KR102453812B1 - 이미지 센싱 장치 및 그의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 플로팅 확산 노드; 초기화 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드를 제1 전압으로 초기화하기 위한 초기화부; 부스트(boost) 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드를 제2 전압으로 부스팅하기 위한 부스팅부; 입사광에 기초하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 전달 제어신호에 기초하여 상기 광전하를 상기 플로팅 확산 노드로 전달하기 위한 전달부; 및 선택 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀 신호를 생성하기 위한 선택부를 포함하는 이미지 센싱 장치를 제공한다.

Description

이미지 센싱 장치 및 그의 구동 방법{IMAGE SENSING DEVICE AND METHOD OF DRIVING THE SAME}
본 발명은 반도체 설계 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센싱 장치 및 그의 구동 방법에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 소자이다. 이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. 최근에는 아날로그 및 디지털 제어회로를 하나의 집적회로(IC) 위에 직접 구현할 수 있는 장점으로 인하여 CMOS를 이용한 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 실시예는 포토 다이어드에 생성된 광전하를 플로팅 확산 노드로 전달하기 위한 전달 능력이 향상된 이미지 센싱 장치 및 그의 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 센싱 장치는 플로팅 확산 노드(floating diffusion node); 초기화 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드를 제1 전압으로 초기화하기 위한 초기화부; 부스트(boost) 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드를 제2 전압으로 부스팅하기 위한 부스팅부; 입사광에 기초하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 전달 제어신호에 기초하여 상기 광전하를 상기 플로팅 확산 노드로 전달하기 위한 전달부; 및 선택 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀 신호를 생성하기 위한 선택부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이미지 센싱 장치는 플로팅 확산 노드(floating diffusion node); 부스트 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드를 제2 전압으로 초기화 및 부스팅(boosting)하기 위한 부스팅부; 입사광에 기초하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 전달 제어신호에 기초하여 상기 광전하를 상기 플로팅 확산 노드로 전달하기 위한 전달부; 및 선택 제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀 신호를 제1 전압으로 생성하기 위한 선택부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이미지 센싱 장치의 구동 방법은 기준 구간 동안, 플로팅 확산 노드(floating diffusion node)를 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 부스팅(boosting)하는 단계; 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 기초하여 상기 제2 전압에 대응하는 기준 신호를 상기 제1 전압으로 생성하는 단계; 상기 기준 구간 이후의 전달 구간 동안, 포토 다이오드에서 상기 플로팅 확산 노드로 광전하를 전달하는 단계; 및 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 기초하여 상기 광전하에 대응하는 데이터 신호를 상기 제1 전압으로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 포토 다이어드에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 노드로 전달하기 위한 전달 능력이 향상됨으로써 전하 손실 및 이미지 래그(image lag)를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀의 내부 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 아날로그/디지털 컨버터(ADC)의 내부 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도가 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 블록 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 픽셀의 내부 구성도이다.
도 7은 도 5에 도시된 아날로그/디지털 컨버터(ADC)의 내부 구성도이다.
도 8은 도 5에 도시된 이미지 센싱 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도가 도시되어 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센싱 장치가 블록 구성도로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 로우 컨트롤러(110), 픽셀 어레이(120) 및 아날로그/디지털 컨버터(ADC)(130)를 포함할 수 있다.
로우 컨트롤러(110)는 픽셀 어레이(120)의 동작을 로우(row) 단위로 제어하기 위한 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 로우 컨트롤러(110)는 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)를 생성하기 위한 제1 내지 제Y+1 제어부(도면에 미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)는 각각 초기화 제어신호(R<k>), 부스트(boost) 제어신호(B<k>), 전송 제어신호(T<k>) 및 선택 제어신호(S<k>)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)는 제1 초기화 제어신호(R<0>), 제1 부스트 제어신호(B<0>), 제1 전송 제어신호(T<0>) 및 제1 선택 제어신호(S<0>)를 포함할 수 있고, 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<Y>)는 제Y+1 초기화 제어신호(R<Y>), 제Y+1 부스트 제어신호(B<Y>), 제Y+1 전송 제어신호(T<Y>) 및 제Y+1 선택 제어신호(S<Y>)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(120)는 로우 방향과 컬럼(column) 방향으로 배열된 복수의 픽셀(PX)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀(PX)은 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)에 기초하여 로우 단위로 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 첫 번째 로우에 배열된 픽셀들은 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)에 기초하여 제1 로우 시간 동안 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 동시에 생성할 수 있고, 마지막 번째 로우에 배열된 픽셀들은 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<Y>)에 기초하여 제Y+1 로우 시간 동안 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 동시에 생성할 수 있다.
아날로그/디지털 컨버터(130)는 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 제1 내지 제X+1 디지털 신호(DOUT<0:X>)로 변환할 수 있다. 도면에 잘 도시되지 않았지만, 아날로그/디지털 컨버터(130)는 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 제1 내지 제X+1 디지털 신호(DOUT<0:X>)로 변환하기 위한 제1 내지 제X+1 리드아웃 회로부를 포함할 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 복수의 픽셀(PX)의 내부 구성도가 도시되어 있다. 복수의 픽셀(PX)은 모두 동일한 구성을 가지므로, 이하에서는 첫 번째 로우와 첫 번째 컬럼의 교차점에 배열된 픽셀(PX)만을 대표적으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 픽셀(PX)은 포토 다이오드(PD), 플로팅 확산 노드(floating diffusion node)(FD), 초기화부(RX), 부스팅부(BX), 전달부(TX) 및 선택부(DX, SX)를 포함할 수 있다.
포토 다이오드(PD)는 노출 구간 동안 입사광에 기초하여 광전하를 생성할 수 있다.
플로팅 확산 노드(FD)는 상기 광전하를 축적할 수 있다. 예컨대, 플로팅 확산 노드(FD)에는 기생 커패시터(PC)가 접속될 수 있으며, 기생 커패시터(PC)는 상기 광전하를 축적할 수 있다.
초기화부(RX)는 제1 초기화 제어신호(R<0>)에 기초하여 플로팅 확산 노드(FD)를 전원전압(VDD)으로 초기화할 수 있다. 초기화부(RX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 잔류하는 전하를 초기화 구간 동안 전원전압(VDD)단으로 배출함으로써 플로팅 확산 노드(FD)를 초기화할 수 있다. 예컨대, 초기화부(RX)는 제1 초기화 제어신호(R<0>)를 게이트로 입력받으며, 전원전압(VDD)단과 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)에 기초하여 플로팅 확산 노드(FD)를 전원전압(VDD)보다 높은 승압전압(VR)으로 부스팅할 수 있다. 부스팅부(BX)는 상기 초기화 구간 이후의 기준 구간 동안 플로팅 확산 노드(FD)를 승압전압(VR)으로 부스팅할 수 있다. 예컨대, 부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)를 게이트로 입력받으며, 승압전압(VR)단과 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 상기 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있다. 전달부(TX)는 상기 기준 구간 이후의 전달 구간 동안 상기 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있다. 그리고, 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 포토 다이오드(PD)를 초기화할 수 있다. 전달부(TX)는 상기 초기화 구간 동안 초기화부(RX)와 함께 인에이블되며, 포토 다이오드(FD)에 잔류하는 광전하를 전원전압(VDD)단으로 배출할 수 있다. 예컨대, 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)를 게이트로 입력받으며, 플로팅 확산 노드(FD)와 포토 다이오드(PD) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
선택부(DX, SX)는 제1 선택 제어신호(S<0>)에 기초하여 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 선택부(DX, SX)는 상기 기준 구간 동안 승압전압(VR)에 대응하는 기준 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있고, 상기 전달 구간 동안 상기 광전하에 대응하는 데이터 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있다. 예컨대, 선택부(DX, SX)는 구동부(DX)와 출력부(SX)를 포함할 수 있다. 구동부(DX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 전원전압(VDD)으로 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 구동할 수 있다. 예컨대, 구동부(DX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 게이트가 접속되며, 전원전압(VDD)단과 선택부(SX) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 출력부(SX)는 제1 선택 제어신호(S<0>)에 기초하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 아날로그/디지털 컨버터(130)에게 출력할 수 있다. 예컨대, 출력부(SX)는 제1 선택 제어신호(S<0>)를 게이트로 입력받으며, 구동부(DX)와 아날로그/디지털 컨버터(130) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 아날로그/디지털 컨버터(130)의 내부 구성도가 도시되어 있다. 특히, 도 3에는 아날로그/디지털 컨버터(130)에 포함된 상기 제1 내지 제X+1 리드아웃 회로부(도면에 미도시) 중 제1 리드아웃 회로부만이 대표적으로 도시되어 있다. 상기 제1 내지 제X+1 리드아웃 회로부는 모두 동일한 구성을 가지므로, 이하에서는 상기 제1 리드아웃 회로부만을 대표적으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 제1 리드아웃 회로부는 샘플링부(130_01), 비교부(130_03) 및 카운팅부(130_05)를 포함할 수 있다.
샘플링부(130_01)는 제1 및 제2 샘플링 제어신호(SMP0, SMP1)에 기초하여 상기 기준 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)와 상기 데이터 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 순차적으로 샘플링할 수 있다. 다시 말해, 샘플링부(130_01)는 제1 샘플링 제어신호(SMP0)에 기초하여 상기 기준 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 샘플링한 다음, 제2 샘플링 제어신호(SMP1)에 기초하여 상기 데이터 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 샘플링할 수 있다. 예컨대, 샘플링부(130_01)는 CDS(correlated double sampling) 회로를 포함할 수 있다.
비교부(130_03)는 제1 샘플링 신호(SMP<0>) - 샘플링부(130_01)로부터 출력됨 - 와 램프 신호(VRAMP)를 비교할 수 있다. 구체적으로, 비교부(130_03)는 상기 기준 신호에 대응하는 제1 샘플링 신호(SMP<0>)를 램프 신호(VRAMP)와 비교하고 그 비교결과를 제1 비교 신호(VAMP<0>)로써 생성한 다음, 상기 데이터 신호에 대응하는 제1 샘플링 신호(SMP<0>)를 램프 신호(VRAMP)와 비교하고 그 비교결과를 제1 비교 신호(VAMP<0>)로써 생성할 수 있다. 예컨대, 비교부(130_03)는 차동증폭기(differential amplifier)를 포함할 수 있다.
카운팅부(130_05)는 제1 비교 신호(VAMP<0>)와 클럭 신호(CLK_RAMP)에 기초하여 제1 디지털 신호(DOUT<0>)를 생성할 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 설명한다. 설명의 편의를 위하여 첫 번째 로우 및 첫 번째 컬럼의 교차점에 배열된 픽셀(PX)에 대응하는 동작만을 설명한다.
도 4에는 상기 픽셀(PX)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 로우 컨트롤러(110)는 상기 제1 로우 시간 동안 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 제어부는 상기 초기화 구간(RP) 동안 제1 초기화 제어신호(R<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)를 활성화할 수 있고, 상기 초기화 구간(RP) 이후의 선택 구간(SP) 동안 제1 선택 제어신호(S<0>)를 활성화할 수 있다. 그리고, 상기 제1 제어부는 상기 선택 구간(SP) 동안 제1 부스트 제어신호(B<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)를 순차적으로 활성화할 수 있다. 즉, 상기 제1 제어부는 상기 선택 구간(SP)의 초기 구간에 대응하는 상기 기준 구간(BP) 동안 제1 부스트 제어신호(B<0>)를 활성화한 다음, 상기 선택 구간(SP)의 후기 구간에 대응하는 상기 전달 구간(TP) 동안 제1 전달 제어신호(T<0>)를 활성화할 수 있다.
그러면, 상기 픽셀(PX)은 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)에 기초하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 이를 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 픽셀(PX)은 제1 초기화 제어신호(R<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 상기 초기화 구간(RP) 동안 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산 노드(FD)를 전원전압(VDD)으로 초기화할 수 있다. 예컨대, 초기화부(RX)는 제1 초기화 제어신호(R<0>)에 기초하여 상기 초기화 구간(RP) 동안 플로팅 확산 노드(FD)에 잔류하는 전하를 전원전압(VDD)단으로 배출할 수 있고, 이와 동시에 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(R<0>)에 기초하여 상기 초기화 구간(RP) 동안 포토 다이오드(PD)에 잔류하는 전하를 전원전압(VDD)단으로 배출할 수 있다.
그리고, 픽셀(PX)은 제1 선택 제어신호(S<0>)와 제1 부스트 제어신호(B<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여, 상기 기준 구간(BP) 동안 상기 기준 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성한 다음 상기 전달 구간(TP) 동안 상기 데이터 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)에 기초하여 상기 기준 구간(BP) 동안 전원전압(VDD)보다 높은 승압전압(VR)으로 플로팅 확산 노드(FD)를 부스팅할 수 있고, 선택부(DX, SX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 승압전압(VPP)에 대응하는 상기 기준 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있다. 이때, 선택부(DX, SX)는 전원전압(VDD)을 이용하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 그리고, 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 상기 전달 구간(TP) 동안 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있고, 선택부(DX, SX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 상기 광전하에 대응하는 상기 데이터 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있다. 이때, 선택부(DX, SX)는 전원전압(VDD)을 이용하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다.
참고로, 포토 다이오드(PD)는 초기화 구간(RP)이 종료되는 시점부터 전달 구간(TP)이 시작되는 시점 사이의 노출 구간(EP) 동안 상기 광전하를 생성할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센싱 장치가 블록 구성도로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 이미지 센싱 장치(200)는 로우 컨트롤러(210), 픽셀 어레이(220) 및 아날로그/디지털 컨버터(ADC)(230)를 포함할 수 있다.
로우 컨트롤러(210)는 픽셀 어레이(220)의 동작을 로우(row) 단위로 제어하기 위한 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 로우 컨트롤러(210)는 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)를 생성하기 위한 제1 내지 제Y+1 제어부(도면에 미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)는 각각 부스트(boost) 제어신호(B<k>), 전송 제어신호(T<k>) 및 선택 제어신호(S<k>)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)는 제1 부스트 제어신호(B<0>), 제1 전송 제어신호(T<0>) 및 제1 선택 제어신호(S<0>)를 포함할 수 있고, 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<Y>)는 제Y+1 부스트 제어신호(B<Y>), 제Y+1 전송 제어신호(T<Y>) 및 제Y+1 선택 제어신호(S<Y>)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(220)는 로우 방향과 컬럼(column) 방향으로 배열된 복수의 픽셀(PX)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀(PX)은 제1 내지 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0:Y>)에 기초하여 로우 단위로 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 첫 번째 로우에 배열된 픽셀들은 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)에 기초하여 제1 로우 시간 동안 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 동시에 생성할 수 있고, 마지막 번째 로우에 배열된 픽셀들은 제Y+1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<Y>)에 기초하여 제Y+1 로우 시간 동안 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 동시에 생성할 수 있다.
아날로그/디지털 컨버터(230)는 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 제1 내지 제X+1 디지털 신호(DOUT<0:X>)로 변환할 수 있다. 도면에 잘 도시되지 않았지만, 아날로그/디지털 컨버터(230)는 제1 내지 제X+1 픽셀 신호(VPX<0:X>)를 제1 내지 제X+1 디지털 신호(DOUT<0:X>)로 변환하기 위한 제1 내지 제X+1 리드아웃 회로부를 포함할 수 있다.
도 6에는 도 5에 도시된 복수의 픽셀(PX)의 내부 구성도가 도시되어 있다. 복수의 픽셀(PX)은 모두 동일한 구성을 가지므로, 이하에서는 첫 번째 로우 및 첫 번째 컬럼의 교차점에 배열된 픽셀(PX)만을 대표적으로 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 픽셀(PX)은 포토 다이오드(PD), 플로팅 확산 노드(floating diffusion node)(FD), 부스팅부(BX), 전달부(TX) 및 선택부(DX, SX)를 포함할 수 있다.
포토 다이오드(PD)는 노출 구간 동안 입사광에 기초하여 광전하를 생성할 수 있다.
플로팅 확산 노드(FD)는 상기 광전하를 축적할 수 있다. 예컨대, 플로팅 확산 노드(FD)에는 기생 커패시터(PC)가 접속될 수 있으며, 기생 커패시터(PC)는 상기 광전하를 축적할 수 있다.
