KR20120004787A - 픽셀 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
광신호를 전기신호로 변환하는 픽셀 회로가 개시된다. 픽셀 회로는 광다이오드; 상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드; 및 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고, 자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는다.
또한 이러한 픽셀 회로를 포함하는 이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는 광다이오드, 상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고, 자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는 다수의 픽셀 회로가 매트릭슨로 배치된 픽셀 어레이; 및 자신에게 연결된 컬럼라인의 전압 변화를 감지하는 다수의 컬럼 리드부를 포함한다.
또한 이러한 픽셀 회로를 포함하는 이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는 광다이오드, 상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고, 자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는 다수의 픽셀 회로가 매트릭슨로 배치된 픽셀 어레이; 및 자신에게 연결된 컬럼라인의 전압 변화를 감지하는 다수의 컬럼 리드부를 포함한다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세히는 픽셀 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈은 기본적으로 이미지 센서를 포함한다. 일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 소자를 말한다. 이러한 이미지 센서로는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device, 이하, CCD라 함)와 시모스(CMOS; Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소모가 많으며, 제조공정시 마스크 공정 수가 많아 공정이 복잡하고, 시그날 프로세싱 회로(signal processing circuit)를 칩 내에 구현할 수 없어 원 칩(one chip)화가 어렵다는 등의 여러 단점이 있다. 이에 반해, 시모스 이미지 센서는 하나의 단일 칩 상에 제어, 구동 및 신호 처리 회로의 모놀리식 집적화가 가능하기 때문에 최근에 보다 주목을 받고 있다. 게다가, 이미지 센서는 저전압 동작 및 저전력 소모, 주변기기와의 호환성 및 표준 CMOS 제조 공정의 유용성으로 인하여 기존의 CCD에 비해 잠재적으로 적은 비용을 제공한다.
이러한 시모스 이미지 센서는 그 내부에 칼럼 병렬(column parallel) 아날로그-디지털 변환기(analog-digital converter; 이하, ADC라 함)를 두고 있는데, 이러한 ADC는 이미지 센서 내의 화소 어레이의 칼럼 수만큼 비교기를 구비한다. 이러한 비교기는 아날로그 신호인 화소 값을 디지털 신호(digital signal)로 변환해주는 기능을 수행하기 때문에 출력 이미지의 화질에 큰 영향을 미치는 구성요소이다.
도 1은 종래의 픽셀 회로(110) 및 픽셀 회로(110)의 전기신호를 읽어내기 위한 전류원 트랜지스터(106)와 출력노드(OUT)의 전압을 샘플링하기 위한 샘플링부(120)의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 픽셀 회로(110)는 광다이오드(101), 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 리셋하는 리셋 트랜지스터(103), 광다이오드(101) 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달하는 전송 트랜지스터(102), 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축전된 전하에 따라 동작하여 버퍼 증폭기 역할을 하는 증폭 트랜지스터(104), 스위칭으로 어드레싱을 할수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(105)를 포함한다. 또한 픽셀 회로(110)에 생성되어 출력노드(OUT)로 출력되는 전기신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 샘플링하기 위한 샘플링부(120)가 있다. 픽셀 회로(110)에 생성된 전기신호를 리드 아웃 하는 과정은 다음과 같다.
먼저 리셋 제어 전압(VR)에 의해 리셋 트랜지스터(103)을 턴온하고 전송 제어 전압(VT)에 의해 전송 트랜지스터(102)를 턴오프 시켜 플로팅 디퓨전 노드(FD)를 전원전압(VDD)로 리셋한다. 그동안 광다이오드(101)는 광신호를 입력받아 광전하를 내부에 집적한다.
다음으로 먼저 리셋 제어 전압(VR)에 의해 리셋 트랜지스터(103)을 턴오프하고 전송 제어 전압(VT)에 의해 전송 트랜지스터(102)를 턴온하여 광다이오드(101) 내부에 집적된 광전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송한다.
