KR20100041364A - 아날로그 디지털 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예는 A/D 컨버터에 관한 것으로서, 직렬로 연결된 복수개의 저항으로 이루어진 저항 스트링이 만들어내는 복수개의 기준전압 신호를 각각 출력하는 기준전압 발생부와, 상기 기준전압 발생부로부터의 각 기준전압 신호를 입력받아 오프셋 전압 변화가 없는 상태로 유지하며 각각 출력하는 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치와, 한쪽단에 상기 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치를 거친 각각의 기준전압 신호를 입력받고, 다른 한쪽단에 단위 화소의 입력신호를 입력받아 이들을 비교하여 0 또는 1의 신호를 각각 출력하는 복수개의 비교기와, 상기 복수개의 비교기를 거친 출력을 인코딩하여 N비트의 디지털 신호로서 출력하는 인코딩부를 포함한다.

A/D, 컨버터, 노이즈, 이미지, 옵셋, 전압, MOS

Description

아날로그 디지털 컨버터{A/D converter}

본 발명의 실시 예는 A/D 컨버터에 관한 것이다.

CMOS 이미지센서는 모바일 폰의 카메라 등에서 영상신호를 생성해내는 영상촬상소자로서, 베이어 패턴(bayer pattern)으로 구성되는 픽셀 어레이로부터 빛을 감지하여 그 빛의 세기 정도를 디지털 신호인 영상 데이터로 변환한다.

즉, 광량의 유입을 받아들여 그 유입량에 따라 전기적인 신호인 전하량으로 변환되고, 변환된 전하량은 다시 전압신호로 변환되어 샘플앤홀드(S/H;Sample and Hold)회로를 거쳐 CDS(Correlated Double Sampling)회로로 입력된다.

CDS회로에서는 입력받은 전압신호와 리프레쉬 신호의 차이를 비교하여 그 차이를 이용하여 노이즈를 상쇄하여 출력하며, 이를 입력받은 A/D컨버터(analog/digital converter)에서 최종적으로 디지털 신호로 신호로 출력한다. A/D컨버터를 거친 디지털신호는 이미지신호프로세서(ISP)에서 이미지 처리과정을 거친다.

상기와 같이 A/D컨버터는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는데, 도 1은 상기 A/D컨버터의 구성 블록도이다.

A/D컨버터는 저항 스트링(register string)으로 구성된 기준전압 발생부(10)에서 복수개의 기준전압을 발생하고, 복수개의 비교기(20;20a,20b,,,20n)에서는 이들 복수개의 기준전압 신호(V_R)와, S/H회로 및 CDS회로를 거친 샘플링된 아날로그 신호(Va)를 비교하여 출력하며, 이렇게 비교 출력된 신호는 인코딩부(30)에서 N비트의 디지털 신호로 출력된다.

상기와 같이 A/D컨버터의 한쪽 입력단에는 S/H회로 및 CDS회로를 거친 샘플링된 신호(Va)가 입력되고, 다른 입력단에는 저항 스트링에 의해 달리되는 기준전압 신호(V_R)가 인가된다. 이때, 저항 스트링에 의해 분배되는 기준전압 신호는 어떠한 조건에서도 항상 일정한 값을 유지해야만 샘플링된 이미지신호에 왜곡이 발생되지 않는다.

그런데, 저항 스트링에 의해 분배되는 기준전압이 일정한 값을 유지해야 함에도 불구하고, 저항 스트링에 의한 옵셋 저항과 저항 스트링의 열잡음으로 인해 전체적으로 출력되는 이미지신호에 왜곡을 초래하게 되는 문제가 있다.

본 발명의 실시 예는 신호의 왜곡 현상을 개선하는 A/D컨버터이다.

본 발명의 실시 예는 직렬로 연결된 복수개의 저항으로 이루어진 저항 스트링이 만들어내는 복수개의 기준전압 신호를 각각 출력하는 기준전압 발생부와, 상기 기준전압 발생부로부터의 각 기준전압 신호를 입력받아 오프셋 전압 변화가 없는 상태로 유지하며 각각 출력하는 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치와, 한쪽단에 상기 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치를 거친 각각의 기준전압 신호를 입력받고, 다른 한쪽단에 단위 화소의 입력신호를 입력받아 이들을 비교하여 0 또는 1의 신호를 각각 출력하는 복수개의 비교기와, 상기 복수개의 비교기를 거친 출력을 인코딩하여 N비트의 디지털 신호로서 출력하는 인코딩부를 포함한다.

상기 트랜스미션 게이트 스위치는, 두 개의 스위치소자의 온(on)저항이 서로 병렬 연결되도록 구성하며, 상기 두 개의 스위치소자는 NMOS와 PMOS로 구현되어 온(on) 저항이 서로 병렬 연결되도록 한다.

