KR20170139715A - 픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

본 기술은 픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환 장치로 전달할 때, 공정 변화에 대해 안정된 특성을 가지면서 변환 이득을 용이하게 제어할 수 있는 픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제공한다. 이러한 픽셀 신호 전달 장치는, 픽셀에서 생성된 전하량에 따른 픽셀 출력 전압을 전달하기 위한 전달 블럭; 상기 전달 블럭으로부터의 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하기 위한 보정 블럭; 및 상기 보정 블럭에서 보정된 픽셀 출력 전압에 대한 변환 이득을 조절하기 위한 변환 이득 조절 블럭을 포함할 수 있다.

Description

픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서{APPARATUS FOR TRANSFERRING PIXEL SIGNAL AND OPERATING METHOD, AND CMOS IMAGE SENSOR THEREOF USING THAT}
본 발명의 몇몇 실시예들은 씨모스 이미지 센서(CIS : CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Image Sensor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환 장치로 전달할 때, 공정 변화(Process Variation)에 대해 둔감한 특성을 가지는 소자를 이용하여 변환 이득(Conversion Gain)을 용이하게 조절할 수 있는 픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
씨모스 이미지 센서(CIS)에서 하나의 트랜지스터를 이용하여 픽셀(Pixel)을 구현하게 되면, 포토 다이오드(PD : Photo Diode)를 최대로 크게 구현할 수 있기 때문에 수광 면적을 최대화할 수 있고, 소스 팔로워(Source Follower) 트랜지스터와 같은 회로를 구현하지 않고 포토 다이오드에 수광된 빛을 전하량으로 변환하여 아날로그-디지털 변환 장치의 입력으로 직접 픽셀 신호를 전달할 수 있기 때문에 픽셀 자체가 공정 변화에 매우 둔감한 특성을 가지는 장점이 있다.
그러나 일반적으로 컬럼 라인(Column Line)의 기생 커패시터 값이 전하량과 대비하여 상대적으로 매우 큰 값을 가지기 때문에 픽셀에서 최종으로 출력되는 픽셀 신호(즉, 픽셀 출력 전압) 자체가 매우 작다. 따라서 이러한 매우 작은 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환 장치에서 직접 데이터 변환하는데 어려움이 있다. 또한, 하나의 컬럼 라인에 복수 개의 픽셀이 연결되어 있기 때문에 변환 이득이 너무 낮은 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 컬럼 라인의 종단에 아날로그-디지털 변환 장치의 증폭기(즉, 비교기)를 구비하고, 증폭기의 입출력단에 연결된 피드백 커패시터(Feedback Capacitor, Cf)의 커패시턴스 값을 조절하여 변환 이득을 조절하는 방식을 사용하였다.
그러나 변환 이득을 일정한 수준 이상으로 증대시키기 위해서는 피드백 커패시터(Cf)의 커패시턴스 값이 1~2 fF 수준으로 매우 작아야 한다. 그런데, 커패시턴스 값이 1~2 fF 수준으로 매우 작은 커패시터는 근본적으로 공정 변환에 대한 민감도(Sensitivity)가 매우 크기 때문에 공정 변화에 매우 취약하고, 민감도가 매우 큼에 따라 변환 이득 값 자체가 매우 크게 변하기 때문에 가장 중요한 변환 이득을 원하는 수준으로 제어하기 매우 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환 장치로 전달할 때, 공정 변화에 대해 안정된 특성을 가지면서 변환 이득을 용이하게 제어할 수 있는 픽셀 신호 전달 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 장치는, 픽셀에서 생성된 전하량에 따른 픽셀 출력 전압을 전달하기 위한 전달 블럭; 상기 전달 블럭으로부터의 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하기 위한 보정 블럭; 및 상기 보정 블럭에서 보정된 픽셀 출력 전압에 대한 변환 이득을 조절하기 위한 변환 이득 조절 블럭을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 방법은, (a) 광 감지기를 리셋시키는 단계; (b) 광전 변환을 수행하는 단계; (c) 증폭 트랜지스터의 임계 전압값을 고려하여 노드를 초기화하는 단계; (d) 상기 (b) 단계에서 광전 변환된 전하를 