KR20140055308A - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 복수의 단위 화소들을 포함하며, 상기 복수의 단위 화소들 각각은 포토다이오드, 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 및 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 화소 어레이부, 상기 화소 어레이부로부터 아날로그 신호인 감지 신호를 샘플링하고, 샘플링된 감지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록, 및 상기 감지 신호에 대한 샘플링 종료 이후 시점까지 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴 온 상태를 유지시키는 전송 신호를 출력하는 타이밍 컨트롤러를 포함한다.

Description

이미지 센서{AN IMAGE SENSOR}
실시 예는 다이나믹 레인지(dynamic range)를 향상시킬 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이미지 센서의 소자 종류에는 CCD(Charge Coupled Device) 방식의 소자 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 방식의 소자가 있다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력 소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그널 프로세싱 회로를 칩 내에 구현할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란할 수 있다. 이에 반면에 CMOS 이미지 센서는 전력 소모가 적고, CCD 공정에 비해 공정이 단순하고, 원칩화가 가능하여 이미지 센서로 널리 사용되고 있다.
이미지 센서의 품질을 나타내는 데 있어, 중요한 판단 기준이 되는 것 중에 하나가 다이나믹 레인지(Dynamic Range)이다. 다이나믹 레인지는 일반적으로 입력 신호를 왜곡하지 않으면서 신호를 처리할 수 있는 최대 범위를 나타내는데, 이미지 센서의 경우에는 다이내믹 레인지가 넓을수록 넓은 범위의 명도 변화에 관계없이 좋은 이미지를 얻을 수 있다.
실시 예는 고조도 환경에서 다이나믹 레인지를 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위 화소들을 포함하며, 상기 복수의 단위 화소들 각각은 포토다이오드, 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터, 리셋(Reset) 트랜지스터, 드라이브(Drive) 트랜지스터, 및 셀렉트(select) 트랜지스터를 포함하는 화소 어레이부; 상기 화소 어레이부로부터 아날로그 신호인 감지 신호를 샘플링하고, 샘플링된 감지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록; 및 상기 감지 신호에 대한 샘플링 종료 이후 시점까지 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴 온 상태를 유지시키는 전송 신호를 출력하는 타이밍 컨트롤러를 포함한다.
상기 아날로그-디지털 변환 블록은 초기화된 상기 단위 화소로부터 출력되는 제1 감지 신호, 및 외부의 영상 신호에 상응하여 단위 화소로부터 출력되는 제2 감지 신호 각각을 샘플링할 수 있다.
상기 전송 신호는 상기 제1 감지 신호에 대한 샘플링 종료 시점과 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 시작 시점 사이에 활성화되고, 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 종료 시점 이후에 비활성화될 수 있다.
상기 전송 신호의 활성화 시점은 상기 제1 감지 신호에 대한 샘플링 완료 시점과 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 시작 시점 사이이고, 활성화된 상기 전송 신호의 비활성화 시점은 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 완료 시점 이후일 수 있다.
상기 단위 화소는 상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터가 만나는 감지 노드와 그라운드 전원 사이에 연결되는 제1 커패시터; 및 상기 제1 커패시터와 상기 감지 노드 사이에 연결되는 제1 스위치를 더 포함할 수 있으며, 상기 타이밍 컨트롤러는 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴 온 시점 이전에 상기 제1 스위치를 턴 온 시킬 수 있다.
상기 단위 화소는 상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터가 만나는 감지 노드와 그라운드 전원 사이에 연결되는 제1 커패시터; 및 상기 제1 커패시터와 상기 감지 노드 사이에 연결되는 제1 스위치를 더 포함할 수 있으며, 상기 타이밍 컨트롤러는 상기 전송 트랜지스터의 턴 온 시점 이후에 상기 제1 스위치를 턴 온시킬 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환 블록은 상기 제1 감지 신호 및 상기 제2 감지 신호 각각을 샘플링하고, 샘플링된 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 차동 증폭하고, 차동 증폭 신호를 출력하는 CDS(Correlated Double Sampling) 처리부; 및 상기 차동 증폭 신호와 기준 신호를 비교하고, 비교한 결과에 따른 디지털 코드를 출력하는 아날로그-디지털 변환부를 포함할 수 있다.