그 후 셀렉트 제어 전압(VS)에 의해 셀렉트 트랜지스터(104)를 턴온 시키면 셀렉트 트랜지스터(104)를 통해 전류가 흐른다. 이러한 전류는 전류원으로 이용되는 전류원 트랜지스터(106)에 의해 싱크 된다. 전류원 트랜지스터(106)는 일정한 전류 제어 전압(VF)을 입력받아 항상 고정된 전류를 흘린다. 이 때 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 모인 광전하의 양에 따라서 증폭 트랜지스터(104)의 저항값이 바뀌게 된다. 전류원 트랜지스터(106)에 의해서 증폭 트랜지스터(104)에는 고정된 전류가 흐르므로 증폭 트랜지스터(104)의 저항값에 의해 출력노드(OUT)의 전압이 결정된다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 모인 광전하의 양에 따라 출력노드(OUT)의 전압이 결정된다. 이러한 출력노드(OUT)의 전압의 전압레벨이 아날로그 전기신호가 된다.
샘플링부(VRAMP)는 선형적으로 변하는 램프전압(VRAMP)을 이용하여 출력노드(OUT)의 전압을 샘플링한다. 이때 픽셀 회로(110)에서 발생하는 오프셋 등을 제거하기 위해 샘플링부(120)에서는 상관 이중 샘플링 방법(correlated double sampling)을 이용한다. 램프전압(VRAMP)은 출력노드(OUT)의 전압을 샘플링하기 위한 비교 대상으로 선형적으로 감소하거나 증가하는 전압을 의미한다. 이렇게 샘플링한 결과를 이용하여 아날로그 디지털 변환을 통해 광신호를 이에 대응되는 디지털 신호로 변환하게 된다. (아날로그 디지털 변환부는 도 1에는 도시하지 않았다.)
그런데 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 집적된 광전하의 양을 알기 위해 전류원 트랜지스터(106)를 사용하여 고정전류를 사용함으로써 전력소모가 증가한다. 이미지 센서는 다수의 픽셀 회로(110)가 매트릭스로 배치된 픽셀 어레이를 포함하는데 전류원 트랜지스터(106)는 픽셀 어레이의 각 컬럼마다 연결된다. 또한 어드레싱을 위해 존재하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 인해 픽셀 회로(110)의 면적이 늘어난다는 문제점 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 사용된 트랜지스터의 개수를 줄인 단위 픽셀과, 소모전력을 감소시킨 이미지 센서를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 픽셀 회로는, 광다이오드; 상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드; 및 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고, 자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는다.
상기 픽셀 회로는, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 풀업 구동하는 리셋 트랜지스터; 및 상기 광신호에 의해 상기 광다이오드에 생성된 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전달하는 전하 전송 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서는, 광다이오드, 상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고, 자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는 다수의 픽셀 회로가 매트릭스로 배치된 픽셀 어레이; 및 자신에게 연결된 컬럼라인의 전압변화를 감지하는 다수의 컬럼 리드부를 포함할 수 있다.
본 발명에 다른 픽셀 회로는, 램프 신호를 직접 입력받아 셀렉트 트랜지스터를 사용하지 않고, 이를 포함하는 이미지 센서는 픽셀의 데이터를 읽을 때 고정전류를 소모하지 않아 소모 전력이 줄어든다.
도 1은 종래의 이미지 센서의 픽셀 회로(pixel circuit) 및 주변부의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 하나의 픽셀 회로(210)와 하나의 컬럼 리드부(250)의 구성도,
도 4a 내지 도 4e는 리드 동작을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 하나의 픽셀 회로(210)와 하나의 컬럼 리드부(250)의 구성도,
도 4a 내지 도 4e는 리드 동작을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 이미지 센서는 광다이오드(211), 광다이오드(211)로 입력된 광신호(PS)에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드(FD), 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압에 응답하여 컬럼라인(201, 202)에서 로우라인(203, 204)으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터(212)를 포함하고, 자신이 선택된 경우 로우라인(201, 202)으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압(VRAMP1, VRAMP2)을 입력받는 다수의 픽셀 회로(210, 220, 230, 240)가 매트릭스로 배치된 픽셀 어레이(270) 및 자신에게 연결된 컬럼라인(203, 204)의 전압 변화를 감지하는 다수의 컬럼 리드부(250, 260)를 포함한다.