전달하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 전달받은 전하량에 따라 변환된 픽셀 출력 전압을 보정하고 변환 이득을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 입사광에 상응하는 전하를 생성하기 위한 픽셀 어레이; 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 어레이 내의 각 픽셀을 로우 라인별로 선택하여 제어하기 위한 로우 디코더; 상기 제어부의 제어에 따라 램프 신호를 발생하기 위한 램프 신호 발생 장치; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 어레이로부터의 각 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하고 변환 이득을 조절하기 위한 픽셀 신호 전달 장치; 상기 픽셀 신호 전달 장치로부터의 각 픽셀 신호의 값과 상기 램프 신호 발생 장치로부터 인가되는 램프 신호의 값을 비교하기 위한 비교부; 상기 비교부로부터의 각 비교 신호에 따라 상기 제어부로부터의 클럭을 카운팅하기 위한 카운팅부; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 카운팅부로부터의 카운팅 정보를 각각 저장하기 위한 메모리부; 상기 로우 디코더와 상기 램프 신호 발생 장치와 상기 픽셀 신호 전달 장치와 상기 카운팅부와 상기 메모리부와 컬럼 리드아웃 회로의 동작을 제어하기 위한 상기 제어부; 및 상기 메모리부의 데이터를 상기 제어부의 제어에 따라 출력하기 위한 상기 컬럼 리드아웃 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공정 변화에 대해 안정된 특성을 가지며, 특히 변환 이득을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 씨모스 이미지 센서의 구성도,
도 1b는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 한 컬럼의 회로를 나타내는 도면,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 장치의 구성도,
도 2b는 도 2a에 도시된 픽셀 신호 전달 장치의 제어 신호 타이밍을 나타내는 도면,
도 2c는 도 2a에 도시된 픽셀 신호 전달 장치의 동작 방법에 대한 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 장치를 이용한 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음을 알 것이다.
도 1a는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 씨모스 이미지 센서의 구성도이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 한 컬럼의 회로를 나타내는 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 씨모스 이미지 센서는, 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력하기 위한 픽셀 어레이(10)와, 제어부(80, 예를 들어, 타이밍 제너레이터)의 제어에 따라 픽셀 어레이(10) 내의 픽셀을 로우 라인별로 각각 선택하여 그 동작을 제어하기 위한 로우 디코더(20)와, 제어부(80)의 제어에 따라 램프 신호를 발생하기 위한 램프 신호 발생 장치(30)와, 픽셀 어레이(10)로부터의 각 픽셀 신호의 값과 램프 신호 발생 장치(30)로부터 인가되는 램프 신호의 값을 비교하기 위한 비교부(40)와, 비교부(40)로부터의 각 출력 신호에 따라 제어부(80)로부터의 클럭을 카운팅하기 위한 카운팅부(50)와, 제어부(80)의 제어에 따라 카운팅부(50)로부터의 카운팅 정보를 각각 저장하기 위한 메모리부(60)와, 로우 디코더(20)와 램프 신호 발생 장치(30)와 카운팅부(50)와 메모리부(60)와 컬럼 리드아웃 회로(70)의 동작을 제어하기 위한 제어부(80)와, 메모리부(60)의 데이터를 제어부(80)의 제어에 따라 순차적으로 픽셀 데이터(PXDATA)로 출력하기 위한 컬럼 리드아웃 회로(70)를 포함한다.
이때, 일반적으로 씨모스 이미지 센서에서는 픽셀 자체적으로 가지고 있는 옵셋(Offset) 값을 제거하기 위해 광신호가 입사되기 전과 후의 픽셀 신호(픽셀 출력 전압)를 비교하여 실제로 입사광에 의한 픽셀 신호만을 측정할 수 있도록 하며, 이러한 기법을 상호상관 이중 샘플링(CDS : Correlated Double Sampling)이라고 한다. 이러한 상호상관 이중 샘플링 동작은 비교부(40)에서 수행된다.
이때, 비교부(40)는 복수의 비교기를 포함하며, 카운팅부(50)는 복수의 카운터를 포함하고, 메모리부(60)는 복수의 메모리를 포함한다. 즉, 비교기와 카운터와 메모리가 각 컬럼별로 구비된다.
