KR19990085269A

KR19990085269A - 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서

Info

Publication number: KR19990085269A
Application number: KR1019980017575A
Authority: KR
Inventors: 안길초; 조율호; 장동영
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-12-06

Abstract

다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는, 복수 개의 픽셀 센서들로 이루어진 픽셀 어레이, 제1클럭 신호에 응답하여 픽셀 어레이의 로우를 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성하고, 선택된 로우의 픽셀 출력이 완료되면 선택된 로우를 리셋시키기 위한 리셋 신호를 생성하는 수직 쉬프트 레지스터, 시스템 클럭 신호에 응답하여 제1클럭 신호를 생성하고, 시스템 클럭 신호를 소정율로 분주하여 제2클럭 신호를 생성하는 타이밍 제어 수단, 제2클럭 신호에 응답하여 로우에 해당하는 칼럼들을 선택하기 위한 칼럼 선택 신호를 소정 시간씩 중첩시켜 순차적으로 출력하는 수평 쉬프트 레지스터, 선택된 로우 및 칼럼에 상응하는 픽셀 센서의 출력 값을 입력하여 레벨 쉬프팅하고, 레벨 쉬프팅된 결과를 칼럼 선택 신호에 응답하여 소정 시간 유지하는 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서, N개의 버퍼들을 구비하고, 각 버퍼들은 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서에서 출력되는 픽셀 센서의 출력 값들 중 서로 인접하지 않은 복수 개의 값들을 각각 버퍼링하는 중간 버퍼 수단, 중간 버퍼 수단에서 출력된 신호들을 입력하고, 타이밍 제어 수단에서 출력되는 선택 신호에 응답하여 입력된 신호들을 시분할하여 출력하는 멀티플렉서, 및 멀티플렉서에서 출력된 신호를 버퍼링하고, 버퍼링된 신호를 출력하는 버퍼 증폭 수단을 구비하는 것을 특징으로한다.

Description

다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서

본 발명은 시모스 이미지 센서와 같은 촬상 소자에 관한 것으로서, 특히, 다단계의 중간 버퍼를 이용하여 출력 시간을 분할하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서에 관한 것이다.

일반적으로 광학 신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 기능을 하는 촬상 소자에 있어서 CMOS 이미지 센서는 그 신호를 출력할 때 전하 결합 소자(Charge Coupled Device:CCD)와는 다른 방식을 이용한다. 즉, CCD는 광전 변환을 실행하는 수광부에서 축적된 전하를 전송부에서 전달하고 최종 출력단에서 전압으로 변환 하여 출력한다. 한편, CMOS이미지 센서는 각 픽셀에 축적된 전하가 전압으로 출력된다는 특징을 갖는다.

도 1은 종래의 CMOS이미지 센서를 설명하기 위한 도면으로서, 수직 쉬프트 레지스터(100), 수평 쉬프트 레지스터(140), 픽셀 어레이(160), 레벨 쉬프트 버퍼/아날로그 멀티플렉서(120) 및 버퍼 증폭기(180)로 구성되며, 여기에서, 레벨 쉬프트 버퍼/아날로그 멀티플렉서(120)의 레벨 쉬프트 버퍼는 복수 개의 버퍼들(12a~12h)로 이루어지고, 아날로그 멀티플렉서는 스위치들(13a~13h)로 이루어지고, 픽셀 어레이(160)는 복수 개의 픽셀 센서들로 구성된다.