상기 온(on) 저항이 서로 병렬 연결되도록 하는 것은, NMOS의 드레인과 PMOS의 소스가 서로 연결되며 NMOS의 소스와 PMOS의 드레인이 서로 연결되고, NMOS와 PMOS의 각 게이트에 위상이 서로 다른 클럭 신호가 인가되도록 한다.

A/D컨버터는 신호의 동기화, 고속 동작 시 발생하는 클럭 스큐(skew), 회로지연시간(propagation)을 제거하는 래치를 각 비교기와 인코딩부 사이에 구비한다.

A/D컨버터는 상기 기준전압 신호와 단위화소 입력신호를 증폭하여 차동(differential) 출력신호로서 출력하는 프리앰프를 더 구비한다.

본 발명의 실시 예는 기존의 A/D컨버터의 저항열에 의한 옵셋 저항 및 저항의 열잡음으로 인한 이미지 신호의 왜곡 현상을 트랜스미션 게이트 스위치를 사용함으로서 A/D컨버터의 옵셋 전압을 감소시켜, 결과적으로 신호의 왜곡 현상을 개선시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구 성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 A/D컨버터의 구성 블록도를 도시한 그림이다.

기준전압 발생부(10)는 R₁, R₂, ..., R_N과 같이 직렬로 연결된 복수개의 저항으로 이루어진 저항 스트링이 만들어내는 복수개의 기준전압 신호를 각각 출력한다. 이렇게 출력되는 각각의 기준전압 신호는 각각의 트랜스미션 게이트 스위치(40)을 거친 후 비교기(20)로 입력된다.

트랜스미션 게이트 스위치(40)은 상기 기준전압 발생부로부터의 각 기준전압 신호를 입력받아 오프셋 전압 변화가 없는 상태로 유지하며 각각 출력한다.

기존의 A/D컨버터의 경우, 저항 스트링에 의한 옵셋 저항과 저항 스트링의 열잡음으로 인해 이미지신호에 왜곡을 초래하는 문제가 발생될 수 있다. 이를 개선하기 위하여 본 발명에서는 저항 스트링의 다음 단에 두 개의 스위치소자의 온(on)저항이 서로 병렬 연결되도록 구성한다.

이러한 두 개의 스위치 소자를 NMOS와 PMOS로 구현할 경우 트랜스미션 게이트 스위치는 NMOS와 PMOS를 서로 병렬 연결하여 구현된다. NMOS와 PMOS로 구현되는 트랜스미션 게이트 스위치의 구성 예는 도 3과 함께 후술한다.

두 개의 스위치소자의 온 저항이 병렬 연결되는 트랜스미션 게이트 스위치(40)는 상기 기준전압 발생부로부터의 각 기준전압 신호를 입력받아 오프셋 전압 변화가 없는 상태로 유지하여 출력한다.

즉, 아날로그 입력과 저항 스트링에서 나오는 기준전압이 비교기에 인가될 때, NMOS와 PMOS의 온(ON) 저항이 서로 병렬 연결되어 있어 전하 주입 현상인 피드스루가 어느 정도 상쇄되기 때문에 이로 인한 옵셋 전압도 감소하게 되어 입력의 스윙(swing)에 의한 기준전압이 불안정하게 흔들리는 현상이 개선된다. 아울러 트랜스미션 게이트의 기생 캐패시터를 이용하여 보정하는 효과도 가질 수 있다.

비교기(20)는 한쪽단에 상기 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치를 거친 각각의 기준전압 신호를 입력받고, 다른 한쪽단에 단위 화소의 입력신호를 입력받아 이들을 비교하여 0 또는 1의 신호를 각각 출력한다.

즉, 복수개의 기준전압 신호(V_R)들이 단위화소의 아날로그 입력 신호인 아날로그 입력신호(Va)와 각각 비교되어 각 출력으로 1 또는 0이 출력된다. 복수개의 비교기들의 출력 조합은 아날로그 입력전압의 값에 따라서 1의 개수가 다양한 방식으로 정해질 수 있는데, 예컨대, 아날로그 입력이 V_R1과 V_R2 사이의 값이면 C1의 출력만이 1이고 나머지는 모두 0를 나타내게 되고, 아날로그 입력이 V_R2와 V_R3사이의 값이면 C1, C2의 출력이 1이고 나머지는 모두 0이 된다. 상기 비교기는 높은 정확도를 얻기 위해 2단 구성의 비교기(Differential input Single ended)로 구현될 수 있다.