다음으로, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 하나의 픽셀과 비교기와 카운터와 메모리의 동작을 예를 들어 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 픽셀 어레이(10)의 제 1 컬럼에 위치하고 있는 픽셀(11)은 전달 트랜지스터(MX)가 온됨에 따라 포토 다이오드에 입사된 광에 상응하는 픽셀 신호(VPIXEL)를 비교기(41)로 출력한다.
그러면, 첫 번째의 비교기(41)는 제 1 컬럼에 위치하고 있는 픽셀(11)로부터 출력되는 픽셀 신호를 일측 단자로 입력받고, 램프 신호 발생 장치(30)로부터 인가되는 램프 신호(VRAMP)를 타측 단자로 입력받아 두 신호의 값을 비교하여 비교 신호를 출력한다.
이때, 램프 신호(VRAMP)는 시간이 경과함에 따라 전압 레벨이 감소(또는 증가)하는 신호이기 때문에, 결국 각 비교기에 입력되는 두 신호의 값이 일치하는 시점이 생기게 된다. 이렇게 일치하는 시점을 지나게 되면서 각 비교기에서 출력되는 비교 신호의 값에 반전이 일어난다.
그에 따라, 첫 번째의 카운터(51)는 램프 신호가 하강(또는 상승)하는 시점부터 비교기(41)로부터 출력되는 비교 신호가 반전되는 순간까지 제어부(80)로부터의 클럭을 카운팅하여 카운팅 정보를 출력한다. 여기서, 각각의 카운터는 제어부로부터의 리셋 신호에 따라 초기화된다.
그러면, 첫 번째의 메모리(61)는 제어부(80)로부터의 로드 신호에 따라 카운터(51)로부터의 카운팅 정보를 저장하고 있다가 컬럼 리드아웃 회로(70)로 출력한다.
그런데, 컬럼 라인의 기생 커패시터(도 1b의 CP)의 커패시턴스 값이 전하량과 대비하여 상대적으로 매우 큰 값을 가지기 때문에 픽셀에서 최종으로 출력되는 픽셀 신호가 매우 작다. 따라서 이러한 매우 작은 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환 장치(즉, 비교기와 카운터와 메모리)에서 직접 데이터 변환하는데 어려움이 있다. 또한, 하나의 컬럼 라인에 복수 개의 픽셀이 연결되어 있기 때문에 변환 이득이 너무 낮은 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방식으로는 도 1b에 도시된 바와 같이 컬럼 라인 종단에 위치하는 비교기(41) 내에 차동 증폭기를 구비하고, 차동 증폭기의 부입력단(-)과 출력단에 연결된 피드백 커패시터(Cf)의 커패시턴스 값을 조절하여 변환 이득을 조절하는 방식이 있다.
그러나 변환 이득을 일정한 수준 이상으로 증대시키기 위해서는 피드백 커패시터(Cf)의 커패시턴스 값이 1~2 fF 수준으로 매우 작아야 한다. 그런데, 커패시턴스 값이 1~2 fF 수준으로 매우 작은 커패시터는 근본적으로 공정 변환에 대한 민감도가 매우 크기 때문에 공정 변화에 매우 취약하고, 민감도가 매우 큼에 따라 변환 이득 값 자체가 매우 크게 변하기 때문에 가장 중요한 변환 이득을 원하는 수준으로 제어하기 매우 어렵다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서는 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환 장치로 전달할 때, 공정 변화에 대해 안정된 특성을 가지면서 변환 이득을 용이하게 제어할 수 있도록 하고자 하며, 이를 도 2a 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 장치의 구성도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 픽셀 신호 전달 장치의 제어 신호 타이밍을 나타내는 도면이며, 도 2c는 도 2a에 도시된 픽셀 신호 전달 장치의 동작 방법에 대한 흐름도이다.
여기서, 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 전달 신호(TX)는 로우 디코더(20)로부터 전달받을 수 있으며, S1, S2 및 S3 제어 신호는 제어부(80)로부터 전달받을 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 장치는, 픽셀(11)에서 생성된 전하량에 따른 픽셀 출력 전압을 전달하기 위한 전달 블럭(210), 전달 블럭(210)으로부터의 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값에 상응하여 보정하기 위한 보정 블럭(220), 및 보정 블럭(220)에서 보정된 픽셀 출력 전압에 대한 변환 이득을 조절하기 위한 변환 이득 조절 블럭(230)을 포함한다.
