KR20060006778A - 강도-변조 신호의 복조를 위한 전기회로, 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

변조 증폭 및 일시적 위상이 국부적 위치에 따라 달라지는 변조된 광 방사계(I)가 복수의 픽셀(1)에서 검출될 수 있다. 각각의 픽셀(1)은 입사광(I)을 이에 비례하는 전기신호로 변환하는 변환부(T); 샘플링부(S); 2개의 감산부/가산부(SUB1, SUM1, SUB2, SUM2); 및 출력부를 포함한다. 각각의 픽셀은 개별적으로 어드레스를 지정할 수 있다. 광 방사계(I)가 국부적으로 감지되고, 파장의 변조 주파수의 4배인 주파수에서 샘플링된다. 감산부/가산부(SUB1, SUM1, SUB2, SUM2)는 일부 주기를 평균화하는 동안에 주파수의 반으로 분리된 변조 주파수당 2개의 샘플의 차이 값을 누적한다; 2개의 감산부/가산부는 1/4 주기로 서로에 대해 시간 천이된다. 그 결과, 2개의 출력 신호가 국부적 엔벨롭 진폭 및 일시적 위상을 결정하는데 사용된다. 이들 픽셀(1)은 매우 적은 전력을 소모하고 적은 영역을 요구하는 회로로 구현될 수 있으며, 이에 따라 선형 또는 2차원 어레이 센서 내에 다수의 픽셀을 집적할 수 있게 된다.

복조 장치, 변조, 강도-변조, 광 검출, 광 측정, 어레이 센서

Description

강도-변조 신호의 복조를 위한 전기회로, 장치 및 방법 {ELECTRICAL CIRCUIT, APPARATUS AND METHOD FOR THE DEMODULATION OF AN INTENSITY-MODULATED SIGNAL}

본 발명은 일시적으로 변조된 신호에 근거하는 모든 검출 및 측정 기술에 관한 것으로, 바람직하기로는 진폭 및 위상의 국부적 변화량이 시간의 함수로 측정되어야 하는 광 방사계(optical radiation field) 검출 및 측정 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 진폭 감지 및 위상 감지 복조 픽셀의 밀집형 1차원 또는 2차원 어레이가 필요한 모든 검출 및 측정 기술에 관한 것이다. 이러한 기술 분야는 의료영상기기인 광결합 단층 촬영장치(optical coherence tomography: OCT), 티오에프(time-of-flight: TOF), 레인지 이미징 및 다중 파형 간섭계(range imaging and multi wave interferometry)를 포함한다.

여러 광 검출 및 측정 기술들은 국부적 진폭 및 위상이 시간의 함수로 변하는 일시적으로 변조된 광 방사계에 근거하는 것으로 알려져 있다. 이러한 기술들은 진폭 및 위상을 공간적으로 및 일시적으로 분해하여 측정하는 방법, 소위 변조된 방사계의 복조를 필요로 한다. 일부 전기회로 및 디지털 신호 처리 알고리즘은 단독 측정 지점에 대해 이러한 복조 기능을 제공할 수 있지만, 이들 중 어느 것도 복조 광센서 어레이들이 집적되어 있지 않고, 대량 병렬 처리 구조가 아니고, 신뢰할 정도로 동작하지 않는다.

표준 진폭 변조(Amplitude Modulation: AM)는 입력 신호에 대한 대역-통과 필터링, 정류 및 저역-통과 필터링 기능을 포함한다. 이 기술은 AM 무선 수신기(AM radio receiver) 기술로 널리 알려져 있다. 하지만 이 기술은 10㎑ 미만의 주파수에 대해 큰 RC-시상수를 요구하며, 소형 픽셀 및 신규 CMOS 처리와 호환하지 않는다는 단점이 있다.

한편, 직접 검출(Direct detection)은 진폭 및 위상 검출이 가능한데, 반송 주파수와 일치하는 발진기 신호를 갖는 제1 경로 및 90도 천이된 발진기 신호를 갖는 제2 경로 상의 입력 신호를 증배(multiplying)하기 때문이다. 하지만, 신호 증배는 복잡하고, 각 픽셀에 허용되는 전력(통상적으로 수 ㎼)에 비해 전력 소모가 크며, 이로 인해 픽셀의 대량 병렬 집적(massive parallel integration)에 적합하지 않다.

