KR20080035914A - Low noise cmos image sensor with low power consumption - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 CDS 구조를 갖는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 일반적인 CMOS 이미지 센서의 구성을 보여주는 블록도;1 is a block diagram showing a configuration of a general CMOS image sensor including an analog-to-digital converter having a CDS structure.
도 2는 도 1에 도시된 액티브 픽셀 센서 어레이 내 하나의 픽셀과 아날로그-디지털 변환기 내 하나의 CDS 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면;2 exemplarily shows a configuration of one pixel in the active pixel sensor array shown in FIG. 1 and one CDS circuit in an analog-to-digital converter;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에 구비되는 하나의 픽셀 센서와 하나의 열에 대응하는 하나의 전달 회로의 구성을 보여주는 도면; 그리고3 is a view showing the configuration of one pixel sensor and one transfer circuit corresponding to one column provided in a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention; And
도 4는 도 3에 도시된 픽셀 센서에서 사용되는 신호들의 타이밍도이다. 4 is a timing diagram of signals used in the pixel sensor shown in FIG. 3.
*도면의 주요부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawings
100 : 씨모스 이미지 센서 110 : 액티브 픽셀 센서 어레이100: CMOS image sensor 110: active pixel sensor array
120 : 아날로그-디지털 변환기 130 : 데이터 버퍼120: analog-to-digital converter 130: data buffer
140 : 램프 전압 발생기 150 : 로우 드라이버140: lamp voltage generator 150: low driver
160 : 타이밍 컨트롤러 210 : 팩셀 센서160: timing controller 210: fax sensor
220 : 전달 회로220: transmission circuit
본 발명은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 상호 연관 이중 샘플링(corellated double sampling) 회로를 포함하는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor, and more particularly to a CMOS image sensor comprising a correlated double sampling circuit.
이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 획득(capture)하는 장치를 말하는 것으로, 최근에 CMOS 기술이 발달하면서 CMOS 트랜지스터를 이용한 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.The image sensor refers to a device for capturing an image by using a property of a semiconductor that reacts to light. In recent years, with the development of CMOS technology, an image sensor using a CMOS transistor has been widely used.
이러한 이미지 센서는 획득된 아날로그 영상 정보를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함하며, 일반적으로 아날로그-디지털 변환기는 상호 연관 이중 샘플링(CDS) 구조로 구성된다.Such an image sensor includes an analog-to-digital converter for converting acquired analog image information into a digital signal, and the analog-to-digital converter is generally configured in a correlated double sampling (CDS) structure.
도 1은 CDS 구조를 갖는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 일반적인 CMOS 이미지 센서의 구성을 보여주는 블록도이다.1 is a block diagram showing a configuration of a general CMOS image sensor including an analog-to-digital converter having a CDS structure.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서(100)는 액티브 픽셀 센서 어레이(active pixel sensor array)(110), CDS 구조의 아날로그-디지털 변환기(120), 데이터 버퍼(130), 램프(ramp) 전압 발생기(140), 로우 드라이버(150) 그리고 타이밍 컨트롤러(160)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the
도 2는 도 1에 도시된 액티브 픽셀 센서 어레이(110) 내 하나의 픽셀(112)과 아날로그-디지털 변환기(120) 내 하나의 CDS 회로(122)의 구성을 예시적으로 보여주고 있다.FIG. 2 exemplarily shows the configuration of one
액티브 픽셀 센서 어레이(110) 내 하나의 픽셀(112)은 4 개의 트랜지스터 들(M11-M14)과 하나의 포토 다이오드(photo-diode)(PD1)를 포함한다. 픽셀(112)은 리셋 신호(RST), 전송 신호(TX) 및 선택 신호(SEL)에 응답해서 포토 다이오드(PD1)에 의해 감지된 영상 정보에 대응하는 감지 전압(Va)을 CDS 회로(122)로 제공한다.One
CDS 회로(122)는 다수의 트랜지스터들(M21-M31)과 커패시터들(C11-C13)을 포함한다. CDS 회로(122)는 픽셀(112)로부터 제공되는 감지 전압(Va)과 도 1에 도시된 램프 전압 발생기(150)로부터 제공되는 램프 전압(VRAMP)을 비교하고, 비교 결과에 따라서 출력 신호(OUT)를 출력한다.The
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 선택 신호(SEL)가 하이 레벨로 활성화되고, 전압(V1)이 공급되는 동안, 픽셀(112)을 구성하는 트랜지스터들(M13, M14)과 CDS 회로(122) 내 트랜지스터(M21)이 모두 턴 온된다. 그 결과, 트랜지스터들(M13, 14, M21)을 통하여 전원 전압과 접지 전압 사이에 전류 통로가 형성되어서 전류 소모량을 증가시킨다.However, as shown in FIG. 2, while the selection signal SEL is activated at a high level and the voltage V1 is supplied, the transistors M13 and M14 and the
따라서 본 발명의 목적은 전력 소모가 감소된 이미지 센서를 제공하는데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide an image sensor with reduced power consumption.
