KR20120108948A - 이중 인테그레이션 시간 및 조건부 선택을 구비한 영상 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상 센서들에 관련된 것이고, 더욱 상세하게는 저 조도 레벨 상태의 및 고 조도 레벨 상태의 영상들을 한번에 동시에 수집하는 것으로 의도되는 것들에 관련된 것이다.
센서는 각각의 프레임에서 이중 인테그레이션 시간 (Ti1, Ti2) 을 이용하여 동작한다. 포토다이오드로부터의 저장노드로의 2 개의 연속적인 전하 수송들 (TR_a, TR_b) 즉 제 1 인테그레이션시간 (Ti1) 후의 첫 번째 전하 수송, 첫 번째 전하 수송과 상이한 제 2 인테그레이션시간 (Ti2) 후의 두 번째 전하 수송이 수행된다. 첫 번째 전하 수송 후의 저장 노드의 전위는 판독 회로의 제 1 캐패시터에서 샘플링된다 (shs1). 저장 노드의 재초기화 후의 전위는 제 2 캐패시터에서 샘플링된다 (shr). 그리고 두 번째 수송 후에 측정된 전위의 레벨은 제 1 캐패시터에서 조건부로 재샘플링된다 (shs2). 재샘플링의 조건은 첫 번째 수송 후의 신호 레벨의 상태이다. 이 레벨은 짧은 지속구간의 램프 (RMP1) 에 대한 램프 타입 변환기의 차동 증폭기에 인가된다. 임시 램프의 말단에서의 증폭기의 출력의 상태에 따라, 재샘플링 (shs2) 이 수행되는지 또는 수행되지 않는지 여부에 관한 결정이 이루어지며, 캐패시터들에서 샘플링된 차동 신호 레벨에 대한 최종 램프 (RMP2) 를 이용한 완전한 아날로그-디지털 변환이 그 후 행해진다.

Description

이중 인테그레이션 시간 및 조건부 선택을 구비한 영상 센서 {IMAGE SENSOR WITH DOUBLE INTEGRATION TIME AND CONDITIONAL SELECTION}

본 발명은 영상 센서들에 관련된 것이고, 더욱 상세하게는 저 휘도 (luminance) 레벨 상태의 및 고 휘도 레벨 상태의 영상들을 한번에 동시에 (at one and the same time) 수집하는 것으로 의도되는 것들에 관련된 것이다.

일반적으로, 액티브 (active) 픽셀들은 포토다이오드 및 3, 4, 또는 5개의 MOS 트랜지스터들을 포함하며, MOS 트랜지스터들은 포토다이오드에서의 광에 의해 발생되는 전하의 판독을 제어하는 것을 가능하게 한다. 4개의 트랜지터들을 구비한 픽셀들은 광에 의해 발생된 전하를 포토다이오드로부터 용량성 저장 노드 (capacitive storage node) 로 우선 수송함으로써, 및 그 후 저장 노드의 전위를 컬럼 도전체 (column conductor) 로 전달함으로써 동작한다; 트랜지스터들 중 하나는 포토다이오드로부터 저장 노드로의 전하의 수송 전에 저장 노드의 전위를 재초기화하는데 기여한다. 5개의 트랜지스터들을 구비한 픽셀들은 또한 포토다이오드의 전위를 재초기화하는 트랜지스터를 포함한다.

각각의 영상 프레임에서의 이중 인테그레이션 지속구간 (double duration of integration) 을 구비한 센서의 동작 모드는 특허 공개 WO2010/066850에서 설명되어 있다. 제 1 지속구간 (Ti1) 후에, 포토다이오드에 의해 발생된 전하는 저장 노드로 수송된다. 다음으로, 지속구간 (Ti1) 보다 긴 제 2 지속구간 (Ti2) 의 말단 약간 전에, 저장 노드의 전위는 판독 회로의 캐패시터에서 샘플링되며, 저장 노드의 전위는 재초기화되며, 재초기화 전위는 다른 캐패시터에서 샘플링되며, 그리고 제 2 인테그레이션 지속구간으로부터 기인하는 전하가 포토다이오드로부터 저장 노드로 수송된다. 그 후, 저장 노드의 전위의 레벨이 테스트된다. 그 저장 노드의 전위의 레벨이 픽셀의 포화의 위험을 나타낸다면, 픽셀에 의해 수신된 조도 (illumination) 레벨을 나타내는 아날로그-디지털 변환을 기 저장된 샘플들의 차이에 기초하여 수행하도록 기 저장된 샘플들을 사용할 것이다. 반대로 저장 노드의 전위의 레벨이 포화의 위험이 없다는 것을 나타낸다면, 첫 번째 캐패시터에서 이전의 저장된 레벨을 대체하는 제 3 샘플링이 행해지며, 이 새로운 샘플은 세 번째 샘플과 두 번째 샘플 사이의 차이에 대한 아날로그-디지털 변환을 행하도록 채용된다.

제 3 조건부 샘플링은 따라서 제 2 인테그레이션 지속구간 동안 수집된 전하 레벨의 함수로서 행해진다. 선택은, 픽셀들의 로우의 판독시에 픽셀별로 이루어진다.

또한 제 1 인테그레이션 지속구간보다 더 짧은 제 2 인테그레이션 지속구간이 제공될 수도 있다. 이 경우 저장 노드로의 두 번째 수송 전에 저장 노드의 전위의 레벨에 관해 테스트가 수행된다; 이것은 더 긴 인테그레이션으로부터 기인한 전위이다. 이때, 포화의 위험이 있다면, 제 3 샘플링이 아날로그-디지털 변환 전에 행해질 것이다; 포화의 위험이 없다면 제 3 샘플링이 행해지지 않을 것이고 아날로그-디지털 변환이 첫 번째 및 두 번째 샘플에 기초하여 행해질 것이다.

