KR20180081144A - 이득 적응 가능한 유닛 셀 - Google Patents

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KR20180081144A
KR20180081144A KR1020187018103A KR20187018103A KR20180081144A KR 20180081144 A KR20180081144 A KR 20180081144A KR 1020187018103 A KR1020187018103 A KR 1020187018103A KR 20187018103 A KR20187018103 A KR 20187018103A KR 20180081144 A KR20180081144 A KR 20180081144A
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크리스티안 엠. 보엠러
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레이던 컴퍼니
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Abstract

이미징 시스템 유닛 셀 및 이미지 검출 방법이 제공된다. 이미징 시스템 유닛 셀의 일례는, 광 방사를 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하도록 구성되는 광검출기, 광검출기와 전기적으로 통신하며 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하도록 구성되는 가변 용량 전하 저장 회로, 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하고, 적분 전압에 기초하여 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하도록 구성되는 제어 회로, 및 적분된 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 출력 전압을 제공하도록 구성되는 출력을 포함한다.

Description

이득 적응 가능한 유닛 셀
초점 평면 어레이들(Focal Plane Arrays)(FPA들)은 일반적으로 행들 및 열들로 조직화된 검출기 요소들 또는 유닛 셀들(즉, 픽셀들)의 2차원 어레이를 포함한다. FPA의 각각의 유닛 셀 내의 회로는 FPA의 시계(field of view)(FOV) 내에 장면 또는 객체의 이미지를 생성하기 위해 유닛 셀 내의 검출기에서 입사 광 방사(optical radiation)의 플럭스에 상응하는 전하를 축적한다. 예를 들어, 대부분의 유닛 셀 회로들은 포토 다이오드에서 광 방사를 검출한다. 전하는 전하를 적분하고 적분 전압(integration voltage)을 생성하는 단일 용량성 요소에 축적된다. 생성된 적분 전압은 적분 주기(또는 적분 간격)로 불리는 주어진 기간(time period)에 걸친 플럭스의 강도에 상응한다. 결과적인 전압은 추가 회로에 의해 어레이의 출력으로 전달되고, 그 후 광 방사를 방출한 장면의 이미지를 구성하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 예들에서, 이러한 전압 또는 전하는 FPA의 각각의 유닛 셀에 적어도 하나의 값씩, 이진 값들의 어레이를 야기하는 FPA의 회로에 의해 디지털화될 수 있다. 따라서, 몇몇 예들에서, FPA들은 2차원 패턴의 플럭스를 이진 값들의 2차원 어레이로 변환하여 디지털 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다.
양태들 및 실시예들은 일반적으로 높은 동적 범위(즉, 낮은 노이즈 플로어(low noise floor) 및 높은 웰 용량(high well capacity))를 갖는 이미징 시스템들, FPA 유닛 셀들, 및 유닛 셀 회로들에 관한 것이다. 다양한 양태들 및 실시예들은 낮은 플럭스 레벨들 및 높은 플럭스 레벨들뿐만 아니라 적분 주기 동안의 플럭스 레벨의 변화들을 동적으로 수용하도록 구성되는 가변 용량 전하 저장 회로(variable capacitance charge storing circuit)를 포함하는 유닛 셀 회로를 포함한다. 따라서, 양태들 및 실시예들에 의해 제공되는 기술적인 이점들은 종래의 이미징 아키텍쳐들에 비해 아래에 논의될 다양한 다른 이점들 중에서 개선된 실행 가능성 및 성능을 포함할 수 있다.
양태에 따르면, 이미징 시스템 유닛 셀(imaging system unit cell)이 제공된다. 일례에서, 이미징 시스템 유닛 셀은 광 방사(optical radiation)를 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하도록 구성되는 광검출기, 광검출기와 전기적으로 통신하고 광전류로부터 축적되는 전기적 전하(electrical charge)를 적분하도록 구성되는 가변 용량 전하 저장 회로(variable capacitance charge storing circuit), 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하고 적분 전압에 기초하여 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하도록 구성되는 제어 회로, 및 적분된 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 출력 전압을 제공하도록 구성되는 출력을 포함한다.
실시예에서, 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 전하 저장 디바이스 및 제2 전하 저장 디바이스를 포함한다. 일 실시예에 따라, 가변 용량 전하 저장 회로는 제2 전하 저장 디바이스와 제1 전하 저장 디바이스를 함께 병렬로 선택적으로(selectively) 결합하도록 위치되는 제1 스위치를 포함한다. 일 실시예에 따라, 제어 회로는 적분 전압과 제1 포화 임계값을 비교하고, 적분 전압이 제1 포화 임계값을 초과한다고 판정하는 것에 응답하여 제1 비교기 신호를 생성하도록 구성되는 비교기, 및 제1 비교기 신호를 수신하고 이에 응답하여 제1 스위치를 활성화하기 위해 제1 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는 동적 시프트 레지스터(dynamic shift register)를 포함한다.
실시예에 따라, 가변 용량 전하 저장 회로는 제3 전하 저장 디바이스 및 제2 스위치를 포함하고, 제어 회로는 제2 스위치를 통해 제2 전하 저장 디바이스 및 제1 전하 저장 디바이스와 병렬로 제3 전하 저장 디바이스를 함께 선택적으로 결합함으로써 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하도록 구성된다. 실시예에서, 비교기는 적분 전압과 제2 포화 임계값을 비교하고 적분 전압이 제2 포화 임계값을 초과한다고 판정하는 것에 응답하여 제2 비교기 신호를 생성하도록 구성되고, 동적 시프트 레지스터는 제2 비교기 신호를 수신하고 제2 스위칭 신호를 생성하여 제2 스위치를 활성화하도록 구성된다.
일 실시예에서, 제1 포화 임계값은 제2 포화 임계값과 실질적으로 동일하다. 실시예에 따라, 제어 회로는 가변 용량 전하 저장 회로의 인에이블 설정들(enable settings)을 포함하는 상태 신호를 제공하도록 구성된다.
일 실시예에 따라, 이미징 시스템 유닛 셀은 가변 용량 전하 저장 회로와 CDS 스위치를 통해 선택적으로 결합되는 상호연관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling)(CDS) 전하 저장 디바이스를 더 포함한다. 실시예에서, CDS 전하 저장 디바이스는 CDS 스위치의 활성화에 응답하여 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하도록 구성된다. 일 실시예에 따라, 이미징 시스템 유닛 셀은 샘플 홀드 스위치(sample-hold switch)를 통해 CDS 전하 저장 디바이스에 결합되는 샘플 홀드 전하 저장 디바이스를 더 포함하고, 샘플 홀드 전하 저장 디바이스는 적분 전압을 샘플링하고 홀딩하도록 구성된다.
