KR20010034765A - 전역 리셋을 갖는 이미징 어레이용 저-노이즈 액티브 픽셀센서 - Google Patents

전역 리셋을 갖는 이미징 어레이용 저-노이즈 액티브 픽셀센서 Download PDF

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KR20010034765A
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레스터 제이. 고즈로우스키
데이비드 엘. 스탠들리
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안토니 시이 칼라스
코네잔트 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

액티브 픽셀 센서의 이미징 어레이는 네개의 트랜지스터 CMOS 구현시 각 픽셀에 리셋 증폭기를 사용한다. 리셋 증폭기는 소스-폴로워 증폭기 피드백 회로에서 가변 저항으로서 작용한다. 가변 저항은 리셋 증폭기에 인가된 레인지 리셋 전압(range reset voltage)에 의해 제어되어, 포토다이오드 리셋 노이즈를 널(nulling)시킨다. 램프 리셋 전압(ramp reset voltage)이 모든 픽셀의 모든 리셋 증폭기에 동시에 인가되어, 동시에 전체 어레이의 리셋, 즉 전역 리셋(global reset)을 제공하게 된다.

Description

전역 리셋을 갖는 이미징 어레이용 저-노이즈 액티브 픽셀 센서{LOW-NOISE ACTIVE PIXEL SENSOR FOR IMAGING ARRAYS WITH GLOBAL RESET}
현재 비디오 또는 스틸 이미지를 발생하기 위한 CCD 센서에 많은 대체 장치가 존재한다. 회로 증폭이 각각의 픽셀 장소 또는 픽셀 어레이 외부의 지원 회로에서 수행되는 지에 따라 다양한 스킴(scheme)들이 두개의 기본적인 분류로 그룹화될 수 있다. 패시브 픽셀 센서는 어레이 외부에서 증폭을 수행한다. 패시브 픽셀 센서는 픽셀 단순화 및 극대화된 광학 필 인수(optical fill factor)를 나타낸다. 액티브 픽셀 센서는 각각의 픽셀 장소에 증폭기를 포함한다. 액티브 픽셀 센서는 신호 전달 및 감도를 최적화한다.
가장 단순한 패시브 픽셀은 포토다이오드와 액세스 트랜지스터를 포함한다. 광에 의해 발생된 전하는 각각의 픽셀에서 다운스트림 회로로 패시브하게 전달된다. 그러나, 집적된 전하는 저 노이즈와 불균일성으로 효율적으로 전달되어야만 한다. 픽셀의 각 열이 흔히 신호를 판독하기 위한 공통 행 또는 열 버스를 공유하기 때문에, 각각의 버스를 서비스하는 "열" 버퍼에서 전형적으로 노이즈와 불균일성 억제가 용이하게 된다. 패시브 픽셀 구현의 일례가 도 1에 도시되어 있다. 이는 캐패시턴스 피드백이 큰 버스 캐패시턴스를 고려하여 적절한 감도를 발생하도록 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기로 구성된 버퍼를 사용한다. 이와 같은 전하 증폭은 초기의 MOS 이미징 센서에서의 온-칩 구현에는 일반적으로 실용적이지 않았다. 따라서, NMOS 기술에 호환하는 대체 스킴이 이용되었다. 도 2에 도시한 기본적인 스킴은 캠코더용으로 Hitachi에 의해 대량 제조되었다. 도 1 스킴와 관련된 주요한 기술은 고정 패턴 노이즈를 감소시키기 위한 비-불루밍 제어(anti-blooming control) 및 회로를 포함한다. 비록 이와 같은 이미져가 당시에 입수가능한 떠 오르는 전하 결합 소자(CCD) 이미져보다 못하였지만, 유사한 MOS 이미져가 현재 여전히 상업적으로 제공되고 있다.
패시브 픽셀 이미져 성능을 개선하려는 후속적인 노력이 또한 열 버퍼 증가(column buffer enhancements)에 초점되고 있다. 열 버퍼는 작은 양의 부동산(real estate)에서 증가/공핍 인버퍼 증폭기를 사용하여 적절히 큰 증폭을 제공함으로써 개선되었다. 그 40 lux 감도는 거의 경쟁품인 CCD에 기초한 센서의 크기 이하의 크기였다. 다른 연구인들은 열 버퍼에서의 전하 증폭을 통해 감도를 증가시키고 자동 이득 제어를 용이하게 하는 것에 노력하였다. 최근에, 도 1의 캐패시터성 피드백 트랜스임피던스 증폭기(CTIA) 개념은 미국특허 제5,043,820호 및 제5,345,266호에 의해 예시된 바와 같이, 부수적인 연구를 위한 기초로서의 역할을 하고 있다. CTIA는 시간적(temporal) 노이즈 픽업 및 고정된 패턴 노이즈를 갖는 문제가 적절히 시정된다면 패시브 픽셀 판독에 거의 이상적이다.
비록 패시브 픽셀 이미져를 개발하는데 있어서 많은 진전이 이루어졌지만, 그 시간적 S/N 성능은 여전히 경쟁품인 CCD 이미져보다 근본적으로 열세에 있다. 그 버스 패캐시턴스는100 e의 판독 노이즈로 변환한다. 한편 CCD는 전형적으로 비디오 프레임 레이트(rate)에서 20 내지 40 e-의 판독 노이즈를 가지고 있다. (흔히 많은 구현 단계와 복잡한 인터페이스 회로를 필요로 하는) 난해한 CCD 프로세스보다는 종래의 MOS 제조 기술로 이미져를 생산함으로서 액티브 픽셀 센서의 개발을 촉진하고 있다. 버스 캐패시턴스에 연관된 노이즈를 완화시키기 위해, 포토트랜지스터를 통해 픽셀에 증폭이 부가되었다. 베이스 저장 이미지 센서(Base- Stored Image Sensor, BASIS)라고 하는 한가지 이와 같은 방식은 다운스트림 상관 더블 샘플(downstream correlated double sample)을 갖는 이미터 폴로워(emitter follower) 구성에서 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 랜덤하고 시간적 노이즈를 억제하였다. 전하 증폭을 제공하기 위해 포토트랜지스터의 베이스에 광에 의해 발생된 신호를 저장하므로써, 선형 센서 어레이에서 최소 장면 조도가 10-3lux로 감소하였다. 그러나, 광응답 불균일성이 상대적으로 높기 때문에(≤2％), 310,000 픽셀을 갖는 2차원 BASIS 이미져에서는 최소 장면 조도가 보다 높았다.(10-2lux) 이와 같은 MOS 이미져는 적절한 감도를 가졌지만, 그 픽셀 피치는 약 13㎛로 너무 컸다. 이는 광응답 불균일성을 감소시키면서 픽셀 피치를 축소시키는 문제를 초래하고 있다.
바이폴라 포토트랜지스터의 일체화가 주류의 CMOS 프로세스와 엄격하게 호환하지 않기 때문에, 몇몇 방식은 광검출과 신호 증폭을 분리시키고 있다. 예를 들어, 미국특허 제5,296,696호 및 제5,083,016호는 포토다이오드를 갖는 3개의 트랜지스터 픽셀을 필수적으로 구비한 액티브 픽셀 센서를 기술하고 있다. 이들 구현은 여전히 부적절한 성능을 나타내고 있다. 예를 들어, '696 특허는 고정된 패턴 노이즈를 소거하는 열 버퍼를 갖는 '016 특허의 기본적인 소스-폴로워(sourse follower) 구성을 개선하고 있으나, 네번째 트랜지스터의 부가로 인해, 전하 펌핑 및 부수적인 전파 재분배에 대해 랜덤 오프셋의 발생에 취약한 플로팅 노드(floating node)를 생성하고 있다. '016 특허는 오프셋 에러를 감소시키는 방법을 제공하지만, CCD와 경쟁하는데 유용한 적절한 정확도와 해상도를 갖추지 못하고 있다. 더우기, 이들 및 다른 유사한 방식은 포토다이오드 이외에 픽셀에 3-4 트랜지스터(그들중의 적어도 하나는 1/f 노이즈를 최소화시키기에 상대적으로 큼)를 필요로 하고 있다. 이들 구현은 또한 어떤 것도 시간적 노이즈의 지배적인 소스를 어드레스하지 못하기 때문에 최상의 S/N 성능을 위한 오프-칩 신호 처리를 필요로 한다. 검출기 캐패시턴스을 리셋함으로써 발생된 리셋 노이즈(kTC)를 제거하거나 크게 억제하기 위해서는, 광에 의해 발생된 전압을 판독하면서 리셋 전압을 저장하고, 상관된 더블 샘플링을 인가하며, 상관된 리셋 노이즈를 코히어런트하게 감산하는 전용 메모리 소자가 흔히 온-칩 또는 오프-칩 상에필요하다.
이와 같은 기본적인 단점은 인트라 픽셀 전하 전달을 이용하여 각 이미징 프레임의 시작에서 각 픽셀에 리셋 전하를 저장하는 액티브 픽셀 센서(APS)를 개발함으로써 미국특허 제5,471,515호에 의해 시정되었다. 플로팅 게이트 APS는 몇몇 트랜지스터를 부가하고 신호 검출을 위한 포토게이트에 의존함으로서 고효율을 갖는 상관된 더블 샘플링을 용이하게 한다. 그러나 부수적인 단점은 이들이 이미져 비용을 증가시키기 때문에 실용화하기 힘들다는 점이다. 전자는 각각의 픽셀에 몇몇 트랜지스터를 부가하고, 각각의 이미져에 몇백만 트랜지스터를 부가하여, 생산 수율을 감소시키게 된다. 후자는 표준 CMOS 게이트 제조와 호환하지 못하여, 비표준 프로세스가 개발되어야만 한다. 이들 단점은 Ackland 등에게 허여된 미국특허 제5,576,763호 및 제5,541,402호, 및 Chi 등에 허여된 미국특허 제5,587,596호 및 제 5,608,243호에서 다루어졌다. Ackland는 인트라 픽셀 전하 전달 수단과 연관된 이미지 래그 문제를 해결하였다. 그러나, 그의 방법은 여전히 비표준 CMOS 프로세스를 필요로 한다. Chi는 포토트랜지스터와 리셋 MOSFET만을 구비한 가장 단순한 가능한 액티브 픽셀을 사용함으로써 픽셀 복잡성을 감소시켰다. Chi의 구현은 여전히 리셋 노이즈 문제가 있으며, 포토다이오드가 n웰에 있기 때문에 보다 긴 파장에서 스펙트럼 응답이 떨어진다는 것이다.