그것이 디지털로 변환되는 더 짧은 인테그레이션 지속구간으로부터 기인한 레벨인 경우, 변환의 결과는 더 짧은 지속구간에 대한 더 긴 지속구간의 비율에 의해 곱해져, 그 값을 더 긴 인테그레이션으로부터 발생하는 전하 레벨의 변환의 결과와 동일한 스케일에 참조시킨다.

제 3 샘플링에 관해 결정하는 이 테스트가 결점들을 보인다는 것이 주목되어 왔다.

우선, (부피가 큰) 비교기가 각각의 컬럼에 필요하다. 그리고나서, 픽셀들의 로우를 선택하는 때에 저장 노드의 전위의 레벨을 수신하는 컬럼 도전체의 전위의 절대값에 관해 테스트가 행해진다. 이 전위는 포화의 위험을 정하는 임계값과 비교된다. 따라서 테스트는 차동 값 (전위의 유효 레벨 (useful level) 마이너스 재초기화 레벨) 이 아니라 전위의 레벨의 절대값에 관련된다. 이것은 사용되는 임계값의 선택에서 불확실성을 생성한다. 또한, 포화의 위험을 검출하기 위해 비교기에 적용되야 하는 임계값에서의 다른 불확실성들이 있다. 이러한 불확실성들은 제조 방법에서의 변동들에, 온도의 변동들에, 각종 픽셀들에서의 판독 트랜지스터들의 오프셋 전압에서의 차이들에, 픽셀들의 매트릭스의 각종 컬럼들에 상응하는 비교기들의 오프셋 전압들의 차이들에 관련된다. 따라서, 포화의 위험이 있는지 없는지를 아는 것을 가능하게 하는 임계값을 결정하기 위해 충분한 마진 (margin) 들을 가져야 하는 것은 의무적이다. 이것은 동적 범위 (dynamic range) 의 손실, 다시 말해 센서가 주어진 인테그레이션 지속구간에 대해 실제로 측정할 수 있는 조도들의 간격에서의 감소를 수반한다. 마지막으로, 컬럼 도전체의 전위의 레벨의 샘플링의 순간을 제외한 때에서의 이 전압 비교를 행할 필요성은 추가적인 전류 소비를 수반한다. 사실, 컬럼 도전체는 컬럼 도전체가 저장 노드의 전위의 레벨을 복제 (copy) 해야 하는 시기 (phase) 들 동안만 에너자이징된다. 여기서, 컬럼 도전체는 테스트 동안 및 이 비교 후인 제 3 샘플링 동안의 양자 동안에 에너자이징되야 한다.

이러한 결점들을 회피하기 위해 본 발명은, 첫 번째 샘플 및 두 번째 샘플이 저장된 후 및 제 3 샘플링에 대해 스케줄링 된 시점 전에 첫 번째 샘플과 두 번째 샘플 사이의 차동 전압 (differential voltage) 을 테스트하는 아날로그-디지털 변환기의 일부들을 사용할 것을 제안한다. 아날로그-디지털 변환기는 선형 전압 램프 (linear voltage ramp), 및 증폭기의 2 개의 입력들 상의 전압의 차이가 전압 램프 때문에 영 (zero) 이 될 때 토글링하는 큰 이득을 갖는 차동 증폭기를 이용한 램프 타입 변환기이다. 본 발명에 따르면, 고정된 지속구간의 짧은 선형 전압 램프 및 알려진 기울기가 적용될 것이다; 증폭기가 램프의 말단 전에 토글링한다면, 조도는 임계값 미만으로 남아 있다고 고려될 것이고 이로부터 첫 번째 캐패시터로부터 행해질 새로운 샘플링에 관한 결론이 도출될 것이다. 제 3 샘플링이 수행된다면, 제 3 샘플링은 첫 번째 샘플을 대체한다. 최종적인 (definitive) 아날로그-디지털 변환이, 제 3 샘플링이 있든 없든 간에 제 3 샘플링을 위해 예비된 시점 후에 저장된 샘플들에 관해 행해진다.

결과적으로 본 발명은 로우들 및 컬럼들로 조직된 픽셀들의 매트릭스를 포함하는 액티브 픽셀들을 구비한 영상 센서를 제안하며, 하나의 동일한 (one and the same) 컬럼의 픽셀들은 판독 회로에 연결된 컬럼 도전체 자체에 연결되고, 각각의 픽셀은 수송 트랜지스터에 의해 저장 노드에 연결된 포토다이오드 및 저장 노드를 컬럼 도전체에 연결하거나 저장 노드를 이 도전체로부터 격리하는 로우 선택 트랜지스터를 포함하고, 센서는 인테그레이션 및 픽셀의 전하의 판독의 하나의 동일한 주기 동안 포토다이오드로부터 저장 노드로의 전하의 2 개의 수송들, 즉 제 1 인테그레이션 지속구간 후의 첫 번째 수송, 첫 번째 수송과 상이한 제 2 인테그레이션 지속구간 후의 두 번째 수송을 수행하는 수단, 첫 번째 전하 수송 후 컬럼 도전체에 의해 측정된 전위의 레벨에 대한 제 1 샘플링을 판독 회로의 제 1 샘플링 캐패시터에서 행하는 수단, 저장 노드의 재초기화 후 컬럼 도전체에 의해 측정된 전위의 레벨에 대한 제 2 샘플링을 판독 회로의 제 2 캐패시터에서 행하는 수단, 및 두 번째 전하 수송 후 측정된 전위의 레벨에 대한 제 3 조건부 샘플링을 제 1 캐패시터에서 행하는 수단을 포함하고, 판독 회로는 2 개의 캐패시터들에 연결된 차동 증폭기 및 선형 전압 램프를 상기 캐패시터들 중 하나에 인가하는 수단을 포함하는 램프 타입 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 램프의 효과는 증폭기가 캐패시터들에서 샘플링된 전위들에 따른 가변 지속구간 후에 토글링하는 것을 초래하며, 센서는, 우선 첫 번째 전하 수송 후에 임시 램프 (provisonal ramp) 를 인가하고 그 후 2 개의 캐패시터들에서 샘플링된 전압들 사이의 차이에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하기 위해 두 번째 전하 수송 후에 최종 램프 (definitive ramp) 를 인가하는 수단을 포함하며 임시 램프의 말단에서의 증폭기의 출력의 상태는 제 3 조건부 샘플링을 인에블 또는 디스에이블 하는데 사용되는 것을 특징으로 한다.

