KR102514403B1 - 픽셀 신호 리드아웃 장치 및 그 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 픽셀 신호 리드아웃 장치 및 그 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 드라이브 트랜지스터들 간의 임계 전압의 차이를 컬럼 선택 트랜지스터를 추가하여 보상함으로써 한 번의 리드아웃 동작으로 픽셀 신호를 정확하게 리드아웃하기 위한 픽셀 신호 리드아웃 장치 및 그 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제공한다. 이러한 픽셀 신호 리드아웃 장치는, 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 구비하는 단위 픽셀; 및 게이트 단자로 인가되는 컬럼 선택 제어 신호에 응답하여 동작하여 일측 단자로 인가되는 전압을 타측 단자를 통해 상기 드라이브 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터의 일측 단자로 출력하는 컬럼 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 몇몇 실시예들은 씨모스 이미지 센서(CIS : CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Image Sensor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서(CIS)에서 픽셀(Pixel) 신호(픽셀 전압)를 출력단에 전달하는 드라이브 트랜지스터들 간의 제조 공정 차이로 인한 임계 전압(Threshold Voltage)의 차이를 보상하기 위해 리드아웃(Readout) 동작을 리셋(Reset) 신호와 시그널(Signal) 신호에 대해 두 번 수행하던 종래 기술과 달리, 드라이브 트랜지스터들 간의 임계 전압의 차이를 컬럼 선택 트랜지스터를 추가하여 보상함으로써 리드아웃 동작을 한 번으로 감소시키기 위한 픽셀 신호 리드아웃 장치 및 그 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
종래에는 씨모스 이미지 센서(CIS)에서 픽셀 신호를 단위 픽셀의 출력단에 전달하는 드라이브 트랜지스터들 간의 제조 공정 차이로 인한 임계 전압의 차이(오프셋)를 보상하기 위해 리드아웃 동작을 리셋 신호와 시그널 신호에 대해 두 번 수행하였다.
즉, 일반적으로 씨모스 이미지 센서에서는 픽셀 자체적으로 가지고 있는 오프셋(Offset) 값을 제거하기 위해 광신호가 입사되기 전과 후의 픽셀 신호를 비교하여 실제로 입사광에 의한 픽셀 신호만을 측정할 수 있도록 하며, 이러한 기법을 상호상관 이중 샘플링(CDS : Correlated Double Sampling)이라고 한다.
이처럼, 종래에는 드라이브 트랜지스터들 간의 제조 공정 차이로 인하여 임계 전압 값이 균일하지 않기 때문에 리드아웃 동작을 두 번 수행하여야 함으로써 전력 소모가 증가하고, 리드아웃 시간의 증가로 데이터 변환 시간이 감소하며, 이로 인하여 노이즈(Noise) 특성이 악화됨으로 인하여 고해상도의 씨모스 이미지 센서를 구현하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 실시예는 드라이브 트랜지스터들 간의 임계 전압의 차이를 컬럼 선택 트랜지스터를 추가하여 보상함으로써 한 번의 리드아웃 동작으로 픽셀 신호를 정확하게 리드아웃하기 위한 픽셀 신호 리드아웃 장치 및 그 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치는, 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 구비하는 단위 픽셀; 및 게이트 단자로 인가되는 컬럼 선택 제어 신호에 응답하여 동작하여 일측 단자로 인가되는 전압을 타측 단자를 통해 상기 드라이브 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터의 일측 단자로 출력하는 컬럼 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 픽셀 신호 리드아웃 장치는, 기준 전압을 이용하여 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화하기 위한 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 방법은, (a) 광 감지기를 리셋하는 단계; (b) 광전 변환하는 단계; (c) 플로팅 디퓨전 노드를 리셋할 때, 컬럼 선택 트랜지스터의 동작에 따라 드라이브 트랜지스터가 출력 노드에 대하여 다이오드 커넥션을 형성하는 단계; (d) 상기 드라이브 트랜지스터의 임계 전압을 추출하는 단계; (e) 광 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전달하여 상기 추출된 임계 전압을 보상하는 단계; 및 (f) 보상된 시그널 신호를 리드아웃하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 픽셀 신호 리드아웃 방법은, 기준 전압을 이용하여 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 구비하는 복수의 단위 픽셀을 이용하여 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력하기 위한 픽셀 어레이; 및 각각이 게이트 단자로 인가되는 컬럼 선택 제어 신호에 응답하여 동작하여 일측 단자로 인가되는 전압을 타측 단자를 통해 상응하는 컬럼의 상기 드라이브 