KR20000071319A - 어레이 판독 시스템 - Google Patents
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Abstract
능동 어레이에 채용된 소오스 팔로워가 갖는 문제점은 능동 어레이의 각 소자마다 차동 증폭기를 채용함에 의해 완화된다. 그러나, 각 소자내에 전체의 차동 증폭기가 포함되는 것이 아니라, 차동 증폭기 구조의 일부를 특정의 열에 연결된 각 감지기 소자가 공유한다. 예를들어, 차동 증폭기는, 궤환 구조를 이용하여 연결되는 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)일 수 있다. 그러나, 어레이의 각 감지기 소자내에 OTA가 포함되는 것이 아니라, OTA의 일부를 특정의 열에 연결된 각 감지기 소자가 공유한다. 궤환망을 갖는 차동 증폭기를 채용하여 1보다 큰 이득을 얻을 수 있으나, FPT(Fixed Pattern Noise)가 도입되는 것을 피하기 위해, 실질적인 이득이 1인 것이 바람직하다. 또한, 어레이 독출의 공유된 차동 증폭기 모델은, 예를들어 원래 그 자체로서는 감지기 어레이가 아닌 어레이를 포함하는 능동 어레이 판독 응용에 채용될 수 있으며, 공유 차동 증폭기를 형성하는데 필요한 구조가 어레이의 소자내에 포함된다.
Description
본 발명은 고체 촬상 소자의 화소값들과 같은 값의 어레이(array)를 독출하는 분야에 관한 것이다.
고체 촬상 소자 또는 다른 감지기의 화소 어레이와 같은 어레이로 부터 값을 독출할 경우, 열(column) 어레이의 소자들이 단일 라인으로 다중화되는 경우가 있다. 이러한 열 라인들은, A/D변환기에 연결되는 것과 같이, 단일의 직렬 판독 라인으로 한번 더 다중화된다. 다중화는 열 및/또는 판독 라인으로의 억세스 제어를 어드레서블하는 스위칭 트랜지스터를 이용하여 이루어지기도 한다.
실리콘 장치의 형상 크기가 매우 작아지는 추세이므로, 오늘날에는 각 감지기 어레이 소자내에 약간의 능동 회로, 예를 들어 증폭기 또는 버퍼를 포함시킬 수 있으며, 그러한 능동 회로가 포함되어 있는 어레이를 본 분야에서는 능동 어레이라 한다. 어레이 소자에 능동 회로가 포함되어 있지 않는 소위 종래의 수동 소자를 이용한 것보다, 그러한 능동 회로를 이용함으로서, 감지기로부터의 신호가 저 잡음 및 저 감쇄로 출력 라인에 전달될 수 있는 장점이 있다. 각 어레이 소자의 회로는, 어레이 소자의 바깥 측에 배치되고 열의 모든 어레이 소자들이 공유하는 전류원을 채용한 소오스 팔로워(source follower)로 구성된다.
소오스 팔로워는 원가를 고려할때, 감지기 어레이에 대한 최근의 바람직한 기술인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)로 구현되며, 소위 인체 효과(body effect), 즉 MOS 트랜지스터의 임계 전압이 그의 소오스 전압에 의해 가변되도록 하는 효과로 인해 1보다 훨씬 작은 전압 이득을 얻게됨을 알 수 있었다. 결과적으로, 감지기 소자로부터의 신호는 감쇄된다. 감쇄 때문에, 감쇄를 보상하기 위한 증폭기를 추가할 필요가 있다. 추가적인 증폭기의 사용으로 인해, 감지기 출력의 신호 대 잡음비가 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 이득 결정에 영향을 미치는 다른 트랜지스터의 특성들 및 인체 효과에 있어서의 변화로 인해 화소마다의 이득이 변한다. 그러한 변화는 FPN(Fixed Pattern Noise)으로 나타난다. 인체 효과를 없애기 위해, 각 트랜지스터가 그 자신의 기판 확산 우물내에 배치될 수 있으나, 그렇게 하면, 이룰 수 있는 감지기 어레이의 밀도가 현저하게 감소된다.