임시 램프의 기울기는 비교 시기 (Phase) 를 가속하도록 최종 램프의 기울기보다 더 가파를 수도 있다. 램프의 지속구간은 고정되어 있다.

임시 램프의 말단에서의 증폭기의 출력의 상태는, 제 3 샘플링을 트리거링 (triggering) 하거나 트리거링 하지 않는데 뿐만 아니라, 최종적인 아날로그-디지털 변환의 값을 더 짧은 지속구간에 대한 더 긴 인테그레이션 지속구간의 비율에 의해 곱하거나 곱하지 않을 결정에 관한 정보의 항목을 보전하는데 기여한다.

픽셀이, 2개의 인테그레이션 지속구간들 동안 동일하지 않은 증배 계수 (multiplier coefficient) 를 이용하여 픽셀 내에서의 전자들의 증배 (multiplication) 를 수행하는 수단으로 구성되는 경우, 최종적인 변환의 값은 마찬가지로 더 짧은 지속구간 동안에 사용되는 증배 인자 (multiplication factor) 에 대한 더 긴 지속구간 동안에 사용되는 증배 인자의 비율에 의해 곱해진다.

일 실시형태에서, 제 1 인테그레이션 지속구간이 더 짧다. 램프의 말단 전의 증폭기의 토글링은 램프의 말단에서의 레벨에 의해 결정되는 임계값 미만의 조도를 나타내며, 제 3 샘플링의 적용을 인에이블한다; 토글링의 부존재는 임계값 위의 조도를 나타내며 세 번째 샘플링을 디스에이블 한다.

바람직하게는, 임시 램프의 지속구간은, 임시 램프의 시작과 말단 사이의 전위의 변동이 최종 램프의 시작과 말단 사이의 변동의 일부분 (fraction) 이도록 선택되고 이 일부분은 2 개의 인테그레이션 지속구간들의 비율 미만이거나 동등하다 (바람직하게는 약간 미만이다).

다른 실시형태에서, 첫 번째 지속구간이 더 길다. 증폭기의 토글링은 제 3 샘플링의 적용을 디스에이블한다. 이 경우, 바람직하게는 첫 번째 전하 수송 후의 저장 노드의 재초기화가 제공되며, 저장 노드의 재초기화는 재초기화 전위의 2 개의 상이한 레벨들을 이용하고 제 2 캐패시터에서의 재초기화 전위의 각 경우마다의 샘플링을 이용한 2 개의 단계들에서 행해진다; 임시 테스트 램프는 재초기화 레벨의 2 개의 샘플링들 사이에 인가된다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점은 후속하며 다음의 첨부된 도면들을 참조하여 주어지는 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다:
도 1 은 본 발명에 따른 센서의 판독 회로의 구조 및 픽셀의 구조를 나타낸다.
도 2 는 픽셀에 대한 그리고 판독 회로에 대한 동작 타임차트를 나타낸다.
도 3 은 동작 타임차트 변형형태를 나타낸다.
도 4 는 프로그램가능한 이득을 갖는 증폭기를 구비한 판독 회로 변형형태를 나타낸다.

본 발명에 따른 센서의 판독 회로 및 5개의 트래지스터들을 구비한 액티브 픽셀이 도 1에 나타나있다. 픽셀의 구조는 종래의 것이다. 픽셀은 포토다이오드 (PD), (도 1에서는 단순한 점에 의해 표시되고 실제로는 P-타입 층에서 N 타입 확산에 의해 구현되는) 용량성 저장 노드 (ND), 포토다이오드의 캐소드와 저장 노드 사이의 전하 수송을 위한 트랜지스터 (T1), 저장 노드의 전위를 재초기화하는 트랜지스터 (T2), 포토다이오드의 전위를 재초기화하는 트랜지스터 (T3), 팔로워 트랜지스터 (follower transistor; T4), 로우 선택 트랜지스터 (row selection transistor; T5) 를 포함한다. 4개의 트랜지스터들을 구비한 픽셀에 있어서 트랜지스터 (T3) 은 생략될 것이다.