일부 디지털 변조 기술은 입력 신호의 오버 샘플링(over-sampling)에 근거하는 것으로 알려져 있다. 나이퀴스트 샘플링 법칙(Nyquist sampling theorem)에 따라, 샘플링 속도는 입력신호 대역폭의 2배 이상이어야만 한다. 디지털 신호 복조 알고리즘은 일반적으로 하나의 픽셀에 구현되기에는 너무 복잡하다 (50개 이상의 트랜지스터가 필요함). 다음에 열거하는 일부 리스트는 디지털 복조 기술들의 개요를 제공하고 있다:

● 널리 알려진 방법인 이산 퓨리에 변환(discrete Fourier transform)을 적 용하여, 양(+)이 아닌 음(-) 또는 제로 주파수 성분을 제거하고, 역변환 전에 스펙트럼을 중심에 정렬한다(recenter). 이 방법은 S. S. Chim 및 G. S. Kino에 의해 1990년에 발간된 Optical Letter지 15권의 579 내지 581 페이지에 "상관 현미경(Correlation microscope)"이라는 명칭으로 게재되어 있다.

● 만일 입력 신호가 그 입력 신호 변조 주파수의 4배인 주파수로 샘플링된 경우, 국부적 엔벨롭(local envelope) 검출을 위한 여러 알고리즘들이 알려져 있다. 그 중 하나로서, K. G. Karkin이 1996년에 J. Opt. Soc. Am. 논문지 13권의 832 내지 843 페이지에 "백색 광 간섭계에서 엔벨롭 검출을 위한 효과적인 비선형 알고리즘(Efficient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry)"이라는 명칭으로 게재되어 있다. 하지만, 이들 알고리즘 모두는 증배(multiplication) 기술을 필연적으로 수반하며, 이에 따라 효율적인 전력을 갖는 픽셀 구조에 적용할 수 없다.

본 발명의 목적은 일시적 변조 신호의 공간적으로 및 일시적으로 분해된 진폭 및 위상이 복조를 위해 검출될 수 있지만, 전술한 종래 기술의 문제점을 갖지 않는 전기회로를 제공하기 위한 것이다. 상기 전기회로는 인해 1차원 또는 2차원 어레이로 집적되어, 반도체 공정의 제조 오차 내에서 콤팩트한 크기를 갖고, 전력 소모가 낮고, 구동이 편리하며, 독립적인 신호의 전치 처리 능력을 갖고, 동작의 견고성을 갖는다.

본 발명의 다른 목적은 변조 신호를 공간적으로 및 일시적으로 분해하여 복조할 수 있는 1차원 또는 2차원 어레이 센서 및 복조 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 변조 신호의 검출 방법을 제공하기 위한 것이다.

이들 및 기타 목적은 첨부되는 독립청구범위에서 정해지는 전기회로, 어레이 센서, 복조 장치 및 방법에 의해 달성된다. 유익한 실시예들은 종속청구범위에서 정해진다.

본 발명의 실시예들은 이하의 첨부된 개략적인 도면들과 관련하여 보다 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 복조 픽셀의 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 복조 픽셀에서 광자(photon)를 해당 전압으로 변환하는 변환부 회로도이다.

도 3은 도 2에 도시된 변환부에 저장 노드가 추가되는 경우를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 복조 픽셀에서 개선된 오프셋 보상을 갖는 변환부의 회로도이다.

도 5a 내지 도 5c는 각각 본 발명에 따른 복조 픽셀에서 3가지 유형의 샘플링부를 나타내며, 도 5a는 스위치, 도 5b는 NMOS 스위치, 그리고 도 5c는 전송 게이트를 각각 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따른 표동계(drift field) 복조 픽셀의 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 록-인(lock-in) 픽셀의 단면도이다.

도 8은 감산부와 가산부를 포함하는 회로의 회로도이다.

도 9는 본 발명에 따른 복조 픽셀에서 판독부 회로도이다.

도 10은 본 발명에 따른 2차원 어레이 센서를 개략적으로 보여주는 도면이다.