능동 어레이에 채용된 소오스 팔로워가 갖는 이러한 문제점은, 본 발명의 원리에 따라, 각 소자마다 차동 증폭기를 채용함에 의해 완화된다. 그러나, 각 소자내에 전체의 차동 증폭기를 포함시키는 대신에, 특정의 열에 연결된 각 감지기 소자들이 차동 증폭기 구조의 일부를 공유한다. 예를들어, 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 차동 증폭기는 궤환 구조로 연결된 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)일 수 있다. 그러나 어레이의 각 감지기 소자내에 OTA를 포함시키는 대신에, 특정의 열에 연결된 각 감지기 소자가 OTA의 일부를 공유한다. 따라서, 각 감지기 소자는, 종래 기술에서 소오스 팔로워가 채용되었던 경우와 동일한 부품을 포함할 수 있으며, 열의 모든 감지기 소자들이 공유한 OTA를 완성하기 위해서 다른 소자들이 필요하다. 궤환망을 갖는 차동 증폭기를 채용함으로서, 1보다 큰 이득을 얻을 수 있으나, FPT가 삽입되는 것을 피하기 위해, 실질적으로 1인, 즉 대략 1에 가깝지만 1보다는 약간 적은 이득을 얻음이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 어레이 독출의 공유된 차동 증폭기 모델은, 예를들어 원래 그 자체로서는 감지기 어레이가 아닌 어레이를 포함하는 능동 어레이 판독 응용에 채용될 수 있으며, 공유 차동 증폭기를 형성하는데 필요한 구조가 어레이의 소자내에 포함됨을 알았다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 감지기 어레이의 단일 열로부터 아날로그값을 독출하는 예시적인 구성도,
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
103,105 : 전류원 107,109,115,117 : 트랜지스터
111 : 궤환망 113 : 감지기
119 : 공통 라인
이하에서는 본 발명의 원리에 대해 설명한다. 본 명세서에서 명확하게 설명되고 도시되지 않더라도, 당업자라면, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 사상 및 범주내에 포함된 다양한 구성을 고안할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 명세서에 기술된 모든 예시 및 조건적인 표현은, 발명자에 의해 제공된 개념과 본 발명의 원리를 이해하는데 도움을 주기 위한 교육적 목적을 위한 표현으로서, 그와 같은 특정하게 기술된 예시 및 조건으로 본 발명을 제한하는 것이 아닌 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 원리를 기술한 모든 설명, 측면, 본 발명의 구현, 및 그의 특정의 예는 구조적 및 기능적인 등가물을 포함한다. 또한, 그러한 등가물은 지금까지 알려진 등가물 및 앞으로 개발될 등가물, 즉, 구조에 상관없이 동일한 기능을 수행하도록 개발된 임의의 소자를 포함한다.
따라서, 예를들어, 본 명세서의 블록도는 본 발명의 원리를 구현한 예시적인 회로의 개념도를 나타냄을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 이와 유사하게, 임의의 흐름도, 상태 전이도, 의사 코드 및 그의 유사물들은, 실질적으로 컴퓨터 독출 가능 매체로 표현되고, 컴퓨터 및 프로세서가 명확하게 도시되는 것과 무관하게, 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행되는 다양한 처리를 나타냄을 알 수 있을 것이다.
"프로세서"로 표시된 기능 블록을 포함하는, 도면에 도시된 다양한 소자들의 기능들은 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 수 있는 전용 하드웨어 및 일반 하드웨어의 이용을 통해 제공된다. 프로세서에 의해 제공될 경우, 단일의 전용 프로세서, 단일의 공유 프로세서, 또는 몇 개가 공유될 수도 있는 다수의 개인 프로세서에 의해 기능이 제공될 수 있다. 또한, "프로세서" 또는 "제어기"란 용어의 명확한 이용은, 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어만을 독점적으로 나타내는 것으로 해석되어서는 안되며, 제한없이, 명확하게 DSP(Digital Signal Process) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 및 불휘발성 저장기를 포함한다. 일반적인 및/또는 주문형의 다른 하드웨어가 포함 될 수도 있다. 유사하게, 도면에 도시된 임의의 스위치는 단지 개념적인 것이다. 그의 기능은 프로그램 로직의 작동, 전용의 로직, 프로그램 제어의 상호 작용 및 전용 로직에 의해 실행되거나, 또는 문맥으로부터 보다 특정하게 이해되는 바와 같이, 구현자에 의해 선택될 수 있는 특정의 기술을 통해 수동적으로 실행된다.