도 1을 참조하면, 픽셀 어레이(160)는 복수 개의 픽셀 센서들로 이루어지며, 각 픽셀 센서는 광 다이오드와 MOS트랜지스터들로 구성된다. 수직 쉬프트 레지스터(100)는 소정 클럭 신호에 응답하여 픽셀 어레이(160)의 로우(R1~R8)를 선택하고, 선택된 로우에 대한 리드아웃(readout)이 완료되면 선택된 픽셀을 리셋시킨다. 또한, 수평 쉬프트 레지스터(140)는 픽셀 어레이(160)의 로우가 선택되면 타이밍 제어부(미도시)에서 출력되는 클럭 신호에 응답하여 순차적으로 각 픽셀 센서의 칼럼(C1~C8)을 선택하는 기능을 한다. 레벨 쉬프트 버퍼/아날로그 멀티플렉서(120)는 수평 쉬프트 레지스터(140)에서 선택된 칼럼의 픽셀 센서에서 출력되는 전압을 입력하여 레벨 쉬프트하고, 레벨 쉬프트된 결과를 버퍼 증폭기(180)로 출력한다. 즉, 각 픽셀 센서에서 출력된 전압은 수평 쉬프트 레지스터(140)를 통하여 버퍼 증폭기(180)로 출력되며, 버퍼 증폭기(180)는 입력된 픽셀 전압을 버퍼링하고, 버퍼링된 결과를 출력 단자 Vout를 통하여 출력한다.

도 2(a)및 2(b)는 도 1에 도시된 종래의 CMOS이미지 센서의 출력 타이밍을 설명하기 위한 타이밍도들로서, 2(a)는 각 로우(R1~R8)를 선택하는 로우 선택 신호들을 나타내고, 2(b)는 선택된 로우에 대한 칼럼(C1~C8)을 선택하기 위해 스위치들(13a~13h)을 통하여 인가되는 칼럼 선택 신호를 나타낸다.

즉, 도 1에 도시된 CMOS이미지 센서에서 한 로우가 선택되어지면, 순차적 으로 선택된 로우에 상응하는 칼럼(C1~C8)이 선택되어지면서 픽셀 센서의 출력 전압을 버퍼 증폭기(180)로 전달해 준다. 그러나, 도 2에 도시된 출력 타이밍은 픽셀의 수가 작은 CMOS이미지 센서인 경우에는 이용가능하지만, 픽셀의 수가 늘어나는 경우에는 픽셀 전압 출력 경로와 기준 전원(GND)사이에 연결된 기생 커패시터들이 증가함에 따라 부하 커패시터가 증가하기 때문에, 센서 구동 속도에 영향을 미치게 된다.

예를 들어, N개의 픽셀을 갖는 CMOS이미지 센서의 경우에 출력 전압이 안정화되는데 t만큼의 시간이 걸렸다면 2N개의 픽셀을 갖는 CMOS이미지 센서의 경우에는 픽셀의 수에 따른 기생 커패시터의 증가로 인해 t+△T 만큼의 시간이 소요된다. 그러나, 일반적으로 동영상을 출력하는 2차원 이미지 센서 즉, 에이리어 센서(AREA SENSOR)의 경우에는 한 프레임의 화상을 출력하는데 걸리는 시간이 동일해야 한다. 따라서, 이미지 센서의 픽셀 수가 증가하면 그만큼 출력 속도가 빨라져야 하지만, 실제로는 그 속도가 오히려 느려진다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 중간 버퍼를 이용하여 각 픽셀의 출력 값을 시간적으로 중첩시킴으로써 픽셀의 출력 전압을 안정화시키는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS이미지 센서를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 시모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor:CMOS) 이미지 센서(Image Sensor)를 설명하기 위한 도면이다.

도 2(a) 및 2(b)는 도 1에 도시된 CMOS이미지 센서의 출력 타이밍을 설명하기 위한 타이밍도들이다.

도 3은 본 발명에 따른 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 4는 도 3에 도시된 CMOS이미지 센서의 픽셀 센서를 설명하기 위한 회로도이다.

도 5는 도 3에 도시된 CMOS이미지 센서의 픽셀 센서 부하와 레벨 쉬프트 버퍼를 설명하기 위한 회로도이다.

도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 픽셀 센서와 레벨 쉬프트 버퍼의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 7(a)~7(c)는 도 3에 도시된 CMOS이미지 센서의 출력 타이밍을 설명하기 위한 타이밍도들이다.