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터의 일측 단자로 출력하기 위한 복수의 컬럼 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는, 기준 전압을 이용하여 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화하기 위한 픽셀 신호 로딩 라인 초기화부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 드라이브 트랜지스터들 간의 임계 전압의 차이를 컬럼 선택 트랜지스터를 추가하여 보상함으로써, 한 번의 리드아웃 동작으로 픽셀 신호를 정확하게 리드아웃할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 리드아웃 동작을 한 번 수행함으로써, 리드아웃 시간의 감소로 인하여 데이터 변환 시간을 증대시킬 수 있고, 전력 소모를 감소시킬 수 있으며, 노이즈 특성도 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치 및 그 동작 방법을 이용하면 용이하게 고해상도의 씨모스 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀의 회로도,
도 1b는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀의 동작 방법에 대한 흐름도,
도 1c는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀에 사용되는 신호의 파형도,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치의 회로도,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 방법에 대한 흐름도,
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치에 사용되는 신호의 파형도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치가 적용된 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀의 동작 방법에 대한 흐름도,
도 1c는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀에 사용되는 신호의 파형도,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치의 회로도,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 방법에 대한 흐름도,
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치에 사용되는 신호의 파형도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치가 적용된 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음을 알 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀의 회로도이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀의 동작 방법에 대한 흐름도이며, 도 1c는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀에 사용되는 신호의 파형도이다.
도 1a를 참조하여 살펴보면, 단위 픽셀(11)은, 광 감지기(PD: Photo sensitive Device), 전달 트랜지스터(M1), 리셋 트랜지스터(M2), 드라이브 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)를 구비한다.
이때, 광 감지기(PD)는 광전 변환 기능을 수행한다. 즉, 광 감지기(PD)는 외부로부터 광(Light)을 수신하고, 수신된 광에 기초하여 광 전하(Photo Charge)를 생성한다. 광 감지기(PD)는 제어부(도면에 도시되지 않음)로부터 출력되는 제어 신호에 응답하여 온 또는 오프될 수 있다. 광 감지기(PD)가 온 상태일 때 광 감지기(PD)는 입사되는 빛을 감지하여 광 전하를 생성할 수 있다. 반면에, 광 감지기(PD)가 오프 상태일 때 광 감지기(PD)는 입사되는 빛을 감지하지 않는다. 광 감지기(PD)는 포토 다이오드(Photo Diode), 포토 트랜지스터(Photo Transistor), 포토 게이트(Photo Gate), 핀드 포토 다이오드(PPD: Pinned Photo Diode) 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나를 이용하여 구현할 수 있다.
그리고 전달 트랜지스터(M1)는 게이트 단자에 인가되는 전달 제어 신호(TX)에 응답하여 일 단자에 연결된 광 감지기(PD)의 광 전하를 다른 일 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드로 전달한다.
그리고 리셋 트랜지스터(M2)는 게이트 단자에 인가되는 리셋 제어 신호(RX)에 응답하여 일 단자로부터 인가되는 전원 전압(VDD)을 다른 일 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드로 전달한다. 즉, 리셋 트랜지스터(M2)는 리셋 제어 신호(RX)에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드에 저장되어 있는 광 전하를 리셋시킨다. 여기서, 리셋 트랜지스터(M2)의 드레인 단자로 인가되는 전원 전압(VDD)은 리셋 트랜지스터(M2)의 입장에서는 초기화 전압이 될 것이다.