상기 CDS 처리부는 제1 입력 단자와 제2 입력 단자를 구비하고, 상기 차동 증폭 신호를 출력하는 차동 증폭기; 상기 단위 화소의 출력 단자와 상기 제1 입력 단자 사이에 연결되고, 제1 제어 신호에 의하여 상기 제1 감지 신호를 샘플링하는 제2 스위치; 상기 제1 입력 단자와 그라운드 전원 사이에 연결되고, 샘플링된 상기 제1 감지 신호를 저장하는 제2 커패시터; 상기 단위 화소의 출력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에 연결되고, 제2 제어 신호에 의하여 상기 제2 감지 신호를 샘플링하는 제3 스위치; 및 상기 제2 입력 단자와 상기 그라운드 전원 사이에 연결되고, 샘플링된 상기 제2 감지 신호를 저장하는 제3 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 타이밍 컨트롤러는 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 출력하며, 상기 전송 신호는 상기 제1 제어 신호의 비활성화 시점과 상기 제2 제어 신호의 활성화 시점 사이에 활성화되고, 상기 제2 제어 신호의 비활성화 시점 이후에 비활성화될 수 있다.
실시 예는 고조도 환경에서 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 이미지 센서의 구성도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 화소 어레이의 단위 화소의 일 실시 예를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 화소 어레이의 단위 화소의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 아날로그-디지털 변환 블록의 일 실시 예를 나타낸다.
도 5는 제1 조도 환경에서 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 샘플링하기 위한 리셋 신호, 전송 신호, 제1 제어 신호, 및 제2 제어 신호의 타이밍도를 나타낸다.
도 6은 제2 조도 환경에서 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 샘플링하기 위한 리셋 신호, 전송 신호, 제1 제어 신호, 및 제2 제어 신호의 타이밍도를 나타낸다.
도 7은 제2 조도 환경에서 실시 예에 따른 이미지 센서의 감도 그래프를 나타낸다.
도 8은 제2 조도 환경에서 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 감도 그래프를 나타낸다
도 9는 제2 조도 환경에서 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 감도 그래프를 나타낸다
도 10은 고조도 환경에서 단위 화소의 전송 트랜지스터를 턴 오프한 상태에서의 샘플링 이미지를 나타낸다.
도 11은 고조도 환경에서 단위 화소의 전송 트랜지스터를 턴 온 상태에서의 샘플링 이미지를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 이미지 센서의 구성도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 타이밍 컨트롤러(timing controller, 110), 화소 어레이부(pixel array, 120), 및 아날로그 디지털 변환 블록(Analog-Digital conveter, 130)를 포함한다.
타이밍 컨트롤러(110)는 화소 어레이부(120)를 제어하기 위한 제어 신호들(예컨대, 리셋 신호(RX), 전송 신호(TX), 선택 신호(SE)) 및 아날로그-디지털 변환 블록(130)을 제어하기 위한 제어 신호들(예컨대, , 제1 제어 신호(SHR), 및 제2 제어 신호(SHS))을 출력한다.
화소 어레이부(120)는 복수의 단위 화소들(unit pixels)을 포함하며, 복수의 단위 화소들은 행과 열로 이루어진 매트릭스(matrix) 형상을 갖도록 배치될 수 있다. 단위 화소들 각각은 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 광전 변환 소자일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 화소 어레이(120)의 단위 화소의 일 실시 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 화소 어레이(120)의 단위 화소는 포토다이오드(210), 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor, 220), 리셋 트랜지스터(reset transistor, 230), 드라이브 트랜지스터(driver transistor, 240), 셀렉트 트랜지스터(select transistor, 250), 및 전류원(current source, 260)을 포함할 수 있다.
