KR20210037302A - 이미지 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

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황민지
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Abstract

이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법이 개시된다. 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 각각이 적어도 하나의 광 감지 소자 및 상기 광 감지 소자에서 생성되는 전하를 플로팅 디퓨전 노드로 전송하도록 구성된 스위칭 소자를 포함하는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 동일한 컬럼 라인에 연결되는 픽셀 어레이; 및 상기 제2 픽셀의 독출 구간에, 상기 제1 픽셀의 상기 스위칭 소자에 제1 레벨에서 상기 제1 레벨보다 낮은 제2 레벨로 천이하는 클램핑 제어 신호를 제공하도록 구성된 로우 드라이버를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 그 동작 방법 {Image sensor, and operation method thereof}
본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 픽셀에 기초하여 픽셀 신호를 생성하는 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 대상물의 2차원적 또는 3차원적 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 이미지 센서는 대상물로부터 반사되는 빛의 세기에 따라 반응하는 광 감지 소자를 이용해 대상물의 이미지를 생성한다. 최근 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기술이 발전하면서, CMOS를 이용한 CMOS 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는, 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호가 과도하게 낮아지는 것을 방지하는 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 각각이 적어도 하나의 광 감지 소자 및 상기 광 감지 소자에서 생성되는 전하를 플로팅 디퓨전 노드로 전송하도록 구성된 스위칭 소자를 포함하는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 동일한 컬럼 라인에 연결되는 픽셀 어레이; 및 상기 제2 픽셀의 독출 구간에, 상기 제1 픽셀의 상기 스위칭 소자에 제1 레벨에서 상기 제1 레벨보다 낮은 제2 레벨로 천이하는 클램핑 제어 신호를 제공하도록 구성된 로우 드라이버를 포함할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서 및 픽셀 어레이에 따르면, 컬럼 라인에서 출력되는 픽셀신호를 동일한 컬럼 라인의 복수의 픽셀들을 이용하여 조절함으로써 픽셀 노이즈를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적에 따른 픽셀 어레이 및 ADC를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 픽셀의 독출 동작을 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작 시 픽셀 어레이의 신호들을 나타내는 타이밍도이다.
도 6은 승자승 회로를 나타낸다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다.
도 8a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타낸다.
도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 개시의 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다.
도 10a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 클램핑 레벨을 나타내는 도면이다.
도 10b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전류원의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 독출 동작을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 이미지 센서의 독출 동작 시 픽셀 어레이의 신호들을 나타내는 타이밍도이다.
도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 예시적에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
이미지 센서(100)는 이미지 또는 광 센싱 기능을 갖는 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다. 또한 이미지 센서(100)는 차량, 가구, 제조 설비, 도어, 각종 계측 기기 등에 부품으로서 구비되는 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter; 이하 ADC, 130), 타이밍 생성기(Timing Generator, 170), 및 버퍼(Buffer, 180)를 포함할 수 있다. ADC(130)는 비교 블록(140) 및 카운터 블록(150)을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 각각이 복수의 로우 라인(RL)들, 복수의 컬럼 라인(COL)들, 및 복수의 로우 라인(RL)들 및 컬럼 라인(COL)과 접속되며 매트릭스 형태로 배치된 복수의 픽셀(111)들을 포함한다. 도 1에는 픽셀 어레이(110)가 4 행 4열로 배열된 16개의 픽셀(111)들을 포함하는 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 픽셀 어레이(110)는 더 많은 수의 픽셀들을 포함할 수 있다.
복수의 로우 라인(RL)들 각각은 로우 방향으로 연장되며, 동일한 로우에 배치된 픽셀(111)들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 동일한 로우에 배치된 픽셀들(111)에 세 개의 로우 라인(RL)들이 연결될 수 있으며, 각각의 로우 라인(RL)은 도 2에서 후술하는 바와 같이 리셋 트랜지스터, 전송 트랜지스터 및 선택 트랜지스터 각각에 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 제어 신호를 전송할 수 있다. 복수의 컬럼 라인(COL)들 각각은 컬럼 방향으로 연장되며, 동일한 컬럼에 배치된 픽셀(111)들에 연결될 수 있다. 복수의 컬럼 라인(COL)들 각각은 ADC(130)로 픽셀 신호(PXS)를 출력할 수 있다.
복수의 픽셀(111)들 각각은 광 감지 소자(또는 광전 변환 소자라고 함)를 포함한다. 예컨대, 광 감지 소자는 포토(photo) 다이오드, 포토 트랜지스터, 포트 게이트 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photodiode) 등을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(111)들 각각은 적어도 하나의 광 감지 소자를 포함할 수 있으며, 실시예에 있어서, 복수의 픽셀(111)들 각각은 복수의 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 복수의 광 감지 소자는 동일한 층에 배치되거나, 또는 서로 수직한 방향으로 적층될 수도 있다.
복수의 픽셀(111)들 각각의 상부, 또는 인접한 픽셀(111)들로 구성되는 픽셀 그룹들 각각의 상부에 집광을 위한 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. 복수의 픽셀(111)들 각각은 마이크로 렌즈를 통해 수신된 빛으로부터 특정 스펙트럼 영역의 빛을 감지할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110)는 레드(red) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀, 및 블루(blue) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(111)들 각각의 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 컬러 필터가 배치될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 픽셀 어레이(110)는 레드, 그린 및 블루 외에 다른 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 픽셀들을 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 복수의 픽셀(111)들은 멀티-레이어 구조를 가질 수도 있다. 멀티-레이어 구조의 픽셀(111)은 서로 다른 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 적층된 광 감지 소자들을 포함하며, 광 감지 소자들로부터 서로 다른 색상에 대응하는 전기 신호들이 생성될 수 있다. 다시 말해서, 하나의 픽셀(111)에서 복수의 색에 대응하는 전기 신호들이 출력될 수 있다.
