KR20200097507A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20200097507A
KR20200097507A KR1020190014966A KR20190014966A KR20200097507A KR 20200097507 A KR20200097507 A KR 20200097507A KR 1020190014966 A KR1020190014966 A KR 1020190014966A KR 20190014966 A KR20190014966 A KR 20190014966A KR 20200097507 A KR20200097507 A KR 20200097507A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 램프 전압 생성기가 생성하는 램프 전압을 출력하는 복수의 램프 버퍼들, 상기 램프 전압을 입력받는 제1 입력단, 및 상기 복수의 칼럼 라인들 중 하나와 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러를 복수 개 포함하는 샘플링 회로, 및 상기 샘플러들의 상기 제1 입력단들을 선택적으로 서로 연결하거나 분리하는 스위치 회로를 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 로직 회로 등을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들은, 이미지 센서는 외부의 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 사진이나 동영상을 촬영하기 위한 카메라 이외에, 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터, 텔레비전, 자동차 등에 폭넓게 적용될 수 있다. 최근에는 이미지 센서의 노이즈 특성을 개선하고자 하는 다양한 방법이 제안되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 회로 면적과 소모 전력에 대한 트레이드 오프를 최소화하면서 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득하는 샘플링 회로들에 입력되는 램프 전압에 의한 노이즈 특성을 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 램프 전압 생성기가 생성하는 램프 전압을 출력하는 복수의 램프 버퍼들, 상기 램프 전압을 입력받는 제1 입력단, 및 상기 복수의 칼럼 라인들 중 하나와 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러를 복수 개 포함하는 샘플링 회로, 및 상기 샘플러들의 상기 제1 입력단들을 선택적으로 서로 연결하거나 분리하는 스위치 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 칼럼 라인에 연결되는 복수의 제1 픽셀들, 및 제2 칼럼 라인에 연결되는 복수의 제2 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 램프 전압 생성기가 출력하는 램프 전압을 입력받는 하나 이상의 램프 전압 경로들, 상기 램프 전압 경로들 중 적어도 하나, 및 상기 제1 칼럼 라인에 연결되는 제1 샘플러, 상기 램프 전압 경로들 중 적어도 하나, 및 상기 제2 칼럼 라인에 연결되는 제2 샘플러, 및 제1 모드에서 상기 제1 샘플러와 상기 제2 샘플러를 상기 램프 전압 경로들 중 하나에 공통으로 연결하고, 상기 제1 모드와 다른 제2 모드에서 상기 제1 샘플러와 상기 제2 샘플러를 서로 다른 상기 램프 전압 경로들에 연결하는 컨트롤 로직을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 램프 전압을 입력받는 제1 입력단, 및 칼럼 라인을 통해 복수의 픽셀들에 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러, 상기 램프 전압을 공급하는 제1 램프 전압 경로와 제2 램프 전압 경로, 상기 제1 램프 전압 경로와 상기 제2 램프 전압 경로 중 적어도 하나를 선택하여 상기 제1 입력단에 연결하는 스위치 회로, 및 제1 시간 동안 상기 제1 램프 전압 경로가 상기 제1 입력단에 연결되고, 상기 제1 시간과 다른 제2 시간 동안 상기 제2 램프 전압 경로가 상기 제1 입력단에 연결되도록 상기 스위치 회로를 제어하는 컨트롤 로직을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 램프 전압이 입력되는 샘플링 회로들의 제1 입력단들을 선택적으로 서로 연결하거나 분리할 수 있다. 이미지 센서의 동작 모드 및 동작 환경 등에 따라 샘플링 회로들의 제1 입력단들을 서로 연결하거나 분리함으로써, 발생 가능성이 높은 노이즈 성분을 최소화하고 선형성 특성 열화를 방지할 수 있으며, 이미지 센서의 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미징 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 15 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이에 포함되는 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 22 내지 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 27 내지 도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 31 및 도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(10), 및 컨트롤러(20)를 포함할 수 있으며, 컨트롤러(20)는 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22), 칼럼 드라이버(23) 및 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다.
이미지 센서(1)는 외부에서 수신한 빛을 전기 신호로 변환하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이미지 센서(1)에 포함되는 픽셀 어레이(10)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있으며, 복수의 픽셀들(PX)은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 광전 소자, 예를 들어 포토 다이오드(Photo Diode, PD)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 둘 이상의 광전 소자들을 포함할 수도 있다. 픽셀들(PX) 각각이 여러 색상의 빛에 대응하는 픽셀 신호를 생성하거나, 또는 자동 초점(Auto Focus) 기능을 제공하기 위한 목적으로 복수의 픽셀들(PX) 각각에 둘 이상의 광전 소자들이 포함될 수 있다.
한편 복수의 픽셀들(PX) 각각은 포토 다이오드들이 생성하는 전하로부터 픽셀 신호를 생성하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 복수의 픽셀들(PX) 각각으로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하고, 그 차이를 계산함으로써 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 픽셀 전압은, 복수의 픽셀들(PX) 각각에 포함된 포토 다이오드들에서 생성된 전하가 반영된 전압일 수 있다. 일 실시예에서, 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들(PX)은 하나의 픽셀 그룹을 구성할 수 있으며, 픽셀 그룹에 포함되는 둘 이상의 픽셀들(PX)은 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 중 적어도 일부를 서로 공유할 수 있다.
로우 드라이버(21)는 픽셀 어레이(10)를 행(row) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(21)는 픽셀 회로의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성할 수 있다.
리드아웃 회로(22)는 샘플링 회로, 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 샘플링 회로는 복수의 샘플러들을 포함할 수 있으며, 일 실시예에서 샘플러는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS)일 수 있다. 샘플러는, 로우 드라이버(21)가 선택하는 로우 라인에 포함되는 픽셀들(PX)과 칼럼 라인들을 통해 연결되며, 해당 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 샘플러들은, 리셋 전압과 픽셀 전압 각각을 램프 전압과 비교하고, 그 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 샘플러들이 출력하는 비교 결과를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
칼럼 드라이버(23)는 디지털 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 리드아웃 회로(22)로부터 수신한 디지털 신호를 처리할 수 있다. 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)는 컨트롤 로직(24)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직(24)은 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러, 이미지 데이터 처리를 위한 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor) 등을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미징 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
우선 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(2)는 제1 레이어(30), 제1 레이어(30)의 하부에 마련되는 제2 레이어(40) 및 제2 레이어(40)의 하부에 마련되는 제3 레이어(50) 등을 포함할 수 있다. 제1 레이어(30)와 제2 레이어(40) 및 제3 레이어(50)는 서로 수직하는 방향에서 적층될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 레이어(30)와 제2 레이어(40)는 웨이퍼 레벨에서 서로 적층되고, 제3 레이어(50)는 칩 레벨에서 제2 레이어(40)의 하부에 부착될 수 있다. 제1 내지 제3 레이어들(30-50)은 하나의 반도체 패키지로 제공될 수 있다.
제1 레이어(30)는 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 센싱 영역(SA) 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 제2 레이어(40)의 제2 패드 영역(PA2)에 마련된 패드들 및 컨트롤 로직(LC)과 연결될 수 있다.
복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 포토 다이오드가 생성한 전하를 처리하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 전압을 출력하기 위한 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
제2 레이어(40)는 컨트롤 로직(LC)을 제공하는 복수의 소자들을 포함할 수 있다. 컨트롤 로직(LC)에 포함되는 복수의 소자들은, 제1 레이어(30)에 마련된 픽셀 회로를 구동하기 위한 회로들, 예를 들어 로우 드라이버, 칼럼 드라이버, 및 타이밍 컨트롤러 등을 제공할 수 있다. 컨트롤 로직(LC)에 포함되는 복수의 소자들은 제1 및 제2 패드 영역들(PA1, PA2)을 통해 픽셀 회로와 연결될 수 있다. 컨트롤 로직(LC)은 복수의 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 획득하여 픽셀 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX) 중 적어도 하나는 동일한 레벨에 배치되는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 복수의 포토 다이오드들 각각의 전하로부터 생성된 픽셀 신호들은 서로 위상차를 가질 수 있으며, 컨트롤 로직(LC)은 하나의 픽셀(PX)에 포함된 복수의 포토 다이오드들로부터 생성한 픽셀 신호들의 위상차에 기초하여 자동 초점 기능을 제공할 수 있다.
제2 레이어(40)의 하부에 마련되는 제3 레이어(50)는 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다. 메모리 칩(MC)은 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)일 수 있으며, 더미 칩(DC)은 데이터를 실제로 저장하는 기능은 갖지 않을 수 있다. 메모리 칩(MC)은 범프에 의해 제2 레이어(40)의 컨트롤 로직(LC)에 포함된 소자들 중 적어도 일부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 자동 초점 기능을 제공하는 데에 필요한 정보를 저장할 수 있다. 일 실시예에서 상기 범프는 마이크로 범프일 수 있다.
