KR20120122165A - Image sensor with wide dynamic range and pixel circuit and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서의 화소 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광역 동적범위(Wide Dynamic Range)를 가지는 이미지 센서, 그 화소 회로 및 구동 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a pixel circuit of an image sensor, and more particularly, to an image sensor having a wide dynamic range, a pixel circuit thereof, and a driving method thereof.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서로 구분된다. CCD 이미지 센서는 구동 방식이 복잡하고 전력 소비가 상대적으로 커서 CMOS 이미지 센서가 널리 이용된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. The image sensor is classified into a charge coupled device (CCD) image sensor and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. The CCD image sensor has a complicated driving method and a relatively high power consumption. Therefore, a CMOS image sensor is widely used.
CMOS 이미지 센서는 제어 회로 및 신호 처리 회로 등을 주변 회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터(MOS Transistor)들을 반도체 기판에 형성함으로써, 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.The CMOS image sensor forms MOS transistors corresponding to the number of unit pixels on a semiconductor substrate by using CMOS technology that uses a control circuit, a signal processing circuit, and the like as peripheral circuits, so that each unit pixel is formed by the MOS transistors. The device adopts a switching method for sequentially detecting the output of the.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토 공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등의 장점을 가진다. 또한, CMOS 이미지 센서는 각종 회로를 단일칩에 집적시킬 수가 있어 제품의 소형화가 용이한 장점도 가진다.CMOS image sensor has advantages such as low power consumption, simple manufacturing process according to a few photo process step because of the CMOS manufacturing technology. In addition, since the CMOS image sensor can integrate various circuits on a single chip, it is easy to miniaturize the product.
이러한 CMOS 이미지 센서는 2차원 행렬 형태로 배치된 다수의 화소들을 구비하고 있으며, 각 화소는 빛 에너지로부터 이미지 신호를 출력한다. 다수의 화소들 각각은 포토 다이오드를 통해 입사된 빛의 양에 상응하는 광전하를 축적하고, 축적된 광전하에 기초하여 화소의 데이터 신호를 출력한다. Such a CMOS image sensor includes a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, and each pixel outputs an image signal from light energy. Each of the plurality of pixels accumulates photocharges corresponding to the amount of light incident through the photodiode, and outputs a data signal of the pixel based on the accumulated photocharges.
도 1은 화소 어레이에 포함되는 단위 화소의 구동 회로도이다. 도 1을 참조하면, 단위 화소 구동 회로는 일반적으로 포토 다이오드(Photo Diode)(PD)와 4개의 트랜지스터를 포함하는 4-트랜지스터 구조를 가진다. 4개의 트랜지스터는 전송 트랜지스터(Transfer Transistor)(Tx), 리셋 트랜지스터(Reset Transistor)(Rx), 구동 트랜지스터(Drive Transistor)(Dx), 선택 트랜지스터(Select Transistor)(Sx)이며, 전송 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)가 만나는 노드가 부유 확산 영역(Floating Diffusion Area)(FD)이다. 1 is a driving circuit diagram of a unit pixel included in a pixel array. Referring to FIG. 1, a unit pixel driving circuit generally has a four-transistor structure including a photo diode (PD) and four transistors. The four transistors are a transfer transistor (Tx), a reset transistor (Rx), a drive transistor (Dx), a select transistor (Sx), and a transfer transistor (Tx). The node where the reset transistor Rx meets is the floating diffusion area FD.
상관 이중 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 방식의 광전 변환에서는, 로우 선택 신호에 의해 선택된 행의 각 화소에서 리셋 제어 신호(RST)가 액티브될 때 전원(VDDP)으로부터 전달된 부유 확산 영역의 신호가 참조 신호(Vref)로서 출력되고, 전송 제어 신호(PTG)가 액티브될 때 포토 다이오드(PD)에 의해 감지되어 부유 확산 영역으로 전달된 신호가 데이터 신호(Vsig)로서 출력됨으로써, 참조 신호와 데이터 신호의 차이에 따른 아날로그-디지털 변환이 이루어진다. In photoelectric conversion of a correlated double sampling (CDS) method, when the reset control signal RST is activated in each pixel of a row selected by a row select signal, a signal of a floating diffusion region transferred from a power supply VDDP is generated. The reference signal and the data signal are output as the reference signal Vref and the signal sensed by the photodiode PD and transmitted to the floating diffusion region when the transmission control signal PTG is activated is output as the data signal Vsig. Analog-to-digital conversion is performed according to the difference of.
이 경우 광역 동적범위(WDR: Wide Dynamic Range)를 구현하기 위해, 단위 화소 내에 같은 크기 혹은 다른 크기를 가지는 2개의 포토 다이오드를 형성하여 하나의 단위화소에서 두 개의 화소 신호를 출력하여 이를 합성하는 방법 혹은 단위 화소 내의 하나의 포토 다이오드에 대하여 하나의 영상 프레임 동안 서로 다른 노출 시간을 가지는 두 개의 화소 신호를 출력하여 이를 합성하는 방법이 이용되고 있다. In this case, in order to implement a wide dynamic range (WDR), two photodiodes having the same size or different sizes are formed in a unit pixel, and two pixel signals are output from one unit pixel to be synthesized. Alternatively, a method of outputting and synthesizing two pixel signals having different exposure times for one image frame with respect to one photodiode in a unit pixel is used.
전자의 방법에 의하면 하나의 단위 화소 내에 2개의 포토 다이오드를 형성하는 것은 단위 화소의 크기가 커짐으로써 상대적으로 많은 면적을 차지하게 되는 문제점이 있었다. 또는 일정한 면적의 단위 화소 내에서 2개의 포토 다이오드를 구현해야 함으로 인해 광감도가 떨어지는 문제점이 있었다. According to the former method, forming two photodiodes in one unit pixel has a problem of occupying a relatively large area as the size of the unit pixel increases. Alternatively, there is a problem in that the light sensitivity is lowered because two photodiodes must be implemented within a unit pixel having a constant area.
후자의 방법에 의하면 포토 다이오드에 연결된 동일한 화소 트랜지스터 구조를 이용하게 되므로, 종래 광역 동적범위를 위해 장노출 및 단노출에 따른 축적시간을 구분할 때 선순위 축적시간에 얻어진 광전하가 우선 부유 확산 영역에 저장되고 후순위 축적시간에 따른 광전하가 얻어진 이후에서야 각 축적시간에 따른 광전하를 이용하여 화소 신호를 생성 출력하였다. 이 경우 선순위 축적시간에 얻어진 광전하가 부유 확산 영역에 장시간 저장되어 있음으로 인해 전류 누설이 발생하여 SNR(Signal to Noise Ratio) 특성이 저하되는 문제점이 있었다.Since the latter method uses the same pixel transistor structure connected to the photodiode, the photocharge obtained at the prior accumulation time is first stored in the floating diffusion region when the accumulation time according to the long exposure and the short exposure is classified for the conventional wide dynamic range. After the photocharges according to the subordinated accumulation time are obtained, the pixel signals are generated and output using the photocharges according to the accumulation time. In this case, since the photocharges obtained at the prior accumulation time are stored in the floating diffusion region for a long time, current leakage occurs, thereby degrading the SNR (Signal to Noise Ratio) characteristic.
또한, 선순위 축적시간에 얻어진 광전하가 부유 확산 영역에 저장되어 있는 상태에서 후순위 축적시간에 강한 빛에 의해 포토 다이오드에서 오버 플로우(overflow)될 경우 선순위 축적시간에 생성하여 부유 확산 영역에 저장된 광전하에까지 영향을 미쳐 선순위 축적시간에 따른 데이터에 손실이 발생하는 블루밍(Blooming) 현상이 발생하는 문제점도 있었다. In addition, when the photocharge obtained at the prior accumulation time is overflowed in the photodiode by the light strong at the subordinated accumulation time in the state of being stored in the floating diffusion region, the photocharge is generated at the priority accumulation time and stored in the floating diffusion region. There was also a problem that blooming occurred, which caused loss of data due to prior accumulation time.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.
본 발명은 광역 동적범위 구현 시 하나의 포토 다이오드를 이용함으로써 종래 두 개의 포토 다이오드를 이용하는 경우 발생되는 각 포토 다이오드 간의 변화(variation)로 인한 신호의 왜곡이 제거된 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서, 그 화소 회로 및 구동방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides an image sensor having a wide dynamic range in which a distortion of a signal due to a variation between each photodiode generated when using two conventional photodiodes is removed by using one photodiode when implementing a wide dynamic range, and It is to provide a pixel circuit and a driving method.
또한, 본 발명은 종래 두 개의 포토 다이오드를 이용하는 경우 공정 및 설계 상의 최적화가 어려운 것에 비해 하나의 포토 다이오드를 이용함으로써 포토 다이오드의 공정 및 설계 상의 최적화가 용이한 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서, 그 화소 회로 및 구동방법을 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is an image sensor having a wide dynamic range that is easy to optimize the process and design of the photodiode by using a single photodiode compared to the difficult process and design optimization when using two photodiodes, the pixel It is to provide a circuit and a driving method.
또한, 본 발명은 다양한 출력 제어 변수가 존재함으로 인해 하나의 단위 화소에서 출력되는 둘 이상의 화소 신호의 출력값 제어가 용이한 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서, 그 화소 회로 및 구동방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide an image sensor, a pixel circuit, and a driving method having a wide dynamic range in which output values of two or more pixel signals output from one unit pixel are easily controlled due to various output control variables.