(구성)(Configuration)
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 씨모스 이미지 센서는: 복수의 픽셀 센서들이 행들과 열들로 배열된 픽셀 센서 어레이, 그리고 상기 열들에 각각 관련있는 복수의 전달 회로들을 포함한다. 상기 픽셀 센 서들 각각은, 램프 전압을 입력받고, 리셋 전압과 외부로부터 입력된 영상 정보에 대응하는 픽셀 신호 전압의 차와 상기 램프 전압을 비교하고, 비교 신호를 출력한다. 상기 전달 회로들 각각은, 관련있는 픽셀 센서로부터의 상기 비교 신호를 외부로 전달한다.According to an aspect of the present invention for achieving the object as described above, the CMOS image sensor comprises: a pixel sensor array in which a plurality of pixel sensors are arranged in rows and columns, and a plurality of transfer circuits respectively associated with the columns. Include. Each of the pixel sensors receives a ramp voltage, compares a difference between a reset voltage and a pixel signal voltage corresponding to image information input from the outside and the ramp voltage, and outputs a comparison signal. Each of the transfer circuits transmits the comparison signal from an associated pixel sensor to the outside.
이 실시예에 있어서, 상기 픽셀 센서들 각각은, 전원 전압과 제1 노드 사이에 연결되고, 리셋 신호에 의해서 제어되는 제1 트랜지스터와, 상기 제1 노드와 연결된 일단 및 타단을 가지며, 전달 신호에 의해서 제어되는 제2 트랜지스터와, 상기 제2 트랜지스터의 상기 타단과 접지 전압 사이에 연결된 포토 다이오드와, 램프 전압과 상기 제1 노드 사이에 연결된 제1 커패시터와, 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제2 커패시터와, 상기 제2 노드와 상기 감지 신호를 출력하기 위한 제1 출력 단자 사이에 연결되고, 제1 스위칭 신호에 의해서 제어되는 제3 트랜지스터와, 상기 제1 출력 단자와 연결된 일단 및 타단을 가지며, 제2 선택 신호에 의해서 제어되는 제4 트랜지스터와, 상기 제4 트랜지스터의 상기 타단과 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 제2 노드의 신호에 의해서 제어되는 제 5 트랜지스터를 포함한다.In this embodiment, each of the pixel sensors has a first transistor connected between a power supply voltage and a first node, controlled by a reset signal, one end and the other end connected to the first node, and connected to a transmission signal. A second transistor controlled by the second transistor; a photodiode connected between the other end of the second transistor and a ground voltage; a first capacitor connected between a lamp voltage and the first node; and between the first node and the second node. A third transistor connected between the connected second capacitor, the second node and a first output terminal for outputting the sensing signal, and controlled by a first switching signal, and one end and the other end connected to the first output terminal. A fourth transistor controlled by a second selection signal, the other end of the fourth transistor and a ground voltage, And a fifth transistor controlled by the signal.
이 실시예에 있어서, 상기 전달 회로들 각각은, 전원 전압과 상기 제1 출력 단자 사이에 연결된 제6 트랜지스터와, 상기 제1 출력 단자와 제3 노드 사이에 연결된 제4 커패시터와, 상기 제4 커패시터와 제2 출력 단자 사이에 연결된 인버터, 그리고 상기 제2 출력 단자와 상기 제3 노드 사이에 연결되고, 제3 스위칭 신호에 의해서 제어되는 제7 트랜지스터를 포함한다.In this embodiment, each of the transfer circuits includes a sixth transistor connected between a power supply voltage and the first output terminal, a fourth capacitor connected between the first output terminal and a third node, and the fourth capacitor. And an inverter connected between the second output terminal and a seventh transistor connected between the second output terminal and the third node and controlled by a third switching signal.