수송 트랜지스터 (T1) 는 수송 신호 (TR) 에 의해 제어된다. 트랜지스터 (T2) 는 그것의 드레인을 기준 전위 (VREF) 에 연결되게 하며, 트랜지스터 (T2) 는 재초기화 제어 신호 (RST) 에 의해 제어된다. 트랜지스터 (T3) 는 포토다이오드의 캐소드와 전력 공급 전위 (Vdd) 일 수도 있는 기준 전위 사이에 연결된다. 트랜지스터 (T3) 는 재초기화 신호 (Rph) 에 의해 제어된다. 팔로워 트랜지스터 (T4) 는 그것의 드레인을 전력 공급 (Vdd) 일 수도 있는 고정된 전위에 연결되게 하며, 그것의 소스를 로우 선택 트랜지스터 (T5) 에 연결되게 하며 그것의 게이트를 저장 노드 (ND) 에 연결되게 한다. 마지막으로, 로우 선택 트랜지스터 (T5) 는 그것의 게이트를, 하나의 동일한 로우의 픽셀들의 모든 로우 선택 트랜지스터들을 연결하는 로우 선택 도전체에 연결되게 한다; 이 도전체는 이 로우에 대해 특정한 로우 선택 신호 (SEL) 에 의해 제어된다; T5의 드레인은 팔로워 트랜지스터의 소스에 연결되며 T5의 소스는, 하나의 동일한 컬럼의 픽셀들의 모든 픽셀들에 공통인 컬럼 도전체 (COL) 에 연결된다.

컬럼 도전체는 컬럼의 하단부에서 판독 회로에 연결된다. 트랜지스터 (T6) 를 통해 전류 소스에 또한 연결된다. 트랜지스터 (T6) 가 신호 (EN_PIX) 에 의해 턴 온 (turn on) 될 때, 선택된 픽셀의 트랜지스터 (T4) 는 전압 팔로워 (voltage follower) 로서 작동하며 저장 노드는 그것의 전위를 컬럼 도전체에 전달한다. 신호 (EN_PIX) 는, 컬럼 도전체의 전위의 샘플링의 시기들을 제외한 소비를 제한하기 위해, 컬럼 도전체로부터 전류 소스를 격리하는데 기여한다.

판독 회로는, 선택된 픽셀로부터 기인하는 조도 정보를 판독하는 시퀀스의 다양한 시점들에서의 컬럼 도전체의 전위 값을 샘플링하고 보존하는 샘플링 수단을 포함한다. 이러한 샘플링 수단은 캐패시터 (Cr) 및 캐패시터 (Cs), 및 컬럼 전위를 이 캐패시터들에 인가하는 것을 가능하게 하는 각각의 스위치들 (Kr 및 Ks) 을 포함한다. 스위치들 (Kr 및 Ks) 은 SHR 및 SHS로 세계적으로 표시되는 신호들에 의해 각각 제어된다.

판독 회로는 또한, 저장 노드 (ND) 를 재초기화하는 전위 레벨인 캐패시터 (Cr) 상에서 샘플링되는 전위와 포토다이오드로부터 저장 노드로의 전하의 수송 후의 유효 전위의 레벨인 캐패시터 (Cs) 상에서 샘플링되는 전위 사이의 차동 전압을 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함한다.

변환기는 램프 타입변환기이다. 램프 타입 변환기들은, 선형 전압 램프 발생기, 차동 증폭기의 2개의 입력들상의 전압들이 램프의 형성 (evolution) 과정 중에 동등하게 될 때 토글링하는 대 (large) 이득 AMP를 구비한 오토제로 (autozero) 인 차동 증폭기, 및 램프 발생기와 동기화되어 있고 램프의 시작부터 증폭기가 토글할 때까지 고 주파수로 카운팅하는 카운터 (CPT) 를 필수적으로 포함한다. 선형 램프 발생기는 캐패시터 (Cs) 에 연결되는 단순한 점 (point) 에 의해 나타나 있다.

그러한 변환기는 다음과 같이 동작한다: 캐패시터들 사이의 차동 전압을 변환하기 위해, 캐패시터들은 차동 증폭기의 입력들에 연결되며, (변환의 시작을 마킹하는) 초기 시점에 선형 전압 램프는 캐패시터들의 다른 단자에 그리고 스타트업 펄스 (startup pulse) 는 카운터에 인가된다. 차동 증폭기의 출력은, 증폭기에 연결되는 캐패시터들의 2개의 단자들상에서 전압들이 동등하게 될 때, 토글하며 카운팅의 말단을 정한다. 그 후 카운터의 내용 (content) 은 이 동등성을 획득하기 위해 요구된 시간을 나타낸다; 전압 램프는 선형이며, 이 시간은 램프의 스타트업의 초기 시점에 입력들상에 존재했던 전위들의 차이와 비례한다. 램프의 말단 후의 카운터의 내용은 메모리에 위치되며 캐패시터들에서의 이중 샘플링에 의해 획득된 조도 값을 나타낸다.

램프는 모든 판독 회로들, 다시 말해 매트릭스의 모든 컬럼들에 공통일 수도 있다.

카운터는 각각의 판독 회로에서 개별적으로 제공될 수도 있다; 그렇지 않으면 모든 컬럼들에 대해 단일한 카운터를 제공하는 것이 가능하며, 이 경우 컬럼과 연관된 판독 회로는 이 컬럼의 차동 증폭기의 토글링 시에 카운터의 내용을 저장할 수 있는 메모리를 포함한다.

다음의 것에서는, 예로서, 각각의 판독 회로에 카운터가 있는 것으로 고려된다.

영상 프레임 도중에 픽셀에 의해 수신된 조도를 측정하는 시퀀스의 상세 사항들은 도 2의 타임차트를 참조하여 이제 설명될 것이고, 도 1의 다른 엘리먼트들이 동시에 설명될 것이다.

영상의 캡쳐는 동일한 프레임 도중에 상이한 값들 (Ti1 및 Ti2) 의 2 개의 연속적인 인테그레이션 지속구간들을 이용하여 프레임별로 행해진다. 더 짧은 지속구간 동안 수집된 신호는 다량의 광을 수신하는 픽셀들에 대해 사용되고, 더 긴 지속구간 동안 수집된 신호는 더 긴 지속구간을 수신하는 픽셀들에 대해 사용된다. 선택은 픽셀별로 및 프레임별로 행해진다. 도 2의 경우에, 첫 번째 지속구간 (Ti1) 은 더 짧다.

