KR20120046586A - 비교기 및 그를 구비한 이미지 센싱장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측으로 제1 구동전압이 연결되고, 게이트가 제1 공통노드에 접속된 제1 및 제2 모스 트랜지스터; 상기 제1 구동전압과 상기 제1 공통노드 사이에 일측과 타측이 연결된 바이어스 제공을 위한 제1 캐패시터; 상기 제1 캐패시터의 타측과 상기 제1 모스 트랜지스터의 타측에 배치된 제1 스위치; 상기 제1 및 2 모스 트랜지스터의 일측에 각각 일측이 연결되며 게이트로 각각 입력신호를 입력받는 제3 및 제4 모스 트랜지스터; 및 제3 및 제4 모스 트랜지스터의 제2 공통노드와 제2 구동전압을 연결하며, 게이트로 바이어스 전압을 제공받는 제5 모스 트랜지스터를 포함하는 비교기를 제공한다.

Description

비교기 및 그를 구비한 이미지 센싱장치{COMPARATOR AND IMAGE SENSING DEVICE WITH THE SAME}

본 발명을 비교기 및 그를 구비한 이미지 센싱장치에 관한 것이다.

이미지 센싱장치는 휴대폰 카메라나 디지털 카메라 등에서 영상을 생성해 내는 장치를 말하는 것이다. 이미지 센싱장치에 구비되는 센싱 소자로는 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor)와, CCD(charge coupled device)가 있다.

이미지 센싱장치는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어내는 센서이다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분 부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서, 감지하는 센서에 구비된 각 픽셀에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센싱장치가 하는 일이다. 이를 위해 이미지 센싱장치는 다수의 픽셀이 어레이된 픽셀에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 전압으로 바꾸어 주는 아날로그 디지털 변환기와, 메모리등을 구비한다.

아날로그 전압값을 디지털 값으로 변환하는 과정에서 필연적으로 두 입력값을 비교하는 비교기가 사용된다. 비교기에서 두 입력값을 비교하는 동작에는 바이어스 전압이 필요하다. 비교기의 내부 회로로 사용되는 차동입력 비교회로가 바이어스 전압을 사용하기 때문에다. 그러나, 비교기에서 사용하는 바이어스 전압에 노이즈가 생기게 되면, 정확한 비교 동작을 할 수가 없게 된다. 이와 같은 경우에 아날로그 전압값을 디지털 값으로 변환하는 과정에서 에러가 생길 수 있다.

본 발명은 바이어스 전압의 안정성을 향상시킬 수 있는 비교기 및 그를 구비한 이미지 센싱장치를 제공한다.

본 발명은 일측으로 제1 구동전압이 연결되고, 게이트가 제1 공통노드에 접속된 제1 및 제2 모스 트랜지스터; 상기 제1 구동전압과 상기 제1 공통노드 사이에 일측과 타측이 연결된 제1 바이어스 전압을 제공하기 위한 제1 캐패시터; 상기 제1 캐패시터의 타측과 상기 제1 모스 트랜지스터의 타측에 배치된 제1 스위치; 상기 제1 및 2 모스 트랜지스터의 일측에 각각 일측이 연결되며 게이트로 각각 두 입력신호를 입력받는 제3 및 제4 모스 트랜지스터; 및 제3 및 제4 모스 트랜지스터의 제2 공통노드와 제2 구동전압을 연결하며, 게이트로 제2 바이어스 전압을 제공받는 제5 모스 트랜지스터를 포함하는 비교기를 제공한다.

또한, 본 발명은 픽셀; 제1 바이어스 전압을 제공하기 위한 바이어스 전압 제공부; 및 상기 제1 바이어스 전압을 제공받아, 상기 픽셀에서 제공되는 이미지 신호와 리셋신호를 비교하는 비교기를 구비하며, 상기 비교기는 일측으로 제1 구동전압이 연결되고, 게이트가 제1 공통노드에 접속된 제1 및 제2 모스 트랜지스터; 상기 제1 구동전압과 상기 제1 공통노드 사이에 일측과 타측이 연결되며, 제2 바이어스 전압을 제공하기 위한 제1 캐패시터; 상기 제1 캐패시터의 타측과 상기 제1 모스 트랜지스터의 타측에 배치된 제1 스위치; 상기 제1 및 2 모스 트랜지스터의 일측에 각각 일측이 연결되며 게이트로 각각 두 입력신호를 입력받는 제3 및 제4 모스 트랜지스터; 및 제3 및 제4 모스 트랜지스터의 제2 공통노드와 제2 구동전압을 연결하며, 게이트로 제1 바이어스 전압을 제공받는 제5 모스 트랜지스터를 포함하는 이미지 센싱장치를 제공한다.