(실시예)(Example)
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에 구비되는 하나의 픽셀 센서(210)와 하나의 열(column)에 대응하는 하나의 전달 회로(220)의 구성을 보여주는 도면이다.3 is a diagram illustrating the configuration of one
도 3에 도시된 픽셀 센서(210)은 도 1에 도시된 액티브 픽셀 센서 어레이(110)의 행들과 열들로 배열된 복수의 픽셀들 중 하나이고, 도 3에 도시된 전달 회로(220)는 도 1에 도시된 아날로그 디지털 변환기(120) 내에 구성되는, 복수의 열들에 각각 연결되는, 전달 회로들 중 하나이다.The
픽셀 센서(210)는 NMOS 트랜지스터들(M31-M35), 커패시터들(C21, C22) 그리고 포토 다이오드(PD2)를 포함한다. 트랜지스터(M31)의 드레인은 전원 전압(VDD)과 연결되고, 소스는 제1 노드(N1)에 연결되며, 게이트는 리셋 신호(RST)에 의해서 제어된다. 트랜지스터(M32)의 드레인은 제1 노드(N1)에 연결되며, 소스는 포토 다이오드(PD1)와 연결되고, 게이트는 전달 신호(TX)에 의해서 제어된다. 포토 다이오드(PD2)는 트랜지스터(MN32)의 소스와 접지 전압 사이에 연결된다.The
커패시터(C21)는 도 1에 도시된 램프 전압 발생기(140)로부터 제공되는 램프 전압(VRAMP)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 커패시터(C22)는 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2) 사이에 연결된다.The capacitor C21 is connected between the ramp voltage VRAMP provided from the
트랜지스터들(M34, M35)은 제3 노드(N3)와 접지 전압 사이에 직렬로 순차적 으로 연결되며, 트랜지스터(M34)의 게이트는 선택 신호(RSEL)와 연결되고, 트랜지스터(M35)의 게이트는 제2 노드(N2)와 연결된다. 스위칭 트랜지스터(M33)의 드레인은 제3 노드(N3)와 연결되고, 소스는 제2 노드(N2)와 연결되며, 게이트는 스위칭 신호(S1)와 연결된다.The transistors M34 and M35 are sequentially connected in series between the third node N3 and the ground voltage, the gate of the transistor M34 is connected to the selection signal RSEL, and the gate of the transistor M35 is connected to the third node N3 and the ground voltage. It is connected to two nodes N2. A drain of the switching transistor M33 is connected to the third node N3, a source is connected to the second node N2, and a gate is connected to the switching signal S1.
전달 회로(220)는 PMOS 트랜지스터들(M41-M44), NMOS 트랜지스터들(M45, M46) 그리고 커패시터(C23)를 포함한다. 트랜지스터들(M41, M42)는 전원 전압(VDD)과 센제3 노드(N3) 사이에 직렬로 순차적으로 연결되고, 전압들(V1, V2)에 의해서 각각 제어된다. 커패시터(C23)는 제3 노드(N3)과 제4 노드(N4) 사이에 연결된다. 트랜지스터들(M43-M45)은 전원 전압(VDD)과 접지 전압 사이에 직렬로 순차적으로 연결된다. 트랜지스터(M43)의 게이트는 전압(V1)과 연결되고, 트랜지스터들(M44, M45)의 게이트들은 제4 노드(N4)와 연결된다. 트랜지스터들(M44, M45)은 인버터로써 동작한다. 트랜지스터(M46)의 드레인은 제5 노드(N5)와 연결되고, 소스는 제4 노드(N4)와 연결되며, 게이트는 스위칭 신호(S2)에 의해서 제어된다. 도 3에 도시된 픽셀 센서(210) 및 전달 회로(220)에서 사용되는 리셋 신호(RST), 전달 신호(TX), 선택 신호(RSEL) 및 스위칭 신호들(S1, S2)은 도 1에 도시된 타이밍 컨트롤러(160)로부터 제공된다.The
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 픽셀 센서(210)는 도 2에 도시된 종래의 픽셀 센서(112)에 구비된 트랜지스터들(M13, M14)을 포함하지 않고, 커패시터들(C21, C22) 그리고 트랜지스터들(M33-M35)을 더 포함하여, 램프 전압(VRAMP)을 입력받고, 리셋 전압(VRST)과 외부로부터 입력된 영상 정보에 대응하는 픽셀 신호 전압(VSIG)의 차(VRST-VSIG)와 상기 램프 전압(VRAMP)을 비교하여 제1 출력 신호(OUT1)를 출력한다. 즉, CDS 동작을 각각의 픽셀 센서(210)에서 수행한다. 전달 회로(220)는 픽셀 센서(210)로부터 출력되는 제1 출력 신호(OUT1)를 제2 출력 신호(OUT2)로서 전달하는 기능을 수행한다. 도 2에 도시된 종래의 픽셀 센서(112)에 구비된 트랜지스터들(M13, M14)을 포함하지 않음으로써 트랜지스터들(M13, M14)에 의한 노이즈를 제거할 수 있으며, 트랜지스터들(M13, M14, M21)에 의해서 형성되는 전류 경로를 제거하여 전력 소모를 줄일 수 있다.The
이와 같은 구성을 갖는 픽셀 센서(210) 및 전달 회로(220)의 동작은 도 4에 도시된 타이밍 도를 참조하여 설명한다. 도 4는 도 3에 도시된 픽셀 센서에서 사용되는 신호들의 타이밍도이다. 리셋 신호(RST)가 하이 레벨로 활성화됨에 따라서 제1 노드(N1)의 전압(VFD)이 전원 전압(VDD)과 트랜지스터(M31)의 드레솔드 전압(Vth)의 차인 리셋 전압(VRST)으로 상승한다. 커패시터(C22)를 통해 제2 노드(N2)의 전압이 트랜지스터(M35)의 드레솔드 전압보다 높아지면 트랜지스터(M35)가 턴 온되고, 하이 레벨인 선택 신호(RSEL)에 의해서 트랜지스터(M34)가 턴 온되면 제3 노드(N3)은 접지 전압으로 디스챠지된다. 스위칭 신호(S1)가 하이 레벨로 됨에 따라서 제2 노드(N2)는 접지 전압으로 설정되고, 트랜지스터(M35)는 턴 오프된다.The operation of the