포토다이오드(210)는 제1 전원(GND)과 트랜스퍼 트랜지스터(220) 사이에 연결되고, 빛을 흡수하고, 흡수된 빛에 의하여 전하를 발생할 수 있다. 예컨대, 제1 전원(GND)은 접지(Ground)일 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(220)는 감지 노드(FD)와 포토다이오드(210) 사이에 연결되고, 타이밍 컨트롤러(110)로부터 인가되는 전송 신호(TX)에 의해서 제어될 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(220)는 전송 신호(TX)에 응답하여 포토다이오드(210)에 의하여 발생된 전하를 감지 노드(FD)로 전송할 수 있다. 여기서 감지 노드(FD)는 플로팅 디퓨젼 영역(floating diffusion region)일 수 있다.
리셋 트랜지스터(230)는 제2 전원(PVDD)과 감지 노드(FD) 사이에 연결되고, 타이밍 컨트롤러(110)로부터 인가되는 리셋 신호(RX)에 의해서 제어될 수 있다. 리셋 트랜지스터(230)는 리셋 신호(RX)에 응답하여 단위 화소를 초기화(reset)하는 역할을 할 수 있다.
드라이브 트랜지스터(240)는 제1 전원(PVDD)과 셀렉트 트랜지스터(250)의 일단(예컨대, 소스 또는 드레인) 사이에 연결되고, 게이트는 감지 노드(FD)에 연결될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(240)는 감지 노드(FD)의 전압에 응답하여 제어될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(240)는 전류원(250)과 함께 소스 팔로워(source follower)를 구성할 수 있으며, 버퍼(buffer)의 역할을 할 수 있다.
셀렉트 트랜지스터(250)는 드라이브 트랜지스터(240)와 전류원(260) 사이에 연결되고, 타이밍 컨트롤러(110)로부터 인가되는 선택 신호(SE)에 의하여 제어될 수 있으며, 감지 신호(Va)를 출력 단자(output)로 출력할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 화소 어레이(120)의 단위 화소의 다른 실시 예를 나타낸다. 도 2와 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타내며, 앞에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 3을 참조하면, 화소 어레이(120)의 단위 화소는 도 2에 도시된 단위 화소와 비교할 때, 제1 스위치(310) 및 제1 커패시터(320)를 더 포함할 수 있다.
제1 커패시터(320)는 감지 노드(FD)와 제1 전원(GND) 사이에 연결될 수 있ㄷ다. 제1 스위치(310)는 제1 커패시터(320)와 감지 노드(FD) 사이에 연결될 수 있고, 타이밍 컨트롤러(110)로부터 인가되는 제1 스위치 제어 신호(SW)에 의해 제어될 수 있다. 즉 제1 스위치(310)는 제1 스위치 제어 신호(SW)에 응답하여 제1 커패시터(320)와 감지 노드(FD)를 서로 연결하거나, 또는 연결을 끊을 수 있다.
아날로그-디지털 변환 블록(130)은 화소 어레이부(120)로부터 출력되는 아날로그 신호인 감지 신호(Va)를 샘플링하고, 샘플링된 감지 신호(Va)를 디지털 신호(Dc)로 변환할 수 있다.
아날로그-디지털 변환 블록(130)는 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위하여 상관된 더블 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS)을 수행할 수 있다.
상관된 더블 샘플링이란 단위 화소를 리셋(reset)하였을 때의 단위 화소로부터 출력되는 제1 감지 신호(Vret)를 디지털로 변환한 제1 디지털 데이터(Drst)에서 외부의 영상 신호에 상응하여 단위 화소로부터 출력되는 제2 감지 신호(Vsig)를 디지털로 변환한 제2 디지털 데이터(Dsig)와의 차(Dsig - Drst)를 구하는 것을 의미할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 아날로그-디지털 변환 블록(130)의 일 실시 예를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 아날로그-디지털 변환 블록(130)은 CDS(Correlated Double Sampling) 처리부(410), 및 아날로그-디지털 변환부(420)를 포함할 수 있다.
