KR20120046843A

KR20120046843A - Ｔｄｃ를 이용하는 칼럼-병렬 ｃｍｏｓ 이미지 센서 및 칼럼-병렬 아날로그-디지털 변환방법

Info

Publication number: KR20120046843A
Application number: KR1020100106054A
Authority: KR
Inventors: 이희범
Original assignee: 에스케이하이닉스 주식회사
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-11

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서는 스타트 신호가 인가되면 아날로그 픽셀 신호와 램프(ramp) 신호가 입력되고 상기 픽셀 신호와 램프 신호가 같아지는 순간 출력신호를 발생시키는 비교기; 및 상기 스타트 신호가 인가될 때부터 상기 출력신호가 발생할 때까지의 시간차를 연산 처리하고 저장하는 TDC(Time to digital converter)를 포함한다.

Description

ＴＤＣ를 이용하는 칼럼-병렬 ＣＭＯＳ 이미지 센서 및 칼럼-병렬 아날로그-디지털 변환방법 {Column-parallel CMOS image sensor and column-parallel analog-digital conversion method using time to digital converter}

본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 TDC(Time to Digital Converter)를 이용하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 촬상 장치(image pick-up device)는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 주로 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD)를 이용한 이미지 촬상 장치와 CMOS 공정을 이용한 CMOS 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS)가 널리 사용되고 있다.

CMOS 이미지 센서는 CCD를 이용한 이미지 촬상 장치에 비해 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제작할 수 있으므로 경제적이며, 아날로그-디지털 변환 장치를 함께 하나의 칩(chip)에 집적할 수 있으므로 집적화에 유리하다. 또한, 상기 CMOS 이미지 센서는 저전력 및 저전압 설계가 가능함에 따라 전력 소비가 적은 이동 전화기(mobile phone), 및 디지털 카메라 등의 휴대용 기기에서 널리 사용되고 있다.

그러나, CMOS 이미지 센서는 상기 CCD를 이용한 이미지 촬상 장치와 달리 빛에 따라 반응하는 액티브 픽셀 센서(Active Pixel Sensor; APS)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 고해상도의 아날로그-디지털 변환 장치를 필요로 한다.

CMOS 이미지 센서에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 방법으로 하나의 아날로그-디지털 변환기(Analog Digital Converter; ADC)를 사용하는 방법과 칼럼-병렬(column-parallel) 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 방법이 있다.

칼럼-병렬 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서는 카운터(counter)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 방식을 사용하므로, 그 특성상 일정 속도 이상의 고속 촬영이 어렵다는 한계가 있다. 즉 카운터를 사용하는 방식은 클락 주기(clock period)의 수를 세어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하므로 클락 주기에 따라 촬영 속도의 한계가 정해지게 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 TDC(time to digital converter)를 이용하여 고속 촬영이 가능한 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서는 스타트 신호가 인가되면 아날로그 픽셀 신호 및 램프 신호가 입력되고 상기 픽셀 신호와 램프 신호가 같아지는 순간 출력신호를 발생시키는 비교기 및 상기 스타트 신호가 인가될 때부터 상기 출력신호가 발생할 때까지의 시간차를 연산 처리하는 TDC를 포함한다.

상기 시간차는 상기 아날로그 픽셀 신호의 변환된 디지털 신호이다.

본 발명의 실시 예에 따른 TDC를 이용한 칼럼-병렬 아날로그-디지털 변환방법은 비교기에 스타트 신호를 인가하여 비교기에 아날로그 픽셀 신호 및 램프 신호를 입력하고 상기 램프 신호를 램핑하는 단계, 상기 픽셀 신호와 상기 램프 신호의 크기가 같아질 때 상기 비교기가 출력 신호를 발생시키는 단계 및 상기 TDC는 상기 스타트 신호가 인가된 시점과 상기 출력 신호가 발생한 시점의 시간차를 연산 처리하여 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 TDC를 이용한 칼럼-병렬 아날로그-디지털 변환방법은 상기 TDC에 의해 연산 처리된 시간차는 상기 아날로그 픽셀 신호의 변환된 디지털 신호로서 저장되는 단계를 더 포함할 수 있다.

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 카운터 대신 TDC를 사용하여 고속 촬영이 가능한 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서를 구현할 수 있다.

도 1은 종래 기술로, 카운터를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예로서, TDC를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 카운터를 이용하여 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 걸리는 시간을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예로서 TDC를 이용하여 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 걸리는 시간을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서에 사용되는 TDC의 동작을 개념적으로 나타내는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시 예의 도면에 나타나는 동일 또는 유사한 사상의 범위 내의 기능이 동일 또는 유사한 구성요소는 동일 또는 유사한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 종래 기술로, 카운터를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 카운터를 이용하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서(10)는 비교기(2), 카운터(6), 라인 메모리(4), 주소 로직(8)을 포함한다. 점선 내의 회로는 하나의 칼럼(column)을 나타낸다. 스타트 신호가 인가되면 카운터(6)는 클락 주기(clock period)에 맞춰 클락 수를 카운트하고 램프(ramp) 신호는 램핑을 시작한다. 픽셀 신호와 램프 신호의 크기가 같아지는 순간 비교기(2)가 출력신호를 발생시키고, 출력신호가 발생되는 때까지 카운터(6)가 카운트한 클락 수를 라인 메모리(4)의 내부에 저장한다. 이때 저장된 클락 수는 아날로그 픽셀 신호의 변환된 디지털 신호이고, 저장된 클락 수×클락 주기는 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 데 걸린 시간이다. 상기 디지털 신호는 주소 로직(8)을 통해 해당되는 픽셀 주소(address)에 맞추어 Sense Amplifier(9)에 의해 증폭되어 출력된다.

