KR20020046957A - 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 기능을 수행하는씨모스 이미지 센서용 비교 장치 - Google Patents

아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 기능을 수행하는씨모스 이미지 센서용 비교 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMOS 이미지 센서에서 옵셋전압을 효율적으로 줄이면서도 전류소모 및 칩의 사이즈를 줄일수 있는 CMOS 이미지 센서의 비교기를 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명은 피사체의 이미지에 대응하는 아날로그 신호를 캡처링하기 위한 이미지 캡처링 수단; 기준클럭에 따라 일정한 기울기로 감소하는 램프신호를 이용하여 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환수단; 상기 아날로그-디지털 변환수단에 상기 램프신호를 출력하는 램프신호 발생수단을 구비하며,상기 아날로그-디지털 변환수단은, a) 상기 아날로그 신호 및 상기 램프신호를 입력받는 초퍼비교기; b) 씨모스 이미지 센스의 옵셋전압을 없애기 위해서, 리셋 모드일 때 상기 램프신호의 시작전압을 입력받아 상기 시작전압의 레벨을 유기하고, 카운터 모드일 때에는 기준클럭에 따라 감소하는 상기 램프신호에 해당하는 레벨의 전압을 유기하는 입력커패시터를 구비하는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.

Description

아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 기능을 수행하는 씨모스 이미지 센서용 비교 장치{COMPARATOR PERFORMING ANALOG CORRELATED DOUBLE SAMPLE FOR CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 기능을 수행하는 CMOS 이미지 센서용 비교 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말하는 것으로, 지금까지 개발된 이미지 센서의 대부분이 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 것이었다.
그러나, 최근 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술이 비약적으로 발달하면서 CMOS 트랜지스터를 이용한 이미지 센서가 많이 개발되고 있는 추세인데, 이러한 CMOS 이미지 센서는 종래의 CCD 이미지 센서와 달리 아날로그 및디지털 제어회로를 이미지 센서 집적회로(IC) 위에 직접 구현할 수 있는 장점을 가지고 있어 CCD 이미지 센서에서는 별도의 집적회로(IC)로 구현되었던 아날로그-디지털 변환기를 내부에 포함하고 있다.
한편, 이러한 CMOS 이미지 센서 내의 아날로그-디지털 변환기는 이미지 센서 내 픽셀 어레이의 컬럼 수 만큼 비교기를 가지는데, 이 비교기는 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환해주는 기능을 수행하기 때문에 출력 이미지의 화질에 큰 영향을 미치는 구성 요소이다.
도1은 디지털 상호연관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, 이하 CDS라 함) 방식을 지원하는 CMOS 이미지 센서의 전체 블록 구성도이다.
도1을 참조하여 설명하면, CMOS 이미지 센서는 다수의 단위 픽셀가 베이어 패턴(bayer pattern)으로 어레이된 픽셀 어레이(100)와, 램프신호를 생성하여 비교기로 출력하는 램프 신호 생성부(400)와, 픽셀 신호를 디지털 전압 신호로 변환하기 위하여 픽셀 어레이(100)로부터 출력되는 아날로그 출력 전압을 램프신호와 비교하는 비교기 어레이부(200)와, 비교기 어레이(200)로부터 출력되는 신호에 의해 결정되는 디지털 신호를 저장하기 위한 래치 어레이로 구성된 라인버퍼(300)와, 상기의 블럭들에 대한 제어신호 및 데이터를 외부로 출력하는 디지털 제어부(500)와, 디지털제어부(500)의 제어신호에 따라 픽셀어레이의 특정 행(ROW)을 선택하는 신호를 출력하는 로우디코더(600)로 이루어진다.
여기서 비교기어레이(200)는 픽셀 어레이(100)의 컬럼 수만큼 비교기로 구성되며, 각각의 비교기는 비교기가 위치한 컬럼의 아날로그 픽셀값을 디지털 코드로변환하는 기능을 수행한다. 변환된 디지털 신호는 픽셀 어레이(100)의 컬럼 수만큼 구비된 라인버퍼(300)에 저장된다. 하나의 컬럼에는 픽셀 어레이의 컬럼 수만큼 래치가 어레이 형태로 되어 라인 버퍼(300)로 구성된다. 라인 버퍼(300)에 저장된 디지털 픽셀 신호가 CMOS 이미지 센서의 디지털 제어부(500)에 의해서 이미지 프로세싱된 후에 순서대로 하나씩 센서 칩의 출력핀으로 출력된다. 한편, 로우 디코더(600)는 픽셀 어레이의 한 라인을 선택해서 비교기 어레이(200)에 픽셀값을 인가하도록 하는 기능을 수행한다.
한편 램프 신호 생성부(400)는 아날로그 램프 신호를 발생하여 비교기 어레이(200)에 있는 모든 비교기에 인가하고, 이 때 인가된 램프 신호가 픽셀값과 비교된다.
도2는 도1의 CMOS 이미지 센서의 전체적인 블럭중에서 단위픽셀의 화소 신호를 디지털신호로 변환하여 저장하기 위한 경로를 나타낸 회로도이며, 도3은 CDS방식을 설명하기 위한 파형도이다.
이하, 도2 및 도3을 참조하여 CMOS 이미지 센서에서 아날로그 픽셀값을 CDS 방식을 통해 디지털 코드로 저장하는 과정을 보다 자세히 설명한다.
먼저 도2를 참조하면, 단위픽셀에 대응하는 신호처리 경로는 외부빛의 세기에 따라 전압을 출력하는 단위픽셀(110)과, 램프신호와단위픽셀(110)의 출력신호를 비교하는 비교기(210)와, 비교기(210)의 출력에 따라 카운터(도시않됨)에서 카운팅된 디지털값을 저장하는 래치셀(310)로 이루어진다.
한편, 단위 픽셀(110)은 외부의 빛에 따라 전압이 인가되는 포토다이오드(32)와, 포토다이오드(32)에 인가된 전압을 전달하는 전달 트랜지스터(Tx)와, 전달 트랜지스터(Tx)를 통해 포토다이오드(32)에서 인가된 전압을 게이트로 입력받아 그 전압에 따라 소스-드레인간 일정한 전류를 발생시키는 소스-폴로우(source follower) 트랜지스터(Dx)와, 소스-폴로우 트랜지스터(Dx)의 게이트로 리셋 전압을 인가하는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스-폴로우에서 생성된 전류를 후단의 비교기(210)로 전달하는 셀렉션 트랜지스터(Sx)와, 셀렉션 트랜지스터(Sx)와 접지 전원사이의 전류원(Is)로 구성된다.
여기서 먼저, 단위픽셀(110)의 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴-온(turn-on)되고 전달트랜지스터(Tx)가 턴-오프(turn-off)되고 셀렉션 트랜지스터(Sx)는 턴온되어,리셋 레벨에 해당하는 신호가 비교기(210)의 정(+)입력단으로 입력되고, 첫 번째 램프신호가 비교기(210)의 부(-)입력단으로 입력된다.
한편 비교기(210)은 입력된 양 신호를 계속해서 비교하여 정(+)입력단으로 입력된 리셋 레벨에 해당하는 신호의 전압보다 램프 신호가 낮아질 때 램프 신호에 해당하는 디지털 코드를 래치 어레이셀(310)에 기록한다. 램프 신호란 클럭에 따라 일정한 경사(기울기)를 가지고, 등간격으로 전압이 낮아지는 신호이다.
디지털 코드는 첫번째 램프신호가 출력되면 카운터(도시안됨)에서 클럭을 카운팅하기 시작하여 비교기(210)에서 출력신호가 출력되면, 그 때까지 카운터된 디지털 값을 해당되는 레치 어레이(310)에 기록하게 되는 값이다. 도3의 A지점에서 카운트가 시작되고, A' 지점까지 카운팅된 값을 디지털 값을 래치셀(310)에 저장하게 된다.