CDS 처리부(410)는 제1 감지 신호(Vret) 및 제2 감지 신호(Vsig) 각각을 단위 화소로부터 샘플링하고, 샘플링된 제1 감지 신호(Vret) 및 제2 감지 신호(Vsig)를 차동 증폭하고, 아날로그 차동 증폭 신호(Vb)를 출력할 수 있다.
예컨대, CDS 처리부(410)는 제2 스위치(411), 제2 커패시터(414), 제3 스위치(412), 및 제3 커패시터(416), 및 제1 입력 단자(401)와 제2 입력 단자(402)를 포함하는 제2 차동 증폭기(418)를 포함할 수 있다.
제2 스위치(411)는 화소 어레이부(120)의 단위 화소의 출력 단자(output)와 차동 증폭기(418)의 제1 입력 단자(401) 사이에 연결되고, 타이밍 컨트롤러(110)로부터 인가되는 제1 제어 신호(SHR)에 의하여 제어될 수 있다.
제2 커패시터(414)는 차동 증폭기(418)의 제1 입력 단자(401)와 제1 전원(GND) 사이에 연결될 수 있으며, 제1 감지 신호(Vret)를 저장하는 역할을 할 수 있다.
제3 스위치(412)는 화소 어레이부(120)의 단위 화소의 출력 단자(output)와 차동 증폭기(418)의 제2 입력 단자(402) 사이에 연결되고, 타이밍 컨트롤러(110)로부터 인가되는 제2 제어 신호(SHS)에 의하여 제어될 수 있다.
제3 커패시터(416)는 차동 증폭기(418)의 제2 입력 단자(402)와 제1 전원(GND) 사이에 연결될 수 있으며, 제2 감지 신호(Vsig)를 저장하는 역할을 할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(110)는 제1 제어 신호(SHR)에 의하여 제2 스위치(411)는 턴 온(turn on)시키고 제2 제어 신호(SHS)에 의하여 제3 스위치(412)를 턴 오프(turn off)시킴으로써, 단위 화소로부터 제1 감지 신호(Vret)를 샘플링하여 제2 커패시터(414)에 저장시킬 수 있다.
또한 타이밍 컨트롤러(110)는 제1 제어 신호(SHR)에 의하여 제2 스위치(411)는 턴 오프시키고, 제2 제어 신호(SHS)에 의하여 제3 스위치(412)는 턴 온시킴으로써, 단위 화소로부터 제2 감지 신호(Vsig)를 샘플링하여 제3 커패시터(416)에 저장시킬 수 있다.
차동 증폭기(418)는 제2 커패시터(414)에 저장된 제1 감지 신호(Vret) 및 제3 커패시터(416)에 저장된 제2 감지 신호(Vsig)를 차동 증폭하고, 차동 증폭 신호(Vb)를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(420)는 차동 증폭 신호(Vb)와 기준 신호(Vramp)를 비교하고, 비교한 결과에 따른 디지털 코드(Dc)를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(420)는 램프 신호 발생기(ramp signal generator, 422), 비교기(comparator, 424) 및 카운터(Counter, 426)를 포함할 수 있다.
램프 신호 발생기(422)는 아날로그 램프 신호(ramp signal, Vramp)를 발생할 수 있다.
비교기(424)는 차동 증폭 신호(Vb)가 입력되는 제1 입력 단자(403) 및 아날로그 램프 신호(Vramp)가 입력되는 제2 입력 단자(404)를 포함할 수 있으며, 입력되는 차동 증폭 신호(Vb)와 아날로그 램프 신호(Vramp)를 서로 비교하고, 아날로그 신호인 비교 신호(Cs)를 출력할 수 있다.
카운터(426)는 비교기(424)로부터 출력되는 비교 신호(Cs)에 대하여 카운팅 동작을 수행하고, 수행된 카운팅 동작에 기초하여 디지털 출력 코드(Dc)를 출력할 수 있다.
도 5는 제1 조도 환경에서 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 샘플링하기 위한 리셋 신호(RX), 전송 신호(TX), 제1 제어 신호(SHR), 및 제2 제어 신호(SHS)의 타이밍도를 나타낸다. 여기서 제1 조도 환경은 주위 환경의 조도가 사용자에 의하여 기설정된 조도보다 낮은 환경(예컨대, 저조도 환경)을 의미할 수 있다.
저조도 환경에서 제1 감지 신호(Vret)와 제2 감지 신호(Vsig)를 샘플링하는 과정을 설명한다.
도 5를 참조하면, 먼저 타이밍 컨트롤러(110)는 리셋 신호(RX)를 활성화하고, 활성화된 리셋 신호(501)에 의하여 단위 화소를 초기화한다. 초기화된 단위 화소로부터는 제1 감지 신호(Vret)가 출력될 수 있다.
제1 감지 신호(Vret)를 제2 캐패시터(414)에 샘플링하기 위하여 타이밍 컨트롤러(110)는 단위 화소의 초기화가 완료된 시점(t1) 이후에 제1 제어 신호(SHR)가 제1 레벨(예컨대, 하이 레벨(high level))을 갖도록 제1 제어 신호(SHR)를 활성화시킬 수 있다(502). 이때 타이밍 컨트롤러(110))로부터 출력되는 제2 제어 신호(SHS)는 제2 레벨(예컨대, 로우 레벨)을 갖는 비활성화 상태일 수 있다.
단위 화소가 영상 정보를 획득하도록 하기 위하여 타이밍 컨트롤러(110)는 제1 감지 신호(Vret)에 대한 샘플링이 완료되는 시점(t2) 이후에 제1 레벨을 갖도록 전송 신호(TX)를 활성화시킬 수 있다(504). 이때 제1 감지 신호(Vret)에 대한 샘플링이 완료되는 시점(t2)은 제1 제어 신호(SHR)가 제2 레벨을 갖도록 비활성화된 시점일 수 있다(503). 영상 정보 획득이 완료된 단위 화소로부터는 제2 감지 신호(Vsig)가 출력될 수 있다.
타이밍 컨트롤러(110)는 제2 감지 신호(Vsig)의 샘플링 시작 시점(t3) 이전에 전송 신호(TX)를 제2 레벨을 갖도록 비활성화시킨다(505).
제2 감지 신호(Vsig)를 제3 커패시터(416)에 샘플링하기 위하여 타이밍 컨트롤러(110)는 제2 제어 신호(SHS)를 제1 레벨을 갖도록 활성화시킨다(506). 이때 타이밍 컨트롤러(110)로부터 출력되는 제1 제어 신호(SHR)는 제2 레벨을 갖는 비활성화 상태일 수 있다.
제1 조도 환경(예컨대, 저조도 환경)에서 제1 감지 신호(Vret) 및 제2 감지 신호(Vsig)를 샘플링하기 위해서 타이밍 컨트롤러(110)는 제1 감지 신호(Vret)의 샘플링 완료 시점(t2) 이후에 활성화되고(504), 제2 감지 신호(Vsig)의 샘플링 시작 시점(t3) 이전에 비활성화되는(505) 전송 신호(TX)를 출력할 수 있다.
도 6은 제2 조도 환경에서 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 샘플링하기 위한 리셋 신호(RX), 전송 신호(TX), 제1 제어 신호(SHR), 및 제2 제어 신호(SHS)의 타이밍도를 나타낸다. 여기서 제2 조도 환경은 주위 환경의 조도가 사용자에 의하여 기설정된 조도보다 높은 환경(예컨대, 고조도 환경)을 의미할 수 있다.
고조도 환경에서 제1 감지 신호(Vret)와 제2 감지 신호(Vsug)를 샘플링하는 과정을 설명한다.
도 6을 참조하면, 타이밍 컨트롤러(110)는 먼저 리셋 신호(RX)를 활성화하고(501), 활성화된 리셋 신호(RX)에 의하여 단위 화소를 초기화(reset)한다. 초기화된 단위 화소로부터는 제1 감지 신호(Vret)가 출력될 수 있다.