다음으로 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(3)는 제1 레이어(60)와 제2 레이어(70)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(60)는 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 복수의 픽셀들(PX)을 구동하기 위한 소자들이 마련되는 컨트롤 로직 영역(LC), 및 센싱 영역(SA)과 컨트롤 로직 영역(LC)의 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 제2 레이어(70)에 마련된 메모리 칩(MC)과 연결될 수 있다. 제2 레이어(70)는 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 이미지 센서에 포함되는 픽셀은 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드(PD) 및 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하를 처리하여 전기 신호를 출력하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 일례로 픽셀 회로는 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX), 및 전송 트랜지스터(TX) 등을 포함할 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RG)에 의해 턴-온 및 턴-오프되며, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온되면 플로팅 디퓨전(FD)의 전압이 전원 전압(VDD)으로 리셋될 수 있다. 플로팅 디퓨전(FD)의 전압이 리셋되면, 선택 트랜지스터(SX)가 선택 제어 신호(SEL)에 의해 턴-온되어 리셋 전압을 칼럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다.
일 실시예에서, 포토 다이오드(PD)는 빛에 반응하여 전자 또는 홀을 주 전하 캐리어로 생성할 수 있다. 리셋 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력된 후 전송 트랜지스터(TX)가 턴-온되면, 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 생성한 전하가 플로팅 디퓨전(FD)으로 이동할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전압을 증폭하는 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있으며, 선택 트랜지스터(SX)가 선택 제어 신호(SEL)에 의해 턴-온되면 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하에 대응하는 픽셀 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다.
리셋 전압과 픽셀 전압 각각은, 칼럼 라인(COL)에 연결된 샘플링 회로에 의해 검출될 수 있다. 샘플링 회로는 제1 입력단 및 제2 입력단을 갖는 샘플러를 복수 개 포함하며, 샘플러는 제1 입력단으로 램프 전압을 입력받을 수 있다. 샘플러는 제1 입력단으로 입력되는 램프 전압과, 제2 입력단으로 입력되는 리셋 전압 및 픽셀 전압을 비교할 수 있다. 샘플러의 출력단에는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 연결될 수 있으며, 아날로그-디지털 컨버터는 램프 전압과 리셋 전압의 비교 결과에 대응하는 리셋 데이터, 및 램프 전압과 픽셀 전압의 비교 결과에 대응하는 픽셀 데이터를 출력할 수 있다. 컨트롤 로직은 리셋 데이터와 픽셀 데이터의 차이를 이용하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이며, 도 6은 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 및 픽셀 어레이(110)를 구동하기 위한 컨트롤러를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 로우 드라이버(120), 램프 전압 생성기(130), 버퍼 회로(140), 스위치 회로(150), 샘플링 회로(160) 및 아날로그-디지털 컨버터(170) 등을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우 라인들(ROW)과 복수의 칼럼 라인들(COL)의 교차점들에 마련되는 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)은 도 4에 도시한 바와 같은 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들(ROW)을 통해 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)을 제어하는 데에 필요한 신호를 입력할 수 있다. 일례로 복수의 로우 라인들(ROW)을 통해 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)에 입력되는 신호는 리셋 제어 신호(RG), 전송 제어 신호(TG), 선택 제어 신호(SEL) 등을 포함할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들(ROW) 각각을 순차적으로 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 소정의 수평 주기 동안 복수의 로우 라인들(ROW) 중 하나를 선택할 수 있다.
샘플링 회로(160)는, 복수의 픽셀들(PX11-PXMN) 중에서, 로우 드라이버(120)가 스캔한 로우 라인에 연결된 일부의 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 샘플링 회로(160)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함하며, 복수의 샘플러들(SA)은 상관 이중 샘플러일 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은, 제1 입력단을 통해 램프 전압 생성기(130)가 생성하는 램프 전압을 입력받고, 제2 입력단을 통해 리셋 전압 및 픽셀 전압을 입력받을 수 있다.
도 6을 참조하면, 리셋 제어 신호(RG)에 의해 리셋 트랜지스터가 턴-온되어 픽셀에 포함된 플로팅 디퓨전의 전압이 리셋될 수 있다. 선택 제어 신호(SEL)에 의해 선택 트랜지스터가 턴-온되면, 아날로그-디지털 컨버터(170)는 램프 전압(RMP)이 칼럼 라인(COL)을 통해 출력되는 전압(VCOL)보다 큰 시간을 카운트할 수 있다. 해당 시간을 이용하여 리셋 전압에 대응하는 리셋 데이터(RST)를 획득할 수 있다.
리셋 데이터(RST)를 획득한 후 전송 제어 신호(TG)에 의해 전송 트랜지스터가 턴-온되며, 픽셀의 포토 다이오드가 생성한 전하가 플로팅 디퓨전으로 이동할 수 있다. 따라서 칼럼 라인(COL)을 통해 출력되는 전압(VCOL)이 감소할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(170)는, 전송 트랜지스터가 턴-오프된 후 램프 전압(RMP)이 칼럼 라인(COL)을 통해 출력되는 전압(VCOL)보다 큰 시간을 카운트함으로써 픽셀 전압에 대응하는 픽셀 데이터(SIG)를 획득할 수 있다. 컨트롤 로직은 리셋 데이터(RST)와 픽셀 데이터(SIG)의 차이를 이용하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
도 6에 도시한 일 실시예에서는 램프 전압(RMP)이 시간에 따라 감소하는 추세를 갖는 것으로 도시하였으나, 램프 전압(RMP)은 시간에 따라 증가하는 추세를 가질 수도 있다. 램프 전압(RMP)이 시간에 따라 증가하는 추세를 갖는 경우, 아날로그-디지털 컨버터는 칼럼 라인(COL)을 통해 출력되는 전압(VCOL)이 램프 전압(RMP)보다 큰 시간을 카운트하여 리셋 데이터(RST)와 픽셀 데이터(SIG)를 생성할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 램프 전압 생성기(130)은 공통 램프 전압 경로(131)로 램프 전압을 출력하며, 공통 램프 전압 경로(131)에는 복수의 램프 버퍼들(RB)이 병렬로 연결될 수 있다. 복수의 램프 버퍼들(RB)의 출력단과 샘플러들(SA)의 제1 입력단들 사이에는 스위치 회로(150)가 연결될 수 있다. 스위치 회로(150)는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 선택적으로 연결 또는 분리할 수 있다.
스위치 회로(150)는 이미지 센서(100)의 동작 모드, 이미지 센서(100)가 생성하는 이미지 데이터에 포함되는 노이즈 특성 등에 따라 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결하거나 분리할 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(110)에 유입되는 빛의 양이 많은 제1 모드에서는 스위치 회로(150)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단들 중 적어도 일부를 서로 분리할 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(110)에 유입되는 빛의 양이 적은 제2 모드에서는 스위치 회로(150)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결할 수 있다.