리셋 신호(RST)가 로우 레벨로 천이한 후 전달 신호(TX)가 하이 레벨로 활성화되면, 포토 다이오드(PD2)에 의해서, 제1 노드(N1)의 전압(VFD)은 커패시터(C22)에 충전된 리셋 전압(VRST)과 외부로부터 입력되는 영상 즉, 빛의 밝기에 대응하는 영상 신호 전압(VSIG)의 차(VRES-VSIG)로 설정된다.When the transfer signal TX is activated to the high level after the reset signal RST transitions to the low level, the voltage VFD of the first node N1 is charged to the capacitor C22 by the photodiode PD2. It is set to the difference VRES-VSIG between the reset voltage VRST and the video signal voltage VSIG corresponding to the image input from the outside, that is, the brightness of the light.
한편, 전달 회로(220)에서, 트랜지스터들(M41-M43)이 턴온 될 수 있도록 전압(V1, V2)의 레벨이 설정되면, 제3 노드(N3)은 전원 전압(VDD) 레벨로 설정된다. 이 때 로우 레벨의 스위칭 신호(S1)에 의해서 트랜지스터(M33)가 턴 오프 상태이므로, 노드(N2)의 전압에는 영향이 없다. 또한, 트랜지스터들(M44, M45)이 턴 온되어서 제5 노드(N5)는 로우 레벨로 설정된다.Meanwhile, in the
전달 신호(TX)가 로우 레벨로 비활성화됨과 동시에 램프 전압(VRAMP)이 상승함에 따라서 램프 전압(VRAMP)이 커패시터(C22)에 충전된 차 전압(VRES-VSIG)보다 높아지면 트랜지스터(M35)가 턴 온되어서 제3 노드(N3)로 출력되는 제1 출력 신호(OUT1)는 전원 전압(VDD) 레벨에서 접지 전압으로 디스챠지된다.As the transfer signal TX is inactivated to a low level and the ramp voltage VRAMP is increased, when the ramp voltage VRAMP becomes higher than the difference voltage VRES-VSIG charged in the capacitor C22, the transistor M35 is turned on. The first output signal OUT1 that is turned on and output to the third node N3 is discharged to the ground voltage at the power supply voltage VDD level.
제3 노드(N3)가 디스챠지됨에 따라서 PMOS 트랜지스터(M45)는 턴 온되고, NMOS 트랜지스터(M45)는 턴 오프되어서 제5 노드(N5)로 출력되는 제2 출력 신호(OUT2)는 하이 레벨로 설정된다.As the third node N3 is discharged, the PMOS transistor M45 is turned on, the NMOS transistor M45 is turned off, and the second output signal OUT2 output to the fifth node N5 is at a high level. Is set.
예시적인 바람직한 실시예를 이용하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 범위는 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것이 잘 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범위에는 다양한 변형 예들 및 그 유사한 구성들이 모두 포함될 수 있다. 따라서, 청구범위는 그러한 변형 예들 및 그 유사한 구성들 모두를 포함하는 것으로 가능한 폭넓게 해석되어야 한다.While the invention has been described using exemplary preferred embodiments, it will be understood that the scope of the invention is not limited to the disclosed embodiments. Rather, the scope of the invention may include various modifications and similar configurations. Accordingly, the claims should be construed as broadly as possible to cover all such modifications and similar constructions.
이와 같은 본 발명에 의하면, CMOS 영상 장치의 전력 소모가 감소된다. 또 한, 픽셀 센서 내 트랜지스터들에서 발생되는 노이즈가 제거되므로, 저잡음 이미지 센서가 구현된다.According to the present invention as described above, power consumption of the CMOS imaging apparatus is reduced. In addition, since noise generated in the transistors in the pixel sensor is removed, a low noise image sensor is realized.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
J201 | Request for trial against refusal decision | ||
AMND | Amendment | ||
B701 | Decision to grant | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |