KR20130064971A - Analog-digital converter for high resolution image sensor - Google Patents

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권오경
전성채
허영
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한국전기연구원
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array

Abstract

PURPOSE: A high definition image sensor using an analog to digital converter is provided to implement a normal mode of reading a signal sequentially from each column from pixels of the image sensor and a binning mode of reading signals for a number of adjacent pixels of two columns through a charge averaging method. CONSTITUTION: A column driver includes more than one column analog to digital converters(ADC)(200) receiving a signal from two column lines included in a pixel array. The column ADC includes a sigma-delta ADC(201) and a successive approximation register ADC(202). The sigma-delta ADC receives an output voltage of the pixel from at least two column lines of the pixel array, and then performs analog to digital conversion of the output voltage. The successive approximation register ADC receives an output value of the sigma-delta ADC, and then performs the analog to digital conversion of the output value.

Description

고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기{Analog-Digital Converter for High Resolution Image Sensor} Analog-Digital Converter for High Resolution Image Sensor

본 발명은 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기에 관한 것으로, 구체적으로는 저전력의 고분해 기능을 이용하여 고해상도의 이미지 영상을 도출하기 위한 아날로그 디지털 변환기를 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to an analog-to-digital converter for a high-resolution image sensor, and more particularly, to provide an analog-to-digital converter for deriving a high-resolution image image by using a low power high resolution function.

종래 필름 방식의 아날로그 영상 검출 장치는 일반적으로 렌즈나 필름과 같은 광학계 기술을 이용하여 영상을 수동적으로 촬영하였다. Conventional film-type analog image detection apparatus has generally taken the image manually using an optical system technology such as a lens or film.

영상 검출 장치에 대한 기술은 점차 발전되어, CCD(Charge Coupled Device)나 CIS(CMOS Image Sensor)와 같이 영상을 디지털 데이터로 직접 변환시켜 저장 장치에 용이하게 저장할 수 있는 디지털 영상 검출 장치가 나타났다. 디지털 영상 검출 장치는 대용량의 영상 및 동영상을 저장하고 다른 디바이스로 전송할 수 있으며, 디지털 신호처리를 사용하여 촬영한 영상을 높은 수준의 정보성 있는 데이터로 가공하는 작업까지 가능해졌다. Technology for image detection devices has been gradually developed, such as a charge coupled device (CCD) or a CMOS image sensor (CIS) has emerged a digital image detection device that can be easily converted to digital data and stored in a storage device. The digital image detection device can store a large amount of video and video and transmit it to another device, and it is possible to process the captured image using digital signal processing to a high level of informational data.

나아가, 영상 검출 장치에 사용되는 이미지 센서는 DSLR(Digital Single Lens Reflex)이나 방송용 카메라와 같은 고급 영상 검출 기기나 X-ray 검출기와 같은 의료 분야 및 과학용 분야로까지 널리 보급되고 있다. 이에 Mega 픽셀 정도의 고해상도를 만족하면서 14-bit 이상의 고분해능 영상 데이터를 출력할 수 있는 이미지 센서가 요구되고 있다.Furthermore, image sensors used in image detection devices are widely used in medical and scientific fields such as advanced image detection devices such as digital single lens reflex (DSLR) or broadcast cameras, and X-ray detectors. Accordingly, there is a demand for an image sensor capable of outputting high resolution image data of 14-bit or more while satisfying a high resolution of about Mega pixels.

따라서, 고해상도 고분해능의 이미지 센서를 이용함에 따라, 고분해능 영상 데이터를 얻기 위해 초당 30 프레임 수준의 동영상을 촬영하면서 영상을 이루는 복수의 컬럼(column)의 복수의 이웃 픽셀들에 대한 신호들을 전하 평균(charge average) 방식으로 독출하는 비닝 모드(binning mode)를 지원하는 아날로그 디지털 컨버터 (Analog-to-Digital Converter: ADC)에 대한 연구가 계속되고 있다.Therefore, by using a high-resolution high-resolution image sensor, charge averaged signals for a plurality of neighboring pixels of a plurality of columns constituting an image while capturing a video at 30 frames per second to obtain high resolution image data. Research on analog-to-digital converters (ADCs) that support a binning mode that reads on an average basis is continuing.

현재 사용되고 있는 ADC는 그 종류에 따라 적합한 목적 및 기능을 수행한다. Currently used ADCs serve a purpose and function depending on their type.

단일 경사(single-slope) ADC의 경우, 단조 증가성(monotonicity)이 우수하여 주로 이미지 센서에 사용되지만, 14-bit 이상의 고분해능 ADC로 동작하기 위해서는 고속의 클럭이 필요하다는 점에서 고해상도 고분해능 이미지 센서에 적합하지 않다.Single-slope ADCs are mainly used in image sensors because of their excellent monotonicity, but they require high-speed clocks to operate with 14-bit or higher resolution ADCs. Inappropriate.

Cyclic ADC와 SAR ADC(Successive Approximation ADC)는 고분해능 ADC에서도 비트 수만큼의 클럭 사이클이 소요되기 때문에 고해상도 고분해능의 이미지 센서에 적합하다. Cyclic ADCs and Successive Approximation ADCs (SAR ADCs) require as many bits of clock cycles as high resolution ADCs, making them suitable for high-resolution, high-resolution image sensors.

그러나, Cyclic ADC는 유한한 전압 이득에 의한 오차를 줄이기 위하여 높은 전압 이득을 갖는 증폭기가 필요하고 샘플링 오차를 줄이기 위하여 큰 커패시터가 필요하기 때문에 해상도가 증가할수록 전력 소모가 급증하는 문제점이 있다. 또한, SAR ADC는 전력 소모가 매우 작지만, ADC내 디지털 아날로그 컨버터 (Digital-to-Analog Converter: DAC)를 구성하는 커패시터의 크기가 증가하여 ADC의 해상도가 증가할수록 전체적인 면적이 급증되는 문제점이 있다.However, the Cyclic ADC requires an amplifier having a high voltage gain to reduce the error due to the finite voltage gain and a large capacitor to reduce the sampling error. Therefore, the power consumption increases rapidly as the resolution is increased. In addition, although the SAR ADC consumes very little power, the size of the capacitor constituting the digital-to-analog converter (DAC) in the ADC increases, so that the overall area increases rapidly as the resolution of the ADC increases.

또 다른 ADC로, Sigma-delta ADC는 오버샘플링 효과에 의해 샘플링 커패시터의 크기와 연산 증폭기의 전압 이득을 낮출 수 있으나 ADC의 해상도가 증가할수록 대역폭이 증가하여 전력 소모를 줄이기 어렵다는 문제점이 있다.As another ADC, the Sigma-delta ADC can reduce the size of the sampling capacitor and the voltage gain of the op amp by the oversampling effect. However, as the resolution of the ADC increases, the bandwidth increases, making it difficult to reduce power consumption.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 이미지 센서의 픽셀들로부터 각 컬럼에서 순차적으로 신호를 독출하는 노멀모드(normal mode)와 복수의 이웃 픽셀들에 대한 신호들을 전하 평균 방식으로 독출하는 비닝 모드를 지원하고 신호 독출시 발생되는 잡음을 제거하는 ADC를 제안하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to charge signals for a normal mode and a plurality of neighboring pixels, which sequentially read signals from each pixel from pixels of an image sensor. This paper proposes an ADC that supports binning mode that reads in an averaged manner and removes noise generated when a signal is read.

본 발명의 다른 목적은, 비닝 모드에서도 ADC의 속도를 증가시키지 않는 디지털 CDS(Correlated Double Sample) 기술이 적용 가능한 ADC의 구조와 구동 방식을 제안하는 것이다.Another object of the present invention is to propose a structure and a driving method of an ADC to which the digital correlated double sample (CDS) technology, which does not increase the speed of the ADC even in the binning mode, is applicable.

본 발명의 또 다른 목적은, 고해상도 ADC에서 샘플링 커패시터의 크기를 감소시키고 저전력이 가능하게 하는 ADC의 구조와 구동 방식을 제안하는 것이다. It is still another object of the present invention to propose a structure and a driving method of an ADC which reduces the size of a sampling capacitor and enables low power in a high resolution ADC.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기는 2차원 어레이 형태로 형성된 다수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 어레이를 구성하는 로우 라인을 선택하는 스캔 드라이버 및 상기 스캔 드라이버가 선택하는 로우 라인의 픽셀들로부터 광전변환신호를 독출하는 컬럼 드라이버를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 컬럼 드라이버는, 상기 픽셀 어레이에 포함된 적어도 두 개의 컬럼 라인으로부터 신호 입력을 받는 컬럼 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter: ADC)를 하나 이상 포함하고, 상기 컬럼 ADC 는, 상기 픽셀 어레이의 적어도 두 개의 컬럼 라인으로부터 픽셀의 출력 전압을 입력받아 A/D 수행하는 Sigma-delta ADC 및 상기 Sigma-delta ADC의 출력 값을 입력 신호로 입력받아 A/D 변환을 수행하는 SAR ADC(Successive Approximation ADC)를 포함한다.An analog to digital converter for a high-resolution image sensor according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is to select a pixel array including a plurality of pixels formed in the form of a two-dimensional array, the row line constituting the pixel array An image sensor comprising a scan driver and a column driver that reads a photoelectric conversion signal from pixels of a row line selected by the scan driver, wherein the column driver is configured to output a signal from at least two column lines included in the pixel array. And one or more column-to-analog analog-to-digital converters (ADCs) receiving the inputs, wherein the column ADCs perform S / Ama-A to receive output voltages of pixels from at least two column lines of the pixel array. Input the output values of the delta ADC and the Sigma-delta ADC as input signals Oh and a SAR ADC (Successive Approximation ADC) for performing A / D conversion.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 픽셀 어레이는, 오드 로우(odd row) 라인의 픽셀과 이븐 로우(even row) 라인의 픽셀이 서로 다른 컬럼(column) 라인을 갖도록 배치될 수 있다.The pixel array according to an embodiment of the present invention may be arranged such that pixels of an odd row line and pixels of an even row line have different column lines.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 컬럼 드라이버는, 하나 이상의 상기 컬럼 ADC를 포함하며, 픽셀의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 컬럼 ADC 어레이; 상기 컬럼 ADC 어레이에서 상기 컬럼 ADC에서 발생하는 출력 결과를 보정하는 컬럼 디지털 프로세싱 유닛; 및 상기 컬럼 ADC 어레이에서 생성되는 출력 결과를 저장하는 SRAM 어레이를 포함할 수 있다.The column driver according to an embodiment of the present invention includes a column ADC array including one or more of the column ADCs and converting an output voltage of a pixel into a digital signal and outputting the digital signal; A column digital processing unit for correcting an output result generated by the column ADC in the column ADC array; And an SRAM array storing an output result generated by the column ADC array.

상기 컬럼 ADC의 입력단은, 상기 픽셀 어레이를 구성하는 각 컬럼마다 오드 로우 라인과 이븐 로우 라인의 픽셀들에 대응된 광전변환신호들을 각각 출력하기 위한 적어도 2개의 컬럼 출력 라인과 연결될 수 있다.An input terminal of the column ADC may be connected to at least two column output lines for outputting photoelectric conversion signals corresponding to pixels of an odd row line and an even row line for each column of the pixel array.

또한, 상기 컬럼 ADC는, 상기 컬럼 드라이버의 채널 단위별로 적어도 두 개의 전류원, 적어도 두 개의 샘플링 커패시터 및 다수의 스위치를 포함한 회로로 구성되며, 상기 회로를 통해 상기 2개의 컬럼 출력 라인으로부터 순차적으로 신호를 입력받을 수 있다.The column ADC may include a circuit including at least two current sources, at least two sampling capacitors, and a plurality of switches for each channel unit of the column driver, and sequentially receive signals from the two column output lines through the circuit. Can be input.

한편, 상기 컬럼 ADC의 입력단은, 상기 2개의 컬럼 출력 라인 사이에 연결된 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 노멀 모드에서 턴온(turn-on)되고 비닝 모드에서 턴오프(turn-off)될 수 있다. 이때, 상기 컬럼 ADC는, 상기 스위치 및 인접하는 채널 ADC를 이용하여 상기 픽셀 어레이를 구성하는 다수의 픽셀들 중 인접하는 4개의 픽셀들로부터 동시에 출력 신호를 입력받을 수 있다.Meanwhile, the input terminal of the column ADC includes a switch connected between the two column output lines, and the switch may be turned on in a normal mode and turned off in a binning mode. In this case, the column ADC may simultaneously receive an output signal from four adjacent pixels among the plurality of pixels constituting the pixel array using the switch and the adjacent channel ADC.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 Sigma-delta ADC는, 피드백 커패시터, 다수의 샘플링 커패시터, 상기 커패시터 사이에 연결된 다수의 스위치 및 적분기를 포함하는 회로로 구성될 수 있다.The Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention may include a feedback capacitor, a plurality of sampling capacitors, a circuit including a plurality of switches and integrators connected between the capacitors.

이때, 상기 Sigma-delta ADC는, 제1 클럭에 입력된 신호를 샘플링하여 홀딩하고, 제2 클럭부터 입력된 신호를 A/D 변환하여 디지털 신호로 출력하는 과정을 반복 수행하며, 마지막 클럭에는 상기 적분기의 출력 전압이 상기 SAR ADC로 입력되는 입력 전압 범위의 절반이 되도록 상기 출력 전압을 샘플링하여 디지털 신호로 출력할 수 있다.In this case, the Sigma-delta ADC is to repeat the process of sampling and holding the signal input to the first clock, A / D conversion of the signal input from the second clock to output as a digital signal, the last clock The output voltage may be sampled and output as a digital signal such that the output voltage of the integrator is half of the input voltage range input to the SAR ADC.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 적분기는 제1 증폭단 및 제2 증폭단의 2단 증폭기로 구성되고, 상기 적분기의 모든 전압 노드를 동일 전압으로 초기화하는 동안, 상기 제1 증폭단에만 전류를 인가하고 상기 2 증폭단의 전류 경로는 단락시킬 수 있다.The integrator according to an embodiment of the present invention includes a two-stage amplifier of a first amplifier stage and a second amplifier stage, and applies current only to the first amplifier stage while initializing all voltage nodes of the integrator to the same voltage. The current path of the two amplifier stages can be shorted.

한편, 상기 Sigma-delta ADC는, 상기 픽셀 어레이로부터 픽셀 신호 전압이 입력되는 동안 상기 적분기의 전력 소모를 일정 수준으로 감소시키면서 상기 픽셀 신호 전압을 A/D 변환한 후 픽셀 리셋 전압이 입력되는 시점까지 상기 적분기에 저장하여 유지하고, 입력된 상기 픽셀 리셋 전압에 대해서는 상기 샘플링 커패시터의 양단을 반대로 연결하여 A/D 변환할 수 있다.Meanwhile, the Sigma-delta ADC reduces the power consumption of the integrator to a predetermined level while the pixel signal voltage is input from the pixel array, and A / D converts the pixel signal voltage to a point where the pixel reset voltage is input. The integrator may store and maintain the integrator and perform A / D conversion by connecting opposite ends of the sampling capacitor with respect to the input pixel reset voltage.

또한, 상기 Sigma-delta ADC는, 상기 피드백 커패시터의 크기를 상기 샘플링 커패시터의 크기의 2배로 설정하여 픽셀 신호 전압에 대한 A/D 변환을 수행하고, 상기 적분기의 출력 전압이 상기 SAR ADC로 입려되는 입력 전압 범위의 절반이 되도록 상기 출력 전압을 샘플링하여 디지털 신호로 출력할 수 있다.In addition, the Sigma-delta ADC sets the feedback capacitor to twice the size of the sampling capacitor to perform A / D conversion on the pixel signal voltage, and outputs the integrator to the SAR ADC. The output voltage may be sampled to be half of the input voltage range and output as a digital signal.

상기 실시형태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the present invention by those skilled in the art. And can be understood and understood.

본 발명에 따르면, 이미지 센서의 픽셀들로부터 각 컬럼에서 순차적으로 신호를 독출하는 노멀 모드(normal mode) 및 두 개의 컬럼의 복수의 이웃 픽셀들에 대한 신호들을 전하 평균 방식으로 독출하는 비닝 모드를 구현할 수 있다.According to the present invention, a normal mode in which signals are sequentially read in each column from pixels of an image sensor, and a binning mode in which signals for a plurality of neighboring pixels of two columns are read in a charge average method. Can be implemented.

또한, 본 발명에 따르면, 고해상도 이미지를 생성하는 ADC를 구현하는 과정에서 샘플링 커패시터의 크기는 감소시키면서 KT/C 잡음은 감소시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, KT / C noise may be reduced while reducing the size of the sampling capacitor while implementing an ADC that generates a high resolution image.

또한, 본 발명에 따르면, 컬럼 드라이버의 컬럼 ADC를 Sigma-delta ADC 및 SAR ADC를 연결하여 구현함으로써 부분적 스위치드 연산 증폭기 기술을 이용할 수 있고, 이에 따라 전력 소모를 최소화할 수 있다.In addition, according to the present invention, by implementing the column ADC of the column driver by connecting the Sigma-delta ADC and the SAR ADC, it is possible to use a partially switched operational amplifier technology, thereby minimizing power consumption.

또한, 본 발명에 따르면 아날로그 CDS 증폭기를 사용하지 않고 ADC 회로만을 이용하여 아날로그 CDS 방식으로 픽셀 신호의 잡음을 제거할 수 있으며, 디지털 프로세싱 블록을 추가하여 디지털 CDS 방식으로도 사용할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to remove the noise of the pixel signal by the analog CDS method using only the ADC circuit, without using the analog CDS amplifier, and can also be used as the digital CDS method by adding a digital processing block.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일 예를 나타내는 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 컬럼 드라이버의 구성의 일 예를 나타내는 블럭 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 드라이버의 컬럼 ADC 어레이와 픽셀 어레이와의 연결 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 드라이버의 단위 채널의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC의 회로도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC의 시간에 따른 회로의 동작 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAR ADC의 회로도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 ADC 입력단의 블럭 구성도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이와 ADC가 시간에 따라 구동하는 과정의 일 예를 나타내는 절차 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이와 ADC가 시간에 따라 구동하는 과정의 다른 예를 나타내는 절차 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC에서 소모전력을 감소시키기 위해 스위치의 연상 증폭기를 적용한 적분기 회로도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 ADC를 구성하는 서브 ADC들의 각 계조별 출력 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC 내 비교기 오프셋의 보정 기술의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is an overall configuration diagram showing an example of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a column driver of an image sensor according to an exemplary embodiment.
3 is a diagram illustrating an example of a connection state between a column ADC array and a pixel array of a column driver according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example of a unit channel of a column driver according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an example of a circuit diagram of a Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of an operating state of a circuit according to time of a Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating an example of a circuit diagram of a SAR ADC according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating an example of a block diagram of a column ADC input terminal according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating an example of a process of driving the pixel array and the ADC according to an embodiment of the present invention over time.
10 is a flowchart illustrating another example of a process in which a pixel array and an ADC are driven over time according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an integrator circuit diagram in which an associative amplifier of a switch is applied to reduce power consumption in a Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating an example of an output result for each gray level of sub-ADCs constituting a column ADC according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a technique for correcting a comparator offset in a Sigma-delta ADC according to an 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. 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. 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 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as 'first' and 'second' may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are only used to distinguish one component from another component. Used.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following detailed description, together with the accompanying drawings, is intended to illustrate exemplary embodiments of the invention and is not intended to represent the only embodiments in which the invention may be practiced. The following detailed description includes specific details in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be practiced without these specific details.