복수의 픽셀(111)들은 광 감지 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 이를 전기적 신호인 픽셀 신호(예컨대 픽셀 전압)로 변환할 수 있다. 예를 들어, 복수의 픽셀(111)들은 밝은 빛이 인가되면 많은 전자(광전하)를 방출할 수 있다. 빛이 밝아질수록 광 감지 소자에서 출력되는 전압 값은 낮아질 수 있다. 출력되는 전압 값이 과도하게 낮아지는 경우 밴드 노이즈(Band noise) 등의 다양한 노이즈가 발생될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 생성기(170)에서 수신한 제어 신호(예컨대 로우 어드레스 신호)에 따라 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우 라인(RL)을 선택할 수 있다. 선택된 로우 라인(RL)에 연결된 픽셀(111)들은 픽셀 신호(PXS)들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 신호(PXS)는 리셋 상태에 대응하는 전압, 광 전하에 대응하는 전압 및 클램핑 전압 중 어느 하나를 가질 수 있다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 로우 단위로 구동하며, 픽셀(111)의 독출 동작을 제어할 수 있다. 이하에서 독출 동작이란, 픽셀을 리셋하고 픽셀로부터 광 전하량에 대응하는 크기의 픽셀 신호(PXS)를 출력하는 동작을 의미할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인(RL)들을 통해 제어 신호들을 복수의 픽셀(111)들에 출력함으로써, 픽셀 어레이(110)의 독출 동작을 제어할 수 있다. 독출 동작이 수행되는 선택된 로우를 독출 로우로, 나머지 로우들을 비독출 로우로 지칭하고, 독출 동작이 수행되는 픽셀을 독출 픽셀로, 나머지 픽셀들을 비독출 픽셀로 지칭하기로 한다.
본 실시예에 있어서, 로우 드라이버(120)는 독출 로우의 픽셀(111)들에서 독출 동작이 수행될 때, 인접한 비선택된 로우의 픽셀들(111)이 클램핑 회로로서 동작하도록 제어할 수 있다. 클램핑 회로는 컬럼 라인(COL)의 전압, 즉 픽셀 신호(PXS)(예컨대 픽셀 전압)의 레벨이 소정의 레벨 아래로 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(11)의 제1 내지 제4 로우(R1~R4) 중 제3 로우(R3)의 픽셀들(111)에서 독출 동작이 수행될 때, 로우 드라이버(120)는 인접한 비독출 로우, 예컨대 제2 로우(R2)의 픽셀들(111)이 클램핑 회로로서 동작하도록 제어할 수 있다. 실시예에 있어서, 한 프레임 내에서 독출이 완료된 로우, 또는 더미 로우의 픽셀들(111)이 클램핑 회로로서 동작할 수 있다. 이하, 본 개시에서, 클램핑 회로로서 동작하는 픽셀들을 클램핑 픽셀로, 클램핑 픽셀을 포함하는 로우들을 클램핑 로우로 지칭하기로 한다.
실시예에 있어서, 로우 드라이버(120)는 비선택된 로우의 픽셀들(111)에 클램핑 제어 신호를 제공할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 비선택된 로우의 픽셀들(111)에 연결된 로우 라인(RL)을 통해 클램핑 제어 신호를 제공할 수 있다. 클램핑 제어 신호는 선택된 로우의 픽셀들(111)에서 독출 동작이 수행될 때의 일 시점에 제1 레벨에서 제2 레벨로 천이될 수 있다. 이 때, 제2 레벨은 제1 레벨보다 낮으며, 클램핑 제어 신호는 독출 구간에 포함되는 복수의 서브 구간들 중 리셋 카운팅 구간에 또는 전하 전송 구간 이전에 제1 레벨에서 제2 레벨로 천이될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 선택된 로우의 픽셀들(111)에서 독출 동작이 수행될 때, 선택된 로우의 픽셀들(111)에 연결된 로우 라인(RL)을 통해 선택된 로우의 픽셀들(111) 각각에 전송 제어 신호를 제공하고, 인접한 비선택된 로우의 픽셀들(111)에 연결된 로우 라인을 통해 비선택된 로우의 픽셀들(111)에 각각에 클램핑 제어 신호를 제공할 수 있다.
실시예에 있어서, 전송 제어 신호 및 클램핑 제어 신호는 픽셀들(111)에 구비되는 전하 전송 소자의 구동 단자, 예컨대 전하 전송 트랜지스터의 게이트 단자로 입력될 수 있다. 예컨대, 전송 제어 신호는 선택된 로우의 픽셀들(111)에 구비되는 전송 트랜지스터들의 게이트 단자로 입력되고, 클램핑 제어 신호는 선택된 로우에 인접한 적어도 하나의 비선택된 로우의 픽셀들(111)에 구비되는 전송 트랜지스터들의 게이트 단자로 입력될 수 있다.
램프 신호 발생기(160)는 램프 신호(RAMP)를 생성할 수 있다. 램프 신호 발생기(160)는 타이밍 생성기(170)로부터 제공되는 램프 제어 신호에 기초해 동작할 수 있다. 램프 제어 신호는 램프 인에이블 신호, 모드 신호 등을 포함할 수 있다. 램프 신호 발생기(160)는 램프 인에이블 신호가 활성화되면, 모드 신호에 기초하여 설정되는 기울기를 가지는 램프 신호를 생성할 수 있다.
ADC(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 수신되는 픽셀 신호(PXS), 즉 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 예를 들어, ADC(130)는 리셋 신호와 이미지 신호의 차이를 유효하게 검출하기 위하여, 픽셀 신호(PXS)를 램프 신호(RAMP)와 비교한 결과를 생성할 수 있다. ADC(130)는 비교 결과로서 출력되는 신호를 카운트하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
비교 블록(140)은 복수의 비교 회로(141)들을 포함할 수 있으며, 복수의 비교 회소(141) 각각은 대응하는 컬럼 라인(COL)을 통해 수신되는 픽셀 신호(PXS)를 램프 신호(RAMP)와 비교하고, 비교 결과를 출력할 수 있다.
비교 회로(141)는 상관 이중 샘플링 기법(Correlated Double Sampling)이 적용되는 비교 결과 신호를 생성할 수 있으며, 상관 이중 샘플링 회로로 지칭될 수 있다. 복수의 픽셀(111)들로부터 출력되는 픽셀 신호들은 각 픽셀마다 가지는 픽셀 고유의 특성(예컨대, FPN(Fixed Pattern Noise) 등)에 의한 편차 및/또는 픽셀(111)로부터 픽셀 신호를 출력하기 위한 로직의 특성 차이에 기인한 편차를 가질 수 있다. 이러한 픽셀 신호들간의 편차를 보상하기 위하여, 픽셀 신호들 각각에 대하여 리셋 성분(또는 리셋 신호) 및 이미지 성분(또는 이미지 신호)을 구하고 그 차이를 유효한 신호 성분으로 추출하는 것을 상관 이중 샘플링이라고 한다. 비교 회로(141)는 상관 이중 샘플링 기법이 적용되는 비교 결과 신호를 출력할 수 있다.