그리고 드라이브 트랜지스터(M3)는 일 단자가 전원 전압(VDD)에 연결되고 게이트 단자와 연결된 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 전하에 대응되는 전기 신호를 생성하여 다른 일 단자로 출력한다. 이때, 드라이브 트랜지스터(M3)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)의 역할을 한다.
그리고 선택 트랜지스터(M4)는 게이트 단자에 인가되는 선택 제어 신호(SX)에 응답하여 동작하여 일 단자로 인가되는 드라이브 트랜지스터(M3)로부터의 전기 신호를 다른 일 단자를 통하여 픽셀 신호로 출력한다. 이때, 선택 트랜지스터(M4)는 선택 제어 신호(SX)에 응답하여 단위 픽셀(11)을 선택하기 위한 스위칭 동작 및 어드레스 동작을 수행한다.
여기서, 플로팅 디퓨전 노드는 전달 트랜지스터(M1) 및 리셋 트랜지스터(M2)의 다른 일 단자를 공통으로 구성하는 확산 영역으로, 영상 신호에 대응되는 전하 또는 초기화 전압에 대응되는 전하가 축적되므로, 플로팅 디퓨전 노드 고유의 커패시터(C1)로 모델링할 수 있다.
다음으로, 도 1b 및 도 1c를 참조하여 단위 픽셀(11)의 동작 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전달 제어 신호(TX)와 리셋 제어 신호(RX)가 인에이블되어 있는 구간(A) 동안 광 감지기(PD)가 리셋된다(12). 즉, 전달 제어 신호(TX)가 하이 레벨을 가질 때에 전달 트랜지스터(M1)가 턴온되고, 그에 따라 광 감지기(PD)에 남아있는 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달되며, 리셋 제어 신호(RX)가 하이 레벨을 가질 때에 리셋 트랜지스터(M2)가 턴온되고, 그에 따라 플로팅 디퓨전 노드로 전달되어 저장되어 있는 광 전하가 리셋된다.
이후, 광 감지기(PD)가 익스포져 구간(B) 동안 광전 변환 기능을 수행한다(13). 즉, 광 감지기(PD)가 외부로부터 광을 수신하여 그에 상응하는 광 전하를 생성한다.
이후, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있고, 리셋 제어 신호(RX)가 인에이블되어 있는 구간(C) 동안 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋된다(14). 즉, 하이 레벨의 선택 제어 신호(SX)에 따라 제 1 선택 트랜지스터(M4)가 턴온된 후 하이 레벨의 리셋 제어 신호(RX)에 따라 리셋 트랜지스터(M2)가 턴온되어 플로팅 디퓨전 노드에 저장되어 있는 광 전하를 상호상관 이중 샘플링(CDS) 동작을 위한 일정한 주기로 리셋시킨다.
이후, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있는 리셋 신호 리드아웃 구간(D) 동안 리셋 신호가 리드아웃된다(15). 즉, 드라이브 트랜지스터(M3)가 게이트 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 전하(리셋 시 전하)에 대응되는 전기 신호를 생성하여 리셋 신호로 출력한다.
이후, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있고, 전달 제어 신호(TX)가 인에이블되어 있는 구간(E) 동안 영상 신호에 대응되는 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드로 전달된다(16). 즉, 전달 제어 신호(TX)가 하이 레벨을 가질 때에 전달 트랜지스터(M1)가 턴온되고, 그에 따라 광 감지기(PD)에서 생성된 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달된다.