제1 모드와 제2 모드는, 이미지 센서(100)가 픽셀들(PX11-PXMN)로부터 획득한 전압을 신호 처리하는 과정에서 적용되는 이득에 따라 정의될 수도 있다. 일례로, 이미지 센서(100)가 신호 처리 과정에서 상대적으로 작은 이득을 적용하는 제1 모드에서는 스위치 회로(150)에 의해 샘플러들(SA)의 제1 입력단들 중 적어도 일부가 서로 분리될 수 있다. 이미지 센서(100)가 신호 처리 과정에서 상대적으로 큰 이득을 적용하는 제2 모드에서는 스위치 회로(150)에 의해 샘플러들(SA)의 제1 입력단들이 서로 연결될 수 있다. 제1 모드와 제2 모드는, 이미지 센서(100)가 신호 처리 과정에서 적용하는 이득을 소정의 임계값과 비교함으로써 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 로우 라인들(ROW)이 연장되는 방향에서의 밴드 노이즈가 발생할 확률이 높다고 판단되면, 스위치 회로(150)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단들 중 일부를 서로 분리할 수 있다. 반면, 시간적 노이즈(temporal noise)가 발생할 확률이 높다고 판단되는 경우에는, 스위치 회로(150)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결할 수 있다. 샘플러들(SA)의 제1 입력단들이 서로 연결되면, 복수의 램프 버퍼들(RB) 각각의 출력에 포함되는 시간적 노이즈 성분들이 노이즈 평균화에 의해 효과적으로 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 스위치 회로(150)는 샘플러들(SA)의 제2 입력단들에 연결되는 픽셀들(PX11-PXMN)의 종류에 따라 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 선택적으로 연결 또는 분리할 수 있다. 일례로, 스위치 회로(150)는 같은 종류의 픽셀들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결하고, 다른 종류의 픽셀들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 분리할 수 있다. 예를 들어 픽셀들의 종류는, 픽셀들에 포함된 컬러 필터에 따라 결정될 수 있다. 스위치 회로(150)는 하나의 수평 주기 동안, 적색의 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결된 제1 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결하고, 청색의 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결된 제2 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결하며, 녹색의 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결된 제3 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 서로 연결할 수 있다. 상기 하나의 수평 주기 동안, 제1 샘플러들(SA)의 제1 입력단들과, 제2 샘플러들(SA)의 제1 입력단들, 및 제3 샘플러들(SA)의 제1 입력단들은 스위치 회로(150)에 의해 서로 분리될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 스위치 회로(150)는 이미지 센서(100)의 노이즈 특성, 동작 모드, 및 픽셀 어레이(110)의 픽셀 배치 구조 등에 기초하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 선택적으로 연결 또는 분리할 수 있다. 이미지 센서(100)의 컨트롤 로직은, 스위치 회로(150)를 이용하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 연결 또는 분리함으로써, 이미지 센서(100)의 노이즈 특성과 선형성 등을 개선하고 이미지 센서(100)의 성능을 최적화할 수 있다. 또한, 램프 버퍼들(RB)의 출력에서 나타나는 노이즈를 최소화하기 위해 램프 버퍼들(RB)의 바이어스 전류를 증가시키거나 제1 입력단들에 연결되는 소자의 크기를 변경하는 방식과 비교하여, 본 발명의 실시예들에서는 이미지 센서(100)의 소모 전력 및 회로 면적을 줄일 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
먼저 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(200)는 공통 램프 전압 경로(201), 버퍼 회로(210), 스위치 회로(220), 샘플링 회로(230), 및 아날로그-디지털 컨버터(240) 등을 포함할 수 있다. 공통 램프 전압 경로(201)는 램프 전압 생성기가 램프 전압(RMP)을 출력하는 경로일 수 있다. 샘플링 회로(230)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함하며, 샘플러들(SA) 각각은 공통 램프 전압 경로(201)에 연결되어 램프 전압(RMP)을 입력받는 제1 입력단과, 복수의 칼럼 라인들(COL0-COLN-1: COL)에 연결되는 제2 입력단을 포함할 수 있다. 샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단과 제2 입력단에는 커패시터가 연결될 수 있다. 일 실시예에 샘플러들(SA) 각각은, 제1 입력단과 출력단 사이, 및 제2 입력단과 출력단 사이에 연결되는 오토-제로 스위치를 더 포함할 수도 있다.
샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단은 램프 버퍼(RB)를 통해 공통 램프 전압 경로(201)로부터 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다. 또한, 샘플러들(SA)의 제1 입력단들은 램프 전압 경로들(221)과 연결되며, 램프 전압 경로들(221) 사이에는 스위치 소자들(SW)이 연결될 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 실시예들과 같이 스위치 소자들(SW)이 턴-오프 또는 턴-온됨으로써 램프 전압 경로들(221)이 서로 연결되거나 또는 분리될 수 있다. 스위치 소자들(SW)이 턴-온되면, 램프 전압 경로들(221)이 하나로 연결되어 샘플러들(SA)의 제1 입력단들이 서로 연결되고, 스위치 소자들(SW)이 턴-오프되면 램프 전압 경로들(221)이 서로 분리되어 샘플러들(SA)의 제1 입력단들이 서로 분리될 수 있다.
스위치 소자들(SW)은 이미지 센서(200)의 동작 모드, 이미지 센서(200)의 동작 환경, 이미지 센서(200)가 생성한 이미지 데이터에서 나타나는 노이즈 특성, 픽셀 어레이의 픽셀 배치 구조, 이미지 센서(200)에 저장된 레지스터 값 등의 다양한 파라미터 등에 기초하여 턴-온 또는 턴-오프될 수 있다. 일례로, 밴드 노이즈 증가가 예상될 경우, 이미지 센서(200)의 컨트롤 로직은 스위치 소자들(SW)을 턴-오프할 수 있다. 스위치 소자들(SW)이 턴-오프됨에 따라, 램프 전달 경로들(221)이 서로 분리되며, 샘플러들(SA)은 서로 다른 램프 전압 경로들(221)에 연결될 수 있다. 따라서, 샘플러들(SA) 중 적어도 하나에서 동작 중에 발생하는 노이즈가, 램프 전압 경로들(221)을 통해 다른 샘플러들(SA)로 전달되지 않을 수 있다.
시간적 노이즈 증가가 예상될 경우, 컨트롤 로직은 스위치 소자들(SW)을 턴-온할 수 있다. 스위치 소자들(SW)이 턴-온됨에 따라, 램프 전압 경로들(221)이 하나로 연결되며, 샘플러들(SA)이 하나로 연결된 램프 전압 경로(221)를 공유할 수 있다. 램프 전압 경로들(221)이 하나로 연결됨으로써, 노이즈 성분이 노이즈 평균화에 의해 최소화될 수 있다. 이미지 센서(200)의 컨트롤 로직이 스위치 회로(230)를 제어하는 방법은, 이미지 센서(200)가 전자 기기 등에 탑재되어 최종 사용자(end-user)에 판매된 후에도, 별도로 배포되는 펌웨어 등을 통해 다양하게 조정될 수 있다.
다음으로 도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)는 공통 램프 전압 경로(301), 버퍼 회로(310), 스위치 회로(320), 샘플링 회로(330), 및 아날로그-디지털 컨버터(340) 등을 포함할 수 있다. 공통 램프 전압 경로(301)는 램프 전압 생성기가 생성 및 출력하는 램프 전압(RMP)을 공급할 수 있다. 샘플링 회로(330)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함하며, 샘플러들(SA) 각각은 램프 전압(RMP)을 입력받는 제1 입력단과, 복수의 칼럼 라인들(COL1-COLN-1: COL) 중 하나에 연결되는 제2 입력단을 가질 수 있다.
버퍼 회로(310)는 복수의 램프 버퍼들(RB)을 포함하며, 복수의 램프 버퍼들(RB)은 공통 램프 전압 경로(301)에 연결될 수 있다. 복수의 램프 버퍼들(RB) 각각의 출력단은, 스위치 회로(320)에 포함되는 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나에 연결될 수 있다. 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 각각은, 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)의 출력단들에 연결될 수 있다.
일례로, 도 9a에 도시한 바와 같이 복수의 램프 전압 경로들(321-323)과 복수의 램프 버퍼들(RB) 사이에는 라인 버퍼들(LB)이 연결될 수 있다. 라인 버퍼들(LB) 각각은 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)에 연결되는 입력단들과, 하나의 출력단을 가질 수 있다. 라인 버퍼들(LB) 각각의 출력단은 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나에 연결될 수 있다.
도 9b에 도시한 일 실시예에 따른 이미지 센서(300A)는, 도 9a에 도시한 일 실시예와 유사한 구성의 공통 램프 전압 경로(301), 버퍼 회로(310), 샘플링 회로(330), 및 아날로그-디지털 컨버터(340) 등을 포함할 수 있다. 도 9b에 도시한 일 실시예의 이미지 센서(300A)에서, 스위치 회로(320A)는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 선택적으로 연결할 수 있는 스위치(SW)를 더 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 라인 버퍼(LB) 내에서 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)의 출력단이 하나의 노드(LN)에 연결될 수 있다. 상기 노드(LN)의 전압은 램프 버퍼들(RB)이 버퍼링하여 출력하는 램프 전압(RMP)과 실질적으로 같은 전압일 수 있다. 또한, 상기 노드(LN)에서 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)의 출력 전류가 합쳐질 수 있다.
다시 도 9a와 도 9b를 참조하면, 스위치 회로(320, 320A)는 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 및 샘플러들(SA)의 제1 입력단들 사이에 연결되는 복수의 멀티플렉서들(MUX)을 포함할 수 있다. 복수의 멀티플렉서들(MUX)은, 컨트롤 로직으로부터 전달되는 제어 커맨드에 응답하여 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나를 샘플러들(SA)의 제1 입력단들에 연결할 수 있다.
컨트롤 로직은 이미지 센서(300)의 동작 모드, 이미지 센서(300)의 동작 환경, 이미지 데이터에서 나타나는 노이즈 특성, 픽셀 어레이의 픽셀 배치 구조, 및 미리 저장된 레지스터 값 등을 고려하여 복수의 멀티플렉서들(MUX)을 제어할 수 있다. 일례로, 컨트롤 로직은 시간적 노이즈가 증가할 가능성이 높은 동작 모드 또는 동작 환경에서, 멀티플렉서들(MUX)이 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나를 선택하도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 로직은 밴드 노이즈 감소가 예상되는 동작 환경에서는 모든 멀티플렉서들(MUX)의 출력단을 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나에 연결하여, 칼럼 라인들(COL)을 따라 발생하는 노이즈를 줄일 수 있다. 또한 도 9b에 도시한 일 실시예에서는, 컨트롤 로직이 복수의 멀티플렉서들(MUX)과 함께 스위치(SW)를 제어하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단과 복수의 램프 전압 경로들(321-323)의 연결 관계를 좀 더 다양한 방식으로 결정할 수 있다.