또한, 본 발명은 부유 확산 영역에 저장된 광전하에 대하여 신속히 처리함으로써 종래 광역 동적범위를 위해 축적시간을 구분할 때 선순위 축적시간에 얻어진 광전하가 부유 확산 영역에 오랜 시간 저장되어 있음으로 인해 발생되는 누설로 인한 SNR 특성 저하 및 블루밍 현상 발생을 방지할 수 있는 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서, 그 화소 회로 및 구동방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to quickly process the photocharges stored in the floating diffusion region by dividing the accumulation time for the conventional wide dynamic range, the leakage caused by the long-term storage in the floating diffusion region It is an object of the present invention to provide an image sensor, a pixel circuit, and a driving method having a wide dynamic range capable of preventing the degradation of the SNR characteristic and the occurrence of the blooming phenomenon.
또한, 본 발명은 종래 광역 동적범위 구현 시보다 화소 어레이의 모든 단위 화소에 대한 독출 시간을 단축시켜 처리 속도를 높인 광역 동적범위를 가지는 이미지 센서, 그 화소 회로 및 구동방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides an image sensor having a wide dynamic range, a pixel circuit, and a driving method thereof, which has a shorter read time for all unit pixels of a pixel array than a conventional wide dynamic range.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
Other objects of the present invention will be readily understood through the following description.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 센서의 화소 회로에 있어서, 포토 다이오드; 제1 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하에 상응하는 1회차 화소 신호를 생성하고, 제1 독출시간 동안 출력 노드를 통해 독출되도록 하는 제1 화소 신호 생성부; 및 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하에 상응하는 2회차 화소 신호를 생성하고, 제2 독출시간 동안 상기 출력 노드를 통해 독출되도록 하는 제2 화소 신호 생성부를 포함하되, 상기 1회차 화소 신호와 상기 2회차 화소 신호를 합성시켜 광역 동적범위를 구현하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로가 제공된다.According to an aspect of the invention, the pixel circuit of the image sensor, Photodiode; A first pixel signal generator configured to generate a first-order pixel signal corresponding to photocharges accumulated in the photodiode for a first accumulation time and to be read out through an output node during a first read time; And a second pixel signal generator configured to generate a second order pixel signal corresponding to the photocharges accumulated in the photodiode for a second accumulation time and to be read out through the output node during a second read time, wherein the first pixel is generated. A pixel circuit of an image sensor is provided, which combines a signal with the second order pixel signal to implement a wide dynamic range.
상기 제1 화소 신호 생성부 및 상기 제2 화소 신호 생성부는 상기 포토 다이오드와 상기 출력 노드 사이에 병렬 연결될 수 있다.The first pixel signal generator and the second pixel signal generator may be connected in parallel between the photodiode and the output node.
상기 제1 화소 신호 생성부는, 제1 전송 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 제1 부유 확산 영역으로 전송하는 제1 전송 트랜지스터와, 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 부유 확산 영역을 제1 전원전압으로 리셋시키는 제1 리셋 트랜지스터와, 상기 제1 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제1 구동 트랜지스터와, 제1 선택 신호에 따라 상기 제1 구동 트랜지스터의 출력을 상기 1회차 화소 신호로 출력하는 제1 선택 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 화소 신호 생성부는, 제2 전송 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 제2 전송 트랜지스터와, 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제2 부유 확산 영역을 제2 전원전압으로 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터와, 상기 제2 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제2 구동 트랜지스터와, 제2 선택 신호에 따라 상기 제2 구동 트랜지스터의 출력을 상기 2회차 화소 신호로 출력하는 제2 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.The first pixel signal generator may include a first transfer transistor configured to transmit photocharges accumulated in the photodiode to a first floating diffusion region in response to a first transfer control signal, and the first reset control signal in response to a first reset control signal. A first reset transistor configured to reset the floating diffusion region to a first power supply voltage, a first driving transistor source-following a signal corresponding to the photocharge transferred to the first floating diffusion region, and the first selection signal according to a first selection signal. And a first selection transistor configured to output an output of a driving transistor as the first order pixel signal, wherein the second pixel signal generator includes a second floating diffusion of photocharges accumulated in the photodiode in response to a second transmission control signal. A second transfer transistor for transferring to the region and a second for resetting the second floating diffusion region to a second power supply voltage in response to a second reset control signal; A reset transistor, a second driving transistor source-following a signal corresponding to the photocharge transferred to the second floating diffusion region, and outputting the output of the second driving transistor as the second-order pixel signal according to a second selection signal. It may include a second selection transistor.
또는 상기 제1 화소 신호 생성부는, 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 접속되는 제1 부유 확산 영역을 제1 전원전압으로 리셋시키는 제1 리셋 트랜지스터와, 상기 제1 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제1 구동 트랜지스터와, 제1 선택 신호에 따라 상기 제1 구동 트랜지스터의 출력을 상기 1회차 화소 신호로 출력하는 제1 선택 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 화소 신호 생성부는, 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 접속되는 상기 제2 부유 확산 영역을 제2 전원전압으로 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터와, 상기 제2 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제2 구동 트랜지스터와, 제2 선택 신호에 따라 상기 제2 구동 트랜지스터의 출력을 상기 2회차 화소 신호로 출력하는 제2 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.Alternatively, the first pixel signal generation unit may transmit a first reset transistor configured to reset a first floating diffusion region connected to the photodiode to a first power supply voltage in response to a first reset control signal, and to the first floating diffusion region. A first driving transistor source-following a signal corresponding to the photoelectric charge, and a first selection transistor configured to output an output of the first driving transistor as the first-order pixel signal according to a first selection signal, wherein the second pixel The signal generation unit corresponds to a second reset transistor for resetting the second floating diffusion region connected to the photodiode to a second power supply voltage in response to a second reset control signal, and a photocharge transferred to the second floating diffusion region. The second driving transistor source-following the signal and the output of the second driving transistor in accordance with a second selection signal; The may include a second selection transistor for outputting a predetermined signal.
상기 제1 축적시간의 길이 및 상기 제2 축적시간의 길이, 상기 제1 부유 확산 영역의 커패시턴스 값 및 상기 제2 부유 확산 영역의 커패시턴스 값 중 적어도 하나를 조절하여 상기 1회차 화소 신호 및 상기 2회차 화소 신호의 출력을 제어할 수 있다.The first pixel signal and the second cycle are adjusted by adjusting at least one of the length of the first accumulation time and the length of the second accumulation time, the capacitance value of the first floating diffusion region, and the capacitance value of the second floating diffusion region. The output of the pixel signal can be controlled.
상기 커패시턴스 값은 부유 확산 영역의 면적, 게이트가 상기 부유 확산 영역에 연결되는 구동 트랜지스터의 크기 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.The capacitance value may be determined by at least one of an area of a floating diffusion region and a size of a driving transistor whose gate is connected to the floating diffusion region.
상기 제1 축적시간, 상기 제1 독출시간, 상기 제2 축적시간, 상기 제2 독출시간은 순서대로 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간에 포함될 수 있다.
The first accumulation time, the first read time, the second accumulation time, and the second read time may be included in a unit exposure time for one image frame in order.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이미지 센서에 있어서, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되고 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 서로 구분되는 복수의 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하에 따른 복수의 화소 신호를 생성하는 복수의 화소 신호 생성부를 포함하는 복수의 단위 화소가 2차원 행렬 형태로 배치된 화소 어레이; 상기 복수의 화소 신호를 합성하는 신호 합성부; 상기 화소 어레이와 상기 신호 합성부 사이에 병렬 연결되며, 상기 복수의 화소 신호 각각을 독립적으로 독출 처리하는 복수의 독출 유닛; 및 상기 화소 어레이, 상기 신호 합성부, 상기 복수의 독출 유닛의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 이미지 센서가 제공된다. On the other hand, according to another aspect of the present invention, in the image sensor, the photodiode and the photoelectric accumulated in the photodiode for a plurality of accumulation time connected in parallel to the photodiode and separated from each other within a unit exposure time for one image frame A pixel array in which a plurality of unit pixels including a plurality of pixel signal generators for generating a plurality of pixel signals is arranged in a two-dimensional matrix form; A signal synthesizer for synthesizing the plurality of pixel signals; A plurality of read units connected in parallel between the pixel array and the signal combiner and independently reading and processing each of the plurality of pixel signals; And a controller configured to control operations of the pixel array, the signal synthesizing unit, and the plurality of read units.
상기 단위 노출 시간은 제1 축적시간, 제1 독출시간, 제2 축적시간, 제2 독출시간 순서로 구분될 수 있다.The unit exposure time may be divided into a first accumulation time, a first read time, a second accumulation time, and a second read time.