측정 시퀀스는 다음과 같다. 의무적인 것은 아니지만, 포토다이오드를 재초기화하는 트랜지스터 (T3) 가 픽셀에 제공되는 것으로 가정된다. 그러한 트랜지스터가 제공되지 않는다면, 포토다이오드는 트랜지스터들 (T1 및 T2) 을 동시에 턴 온 함으로써 재초기화될 것이다.

재초기화 순간 노치 펄스 (reinitialization temporal notch pulse; Rph) 는 픽셀들의 하나의 전체 (a whole) 로우에 대한 트랜지스터 (T3) 의 게이트에 인가된다. 노치 펄스는 포토다이오드 (PD) 에 저장된 전하를 전력 공급 전위 (Vdd) 에 비우도록 하는 역할을 한다. 포토다이오드에서의 전하의 인테그레이션은 이 노치 펄스가 지속되는 한 억제된다. 노치 펄스 (Rph) 는 각각의 로우에 대해 독립적으로 제공되며 하나의 로우로부터 다른 로우까지 오프셋 (offset) 된다. 하나의 로우에 해당하는 타임차트만이 나타나 있다.

포토다이오드 (PD) 에서의 전하의 제 1 인테그레이션은 지속구간 (Ti1) 동안 발생한다.

이 지속구간 도중의 중간 시점에서, 이 트랜지스터들을 턴 온하는 단시간의 노치 펄스 (RST_a) 가 로우의 모든 픽셀들의 트랜지스터들 (T2) 의 게이트상에서 생성된다. 저장 노드 (ND) 의 전위는 그 로우의 모든 트랜지스터들에 대해 전위 (VREF) 에 관련된 고정된 값으로 재초기화된다.

다음으로, 제 1 전하 수송 노치 펄스 (TR_a) 가 로우의 수송 트랜지스터들 (T1) 의 제어 게이트에 인가된다. 포토다이오드에서의 광에 의해 발생된 전하는 저장 노드로 넘친다 (spill over). 상기의 전하는 이 노드의 전위를 변경한다. 첫 번째 전하 인테그레이션 지속구간 (Ti1) 의 말단은 제 1 수송 노치 펄스 (TR_a ) 의 말단에 의해 정해진다.

제 2 인테그레이션 지속구간 (Ti2) 이 그 후 시작한다. 포토다이오드는 노치 펄스 (TR_a) 동안 그 전하가 비워졌고 이제 다른 전하를 인테그레이션한다.

지속구간 (Ti2) 의 말단 전에, 픽셀들의 로우를 선택하는 노치 펄스 (SEL) 가 이 로우의 픽셀들을 판독하는 프로세스에 관여하도록 확립된다 (established). 이 노치 펄스는 로우 선택 트랜지스터 (T5) 를 턴 온 한다. 이것은 팔로워 트랜지스터 (T4) 를 활성화하고 저장 노드 (ND) 의 전위를 (트랜지스터 게이트-소스 전압 내까지) 컬럼 도전체 (COL) 에 전달한다. 컬럼 도전체는 그 후 전위의 제 1 레벨을 측정한다. 노치 펄스 (SEL) 는 고려되는 로우의 픽셀들의 판독의 지속구간 내내 활성 상태로 남아 있고, 그 후 노치 펄스 (SEL) 는 인터럽트 (interrupt) 되며, 유사한 노치 펄스가 다른 로우에 인가될 수도 있는 것은 이 인터럽트 후에만 이다. 그러나, 신호 (SEL) 는 후속하는 다양한 동작들 동안 계속적인 것이 아니라 샘플링들 (SHR 및 SHS) 시에만 산발적으로 활성화된다는 것은 예상될 수도 있다. 단순화를 위해, 계속적인 노치 펄스가 모든 신호들 SHR 및 SHS의 지속구간을 포함하는 것으로 나타나 있다. 다음의 동작들이 노치 펄스 (SEL) 동안 수행된다:

- 컬럼 도전체상에 존재하는 전위의 제 1 샘플을 판독 회로의 제 1 캐패시터 (Cs) 에서 수집하기 위해, 제어 노치 펄스 (shs1) 가 판독 회로에서의 스위치 (Ks) 에 인가된다; 이 전위는 전하의 첫 번째 수송에 기인한 것이고 따라서 제 1 인테그레이션 지속구간 (Ti1) 내내의 픽셀의 조도에 의존한다;

- 제 2 재초기화 노치 펄스 (RST_b) 는 픽셀들의 로우의 트랜지스터들 (T2) 의 게이트들에 인가된다; 저장 노드의 전위는 고정된 값으로 재초기화된다; 재초기화된 컬럼 전위를 나타내는 제 2 샘플을 샘플링하기 위해 제어 노치 펄스 (shr) 가 그 후 판독 회로에서의 스위치 (Kr) 에 인가된다; 이 샘플은 판독 회로의 제 2 샘플링 캐패시터 (Cr) 에 저장된다;