이때, 픽셀(11)은 입사되는 광에 상응하는 전하를 생성하기 위한 포토 다이오드(광 감지기), 및 로우 디코더(20)로부터 게이트 단자로 인가되는 전달 신호(TX)에 응답하여 일측 단자에 연결된 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 타측 단자에 연결된 전달 블럭(210)으로 전달하기 위한 전달 트랜지스터(MX)를 포함하는 1트랜지스터 픽셀로 구현할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님을 미리 밝혀둔다.
그리고 전달 블럭(210)은 픽셀(11)로부터의 전하와 제 1 전원 전압(VPP)이 인가되는 제 1 노드(A 노드)에 일측 단자가 연결되고 타측 단자가 보정 블럭(220)에 연결된 전달 커패시터(CL), 및 제어부(80)로부터의 S1 제어 신호에 따라 제 1 전원 전압(VPP)을 제 1 노드(A 노드)로 인가 또는 차단시키기 위한 제 1 스위치(S1)를 포함한다. 또한, 전달 블럭(210)은 픽셀(11)로부터의 잔여 전하를 제 1 전원 전압(VPP)을 이용하여 리셋시키는 기능도 수행한다. 여기서, 전달 커패시터(CL)는 컬럼 라인(Column Line)의 기생 커패시터일 수 있다.
그리고 보정 블럭(220)은 "기준 전류×제 1 저항값"(기준 전압이라 함)과 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값만큼 감소된 전압 레벨로 초기화되고 전달 블럭(210)으로부터 픽셀 출력 전압이 인가되는 제 2 노드(B 노드)에 일측 단자가 연결되며 제어부(80)로부터의 S2 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위치, 및 일측 단자가 제 2 스위치의 타측 단자에 연결되고 타측 단자가 기준 전류원에 연결되며 제어부(80)로부터의 S2 제어 신호에 따라 스위칭되는 타 제 2 스위치를 포함한다. 즉, 보정 블럭(220)은 두 개의 제 2 스위치를 포함한다.
그리고 변환 이득 조절 블럭(230)은 일측 단자로 제 2 전원 전압(VDD)이 인가되는 제 1 저항(R1), 일측 단자가 제 1 저항(R1)의 타측 단자에 연결되고 게이트 단자가 보정 블럭(220)의 제 2 노드에 연결되어 픽셀 출력 전압을 증폭하기 위한 증폭 트랜지스터(M), 일측 단자가 증폭 트랜지스터(M)의 타측 단자와 보정 블럭(220)의 두 개의 제 2 스위치 사이에 연결되고 제어부(80)로부터의 S3 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 3 스위치(S3), 및 일측 단자가 제 3 스위치(S3)의 타측 단자에 연결되고 타측 단자가 접지 전원 전압(VSS)에 연결된 제 2 저항(R2)을 포함하되, 제 1 및 제 2 저항값의 비율(즉, 제 2 저항값/제 1 저항값)에 따라 변환 이득을 조절한다. 이때, 제 1 저항(R1) 및 제 2 저항(R2)은 가변 저항으로 구현할 수 있다.
다음으로, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 픽셀 신호 전달 장치의 동작 과정을 살펴보면 다음과 같다.
이때, 픽셀 신호 전달 장치의 전체적인 동작 과정은 리셋 동작→광전 변환 동작→노드 초기화 동작→전하 전달 동작→보정 및 변환 이득 조절 동작의 순서로 동작한다.
먼저, 픽셀 신호 전달 장치는 포토 다이오드를 리셋시킨다(291). 즉, 픽셀 신호 전달 장치는 전달 트랜지스터(MX)와 제 1 스위치(S1)를 온(On)시켜 포토 다이오드에 잔존하는 전하를 제 1 전원 전압(VPP)을 이용하여 리셋시킨다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, 로우 디코더(20)로부터의 전달 신호(TX, 하이 신호)에 따라 전달 트랜지스터(MX)가 온되고, 제어부(80)로부터의 S1 제어 신호(하이 신호)에 따라 제 1 스위치(S1)가 온되며, 그 외의 제 2 및 제 3 스위치(S2, S3)가 오프(Off)되어 있는 상태이다. 전달 트랜지스터(MX)가 온됨에 따라 포토 다이오드에 잔존하는 전하가 A 노드로 전달되고, 제 1 스위치(S1)가 온됨에 따라 A 노드로 전달된 전하가 제 1 전원 전압(VPP)으로 인하여 리셋된다.
이후, 픽셀 신호 전달 장치(픽셀)는 광전 변환 동작을 수행한다(292). 즉, 픽셀(11)은 포토 다이오드를 노출(Exposure)시켜 입사되는 광에 상응하는 전하를 생성한다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, 제 2 및 제 3 스위치(S2, S3)가 오프되어 있는 상태에서 로우 디코더(20)로부터의 전달 신호(로우 신호)에 따라 전달 트랜지스터(MX)가 오프되고, 제어부(80)로부터의 S1 제어 신호(로우 신호)에 따라 제 1 스위치(S1)가 오프된다. 이러한 상태에서 픽셀(11)은 포토 다이오드를 노출시켜 포토 다이오드로 입사되는 광에 상응하는 전하를 생성한다.
이후, 픽셀 신호 전달 장치는 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값(Vth)을 고려하여 노드 초기화를 수행한다(293). 즉, 픽셀 신호 전달 장치는 A 노드(제 1 노드)를 제 1 전원 전압 레벨로 초기화하고, B 노드(제 2 노드)를 기준 전압(기준 전류×제 1 저항값)과 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값만큼 감소된 전압 레벨로 초기화한다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, 전달 트랜지스터(MX)와 제 3 스위치(S3)가 오프되어 있는 상태에서 제어부(80)로부터의 S1, S2 제어 신호(하이 신호)에 따라 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)가 온된다. 제 1 스위치(S1)가 온됨에 따라 A 노드로 제 1 전원 전압(VPP)이 인가되어 A 노드가 제 1 전원 전압 레벨로 초기화되고, 두 개의 제 2 스위치(S2)가 온됨에 따라 기준 전류(IREF)가 흘러 B 노드가 "기준 전압과 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값만큼 감소된 전압 레벨로 초기화된다. 한편, 기준 전류(IREF)의 값은 설정되는 값이므로 블랙 레벨(Black Level)에 대한 값도 설정할 수 있다.
이후, 픽셀 신호 전달 장치는 광전 변환된 전하를 전달한다(294). 즉, 픽셀 신호 전달 장치는 픽셀의 포토 다이오드에서 광전 변환된 전하를 전달 커패시터(CL)로 전달하여 저장되도록 한다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, 제 3 스위치(S3)가 오프되어 있는 상태에서 제어부(80)로부터의 S1, S2 제어 신호(로우 신호)에 따라 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)가 오프되고, 로우 디코더(20)로부터의 전달 신호(TX, 하이 신호)에 따라 전달 트랜지스터(MX)가 온된다. 전달 트랜지스터(MX)가 온됨에 따라 포토 다이오드에서 광전 변환된 전하가 전달 커패시터(예를 들어, 컬럼 라인의 기생 커패시터)로 전달되어 저장되게 된다.
이후, 픽셀 신호 전달 장치는 전하량에 따라 변환된 픽셀 출력 전압을 보정하고 변환 이득을 조절하여 출력한다(295). 즉, 픽셀 신호 전달 장치는 전달받은 전하량에 따라 변환된 픽셀 출력 전압을 '노드 초기화 시 감소된 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값'을 이용하여 보정하고 제 1 및 제 2 저항값을 이용하여 변환 이득을 조절하여 픽셀 신호로 출력한다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)가 오프된 상태에서 로우 디코더(20)로부터의 전달 신호(로우 신호)에 따라 전달 트랜지스터(MX)가 오프되고, 제어부(80)로부터의 S3 제어 신호(하이 신호)에 따라 제 3 스위치(S3)가 온된다. 제 3 스위치(S3)가 온됨에 따라 전달 커패시터(CL)에 저장되어 있던 전하량에 따라 변환된 픽셀 출력 전압이 B 노드(제 2 노드)를 통해 'B 노드(제 2 노드)의 초기화 시 감소된 기준 전압(기준 전류×제 1 저항값)과 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값'에 의해 보정되고, 증폭 트랜지스터(M)에 의해 증폭되며, 제 1 및 제 2 저항값의 비율에 따라 변환 이득이 조절되어 픽셀 신호로 출력된다. 이때, 최종 출력되는 픽셀 신호의 전압값은 하기의 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
여기서, Q는 포토 다이오드에서 생성되어 전달된 전하량, CL은 전달 커패시터의 커패시턴스 값, R1은 제 1 저항의 값, R2는 제 2 저항의 값을 나타낸다.
이처럼, 픽셀 신호(최종 픽셀 출력 전압)는 포토 다이오드(Photo Diode)에서 생성되어 전달된 전하량과 전달 커패시터(예를 들어, 컬럼 라인의 기생 커패시터)의 커패시턴스 값과 제 1 및 제 2 저항의 값에 따라 결정되며, 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값만큼 보정된 신호이다.
이때, 포토 다이오드에서 생성되어 전달된 전하량과 전달 커패시터의 커패시턴스 값과 제 1 및 제 2 저항의 값들은 충분히 크고 제어가 가능한 수준에 있는 값들이기 때문에 공정 변화에 대해 둔감한 특성을 가진다. 또한, 제 1 및 제 2 저항의 값을 조절함으로써 변환 이득을 조절할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에서는 전달 커패시터를 구비하고, 변환 이득을 조절할 수 있는 제 1 및 제 2 저항을 구비하며, 변환 과정에서 트랜지스터의 공정 변화에 무관한 특성을 가지도록 증폭 트랜지스터(M)의 임계 전압값을 보정하여 옵션 조절 대응이 가능하도록 함으로써 설계 자유도를 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 신호 전달 장치를 이용한 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 입사광에 상응하는 전하를 생성하기 위한 픽셀 어레이(10)와, 제어부(80, 예를 들어, 타이밍 제너레이터)의 제어에 따라 픽셀 어레이(10) 내의 각 픽셀을 로우 라인별로 각각 선택하여 그 동작을 제어하기 위한 로우 디코더(20)와, 제어부(80)의 제어에 따라 램프 신호를 발생하기 위한 램프 신호 발생 장치(30)와, 제어부(80)의 제어에 따라 픽셀 어레이(10)로부터의 각 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하고 변환 이득을 조절하기 위한 픽셀 신호 전달 장치(200), 픽셀 신호 전달 장치(200)로부터의 각 픽셀 신호의 값과 램프 신호 발생 장치(30)로부터 인가되는 램프 신호의 값을 비교하기 위한 비교부(40)와, 비교부(40)로부터의 각 출력 신호에 따라 제어부(80)로부터의 클럭을 카운팅하기 위한 카운팅부(50)와, 제어부(80)의 제어에 따라 카운팅부(50)로부터의 카운팅 정보를 각각 저장하기 위한 메모리부(60)와, 로우 디코더(20)와 램프 신호 발생 장치(30)와 픽셀 신호 전달 장치(200)와 카운팅부(50)와 메모리부(60)와 컬럼 리드아웃 회로(70)의 동작을 제어하기 위한 제어부(80)와, 메모리부(60)의 데이터를 제어부(80)의 제어에 따라 순차적으로 픽셀 데이터(PXDATA)로 출력하기 위한 컬럼 리드아웃 회로(70)를 포함한다.