본 발명에 의해서, 이미지 센싱장치의 비교기가 사용하는 바이어스 전압의 안정성이 향상된다. 따라서, 이미지 센싱장치의 비교 동작을 수행할 때에의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 그로 인해 이미지 데이터 처리의 신뢰성 향상도 기대할 수 있다.

도1과 도2는 본 발명의 비교기를 설명하기 위한 회로도.
도3은 이미지 센싱장치의 픽셀을 나타내는 회로도.
도4는 이미지 센싱장치의 내부 블럭도.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 비교기를 나타내는 회로도.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱장치를 나타내는 블럭도.
도7은 도6에 도시된 이미지 센싱장치의 동작 파형도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도1과 도2는 본 발명의 비교기를 설명하기 위한 회로도이다.

도1에 도시된 비교기는 바이어스 전류를 제공하기 위한 전류 미러링을 수행하는 피모스 트랜지스터(M1,M2)와, 두 입력값(Vin, Vref)을 게이트로 각각 입력받으며, 각각 일측이 피모스 트랜지스터(M1,M2)에 연결된 앤모스 트랜지스터(M3,M4)와, 앤모스 트랜지스터(M3,M4)의 공통 타측에 접속된 앤모스 트랜지스터(M5)를 포함한다. 앤모스 트랜지스터(M5)의 게이트로는 바이어스 전압(BIAS)을 입력받는다.

두 입력값(Vin, Vref)의 차이가 없는 경우에는 출력값(OUT1,OUT2)은 생성되지 않는다. 만약 두 입력값(Vin, Vref)의 차이가 있는 경우에는 그 차이값에 대응하여 증폭된 출력값(OUT1,OUT2)이 생성된다.

도1에 도시된 비교기는 동작을 위한 바이어스 전류를 제공하기 위해서 전류 미러링을 이용하고 있다. 도2는 바이어스 전류를 생성하기 위해 바이어 전압을 외부에서 생성하여 제공하는 경우를 나타내고 있다.

도2에 도시된 비교기는 바이어스 전류를 제공하기 위한 바이어스 전압(BIAS1)을 게이트로 입력받는 피모스 트랜지스터(M6,M7)와, 두 입력값(Vin, Vref)을 게이트로 각각 입력받으며, 각각 일측이 피모스 트랜지스터(M5,M6)에 연결된 앤모스 트랜지스터(M8,M9)와, 앤모스 트랜지스터(M8,M9)의 공통 타측에 접속된 앤모스 트랜지스터(M10)를 포함한다. 앤모스 트랜지스터(M10)의 게이트로는 바이어스 전압(BIAS2)을 입력받는다.

지금까지 살펴본 도1과 도2에 도시된 비교기는 바이어스 전류를 제공하기 위해 전류미러링을 수행하는 다이오드 연결된 모스 트랜지스터를 이용하거나, 외부에서 바이어 전압을 생성하여 제공받는다.

도3은 이미지 센싱장치의 픽셀을 나타내는 회로도이다.

도3을 참조하여 살펴보면, 픽셀은 포토 다이오드(D1), 전달 트랜지스터(TT), 리셋 트랜지스터(TR), 드라이빙 트랜지스터(TD), 선택 트랜지스터(TS)를 포함한다. 포토 다이오드(D1)는 외부에서 입사되는 빛에 대응하는 전하를 축척한다. 전달 트랜지스터(TT)는 전달 제어신호(Tx)에 응답하여 포토 다이오드(D1)에 축척된 전하를 플로팅 노드(FD)로 전달한다. 드라이빙 트랜지스터(TD)는 플로팅 노드(FD)에 축척된 전하량에 대응하는 신호를 일측단을 통해 드라이빙한다. 선택 트랜지스터(TS)는 선택 제어신호(Sx)에 응답하여 드라이빙 트랜지스터(TD)에 의해 제공되는 신호를 전달한다. 리셋 트랜지스터(TR)는 플로팅 노드(FD)를 리셋시키기 위한 것이다. 또한 정전류원(I1)이 선택 트랜지스터(TS)에 연결되어 있다.

리셋 트랜지스터(TR)는 리셋 제어신호(Rx)에 응답하여 플로팅 노드(FD)에 전원전압 레벨을 공급하고, 그에 대응하는 리셋레벨, 여기서는 전원전압 레벨로 플로팅 노드(FD)가 리셋된다. 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴오프되고, 전달 트랜지스터(TT)가 턴온되면, 플로팅 노드(FD)에 포토 다이오드(D1)에 의해 축척된 전하가 전달된다. 플로팅 노드(FD)에 축척된 전하량에 대응하는 신호가 드라이빙 트랜지스터(TD) 및 선택 트랜지스터(TS)에 의해 후속 노드에 출력된다.

