KR20010070481A - 능동 픽셀 센서 회로 및 ａｐｓ 회로 동작 방법 - Google Patents

능동 픽셀 센서 회로 및 ａｐｓ 회로 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그라운드 대신에 기준 신호가 신호 처리에 사용되는 능동 픽셀 센서(APS) 회로(5)에 관한 것이다. 하나 이상의 기준 픽셀 셀(20, 30, 40)이 기준 신호를 발생시키기 위해 사용된다. 픽셀 셀로부터 발생된 기준 신호는 노출된 픽셀 셀(4, 12)이 경험하는 잡음과 기생 커패시턴스에 훨씬 가깝다. 기준 신호에 대해 하나 이상의 픽셀을 이용함으로써, 평균 광 다이오드 전압이 달성된다. 개선된 통상의 모드 배제 및 암 전류 억제에 관한 이 구성의 이용이 또한 개시되어 있다.

Description

능동 픽셀 센서 회로 및 ＡＰＳ 회로 동작 방법{ACTIVE PIXEL SENSOR WITH IMPROVED REFERENCE SIGNAL}
본 발명은 능동 픽셀 센서(Active Pixel Sensor : APS)에 관한 것으로, 구체적으로 그 센서로 개선된 기준 신호(reference signal) 발생시키고 처리하는 것에 관한 것이다.
능동 픽셀 센서(APS)는 디지털 이미지 데이터를 포착하고 디지털 스틸 (still) 카메라, 디지털 영상 카메라 및 이미지 복사 장치 등에 흔히 사용된다. APS는 전형적으로 통상 광 다이오드로 지칭되는 감광 다이오드(photo-sensitivediode)를 각기 포함하는 복수의 픽셀 셀로 형성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 사용하기 위한 전형적인 픽셀 셀(12)의 개략도가 도시되어 있다. 셀(12)은 바람직하게 세 개의 트랜지스터(13 내지 15)(전형적으로 n-타입 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistors)인) 와 감광 광 다이오드(light sensitive photo diode : 11)를 포함한다. 트랜지스터(13 및 14)는 VDD에 결합되고 트랜지스터(15)는 트랜지스터(14)의 소스에 결합된다. 리셋 신호는 트랜지스터(13)의 게이트에 인가되고 행 선택 신호는 트랜지스터(15)의 게이트에 인가된다.
전형적인 동작 모드에 있어서, 리셋 라인은 역방향으로 바이어스(reversed bias)된 광 다이오드의 기생 커패시턴스를 리셋 수준으로 충전하도록 높게 유지된다. 광 다이오드 출력 노드(17)에서 리셋 수준이 안정화되어진 후에, 리셋 라인은 낮게 당겨져서, 광 유도 전하 운반자(photo induced charge carriers)가 광 다이오드를 입사 광 강도에 비례하는 속도로 방전하도록 한다. 특정한 노출 시간 후에, 행 선택 라인은 노드(17)에서 전압이 소스 후속 버퍼 트랜지스터(source follower buffer transistor : 14)를 통해 셀 출력 노드(19)(열 컨덕터가 연결되어진 지점)에서 샘플되도록 높게 유지된다. 리셋 신호는 다시 제 2 시간에서 리셋 노드(17)에 높고 낮게 유지된다. 리셋 수준은 출력(19)에서 샘플된다. 입사 광에 노출(VEXPOSURE)된 후에 출력(19)에서와 리셋(VRESET)에서의 전압 수준의 차이는 입사 광 강도에 비례한다. VRESET과 VEXPOSURE는 그라운드를 기준으로 판정된다.
APS를 형성하기 위해, 이러한 복수의 픽셀 셀은 바람직하게 어레이로 함께 제공된다. APS는 복수의 필셀 셀 각각의 출력 노드를 판독함으로써 판독된다. 판독은 전형적으로 픽셀 출력 데이터의 각각의 행을 행 버퍼에 전송하고 각각의 행에 대해 행 버퍼의 내용을 순차적으로 처리함으로써 수행된다.