이때, 픽셀 어레이(10) 내의 각 픽셀(11) 및 픽셀 신호 전달 장치(200)는 도 2a 내지 도 2c에서 전술한 바와 같고 각 컬럼별로 상응하여 동작하며, 그에 따라 씨모스 이미지 센서는 한 번의 비교 동작으로 픽셀 신호를 데이터 변환할 수 있다. 그 외의 각 구성 요소는 도 1a에서 전술한 바와 유사함으로 여기서는 더 이상 설명하지 않기로 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
210 : 전달 블럭 220 : 보정 블럭
230 : 변환 이득 조절 블럭

Claims (20)

  1. 픽셀에서 생성된 전하량에 따른 픽셀 출력 전압을 전달하기 위한 전달 블럭;
    상기 전달 블럭으로부터의 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하기 위한 보정 블럭; 및
    상기 보정 블럭에서 보정된 픽셀 출력 전압에 대한 변환 이득을 조절하기 위한 변환 이득 조절 블럭
    을 포함하는 픽셀 신호 전달 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전달 블럭은,
    상기 픽셀로부터의 전하와 제 1 전원 전압이 인가되는 제 1 노드에 일측 단자가 연결되고 타측 단자가 상기 보정 블럭에 연결된 전달 커패시터; 및
    제어부로부터 제 1 스위치 제어 신호에 따라 상기 제 1 전원 전압을 상기 제 1 노드로 인가 또는 차단시키기 위한 제 1 스위치
    를 포함하는 픽셀 신호 전달 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전달 블럭은,
    상기 픽셀로부터의 잔여 전하를 상기 제 1 전원 전압을 이용하여 리셋시키는, 픽셀 신호 전달 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전달 커패시터는,
    컬럼 라인의 기생 커패시터인, 픽셀 신호 전달 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 보정 블럭은,
    기준 전압과 상기 증폭 트랜지스터의 임계 전압값만큼 감소된 전압 레벨로 초기화되고 상기 전달 블럭으로부터 픽셀 출력 전압이 인가되는 제 2 노드에 일측 단자가 연결되며 제어부로부터의 제 2 스위치 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위치; 및
    일측 단자가 상기 제 2 스위치의 타측 단자에 연결되고 타측 단자가 기준 전류원에 연결되며 상기 제어부로부터의 제 2 스위치 제어 신호에 따라 스위칭되는 타 제 2 스위치
    를 포함하는 픽셀 신호 전달 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변환 이득 조절 블럭은,
    일측 단자로 제 2 전원 전압이 인가되는 제 1 저항;
    일측 단자가 상기 제 1 저항의 타측 단자에 연결되고 게이트 단자가 상기 보정 블럭에 연결되어 픽셀 출력 전압을 증폭하기 위한 증폭 트랜지스터;
    일측 단자가 상기 증폭 트랜지스터의 타측 단자와 상기 보정 블럭에 연결되고 제어부로부터의 제 3 스위치 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 3 스위치; 및
    일측 단자가 상기 제 3 스위치의 타측 단자에 연결되고 타측 단자가 접지 전원 전압에 연결된 제 2 저항을 포함하되,
    제 1 저항값과 제 2 저항값의 비율에 따라 변환 이득을 조절하는, 픽셀 신호 전달 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 픽셀은,
    입사되는 광에 상응하는 전하를 생성하기 위한 광 감지기, 및 로우 디코더로부터 게이트 단자로 인가되는 전달 신호에 응답하여 일측 단자에 연결된 상기 광 감지기에서 생성된 전하를 타측 단자에 연결된 상기 전달 블럭으로 전달하기 위한 전달 트랜지스터를 포함하는 1트랜지스터 픽셀인, 픽셀 신호 전달 장치.
  8. (a) 광 감지기를 리셋시키는 단계;
    (b) 광전 변환을 수행하는 단계;
    (c) 증폭 트랜지스터의 임계 전압값을 고려하여 노드를 초기화하는 단계;
    (d) 상기 (b) 단계에서 광전 변환된 전하를 전달하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계에서 전달받은 전하량에 따라 변환된 픽셀 출력 전압을 보정하고 변환 이득을 조절하는 단계
    를 포함하는 픽셀 신호 전달 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    전달 트랜지스터와 제 1 스위치를 온시켜 상기 광 감지기에 잔존하는 전하를 제 1 전원 전압을 이용하여 리셋시키는, 픽셀 신호 전달 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 광 감지기를 노출시켜 입사되는 광에 상응하는 전하를 생성하는, 픽셀 신호 전달 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    제 1 노드를 제 1 전원 전압 레벨로 초기화하고, 제 2 노드를 기준 전압과 상기 증폭 트랜지스터의 임계 전압값만큼 감소된 전압 레벨로 초기화하는, 픽셀 신호 전달 방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 (b) 단계에서 광전 변환된 전하를 전달 커패시터로 전달하는, 픽셀 신호 전달 방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    상기 (d) 단계에서 전달받은 전하량에 따라 변환된 픽셀 출력 전압을 '노드 초기화 시 감소된 상기 증폭 트랜지스터의 임계 전압값'을 이용하여 보정하고 제 1 및 제 2 저항값을 이용하여 변환 이득을 조절하는, 픽셀 신호 전달 방법.