카운터 블록(150)은 복수의 카운터(151)들을 포함할 수 있다. 복수의 카운터(151)들 각각은 비교 회로(141)들의 출력단에 연결되어 각 비교 회로(141)의 출력에 기초하여 카운트할 수 있다. 카운터 제어 신호는 카운터 클럭 신호, 복수의 카운터(151)들의 리셋(reset) 동작을 제어하는 카운터 리셋 신호, 및 복수의 카운터(151)들 각각의 내부 비트를 반전시키는 반전 신호 등을 포함할 수 있다. 카운터 블록(150)은 카운터 클럭 신호에 따라 비교 결과 신호를 카운팅하여 디지털 값으로서 출력한다.
버퍼(180)는 컬럼 메모리 블록(181) 및 센스 앰프(182)를 포함하고, 컬럼 메모리 블록(181)은 복수의 메모리(183)들을 포함할 수 있다. 복수의 메모리(183)들 각각은 복수의 카운터(151) 각각으로부터 출력되는 디지털 신호, 예컨대 픽셀 데이터를 임시 저장한 후 센스 앰프(182)로 출력하며, 센스 앰프(182)는 복수의 메모리(183)들로부터 출력되는 디지털 신호들을 센싱하고 증폭할 수 있다. 센스 앰프(182)는 증폭된 디지털 신호들을 이미지 데이터(IDTA)로서 출력할 수 있다.
타이밍 생성기(170)는 이미지 센서(100)를 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(120) 및 ADC(130) 각각에 제어 신호 또는 클럭 신호를 전송하여 로우 드라이버(120) 및 ADC(130)의 동작 또는 타이밍을 제어할 수 있다.
픽셀 어레이 (110)에 과도한 빛이 인가되어 픽셀(111)의 출력 값, 즉 픽셀 신호(PXS)의 레벨이 과도하게 낮아지는 경우, 픽셀(111)이 연결된 컬럼 라인(COL)으로부터 전류를 싱킹하는 전류원이 꺼지는 현상이 발생할 수 있다. 동일한 로우에서, 다수의 전류원이 꺼질 경우, 소비 전류 변화 및 이로 인한 전원 전압의 변동이 발생하며, 이는 밴드 노이즈의 원인이 될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 본 개시의 예시적에 따른 이미지 센서(100)는 로우 드라이버(120)가 비선택된 로우의 픽셀들을 클램핑 회로로서 동작시켜, 픽셀 신호(PXS)의 레벨이 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 개시의 예시적에 따른 이미지 센서(100)는 밴드 노이즈의 발생을 억제시킬 수 있다.
또한, 픽셀 어레이(110) 상에 배선 또는 회로의 추가없이, 디코더(120)가 선택된 픽셀들에 대한 독출 동작이 수행될 때 비선택된 적어도 하나의 로우의 픽셀들을 클램핑 픽셀들로 이용할 수 있으므로 추가적인 회로 면적 또는 소비 전력이 요구되지 않는다.
도 2는 본 개시의 예시적에 따른 픽셀 어레이 및 ADC를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 동일한 컬럼 라인(COL)에 연결된 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)은 서로 다른 로우에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)은 인접한 로우에 위치할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2) 사이에는 적어도 하나의 다른 픽셀이 위치할 수 있다. 설명의 편의상 각각의 로우에 포함하는 픽셀 중 하나만이 도시되었으나, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 로우에 다른 복수의 픽셀이 포함될 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 단위로 구동되는 바, 다른 복수의 픽셀의 동작은 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 동작과 유사할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)은 각각 리셋 트랜지스터(RX1, RX2), 전송 트랜지스터(TX1, TX2), 드라이브 트랜지스터(DX1, DX2), 선택 트랜지스터(SX1, SX2) 및 포토 다이오드(PD1, PD2)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX1, RX2), 전송 트랜지스터(TX1, TX2), 선택 트랜지스터(SX1, SX2)는 수신되는 제어 신호에 응답하여 턴-온 또는 턴-오프되며, 따라서 스위칭 소자로서 동작할 수 있다. 포토 다이오드(PD1, PD2)는 다른 광 감지 소자로 대체될 수 있다. 복수의 로우 라인(도 1의 RL)들을 통해 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2) 각각의 리셋 트랜지스터(RX1, RX2), 전송 트랜지스터(TX1, TX2) 및 선택 트랜지스터(SX1, SX2)에 제어 신호들이 전송될 수 있으며, 이 때, 복수의 로우 라인들은 픽셀 어레이(110) 상에서 로우 방향으로 연장되며, 동일한 로우에 배치된 픽셀들에 연결될 수 있다.
픽셀(PX1, PX2)의 동작을 예시적으로 제1 픽셀(PX1)을 기초로 설명하기로 한다. 제1 픽셀(PX1)에 대한 독출 동작이 수행될 경우, 포토 다이오드(PD1)는 입사되는 광의 세기에 따라 가변되는 광전하를 생성한다. 전송 트랜지스터(TX1)는 로우 드라이버(도 1의 120)로부터 출력되는 전송 제어 신호(TG1)에 따라 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)로 전송할 수 있다. 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)에 축적된 광전하에 의한 전위에 따라 드라이브 트랜지스터(DX1)는 선택 트랜지스터(SX1)로 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX1)의 드레인 노드가 상기 드라이브 트랜지스터(DX1)의 소스 노드에 연결되고, 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 선택 신호(SEL1)에 응답하여 선택 트랜지스터(SX1)가 턴-온되면, 제1 픽셀(PX1)에 연결된 칼럼 라인(COL)으로 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)의 전압 레벨에 상응하는 레벨의 출력 신호(Vout)가 출력될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX1)는 로우 드라이버(120)로부터 제공되는 리셋 신호(RS1)에 따라 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)를 전원 전압(VDD)을 기초로 리셋할 수 있다.
한편, 제1 픽셀(PX1)이 클램핑 픽셀로서 동작할 경우, 전송 트랜지스터(TX1)에는 클램핑 제어 신호(CL)가 인가되며, 클램핑 제어 신호(CL)에 응답하여 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)의 전압 레벨이 변경될 수 있다. 이 때, 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)의 전압 레벨은 포토 다이오드(PD1)에서 생성되는 광전하와는 무관하며, 클램핑 제어 신호(CL)의 레벨(전압 레벨)의 변화에 기초하여 결정될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX1)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)의 전압 레벨에 상응하는 레벨의 출력 신호(Vout)를 출력할 수 있다.
