
    상기 제1 다이오드는 상기 플로팅 웰로부터 상기 소스 노드로의 방향을 정방향으로 동작하도록 구성되고, 상기 제2 다이오드는 상기 플로팅 웰로부터 상기 드레인 노드로의 방향을 정방향으로 동작하도록 구성된 차분 증폭기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는:
    공급 전압 및 상기 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 플로팅 노드의 전압에 응답하여 동작하도록 구성된 제1 트랜지스터; 및
    상기 출력 노드 및 접지 노드 사이에 연결된 바이어스 전류원을 포함하는 차분 증폭기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
KR1020150032619A 2015-03-09 2015-03-09 오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서 KR102426677B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150032619A KR102426677B1 (ko) 2015-03-09 2015-03-09 오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서
US14/802,401 US9739660B2 (en) 2015-03-09 2015-07-17 Event-based vision sensor and difference amplifier with reduced noise and removed offset
US16/533,895 USRE49355E1 (en) 2015-03-09 2019-08-07 Event-based vision sensor and difference amplifier with reduced noise and removed offset

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150032619A KR102426677B1 (ko) 2015-03-09 2015-03-09 오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160109017A KR20160109017A (ko) 2016-09-21
KR102426677B1 true KR102426677B1 (ko) 2022-07-28

Family

ID=56886559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150032619A KR102426677B1 (ko) 2015-03-09 2015-03-09 오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서

Country Status (2)

Country Link
US (2) US9739660B2 (ko)
KR (1) KR102426677B1 (ko)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2525625B (en) * 2014-04-29 2017-05-31 Isdi Ltd Device and method
US20160093273A1 (en) * 2014-09-30 2016-03-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Dynamic vision sensor with shared pixels and time division multiplexing for higher spatial resolution and better linear separable data
US20180146149A1 (en) 2016-11-21 2018-05-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Event-based sensor, user device including the same, and operation method of the same
EP3869791A1 (en) 2016-12-30 2021-08-25 Sony Advanced Visual Sensing AG Data rate control for event-based vision sensor
JP2019054438A (ja) * 2017-09-15 2019-04-04 アズビル株式会社 光電センサ
CN109842404A (zh) * 2019-04-01 2019-06-04 重庆鲁班机器人技术研究院有限公司 动态有源像素视觉传感器
KR20210028308A (ko) 2019-09-03 2021-03-12 삼성전자주식회사 증폭기 및 그것을 포함하는 이미지 센서 장치
KR20210102511A (ko) 2020-02-10 2021-08-20 삼성전자주식회사 버퍼를 포함하는 동적 비전 센서 장치
JP2023037041A (ja) * 2020-02-18 2023-03-15 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像回路および撮像装置
US11353909B2 (en) 2020-03-27 2022-06-07 Synaptics Incorporated Operational amplifier, integrated circuit, and method for operating the same
KR20220085619A (ko) 2020-12-15 2022-06-22 삼성전자주식회사 비전 센서 및 이의 동작 방법
US11430828B2 (en) * 2020-12-17 2022-08-30 Omnivision Technologies, Inc. Event driven pixel for spatial information extraction
JPWO2023032320A1 (ko) * 2021-09-03 2023-03-09
CN115314104B (zh) * 2022-08-09 2024-03-12 无锡飞龙九霄微电子有限公司 一种低噪声的rssi电路及工作方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6970196B1 (en) 1999-03-16 2005-11-29 Hamamatsu Photonics K.K. High-speed vision sensor with image processing function
US6642503B2 (en) * 2001-06-13 2003-11-04 Texas Instruments Incorporated Time domain sensing technique and system architecture for image sensor
US6660989B2 (en) * 2001-07-11 2003-12-09 Texas Instruments Incorporated CMOS imager having asynchronous pixel readout in order of pixel illumination
US6797934B2 (en) 2002-05-23 2004-09-28 Eidgenossische Technische Hochschule Zurich Optical transient sensor having a charge/discharge circuit
US7388183B2 (en) 2002-08-23 2008-06-17 Micron Technology, Inc. Low dark current pixel with a guard drive active photodiode
US7075130B2 (en) 2002-09-19 2006-07-11 Eidgenossische Technische Hochschule Zurich Photosensitive device with low power consumption
KR20040093901A (ko) * 2003-04-30 2004-11-09 매그나칩 반도체 유한회사 다기능을 갖는 리셋트랜지스터가 내장된 씨모스 이미지센서의 단위화소
US7105793B2 (en) * 2003-07-02 2006-09-12 Micron Technology, Inc. CMOS pixels for ALC and CDS and methods of forming the same
US7518645B2 (en) * 2005-01-06 2009-04-14 Goodrich Corp. CMOS active pixel sensor with improved dynamic range and method of operation
EP1958433B1 (en) 2005-06-03 2018-06-27 Universität Zürich Photoarray for detecting time-dependent image data
AT504582B1 (de) 2006-11-23 2008-12-15 Arc Austrian Res Centers Gmbh Verfahren zur generierung eines bildes in elektronischer form, bildelement für einen bildsensor zur generierung eines bildes sowie bildsensor
US8426793B1 (en) 2007-10-04 2013-04-23 Geoffrey L. Barrows Vision sensor
US7652754B2 (en) 2007-10-04 2010-01-26 Barrows Geoffrey L Feature detecting vision sensor
US8570393B2 (en) 2007-11-30 2013-10-29 Cognex Corporation System and method for processing image data relative to a focus of attention within the overall image
ES2396816B1 (es) 2011-05-26 2014-01-21 Consejo Superior De Investigaciones Científcas (Csic) Circuito de ganancia de transimpedancia de bajo consumo y bajo desapareamiento para sistemas de fotosensado diferenciador temporal en sensores dinámicos de visión
JP5960279B2 (ja) 2011-12-19 2016-08-02 ウニヴェルズィテート チューリッヒ サンプル抽出された輝度の検知と時間依存性の画像データの非同期検出との同時実施などのためのフォトアレイ
TWI526072B (zh) * 2012-02-10 2016-03-11 聯詠科技股份有限公司 光感測畫素電路與影像感測器
KR20140056986A (ko) 2012-11-02 2014-05-12 삼성전자주식회사 모션 센서 어레이 장치, 상기 모선 센서 어레이를 이용한 거리 센싱 시스템, 및 거리 센싱 방법
KR102009165B1 (ko) 2013-01-24 2019-10-21 삼성전자 주식회사 이미지 센서, 멀티 칩 패키지, 및 전자 장치
US20160071849A1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Texas Instruments Incorporated Mode-Variant Adaptive Body Bias Scheme For Low-Power Semiconductors