상기 과제를 이루기위해, 본 발명에 따른 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS이미지 센서는, 복수 개의 픽셀 센서들로 이루어진 픽셀 어레이, 제1클럭 신호에 응답하여 픽셀 어레이의 로우를 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성하고, 선택된 로우의 픽셀 출력이 완료되면 선택된 로우를 리셋시키기 위한 리셋 신호를 생성하는 수직 쉬프트 레지스터, 외부에서 인가된 시스템 클럭 신호에 응답하여 제1클럭 신호를 생성하고, 시스템 클럭 신호를 소정율로 분주하여 제2클럭 신호를 생성하는 타이밍 제어 수단, 제2클럭 신호에 응답하여 로우에 해당하는 칼럼들을 선택하기 위한 칼럼 선택 신호를 소정 시간씩 중첩시켜 순차적으로 출력하는 수평 쉬프트 레지스터, 선택된 로우 및 칼럼에 상응하는 픽셀 센서의 출력 값을 입력하여 레벨 쉬프팅하고, 레벨 쉬프팅된 결과를 칼럼 선택 신호에 응답하여 소정 시간 유지하는 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서, N개의 버퍼들을 구비하고, 각 버퍼들은 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서에서 출력되는 픽셀 센서의 출력 값들 중 서로 인접하지 않은 복수 개의 값들을 각각 버퍼링하는 중간 버퍼 수단, 중간 버퍼 수단에서 출력된 신호들을 입력하고, 타이밍 제어 수단에서 출력되는 선택 신호에 응답하여 입력된 신호들을 시분할하여 출력하는 멀티플렉서, 및 멀티플렉서에서 출력된 신호를 버퍼링하고, 버퍼링된 신호를 출력하는 버퍼 증폭 수단으로 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS이미지 센서에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS이미지 센서를 설명하기 위한 도면으로서, 수직 쉬프트 레지스터(300), 수평 쉬프트 레지스터 (320), 픽셀 어레이(370), 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서(330), 타이밍 제어부 (310), 중간 버퍼부(350), 멀티플렉서(360) 및 버퍼 증폭기(380)로 구성된다. 여기에서, 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서(330)의 레벨 쉬프트 버퍼는 복수 개의 버퍼들(33a~33h)로 이루어지고, 멀티플렉서는 복수 개의 스위치들(34a~34h)로 이루어진다, 또한, 픽셀 어레이(370)는 복수 개의 픽셀 센서들(37)로 이루어지고, 중간 버퍼부(350)는 버퍼들(35a~35d)로 이루어지고, 멀티플렉서(360)는 스위치들 (36a~36d)로 이루어진다. 픽셀 어레이(370)에서 참조 부호를 표시하지 않은 픽셀 센서들도 같은 참조 부호 37를 갖지만 간략한 도시를 위하여 생략한다.

도 3에 도시된 타이밍 제어부(310)는 시스템 클럭 신호(CLK)를 입력하여 픽셀 어레이(370)의 각 로우와 칼럼 선택을 제어하기 위한 클럭 신호들을 발생시킨다.

수직 쉬프트 레지스터(300)는 타이밍 제어부(310)에서 출력된 제1클럭 신호에 응답하여 픽셀 어레이(370)의 로우를 선택하고, 선택된 로우에 대한 픽셀 값의 출력이 완료되면 선택된 로우를 리셋시키기 위한 리셋 신호를 생성한다.

수평 쉬프트 레지스터(320)는 픽셀 어레이(370)의 로우가 선택되면, 타이밍 제어부(310)에서 출력되는 제2클럭 신호에 응답하여 선택된 로우에 해당하는 칼럼들(C1~C8)을 순차적으로 선택한다. 이 때, 수평 쉬프트 레지스터(320)에서 출력되는 칼럼 선택 신호는 인접한 칼럼의 경우에 일정 시간씩 중첩된다. 도 3을 참조하면, 각 칼럼들(C1~C4)은 서로 중첩되고, 칼럼들(C5~C8)도 서로 중첩되어 선택된다.

픽셀 어레이(370)는 광 다이오드와 MOS트랜지스터들로 구성되며, 선택된 로우와 선택된 칼럼에 상응하는 픽셀 센서(37)가 구동되고, 구동된 픽셀 센서(37)에 축적된 전하가 전압으로 출력되어 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서(330)로 인가된다.