상기 복수의 화소 신호 생성부는 상기 제1 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 1회차 광전하에 상응하는 1회차 화소 신호를 생성하는 제1 화소 신호 생성부와, 상기 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 2회차 광전하에 상응하는 2회차 화소 신호를 생성하는 제2 화소 신호 생성부를 포함하고, 상기 복수의 독출 유닛은 상기 제1 독출시간 동안 상기 제1 화소 신호 생성부에서 생성된 상기 1회차 화소 신호를 독출하는 제1 독출 유닛과, 상기 제2 독출시간 동안 상기 제2 화소 신호 생성부에서 생성된 상기 2회차 화소 신호를 독출하는 제2 독출 유닛을 포함할 수 있다.The plurality of pixel signal generators generate a first pixel signal corresponding to a first-order photocharge accumulated in the photodiode during the first accumulation time, and the photodiode for the second accumulation time. A second pixel signal generator configured to generate a second-order pixel signal corresponding to the accumulated second-order photocharge, wherein the plurality of read units are the first-time pixel generated by the first pixel signal generator during the first read time. The first read unit may read a signal, and the second read unit may read the second-order pixel signal generated by the second pixel signal generator during the second read time.
상기 제1 독출 유닛은 임의의 행에 속하는 단위 화소에 대한 1회차 화소 신호를 독출한 직후 다음 행에 속하는 단위 화소에 대한 1회차 화소 신호를 연속적으로 독출할 수 있다.The first reading unit may continuously read the first order pixel signal for the unit pixel belonging to the next row immediately after reading the first order pixel signal for the unit pixel belonging to an arbitrary row.
상기 신호 합성부는 상기 복수의 화소 신호 각각을 저장하는 복수의 저장영역을 포함하는 메모리를 더 포함하되, 상기 저장영역에의 저장 순서, 저장 위치 중 적어도 하나를 이용하여 서로 매칭되는 화소 신호끼리 합성을 수행할 수 있다.The signal synthesizing unit may further include a memory including a plurality of storage areas for storing each of the plurality of pixel signals, and synthesizing pixel signals matched with each other using at least one of a storage order and a storage location in the storage area. Can be done.
상기 복수의 화소 신호 생성부는 4-트랜지스터 구조를 가지거나 3-트랜지스터 구조를 가질 수 있다.
The plurality of pixel signal generators may have a 4-transistor structure or a 3-transistor structure.
한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이미지 센서의 화소 회로 구동방법에 있어서, (a) 제1 축적시간 동안 포토 다이오드에 1회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계; (b) 제1 화소 신호 생성부에서 상기 1회차 광전하에 상응하는 1회차 화소 신호를 생성하는 단계; (c) 제1 독출시간 동안 상기 1회차 화소 신호를 출력하는 단계; (d) 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 2회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계; (e) 제2 화소 신호 생성부에서 상기 2회차 광전하에 상응하는 2회차 화소 신호를 생성하는 단계; (f) 제2 독출시간 동안 상기 2회차 화소 신호를 출력하는 단계를 포함하되, 상기 1회차 화소 신호와 상기 2회차 화소 신호를 합성시켜 광역 동적범위를 구현할 수 있다.Meanwhile, according to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a pixel circuit of an image sensor, the method comprising: (a) generating and accumulating a first-time photocharge in a photodiode for a first accumulation time; (b) generating a first-order pixel signal corresponding to the first-order photocharge in the first pixel signal generator; (c) outputting the first pixel signal for a first read time; (d) generating and accumulating two times photocharges in the photodiode for a second accumulation time; (e) generating a second-order pixel signal corresponding to the second-order photocharge in a second pixel signal generator; (f) outputting the second order pixel signal during a second read time, wherein the first order pixel signal and the second order pixel signal are synthesized to implement a wide dynamic range.
상기 제1 축적시간, 상기 제1 독출시간, 상기 제2 축적시간, 상기 제2 독출시간은 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 순서대로 포함될 수 있다.The first accumulation time, the first read time, the second accumulation time, and the second read time may be included in order within a unit exposure time for one image frame.
임의의 행에 속하는 단위 화소에 대하여 상기 단계 (c)가 완료된 직후 다음 행에 속하는 단위 화소에 대하여 상기 단계 (c)가 연속적으로 수행되도록 할 수 있다.Immediately after the step (c) is completed for the unit pixels belonging to an arbitrary row, the step (c) may be continuously performed for the unit pixels belonging to the next row.
상기 제1 화소 신호 생성부와 상기 제2 화소 신호 생성부는 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 독립적으로 동작할 수 있다.The first pixel signal generator and the second pixel signal generator may be connected to the photodiode in parallel to operate independently.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.
본 발명의 실시예에 따르면, 광역 동적범위 구현 시 하나의 포토 다이오드를 이용함으로써 종래 두 개의 포토 다이오드를 이용하는 경우 발생되는 각 포토 다이오드 간의 변화로 인한 신호의 왜곡이 제거되는 효과가 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, when a wide dynamic range is implemented, a single photodiode is used to remove distortion of a signal due to a change between each photodiode generated when two conventional photodiodes are used.
또한, 종래 두 개의 포토 다이오드를 이용하는 경우 공정 및 설계 상의 최적화가 어려운 것에 비해 하나의 포토 다이오드를 이용함으로써 포토 다이오드의 공정 및 설계 상의 최적화가 용이한 효과가 있다. In addition, when using two conventional photodiodes, it is difficult to optimize the process and design in comparison with the difficulty in optimizing the process and the design.
또한, 다양한 출력 제어 변수가 존재함으로 인해 하나의 단위 화소에서 출력되는 둘 이상의 화소 신호의 출력값 제어가 용이한 효과가 있다. In addition, since there are various output control variables, it is easy to control output values of two or more pixel signals output from one unit pixel.
또한, 부유 확산 영역에 저장된 광전하에 대하여 신속히 처리함으로써 종래 광역 동적범위를 위해 축적시간을 구분할 때 선순위 축적시간에 얻어진 광전하가 부유 확산 영역에 오랜 시간 저장되어 있음으로 인해 발생되는 누설로 인한 SNR 특성 저하 및 블루밍 현상 발생을 방지할 수 있다.In addition, SNR characteristics due to leakage caused by long-term storage of the photocharges obtained in the prior accumulation time when the accumulation time is divided for the conventional wide dynamic range by rapidly processing the photocharges stored in the floating diffusion region. Deterioration and blooming can be prevented.
또한, 종래 광역 동적범위 구현 시보다 화소 어레이의 모든 단위 화소에 대한 독출 시간을 단축시켜 처리 속도를 높인 효과가 있다.
In addition, the read speed of all the unit pixels of the pixel array is shortened compared to the conventional wide dynamic range, thereby increasing the processing speed.
도 1은 화소 어레이에 포함되는 단위 화소의 구동 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 단위 화소의 화소 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 단위 화소에서 광전하의 축적 및 이에 따른 독출에 관한 타이밍 다이어그램,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 각 행별 광전하의 축적 및 이에 따른 독출에 관한 타이밍 다이어그램,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 화소 회로. 1 is a driving circuit diagram of a unit pixel included in a pixel array;
2 is a block diagram showing a schematic configuration of an image sensor according to an embodiment of the present invention;
3 is a pixel circuit diagram of a unit pixel of a pixel array according to an exemplary embodiment of the present invention;
4 is a timing diagram of accumulation and reading of photocharges in one unit pixel according to an embodiment of the present invention;
5 is a timing diagram for accumulation and reading of photocharges in each row in an image sensor according to an embodiment of the present invention;
6 is a pixel circuit of a unit pixel of an image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 명세서에서 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 명세서에서, "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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, the terms " part, "" module," and the like, which are described in the specification, refer to a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 어레이의 단위 화소의 화소 회로도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 단위 화소에서 광전하의 축적 및 이에 따른 독출에 관한 타이밍 다이어그램이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 각 행별 광전하의 축적 및 이에 따른 독출에 관한 타이밍 다이어그램이다. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of an image sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a pixel circuit diagram of a unit pixel of a pixel array according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 5 is a timing diagram illustrating accumulation and reading of photocharges in one unit pixel according to an exemplary embodiment. FIG. 5 is a timing diagram illustrating accumulation and reading of photocharges in each row in an image sensor according to an exemplary embodiment. to be.
본 발명에서 단위 화소는 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간(셔터링 구간) 동안 포토 다이오드에 축적되는 광전하를 복수 개의 구간으로 나누어 셔터링하고 샘플링함으로써 빛에 반응하는 화소의 동적범위를 넓힐 수 있다. 즉, 하나의 단위 화소에 대하여 단위 노출 시간 동안 2회 이상의 노출을 수행하고 각 회차의 노출에 따라 출력된 화소 신호를 합성함으로써, 이미지 센서가 넓은 동적범위를 가지도록 한다. In the present invention, the unit pixel can widen the dynamic range of the pixel in response to light by dividing the photocharges accumulated in the photodiode into a plurality of sections during the unit exposure time (shuttering section) for one image frame. have. That is, the image sensor has a wide dynamic range by performing two or more exposures to one unit pixel during a unit exposure time and synthesizing the output pixel signal according to each exposure.
특히 본 발명에서는 하나의 포토 다이오드에 대하여 서로 다른 둘 이상의 부유 확산 영역이 접속되는 구조를 가짐으로써 하나의 단위 화소에서 둘 이상의 화소 신호를 출력하여 합성하여 넓은 동적범위 구현이 가능하도록 한다. In particular, the present invention has a structure in which two or more different floating diffusion regions are connected to one photodiode, thereby outputting and synthesizing two or more pixel signals from one unit pixel, thereby realizing a wide dynamic range.
이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위해 단위 노출 시간이 2개의 노출 구간으로 구분된 경우를 가정하여 설명하기로 한다. Hereinafter, it will be described on the assumption that a unit exposure time is divided into two exposure sections for convenience of understanding and explanation of the present invention.