일 실시예에서 컨트롤 로직은, 같은 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득하는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을, 복수의 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나에 연결할 수 있다. 일례로, 적색의 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제1 램프 전압 경로(321)에 연결하고, 녹색 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제2 램프 전압 경로(322)에 연결할 수 있다. 또한, 청색 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제3 램프 전압 경로(323)에 연결할 수 있다. 실시예들에 따라, 녹색 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들은, 서로 다른 램프 전압 경로들(321-323)에 연결될 수도 있다.
실시예들에 따라서, 서로 인접한 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)의 출력단을 하나로 묶는 라인 버퍼들(LB)은 생략될 수도 있다. 라인 버퍼들(LB)이 생략될 경우, 램프 버퍼들(RB)의 출력단들 각각은 램프 전압 경로들(321-323) 중 하나에 직접 연결될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA1)는 복수의 로우 라인들(ROW0-ROWM-1: ROW)과 복수의 칼럼 라인들(COL0-COLN-1: COL)에 연결되는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각은 특정 색상의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각의 포토 다이오드는, 컬러 필터가 통과시키는 색상의 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다.
도 11에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA1)에서, 복수의 픽셀들은 적색 컬러 필터를 갖는 제1 픽셀들(R), 녹색 컬러 필터를 가지며 로우 방향에서 제1 픽셀들(R) 사이에 배치되는 제2 픽셀들(Gr), 녹색 컬러 필터를 가지며 칼럼 방향에서 제1 픽셀들(R) 사이에 배치되는 제3 픽셀들(Gb), 및 청색 컬러 필터를 갖는 제4 픽셀들(B)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 서로 교대로 배치될 수 있다. 다만, 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)의 배치 구조는 도 11에 도시한 바와 같이 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.
이하, 도 11과 함께 도 12 내지 도 14를 함께 참조하여 이미지 센서의 동작을 설명하기로 한다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 리드아웃 회로의 동작을 설명하기 위한 도면들일 수 있다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 이미지 센서(400)는 램프 전압(RMP)을 공급하는 공통 램프 전압 경로(401), 버퍼 회로(410), 스위치 회로(420), 샘플링 회로(430), 및 아날로그-디지털 컨버터(440) 등을 포함할 수 있다. 버퍼 회로(410)는 공통 램프 전압 경로(401)에 병렬로 연결되는 복수의 램프 버퍼들(RB)을 포함하며, 샘플링 회로(430)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함할 수 있다. 램프 버퍼들(RB)과 샘플러들(SA) 사이에 스위치 회로(420)가 연결될 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은 램프 전압을 입력받는 제1 입력단과, 칼럼 라인들(COL0-COLN-1) 중 하나에 연결되는 제2 입력단을 포함할 수 있다. 일례로 제1 입력단과 제2 입력단에는 커패시터가 연결될 수 있다.
스위치 회로(420)는 복수의 램프 전압 경로들(421, 422)과 복수의 멀티플렉서들(MUX)을 포함할 수 있다. 복수의 멀티플렉서들(MUX)은, 제1 램프 전압 경로(421)와 제2 램프 전압 경로(422) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다.
도 12는 픽셀 어레이(PA1)의 제1 로우 라인(ROW0)이 선택되는 제1 시간 동안 이미지 센서(400)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 12를 참조하면, 제1 로우 라인(ROW0)이 선택되는 제1 시간 동안, 제1 로우 라인(ROW0)에 연결된 제1 픽셀들(R)과 제2 픽셀들(Gr)이 칼럼 라인들(COL)을 통해 샘플러들(SA)의 제2 입력단에 연결될 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은 제1 픽셀들(R) 또는 제2 픽셀들(Gr)이 칼럼 라인들(COL)을 통해 출력하는 전압을, 램프 전압(RMP)과 비교할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(440)는 샘플러들(SA)의 출력을 소정의 클록 신호로 카운트하여 제1 픽셀들(R)과 제2 픽셀들(Gr)에 대응하는 데이터(DATA)를 생성할 수 있다.
제1 시간 동안, 제1 픽셀들(R)로부터 전압을 입력받는 샘플러들(SA)의 제2 입력단에 연결된 멀티플렉서들(MUX)은, 제1 램프 전압 경로(421)를 선택할 수 있다. 또한, 제1 시간 동안 제2 픽셀들(Gr)로부터 전압을 입력받는 샘플러들(SA)의 제2 입력단에 연결된 멀티플렉서들(MUX)은 제2 램프 전압 경로(422)를 선택할 수 있다. 같은 종류의 제1 픽셀들(R)에 연결되는 샘플러들(SA)이 하나의 경로를 통해 램프 전압을 입력받고, 같은 종류의 제2 픽셀들(Gr)에 연결되는 샘플러들(SA)이 하나의 경로를 통해 램프 전압을 입력받으므로, 이미지 센서(400)의 선형성이 개선될 수 있다.
도 13은 픽셀 어레이(PA1)의 제2 로우 라인(ROW1)이 선택되는 제2 시간 동안 이미지 센서(400)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 13을 참조하면, 제2 로우 라인(ROW1)이 선택되는 제2 시간 동안, 제2 로우 라인(ROW1)에 연결된 제3 픽셀들(Gb)과 제4 픽셀들(B)이 칼럼 라인들(COL)을 통해 샘플러들(SA)의 제2 입력단에 연결될 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은 제3 픽셀들(Gb) 또는 제4 픽셀들(B)이 칼럼 라인들(COL)을 통해 출력하는 전압을, 램프 전압(RMP)과 비교할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(440)는 샘플러들(SA)의 출력을 디지털 형식의 데이터(DATA)로 변환하여 출력할 수 있다.
제2 시간 동안, 제3 픽셀들(Gb)로부터 전압을 입력받는 샘플러들(SA)의 제2 입력단에 연결된 멀티플렉서들(MUX)은, 제1 램프 전압 경로(421)를 선택할 수 있다. 또한, 제2 시간 동안 제4 픽셀들(B)에 연결되는 샘플러들(SA)의 제2 입력단에 연결된 멀티플렉서들(MUX)은 제2 램프 전압 경로(422)를 선택할 수 있다. 또는 반대 방식으로 멀티플렉서들(MUX)이 제1 램프 전압 경로(421)와 제2 램프 전압 경로(422)를 선택할 수도 있다. 제3 픽셀들(Gb)에 연결되는 샘플러들(SA)이 하나의 경로를 통해 램프 전압을 입력받고, 제4 픽셀들(B)에 연결되는 샘플러들(SA)이 하나의 경로를 통해 램프 전압을 입력받으므로, 이미지 센서(400)의 선형성을 개선할 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시한 일 실시예에서, 멀티플렉서들(MUX)은 제1 시간 및 제2 시간에서 샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단을 램프 전압 경로들(421, 422) 중 하나에 연결할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하여 설명한 실시예들에서, 이미지 센서(400)는 제1 모드에서 동작할 수 있다. 제1 모드와 다른 제2 모드에서는, 멀티플렉서들(MUX)이 다른 방식으로 복수의 램프 전압 경로들(421, 422) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 이하, 도 14를 참조하여 설명하기로 한다.
도 14를 참조하면, 제2 모드에서는 멀티플렉서들(MUX)이 제1 램프 전압 경로(421)를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 따라서, 샘플러들(SA)의 제1 입력단들이 제1 램프 전압 경로(421)로부터 램프 전압을 공통으로 입력받을 수 있다. 또는, 제2 모드에서 멀티플렉서들(MUX)이 제2 램프 전압 경로(422)를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수도 있다.
제1 모드는 상대적으로 많은 양의 빛이 픽셀 어레이(PA1)로 입사하는 경우의 동작 모드일 수 있다. 제2 모드는 상대적으로 적은 양의 빛이 픽셀 어레이(PA1)로 입사하는 경우의 동작 모드일 수 있다. 또는, 제1 모드는 이미지 센서(400)의 동작에 의해 밴드 노이즈가 크게 발생하는 경우에 해당하고, 제2 모드는 시간적 노이즈가 크게 발생하는 경우에 해당할 수 있다. 또는, 제2 모드는 제1 모드에 비해 이미지 센서(400)가 상대적으로 작은 소모 전력으로 동작하는 경우에 해당할 수 있다.