컬럼 라인(COL)의 일 단에는 전류원(PL)이 연결되며, 전류원(PL)은 컬럼 라인(COL)으로부터 부하 전류(IL)를 싱킹할 수 있다. 전류원(PL)은 픽셀 로드로 지칭될 수 있다.
제1 픽셀(PX1) 또는 제2 픽셀(PX2)로부터 출력되는 픽셀 신호(PXS)는 칼럼 라인(COL)을 통해 ADC(130)로 제공될 수 있다. ADC(130)는 비교 회로(141) 및 카운터(151)를 포함한다. 설명의 편의를 위하여, 하나의 칼럼 라인(COL)에 연결되는 하나의 비교 회로(141) 및 카운터(151)를 도시하였으나 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, ADC(130)는 복수의 칼럼 라인(COL)들에 연결되는 복수의 비교 회로(141) 및 복수의 카운터(151)를 포함할 수 있다.
비교 회로(141)는 적어도 하나의 비교기로 구현될 수 있다. 예를 들어, 비교기는 차동 증폭기, OTA(Operational Transconductance Amplifier), 소스 팔로워 등을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 비교 회로(141)의 두 입력 단자에는 커패시터들이 연결될 수 있다. 비교 회로(141)는 수신되는 픽셀 신호(PXS) 및 램프 신호(RAMP)를 비교하고, 비교 결과를 출력할 수 있다. 카운터(151)는 카운팅 클락 신호(CCLK) 및 반전 신호(CONV)를 기초로 비교 회로(141)의 출력(Vcomp)을 카운팅하여, 픽셀 데이터(PXD)로서 출력할 수 있다. 픽셀 데이터(PXD)는 픽셀 신호(PXS)에서 리셋 성분이 제거된 이미지 성분, 즉 이미지 신호에 대응하는 디지털 값을 가질 수 있다.
도 3은 픽셀의 독출 동작을 설명하는 그래프이다.
도 3에 도시된 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RS) 및 전송 제어 신호(TG)는 독출이 수행되는 픽셀에 인가되는 제어 신호들을 나타낸다. 예를 들어 도 2의 제1 픽셀(PX1)로부터 독출 동작이 수행되는 것을 가정하여 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, t0 시점 이전에 하이 레벨의 리셋 신호(RS)가 리셋 트랜지스터(RX)에 인가되고, 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)는 전원 전압(VDD)을 기초로 리셋될 수 있다. 예컨대, 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)의 전압 레벨은 전원 전압(VDD)의 레벨과 동일해질 수 있다.
t0 시점부터 t10 시점까지 독출 동작이 수행될 수 있다. 독출 동작이 수행될 때, 선택 신호(SEL)는 선택 트랜지스터(SX)를 턴-온 시키는 하이 레벨을, 리셋 신호(RS)는 리셋 트랜지스터(RX)를 턴-오프시키는 로우 레벨을 유지할 수 있다.
to 시점부터 t1 시점까지는 오토 제로 구간으로 정의되고, t1 시점부터 t10 시점까지 비교 동작 구간으로 정의될 수 있다. to 시점부터 t1 시점까지 오토 제로 신호(AZS)가 활성화될 수 있으며, 오토 제로 신호(AZS)에 응답하여, 비교 회로(141)가 초기화될 수 있다. 예컨대, 비교 회로(410)에 구비되는 비교기의 입력 노드들 및/또는 출력 노드들이 레벨이 동일해질 수 있다. 리셋 카운팅, 예컨대 픽셀의 리셋 신호의 카운팅을 위하여, t2 시점에 램프 신호(RAMP) 에 오프셋이 가해진 후, t3 시점부터 램프 신호(RAMP)가 감소할 수 있다. 카운터(151)는 t3 시점부터 비교 회로(410)의 출력(Vcomp)의 극성이 변하는 t4 시점까지 카운팅 클럭 신호(CCLK)를 기초로 출력(Vcomp)을 카운트할 수 있다. t3 시점부터 t4 시점까지 카운팅 값(CV)이 증가할 수 있다.
리셋 카운팅이 완료되면, 신호 카운팅, 예컨대 픽셀의 이미지 신호의 카운팅을 위하여, t5 시점에 램프 신호(RAMP)에 다시 오프셋이 가해진 후, t6 시점에 반전 신호(CONV)에 응답하여, 카운팅 값(CB)의 비트가 반전될 수 있다. t7 시점에서, 전송 제어 신호(TG)가 하이 레벨로 천이되고, 전송 트랜지스터(TX1)가 전송 제어 신호(TG)에 응답하여 턴-온되어 광 감지 소자(PD)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)로 전송할 수 있다. 이에 따라 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 전압 레벨을 나타내는 픽셀 신호(PXS)가 하강할 수 있다.
t8 시점부터 램프 신호(RAMP)가 감소할 수 있다. 카운터(151)는 t8 시점으로부터 램프 신호(RAMP)의 전압 레벨이 픽셀 신호(PXS)의 전압 레벨과 같아져서 비교 회로(410)의 출력(Vcomp)의 극성이 변하는 t9 시점까지 카운팅 클럭 신호(CCLK)를 기초로 출력(Vcomp)을 카운트할 수 있다. 카운팅 값(CV)은 픽셀 데이터(PXD)로서 출력될 수 있다. 신호 카운팅이 완료되면, ADC(130)가 초기화될 수 있다.
한편, 본 개시에서는 ADC(130)에 디지털 방식의 상관 이중 샘플링 기법이 적용되는 예를 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 아날로그 방식의 상관 이중 샘플링 기법이 적용될 수도 있다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다. 도 5a 및 도 5b는 본개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작 시 픽셀 어레이의 신호들을 나타내는 타이밍도이다.
도 4를 참조하면 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)은 서로 다른 로우에 배치되며, 동일한 컬럼 라인(COL)에 연결될 수 있다. 제2 픽셀(PX2)에서 독출 동작이 수행되고, 이 때, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 제2 픽셀(PX2)이 배치된 로우에 인접한 로우의 제1 픽셀(PX1)은 클램핑 픽셀로서 동작할 수 있다. 이 때, 제1 픽셀(PX1)은 독출이 완료된 픽셀 또는 더미 픽셀일 수 있다.