우선 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 화소 어레이(10), 제어부(20), 로우 어드레스 디코더(30), 로우 드라이버(40), 제1 및 제2 컬럼 어드레스 디코더(50a, 50b), 제1 및 제2 컬럼 드라이버(60a, 60b), 제1 및 제2 샘플 및 홀드부(70a, 70b), 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환부(80a, 80b), 신호 합성부(90)를 포함한다. 필요에 따라 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함하거나 이미지 신호 프로세서가 외부 장치로서 결합될 수 있다. First, referring to FIG. 2, the
화소 어레이(10)는 다수의 화소들이 2차원 행렬 형태로 배치되어 있으며, 각 화소는 로우(row) 라인들 중 하나 및 컬럼(column) 라인들 중 하나와 접속된다. The pixel array 10 includes a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, and each pixel is connected to one of the row lines and one of the column lines.
다수의 화소들 각각은 적색 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 적색 화소, 녹색 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 녹색 화소, 청색 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 청색 화소를 포함할 수 있다. Each of the plurality of pixels includes a red pixel for converting light in a red spectral region into an electrical signal, a green pixel for converting light in a green spectral region into an electrical signal, and a blue pixel for converting light in a blue spectral region into an electrical signal. It may include.
또한, 화소 어레이(10)를 구성하는 다수의 화소들 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 다수의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터의 패턴은 홀수열에는 적색 필터와 녹색 필터가 교번하여 배치되고, 짝수열에는 녹색 필터와 청색 필터가 교번하여 배치된 베이어 패턴(Bayer Pattern)일 수 있다. In addition, a plurality of color filters may be disposed on the plurality of pixels constituting the pixel array 10 to transmit light of a specific spectral region. For example, the pattern of the color filter may be a Bayer pattern in which red and green filters are alternately arranged in odd rows, and green and blue filters are alternately arranged in even columns.
화소 어레이(10)에 구현되어 있는 다수의 화소들 각각, 즉 단위 화소의 구동 회로도가 도 3에 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 단위 화소(100), 포토 다이오드(PD), 제1 및 제2 화소 신호 생성부(110, 120), 제1 및 제2 전송 트랜지스터(Tx1, Tx2), 제1 및 제2 부유 확산 영역(FD1, FD2), 제1 및 제2 리셋 트랜지스터(Rx1, Rx2), 제1 및 제2 구동 트랜지스터(Dx1, Dx2), 제1 및 제2 선택 트랜지스터(Sx1, Sx2), 제1 및 제2 전원 전압(VDDP1, VDDP2)이 도시되어 있다. A driving circuit diagram of each of a plurality of pixels, that is, a unit pixel, implemented in the pixel array 10 is illustrated in FIG. 3. Referring to FIG. 3, the
이하에서는 제1 전원전압(VDDP1)과 제2 전원전압(VDDP2)이 독립적인 것을 가정하여 설명하지만, 실시예에 따라 하나의 전원(VDDP)으로도 사용될 수 있을 것이다. Hereinafter, a description will be given on the assumption that the first power supply voltage VDDP1 and the second power supply voltage VDDP2 are independent, but may be used as one power supply VDDP according to an embodiment.
포토 다이오드(PD)는 빛 에너지를 수신하여 광전하를 생성하고 축적한다. 본 실시예에서는 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간을 2개의 노출 구간, 즉 제1 및 제2 축적시간(1st and 2nd Integration Time)으로 구분하고, 2회에 걸쳐서 각 축적시간 동안 광전하를 축적한다. 본 명세서에서는 제1 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하를 1회차 광전하, 제2 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하를 2회차 광전하라 칭하기로 한다. The photodiode PD receives light energy to generate and accumulate photocharges. In this embodiment, the unit exposure time for one image frame is divided into two exposure periods, that is, first and second accumulation times, and photoelectric charges are accumulated for two accumulation periods each time. do. In the present specification, the photocharge accumulated in the photodiode PD during the first accumulation time is referred to as the first photoelectric charge and the photocharge accumulated in the photodiode PD during the second accumulation time as the second time.
본 실시예에서 제1 축적시간과 제2 축적시간의 차이를 크게 하는 경우 해당 영상 프레임에 대하여 상대적으로 보다 밝은 이미지와 보다 어두운 이미지를 획득하여 합성함으로써 동적범위를 넓히는 것이 가능해진다. In the present embodiment, when the difference between the first accumulation time and the second accumulation time is increased, the dynamic range can be widened by acquiring and synthesizing a lighter image and a darker image relative to the corresponding image frame.
포토 다이오드(PD)와 출력 노드(ND) 사이에는 복수의 화소 신호 생성부(도 3의 예시에서는, 제1 화소 신호 생성부(110)와 제2 화소 신호 생성부(120))가 병렬적으로 연결되어 있다. A plurality of pixel signal generators (in the example of FIG. 3, the first
각 화소 신호 생성부는 할당된 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 생성 축적된 광전하를 부유 확산 영역으로 전송하고, 해당 광전하량에 상응하는 부유 확산 영역의 전위를 소스 팔로우하여 해당 축적시간에 따른 화소 신호를 생성하여 출력한다. Each pixel signal generator transfers the photocharges generated and accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion region during the allotted accumulation time, and follows the potential of the floating diffusion region corresponding to the photocharge amount to follow the pixels according to the accumulation time. Generate and output a signal.
예를 들어, 제1 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 생성 축적된 광전하는 제1 화소 신호 생성부(110)에 의해 처리되며, 제2 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 생성 축적된 광전하는 제2 화소 신호 생성부(120)에 의해 처리될 수 있다. 여기서, 제1 화소 신호 생성부(110)는 제1 축적시간의 완료 시점 이후에 동작하게 되며, 제2 화소 신호 생성부(120)는 제2 축적시간의 완료 시점 이후에 동작하게 된다. 또한, 제1 화소 신호 생성부(110)와 제2 화소 신호 생성부(120)는 독립적으로 동작한다. For example, the photocharge generated and accumulated in the photodiode PD during the first accumulation time is processed by the first
도 4를 참조하면, 하나의 단위 화소에서 광전하의 축적 및 이에 따른 독출에 관한 타이밍 다이어그램이 도시되어 있다. Referring to FIG. 4, a timing diagram of accumulation and reading of photocharges in one unit pixel is shown.
제1 축적시간(T1) 동안 포토 다이오드(PD)에 1회차 광전하가 생성 축적된다. 이후 제1 독출시간(T2) 동안 제1 화소 신호 생성부(110)가 동작하게 된다. 제1 화소 신호 생성부(110)의 구조 및 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. The first photoelectric charge is generated and accumulated in the photodiode PD during the first accumulation time T1. Thereafter, the first
제1 전송 트랜지스터(Tx1)는 포토 다이오드(PD)와 제1 부유 확산 영역(FD1) 사이에 접속되고, 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)는 제1 부유 확산 영역(FD1)과 제1 전원전압(VDDP1) 사이에 접속된다. 제1 구동 트랜지스터(Dx1)는 제1 전원전압(VDDP1)과 제1 노드(N1) 사이에 접속되며, 제1 선택 트랜지스터(Sx1)는 제1 노드(N1)와 출력 노드(ND) 사이에 접속된다. The first transfer transistor Tx1 is connected between the photodiode PD and the first floating diffusion region FD1, and the first reset transistor Rx1 is connected to the first floating diffusion region FD1 and the first power supply voltage VDDP1. ) Is connected between. The first driving transistor Dx1 is connected between the first power supply voltage VDDP1 and the first node N1, and the first selection transistor Sx1 is connected between the first node N1 and the output node ND. do.
우선 전송 제어 신호에 의해 제1 전송 트랜지스터(Tx1)가 턴온되어 포토 다이오드(PD)에 축적된 1회차 광전하를 제1 부유 확산 영역(FD1)으로 전송한다. 전송 과정 이전에 제1 부유 확산 영역(FD1)은 제1 리셋 트랜지스터(Rx1)가 제1 리셋 제어 신호에 의해 턴온됨으로써 제1 전원전압(VDDP1)에 상응하여 리셋되어 있을 수 있다. First, the first transfer transistor Tx1 is turned on by the transfer control signal to transfer the first-order photocharge accumulated in the photodiode PD to the first floating diffusion region FD1. Before the transfer process, the first floating diffusion region FD1 may be reset in correspondence with the first power voltage VDDP1 by turning on the first reset transistor Rx1 by the first reset control signal.
제1 구동 트랜지스터(Dx1)는 게이트에 접속된 제1 부유 확산 영역(FD1)에 저장된 1회차 광전하에 기초하여 제1 노드(N1)를 소스 팔로우(source follow)하며, 제1 선택 트랜지스터(Sx1)는 게이트에 입력되는 선택 신호에 의해 응답하여 제1 노드(N1)와 출력 노드(ND) 사이에 전기적 경로를 형성하여 제1 노드(N1)의 전압이 1회차 화소 신호로 출력되도록 한다. The first driving transistor Dx1 source follows the first node N1 based on the first order photocharge stored in the first floating diffusion region FD1 connected to the gate, and the first selection transistor Sx1. In response to the selection signal input to the gate, an electrical path is formed between the first node N1 and the output node ND so that the voltage of the first node N1 is output as a first-order pixel signal.