제1 감지 신호(Vret)를 제2 캐패시터(414)에 샘플링하기 위하여 타이밍 컨트롤러(110)는 단위 화소의 초기화가 완료된 시점(t1) 이후에 제1 제어 신호(SHR)가 제1 레벨(예컨대, 하이 레벨(high level))을 갖도록 활성화시킬 수 있다(502). 이때 타이밍 컨트롤러(110))로부터 출력되는 제2 제어 신호(SHS)는 제2 레벨(예컨대, 로우 레벨)을 갖는 비활성화 상태일 수 있다.
단위 화소가 영상 정보를 획득하도록 하기 위하여 타이밍 컨트롤러(110)는 제1 감지 신호(Vret)에 대한 샘플링 완료 시점(t2) 이후에 제1 레벨을 갖도록 전송 신호(TX)를 활성화한다(504).
제2 감지 신호(Vsig)를 제3 커패시터(416)에 샘플링하기 위하여 타이밍 컨트롤러(110)는 전송 신호(TX)의 활성화 시점(t21) 이후에 제2 제어 신호(SHS)를 제1 레벨을 갖도록 활성화시킨다(506). 이때 타이밍 컨트롤러(110)로부터 출력되는 제1 제어 신호(SHR)는 제2 레벨을 갖는 비활성화 상태일 수 있다. 제2 제어 신호(SHS)는 비활성화되고(507), 제2 감지 신호(Vsig)에 대한 샘플링이 종료될 수 있다.
타이밍 컨트롤러(110)는 고조도 환경에서는 제2 감지 신호(Vsig)에 대한 샘플링 동안에도 전송 신호(TX)가 제1 레벨로 계속 유지하도록 하며, 제2 감지 신호(Vsig)에 대한 샘플링이 종료하는 시점(t4) 이후에 전송 신호(TX)를 제2 레벨로 비활성화시킬 수 있다(601).
타이밍 컨트롤러(110)는 제1 감지 신호(Vret)에 대한 샘플링 완료 시점(t2) 이후에 제1 레벨을 갖도록 전송 신호(TX)를 활성화하고(504), 제2 감지 신호(Vsig)의 샘플링 완료 시점(t4) 이후에 전송 신호(TX)를 비활성화시킬 수 있다(601). 즉 전송 신호(TX)의 활성화 시점(504)은 제1 감지 신호(Vret)에 대한 샘플링 완료 시점(t2)과 제2 감지 신호(Vsig)에 대한 샘플링 시작 시점(t3) 사이일 수 있고, 활성화된 전송 신호(TX)의 비활성화 시점(t5)은 제2 감지 신호(Vsig)에 대한 샘플링 완료 시점(t4) 이후일 수 있다.
실시 예는 고조도 환경에서 제2 감지 신호(Vsig)를 샘플링하는 동안에 전송 신호(TX)에 의하여 전송 트랜지스터(220)를 턴 온 상태로 유지하기 때문에 감지 노도(FD)의 총 커패시턴스는 감지 노드(FD) 자체의 커패시턴스(Cj)와 포토다이오드(210)의 커패시턴스(Cpd)를 더한 값이 될 수 있다. 이미지 센서의 감도는 감지 노드(FD)의 커패시턴스 값에 반비례하기 때문에 실시 예는 고조도 환경에서 감지 노드(FD)의 커패시턴스 값을 증가시켜 감도를 떨어뜨림으로써 다이나믹 레인지(dynamic range)를 개선할 수 있다.
도 7은 제2 조도 환경에서 실시 예에 따른 이미지 센서의 감도 그래프를 나타낸다. 도 7은 화소 어레이(120)의 단위 화소가 도 2에 도시된 단위 화소일 경우의 감도 그래프를 나타낸다. x축은 조도×시간을 나타내고, y축은 아날로그-디지털 변환된 출력 코드(Dc)를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 고조도 환경에서 실시 예는 제1 감지 신호(Vret) 샘플링 종료(t2) 이후 어느 시점(t21)에서 턴 온된 전송 트랜지스터(210)가 제2 감지 신호(Vsig)의 샘플링 종료(t4) 이후 시점(t5)까지 계속 턴 온 상태를 유지한다.
도 7을 참조하면, 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 전송 트랜지스터(210) 턴 온 이전에는 Cj이지만, 전송 트랜지스터(210)가 턴 온되는 시점(B1) 이후의 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj+Cpd가 될 수 있다.
이와 같이 실시 예는 전송 트랜지스터(210)의 턴 온 이후에 감지 노드(FD)의 커패시턴스를 증가시켜 감도(sensitivity)가 떨어뜨림으로써 상대적으로 다이나믹 레인지(dynamic range)를 개선할 수 있다.
도 8은 제2 조도 환경에서 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 감도 그래프를 나타낸다. 도 8은 화소 어레이(120)의 단위 화소가 도 3에 도시된 단위 화소일 경우이다.
도 8을 참조하면, 전송 트랜지스터(210) 턴 온 및 제1 스위치(310) 턴 온 이전에는 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj일 수 있다.
전송 트랜지스터(210) 턴 온 이전의 어느 시점(B2)에 제1 스위치(310)를 턴 온시킬 경우 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj+Ca가 될 수 있다.
그리고 전송 트랜지스터(210)가 턴 온되는 시점(C1)에서 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj+Ca+Cpd가 될 수 있다.
이와 같이 실시 예는 고조도 환경에서 제1 스위치(310) 및 전송 트랜지스터(210)의 턴 온 시점을 조절하여 감지 노드(FD)의 커패시턴스를 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 감도(sensitivity)를 떨어짐으로써 상대적으로 다이나믹 레인지(dynamic range)를 개선할 수 있다.
도 9는 제2 조도 환경에서 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 감도 그래프를 나타낸다. 도 9는 화소 어레이(120)의 단위 화소가 도 3에 도시된 단위 화소일 경우이다.
도 8의 실시 예는 제1 스위치(310)가 먼저 턴 온되고, 그 후에 전송 트랜지스터(210)가 턴 온되는 경우이지만, 도 9의 실시 예는 전송 트랜지스터(210)의 턴 온 이후에 제1 스위치(310)가 턴 온되는 경우일 수 있다.
도 9를 참조하면, 전송 트랜지스터(210) 턴 온 및 제1 스위치(310) 턴 온 이전에는 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj일 수 있다.
그리고 전송 트랜지스터(210)를 턴 온시키면, 전송 트랜지스터(210)가 턴 온되는 시점(B3)에서 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj+Cpd가 될 수 있다.
그리고 전송 트랜지스터(210)가 턴 온된 상태에서, 전송 트랜지스터(210)의 턴 온 시점(B3) 이후의 어느 시점(C2)에 제1 스위치(310)를 턴 온시키면, 감지 노드(FD)의 커패시턴스는 Cj+Cpd+Ca가 될 수 있다.
도 10은 고조도 환경에서 단위 화소의 전송 트랜지스터를 턴 오프한 상태에서의 샘플링 이미지를 나타내고, 도 11은 고조도 환경에서 단위 화소의 전송 트랜지스터를 턴 온 상태에서의 샘플링 이미지를 나타낸다.
도 10에 도시된 샘플링 이미지는 고조도 환경에서 이미 포화되어 컬러 패치들(color patchs, 예컨대, 701 및 702) 간 구분이 되지 않는다. 이와 대조적으로 도 11에 도시된 셈플링 이미지는 컬러 패치들(703 및 704) 간 구분이 가능하다. 이와 같이 실시 예는 이미지 센서의 분해력을 고조도 환경에서도 유지할 수 있도록 해줌으로써 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 타이밍 컨트롤러 120: 화소 어레이부
130: 아날로그 디지털 변환 블록 210: 포토다이오드
220: 트랜스퍼 트랜지스터 230: 리셋 트랜지스터
240: 드라이브 트랜지스터 250: 셀렉트 트랜지스터
260: 전류원 310: 제1 스위치
320: 제1 커패시터 410: CDS 처리부
420: 아날로그-디지털 변환부 422: 램프 신호 발생기
424: 비교기 426: 카운터.