＜발명의 목적 및 요약＞
본 발명의 목적은 CMOS 또는 다른 반도체 제조 기술에서 구현하기 위한 액티브 픽셀 저-노이즈 이미징 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리셋 노이즈를 효율적으로 억제하는 이미징 시스템용 저-노이즈 증폭기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 저 시간적 노이즈 및 저 고정된 패턴 노이즈를 제공하면서 비용과 전력 소비를 감소시키는 일체형 저-노이즈 증폭기를 갖는 개선된 전자 이미징 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 목적 및 장점은 광검출기 및 네 개의 트랜지스터로 구성된 각각의 픽셀에서의 회로에 의해 달성된다. 첫번째 트랜지스터는 신호 판독 동안 소스 폴로워의 드라이버로서 그리고 신호 리셋 동안에는 트랜스임피던스 증폭기의 드라이버로서 작용하여, 온-칩 또는 오프-칩 메모리 어느 하나를 사용하여 상관된 더블 샘플링을 실시할 필요가 없이 리셋 노이즈를 억제한다. 두번째 트랜지스터는 각각의 픽셀로부터 신호를 판독하고 픽셀의 어레이로부터 신호 출력을 멀티플렉스하는데 사용되는 액세스 MOSFET이다. 세번째 트랜지스터는 적분된 신호가 판독된 후에 검출기를 리셋하는 MOSFET으로, 검출기 센서 노드는 트랜스임피던스 증폭기에 의해 효과적으로 "핀(pinned)"된다. 네번째 트랜지스터는 신호 판독 동안에는 스위치로서 그리고 리셋 동안에는 전류원으로서 연속적으로 작용하는 MOSFET이다. 전형적인 2차원 디스플레이에서는, 수평 및 수직 쉬프트 레지스터에 의해 멀티플렉싱이 수행될 수 있다.
＜도면의 간단한 설명＞
본 발명의 다른 목적 및 많은 부수적인 장점은, 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조번호가 유사한 부분을 가리키는 첨부하는 도면을 결합하여 고려할 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 명확할 것이다.
도 1은 종래 기술의 패시브 픽셀 MOS 포토다이오드 어레이용 증폭기 시스템을 도시하는 개략 회로도.
도 2는 종래 기술의 패시브 픽셀 이미징 센서용 증폭기 시스템을 도시하는 개략 회로도.
도 3은 종래 기술의 액티브 픽셀 이미징 센서용 증폭기 시스템을 도시하는 개략 회로도.
도 4는 본 발명의 저-노이즈 액티브 픽셀의 바람직한 실시예를 도시하는 개략 회로도.
도 5는 신호 리셋 동안 본 발명의 저-노이즈 증폭기 시스템의 동작을 도시하는 개략 회로도.
도 6은 판독 동안 본 발명의 동작을 도시하는 개략 회로도.
도 7은 열에 기초한(column-based) 소스 전원 회로의 바람직한 실시예를 도시하는 개략 회로도.
도 8은 본 발명의 액티브 픽셀 센서용 소신호(small-signal) 등가 회로를 도시하는 개략 회로도.
도 9는 테이퍼진 리셋(tapered-reset) 파형에 대한 대표적인 클럭킹을 도시하는 신호도.
본 발명은 전자 이미징 장치에 관한 것으로, 특히 각각의 픽셀에 최소의 아날로그 구성요소를 갖는 CMOS 이미져(imagers)에 관한 것이다.
CMOS에 구현되는 가시적 이미징 시스템은 이미지 센서, 구동 전자회로 및 출력 신호 컨디셔닝 전자회로와 같은 구성요소에서 비용과 전력 조건을 크게 감소시키는 잠재성을 가지고 있다. 예를 들어, 비디오 카메라가 오실레이터와 배터리만에 의해서 지지되는 단일 CMOS 집적 회로로서 구성될 수 있다. 이와 같은 CMOS 이미징 시스템은 CCD에 기초한 시스템보다 적은 전압을 필요로 하고, 보다 적은 전력을 방출한다. 이와 같은 개선점으로 카메라 크기가 보다 작게 되며, 배터리 수명이 보다 길어지며 많은 새로운 제품에 응용할 수 있게 된다.
CMOS 가시적 이미져에 의해 제공되는 장점으로 인해, 액티브 픽셀 센서(APS) 장치를 개발하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 액티브 픽셀 센서는 과학적 그레이트 CCD 시스템에 상당하거나 이 보다 못한 저 판독 노이즈를 제공할 수 있다. 그러나, APS 장치의 각 픽셀 내의 액티브 회로는 표준 렌즈와 호환하는 광학 포맷을 갖는 이미져를 인에이블시키고/시키거나 고 감도를 위해 센서 광학 필 인수를 극대화시키는데 사용될 수 있는 셀 "리얼 이스테이트(real estate)"를 이용한다. 액티브 픽셀 회로는 또한 패시브 픽셀 대체물품에 대해 전력 소비를 증가시키고, 고정된 패턴 노이즈(가능하게 노이즈를 억제하는 부수적인 회로를 필요로 하는)를 증가시키고, 확장성을 제한할 수 있다.
본 발명의 저 노이즈 증폭기 시스템은 각 픽셀 내의 집합 회로, 및 픽셀의 열 및 행에 서비스를 제공하는 파형 생성 회로에 의해 형성된다. 액티브 픽셀로부터의 신호는 액티브 픽셀, 파형 발생기, 표준 열 버퍼 및 출력 버퍼로 구성된 저-노이즈 신호 증폭 시스템에 의해 판독된다. 검출기의 리셋 노이즈를 억제하기 위한 수단 이외에, 다운스트림 전자회로 내의 열 버퍼는 흔히 상관 더블 샘플링, 샘플 및 홀드, 선택적 비디오 파이프라이닝, 및 열 증폭기 오프셋 소거 기능을 수행하여, 열 버퍼에 의해 발생되는 시간 및 공간 노이즈를 억제한다.
본 발명의 저-노이즈 시스템은 다음과 같은 주요 기능: (1) 아날로그 메모리용 수단, 및 각각의 픽셀에 대한 신호 감산을 제공할 필요없이 리셋 노이즈의 억제; (2) 물체 회전으로 인한 이미지 왜곡을 최소화시키는 전력 상관 리셋; (3) 작은 센서 모드 캐패시턴스를 통한 고감도 신호 판독; (4) 증폭기 시간 상수 및 스프레이 캐패시턴스의 변화로 인한 고정된 패턴 노이즈의 발생을 피하는 적절한 증폭기 대역; (5) 정교한 지원 전자회로를 필요로 하지 않는 카메라-온-칩의 개발을 가능하게 하는 적절한 전원 거절 능력; 및 (6) 0.25㎛ 리소그래피를 사용할 때 5 마이크론만큼 작은 픽셀 피치를 갖는 이미징 어레이에의 적용 호환성을 제공한다.
본 발명은 표준 실리사이드화 서브마이크론 CMOS와 완전한 프로세스 호환성의 장점을 가지고 있다. 이는 회로 복잡성이 액티브 픽셀 및 주변 회로들중에 분산되기 때문에 수율을 극대화시키고 다이 비용을 최소화시키는데 도움이 되고, CMOS에 내재하는 신호 처리 능력을 이용한다. 본 발명의 스펙트럼 응답은 근-자외선(400㎚) 내지 근-IR(＞800㎚)의 범위이다.
본 발명의 저-노이즈 시스템이 각각의 픽셀에 네개의 MOSFET만을 가지기 때문에, 본 발명은 CMOS에서 0.5㎛ 설계 규칙을 사용하여 7㎛ 픽셀 피치에서 에즈-드로온(as-drawn) 광학 필 인수 ＞15％를 제공한다. 실제의 광학 필 인수는 측면 수집 및 상업적 CMOS 프로세스의 큰 확산 길이로 인해 다소 크다. 마지막 장점은, 전자기 간섭에의 높은 면역성으로 인한 디지털 로직 및 신호 처리 회로를 배열하는 유연성이다.
소정의 카메라-온-칩 아키텍춰에서 완전히 구현될 때, 저-노이즈 액티브 픽셀 센서(APS)는 15 e-(전자적 수단을 통한 비디오 이미징 또는 스틸 포토그래피 노이즈와의 데이타 레이트 호환성에서)만큼 낮은 시간적 판독 노이즈, (경쟁품인 CCD 이미져와의 쌍으로) 최대 신호의 0.1％이하의 고정 패턴 노이즈, 0.5％ 비선형성, 3.3 V 전원에 대해 ≥1V 신호 스위칭, 큰 전하 처리 능력, 및 호스트 마이크로프로세서에 대한 디지털 인터페이스를 통한 프레임 기준으로 업데이트되는 간단한 직렬 인터페이스를 제공할 수 있다.
저-노이즈 APS 발명의 기본적인 실시예는 가시적 광 검출기(광검출기)의 1032(열) 대 776(행)의 어레이를 구비한 가시적 이미져를 형성하였다. 픽셀의 행 및 열은 15％ 애즈-드로온 광학 필 인수를 제공하기 위해 표준 0.5㎛ 설계 규칙을 사용하여 중심 대 중심이 7 마이크론만큼 이격되어 있다. 0.25㎛를 이용한 후속하는 설계는, 본 발명이 또한 5㎛ 피치(pitch)에서 유사한 필 인수를 제공할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 감광 영역의 주변에서의 검출기의 몇몇 열 및 행은 금속으로 덮여 오프-칩 신호 처리를 위해 어두운 레벨를 수립하는데 사용된다. 부수적으로, 각 행의 검출기는 컬러 필터로 덮여 컬러 이미져를 만든다. 예를 들어, 홀수 행들은 좌측에서 적, 녹, 다음에 청색 필터로 시작하고, 짝수 행은 청, 적, 다음에 녹색 필터로 시작하여, 이들 패턴들이 각각의 행을 채우도록 반복된다.
본 발명에 따른 저-노이즈 액티브 픽셀 센서(10)가 도 4에 도시되어 있다. 센서 어레이(도시안됨) 내의 각각의 픽셀(10)은 예를 들어, 듀얼 드라이버(dual-driver) MOSFET(14)의 게이트 및 리셋 MOSFET(16)의 한 레그(leg)에 접속된 포토다이오드와 같은 광검출기(12)를 구비한다. MOSFET(16)의 다른 레그는 MOSFET(14)의 한 레그 및 MOSFET(20)의 한 레그에 접속된다. MOSFET(20)은 전력 리셋 동안에는 전류원으로서 그리고 픽셀 판독 동안에는 스위치로서 작용한다. 행 선택 MOSFET(18)는 한 레그가 MOSFET(14)에 접속되어 있고, 다른 레그는 열 버스(24)에 접속되어 있다. 열 버스(24)는 광검출기 어레이의 열 내의 모든 픽셀들을 행 선택 MOSFET(18)에 의해 소스 전원(30)에 접속한다. 행 버스(22)는 행 내의 모든 픽셀 리셋을 액세스 전원 Vdd에 접속한다. 테이퍼진 리셋 전원(50)은 최적화된 액티브 픽셀 리셋 파형(도 9)을 MOSFET(16)의 게이트에 공급한다. 포토다이오드(12)는 예를 들어, 실리사이드가 클리어된 기판 다이오드일 수 있다. 본 실시예에서, 가시광에 불투명하기 때문에 실시사이드를 클리어할 필요가 있다. 픽셀(10)은 넓은 스펙트럼 응답, 블루밍 및 신호 집적 시간의 제어, 및 CMOS 제조 프로세스와의 호환성을 제공하면서 가능한 이용가능한 가장 큰 광 검출 면적을 얻도록 단순하게 설계된다.
표준 서브마이크론 CMOS 프로세스와의 최대 호환성을 위해, 포토다이오드(12)는 선택된 프로세스에 대해 n형 MOSFET의 LDD(lightly doped drain)과 동일한 시간에 형성될 수 있다; 이는 p형 기판에 n-온(on)-p 포토다이오드 접합을 생성한다. 부수적인 어떠한 이온 주입도 필요하지 않기 때문에, 액티브 픽셀 회로(10)를 위한 프로세스 및 웨이퍼 비용은 표준, 고 체적 디지털 전자 제품의 그것과 동일하다.
도 5는 픽셀 리셋 동안 도 4의 회로의 동작을 도시한다. 도 6은 판독 동안의 동작을 도시한다. 바람직한 실시예에서, 어레이 내의 모든 광검출기(12)는 이미지 캡쳐의 시작에 동기하도록 전역적으로 리셋된다.
리셋은 선택된 행 내의 픽셀의 행 선택 MOSFET(18)를 완전히 인에이블시킴으로써 초기화되어, 행 내의 모든 픽셀에 대해 (소스 전원(30)에 위치한) 저-임피던스 전압원을 MOSFET(14)의 한 레그에 접속시킨다. 이중 목적의 MOSFET(20)이 게이트(26) 상의 파형 Vbias에 의해 전류원으로서 바이어스되어, 이미져 내의 모든 픽셀 증폭기들이 MOSFET(14) 밀러 캐패시턴스에 의해 제공되는 캐패시턴스 피드백을 갖는 트랜스임피던스 증폭기로서 구성되게 된다. 따라서 MOSFET(14)은 트랜스컨덕턴스로서 작용하고, 리셋 MOSFET(16)는 테이퍼진 리셋 전원(50)에 의해 제어되는 저항으로서 작용한다. MOSFET(16)의 직렬 저항은, 피드백을 통해 리셋 노이즈(kTC)를 널(null)시키는 기회를 MOSFET(14)의 피드백 트랜스컨덕턴스에 부여하기 위해, MOSFET(16)의 게이트에 감소하는 램프(ramp) 파형(도 9)을 인가함으로써 점차적으로 증가한다. 이와 같은 액티브 픽셀 구현은 표준 0.5 마이크론 CMOS 기술을 사용하여 수십 마이크로초의 개구 내에서 리셋한다.