다음으로 제2 축적시간(T3) 동안 포토 다이오드(PD)에 2회차 광전하가 생성 축적된다. 이후 제2 독출시간(T4) 동안 제2 화소 신호 생성부(120)가 동작하게 된다. 제2 화소 신호 생성부(120)의 구조 및 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Next, the second time photocharge is generated and accumulated in the photodiode PD during the second accumulation time T3. Thereafter, the second
제2 전송 트랜지스터(Tx2)는 포토 다이오드(PD)와 제2 부유 확산 영역(FD2) 사이에 접속되고, 제2 리셋 트랜지스터(Rx2)는 제2 부유 확산 영역(FD2)과 제2 전원전압(VDDP2) 사이에 접속된다. 제2 구동 트랜지스터(Dx2)는 제2 전원전압(VDDP2)과 제2 노드(N2) 사이에 접속되며, 제2 선택 트랜지스터(Sx2)는 제2 노드(N2)와 출력 노드(ND) 사이에 접속된다. The second transfer transistor Tx2 is connected between the photodiode PD and the second floating diffusion region FD2, and the second reset transistor Rx2 is connected to the second floating diffusion region FD2 and the second power supply voltage VDDP2. ) Is connected between. The second driving transistor Dx2 is connected between the second power supply voltage VDDP2 and the second node N2, and the second selection transistor Sx2 is connected between the second node N2 and the output node ND. do.
우선 전송 제어 신호에 의해 제2 전송 트랜지스터(Tx2)가 턴온되어 포토 다이오드(PD)에 축적된 2회차 광전하를 제2 부유 확산 영역(FD2)으로 전송한다. 전송 과정 이전에 제2 부유 확산 영역(FD2)은 제2 리셋 트랜지스터(Rx2)가 제2 리셋 제어 신호에 의해 턴온됨으로써 제2 전원전압(VDDP2)에 상응하여 리셋되어 있을 수 있다. First, the second transfer transistor Tx2 is turned on by the transfer control signal to transfer the second-order photocharge accumulated in the photodiode PD to the second floating diffusion region FD2. Before the transfer process, the second floating diffusion region FD2 may be reset in correspondence with the second power voltage VDDP2 by turning on the second reset transistor Rx2 by the second reset control signal.
제2 구동 트랜지스터(Dx2)는 게이트에 접속된 제2 부유 확산 영역(FD2)에 저장된 2회차 광전하에 기초하여 제2 노드(N2)를 소스 팔로우하며, 제2 선택 트랜지스터(Sx2)는 게이트에 입력되는 선택 신호에 의해 응답하여 제2 노드(N2)와 출력 노드(ND) 사이에 전기적 경로를 형성하여 제2 노드(N2)의 전압이 2회차 화소 신호로 출력되도록 한다. The second driving transistor Dx2 sources and follows the second node N2 based on the second-order photocharge stored in the second floating diffusion region FD2 connected to the gate, and the second selection transistor Sx2 is input to the gate. In response to the selected signal, an electrical path is formed between the second node N2 and the output node ND so that the voltage of the second node N2 is output as a second-order pixel signal.
제2 축적시간(T3)의 시작 시점 이전에 포토 다이오드(PD), 제1 부유 확산 영역(FD1), 제2 부유 확산 영역(FD2)의 리셋이 실행될 수 있다. 또한, 제2 독출시간(T4)의 완료 시점 이후에도 포토 다이오드(PD), 제1 부유 확산 영역(FD1), 제2 부유 확산 영역(FD2)의 리셋이 실행될 수 있다.Before the start of the second accumulation time T3, the photodiode PD, the first floating diffusion region FD1, and the second floating diffusion region FD2 may be reset. In addition, the reset of the photodiode PD, the first floating diffusion region FD1, and the second floating diffusion region FD2 may be performed even after the completion of the second read time T4.
종래에는 제1 축적시간(T1) 및 제2 축적시간(T3)이 경과한 후에 각각의 광전하(1회차 광전하 및 2회차 광전하)에 대하여 독출을 수행할 수 있었다. 이로 인해 1회차 광전하가 부유 확산 영역에 장시간 저장되어야 함으로 인해 전류 누설이 일어나는 경우 SNR 특성이 저하되고, 블루밍 현상이 발생하게 되는 문제점이 있었다. Conventionally, after the first accumulation time T1 and the second accumulation time T3 have elapsed, it is possible to read out the respective photocharges (1st photoelectric charge and 2nd photoelectric charge). As a result, since the first-time photocharge is to be stored in the floating diffusion region for a long time, when the current leakage occurs, the SNR characteristics are deteriorated and the blooming phenomenon occurs.
하지만, 본 발명의 실시예에서는 1회차 화소 신호가 제1 축적시간(T1)이 완료된 직후 제2 축적시간(T2)의 경과에 영향을 받지 않고 제1 독출시간(T2) 동안에 신속하게 독출될 수 있어 부유 확산 영역에 광전하를 장시간 저장할 필요가 없게 되어 종래 발생되었던 여러 문제점들(부유 확산 영역에서의 전류 누설로 인한 SNR 특성 저하, 블루밍 현상 발생)을 미연에 방지할 수 있게 된다. However, in the exemplary embodiment of the present invention, the first pixel signal may be quickly read out during the first read time T2 immediately after the first accumulation time T1 is completed without being influenced by the passage of the second accumulation time T2. Therefore, there is no need to store photocharges for a long time in the floating diffusion region, thereby preventing various problems (sNR characteristic degradation and blooming phenomenon caused by current leakage in the floating diffusion region).
이상에서 각 제어 신호(예를 들면, 전송 제어 신호, 리셋 제어 신호, 선택 신호 등)는 액티브될 때(즉, 논리 하이 혹은 논리 로우 중 하나의 상태에 있을 때) 제어 대상이 되는 트랜지스터를 턴온시키는 것으로 가정할 수 있다. In the above, each control signal (for example, a transmission control signal, a reset control signal, a selection signal, etc.) turns on the transistor to be controlled when it is activated (that is, when it is in a state of logic high or logic low). Can be assumed.
본 실시예에서 제1 화소 신호 생성부(110) 및 제2 화소 신호 생성부(120)에서 각각 생성 출력되는 1회차 화소 신호 및 2회차 화소 신호는 포토 다이오드(PD)에서의 축적시간(제1 축적시간과 제2 축적시간)의 길이와, 제1 부유 확산 영역(FD1) 및 제2 부유 확산 영역(FD2)의 커패시턴스(capacitance) 값에 따라 그 출력값이 조절될 수 있다. In the present exemplary embodiment, the first pixel signal and the second pixel signal generated and output by the first
제1 축적시간과 제2 축적시간의 차이를 크게 함으로써 상대적으로 보다 밝은 이미지와 보다 어두운 이미지에 관해 제1 화소 신호 생성부(110)에서 생성되는 1회차 화소 신호와 제2 화소 신호 생성부(120)에서 생성되는 2회차 화소 신호를 획득하여 합성함으로써 넓은 동적범위를 가지도록 할 수 있다. By increasing the difference between the first accumulation time and the second accumulation time, the first-order pixel signal and the second
또한, 제1 부유 확산 영역(FD1)의 커패시턴스 값 및 제2 부유 확산 영역(FD2)의 커패시컨스 값을 조절하여 원하는 화소 신호가 출력되도록 할 수도 있다. In addition, the capacitance value of the first floating diffusion region FD1 and the capacitance value of the second floating diffusion region FD2 may be adjusted to output a desired pixel signal.
부유 확산 영역의 커패시턴스 값은 부유 확산 영역의 정션 커패시턴스(junction capacitance), 구동 트랜지스터의 폴리 커패시턴스(poly capacitance), 부유 확산 영역과 구동 트랜지스터의 게이트를 연결하는 금속 기생 커패시턴스의 조합으로 결정된다. 즉, 부유 확산 영역의 면적을 조절하거나 구동 트랜지스터의 크기를 조절하여 필요로 하는 부유 확산 영역의 커패시턴스 값을 획득할 수 있다. The capacitance value of the floating diffusion region is determined by a combination of junction capacitance of the floating diffusion region, poly capacitance of the driving transistor, and metal parasitic capacitance connecting the gate of the floating diffusion region and the driving transistor. That is, the capacitance value of the floating diffusion region may be obtained by adjusting the area of the floating diffusion region or adjusting the size of the driving transistor.
부유 확산 영역의 전하량은 커패시턴스 값과 부유 확산 영역의 전압 변화량에 의해 결정되며, 하기의 수학식을 따르게 된다. The amount of charge in the floating diffusion region is determined by the capacitance value and the voltage change amount in the floating diffusion region, and follows the following equation.
[수학식 1][Equation 1]
Q = Cfd * VQ = Cfd * V
V = Q / CfdV = Q / Cfd
여기서, Q는 부유 확산 영역의 전하량, Cfd는 부유 확산 영역의 커패시턴스 값, V는 부유 확산 영역의 전압 변화량이다. Where Q is the charge amount in the floating diffusion region, Cfd is the capacitance value in the floating diffusion region, and V is the voltage change amount in the floating diffusion region.
상기 수학식에 따를 때, 동일한 양의 광전하에 대해서 커패시턴스 값이 커지면 상대적으로 출력이 낮아지고, 커패시턴스 값이 작아지면 상대적으로 출력이 높아지게 된다. According to the above equation, for the same amount of photocharge, the larger the capacitance value, the lower the output, and the smaller the capacitance value, the higher the output.