* 도면부호의 간단한 설명*

1: 전기회로 10: 복조 장치

21: 제1 채널 22: 제2 채널

CA: 행 어드레스 CAD: 행 어드레스 디코더

EV: 평가부 I: 입력 신호

OA: 출력 증폭기 OL: 출력 라인

OTA: 차동 변환 증폭기 PD: 광다이오드

PP: 전치 처리부 RA: 열 어드레스

RAD: 열 어드레스 디코더 RO: 판독부

RSN: 판독 저장 노드 S: 샘플링부

SN: 저장 노드 SUB1, SUB2: 감산부

SUM1, SUM2: 가산부 T: 변환부

VDDA: 인가전압 VSS: 접지전압

본 발명은 두 가지 다른 작업으로 엔벨롭 검출을 구별한다:

(ⅰ) 픽셀내 집적을 위한 저전력 데이터 압축; 및

(ⅱ) 증배를 수반하며, 허용되는 한계범위에서 내부-픽셀(in-pixel)에서 이루어지고, 필요에 따라 외부-픽셀(off-pixel) 또는 외부-칩(off-chip)에서 이루어질 수 있는 최종적인 진폭 및 위상 재구성(reconstruction).

본 발명에 따른 전기회로는 전술한 2가지 작업 중 먼저 (ⅰ) 작업을 수행한다. 입력 신호는 국부적으로 감지되고, 상기 신호의 변조 주파수의 4배 주파수로 샘플링된다. 감산부/가산부는 일부 주기를 평균화하는 동안에 주파수의 반으로 분리된 변조 주파수당 2개의 샘플의 차이값을 누적한다; 2개의 감산부/가산부는 1/4 주기로 서로에 대해 시간 천이된다. 그 결과, 2개의 출력 신호가 국부적 엔벨롭 진폭 및 일시적 위상을 결정하는데 사용된다. 이들 픽셀(1)은 매우 적은 전력을 소모하고 적은 영역을 요구하는 회로로 구현될 수 있으며, 이에 따라 선형 또는 2차원 어레이 센서 내에 다수의 픽셀을 집적할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 따른 변조 주파수―여기서 변조 주파수의 역수가 변조 주기로 정의됨―로 변조되는 신호를 검출하기 위한 전기회로는, 변조된 신호를 전기 신호로 변환하는 변환 수단(transduction means); 상기 변조 주파수의 4배 또는 그 배수와 같은 샘플링 주파수로 상기 전기 신호를 샘플링하는 샘플링 수단(sampling means); 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제1 샘플들 사이의 제1 차이값을 평가하기 위한 제1 감산 수단; 및 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제2 샘플들―여기서 제2 샘플들은 설정된 분수(fraction), 바람직하기로는 1/4만큼 상기 제1 샘플들에 대해 시간-천이됨― 사이의 제2 차이값을 평가하기 위한 제2 감산 수 단을 포함한다. 본 발명에 따른 전기회로는 상기 제1 감산 수단에 의해 구해지는 복수의 연속적인 제1 차이값들의 제1 합을 평가하기 위한 제1 가산 수단; 및 상기 제2 감산 수단에 의해 구해지는 복수의 연속적인 제2 차이값들의 제2 합을 평가하기 위한 제2 가산 수단을 추가로 포함한다.

본 발명에 따른 복수의 픽셀을 구비하는 1차원 또는 2차원 어레이 센서는 상기 복수의 픽셀 중 적어도 하나의 픽셀, 바람직하기로는 각각의 픽셀이 본 발명에 따른 전기회로를 포함한다.

본 발명에 따른 변조 신호를 복조하기 위한 복조 장치는, 상기 변조 신호를 검출하기 위한 검출 수단; 및 상기 검출 수단의 출력으로부터 엔벨롭 진폭 및/또는 일시적인 위상을 평가하기 위한 평가 수단을 포함한다. 상기 검출 수단은 본 발명에 따른 전기회로를 포함한다.