레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서(330)는 수평 쉬프트 레지스터(320)에서 선택된 칼럼의 픽셀 센서(37)에서 출력되는 전압을 순차적으로 입력하여 레벨 쉬프트하고, 레벨 쉬프트된 결과는 스위치들(34a~34h)을 통하여 중간 버퍼부(350) 로 출력된다. 즉, 각 픽셀 센서(37)의 출력은 종래의 경우처럼 하나의 출력 버퍼에 연결되는 것이 아니라, 인접한 픽셀 센서의 경우에는 그 출력 시간이 서로 중첩되도록 시간 분할하여 다수 개의 중간 버퍼로 입력시킨다.

중간 버퍼부(350)는 버퍼들(35a~35d)로 이루어져 각각의 입력된 전압을 버퍼링하고, 버퍼링된 결과를 멀티플렉서(360)로 출력한다. 도 3을 참조 하면, 중간 버퍼부(350)가 4개의 중간 버퍼들(35a~35d)을 구비하는 것으로 도시 되었으나, 버퍼 갯수는 설계 방식에 따라서 가변될 수 있다. 상술한 바와 같이, 각 칼럼(C1~C8)에 대한 픽셀 센서의 출력은 복수 개의 중간 버퍼(35a~35d)의 입력으로 분할하여 인가된다. 즉, 중간 버퍼(35a)는 칼럼(C1, C5)의 픽셀 출력을 입력으로하고, 중간 버퍼(35b)는 칼럼(C2, C6)의 픽셀 출력을 입력으로하고, 중간 버퍼(35c)는 칼럼(C3, C7)의 픽셀 출력을 입력으로하고, 중간 버퍼(35d)는 칼럼(C4,C8)의 픽셀 출력을 입력으로한다.

따라서, 중간 버퍼부(350)를 구성하는 버퍼의 수가 N개일 때, 제1버퍼는 제AN+1(A는 0,1,2,3,...)번째 칼럼의 픽셀에서 출력된 값을 버퍼링하고, 제2버퍼는 제AN+2번째 칼럼의 픽셀에서 출력된 값을 버퍼링하고, 제3버퍼는 제AN+3번째 칼럼의 픽셀에서 출력된 값을 버퍼링하고, 제4버퍼는 제AN+4번째 칼럼의 픽셀에서 출력된 값을 버퍼링하게 됨을 알 수 있다. 또한, 중간 버퍼부(350)를 구성하는 버퍼의 수만큼 인접한 칼럼의 픽셀 출력이 서로 별개의 버퍼에 연결되기 때문에, 인접한 칼럼의 픽셀 센서들 간에 서로 구동되는 시간이 중첩된다 하더라도 안정된 출력을 얻을 수 있다. 또한, 각 픽셀이 구동해야 할 부하가 클 경우에는 픽셀의 출력 전압을 읽어내는 리드아웃(READOUT) 속도가 감소하게 되므로 본 발명에서는 부하를 줄이고, 리드아웃 속도를 줄이기 위해 다수 개의 중간 버퍼를 이용한다. 따라서, 종래에 비하여 구동해야 할 부하가 줄어든 것이므로 그에 따른 출력 속도가 빨라진다. 또한, 버퍼를 분리함에 따라 각 픽셀 센서가 구동해야 하는 기생 커패시터가 줄어들게 된다는 장점이 있다.

멀티플렉서(360)는 중간 버퍼부(350)의 버퍼들(35a~35d)로부터 출력되는 각 전압을 입력하고, 타이밍 제어부(310)에서 인가되는 선택 신호(SEL)에 응답하여 입력된 전압들을 선택적으로 출력한다. 이 때, 멀티플렉서(360)는 중간 버퍼부(360)의 출력을 시분할하고, 시분할된 출력을 최종적인 버퍼 증폭기(380)로 전달하게 된다. 따라서, 멀티플렉서(360)에서 출력되는 전압은 버퍼 증폭기(380)에 입력되어 버퍼링되고, 버퍼링된 전압은 출력 단자 Vout를 통하여 출력된다. 이 때, 최종적인 버퍼 증폭기(380)에 인가되는 전압은 N개의 중간 버퍼를 사용했을 경우에 N등분된 각 칼럼 선택 신호 중 가장 뒷쪽 1/N시간 동안의 전압이 된다.