픽셀 회로(210)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 풀업 구동하는 리셋 트랜지스터(213) 및 광신호(PS)에 의해 광다이오드(211)에 생성된 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달하는 전하 전송 트랜지스터(214)를 더 포함한다.
컬럼 리드부(250, 260)는 컬럼라인(203, 204)에 접속된 비트 캐패시터(251, 261) 및 컬럼라인(203, 204)의 전압이 기준전압(VTH) 이하로 떨어지면 검출신호(VCMP)를 활성화하는 검출부(252, 262)를 포함한다.
이하 도 3 및 도 4a 내지 도 4e에서 이미지 센서의 리드 동작을 설명하기 위해서 다수의 픽셀 회로(210, 220, 230, 240) 중 선택되어 데이터를 리드 할 픽셀 회로(210) 회로와 리드 동작을 수행할 컬럼 리드부(250)을 따로 도시하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 하나의 픽셀 회로(210)와 하나의 컬럼 리드부(250)의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 픽셀 회로는 광다이오드(211), 광다이오드(211)로 입력된 광신호(PS)에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드(FD) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압에 응답하여 컬럼라인(203)에서 로우라인(201)으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터(212)를 포함하고, 자신이 선택된 경우 로우라인(201)으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압(VRAMP1)을 입력받는다.
이하 본 발명에 의한 픽셀 회로(210) 및 컬럼 리드부(250)의 동작은 도 4a 내지 도 4e의 설명에서 후술한다.
도 4a 내지 도 4e는 리드 동작을 나타내는 도면이다. 도 4a 내지 도 4e에서 왼쪽의 그림은 픽셀 회로(210) 및 컬럼 리드부(250)의 동작을 나타내고 오른쪽의 그래프는 픽셀 회로(210) 및 컬럼 리드부(250)의 동작에 따른 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압과 컬럼라인(203)의 전압변화를 나타낸 것이다.
도 4a는 플로팅 디퓨전 노드(FD)를 풀업 구동하는 동작 및 광신호(PS)에 응답하여 광다이오드(211)에서 광전하를 집적하는 동작을 나타낸 도면이다. 이하 플로팅 디퓨전 노드(FD)를 풀업 구동하는 동작을 '리셋 동작'이라하고, 광신호(PS)에 응답하여 광다이오드(211)에서 광전하를 집적하는 동작을 '집적 동작'이라 한다. 제1그래프(401)에서 'VFD'는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 나타내고, 제2그래프(402)에서 'VBIT'는 컬럼라인(203)의 전압을 나타낸다.
'리셋 동작'시 리셋 제어 전압(VR1)에 의해 리셋 트랜지스터(214)가 턴온되고 제2스위치(S2)가 닫혀서 컬럼라인(203)으로 전원전압(VDD)이 인가된다. 리셋 트랜지스터(213)의 문턱전압(threshold voltage)을 고려할 때 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)는 전원전압(VDD) 보다 리셋 트랜지스터(213)의 문턱전압(threshold voltage) 만큼 낮은 전압으로 리셋 된다. 컬럼라인(203)에는 전원전압(VDD)이 인가되므로 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)는 전원전압(VDD)이 된다.
'집적 동작'시 광다이오드(211)에는 광신호(PS)가 입력되어 광다이오드(211) 내부에 광전하가 생성된다. 전하 전송 트랜지스터(214)는 전송 제어 전압(VT1)에 의해 턴오프 되므로 광전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 흐르지 않고 광다이오드(211)에 집적된다. '리셋 동작'과 '집적 동작'은 동시에 이루어질 수 있다.
로우라인(201)은 선택되지 않아 제1스위치(S1)가 열려 있어 램프전압(VRAMP1)이 인가되지 않고 플로팅(FLOATING) 된다.
'리셋 동작'을 하는 이유는 다음과 같다. '리셋 동작' 후 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)을 '리셋 전압'이라 하면 '리셋 전압'과 후술할 '전송 동작' 후의 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)(이하 '신호 전압'이라 한다.) 전위차를 이용하여 광신호(PS)를 컬럼 리드부(250)로 감지하기 위함이다. 이하의 설명은 후술한다.
상술한 동작을 하는 동안 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)과 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)은 각각 제1그래프(401)와 제2그래프(402)의 제1구간(SEC1)과 같이 변한다. 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)은 리셋 트랜지스터(213)의 풀업 구동으로 전원전압(VDD)보다 리셋 트랜지스터(213)의 문턱 전압만큼 낮은 레벨까지 전압이 증가하고, 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)의 전압을 전원전압(VDD)이 된다.
도 4b는 광다이오드(211)에 집적된 광전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송하는 동작을 나타낸 도면이다. 이하 도 4b에 도시된 동작을 '전송 동작'이라고 한다.
'전송 동작'시 전하 전송 트랜지스터(214)는 전송 제어 전압(VT1)에 의해 턴온되고, 리셋 트랜지스터(213)는 리셋 제어 전압(VR1)에 의해 턴오프 된다. 따라서 도 4a에서 설명한 동작에서 생성된 광전하들은 모두 전하 전송 트랜지스터(214)를 통하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달된다. 이에 따라 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)이 '신호 전압'까지 낮아지는데 낮아지는 정도는 광신호(PS)가 포함하고 있는 정보(예를 들면 빛의 파장, 빛의 세기)에 따라서 달라진다.
'전송 동작'시 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 모두 열려 있다. 따라서 로우라인(201)과 컬럼라인(203)이 모두 플로팅(FLOATING) 된다.
'전송 동작'을 하는 동안 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)과 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)은 각각 제1그래프(401)와 제2그래프(402)의 제2구간(SEC2)과 같이 변한다. 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)은 광다이오드(211)에 집적되었던 광전하가 전달되어 '신호 전압'까지 낮아지고, 컬럼라인(203)은 플로팅(FLOATING) 된다.
도 4c는 컬럼라인(203)을 전원전압(VDD)로 프리차지(PRECHARGE)하는 동작을 나타낸 도면이다. 프리차지 동작을 수행하는 이유는 프리차지된 컬럼라인(203)이 전하의 방전으로 인해 전압이 낮아지면 이를 이용하여 '검출 동작'을 수행하기 때문이다. 이하에서 도 4c에 도시된 동작을 '프리차지 동작'이라고 한다.
'프리차지 동작'시 전하 전송 트랜지스터(214)와 리셋 트랜지스터(213)는 각각 전송 제어 전압(VT1)과 리셋 제어 전압(VR1)에 의해 턴오프 된다. 따라서 컬럼라인(203)으로만 전원전압(VDD)가 인가되며 이에 의해 컬럼라인(203)에 접속된 비트 캐패시터(251)에 전하가 저장되어 컬럼라인(203)이 전원전압(VDD)로 프리차지된다.
'프리차지 동작'을 하는 동안 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)과 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)은 각각 제1그래프(401)와 제2그래프(402)의 제3구간(SEC3)과 같이 변한다. 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)은 '신호 전압'의 레벨을 유지한다. 제2그래프(402)의 제2구간(SEC2)에서와 같이 플로팅 되었던 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)는 전원전압(VDD)은 레벨로 프리차지 된다.
도 4d는 픽셀 회로(210) 선택하여 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)의 전압레벨을 감지하기 위해 램프전압(VRAMP1)이 인가되는 동작을 나타낸 도면이다. 이하 도 4d에 도시된 동작을 '선택 동작'이라고 한다. 제1그래프(401)에서 'VRAMP1'은 컬럼라인(203)에 인가되는 램프전압(VRAMP1)을 나타낸다.
'선택 동작'시 제1스위치(S1)이 닫혀서 픽셀 회로(210)가 연결된 로우라인(201)으로 램프전압(VRAMP1)이 인가된다. 따라서 하나의 로우라인(201)에 연결된 픽셀 회로(210, 220)들에 동시에 램프전압(VRAMP1)이 입력된다. 램프전압(VRAMP)이란 시간이 지남에 따라 제1전압레벨(LV1)에서 시작하여 제2전압레벨(LV2)까지 선형적으로 전압레벨이 줄어드는 전압을 가리킨다. 제2전압레벨(LV2)은 도 4e에 도시되어 있다.
제1전압레벨(LV1)은 제2전압레벨(LV2)보다 높아야하며 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)이 가질 수 있는 최대값에서 증폭 트랜지스터(212)의 문턱전압을 뺀 것보다는 커야 한다. 또한 제2전압레벨(LV2)은 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)이 가질 수 있는 최소값에서 증폭 트랜지스터(212)의 문턱전압을 뺀 것보다 높아야 한다. 이유는 도 4e의 설명에서 후술한다.
'선택 동작'을 하는 동안 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD), 컬럼라인(203)의 전압(VBIT), 및 로우라인(201)의 전압 각각 제1그래프(401)와 제2그래프(402)의 제4구간(SEC4)과 같이 변한다. 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)은 '신호 전압'의 레벨을 유지한다. 로우라인(201)은 제1그래프(401)에 나타난 바와 같이 제1구간(SEC1) 내지 제3구간(SEC3)까지 플로팅 되었다가 제4구간(SEC4)에서 램프전압(VRAMP1)이 인가된다. 따라서 로우라인(201)의 전압은 시간에 따라 선형적으로 감소하게 된다. 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)는 전원전압(VDD)은 레벨을 유지한다.
종래의 이미지 센서에서 픽셀 회로(100)의 선택이 셀렉트 트랜지스터(104)의 턴온에 의해서 이루어졌다면 본 발명에 따른 이미지 센서에서는 선택하고자 하는 픽셀 회로가 연결된 로우라인(201)에 램프전압(VRAMP1)을 인가함으로써 이루어진다. 이러한 방법을 통해서 셀렉트 트랜지스터(104)를 사용하지 않아 픽셀 회로(210)에 사용된 트랜지스터의 개수를 1개 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 4e는 선택된 픽셀 회로(210)가 속한 컬럼라인(203)에 연결된 비트 캐패시터(251)에 저장되었던 전하가 방전되어 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)이 낮아져서 검출부(252)가 이를 검출하는 동작을 나타낸 도면이다. 이하 도 4e에 도시된 동작을 '검출 동작'이라 한다. 제2그래프(402)에서 'VCMP'는 검출신호를 나타낸다.
'검출 동작'시 전하 전송 트랜지스터(214)와 리셋 트랜지스터(213)는 각각 전송 제어 전압(VT1)과 리셋 제어 전압(VR1)에 의해 턴오프 된다. 증폭 트랜지스터(212)는 램프전압(VRAMP1)이 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)보다 증폭 트랜지스터(212)의 문턱 전압(VTH1)만큼 낮아지면 컬럼라인(203)에서 로우라인(201)으로 전하를 방전한다. 램프전압(VRAMP1)이 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)보다 증폭 트랜지스터(212)의 문턱 전압(VTH1)만큼 낮아지면 증폭 트랜지스터(212)가 턴온되어 프리차지에 의해서 비트 캐패시터(251)에 저장되었던 전하가 방출될 수 있는 방출경로(403)이 생긴다. 컬럼라인(203)과 로우라인(201) 및 증폭 트랜지스터(212)를 거쳐 램프전압(VRAMP1)이 인가되는 경로로 방전이 일어난다. 따라서 컬럼라인(203)은 램프전압(VRAMP1)이 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)보다 증폭 트랜지스터(212)의 문턱 전압(VTH1)만큼 낮아지면 전압이 기준전압(VTH2) 이하로 떨어진다.
컬럼라인(203)의 전압이 급격하게 감소하여 검출부(252)의 기준전압(VTH2) 보다 낮아지면 검출부(252)는 검출신호(VCMP)를 활성화한다. 전원전압(VDD)과 같은 레벨을 유지하던 검출신호(VCMP)는 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)이 기준전압(VTH2)보다 낮아지면 접지전압으로 낮아진다.
'검출 동작'을 하는 동안 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD), 컬럼라인(203)의 전압(VBIT), 로우라인(201)의 전압, 및 검출신호(VCMP)는 각각 제1그래프(401)와 제2그래프(402)의 제5구간(SEC5)과 같이 변한다. 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD)은 '신호 전압'의 레벨을 유지한다. 로우라인(201)의 전압은 시간에 따라 선형적으로 감소하게 된다. 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)은 증폭 트랜지스터(212) 턴온되어 비트 캐패시터(251) 급속하가 전하를 방전하므로 빠른속도로 낮아진다. 컬럼라인(203)의 전압(VBIT)이 기준전압(VTH2) 이하로 낮아지면 검출신호(VCMP)는 전원전압(VDD)에서 접지전압으로 낮아진다.
이미지 센서는 광신호(PS)를 디지털 신호로 전환한다. 먼저 광신호(PS)를 아날로그 전압신호인 '신호 전압'으로 만든다. 다음으로 램프전압(VRAMP1)을 인가하는 시점부터 검출신호(VCMP)가 활성화될 때까지 카운터로 카운팅 동작을 수행한다.(카운터는 도면에 도시되어 있지 않다.) 램프전압(VRAMP1)이 '신호 전압'보다 증폭 트랜지스터의 문턱전압(VTH1) 만큼 낮을 때 검출신호(VCMP)가 활성화되므로 '신호 전압'의 정보가 디지털 신호로 변환되는 것이다. 결과적으로 광신호(PS)가 디지털 신호로 변환되는 것이다.
이러한 과정에서 제1전압레벨(LV1)은 '신호 전압'의 최대값에서 증폭 트랜지스터의 문턱 전압(VTH1)을 뺀 것보다 낮다면 '신호 전압'이 최대일 때 램프신호(VRAMP1)가 인가되는 시점에서 바로 검출신호(VCMP)가 활성화되어 '신호 전압'을 디지털 신호로 변환할 수 없다. 따라서 제1전압레벨(LV2)은 '신호 전압'의 최대값에서 증폭 트랜지스터의 문턱 전압(VTH1)을 뺀 것보다 높아야 한다.
또한 제2전압레벨(LV2)은 '신호 전압'의 최소값에서 증폭 트랜지스터의 문턱 전압(VTH1)을 뺀 것보다 높다면 '신호 전압'이 최소일 때 램프신호(VRAMP1)가 제2전압레벨(LV2)로 낮아져도 증폭 트랜지스터(212)가 방전되지 않아서 '신호 전압'을 검출할 수 없다. 따라서 제2전압레벨(LV2)은 '신호 전압'의 최소값에서 증폭 트랜지스터의 문턱 전압(VTH1)을 뺀 것보다 낮아야 한다.
종래의 이미지 센서에서 컬럼마다 전류원을 두어 '신호 전압'의 레벨을 감지했던 것과는 달리 직접 램프신호(VRAMP1)를 로우라인(201)에 인가하여 '신호 전압'의 레벨을 감지하므로 고정 전류를 소모하지 않아 전력소모가 줄어드는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5에서 'VFD'는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 나타내고, 'VBIT'는 컬럼라인(203)의 전압을 나타내고, 'VRAMP1'은 컬럼라인(203)에 인가되는 램프전압(VRAMP1)을 나타내고 'VCMP'는 검출신호를 나타낸다.