양태에 따라, 이미지를 검출하는 방법이 제공된다. 예에서, 방법은 광검출기에서 광 방사를 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하는 단계, 광검출기와 전기적으로 통신하는 가변 용량 전하 저장 회로에서 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하는 단계, 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 단계, 적분 전압에 기초하여 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 단계, 및 적분된 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 출력 전압을 제공하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 전하 저장 디바이스 및 제2 전하 저장 디바이스를 포함하고, 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 단계는 제2 전하 저장 디바이스와 제1 전하 저장 디바이스를 함께 병렬로 선택적으로 결합하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따라, 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 단계는, 적분 전압과 제1 포화 임계값을 비교하는 단계, 적분 전압이 제1 포화 임계값을 초과하는지 여부를 판정하는 단계, 및 적분 전압이 제1 포화 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 제1 비교기 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따라, 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 스위치를 포함하고, 제2 전하 저장 디바이스와 제1 전하 저장 디바이스를 선택적으로 결합하는 단계는, 제1 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여 제1 스위치를 활성화시키는 제1 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 가변 용량 전하 저장 회로는 제3 전하 저장 디바이스 및 제2 스위치를 포함하고, 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 단계는 제2 스위치를 통해 제2 전하 저장 디바이스 및 제1 전하 저장 디바이스와 병렬로 제3 전하 저장 디바이스를 함께 선택적으로 결합하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 단계는, 적분 전압과 제2 포화 임계값을 비교하는 단계, 적분 전압이 제2 포화 임계값을 초과하는지 여부를 판정하는 단계, 및 적분 전압이 제2 포화 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 제2 비교기 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 실시예에 따라, 제2 스위치를 통해 제2 전하 저장 디바이스 및 제1 전하 저장 디바이스와 병렬로 제3 전하 저장 디바이스를 함께 선택적으로 결합하는 단계는, 제2 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여 제2 스위치를 활성화시키기 위해 제2 스위칭 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 실시예에서, 제1 포화 임계값은 제2 포화 임계값과 실질적으로 동일하다. 실시예에 따라, 방법은 상호연관 이중 샘플링(CDS) 전하 저장 디바이스를 가변 용량 전하 저장 회로와 선택적으로 결합하는 단계, 및 CDS 전하 저장 디바이스에서 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하는 단계를 더 포함한다.
이들 예시적인 양태들 및 실시예들의 다른 양태들, 실시예들, 및 이점들이 이하에서 상세히 더 논의된다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 명세서에 개시된 원리들 중 적어도 하나와 임의의 방식으로 일치하는 다른 실시예들과 결합될 수 있고, "실시예", "몇몇 실시예들", "대안 실시예", "다양한 실시예들", "일 실시예" 등에 대한 참조들은 반드시 상호 배타적인 것은 아니며 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있음을 나타내도록 의도된다. 본 명세서의 이러한 용어들의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 본 명세서에 기술된 다양한 양태들 및 실시예들은 기술된 방법들 또는 기능들 중 임의의 것을 수행하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 실시예의 다양한 양태들이 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 논의되고, 첨부 도면들은 일정한 비례로 그려지도록 의도되지 않는다. 도면들은 다양한 양태들 및 실시예들의 실례 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고, 이 명세서에 통합되어 이 명세서의 일부를 구성하지만, 본 발명의 제한들의 정의로 의도되지 않는다. 도면들에서, 다양한 도면들에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 동일한 번호로 표현된다. 명확성을 위해 모든 구성 요소가 모든 도면에서 라벨링될 수 있는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 양태들에 따른 이미징 시스템 유닛 셀 회로의 일례의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 양태들에 따른 도 1에 보여진 이미징 시스템 유닛 셀의 스위칭 다이어그램의 일례의 실례이다.
도 3은 본 발명의 양태들에 따른 예시적인 프로세스 흐름이다.
양태들 및 실시예들은 초점 평면 어레이들(Focal Plane Arrays)(FPA들)을 위한 유닛 셀들에 관한 것이다. 다양한 양태들 및 실시예들은 FPA 유닛 셀 회로들 및 이를 사용하는 이미징 방법들에 관한 것으로, 특히 높은 동적 범위(즉, 낮은 노이즈 플로어 및 높은 웰 용량)를 갖는 유닛 셀 회로들에 관한 것이다. 다양한 양태들 및 실시예들은 입사하는 전자기 방사의 플럭스 레벨에 대해 유닛 셀의 이득을 동적으로 적응시키도록 구성되는 가변 용량 전하 저장 회로를 포함한다. 그러한 양태들 및 실시예들은 낮은 플럭스 유닛 셀 조건들에 대한 낮은 노이즈 플로어, 및 높은 플럭스 유닛 셀 조건들에 대한 큰 웰 용량을 제공한다. 본 명세서에서 더 논의되는 바와 같이, 다양한 양태들 및 실시예들은 또한 유닛 셀의 적분 주기 동안의 플럭스 레벨의 변화들을 수용할 수 있는 유닛 셀을 제공한다.
전형적인 유닛 셀 회로들은 주어진 파장의 충돌하는 광 방사의 플럭스에 상응하는 전하를 축적한다. 전형적으로, 전하는 단일 용량성 요소에 축적되고, 이는 전하를 적분하고, 적분 전압을 생성한다. 높은 동적 범위 유닛 셀을 제공하기 위한 이전의 시도들은 낮은 플럭스 레벨들에 대한 적분 주기가 높은 플럭스 레벨들에 대한 적분 주기보다 길도록 유닛 셀의 적분 주기를 수정하는 것을 제안했다. 그러나 이러한 접근법은 적분 주기 동안 플럭스 레벨의 변화들을 수용하지 못한다. 예를 들어, 변화하는 장면의 결과인 플럭스 레벨의 변화들은 그러한 접근법에 요구되는 적분 주기를 급격하게 변화시킬 수 있다. 따라서, FPA 내의 유닛 셀들의 관리 및 제어를 비효율적이고 성가시게 하는 것에 추가로, 높은 동적 레인지 유닛 셀들에 대한 공지된 방식들은 예측 불가능한 용량성 전하 공유 정확도의 바람직하지 못한 영향들로 인해 어려움을 겪고, 이는 적분 주기를 수정하는 것에 자연스럽게 기인할 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 논의된 개선된 유닛 셀의 다양한 양태들 및 실시예들은 광검출기와 전기적으로 통신하고, 큰 플럭스 레벨들 및 낮은 플럭스 레벨들을 수용하도록 구성될 뿐만 아니라, 적분 주기 동안에 플럭스 레벨의 변화들을 수용하도록 구성되는 가변 용량 전하 저장 회로를 포함한다. 특히, 가변 용량 전하 저장 회로는 동작 페이즈들의 시퀀스를 통해 순환하며, 동작 페이즈들의 각각은 가변 용량 전하 저장 회로의 웰 용량을 연속적으로 증가시킨다. 예를 들어, 가변 용량 전하 저장 회로는 낮은 플럭스 레벨 신호들을 수용하기 위한 낮은 웰 용량 및 낮은 노이즈의 동작 페이즈로부터 높은 플럭스 레벨 신호들을 수용하기 위한 높은 웰 용량 및 높은 노이즈의 동작 페이즈로 순환할 수 있다. 따라서, 양태들 및 실시예들에 의해 제공되는 기술적인 이점들은 종래의 이미징 아키텍쳐들에 비해 이하에 논의될 다양한 다른 이점들 중에서 개선된 실현 가능성, 효율성, 및 성능을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 논의된 방법들 및 장치들의 실시예들은 이하의 설명에 제시되거나 첨부된 도면들에 도시된 구성 요소들의 구성 및 배열의 세부사항에 대한 적용에 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 방법들 및 장치들은 다른 실시예들에서 구현될 수 있고 다양한 방식들로 실시되거나 실행될 수 있다. 특정 구현들의 예들은 실례가 되는 목적으로만 제공되고 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 기술의 목적을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "갖는", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", 및 그것들의 변화들의 사용은 그 이후에 열거된 항목들 및 그 등가물들뿐만 아니라 추가 항목들을 포함하도록 의도된다. "또는"에 대한 언급들은 "또는"을 사용하여 기술된 임의의 용어들이 하나, 하나보다 많은, 및 모든 기술된 용어들을 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 전방 및 후방, 좌측 및 우측, 최상부 및 최하부, 위쪽 및 아래쪽, 및 수직 및 수평에 대한 임의의 언급들은 기술의 편의를 위해 의도된 것이지, 본 시스템들 및 방법들 또는 그 구성 요소들을 임의의 하나의 위치 또는 공간 방향으로 제한하는 것이 아니다.
도 1은 다양한 양태들 및 실시예들에 따른 이미징 시스템 유닛 셀 회로(100)의 일례의 개략도를 보여준다. 다양한 실시예들에서, 유닛 셀 회로(100)는 검출기(예를 들어, 광검출기(106)), 가변 용량 전하 저장 회로(102), 제어 회로(104), 및 출력(152)을 포함할 수 있다. 보여진 바와 같이, 추가 실시예들에서, 회로(100)는 또한 하나 이상의 금속 산화물 반도체(Metal-Oxide-Semiconductor)(MOS) 트랜지스터들(예를 들어, 제1 트랜지스터(126), 제2 트랜지스터(140), 및 제3 트랜지스터(142)), 상호연관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling)(CDS) 전하 저장 디바이스(141), 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116), 및 제1 스위치(118)("G0"), 제2 스위치(120)("G1"), 리셋 스위치(122)("pRst"), CDS 스위치(124)("G2"), 샘플 홀드 스위치(132)("pSh"), 클램프 스위치(130)("pClmp"), 및 하나 이상의 다른 스위치와 같은 하나 이상의 스위칭 디바이스를 포함할 수 있다.
도 1에 보여진 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 회로(100)는 주어진 파장의 광 방사를 수신하는 광검출기(106)에 응답하여 광검출기(106)로부터의 전기적 전하를 축적한다. 광검출기(106)는 유닛 셀 회로(100)의 입력 노드(144)에 결합되고 적어도 가변 용량 전하 저장 회로(102)와 전기적으로 통신한다. 도 1이 보여주는 바와 같이, 입력 노드(144)는 또한 제어 회로(104), 제1 트랜지스터(126)의 게이트, 및 CDS 전하 저장 디바이스(114)에 결합될 수 있다. 특히, 도 1은 CDS 전하 저장 디바이스(114)의 제1 단자를 CDS 스위치(124)를 통해 입력 노드(144)에 결합하고 CDS 전하 저장 디바이스(114)의 제2 단자를 추가 스위치(128)("G2N")를 통해 제1 트랜지스터(126)의 소스에 결합하는 것을 보여준다. 회로(100)에 의해 축적되는 전기적 전하는 광검출기(106)에서 수신된 광 방사의 플럭스 레벨에 상응한다. 다양한 실시예들의 특정 광검출기(106)는 원하는 파장의 광 방사에 민감하도록 선택된 임의의 검출기를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 광 방사는 가시 광선, 적외선 복사, 및 자외선 복사를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광검출기(106)는 0.3미크론 정도로 작은 것으로부터 2.5미크론 이상까지의 범위의 빛의 파장들을 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하도록 구성되는 광 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 원하는 파장의 광 방사는 이미징 시스템의 하나 이상의 조명기에 의해 생성될 수 있고 이미징될 장면을 조명하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 가변 용량 전하 저장 회로(102)는 광검출기(106)와 결합되고 광검출기와 전기적으로 통신한다. 특히, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 하나 이상의 전하 저장 디바이스는 광검출기(106)에 의해 생성되는 광전류를 수신하고 축적되는 전기적 전하를 적분하도록 구성된다. 도 1에 보여진 바와 같이, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 하나 이상의 전하 저장 디바이스는 예를 들어 커패시터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 전하 저장 디바이스는 순차적인 순서로 배열된다. 즉, 일 실시예에서, 하나 이상의 전하 저장 디바이스는 추가 전하 저장 디바이스의 순차적 결합이 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 집합 용량 값(즉, 웰 용량)을 점증적으로 증가시키도록 미리 결정된 순서로 결합되고 배열된다.
예를 들어, 도 1은 제1 전하 저장 디바이스(108), 제2 전하 저장 디바이스(110), 및 제3 전하 저장 디바이스(112)를 포함하는 가변 용량 전하 저장 회로(102)를 보여준다. 다른 실시예들에서, 가변 용량 전하 저장 회로(102)는 임의의 수의 전하 저장 디바이스들을 포함할 수 있다. 보여진 실시예에서, 제1 전하 저장 디바이스(108)는 기생 커패시터를 포함한다. 이러한 실시예에서, 제1 전하 저장 디바이스(108)는 17펨토패럿의 용량 값을 가질 수 있고, 제2 전하 저장 디바이스(110)는 60펨토패럿의 용량 값을 가질 수 있고, 제3 전하 저장 디바이스(112)는 250펨토패럿의 용량 값을 가질 수 있다. 그러나, 다양한 추가 실시예들에서, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 하나 이상의 전하 저장 요소는 다양한 다른 값들을 가질 수 있다.
가변 용량 전하 저장 회로(102)의 개별 전하 저장 디바이스들은 하나 이상의 스위칭 디바이스를 통해 선택적으로 결합될 수 있다. 도 1이 보여주는 바와 같이, 하나 이상의 스위칭 디바이스는 제2 전하 저장 디바이스(110)를 제1 전하 저장 디바이스(108)와 병렬로 결합하도록 위치되는 제1 스위치(118), 및 제3 전하 저장 디바이스(112)를 제1 및 제2 전하 저장 디바이스들(108, 110)과 병렬로 결합하도록 위치되는 제2 스위치(120)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들의 하나 이상의 스위칭 디바이스의 제어는 아래에 더 논의되는 바와 같이 제어 회로(104)에 의해 관리될 수 있다. 특히, 다양한 실시예들의 스위칭 디바이스들은 활성화 및 비활성화(즉, 개방 및 폐쇄)되도록 구성되는 임의의 적절한 스위치를 포함할 수 있으며, 제어 회로(104)로부터의 하나 이상의 스위칭 신호에 의해 구동될 수 있다. 도 1이 더 보여주는 바와 같이, 가변 용량 전하 저장 회로(102)는 전하 저장 회로(102)를 초기 상태로 다시 리셋할 수 있는 회로에 결합된 리셋 스위치(122)를 포함할 수 있다. 일례에서, 유닛 셀 회로(100)의 적분 기간은 리셋 스위치(122)의 비활성화(즉, 개방)와 함께 시작한다. 리셋 스위치(122)가 활성화되어 있는 동안, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 전하 저장 디바이스들은 축적되는 전하의 후속 적분을 위한 미리 결정된 레벨로 리셋된다.
다양한 실시예들에서, 유닛 셀 회로(100)는 낮은 플럭스 레벨들, 높은 플럭스 레벨들, 및 변화하는 플럭스 레벨들을 수용하도록 동적으로 적응하도록 구성된다. 특히, 제어 회로(104)는 가변 용량 전하 저장 회로(102) 양단의 적분 전압을 모니터링하고 이에 따라 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 용량을 조정하도록 구성되는 하나 이상의 구성 요소를 포함할 수 있다. 보여진 바와 같이, 제어 회로(104)는 다른 구성 요소들 중에서도 비교기(134) 및 동적 시프트 레지스터(136)를 포함할 수 있다. 비교기(134)는 유닛 셀 회로(100)의 입력 노드(144)에 결합된 제1 입력 단자(반전 입력으로 보여짐) 및 동적 시프트 레지스터(136)에 결합된 출력 노드를 포함한다. 비교기(134)는 제2 입력 단자(비 반전 입력으로서 보여짐)에서 포화 임계값(예를 들어, "vHigh"로 보여지는 전압 포화 임계값)을 수신하고, 가변 용량 전하 저장 회로(102) 양단의 적분 전압을 포화 임계값과 비교한다. 다양한 실시예들에서, 포화 임계값은 제어 회로(104)에 의해 자동으로 생성되거나 미리 정의될 수 있다.
비교기(134)는 포화 임계값과 적분 전압을 비교하고 비교된 값들 중 어느 것이 더 큰지를 나타내는 비교기 신호를 제공한다. 즉, 다양한 실시예들에서, 비교기(134)는 적분 전압이 포화 전압을 만족하는지 또는 초과하는지를 결정하고, 적분 전압이 포화 임계값을 만족하거나 초과할 때 비교기 신호를 제공한다. 예를 들어, 비교기 신호는 동적 시프트 레지스터(136)에 의해 수신될 디지털 신호를 포함할 수 있다.
동적 시프트 레지스터(136)는 비교기(134)로부터 비교기 신호를 수신하고 이에 응답하여 제1 스위치(118), 제2 스위치(120), 및/또는 CDS 스위치(124)와 같은 하나 이상의 스위칭 디바이스를 활성화하기 위해 하나 이상의 스위칭 신호를 생성한다. 특히, 동적 시프트 레지스터(136)는 포화 임계값이 초과되었을 때 제1 스위치(118), 제2 스위치(120), 또는 CDS 스위치(124)를 활성화하기 위해 하나 이상의 스위칭 신호를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 동적 시프트 레지스터(136)는 플립플롭들의 캐스케이드(cascade)를 포함할 수 있으며, 각각의 플립플롭의 출력은 다음의 계속되는 플립플롭의 입력에 접속된다. 이러한 실시예에서, 동적 시프트 레지스터(136)는 포화 임계값이 초과될 때마다 1비트만큼 시프트하고, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 추가 전하 저장 디바이스를 연속적으로 활성화하도록 구성된다.
다양한 실시예들에서, 리셋 스위치(122)의 비활성화(즉, 개방)에 응답하여, 회로(100)는 가변 용량 전하 저장 회로(102)가 제1 전하 저장 디바이스(108)에서 전하를 적분하기 시작하는 제1 동작 페이즈를 시작한다. 도 1은 예시적인 제1 동작 페이즈에서의 회로(100)를 보여준다. 제1 페이즈 동안, 제1 스위치(118)는 비활성화 위치(즉, 개방 위치)로 유지되고, 제2 스위치(120)는 비활성화 위치로 유지되고, CDS 스위치(124)는 비활성화 위치로 유지된다. 적분 전압이 제1 포화 임계값을 만족 또는 초과한다고 판정하는 것에 응답하여, 비교기(134)는 동적 시프트 레지스터(136)에게 제1 스위치(118)를 활성화시키고 제2 전하 저장 디바이스(110)를 제1 전하 저장 디바이스(108)와 결합하도록 구성되는 제1 스위칭 신호를 생성하도록 명령하는 제1 비교기 신호를 생성한다. 제1 스위치(118)의 활성화는 제2 전하 저장 디바이스(110)를 제1 전하 저장 디바이스(108)와 병렬로 결합하고, 효과적으로 회로(100)의 웰 용량을 증가시킨다. 특히, 제1 스위치(118)의 활성화에 응답하여, 제1 전하 저장 디바이스(108)는 제2 전하 저장 디바이스(110)와 전하 공유하여(charge-share), 회로(100)의 웰 용량을 증가시킨다.
제1 스위치(118)의 활성화에 응답하여, 회로(100)는 제2 동작 페이즈를 시작한다. 제2 동작 페이즈 동안, 제1 스위치(118)는 활성화 위치(즉, 폐쇄 위치)로 유지되고, 제2 스위치(120)는 비활성화 위치로 유지되고, CDS 스위치(124)는 비활성화 위치로 유지된다. 적분 전압이 제2 포화 임계값을 초과한다고 판정하는 것에 응답하여, 비교기(134)는 동적 시프트 레지스터(136)에게 제2 스위치(120)를 활성화하고 제3 전하 저장 디바이스(112)를 제2 전하 저장 디바이스(110) 및 제1 전하 저장 디바이스(108)와 결합하도록 구성되는 제2 스위칭 신호를 생성하도록 명령하는 제2 비교기 신호를 생성한다. 제2 스위치(120)의 활성화는 제3 전하 저장 디바이스(112)를 제2 전하 저장 디바이스(110) 및 제1 전하 저장 디바이스(108)와 병렬로 결합하고, 회로(100)의 웰 용량을 더 증가시킨다. 특히, 제2 스위치(120)의 활성화에 응답하여, 제3 전하 저장 디바이스(112)는 제1 전하 저장 디바이스(108) 및 제2 전하 저장 디바이스(110)와 전하 공유할 것이다.
본 명세서에서 제1 포화 임계값 및 제2 포화 임계값으로서 논의되었지만, 특정 실시예들에서, 제2 포화 임계값은 제1 포화 임계값과 동일한 값으로 설정된다. 즉, 비교기(134)는 적분 전압이 비교되는 단일 포화 임계값을 수신할 수 있다. 따라서, 특정 예들에서, 제1 전하 저장 디바이스(108) 및 제2 전하 저장 디바이스(110)는 전하 저장 디바이스들(108, 110) 둘 다 상의 전압이 동일한 포화 임계값을 만족하거나 초과할 때, 동시에 포화에 도달할 것이다.
제2 포화 임계값이 초과될 때(예를 들어, 적분 전압이 두 번째로 제1 포화 임계값과 동일한 포화 임계값을 만족하거나 초과함), 제2 스위치(120)가 활성화되고 회로(100)는 제3 동작 페이즈를 시작한다. 제3 동작 페이즈 동안, 제1 스위치(118)는 활성화 위치(즉, 폐쇄 위치)로 유지되고, 제2 스위치(120)는 활성화 위치로 유지된다. 적분 전압이 제3 포화 임계값을 만족하거나 초과한다고 판정하는 것에 응답하여(예를 들어, 적분 전압이 세 번째로 제1 포화 임계값 및 제2 포화 임계값과 동일한 포화 임계값을 만족하거나 초과함), 비교기(134)는 동적 시프트 레지스터(136)에게 CDS 스위치(124)를 활성화시키고 CDS 전하 저장 디바이스(114)를 가변 용량 전하 저장 회로(102)와 결합하기 위해 CDS 스위칭 신호를 생성하도록 명령하는 제3 비교기 신호를 생성한다. 특히, CDS 스위치(124)의 활성화는 CDS 전하 저장 디바이스(114)를 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 하나 이상의 전하 저장 디바이스(예를 들어, 제1 전하 저장 디바이스(108), 제2 전하 저장 디바이스(110), 및 제3 전하 저장 디바이스(112))와 병렬로 결합하고, 회로(100)의 웰 용량을 더 증가시킨다. 제1, 제2, 및 제3 전하 저장 디바이스들(108, 110, 112)을 참조로 하여 논의된 바와 같이, CDS 스위치(124)의 활성화에 응답하여, CDS 전하 저장 디바이스(114)는 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 전하 저장 디바이스들과 전하 공유할 것이다.
다양한 실시예들에서, CDS 스위치(124)의 활성화 전에, 제어 회로(104)는 CDS 전하 저장 디바이스(114)에 저장된 임의의 전하를 빼내도록(bleed) 구성된다. 특히, 다양한 실시예들의 CDS 전하 저장 디바이스(114)는 전압 클램프에 의해 미리 결정된 전압에서 클램핑될 수 있고, 임의의 적절한 상호연관 이중 샘플링 기술에 기초하여 적분 전압으로부터 노이즈를 제거하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전압 클램프는 클램프 스위치(130)를 통해 CDS 전하 저장 디바이스(114)의 제1 단자와 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(104)는 리셋 스위치(122)와 실질적으로 동시에 클램프 스위치(130)를 활성화 및 비활성화시킨다. 따라서, 다양한 실시예들에서, 제어 회로(104)는 제1 스위치(118)의 활성화에 응답하여 CDS 전하 저장 디바이스(114)에 저장된 임의의 전하를 빼내도록 구성된다. 다양한 실시예들에서, 제3 포화 임계값은 제1 포화 임계값 및 제2 포화 임계값과 동일한 값으로 설정된다. 즉, 제3 포화 임계값을 초과하는 것은 세 번째로 단일 포화 임계값(제1 포화 임계값 및 제2 포화 임계값으로서 이용됨)을 초과하는 것을 포함할 수 있다.
또한 도 1에 보여진 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 회로(100)는 전류원(150)에 결합된 제1 트랜지스터(126)를 포함하는 소스 팔로워를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 소스 팔로워는 CDS 전하 저장 디바이스(114)의 리셋 샘플링 기간 동안 입력 노드(144)와 CDS 전하 저장 디바이스(114) 사이의 전압의 거의 단일 이득 버퍼링(unity gain buffering)을 갖는다. 다양한 실시예들에서, CDS 스위치(124)는 소스 팔로워와 CDS 전하 저장 디바이스(114) 사이에 삽입된 네거티브 극성 CDS 스위치(negative polarity CDS switch)(즉, 추가 스위치(128))의 반대 상태로 제어된다. 즉, 특정 실시예들에서, CDS 스위치(124)가 비활성화될 때 추가 스위치(128)가 활성화되고, CDS 스위치(124)가 활성화될 때 추가 스위치(128)가 비활성화된다. 따라서, 적분 전압이 제3 포화 임계값을 만족하거나 초과한다고 판정하는 것에 응답하여(예를 들어, 적분 전압이 세 번째로 단일 포화 임계값을 만족하거나 초과함), CDS 스위치(124)가 활성화됨에 따라 추가 스위치(128)가 비활성화될 수 있다.
간단히 도 2를 참조하면, 도 1에 보여진 이미징 시스템 유닛 셀 회로(100)의 스위칭 다이어그램의 실례가 제공된다. 도 2는 도 1에 보여진 유닛 셀 회로(100)를 계속 참조하여 기술된다. 제1 트레이스(202)는 실례가 되는 기간에 걸쳐 회로의 적분 전압의 예시적인 플롯을 보여주고, 제2 트레이스(214)는 제어 회로로부터의 스위칭 신호에 따른 리셋 스위치("pRst")의 활성화 상태의 예시적인 시각화를 보여주고, 제3 트레이스(216)는 제어 회로로부터의 스위칭 신호에 따른 제1 스위치("G0")의 활성화 상태의 예시적인 시각화를 보여주고, 제4 트레이스(218)는 제어 회로로부터의 스위칭 신호에 따른 제2 스위치("G1")의 활성화 상태의 예시적인 시각화를 보여주고, 제5 트레이스(220)는 제어 회로로부터의 스위칭 신호에 따른 CDS 스위치("G2")의 활성화 상태의 예시적인 시각화를 보여주고, 제6 트레이스(222)는 제어 회로로부터의 스위칭 신호에 따른 클램프 스위치("pClmp")의 활성화 상태의 예시적인 시각화를 보여준다.
도 2가 보여주는 바와 같이, 적분 전압은 리셋 전압(고스트 라인(212)으로 표현됨)과 대략 동일한 초기 값에서 시작한다. 설명의 목적들을 위해, 도 1의 회로(100)를 참조하여 논의된 제1 포화 임계값, 제2 포화 임계값, 및 제3 포화 임계값은, 고스트 라인(210)에 의해 표현되는 단일 포화 임계값으로서 도 2에 보여진다. 즉, 도 2에서 보여진 예에서, 제1 포화 임계값, 제2 포화 임계값, 및 제3 포화 임계값은 동일한 미리 결정된 전압 레벨이다. 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압은 리셋 스위치의 활성화에 의해 리셋 전압으로 초기화되고 리셋 스위치가 비활성화되면 증가하기 시작한다. 위에서 논의된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 클램프 스위치는 리셋 스위치와 대략 동시에 활성화 및 비활성화된다.
적분 전압은 포화 임계값이 첫 번째로 만족되거나 초과될 때까지 증가한다(점(204)으로 보여짐). 제어 회로가 포화 임계값이 만족됐거나 초과됐다고 결정할 때, 제1 스위치가 활성화되어 적분 전압의 강하를 야기한다. 다음으로, 두 번째로 포화 임계값이 도달될 때까지(점(206)으로 보여짐), 적분 전압이 두 번째로 증가하기 시작한다. 제어 회로가 포화 임계값이 두 번째로 만족됐거나 초과됐다고 결정할 때, 제2 스위치가 활성화되어 웰 용량은 증가하게 하고 적분 전압은 다시 강하하게 한다.
위에서 논의된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, CDS 전하 저장 디바이스는 회로의 웰 용량을 더 증가시키고 광검출기로부터 축적되는 전기적 전하를 더 적분하기 위해 가변 용량 전하 저장 회로에 선택적으로 결합될 수 있다. 도 2가 더 보여주는 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 제2 스위치의 활성화 및 제3 전하 저장 디바이스의 순차적인 추가 후에도 적분 전압이 증가하는 것을 계속할 수 있다. 이는 플럭스 레벨 조건들이 높을 때일 수 있다. 이러한 상황에서, 제어 회로가 포화 임계값이 세 번째로 만족됐거나 초과됐다고 결정할 때(점(208)으로 보여짐), CDS 스위치가 활성화되어 웰 용량은 다시 더 증가하게 하고 적분 전압은 다시 떨어지게 한다.
도 1로 돌아가서, 다양한 실시예들에서, 회로(100)는 CDS 전하 저장 디바이스(114)의 제1 단자 및 회로(100)의 출력(152)에 결합된 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)를 포함한다. 적분 주기의 끝에서, 그리고 샘플 홀드 스위치(132)의 활성화에 응답하여(예를 들어, 제어 회로(104)에 의함), 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)는 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 적분 전압을 샘플링하고 홀딩하도록 구성된다. 다양한 실시예들의 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)는 출력 전압을 생성하기 위해 도 1에 보여진 제2 및 제3 트랜지스터(140, 142)와 같은 다운스트림 구성 요소들로 주기적으로 드레인될(drained) 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)는 홀딩된 적분 전압을 출력 전압으로서 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)에서의 전압이 관찰된 장면의 이미지를 생성하기 위해 직접 판독될 수 있는 한편, 다양한 다른 실시예들에서, 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)는 디지털 카운터를 증분시키고 디지털 이미지를 구성하기 위해 주기적으로 드레인될 수 있다.
한편, 도 1은 설명을 위해 단일 유닛 셀(100)을 보여주는 한편, 다양한 추가 실시예들은 행들과 열들로 배열되고 버스에 결합되는, 도 1을 참조하여 논의된 유닛 셀 회로(100)와 같은 복수의 유닛 셀 회로를 갖는 FPA를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제2 트랜지스터(140)는 소스 팔로워(예를 들어, 단일 이득 전압 버퍼에 가까움)를 포함할 수 있고, 제3 트랜지스터(142)는 행 선택 스위치를 포함할 수 있다. 행 선택 스위치는 유닛 셀 회로의 단일 샘플 홀드 전하 저장 디바이스의 홀딩된 적분 전압이 버스로 구동되는 것을 허락한다. 예를 들어, 버스는 이중 화살표(154)로 표현된 컬럼 와이어(column wire)를 포함할 수 있다. 원하는 유닛 셀 회로의 출력 전압은 행 선택 신호 "pRowSel"를 수신하는 것에 따라 그리고 이에 응답하여 선택될 수 있다.
도 1이 보여주는 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 제어 회로(104)는 회로(100)의 동작 페이즈에 상응하는 상태 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(104)는 동적 시프트 레지스터(136)에 결합된 하나 이상의 추가 구성 요소, 예컨대 오퍼레이터(operator)(138)를 포함할 수 있다. 보여진 바와 같이, 오퍼레이터(138)는 또한 상태 신호를 판독 출력 노드(read-out output node)(146)에 제공하도록 결합되고 구성될 수 있다. 특히, 상태 신호는 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 인에이블 설정들을 포함할 수 있다(예를 들어, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 각각의 스위칭 디바이스에 대한 인에이블 설정). 즉, 상태 신호는 제1 스위칭 디바이스(118), 제2 스위칭 디바이스(120), 및/또는 CDS 스위칭 디바이스(124)가 활성화되었는지 또는 비활성화되었는지를 표현할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 오퍼레이터(138)로부터의 상태 신호 및 유닛 셀 회로(100)로부터의 출력 전압, 예컨대 샘플 홀드 전하 저장 디바이스(116)로부터의 적분 전압은, 유닛 셀 회로(100)의 판독을 위한 실제 전하의 계산을 허락한다. 오퍼레이터(138)는 디지털 칼럼 버스(digital column bus)를 포함할 수 있는 판독 출력 노드(146) 상에 동적 시프트 레지스터(136)의 출력을 구동하도록 구성되는 3-상태 버퍼를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 오퍼레이터(138)로부터의 상태 신호는 출력 전압과 동시에 판독된다.
앞서 상세히 논의된 바와 같이, 하나 이상의 실시예는 도 1을 참조하여 논의된 유닛 셀 회로(100)와 같은 복수의 유닛 셀 회로를 포함하는 FPA를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 오퍼레이터(138)는 예를 들어, 행 선택 신호 "pRowSel"을 수신하는 것에 응답하여 복수의 유닛 셀 회로 중 하나 이상의 사이에서 선택할 수 있다. 특정 예들에서, 행 선택 신호는 제3 트랜지스터(142)에 의해 수신된 행 선택 신호와 동일한 행 선택 신호일 수 있다.
유닛 셀 회로(100)의 출력 전압, 및 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 인에이블 설정들을 표현하는 상태 신호는 유닛 셀 회로(100)의 실제의 적분된 전하를 결정하는 데 사용될 수 있다. 즉, 상태 신호 및 유닛 셀 회로(100)의 출력 전압은 수신된 광 방사를 표현하는 신호의 계산 및 생성을 허락한다. 예를 들어, 적분 주기 동안 제1 스위칭 디바이스(118), 제2 스위칭 디바이스(120), 및 CDS 스위칭 디바이스(124)가 활성화되지 않은 경우, 실제 적분 전하는
Figure pct00001
에 따라 결정될 수 있고, "C1"은 제1 전하 저장 디바이스(108)의 값이고, "Vsig"는 출력 전압이다. 유사하게, 제1 스위칭 디바이스(118)가 활성화되는 경우, 실제 적분 전하는
Figure pct00002
에 따라 결정될 수 있는데, C2는 제2 전하 저장 디바이스(110)의 값이다. 다른 동작 페이즈들에 대한 실제 적분된 전하는 유사한 방식으로 결정될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 적분 주기의 끝에서, 제어 회로(104)는 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 전압을 초기 상태(예를 들어, 리셋 전압)로 다시 리셋하도록 리셋 스위치(122)를 활성화시키게 적응된다. 다양한 실시예들에서, 리셋 스위치(122)의 활성화 동안, 동적 시프트 레지스터(136)는 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 하나 이상의 스위칭 디바이스를 비활성화시키기 위해 하나 이상의 스위칭 신호를 생성하도록 구성된다. 따라서, 리셋 스위치(122)의 활성화 동안, 제1 스위치(118), 제2 스위치(120), 및 다양한 추가 실시예들에서, CDS 스위치(124)는 비활성화되고(즉, 개방됨), 그에 의해 가변 용량 전하 저장 회로(102)는 웰 용량이 제1 전하 저장 디바이스(108)의 값에 상응함에 따라 다음 상응하는 적분 주기를 시작하게 된다. 다음으로, 동적 시프트 레지스터(136)는 가변 용량 전하 저장 회로(102) 양단의 적분 전압이 증가함에 따라 하나 이상의 스위칭 디바이스를 재활성화하기 위해 하나 이상의 스위칭 신호를 생성할 수 있다.
위에서 기술된 바와 같이, 제1 동작 페이즈 동안, 가변 용량 전하 저장 회로(102)의 하나 이상의 스위치는, 제어 회로(104)가 가변 용량 전하 저장 회로(102) 양단의 적분 전압이 포화 임계값을 만족하거나 초과한다고 판정할 때까지 비활성화 위치에 남아있는다. 이러한 실시예에서, CDS 전하 저장 디바이스(114)는 제1 전하 저장 디바이스(108)의 kTC 노이즈를 저장하고 노이즈 보정 동작들을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1에는 보여지지 않았지만, 다양한 실시예들에서, 제어 회로(104)는 리셋 스위치(122), 샘플 홀드 스위치(132), 추가 스위치(128), 및 클램프 스위치(130)와 같은 다양한 실시예들의 하나 이상의 스위치에 동작되게 접속되고 그것들을 활성화 및/또는 비활성화하도록 구성되는 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는 단일 제어기를 포함할 수 있다; 그러나, 다양한 다른 실시예들에서, 제어기는 외부 디바이스, 신호 처리 회로, 또는 다른 제어 회로를 포함할 수 있는 복수의 제어기 및/또는 제어 서브시스템들로 구성될 수 있다. 특히, 제어 회로(104)는 아날로그 처리 회로(예를 들어, 마이크로컨트롤러) 및/또는 디지털 신호 처리 회로(예를 들어, 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)(DSP))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들의 마이크로콘트롤러는 프로세서 코어, 메모리, 및 프로그램 가능한 입력/출력 구성 요소들을 포함할 수 있다. 제어 회로(104)는 하나 이상의 스위칭 디바이스와 같은 유닛 셀 회로(104)의 다양한 구성 요소들을 자동으로 제어하도록 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 기술된 바와 같이, 수 개의 실시예는 이미지를 검출하기 위한 프로세스들을 수행한다. 몇몇 실시예들에서, 이들 프로세스들은 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 기술된 유닛 셀 회로(100)와 같은 이미징 시스템 유닛 셀에 의해 실행된다. 이러한 프로세스의 일례가 도 3에 도시된다. 이 예에 따르면, 프로세스(300)는 광전류를 생성하고, 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하고, 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하고, 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하고, 및 출력 전압을 제공하는 액트들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 프로세스(300)는 광검출기에서 광 방사를 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하는 것을 포함한다(액트(302)). 회로는 가변 용량 전하 저장 회로에서, 광검출기에서 수신된 광 방사의 플럭스 레벨에 상응하는 전기적 전하를 축적한다. 위에서 논의된 바와 같이, 광 방사는 약 0.3미크론 내지 2.5미크론의 범위 내의 파장을 갖는 광과 같은 임의의 주어진 파장의 광을 포함할 수 있다. 추가 실시예들에서, 프로세스는 특정 파장의 광 방사를 생성하는 것 및 유닛 셀 회로를 포함하는 FPA의 시계 내에서 이미징될 장면에서의 광 방사를 지향시키는(directing) 것을 포함할 수 있다. 따라서, 광검출기에서 광 방사를 수신하는 것은 이미징될 장면으로부터 반사된 광 방사를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
위에서 기술된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 가변 용량 전하 저장 회로의 하나 이상의 전하 저장 디바이스는 광검출기에 의해 생성된 광전류를 수신하고 축적된 전기적 전하를 적분하도록 구성된다. 따라서, 실시예에서 액트(304)는 가변 용량 전하 저장 회로에서 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 전하 저장 디바이스, 제2 전하 저장 디바이스, 및 제3 전하 저장 디바이스를 포함할 수 있으며; 그러나, 다른 실시예들에서는 임의의 수의 전하 저장 디바이스들이 사용될 수 있다. 이와 같이, 다양한 실시예들에서, 가변 용량 전하 저장 회로에서 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하는 것은, 제1 전하 저장 디바이스, 제2 전하 저장 디바이스, 및/또는 제3 전하 저장 디바이스 중 하나, 몇몇, 또는 모두에 축적되는 전기적 전하를 적분하는 것을 포함할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 회로는 낮은 플럭스 레벨들, 높은 플럭스 레벨들, 및 변화하는 플럭스 레벨들을 수용하기 위해 동적으로 적응하도록 구성된다. 따라서, 다양한 실시예들에서, 액트(306)은 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 것을 포함하고, 액트(308)은 적분 전압에 기초하여 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 것을 포함한다. 특히, 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 것은, 적분 전압과 포화 임계값을 비교하는 것과, 적분 전압이 포화 임계값을 실질적으로 만족하거나 초과하는지 여부를 판정하는 것과, 적분 전압이 포화 임계값을 실질적으로 만족하거나 초과한다는 판정에 응답하여 비교기 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 다양한 실시예들에서, 프로세스(300)는 적분 전압이 포화 임계값을 실질적으로 만족하거나 초과하는지 여부를 판정하는 것, 및 적분 전압이 포화 임계값을 만족하거나 초과할 때 비교기 신호를 제공하는 것을 포함한다. 다양한 실시예들의 포화 임계값은 미리 결정될 수 있거나, 또는 위에서 논의된 바와 같이 제어 회로에 의해 자동으로 생성될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 액트(액트(308))은 가변 용량 전하 저장 회로의 하나 이상의 전하 저장 디바이스를 병렬로 선택적으로 결합하는 것을 포함한다. 예를 들어, 이 액트는 제1 스위치를 통해 제2 전하 저장 디바이스와 제1 전하 저장 디바이스를 선택적으로 결합하는 것, 제2 스위치를 통해 제3 전하 저장 디바이스를 제2 전하 저장 디바이스 및 제1 전하 저장 디바이스와 선택적으로 결합하는 것, 및/또는 상호연관 이중 샘플링(CDS) 스위치를 통해 가변 용량 전하 저장 회로와 CDS 전하 저장 디바이스를 선택적으로 결합하는 것을 포함한다. 각각의 추가 전하 저장 디바이스의 선택적 결합은 가변 용량 전하 저장 회로의 웰 용량을 연속적으로 증가시킨다. 특히, 이 프로세스는 하나 이상의 스위치를 활성화하기 위해 제1 스위칭 신호, 제2 스위칭 신호, 및 CDS 스위칭 신호와 같은 하나 이상의 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 스위칭 신호를 생성하는 액트는 비교기로부터 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여 제1 스위치를 활성화하기 위한 스위칭 신호, 제2 스위치를 활성화하기 위한 스위칭 신호, 또는 CDS 스위치를 활성화하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적분 전압이 제1 포화 임계값을 실질적으로 만족하거나 초과하는 것을 표현하는 제1 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여, 프로세스(300)는 제1 스위치를 활성화시키기 위해 제1 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 유사하게, 적분 전압이 제2 포화 임계값을 실질적으로 만족하거나 초과하는 것을 표현하는 제2 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여, 프로세스(300)는 제2 스위치를 활성화시키기 위해 제2 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 적분이 제3 포화 임계값을 실질적으로 만족하거나 초과하는 것을 표현하는 제3 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여, 프로세스(300)는 CDS 스위치를 활성화시키고 CDS 전하 저장 디바이스를 가변 용량 전하 저장 회로와 결합하기 위해 CDS 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 각각의 스위치의 활성화는 회로의 웰 용량을 증가시킨다.
도 3을 참조하여 제1, 제2, 및 제3 포화 임계값으로서 기술되지만, 다양한 실시예들에서, 제1, 제2, 및 제3 포화 임계값은 동일한 포화 임계값일 수 있다. 즉, 프로세스(300)는 적분 전압을 단일 포화 임계값과 비교하는 것, 및 적분 전압이 첫 번째로 포화 임계값을 만족하거나 초과할 때 제1 비교기 신호를 제공하는 것, 적분 전압이 두 번째로 포화 임계값을 만족하거나 초과할 때 제2 비교기 신호를 제공하는 것, 및 적분 전압이 세 번째로 포화 임계값을 만족하거나 초과할 때 제3 비교기 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
이제 액트(310)으로 넘어 가면, 프로세스(300)는 적분 전압에 적어도 부분적으로 기초한 출력 전압을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 회로는 회로의 출력 및 CDS 전하 저장 디바이스에 결합되는 샘플 홀드 전하 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 따라서, 프로세스(300)는 샘플 홀드 스위치를 활성화시키는 것 및 샘플 홀드 전하 저장 디바이스에서 가변 용량 전하 저장 회로의 적분 전압을 샘플링 및 홀딩하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들의 샘플 홀드 전하 저장 디바이스는 적분 전압을 출력 전압으로 제공하기 위해 도 1에 보여진 추가 트랜지스터들과 같은 다운스트림 구성 요소들로 주기적으로 드레인될 수 있다. 추가 실시예들은 회로의 동작 페이즈에 상응하는 상태 신호를 제공하는 액트를 포함할 수 있다. 특히, 상태 신호는 가변 용량 전하 저장 회로의 하나 이상의 스위칭 디바이스의 인에이블 설정을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 오퍼레이터로부터의 상태 신호 및 회로로부터의 출력 전압은 유닛 셀 회로의 판독을 위한 실제 전하의 계산을 허락한다.