청구항에 있어서, 특정의 기능을 수행하는 수단으로 표현된 임의의 소자는, 예를들어 a) 그 기능을 수행하는 회로 소자들의 조합, 또는 b) 그 기능을 수행하는 소프트웨어를 실행하기 위한 임의의 회로들로 조합된 펌웨어, 마이크로 코드 또는 그의 유사물을 포함하는 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 임의의 방법을 포함하는 것으로 간주된다. 그러한 청구항에 정의된 발명은, 기술된 다양한 수단에 의해 제공되는 기능성들이 청구항이 청구한 방식으로 서로 조합되고 제공된다는 사실에 속한다. 따라서, 출원인은 그러한 기능을 제공할 수 있는 임의의 수단들을 본 명세서에 나타난것과 등가인 것으로 간주한다.
도 1에는 본 발명의 원리에 따라 감지기 어레이의 단일 열로부터 아날로그 값을 독출하는 예시적인 구조가 도시된다. 도 1 에는, a) 소자들(101-1 내지 101-N)을 포함하는 능동 감지기 어레이 소자(101); b) 전류원(103,105); c) 트랜지스터(107,109); 및 d) 선택적 궤환망(111)이 도시된다.
능동 감지기 어레이 소자(101)는 열로 배열된다. 본 명세서에서는 "열"이라 하지만, 본 발명의 원리는 감지기 어레이 소자의 "행"과 동일하게 적용됨을 알아야 한다.
능동 감지기 어레이 소자(101) 각각은 감지기(113) 및 트랜지스터(115,117)를 포함한다. 감지기(113)는 임의의 특성을 검출하여 검출된 특성을 나타내는 값을 트랜지스터(115)에 제공한다. 예를 들어, 감지기(113)는 영상 감지기의 화소일 수 있으며, 검출된 특성은 일정한 기간 동안에 감지기(113)에 입사되는 광이다. 예를 들어 입력(121)이 논리 1이 되도록 함으로서, 스위치 트랜지스터(117)가 어드레스될 경우에, 즉 선택되거나 인에이블될 경우에, 감지기(113)의 출력이 스위치 트랜지스터(117)를 경유하여 열 라인(119)과 연결되도록, 트랜지스터(115)는 구동 트랜지스터로 구성된다. 전류원(103)은 열 라인(119)과 연결되어 트랜지스터(115,117)에 바이어스 전류를 공급하여 그들이 작동하도록 인에이블시킨다. 판독을 위해 능동 감지기 어레이 소자(101)와 같은 감지기 소자를 열 상태로 구성하는 것은 이미 알려져 있는 기술이다.
전류원(103,105)과 궤환망(111) 및 트랜지스터(107,109)는 능동 감지기 어레이 소자들(101)들 중 현재 선택된 하나의 소자의 감지기(113)의 트랜지스터(115,117)에 의해 차동 쌍 OTA를 완성하도록 구성된다. 그러한 구성에 있어서, 트랜지스터(107)는 연속적인 온 스위칭 트랜지스터(on switching transistor)로 구성되며, 트랜지스터(109)는 열의 모든 출력을 그의 입력으로 궤환시키는 궤환 구조로 구성된다. 차동 쌍 OTA는 잘 알려져 있는 기술임을 알아야 한다. 목적에 부합하도록 트랜지스터(117)를 복제하기 위해 트랜지스터(107)가 이용된다. 그러나 오프셋이 아닌 경우에, 문제의 트랜지스터(107)는 제거된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 각 능동 감지기 어레이 소자가 차례로 선택됨에 따라, 트랜지스터(107,109), 전류원(103,105), 궤환망(111) ,및 능동 감지기 어레이 소자들(101)중 선택된 하나의 능동 감지기 어레이 소자의 트랜지스터(115,117)에 의해 새로운 OTA가 형성된다. 행으로 배열된 모든 능동 감지기 어레이 소자(101)들은 트랜지스터(107,109), 전류원(103,105), 궤환망(111)을 공유함이 바람직하다. 그렇게 함으로서, 밀도를 떨어뜨리지 않으면서도 감지기 어레이의 원가를 절감한다.
형성된 OTA의 이득은 궤환망(111)의 함수이다. 예를 들어, 궤환망(111)은 단순히 입력에서 출력까지 단락(short)인 회로일 수 있다. 그럴 경우, 형성된 OTA는 실질적으로 1과 동일한 이득을 갖게된다. 궤환망(111)이 1 미만의 이득을 갖도록 하기 위해, 다른 타입의 망, 예를들어 레지스터 분할망을 이용하면, 형성된 OTA의 모든 이득은 1보다 커지게 된다. 궤환망은 능동망일 수 있으며, 예를들어 버퍼 또는 다른 능동 부품을 포함할 수 있다.
도 1의 구성의 이득은 종래 기술의 구성에서 한 것과 같이 MOS 인체 효과에 영향 받지 않는데, 이는 트랜지스터(115)가 한 것과 동일한 게이트-소오스 전압을 트랜지스터(109)가 가짐으로서, 인체 효과에 의해 반대로 작용하여 효과적으로 그것을 상쇄시키기 때문이다. 이것을 개념화하기 위한 다른 방법은, 차동 증폭기가 높은 개방 루프 이득을 가지며, 이에 따라 궤환으로 인해 인체 효과에 기인한 개방 루프 이득의 변화를 폐쇄 루프 이득으로 상쇄하는 것이다.
레지스터들은, 증폭기의 작동을 실질적으로 변경하지 않고도, 전류원(103,105)중의 어느 하나, 또는 둘 모두로 대치된다.
형성될 다른 타입의 차동 증폭기는 차동 전압 증폭기이다.
감지기 어레이는 부가적인 열을 포함하며, 각 부가적인 열은 도 1에 도시된 구성과 구조적으로 동일함을 알아야 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공유 차동 증폭기 모델은, 예를들어 원래 그 자체로서는 감지기 어레이가 아닌 어레이를 포함하는 능동 어레이 판독 응용에 채용될 수 있으며, 공유 차동 증폭기를 형성하는데 필요한 구조가 어레이의 소자내에 포함됨을 알았다. 예를들어, 어레이는, 한번 더 처리될, 예를들어 증폭되고 아날로그 표현에서 디지털 표현으로 변환될 값이 놓여진 샘플 앤드 홀드(sample and hold) 응용에 이용하기 위한 커패시터 어레이와 연결된 신호원으로부터 형성된다. 그러한 신호원 및 커패시터는 감지기(113)로 대치된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 감지기 출력의 신호 대 잡음비를 떨어뜨리지 않고, 또한, 인체 효과를 제거할 수 있는 효과가 있다.
Claims (28)
- 아날로그 값을 제공하는 어드레서블 어레이(addressable array) 소자들로서, 상기 어드레서블 어레이의 각 소자는 적어도 하나의 능동 부품을 포함하고, 상기 어레이 소자 각각의 출력은 공통 라인에 연결되는 상기 어드레서블 어레이 소자들과;상기 공통 라인에 연결되고, 상기 어드레서블 어레이 소자들중 어드레스된 하나의 소자에 연결될 경우에, 상기 어드레서블 어레이 소자중의 상기 어드레스된 하나의 소자의 상기 적어도 하나의 능동 부품에 의해 차동 증폭기를 형성하는 회로를 구비하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 차동 증폭기는, 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)인 장치.
- 제 1 항에 있어서,아날로그 값을 제공하는 상기 소자의 어레이는 감지기 어레이인 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 아날로그 값을 제공하는 상기 소자의 어레이는 그 자체로는 감지기 어레이가 아닌 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 차동 증폭기는, 실질적으로 이득 1이 생성되도록 구성되는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 적어도 하나의 능동 부품은 스위치 트랜지스터와 직렬로 연결된 구동 트랜지스터를 포함하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 공통 라인에 연결된 회로는 적어도 하나의 전류원을 포함하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 공통 라인에 연결된 회로는,제 1 및 제 2 전류원과;제 1 트랜지스터를 포함하고,상기 제 1 전류원은 상기 제 1 트랜지스터에 연결되고, 상기 트랜지스터는 구동 트랜지스터로 구성되어 상기 제 1 전류원에 연결되는 장치.
- 제 8 항에 있어서,제 2 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 제 2 트랜지스터는 계속적으로 온 스위칭 상태로 구성되고, 상기 제 1 트랜지스터를 상기 제 2 전류원에 연결시키는 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 구동 트랜지스터는 상기 장치의 출력으로부터 상기 트랜지스터의 입력까지의 궤환망에 의해 연결되고, 그에 의해 1이 아닌 이득이 얻어지는 장치.
- 제 8 항에 있어서,제 2 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 제 2 트랜지스터는 계속적인 온 스위치 상태로 구성되고, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 전류원을 연결시키며, 상기 구동 트랜지스터는 상기 장치의 출력부터 상기 트랜지스터의 입력까지의 궤환망에 의해 연결되며, 그에 의해 상기 어레이 소자의 각각의 출력에 대해 1이 아닌 이득이 얻어지는 장치.
- 아날로그 값을 제공하는 어드레서블 어레이 소자를 사용하는 것으로, 상기 어드레서블 어레이의 각 소자는 적어도 하나의 능동 부품을 포함하고, 상기 어레이 소자의 각 출력은 공통 라인에 연결되는 방법에 있어서:상기 모든 어드레서블 어레이 소자 외부에 적어도 하나의 능동 부품과 능동 회로를 사용하여 제 1 차동 증폭기를 형성하도록 상기 어드레서블 어레이 소자들중에서 제 1 소자를 선택하는 단계를 포함하는 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기의 실질적인 이득은 1인 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기는 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)인 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 모든 어드레서블 어레이 소자의 외부에 적어도 하나의 능동 부품 및 능동 회로를 이용하여 제 2 차동 증폭기를 형성하도록, 상기 어드레서블 어레이 소자들 중에 제 2 소자를 선택하는 단계를 더 포함하는 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기 및 제 2 차동 증폭기는 실질적으로 동일 이득을 갖는 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기 및 제 2 차동 증폭기의 실질적인 이득은 1인 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기 및 제 2 차동 증폭기의 이득이 서로 다른 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 2 차동 증폭기는 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)인 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기 및 제 2 차동 증폭기는 상기 선택된 제 1 소자 및 상기 선택된 제 2 소자의 상기 능동 부품의 차이에 기인하여 서로 다른 구성을 갖는 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 차동 증폭기 및 제 2 차동 증폭기는, 서로 다른 구성인 상기 선택된 제 1 소자 및 상기 선택된 제 2 소자의 상기 능동 부품에 의해 서로 다른 이득을 갖는 어드레서블 어레이 소자 사용 방법.
- 능동 어레이 소자에 의해 사용되는 증폭기 회로의 일부를 시간 다중화하여, 상기 능동 어레이 소자가 선택될 경우, 상기 능동 어레이 소자중 선택된 하나의 소자내의 능동 부품을 이용하여 완전한 차동 증폭기를 형성하는 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 형성된 완전한 차동 증폭기는 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)인 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 능동 어레이 소자는 공통 라인에 선택적으로 연결되는 방법.
- 아날로그값을 제공하는 어레이 수단으로서, 상기 제공 수단 각각은 적어도 하나의 능동 부품 수단을 포함하고, 각 제공 수단의 출력은 공통 라인에 연결되는 상기 어레이 수단과;상기 공통 라인에 연결되고, 상기 제공 수단중 어드레스된 하나의 제공 수단에 연결될 경우, 상기 제공 수단중의 상기 어드레스된 하나의 제공 수단의 적어도 하나의 능동 부품 수단에 의해 차동 증폭기 수단을 형성하는 수단을 구비하는 장치.
- 제 25 항에 있어서,상기 아날로그 값을 제공하는 수단은 감지를 위한 수단들의 어레이인 장치.
- 제 25 항에 있어서,상기 차동 증폭기 수단은 차동 쌍 OTA(Operational Transconductance Amplifier)인 장치.
- 제 25 항에 있어서,상기 차동 증폭기 수단의 실질적인 이득은 1인 장치.
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