- 노치 펄스 (shr) 의 말단 후에, 램프 타입 아날로그-디지털 변환기에 의한 임시적인 변환 (provisonal conversion) 으로 명명될 수도 있는 동작이 시작된다; 이것은 부분적인 변환 동작만을 수반하며 왜냐하면 이 시기에는 제 1 인테그레이션 지속구간 내내 수신된 조도의 임계값의 도과 (overstepping) 또는 비 도과를 검증하는 정보 비트만을 제외하고는 디지털 값을 수집할 필요가 없기 때문이다; 제 1 선형 전압 램프 또는 임시 램프 (RMP1) 가 캐패시터들 중의 하나, 예를 들어 캐패시터 (Cs) 의 단자에 인가된다; RMP1은 시점 (t_conv1) 로부터 시점 (t'_conv1) 까지의 고정된 지속구간을 가지며 그 램프의 기울기는 고정되어 있다 (그 램프의 기울기는 최종적인 아날로그-디지털 변환 동안에 기능을 수행 (serve) 할 램프의 기울기보다 더 가파를 수도 있으며, 더 가파른 기울기는 램프의 말단에서 증폭기의 입력상의 전위의 레벨에 의해 정해진 임계값을 더욱 신속하게 획득하는 것을 가능하게 한다); 이 고정된 지속구간 후에, 변환기의 입력 증폭기 (AMP) 는 토글했거나 토글하지 않았다; 토글했다면, 그 후 조도 레벨은 임계값 미만으로 낮다; 토글하지 않았다면, 그 후 그 레벨은 임계값 위이다; 토글링 또는 비 토글링에 관한 정보는 메모리에 예를 들어 신호 (SAT) 를 제공하는 플립 플롭에 보존된다;

- 증폭기의 토글링에 관한 이 정보는 제 3 샘플링 명령인 제어 (shs2) 의 후속적인 인가를 인에블 (enable) 또는 디스에이블 (disable) 하는 로직 회로 (여기는서 AND 게이트 및 OR 게이트) 에 대한 입력으로서 기능한다; 조도 레벨이 높은 경우 (비교기가 시간 (t'_conv1) 전에 토글링되지 않았음), 후속하는 샘플링 shs2 는 인에블되지 않는다; 증폭기가 토글링한 경우, 샘플링 shs2 는 인에이블된다;

- 그 후에 로우의 모든 픽셀들에 대해 제 2 수송 노치 펄스 (TR_b) 가 수송 트랜지스터 (T1) 의 게이트로 인가된다; 포토다이오드에서 지속구간 (Ti2) 내내 인테그레이션된 전하는 저장 노드 (ND) 로 넘친다; 지속구간 (Ti2) 는 노치 펄스 (TR_b) 의 말단에서 종료한다; 컬럼 도전체의 전위는 이 제 2 전하 수송 후의 저장 노드의 새로운 전위를 (게이트-소스 전압 내까지) 따른다;

- 시간 (t'_conv1) 후의 제 3 샘플링 명령 (shs2) 은 캐패시터 (Cs) 의 현재의 내용 대신에 컬럼 도전체의 전위의 샘플을 캐패시터 (Cs) 에 위치시킨다; 이 전위는, 제 2 인테그레이션 지속구간 (Ti2) 의 말단에서의 포토다이오드의 전하의 넘침 (spillover) 후의 저장 노드의 레벨을 나타낸다;

- 마지막으로, 캐패시터 (Cr) 의 내용과 캐패시터 (Cs) 의 내용 사이의 차이의 최종적인 아날로그-디지털 변환이 실행된다; 후자의 내용은 신호 (shs2) 가 생성되었는지 또는 생성되지 않았는지에 따라 제 2 또는 제 1 인테그레이션 지속구간으로부터 기인하는 유효 신호를 나타낸다; 이 최종적인 변환 단계는, 시점 (t_conv2) 에서 영 (zero) 부터 재시작하며 캐패시터들에 저장된 차동 전압의 변환을 할 수 있게 하는데 충분한 지속구간을 갖는 최종 선형 전압 램프 (definitive linear voltage ramp; RMP2) 를 이용하여 실행된다.

제 1 변환 램프 (RMP1) 의 기울기 및 지속구간은, 이 지속구간의 말단에서의 비교기의 토글링이 제 2 인테그레이션 지속구간이 사용된다면 픽셀을 포화시키는 위험을 무릅쓰는 조도의 한계에 상응하도록 선택된다. 차동 증폭기의 입력상에서의 임시 램프의 말단에서 획득되는 전위의 레벨은 최종 램프의 말단에서 획득되는 전위의 레벨의 일부분 (fraction) 과 동등하다. 이 일부분은 바람직하게는 지속구간 (Ti2) 에 대한 지속구간 (Ti1) 의 비율보다 약간 미만이다.

증폭기 (AMP) 가 시점 (t'_conv1) 전에 토글링하지 않은 경우에, 변환기는 제 1 인테그레이션 지속구간으로부터 발생하는 전위의 레벨을 변환하지만, 마치 그 변환이 제 2 인테그레이션 지속구간의 결과에 관련된 것처럼, 그 변환의 결과는 그것을 동일한 스케일 (scale) 에 참조시키기 위해 비율 Ti2/Ti1 에 의해 곱해져야 한다. 시점 (t'_conv1) 에서 수행된 테스트의 결과 (SAT) 는 따라서 이 승산 (multiplication) 을 인에이블 또는 디브에이블 하도록 메모리에 보유된다.

승산은 센서의 외부에서 행해질 수도 있다.

픽셀이, 2개의 인테그레이션 지속구간들 동안 동일하지 않은 증배 계수를 이용하여 픽셀 내에서의 전자 (electron) 들의 증배를 수행하는 수단으로 구성되는 경우, 최종적인 변환의 값은 마찬가지로 더 짧은 지속구간에 대해 사용되는 증배 인자에 대한 더 긴 지속구간에 대해 사용되는 증배 인자의 비율에 의해 곱해진다.