이후, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있는 시그널 신호 리드아웃 구간(F) 동안 시그널 신호가 리드아웃된다(17). 즉, 드라이브 트랜지스터(M3)가 게이트 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 전하(영상 신호에 대응되는 전하)에 상응하는 전기 신호를 생성하여 시그널 신호로 출력한다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀에서는 드라이브 트랜지스터들 간의 제조 공정 차이로 인한 임계 전압의 차이(오프셋)를 보상하기 위해 리드아웃 동작을 리셋 신호와 시그널 신호에 대해 두 번 수행하였다. 즉, 플로팅 디퓨전 노드를 리셋한 후 리셋 신호를 읽어들이는 동작을 수행하고, 이후 전달 트랜지스터(M1)를 턴온시켜 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드로 전달한 후 시그널 신호를 읽어들였다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 단위 픽셀에서는 드라이브 트랜지스터들 간의 제조 공정 차이로 인하여 임계 전압 값이 균일하지 않기 때문에 각 컬럼마다 다른 전압 값이 출력되고, 이를 보상하기 위하여 리드아웃 동작을 두 번 수행하여 상호상관 이중 샘플링(CDS)을 필수적으로 수행하여야 함으로써 전력 소모가 증가하고, 리드아웃 시간의 증가로 데이터 변환 시간이 감소하며, 이로 인하여 노이즈(Noise) 특성이 악화됨으로 인하여 고해상도의 씨모스 이미지 센서를 구현하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 드라이브 트랜지스터들 간의 임계 전압의 차이를 컬럼 선택 트랜지스터를 추가하여 보상함으로써 한 번의 리드아웃 동작으로 픽셀 신호를 정확하게 리드아웃할 수 있으며, 이를 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치의 회로도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 방법에 대한 흐름도이며, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치에 사용되는 신호의 파형도이다.
도 2a를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치는 컬럼 선택 트랜지스터(M5)와 단위 픽셀(21)을 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치는 부가적으로 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기(22)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 단위 픽셀(21)은 광 감지기(PD: Photo sensitive Device), 전달 트랜지스터(M1), 리셋 트랜지스터(M2), 드라이브 트랜지스터(M3) 및 선택 트랜지스터(M4)를 구비한다.
이때, 광 감지기(PD)는 입사 광에 상응하는 광 전하를 생성한다. 그 구체적인 구성 및 동작은 도 1a에서 전술한 바와 같으므로, 여기서는 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
그리고 전달 트랜지스터(M1)는 게이트 단자에 인가되는 전달 제어 신호(TX)에 응답하여 소오스 단자에 연결된 광 감지기(PD)의 광 전하를 드레인 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드로 전달한다.
그리고 리셋 트랜지스터(M2)는 게이트 단자에 인가되는 리셋 제어 신호(RX)에 응답하여 컬럼 선택 트랜지스터(M5)의 소오스 단자로부터 드레인 단자로 인가되는 전원 전압(VDD)을 소오스 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드로 전달한다. 즉, 리셋 트랜지스터(M2)는 리셋 제어 신호(RX)에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드에 저장되어 있는 광 전하를 리셋시킨다.
그리고 드라이브 트랜지스터(M3)는 드레인 단자가 컬럼 선택 트랜지스터(M5)의 소오스 단자에 연결되고 게이트 단자와 연결된 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 전하에 대응되는 전기 신호를 생성하여 소오스 단자를 통해 선택 트랜지스터(M4)의 드레인 단자로 출력한다.
또한, 드라이브 트랜지스터(M3)는 출력 노드에 대하여 다이오드 커넥션(Diode Connection)을 형성하여 임계 전압(Threshold Voltage)을 추출한다. 즉, 하이 레벨의 리셋 제어 신호(RX)에 따라 리셋 트랜지스터(M2)가 턴온되고 하이 레벨의 선택 제어 신호(SX)에 따라 선택 트랜지스터(M4)가 턴온되며 하이 레벨의 컬럼 선택 제어 신호(STX)에 따라 컬럼 선택 트랜지스터(M5)가 턴온되어 다이오드 커넥션이 형성된 상태에서 로우 레벨의 컬럼 선택 제어 신호(STX)에 따라 컬럼 선택 트랜지스터(M5)가 턴오프되면 드라이브 트랜지스터(M3)의 게이트 단자 전압이 출력 노드 전압과 대비하여 임계 전압만큼 큰 값으로 수렴하게 된다.
그리고 선택 트랜지스터(M4)는 게이트 단자에 인가되는 선택 제어 신호(SX)에 응답하여 동작하여 드레인 단자로 인가되는 드라이브 트랜지스터(M3)로부터의 전기 신호를 소오스 단자를 통하여 픽셀 신호로 출력한다. 이때, 선택 트랜지스터(M4)는 선택 제어 신호(SX)에 응답하여 단위 픽셀(21)을 선택하기 위한 스위칭 동작 및 어드레스 동작을 수행할 수 있다.