현재의 APS 장치는 이미지 데이터를 포착하는데 있어서는 유리하나, 예를 들어 광 다이오드 출력 값이 정규적으로 그라운드를 기준으로 판정된다는 점에서 또한 불리한다. 이 실시와 연관된 문제점은 광 다이오드 출력 신호 및 그라운드 신호가 상이한 잡음 수준과 다른 불공평한 영향에 종속된다는 것을 포함한다. 결과적으로, 광 다이오드 출력 신호(그라운드를 기준으로 판정되는)는 커다란 잡음 요소를 가져서, 입사 광을 덜 정확히 기록하고 이미지 재생 품질이 저하된다.
따라서, 픽셀 셀이 종속하는 다른 영향과 잡음에 대해 더욱 정확히 보상하는 기준 신호를 이용하는 APS를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
또한 유사하게 위치한 픽셀 셀을 이용하여 원하는 기준 신호를 발생시키는 APS를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 이러한 목적 및 관련된 목적은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 개선된 기준 신호를 갖는 능동 픽셀 센서의 사용에 의해 달성된다.
하나의 실시예에 있어서, 본 발명은 기준 신호를 발생시킬 때 하나 이상의 기준 픽셀 셀을 이용하는 기준 신호 발생 회로 및 노출가능한 픽셀 셀의 어레이를포함한다. 기준 픽셀 셀은 바람직하게 노출가능한 픽셀 셀에 유사한 방법으로 형성되어 유사 잡음과 기생 커패시턴스의 영향을 반영한다(reflect).
기준 픽셀 셀은 노출된 어레이에 인접한 어레이 또는 다른 구성에서 제공될 수 있다. 하나 이상의 기준 픽셀 셀이 노출될 어레이의 각각의 행에 대해 제공될 수 있다. 복수의 기준 픽셀 셀이 제공될 때, 적어도 소정의 광 다이오드는 바람직하게 평균 광 다이오드 출력 전압을 발생시키기 위해 서로 연결된다. 기준 픽셀 셀은 바람직하게 불투명 필터(opaque filter) 또는 유사 물질에 의해 커버(cover)된다.
본 발명의 전술하고 관련된 이점 및 특징의 달성은 도면과 함께 이하의 발명의 구성을 검토한다면 당업자들에게 더욱 쉽고 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 능동 픽셀 센서(APS)에서 사용하기 위한 전형적인 픽셀 셀의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 열 판독 회로를 갖는 능동 픽셀 어레이의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 전체적으로 단락된 광 다이오드의 도면.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 능동 픽셀 센서(APS)의 개략도가 도시되어 있다. 도 2는 실제적으로 열 판독 회로(column readout circuit)를 갖는 능동 픽셀 어레이를 개시한다는 것에 유의해야 한다. 행 디코드(decode)등은 도시되어 있지 않다. 그러나, APS가 실질적으로 도시되어 있기 때문에, 행 디코드등의 용어가 이하의 설명에서 사용될 것이다.
APS(5)는 N × M 어레이로 구성된 복수의 픽셀 셀(12)(본 명세서에서 "픽셀"로 지칭되는)을 포함한다. 전형적인 APS 사이즈는 640 × 480(VGA) 및 352 × 288(CIF)을 포함하고, 배열 밀도가 향후 증가될 것으로 기대된다. 두 개의 전형적인 행(1, 2)의 일부가 도시되어 있다. 수직한 세 개의 도트 형태(vertical three dot pattern)가 도면에 삽입되어 있는데 이는 많은 행이 제공될 수 있다는 것을 의미하며, 각각의 행에서 픽셀의 수가 증가될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
APS(5)는 두 섹션, 즉 "기준" 픽셀(3)과 "노출된(exposed)" 픽셀(4)로 나누어질 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 기준 픽셀은 기준 신호를 발생시키는데 사용되는데, 기준 신호는 바람직하게 행 하나씩(row-by-row) 기준에 따라 더욱 정확한 이미지 데이터 출력 신호를 제공하기 위해 노출된 픽셀로부터의 출력 신호에 비교된다.