도 12 내지 도 14를 참조하여 설명한 실시예에 따른 리드아웃 회로는, 도 11에 도시한 픽셀 어레이(PA1)가 아닌 다른 구조의 픽셀 어레이들에도 적용될 수 있다. 일례로, 도 12 내지 도 14에 도시한 실시예들에 따른 리드아웃 회로는, 서로 인접한 일부의 픽셀들이 하나의 칼럼 라인을 공유하는 구조의 픽셀 어레이나, 픽셀들의 컬러 필터 배치가 도 11에 도시한 실시예와 다른 픽셀 어레이, 또는 하나의 픽셀이 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 구조의 픽셀 어레이 등에도 다양하게 적용될 수 있다.
도 15 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 도 15 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 리드아웃 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 15 내지 도 19를 참조하여 설명하는 리드아웃 회로는 다양한 구조의 픽셀 어레이들에 연결되어 동작할 수 있다. 이하, 도 11에 도시한 픽셀 어레이(PA1)를 함께 참조하여 이미지 센서(500)의 동작을 설명하기로 한다.
도 15 내지 도 19를 참조하면, 이미지 센서(500)는 램프 전압(RMP)을 공급하는 공통 램프 전압 경로(501), 버퍼 회로(510), 스위치 회로(520), 샘플링 회로(530), 및 아날로그-디지털 컨버터(540) 등을 포함할 수 있다. 버퍼 회로(510)는 공통 램프 전압 경로(501)에 병렬로 연결되는 복수의 램프 버퍼들(RB)을 포함하며, 샘플링 회로(530)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함할 수 있다. 램프 버퍼들(RB)과 샘플러들(SA) 사이에 스위치 회로(520)가 연결될 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은 램프 전압을 입력받는 제1 입력단과, 칼럼 라인들(COL0-COLN-1) 중 하나에 연결되는 제2 입력단을 포함할 수 있다. 샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단과 제2 입력단에는 커패시터가 연결될 수 있다.
스위치 회로(520)는 복수의 램프 전압 경로들(521-524)과 복수의 라인 버퍼들(LB), 및 복수의 멀티플렉서들(MUX)을 포함할 수 있다. 복수의 멀티플렉서들(MUX)은, 제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 복수의 라인 버퍼들(LB)은 복수의 램프 버퍼들(RB) 중 일부의 출력단들을 하나로 묶어서 출력할 수 있다. 도 15 내지 도 19를 참조하면, 복수의 라인 버퍼들(LB) 각각의 출력단은 1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524) 중 하나에 연결될 수 있다.
도 15 내지 도 19에 도시한 일 실시예에서는, 제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524)이 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)에 대한 개별 램프 전압 경로로 할당될 수 있다. 일례로, 제1 램프 전압 경로(521)가 제1 픽셀들(R)에 대한 램프 전압 경로로 할당되고, 제2 램프 전압 경로(522)가 제2 픽셀들(Gr)에 대한 램프 전압 경로로 할당되며, 제3 램프 전압 경로(523)는 제3 픽셀들(Gb)에 대한 램프 전압 경로로 할당되고, 제4 램프 전압 경로(524)는 제4 픽셀들(B)에 대한 램프 전압 경로로 할당될 수 있다.
도 15는 픽셀 어레이(PA1)의 제1 로우 라인(ROW0)과 제2 로우 라인(ROW1)이 선택되는 제1 시간 동안 이미지 센서(400)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 일 실시예에서 제1 시간 동안, 제1 로우 라인(ROW0)에 연결되는 픽셀들 중에서 5N-4 번째에 위치한 픽셀들과, 5N-3 번째에 위치한 픽셀들이 선택되고, 제2 로우 라인(ROW1)에 연결되는 픽셀들 중에서 5N-2 번째에 위치한 픽셀들과, 5N-1 번째에 위치한 픽셀들이 선택될 수 있다 (N은 자연수). 따라서, 도 15에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제4 칼럼 라인들(COL0-COL3)은 순서대로 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제5 내지 제8 칼럼 라인들(COL4-COL7)은 순서대로 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 픽셀들(R)에 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러들(SA)의 제1 입력단은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제1 램프 전압 경로(521)에 연결될 수 있다. 제2 픽셀들(Gr)에 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러들(SA)의 제1 입력단은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제2 램프 전압 경로(522)에 연결될 수 있다. 제3 픽셀들(Gb)에 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러들(SA)의 제1 입력단은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제3 램프 전압 경로(523)에 연결될 수 있다. 제4 픽셀들(B)에 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러들(SA)의 제1 입력단은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제4 램프 전압 경로(524)에 연결될 수 있다. 멀티플렉서들(MUX)의 동작 방식은, 제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524)과 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)의 대응 관계에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
도 16은 제1 시간 이후의 제2 시간 동안 이미지 센서(400)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 제2 시간 동안 픽셀 어레이(PA1)에서는 제1 로우 라인(ROW0)과 제2 로우 라인(ROW1)이 선택될 수 있다. 제1 시간과 달리 제2 시간 동안에는, 제1 로우 라인(ROW0)에 연결되는 픽셀들 중에서 5N-2 번째에 위치한 픽셀들과, 5N-1 번째에 위치한 픽셀들이 선택되고, 제2 로우 라인(ROW1)에 연결되는 픽셀들 중에서 5N-4 번째에 위치한 픽셀들과, 5N-3 번째에 위치한 픽셀들이 선택될 수 있다 (N은 자연수). 따라서, 도 16에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제4 칼럼 라인들(COL0-COL3)은 순서대로 제3 픽셀(Gb), 제4 픽셀(B), 제1 픽셀(R), 및 제2 픽셀(Gr)과 연결될 수 있다. 도 15 및 도 16에 도시한 일 실시예에서, 멀티플렉서들(MUX)은 제1 시간 및 제2 시간 각각에서 샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단을 램프 전압 경로들(521-524) 중에서 서로 다른 경로들에 연결할 수 있다.
제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524)은 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)에 대응할 수 있으며, 제2 시간 동안 멀티플렉서들(MUX)이 선택하는 램프 전압 경로는, 제1 시간 동안 멀티플렉서들(MUX)이 선택하는 램프 전압 경로와 다를 수 있다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 제1 칼럼 라인(COL0)에 연결되는 샘플러(SA)의 제1 입력단은, 제1 시간 동안 제1 램프 전압 경로(521)에 연결되고 제2 시간 동안 제3 램프 전압 경로(523)에 연결될 수 있다. 제2 칼럼 라인(COL1)에 연결되는 샘플러(SA)의 제1 입력단은, 제1 시간 동안 제2 램프 전압 경로(522)에 연결되고 제2 시간 동안에는 제4 램프 전압 경로(524)에 연결될 수 있다.
도 17 및 도 18은 각각 제2 시간 이후의 제3 시간과 제4 시간 동안 이미지 센서(500)의 동작을 설명하기 위한 도면들일 수 있다. 제3 시간 동안 로우 드라이버가 선택하는 픽셀들은, 제1 시간 동안 로우 드라이버가 선택하는 픽셀들과 같을 수 있다. 따라서, 도 17에 도시한 바와 같이, 제3 시간 동안 멀티플렉서들(MUX)은, 제1 시간과 같은 방식으로 제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA)에 연결할 수 있다.
제4 시간 동안 로우 드라이버가 선택하는 픽셀들은, 제2 시간 동안 로우 드라이버가 선택하는 픽셀들과 같을 수 있다. 따라서, 도 18에 도시한 바와 같이, 멀티플렉서들(MUX)은 제2 시간과 같은 방식으로 제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524) 중 하나를 선택하여 제4 시간 동안 샘플러들(SA)에 연결할 수 있다.
도 15 내지 도 18을 참조하여 설명한 실시예들은, 이미지 센서(500)가 제1 모드에서 동작하는 경우에 해당할 수 있다. 제1 모드와 다른 제2 모드에서는, 멀티플렉서들(MUX)이 샘플러들(SA)에 연결되는 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)의 종류와 관계없이, 제1 내지 제4 램프 전압 경로들(521-524) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 이하, 도 19를 참조하여 설명하기로 한다.
도 19를 참조하면, 제2 모드에서는 멀티플렉서들(MUX)이 제1 램프 전압 경로(521)를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 따라서, 샘플러들(SA)의 제1 입력단들이 제1 램프 전압 경로(521)로부터 램프 전압을 공통으로 입력받을 수 있다. 또는, 제2 모드에서 멀티플렉서들(MUX)이 제2 내지 제4 램프 전압 경로들(522-524) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수도 있다.
제1 모드는 상대적으로 많은 양의 빛이 픽셀 어레이(PA1)로 입사하는 경우에 해당하고, 제2 모드는 상대적으로 적은 양의 빛이 픽셀 어레이(PA1)로 입사하는 경우에 해당할 수 있다. 또는, 제1 모드는 이미지 센서(400)의 동작에 의해 밴드 노이즈가 크게 발생하는 경우에 해당하고, 제2 모드는 시간적 노이즈가 크게 발생하는 경우에 해당할 수 있다. 또는, 제2 모드는 제1 모드에 비해 이미지 센서(400)가 상대적으로 작은 소모 전력으로 동작하는 경우에 해당할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA2)는 복수의 로우 라인들(ROW0-ROWM-1: ROW)과 복수의 칼럼 라인들(COL0-COLN-1: COL)의 교차 지점에 연결되는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각은 특정 색상의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각의 포토 다이오드는, 컬러 필터가 통과시키는 색상의 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다.
도 20에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA2)에서, 복수의 픽셀들은 적색 컬러 필터를 갖는 제1 픽셀들(R), 녹색 컬러 필터를 가지며 로우 방향에서 제1 픽셀들(R) 사이에 배치되는 제2 픽셀들(Gr), 녹색 컬러 필터를 가지며 칼럼 방향에서 제1 픽셀들(R) 사이에 배치되는 제3 픽셀들(Gb), 및 청색 컬러 필터를 갖는 제4 픽셀들(B)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 서로 교대로 배치될 수 있다. 또한, 로우 방향과 칼럼 방향에서 서로 인접한 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 하나의 픽셀 그룹(PG)을 제공하며, 하나의 픽셀 그룹(PG)에 포함되는 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 칼럼 라인들(COL) 중 하나를 공유할 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이에 포함되는 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 그룹(PG)은 정방형으로 배치되는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 도 21에 도시한 실시예에서 픽셀 그룹(PG)은 2x2 행렬 형태로 배치되는 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀(R)은 적색 컬러 필터를 통과한 빛에 반응하여 전하를 생성하는 제1 포토 다이오드(PD1)를 포함할 수 있으며, 제4 픽셀(B)은 청색 컬러 필터를 통과한 빛에 반응하여 전하를 생성하는 제4 포토 다이오드(PD4)를 포함할 수 있다. 제2 픽셀(Gr) 및 제3 픽셀(Gb)은 녹색 컬러 필터를 통과한 빛에 반응하여 전하를 생성하는 제2 포토 다이오드(PD2) 및 제3 포토 다이오드(PD3)를 각각 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라서 픽셀 그룹(PG)에 포함되는 픽셀들의 개수와 픽셀들의 배치 형태, 및 픽셀들 각각의 포토 다이오드가 반응하는 빛의 색상 등은 다양하게 변형될 수 있다.
도 21의 회로도를 참조하면, 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4) 외에, 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4)에서 생성된 전하를 플로팅 디퓨전(FD)으로 이동시키기 위한 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4)과 제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1-TX4)를 제외한 플로팅 디퓨전(FD), 구동 트랜지스터(DX), 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX)를 서로 공유할 수 있다.
픽셀 그룹(PG)에 포함된 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)은 소정의 순서에 따라 하나씩 턴-온될 수 있다. 일례로, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온되어 플로팅 디퓨전(FD)이 리셋되고 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온되면, 리드아웃 회로는 칼럼 라인(COL)을 통해 리셋 전압을 검출할 수 있다. 이후 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온되어 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전(FD)으로 이동하면, 리드아웃 회로는 칼럼 라인(COL)을 통해 제1 픽셀(R)의 픽셀 전압을 획득할 수 있다.
제1 픽셀(PX1)의 픽셀 전압을 획득한 후, 다시 플로팅 디퓨전(FD)이 리셋되며 리드아웃 회로는 칼럼 라인(COL)을 통해 리셋 전압을 획득할 수 있다. 이후 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온되어 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전(FD)에 축적되면, 리드아웃 회로는 칼럼 라인(COL)을 통해 제2 픽셀(Gr)의 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 리드아웃 회로는 하나의 픽셀 그룹(PG)에 포함되는 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)에서 순차적으로 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 리드아웃 회로가 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)에서 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하는 순서는 다양하게 변형될 수 있다. 일례로 리드아웃 회로는 제1 픽셀(R), 제3 픽셀(Gb), 제2 픽셀(Gr), 제4 픽셀(B)의 순서로 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득할 수 있다.
도 22 내지 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 이하, 설명의 편의를 위하여 도 20 및 도 21에 도시한 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA2)를 함께 참조하여 이미지 센서의 동작을 설명하기로 한다. 다만, 도 22 내지 도 25를 참조하여 설명하는 이미지 센서의 동작은, 도 20 및 도 21에 도시한 실시예와 다른 구조의 픽셀 어레이에도 적용될 수 있다.
우선 도 22를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(600)는 공통 램프 전압 경로(601), 버퍼 회로(610), 스위치 회로(620), 샘플링 회로(630), 및 아날로그-디지털 컨버터(640) 등을 포함할 수 있다. 공통 램프 전압 경로(601)는 램프 전압 생성기가 생성 및 출력하는 램프 전압(RMP)을 공급할 수 있다. 샘플링 회로(630)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함할 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은 램프 전압(RMP)을 입력받는 제1 입력단과, 복수의 칼럼 라인들(COL0-COLN-1: COL)에 연결되는 제2 입력단을 포함할 수 있다.
샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단은 램프 버퍼(RB)를 통해 공통 램프 전압 경로(601)에 연결되어 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다. 또한, 샘플러들(SA)의 제1 입력단들에는 램프 전압 경로들(621)이 연결되고, 램프 전압 경로들(621) 사이에는 스위치 소자들(SW)이 연결될 수 있다. 이미지 센서(600)의 컨트롤 로직은 스위치 소자들(SW)을 턴-오프 또는 턴-온함으로써 이미지 센서(600)의 노이즈 특성을 개선하고 소모 전력을 관리할 수 있다.
일례로, 스위치 소자들(SW)은 이미지 센서(600)의 동작 모드, 이미지 센서(600)의 동작 환경, 이미지 센서(600)가 생성한 이미지 데이터에서 나타나는 노이즈 특성 등에 기초하여 턴-온 또는 턴-오프될 수 있다. 일례로, 밴드 노이즈 증가가 예상될 경우, 이미지 센서(600)의 컨트롤 로직은 스위치 소자들(SW)을 턴-오프하여 샘플러들(SA) 중 적어도 하나의 동작 과정에서 발생하는 램프 전압의 노이즈가 다른 샘플러들(SA)에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또한 시간적 노이즈 증가가 예상될 경우, 컨트롤 로직은 스위치 소자들(SW)을 턴-온하여 노이즈 평균화 기법으로 시간적 노이즈를 최소화할 수 있다.
도 23 내지 도 25를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(700)는 공통 램프 전압 경로(701), 버퍼 회로(710), 스위치 회로(720), 샘플링 회로(730), 및 아날로그-디지털 컨버터(740) 등을 포함할 수 있다. 공통 램프 전압 경로(701)와 버퍼 회로(710) 및 샘플링 회로(730)의 구성 및 동작 등은 도 22를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
스위치 회로(720)는 복수의 라인 버퍼들(LB), 복수의 램프 전압 경로들(721-723) 및 복수의 멀티플렉서들(MUX) 등을 포함할 수 있다. 라인 버퍼들(LB) 각각은 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)에 연결되는 입력단들과, 하나의 출력단을 가질 수 있다. 라인 버퍼들(LB) 각각의 출력단은 복수의 램프 전압 경로들(721-723) 중 하나에 연결될 수 있다. 실시예들에 따라 라인 버퍼들(LB)은 생략될 수도 있으며, 라인 버퍼들(LB)이 생략되면 복수의 램프 버퍼들(RB) 각각의 출력단이 복수의 램프 전압 경로들(721-723) 중 하나에 직접 연결될 수 있다.
복수의 멀티플렉서들(MUX)은 복수의 램프 전압 경로들(721-723) 중 하나를 선택하여 샘플러들(SA) 각각의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 일례로, 제1 내지 제3 램프 전압 경로들(721-723) 각각은 적색, 녹색, 청색에 대응하는 램프 전압 경로로 설정될 수 있다. 멀티플렉서들(MUX)은, 칼럼 라인들(COL)을 통해 샘플러들(SA)에 연결된 픽셀들의 색상에 기초하여, 제1 내지 제3 램프 전압 경로들(721-723) 중 하나를 선택할 수 있다.
도 23을 참조하면, 제1 로우 라인(ROW0)에 연결되는 픽셀 그룹들(PG)에서 제1 픽셀들(R)이 선택되는 제1 시간 동안, 멀티플렉서들(MUX)이 제1 램프 전압 경로(721)를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 제1 시간 동안, 샘플러들(SA)의 제1 입력단들은 제1 램프 전압 경로(721)에 공통으로 연결될 수 있다.