그리고 컬럼 선택 트랜지스터(M5)는 드레인 단자가 전원 전압(VDD)에 연결되고 게이트 단자에 인가되는 컬럼 선택 제어 신호(STX)에 응답하여 동작하여 드레인 단자로 인가되는 전원 전압(VDD)을 소오스 단자를 통해 리셋 트랜지스터(M2)와 드라이브 트랜지스터(M3)의 드레인 단자로 출력한다.
그리고 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기(22)는 기준 전압을 이용하여 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화한다. 즉, 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기(22)는 외부의 기준 전압 발생기(도면에 도시되지 않음)로부터 인가되는 기준 전압을 이용하여 픽셀 신호 로딩 라인을 일정한 기준 전압 값으로 초기화함으로써, 드라이브 트랜지스터(M3)의 임계 전압 값이 일정한 기준 전압 값과 대비하여 차이 값으로 규정될 수 있도록 한다. 이렇게 함으로써, 데이터 값이 예측 가능한 영역에 위치하게 되어 처리의 편리성을 향상시킬 수 있다.
이때, 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기(22)는 외부의 기준 전압 발생기로부터 기준 전압을 인가받아 전달하기 위한 버퍼, 및 초기화 제어 신호(SR)에 따라 동작하여 버퍼로부터의 기준 전압을 픽셀 신호 로딩 라인에 공급하기 위한 픽셀 신호 로딩 라인 초기화 스위치를 포함한다.
여기서, 컬럼 선택 제어 신호(STX)와 초기화 제어 신호(SR)는 외부의 제어부(예를 들어, 타이밍 제너레이터)로부터 인가받거나 로우 디코더로부터 인가받도록 구현할 수 있다.
그리고 플로팅 디퓨전 노드는 전달 트랜지스터(M1)의 드레인 단자 및 리셋 트랜지스터(M2)의 소오스 단자를 공통으로 구성하는 확산 영역으로, 영상 신호에 대응되는 전하 또는 초기화 전압에 대응되는 전하가 축적되므로, 플로팅 디퓨전 노드 고유의 커패시터(C1)로 모델링할 수 있다.
다음으로, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 픽셀 신호 리드아웃 장치의 동작 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전달 제어 신호(TX)와 리셋 제어 신호(RX)와 컬럼 선택 제어 신호(STX)가 인에이블되어 있는 구간(A') 동안 광 감지기(PD)가 리셋된다(23). 즉, 전달 제어 신호(TX)가 하이 레벨을 가질 때에 전달 트랜지스터(M1)가 턴온되고, 그에 따라 광 감지기(PD)에 남아있는 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달되며, 컬럼 선택 제어 신호(STX)가 하이 레벨을 가질 때에 컬럼 선택 트랜지스터(M5)가 턴온되고, 그에 따라 전원 전압(VDD)이 리셋 트랜지스터(M2)와 드라이브 트랜지스터(M3)의 드레인 단자로 인가되며, 리셋 제어 신호(RX)가 하이 레벨을 가질 때에 리셋 트랜지스터(M2)가 턴온되고, 그에 따라 전원 전압(VDD)이 플로팅 디퓨전 노드로 전달되어 저장되어 있는 광 전하가 리셋된다.
이후, 광 감지기(PD)가 익스포져 구간(B') 동안 광전 변환 기능을 수행한다(24). 즉, 광 감지기(PD)가 외부로부터 광을 수신하여 그에 상응하는 광 전하를 생성한다.
이후, 컬럼 선택 제어 신호(STX)가 인에이블되어 있고, 리셋 제어 신호(RX)가 인에이블되어 있으며, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있는 구간(C') 동안 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋된다(25). 이때, 하이 레벨의 컬럼 선택 제어 신호(STX)에 따라 컬럼 선택 트랜지스터(M5)가 턴온된 후 하이 레벨의 리셋 제어 신호(RX)에 따라 리셋 트랜지스터(M2)가 턴온되고 하이 레벨의 선택 제어 신호(SX)에 따라 선택 트랜지스터(M4)가 턴온되면, 그에 따라 드라이브 트랜지스터(M3)가 출력 노드에 대하여 다이오드 커넥션을 형성하게 된다.
