KR20020077911A - 비디오 센서 칩 회로 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매트릭스 내에 배치된 감광성 화소(픽셀)를 갖는 비디오 센서 칩 회로 장치에 관한 것이다. 각 화소는 광트랜지스터를 구비하며, 상기 광트랜지스터의 출력 광 전류는 대수적으로 증폭되고 전압 신호 형태로 평가 회로에 공급된다. 본 발명에 따르면, 화소(12)와 각 화소(12)에 배속된 증폭기(22)는 공통 부품에 모놀리식으로 일체되는 것이 제안된다. 증폭기(22)는 비디오 센서 칩의 감광성 표면(14) 외부에 배치된다.

Description

비디오 센서 칩 회로 장치 {VIDEO SENSOR CHIP CIRCUIT}
일반적 유형의 비디오 센서 칩은 공지되어 있다. 이 비디오 센서 칩은, 매트릭스 내에 배치되고 비디오 센서 칩의 감광성 영역을 한정하는 감광성 화소(픽셀)를 포함한다. 각 화소는 광트랜지스터를 포함하는데, 이 광트랜지스터는 각 광트랜지스터에 작용하는 광도(luminosity)에 따라 광 전류를 제공한다. 광도의 변화는 광 전류의 비례적 변화를 발생시킨다.
화소의 상기 출력 광 전류를 대수적으로 증폭시켜 전압 신호로서 평가 회로에 제공하는 것은 공지되어 있다. 이와 같은 비디오 센서 칩은 예를 들면 독일 특허 제42 09 536호에서 설명된다. 대수적 특성 곡선을 갖는 공지된 비디오 센서 칩에서, 상대적으로 큰 감광성 표면이 요구된다는 단점이 존재한다. 이것은 기생 용량을 의미하며, 약한 조도 및 밝음/어두움 변환 시, 약한 인버전(weak inversion) 작동에서 광트랜지스터의 상대적으로 적은 전류와 함께, 기생 용량의 방전에 의한 전압 출력의 고 응답 시간을 발생시킨다.
이를 통해, 특히 고 화상반복 주파수(picture repeating frequency)에서 불리한 소위 스미어링 효과(smearing effect)가 발생된다.
본 발명은 청구범위 제1항의 상위 개념에 언급된 특징을 갖는 비디오 센서 칩 회로 장치에 관한 것이다.
본 발명은 이하 첨부된 도면의 실시예를 참조로 상세히 설명될 것이다.
도1은 화소의 회로 장치의 제1 실시예이다.
도2는 화소의 회로 장치의 제2 실시예이다.
도3은 도2에 따른 회로 장치의 특성 곡선이다.
도4는 도1 및 도2에 따른 회로 장치의 다른 특성 곡선이다.
도5는 화소의 회로 장치의 제3 실시예이다.
그러나, 청구범위 제1항에 언급된 특징을 갖는 본 발명에 따른 회로 장치는, 상대적으로 적은 감광성 표면 및 그에 따른 적은 기생 용량으로 유지되고 스미어링 효과 없이 고 화상반복 주파수에 의해 작동될 수 있는 비디오 센서 칩이 간단한 방식으로 준비될 수 있는 장점을 제공한다. 유리하게는, 화소 및 각 화소에 배속된 증폭기가 공통 부품에 모놀리식으로 일체되며, 증폭기는 비디오 센서 칩의 감광성 표면 외부에 배치됨으로써, 배속된 증폭기는 모놀리식 일체 부품의 다른 - 감광성 영역 외부에 위치된 - 부분에서 구현될 수 있는 반면, 감광성 표면용 표면 요구량을 일체된 감광성 화소 장치에 제한할 수 있다.
특히, 유리하게는, 본 발명의 양호한 구성예에서 증폭기가 행(line) 단위로 그리고/또는 열(column) 단위로 화소-매트릭스에 연결될 수 있는 스위칭 수단을 통해 화소와 연결되도록 제안될 때, 상대적으로 작게 유지되고 감광성 영역에 배치된 화소를 선택에 따라 어드레스(address)하는 것이 가능하다. 배속된 증폭기는 감광성 화소의 출력 신호의 판독 시 설계에 따라 행 단위로 그리고/또는 열 단위로 접속될 수 있다. 증폭기는 화소 영역 (매트릭스) 외부에 있고, 행 단위로 그리고/또는 열 단위로 연결될 수 있기 때문에, 증폭기는 일차원적으로 모놀리식 일체 부품 내로 구현될 수 있다. 이로부터 칩 표면이 상당히 절감된다.
