KR20110057678A - Ｃｍｏｓ 이미지 센서에서 전류 분할 방법을 사용한 램프 발생 회로 및 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류 분할 방법을 이용하는 램프 신호 발생 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 램프 신호 발생 회로가 개시된다. 상기 과제를 이루기 위해, 아날로그-디지털 변환을 위한 램프 신호를 생성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생 회로는, 기준전원을 설정하는 기준전원 설정부; 및 미리 마련된 용량성 소자에 상기 기준전원을 이용하여 전하를 충전시킨 후 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량 조절을 통하여 상기 용량성 소자를 방전시키며 상기 전하의 방전 추이를 나타내는 신호를 상기 램프 신호로서 출력하는 램프신호 발생부를 포함한다. 본 발명에 의하면 전류 분할 방법으로여 램프 신호를 생성하여, 디지털 회로의 스위칭을 최소화하여 잡음 발생을 줄일 수 있는 장점이 있다.

CMOS 이미지 센서, 아날로그/디지털 변환, 램프 신호, 전류 분할

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서에서 전류 분할 방법을 사용한 램프 발생 회로 및 이미지 센서{A ramp generation circuit for using a current shunt method in CMOS Image Sensor and the Image Sensor}

본 발명은 아날로그-디지털 변환을 위한 램프 신호를 전류 분할 방법을 이용하여 생성하는 램프 신호 발생 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.

오늘날 전기 기기 관련 기술의 발달로, 입사된 광에 대하여 감응성을 갖는 단위 구성 요소(예를 들어, 픽셀(Pixel))를 라인 형상 혹은 매트릭스 형상으로 복수 개 배열하여 이루어지는 이미지 센서가 다양한 분야에서 사용되고 있다.

예를 들면, 영상 기기의 분야에서는 입사된 광을 검지하는 CCD(Charge Coupled Device)형 혹은 MOS(Metal Oxide Semiconductor)형이나 CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor)형의 이미지 센서가 사용되고 있다. 이들은, 단위 구성 요소(픽셀)에 의해 전기 신호로 변환된 입사된 광량을 전기 신호로서 판독한다.

이러한 이미지 센서, 예를 들어 CMOS 이미지 센서는 빛의 세기에 따라서 발생된 아날로그 전기 신호(광전 변환 신호)를 판독하기 위해서 단일 기울기 아날로 그-디지털 변환 장치(Analog/Digital Converter, 이하 “ADC”라 칭함)를 사용하고 있다. 이때, 단일 기울기 ADC는 광전 변환 신호와 비교하기 위한 기준 신호로 램프 파형의 신호(이하, “램프 신호”라 칭함)를 발생시키는 램프 신호 발생 회로를 포함하여 구현된다.

그런데 종래의 램프 신호 발생 회로는 램프 신호를 발생 시키는 과정에서 발생하는 스위칭 잡음이나 전원 잡음 등이 영상 재현 시 가로줄로 나타나 화질이 저하되는 문제점을 안고 있다. 이러한 화질 저하의 문제점에 대하여 스위칭 잡음을 여과기(Filter)를 통하여 제거하는 등의 노력이 있으나, 근원적 해결은 되지 못하고 있는 현실이다.

본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 기술적 과제는 디지털 회로의 스위칭을 최소화하기 위하여 전류 분할 방법을 이용하는 램프 신호 발생 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 일 실시예는 이득 조절 회로의 출력을 피드백(feedback)하여 램프 신호의 왜곡을 줄이는 램프 신호 발생 회로 및 이미지 센서도 제공하고자 한다.

상기 과제를 이루기 위해, 아날로그-디지털 변환을 위한 램프 신호를 생성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생 회로는, 기준전원을 설정하는 기준전원 설정부; 및 미리 마련된 용량성 소자에 상기 기준전원을 이용하여 전하를 충전시킨 후 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량 조절을 통하여 상기 용량성 소자를 방전시키며 상기 전하의 방전 추이를 나타내는 신호를 상기 램프 신호로서 출력하는 램프신호 발생부를 포함한다.