래치(50) 회로는 증폭된 신호의 동기화, 고속 동작 시 발생하는 클럭 스큐(skew), 회로지연시간(propagation) 및 타이밍(timing)을 제거하여 정확한 출력 이 나오도록 한다.

인코딩부(390)는 상기 래치회로를 거친 비교기 출력으로부터 비교부 및 래치를 거틴 출력을 인코딩하여 N비트의 디지털 신호를 출력하는 로직 회로부이다. 예컨대, 비교기 출력 중에서 1의 값을 세어서 이를 디지털 데이터로 변환하는 부분이다.

한편, 상기 트랜스미션 게이트 스위치(40)과 비교기(20) 사이에는 프리엠프가 추가적으로 더 구비될 수 있다. 상기 프리앰프(pre-AMP)는 단위화소 입력신호와 상기 트랜스미션 게이트 스위치(40)를 거친 기준전압 신호를 입력받아 이를 증폭하여 차동 출력신호로서 각각 출력하여 비교기(20)의 두 입력단에 제공한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 A/D 컨버터 내의 트랜스미션 게이트 스위치의 구성 블록도이다.

NMOS(M1)와 PMOS(M2)는 서로 병렬 연결되어 있는데, 즉, NMOS의 드레인과 PMOS의 소스가 서로 연렬되며, NMOS의 소스와 PMOS의 드레인이 서로 연결된다.

NMOS(M1)의 드레인과 PMOS(M2)의 소스와의 연결 노드에는 기준전압 발생부에서 제공되는 기준전압을 입력받으며, NMOS(M1)의 소스와 PMOS(M2)의 드레인과의 연결 노드에는 비교부의 한쪽 입력단이 연결된다.

NMOS(M1)와 PMOS(M2)의 각 게이트에는 서로 다른 위상의 클럭 신호를 인가하여 트랜스미션 게이트 스위치가 오프(off)되지 않도록 한다. 만약, 트랜스미션 게이트 스위치를 NMOS 스위치만 이용하여 구현할 경우 입력 전압의 범위가 제한적이 고 저항열에서의 전압 조절이 불안정이면 NMOS(M1)의 스위치가 오프되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 트랜스미션 게이트 스위치를 NMOS(M1)와 PMOS(M2)로서 서로 병렬 연결시켜 각 게이트에 서로 다른 위상의 클럭 신호를 인가함으로써, 트랜스미션 게이트 스위치가 오프(off)되지 않도록 구현하는 것이다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.

도 1은 A/D컨버터의 구성 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 A/D컨버터의 구성 블록도를 도시한 그림이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 A/D 컨버터 내의 트랜스미션 게이트의 구성 블록도이다.

Claims (6)

1. 직렬로 연결된 복수개의 저항으로 이루어진 저항 스트링이 만들어내는 복수개의 기준전압 신호를 각각 출력하는 기준전압 발생부;

   상기 기준전압 발생부로부터의 각 기준전압 신호를 입력받아 오프셋 전압 변화가 없는 상태로 유지하며 각각 출력하는 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치;

   한쪽단에 상기 복수개의 트랜스미션 게이트 스위치를 거친 각각의 기준전압 신호를 입력받고, 다른 한쪽단에 단위 화소의 입력신호를 입력받아 이들을 비교하여 0 또는 1의 신호를 각각 출력하는 복수개의 비교기;

   상기 복수개의 비교기를 거친 출력을 인코딩하여 N비트의 디지털 신호로서 출력하는 인코딩부;

   를 포함하는 A/D 컨버터.
2. 제1항에 있어서, 상기 트랜스미션 게이트 스위치는, 두 개의 스위치소자의 온(on)저항이 서로 병렬 연결되도록 구성하는 A/D컨버터.
3. 제2항에 있어서, 상기 두 개의 스위치소자는 NMOS와 PMOS로 구현되어 온(on) 저항이 서로 병렬 연결되도록 하는 A/D컨버터.
4. 제3항에 있어서, 온(on) 저항이 서로 병렬 연결되도록 하는 것은,

   NMOS의 드레인과 PMOS의 소스가 서로 연결되며 NMOS의 소스와 PMOS의 드레인이 서로 연결되고, NMOS와 PMOS의 각 게이트에 위상이 서로 다른 클럭 신호가 인가되도록 하는 A/D컨버터.
5. 제1항에 있어서, 신호의 동기화, 고속 동작 시 발생하는 클럭 스큐(skew), 회로지연시간(propagation)을 제거하는 래치를 각 비교기와 인코딩부 사이에 구비하는 A/D컨버터.
6. 제1항에 있어서, 상기 기준전압 신호와 단위화소 입력신호를 증폭하여 차동(differential) 출력신호로서 출력하는 프리앰프를 더 구비하는 A/D컨버터.

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