또한, 양호하게는, 화소의 매트릭스의 행 마다 그리고/또는 열 마다 모든 화소용 증폭기가 행 및/또는 열에 연결될 수 있는 것이 제안된다. 이를 통해, 유리하게는, 감광성 화소 자체가 추가적 전류 공급을 필요로 하지 않고 행 및/또는 열 마다 각 증폭기만이 전류 공급을 필요로 하기 때문에, 전체 비디오 센서 칩의 전류 소비 감소가 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 양호한 구성예에서, 증폭기는 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기로서 접속되는 것이 제안된다. 이와 같은 증폭기의 구성을 통해 공지된 트랜스임피던스 증폭기의 전압 변환이 이용되며, 출력 임피던스는 트랜스임피던스 증폭기의 피드백 구간, 특히 그 피드백 저항을 통해 결정된다.
이와 같은 구성을 통해, 광 전류가 센서 표면(여기서는 작은 센서 표면)의 기생 용량을 통해 일체되지 않고, 감광성 화소의 광 전류를 비례 전압으로 변환시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 양호한 구성예에서는, 트랜스임피던스 증폭기의 피드백 구간이 약한 인버스(inverse) 작동 트랜지스터에 의해 형성되며, 양호하게는 이와 같은 인버스 작동 트랜지스터는 각 감광성 화소에 배속되고 상기 인버스 작동 트랜지스터는 각 감광성 화소와 함께 증폭기에 연결될 수 있는 것이 제안된다. 이를 통해, 증폭기의 입력 신호, 즉 광 전류 또는 광 전류에 비례하는 광도와 증폭기의 출력 신호, 즉 증폭기의 출력부에서의 전압 변동 간의 대수적 전환(conversion)이 달성된다. 따라서 피드백 저항으로서 접속된 트랜지스터는 선형 전류-전압 전환이 아니라, 대수적 전환을 구현하며, 이에 따라 큰 광도 영역을 커버할 수 있다. 또한, 이를 통해 화소의 짧은 광학 응답 시간의 장점이 포기되지 않고, 고 출력 역학및 그에 따른 고 콘트라스트(contrast) 감응성이 보장될 수 있다. 이를 통해 특히 스미어링 효과가 없는 고 화상반복 주파수가 가능하다.
본 발명의 양호한 다른 구성예는 그 외 종속항에 언급된 특징으로부터 제공된다.
도1에는 전체적으로 도시되지 않은 비디오 센서 칩의 감광성 화소(픽셀)(12)의 회로 장치(10)가 도시된다. 비디오 센서 칩은 매트릭스 내에 배치된 복수의 화소(12)를 포함한다.
화소(12)는 비디오 센서 칩의 감광성 표면을 전체적으로 한정하며, 이로써 각 화소(12)는 (점선으로 도시된 영역 내부에) 자체의 부품 표면(14)을 형성한다.
화소(12)는 광트랜지스터(16)를 포함한다. 광트랜지스터(16)의 전원 연결부는 스위칭 수단(20)의 제1 스위칭 접촉부(18)를 통해 트랜스임피던스 증폭기(22)의 역전 입력부와 연결된다. 트랜스임피던스 증폭기(22)의 비역전 입력부에는 기준전압(Uref1)이 인가된다. 또한, 광트랜지스터(16)의 전원 연결부는 피드백 분기선(24)을 통해 트랜스임피던스 증폭기(22)의 출력부(26)와 연결된다. 피드백 구간(24) 내부에는 스위칭 수단(20)의 스위칭 접촉부(28) 및 저항으로서 접속되는 트랜지스터(30)가 배치된다. 광트랜지스터(16)의 출력 연결부는 트랜지스터(32, 34)와 연결된다. 또한, 화소(12)는 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부와 연결되는 트랜지스터의 전류 경면 회로(36, 38)를 포함한다.
도1에 도시된 회로 장치(10)는 이하와 같이 기능한다.
광(37)이 광트랜지스터(16)에 충돌되면 광 전류(Ⅰphoto)가 발생된다. 이 광 전류(Ⅰphoto)는 광(37)의 광도에 정비례한다. 행 디코더 및/또는 열 디코더를 통해 스위칭 수단(20)이 작동된다. 상응하는 제어 임펄스를 통해, 예를 들면 비디오 센서 칩의 화상 지점(12)의 전체 매트릭스의 행 배치 화소(12)의 모든 스위칭 수단(20)이 제어된다. 이를 통해 스위칭 접촉부(18, 28)가 스위칭 연결(close)된다. 이 때 스위칭 연결된 피드백 분기선(24)에 위치된 트랜지스터(30)는 전류(Ⅰphoto)를 수용하고 이 전류를 트랜스임피던스 증폭기(22)의 출력부(26)에서 출력 전압(Uout)으로 변환시킨다. 트랜지스터(30)는 광 전류(Ⅰphoto)와 출력 전압(Uout) 사이의 대수적 전환이 이루어지도록 약한 인버전의 작동 상태에서 작동된다. 부피드백의 증폭 효과는 동시에 스위칭 연결된 스위칭 접촉부(18, 28)를 통해 광 전류(Ⅰphoto)에만 영향을 주는데, 광트랜지스터(16)의 전원 전압이 변하지 않기 때문이다. 여기에는 사실상 접지의 원리가 작용한다. 대체로 트랜스임피던스증폭기(22)가 전류-전압-변압기로서 작동하며, 증폭기(22)의 출력 임피던스는 저항으로서 접속된 트랜지스터(30)를 갖는 피드백 분기선(24)을 통해 결정되고 (저항으로서 접속된) 트랜지스터(30)는 트랜스임피던스를 구현한다는 것은 명백하다. 광(37)의 광도 변화를 통해 광 전류(Ⅰphoto)는 비례적으로 변하여, 상응하게 변하는, 출력부(26)의 출력 전압(Uout)의 전압 변동은 보다 짧은 반응 시간으로 이루어진다. 화소(12)의 내부에서는 어떠한 기생 용량도 광 전류(Ⅰphoto)에 의해 영향을 받지 않으므로, 이러한 기생 용량의 충전 또는 방전 과정은 전류-전압-변압기에 어떠한 영향도 주지 않는다. 고 출력 역학 및 그에 따른 회로 장치(10)의 고 콘트라스트 감응성이 주어지도록, 피드백 분기선(24)에 배치된 트랜지스터(30)를 통해 대수적 전환이 달성된다.
트랜지스터(32, 34)를 통해 광트랜지스터(16)의 작동 지점이 조절될 수 있다. 이 작동 지점은 광트랜지스터(16)가 항상 약한 인버전 작동에 유지되도록 조절된다. 트랜지스터(16)를 통해 회로 장치(10)의 전압 안정화가 이루어진다. 여기서 전류 경면 트랜지스터(36, 38)는, 트랜지스터(38)가 전류(Ⅰdet)의 전류 전도를 통해 강한 인버전의 작동 상태에 있을 때에도 트랜지스터(36)가 항상 약한 인버전의 작동 상태에 유지되도록 치수가 정해진다. 이러한 치수 결정을 통해 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부에서 일정한 전위가 조절되어, 피드백은 광트랜지스터(16) 및 트랜지스터(32)를 통해 비활성화된다.
도2에는 도1과 다른 회로 장치(10)의 실시예가 도시되는데, 여기에서 동일 부품은 동일 참조 부호로 표시되며 더 이상 설명되지 않는다. 트랜지스터(36, 38)의 전류 경면 회로의 치수 결정을 통해 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부에서 일정한 전압이 조절되기 때문에, 도2에 도시되는 바와 같이, 트랜지스터(36, 38)의 전류 경면 회로는 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부에서 인가되는 기준 전압(Uref2)을 통해 대체될 수 있다. 여기서 기준 전압(Uref2)은, 광트랜지스터(16)가 항상 약한 인버전의 작동 상태에 유지되도록 선택된다. 이를 통해 트랜지스터(32, 36, 38)의 구조화가 요구되지 않는다. 이를 통해, 회로 장치(10) 구조는 특히 화소(12) 영역에서 단순화된다.
도3은, 출력 전압(Uout)이 대수 적용된 광 전류(Ⅰphoto)에 대해 적용된, 회로 장치(10)의 특성 곡선을 도시한다. 출력 전압(Uout)의 대체로 선형 특성 그래프이다.
도4에는 시간에 따른 출력 전압(Uout)에 대한 광 전류(Ⅰphoto)의 변화 사이의 관계가 도시된다. 밝음 다음에 어두움이 이어지는 고 콘트라스트에서 그리고 어두움 다음에 약한 어두움이 이어지는 약한 조도 영역의 콘트라스트에서 출력 전압(Uout)의 점프 응답에 의해, 즉각적인 점프 응답이 이루어진다는 것은 명백하다. 점프 응답의 시간 지연은 가장 불리한 경우에 약 0.4 ms 이다. 광 전류(Ⅰphoto)가 0.1 pA 일 때의 출력 전압(Uout), 여기서는 1.6V에 상응하는 직선(40)이 점선으로 도시된다. 이 일정한 광 전류(Ⅰphoto) 0.1 pA를 기초로 하여, 상응하는 광도 변화에 의해 발생되는 비례적 광 전류(Ⅰphoto)는 상응하는 점프 응답으로 도시된다. 문제는 트랜스임피던스 증폭기(22)의 입력 차이이기 때문에, 보다 높은 광 전류(Ⅰphoto)는 기준 전압(Uref1)에 대한 큰 차이에 상응하는, 출력 전압(Uout)의 보다 작은 절대값으로 된다.
도5에는 다른 회로 변형예가 도시되는데, 여기에서 도1 및 도2와 동일한 부품은 역시 동일 참조 부호로 표시되며 더 이상 설명되지 않는다. 여기에 도시된 회로 변형예에서 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부는 피드백 구간(44)을 통해 증폭기 출력부(42)와 연결된다. 스위칭 수단(20)의 다른 스위칭 접촉부(46)는 피드백 구간(44)으로 접속된다. 따라서 피드백 구간(24)과 동시에, 저항으로서 접속된 트랜지스터(30)를 통해 피드백 구간(44)이 연결되고 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부에서 광 전류에 따른 전압 전위가 증폭기(22)의 출력부(42)를 통해 인가된다. 여기서 이 전압 전위는 광 전류(Ⅰphoto)에 따름으로써, 광트랜지스터(16)의 작동은 약한 인버전이 작동 상태에 유지된다. 이를 통해 회로 장치(10)의 안정성은 더욱 향상되고 소위 스미어링 효과는 더욱 감소된다.
도5에는 다른 실시예가 점선으로 도시된다. 약한 인버전으로 작동하는 트랜지스터(30) 대신에 강한 인버전으로 작동하는 트랜지스터(50)가 피드백 구간(44) 내에 삽입될 수 있다. 이 트랜지스터(50)는 스위칭 수단(20)의 스위칭 접촉부(48)를 통해 제어될 수 있다. 이러한 회로 장치를 통해 필요에 따라 요구되는 선형 전환이 구현될 수 있다.

Claims (11)

  1. 매트릭스 내에 배치된 감광성 화소(픽셀)를 구비하며, 각 화소는 광트랜지스터를 구비하며, 상기 광트랜지스터의 출력 광 전류는 대수적으로 증폭되어 전압 신호로서 평가 회로에 공급되는 비디오 센서 칩 회로 장치에 있어서,
    화소(12) 및 각 화소(12)에 배속된 증폭기(22)는 공통 부품에 모놀리식으로 일체되며, 증폭기(22)는 비디오 센서 칩의 감광성 표면(14) 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  2. 제1항에 있어서, 증폭기(22)는 행 단위로 그리고/또는 열 단위로 매트릭스에 연결될 수 있는 스위칭 수단(20)을 통해 화소(12)와 연결되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 행 마다 그리고/또는 열 마다 모든 화소(12)용 증폭기(22)가 행 및/또는 열에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 증폭기(22)는 트랜스임피던스 증폭기로서 접속되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 트랜스임피던스 증폭기(22)의 피드백 구간(24)은 약한 인버스 작동 트랜지스터(30)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  6. 제5항에 있어서, 트랜지스터(30)는 감광성 표면(14) 내부에 배치되며 각 화소(12)와 함께 공동으로 증폭기(22)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광트랜지스터(16)는 일정한 게이트 전압에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  8. 제7항에 있어서, 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부는 트랜지스터의 전류 경면 회로(36, 38)와 연결되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  9. 제7항에 있어서, 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부는 일정한 기준 전압원(Uref2)과 연결되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  10. 제7항에 있어서, 광트랜지스터(16)의 게이트 연결부는 피드백 분기선(44)을 통해 증폭기(22)의 출력부(42)와 연결되어, 광트랜지스터(16)의 게이트 전압이 광 전류에 따르는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  11. 제10항에 있어서, 피드백 분기선(44)은 스위칭 수단(20)의 스위칭 접촉부(46)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
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