즉, 도 3에 도시된 CMOS이미지 센서는 우선, 중간 버퍼부(350)를 이용하여 시분할함으로써 인접한 칼럼에 대한 칼럼 선택 신호가 중첩되는 것을 가능하게 하고, 중간 버퍼부(350)의 출력을 다시 시분할함으로써 각 칼럼의 픽셀 센서에서 출력되는 전압이 안정된 레벨에 도달한 후에 출력되게 하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한다. 픽셀 어레이(370)의 상세한 출력 타이밍에 관해서는 하기 도 6및 도 7을 참조하여 설명한다.

도 4는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(370)의 각 픽셀 센서(37)를 설명하기 위한 회로도로서, NMOS트랜지스터들(M41, M43, M45)과 광 다이오드(PD1)로 이루어진다.

NMOS트랜지스터(M41)는 리셋 신호(RESET)와 연결된 게이트와, 전원 전압 (VDD)과 연결된 드레인 및 광 다이오드(PD1)의 캐소드와 연결된 소스를 갖는다. NMOS트랜지스터들(M43 및 M45)은 소스 폴로어 구조를 이루는 버퍼 증폭기로서 NMOS트랜지스터(M43)는 NMOS트랜지스터(M41)의 소스와 연결된 게이트와, 전원 전압(VDD)과 연결된 드레인 을 갖고, NMOS트랜지스터(M45)는 수직 쉬프트 레지스터(300)의 로우를 선택하기 위한 워드 라인(WORD)과 연결된 게이트와 NMOS트랜지스터(M43)의 소스와 연결된 드레인 및 비트 라인(BIT)과 연결된 소스를 갖는다.

또한, 도 4에 도시된 픽셀 센서는 광 다이오드 형(Photodiode Type) 능동 픽셀 센서(Active Pixel Sensor)로서 소스 폴로어 구조의 출력 버퍼 증폭기를 갖기 때문에 수동 픽셀 센서에 비해 구동 능력이 뛰어나고 리드아웃 노이즈가 작다는 장점이 있다. 따라서, 고화소수의 이미지 센서를 구현하는데 주로 사용 된다.

도 5는 도 3에 도시된 CMOS이미지 센서의 픽셀 센서 부하(LOAD)와 레벨 쉬프트 버퍼(33)를 설명하기 위한 회로도로서, PMOS트랜지스터들(M51, M53), NMOS트랜지스터들(M55,M57,M59) 및 전송 게이트(TG51)로 이루어진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 레벨 쉬프트 버퍼(33a~33h)는 픽셀 어레이(370)의 칼럼마다 존재한다.

도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 픽셀 센서(37)와 레벨 쉬프트 버퍼(33)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 4, 5, 및 도 6을 참조하여 픽셀 센서(37)와 레벨 쉬프트 버퍼(33)의 동작을 살펴보면, 우선 픽셀 센서(37)의 경우에 수직 쉬프트 레지스터(300)에서 인가되는 도시된 하이 레벨의 리셋 신호(RESET)에 의해서 NMOS트랜지스터(M41)가 턴온되어 광 다이오드(PD1)의 캐소드와 연결된 드레인 전압(Vx)은 기준 전압(VREF)으로 초기화된다. 여기에서, 기준 전압(VREF)은 전원 전압(VDD)과 거의 유사한 크기의 전압이며, NMOS트랜지스터(M41)의 드레인과 접지(GND)사이에는 광 다이오드(PD1)로 인해 기생 커패시터(미도시)가 생성된다. 여기에서, 픽셀 센서(37)의 리셋은 동일한 시간 주기로 빛에 노광시키기 위한 것이며, 초당 30프레임의 영상을 출력하는 경우에는 1/30초마다 한번씩 리셋하게 된다. 즉, 광 다이오드(PD1)의 캐소드와 접지(GND)사이에 형성되는 기생 커패시터를 기준 전압 (VREF)으로 초기화시킨 후 일정 시간 노광시킴으로써 입력 광량에 따른 전하를 축적시켜 그에 상응하는 전압을 읽어낸다. 광 다이오드(PD1)의 캐소드 전위(Vx)는 일정시간 동안 빛에 노광됨에 따라서 초기의 기준 전압(VREF)로부터 점차 낮아지게 되고, 일정한 노광 시간이 지난 시점에서 도 6에 도시된 바와 같이, 워드 라인(WORD)을 통하여 하이 레벨의 전압을 가함으로써 픽셀 어레이(370)의 로우를 선택한다. 여기에서, 캐소드 전압(Vx)이 점차 낮아지는 속도 즉, 전압이 로우로 하강하는 속도는 노광되는 빛의 세기에 따라서 달라지며, 빛의 세기가 강할수록 하강하는 시간은 빠르게 된다. 따라서, 워드 라인(WORD)을 통하여 하이 레벨의 로우 선택 신호가 인가되면, 턴온된 NMOS트랜지스터들(M43, M45)을 통하여 비트 라인(BIT)으로 소정의 전압이 출력된다. 비트 라인(BIT)을 통하여 출력되는 전압(VBIT)은 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서(330)의 레벨 쉬프트 버퍼(33)로 인가된다.

이 때, 도 5에 도시된 레벨 쉬프트 버퍼(33)는 비트 라인(BIT)을 통하여 출력되는 전압(VBIT)을 각각 NMOS트랜지스터(M57)의 드레인 및 PMOS트랜지스터 (M53)의 게이트로 인가한다. 따라서, 칼럼 선택 신호(CS)가 인가되면, 바이어스 전압(VB2)에 따라서 바이어스 전류가 생성되어 VBIT전압이 결정되고, 트랜지스터(M53)의 게이트로 인가된다. 도 6에 도시된 칼럼 선택 신호는 임의의 칼럼에 대한 신호이므로 CSn으로 표시한다. 또한, PMOS트랜지스터(M51)의 게이트로 인가되는 바이어스 전압(VB1)에 상응하는 바이어스 전류가 생성되어 VBIT를 통해서 전달된 신호가 전송 게이트(TG51)의 입력으로 전달된다. 전송 게이트(TG51)는 각각 칼럼 선택 신호(CS)와 반전된 칼럼 선택 신호(CSB)를 전송 제어 신호로서 입력하고, 전송 제어 신호에 응답하여 VBIT의 출력 전압을 출력 단자 OUT으로 전달한다. 따라서, 칼럼이 선택되면 칼럼 선택 신호(CS)가 하이 레벨이 되고, 반전된 칼럼 선택 신호(CSB)는 로우 레벨이 되므로 생성된 바이어스 전류가 흐르게 되면서 그 드레인 전압이 출력 단자 OUT를 통하여 출력된다. 즉, 여기에서 출력되는 전압은 픽셀 센서(37)에서 출력된 비트 라인 전압(VBIT)을 레벨 쉬프팅한 출력임을 알 수 있으며, 스위치들(36a~36d)로 이루어진 아날로그 멀티플렉서(360) 와 수평 쉬프트 레지스터(320)를 통하여 중간 버퍼부(350)로 입력된다.

결국, 선택된 칼럼 라인으로만 전류를 흐르게 함으로써 누설 전류를 없애고 그에 따른 전력 소모를 최소로 할 수 있다는 장점이 있다.

도 7(a)~7(c)는 도 3에 도시된 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS이미지 센서의 출력 타이밍을 설명하기 위한 타이밍도들로서, 7(a)는 로우 선택 신호가 인가되는 것을 나타내고, 7(b)는 스위치들(34a~34h)을 통하여 칼럼 선택 신호가 인가되는 것을 나타내고, 7(c)는 멀티플렉서(360)의 각 스위치들(36a~36d)을 통하여 출력되는 신호들을 나타낸다.