로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들을 통해 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)에 제어 신호들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(120)는 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2) 각각에 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RS)를 제공할 수 있다. 이 때, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)에는 동일한 선택 신호(SEL) 및 리셋 신호(RS)가 제공될 수 있다. 로우 드라이버(120)는 제2 픽셀(PX2)에 전송 제어 신호(TG)를 제공하고, 제1 픽셀(PX1)에 클램핑 제어 신호(CG)를 제공할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 제1 전송 드라이버(TXD1) 및 제2 전송 드라이버(TXD2)를 포함할 수 있다. 제1 전송 드라이버(TXD1) 및 제2 전송 드라이버(TXD2)는 증폭기, 버퍼, 인버터 등으로 구현될 수 있다.
제1 전송 드라이버(TXD1)는 클램핑 제어 신호(CG)를 생성하고 클램핑 제어 신호(CG)를 제1 픽셀(PX1)에 전송할 수 있다. 제1 전송 드라이버(TXD1)는 클램핑 기준 신호(SCLP)를 버퍼링하거나 또는 레벨 변환하여 클램핑 제어 신호(CG)를 생성할 수 있다.
제2 전송 드라이버(TXD2)는 전송 제어 신호(TG)를 생성하고, 전송 제어 신호(TG)를 제2 픽셀(PX2)에 전송할 수 있다. 제2 전송 드라이버(TXD2)는 전송 기준 신호(STX)를 버퍼링하거나 또는 레벨 변환하여 클램핑 제어 신호(CG)를 생성할 수 있다.
한편, 설명의 편의를 위하여 로우 드라이버(120)가 제1 전송 드라이버(TXD1) 및 제2 전송 드라이버(TXD1)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 로우 드라이버(120)는 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2) 각각에 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RS)를 전송하기 위한 다른 전송 드라이버들을 더 포함할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 한 로우에 대한 독출 구간(HP)은 오토-제로 구간, 리셋 카운팅 구간, 신호 전송 구간, 신호 카운팅 구간을 포함할 수 있다.
독출 구간(HP)의 초기에 활성 레벨, 예컨대 하이 레벨의 리셋 신호(RS)에 응답하여 리셋 트랜지스터(RX1, RX2)들이 턴-온됨으로써, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드들(FD1, FD2)에 전원 전압(VDD)이 인가될 수 있다. 이에 따라서, 플로팅 디퓨전 노드들(FD1, FD2)의 전압(VFD1, VFD2)(이하 플로팅 디퓨전 노드 전압이라고 함)은 전원 전압(VDD)과 같을 수 있다. 이후, 리셋 신호(RS)는 비활성 레벨, 예컨대 로우 레벨 천이되고, 선택 신호(SEL)는 활성 레벨, 예컨대 하이 레벨로 천이될 수 있다. 이 때, 클램핑 제어 신호(CG)는 하이 레벨, 예컨대 제1 전압 레벨(V1)일 수 있으며, 이후, 클램핑 제어 신호(CG)는 로우 레벨, 예컨대 제2 전압 레벨(V2)로 천이될 수 있다.
제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에는 기생 퍼캐시터(CFD)가 형성되고, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 전송 트랜지스터(TX1)의 게이트 단자 간에는 커플링 커패시터(Cc)가 형성될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX1)의 게이트 단자에 인가되는 클램핑 제어 신호(CG)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이되면, 커플링 커패시터(Cc)에 의하여, 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)이 하강할 수 있다. 이 때, 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)은 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화에 기초하여 결정될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)의 전압 변화량(△VFD1)은 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화량(△VCLP), 예컨대 제1 전압 레벨(V1)과 제2 전압 레벨(V2)의 차이에 비례할 수 있으며, 기생 퍼캐시터(CFD) 및 커플링 커패시터(Cc)의 용량에 의하여 결정될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)의 전압 변화량(△VFD1)은 수학식 1으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
따라서, 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화량(△VCLP)이 클수록 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD1)은 낮아질 수 있다.
한편, 신호 전송 구간에, 전송 제어 신호(TG)는 활성 레벨, 예컨대 하이 레벨일 수 있으며, 전송 제어 신호(TG)에 응답하여 제2 픽셀(PX2)의 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온되어 광 감지 소자(PD2)에서 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 전송할 수 있다. 이에 따라서, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드의 전압(VFD2)이 낮아질 수 있다. 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 선택 트랜지스터(SX1, SX2)들이 모두 턴-온 상태이므로, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압들(VFD1, VFD2)이 컬럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다. 이 때, 컬럼 라인(COL)의 출력 전압(Vout), 즉 픽셀 신호(도 2의 PXS)는 플로팅 디퓨전 노드 전압들(VFD1, VFD2) 중 높은 전압을 기초로 결정될 수 있다. 이에 대하여 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 승자승 회로를 나타낸다.
도 6을 참고하면, 도시된 두 개의 트랜지스터(TR1, TR2)는 본 개시의 픽셀에 포함되어 있는 드라이브 트랜지스터(DX)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 트랜지스터(TR1) 및 제2 트랜지스터(TR2) 각각 제1 픽셀(PX1)에 포함된 제1 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 제2 픽셀(PX2)에 포함된 제2 드라이브 트랜지스터(DX2)에 대응할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 제1 트랜지스터(TR1) 및 제2 트랜지스터(TR2)가 NMOS로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
제1 게이트 전압(VG1)이 제2 게이트 전압(VG2)보다 큰 경우, 공통 노드(CN)에 인가되는 전압은 제1 게이트 전압에서 게이트-소스 전압을 차감한 값과 같다. 즉, VG1 - Vgs = VCN 이 될 수 있다. 또한, 제1 게이트 전압(VG1)이 제2 게이트 전압(VG2)보다 큰 경우, 바이어스 전류(Io)는 제1 전류(I1)에 기초한 값이 되며, 제2 전류(I2)와는 무관한 값이 될 수 있다. 따라서, 게이트 전압 레벨이 큰 트랜지스터만 동작하게 되고, 게이트 전압 레벨이 낮은 트랜지스터는 동작하지 않을 수 있다. 이를 승자승 회로(winner takes all circuit)라고도 한다. 예를 들어, 도 6 및 도 4 참고하면, 도 6에서 공통 노드(CN)에 전압이 인가되는 원리는 도 4에서 컬럼 라인(COL)에 전압이 인가되는 원리와 유사하다. 이 경우, 도 6의 제1 게이트 전압(VG1) 및 제2 게이트 전압(VG2)은 각각 도 4의 제1 플로팅 디퓨전 노드(VFD1)의 전압(VFD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(VFD2)의 전압(VFD2)과 대응될 수 있다. 따라서, 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1, VFD2)들 중 높은 전압이 컬럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다. 컬럼 라인(COL)의 전압(Vout)은 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1, VFD2)들 중 높은 전압에 대응할 수 있다.
계속하여 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 신호 전송 구간 이전에는 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)은 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)과 같거나 낮으므로, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 출력 전압(Vout)으로서 출력될 수 있다.
이후, 도 5a에 도시된 바와 같이 신호 전송 구간에, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 과도하게(예컨대 0V에 근접하게) 낮아짐으로 인하여 신호 카운팅 구간에 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)이 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)보다 높을 경우, 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)이 출력 전압(Vout)으로서 출력될 수 있다. 따라서, 출력 전압(Vout)이 과하게 낮아지는 것이 방지될 수 있다.
반면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 신호 카운팅 구간에 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)보다 높을 경우, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 출력 전압(Vout)으로서 출력될 수 있다.
한편, 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)은 비교 회로(도 2의 141)의 입력 레인지의 하한값보다 낮을 수 있다. 이에 따라서, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 비교 회로(도 2의 141)의 입력 레인지 내에 있을 경우(예컨대 도 5b), 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 픽셀 신호(PXS)로서 비교 회로(도2의 141)에 제공되어, 제2 픽셀(PX2)의 픽셀 데이터 값이 독출될 수 있다.
제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 과도하게 낮아져 비교 회로(도 2의 141)의 입력 레인지를 벗어날 경우, 제2 픽셀(PX2)의 픽셀 데이터 값은 가장 높은 값으로 출력될 수 있다. 이 때, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)으로 인하여, 전류원(도 2의 PL)이 정상적으로 동작하지 못할 경우, 밴드 노이즈가 발생할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제2 픽셀(PX2)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD2)이 과도하게 낮아지더라 제1 픽셀(PX1)이 클램핑 회로로서 동작하는 바(예컨대 도 5a), 출력 전압(Vout)이 과도하게 낮아지는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 노이즈 발생이 차단될 수 있다. 출력 전압(Vout)의 하한값을 클램핑 레벨이라고 지칭할 수 있으며, 클램핑 레벨은 제1 픽셀(PX1)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)에 의하여 결정될 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 예시적에 따른 이미지 센서는 독출 로우의 독출 픽셀에 대하여 독출 동작이 수행될 때, 인접한 비독출 로우의 픽셀들, 구체적으로 비독출 로우의 픽셀들에 각각 구비되는 전송 트랜지스터의 게이트 단자에 클램핑 제어 신호 제공함으로써, 비독출 로우의 픽셀들을 클램핑 회로로서 이용할 수 있다. 이에 따라 추가적인 배선이나 회로없이 인접한 비독출 로우의 픽셀들을 클램핑 회로로서 이용하여 추가적인 회로 면적 또는 소비전력 없이, 노이즈 발생을 억제할 수 있다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c에서 제n 로우(Rn)를 독출 로우로 가정하기로 한다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c에서 각각의 로우(Rn-2~Rn+2)에 하나의 픽셀이 배치되는 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 로우(Rn-2~Rn+2)에 복수의 픽셀들이 배치될 수 있으며, 동일한 로우에 배치된 복수의 픽셀들에는 동일한 제어 신호들이 인가될 수 있다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 독출 로우, 즉 제n 로우(Rn)의 픽셀에 대하여 독출 동작이 수행될 때, 독출 픽셀과 동일한 컬럼 라인(COL)에 연결되며, 비독출 로우의 픽셀이 클램핑 픽셀로서 동작할 수 있다. 실시예에 있어서, 클램핑 로우는 독출이 완료된 로우일 수 있다.
도 7a를 참조하면, 독출 로우와 가장 인접한 비독출 로우가 클램핑 로우로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 제n 로우(Rn)가 독출 로우일 때, 제n 로우(Rn)와 가장 인접한 비독출 로우들 중 독출이 완료된 제n-1 로우(Rn-1)가 클램핑 로우로서 동작할 수 있다.
로우 드라이버(120)에 구비된 제n 전송 드라이버(TXDn)는 제n 로우(Rn-2)의 픽셀(PX)에 전송 제어 신호(TG)를 전송하고, 제n-1 전송 드라이버(TXDn-1)는 제n-1 로우(Rn-1)의 픽셀(PX)에 클램핑 제어 신호(CG)를 전송할 수 있다. 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한 바와 같이, 클램핑 제어 신호(CG)는 신호 전송 구간 이전에 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이될 수 있으며, 전송 제어 신호(TG)는 독출 구간 중 전송 구간에 하이 레벨이고 나머지 구간에 로우 레벨일 수 있다.
도 7b를 참조하면, 독출 로우에 인접한 비독출 로우들 중 적어도 하나의 로우가 클램핑 로우로서 동작할 수 있다. 실시예에 있어서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 독출 로우와 클램핑 로우 사이에 다른 비독출 로우가 배치될 수 있다. 예컨대, 제n 로우(Rn)가 독출 로우일 때, 제n-2 로우(Rn-2)가 클램핑 로우로서 동작할 수 있다.
로우 드라이버(120)에 구비된 제n 전송 드라이버(TXDn)는 제n 로우(Rn-2)의 픽셀(PX)에 전송 제어 신호(TG)를 전송하고, 제n-2 전송 드라이버(TXDn-2)는 제n-2 로우(Rn-2)의 픽셀(PX)에 클램핑 제어 신호(CG)를 전송할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 복수의 비독출 로우가 클램핑 로우로서 동작할 수 있다. 독출 로우인 제n 로우(Rn) 이전의 제n-2 로우(Rn-2) 및 제n-1 로우(Rn-1)가 클램핑 로우로서 동작할 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며, 세 개 이상의 로우가 클램핑 로우로서 동작할 수도 있다.
로우 드라이버(120)에 구비된 제n 전송 드라이버(TXDn)는 제n 로우(Rn-2)의 픽셀(PX)에 전송 제어 신호(TG)를 전송하고, 제n-2 전송 드라이버(TXDn-2) 및 제n-1 전송 드라이버(TXDn-1)는 제n-2 로우(Rn-2) 및 제n-1 로우(Rn-1) 각각의 픽셀(PX)들에 클램핑 제어 신호(CG)를 전송할 수 있다.