Claims (9)

  1. 복수의 단위 화소들을 포함하며, 상기 복수의 단위 화소들 각각은 포토다이오드, 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터, 리셋(Reset) 트랜지스터, 드라이브(Drive) 트랜지스터, 및 셀렉트(select) 트랜지스터를 포함하는 화소 어레이부;
    상기 화소 어레이부로부터 아날로그 신호인 감지 신호를 샘플링하고, 샘플링된 감지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록; 및
    상기 감지 신호에 대한 샘플링 종료 이후 시점까지 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴 온 상태를 유지시키는 전송 신호를 출력하는 타이밍 컨트롤러를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 블록은,
    초기화된 상기 단위 화소로부터 출력되는 제1 감지 신호, 및 외부의 영상 신호에 상응하여 단위 화소로부터 출력되는 제2 감지 신호 각각을 샘플링하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전송 신호는,
    상기 제1 감지 신호에 대한 샘플링 종료 시점과 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 시작 시점 사이에 활성화되고, 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 종료 시점 이후에 비활성화되는 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전송 신호의 활성화 시점은 상기 제1 감지 신호에 대한 샘플링 완료 시점과 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 시작 시점 사이이고, 활성화된 상기 전송 신호의 비활성화 시점은 상기 제2 감지 신호에 대한 샘플링 완료 시점 이후인 이미지 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 단위 화소는 상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터가 만나는 감지 노드와 그라운드 전원 사이에 연결되는 제1 커패시터; 및 상기 제1 커패시터와 상기 감지 노드 사이에 연결되는 제1 스위치를 더 포함하며,
    상기 타이밍 컨트롤러는 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴 온 시점 이전에 상기 제1 스위치를 턴 온 시키는 이미지 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 단위 화소는 상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터가 만나는 감지 노드와 그라운드 전원 사이에 연결되는 제1 커패시터; 및 상기 제1 커패시터와 상기 감지 노드 사이에 연결되는 제1 스위치를 더 포함하며,
    상기 타이밍 컨트롤러는 상기 전송 트랜지스터의 턴 온 시점 이후에 상기 제1 스위치를 턴 온시키는 이미지 센서.
  7. 제2항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환 블록은,
    상기 제1 감지 신호 및 상기 제2 감지 신호 각각을 샘플링하고, 샘플링된 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 차동 증폭하고, 차동 증폭 신호를 출력하는 CDS(Correlated Double Sampling) 처리부; 및
    상기 차동 증폭 신호와 기준 신호를 비교하고, 비교한 결과에 따른 디지털 코드를 출력하는 아날로그-디지털 변환부를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 CDS 처리부는,
    제1 입력 단자와 제2 입력 단자를 구비하고, 상기 차동 증폭 신호를 출력하는 차동 증폭기;
    상기 단위 화소의 출력 단자와 상기 제1 입력 단자 사이에 연결되고, 제1 제어 신호에 의하여 상기 제1 감지 신호를 샘플링하는 제2 스위치;
    상기 제1 입력 단자와 그라운드 전원 사이에 연결되고, 샘플링된 상기 제1 감지 신호를 저장하는 제2 커패시터;
    상기 단위 화소의 출력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에 연결되고, 제2 제어 신호에 의하여 상기 제2 감지 신호를 샘플링하는 제3 스위치; 및
    상기 제2 입력 단자와 상기 그라운드 전원 사이에 연결되고, 샘플링된 상기 제2 감지 신호를 저장하는 제3 커패시터를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 타이밍 컨트롤러는 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 출력하며,
    상기 전송 신호는 상기 제1 제어 신호의 비활성화 시점과 상기 제2 제어 신호의 활성화 시점 사이에 활성화되고, 상기 제2 제어 신호의 비활성화 시점 이후에 비활성화되는 이미지 센서.
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