테스트의 지속구간은 극도로 짧을 수도 있고 결과적으로 테스트의 지속구간이 픽셀 판독 프로세스를 상당히 늦추지 않는다는 것은 이해될 것이다. 사실, 지속구간들 (Ti2 및 Ti1) 의 비율이 예를 들어 10이라면, 비교기가 토글링해야 하는 조도 임계값은 낮다 (제 1 인테그레이션 시간으로 측정가능한 조도들의 간격의 10분의 1). 비교기는 따라서, 특히 램프의 기울기가 가파르다면 이 임계값을 획득하기 위해 램프의 시작 후에 매우 신속하게 토글링할 것이다. 이 조도 임계값의 검출에 대해 그리 많은 정밀도가 필요로 되지 않기 때문에 (항상성 (constancy) 만이 필요로 됨), 램프는 가파를 수도 있다.

변형 실시형태에서, 2개의 지속구간들 중 더 긴 것인 제 1 인테그레이션 지속구간 (Ti1) 이 제공될 수도 있다. 제 3 샘플링 (shs2) 의 조건 (condition) 에 대한 테스트는 또한 첫 번째 전하 수송의 결과상에서 행해지지만, 제공되는 임계값은 동일하지 않고 조건의 의미는 반대로 된다 (reversed): 조도가 임계값을 도과한다면, 제 3 샘플링 (shs2) 이 행해지고, 그렇지 않다면 제 3 샘플링 (shs2) 가 행해지지 않는다.

도 2에서와 같은 동일한 시퀀스를 실행하는 것은 가능하다. 임시 램프 (RMP1) 의 지속구간이 최종 램프 (RMP2) 의 지속구간과 거의 동일한 것이 바람직하지 않다면 그 램프의 기울기를 상당히 증가시키는 것이 필요할 것이라는 것은 결점이다. 사실, 검출되는 포화의 임계값은 더 긴 지속구간 (Ti1) 동안의 조도로부터 기인하는 임계값이다.

대안으로, 이 결점을 회피하기 위해 저장 노드의 전위의 재초기화와 관련된 부분은 다음과 같은 방식으로 변형될 수도 있다. 저장 전위의 샘플링에 이어지는 단순한 재초기화 (RST_b) 를 행하는 것 대신에, 2 개의 연속적인 재초기화들 (RST_b1 및 RST_b2) 이 2 개의 샘플링 신호들 (shr1 및 shr2) 에 의한 캐패시터 (Cr) 에서의 2개의 연속적인 샘플링들로 행해진다; 첫 번째 재초기화는, 측정의 영 (zero) 을 정하는 고 전위 (VREF) 가 결코 아니고 제 3 샘플링을 조절하는 (condition) 데 기여할 임계값에 근접하는 저 전위 (VREFB) 다시 말해 픽셀에 대한 포화 레벨에 근접한 저 전위인 전위를, 저장 노드에서 확립한다. 제 3 샘플링 (shs2) 의 조건에 대한 테스트는 shs1 동안 샘플링된 유효 레벨과 VREFB에 의해 정해지는 이 낮은 재초기화 레벨 사이의 차이 상에서 수행된다. 짧은 임시 램프 (RMP1) 는, 하나가 포화 임계값 미만인지 또는 위인지 여부를 결정하는데 및 위라면 제 3 샘플링 (shs2) 를 시행 (impose) 하는데 충분할 것이다.

두 번째 재초기화 (RST_b2) 는 정상의 (normal) 재초기화 레벨 (VREF) 로 행해진다. 캐패시터 (Cr) 에서 램프 (RMP1) 의 말단 후에 그 결과가 샘플링된다. 다음으로, 인테그레이션 시간 (Ti2) 동안 획득된 유효 전하는 노치 펄스 (TR_b) 에 의해 저장 노드로 수송되며 샘플링 (shs2) 은 테스트의 결과에 따라 수행되거나 수행되지 않는다.

최종 램프는, 샘플링 펄스 (shs2) 를 위해 예비된 시점 후의 시점 (t_conv2) 에, 이 펄스가 인에이블 되었든 안되었든, 인가된다. 이 변환은 (임계값 미만의 조도의 경우) 펄스들 (shr2 및 shs1) 에 의해 확립된 샘플들 또는 (임계값 위의 조도의 경우) 펄스들 (shr2 및 shs2) 에 의해 확립된 샘플들 사이의 차이에 관련된다. 두 번째 경우에서만 측정이 진정 상관 이중 샘플링 (true correlated double sampling) 을 이용한 측정이다.

컬럼의 하단부에서의 판독회로의 가능한 개선은 컬럼 도전체상의 신호의 조건부 증폭을 제공하는 것에 있다. 조건은 세 번째 샘플링 (shs2) 의 사용의 조건과 동일하다. 이 경우, 도 4에서 나타낸 바와 같이, 저잡음 프로그램가능 이득 증폭기 (programmable-gain amplifier; PGA) 가 컬럼 도전체와 샘플링 회로들 (캐패시터들 (Cr, Cs) 및 스위치들 (Kr, Ks)) 사이에 삽입된다. 고정된 지속구간의 임시 램프에 의해 검출된 임계값 미만의 조도의 경우, 제 3 샘플링에 관해서 결정이 내려지는 것뿐만 아니라 (1 보다 큰) 이득 G를 예를 들어 이득 32를 신호에 인가되는 것에 관한 결정이 내려진다. 임계값 위의 조도의 경우, 증폭기 (PGA) 는 단위 (unit) 이득을 갖도록 제어된다.

이 개선은 제 2 인테그레이션 지속구간보다 더 짧은 제 1 인테그레이션 지속구간을 구비한 타임차트를 요구한다 (도 2).

이 증폭기의 가능한 오프셋 (offset) 은 판독을 방해하지 않으며, 왜냐하면 재초기화 레벨의 측정에서 및 전하 넘침 (charge spillover) 후의 유효 레벨의 측정에서의 양자에서 그 증폭기가 존재하기 때문이다. 이중 샘플링은 약한 조도들의 경우에 진정 상관 이중 샘플링을 유지한다.