여기서, 상기 램프신호 발생부는 상기 용량성 소자; 상기 용량성 소자를 방전시키기 위한 공급 전류를 발생시키는 전류원; 및 상기 전류원에서 발생된 공급 전류를 소정의 비율로 분할하여 상기 용량성 소자로 상기 공급 전류의 일부만을 전달하는 전류 분할 수단을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 전류 분할 수단은 두 개의 입력 단자 및 출력 단자를 구비한 증폭기; 상기 증폭기의 양의 입력 단자와 상기 전류원의 일단 사이에 연결된 제1 저항; 및 상기 증폭기의 출력 단자와 상기 전류원의 일단 사이에 연결된 제2 저항을 포함하되, 상기 제1 저항과 상기 제2 저항의 저항값 비율에 의하여 상기 공급 전류가 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 증폭기는 상기 출력단자가 음의 입력 단자로 피드백(Feedback)되어, 상기 양의 입력 단자에 인가된 전압과 상기 출력 단자에 출력된 전압이 동일한, 단위 이득 증폭기(Unit Gain Amplifier)인 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 전류원은 상기 공급 전류의 전류량이 조절 가능한 가변 전류원으로, 상기 공급 전류의 전류량 조절에 따라 상기 전류 분할 수단에 전달되는 전체 전류량이 조절되어 상기 용량성 소자로 전달되는 전류량이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 가변 전류원은 고정된 전류량을 공급하는 고정 전류원 및 상기 공급 전류의 전류량을 조절하기 위한 전류 미러 회로(Current Mirror Circuit)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 전류 분할 수단은 복수의 가변 저항의 병렬적 구성으로 구현되며, 상기 복수의 가변 저항의 저항값 가변에 따라 상기 저항값의 비율로 상기 공급 전류 중 상기 용량성 소자로 전달되는 전류량이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 전류원은 상기 공급 전류의 전류량이 조절 가능한 가변 전류원 이고, 상기 전류 분할 수단은 복수의 가변 저항의 병렬적 구성으로 구현되어, 상기 전류 분할 수단의 가변 저항의 저항값 가변을 통하여 상기 램프 신호의 1차 기울기가 설정되고, 상기 가변 전류원의 공급 전류의 전체 공급량 조절을 통하여 추가적으로 상기 램프 신호의 2차 기울기가 설정될 수 있다.

상기 과제를 이루기 위해, 이미지 센서는 입사된 광을 전기 신호로 변환하는 픽셀어레이; 기준전원을 설정하는 기준전원 설정부 및 미리 마련된 용량성 소자에 상기 기준전원을 이용하여 전하를 충전시킨 후 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량 조절을 통하여 상기 용량성 소자를 방전시키며 상기 전하의 방전 추이를 나타내는 신호를 상기 램프 신호로서 출력하는 램프신호 발생부를 포함하는 램프 신호 발생 회로; 전기 신호 및 상기 램프 신호를 입력받아, 입력된 두 신호를 비교하여 비교 신호를 출력하는 비교기; 입력된 클럭 신호를 계수하는 카운터; 및 상기 비교 신호를 입력받아, 상기 비교 신호에 따라 상기 카운터의 카운터값을 저장하여 출력하는 래치를 포함한다.

여기서, 상기 램프신호 발생부는 상기 용량성 소자; 상기 용량성 소자를 방전시키기 위한 공급 전류를 발생시키는 전류원; 및 상기 전류원에서 발생된 공급 전류를 소정의 비율로 분할하여 상기 용량성 소자로 상기 공급 전류의 일부만을 전달하는 전류 분할 수단을 포함할 수 있다.

따라서 본 발명은 전류 분할 방법으로여 램프 신호를 생성하여, 디지털 회로의 스위칭을 최소화하여 잡음 발생을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 램프 신호 발생 회로의 출력을 피드백(feedback)하여 램프 신호의 왜곡을 줄이는 장점도 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이 해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 전류 분할 방법으로 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생 회로 및 이를 이용하는 이미지 센서에 관한 것이다. 이미지 센서는 CCD, MOS, CMOS 등이 있으나, 본 명세서에서는 이해와 설명의 편의를 위하여, CMOS 이미지 센서를 대표 적인 예로서 설명하나 이에 한정되지 않고 비스위칭 방식으로 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생 회로를 이용하는 모든 이미지 센서를 포함한다.

또한, 본 명세서는 이해와 설명의 편의를 위하여 본 발명을 램프 신호 발생 “회로”로 표현하나, 이는 단순히 저항 등의 전기적 구성요소만을 내포하는 전기회로뿐만 아니라, 이미지 센서의 일 구성요소로서 램프 신호를 생성하는 모든 형태를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이(110), 램프 신호 발생 회로(120), 비교기(130), 래치(140), 카운터(150), 타이밍 제어기(160)를 포함한다.