도 6은 판독 모드로 구성된 동일한 픽셀 회로를 도시한다. 다음에, 어레이의 바닥에서 꼭대기로 한번에 한 행씩 선정된 집적 시간후에, 광검출기(12)로부터의 신호가 판독된다. 각각의 행 내에서, 광검출기(12)가 좌에서 우로 판독된다. 판독은, MOSFET(14)의 상부 레그가 행 버스(22)를 거쳐 임피던스 전압원 Vdd에 접속되도록, 선택된 행 내의 모든 광검출기(12)의 액세스 MOSFET(18)을 턴 온시키고, MOSFET(20)을 완전히 턴 온시킴으로써 초기화된다. MOSFET(14)의 하부 레그는 열 버스(24)를 거쳐 주변의 전류원에 접속된다. 이제부터 MOSFET(14)이 소스 폴로워 드라이버가 되어, 각 행의 선택된 포토다이오드(12)로부터의 증폭된 신호가 열 버스(24)에 효율적으로 전달되게 된다.
도 7은 소스 전원(30)에 대한 바람직한 실시예를 도시한다. 전원 전압 VSRC는 단일 이득 증폭기(44)에 의해 버퍼된다. 액티브 픽셀을 저-노이즈 리셋을 위한 트랜스임피던스 증폭기로서 구성하는 것이 용이하도록 하기 위해, 트랜지스터(46)의 게이트(42)가 전원 전압에 의해 펄스되어, 트랜지스터(46)를 완전히 턴온시키고, VSRC를 출력 열 버스(24)에 접속시키게 된다. 액티브 픽셀 판독을 용이하게 하기 위해, 트랜지스터(46)의 게이트(42)는 개방 회로 트랜지스터(46)로 저(low)로 펄스화된다. 다음에 전류원(48)은 액티브 픽셀에 일정한 전압 Vnbias에 의해 수립된 전원 전류 ISRC를 공급한다.
테이퍼진 리셋 파형(도 9)을 트랜스임피던스 증폭기에 인가함으로써 리셋 스위치(도 4)가 완전히 개방되기 전에 리셋 노이즈(kTC 노이즈) 엔벨로프가 소멸되게 한다. 본 발명은 또한 포토다이오드 노드가 픽셀 대 픽셀로부터의 MOSFET(14) 편차를 소거하는 전압으로 대전하기 때문에 각각의 픽셀 내의 MOSFET(14)로부터의 고정된 패턴 오프셋을 감소시킨다. 테이퍼진 리셋을 사용함으로써, 행이 완전한 노이즈 억제를 위해 수십 마이크로초 이내 또는 완만한 노이즈 감소를 위해 보다 짧은 시간에 재설정 가능하다.
도 8은 리셋 동안 픽셀(10)에 대해 발생된 소신호 등가 회로 모델을 도시한다. 이 회로는 리셋 스위치 저항 RSW에 따라 리셋 노드에서 대기 상태 노이즈 엔벨로프의 소거를 가능하게 한다. 만일 리셋 전압이 너무 느리게 램프 다운(ramped down)되면, 각 행을 리셋하는데 너무나 많은 시간이 필요하게 되고, 비디오 프레임 레이트의 동작이 문제가 된다. 그러나, 디지털 스틸 카메라에의 적용은 여전히 상당히 가능하다. 만일 테이퍼진 리셋 파형이 너무 빨리 램프다운되면, kTC 노이즈 엔벨로프는 스위치가 완전히 개방되기 전에 리셋 노이즈를 억제하기에 충분히 소멸하지 않을 것이다.
도 8은 전압 V1및 캐패시턴스 C1이 접지된 포토다이오드(12)를 도시한다. 증폭기(14) 출력 노드는 전압 V2, 출력 캐패시턴스 C0및 출력 컨덕턴스 G0이 접지되어 있다. 캐패시턴스 C0는 캐패시턴스의 대부분이 모든 행의 MOSFET(14)-MOSFET(16)으로부터 나오는 전체 리셋 액세스 버스와 연관되어 있다. 아마도 MOSFET(18)에 의해 발생된 MOSFET(14)의 트랜스컨덕턴스가 제어된 전류원 gmV1으로서 도시되어 있다. 피드백 캐패시턴스 Cfb는 MOSFET(14)의 기생 밀러 캐패시턴스이다. MOSFET(14)으로부터의 노이즈는 전류원 in으로서 표현된다. (오옴 영역에서 동작하는) MOSFET(16)으로부터의 노이즈는 전압원 Vn으로서 표현된다. 단순화된 모델에 포함되어 있지 않은 것은 테이퍼진 리셋 파형의 캐패시턴스형 피드수루(feedthrough)로부터의 노이즈이다.
이기 때문에, 소신호 등가 회로를 사용하여, 단순화된 노이즈 공식이 유도될 수 있다.