다음으로 단위픽셀(110)의 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴-오프되고 전달 트랜지스터(Tx)와 셀렉션 트랜지스터(Sx)가 턴-온되며 포토 다이오드(32)에서 외부 빛의 세기에 따라 전하를 유기한다. 이 때 포토 다이오드(32)에서 유기된 전하를 읽어내어 얻은 데이터 전압이 비교기(210)의 정(+)입력단으로 입력되고, 한편으로 두번째 램프신호가 비교기(210)의 부(-)입력단에 입력되어 비교된다. 이 때에도 램프 신호가 데이터 전압보다 낮아질 때 비교기(210)에서 출력되는 신호에 의해 그때까지 카운팅된 디지털 값을 래치 어레이셀(310)에 기록하게 된다. 카운터는 도3의 B지점에서 카운트를 시작하고 비교기에서 신호가 출력되는 B'지점까지 카운팅을 한다.
최종적으로 이미지 센서로부터 출력되는 이미지 값은 리셋 레벨의 전압과 데이터레벨의 전압을 기록한 래치 어레이의 값을 서로 뺀 값을 이용한다. 이렇게 함으로서 픽셀 어레이의 공정 오차나 단위픽셀에서 출력되는 아날로그 값을 아날로그-디지털 변환하는 과정에서 발생할 수 있는 옵셋(예컨대 비교기등에서 가질 수 있는 옵셋)을 제거할 수 있다.
즉, 도3에 도시된 램프신호중에서 첫 번째 램프 신호는 각 픽셀를 리셋시켰을 때 단위픽셀이 출력하는 전압과 일치하는 디지털 값을 얻기 위한 신호이고, 두 번째 램프 신호는 각 픽셀의 영상 데이터 출력 전압에 해당하는 디지털 값을 얻기 위한 신호이다.
도4는 통상적인 비교기의 회로도이다. 도시된 비교기는 CMOS 차동증폭기의 구성을 취하고 있으므로 그 구성 및 동작에 대해서는 생략하기로 한다.
통상적으로 CMOS 차동증폭기는 비교적 큰 옵셋(offset) 전압을 가지고 있으며, CMOS 이미지 센서의 비교기를 상기와 같은 CMOS 차동증폭기로 구현할 경우에 수 백개에 이르는 비교기의 옵셋 전압들이 모두 서로 다른 값들을 갖게 되어 옵셋 전압값들이 출력 이미지의 고정 패턴 잡음(Fixed Pattern Noise)으로 나타나는 문제점을 가지게 된다.
물론, 전술한 CDS가 이런 문제를 일부 보완해 주기는 하나, CDS방식은 옵셋 전압 자체를 디지털 신호로 변환하고 디지털 뺄셈기를 이용하여 고정 패턴 잡음을 제거하기 때문에 잡음을 제거하는 데 한계가 있으며, 또한 디지털 신호로 변환된 옵셋 전압을 보관하기 위한 메모리를 추가로 더 필요로 하여 전체 이미지 센서의 구현 면적을 증가시키는 단점이 있다.
도5는 도1의 라인버퍼(300)의 블럭 구성도이다.
도5를 참조하면 종래의 CDS 방식으로 픽셀의 전압을 디지털 신호로 변환하려면 단위픽셀 하나에 두개의 래치셀이 필요하다. 만약 해상도를 높이기 위하여 메모리를 추가한다면 하나의 디지털 값이 증가할 때마다 2개의 메모리가 추가되어야 한다.
그리고, 이중 샘플링을 위한 제어 신호가 추가되기 때문에 이미지 센서의 동작이 매우 복잡해지며, 이를 구현하기 위한 제어신호를 발생시키는 디지털 회로가 복잡해진다. 더불어, 비교기로 사용되는 CMOS 차동 증폭기가 동작하지 않을 때도 스태틱(Static) 전류를 계속 흘리기 때문에 전력 소모가 많아 배터리로 작동하는 전자 장치에 적합하지 않으며, 저전압으로 설계할 경우 다이나믹 레인지(Dynamic Range)가 작아 사용상의 제한이 있다.