또한, 부유 확산 영역의 커패시턴스 값이 작아지면 감도는 높아지지만 동적범위가 작아지게 되며, 부유 확산 영역의 커패시턴스 값이 커지면 감도는 감소하지만 동적범위가 커지는 효과가 있다. In addition, if the capacitance value of the floating diffusion region is smaller, the sensitivity is higher but the dynamic range is smaller. If the capacitance value of the floating diffusion region is larger, the sensitivity is decreased, but the dynamic range is larger.
다시 도 2를 참조하면, 다수의 화소들 각각은 로우 드라이버(40)에서 발생된 다수의 제어 신호들(예를 들어, PTG, RST, RSEL 등)에 응답하여 화소 신호들(예를 들어, 참조 신호 및 데이터 신호)을 컬럼 단위로 출력한다. Referring back to FIG. 2, each of the plurality of pixels is configured to display pixel signals (eg, reference) in response to a plurality of control signals (eg, PTG, RST, RSEL, etc.) generated by the
본 실시예에서는 화소 어레이(10)와 신호 합성부(90) 사이에 컬럼 어드레스 디코더, 컬럼 드라이버, 샘플 및 홀드부, ADC를 포함하는 복수의 독출 유닛이 병렬 연결되어 있다. 즉, 화소 어레이(10)에 구현된 단위 화소의 제1 화소 신호 생성부(110)의 출력, 즉 1회차 화소 신호를 처리하는 제1 독출 유닛(제1 컬럼 어드레스 디코더(50a), 제1 컬럼 드라이버(60a), 제1 샘플 및 홀드부(70a), 제1 ADC(80a)를 포함함)과, 제2 화소 신호 생성부(120)의 출력, 즉 2회차 화소 신호를 처리하는 제2 독출 유닛(제2 컬럼 어드레스 디코더(50b), 제2 컬럼 드라이버(60b), 제2 샘플 및 홀드부(70b), 제2 ADC(80b)를 포함함)이 병렬적으로 연결되어 있다. In the present exemplary embodiment, a plurality of read units including a column address decoder, a column driver, a sample and hold unit, and an ADC are connected in parallel between the pixel array 10 and the
이와 같이 1회차 화소 신호의 독출 유닛과 2회차 화소 신호의 독출 유닛을 병렬 배치하고 독립적으로 동작하게 함으로써, 1회차 화소 신호가 제1 축적시간이 완료된 직후 제2 축적시간의 경과에 영향을 받지 않고 신속하게 독출될 수 있어 하나의 영상 프레임에 속하는 화소 전체를 독출하는데 소요되는 시간이 상당히 단축되어 이미지 센서의 전체 처리 속도를 높이는 장점이 있다. In this way, the reading unit of the first pixel signal and the reading unit of the second pixel signal are arranged in parallel and operated independently, so that the first pixel signal is not affected by the passage of the second accumulation time immediately after the first accumulation time is completed. Since it can be quickly read, the time required to read the entire pixel belonging to one image frame is considerably shortened, thereby increasing the overall processing speed of the image sensor.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서의 화소 신호 독출 타이밍 다이어그램이 도시되어 있다. Referring to FIG. 5, a pixel signal read timing diagram in an image sensor according to an embodiment of the present invention is shown.
본 실시예에 따르면, 1행의 1회차 광전하에 상응하는 화소 신호에 대한 독출이 완료된 후(T12 이후) 2행의 1회차 광전하에 상응하는 화소 신호에 대한 독출이 수행될 수 있다. 이는 1회차 광전하와 2회차 광전하에 상응하는 화소 신호를 별도의 독출 유닛을 통해 독출하기 때문이다. 따라서, 본 실시예에 따를 때, n개의 행으로 이루어진 이미지 센서의 모든 화소에 대한 화소 신호를 독출하는데 소요되는 시간은 1행에 대한 제1 축적시간, 제1 독출시간, 제2 축적시간, 제2 독출시간과, 나머지 행들(2행 내지 n행)에 대한 제2 독출시간의 합(T11 + T12 + T13 + T14 + T24 + … + Tn4)일 수 있다.이는 종래 임의의 행에 대하여 1회차 광전하 및 2회차 광전하가 모두 독출된 이후에서야 다음 행에 대하여 1회차 광전하의 독출을 수행하게 되는 것과 비교할 때 그 처리 시간을 상당히 단축시키는 효과가 있다. According to the present exemplary embodiment, after the reading of the pixel signal corresponding to the first-order photocharge of one row is completed (after T12), the reading of the pixel signal corresponding to the first-order photocharge of two rows may be performed. This is because the pixel signals corresponding to the first and second photocharges are read out through separate read units. Therefore, according to the present embodiment, the time required to read the pixel signals for all the pixels of the n-sensor image sensor includes the first accumulation time, the first reading time, the second accumulation time, and the first accumulation time for one row. It can be the sum of 2 read times and the second read times for the remaining rows (
또한, 종래에는 광역 동적범위의 구현을 위해 복수 회차의 광전하를 생성하여 출력함에 있어서 1회차 광전하와 2회차 광전하가 동일한 경로를 통해 독출되어야 함으로 인해 단위 노출 시간 중 실제 영상에 관련된 축적시간을 충분히 확보하는데 어려움이 있었다. In addition, conventionally, in order to generate and output a plurality of times of photocharges in order to realize a wide dynamic range, since the first and second photocharges must be read through the same path, the accumulation time related to the actual image during the unit exposure time is reduced. Difficult to secure enough.
본 실시예에서는 각 행에 대하여 1회차 광전하가 순차적으로 제1 경로로 독출(즉, 제1 독출 유닛을 통해 출력)되고 2회차 광전하가 제1 경로와는 병렬적으로 연결된 제2 경로로 독출(즉, 제2 독출 유닛을 통해 출력)됨으로써 고해상도 및 높은 비트율의 영상을 획득하기 위한 정보를 보다 신속하게 출력되도록 하는 장점도 있다. In this embodiment, for each row, the first photocharge is sequentially read into the first path (ie output through the first read unit) and the second photocharge is connected to the second path connected in parallel with the first path. It is also advantageous to read information (ie, output through the second read unit) so that information for obtaining a high resolution and high bit rate image can be output more quickly.
다시 도 2를 참조하면, 제어부(20)는 로우 어드레스 디코더(30), 로우 드라이버(40), 제1 및 제2 컬럼 어드레스 디코더(50a, 50b), 제1 및 제2 컬럼 드라이버(60a, 60b), 제1 및 제2 샘플 및 홀드부(70a, 70b), 제1 및 제2 ADC(80a, 80b), 신호 합성부(90)의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어신호들을 출력할 수 있으며, 화소 어레이(10)에서 감지된 화소 신호들의 출력을 위한 어드레싱 신호를 생성할 수 있다. Referring back to FIG. 2, the
제어부(20)는 화소 어레이(10)에 구현된 다수의 화소들 중 어느 하나의 화소에서 감지된 화소 신호의 출력을 위해 해당 화소가 접속된 로우 라인을 선택하기 위하여 로우 어드레스 디코더(30) 및 로우 드라이버(40)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(20)는 해당 화소가 접속된 컬럼 라인을 선택하기 위하여 제1 및 제2 컬럼 어드레스 디코더(50a, 50b)와 제1 및 제2 컬럼 드라이버(60a, 60b)를 제어할 수 있다. The
제어부(20)는 선택된 화소에 대하여 단위 노출 시간 동안 제1 축적시간 및 제2 축적시간으로 구분하여 복수 회차의 화소 데이터가 출력되고 후술할 신호 합성부(90)에서 합성되도록 제어할 수 있다. The
제1 및 제2 샘플 및 홀드부(70a, 70b)는 각각 제1 및 제2 컬럼 드라이버(60a, 60b)를 통해 최종 선택된 화소로부터 출력되는 화소 신호들(예를 들면, 참조 신호 및/또는 데이터 신호)을 샘플 및 홀드한다. The first and second sample and hold
제1 및 제2 ADC(80a, 80b)는 샘플 및 홀드된 화소 신호를 아날로그-디지털 변환한다. 제1 및 제2 ADC(80a, 80b)는 각각 제1 및 제2 샘플 및 홀드부(70a, 70b)에서 출력되는 화소 신호들(예를 들면, 참조 신호 및/또는 데이터 신호)을 상관 이중 샘플링하는 CDS 회로를 더 포함할 수 있으며, 상관 이중 샘플링된 신호와 램프 신호(미도시)를 비교하고 비교결과를 아날로그-디지털 변환된 화소 데이터로 출력할 수 있다. The first and
신호 합성부(90)는 제1 및 제2 ADC(80a, 80b)에서 각각 출력된 제1 축적시간 동안의 화소 데이터인 1회차 화소 데이터와 제2 축적시간 동안의 화소 데이터인 2회차 화소 데이터를 합성하여 넓은 동적범위를 획득할 수 있게 된다. The
다만 본 발명의 실시예에 따를 때 1회차 화소 데이터와 2회차 화소 데이터의 출력 타이밍이 차이가 있기 때문에, 신호 합성부(90)는 제1 독출 유닛을 통한 1회차 화소 데이터들을 저장하는 제1 저장영역과, 제2 독출 유닛을 통한 2회차 화소 데이터들을 저장하는 제2 저장영역으로 구분된 메모리(미도시)를 포함할 수 있다. However, according to an exemplary embodiment of the present invention, since the output timings of the 1st pixel data and the 2nd pixel data are different, the
신호 합성부(90)는 메모리의 제1 저장영역과 제2 저장영역에 저장된 1회차 화소 데이터 및 2회차 화소 데이터에 대하여, 예를 들면, 저장 순서, 저장 위치 중 적어도 하나를 이용하여 하나의 단위 화소에서 독출된 1회차 화소 데이터 및 2회차 화소 데이터를 식별하고 혼동없이 합성할 수 있다.