증폭기의 dc 이득 Adc가 1보다 훨씬 크다고 가정하면, 이때 rms 리셋 노이즈는 다음과 같다:
따라서, 무차원 양(dimensionless quanity)(k1+k2)가 1보다 크도록, 테이퍼진 클럭 파형의 시간 상수가 적절히 선택된다. 리셋 노이즈는 트랜스컨덕턴스 증폭기의 피드백 캐패시턴스에서 기원하는 훨씬 작은 양으로 감소한다. 본 발명에서, 이 피드백 캐패시턴스는 MOSFET(14)의 기생 밀러 캐패시턴스이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 적당한 설계 값: 1000x700 포맷, 7㎛ x 7㎛ 픽셀, gm= 20㎛ho; G0= 0.08㎛ho, Adc= 300; C1=15 fF; C0= 3.0pF 및 Cfb= 0.3fF를 갖는다. 여기서 비디오 레이트 동작과 완전히 호환가능한 25㎑의 소정의 테이퍼진 클럭 주파수는 RSW=50 GΩ및 25㎲의 최적의 테이퍼진 클럭 시상수를 필요로 한다. 이는 바람직한 실시예의 경우 k1+k2=58 및 1.8fF의 등가 노이즈 캐패시턴스가 된다. 공칭 검출기 캐패시턴스가 15 fF이고 kTC가 관련된 캐패시턴스의 제곱근에 비례하기 때문에, 리셋 노이즈가 약 55 e- 내지 14 e- 억제된다.
RSW는 라인 레이트의 어떠한 변경을 지원하도록 테일러되어야만 한다. 라인 레이트의 증가는 보다 낮은 스위치 저항을 필요로 한다. 다음 표는 테이퍼진 클럭 시상수가 적절히 단축됨에 따라 리셋 노이즈에 대한 영향을 수치적으로 보여주고 있다. 2.7㎲의 시상수에서, 리셋 노이즈는 55 e-로 감소한다.
바람직한 실시예의 리셋 노이즈 영향
RSW(GΩ) 50 20 10 5 2 1 0.5 0.1
k1+k2 58 23.2 11.6 5.8 2.32 1.16 0.58 0.12
리셋 노이즈(e-) 14 17 21 26 35 41 47 55
τ(㎲) 25 25 24 22 18 14 9.5 2.7
열 버스(24)는 바람직하게 이용가능할 때 비디오 신호를 판독하기 위해 표준 열 버퍼에 의해 모니터된다. 열 버퍼의 주요 조건은 전압 모드 신호를 처리하여야 하는 종래의 설계와 유사하고 기술분야에 공지되어 있다.
액티브 픽셀 리셋 및 판독을 용이하게 하는 리셋 회로(10) 및 소스 전원(30)(도 7)의 클럭킹을 위한 리셋 클럭 신호(도 9)는, 표준 CMOS 디지털 로직을 사용하여 온-칩 상에서 발생된다. 이 디지털 로직 스킴은, 사용자가 간단히 적당한 지원 로직이 적당한 서브포맷을 클럭하도록 인에이블함으로써 다양한 포맷으로 이미져를 판독할 수 있게 하는 "윈도우잉(windowing)"을 인에이블시킨다. 윈도우잉으로써, 기본 실시예의 1032 x 776 포맷이, 전체 어레이를 판독할 필요없이 하나 이상의 임의의 크기로 되어 있고 위치되어 있는 M × N 어레이로서 판독될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 전체 어레이 내의 모든 픽셀을 판독할 필요없이 컴퓨터 호환가능 "VGA" 포맷(즉, 약 640 × 480)을 공통 인터페이스 포맷(CIF: 공칭적으로 352x240) 또는 쿼터 공통 인터페이스 포맷(QCIF; 공칭적으로 176 × 120)으로 변경하기를 원할 수 있다. 이와 같은 특징은 비용을 감소시키고 특정 통신 매체의 필요성에 일치시키는 지원 전자회로를 단순화시킨다. 예로서, QCIF 능력만을 갖는 원격 사용자에 대한 퍼스널 화상회의 링크는 QCIF 해상도를 제공하고, 따라서 화상회의 링크를 통해 대역 조건을 감소시키도록 최적화될 수 있다. 또 다른 예로서, 공통 인터페이스 포맷(CIF) 상에 구성된 이미져는 신호 처리와 데이타 압축에 대해 가장 높은 인터레스트(interest)를 갖는 이미지의 부분에 대해 윈도우된 정보를 제공하면서 완전한 CIF 이미지를 제공할 수 있다. 화상회의 동안, (예를 들어) 퍼스널의 마우스 주변의 윈도우가 전체 CIF 이미지보다 보다 자주 제공될 수 있다. 이와 같은 스킴은 회의 링크를 통해 대역 조건을 감소시킬 것이다.
비록 본 발명이 그 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 기술분야의 숙련자에 의해 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경과 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부하는 특허청구의 범위의 내에 포함되는 이와 같은 변경과 수정을 포괄하도록 의도되어 있다.