이후, 리셋 제어 신호(RX)가 인에이블되어 있고, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있으며, 컬럼 선택 제어 신호(STX)가 디스에이블되어 구간(D') 동안 드라이브 트랜지스터(M3)의 임계 전압을 추출한다(26). 즉, 하이 레벨의 리셋 제어 신호(RX)에 따라 리셋 트랜지스터(M2)가 턴온되고 하이 레벨의 선택 제어 신호(SX)에 따라 선택 트랜지스터(M4)가 턴온된 상태에서 로우 레벨의 컬럼 선택 제어 신호(STX)에 따라 컬럼 선택 트랜지스터(M5)가 오프되면 드라이브 트랜지스터(M3)의 게이트 단자 전압이 출력 노드 전압과 대비하여 임계 전압만큼 큰 값으로 수렴하게 된다.
이후, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있고, 전달 제어 신호(TX)가 인에이블되어 있는 구간(E') 동안 영상 신호에 대응되는 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드로 전달되어 상기 추출된 임계 전압을 보상한다(27). 즉, 로우 레벨의 리셋 제어 신호(RX)에 따라 리셋 트랜지스터(M2)가 오프된 후, 하이 레벨의 선택 제어 신호(SX)에 따라 선택 트랜지스터(M4)가 턴온되어 있는 상태에서 하이 레벨의 전달 제어 신호(TX)에 따라 전달 트랜지스터(M1)가 턴온되면, 광 감지기(PD)로부터 영상 신호에 대응되는 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드로 전달되어 드라이브 트랜지스터(M3)의 게이트 단자 전압이 상기 추출된 임계 전압을 기반으로 변화하게 된다.
이후, 선택 제어 신호(SX)가 인에이블되어 있고, 컬럼 선택 제어 신호(STX)가 인에이블되어 있는 시그널 신호 리드아웃 구간(F') 동안 보상된 시그널 신호가 리드아웃된다(28). 즉, 드라이브 트랜지스터(M3)가 게이트 단자에 연결된 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 전하(영상 신호에 대응되는 전하)에 상응하는 전기 신호를 생성하여 시그널 신호로 출력한다.
한편, 광 감지기(PD)를 리셋한 후에(23) 부가적으로 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기(22)가 기준 전압을 이용하여 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화하는 과정을 더 수행할 수 있다. 즉, 하이 레벨의 초기화 제어 신호(SR)에 따라 픽셀 신호 로딩 라인 초기화 스위치가 온되면, 외부의 기준 전압 발생기로부터 기준 전압이 인가되어 픽셀 신호 로딩 라인을 일정한 기준 전압 값으로 초기화한다.
상기와 같이 동작하게 되면, 드라이브 트랜지스터(M3)의 임계 전압만큼 드랍된 시그널 신호가 출력되기 때문에 드라이브 트랜지스터들 간의 제조 공정 차이로 인한 임계 전압의 차이(오프셋)를 보상하기 위해 두 번 수행하던 리드아웃 동작을 한 번으로 줄일 수 있다.
그에 따라, 리드아웃 시간의 감소로 인하여 데이터 변환 속도를 줄일 수 있기 때문에 전력 소모를 감소시킬 수 있으며, 노이즈 특성도 개선시킬 수 있다.
도 2a에서는 하나의 광 감지기(PD)와 4개의 엔모스 트랜지스터들(M1 내지 M4)을 구비하는 단위 픽셀(21)을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 단위 픽셀들에 본 발명에 따른 실시예가 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실시예는 피모스 트랜지스터들로 설계 변경하여 구현할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 리드아웃 장치가 적용된 씨모스 이미지 센서(CIS)의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 복수의 컬럼 선택 트랜지스터(310), 및 픽셀 어레이(320)를 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 부가적으로 픽셀 신호 로딩 라인 초기화부(330)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 픽셀 어레이(320)는 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 구비하는 복수의 단위 픽셀을 이용하여 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력한다.
그리고 복수의 컬럼 선택 트랜지스터(310) 각각은 게이트 단자로 인가되는 컬럼 선택 제어 신호(STX)에 응답하여 동작하여 일측 단자로 인가되는 전원 전압(VDD)을 타측 단자를 통해 상응하는 컬럼의 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 일측 단자로 출력한다.
그리고 픽셀 신호 로딩 라인 초기화부(330)는 기준 전압을 이용하여 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화한다. 이때, 픽셀 신호 로딩 라인 초기화부(330)는 외부의 기준 전압 발생기로부터 기준 전압을 인가받아 전달하기 위한 버퍼, 초기화 제어 신호(SR)에 따라 동작하여 버퍼로부터의 기준 전압을 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인에 공급하기 위한 복수의 픽셀 신호 로딩 라인 초기화 스위치, 및 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인에 전류를 공급하기 위한 복수의 전류원을 포함한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
PD : 광 감지기 M1 : 전달 트랜지스터
M2 : 리셋 트랜지스터 M3 : 드라이브 트랜지스터
M4 : 선택 트랜지스터 M5 : 컬럼 선택 트랜지스터
21 : 단위 픽셀 22 : 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기
M2 : 리셋 트랜지스터 M3 : 드라이브 트랜지스터
M4 : 선택 트랜지스터 M5 : 컬럼 선택 트랜지스터
21 : 단위 픽셀 22 : 픽셀 신호 로딩 라인 초기화기
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- 드라이브 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 구비하는 복수의 단위 픽셀을 이용하여 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력하기 위한 픽셀 어레이;
각각이 게이트 단자로 인가되는 컬럼 선택 제어 신호에 응답하여 동작하여 일측 단자로 인가되는 전압을 타측 단자를 통해 상응하는 컬럼의 상기 드라이브 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터의 일측 단자로 출력하기 위한 복수의 컬럼 선택 트랜지스터; 및
기준 전압을 이용하여 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인을 초기화하기 위한 픽셀 신호 로딩 라인 초기화부
를 포함하며,
상기 픽셀 신호 로딩 라인 초기화부는,
외부의 기준 전압 발생기로부터 기준 전압을 인가받아 전달하기 위한 버퍼;
초기화 제어 신호에 따라 동작하여 상기 버퍼로부터의 기준 전압을 상기 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인에 공급하기 위한 복수의 픽셀 신호 로딩 라인 초기화 스위치; 및
상기 각 컬럼의 픽셀 신호 로딩 라인에 전류를 공급하기 위한 복수의 전류원을 포함하는 씨모스 이미지 센서.
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- ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 15항에 있어서,
상기 드라이브 트랜지스터는,
출력 노드에 대하여 다이오드 커넥션을 형성하여 임계 전압을 추출하는, 씨모스 이미지 센서.
- ◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 15항에 있어서,
상기 드라이브 트랜지스터는,
하이 레벨의 리셋 제어 신호에 따라 상기 리셋 트랜지스터가 턴온되고 하이 레벨의 선택 제어 신호에 따라 선택 트랜지스터가 턴온되며 하이 레벨의 컬럼 선택 제어 신호에 따라 상기 컬럼 선택 트랜지스터가 턴온되어 다이오드 커넥션이 형성된 상태에서 로우 레벨의 컬럼 선택 제어 신호에 따라 상기 컬럼 선택 트랜지스터가 턴오프되면, 게이트 단자 전압이 출력 노드 전압과 대비하여 임계 전압만큼 수렴하는, 씨모스 이미지 센서.
- ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 15항에 있어서,
상기 복수의 컬럼 선택 트랜지스터 각각은,
게이트 단자에 인가되는 컬럼 선택 제어 신호에 응답하여 동작하여 드레인 단자로 인가되는 전압을 소오스 단자를 통해 상기 리셋 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자로 출력하는, 씨모스 이미지 센서.
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