부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)에 기초하여, 플로팅 확산 노드(FD)를 전원전압(VDD)보다 높은 승압전압(VR)으로 초기화할 수 있고 승압전압(VR)으로 부스팅할 수 있다. 구체적으로, 부스팅부(BX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 잔류하는 전하를 초기화 구간 동안 승압전압(VR)단으로 배출함으로써 플로팅 확산 노드(FD)를 초기화할 수 있고, 상기 초기화 구간 이후의 기준 구간 동안 플로팅 확산 노드(FD)를 승압전압(VR)으로 부스팅할 수 있다. 예컨대, 부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)를 게이트로 입력받으며, 승압전압(VR)단과 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 상기 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있다. 전달부(TX)는 상기 기준 구간 이후의 전달 구간 동안 상기 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있다. 그리고, 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 포토 다이오드(PD)를 초기화할 수 있다. 전달부(TX)는 상기 초기화 구간 동안 부스팅부(BX)와 함께 인에이블되며, 포토 다이오드(FD)에 잔류하는 광전하를 승압전압(VR)단으로 배출할 수 있다. 예컨대, 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)를 게이트로 입력받으며, 플로팅 확산 노드(FD)와 포토 다이오드(PD) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
선택부(DX, SX)는 제1 선택 제어신호(S<0>)에 기초하여 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 선택부(DX, SX)는 상기 기준 구간 동안 승압전압(VR)에 대응하는 기준 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있고, 상기 전달 구간 동안 상기 광전하에 대응하는 데이터 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있다. 선택부(DX, SX)는 구동부(DX)와 출력부(SX)를 포함할 수 있다. 구동부(DX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 전원전압(VDD)으로 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 구동할 수 있다. 예컨대, 구동부(DX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 게이트가 접속되며, 전원전압(VDD)단과 선택부(SX) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 출력부(SX)는 제1 선택 제어신호(S<0>)에 기초하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 아날로그/디지털 컨버터(230)에게 출력할 수 있다. 예컨대, 출력부(SX)는 제1 선택 제어신호(S<0>)를 게이트로 입력받으며, 구동부(DX)와 아날로그/디지털 컨버터(230) 사이에 드레인과 소오스가 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
한편, 도 7에는 도 5에 도시된 아날로그/디지털 컨버터(230)의 내부 구성도가 도시되어 있으나, 아날로그/디지털 컨버터(230)는 본 발명의 제1 실시예에서 설명된 아날로그/디지털 컨버터(130)와 동일하므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(200)의 동작을 설명한다. 설명의 편의를 위하여 첫 번째 로우 및 첫 번째 컬럼의 교차점에 배열된 픽셀(PX)에 대응하는 동작만을 설명한다.
도 8에는 상기 픽셀(PX)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 로우 컨트롤러(210)는 상기 제1 로우 시간 동안 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 제어부는 상기 초기화 구간(RP) 동안 제1 부스트 제어신호(B<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)를 활성화할 수 있고, 상기 초기화 구간(RP) 이후의 선택 구간(SP) 동안 제1 선택 제어신호(S<0>)를 활성화할 수 있다. 그리고, 상기 제1 제어부는 상기 선택 구간(SP) 동안 제1 부스트 제어신호(B<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)를 순차적으로 활성화할 수 있다. 즉, 상기 제1 제어부는 상기 선택 구간(SP)의 초기 구간에 대응하는 상기 기준 구간(BP) 동안 제1 부스트 제어신호(B<0>)를 활성화한 다음, 상기 선택 구간(SP)의 후기 구간에 대응하는 상기 전달 구간(TP) 동안 제1 전달 제어신호(T<0>)를 활성화할 수 있다.
그러면, 상기 픽셀(PX)은 제1 로우 제어신호(ROW_CTRLs<0>)에 기초하여 상기 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 이를 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 픽셀(PX)은 제1 부스트 제어신호(B<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 상기 초기화 구간(RP) 동안 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산 노드(FD)를 승압전압(VR)으로 초기화할 수 있다. 예컨대, 부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)에 기초하여 상기 초기화 구간(RP) 동안 플로팅 확산 노드(FD)에 잔류하는 전하를 승압전압(VR)단으로 배출할 수 있고, 이와 동시에 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(R<0>)에 기초하여 상기 초기화 구간(RP) 동안 포토 다이오드(PD)에 잔류하는 전하를 승압전압(VR)단으로 배출할 수 있다.