(발명자님의 의견과 같이, 멀티-쉐어드 구조에서 다수의 TX를 이용하는 실시예 및 효과가 기재된 바, 상기 기재는 삭제하는 것이 적절하다고 사료됩니다)
도 8a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내고, 도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 픽셀 어레이(110a)는 유효 픽셀 영역(VPA) 및 비유효 픽셀 영역(NVPA)을 포함할 수 있다. 유효 픽셀 영역(VPA) 및 비유효 픽셀 영역(NVPA)은 각각 복수의 로우들을 포함할 수 있다. 도 8a에서 비유효 픽셀 영역(NVPA)은 셀 어레이(110a)의 상부 및 하부에 위치하는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 유효 픽셀 영역(NVPA)은 상부 또는 하부, 또는 복수의 유효 픽셀 영역(VPA) 사이에 배치될 수 있다.
이미지 센서는, 유효 픽셀 영역(VPA)의 픽셀들로부터 출력되는 픽셀 신호들에 기초하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 무효 픽셀 영역(VPA)의 픽셀들로부터 출력되는 픽셀 신호들은 픽셀 어레이(110a)의 특성 분석, 노이즈 제거, 데이터 보정 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 비유효 픽셀 영역(NVPA)의 로우, 예컨대 더미 로우(Rdm)가 클램핑 로우로서 이용될 수 있다. 제n 로우(Rn)의 픽셀(PX)에 대하여 독출 동작이 수행될 때, 더미 로우(Rdm)가 클램핑 로우로서 이용될 수 있다. 또한, 유효 픽셀 영역(VPA)의 다른 로우들, 예컨대 제n-1 로우(Rn-1), 제 n+1로우(Rn+1) 및 제n+2 로우(Rn+2) 각각에 대하여 독출 동작이 수행될 때, 적어도 하나의 더미 로우(Rdm)가 클램핑 로우로서 이용될 수 있다.
실시예에 있어서, 도 8a에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(110a)의 상부 및 하부에 비유효 픽셀 영역(NVPA)이 위치할 수 있으며, 유효 픽셀 영역(VPA)의 로우들에 대하여 독출 동작이 수행될 때, 상부 및 하부의 비유효 픽셀 영역(NVPA)에 포함되는 복수의 더미 로우들(Rdm) 중 독출 로우에 가장 인접한 더미 로우가 클램핑 회로로서 동작 할 수 있다.
도 9는 본 개시의 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 독출 동작을 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제2 픽셀(PX2)에 대한 독출 동작이 수행될 때, 제1 픽셀(PX1)이 클램핑 픽셀로서 동작할 수 있다. 로우 드라이버(120)에 구비된 제1 전송 드라이버(TXD1)는 제1 픽셀(PX1)에 클램핑 제어 신호(CG)를 전송할 수 있다. 이 때, 제1 전송 드라이버(TXD1)는 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제2 클램핑 전압(VLCLP)을 기초로 동작할 수 있다. 제1 클램핑 전압(VHCLP)은 제2 클램핑 전압(VLCLP)보다 높다. 제1 전송 드라이버(TXD1)는 클램핑 기준 신호(SCLP)를 제1 클램핑 전압(VHCLP) 또는 제2 클램핑 전압을 기초로 증폭(버퍼링 또는 레벨 변환)함으로써, 클램핑 제어 신호(CG)를 생성할 수 있다. 따라서, 클램핑 제어 신호(CG)의 하이 레벨은 제1 클램핑 전압(VHCLP)의 전압 레벨과 동일 또는 유사하고 로우 레벨은 제2 클램핑 전압(VLCLP)의 전압 레벨과 동일 또는 유사할 수 있다.
제2 전송 드라이버(TXD2)는 제1 전송 전압(VHTX) 및 제2 전송 전압(VLTX)을 기초로 동작할 수 있다. 제1 전송 전압(VHTX)은 제2 전송 전압(VLTX)보다 높다. 제2 전송 드라이버(TXD1)는 전송 기준 신호(STX)를 제1 전송 전압(VHTX) 또는 제2 전송 전압(VLTX)을 기초로 증폭(버퍼링 또는 레벨 변환)할 수 있다. 따라서, 전송 제어 신호(TG)의 하이 레벨은 제1 전송 전압(VHTX)의 전압 레벨과 동일 또는 유사하고, 로우 레벨은 2 전송 전압(VLTX)의 전압 레벨과 동일 또는 유사할 수 있다.
한편, 제1 픽셀(PX1)에 대하여 독출 동작이 수행될 경우, 제1 전송 드라이버(TXD1)는 제1 전송 전압(VHTX) 및 제2 전송 전압(VLTX)을 기초로 전송 제어 신호(TG)를 생성하고, 전송 제어 신호(TG)를 제1 픽셀(PX1)에 전송할 수 있다. 또한, 제2 픽셀(PX2)이 클램핑 픽셀로서 동작할 경우, 제2 전송 드라이버(TXD2)는 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제2 클램핑 전압(VLCLP)을 기초로 클램핑 제어 신호(CG)를 생성하고, 클램핑 제어 신호(CG)를 제2 픽셀(PX2)에 전송할 수 있다.
실시예에 있어서, 이미지 센서는 전압 생성기(190)를 포함할 있으며, 전압생성기(190)는 제1 클램핑 전압(VHCLP), 제2 클램핑 전압(VLCLP), 제1 전송 전압(VHTX) 및 제2 전송 전압(VLTX)을 생성하고, 이 전압들을 로우 드라이버(120)에 제공할 수 있다. 전압 생성기(190)는 미리 설정된 레벨의 제1 클램핑 전압(VHCLP), 제2 클램핑 전압(VLCLP), 제1 전송 전압(VHTX) 및 제2 전송 전압(VLTX)을 생성하거나 또는 수신되는 전압 제어 신호들을 기초로 제1 클램핑 전압(VHCLP), 제2 클램핑 전압(VLCLP), 제1 전송 전압(VHTX) 및 제2 전송 전압(VLTX)의 전압 레벨들을 가변시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제1 전송 전압(VHTX)은 동일하고, 제2 클램핑 전압 및 제2 전송 전압(VLTX)이 동일할 수 있다. 예를 들어서, 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제1 전송 전압(VHTX)은 이미지 센서의 아날로그 전원 전압이고, 제2 클램핑 전압 및 제2 전송 전압(VLTX)은 접지전압일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제1 전송 전압(VHTX)이 상이하거나 또는 제2 클램핑 전압 및 제2 전송 전압(VLTX)이 상이할 수 있다.