본 발명은 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기에 관한 것으로, 구체적으로는 저전력의 고분해 기능을 이용하여 고해상도의 이미지 영상을 도출하기 위한 아날로그 디지털 변환기를 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to an analog-to-digital converter for a high-resolution image sensor, and more particularly, to provide an analog-to-digital converter for deriving a high-resolution image image by using a low power high resolution function.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일 예를 나타내는 전체 구성도이다.1 is an overall configuration diagram showing an example of an image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 스캔 드라이버(scan driver; 120) 및 컬럼 드라이버(column driver; 130)로 이루어진다. Referring to FIG. 1, the image sensor 100 includes a pixel array 110, a scan driver 120, and a column driver 130.

픽셀 어레이(110)에는 2차원 어레이 형태로 광전 변환 픽셀들이 형성되어 있으며, 픽셀 어레이(110)에서 감지하는 광전변환신호를 독출하기 위한 구동 회로로서 스캔 드라이버(120)와 컬럼 드라이버(130)가 동작한다. Photoelectric conversion pixels are formed in the pixel array 110 in the form of a two-dimensional array, and the scan driver 120 and the column driver 130 operate as driving circuits for reading the photoelectric conversion signals detected by the pixel array 110. do.

스캔 드라이버(120)는 행 방향의 로우 라인(row line)을 순차 선택하여 선택된 로우 라인에 형성된 픽셀들이 외부로부터 입사되는 광을 감지하도록 활성화시킨다. The scan driver 120 sequentially selects row lines in a row direction to activate pixels formed in the selected row line to sense light incident from the outside.

컬럼 드라이버(130)는 스캔 드라이버(120)가 선택하는 해당 로우 라인의 픽셀들로부터 각 컬럼에서 광전변환신호를 독출한다. 여기서, 광전변환신호를 출력하는 픽셀 어레이(110)의 각 픽셀은, 입사되는 빛에 대하여 광전변환하여 입사 빛에 대응되는 전기적 신호를 생성할 수 있다. The column driver 130 reads the photoelectric conversion signal in each column from the pixels of the corresponding row line selected by the scan driver 120. Here, each pixel of the pixel array 110 outputting the photoelectric conversion signal may be photoelectrically converted to incident light to generate an electrical signal corresponding to the incident light.

특히, 본 발명에서는 스캔 드라이버(120)와 컬럼 드라이버(130)가 노멀 모드(normal mode) 또는 비닝 모드(binning mode)에 따라 조금씩 다르게 동작한다. In particular, the scan driver 120 and the column driver 130 operate slightly differently according to a normal mode or a binning mode.

예를 들어, 노멀 모드에서는, 스캔 드라이버(120)가 로우 라인을 하나씩 순차 선택함에 따라, 오드 컬럼(odd column)의 오드 CDS 회로 및 이븐 컬럼(even column)의 이븐 CDS 회로가 각각 해당 컬럼의 각 로우 라인의 픽셀로부터의 광전변환신호를 순차 출력할 수 있다. 반면, 비닝 모드에서는, 스캔 드라이버(120)가 복수의 로우 라인(예를 들어, 2 로우 라인)을 순차 선택함에 따라, 상기 이븐CDS 회로는 동작을 중지하고, 상기 오드 CDS 회로는 해당 오드 컬럼의 상기 복수의 로우 라인(예를 들어, 2 로우 라인)의 픽셀들에 대응된 광전변환신호들과, 이븐 컬럼쪽의 멀티플렉서(multiplexer)를 통해 수신하는 인접 이븐 컬럼의 상기 복수의 로우 라인(예를 들어, 2 로우 라인)의 픽셀들에 대응된 광전변환신호들을 전하 합산 방식으로 합산하여 순차 출력할 수 있다. For example, in the normal mode, as the scan driver 120 sequentially selects the row lines one by one, the odd CDS circuit of the odd column and the even CDS circuit of the even column are each of the corresponding column. The photoelectric conversion signals from the pixels of the low line can be sequentially output. On the other hand, in the binning mode, as the scan driver 120 sequentially selects a plurality of row lines (for example, two row lines), the even CDS circuit stops operation, and the odd CDS circuit of the odd CDS circuit is selected. Photoelectric conversion signals corresponding to the pixels of the plurality of row lines (for example, two row lines) and the plurality of row lines of the adjacent even columns (for example, through a multiplexer on the even column side). For example, the photoelectric conversion signals corresponding to the pixels of the 2 row lines may be summed by the charge sum method and sequentially output.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 컬럼 드라이버의 구성의 일 예를 나타내는 블럭 구성도이다.2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a column driver of an image sensor according to an exemplary embodiment.

도 2를 참조하면, 컬럼 드라이버(130)는 컬럼 ADC 어레이(column ADC array; 131), 컬럼 디지털 프로세싱 유닛(column digital processing unit; 132) 및 SRAM(Static Random Access Memory) 어레이(133)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the column driver 130 may include a column ADC array 131, a column digital processing unit 132, and a static random access memory (SRAM) array 133. Can be.

컬럼 ADC 어레이(131)는 상기 도 1에서 상술한 스캔 드라이버(120)가 선택한 로우 라인의 픽셀들로부터 각 컬럼마다 ADC를 구비하여 각 픽셀의 출력 전압을 디지털 데이터로 변환한다. The column ADC array 131 includes an ADC for each column from pixels of the row line selected by the scan driver 120 described above with reference to FIG. 1 to convert the output voltage of each pixel into digital data.

컬럼 디지털 프로세싱 유닛(132)은 ADC에서 아날로그 CDS 방식을 사용할 때는 각 채널 ADC의 오프셋을 보정하는 기능을 수행하고, ADC에서 디지털 CDS 방식을 사용할 때는 ADC의 출력 결과의 차이를 계산하는 기능을 수행한다. The column digital processing unit 132 performs the function of correcting the offset of each channel ADC when the analog CDS method is used in the ADC, and calculates the difference in the output result of the ADC when the digital CDS method is used in the ADC. .

SRAM 어레이(133)는 메모리 기능을 수행하며, 구체적으로 컬럼 ADC 어레이(131)와 컬럼 디지털 프로세싱 유닛(133)의 연동을 통해 ADC의 보정된 디지털 데이터 출력 값을 저장한다.The SRAM array 133 performs a memory function. Specifically, the SRAM array 133 stores the corrected digital data output value of the ADC through interworking of the column ADC array 131 and the column digital processing unit 133.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 드라이버의 컬럼 ADC 어레이와 픽셀 어레이와의 연결 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of a connection state between a column ADC array and a pixel array of a column driver according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 k개의 오드 컬럼 및 k개의 이븐 컬럼으로 구성되고, 컬럼 ADC 어레이(131)도 k개의 컬럼 ADC로 구성된다. 비닝 모드 지원을 위해 픽셀 어레이(110)의 픽셀들은 홀수 로우 라인과 짝수 로우 라인이 서로 다른 컬럼 라인에 연결된다. 픽셀 어레이(110)의 총 컬럼 라인은 두 개씩 쌍을 이루어 컬럼 ADC 어레이(131)를 구성하는 각 컬럼 ADC에 연결된다.Referring to FIG. 3, the pixel array 110 includes k odd columns and k even columns, and the column ADC array 131 also includes k column ADCs. In order to support the binning mode, pixels of the pixel array 110 are connected to column lines having odd and even row lines different from each other. The total column lines of the pixel array 110 are connected in pairs to each column ADC constituting the column ADC array 131.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 드라이버의 단위 채널의 일 예를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 상기 도 3에서 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(110)의 j번째 컬럼 라인과 연결된 컬럼 드라이버의 단위 채널을 나타낸다.4 is a diagram illustrating an example of a unit channel of a column driver according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 3 illustrates a unit channel of the column driver connected to the j-th column line of the pixel array 110 according to the exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 드라이버의 단위 채널ㅇ은 단위 컬럼 ADC(200), 컬럼 디지털 프로세싱 유닛(210) 및 SRAM(220)으로 구성된다. 컬럼 ADC(200)의 일 예로 (m+n-1)-bit 컬럼 ADC(200)는 m-bit 1차 Sigma-delta ADC(201)와 n-bit SAR ADC(202)로 구성할 수 있다.Referring to FIG. 4, a unit channel of a column driver according to an exemplary embodiment of the present invention includes a unit column ADC 200, a column digital processing unit 210, and an SRAM 220. As an example of the column ADC 200, the (m + n-1) -bit column ADC 200 may be configured as an m-bit primary Sigma-delta ADC 201 and an n-bit SAR ADC 202.

Sigma-delta ADC를 사용하게 되면 별도의 CDS 증폭기를 사용하지 않고 아날로그 CDS 기능을 수행할 수 있으므로 소요 면적과 전력 소모를 감소시키는 장점이 있다. 또한, 실제 픽셀의 출력 신호에 대하여 14-bit 이상의 고분해능을 얻기 위해서는 샘플링 커패시터의 크기는 KT/C 잡음을 고려하여 수 피코패럿(pF) 이상의 커패시터가 필요하고, 샘플링 커패시터의 크기가 증가하면 증폭기의 구동능력이 필수적으로 향상되어야 하므로 전력소모가 증가하며 커패시터의 소요면적 또한 증가하게 된다. 나아가, 픽셀 출력을 샘플링할 때 Sigma-delta ADC를 사용함에 따라 샘플링 커패시터의 크기를 감소시킬 수 있다. The use of a Sigma-delta ADC enables the analog CDS function without the use of a separate CDS amplifier, which reduces the area and power consumption. In addition, in order to obtain high resolution of 14-bit or more with respect to the actual output signal of the pixel, the size of the sampling capacitor requires a few picofarads (pF) or more considering the KT / C noise. Since the driving capability must be improved, power consumption is increased and the required area of the capacitor is also increased. In addition, the use of a Sigma-delta ADC to sample the pixel output reduces the size of the sampling capacitor.

이러한 Sigma delta ADC와 함께 SAR ADC를 함께 사용하게 되면, Sigma-delta ADC만 단독으로 사용할 경우 14-bit 이상의 분해능을 갖기 위해 2차 이상의 Sigma-delta ADC를 사용함에 따라 증가되는 오버 샘플링률(over-sampling rate) 및 전력 소모를 방지할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 도 4에 도시된 것과 같이 1차 Sigma-delta ADC(201)의 출력 값이 SAR ADC(202)로 입력되어 하위 비트가 분해되도록 구성함으로써 전력 소모를 최소화할 수 있다. When the SAR ADC is used together with the Sigma delta ADC, the over-sampling rate that is increased by using the second or more Sigma-delta ADC to have a resolution of 14-bit or more when using only the Sigma-delta ADC alone. sampling rate) and power consumption can be prevented. That is, in the present invention, as shown in FIG. 4, the output value of the primary Sigma-delta ADC 201 is input to the SAR ADC 202 so that the lower bit is decomposed, thereby minimizing power consumption.

Sigma-delta ADC(201) 변조부의 입력단으로 입력되는 신호는 주변에 위치한 하나 이상의 픽셀과 연결된 컬럼 라인으로부터 전송되며, 동시에 또는 순차적으로 입력될 수 있다. The signal input to the input terminal of the Sigma-delta ADC 201 modulator is transmitted from a column line connected to one or more pixels located nearby, and may be simultaneously or sequentially input.

예를 들어, 이미지 센서의 픽셀 어레이의 홀수 로우 라인과 짝수 로우 라인은 컬럼 ADC(200) 내 m-bit Sigma-delta ADC(201)에 연결되면, m-bit Sigma-delta ADC(201)는 픽셀 어레이의 두 개의 컬럼 라인으로부터 j 번째 컬럼의 홀수 로우 라인 및 짝수 로우 라인에 위치한 픽셀의 출력 전압을 동시에 입력받을 수 있다. Sigma-delta ADC(201)에서 입력된 픽셀의 출력 전압에 대한 A/D 변환이 완료된 이후 Sigma-delta ADC(201) 내 변조부(modulator)의 최종 출력 전압(MOD_AOUT)이 n-bit SAR ADC(202)로 전달된다. 그리고, m-bit Sigma-delta ADC(201)에서 변환된 디지털 m-bit은 컬럼 디지털 프로세싱 유닛(210)으로 전달된다. For example, when the odd and even row lines of the pixel array of the image sensor are connected to the m-bit Sigma-delta ADC 201 in the column ADC 200, the m-bit Sigma-delta ADC 201 is a pixel. The output voltages of pixels positioned in odd row lines and even row lines of the j th column may be simultaneously input from two column lines of the array. After the A / D conversion of the output voltage of the pixel input from the Sigma-delta ADC 201 is completed, the final output voltage MOD_AOUT of the modulator in the Sigma-delta ADC 201 is n-bit SAR ADC ( 202). The digital m-bit converted by the m-bit Sigma-delta ADC 201 is transferred to the column digital processing unit 210.

이때, Sigma-delta ADC(201)의 변조부와 SAR ADC(202) 내 비교기의 오프셋 전압에 의해 발생하는 ADC의 오차를 보정하기 위하여 SAR ADC(202)의 입력 범위는 Sigma-delta ADC(201)의 출력 범위의 2배가 되도록 컬럼 ADC(200)를 구현할 수 있다. At this time, the input range of the SAR ADC 202 is Sigma-delta ADC 201 in order to correct the error of the ADC caused by the offset of the modulator of the Sigma-delta ADC 201 and the comparator in the SAR ADC 202 The column ADC 200 may be implemented to be twice the output range of.

다음으로, n-bit SAR ADC(202)는 m-bit Sigma-delta ADC(201) 내 변조부의 출력 전압을 입력신호로 입력받아 n-bit A/D 변환을 수행하고, 변환된 디지털 n-bit은 컬럼 디지털 프로세싱 유닛(210)에 전달된다. Next, the n-bit SAR ADC 202 receives the output voltage of the modulator in the m-bit Sigma-delta ADC 201 as an input signal, performs n-bit A / D conversion, and converts the converted digital n-bit. Is passed to the column digital processing unit 210.

컬럼 디지털 프로세싱 유닛(210)은 Sigma-delta ADC(201) 및 SAR ADC(202)으로부터 A/D 변환의 출력을 입력받으며, 두 ADC의 출력결과를 토대로 최종 ADC의 출력 (m+n-1)-bit를 출력하여 SRAM(220)에 저장한다.The column digital processing unit 210 receives the output of the A / D conversion from the Sigma-delta ADC 201 and the SAR ADC 202, and outputs the final ADC based on the output of the two ADCs (m + n-1). The bit is output and stored in the SRAM 220.

본 발명과 같이 Sigma-delta ADC(201)와 SAR ADC(202)를 함께 사용하여 하위 비트를 변환하는 방식을 이용하면, SAR ADC(202)가 동작하는 시간 동안 픽셀 출력 전압을 세틀링시킬 수 있기 때문에 기존의 Sigma-delta ADC만 사용하는 경우 픽셀의 출력 전압의 세틀링 시간을 제외한 나머지 시간 동안 A/D 변환 시간을 사용하던 방식보다 증가된 A/D 변환 시간을 확보할 수 있다.If the Sigma-delta ADC 201 and the SAR ADC 202 are used together to convert the lower bits as in the present invention, the pixel output voltage can be set during the operation of the SAR ADC 202. Therefore, when only the existing Sigma-delta ADC is used, the A / D conversion time can be increased compared to the method of using the A / D conversion time for the remaining time except the settling time of the pixel's output voltage.

또한, Sigma-delta ADC(201)와 SAR ADC(202)를 함께 사용하는 A/D 변환 방식은 컬럼 ADC를 구성하는 서브 ADC(여기서, Sigma-delta ADC 및 SAR ADC)의 동작 속도를 감소시킴에 따라 소모 전력량도 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, SAR ADC(202)가 동작하는 동안 Sigma-delta ADC(201) 변조부 내 적분기의 전력 소모를 부분적으로 감소시킴으로써, 부분적 스위치드 연산 증폭기(partially switched op-amp) 기술을 사용하여 소모 전력량을 추가적으로 감소시킬 수 있다.In addition, the A / D conversion method using the Sigma-delta ADC 201 and the SAR ADC 202 together reduces the operation speed of the sub-ADCs (here, Sigma-delta ADC and SAR ADC) constituting the column ADC. Therefore, the amount of power consumption can also be reduced. In addition, by partially reducing the power consumption of the integrator in the Sigma-delta ADC 201 modulator while the SAR ADC 202 is operating, the power consumption can be reduced using a partially switched op-amp technique. Can be further reduced.

한편, 상기 도 4에 도시된 컬럼 드라이버의 단위 채널은 Sigma-delta ADC와 SAR ADC를 같이 사용하는 방식을 설명하기 위한 일 예로서, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 도 4에 도시된 컬럼 드라이버의 단위 컬럼 ADC 구성의 변형을 통해 아날로그 CDS 또는 디지털 CDS 방식을 적용할 수 있다.Meanwhile, the unit channel of the column driver illustrated in FIG. 4 is an example for describing a method of using a Sigma-delta ADC and a SAR ADC together, but is not necessarily limited thereto. An analog CDS or digital CDS scheme may be applied through a modification of the unit column ADC configuration of the column driver illustrated in FIG. 4.

예를 들어, 픽셀 리셋 출력 전압 값과 신호 출력 전압 값을 Sigma-delta ADC(201)의 변조부에 누적시키고 변조부에서 최종적으로 출력되는 값을 SAR ADC(202)의 입력 값으로 전달하는 방법을 사용함으로써, 아날로그 CDS 방식을 구현할 수 있다. 이와 같은 본 발명에 따른 아날로그 CDS 방식은 CDS 증폭기의 기능이 Sigma-delta ADC(201)의 변조부 내 포함되기 때문에 소모 전력량을 감소시킬 수 있다.For example, a method of accumulating the pixel reset output voltage value and the signal output voltage value to the modulator of the Sigma-delta ADC 201 and transferring the value finally outputted from the modulator to the input value of the SAR ADC 202. By using this, an analog CDS scheme can be implemented. The analog CDS scheme according to the present invention can reduce the power consumption because the function of the CDS amplifier is included in the modulation unit of the Sigma-delta ADC 201.

다른 예로, 도 4에 도시된 컬럼 드라이버 단위 채널에서 픽셀 리셋 출력 전압과 신호 출력 전압을 각각 ADC를 이용하여 분해하고 그 결과 값의 차이를 계산하는 디지털 프로세싱 블럭을 추가함으로써 디지털 CDS 방식을 구현할 수 있다. 이때, ADC의 최종 출력 값은 (m+n)-bit으로 표현되어 디지털 코드가 (m+n-1)-bit 범위를 벗어나더라도 디지털 프로세싱을 사용하여 보다 쉬운 오차 보정이 가능하다.As another example, the digital CDS scheme may be implemented by adding a digital processing block that decomposes the pixel reset output voltage and the signal output voltage using an ADC and calculates the difference between the result values in the column driver unit channel shown in FIG. 4. . In this case, the final output value of the ADC is expressed as (m + n) -bit so that even if the digital code is out of the (m + n-1) -bit range, digital processing can be used for easier error correction.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC의 회로도의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC의 시간에 따른 회로의 동작 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.5 is a view showing an example of a circuit diagram of a Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a view of the operating state of the circuit over time of the Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention It is a figure which shows an example.

도 5에 도시된 3-bit의 Sigma-delta ADC는 1차 Sigma-delta ADC 회로로 구현된다. 일 예로, 2*2 비닝 모드로 구현하는 경우 기본 샘플링 커패시터(Cs; 301) 외 입력 샘플링 커패시터(CS1, CS2, CS3; 302)가 추가하여 4개의 픽셀 출력을 동시에 샘플링할 수 있다. 도 6에 도시된 샘플링 구간별로 도 5에 도시된 Sigma-delta ADC 회로의 동작은 다음과 같다.The 3-bit Sigma-delta ADC shown in FIG. 5 is implemented as a primary Sigma-delta ADC circuit. For example, when the 2 * 2 binning mode is implemented, four pixel outputs may be simultaneously sampled by an addition of a basic sampling capacitor Cs 301 and an input sampling capacitor C S1 , C S2 , C S3 302. Operation of the Sigma-delta ADC circuit shown in FIG. 5 for each sampling period shown in FIG. 6 is as follows.

- P1: 적분기 초기화 구간P1: Integrator initialization section

도 5를 참조하면, ph1p 스위치(304), ph2p 스위치(305) 및 ph_rst 스위치(306)가 turn-on 되어 적분기(311)의 전력 소모가 부분적으로 감소하면서 피드백 커패시터(CF; 303)에 저장되어 있던 전하가 초기화된다.Referring to FIG. 5, the ph1p switch 304, the ph2p switch 305, and the ph_rst switch 306 are turned on to be stored in the feedback capacitor C F 303 while partially reducing power consumption of the integrator 311. The charged charge is initialized.

- P2: 입력 전압 샘플링 및 비교 구간-P2: input voltage sampling and comparison section

ph1_IN 스위치(307)과 ph1p 스위치(304)를 사용하여 기본 샘플링 커패시터(Cs; 301)에 입력 전압을 샘플링한 후 ph2_REFP 스위치(309)와 ph2p 스위치(305)가 turn-on 되어 기본 샘플링 커패시터(Cs; 301)에 있던 전압이 피드백 커패시터(CF; 303)로 전달된다. 이때, 피드백 커패시터(CF; 303)로 전달된 전압은 비교기(312)에서 VCM 전압(입력전압 범위의 중간값)과 비교하여 첫번째 디지털 변환 데이터를 획득할 수 있다.After sampling the input voltage to the basic sampling capacitor (Cs) 301 using the ph1_IN switch 307 and the ph1p switch 304, the ph2_REFP switch 309 and the ph2p switch 305 are turned on so that the basic sampling capacitor (Cs) is turned on. The voltage at 301 is transferred to the feedback capacitor C F 303. In this case, the voltage transferred to the feedback capacitor C F 303 may be compared with the V CM voltage (the middle value of the input voltage range) by the comparator 312 to obtain the first digital conversion data.

- P3: 디지털 변환된 데이터 획득 구간P3: digitally converted data acquisition interval

ph1_IN 스위치(307)와 ph1p 스위치(304)를 사용하여 기본 샘플링 커패시터(CS; 301)에 입력 전압을 샘플링한 후 P2 구간에서 비교기에서 비교한 디지털 데이터를 이용하여 ph2_REFP 스위치(309)와 ph2_REFN 스위치(310)를 선택하여 VREFP(입력전압 범위의 최대값) 또는 VREFN(입력전압 범위의 최소값) 전압을 기본 샘플링 커패시터(CS; 301)의 bottom plate에 연결한다. 또한, P3 구간에서 비교기(312)는 적분기(311) 출력 전압과 VCM 전압과 비교하여 2번째부터 8번째까지의 7개 추가 디지털 데이터를 획득할 수 있다.Sampling the input voltage to the basic sampling capacitor (C S ; 301) using the ph1_IN switch 307 and ph1p switch 304, and then the ph2_REFP switch 309 and ph2_REFN switch using the digital data compared by the comparator in the interval P2 Select (310) to connect the V REFP (maximum value of the input voltage range) or V REFN (minimum value of the input voltage range) voltage to the bottom plate of the basic sampling capacitor (C S ; 301). In addition, the comparator 312 may obtain seven additional digital data from the second to the eighth in comparison with the output voltage of the integrator 311 and the V CM voltage.

- P4: 적분기 출력 조정 구간 및 마지막 디지털 데이터 획득 구간-P4: Integrator output adjustment section and last digital data acquisition section

ph1_CM 스위치(308)과 ph1p 스위치(304)를 통하여 VCM 전압을 샘플링한 후 P2 구간에서 비교한 디지털 데이터를 이용하여 ph2_REFP 스위치(309)와 ph2_REFN 스위치(310)를 선택하여 VREFP 또는 VREFN 전압을 기본 샘플링 커패시터(CS; 301)의 bottom plate에 연결한다. P4 구간에서는 적분기 출력 전압으로 비교기(312)에서 마지막 9번째 디지털 데이터를 얻을 수 있다. 2번째부터 9번째 디지털 데이터 8개 값은 decimation filter(313)를 통해 3-bit의 디지털 데이터를 최종 출력한다.After sampling the V CM voltage through the ph1_CM switch 308 and the ph1p switch 304, the ph2_REFP switch 309 and the ph2_REFN switch 310 are selected using the digital data compared in the P2 interval to select V REFP or V REFN. Connect the voltage to the bottom plate of the basic sampling capacitor (C S ; 301). In the P4 section, the final ninth digital data may be obtained from the comparator 312 using the integrator output voltage. The eighth through the second to ninth digital data output the 3-bit digital data through the decimation filter 313.

- P5: 적분기 출력 전달 구간-P5: integrator output transfer section

적분기(311)에서 출력되는 출력 전압은 후단의 SAR ADC의 샘플링 커패시터에 저장된다.The output voltage output from the integrator 311 is stored in the sampling capacitor of the SAR ADC of the later stage.

다음으로, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAR ADC의 회로도의 일 예를 나타내는 도면이다.Next, FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit diagram of a SAR ADC according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAR ADC는 12-bit의 더블 어레이(double array) 구조로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 SAR ADC는 샘플링 기능을 가져야하므로 도 7에 도시된 것과 같이 SAR ADC내 DAC를 커패시터 어레이로 구성한다. 또는, 도 7에 도시된 것과 달리 추가 샘플 앤 폴드 회로 및 다른 DAC를 이용하여 샘플링 기능을 갖는 SAR ADC를 구현할 수도 있다.Referring to FIG. 7, a SAR ADC according to an embodiment of the present invention may be implemented in a 12-bit double array structure. Since the SAR ADC according to the present invention should have a sampling function, the DAC in the SAR ADC is configured as a capacitor array as shown in FIG. 7. Alternatively, unlike the example shown in FIG. 7, an additional sample and fold circuit and another DAC may be used to implement a SAR ADC having a sampling function.

이때, SAR ADC는 도 6에 도시된 샘플링 구간 중 P5 (적분기 출력 전달 구간) 구간에서 ph_sample 스위치(401), ph_samplep 스위치(402)를 이용하여 Sigma-delta ADC로부터 전달된 MOD_AOUT 을 샘플링한다. 그리고, 비닝 모드에서 적분기의 출력이 허용 범위를 넘지 않게 하기 위하여 양의 입력 단자에 VREFP를 연결한다.In this case, the SAR ADC samples the MOD_AOUT transferred from the Sigma-delta ADC using the ph_sample switch 401 and the ph_samplep switch 402 in the P5 (integrator output transfer period) section of the sampling period shown in FIG. 6. In binning mode, connect V REFP to the positive input terminal to ensure that the output of the integrator does not exceed the allowable range.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 ADC 입력단의 블럭 구성도의 일 예를 나타내는 도면이다.8 is a diagram illustrating an example of a block diagram of a column ADC input terminal according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 각 컬럼 라인에 연결된 스위치 블록1 내지 스위치 블록4(501 내지 504), 스위치 SD_SW1 내지 SD_SW4(505 내지 508) 및 샘플링 커패시터 CS1 내지 CS4(509 내지 512)로 구성된 회로단은 Sigma-delta ADC의 입력단에 해당한다. 2*2 비닝 모드를 구현하기 위해 2개의 컬럼 ADC의 입력단은 각 픽셀 컬럼 라인과 연결하는데, 도 8에 도시된 것처럼 픽셀 어레이의 n번, n+1번 컬럼 라인은 n번, n+1번 컬럼 ADC와 각각 연결한다. Referring to FIG. 8, a circuit stage consisting of switch blocks 1 to 4 (501 to 504), switches SD_SW1 to SD_SW4 (505 to 508), and sampling capacitors C S1 to C S4 (509 to 512) connected to each column line. Corresponds to the input of the Sigma-delta ADC. In order to implement the 2 * 2 binning mode, the input terminal of the two column ADC is connected to each pixel column line. As shown in FIG. 8, the n and n + 1 column lines of the pixel array are n and n + 1, respectively. Connect to each column ADC.

이에 따라, n번 홀수 컬럼 라인, n번 짝수 컬럼 라인, n+1번 홀수 컬럼 라인 및 n+1 짝수 컬럼 라인은 각각 전류원 ISRC1 내지 ISRC4(515 내지 518)과 연결되고, 각 픽셀에서 출력되는 픽셀 출력 전압은 아날로그 버퍼 BUF1 내지 BUF4(519 내지 522)에 연결된다. 이때, 아날로그 버퍼는 컬럼 라인의 RC 로드에 의해 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있다. Accordingly, n odd column lines, n even column lines, n + 1 odd column lines, and n + 1 even column lines are connected to current sources ISRC1 to ISRC4 515 to 518, respectively, and output from each pixel. The output voltage is connected to analog buffers BUF1 to BUF4 519 to 522. At this time, the analog buffer may or may not be used by the RC load of the column line.

노말 모드에서는 BIN_SW 스위치(523)가 항상 turn-off 된 상태로 유지되고 스캔 드라이버에 의해 순차적으로 홀수 로우 라인과 짝수 로우 라인에 연결된 픽셀이 각 컬럼 라인에 연결되고, 각 스위치 블록(501 내지 504)과 각 스위치(505 내지 508)를 통하여 번갈아 컬럼 ADC에 입력된다. In the normal mode, the BIN_SW switch 523 is always turned off, and pixels connected to odd and even row lines sequentially by the scan driver are connected to each column line, and each switch block 501 to 504. And are alternately input to the column ADC through the switches 505 to 508.

반면, 비닝 모드에서는 BIN_SW 스위치(523)가 항상 turn-on 상태를 유지하고 스캔 드라이버에 의해서 홀수 로우 라인과 짝수 로우 라인에 연결된 픽셀이 동시에 샘플링 커패시터를 통하여 연결된다. 이때, SD_SW6 스위치(514)는 항상 turn-off 상태를 유지하여 ADC[n+1](525)는 동작하지 않는다. 따라서, 4개의 픽셀 전압은 전하 평균 방법을 사용하여 동시에 ADC[n](524)로 입력된다.On the other hand, in the binning mode, the BIN_SW switch 523 is always turned on and the pixels connected to the odd row lines and the even row lines by the scan driver are simultaneously connected through the sampling capacitor. At this time, the SD_SW6 switch 514 is always turned off so that the ADC [n + 1] 525 does not operate. Thus, four pixel voltages are simultaneously input to ADC [n] 524 using the charge averaging method.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이와 ADC가 시간에 따라 구동하는 과정의 일 예를 나타내는 절차 흐름도이다. 구체적으로, 도 9에서 픽셀 어레이는 아날로그 CDS 방식을 이용한 3-Tr. 구조를 사용하여 설명한다. 9 is a flowchart illustrating an example of a process of driving the pixel array and the ADC according to an embodiment of the present invention over time. Specifically, in FIG. 9, the pixel array includes 3-Tr. Explain using structure.

도 9를 참조하면, n번 로우 라인 위의 픽셀 신호 전압 VSIG의 값이 컬럼 라인을 통하여 세틀링된 후(S601), Sigma-delta ADC를 이용하여 A/D 변환을 수행한다(S602). 이때, 픽셀 신호 전압이 세틀링하는 동안 Sigma-delta ADC의 적분기 전력 소모를 부분적으로 감소시키는데, 적분기에서의 부분적 전력 소모 감소에 대해서는 이하 후술하도록 한다.Referring to FIG. 9, after the value of the pixel signal voltage V SIG on the nth line is set through the column line (S601), A / D conversion is performed using the Sigma-delta ADC (S602). In this case, the integrator power consumption of the Sigma-delta ADC is partially reduced while the pixel signal voltage is settling. The partial power consumption reduction in the integrator will be described later.

이후, 픽셀 리셋 전압 VRST이 컬럼 라인에 전달되고(S603), 동일시간에 Sigma-delta ADC는 피드백 커패시터(CF)에 저장된 전압을 그대로 유지한다(S604). 컬럼 라인에 전달된 VRST 전압이 세틀링되면(S603), VRST 전압을 이용하여 Sigma-delta A/D 변환을 수행한다(S605). 이때, VRST 전압은 VSIG 전압을 샘플링하는 경우와 반대로 샘플링함으로써 두 전압의 차이를 A/D 변환하는 결과를 얻게된다. 이는, 스위치를 이용하여 샘플링 커패시터 양단의 위치를 바꿔줌으로써 쉽게 구현할 수 있다.Thereafter, the pixel reset voltage V RST is transferred to the column line (S603), and at the same time, the Sigma-delta ADC maintains the voltage stored in the feedback capacitor C F (S604). When the V RST voltage transmitted to the column line is set (S603), Sigma-delta A / D conversion is performed using the V RST voltage (S605). At this time, the V RST voltage is sampled as opposed to the case of sampling the V SIG voltage to obtain the result of A / D conversion of the difference between the two voltages. This can be easily achieved by changing the position across the sampling capacitor using a switch.

Sigma-delta A/D 변환이 완료되면 MOD_AOUT 전압을 SAR ADC의 샘플링 커패시터에 전달한다(S606).When the Sigma-delta A / D conversion is completed, the MOD_AOUT voltage is transferred to the sampling capacitor of the SAR ADC (S606).

SAR ADC는 전달된 MOD_AOUT 전압을 A/D 변환하고(S607), SAR A/D 변환 시간 동안 n+1번 로우 라인에 위치한 픽셀의 Sigma-delta A/D 변환 과정이 진행되며 이 과정은 상술한 S601 내지 S606 과정에 대응되므로 동일한 설명은 생략한다.The SAR ADC A / D converts the transferred MOD_AOUT voltage (S607), and performs Sigma-delta A / D conversion of the pixel located at line n + 1 during SAR A / D conversion time. Since the process corresponds to S601 to S606, the same description is omitted.

이와 같이 본 발명에 따라 Sigma-delta ADC 및 SAR ADC를 함께 사용하는 A/D 변환 방식은 본 발명에 따른 ADC를 구성하는 서브 ADC들의 동작 속도를 감소시킴으로 동작에 따라 소요되는 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.As described above, the A / D conversion method using the Sigma-delta ADC and the SAR ADC together according to the present invention can reduce the power consumption according to the operation by reducing the operation speed of the sub-ADCs constituting the ADC according to the present invention. have.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이와 ADC가 시간에 따라 구동하는 과정의 다른 예를 나타내는 절차 흐름도이다. 구체적으로, 도 10에서 픽셀 어레이는 디지털 CDS 방식을 이용한 3-Tr. 구조를 사용하여 설명한다. 10 is a flowchart illustrating another example of a process in which a pixel array and an ADC are driven over time according to an embodiment of the present invention. Specifically, in FIG. 10, the pixel array includes 3-Tr. Explain using structure.

도 10을 참조하면, 디지털 CDS 방식의 3-Tr. 구조에서도 본 발명에 따른 Sigma-delta ADC 및 SAR ADC 방식을 함께 사용하는 A/D 변환을 이용한다. Referring to Figure 10, 3-Tr of the digital CDS scheme. The structure also uses the A / D conversion using the Sigma-delta ADC and SAR ADC scheme according to the present invention.

다만, 도 10에 도시된 바와 같이, n번 로우 라인 위의 픽셀 신호 전압 VSIG의 값이 컬럼 라인을 통하여 세틀링된 후(S701), Sigma-delta ADC를 이용하여 픽셀 전압 VSIG에 대한 A/D 변환을 수행한다(S702). 변환된 전압 VSIG는 SAR ADC의 샘플링 커패시터에 전달하면(S703), SAR ADC는 전달된 픽셀 전압 VSIG을 A/D 변환한다(S704).However, as shown in FIG. 10, after the value of the pixel signal voltage V SIG on the nth low line is set through the column line (S701), A for the pixel voltage V SIG using the Sigma-delta ADC is used. / D conversion is performed (S702). When the converted voltage V SIG is transferred to the sampling capacitor of the SAR ADC (S703), the SAR ADC A / D converts the transferred pixel voltage V SIG (S704).

SAR ADC에서 픽셀 전압 VSIG이 A/D 변환되는 동안, n번 로우 라인 위의 픽셀 리셋 전압 VRST이 컬럼 라인을 통해 세틀링되고(S705), Sigma-delta ADC를 이용하여 픽셀 리셋 전압 VRST에 대한 A/D 변환이 수행된다(S706). 변환된 픽셀 리셋 전압 VRST은 SAR ADC의 샘플링 커패시터에 전달되면(S707), SAR ADC는 픽셀 리셋 전압 VRST 에 대한 A/D 변환을 수행한다(S708)While the pixel voltage V SIG is A / D converted in the SAR ADC, the pixel reset voltage V RST on the nth low line is settled through the column line (S705), and the pixel reset voltage V RST using the Sigma-delta ADC. An A / D conversion is performed on (S706). When the converted pixel reset voltage V RST is transferred to the sampling capacitor of the SAR ADC (S707), the SAR ADC performs A / D conversion on the pixel reset voltage V RST (S708).

이후, 상기 단계 S703 및 단계 S707에서 전달된 디지털 변환된 전압 VSIG와 전압 VRST 의 차이를 도출해내는 방식으로 구동되는데, 픽셀 전압과 픽셀 리셋 전압에 대한 디지털 변환을 각각 수행하고 디지털 변환된 양 전압의 차이를 도출한다는 점에서 상기 도 9에서 상술한 아날로그 CDS 방식과 구별된다.Subsequently, it is driven in such a manner as to derive the difference between the digitally converted voltage V SIG and the voltage V RST transmitted in steps S703 and S707. The digital conversion of the pixel voltage and the pixel reset voltage is performed respectively and the digitally converted positive voltage. It is distinguished from the analog CDS scheme described above with reference to FIG.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC에서 소모전력을 감소시키기 위해 스위치의 연상 증폭기를 적용한 적분기 회로도의 일 예를 나타내는 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an integrator circuit diagram in which an associative amplifier of a switch is applied to reduce power consumption in a Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 적분기는 2단 증폭기로 구성되며, MP1 트랜지스터(800), MP2 트랜지스터(801), MN1 트랜지스터(804), MN2 트랜지스터(805), MN5 트랜지스터(806) 및 MN3 트랜지스터(807)는 제1 증폭단을 구성한다. MP3 트랜지스터(802), MP4 트랜지스터(803), MN6 트랜지스터(808) 및 MN4 트랜지스터(809)는 제2 증폭단을 구성한다. Referring to FIG. 11, the integrator is composed of a two stage amplifier, and the MP1 transistor 800, the MP2 transistor 801, the MN1 transistor 804, the MN2 transistor 805, the MN5 transistor 806, and the MN3 transistor 807. Constitutes a first amplifier stage. The MP3 transistor 802, the MP4 transistor 803, the MN6 transistor 808, and the MN4 transistor 809 constitute a second amplifier stage.

컬럼 라인위에 픽셀의 출력 전압이 세틀링될때 ph1p 스위치(810) 및 ph2p 스위치(811) 및 ph_rst 스위치(812)는 turn-on되고, pwdnb_bin 신호 및 pwdnb 신호는 각각 로직 high 와 low가 되어 MN5 트랜지스터(806)는 turn-on 되는 반면 MP4 트랜지스터(803) 및 MN6 트랜지스터(808)는 turn-off 된다. 이에 따라 제2 증폭기를 구성하는 MP3 트랜지스터(802) 및 MN6 트랜지스터(808)가 연결된 라인의 전류 경로가 끊어지게 되는 파워다운(power-down) 현상이 이루어지면서 제1 증폭기에만 전류가 흐르게 된다. When the output voltage of the pixel is set on the column line, the ph1p switch 810, ph2p switch 811, and ph_rst switch 812 are turned on, and the pwdnb_bin signal and the pwdnb signal are logic high and low, respectively, to form the MN5 transistor ( 806 is turned on while MP4 transistor 803 and MN6 transistor 808 are turned off. As a result, a power-down phenomenon occurs in which the current path of the line to which the MP3 transistor 802 and the MN6 transistor 808 constituting the second amplifier are connected is cut off, and current flows only in the first amplifier.

파워다운 모드의 적분기에서 주파수 보상 커패시터의 양단은 항상 동일한 전압을 형성하게 된다. 이는, 사전에 모든 전압 노드를 초기화시킴으로서 적분기가 turn-on되어 동작시 초기 노드 전압에 영향받지 않도록 한다.In an integrator in power-down mode, both ends of the frequency compensation capacitor will always form the same voltage. This initializes all voltage nodes in advance so that the integrator is turned on so that they are not affected by the initial node voltage during operation.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC는 일반적으로 Sigma-delta ADC 내에서 전력 소모가 최대가 되는 적분기에서 부분적 파워다운 현상을 통해 부분적 전력 소모량 감소효과를 보일 수 있다. 파워다운 과정은 도 10에서도 부분적으로 도시되어 있다. Therefore, the ADC according to the embodiment of the present invention may exhibit a partial power consumption reduction effect through partial power down in an integrator in which power consumption is generally maximized in a sigma-delta ADC. The power down process is also partially shown in FIG.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼 ADC를 구성하는 서브 ADC들의 각 계조별 출력 결과의 일 예를 나타내는 도면이다. 12 is a diagram illustrating an example of an output result for each gray level of sub-ADCs constituting a column ADC according to an exemplary embodiment of the present invention.

구체적으로는, 도 12에 도시된 도면은 도 5에 도시된 회로도에서 전압 VREFP 을 2V로 입력하고 전압 VREFN을 1V로 입력하고 ADC의 입력신호 입력범위는 1V인 조건에서 MATLAB을 이용하여 14-bit의 ADC 회로를 매크로 모델링하여 모의실험한 결과를 나타낸 것이다. Specifically, in the circuit diagram shown in FIG. 12, the voltage V REFP is inputted as 2V, the voltage V REFN is inputted as 1V, and the input signal input range of the ADC is 1V. It shows the simulation result by macro-modeling the ADC circuit of -bit.

모의실험에 사용된 Sigma-delta ADC는 3-bit을 분해하고 SAR ADC는 12-bit을 분해하도록 설계하였다. SAR ADC로 전달하는 적분기의 최종 출력은 입력 전압이 증가할 때마다 단조 증가한다. 단, (3VREFP+VREFN)/4 전압 위치에서 (VREFP+3VREFN)/4 전압인 지점으로 천이한 후 다시 증가하고, 이러한 천이는 m-bit Sigma-delta ADC에서 2m번 발생하게 된다. 천이가 발생하는 지점에서 Sigma-delta ADC의 출력 데이터가 1bit씩 증가하게 된다. Sigma-delta ADC 내 적분기의 최종 출력 범위는 Sigma-delta ADC와 SAR ADC의 신호 입력 범위의 절반의 범위를 갖는다. 이는 컬럼 ADC 회로상에서 피드백 커패시터(CF)의 크기를 샘플링 커패시터(CS) 크기의 2배가 되도록 설계함으로써 구현될 수 있다. 신호 입력 범위에 대한 조절은 Sigma-delta ADC와 SAR ADC 내 비교기의 오프셋 전압에 의해 발생하는 오차 보정을 통해 이루어지는데, 오차 보정의 원리는 이하 후술하도록 한다.The Sigma-delta ADCs used in the simulation are designed to resolve 3-bits and the SAR ADCs are designed to resolve 12-bits. The final output of the integrator to the SAR ADC increases monotonically with increasing input voltage. However, after transitioning from the (3V REFP + V REFN ) / 4 voltage position to the point of (V REFP + 3V REFN ) / 4 voltage, it increases again, and this transition occurs 2 m times in the m-bit Sigma-delta ADC. do. At the point of transition, the output data of the Sigma-delta ADC is increased by 1 bit. The final output range of the integrator in the Sigma-delta ADC has half the signal input range of the Sigma-delta ADC and the SAR ADC. This can be achieved by designing the size of the feedback capacitor C F to be twice the size of the sampling capacitor C S on the column ADC circuit. Adjustment of the signal input range is made through error correction generated by offset voltages of comparators in the Sigma-delta ADC and the SAR ADC. The principle of error correction will be described later.

적분기 최종 출력 값은 입력 전압에 따라 주기적으로 반복되는 패턴을 갖기 때문에 SAR ADC의 출력 디지털 데이터도 주기적으로 반복된다. 서브 ADC의 출력을 디지털 프로세싱한 결과 ADC의 최종 입출력 특성은 이상적인 14-bit ADC와 일정한 오프셋 디지털 코드만 지니고 동일한 기울기를 갖게 된다. 이러한 오프셋 디지털 코드는 아날로그 CDS를 적용한 ADC에서는 채널별로 동일한 아날로그 전압을 입력한 후 나타난 출력 결과의 차이를 이용하여 보정할 수 있고, 디지털 CDS를 적용한 ADC에서는 자동으로 제거된다.Since the integrator final output value has a pattern that repeats periodically with the input voltage, the output digital data of the SAR ADC also repeats periodically. As a result of digital processing the output of the sub-ADC, the final input / output characteristics of the ADC have the same slope with an ideal 14-bit ADC and a constant offset digital code. The offset digital code can be corrected by using the same output voltage after inputting the same analog voltage for each channel in the ADC using the analog CDS, and automatically removed from the ADC using the digital CDS.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 Sigma-delta ADC 내 비교기 오프셋의 보정 기술의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a technique for correcting a comparator offset in a Sigma-delta ADC according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, Sigma-delta ADC 내 적분기 출력 범위를 SAR ADC의 입력범위와 같게 설계하면 비교기의 오프셋 또는 비교 전압의 오차에 따라 미싱 코드(missing code)(801, 802)가 발생한다. Sigma-delta ADC 내 적분기 출력 범위를 SAR ADC 입력 범위의 절반이 되도록 설계하면 비교기의 오프셋 또는 비교 전압의 오차가 발생하더라도 입력범위의 절반 이하의 크기로 발생하면 오차 보정을 수행할 수 있다. SAR ADC 내 비교기 오차도 동일한 방법을 사용하여 보정을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 13, if the integrator output range in the Sigma-delta ADC is designed to be equal to the input range of the SAR ADC, missing codes 801 and 802 are generated according to the offset of the comparator or the error of the comparison voltage. If the integrator output range in the Sigma-delta ADC is designed to be half of the SAR ADC input range, error compensation can be performed if the comparator offset or comparison voltage is less than half the input range. Comparator errors in the SAR ADC can also be calibrated using the same method.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain, and the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

2차원 어레이 형태로 형성된 다수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 어레이를 구성하는 로우 라인을 선택하는 스캔 드라이버 및 상기 스캔 드라이버가 선택하는 로우 라인의 픽셀들로부터 광전변환신호를 독출하는 컬럼 드라이버를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
상기 컬럼 드라이버는,
상기 픽셀 어레이에 포함된 적어도 두 개의 컬럼 라인으로부터 신호 입력을 받는 컬럼 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter: ADC)를 하나 이상 포함하고,
상기 컬럼 ADC 는,
상기 픽셀 어레이의 적어도 두 개의 컬럼 라인으로부터 픽셀의 출력 전압을 입력받아 A/D 수행하는 Sigma-delta ADC 및 상기 Sigma-delta ADC의 출력 값을 입력 신호로 입력받아 A/D 변환을 수행하는 SAR ADC(Successive Approximation ADC)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
A pixel array including a plurality of pixels formed in the form of a two-dimensional array, a scan driver for selecting a row line constituting the pixel array, and a column driver for reading a photoelectric conversion signal from the pixels of the row line selected by the scan driver. In the image sensor comprising:
The column driver,
At least one column to analog converter (Analog to Digital Converter) for receiving a signal input from at least two column lines included in the pixel array,
The column ADC,
Sigma-delta ADC that receives A / D output voltages of pixels from at least two column lines of the pixel array and SAR ADC that performs A / D conversion by receiving output values of the Sigma-delta ADCs as input signals (Successive Approximation ADC), characterized in that the analog to digital converter for high resolution image sensor.
제1항에 있어서,
상기 픽셀 어레이는,
오드 로우(odd row) 라인의 픽셀과 이븐 로우(even row) 라인의 픽셀이 서로 다른 컬럼(column) 라인을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
The method of claim 1,
The pixel array,
An analog-to-digital converter for a high resolution image sensor, wherein the pixels of the odd row line and the pixels of the even row line are arranged to have different column lines.
제1항에 있어서,
상기 컬럼 드라이버는,
하나 이상의 상기 컬럼 ADC를 포함하며, 픽셀의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 컬럼 ADC 어레이;
상기 컬럼 ADC 어레이에서 상기 컬럼 ADC에서 발생하는 출력 결과를 보정하는 컬럼 디지털 프로세싱 유닛; 및
상기 컬럼 ADC 어레이에서 생성되는 출력 결과를 저장하는 SRAM 어레이를 포함하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
The method of claim 1,
The column driver,
A column ADC array including at least one column ADC and converting an output voltage of a pixel into a digital signal and outputting the digital signal;
A column digital processing unit for correcting an output result generated by the column ADC in the column ADC array; And
And an SRAM array for storing output results generated in said column ADC array.
제1항에 있어서,
상기 컬럼 ADC의 입력단은,
상기 픽셀 어레이를 구성하는 각 컬럼마다 오드 로우 라인과 이븐 로우 라인의 픽셀들에 대응된 광전변환신호들을 각각 출력하기 위한 적어도 2개의 컬럼 출력 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
The method of claim 1,
The input terminal of the column ADC,
Each column constituting the pixel array is connected to at least two column output lines for outputting photoelectric conversion signals corresponding to the pixels of the odd row line and even row line, respectively, analog for high-resolution image sensor Digital converter.
제4항에 있어서,
상기 컬럼 ADC는,
상기 컬럼 드라이버의 채널 단위별로 적어도 두 개의 전류원, 적어도 두 개의 샘플링 커패시터 및 다수의 스위치를 포함한 회로로 구성되며,
상기 회로를 통해 상기 2개의 컬럼 출력 라인으로부터 순차적으로 신호를 입력받는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
5. The method of claim 4,
The column ADC,
Comprising a circuit including at least two current sources, at least two sampling capacitors and a plurality of switches for each channel unit of the column driver,
And sequentially receiving signals from the two column output lines through the circuit.
제4항에 있어서,
상기 컬럼 ADC의 입력단은,
상기 2개의 컬럼 출력 라인 사이에 연결된 스위치를 포함하고,
상기 스위치는 노멀 모드에서 턴온(turn-on)되고 비닝 모드에서 턴오프(turn-off)되는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
5. The method of claim 4,
The input terminal of the column ADC,
A switch connected between the two column output lines,
The switch is turned on in normal mode and turned off in binning mode.
제6항에 있어서,
상기 컬럼 ADC는,
상기 스위치 및 인접하는 채널 ADC를 이용하여 상기 픽셀 어레이를 구성하는 다수의 픽셀들 중 인접하는 4개의 픽셀들로부터 동시에 출력 신호를 입력받는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
The method according to claim 6,
The column ADC,
And an output signal is simultaneously input from four adjacent pixels among the plurality of pixels constituting the pixel array by using the switch and the adjacent channel ADC.
제1항에 있어서,
상기 Sigma-delta ADC는,
피드백 커패시터, 다수의 샘플링 커패시터, 상기 커패시터 사이에 연결된 다수의 스위치 및 적분기를 포함하는 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
The method of claim 1,
The Sigma-delta ADC,
And a circuit comprising a feedback capacitor, a plurality of sampling capacitors, a plurality of switches and an integrator connected between the capacitors.
제8항에 있어서,
상기 Sigma-delta ADC는,
제1 클럭에 입력된 신호를 샘플링하여 홀딩하고, 제2 클럭부터 입력된 신호를 A/D 변환하여 디지털 신호로 출력하는 과정을 반복 수행하며, 마지막 클럭에는 상기 적분기의 출력 전압이 상기 SAR ADC로 입력되는 입력 전압 범위의 절반이 되도록 상기 출력 전압을 샘플링하여 디지털 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
9. The method of claim 8,
The Sigma-delta ADC,
Sampling and holding the signal input to the first clock, and repeats the process of outputting the signal input from the second clock A / D to a digital signal, at the last clock output voltage of the integrator to the SAR ADC And outputting the output voltage as a digital signal by sampling the output voltage so as to be half of an input voltage range input thereto.
제9항에 있어서,
상기 적분기는 제1 증폭단 및 제2 증폭단의 2단 증폭기로 구성되고,
상기 적분기의 모든 전압 노드를 동일 전압으로 초기화하는 동안, 상기 제1 증폭단에만 전류를 인가하고 상기 2 증폭단의 전류 경로는 단락시키는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
10. The method of claim 9,
The integrator is composed of two stage amplifiers of the first amplifier stage and the second amplifier stage,
While initializing all voltage nodes of the integrator to the same voltage, applying current only to the first amplifier stage and shorting the current paths of the second amplifier stages.
제8항에 있어서,
상기 Sigma-delta ADC는,
상기 픽셀 어레이로부터 픽셀 신호 전압이 입력되는 동안 상기 적분기의 전력 소모를 일정 수준으로 감소시키면서 상기 픽셀 신호 전압을 A/D 변환한 후 픽셀 리셋 전압이 입력되는 시점까지 상기 적분기에 저장하여 유지하고, 입력된 상기 픽셀 리셋 전압에 대해서는 상기 샘플링 커패시터의 양단을 반대로 연결하여 A/D 변환하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
9. The method of claim 8,
The Sigma-delta ADC,
While the pixel signal voltage is inputted from the pixel array, while reducing the power consumption of the integrator to a predetermined level, the pixel signal voltage is A / D converted and stored and maintained in the integrator until the pixel reset voltage is inputted. And an A / D conversion by connecting opposite ends of the sampling capacitor with respect to the pixel reset voltage.
제8항에 있어서,
상기 Sigma-delta ADC는,
상기 피드백 커패시터의 크기를 상기 샘플링 커패시터의 크기의 2배로 설정하여 픽셀 신호 전압에 대한 A/D 변환을 수행하고, 상기 적분기의 출력 전압이 상기 SAR ADC로 입려되는 입력 전압 범위의 절반이 되도록 상기 출력 전압을 샘플링하여 디지털 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 이미지 센서를 위한 아날로그 디지털 변환기.
9. The method of claim 8,
The Sigma-delta ADC,
The A / D conversion is performed on the pixel signal voltage by setting the size of the feedback capacitor to twice the size of the sampling capacitor, and outputting the output voltage of the integrator to be half of the input voltage range applied to the SAR ADC. An analog-to-digital converter for a high resolution image sensor, characterized in that the voltage is sampled and output as a digital signal.
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