행(1 및 2)이 APS에서 임의의 복수의 행을 나타내지만, 행(2)은 기준 신호 발생 및 본 발명의 처리 기술을 교시하는데 사용될 것이다. 본 명세서에서 행(2)에 관한 교시 내용이 임의의 다른 행에도 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
행(2)은 VDD 라인(6), 리셋(RST) 라인(7) 및 행 선택 라인(8)을 포함한다. 복수의 열(21, 31, 41, 51, 61, 71)(전체는 아니지만)이 도시되어 있다. 열(21, 31, 41)(섹션(3)의)은 기준 신호 발생을 위해 사용되고, 열(51, 61, 71)은 이미지 포착을 위해 입사 광에 노출된다. 각각의 열은 대응하는 픽셀을 가지며 각각의 픽셀은 제각기 출력 노드(27, 37, 47, 57, 67, 77)를 갖는 광 다이오드(22, 32, 42, 52, 62, 72)를 포함한다.
섹션(3)의 픽셀(20, 30, 40)은 광 다이오드 출력 노드가 서로 단락된다는 것(픽셀 행을 따라서)을 제외하면 노출된 픽셀(50, 60, 70)과 동일하게 구성된다. 이러한 픽셀(20, 30, 40)은 광을 차단하는 오패크 필터등에 의해 역할된다.
예를 들어, 픽셀(30) 같은 하나의 기준 픽셀의 열 출력이 기준 신호로서 제공된다. 이 출력 신호는 버퍼(34)를 통해 열 증폭기(38)에 게이트된다. 어레이의 노출된 섹션에서 열의 각각의 출력은 유사하게 게이트되고 제각각 열 증폭기(58, 68, 78)에 인가된다. 각각의 증폭기의 출력은 알려진 선택 로직을 사용하는 멀티플렉서(90)에 의해 순차적으로 선택되고, 섹션(4)의 열 증폭기의 각각의 출력은 차동(difference) 출력 신호를 제공하기 위해 증폭기(38)로부터의 기준 신호 출력과 순차적으로 비교된다.
열 증폭기는 바람직하게 하나의 출력을 가지며 알려진 바와 같이 샘플하고 유지하는(sample and hold) 스위치된 커패시터 회로를 포함한다. 통상의 모드 전압(VCM)은 이하에서 논의되는 바와 같이 바람직하게 각각의 증폭기에 제공된다. VCM은 바람직하게 DC 바이어스이고, 광 다이오드 출력 신호의 값을 증가시킨다. VCM은 바람직하게 거의 공급 레일(supply rail) 사이의 값을 갖는다. 각각 신호를 출력하고 수준을 리셋하는 두 개의 출력 증폭기를 포함하는 다른 열 증폭기 구성이 이용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 이중 차동 신호 처리 회로(double differential signal processing circuits)가 알려진 바와 같이 그 출력을 처리하기 위해 이용된다.
바람직한 실시예에 있어서, 노출된 열 증폭기 출력 신호는 VCM- (Vrst- Vsig)와 일치하는데, 여기서 Vsig는 총 주기 후의 픽셀 신호 수준이고 Vrst는 픽셀 리셋 수준이다. Vsig는 두 개의 요소, 즉 Vsig= Vlight+ Vdark를 포함하는데, 여기서 Vlight요소는 전류를 발생시킨 광의 적분에 인한 것이고 Vdark요소는 누설 또는 암(leakage or dark) 전류의 적분에 인한 것이다. 기준 픽셀이 오패크 필터로 역할되기 때문에, 각각의 기준 픽셀에 대한 Vsig는 오직 암 전류 요소만을 포함한다. 이런식으로, 기준 신호와 선택된 열 출력의 차이에 의해 주어지는 차동 출력은 다음에 의해 주어진다, 즉
많은 기준 픽셀의 감지 노드를 서로 단락함으로써, 픽셀과 픽셀 사이의 암 전류 차이뿐만 아니라 암 전류와 연관된 산탄 잡음(shot noise)이 평균되어, 행에 고정된 패턴 잡음(row-wise fixed pattern noise)을 더욱 최소화한다.
이런식으로 기준 신호를 발생시키는 것은 몇 가지 이점이 있다. 상기 수학식(1)에서 나타난 바와 같이, 평균 암 신호는 각각의 픽셀 출력에서 감산되고, 신호 경로의 소정의 다른 지점에서 흑 레벨 복원(black level restoration)을 할 필요성을 제거한다. 또한, 기준 광 다이오드 및 노출된 광 다이오드는 통상의 프로세스 단계와 동일한 치수로 제조되고, 동일한 식으로 샘플된다. 따라서, 신호 가변성을 야기하는 프로세스는 이 기준 신호에 비교될 때 출력 신호에서 제거된다. 더욱이, 기준 광 다이오드는 동일한 잡음(VDD 바이어스 가변성, 행 선택과 리셋 신호 전이(transition)로 인한 EMI 등)에 노출되는데, 이 잡음은 또한 상쇄된다.
따라서, 유사하게 위치한 광 다이오드로부터 기준 신호를 발생시키거나 이용함으로써, 기준 신호는 노출된 광 다이오드가 경험하게될 동일한 가변성을 포함할 가능성이 커진다. 이 기준 신호가 차동 출력을 얻기 위해 사용될 때, 공유된 잡음, 바이어스 및 영향을 미치는 다른 신호는 APS 출력 신호로부터 제거된다.
오직 하나의 기준 픽셀이 행마다 제공될 수 있지만, 하나 이상을 이용하는 것이 "평균" 값을 제공한다는 것을 이해해야 한다. 행마다 복수의 기준 픽셀이 바람직하지만, 하나 이상의 행에 응용할 수 있는 픽셀(들)(행마다의 기준 픽셀 미만의)을 제공하는 것이 또한 본 발명의 범주내라는 것을 이해해야 한다. 기준 신호는 또한 노출된 픽셀 어레이에 이격된 일련의(a bank of) 기준 픽셀로부터 발생될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단락된 광 다이오드(110 내지 112)를 갖는 픽셀 셀의 개략도가 도시되어 있다. 도 3은 반도체 물질에 레이 아웃(lay out)된 세 개의 픽셀(110 내지 112)의 정면도를 도시한다. 도 3은 광 다이오드(120 내지 122) 및 광 다이오드의 전체 연결 브리지(124 내지 125)가 바람직하게 동일한 프로세스 단계로 형성된다는 것을 도시하려는 의도이다. 이런식으로, 기준 픽셀의 인접한 광 다이오드와의 연결이 추가적인 프로세싱 단계없이 달성되고 기생 커패시턴스가 감소된다.
다이오드는 p-타입 도핑 물질상의 n-타입 도핑 물질 또는 역으로 형성될 수있다(p-n 접합을 형성하기 위해).
픽셀(110)은 픽셀 셀 트랜지스터(113 내지 115)와 컨덕터의 전형적인 레이 아웃을 도시한다. 직사각형 패턴내의 직사각형은 컨덕터 접합을 나타낸다. VDD, 행 선택, 리셋 및 출력 열 컨덕터가 도시되어 있다. 픽셀(111 내지 112)의 트랜지스터는 트랜지스터 블록(117 내지 118) 등에 의해 나타내진다.
기준 광 다이오드가 상술한 바와 같이 바람직하게 서로 연결되지만(기생 커패시턴스를 최소화하고 추가적인 프로세스 단계를 제거하기 위해), 광 다이오드는 상보형 금속 컨덕터(supplemental metallic conductor) 또는 다른 수단 등에 의해 연결될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명이 특정한 실시예와 결합되어 설명되었지만, 추가적인 수정을 할 수 있고, 이 응용은 본 발명이 관련하고 본 명세서에서 설명하는 본질적인 특징에 적용할 수 있으며 첨부한 청구범위와 본 발명의 범주내로서 당업계에서 알려지거나 통상적으로 실시되고 있는 현재의 개시를 벗어나지 않는 것을 포함하는 일반적으로 본 발명의 원리를 따르는 임의의 변화, 사용, 또는 적용을 포함하려는 의도라는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 그라운드 대신에 기준 신호를 신호 처리에 사용하는 능동 픽셀 센서를 제공하여 픽셀 셀에 영향을 미치는 잡음 등을 정확히 보상하고 원하는 기준 신호를 발생시키는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 능동 픽셀 센서 회로(an active pixel sensor circuit)에 있어서,
    어레이(5)내에 배열되고 상기 어레이가 노출되는 입사 광(incident light)을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 구성되는 복수의 노출가능한(exposable) 픽셀 셀(4, 12)과,
    적어도 제 1 기준 픽셀 셀(30)을 포함하는 기준 신호 발생 회로(3) - 상기 기준 회로는 기준 픽셀 셀의 광 다이오드(32)상의 전압의 적어도 일부를 표시하는 기준 신호를 출력함 - 를 포함하되,
    상기 기준 신호와 상기 어레이 출력 신호의 비교는 상기 어레이 출력 신호에서 기생 커패시턴스의 영향 및 잡음을 감소시키는
    능동 픽셀 센서 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 픽셀 셀은 상기 복수의 노출가능한 픽셀 셀(12)의 각각과 유사한 방법으로 형성되는 능동 픽셀 센서 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 픽셀 셀(30)은 상기 노출가능한 어레이(4)에서 다른 방법으로 형성되는 능동 픽셀 센서 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 회로는 복수의 기준 픽셀 셀(20, 30, 40)을 포함하고 상기 복수의 기준 픽셀 셀(20, 30, 40)의 소정의 광 다이오드상의 평균 전압의 적어도 일부를 표시하는 기준 신호를 출력하는 능동 픽셀 센서 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이(4)는 복수의 행(1, 2)을 포함하고 상기 기준 회로(3)는 상기 행각각에 대해 적어도 하나의 기준 픽셀을 포함하는 능동 픽셀 센서 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기준 회로(3)는 상기 행 각각에 대해 복수의 기준 픽셀을 포함하는 능동 픽셀 센서 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각각의 행(1, 2)에서 복수의 기준 픽셀(20, 30, 40)은 서로 묶인(tied together) 광 다이오드를 갖는 능동 픽셀 센서 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    서로 묶인 복수의 광 다이오드(120 내지 122) 및 광 다이오드의 상호연결 부재(interconnecting members : 124 내지 125)는 총체적으로(integrally) 형성되는 능동 픽셀 센서 회로.
  9. APS 회로를 동작시키는 방법에 있어서,
    제 1 부분과 제 2 부분을 갖는 픽셀 셀의 어레이를 제공하는 단계와,
    상기 제 1 부분이 노출되는 입사 광을 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계와,
    상기 어레이의 상기 제 2 부분에서 형성되는 적어도 제 1 기준 픽셀 셀로부터 상기 출력 신호에 대한 기준 신호를 발생시키는 단계를 포함하는
    APS 회로 동작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    복수의 기준 픽셀 셀로부터 상기 기준 신호를 발생시키고 그런식으로 상기 복수의 기준 픽셀 셀에 대한 광 다이오드 출력 전압의 평균 값의 적어도 일부를 반영하는 단계를 더 포함하는 APS 회로 동작 방법.
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