본 발명에 따른 변조 주파수―여기서 변조 주파수의 역수가 변조 주기로 정의됨―로 변조되는 신호의 검출 방법은, a) 변조된 신호를 전기 신호로 변환하는 단계; b) 상기 변조 주파수의 4배 또는 그 배수와 같은 샘플링 주파수로 상기 전기 신호를 샘플링하는 단계; c) 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제1 샘플들 사이의 제1 차이값을 평가하는 단계; 및 d) 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제2 샘플들―여기서 제2 샘플들은 설정된 분수(fraction), 바람직하기로는 1/4만큼 상기 제1 샘플들에 대해 시간-천이됨― 사이의 제2 차이값을 평가하는 단계를 포함한다. 여기서, 복수의 연속적인 제1 차이값들의 제1 합을 평가하고, 복수의 연속적인 제2 차이값들의 제2 합을 평가한다.

샘플링된 주파수들 사이의 위상 천이가 정확히 변조 주기의 1/4일 필요는 없다. 변조 진폭 및 변조 위상에 대한 정확한 값을 수학적으로 추출하기 위해서 비균일한 샘플링 그리드를 다루는 수치해석 방법이 알려져 있다(A. B. Cain, J. H. Ferziger 및 W. C. Reynolds에 의해 1984년에 J. Computational Physics지 56권의 272 내지 286 페이지에 "고속 퓨리에 변환을 이용하여 비균일 그리드에 대한 이산 직교함수 확장(Discrete orthogonal function expansion for non-uniform grids using the fast Fourier transform)"이라는 명칭으로 게재된 논문을 참조한다).

본 발명에 따른 전기회로는 전자기(electromagnetic) 신호, 초음파(ultrasonic) 신호 또는 화학적 신호와 같은 임의의 입력 신호에 대해 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명은 아래와 같이 광학 신호의 예가 설명된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기회로(1) 또는 복조 픽셀의 블록도이다. 상기 전기회로(1)는 변환부(T), 샘플링부 또는 샘플 및 홀드부(S), 2개의 감산부(SUB1, SUB2), 2개의 가산부(SUM1, SUM2), 신호 전치 처리부(PP) 및 판독부(RO)를 포함한다. 상기 샘플링부(S) 다음 단은 신호 경로가 2개인 채널(21, 22)로 분리된다: 제1 채널(21)은 제1 감산부(SUB1) 및 상기 제1 감산부(SUB1) 뒤에 제1 가산부(SUM1)를 포함하며, 제2 채널(22)은 제2 감산부(SUB2) 및 상기 제2 감산부(SUB2) 뒤에 제2 가산부(SUM2)를 포함한다.

입력 신호(I), 바람직하기로는 광 방사계가 상기 변환부(T)에서 감지되어, 일종의 전기신호(예를 들면, S. Bourauin 및 P. Seitz에 의한 미국 특허번호 제6,469,489호에 기재된 바와 같이, 전하, 전압 또는 전류)로 변환된다. 상기 변환부(T)는 대충의 또는 정밀한 오프셋 보상 기능(offset compensation), 비선형 신호 압축 기능(non-linear compression) 또는 이 둘 모두를 구비한다. 오프셋 보상 및 신호 압축은 검출 시스템의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 증가시키며, 입력 신호가 큰 DC 오프셋을 가질 수 있기 때문에, 상기 입력 신호는 복조 과정을 위한 유용한 정보를 갖지 않고 반송된다.

상기 샘플링부(S)는 상기 변조 주파수(f)의 4배인 주파수를 가지고 상기 전기신호를 샘플링한다:

인 경우,

가 된다.

이러한 샘플링은 스위치 또는 유사한 소자들에 의해 수행될 수 있다. 가장 간단한 경우로는, 상기 스위치가 전압 또는 전류 신호들에 대한 단일 전계-효과 트랜지스터(FET) 또는 전하 신호를 위한 전하-결합-소자(CCD)인 경우가 있다. 표동계 복조 픽셀(독일 특허번호 GB-0214257.8호 참조) 또는 록-인 원리를 이용하는 픽셀(WO-96/15626호 참조)이 상기 변환부(T) 및 샘플링부(S)를 대체할 수 있다.

상기 감산부(SUB1, SUB2)는 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 샘플들 사이의 차이값을 결정한다. 상기 2개의 감산부(SUB1, SUB2)는 1/4 주기로 각각에 대해 시간-천이된다. 그 신호 (

및

)는 상기 제1 감산부(SUB1)에 대해,

로 주어진다.