Claims (20)

  1. 센서 어레이 내에 구성된 복수의 액티브 픽셀 센서(active-pixel sensor)에 복사 검출기를 포함하는 액티브 픽셀 센서에 있어서,
    입력과 출력을 갖는 트랜지스터 증폭기 - 상기 입력은 상기 복사 검출기로부터의 전하 입력의 함수인 크기를 갖는 전기 신호 출력을 발생하기 위해 상기 복사 검출기에 접속됨-;
    상기 트랜지스터 증폭기에 접속되며, 상기 트랜지스터 증폭기로부터의 상기 전기 신호를 출력 라인에 인가하기 위한 제1 스위치;
    상기 트랜지스터 증폭기와 상기 복사 검출기 간에 접속되어, 상기 트랜지스터 증폭기의 상기 전하 입력을 소정의 신호 레벨로 리셋하기 위한 가변 저항; 및
    상기 트랜지스터 증폭기와 상기 가변 저항에 접속되어, 리셋 동안 전류원을 상기 트랜지스터 증폭기에 공급하기 위한 제2 스위치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 저항은 제1 및 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 및 제2 레그에 의해 상기 트랜지스터 증폭기와 상기 복사 검출기 간에 접속되며, 테이퍼진 리셋 공급 전압이 상기 게이트에 인가되는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치는 제1 및 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 및 제2 레그에 의해 상기 트랜지스터 증폭기와 상기 출력 라인 간에 접속되며, 상기 게이트 상의 행 선택 신호가 상기 트랜지스터를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 트랜지스터의 게이트에 공급되는 상기 테이퍼진 리셋 공급 전압은 상기 트랜지스터의 직렬 저항을 적당히 증가시켜, 상기 센서 내의 리셋 노이즈가 널로 되게 하는 감소하는 램프(ramp) 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 스위치는 제1 및 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 레그에 의해 상기 가변 저항 및 상기 트랜지스터 증폭기에 접속되며, 상기 제2 레그에 의해 전압원에 접속되는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터 증폭기는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 스위치는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가변 저항은 MOSFET인 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복사 검출기는 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 스위치는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  11. 열과 행의 센서로 구성된 액티브 픽셀 센서(active-pixel sensor)의 2차원 어레이에 복사 검출기를 포함하는 액티브 픽셀 센서에 있어서,
    입력과 출력을 갖는 트랜지스터 증폭기 - 상기 입력은 상기 복사 검출기에 의해 발생된 상기 입력에서의 전하의 함수인 크기를 갖는 전기 신호 출력을 발생하기 위해 상기 복사 검출기에 접속됨-;
    상기 트랜지스터 증폭기에 접속되며, 그 출력의 상기 전기 신호를 열 출력 라인에 인가하기 위한 제1 스위치;
    상기 트랜지스터 증폭기와 상기 복사 검출기 간에 접속되어, 상기 트랜지스터 증폭기 입력에서의 전하를 소정의 신호 레벨로 리셋하기 위한 가변 저항; 및
    상기 트랜지스터 증폭기와 상기 가변 저항에 접속되어, 리셋 동안 전류원을 상기 트랜지스터 증폭기에 공급하기 위한 제2 스위치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가변 저항은 제1 레그, 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 및 제2 레그에 의해 상기 트랜지스터 증폭기와 상기 복사 검출기 간에 접속되며, 테이퍼진 리셋 공급 전압이 상기 게이트에 인가되는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 스위치는 제1 레그, 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 및 제2 레그에 의해 상기 트랜지스터 증폭기와 상기 열 출력 라인 간에 접속되며, 행 선택 신호가 상기 게이트에 인가되어 상기 트랜지스터를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제2 스위치는 제1 레그, 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 레그에 의해 상기 트랜지스터 증폭기와 상기 가변 저항에 접속되며, 상기 제2 레그에 의해 행 출력 라인에 접속되는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  15. 제12항에 있어서, 상기 트랜지스터의 게이트에 공급되는 상기 테이퍼진 리셋 공급 전압은 상기 트랜지스터의 직렬 저항을 적당히 증가시켜, 상기 센서 내의 리셋 노이즈가 널로 되게 하는 감소하는 램프(ramp) 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  16. 제11항에 있어서, 상기 가변 저항은 리셋 동안 점차로 증가하여, 상기 센서 내의 리셋 노이즈가 널이 되게 하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  17. 제15항에 있어서, 행과 열의 센서로 구성된 액티브 픽셀 센서의 2차원 어레이의 열 출력 라인에 접속된 소스 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  18. 제17항에 있어서, 상기 소스 전원은
    전압원 VSRC;
    전류원 ISRC; 및
    상기 센서의 리셋 동안 상기 전압원 VSRC을 상기 열 출력 라인에 접속하며, 상기 센서의 판독 동안에 상기 전류원 ISRC을 상기 열 출력 라인에 접속하기 위한 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제2 스위치는 제1 레그, 제2 레그 및 게이트를 갖는 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 제1 레그에 의해 상기 트랜지스터 증폭기와 상기 가변 저항에 접속되며, 상기 제2 레그에 의해 행 출력 라인에 접속되는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 스위치 트랜지스터는 상기 센서의 리셋 동안 전류원을 상기 행 출력 라인에 접속하고, 상기 센서의 판독 동안 전압원을 상기 행 출력 라인에 접속하는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
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