도 24를 참조하면, 제1 시간 이후의 제2 시간 및 제3 시간 동안, 멀티플렉서들(MUX)이 제2 램프 전압 경로(722)를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 제2 시간은 제1 로우 라인(ROW0)에 연결되는 픽셀 그룹들(PG)에서 제2 픽셀들(Gr)이 선택되는 수평 주기에 대응하는 시간일 수 있다. 제3 시간은 제1 로우 라인(ROW0)에 연결되는 픽셀 그룹들(PG)에서 제3 픽셀들(Gb)이 선택되는 수평 주기에 대응하는 시간일 수 있다.
도 25를 참조하면, 제3 시간 이후의 제4 시간 동안, 멀티플렉서들(MUX)이 제3 램프 전압 경로(723)를 선택하여 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결할 수 있다. 제4 시간은, 제1 로우 라인(ROW0)에 연결되는 픽셀 그룹들(PG)에서 제4 픽셀들(B)이 선택되는 수평 주기에 대응하는 시간일 수 있다.
도 22 내지 도 25를 참조하여 설명한 실시예에서, 픽셀 어레이(PA2)를 한 번 스캔하는 동안, 제2 램프 전압 경로(722)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결되는 시간은, 제1 램프 전압 경로(721)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결되는 시간, 및 제3 램프 전압 경로(723)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결되는 시간보다 길 수 있다. 일례로, 제2 램프 전압 경로(722)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결되는 시간은, 제1 램프 전압 경로(721)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결되는 시간과, 제3 램프 전압 경로(723)가 샘플러들(SA)의 제1 입력단에 연결되는 시간의 합과 실질적으로 같을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 스위치 회로(720)는 제1 내지 제3 램프 전압 경로들(721-723) 외에 제4 램프 전압 경로를 더 포함할 수도 있다. 제1 내지 제4 램프 전압 경로들은, 각각 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출할 때 샘플러들(SA)에 램프 전압을 입력하는 경로로 제공될 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA3)는 복수의 로우 라인들(ROW0-ROWM-1: ROW)과 복수의 칼럼 라인들(COL0-COLN-1: COL)의 교차 지점에 연결되는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들은 적색 컬러 필터를 갖는 제1 픽셀들(R), 녹색 컬러 필터를 가지며 로우 방향에서 제1 픽셀들(R) 사이에 배치되는 제2 픽셀들(Gr), 녹색 컬러 필터를 가지며 칼럼 방향에서 제1 픽셀들(R) 사이에 배치되는 제3 픽셀들(Gb), 및 청색 컬러 필터를 갖는 제4 픽셀들(B)을 포함할 수 있다. 로우 방향과 칼럼 방향에서 서로 인접한 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 하나의 픽셀 그룹(PG)을 제공하며, 하나의 픽셀 그룹(PG)에 포함되는 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)은 칼럼 라인들(COL) 중 하나를 공유할 수 있다. 도 26에 도시한 일 실시예에서는, 서로 인접한 픽셀 그룹들(PG) 각각에서 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B)의 배치 형태가 서로 다를 수 있다.
도 27 내지 도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 이하, 설명의 편의를 위하여 도 26에 도시한 실시예에 따른 픽셀 어레이(PA3)를 함께 참조하여 이미지 센서의 동작을 설명하기로 한다. 다만, 도 27 내지 도 30을 참조하여 설명하는 이미지 센서의 동작은, 도 26에 도시한 실시예와 다른 구조의 픽셀 어레이들에도 적용될 수 있다.
도 27 내지 도 30을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(800)는 램프 전압(RMP)을 공급하는 공통 램프 전압 경로(801), 버퍼 회로(810), 스위치 회로(820), 샘플링 회로(830), 및 아날로그-디지털 컨버터(840) 등을 포함할 수 있다. 공통 램프 전압 경로(801), 버퍼 회로(810), 스위치 회로(820), 샘플링 회로(830), 및 아날로그-디지털 컨버터(840)의 구성은 앞서 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
로우 드라이버가 제1 로우 라인(ROW0)을 스캔하면, 하나의 수평 주기에 대응하는 제1 시간 동안, 홀수번째 픽셀 그룹들(PG)에서는 제1 픽셀들(R)이 선택되고, 짝수번째 픽셀 그룹들(PG)에서는 제4 픽셀들(B)이 선택될 수 있다. 따라서, 도 27에 도시한 바와 같이, 홀수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제1 램프 전압 경로들(821)로부터 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다. 또한, 짝수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제2 램프 전압 경로들(822)로부터 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다. 같은 색상의 빛에 반응하여 전하를 생성하는 픽셀들이 출력하는 리셋 전압과 픽셀 전압을, 하나의 램프 전압 경로가 공급하는 램프 전압과 비교함으로써, 이미지 센서(800)의 선형성 저하를 최소화할 수 있다.
제1 시간이 종료되고 제2 시간이 시작되면, 도 28에 도시한 바와 같이 홀수 번째 칼럼 라인들은 제3 픽셀들(Gb)에 연결되고, 짝수번째 칼럼 라인들은 제2 픽셀들(Gr)에 연결될 수 있다. 홀수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)은, 멀티플렉서들(MUX)이 선택한 제1 램프 전압 경로들(821)로부터 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다. 또한, 짝수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)은, 멀티플렉서들(MUX)이 선택한 제2 램프 전압 경로들(822)로부터 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다. 제2 픽셀들(Gr)과 제3 픽셀들(Gb)은 녹색의 빛에 반응하여 전하를 생성하지만, 이미지 센서(800) 또는 이미지 센서(800)와 연결된 다른 프로세서의 이미지 처리 과정에서는 제2 픽셀들(Gr)과 제3 픽셀들(Gb) 각각에서 획득한 데이터가 별도로 처리될 수 있다. 따라서, 제2 시간 동안 제2 픽셀들(Gr)에 연결되는 샘플러들(SA)과 제3 픽셀들(Gb)에 연결되는 샘플러들(SA)은, 서로 다른 램프 전압 경로들(821, 822)을 통해 램프 전압(RMP)을 입력받을 수 있다.
도 29는 제2 시간 이후의 제3 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 일 실시예에서, 제3 시간 동안, 홀수번째 칼럼 라인들은 제2 픽셀들(Gr)에 연결되고, 짝수번째 칼럼 라인들은 제3 픽셀들(Gb)에 연결될 수 있다. 멀티플렉서들(MUX)은, 홀수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제1 램프 전압 경로(821)에 연결하고, 짝수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제2 램프 전압 경로(822)에 연결할 수 있다.
도 30은 제3 시간 이후 제4 시간 동안 이미지 센서(800)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 30을 참조하면, 제4 시간 동안 홀수번째 칼럼 라인들은 제4 픽셀들(B)에 연결되고, 짝수번째 칼럼 라인들은 제1 픽셀들(R)에 연결될 수 있다. 멀티플렉서들(MUX)은, 홀수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제1 램프 전압 경로(821)에 연결하고, 짝수번째 칼럼 라인들에 연결되는 샘플러들(SA)의 제1 입력단들을 제2 램프 전압 경로(822)에 연결함으로써, 같은 색상의 픽셀들에 연결된 샘플러들(SA)이 램프 전압 경로를 공유하도록 설정할 수 있다.
도 27 내지 도 30을 참조하여 설명한 일 실시예에서는, 제1 내지 제4 시간들 동안 멀티플렉서들(MUX)의 스위칭 동작이 발생하지 않을 수 있다. 홀수번째 칼럼 라인들에 연결된 샘플러들(SA)은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제1 내지 제4 시간들 동안 제1 램프 전압 경로(821)에 계속 연결될 수 있다. 짝수번째 칼럼 라인들에 연결된 샘플러들(SA)은, 멀티플렉서들(MUX)에 의해 제1 내지 제4 시간들 동안 제2 램프 전압 경로(821)에 계속 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 및 제2 램프 전압 경로들(821, 822) 외에 제3 램프 전압 경로가 스위치 회로(830)에 추가될 수 있다. 제1 내지 제3 램프 전압 경로들 각각은 적색, 녹색, 청색 빛에 각각 반응하는 픽셀들이 출력하는 리셋 전압 및 픽셀 전압과 비교되는 램프 전압(RMP)을 출력할 수 있다. 또는, 제1 및 제2 램프 전압 경로들(821, 822)외에 제3 및 제4 램프 전압 경로들을 스위치 회로(830)에 추가하고, 제1 내지 제4 램프 전압 경로들 각각을 제1 내지 제4 픽셀들(R, Gr, Gb, B) 각각에 대응시킬 수도 있다.
도 31 및 도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 일 실시예에서, 도 31 및 도 32는 이미지 센서에 포함되는 리드아웃 회로의 일부를 도시한 도면들일 수 있다.