도4는 이미지 센싱장치의 내부 블럭도이다. 특히, 도2에 도시된 비교기를 이용하고 있는 이미지 센싱장치를 나타내고 있다.

도4에 도시된 바와 같이, 이미지 센싱장치는 다수의 픽셀(11~14), 정전류원(I1,I2), 캐패시터(C1 ~ C12), 비교기(20~70), 스위치(S1 ~ S20), 인버터(I3,I4), 바이어스 전압 생성부(15,16,17)를 포함한다.

비교기(20)와 비교기(50)를 기준으로 연결된 주변 회로는 대칭적인 구조를 가지고 있기 때문에, 하나의 비교기에 대해서만 동작을 살펴본다. 픽셀(예를 들면 11) 내에 구비된 다이오드가 외부에서 입사되는 빛에 대응하는 전하를 모으고, 모아진 전하에 대응하는 이미지 신호와, 리셋 정보를 가지고 있는 리셋신호를 픽셀(11)이 외부에 제공한다.

픽셀(11)에서 제공되는 리셋신호에 대응하는 전하량이 스위치(S1)가 턴온됨으로서 캐패시터(C1)에 저장된다. 이어서 픽셀(11)에서 제공되는 이미지 신호는 스위치(S2)가 턴온됨으로서 캐패시터(C2)에 저장된다. 기준신호(Vref)는 스위치(S3)가 턴온됨으로서 캐패시터(C1)의 일측에 인가된다. 램프신호(Vramp)는 스위치(S4)가 턴온됨으로서 캐패시터(C2)의 일측에 인가된다. 기준신호(Vref)는 일정한 값이 유지되는 신호이고, 램프신호(Vramp)는 시간이 지남에 따라 일정한 기울기를 가지고 줄어드는 신호이다. 따라서 리셋신호에 대응하는 전하량+기준신호(Vref)에 대응하는 전하량 만큼이 비교기(20)의 일측 입력에 인가되고, 이미지 신호에 대응하는 전하량 + 램프신호(Vramp)에 대응하는 전하량만큼 비교기(20)의 타측 입력에 인가된다.

램프신호(Vramp)는 시간이 지남에 따라 전압레벨이 줄어드는 신호이기 때문에, 결국 비교기(20)에 입력되는 두 값이 일치하는 시점이 생기게 된다. 일치하는 시점을 지나게 되면서 비교기(20)의 정출력단과 부출력단에서 출력되는 값에 반전이 일어난다. 다음 비교기(30)는 비교기(20)에서 출력되는 값을 비교하여 한번 더 증폭하고, 비교기(40)는 비교기(30)에서 출력되는 값을 비교하여 정출력단으로 신호를 출력한다. 이미지 센싱장치는 램프신호(Vramp)가 줄어드는 시점부터 인버터(I3)에서 출력되는 신호가 반전되는 타이밍까지 카운터 한 값을 픽셀(11)에서 입력받은 빛에 대한 정보를 가지고 있는 디지털 값으로 정하여 처리하게 된다.

여기서 바이어스 전압 생성부(예를 들면 15)는 2개의 바이어스 전압(BIAS1,BIAS2)을 생성하는 것으로 도시되어 있다. 따라서 도2에 도시된 비교기를 적용할 수 있을 것이다.

도4에 도시된 바와 같이, 이미지 센싱장치에 구비되는 비교기에서는 외부에 구비되는 바이어스 전압 생성부에서 바이어스 전압을 제공받아 두 입력단에 인가되는 신호를 비교한다. 따라서 바이어스 전압 생성부에서 바이어스 전압을 생성하는 과정에서 노이즈가 영향을 미치게 되면 바이어스 전압의 레벨이 흔들리게 된다. 바이어스 전압이 흔들리게 되면, 비교기에 있는 바이어스 전압을 사용하는 트랜지스터의 각 노드에 인가되는 전압도 흔들리게 되어, 비교기 내부에 형성되는 바이어스 전류량에 변화가 생기게 된다. 바이어스 전류량이 변하게 되면 비교기에서 수행하는 비교 동작 자체에 에러가 생길 수 있고, 비교 동작이 수행되더라도 그 비교 동작에 의해 생성된 디지털 값에 에러가 생길 수 있다. 또한, 바이어스 전압 생성부에서 바이어스 전압을 생성하기 위해서는 필연적으로 전류소모를 할 수 밖에 없다.