각각의 감산부(SUB1, SUB2) 다음에는 이에 대응하는 가산부(SUM1, SUM2)가 각각 뒤따른다. 가산부(SUM1, SUM2)는 임의의 수 N까지의 합을 구하게 된다: 제1 가산부(SUM1) 및 제2 가산부(SUM2)에 대해 각각

인 경우,

가 된다. 상기 가산부(SUM1, SUM2)는 상기 검출 시스템의 다이내믹 레인지를 증가시키기 위해 비선형 신호 압축 기능을 가질 수 있다.

상기 전치 처리부(PP)는 상기 2개의 합 신호의 비(ratio) 또는 그 제곱의 합 등의 계산과 같은 임의의 추가적인 함수의 적분(integration)을 가능하게 한다. 필요한 경우, 제2 샘플 및 홀드부가 포함될 수 있다. 또한, 상기 전치 처리부(PP)는 생략될 수도 있다.

상기 판독부(RO)는 상기 전치 처리부(PP)로부터 전송된 신호들을 판독하는 역할을 한다. 이것은 병렬 연속 데이터 전송을 지원할 수 있다. 상기 감산 및 가산부(SUB, SUM)의 동기 기능과 무관하게 타이밍을 판독하기 위해서 제3 샘플 및 홀드부가 포함될 수도 있다. 상기 판독부는 랜덤 어드레싱을 위해 설계되는 것이 바람직하다.

모든 구성요소는 변조 주파수(f), 그 곱수 또는 그 분수로 동기 된다.

다음에서, 상기 픽셀의 구성요소(T, S, SUB, SUM, PP, RP)에 대한 바람직한 실시 예가 설명된다.

도 2는 광자(I)를 대응하는 전압으로 변환하는 변환부(T)의 실시 예 회로를 나타낸다. 상기 변환부 회로는 접지전압(VSS)과 인가전압(VDDA)을 제공받는다. 광다이오드(PD)는 광자-감지 소자이며, 내재된 커패시턴스(Cpd)를 갖는다. 흡수된 광자는 양(+)으로 프리차지(precharge)된 커패시턴스 상에 음전하를 생성하고, 결국 전압 강하가 발생된다. 이러한 결과로서 발생된 전압은 MP3 트랜지스터가 전류 소스인 경우 2개의 p-채널 MOS 트랜지스터(MP2 및 MP3)로 형성되는 소스 팔로워(단위 이득, 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스를 가짐)에 의해 증폭된다. 상기 MP3의 게이트에서의 바이어스 전압(vbias)은 상기 소스 팔로워에 의해 사용되는 전압을 한정한다. 상기 변환부(T)의 출력 라인은 T_out로 지정된다. 상기 광다이오드(PD)는 소정 시간 후에 n-채널 MOS 트랜지스터(MN1)에 의해 고정 전압(vreset)으로 리셋 되어 DC 오프셋을 빼주게 된다. 광다이오드 리셋 신호(dspd)가 상기 MN1 트랜지스터를 제어한다.

상기 변환부(T)는 저장 노드에 의해 더욱 개선될 수 있는데, 상기 저장 노드는 상기 소스 팔로워뿐만 아니라 다음의 회로들의 대역폭을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 시스템 내의 잡음을 줄일 수 있다. 이러한 변환부(T)의 변형된 실시 예는 도 3에 예시되어 있다. n-채널 MOS 트랜지스터(Mstore 및 Mrsstore)는 그 게이트 전압(store 및 rsstore)에 의해 제어되는 스위치로 작용한다. 상기 광다이오드(PD)를 리셋(reset)하기 전에, 상기 스위치(Mstore)가 닫히고, 커패시터(Cstore) 상으로 상기 광다이오드(PD) 상의 전압을 샘플링하기 위해 다시 열린다. 상기 커패시터(Cstore) 상에 저장되는 전압은 소스 팔로워(MP2, MP3)에 의해 증폭된다. 이후, 상기 스위치(Mrsstore)는 닫혔다가 다시 열리며, 이에 따라 상기 커패시터(Cstore) 상의 전압을 상기 전압(vreset)으로 리셋하게 된다.

상기 변환부(T)의 추가 변형예는 오프셋 보상을 향상시킨다: 전류 소스(MP5)가 추가되는데, 이는 상기 광다이오드(PD)를 통과하는 광발생 DC 전류와 같은 전류를 제공하며 상기 광다이오드(PD)에 직렬로 연결되어 있다. 도 4는 가능한 구현 예를 보여준다. 이때, 2가지 동작 모드가 가능하다:

● 조정된 전류 보상: 트랜지스터(MP4)가 스위치로 사용된다. 전류 소스(MP5)는 상기 스위치(MP4)가 닫힐 때 순방향 바이어스 다이오드와 같이 작용하고, 보상 전류는 광발생 전류와 정확하게 일치한다. 상기 스위치(MP4)가 다시 열릴 경우, MP5 트랜지스터를 통과하는 전류는 광전류 변화와는 무관하게 된다.

● 저역-통과 필터링된 전류 보상: 상기 트랜지스터(MP4)가 저항으로서 사용되는데, 상기 MP5 트랜지스터의 게이트 커패시턴스와 함께 저역-통과 필터를 형 성한다. 이러한 필터의 차단-주파수를 적용하기 위해 추가적인 커패시터가 필요할 수 있다. 상기 전류 소스(MP5)는 상기 필터의 차단 주파수보다 높은 주파수의 광전류 변화와는 무관한 보상 전류를 발생한다.

상기 모드들은 상기 MP4 트랜지스터 정확한 게이트 전압(rsoc)을 사용하여 선택된다.

트랜지스터 MP6은 추가적인 스위치로서, 상기 개선된 오프셋 보상을 스위치 오프하는데 사용된다. 전압 ocswi가 상기 스위치(MP6)를 제어한다.

상기 샘플링부(S)는 간단한 스위치, 예를 들어, 도 5a, 5b 및 5c에 도시된 바와 같이 NMOS 스위치들 또는 전송 게이트로 구성될 수 있거나, 또는 저장 노드를 포함할 수 있다. 추가적인 저장 노드들이 샘플 및 홀드 동작을 가능하게 한다.

상기 변환부(T) 및 샘플 및 홀드부(S)는 하나의 소자, 도 6에 도시된 바와 같이 표동계 복조 픽셀 또는 도 7에 도시된 록-인 픽셀로 통합될 수 있다.

이러한 유형의 픽셀들은 독일 특허번호 제0214257.8호 및 WO96/15626호에 개시되어 있고, 본 명세서 내에 첨부되어 본 발명의 일부를 이룬다.

도 8은 감산부(SUB1 또는 SUB2) 및 각각 할당된 가산부(SUM1 또는 SUM2) 중 하나의 실시 예를 보여주는 도면이다. 제1 위상신호(phase1) 및 제2 위상신호(phase2)는 비중첩되는 상반된 위상 클럭들이다. 상기 제1 위상신호(phase1)에 있어서, 샘플링 신호의 제1 샘플 및 기준 전압(vref) 사이의 전압차에 비례하는 전하가 커패시터(Csub)에 저장된다. 상기 제2 위상신호(phase2)에 있어서, 샘플링 신호의 다음 샘플 및 차동 변환 증폭기(OTA)의 부(-)입력 시의 전압, 대략적으로 기 준 전압(vref) 사이의 전압차에 비례하는 전하가 커패시터(Csub)에 저장된다. 상기 제1 위상신호(phase1) 및 제2 위상신호(phase2) 사이의 커패시터(Csub) 값만큼 차이가 나는 전하가 커패시터(Cint) 전하에 더해진다. 이러한 과정은 임의의 횟수만큼 반복된다. 이에 따라 이러한 감산부 및 가산부의 출력 신호는 상기 전압 차이의 합에 비례하게 된다.

상기 전치 처리부(PP)의 예는 다음 수학식 6과 같이 상기 가산부 신호들의 제곱의 합을 계산하는 신호-제곱부를 포함하거나,

또는, 다음 수학식 7과 같이 상기 가산부 신호들의 비(ratio)가 구해질 수 있다.

이러한 회로들은 반도체 회로의 표준 텍스트북으로부터 그 자체를 알 수 있다.

도 9는 저장 노드를 갖는 하나의 신호(RO_in)에 대한 판독부(RO)의 실시예를 나타내는 도면이다. 상기 신호(RO_in)는 스위치(Mstore)를 통해 판독 저장 노드(RSN)로 샘플링된다. 상기 판독 저장 노드(RSN)의 커패시턴스는 모스캡(moscap)만큼 증가하여 잡음을 줄일 수 있다. 판독 스위치(Mrd)가 닫힐 때, 상기 신호 (RO_in)는 MOS 트랜지스터(Mfollower 및 Mcs)로 구성된 소스 팔로워에 의해 외부-픽셀(off-pixel)을 구동한다.

도 1에 도시된 바와 같이 복수의 전기회로(1.11, 1.12, …, 1.1m; …, 1.nm)는 도 10에 도시된 바와 같이 1차원 또는 2차원 어레이 내에 집적될 수 있다. 상기 전기회로(1.11~1.nm) 각각은 하나의 광다이오드, 및 도 1을 참조하여 설명된 구성요소들(S, SUB, SUN, PP 및 RO)을 구비하는 전자회로(C)를 포함한다. 이에 따라서 상기 전기회로(1.11~1.nm)는 어레이 센서의 픽셀을 형성하며, 그 자체는 본 발명에 따른 변조 신호의 복조를 위한 복조 장치(10)의 일부를 형성한다. 상기 복조 장치(10)는 해당되는 행 어드레스(CA) 및 열 어드레스(RA)를 지정함으로써 각각 하나의 회로를 선택하기 위한 행 어드레스 디코더(CAD) 및 열 어드레스 디코더(RAD)를 포함한다. 상기 어드레스 디코더(CAD, RAD)는 각각의 전기회로(1.11~1.nm)의 출력을 연속적으로 판독하는데 사용된다. 그 개략적인 전기적 특성은 종래 주지되어 있으며, 이에 따라 본 명세서 내에서는 상세한 설명을 생략한다.

상기 행 어드레스 디코더(CAD) 다음에는 상기 전기회로의 출력들로부터 엔벨롭 진폭 및/또는 일시적 위상을 평가하기 위한 원-칩 형태의 평가 수단(EV)이 형성될 수 있다. 이러한 평가 수단(EV)은 이미 알려져 있다. 만일 상기 엔벨롭 진폭 및 일시적 위상 평가가 오프-칩에서 수행된다면, 상기 평가 수단(EV)은 그 구성이 생략될 수 있다. 마지막으로, 출력 증폭기(OA)는 출력 라인(OL) 상에 장치 출력 신호를 출력한다.

본 발명에 따른 2차원 센서에서, 상기 전기회로(1.11~1.nm)는 도 10에 도시 된 바와 같이 행과 열에서와는 다른 방식으로 배치될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 어떠한 형태의 배치도 본 발명의 범위 내에 해당한다.

본 발명의 특정한 실시예에 대하여 예시 및 설명하였지만, 다양한 변형 및 개량 형태가 당업자에게 가능하다는 점과 첨부되는 청구범위가 본 발명의 정신 및 범위 내에 해당하는 모든 변형 및 개량 형태를 망라하는 점이 이해될 것이다.

본 발명의 다양한 변형 및 개량이 전술한 내용과 관련하여 명백하게 가능하다. 따라서 첨부한 청구범위 내에서 본 발명이 본 명세서 내에 특정하여 기재된 것 이상으로 실시될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (13)

1. 변조 주파수 ―여기서 변조 주파수의 역수가 변조 주기로 정의됨―로 변조되는 신호를 검출하기 위한 전기회로에 있어서,

   변조된 신호를 전기 신호로 변환하는 변환 수단(transduction means);

   상기 변조 주파수의 4배 또는 그 배수와 같은 샘플링 주파수로 상기 전기 신호를 샘플링하는 샘플링 수단(sampling means);

   상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제1 샘플들 사이의 제1 차이 값을 평가하기 위한 제1 감산 수단; 및

   상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제2 샘플들 ―여기서 제2 샘플들은 설정된 분수(fraction), 바람직하기로는 1/4만큼 상기 제1 샘플들에 대해 시간-천이 됨― 사이의 제2 차이 값을 평가하기 위한 제2 감산 수단

   을 포함하되,

   상기 제1 감산 수단에 의해 구해지는 복수의 연속적인 제1 차이 값들의 제1 합을 평가하기 위한 제1 가산 수단; 및

   상기 제2 감산 수단에 의해 구해지는 복수의 연속적인 제2 차이 값들의 제2 합을 평가하기 위한 제2 가산 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기회로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 변환 수단은 광다이오드(photo diode), 및 상기 광다이오드의 전기 출력 신호를 증폭하기 위한 소스 팔로워(source follower)를 포함하는 전기회로.
3. 제2항에 있어서,

   상기 광다이오드 및 상기 소스 팔로워 사이에 저장 노드(storage node)가 배치되는 것을 특징으로 하는 전기회로.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 광다이오드를 통과하는 광발생 DC 전류와 동일한 전류를 제공하기 위한 전류 소스(current source)가 상기 광다이오드와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기회로.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 샘플링 수단은 적어도 2개의 스위치 및/또는 하나의 저장 노드를 포함하는 전기회로.
6. 제1항에 있어서,

   상기 변환 수단 및 샘플링 수단은 표동계 변조(drift field) 변조 픽셀 또는 록-인(lock-in) 픽셀과 같은 하나로 소자로 통합되는 것을 특징으로 하는 전기회로.
7. 제1항 내지 제3항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 가산 수단에 의해 각각 평가된 상기 제1 및 제2 합을 전치 처리(pre-processing)하는, 예를 들어, 상기 제1 및 제2 합의 제곱의 합을 구하거나 또는 상기 제1 및 제2 합의 비(ratio)를 구하기 위한 전치 처리 수단을 추가로 포함하는 전기회로.
8. 제1항 내지 제3항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전기회로의 출력 신호를 판독하는 판독 수단을 추가로 포함하는 전기회로.
9. 복수의 픽셀을 구비하는 1차원 또는 2차원 어레이 센서에 있어서,

   상기 복수의 픽셀 중 적어도 하나의 픽셀, 바람직하기로는 각각의 픽셀이 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전기회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 센서.
10. 변조 신호를 복조하기 위한 복조 장치에 있어서,

    상기 변조 신호를 검출하기 위한 검출 수단; 및

    상기 검출 수단의 출력으로부터 엔벨롭 진폭 및/또는 일시적인 위상을 평가하기 위한 평가 수단

    을 포함하되,

    상기 검출 수단은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전기회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복조 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 검출 수단은 병렬 출력을 갖는 복수의 픽셀을 포함하되, 상기 복수의 픽셀 중 적어도 하나의 픽셀, 바람직하기로는 각각의 픽셀이 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전기회로를 포함하며,

    상기 복조 장치는 각각의 전기회로를 개별적으로 판독하는 적어도 하나의 단일 칩 어드레스 디코더를 추가로 포함하는 복조 장치.
12. 변조 주파수―여기서 변조 주파수의 역수가 변조 주기로 정의됨―로 변조되는 신호의 검출 방법에 있어서,

    a) 변조된 신호를 전기 신호로 변환하는 단계;

    b) 상기 변조 주파수의 4배 또는 그 배수와 같은 샘플링 주파수로 상기 전기 신호를 샘플링하는 단계;

    c) 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제1 샘플들 사이의 제1 차이 값을 평가하는 단계; 및

    d) 상기 변조 주기의 반으로 분리되는 2개의 제2 샘플들―여기서 제2 샘플들은 설정된 분수(fraction), 바람직하기로는 1/4만큼 상기 제1 샘플들에 대해 시간- 천이됨― 사이의 제2 차이 값을 평가하는 단계

    를 포함하되,

    복수의 연속적인 제1 차이 값들의 제1 합을 평가하고, 복수의 연속적인 제2 차이 값들의 제2 합을 평가하는 것을 특징으로 하는 검출 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 합은 상기 변조 신호의 엔벨롭 진폭 및/또는 일시적 위상을 평가하기 위해 사용하기 전에 전치 처리되며, 예를 들어, 상기 제1 및 제2 합의 제곱의 합 또는 제1 및 제2 합의 비가 계산되는 것을 특징으로 하는 검출 방법.

Images