  14. 입사광에 상응하는 전하를 생성하기 위한 픽셀 어레이;
    제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 어레이 내의 각 픽셀을 로우 라인별로 선택하여 제어하기 위한 로우 디코더;
    상기 제어부의 제어에 따라 램프 신호를 발생하기 위한 램프 신호 발생 장치;
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 어레이로부터의 각 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하고 변환 이득을 조절하기 위한 픽셀 신호 전달 장치;
    상기 픽셀 신호 전달 장치로부터의 각 픽셀 신호의 값과 상기 램프 신호 발생 장치로부터 인가되는 램프 신호의 값을 비교하기 위한 비교부;
    상기 비교부로부터의 각 비교 신호에 따라 상기 제어부로부터의 클럭을 카운팅하기 위한 카운팅부;
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 카운팅부로부터의 카운팅 정보를 각각 저장하기 위한 메모리부;
    상기 로우 디코더와 상기 램프 신호 발생 장치와 상기 픽셀 신호 전달 장치와 상기 카운팅부와 상기 메모리부와 컬럼 리드아웃 회로의 동작을 제어하기 위한 상기 제어부; 및
    상기 메모리부의 데이터를 상기 제어부의 제어에 따라 출력하기 위한 상기 컬럼 리드아웃 회로
    를 포함하는 씨모스 이미지 센서.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 픽셀 신호 전달 장치는,
    상기 각 픽셀에서 생성된 전하량에 따른 각 픽셀 출력 전압을 전달하기 위한 복수의 전달 블럭;
    상기 복수의 전달 블럭으로부터의 각 픽셀 출력 전압을 증폭 트랜지스터의 임계 전압값에 상응하여 보정하기 위한 복수의 보정 블럭; 및
    상기 복수의 보정 블럭에서 보정된 각 픽셀 출력 전압에 대한 변환 이득을 조절하기 위한 복수의 변환 이득 조절 블럭
    을 포함하는 씨모스 이미지 센서.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 전달 블럭 각각은,
    상응하는 상기 픽셀로부터의 전하와 제 1 전원 전압이 인가되는 제 1 노드에 일측 단자가 연결되고 타측 단자가 상응하는 상기 보정 블럭에 연결된 전달 커패시터; 및
    상기 제어부로부터 제 1 스위치 제어 신호에 따라 상기 제 1 전원 전압을 상기 제 1 노드로 인가 또는 차단시키기 위한 제 1 스위치
    를 포함하는 씨모스 이미지 센서.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 전달 블럭 각각은,
    상응하는 상기 픽셀로부터의 잔여 전하를 상기 제 1 전원 전압을 이용하여 리셋시키는, 씨모스 이미지 센서.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 전달 커패시터는,
    컬럼 라인의 기생 커패시터인, 씨모스 이미지 센서.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 보정 블럭 각각은,
    기준 전압과 상기 증폭 트랜지스터의 임계 전압값만큼 감소된 전압 레벨로 초기화되고 상응하는 상기 전달 블럭으로부터 픽셀 출력 전압이 인가되는 제 2 노드에 일측 단자가 연결되며 상기 제어부로부터의 제 2 스위치 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위치; 및
    일측 단자가 상기 제 2 스위치의 타측 단자에 연결되고 타측 단자가 기준 전류원에 연결되며 상기 제어부로부터의 제 2 스위치 제어 신호에 따라 스위칭되는 타 제 2 스위치
    를 포함하는 씨모스 이미지 센서.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 변환 이득 조절 블럭 각각은,
    일측 단자로 제 2 전원 전압이 인가되는 제 1 저항;
    일측 단자가 상기 제 1 저항의 타측 단자에 연결되고 게이트 단자가 상응하는 상기 보정 블럭에 연결되어 픽셀 출력 전압을 증폭하기 위한 증폭 트랜지스터;
    일측 단자가 상기 증폭 트랜지스터의 타측 단자와 상응하는 상기 보정 블럭에 연결되고 상기 제어부로부터의 제 3 스위치 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 3 스위치; 및
    일측 단자가 상기 제 3 스위치의 타측 단자에 연결되고 타측 단자가 접지 전원 전압에 연결된 제 2 저항을 포함하되,
    제 1 저항값과 제 2 저항값의 비율에 따라 변환 이득을 조절하는, 씨모스 이미지 센서.
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