KR20130015915A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20130015915A
KR20130015915A KR1020110078251A KR20110078251A KR20130015915A KR 20130015915 A KR20130015915 A KR 20130015915A KR 1020110078251 A KR1020110078251 A KR 1020110078251A KR 20110078251 A KR20110078251 A KR 20110078251A KR 20130015915 A KR20130015915 A KR 20130015915A
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조광준
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 발명은 이미지 센서의 안정화 시간을 단축시켜 샘플링 시간을 줄여줄 수 있는 이미지 센서에 관한 것으로, 상기 이미지 센서는 픽셀, 상기 픽셀의 출력노드의 신호를 샘플링하는 샘플링부, 상기 픽셀의 출력노드를 싱킹하는 싱킹부, 및 상기 싱킹부의 전류량을 제어하는 전류제어부를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서{Image Sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치 중 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 도1과 같이 구성될 수 있다.
도1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 이미지 센서는 픽셀(11), 샘플링부(12), ADC(13), 및 구동전류 공급부(14) 등을 포함할 수 있으며, 픽셀(11)은 플로팅 디퓨젼 캐패시터(Cfd), 포토 다이오드(PD), 리셋 트랜지스터(Q1), 전달 트랜지스터(Q2), 소스 팔로워 트랜지스터(Q3), 로우선택 트랜지스터(Q4)로 구성되고, 샘플링부(12)는 신호 캐패시터(Cs), 리셋 캐패시터(Cr), 리셋샘플링 트랜지스터(Q5), 및 신호샘플링 트랜지스터(Q6)로 구성되고, 구동전류 공급부(14)는 전류 트랜지스터(Q7)로 구성될 수 있다.
이하, 도2를 참조하여 도1의 이미지 센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.
픽셀(11)의 리셋 레벨을 샘플링하기 위해서는, 리셋 트랜지스터(Q1)와 리셋샘플링 트랜지스터(Q5)을 턴 온시킨다. 이에 FD(floating diffusion) 노드(FD)가 초기화되고, 출력노드(OUT)의 전압레벨도 FD 노드(FD)의 전압레벨에 따라 변화된다. 그러면 리셋샘플링 트랜지스터(Q5)은 이때의 출력노드(OUT)의 전압레벨을 리셋 캐패시터(Cr)에 저장한다.
픽셀(11)의 신호 레벨을 샘플링하기 위해서는, FD 노드(FD)가 상기와 같이 초기화된 상태에서 리셋 트랜지스터(Q1)와 리셋샘플링 트랜지스터(Q5)를 턴 오프시키고 전달 트랜지스터(Q2)와 신호샘플링 트랜지스터(Q6)를 턴 온시킨다. 이에 포토 다이오드(PD)에 축적된 광 전하가 FD 노드(FD)로 이동되어 출력노드(OUT)의 전압레벨이 변화되면, 신호샘플링 트랜지스터(Q6)는 신호 캐패시터(Cs)에 출력노드(OUT)의 전압레벨을 저장한다.
상기의 과정에 의해 리셋 캐패시터(Cr)과 신호 캐패시터(Cs) 모두에 신호가 저장되면, 샘플링부(12)는 리셋 캐패시터(Cr)과 신호 캐패시터(Cs)간 전압차를 ADC(13)에 제공하여, 리셋 노이즈가 제거된 영상 신호를 획득한다.
이와 같이 구성 및 동작되는 이미지 센서의 경우, 리셋 트랜지스터(Q1)과 전달 트랜지스터(Q2)의 동작시 FD 노드(FD)의 커플링(coupling)에 의한 노이즈(noise)가 발생할 수 있다.
샘플링 캐패시터(Cr, Cs)에 노이즈가 포함된 신호가 저장되지 않도록 하기 위해서는, 리셋 트랜지스터(Q1)과 전달 트랜지스터(Q2)의 동작 후 출력노드(OUT)를 완전히 방전시키고 다음의 동작을 수행해야 한다. 즉, 충분한 안정화 시간(△STprevious)을 확보한 후 다음의 동작을 수행해야 한다.