도 7(a)~7(c)를 참조하여 본 발명에 따른 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 CMOS이미지 센서의 동작에 관하여 상세히 설명한다.

도 7(a)를 참조하면, CMOS이미지 센서의 픽셀 어레이(370)는 수직 쉬프트 레지스터(300)에서 출력된 리셋 신호(RESET)에 의해 리셋되고, 리셋된 후에는 각 픽셀 센서를 소정 시간 빛에 노광시킨 후 로우를 선택하기 위한 로우 선택 신호를 출력한다. 즉, 도 3에 도시된 수직 쉬프트 레지스터(300)에서 출력된 하이 레벨의 로우 선택 신호에 응답하여 R1에서 R8까지 순차적으로 선택된다. 하나의 로우가 선택되면 수평 쉬프트 레지스터(320)에서는 각 로우에 대한 칼럼 선택 신호를 생성하여 도 7(b)에 도시된 바와 같이 칼럼(C1~C8)을 순차적으로 선택한다. 여기에서, 각각 4개 씩의 칼럼 선택 신호가 서로 1/4구간 씩 중첩되어 출력됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 중간 버퍼부(350)의 4개의 버퍼(35a~35d)에서는 각 칼럼의 픽셀에서 출력된 전압을 분할하여 버퍼링한다. 여기에서, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 수평 쉬프트 레지스터(320)는 타이밍 제어부(310)에서 출력되는 제2클럭 신호에 따라서 하나의 칼럼이 선택되는 동안 인접한 칼럼을 선택하게 된다. 즉, 도 2(b)에 도시된 종래의 칼럼 선택 신호와 도 7(b)에 도시된 본 발명에 따른 칼럼 선택 신호를 비교해보면, 본 발명에서는 하나의 칼럼이 선택되어지는 동안 그 다음 칼럼 선택 신호가 중첩되어 선택되는 것을 알 수 있다. 즉, 중간 버퍼부(350)를 이용함으로써 칼럼 선택 신호의 중첩이 가능해지고, 그에 따라서 충분히 안정된 픽셀 전압을 버퍼 증폭기(380)로 출력할 수 있다. 즉, 도 7(b)및 (c)를 참조하면, 중간 버퍼부(350)로 입력되는 전압은 최종 버퍼 증폭기(380)를 통해서 출력되는 시점보다 3클럭 앞선 신호이다. 상술한 바와 같이, 중간 버퍼부(350)의 각 버퍼 들은 인접한 칼럼의 픽셀 출력을 각각 서로 다른 버퍼와 연결하게 되므로 출력 전압이 충분히 안정된 상태에서 최종적인 버퍼 증폭기(380)로 출력하는 것이 가능하다.

한편, 멀티플렉서(360)에서는 입력되는 각 중간 버퍼들(35a~35d)의 출력에 대해서 타이밍 제어부(310)에서 출력되는 선택 신호(SEL)에 따라서 각 칼럼 선택 신호의 후반 1/4 구간에서의 출력을 최종 출력으로 선택한다. 즉, 6(b)의 참조 부호 72, 74, 76 및 78은 각각의 칼럼 선택 신호 중 마지막 1/4구간을 나타낸 것으로서 중간 버퍼부(350)로 전달된 출력 값이 실제적으로 버퍼 증폭기(380)에 인가되는 타이밍 시점을 나타낸다. 이러한 과정을 통하여 선택된 로우에 대한 픽셀 출력이 완료되면, 수직 쉬프트 레지스터(300)로부터 리셋 신호(RESET)가 인가되어 광 다이오드(PD1)의 기생 커패시터에 걸리는 전압(Vx)을 기준 전압(VREF)으로 초기화한다.