제1구간(SEC1) 내지 제5구간(SEC5)는 도 4a 내지 도 4e의 제1구간(SEC1) 내지 제5구간(SEC5)에 대응된다. 각 구간에 대한 설명은 도 4a 내지 도 4e에서 상술한바 생략한다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
201 : 로우라인 203 : 컬럼라인
210 : 픽셀 회로 211 : 광다이오드
212 : 증폭 트랜지스터 213 : 리셋 트랜지스터
214 : 전하 전송 트랜지스터 250 : 컬럼 리드부
251 : 비트 트랜지스터 252 : 검출부
PS : 광신호 VT1: 전송 제어 전압
VR1 : 리셋 제어 전압 VRAMP1 : 램프전압
S1 : 제1스위치 S2 : 제2스위치
FD : 플로팅 디퓨전 노드 VFD : 플로팅 디퓨전 노드의 전압
VBIT : 컬럼라인의 전압 VCMP : 검출신호
210 : 픽셀 회로 211 : 광다이오드
212 : 증폭 트랜지스터 213 : 리셋 트랜지스터
214 : 전하 전송 트랜지스터 250 : 컬럼 리드부
251 : 비트 트랜지스터 252 : 검출부
PS : 광신호 VT1: 전송 제어 전압
VR1 : 리셋 제어 전압 VRAMP1 : 램프전압
S1 : 제1스위치 S2 : 제2스위치
FD : 플로팅 디퓨전 노드 VFD : 플로팅 디퓨전 노드의 전압
VBIT : 컬럼라인의 전압 VCMP : 검출신호
Claims (10)
- 광다이오드;
상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드; 및
상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고,
자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는 픽셀 회로.
- 제 1항에 있어서,
상기 로우라인은 선택된 경우 상기 램프전압이 인가되고, 선택되지 않은 경우 플로팅되는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로.
- 제 1항에 있어서,
상기 증폭 트랜지스터는,
상기 램프전압이 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압보다 상기 증폭 트랜지스터의 문턱 전압만큼 낮아지면 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로.
- 제 1항에 있어서,
상기 픽셀 회로는,
상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 풀업 구동하는 리셋 트랜지스터; 및
상기 광신호에 의해 상기 광다이오드에 생성된 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전달하는 전하 전송 트랜지스터
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로.
- 광다이오드, 상기 광다이오드로 입력된 광신호에 따른 전압레벨을 갖는 플로팅 디퓨전 노드, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 응답하여 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 증폭 트랜지스터를 포함하고, 자신이 선택된 경우 상기 로우라인으로부터 선형적으로 감소하는 램프전압을 입력받는 다수의 픽셀 회로가 매트릭스로 배치된 픽셀 어레이; 및
자신에게 연결된 컬럼라인의 전압 변화를 감지하는 다수의 컬럼 리드부
를 포함하는 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서,
상기 로우라인은 선택된 경우 상기 램프전압이 인가되고, 선택되지 않은 경우 플로팅되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서,
상기 증폭 트랜지스터는,
상기 램프전압이 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압보다 상기 증폭 트랜지스터의 문턱 전압만큼 낮아지면 컬럼라인에서 로우라인으로 전하를 방전하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서,
상기 컬럼 리드부는,
상기 컬럼라인에 접속된 비트 캐패시터; 및
컬럼라인의 전압이 기준전압 이하로 떨어지면 검출신호를 활성화하는 검출부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 8항에있어서,
상기 컬럼라인은 상기 감지동작 이전에 전원전압으로 프리차지 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 9항에 있어서,
상기 컬럼라인은 상기 램프전압이 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압보다 상기 증폭 트랜지스터의 문턱 전압만큼 낮아지면 전압이 상기 기준전압 이하로 떨어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100065462A KR20120004787A (ko) | 2010-07-07 | 2010-07-07 | 픽셀 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100065462A KR20120004787A (ko) | 2010-07-07 | 2010-07-07 | 픽셀 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120004787A true KR20120004787A (ko) | 2012-01-13 |
Family
ID=45611194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100065462A KR20120004787A (ko) | 2010-07-07 | 2010-07-07 | 픽셀 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120004787A (ko) |
-
2010
- 2010-07-07 KR KR1020100065462A patent/KR20120004787A/ko not_active Application Discontinuation
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