본 발명의 이미지 센서는 픽셀 어레이(110)에 입사된 광에 따라 축적된 전하를 전기 신호로 변환한다. 그리고 이미지 센서는 변환된 전기 신호와 기준 신호(램프 신호)를 비교하여 판독한다.

또한, 본 명세서는 이해와 설명의 편의를 위하여, 이미지 센서(혹은 램프 신호 발생 회로(120))의 구성을 기능별로 구분하여 설명하기로 한다. 따라서 실제 이미지 센서의 구현은 도 1에서 구분된 바와 다를 수 있을 수 있으나, 이러한 구분으로만 본 발명의 권리 범위가 한정되지 않음은 분명하다.

픽셀 어레이(110)는 빛을 받아서 전기신호로 변환하는 복수개의 픽셀들의 이차원 배열로 이루어진다. 픽셀에서 출력되는 전기신호는 이후에 설명되는 비교 기(130)의 입력단에 전달된다.

램프 신호 발생 회로(120)는 램프 신호를 생성하여 출력한다. 여기서, 램프 신호는 램프 파형의 신호(예를 들어, 도 3의 파형)로서 단일 기울기를 가지고 감소(혹은 증가)하는 파형의 신호를 뜻한다.

본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 전류 분할 방법으로 램프 신호를 생성한다. 따라서 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 디지털 스위칭으로 인한 잡음 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 비스위칭 방식으로 용량성 소자와 전류원에 의하여 시간에 대하여 일정하게 감소하는 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생 회로(120)를 대표적인 예로서 설명하기로 한다.

즉, 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 종래의 저항 DAC나, 전류 스티어링 DAC와 달리, 비스위칭 방식으로 용량성 소자와 전류원에 의하여 시간에 대하여 일정하게 감소하는 램프 신호를 생성한다. 구체적으로, 비스위칭 방식의 램프 신호 발생 회로(120)는 용량성 소자를 기준전원을 이용하여 충전한 후, 용량성 소자에 충전된 전하를 방전시키며 해당 방전 추이를 램프 신호로서 출력한다.

램프 신호 발생 회로(120)의 구체적 구성 및 동작은 도 2의 설명에서 더 자세히 설명하기로 한다.

비교기(130)는 램프 신호와 픽셀 신호를 입력받는다. 그리고 비교기(130)는 입력된 두 신호의 비교 결과에 따라 비교 신호를 출력한다.

예를 들어, 비교기(130)는 입력된 픽셀 신호와 램프 신호를 비교하여, 램프 신호가 픽셀 신호보다 낮아지는 순간 반전 논리값(비교 신호, 예를 들어 Logic0에서 Logic1로 변경)을 출력할 수 있다.

이때, 카운터(150)는 비교기(130)가 비교를 시작하는 순간에 클럭 신호를 계수하기 시작하고, 래치(140)는 비교기(130)가 반전된 논리값(비교 신호)를 출력하는 시점에서의 계수값을 저장하여 출력한다.

상술한, 램프 신호 발생 회로(120), 비교기(130), 카운터(150) 및 래치(140)는 단일 기울기 ADC의 구성 요소로서, 상술한 동작을 통하여 아날로그신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

타이밍 제어기(160)는 픽셀 어레이(110)에 입사된 광에 따른 픽셀 신호를 순차적으로 판독하기 위한 제어 기능을 수행한다.

예를 들어, 타이밍 제어기(160)는 수직/수평 주사 회로 및 타이밍 펄스 제공 회로를 포함할 수 있다.

본 명세서는 본 발명에 직접 관련되지 않기 때문에 특별히 도시하지 않거나, 여러 구성 요소를 하나로(혹은 하나의 구성 요소를 여러 개로) 구분하여 기능적으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않음은 자명하다.

지금까지 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적 구성을 설명하였다. 이하, 도 2를 참조하여 램프 신호 발생 회로(120)의 구성에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생 회로(120)의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생 회로(120)는 기준전류 공급부(210), 제1 스위치(230), 기준전압 설정부(220) 및 램프신호 발생부(240)를 포함할 수 있다. 설명의 편의상 본 명세서에서 기준전원 설정부는 기준전류 공급부(210) 및 기준전압 설정부(220)로 이루어지고, 램프신호 발생부(240)는 용량성 소자, 전류 분할 수단, 제2 스위치 및 전류원로 이루어진다.

이하, 도 2에서 도시한 바를 참조하여, 기준전류 공급부(210)에 의하여 기준전류의 공급을 시작으로 램프 신호가 발생하는 과정을 순차적으로 설명하도록 한다.

기준전류 공급부(210)는 소정의 기준전류를 기준전압 설정부(220)로 공급한다. 예를 들어, 기준전류 공급부(210)는 밴드갭(Bandgap) 회로로 구현될 수 있다.

여기서, 밴드갭 회로는 소정의 기준전류(혹은 기준전압)을 출력하는 회로이며, 밴드갭 회로는 기준전류(혹은 기준전압)를 일정하게 출력하기 위하여 온도(절대 온도) 변화에 의한 영향을 줄이기 위한 PTAT(Proportional To Absolute Temperature) 회로를 포함한다.

기준전압 설정부(220)는 기준전류 공급부(210)로부터 입력된 기준전류에 따라 기준전압을 설정한다. 예를 들어, 기준전압 설정부(220)는 도 2에서 도시한 바와 같이, 밴드갭 회로의 출력단과 연결된 저항부, 밴드갭 회로 및 저항부에 연결된 버퍼를 포함할 수 있다.

저항부는 밴드갭 회로 내의 상술한 PTAT 회로의 저항과 동일한 공정 특성을 갖는 저항으로 설정할 수 있다. 이로써, 기준전압 설정부(220)는 공정(process)과 온도 변화에 대하여 안정된 전압을 설정할 수 있는 장점이 있다.

기준전압은 기준전류에 의하여 저항부의 양단에 생성되고, 생성된 기준전압이 버퍼의 입력 전압이다. 이때, 버퍼는 기준전압이 후술할 용량성 소자의 양단에 일정하게 인가될 수 있도록 유지하는 기능을 수행한다.

한편, 상술한 타이밍 제어기(160)에 의하여, 버퍼와 용량성 소자 사이에 위치한 제1 스위치(230)가 폐쇄되면, 버퍼의 전압(즉, 기준전압)이 용량성 소자의 양단에 인가된다.

용량성 소자는 인가된 기준전압에 따라 전하가 충전된다. 즉, 제1 스위치(230)의 폐쇄에 따라 용량성 소자는 기준전압에 대응하는 전하를 충전하게 된다.

이후, 제1 스위치(230)의 개방 및 제2 스위치의 폐쇄로 인하여, 용량성 소자와 전류원이 연결되고, 전류원에 의하여 용량성 소자는 충전된 전하를 방전한다. 이로써, 용량성 소자 양단의 인가 전압(초기는 기준전압)은 일정하게 감소하여 일정한 기울기의 램프 형태를 나타낸다.

즉, 램프 신호는 용량성 소자에 남아있는 전하량에 비례하여 변화하는 신호로서, 전류원에 의하여 용량성 소자가 방전되면서, 기준전압이 일정하게 감소하며 발생한다.

이때, 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 용량성 소자에 전달되는 전류량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 램프신호 발생부(240)는 전류 분할 수단을 통하여 전류원에서 발생된 전류량의 일부만을 용량성 소자에 전달하여 충전된 전하를 방전시킨다.

여기서, 전류 분할 수단은 복수의 저항을 포함하여 구현될 수 있다. 복수의 저항은 병렬적으로 구성되어 전류원에서 공급하는 전류가 분할되도록 함으로써 전류원이 공급하는 전체 공급 전류 중 일부가 용량성 소자에 전달되도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 병렬적 구성(도 2 참조)은 증폭기 및 복수의 저항으로 구현될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 증폭기는 양의 입력 단자가 용량성 소자의 일 단 및 제1 저항에 연결되고, 출력 단자는 제2 저항 및 비교기(130)의 일 단과 연결된다. 그리고 증폭기는 음의 입력 단자와 출력 단자가 연결되어 출력 단자가 음의 입력 단자로 피드백(feedback)되는 형태로, 입력 단자 전압과 출력 단자 전압이 동일한 전압(Va=Vb)이 된다. 즉, 증폭기는 이상적으로 단위 이득 증폭기(Unit Gain Amplifier)를 이용한다.

상술한 예에서, 램프 신호 발생 회로(120)는 단위 이득 증폭기를 활용함으로써 램프 신호의 출력인 전압 Vb가 여러 잡음에 의하여 전압 Va(용량성 소자에 인가되는 전압)와 달라지는 경우에도, 상술한 피드백에 의하여 두 전압은 같은 값을 유지하게 한다. 따라서 본 발명에 따르면, 램프 신호 발생 회로(120)는 램프 신호의 선형성이 용량성 소자의 방전 선형성에 따르게 된다.

한편, 본 실시예의 전류 분할 수단에서 상술한 단위 이득 증폭기가 이상적인 것으로 가정하자. 이때, 제1 저항(Ra) 및 제2 저항(Rb)은 등가적으로 병렬 연결과 동일하다. 즉, 제1 저항(Ra) 및 제2 저항(Rb) 각각은 일 단은 동일한 전압인 Va와 Vb이고, 다른 단은 Vc로 동일하기 때문이다. 따라서 용량성 소자를 방전시키는 전류는 저항의 병렬 연결시와 같이 제1 저항(Ra) 및 제2 저항(Rb)의 비율에 의해 분 할된다. 따라서 용량성 소자를 방전시키는 전류 IRa는 아래의 [수학식 1]에 의하여 결정된다.

[수학식 1]

IRa = I * (Rb/(Ra+Rb)

(I는 전류원이 공급하는 공급 전류의 전류량)

이에 따르면, 램프 신호의 기울기, 즉 램프 신호 발생 회로(120)의 이득은 용량성 소자에 전달되는 전류량(IRa)을 조절하여 결정할 수 있다. 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 IRa을 조절하는 방식으로 저항값 조절 및/또는 공급 전류량 조절 방식을 제시한다. 이러한 이득 조절 방법에 대한 자세한 설명은 도 5의 설명에서 회로도를 참조하며 후술하도록 한다.

정리하면, 기준전류의 공급으로 인하여, 저항부의 양단에 기준전압이 설정되고, 제1 스위치(230)의 폐쇄로 설정된 기준전압이 용량성 소자의 양단에 인가되어 용량성 소자에 전하가 충전된다. 그리고 제1 스위치(230) 개방 및 제2 스위치 폐쇄 이후, 전류 분할 수단을 통하여 전류원에서 공급되는 전류 중 일부(IRa)에 의하여 용량성 소자에 충전된 전하는 방전되어, 램프 신호가 발생된다.

지금까지 도 2를 참조하여 램프 신호 발생 회로(120)의 구성을 설명하였다. 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 램프 신호 발생 회로(120)에 따라 발생된 램프 신호를 예를 들어 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호의 예시도이다.

우선, 도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호는 시간에 대 하여 일정한 기울기를 가지며 감소하는 전압 신호이다.

상세하게는, 램프 신호는 t1시점까지 기준전압을 유지하다가, t1시점부터 t2시점까지 일정한 기울기로 감소한다. 그리고 램프 신호는 예를 들어, 10 비트 단일 기울기 ADC의 경우 1024 클럭 주기가 끝나는 t2시점 이후에 감소를 멈추고 일정한 전압으로 유지되는 전압 신호이다.

도 2를 더 참조하여 램프 신호의 발생을 수식적으로 더 설명하도록 한다.

램프 신호의 진폭(Vramp)은 최대치인 기준전압(Vrefp)과 감소가 멈추었을 때의 전압(Vrefn, 10 비트 단일 기울기 ADC의 경우 1024의 클럭 주기 동안에 이를 수 있는 최소값)의 차이이다. 이때, 램프 신호의 진폭(Vramp)은 용량성 소자의 용량값(C), 전류 분할 수단을 통하여 전류원으로부터 용량성 소자로 공급되는 전류값(IRa) 및 시간(T=t2 - t1)를 인자로 하기의 [수학식 2]에 의하여 결정된다.

[수학식 2]

Vramp = Vrefp - Vrefn = ( IRa * T ) / C

이때, T는 램프 파형 발생기의 동작구간으로, ADC(램프 신호 발생 회로(120), 비교기(130) 등을 포함)의 분해능(resolution)에 의하여 결정된다.

예를 들어, 10Bit ADC의 경우에 T는 하기의 [수학식 3]와 같이, 클럭의 주기에 1024를 곱한 값이 된다.

[수학식 3]

T = clock period * 1024

한편, 일반적으로, 컬럼 병렬 방식의 CMOS형 이미지 센서는 램프 신호의 기 울기를 조절하여 이득을 조절한다. 픽셀 어레이(110)에 입사된 광량이 적을 경우, 각 포토 셀들의 출력값 범위는 램프 신호의 진폭(Vramp)에 비하여 현저히 적은 값을 가질 수 있다. 이 경우, 램프 신호의 일부분만이 이용(아날로그/디지털 변환 과정)되어 결과적으로 ADC의 분해능을 낮추게 된다. 이로써, 이미지 센서는 화질이 좋지 않고 어두운 영상을 출력하게 된다. 따라서 ADC의 분해능 개선을 위해, 램프 신호 발생 회로(120)는 램프 신호의 기울기를 조절할 필요가 있다.

램프 신호 발생 회로(120)는 이득 조절을 위하여 램프 신호의 기울기를 변경할 수 있으며, 도 4는 램프 신호 발생 회로(120)의 이득이 1, 2, 4, 8, 16으로 변경되는 경우, 램프 신호의 기울기 변화를 도시하고 있다. 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 이득 조절을 위하여 저항값 가변 및/또는 공급 전류의 전류량 가변 방식을 취할 수 있다.

이하, 도 4에서 도시된 바와 같이 램프 신호 발생 회로(120)의 이득을 조절하기 위한 구체적 회로도를 도 5를 참조하며 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프신호 발생부(240)의 회로도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프신호 발생부(240)는 용량성 소자(510), 가변 전류원 및 전류 분할 수단(520)을 포함할 수 있다. 이때, 가변 전류원은 고정 전류원(비가변 전류량 공급)과 복수의 트랜지스터를 이용한 전류 미러(Current mirror, 530)로 구성될 수 있다. 또한, 전류 분할 수단(520)은 단위 이득 증폭기와 다수의 저항으로 구성되어 있으며, 도시된 바와 같이 제어 신호(예를 들어, 3bit의 클럭 펄스에 따라 각 저항의 병렬 연결의 구성이 결정된다. 한편, 전 류 분할 수단(520)의 병렬 저항값을 변화시키기 위하여, 도 5는 디코더(Decoder)를 경유한 제어 신호에 의하여 저항의 연결 구성이 결정되는 예를 도시하였다.

기존의 램프 신호 발생 회로(120)에서는 전류 분할 수단(520)의 부재로 전류원이 공급하는 전류량이 전부 용량성 소자(510)로 전달되었다. 즉, 기존의 램프 신호 발생 회로(120)는 이득 조절을 위해 전류원의 공급 전류량을 조절하는 방법 밖에는 없었다. 따라서 기존의 램프 신호 발생 회로(120)는 높은 이득을 획득하기 위해서 전류원의 공급 전류량을 대폭 줄여야 하였다. 예를 들어, 이득이 32인 경우를 가정하면, 기존의 램프 신호 발생 회로(120)는 이득이 1인 경우에 비하여 공급 전류량을 1/32로 줄여야 했다.

이 경우, 기존의 램프 신호 발생 회로(120)는 높은 이득에서 전류 미러(530)를 통해 흐르는 전류가 너무 작아지게 된다. 따라서 전류원을 구성하는 MOSFET(Metal Oxided Semiconductor Field Effect Transistor)가 약한 반전(weak inversion) 영역에 머물게 되고 매칭(matching)이 나빠진다. 이에 따라 램프 신호 발생 회로(120)는 높은 이득에서 이득의 정확도가 떨어지는 문제가 있었다.

물론 기존의 램프 신호 발생 회로(120)도 높은 이득에서 MOSFET이 약한 반전(weak inversion) 영역에 들어가지 않도록 MOSFET 의 크기를 조절할 수 있으나 이 경우 MOSFET의 크기가 너무 커져 실용성이 떨어진다.

또한, 기존의 램프 신호 발생 회로(120)는 전류원의 공급 전류량이 너무 작아짐으로써 전원 잡음이나 서브스트레이트(substrate) 잡음 등이 전류원을 구현하는 전류 미러(530)에 유입될 경우 작은 전류가 잡음과 섞여 높은 이득에서 램프 신 호의 선형성이 나빠지는 문제점도 있다.

본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 상술한 문제점을 전류 분할 수단(520)을 구비함으로써 해결하고자 한다. 램프 신호 발생 회로(120)는 전류 분할 수단(520)을 구비하여, 용량성 소자(510)에 공급되는 전류량(IRa)을 3가지 방법을 통하여 조절([수학식 1] 참조)이 가능하다.

첫 번째 방법은 전류원의 공급 전류를 고정시키고 제1 저항 및 제2 저항의 저항값을 가변하며 용량성 소자(510)에 전달되는 전류량을 조절하는 방법이다(제1 실시예). 도 5를 참조하면, 전류 분할 수단(520)은 다수의 저항을 포함한다. 다수의 저항은 제어 신호(예를 들어, 3bit 제어 신호)에 따라 병렬 연결이 결정된다. 결정된 병렬적 구성에 따라 전류 분할 방법으로 용량성 소자에 전달되는 전류량이 결정되어, 이득이 조절될 수 있다.

두 번째 방법은 저항값의 조절이 아닌 전류원이 공급하는 전체 공급 전류량을 가변하여 용량성 소자(510)에 전달되는 전류량을 조절하는 것이다(제2 실시예). 도 5를 참조하면, 복수의 트랜지스터는 소정의 제어 신호(예를 들어, 4bit의 제어신호)를 인가하여 온/오프가 제어되도록 한다. 따라서 램프 신호 발생 회로(120)는 입력된 상기 제어 신호로 전류원의 공급 전류량(I)을 설정할 수 있다. 이 경우, 램프 신호 발생 회로(120)는 전류량의 전체량을 가변함에 따라 전류 분할 수단의 저항값이 가변되지 않고도 용량성 소자(510)에 전달하는 전류량을 가변하여 이득을 조절할 수 있다.

마지막으로 세 번째 방법은 상술한 두가지 전류량 조절 방법, 즉 저항값 가 변과 공급 전류량 가변을 조합하여 용량성 소자(510)에 전달되는 전류량을 조절하는 것이다(제3 실시예).

즉, 전류 분할 수단(520)은 저항값 가변을 통하여 램프 신호의 1차 기울기를 설정하고, 공급 전류량 가변을 통하여 2차 기울기를 설정하는 것이다. 이때, 1차 기울기는 주요 이득(예를 들어, 이득이 1, 2, 4, 8, 16)으로 설정된 램프 신호의 기울기이고, 2차 기울기는 설정된 1차 기울기를 좀 더 세부적으로 조절한 램프 신호의 기울기이다.

예를 들어, 램프 신호 발생 회로(120)의 이득이 4.5로 설정되는 경우를 가정하자. 이 경우, 전류 분할 수단(520)은 이득이 4인 1차 기울기를 저항값 조절을 통하여 설정한다. 그리고 전류 분할 수단(520)은 이득이 0.5 상향 조정되어 전체 이득이 4.5가 되도록 2차 기울기를 설정할 수 있다.

상술한 용량성 소자(510)에 전달되는 전류량 조절 방법(제1 실시예 내지 제3 실시예)에 따라 본 발명의 램프 신호 발생 회로(120)는 비스위칭 방식으로 램프 신호를 출력하는 램프 신호 발생 회로(120)가 종래의 램프 신호 발생 회로(120)보다 전원에 유입되는 잡음이나 서브스트레이트(substrate) 잡음에 대한 민감도를 대폭 경감할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 램프 신호 발생 회로(120)는 전류 분할 수단(520)을 통하여 디지털 회로의 동작을 최소화시키므로, 잡음에 강한 특성을 갖도록 할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발 명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호 발생 회로의 구성도.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프 신호의 예시도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프신호 발생부의 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110: 픽셀 어레이 120: 램프 신호 발생 회로

130: 비교기 140: 래치

150: 카운터 160: 타이밍 제어기

210: 기준전류 공급부 220: 기준전압 설정부

230: 제1 스위치 240: 램프신호 발생부

510: 용량성 소자 520: 전류 분할 수단

530: 전류 미러

Claims (10)

1. 아날로그-디지털 변환을 위한 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생 회로에 있어서,

   기준전원을 설정하는 기준전원 설정부; 및

   미리 마련된 용량성 소자에 상기 기준전원을 이용하여 충전시킨 후 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량 조절을 통하여 상기 용량성 소자를 방전시키며 전하의 방전 추이를 나타내는 신호를 상기 램프 신호로서 출력하는 램프신호 발생부를 포함하는 램프 신호 발생 회로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 램프신호 발생부는

   상기 용량성 소자;

   상기 용량성 소자를 방전시키기 위한 공급 전류를 발생시키는 전류원; 및

   상기 전류원에서 발생된 공급 전류를 소정의 비율로 분할하여 상기 용량성 소자로 상기 공급 전류의 일부만을 전달하는 전류 분할 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회로.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전류 분할 수단은

   두 개의 입력 단자 및 출력 단자를 구비한 증폭기;

   상기 증폭기의 양의 입력 단자와 상기 전류원의 일단 사이에 연결된 제1 저항; 및

   상기 증폭기의 출력 단자와 상기 전류원의 일단 사이에 연결된 제2 저항을 포함하되,

   상기 제1 저항과 상기 제2 저항의 저항값 비율에 의하여 상기 공급 전류가 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량이 결정되는 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회로.
4. 제3항에 있어서,

   상기 증폭기는

   상기 출력단자가 음의 입력 단자로 피드백(Feedback)되어, 상기 양의 입력 단자에 인가된 전압과 상기 출력 단자에 출력된 전압이 동일한, 단위 이득 증폭기(Unit Gain Amplifier)인 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회로.
5. 제2항에 있어서,

   상기 전류원은

   상기 공급 전류의 전류량이 조절 가능한 가변 전류원으로, 상기 공급 전류의 전류량 조절에 따라 상기 전류 분할 수단에 전달되는 전체 전류량이 조절되어 상기 용량성 소자로 전달되는 전류량이 결정되는 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회 로.
6. 제5항에 있어서,

   상기 가변 전류원은

   고정된 전류량을 공급하는 고정 전류원 및 상기 공급 전류의 전류량을 조절하기 위한 전류 미러 회로(Current Mirror Circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회로.
7. 제2항에 있어서,

   상기 전류 분할 수단은

   복수의 가변 저항의 병렬적 구성으로 구현되며, 상기 복수의 가변 저항의 저항값 가변에 따라 상기 저항값의 비율로 상기 공급 전류 중 상기 용량성 소자로 전달되는 전류량이 결정되는 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회로.
8. 제2항에 있어서,

   상기 전류원은 상기 공급 전류의 전류량이 조절 가능한 가변 전류원이고, 상기 전류 분할 수단은 복수의 가변 저항의 병렬적 구성으로 구현되어,

   상기 전류 분할 수단의 가변 저항의 저항값 가변을 통하여 상기 램프 신호의 1차 기울기가 설정되고, 상기 가변 전류원의 공급 전류의 전체 공급량 조절을 통하여 추가적으로 상기 램프 신호의 2차 기울기가 설정되는 것을 특징으로 하는 램프 신호 발생 회로.
9. 이미지 센서에 있어서,

   입사된 광을 전기 신호로 변환하는 픽셀어레이;

   기준전원을 설정하는 기준전원 설정부 및 미리 마련된 용량성 소자에 상기 기준전원을 이용하여 충전시킨 후 상기 용량성 소자에 전달되는 전류량 조절을 통하여 상기 용량성 소자를 방전시키며 전하의 방전 추이를 나타내는 신호를 상기 램프 신호로서 출력하는 램프신호 발생부을 포함하는 램프 신호 발생 회로;

   전기 신호 및 상기 램프 신호를 입력받아, 입력된 두 신호를 비교하여 비교 신호를 출력하는 비교기;

   입력된 클럭 신호를 계수하는 카운터; 및

   상기 비교 신호를 입력받아, 상기 비교 신호에 따라 상기 카운터의 카운터값을 저장하여 출력하는 래치를 포함하는 이미지 센서.
10. 제8항에 있어서,

    상기 램프신호 발생부는

    상기 용량성 소자;

    상기 용량성 소자를 방전시키기 위한 공급 전류를 발생시키는 전류원; 및

    상기 전류원에서 발생된 공급 전류를 소정의 비율로 분할하여 상기 용량성 소자로 상기 공급 전류의 일부만을 전달하는 전류 분할 수단을 포함하는 것을 특징 으로 하는 이미지 센서.

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