이러한 문제 이외에도, CDS 방식을 사용하는 이미지 센서의 경우, 샘플링을 위해 많은 클럭수를 사용하기 때문에 아날로그-디지털 변환기의 해상도를 높이는 것이 어렵고, 각 비교기의 램프 시작 전압이 비교기의 옵셋 전압으로 인해 달라짐으로써 픽셀 아날로그 신호의 단일한 감마 보정이 불가능한 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, CMOS 이미지 센서에서 옵셋전압을 효율적으로 줄이면서도 전류소모 및 칩의 사이즈를 줄일수 있는 CMOS 이미지 센서의 비교기를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 이미지 센서의 전체 블럭 구성도.
도2는 픽셀하나의 신호를 디지털신호로 변환하여 저장하는 이미지센서의 단위 블럭도.
도3은 이미지 센서의 비교기에서 디지털 이중 샘플링 방식으로 램프신호와 픽셀 전압을 비교하여 비교결과를 출력하는 파형도.
도4는 도2의 비교기를 구성하는 차동증폭기 회로도.
도5는 도2의 이미지 센서의 단위블럭도 중에서 레치로 구성된 라인버퍼를 나타내는 도면.
도6는 두 단의 반전 증폭기와 클램프 스위치로 구성된 초퍼(Chopper) 비교 회로도.
도7은 도6의 초버비교기에서 클램프 전압을 유기하는 인버터의 동작파형이다.
도8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 비교기의 내부회로도 및 주변 블럭도이다.
도9는 도8에 도시된 본 발명의 따른 CMOS 이미지 센서 비교기의 내부 회로도 및 주변 블럭도의 동작 타이밍도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
S1 ~ S4 : 스위치
IN1,IN2 : 인버터
C1,C2,C3 : 커패시터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 피사체의 이미지에 대응하는 아날로그 신호를 캡처링하기 위한 이미지 캡처링 수단; 기준클럭에 따라 일정한 기울기로 감소하는 램프신호를 이용하여 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환수단; 상기 아날로그-디지털 변환수단에 상기 램프신호를 출력하는 램프신호 발생수단을 구비하며,상기 아날로그-디지털 변환수단은, a) 상기 아날로그 신호 및 상기 램프신호를 입력받는 초퍼비교기; b) 씨모스 이미지 센스의 옵셋전압을 없애기 위해서, 리셋 모드일 때 상기 램프신호의 시작전압을 입력받아 상기 시작전압의 레벨을 유기하고, 카운터 모드일 때에는 기준클럭에 따라 감소하는 상기 램프신호에 해당하는 레벨의 전압을 유기하는 입력커패시터를 구비하는 씨모스이미지 센서를 제공한다.
본 발명은 이미지 센서의 픽셀로 부터 출력하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는데 사용되어 온 디지털 상호 연관된 이중 샘플링 방식(Correlated Double Sampling)을 사용하지 않고 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 방식을 사용하는 비교기를 제공한다.
본 발명에서 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 방식이라 함은 CMOS 이미지 센서의 픽셀에서 출력되는 아날로그신호와 옵셋전압을 제1 입력커패시터에 저장하고 램프신호와 옵셋전압을 역시 제2 입력커패시터에 저장한 다음, 스위칭에 의하여 옵셋전압을 상쇄시키고, 램프신호와 픽셀의 아날로그 전압 차이를 비교하는 방식을 말한다. 이렇게 함으로서 개별 픽셀간에 존재하는 옵셋 전압을 제거하여 고정패턴 잡음을 대폭 줄일 수 있으며, 램프신호가 한번만 필요하게 되어 디지털 제어알고리즘이 간단해짐으로써 종전에 사용되었던 디지털 뺄셈기가 필요 없게 되고, 회로를 보다 간단하게 꾸밀 수 있다. 또한 CMOS 이미지 센서의 해상도를 높일 경우 추가되는 메모리도 데이터를 저장하기 위한 하나의 메모리만 추가로 필요하게 된다.
본 발명의 비교기는 입력옵셋 저장 방식의 각 단을 일련으로 연결한 간단한 구조를 가지며, CMOS 인버터를 사용하므로 낮은 전압에서도 동작할 수 있는 초퍼형(Chopper type) 전압비교기에 커패시터를 추가한 형태로 구성된다. 초퍼형 비교기는 증폭기로 인버터를 사용함으로서 입력값의 비교시에만 전류가 흐르기 때문에 전류 소모가 줄어들는 장점을 가지고 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도6은 통상적인 초퍼형 전압비교기의 회로도이다.
도6를 참조하여 설명하면, 초퍼형 비교기는 두개의 입력신호 단자(Vn,Vp)를 비교노드(A)와 선택적으로 연결시키기 위한 제1 및 제2 스위치(S1,S2)와, 제1 인버터(IN1) 및 제1 인버터(IN1) 양단에 연결된 제3 스위치(S3)로 이루어진 제1 스테이지(10)와, 비교노드(A)와 제1 스테이지(10)을 연결하는 제1 커패시터(C1)와, 제2 인버터(IN2) 및 제2 인버터(IN2) 양단에 연결된 제4 스위치(S4)로 이루어진 제2 스테이지(20)으로 구성된다. 여기서 제1 커패시터(C1)는 제1 스테이지(10)의 클램프(Clamp) 전압을 제2 커패시터(C2)는 제2 스테이지(20)의 클램프 전압을 각각 기억한다.
도7은 클램프 전압을 유기하는 인버터의 동작파형이다.
도7을 참조하면, 인버터의 입력과 출력에 스위치를 구비하여 단락시키면 인버터의 동작점에 해당하는 클럼프 전압이 유기되는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 초퍼형 비교기는 모스 트랜지스터로 구현되는 다수의 스위치(S1,S2,S3,S4)를 구비하는 데, 이때 전하 인젝션(Injection) 등으로 인해 하기의 수학식1과 같은 옵셋 전압을 일으킬 수 있으나 이는 상대적으로 차동증폭기로 구성된 비교기에 비해 매우 작은 값이다. 또한 수학식1에서 나타나듯이 인버터단을 크게 설계하면 옵셋 전압을 더욱 작게 줄일 수 있다.
여기서 Vth는 초퍼형 비교기 다음 단의 디지털 회로에 대한 로직 문턱 전압값을, A1및 A2는 제1,2 스테이지(10,20)의 이득을 각각 나타낸다. 제1,2 스테이지의 이득을 크게 할수록 회로 설계상으로 옵셋 전압을 줄이는 것이 가능하며, 이러한 매우 작은 옵셋 전압의 특성 때문에 옵셋 전압으로 인한 고정 패턴 잡음을 대폭 줄일 수가 있게 된다.
도8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 비교기의 내부 회로도로서, 주변 블럭과 함께 도시하였다.
도8을 참조하면, 비교기(220), 단위픽셀(120), 램프 신호 생성부(410), 래치셀(310) 및 아날로그 신호에 대응하는 디지털값을 계산하는 카운터(510)(CMOS 이미지 센서의 디지털 제어부 내에 존재)가 함께 도시되어 있다. 여기서 비교기(220)는 초퍼형 비교기의 램프신호 입력측에 커패시터(C3)를 추가하여 아날로그 상호연관된 이중 샘플링 기능을 수행할 수 있도록 구성함으로써 픽셀 간에 존재할 수 있는 고정 패턴 잡음을 제거하여 화질을 개선할 수 있도록 구성되어 있는데, 이하의 동작설명에서 보다 상세하게 설명한다.
도9는 도8에 도시된 비교기의 동작 타이밍도이다.
도9을 참조하여 비교기(220)의 동작을 단계별로 살펴보면, 첫 번째 단계에서픽셀(120)의 리셋 레벨의 전압을 커패시터(C3)에 저장하고, 두 번째 단계에서 픽셀(120)의 실제 데이터값에 해당하는 전압을 커패시터(C2)에 저장하고 제1,2 )를 클램프시켜 커패시터(C1)에 그 동작점에서의 전압을 저장한다. 이어 세 번째 단계에서 램프 신호 생성부(410)와 카운터(510)가 동작하여 두 입력 신호(Vp, Vramp)를 비교한 후 비교된 결과를 래치셀(34)에 저장한다. 도8에 각각 단계별로 파형이 도시되어 있고, 이하 각 단계별로 상세하게 설명한다.
먼저 첫 번째 단계(reset mode)를 살펴보면, 전달트랜지스터(Tx)를 턴오프로 셋팅하고 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴온으로 셋팅하고, 셀렉션 트랜지스터(Sx)를 턴온으로 셋팅하면 리셋 레벨의 전압(Vreset)이 소스-폴로우 트랜지스터(Dx) 게이트에 유기되고 노드(N1)에는 'Vt'만큼 떨어진 전압, 즉 'Vp=Vreset - Vth'가 유기된다.
그러나, 보통의 Vth에 옵셋 전압이 존재하게 되므로 더 정확하게는 'Vp = Vreset - (Vth + Voffset)'이 된다. 한편 노드(N2)에는 램프 신호 생성부(410)에서 출력되는 램프전압(Vramp)의 시작전압(Vstart)이 인가된다. 따라서 이 때에는 'Vramp = Vstart'이다.
또한 첫번째 단계에서 스위치(S1, S2)가 온(on)되어 커패시터(C3)에 아래 수학식2와 같은 전압이 저장되고, 이후 스위치(S2)는 바로 오프된다.
다음으로, 두 번째 단계(charge transfer mode)에서는 단위픽셀(120)의 실제 데이터 값에 해당하는 전압을 비교기(220)에 인가해야 하므로, 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴오프로 두고 제1,2 전달 트랜지스터(Tx)를 턴온하여, 포토 다이오드(PD)에 의해 발생된 전하를 소스-폴로우 트랜지스터(Dx)의 게이트로 전송한다.
이때의 게이트 전압은 'Vpixel'이 되기 때문에, 노드(N1)의 전압은 'VN1= Vpixel - (Vth + Voffset)'가 되고. 한편으로 2개의 스위치(S3, S4)가 스위치 온 되어 2개의 인버터(IN1,IN2)의 동작점에 해당하는 전압을 커패시터(C2,C3)이 유기되도록 한다. 커패시터(C2,C3)에 유기되는 전압은 각각 'Vclamp1', 'Vclamp2'가 된다.
여기서 스위치(S1)가 첫 번째 단계에서부터 계속해서 스위치 온되어 있기 때문에 커패시터(C2)에는 아래 수학식3의 전압이 저장되며, 커패시터(C1)에는 아래 수학식4의 전압이 저장된다. 그리고, 이 저장된 전압을 유지시키기 위해서 스위치(S1, S3, S4)는 곧 스위치 오프된다.
첫번째와 두번째 단계의 동작을 정리하면, 첫번째 단계에서 커패시터(C3)에 'Vreset-(Vth+Voffset)-Vstart'의 전압값이 샘플링되고, 두번째 단계에서 커패시터(C2)에 'Vpixel-(Vth+Voffset)-Vclamp1'의 전압이 샘플링된다. 이후 스위칭동작에 의해 상기의 커패시터(C3,C2)가 가지고 있는 옵셋값이 서로 상쇄되어 제거가 되고, 따라서 상기의 방식을 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 방식이라고 한다.
다음으로, 세 번째 단계(count mode)에서 램프 신호 생성부(410)에서 출력되는 램프신호와 단위픽셀(120)에 저장된 전압 값을 비교하기 위해 스위치(S2)를 스위치 온된다. 여기서, 스위치(S2)가 온 되더라도 나머지 스위치(S1, S3, S4)가 오프 상태에 있기 때문에 커패시터(C1, C2, C3)의 전압은 계속 유지된다.
이때, 제1 인버터(IN1)의 입력 전압(N3)은 아래 수학식5에 의해서 정해지며, 수학식5에 수학식2와 수학식3을 대입하면 아래 수학식6이 된다. 그리고 램프 신호 생성부(410)에서 출력되는 램프전압(Vramp)의 시작전압이 'Vstart'이므로 이를 다시 수학식 6에 대입하면 아래 수학식 7이 된다.
VN3=Vramp+VC3-VC2
VN3=Vramp-Vstart+Vreset-Vpixel+Vclamp1
VN3=Vreset-Vpixel+Vclamp1
수학식7을 살펴보면, VC3와 VC2에 존재하던 Vth와 Voffset들이 제거되었음을 알 수 있는 데, 이는 이미 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링이 이루어졌음을 나타내는 것이다. 여기서, 남아있는 값은 'Vreset-Vpixel'인 데, 이 값은 순수한 아날로그 픽셀 데이터 값을 가리킨다.
그리고, 전압(Vclamp1)은 제1 인버터(IN1)의 동작점이므로, 제1 입버터(IN1)의 입력전압이 'Vclamp1'이 되는 순간이 비교 순간이 된다.
한편, 이 세번째 단계에서 래치(310)를 작동시키기 위해서 래치 인에이블신호(Latch_EN)가 하이로 셋팅되고, 램프 신호 생성부(410)에서 출력되는 램프 신호가 단계적으로 감소함에 따라 매 클럭 마다 카운터(510)의 값도 하나씩 증가하게 된다. 램프 신호 생성부(410)에서 생성되는 램프 신호는 아래 수학식8과 같이 나타낼 수 있다. ΔV는 클럭에 따라 변화되는 램프신호의 전압 값을 나타낸다.
수학식8을 수학식6에 대입하면, 제1 인버터(IN1)의 입력 전압은 하기의 수학식9와 같이 나타낼 수 있다.
VN3=(Vreset-Vpixel)-ΔV+Vclamp1
램프 신호에 의해 수학식9의 ΔV값이 증가하게 되는데, 시간이 지나면 'Vreset - Vpixel'과 같아지는 때가 온다. 이때, 제1 인버터(IN1)의 입력 전압이 'Vclamp1'이 됨과 동시에 제2 인버터(IN2)의 입력 전압도 동작전압인 'Vclamp2'가 되어 2개의 인버터가 동작점에 있게 된다.
이 시점이 비교되는 순간이고, 이때 램프 신호가 조금이라도 더 떨어지게 되면 그 신호가 제1,2 인버터의 이득으로 증폭되고, Vo가 접지전원(ground)으로 떨어진다.
이렇게 Vo가 접지전원으로 떨어지게 되면 그 동안에 추적해오던 카운터(510)의 값이 최종적으로 래치(34)에 저장된다. 이 기억된 값이 단위픽셀의 데이터에 따른 디지털 값이다.
마지막으로, 래치(310)에 저장된 데이터가 디지털 제어부(도1의 500)에 전해질 때까지 보관하기 위해 래치인에이블신호(Latch_EN)를 로우로 셋팅한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 비교기는 비교되는 순간에만 제1,2 인버터 (IN1,IN2)에 전류가 흐르게 되므로 스테틱 전류가 거의 없어 전체 전력 소모를 대폭 줄일 수 있다. 그리고, 본 발명의 비교기는 리셋 레벨이 아날로그 신호 형태로 커패시터(C3)에 저장되기 때문에, 램프 신호 생성부(410)가 램프 신호를 한 번만 발생하면 되므로 전체 칩 동작이 간단해지고, 디지털 제어 알고리즘을 단순화시킬 수 있다. 또한, 리셋 레벨의 값을 디지털값으로 변환하여 그 결과를 저장할 필요가 없기 때문에 전체 메모리의 크기를 반으로 줄일 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대 전술한 실시에서는 CMOS 이미지센서에서의 비교기로 설명하였으나, 본 발명의 비교기는 저전압으로 작동하는 아날로그 집적회로나 옵셋이 제거된 비교기가 필요한 집적회로 설계시 적용가능하다.
본 발명에 따른 CMOS 이미지세서의 비교기는 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링 동작을 수행하여 개별 픽셀 간에 존재하는 옵셋 전압을 제거함으로써 고정 패턴 잡음을 대폭 줄이면서도 램프 신호가 한번만 필요하므로 제어 신호가 간단해지고 디지털 뺄셈기가 필요 없게 되어 회로를 간단히 구성할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 본 발명은 아날로그 상호 연관된 이중 샘플링을 수행함으로써 CMOS이미지 센서 구현 시 디지털 상호 연관된 이중 샘플링을 수행하는 CMOS 이미지 센서보다작은 면적으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 비교기는 비교되는 순간에만 반전 증폭기에서 전류가 흐르기 때문에 전체 평균 전류의 양을 대폭 줄여 전력 소모를 줄일 수 있다.

Claims (9)

  1. 피사체의 이미지에 대응하는 아날로그 신호를 캡처링하기 위한 이미지 캡처링 수단;
    기준클럭에 따라 일정한 기울기로 감소하는 램프신호를 이용하여 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환수단;
    상기 아날로그-디지털 변환수단에 상기 램프신호를 출력하는 램프신호 발생수단을 구비하며,
    상기 아날로그-디지털 변환수단은,
    a) 상기 아날로그 신호 및 상기 램프신호를 입력받는 초퍼비교기;
    b) 씨모스 이미지 센스의 옵셋전압을 없애기 위해서, 리셋 모드일 때 상기 램프신호의 시작전압을 입력받아 상기 시작전압의 레벨을 유기하고, 카운터 모드일 때에는 기준클럭에 따라 감소하는 상기 램프신호에 해당하는 레벨의 전압을 유기하는 입력커패시터
    를 구비하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초퍼비교기는
    인버팅 수단으로 이루어진 다수개의 반전증폭기와,
    상기 디지털제어부에 의해 제어되는 다수의 스위치와 다수의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변화수단에 의해 변한 되는 디지털 값을 저장하며, 디지털 값을 저장하기 위한 복수의 라인버퍼로 이루어진 래치수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 초퍼비교기는,
    상기 이미지 캡처링 수단에 연결되는 제1 스위치;
    상기 램프신호 발생수단에 연결되는 제2 스위치;
    제1 스위칭 수단에 연결되는 제1 커패시터;
    상기 제1 커패시터에 연결되는 제1 반전증폭기
    상기 제1 반전증폭기의 입력과 출력을 연결하는 제3 스위치;
    상기 제1 반전증폭기에 연결되는 제2 커패시터;
    상기 제2 커패시터에 연결되는 제2 반전증폭기; 및
    상기 제2 반전증폭기의 입력과 출력을 연결하는 제4 스위치를 구비하며, 상기 입력커패시터는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 구비되고, 상기 래치수단에 상기 제2 반전증폭기의 출력이 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 디지털 제어부의 제어신호에 응답하여, 상기 리셋 모드 일 때와 상기 피사체의 이미지에 대응하는 아날로그 신호를 상기 아날로그-디지털 변환수단에 전달하는 전하 이동 모드일 때, 턴온된는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1,3,4 스위치는,
    상기 전하 이동 모드일 때, 상기 디지털 제어부의 제어신호에 응답하여 턴온되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  7. 제 4 항의 씨모스 이미지 센서를 구동하기 위한 방법에 있어서,
    상기 램프신호의 시작전압을 상기 입력커패시터에 충전시키고, 이와 동시에상기 이미지 캡처링 수단의 리셋전압을 상기 초퍼비교기로 충전시키는 리셋모드 단계;
    상기 이미지 캡처링 수단에서 출력되는 아날로그 신호를 상기 초퍼비교기로 전달시키는 전하이동 모드 단계; 및
    기준클럭에 따라 감소하는 상기 램프신호를 상기 초퍼비교기로 전달하는 카운터 모드 단계
    를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 옵셋 전압 제거 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초퍼비교기는,
    인버팅 수단으로 이루어진 다수개의 반전증폭기와,
    상기 디지털제어부에 의해 제어되는 다수의 스위치와 다수의 커패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 옵셋 전압 제거 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변화수단에 의해 변한 되는 디지털 값을 저장하며, 디지털 값을 저장하기 위한 복수의 라인버퍼로 이루어진 래치수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 옵셋 전압 제거 방법.
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