도 31 및 도 32를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(900)는 램프 전압(RMP)을 공급하는 공통 램프 전압 경로(901), 복수의 램프 버퍼들(RB)을 갖는 버퍼 회로(910), 스위치 회로(920), 샘플링 회로(930) 및 아날로그-디지털 컨버터(940) 등을 포함할 수 있다. 버퍼 회로(910)와 샘플링 회로(930) 및 아날로그-디지털 컨버터(940)의 구성 및 동작은, 앞서 설명한 실시예들을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
스위치 회로(920)는 복수의 라인 버퍼들(LB)과 스위치 소자들(SW), 및 램프 전달 경로들(921)을 포함할 수 있다. 복수의 라인 버퍼들(LB)은 둘 이상의 램프 버퍼들(RB)의 출력을 하나로 묶어서 내보낼 수 있다. 복수의 라인 버퍼들(LB) 각각의 출력단은, 램프 전압 경로들(921) 중 하나에 연결될 수 있다. 램프 전압 경로들(921)은 스위치 소자들(SW)에 의해 서로 연결되거나 분리될 수 있다.
스위치 소자들(SW)은 이미지 센서(900)의 컨트롤 로직에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직은, 이미지 센서(900)의 동작 모드, 동작 환경, 이미지 센서(900)가 생성하는 이미지 데이터의 노이즈 특성, 및 컨트롤 로직에 저장된 레지스터 값 등에 기초하여 스위치 소자들(SW)을 제어할 수 있다.
일례로, 외부에서 유입되는 빛의 세기가 강한 경우, 컨트롤 로직은 도 31에 도시한 바와 같이 스위치 소자들(SW)을 턴-오프할 수 있다. 반면 외부에서 유입되는 빛의 세기가 약한 경우, 컨트롤 로직은 도 32에 도시한 바와 같이 스위치 소자들(SW)을 턴-온할 수 있다. 컨트롤 로직은 외부 조도를 감지하고, 그 결과값을 소정의 임계값과 비교함으로써 스위치 소자들(SW)의 온/오프 여부를 결정할 수 있다.
컨트롤 로직은 미리 저장된 레지스터 값에 기초하여 스위치 소자들(SW)을 제어할 수 있다. 일례로, 이미지 센서(900)가 탑재된 전자 기기가 최종 사용자에게 판매된 후, 이미지 센서(900)의 사용 과정에서 나타낸 문제를 해결하기 위해 새로 배포된 펌웨어 등에 의해서, 스위치 소자들(SW)에 대한 컨트롤 로직의 제어 방법이 변경될 수도 있다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 33에 도시한 실시예에 따른 컴퓨터 장치(1000)는 이미지 센서(1010), 디스플레이(1020), 메모리(1030), 프로세서(1040), 및 포트(1050) 등을 포함할 수 있다. 이외에 컴퓨터 장치(1000)는 유무선 통신 장치, 전원 장치 등을 더 포함할 수 있다. 도 33에 도시된 구성 요소 가운데, 포트(1050)는 컴퓨터 장치(1000)가 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하기 위해 제공되는 장치일 수 있다. 컴퓨터 장치(1000)는 일반적인 데스크톱 컴퓨터나 랩톱 컴퓨터 외에 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 웨어러블 기기 등을 모두 포괄하는 개념일 수 있다.
프로세서(1040)는 특정 연산이나 명령어 및 태스크 등을 수행할 수 있다. 프로세서(1040)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로프로세서 유닛(MCU), 시스템 온 칩(SoC) 등일 수 있으며, 버스(1060)를 통해 이미지 센서(1010), 디스플레이(1020), 메모리 장치(1030)는 물론, 포트(1050)에 연결된 다른 장치들과 통신할 수 있다.
메모리(1030)는 컴퓨터 장치(1000)의 동작에 필요한 데이터, 또는 멀티미디어 데이터 등을 저장하는 저장 매체일 수 있다. 메모리(1030)는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 휘발성 메모리나, 또는 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한 메모리(1030)는 저장장치로서 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 및 광학 드라이브(ODD) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 입출력 장치(1020)는 사용자에게 제공되는 키보드, 마우스, 터치스크린 등과 같은 입력 장치 및 디스플레이, 오디오 출력부 등과 같은 출력 장치를 포함할 수 있다.
이미지 센서(1010)는 패키지 기판에 실장되어 버스(1060) 또는 다른 통신 수단에 의해 프로세서(1040)와 연결될 수 있다. 이미지 센서(1010)는 도 1 내지 도 32를 참조하여 설명한 다양한 실시예들에 따른 형태로 컴퓨터 장치(1000)에 채용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들에 연결되는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이;
    램프 전압 생성기가 생성하는 램프 전압을 출력하는 복수의 램프 버퍼들;
    상기 램프 전압을 입력받는 제1 입력단, 및 상기 복수의 칼럼 라인들 중 하나와 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러를 복수 개 포함하는 샘플링 회로; 및
    상기 샘플러들의 상기 제1 입력단들을 선택적으로 서로 연결하거나 분리하는 스위치 회로; 를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 회로는, 상기 샘플러들의 상기 제1 입력단들 사이에 연결되는 복수의 스위치 소자들을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 스위치 소자들은 제1 모드에서 턴-오프되고 상기 제1 모드와 다른 제2 모드에서 턴-온되며,
    상기 제1 모드에서 상기 픽셀 어레이가 수신하는 빛의 세기는, 상기 제2 모드에서 상기 픽셀 어레이가 수신하는 빛의 세기보다 큰 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 회로는, 상기 램프 버퍼들로부터 상기 램프 전압을 입력받는 복수의 램프 전압 경로들, 및 상기 복수의 램프 전압 경로들 중 하나를 선택하여 상기 제1 입력단에 연결하는 복수의 멀티플렉서들을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 멀티플렉서들은, 같은 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들에 연결된 샘플러들의 상기 제1 입력단들을, 상기 복수의 램프 전압 경로들 중 하나에 공통으로 연결하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 회로는,
    둘 이상의 상기 램프 버퍼들에 연결되는 복수의 입력단들과, 둘 이상의 상기 제1 입력단들에 연결되는 하나의 출력단을 각각 갖는 복수의 라인 버퍼들; 및
    상기 복수의 라인 버퍼들의 상기 출력단들 사이에 연결되는 복수의 스위치 소자들; 을 갖는 이미지 센서.
  7. 제1 칼럼 라인에 연결되는 복수의 제1 픽셀들, 및 제2 칼럼 라인에 연결되는 복수의 제2 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이;
    램프 전압 생성기가 출력하는 램프 전압을 입력받는 하나 이상의 램프 전압 경로들;
    상기 램프 전압 경로들 중 적어도 하나, 및 상기 제1 칼럼 라인에 연결되는 제1 샘플러;
    상기 램프 전압 경로들 중 적어도 하나, 및 상기 제2 칼럼 라인에 연결되는 제2 샘플러; 및
    제1 모드에서 상기 제1 샘플러와 상기 제2 샘플러를 상기 램프 전압 경로들 중 하나에 공통으로 연결하고, 상기 제1 모드와 다른 제2 모드에서 상기 제1 샘플러와 상기 제2 샘플러를 서로 다른 상기 램프 전압 경로들에 연결하는 컨트롤 로직; 을 포함하는 이미지 센서.
  8. 램프 전압을 입력받는 제1 입력단, 및 칼럼 라인을 통해 복수의 픽셀들에 연결되는 제2 입력단을 갖는 샘플러;
    상기 램프 전압을 공급하는 제1 램프 전압 경로와 제2 램프 전압 경로;
    상기 제1 램프 전압 경로와 상기 제2 램프 전압 경로 중 적어도 하나를 선택하여 상기 제1 입력단에 연결하는 스위치 회로; 및
    제1 시간 동안 상기 제1 램프 전압 경로가 상기 제1 입력단에 연결되고, 상기 제1 시간과 다른 제2 시간 동안 상기 제2 램프 전압 경로가 상기 제1 입력단에 연결되도록 상기 스위치 회로를 제어하는 컨트롤 로직; 을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 시간 및 상기 제2 시간 각각은, 상기 복수의 픽셀들 중 하나로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 읽어오는 데에 필요한 수평 주기이며, 상기 제2 시간은 상기 제1 시간 이후에 시작되는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 샘플러는 복수의 샘플러들을 포함하며, 상기 제1 시간 및 상기 제2 시간 중 적어도 하나 동안, 상기 샘플러들의 상기 제1 입력단들은 상기 제1 램프 전압 경로 및 상기 제2 램프 전압 경로 중 하나에 공통으로 연결되고,
    상기 복수의 픽셀들 중에서 제1 방향 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향에서 인접하는 일부의 픽셀들은 하나의 상기 칼럼 라인에 연결되는 이미지 센서.
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