또한, 도1에 도시된 비교기의 정출력과 부출력을 출력하는데 있어서, 모스 트랜지스터(M1)가 있는 곳의 출력은 다른쪽에 비해 증폭도가 떨어질 수 밖에 없다. 이는 로드 역할을 하는 모스 트랜지스터(M1)가 있는 곳의 출력단 저항값이 모스 트랜지스터(M2)가 있는 곳의 출력단 저항값보다 작기 때문이다. 이문제를 해결하기 위해서, 도2에 도시된 것과 같은 비교기를 이미지 센싱장치에 적용하게 되면, 모스 트랜지스터(M6,M7)가 같은 게인을 가지게 되나, 바이어스 전압을 2개 생성해야 하는 문제가 있다.

이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 비교기 내부에서 바이어스 전압을 샘플링할 수 있어 하나의 바이어스 전압만을 입력받는 비교기와 그 비교기를 이용한 이미지 센신장치를 제안한다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 비교기를 나타내는 회로도이다.

도5를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 비교기는 피모스 트랜지스터(T1,T2)와, 앤모스 트랜지스터(T3,T4,T5), 캐패시터(C11,C12)를 포함한다.

피모스 트랜지스터(T1,T2)는 일측이 각각 전원전압(VDD)에 연결되어 있으며, 타측은 각각 앤모스 트랜지스터(T3,T4)의 일측에 연결되어 있다. 앤모스 트랜지스터(T3,T4)의 타측은 앤모스 트랜지스터(T5)의 일측에 공통으로 연결되다. 앤모스 트랜지스터(T5)의 타측은 접지전압(VSS)에 연결되어 있다.

캐패시터(C11)는 일측이 전원전압(VDD)에 연결되어 있고, 타측은 피모스 트랜지스터(T1,T2)의 게이트에 공통으로 연결되어 있다. 캐패시터(C12)는 일측이 접지전압에 연결되어 있고, 타측은 앤모스 트랜지스터(T5)의 게이트에 연결되어 있다. 스위치(SW1)는 캐패시터(C11)의 타측과 피모스 트랜지스터(T1)의 타측을 연결하고, 스위치(SW2)는 바이어스 전압(BIAS3)을 캐패시터(C12)의 타측에 전달하기위해 배치된다. 여기서, 비교기를 구성하는데 있어서, 캐패시터(C11,C12)중 어느 하나만 구비할 수도 있다.

도5에 도시된 본 실시예에 따른 비교기는 캐패시터(C11,C12)와 스위치(SW1,SW2)를 구비하여, 비교기가 동작하는 동안에는 캐패시터(C11,C12)에 의해 유기되는 전압을 바이어스 전압으로 사용한다. 구체적으로 비교기가 동작하기 전에 스위치(SW1,SW2)가 온상태를 유지하여 캐패시터(C11,C12)에 각각 바이어스 전압을 유기시키고, 비교기가 동작을 수행하는 동안에는 스위치(SW1,SW2)가 오프 상태가 되어, 비교기가 필요로 하는 바이어스 전압으로 캐패시터가 유기된 전압을 사용한다.

이와 같이 함으로서, 본 실시예에 따른 비교기는 외부로부터 하나의 바이어스 전압만 공급받으면 되며, 외부에서 바이어스 전압이 생성되고 비교기로 전달되는 과정에서 노이즈가 유입되는 경우를 막을 수 있다. 또한 하나의 바이어스 전압을 생성하여도 도2에 도시된 것과 같이 로드로 사용되는 양단의 모스 트랜지스터(T1,T2)의 일측단을 통해 출력되는 신호의 게인을 높게 유지할 수 있다.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱장치를 나타내는 블럭도이다.

도6에 도시된 이미지 센싱장치는 도4에 도시된 이미지 센싱장치와 유사한 구성이다. 다만, 도5에 도시된 비교기를 사용하기 때문에 비교기에서는 하나의 바이어스 전압을 제공받으면 되기 때문에, 바이어스 전압 생성부는 바이어스 전압을 하나만 제공하고 있다.

도7은 도6에 도시된 이미지 센싱장치의 동작 파형도이다.