다양한 실시예들에서, 적분 주기의 끝에서, 프로세스(300)는 회로를 초기 상태로 복원하기 위한 하나 이상의 액트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세스(300)는 가변 용량 전하 저장 회로의 전압을 리셋 전압으로 다시 리셋하기 위해 리셋 스위치를 활성화하는 액트를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 리셋 스위치의 활성화 동안, 프로세스(300)는 가변 용량 전하 저장 회로의 하나 이상의 스위칭 디바이스를 비활성화시키기 위해 하나 이상의 스위칭 신호를 생성하는 것을 포함한다. 따라서, 리셋 스위치의 활성화 동안, 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 다양한 추가 실시예들에서 CDS 스위치는 비활성화되고(즉, 개방됨), 그에 의해 가변 용량 전하 저장 회로는 웰 용량이 제1 전하 저장 디바이스의 값에 상응함에 따라 다음 동작 페이즈를 시작하게 된다.
위에서 적어도 하나의 실시예의 수 개의 양태들을 기술하였지만, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 다양한 변형들, 수정들, 및 개선들이 쉽게 떠오를 것임을 이해해야 할 것이다. 이러한 변형들, 수정들, 및 개선들이 개시내용의 일부로서 의도되고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 앞서 말한 설명 및 도면들은 단지 예의 형태이고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들, 및 그 등가물들의 적절한 구성으로부터 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 이미징 시스템 유닛 셀(imaging system unit cell)로서,
    광 방사(optical radiation)를 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하도록 구성되는 광검출기;
    상기 광검출기와 전기적으로 통신하고 상기 광전류로부터 축적되는 전기적 전하(electrical charge)를 적분하도록 구성되는 가변 용량 전하 저장 회로(variable capacitance charge storing circuit);
    상기 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하고 상기 적분 전압에 기초하여 상기 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하도록 구성되는 제어 회로; 및
    적분된 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 출력 전압을 제공하도록 구성되는 출력
    을 포함하는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 전하 저장 디바이스 및 제2 전하 저장 디바이스를 포함하는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로는 상기 제2 전하 저장 디바이스와 상기 제1 전하 저장 디바이스를 함께 병렬로 선택적으로(selectively) 결합하도록 위치되는 제1 스위치를 포함하는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 적분 전압과 제1 포화 임계값을 비교하고, 상기 적분 전압이 상기 제1 포화 임계값을 초과한다고 판정하는 것에 응답하여 제1 비교기 신호를 생성하도록 구성되는 비교기; 및
    상기 제1 비교기 신호를 수신하고, 이에 응답하여 상기 제1 스위치를 활성화하기 위해 제1 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는 동적 시프트 레지스터(dynamic shift register)
    를 포함하는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로는 제3 전하 저장 디바이스 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 제3 전하 저장 디바이스를 상기 제2 스위치를 통해 상기 제2 전하 저장 디바이스 및 상기 제1 전하 저장 디바이스와 병렬로 함께 선택적으로 결합함으로써 상기 가변 용량 전하 저장 회로의 상기 용량을 조정하도록 구성되는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비교기는 상기 적분 전압과 제2 포화 임계값을 비교하고 상기 적분 전압이 상기 제2 포화 임계값을 초과한다고 판정하는 것에 응답하여 제2 비교기 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 동적 시프트 레지스터는 상기 제2 비교기 신호를 수신하고 상기 제2 스위치를 활성화하기 위해 제2 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 포화 임계값은 상기 제2 포화 임계값과 실질적으로 동일한, 이미징 시스템 유닛 셀.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 가변 용량 전하 저장 회로의 인에이블 설정들(enable settings)을 포함하는 상태 신호를 제공하도록 구성되는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로와 CDS 스위치를 통해 선택적으로 결합되는 CDS(상호연관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling)) 전하 저장 디바이스를 더 포함하는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 CDS 전하 저장 디바이스는 상기 CDS 스위치의 활성화에 응답하여 상기 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하도록 구성되는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    샘플 홀드 스위치(sample-hold switch)를 통해 상기 CDS 전하 저장 디바이스에 결합되는 샘플 홀드 전하 저장 디바이스를 더 포함하고, 상기 샘플 홀드 전하 저장 디바이스는 상기 적분 전압을 샘플링하고 홀딩하도록 구성되는, 이미징 시스템 유닛 셀.
  12. 이미지를 검출하는 방법으로서,
    광검출기에서 광 방사를 수신하는 것에 응답하여 광전류를 생성하는 단계;
    상기 광검출기와 전기적으로 통신하는 가변 용량 전하 저장 회로에서 상기 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하는 단계;
    상기 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 단계;
    상기 적분 전압에 기초하여 상기 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 단계; 및
    적분된 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 출력 전압을 제공하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 전하 저장 디바이스 및 제2 전하 저장 디바이스를 포함하고, 상기 가변 용량 전하 저장 회로의 상기 용량을 조정하는 단계는 상기 제2 전하 저장 디바이스와 상기 제1 전하 저장 디바이스를 함께 병렬로 선택적으로 결합하는 단계를 포함하는, 방법
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 단계는,
    상기 적분 전압과 제1 포화 임계값을 비교하는 단계;
    상기 적분 전압이 상기 제1 포화 임계값을 초과하는지 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 적분 전압이 상기 제1 포화 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 제1 비교기 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제2 전하 저장 디바이스와 상기 제1 전하 저장 디바이스를 선택적으로 결합하는 단계는, 상기 제1 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여 상기 제1 스위치를 활성화시키기 위해 제1 스위칭 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로는 제3 전하 저장 디바이스 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 가변 용량 전하 저장 회로의 용량을 조정하는 단계는 상기 제3 전하 저장 디바이스를 상기 제2 스위치를 통해 상기 제2 전하 저장 디바이스 및 상기 제1 전하 저장 디바이스와 병렬로 함께 선택적으로 결합하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가변 용량 전하 저장 회로 양단의 적분 전압을 모니터링하는 단계는,
    상기 적분 전압과 제2 포화 임계값을 비교하는 단계;
    상기 적분 전압이 상기 제2 포화 임계값을 초과하는지 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 적분 전압이 상기 제2 포화 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 제2 비교기 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3 전하 저장 디바이스를 상기 제2 스위치를 통해 상기 제2 전하 저장 디바이스 및 상기 제1 전하 저장 디바이스와 병렬로 함께 선택적으로 결합하는 단계는, 제2 비교기 신호를 수신하는 것에 응답하여 상기 제2 스위치를 활성화시키기 위해 제2 스위칭 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 포화 임계값은 상기 제2 포화 임계값과 실질적으로 동일한, 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상호연관 이중 샘플링(CDS) 전하 저장 디바이스를 상기 가변 용량 전하 저장 회로와 선택적으로 결합하는 단계; 및
    상기 CDS 전하 저장 디바이스에서 상기 광전류로부터 축적되는 전기적 전하를 적분하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
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