도 2는 본 발명의 실시 예로서, TDC를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서(100)는 비교기(102), TDC(110), 주소 로직(108)을 포함한다. 점선 내의 회로는 하나의 칼럼(column)을 나타낸다. 스타트 신호가 인가되면 비교기(102)에 아날로그 픽셀 신호 및 램프 신호가 입력되고 램프(ramp) 신호는 램핑(ramping)이 시작된다. 상기 픽셀 신호와 램프 신호의 크기가 같아질 때 비교기(102)는 출력신호를 발생시킨다. TDC(110)는 상기 스타트 신호가 인가될 때부터 상기 출력신호가 발생할 때까지의 시간차를 연산 처리한다. 이 때 연산 처리된 시간차는 아날로그 픽셀 신호의 변환된 디지털 신호이자 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 데 걸린 시간이다. 상기 디지털 신호는 라인 메모리(104)에 저장되고 주소 로직(108)을 통해 해당되는 픽셀 주소(address)에 맞춰 Sense Amplifier(109)에 의해 증폭되어 출력된다.

도 3은 카운터를 이용하여 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 걸리는 시간을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 스타트 신호가 인가되면 카운터는 클락 주기(clock period)에 맞춰 클락 수를 카운트하고 비교기에 아날로그 픽셀 신호가 입력되고 램프(ramp) 신호는 램핑을 시작한다. 아날로그 픽셀 신호와 램프 신호의 크기가 같아지는 순간 비교기가 출력 신호를 발생시킨다. 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 데 걸린 시간은 클락 주기×클락 수 이므로, 상기 시간은 클락의 한 주기보다 적을 수는 없다.

도 4는 본 발명의 실시 예로서 TDC를 이용하여 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 걸리는 시간을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 스타트 신호가 인가되면 비교기에 아날로그 픽셀 신호 및 램프 신호가 입력되고 램프 신호는 램핑이 시작된다. 상기 픽셀 신호와 램프 신호의 크기가 같아질 때 비교기는 출력신호를 발생시킨다. TDC는 상기 스타트 신호가 인가될 때부터 상기 출력신호가 발생할 때까지의 시간차를 연산 처리하고 저장한다. 이 때 저장된 시간차가 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 데 걸린 시간이다. 상기 시간차는 클락 주기의 정수 배에 한정되지 않으므로 어떠한 값으로도 가질 수 있다. 상기 디지털 신호는 해당되는 픽셀 주소(address)에 맞춰 출력된다.

도 5는 본 발명의 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서에 사용되는 TDC의 동작을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 스타트 신호와 비교기 출력 신호가 TDC에 입력되어 각각 펄스로 생성된다. 스타트 신호와 비교기 출력 신호가 각각 펄스로 생성될 때의 시간차는 연산 처리되어 디지털 신호로 출력될 수 있다. 또는 스타트 신호와 비교기 출력신호는 펄스로 생성됨이 없이 연산 처리되어 디지털 신호로 출력될 수 있다.

상술한 바와 같이 TDC를 이용하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 걸리는 시간은 클락 주기에 의존하지 않아 어떠한 값으로도 가질 수 있으므로 본 발명의 실시 예에 따른 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서는 고속 촬영에 적합하다.

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

2, 102: 비교기 4, 104: 라인 메모리
6: 카운터 8, 108: 주소 로직
9, 109: Sense Amplifier 110: TDC

Claims

스타트 신호가 인가되면 아날로그 픽셀 신호 및 램프 신호가 입력되고 상기 픽셀 신호와 램프 신호가 같아지는 순간 출력신호를 발생시키는 비교기; 및
상기 스타트 신호가 인가될 때부터 상기 출력신호가 발생할 때까지의 시간차를 연산 처리하는 TDC(Time to digital converter);
를 포함하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서.
제1항에 있어서
상기 TDC는 상기 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 칼럼-병렬 CMOS 이미지 센서.
TDC에 스타트 신호가 인가되면, 비교기에 아날로그 픽셀 신호 및 램프 신호를 입력하여 상기 램프 신호를 램핑하는 단계;
상기 픽셀 신호와 상기 램프 신호의 크기가 같아질 때 상기 비교기가 출력 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 TDC는 상기 스타트 신호가 인가된 시점과 상기 출력 신호가 발생한 시점의 시간차를 연산 처리하는 단계를 포함하는 아날로그-디지털 변환방법.
제3항에 있어서,
상기 TDC는 상기 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 칼럼-병렬 아날로그-디지털 변환방법.