결국, 중간 버퍼부를 구비하여 인접한 칼럼에 대해서 버퍼를 분리함으로써 각 픽셀이 구동해야하는 기생 커패시터를 줄일 수 있고, 출력 속도를 빠르게 하는 것이 가능하다. 또한, 각 중간 버퍼의 출력을 시분할하여 안정된 상태에서의 전압을 최종 버퍼로 출력함으로써 안정된 출력을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 중간 버퍼부를 구비하여 인접한 버퍼를 분리함으로써 각 픽셀이 구동해야하는 기생 커패시터를 줄일 수 있고, 안정된 출력을 얻을 수 있다. 또한, 칼럼 라인에 대해 구동해야할 출력 부하를 줄임으로써 출력 속도를 개선하고, 효과적인 픽셀 값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 멀티플렉서를 이용하여 중간 버퍼의 출력 중 후반 1/N구간 동안의 출력을 최종 출력으로 연결함으로써 안정된 픽셀 출력을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Claims

복수 개의 픽셀 센서들로 이루어진 픽셀 어레이;

제1클럭 신호에 응답하여 상기 픽셀 어레이의 로우를 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성하고, 상기 선택된 로우의 픽셀 출력이 완료되면 상기 선택된 로우를 리셋시키기 위한 리셋 신호를 생성하는 수직 쉬프트 레지스터;

외부에서 인가된 시스템 클럭 신호에 응답하여 상기 제1클럭 신호를 생성하고, 상기 시스템 클럭 신호를 소정율로 분주하여 제2클럭 신호를 생성하는 타이밍 제어 수단;

상기 제2클럭 신호에 응답하여 상기 로우에 해당하는 칼럼들을 선택하기 위한 칼럼 선택 신호를 소정 시간씩 중첩시켜 순차적으로 출력하는 수평 쉬프트 레지스터;

상기 선택된 로우 및 칼럼에 상응하는 상기 픽셀 센서의 출력 값을 입력하여 레벨 쉬프팅하고, 상기 레벨 쉬프팅된 결과를 상기 칼럼 선택 신호에 응답하여 소정 시간 유지하는 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서;

N개의 버퍼들을 구비하고, 상기 각 버퍼들은 상기 레벨 쉬프트 버퍼/멀티플렉서에서 출력되는 상기 픽셀 센서의 출력 값들 중 서로 인접하지 않은 복수 개의 값들을 각각 버퍼링하는 중간 버퍼 수단;

상기 중간 버퍼 수단에서 출력된 신호들을 입력하고, 상기 타이밍 제어 수단에서 출력되는 선택 신호에 응답하여 입력된 신호들을 시분할하여 출력하는 멀티플렉서; 및

상기 멀티플렉서에서 출력된 신호를 버퍼링하고, 상기 버퍼링된 신호를 출력하는 버퍼 증폭 수단을 포함하는 것을 특징으로하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 중간 버퍼 수단은,

상기 버퍼가 제1~제N(>0)개일 때,

상기 제1버퍼는 제AN+1(A는 0,1,2,3,..)번째 칼럼의 픽셀 센서에서 출력된 값을 버퍼링하고, 상기 제2버퍼는 제AN+2번째 칼럼의 픽셀 센서에서 출력된 값을 버퍼링하고, 상기 제3버퍼는 제AN+3번째 칼럼의 픽셀 센서에서 출력된 값을 버퍼링하고, 상기 제4버퍼는 제AN+4번째 칼럼의 픽셀 센서에서 출력된 값을 버퍼링하는 것을 특징으로하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 수평 쉬프트 레지스터는,

상기 중간 버퍼 수단의 버퍼 수만큼 인접한 칼럼 선택 신호를 중첩하여 출력하는 것을 특징으로하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 멀티플렉서는,

상기 각 칼럼 선택 신호의 N등분한 구간 중에서 후반 1/N구간 동안에 픽셀 센서에서 출력되는 값을 선택하는 것을 특징으로하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서.
제4항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는,

다수 개의 광 다이오드 형 능동 픽셀 센서들로 이루어지며, 상기 각 픽셀 센서는 소스 폴로어 구조를 갖는 증폭기를 내부에 구비하는 것을 특징으로하는 다단계 시분할 출력 방식을 이용한 시모스 이미지 센서.