도7을 참조하여 살펴보면, 먼저 스위치(S21,S50)가 턴온되면, 그에 대응하는 캐패시터(C10,C30)에 픽셀에서 제공되는 리셋신호에 대응하는 전하가 각각 충전된다. 이어서 스위치(S20,S40)이 턴온되면, 픽셀에서 제공되는 이미지 신호에 대응하는 전하가 캐패시터(C20,C40)에 충전된다. 이 구간에서는 스위치(S90~S200)는 턴온상태로 도시된 모든 비교기는 초기화된다. 스위치(SW1,SW2) 역시 이 구간에서 턴온상태로 캐패시터(C11,C12)는 바이어스 전압을 충전하게 된다. 이어서 기준신호(Vref)가 제공되고, 램프신호(Vramp)가 제공되어, 비교기(200,500)는 두 입력단에 있는 전압의 차이에 따라 출력신호를 생성하여 출력한다. 램프 신호(Vramp)는 시간이 가면서 기울기을 가지고 줄어드는 신호이기 때문에, 비교기(200,500)의 두 입력단에 있는 전압이 차이가 나더라도, 그 차이값에 대응하는 시간이 지나면 결국 두 입력단의 전압이 같아지게 된다. 그 같아지는 시점까지의 카운팅된 값을 이미지 센싱장치가 이미지 처리에 사용하게 된다. 도6에서 비교기(200,500)의 두 입력단에 있는 전압이 같아질때에 출력값(Com1)이 반전되는 파형이 도시되어 있다.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 이미지 센싱장치에 구비되는 비교기는 바이어스 전압을 구비된 스위치 및 캐패시터를 통해 샘플링함으로서, 비교기의 바이어스 전압을 생성하는 과정에서 생기는 노이즈에 대한 영향을 크게 줄일 수 있다.

바이어스 전압의 샘플링을 위한 캐패시터(C11,C12)에 의해 생기는 바이어스 전압이 비교기 내에서 전원전압 또는 접지전압에 연동이 된다. 따라서 비교기 내에 구비된 모스 트랜지스터의 게이트 - 소스 전압은 일정하게 유지할 수 있다. 바이어스 전압을 생성하는 회로의 전원전압 또는 접지전압에 노이즈가 생기더라도, 비교기의 비교 동작에는 노이즈에 대한 영향을 덜 받게 된다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 일측으로 제1 구동전압이 연결되고, 게이트가 제1 공통노드에 접속된 제1 및 제2 모스 트랜지스터;
   상기 제1 구동전압과 상기 제1 공통노드 사이에 일측과 타측이 연결되며, 제1 바이어스 전압을 제공하기 위한 제1 캐패시터;
   상기 제1 캐패시터의 타측과 상기 제1 모스 트랜지스터의 타측에 배치된 제1 스위치;
   상기 제1 및 2 모스 트랜지스터의 타측에 각각 일측이 연결되며 게이트로 각각 입력신호를 입력받는 제3 및 제4 모스 트랜지스터; 및
   제3 및 제4 모스 트랜지스터의 제2 공통노드와 제2 구동전압을 연결하며, 게이트로 제2 바이어스 전압을 제공받는 제5 모스 트랜지스터
   를 포함하는 비교기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제5 모스 트랜지스터의 게이트단과 상기 제2 구동전압 사이에 배치된 제2 캐패시터; 및
   외부에서 제공되는 상기 제2 바이어스 전압을 상기 제2 캐패시터로 전달하기 위한 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비교기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 구동전압은 전원전압이고, 제2 구동전압은 접지전압인 것을 특징으로 하는 비교기.
   
4. 픽셀;
   제1 바이어스 전압을 제공하기 위한 바이어스 전압 제공부; 및
   상기 제1 바이어스 전압을 제공받아, 상기 픽셀에서 제공되는 이미지 신호와 리셋신호를 비교하는 비교기를 구비하며,
   상기 비교기는
   일측으로 제1 구동전압이 연결되고, 게이트가 제1 공통노드에 접속된 제1 및 제2 모스 트랜지스터;
   상기 제1 구동전압과 상기 제1 공통노드 사이에 일측과 타측이 연결되며 제2 바이어스 전압을 제공하기 위한 제1 캐패시터;
   상기 제1 캐패시터의 타측과 상기 제1 모스 트랜지스터의 타측에 배치된 제1 스위치;
   상기 제1 및 2 모스 트랜지스터의 타측에 각각 일측이 연결되며 게이트로 각각 입력신호를 입력받는 제3 및 제4 모스 트랜지스터; 및
   제3 및 제4 모스 트랜지스터의 제2 공통노드와 제2 구동전압을 연결하며, 게이트로 상기 제1 바이어스 전압을 제공받는 제5 모스 트랜지스터
   를 포함하는 이미지 센싱장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제5 모스 트랜지스터의 게이트단과 상기 제2 구동전압 사이에 배치된 제2 캐패시터; 및
   외부에서 제공되는 상기 제1 바이어스 전압을 상기 제2 캐패시터로 전달하기 위한 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 구동전압은 전원전압이고, 제2 구동전압은 접지전압인 것을 특징으로 하는 이미지 센싱장치.
   

Images