그러한 이득을 인가함으로써, 영상 캡쳐들의 속도를 가속하기 위해 긴 인테그레이션 지속구간을 감소시키는 것이 가능하다.

조건부 이득의 비사용의 경우, 다시 말해 강한 조도의 경우에, 강한 조도들에 대해 행해진 측정들을 약한 조도들에 대해서와 동일한 스케일에 참조시키기를 바란다면 조건부 이득 (G) 과 동등한 증배 계수를 강한 조도들에 대해 행해진 측정들에 적용하는 것이 가능하다.

Claims (8)

1. 로우 (row) 들 및 컬럼 (column) 들로 조직된 픽셀들의 매트릭스 (matrix) 를 포함하는 액티브 (active) 픽셀들을 구비한 영상 센서로서,
   하나의 동일한 (one and the same) 컬럼의 픽셀들은 판독 회로에 연결된 컬럼 도전체 (COL) 자체에 연결되고, 각각의 픽셀은 수송 트랜지스터 (T1) 에 의해 저장 노드에 연결된 포토다이오드 및 상기 저장 노드를 상기 컬럼 도전체에 연결하거나 상기 저장 노드를 상기 컬럼 도전체로부터 격리하는 로우 선택 트랜지스터 (T5) 를 포함하고,
   상기 센서는, 인테그레이션 및 픽셀의 전하의 판독의 하나의 동일한 주기 동안 상기 포토다이오드로부터 상기 저장 노드로의 전하의 2 개의 수송들, 즉 제 1 인테그레이션 지속구간 (Ti1) 후의 첫 번째 수송, 상기 첫 번째 수송과 상이한 제 2 인테그레이션 지속구간 (Ti2) 후의 두 번째 수송을 수행하는 수단, 상기 첫 번째 전하 수송 후 상기 컬럼 도전체에 의해 측정된 전위의 레벨에 대한 제 1 샘플링을 상기 판독 회로의 제 1 샘플링 캐패시터 (Cs) 에서 행하는 수단, 상기 저장 노드의 재초기화 후 상기 컬럼 도전체에 의해 측정된 전위의 레벨에 대한 제 2 샘플링을 상기 판독 회로의 제 2 캐패시터 (Cr) 에서 행하는 수단, 및 상기 두 번째 전하 수송 후 측정된 전위의 레벨에 대한 제 3 조건부 샘플링을 상기 제 1 캐패시터에서 행하는 수단을 포함하고,
   상기 판독 회로는 상기 2 개의 캐패시터들에 연결된 차동 증폭기 및 선형 전압 램프를 상기 캐패시터들 중 하나에 인가하는 수단을 포함하는 램프 타입 (ramp-type) 아날로그-디지털 변환기를 포함하고,
   상기 램프의 효과는 상기 증폭기가 상기 캐패시터들에서 샘플링된 전위들에 따른 가변 지속구간 후에 토글링 (toggling) 하는 것을 초래하며,
   상기 센서는, 우선 상기 첫 번째 전하 수송 후에 임시 램프 (provisional ramp; RMP1) 를 인가하고 그 후 상기 두 번째 전하 수송 후에 상기 2 개의 캐패시터들에서 샘플링된 전압들 사이의 차이에 대해 최종적인 아날로그-디지털 변환을 수행하는 최종 램프 (definitive ramp; RMP2) 를 인가하는 수단을 포함하며, 상기 임시 램프의 말단에서의 상기 증폭기의 출력의 상태는 상기 제 3 조건부 샘플링을 인에블 (enable) 또는 디스에이블 (disable) 하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 영상 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 임시 램프의 말단에서의 상기 증폭기의 출력의 상태는, 상기 최종적인 아날로그-디지털 변환의 결과를 더 짧은 지속구간에 대한 더 긴 인테그레이션 지속구간의 비율에 의해 곱할 필요성에 관한 정보의 항목 (item) 을 제공하기 위해, 메모리에 보존되는 것을 특징으로 하는 영상 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 임시 램프는 상기 최종 램프보다 더 가파른 기울기를 갖는 것을 특징으로하는 영상 센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 인테그레이션 지속구간은 상기 제 2 인테그레이션 지속구간보다 짧다는 것 및 램프의 말단 전의 상기 증폭기의 토글링은 제 3 샘플링의 적용을 인에블하는 것을 특징으로하는 영상 센서.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 임시 램프의 지속구간은 상기 최종 램프의 시작과 말단 사이의 전위의 변동이 상기 임시 램프의 시작과 말단 사이의 변동의 일부분 (fraction) 이도록 선택되고, 이 일부분은 상기 2 개의 인테그레이션 지속구간들의 비율 이하인 것을 특징으로 하는 영상 센서.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 지속구간은 상기 제 2 지속구간보다 길다는 것 및 상기 증폭기의 토글링은 제 3 샘플링의 적용을 디스에이블하는 것을 특징으로 하는 영상 센서.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 첫 번째 전하 수송 후의 상기 저장 노드의 재초기화는 재초기화 전위의 2 개의 상이한 레벨들 및 상기 제 2 캐패시터에서의 상기 재초기화 전위에 대한 각 경우마다의 샘플링을 이용한 2 개의 단계들에서 행해지며, 임시 테스트 램프는 상기 재초기화 전위의 상기 2 개의 샘플링들 사이에 인가되는 것을 특징으로 하는 영상 센서.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 컬럼 도전체 상에서 신호의 조건부 증폭 (PGA) 의 수단을 포함하며,
   조건은 상기 제 3 샘플링의 이용에 대한 조건과 동일한 것을 특징으로 하는 영상 센서.

Images