The
이상에서는 단위 화소 내의 각 화소 신호 생성부가 4-트랜지스터 구조인 경우를 가정하여 설명하였으나, 실시예에 따라서는 단위 화소 내의 각 화소 신호 생성부가 3-트랜지스터 구조일 수도 있다. In the above description, it is assumed that each pixel signal generator in the unit pixel has a four-transistor structure. However, according to an exemplary embodiment, each pixel signal generator in the unit pixel may have a three-transistor structure.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 화소 회로이다. 6 is a pixel circuit of a unit pixel of an image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
다른 실시예에 따른 단위 화소(150)는 포토 다이오드(PD)와, 복수의 화소 신호 생성부(160, 170)를 포함한다. The
제1 화소 신호 생성부(160)는 제1 리셋 트랜지스터(Tx1), 제1 구동 트랜지스터(Dx1), 제1 선택 트랜지스터(Sx1)를 포함한다. The first
제1 부유 확산 영역(FD1)은 포토 다이오드(PD)에 접속되며, 제1 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 1회차 광전하를 저장한다. 제1 리셋 트랜지스터(Tx1)는 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 제1 부유 확산 영역(FD1)을 제1 전원전압(VDDP1)으로 리셋시킨다. 제1 구동 트랜지스터(Dx1)는 제1 부유 확산 영역(FD1)에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우한다. 제1 선택 트랜지스터(Sx1)는 제1 선택 신호에 따라 제1 구동 트랜지스터(Dx1)의 출력을 1회차 화소 신호로 출력한다. The first floating diffusion region FD1 is connected to the photodiode PD, and stores the first photoelectric charge accumulated in the photodiode PD during the first accumulation time. The first reset transistor Tx1 resets the first floating diffusion region FD1 to the first power voltage VDDP1 in response to the first reset control signal. The first driving transistor Dx1 source-follows a signal corresponding to the photocharge transferred to the first floating diffusion region FD1. The first selection transistor Sx1 outputs the output of the first driving transistor Dx1 as a first-order pixel signal according to the first selection signal.
제2 화소 신호 생성부(170)는 제2 리셋 트랜지스터(Tx2), 제2 구동 트랜지스터(Dx2), 제2 선택 트랜지스터(Sx2)를 포함한다. The second
제2 부유 확산 영역(FD2)은 포토 다이오드(PD)에 접속되며, 제2 축적시간 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 2회차 광전하를 저장한다. 제2 리셋 트랜지스터(Tx2)는 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 제2 부유 확산 영역(FD2)을 제2 전원전압(VDDP2)으로 리셋시킨다. 제2 구동 트랜지스터(Dx2)는 제2 부유 확산 영역(FD2)에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우한다. 제2 선택 트랜지스터(Sx2)는 제2 선택 신호에 따라 제2 구동 트랜지스터(Dx2)의 출력을 2회차 화소 신호로 출력한다. The second floating diffusion region FD2 is connected to the photodiode PD and stores the second-order photocharge accumulated in the photodiode PD for a second accumulation time. The second reset transistor Tx2 resets the second floating diffusion region FD2 to the second power supply voltage VDDP2 in response to the second reset control signal. The second driving transistor Dx2 source-follows a signal corresponding to the photocharge transferred to the second floating diffusion region FD2. The second selection transistor Sx2 outputs the output of the second driving transistor Dx2 as a second-order pixel signal according to the second selection signal.
1회차 화소 신호와 2회차 화소 신호는 도 2에 도시된 제1 독출 유닛과 제2 독출 유닛을 통해 병렬 전송되며, 신호 합성부(90)에서 합성되어 넓은 동적범위를 가지는 이미지 센서의 구현이 가능하도록 한다. The first and second pixel signals are transmitted in parallel through the first read unit and the second read unit shown in FIG. 2, and are synthesized by the
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.
1: 이미지 센서 10: 화소 어레이
20: 제어부 30: 로우 어드레스 디코더
40: 로우 드라이버 50a, 50b: 컬럼 어드레스 디코더
60a, 60b: 컬럼 드라이버 70a, 70b: 샘플 및 홀드부
80a, 80b: ADC 90: 신호 합성부
100, 150: 단위 화소
110, 120, 160, 170: 화소 신호 생성부1: image sensor 10: pixel array
20: control unit 30: row address decoder
40:
60a, 60b:
80a, 80b: ADC 90: signal synthesis section
100, 150: unit pixel
110, 120, 160, 170: pixel signal generator
Claims (18)
포토 다이오드;
제1 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하에 상응하는 1회차 화소 신호를 생성하고, 제1 독출시간 동안 출력 노드를 통해 독출되도록 하는 제1 화소 신호 생성부; 및
제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하에 상응하는 2회차 화소 신호를 생성하고, 제2 독출시간 동안 상기 출력 노드를 통해 독출되도록 하는 제2 화소 신호 생성부를 포함하되,
상기 1회차 화소 신호와 상기 2회차 화소 신호를 합성시켜 광역 동적범위를 구현하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
In the pixel circuit of the image sensor,
Photo diodes;
A first pixel signal generator configured to generate a first-order pixel signal corresponding to photocharges accumulated in the photodiode for a first accumulation time and to be read out through an output node during a first read time; And
A second pixel signal generator configured to generate a second-order pixel signal corresponding to photocharges accumulated in the photodiode for a second accumulation time, and to be read through the output node during a second read time,
And combining the first and second pixel signals to implement a wide dynamic range.
상기 제1 화소 신호 생성부 및 상기 제2 화소 신호 생성부는 상기 포토 다이오드와 상기 출력 노드 사이에 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
The method of claim 1,
And the first pixel signal generator and the second pixel signal generator are connected in parallel between the photodiode and the output node.
상기 제1 화소 신호 생성부는, 제1 전송 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 제1 부유 확산 영역으로 전송하는 제1 전송 트랜지스터와, 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 부유 확산 영역을 제1 전원전압으로 리셋시키는 제1 리셋 트랜지스터와, 상기 제1 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제1 구동 트랜지스터와, 제1 선택 신호에 따라 상기 제1 구동 트랜지스터의 출력을 상기 1회차 화소 신호로 출력하는 제1 선택 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 화소 신호 생성부는, 제2 전송 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 제2 부유 확산 영역으로 전송하는 제2 전송 트랜지스터와, 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제2 부유 확산 영역을 제2 전원전압으로 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터와, 상기 제2 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제2 구동 트랜지스터와, 제2 선택 신호에 따라 상기 제2 구동 트랜지스터의 출력을 상기 2회차 화소 신호로 출력하는 제2 선택 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
The method of claim 1,
The first pixel signal generator may include a first transfer transistor configured to transmit photocharges accumulated in the photodiode to a first floating diffusion region in response to a first transfer control signal, and the first reset control signal in response to a first reset control signal. A first reset transistor configured to reset the floating diffusion region to a first power supply voltage, a first driving transistor source-following a signal corresponding to the photocharge transferred to the first floating diffusion region, and the first selection signal according to a first selection signal. A first selection transistor configured to output an output of a driving transistor as the first order pixel signal,
The second pixel signal generator may include a second transfer transistor configured to transmit photocharges accumulated in the photodiode to a second floating diffusion region in response to a second transfer control signal, and the second reset control signal in response to a second reset control signal. A second reset transistor for resetting the floating diffusion region to a second power supply voltage, a second driving transistor source-following a signal corresponding to the photocharge transferred to the second floating diffusion region, and the second selection signal according to a second selection signal. And a second selection transistor configured to output an output of a driving transistor as the second order pixel signal.
상기 제1 화소 신호 생성부는, 제1 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 접속되는 제1 부유 확산 영역을 제1 전원전압으로 리셋시키는 제1 리셋 트랜지스터와, 상기 제1 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제1 구동 트랜지스터와, 제1 선택 신호에 따라 상기 제1 구동 트랜지스터의 출력을 상기 1회차 화소 신호로 출력하는 제1 선택 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 화소 신호 생성부는, 제2 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드에 접속되는 상기 제2 부유 확산 영역을 제2 전원전압으로 리셋시키는 제2 리셋 트랜지스터와, 상기 제2 부유 확산 영역에 전송된 광전하에 상응하는 신호를 소스 팔로우하는 제2 구동 트랜지스터와, 제2 선택 신호에 따라 상기 제2 구동 트랜지스터의 출력을 상기 2회차 화소 신호로 출력하는 제2 선택 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
The method of claim 1,
The first pixel signal generation unit may include a first reset transistor configured to reset a first floating diffusion region connected to the photodiode to a first power supply voltage in response to a first reset control signal, and the first floating transistor is transferred to the first floating diffusion region. A first driving transistor source-following a signal corresponding to photocharge and a first selection transistor outputting the output of the first driving transistor as the first-order pixel signal according to a first selection signal,
The second pixel signal generator includes a second reset transistor configured to reset the second floating diffusion region connected to the photodiode to a second power supply voltage in response to a second reset control signal, and to the second floating diffusion region. And a second driving transistor for source-following a signal corresponding to the photoelectric charge, and a second selection transistor for outputting the output of the second driving transistor as the second-order pixel signal according to a second selection signal. Pixel circuit of the sensor.
상기 제1 축적시간의 길이 및 상기 제2 축적시간의 길이, 상기 제1 부유 확산 영역의 커패시턴스 값 및 상기 제2 부유 확산 영역의 커패시턴스 값 중 적어도 하나를 조절하여 상기 1회차 화소 신호 및 상기 2회차 화소 신호의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
The method according to claim 3 or 4,
The first pixel signal and the second round are adjusted by adjusting at least one of the length of the first accumulation time and the length of the second accumulation time, the capacitance value of the first floating diffusion region, and the capacitance value of the second floating diffusion region. The pixel circuit of the image sensor characterized by controlling the output of a pixel signal.
상기 커패시턴스 값은 부유 확산 영역의 면적, 게이트가 상기 부유 확산 영역에 연결되는 구동 트랜지스터의 크기 중 적어도 하나에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
The method of claim 5,
And the capacitance value is determined by at least one of an area of a floating diffusion region and a size of a driving transistor whose gate is connected to the floating diffusion region.
상기 제1 축적시간, 상기 제1 독출시간, 상기 제2 축적시간, 상기 제2 독출시간은 순서대로 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간에 포함되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로.
The method of claim 1,
Wherein the first accumulation time, the first read time, the second accumulation time, and the second read time are sequentially included in a unit exposure time for one image frame.
포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되고 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 서로 구분되는 복수의 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하에 따른 복수의 화소 신호를 생성하는 복수의 화소 신호 생성부를 포함하는 복수의 단위 화소가 2차원 행렬 형태로 배치된 화소 어레이;
상기 복수의 화소 신호를 합성하는 신호 합성부;
상기 화소 어레이와 상기 신호 합성부 사이에 병렬 연결되며, 상기 복수의 화소 신호 각각을 독립적으로 독출 처리하는 복수의 독출 유닛; 및
상기 화소 어레이, 상기 신호 합성부, 상기 복수의 독출 유닛의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 이미지 센서.
In the image sensor,
Generating a plurality of pixel signals for generating a plurality of pixel signals according to the photodiodes and the photocharges accumulated in the photodiode for a plurality of accumulation times connected in parallel to the photodiode and separated from each other within a unit exposure time for one image frame. A pixel array in which a plurality of unit pixels including units are arranged in a two-dimensional matrix;
A signal synthesizer for synthesizing the plurality of pixel signals;
A plurality of read units connected in parallel between the pixel array and the signal combiner and independently reading and processing each of the plurality of pixel signals; And
And a controller configured to control operations of the pixel array, the signal synthesizing unit, and the plurality of read units.
상기 단위 노출 시간은 제1 축적시간, 제1 독출시간, 제2 축적시간, 제2 독출시간 순서로 구분되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
9. The method of claim 8,
The unit exposure time may be divided into a first accumulation time, a first reading time, a second accumulation time, and a second reading time.
상기 복수의 화소 신호 생성부는 상기 제1 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 1회차 광전하에 상응하는 1회차 화소 신호를 생성하는 제1 화소 신호 생성부와, 상기 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 축적된 2회차 광전하에 상응하는 2회차 화소 신호를 생성하는 제2 화소 신호 생성부를 포함하고,
상기 복수의 독출 유닛은 상기 제1 독출시간 동안 상기 제1 화소 신호 생성부에서 생성된 상기 1회차 화소 신호를 독출하는 제1 독출 유닛과, 상기 제2 독출시간 동안 상기 제2 화소 신호 생성부에서 생성된 상기 2회차 화소 신호를 독출하는 제2 독출 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
10. The method of claim 9,
The plurality of pixel signal generators generate a first pixel signal corresponding to a first-order photocharge accumulated in the photodiode during the first accumulation time, and the photodiode for the second accumulation time. A second pixel signal generator configured to generate a second-order pixel signal corresponding to the accumulated second-order photocharge;
The plurality of read units may include a first read unit that reads the first order pixel signal generated by the first pixel signal generator during the first read time, and the second pixel signal generator during the second read time. And a second reading unit configured to read the second order pixel signal generated by the second pixel signal.
상기 제1 독출 유닛은 임의의 행에 속하는 단위 화소에 대한 1회차 화소 신호를 독출한 직후 다음 행에 속하는 단위 화소에 대한 1회차 화소 신호를 연속적으로 독출하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
The method of claim 10,
And the first reading unit continuously reads the first-order pixel signal for the unit pixel belonging to the next row immediately after reading the first-order pixel signal for the unit pixel belonging to an arbitrary row.
상기 신호 합성부는 상기 복수의 화소 신호 각각을 저장하는 복수의 저장영역을 포함하는 메모리를 더 포함하되,
상기 저장영역에의 저장 순서, 저장 위치 중 적어도 하나를 이용하여 서로 매칭되는 화소 신호끼리 합성을 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
9. The method of claim 8,
The signal synthesizing unit further includes a memory including a plurality of storage areas for storing each of the plurality of pixel signals.
And combining pixel signals matched with each other using at least one of a storage order and a storage location in the storage area.
상기 복수의 화소 신호 생성부는 4-트랜지스터 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
9. The method of claim 8,
The plurality of pixel signal generators have a four-transistor structure.
상기 복수의 화소 신호 생성부는 3-트랜지스터 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
9. The method of claim 8,
The plurality of pixel signal generators have a three-transistor structure.
(a) 제1 축적시간 동안 포토 다이오드에 1회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계;
(b) 제1 화소 신호 생성부에서 상기 1회차 광전하에 상응하는 1회차 화소 신호를 생성하는 단계;
(c) 제1 독출시간 동안 상기 1회차 화소 신호를 출력하는 단계;
(d) 제2 축적시간 동안 상기 포토 다이오드에 2회차 광전하를 생성하여 축적하는 단계;
(e) 제2 화소 신호 생성부에서 상기 2회차 광전하에 상응하는 2회차 화소 신호를 생성하는 단계;
(f) 제2 독출시간 동안 상기 2회차 화소 신호를 출력하는 단계를 포함하되,
상기 1회차 화소 신호와 상기 2회차 화소 신호를 합성시켜 광역 동적범위를 구현하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
In the pixel circuit driving method of the image sensor,
(a) generating and accumulating a first time photocharge in the photodiode for a first accumulation time;
(b) generating a first-order pixel signal corresponding to the first-order photocharge in the first pixel signal generator;
(c) outputting the first pixel signal for a first read time;
(d) generating and accumulating two times photocharges in the photodiode for a second accumulation time;
(e) generating a second-order pixel signal corresponding to the second-order photocharge in a second pixel signal generator;
(f) outputting the second order pixel signal during a second read time,
And synthesizing the first and second pixel signals to implement a wide dynamic range.
상기 제1 축적시간, 상기 제1 독출시간, 상기 제2 축적시간, 상기 제2 독출시간은 하나의 영상 프레임을 위한 단위 노출 시간 내에 순서대로 포함되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
16. The method of claim 15,
And the first accumulation time, the first read time, the second accumulation time, and the second read time are sequentially included within a unit exposure time for one image frame.
임의의 행에 속하는 단위 화소에 대하여 상기 단계 (c)가 완료된 직후 다음 행에 속하는 단위 화소에 대하여 상기 단계 (c)가 연속적으로 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.
16. The method of claim 15,
And the step (c) is continuously performed on the unit pixels belonging to the next row immediately after the step (c) is completed for the unit pixels belonging to an arbitrary row.
상기 제1 화소 신호 생성부와 상기 제2 화소 신호 생성부는 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 화소 회로 구동방법.16. The method of claim 15,
And the first pixel signal generator and the second pixel signal generator are connected in parallel to the photodiode to operate independently.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110040181A KR20120122165A (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Image sensor with wide dynamic range and pixel circuit and operating method thereof |
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| KR20120122165A true KR20120122165A (en) | 2012-11-07 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101483356B1 (en) * | 2013-03-07 | 2015-01-15 | 주식회사 동부하이텍 | Image sensor |
| US9762821B2 (en) | 2014-07-14 | 2017-09-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Unit pixel of image sensor, image sensor, and computing system having the same |
| KR20200068153A (en) * | 2018-12-04 | 2020-06-15 | 클레어픽셀 주식회사 | CMOS image sensor with wide dynamic range |
| CN112585955A (en) * | 2018-08-22 | 2021-03-30 | 吉加焦特技术公司 | Split type read-out image sensor |
-
2011
- 2011-04-28 KR KR1020110040181A patent/KR20120122165A/en not_active Application Discontinuation
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| US9124836B2 (en) | 2013-03-07 | 2015-09-01 | Dongbu Hitek Co., Ltd. | Image sensor and method of driving the same |
| US9762821B2 (en) | 2014-07-14 | 2017-09-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Unit pixel of image sensor, image sensor, and computing system having the same |
| CN112585955A (en) * | 2018-08-22 | 2021-03-30 | 吉加焦特技术公司 | Split type read-out image sensor |
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