Also Published As

Publication number Publication date
US20160265970A1 (en) 2016-09-15
KR20160109017A (ko) 2016-09-21
US9739660B2 (en) 2017-08-22
USRE49355E1 (en) 2023-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102426677B1 (ko) 오프셋 및 잡음이 감소되는 차분 증폭기 및 이벤트에 기반한 비전 센서
JP7071986B2 (ja) 時間依存ビジュアルデータを検出する画素回路
JP6415572B2 (ja) 動的な、単一光ダイオードの画素回路およびその作動方法
US8975569B2 (en) Solid-state imaging device, driving method thereof, and solid-state imaging system to perform difference processing using effective and reference pixels
JP6261361B2 (ja) 固体撮像装置およびカメラ
JP6319946B2 (ja) 固体撮像装置及び撮像システム
US9667892B2 (en) Image sensor, image sensing device, camera, and method of driving image sensing device
JP2009225004A (ja) 固体撮像装置
US9276021B2 (en) Electronic device including current sources and amplifiers
KR20140053030A (ko) 다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로
KR20210037302A (ko) 이미지 센서 및 그 동작 방법
US20140197302A1 (en) Solid-state image sensor
US20170208266A1 (en) Pulse detection bandpass filter with gain stage
US8629726B1 (en) High-performance amplifier for transducer array input unit cell
KR101194873B1 (ko) 넓은 다이나믹 레인지를 가지는 고감도 ｃｍｏｓ 영상 센서 장치
US11595599B2 (en) Imaging device
US9000342B2 (en) Passive type image sensor and method including first and second anti-blooming transistors discharging electric charges while integrating electric charges
JP4264621B2 (ja) 電流−電圧変換回路および固体撮像素子
KR101340839B1 (ko) 고감도 ｃｍｏｓ 영상 센서 장치
JP6555980B2 (ja) 撮像装置、撮像システム
JP4890955B2 (ja) 固体撮像装置
KR100977834B1 (ko) 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서
US20140009664A1 (en) Photoelectric conversion apparatus
JP6001887B2 (ja) 固体撮像装置
JP2009105246A (ja) 光電変換素子、固体撮像装置、および電子機器

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant