KR19990026618A - 전자셔터를 구비한 액티브 픽셀 센서 - Google Patents

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KR19990026618A
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Abstract

본 발명은 전자셔터의 기능을 갖도록 함과 동시에 자동노출 기능을 수행하도록 한 액티브 픽셀 센서(APS)에 관한 것에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 외부의 빛에 의한 광전하를 발생하는 광다이오드와, 외부로부터 입력되는 리셋신호에 따라 상기 광다이오드의 내부전하를 방전시키는 제 1엔모스트랜지스터와, 게이트로 입력되는 광전하를 증폭하여 출력하는 제 2엔모스트랜지스터와, 외부로부터 입력되는 로우 선택신호에 따라 픽셀 데이터를 출력하는 제 3엔모스트랜지스터로 이루어지는 액티브 픽셀 센서(APS)에 있어서, 상기 제 1엔모스트랜지스터의 드레인과 연결되는 소스로는 상기 광다이오드로부터 발생되는 광전하가 인가되고 게이트로는 셔터제어신호가 인가되어, 그 셔터제어신호에 따라 스위칭 되는 제 4엔모스트랜지스터와, 상기 제 4엔모스트랜지스터의 드레인 및 제 2엔모스트랜지스터의 게이트에 드레인이 연결되고 소스는 접지에 연결되며 게이트로는 전하리셋신호가 인가되어, 그 전하리셋신호에 따라 제 4엔모스트랜지스터로부터 입력되는 전하를 축적하였다가 제 2엔모스트랜지스터의 게이트로 출력함으로써 일종의 캐패시터 기능을 수행하는 제 5엔모스트랜지스터를 더 포함하여 구성된다.

Description

전자셔터를 구비한 액티브 픽셀 센서
본 발명은 액티브 픽셀 센서에 관한 것으로, 특히, 전자셔터의 기능을 갖도록 함과 동시에 자동노출(auto exposure) 기능을 수행하도록 한 전자셔터(Electronicshutter)를 구비한 액티브 픽셀 센서(APS: Active Pixel Sensor, 이하 APS라 함)에 관한 것이다.
일반적으로 APS는 주소지정이 가능한 2차원적인 센서 배열로 이루어져 기존의 램과 동일한 구조를 가진다.
종래의 APS는 도 1에 도시된 바와 같이, 접지에 연결되어 외부의 빛에 의한 광전하를 발생시키는 광다이오드(photo-diode)(D1)와, 상기 광다이오드(D1)에 드레인이 연결되고 소스로는 전원전압(Vdd)이 인가되며 게이트로는 리셋신호(RESET)가 인가되어, 그 리셋신호(RESET)에 따라 상기 광다이오드(D1)의 내부전하를 방전시켜 주는 엔모스트랜지스터(M1)와, 상기 엔모스트랜지스터(M1)의 드레인과 연결되는 게이트로 상기 광다이오드(D1)로부터 발생되는 광전하가 인가되고, 소스로는 전원전압(Vdd)이 인가되어 상기 광다이오드(D1)에서 발생된 전하를 증폭시키는 엔모스트랜지스터(ML2)와, 상기 엔모스트랜지스터(M2)의 드레인에 소스가 연결되고 게이트로는 외부로부터 입력되는 로우(row) 선택신호가 인가되어, 그 로우 선택신호에 따라 픽셀(pixel)데이터를 출력하는 엔모스트랜지스터(M3)로 구성된다.
여기서, 상기 리셋신호(RESET)는 광셀(photo-cell, 광다이오드)에 발생된 전하를 방전시키도록 외부의 신호원으로부터 모든 픽셀에 동일하게 입력되고, 상기 로우선택신호는 각각의 픽셀들이 선택되도록 외부의 로우디코더로부터 순차적으로 입력된다.
이와 같이 구성된 종래기술의 동작을 설명하면 다음과 같다.
초기에, 하이레벨의 리셋(reset)신호가 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 게이트로 인가되면, 그 제 1엔모스트랜지스터(M1)는 턴온 된다. 그리고, 그 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 출력에 따라 외부의 빛에 의해 발생되어 있던 광다이오드(D1)의 내부 전하가 방전되며, 그 제 1엔모스트랜지스터(M1)는 다시 턴오프 된다.
이어서, 상기 광다이오드(D1)는 다시 임의의 감광시간 동안에 외부의 빛을 받아 광전하를 발생한다. 그리고 임의의 광전하 축적시간(감광시간) 동안에 상기 광다이오드(D1)에서 발생된 광전하(영상신호)가 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 게이트로 인가 되고, 그 제 2엔모스트랜지스터(M2)는 그 광전하(영상신호)를 증폭시켜 제 3엔모스트랜지스터(M3)로 출력한다.
그리고, 상기 제 3엔모스트랜지스터(M3)는 외부로부터 게이트로 인가되는 하이레벨의 로우(row) 선택신호에 따라 상기 제 2엔모스트랜지스터(M2)에서 증폭되어진 광전하(영상신호)를 외부로 출력한다. 이후, 외부로부터 하이레벨의 리셋신호가 상기 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 게이트로 인가되고, 그 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 출력이 상기 광다이오드(D1)에 발생되었던 광전하를 방전시킴으로써, 각각의 픽셀은 다시 초기상태가 된다.
상기와 같은 동작을 반복함으로써, 종래의 APS는 각각의 픽셀 데이터로서 광전하(영상신호)를 외부로 출력한다.
이와 같이. 종래의 APS에서는 외부의 칼럼 디코더(미도시)에 의해서 픽셀들의 칼럼라인(미도시)들이 선택된 후, 로우 디코더(미도시)에 의해서 각각의 픽셀들이 순차적으로 선택되면, 임의의 감광시간 동안에 상기 광다이오드(D1)에서 외부의 빛에 의해 발생된 광전하(영상신호)가 그 픽셀들의 데이터로서 외부의 표시장치(TV 또는 모니터 화면)(미도시)로 출력된다.
그러나, 종래와 같은 APS의 구조는 리셋신호의 주기를 조절함으로써, 로우(row) 선택신호를 인가하기 전에 리셋신호를 발생시켜 감광시간을 조절할 수 있으나, 전체 픽셀들에 대한 감광시간의 관점에서는, 상기와 같은 조절방법은 하나의 특정 픽셀에 대해서만 원하는 감광시간을 갖게 될 뿐, APS가 갖는 특성, 즉 픽셀 데이터를 연속적으로 읽어서 출력하는 방식 때문에 다른 픽셀들은 각각 다른 감광시간을 갖게되어, 표시장치의 화면 전체가 불균일한 명암을 갖게되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 광다이오드에서 빛을 받아 발생된 광전하를 조절함으로써, 모든 픽셀들이 동일한 감광시간을 갖도록 하고 자동노출기능을 구현할 수 있도록 한 전자셔터(Electronic shutter)를 구비한 APS(Active Pixel Sensor)를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은, 접지에 일측이 연결되고, 외부의 빛에 의한 광전하를 발생하는 광다이오드와, 상기 광다이오드의 타측에 드레인이 연결되고 소스로는 전원전압이 인가되며 게이트로는 외부로부터 리셋신호가 인가되어, 그 리셋신호에 따라 상기 광다이오드의 내부전하를 방전시키는 제 1엔모스트랜지스터와, 소스로는 전원전압이 인가되고, 게이트로 입력되는 광전하를 증폭시키는 제 2엔모스트랜지스터와, 상기 제 2엔모스트랜지스터의 드레인과 소스가 연결되고, 게이트로는 로우 선택신호가 인가되어, 그 로우 선택신호에 따라 상기 제 2엔모스트랜지스터에서 증폭된 광전하를 외부로 출력하는 제 3엔모스트랜지스터로 이루어지는 APS에 있어서, 상기 제 1엔모스트랜지스터의 드레인과 연결되는 소스로 상기 광다이오드로부터 발생되는 광전하가 인가되고, 게이트로는 외부로부터 셔터제어신호가 인가되어, 그 셔터제어신호에 따라 스위칭 되는 제 4엔모스트랜지스터와, 상기 제 4엔모스트랜지스터의 드레인 및 제 2엔모스트랜지스터의 게이트에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되며, 게이트로는 외부로부터 전하리셋신호가 인가되어, 상기 광다이오드로부터 출력되어 제 4엔모스트랜지스터를 통해 입력되는 전하를 축적하였다가 상기 제 2엔모스트랜지스터의 게이트로 출력하는 형태로서 일종의 캐패시터 역할을 수행하는 제 5엔모스트랜지스터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로한다.
이와 같이 구성된 본 발명은 모든 픽셀들에 대하여 동일한 감광시간을 갖도록 함으로써, 표시장치의 화면의 명암이 균일해지도록 한다.
도 1은 종래 기술에 의한 액티브 픽셀 센서의 구성을 보인 회로도.
도 2는 본 발명에 의한 액티브 픽셀 센서의 구성을 보인 회로도.
도 3은 리셋신호 및 전하리셋 신호, 셔터제어신호의 파형도.
도 4는 본 발명에 이용되는 티브이(TV)신호들의 파형도.
도 5는 티브이(TV)신호들중 블랭크(BLANK) 신호를 이용한 셔터제어신호들의 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
D1 : 광 다이오드
M1∼M5 : 엔모스트랜지스터
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명에 의한 전자셔터(Electronic shutter)를 구비한 APS(Active Pixel Sensor)는 도 2에 도시된 바와 같이, 접지에 일측이 연결되고, 외부의 빛에 의한 광전하를 발생하는 광다이오드(photo-diode)(D1)와, 상기 광다이오드(D1)의 타측에 드레인이 연결되고 소스로는 전원전압(Vdd)이 인가되며 게이트로는 외부로부터 리셋신호(RESET)가 인가되어, 상기 광다이오드(D1)의 내부전하를 방전시키는 제 1엔모스트랜지스터(M1)와, 소스로는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 게이트로 입력되는 광전하를 증폭시켜 출력하는 제 2엔모스트랜지스터(M2)와, 상기 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 드레인에 소스가 연결되고, 게이트로는 로우(row) 선택신호가 인가되어, 그 로우 선택신호에 따라 상기 제 2엔모스스트랜지스터(M2)에서 증폭된 광전하를 외부로 출력하는 제 3엔모스트랜지스터(M3)로 이루어지는 APS에 있어서, 상기 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 드레인에 연결되는 소스로 상기 광다이오드(D1)로부터 발생되는 광전하가 인가되고, 게이트로는 외부로부터 셔터제어(shutter control)신호가 인가되어, 그 셔터제어신호에 따라 스위칭 되는 제 4엔모스트랜지스터(M4)와, 상기 제 4엔모스트랜지스터(M4)의 드레인 및 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 게이트에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되며, 게이트로는 외부로부터 전하리셋(CHARGE RESET)신호가 인가되어, 상기 광다이오드(D1)로부터 출력되어 제 4엔모스트랜지스터(M4)를 통해 입력되는 전하를 축적하였다가 상기 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 게이트로 출력하는 제 5엔모스트랜지스터(M5)를 더 포함하여 구성된다. 이때 종래와 동일한 부분은 동일한 부호를 붙인다.
여기서, 상기 리셋신호는 모든 픽셀에 동일하게 광 셀에 발생된 전하를 방전시키도록 외부의 신호원으로부터 출력되고, 상기 로우 선택신호는 각각의 셀들이 선택되도록 외부의 로우디코더(미도시)로부터 순차적으로 입력된다. 또한, 상기 전하리셋 신호는 상기 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 축적된 전하를 방전시키도록 외부의 신호원으로부터 출력되며, 상기 리셋신호는 전하리셋신호로서 사용될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
초기에, 외부로부터 도3(B)의 리셋신호(RESET)가 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 게이트로 인가되면 그 제 1엔모스트랜지스터(M1)는 턴온 되고, 그 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 출력에 의해 광다이오드(D1)에 충전되어 있던 내부전하가 방전되며, 상기 제 1엔모스트랜지스터(M1)는 다시 턴오프 된다. 이와같이, 초기에 광다이오드(D1)에 충전되어 있던 내부전하를 방전시키는 것은 그 광다이오드(D1)에 특정 감광시간에 대해서만 전하가 축적되도록 하기 위한 것이다.
이어서, 외부의 셔터제어부(미도시)로부터 도 3(A)와 같은 하이레벨의 셔터 제어신호가 제 4엔모스트랜지스터(M4)의 게이트로 인가되며, 그 제 4엔모스트랜지스터(M4)는 턴온 된다.
그리고, 상기 광다이오드(D1)에 빛에 의해 발생된 광전하(영상신호)는 셔터 제어신호가 하이레벨인 시간 동안에 상기 제 4엔모스트랜지스터(M4)를 거쳐 제 5엔모스트랜지스터(M5)의 게이트와 소스 사이에 축적된다. 이때 상기 셔터제어신호가 하이레벨인 동안의 시간이 감광시간이 되며, 그 제 5엔모스트랜지스터(M5)는 일종의 캐패시터(capacitor)의 역할을 수행하게 된다.
또한, 상기 광다이오드(D1)에서 발생된 광전하가 셔터제어신호가 하이레벨인 감광시간 동안 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 축적된 후, 상기 셔터(제 4엔모스트랜지스터(M4), 이하 셔터라 함은 제 4엔모스트랜지스터(M4)를 의미한다.)가 턴오프(셔터제어신호가 로우레벨)되면, 그 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 축적된 광전하는 그 이후에 그 광다이오드(D1)에 발생된 전하에 대해서는 영향을 받지 않는다.
이어서, 상기 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 축적되었던 광전하는 제 2엔모스트랜지스터(M2)에서 증폭되며, 외부의 로우 디코더(미도시)로부터 입력되는 로우(row) 선택신호에 의해 턴온된 제 3엔모스트랜지스터(M3)는 그 제 2엔모스트랜지스터(M2)에서 증폭된 광전하를 외부의 표시장치(미도시)로 출력한다.
이후, 외부로부터 도3(B)의 전하리셋(CHARGE RESET)신호가 상기 제 5엔모스트랜지스터(M5)의 게이트로 인가되어 그 제 5엔모스트랜지스터(M5)의 내부전하를 방전시킨다. 이때, 상기 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 게이트에 외부로부터 인가되는 리셋(RESET)신호는 상기 제 5엔모스트랜지스터(M5)의 게이트로 인가되는 전하리셋(CHARGE RESET)신호와 같이 사용될 수 있다.
여기까지가 일정 감광시간 동안에 상기 광다이오드(D1)에서 받아들인 빛에 의해 APS의 출력을 얻어내는 1주기가 되며, 상기 셔터의 온-오프 시간이 픽셀의 감광시간이 되고, 그 감광시간 동안 그 픽셀들에서 발생된 광전하가 각각 픽셀들의 출력으로서 외부의 표시장치(TV 또는 모니터 화면)(미도시)로 출력되는 것이다.
상기와 같은 동작을 하는 본 발명은, 픽셀의 출력을 얻어내는 1주기 동안, 모든 픽셀들이 동일한 감광시간(노출시간)을 갖도록 하고, 그 감광시간에 해당하는 광전하들을 외부의 로우 디코더 및 칼럼 디코더에 의하여 각각의 픽셀들이 선택될 때까지 상기 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 저장하며, 외부의 칼럼 디코더에 의해서 각각의 칼럼이 선택된 후 외부의 로우 디코더에 의해서 각각의 픽셀들이 순차적으로 선택되면 그 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 저장되었던 픽셀 데이터(광전하)를 출력하게 된다.
이때, 상기 감광시간(노출시간)은 외부의 셔터제어부(미도시)로부터 제 4엔모스트랜지스터(M4)로 인가되는 셔터제어신호에 따라 결정된다.
즉, 모든 픽셀들이 동일한 노출시간(감광시간)을 갖도록 하기 위해서는 셔터기능을 하는 상기 제 4엔모스트랜지스터(M4)의 게이트로 인가되는 셔터 제어신호의 펄스 폭을 변화시켜 감광시간을 조절함으로써 모든 픽셀들에 동일하게 적용시키면 된다.
상기 셔터 제어신호가 조절되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 4(A)(B)(C)는 TV동기신호들을 보인 것으로, 도 4(A)는 TV의 귀선용 주사선들이 나타나지 않도록 하는 수직블랭크신호(BLK)이고, 도 4(B)는 TV의 수직동기신호(VD)이고, 도 4(C)는 TV의 수평동기신호(HD)이다.
외부의 셔터제어부(미도시)는 TV의 귀선용 주사선들이 나타나지 않도록 하는 수직블랭크신호(BLK)(도 4(A), 도 5(A))를 이용하는데, 그 수직블랭크신호(BLK)가 로우레벨인 구간, 즉 귀선용 주사선이 나타나지 않는 부분에서 외부의 마이컴(미도시)으로부터 출력되는 데이터신호에 따라 그 수직블랭크신호(BLK)의 인에이블 시간 동안 도 5(B),(C)와 같이 변조 가능한 셔터 제어신호를 출력한다.
상기 셔터제어신호는 외부의 마이컴(미도시)으로부터 출력되는 데이터에 따라 펄스폭이 변화되며, 그 셔터제어신호의 펄스폭은 광 셀(photo Cell)이 얼마만큼의 시간동안에 빛 또는 화상을 받아들이는가에 대한 기준으로서 그 펄스폭에 따라 셔터속도가 결정된다.
따라서, 상기 감광시간(노출시간)은 외부의 셔터제어부(미도시)로부터 인가되는 셔터제어신호에 의해 제 4엔모스트랜지스터(M4)가 온-오프 되는 시간(셔터속도)에 따라 조절된다.
이와 같이, 본 발명에 의한 APS도 외부의 칼럼 디코더에 의해서 각각의 칼럼이 선택된 후 외부의 로우 디코더에 의해서 각각의 픽셀들이 순차적으로 선택되어 픽셀데이터를 출력하게 되지만, 상기 각각의 픽셀들이 광다이오드에서 특정 감광시간 동안 발생된 광전하를 제 5엔모스트랜지스터(M5)에 저장하였다가 출력하게 되므로 균일한 화면의 명암을 얻을 수 있다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 셔터 제어신호에 의해 감광시간을 조절하여 모든 픽셀들에 동일한 감광시간을 갖도록 함으로써, TV 또는 모니터 화면의 명암이 균일하게 되는 효과가 있으며, 무비 디지털 카메라(movie digital camera)에 적용을 용이하게 하는 카메라 자체의 자동노출(auto exposure) 기능을 구현할 수 있다.

Claims (5)

  1. 접지에 일측이 연결되고, 외부의 빛에 의한 광전하를 발생하는 광다이오드(photo-diode)(D1)와, 상기 광다이오드(D1)의 타측에 드레인이 연결되고 소스로는 전원전압(Vdd)이 인가되며 게이트로는 외부로부터 리셋신호(RESET)가 인가되어, 그 리셋신호에 따라 상기 광다이오드(D1)의 내부전하를 방전시키는 제 1엔모스트랜지스터(M1)와, 소스로는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 게이트로 입력되는 광전하를 증폭하여 출력하는 제 2엔모스트랜지스터(M2)와, 상기 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 드레인과 소스가 연결되고, 게이트로는 로우(row)선택신호가 인가되어, 그 로우 선택신호에 따라 상기 제 2엔모스트랜지스터(M2)에서 증폭된 광전하를 외부로 출력하는 제 3엔모스트랜지스터(M3)로 이루어지는 APS에 있어서, 상기 광다이오드(D1)의 타측과 연결된 제 1엔모스트랜지스터(M1)의 드레인과 소스가 연결되고, 게이트로는 외부의 셔터 제어부로부터 셔터제어(shutter control)신호가 인가되어, 그 셔터 제어신호에 따라 온-오프 됨으로써, 전자셔터의 기능을 하는 제 4엔모스트랜지스터(M4)와, 상기 제 4엔모스트랜지스터(M4)의 드레인 및 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 게이트에 드레인이 연결되고, 소스는 접지에 연결되며, 게이트로는 외부로부터 전하리셋(CHARGE RESET)신호가 인가되어, 일정한 감광시간동안에 상기 광다이오드(D1)로부터 빛에 의해 발생되어 제 4엔모스트랜지스터(M4)를 통해 입력되는 전하를 축적하였다가 상기 제 2엔모스트랜지스터(M2)의 게이트로 출력하는 제 5엔모스트랜지스터(M5)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전자셔터를 구비한 액티브픽셀센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 셔터 제어신호는 TV동기신호의 수직블랭크신호(BLK)가 로우인 구간 동안에, 외부의 마이콤(MICOM)으로부터 출력되는 데이터에 해당하는 셔터속도를 갖도록 외부의 셔터제어부에서 변조되는 것을 특징으로 하는 전자셔터를 구비한 액티브픽셀센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 감광시간은 외부의 셔터제어부에서 변조된 셔터제어신호가 하이인 부분의 폭에 비례하여 조절되는 것을 특징으로 하는 전자셔터를 구비한 액티브픽셀센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 4엔모스트랜지스터(M4)는 외부의 셔터제어부로부터 인가되는 셔터 제어신호에 따라 온-오프 됨으로써, 전자셔터의 가능을 하는 것을 특징으로 하는 전자셔터를 구비한 액티브픽셀센서.
  5. 제 1항에 있어서. 상기 제 5엔모스트랜지스터(M5)는 일정한 감광시간동안에 상기 광다이오드(D1)에서 빛에 의해 발생된 전하만을 축적하는 것을 특징으로 하는 전자셔터를 구비한 액티브픽셀센서.
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