그러나 출력노드(OUT)의 전압 강하 속도는 FD 노드(FD)에 비해 매우 느린 문제가 있다. 즉, 도3에 도시된 바와 같이, FD 노드(FD)의 전압레벨은 전달 트랜지스터(Q2)가 턴 오프됨에 따라 즉각 감소되는 반면, 출력노드(OUT)의 전압레벨은 FD 노드(FD)의 전압레벨과 달리 천천히 감소되는 문제가 있다. 이는 출력노드(OUT)에 신호 캐패시터(Cs)가 연결되어 있어, 신호 캐패시터(Cs)의 방전속도가 출력노드(OUT)의 전압 강하 속도에 영향을 끼치기 때문이다. 또한, 구동전류 공급부(14)가 제공하는 구동 전류량이 작으면, 소스 팔로워 트랜지스터(Q3), 로우선택 트랜지스터(Q4)의 드라이빙 능력이 저하되어, 출력노드(OUT)의 전하 강하 속도는 더욱 낮아지게 된다.
따라서, 종래에는 출력노드(OUT)의 느린 전압 강하 속도에 따라 긴 안정화 시간(△STprevious)을 확보하여야 하고, 그 결과 샘플링 시간이 증가하여 이미지 센서의 프레임 속도가 제한되는 문제를 가진다.
이에 본 발명에서는 이미지 센서의 안정화 시간을 단축시켜 샘플링 시간을 줄여줄 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 픽셀; 상기 픽셀의 출력노드의 신호를 샘플링하는 샘플링부; 및 상기 픽셀의 출력노드를 싱킹하는 싱킹부; 및 상기 싱킹부의 전류량을 제어하는 전류 제어부를 포함하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 이미지 센서는 구동전류량을 이용하여 출력노드(OUT)의 안정화 시간을 단축시킴으로써, 샘플링 시간이 감소되고, 그에 따라 이미지 센서의 프레임 속도가 향상되도록 해준다.
도1은 종래의 기술에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도2는 종래의 기술에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도이다.
도3은 종래의 기술에 따른 전달 트랜지스터의 동작에 따라 가변되는 FD 노드와 출력 노드의 전압 레벨을 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도이다.
도6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전달 트랜지스터의 동작에 따라 가변되는 FD 노드와 출력노드의 전압레벨을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)를 통해 광량을 축적하고 이에 상응하는 픽셀신호를 출력하는 픽셀(11), 상기 픽셀(11)의 출력노드(OUT)의 신호를 샘플링하는 샘플링부(12), 상기 샘플링부(12)에서의 샘플링 결과를 디지털 신호로 변환하여 상기 디지털 신호를 출력하는 ADC(13), 상기 픽셀(11)의 출력노드(OUT)를 싱킹하는 싱킹부(21), 및 상기 싱킹부(21)를 통하여 흐르는 전류량을 제어하는 전류제어부(22) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전류제어부(22)는 이미지 센서의 동작 상태에 따라 상기 싱킹부(21)을 통하여 흐르는 전류량을 가변할 수 있다. 예를 들면, 상기 전류제어부(22)는 상기 픽셀(11)이 상기 픽셀신호를 생성하지 않을 때에는 상기 싱킹부(21)을 통하여 제1 전류량이 흐르도록 하고, 상기 픽셀(11)이 상기 픽셀신호를 생성할 때에는 상기 싱킹부(21)를 통하여 상기 제1 전류량보다 큰 제2 전류량이 흐르도록 상기 싱킹부(21)에 제어신호를 출력할 수 있다.
이를 위해, 상기 싱킹부(21)는 픽셀(11)의 출력노드(OUT)와 접지 사이에 연결된 전류 트랜지스터(Q7)를 포함할 수 있으며, 상기 전류 제어부(22)는 바이어스 전압(Vbias)이 인가되는 단자와 상기 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트 사이에 연결되고, 제1 전압제어 신호(VC1)가 인가되는 게이트를 구비하는 제1 제어 트랜지스터(Q8) 및 상기 바이어스 전압(Vbias)보다 높은 승압 전압(Vpp)이 인가되는 단자와 상기 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트 사이에 연결되고, 제2 전압제어 신호(VC2)가 인가되는 게이트를 구비하는 제2 제어 트랜지스터(Q9)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 제어 트랜지스터(Q8)는 제1 전압제어 신호(VC1)가 활성화되면 기존의 바이어스 전압(Vbias)를 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트 전압으로 공급하고, 제2 제어 트랜지스터(Q9)는 제2 전압제어 신호(VC2)가 활성화되면 기존의 바이어스 전압(Vbias)보다 높은 승압 전압(Vpp)를 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트 전압으로 공급한다.
이때, 제1 전압제어 신호(VC1) 및 제2 전압제어 신호(VC2)는 이미지 센서의 동작을 제어하는 타이밍 발생기(미도시)에 의해 생성 및 제공될 수 있으며, 제2 전압제어 신호(VC2)는 픽셀(11)의 픽셀신호 생성 구간(예를 들어, 리셋 신호(RX) 및 전달 신호(TX)의 활성화 구간)에서 활성화되고, 제1 전압제어 신호(VC1)는 그 외의 구간에서 활성화될 수 있다.
픽셀(11)은 FD(floating diffusion) 노드(FD)에 연결된 플로팅 디퓨젼 캐패시터(Cfd), 광전 변환 동작을 수행하는 포토 다이오드(PD), 리셋 신호(RX)에 따라 FD 노드(FD)를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(Q1), 전달 신호(TX)에 따라 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하를 FD 노드(FD)에 전달하는 전달 트랜지스터(Q2), FD 노드(FD)의 전압레벨을 소스 팔로잉(source following)하여 픽셀신호를 생성하는 소스 팔로워 트랜지스터(Q3), 로우선택 신호(LS)에 따라 픽셀신호를 출력노드(OUT)로 출력하는 로우선택 트랜지스터(Q4)로 이루어진다.
샘플링부(12)는 신호 캐패시터(Cs), 리셋 캐패시터(Cr), 리셋샘플링 신호(SC_R)에 따라 픽셀신호를 리셋 캐패시터(Cr)에 저장하는 리셋샘플링 트랜지스터(Q5), 및 신호샘플링 신호(SC_S)에 따라 픽셀신호를 신호 캐패시터(Cs)에 저장하는 신호샘플링 트랜지스터(Q6)로 이루어진다.
상기에서는 트랜지스터를 엔모스 트랜지스터로 구현하는 경우에 한하여 설명하였으나, 실제의 적용 예에는 이의 구현 방법을 다양화시킬 수 있음은 당연하다. 즉, 상기 트랜지스터를 엔모스 트랜지스터, 피모스 트랜지스터, 또는 피모스 트랜지스터와 엔모스 트랜지스터가 상보적으로 결합된 구조 등으로 다양하게 구현할 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명의 전류제어부(22)는 픽셀(11)이 픽셀 신호를 생성하는 동안에는(즉, 리셋 신호(RX)가 활성화되어 샘플링부(12)가 리셋 레벨을 샘플링하거나 전달 신호(Tx)가 활성화되어 샘플링부(12)가 신호 레벨을 샘플링하는 동안에는) 바이어스 전압(Vbias) 대신에 승압 전압(Vpp)을 싱킹부(21)의 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트에 인가함으로써 이미지 센서의 구동전류량을 증가시킨다. 그 결과, 출력노드(OUT)의 안정화 시간이 증대된 구동전류량에 따라 단축되고, 이미지 센서의 샘플링 시간이 단축된 안정화 시간만큼 감소될 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 신호 타이밍도이다.
먼저, 로우선택 트랜지스터(Q4)가 턴 온되어, 픽셀(11)을 픽셀 신호 출력 가능 상태로 만든다.
이후, 픽셀(11)의 리셋 레벨을 샘플링하기 위해, 제2 제어 트랜지스터(Q9), 리셋 트랜지스터(Q1), 리셋샘플링 트랜지스터(Q5)가 턴온된다. 이에 따라, 전류제어부(22)는 바이어스 전압(Vbias)보다 높은 승압 전압(Vpp)을 싱킹부(21)의 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트에 인가한다. 따라서, 이미지 센서의 구동전류가 증가한다. 이러한 상태에서 FD 노드(FD)가 리셋 트랜지스터(Q1)에 의해 초기화되면, 출력노드(OUT)의 전압레벨은 초기화된 FD 노드(FD)의 전압레벨에 따라 변화되고, 리셋 캐패시터(Cr)에는 변화된 출력노드(OUT)의 전압레벨이 저장된다. 이때, 구동전류의 증가로 인해 소스 팔로워 트랜지스터(Q3) 및 로우선택 트랜지스터(Q4)의 드라이빙 능력도 향상되므로, 출력노드(OUT)의 전압레벨은 종래에 비하여 빠르게 변화할 수 있다.
이후, 리셋 트랜지스터(Q1)가 다시 턴 오프되면, FD 노드(FD)는 즉각 감소되고, 출력노드(OUT)의 전압레벨도 이에 응답하여 감소되기 시작한다. 단, 이때의 출력노드(OUT)의 전압레벨도 종래에 비해 빠른 속도로 감소된다. 이는 소스 팔로워 트랜지스터(Q3), 로우선택 트랜지스터(Q4)의 드라이빙 능력이 증가된 구동 전류량에 향상되었을 뿐 만 아니라, 출력노드(OUT)에 연결된 리셋 캐패시터(Cr)의 방전속도도 증가된 구동 전류량에 따라 빨라졌기 때문이다.
이후, 출력노드(OUT)가 완전히 방전되면, 제2 제어 트랜지스터(Q9) 대신에 제1 제어 트랜지스터(Q8)가 턴 온되며, 전류제어부(22)는 승압 전압(Vpp) 대신에 기존의 바이어스 전압(Vbias)을 싱킹부(21)의 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트에 인가한다. 따라서, 이미지 센서의 구동전류가 상대적으로 감소한다.
이와 같이 본 발명에서는 구동전류량을 증가시킴으로써 출력노드(OUT)의 안정화 시간(△STpresent)이 단축시켜 준다. 또한, FD 노드(FD)의 전압의 변화에 따른 출력노드(OUT)의 전압의 변화도 보다 빠르게 이루어질 수 있다.
이러한 효과는 픽셀(11)의 신호 레벨을 샘플링하는 구간에서도 동일하게 나타나게 되는데, 이를 계속하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 포토 다이오드(PD)에 축적된 광 전하를 샘플링하기 위해, 전달 트랜지스터(Q2)와 신호샘플링 트랜지스터(Q6)이 턴 온된다. 이때, 제2 제어 트랜지스터(Q9)도 턴 온된다. 즉, 전류제어부(22)는 승압 전압(Vpp)을 싱킹부(21)의 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트에 인가한다. 이에 따라 싱킹부(21)를 통하여 흐르는 이미지 센서의 구동전류의 크기가 증가한다.
그리고 포토 다이오드(PD)의 광 전하가 FD 노드(FD)에 공급되어 FD 노드(FD)의 전압레벨이 변화되면, 출력노드(OUT)의 전압레벨도 이에 따라 변화되며, 리셋 캐패시터(Cr)에는 변화된 출력노드(OUT)의 전압레벨이 저장된다. 이때, 증가된 구동전류에 의해 소스 팔로워 트랜지스터(Q3), 로우선택 트랜지스터(Q4)의 드라이빙 능력이 향상되고, 따라서 출력노드(OUT)의 전압레벨도 보다 빠르게 변화한다.
이후, 전달 트랜지스터(Q2)가 다시 턴 오프되면, FD 노드(FD)는 즉각 감소되고, 출력노드(OUT)의 전압레벨도 증가된 구동전류량을 이용하여 즉각 감소된다. 즉, 증가된 구동전류량에 의해 향상된 소스 팔로워 트랜지스터(Q3), 로우선택 트랜지스터(Q4)의 드라이빙 능력과 신호 캐패시터(Cs)의 방전속도에 의해 출력노드(OUT)의 전압 강하 속도가 증대된다.
이후, 출력노드(OUT)가 완전히 방전되면, 제2 제어 트랜지스터(Q9) 대신에 제1 제어 트랜지스터(Q8)가 턴 온되며, 전류제어부(22)는 바이어스 전압(Vbias)을 싱킹부(21)의 전류 트랜지스터(Q7)의 게이트에 인가한다. 따라서, 이미지 센서의 구동전류는 상대적으로 감소한다.
따라서 신호 레벨 샘플링 구간에서도 출력노드(OUT)의 안정화 시간(△STpresent)이 단축될 수 있다. 또한, 출력노드(OUT)의 전압 변화도 보다 빠르게 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 구동전류량을 통해 출력노드(OUT)의 안정화 시간(△STpresent)을 단축시킴으로써, 이미지 센서의 샘플링 시간을 줄여준다. 또한, 출력노드(OUT)가 충분히 안정화된 후에 다음 동작을 수행하도록 함으로써, 이미지 센서의 성능도 안정적으로 확보한다.
더하여, 본 발명은 제1 제어 트랜지스터(Q8)의 턴 온 구간을 조정하여 전력 소모량을 감소시켜 줄 수 도 있다.
즉, 도5에서는 제2 제어 트랜지스터(Q9)가 턴 오프되면 무조건적으로 제1 제어 트랜지스터(Q8)를 턴 온시켰으나, 도6에서와 같이 제1 제어 트랜지스터(Q8)의 턴 온 구간을 최소화시킴으로써, 전력이 불필요하게 소비되는 것을 방지해줄 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전달 트랜지스터의 동작에 따라 가변되는 FD 노드와 출력노드의 전압레벨을 도시한 도면이다.
도7을 참조하면, 전달 트랜지스터(Q2)가 턴 온될 때에 FD 노드(FD)와 출력노드(OUT)의 전압레벨이 거의 비슷한 속도로 변화됨을 알 수 있다. 이에 응답 지연이 감소되고, 안정화 시간도 그에 비례하여 단축되게 된다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.
11: 픽셀 12: 샘플링부
13: ADC 14: 구동전류 공급부
21: 싱킹부 22: 전류제어부

Claims (7)

  1. 픽셀;
    상기 픽셀의 출력노드의 신호를 샘플링하는 샘플링부;
    상기 픽셀의 출력노드를 싱킹하는 싱킹부; 및
    상기 싱킹부의 전류량을 제어하는 전류제어부를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 싱킹부는
    상기 픽셀의 출력노드와 접지 사이에 연결된 전류 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전류제어부는
    상기 샘플링부가 상기 픽셀의 출력노드의 신호를 샘플링하지 않을 때, 상기 전류 트랜지스터의 게이트에 제1 전압을 제공하는 제1 제어 트랜지스터; 및
    상기 샘플링부가 상기 픽셀의 출력노드의 신호를 샘플링할 때, 상기 전류 트랜지스터의 게이트에 제1 전압 보다 큰 전압값을 가지는 제2 전압을 제공하는 제2 제어 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 제어 트랜지스터는
    픽셀신호 생성이 요청될 때에 턴 온되며, 픽셀신호 생성이 종료되고 상기 픽셀의 출력노드가 완전히 방전될 때에 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 제어 트랜지스터는
    픽셀신호 생성이 종료되고 상기 픽셀의 출력노드가 완전히 방전될 때에 턴 온되고, 픽셀신호 생성이 요청될 때에 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 제어 트랜지스터는
    픽셀신호 생성이 종료되고 상기 픽셀의 출력노드가 완전히 방전될 때에 일시 턴 온된 후, 다시 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 샘플링부는
    샘플링 캐패시터; 및
    상기 픽셀의 출력노드의 신호를 상기 샘플링 캐패시터에 저장하고, 상기 싱킹부를 통하여 상기 샘플링 캐패시터를 방전시키는 샘플링 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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