그리고, 픽셀(PX)은 제1 선택 제어신호(S<0>)와 제1 부스트 제어신호(B<0>)와 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여, 상기 기준 구간(BP) 동안 상기 기준 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성한 다음 상기 전달 구간(TP) 동안 상기 데이터 신호에 대응하는 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 예컨대, 부스팅부(BX)는 제1 부스트 제어신호(B<0>)에 기초하여 상기 기준 구간(BP) 동안 전원전압(VDD)보다 높은 승압전압(VR)으로 플로팅 확산 노드(FD)를 부스팅할 수 있고, 선택부(DX, SX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 승압전압(VPP)에 대응하는 상기 기준 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있다. 이때, 선택부(DX, SX)는 전원전압(VDD)을 이용하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다. 그리고, 전달부(TX)는 제1 전달 제어신호(T<0>)에 기초하여 상기 전달 구간(TP) 동안 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있고, 선택부(DX, SX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 상기 광전하에 대응하는 상기 데이터 신호를 제1 픽셀 신호(VPX<0>)로써 생성할 수 있다. 이때, 선택부(DX, SX)는 전원전압(VDD)을 이용하여 제1 픽셀 신호(VPX<0>)를 생성할 수 있다.
참고로, 포토 다이오드(PD)는 초기화 구간(RP)이 종료되는 시점부터 전달 구간(TP)이 시작되는 시점 사이의 노출 구간(EP) 동안 상기 광전하를 생성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 기준 구간(BP) 동안 플로팅 확산 노드(FD)를 전원전압(VDD)보다 높은 승압전압(VR)으로 부스팅함에 따라 전달부(TX)에 포함된 NMOS 트랜지스터의 드레인-소오스 전압(Vds)이 상승되면서 상기 전달 구간(TP) 동안 전달부(TX)의 전달 능력이 향상되는 이점이 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 이상에서 설명한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경으로 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 이미지 센싱 장치 110 : 로우 컨트롤러
120 : 픽셀 어레이 PX : 픽셀
PD : 포토 다이오드 FD : 플로팅 확산 노드
RX : 초기화부 BX : 부스팅부
TX : 전달부 DX : 구동부
SX : 출력부 130 : 아날로그/디지털 컨버터
130_01 : 샘플링부 130_03 : 비교부
130_05 : 카운팅부

Claims (20)

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  8. 플로팅 확산 노드(floating diffusion node);
    제2 전압단과 상기 플로팅 확산 노드 사이에 접속되고, 단일 부스트 제어신호에 기초하여, 초기화 구간 동안 상기 플로팅 확산 노드를 제2 전압으로 초기화하고 선택 구간 중 기준 구간 동안 상기 플로팅 확산 노드를 상기 제2 전압으로 부스팅(boosting)하기 위한 부스팅부;
    입사광에 기초하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드;
    전달 제어신호에 기초하여 상기 선택 구간 중 전달 구간 동안 상기 광전하를 상기 플로팅 확산 노드로 전달하기 위한 전달부; 및
    선택 제어신호에 기초하여 상기 선택 구간 동안 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀 신호를 제1 전압으로 생성하기 위한 선택부
    를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 초기화 구간 동안 상기 단일 부스트 제어신호를 생성하고, 상기 초기화 구간 이후의 상기 선택 구간 동안 상기 선택 제어신호를 생성하며, 상기 선택 구간 동안 상기 단일 부스트 제어신호와 상기 전달 제어신호를 순차적으로 생성하는 제어부를 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 초기화 구간 동안 상기 전달 제어신호를 생성하는 이미지 센싱 장치.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 선택부는,
    상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 기초하여 상기 제1 전압으로 상기 픽셀 신호를 구동하기 위한 구동부; 및
    상기 선택 제어신호에 기초하여 상기 픽셀 신호를 출력하기 위한 출력부를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 선택부는 상기 제2 전압에 대응하는 기준 신호를 상기 픽셀 신호로써 생성하고, 상기 광전하에 대응하는 데이터 신호를 상기 픽셀 신호로써 생성하는 이미지 센싱 장치.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제12항에 있어서,
    상기 기준 신호와 상기 데이터 신호를 순차적으로 샘플링하기 위한 샘플링부를 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 높은 이미지 센싱 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. ◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 단일 부스트 제어신호는 로우 시간 중 상기 초기화 구간과 상기 로우 시간 중 상기 기준 구간 동안 활성화되는 이미지 센싱 장치.
  20. ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 부스팅부는, 상기 단일 부스트 제어신호를 게이트로 입력받고 상기 제2 전압단과 상기 플로팅 확산 노드 사이에 드레인과 소오스가 접속된 트랜지스터를 포함하는 이미지 센싱 장치.
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