한편, 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제2 클램핑 전압(VLCLP)의 전압 차이가 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화량(△VCLP)에 대응하며, 수학식 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 픽셀(PX)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)의 전압 변화량(△VFD1)은 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화량(△VCLP)에 비례하고, 제1 픽셀(PX)의 플로팅 디퓨전 노드 전압(VFD1)의 전압 변화량(△VFD1)은 클램핑 레벨을 결정할 수 있다. 따라서, 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화량(△VCLP)이 증가하면 클램핑 레벨이 낮아지고, 클램핑 제어 신호(CG)의 전압 변화량(△VCLP)이 감소하면 클램핑 레벨이 높아질 수 있다. 전압 생성기(190)는 수신되는 전압 제어 신호들을 기초로 타겟하는 클램핑 레벨이 생성되도록 제1 클램핑 전압(VHCLP) 및 제2 클램핑 전압(VLCLP)의 전압 레벨들을 조정할 수 있다.
도 10a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 클램핑 레벨을 나타내는 도면이다. 도 10b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전류원의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 10a를 참조하면, 컬럼 라인(COL)의 최저값, 즉 클램핑 레벨(VCLP)은 비교 회로(141)의 입력 레인지 및 전류원(PL)의 동작 레인지를 고려하여 결정될 수 있다. 비교 회로(141)의 입력 레인지는 제1 입력 전압(VinH) 및 제2 입력 전압(VinL) 사이일 수 있다. 이 때, 클램핑 레벨(VCLP)은 비교 회로(141)의 입력 레인지보다 낮게 설정될 때, 비교 회로(141)가 독출 픽셀로부터 픽셀 신호(PXS)를 수신할 수 있다.
한편, 전류원(PL)은 직렬 연결되는 바이어스 트랜지스터(TRb) 및 인에이블 트랜지스터(TRen)로 구현될 수 있다. 인에이블 트랜지스터(TRen)가 인에이블 신호(Ven)에 응답하여 턴-온되면, 바이어스 트랜지스터(TRb)는 바이어스 전압(Vb)에 기초하여 전류를 싱킹할 수 있다. 이때, 컬럼 라인(COL)의 전압이 전류원(PL)의 최소 동작 전압, 즉 전류원(PL)이 정상 동작하기 위해 요구되는 전압보다 낮아질 경우, 전류원(PL)이 정상적으로 동작할 수 없다. 전류원(PL)의 최소 동작 전압은 바이어스 트랜지스터(TRb)의 드레인-소스 간의 전압(Vds)일 수 있다. 이때, 인에이블 트랜지스터(TRen)의 드레인-소스 간의 전압은 거의 0V에 가까울 수 있다. 따라서, 컬럼 라인(COL)의 최저 전압 레벨인 클램핑 레벨(VCLP)은 Vds 보다 높게 설정될 수 있다.
실시예에 있어서, 전류원(PLa)은 도 10b에 도시된 바와 같이, 직렬 연결된적어도 두 개의 바이어스 트랜지스터(TRb1, TRb2) 및 인에이블 트랜지스터(TRen)로 구현될 수 있다. 전류원(PLa)의 최소 동작 전압은 두 개의 바이어스 트랜지스터(TRb1, TRb2)의 드레인-소스 간의 전압들의 합인2*Vds'일 수 있다. 따라서, 컬럼 라인(COL)의 최저 전압 레벨인 클램핑 레벨(VCLP)은 2*Vds' 보다 높게 설정될 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명한 바와 같이, 클램핑 레벨(VCLP)은 비교 회로(141)의 입력 레인지보다 낮게 설정되고, 또한, 전류원(PL)의 동작 전압보다 높게 설정될 수 있다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 독출 동작을 나타내는 도면이다. 도 12는 도 11의 이미지 센서의 독출 동작 시 픽셀 어레이의 신호들을 나타내는 타이밍도이다.
도 11을 참조하면, 이미지 센서(100c)는 픽셀 어레이(110c), 로우 드라이버(120c) 및 신호 생성기(171)를 구비할 수 있다. 실시예에 있어서, 신호 생성기(171)는 타이밍 생성기(170)에 구비될 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 신호 생성기(171)는 타이밍 생성기(170)와는 별개의 회로로서 구현될 수도 있다. 이미지 센서는 도 1을 참조하여 설명한 다른 구성들을 더 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110c)에 구비되는 픽셀(111c)들, 예컨대 제1 픽셀(PX1)은 복수의 광 감지 소자(PD11, PD12, PD13, PD14), 복수의 전송 트랜지스터(TX11, TX12, TX13 및 TX14), 리셋 트랜지스터(RX1), 구동 트랜지스터(DX1) 및 선택 트랜지스터(SX1)를 포함할 수 있다. 복수의 전송 트랜지스터(TX11, TX12, TX13 및 TX14)는 복수의 광 감지 소자(PD11, PD12, PD13, PD14)에 연결되며, 또한 구동 트랜지스터(DX1)에 공통적으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 복수의 광 감지 소자(PD11, PD12, PD13, PD14)가 하나의 구동 트랜지스터에 연결되는 구조를 멀티-쉐어드 구조로 지칭될 수 있다.
도 11에서 픽셀(111c)은 네 개의 광 감지 소자(PD11, PD12, PD13, PD14) 및 네 개의 전송 트랜지스터(TX11, TX12, TX13 및 TX14)를 구비하는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 광 감지 소자 및 전송 트랜지스터들의 개수는 가변될 수 있다.
제2 픽셀(PX2)에 대하여 독출이 수행될 때, 제1 픽셀(PX1)이 클램핑 픽셀로서 동작할 수 있다. 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2) 각각의 리셋 트랜지스터(RX1, RX2)에는 리셋 신호(RS)가 인가되고, 선택 트랜지스터(SX1, SX2)에는 선택 신호(SEL)가 인가될 수 있다. 제2 픽셀(PX2)의 복수의 전송 트랜지스터(TX21, TX22, TX23 및 TX24)에는 전송 제어 신호(TG)가 인가될 수 있다. 실시예에 있어서, 제2 픽셀(PX2)의 복수의 전송 트랜지스터(TX21, TX22, TX23 및 TX24) 중 일부 전송 트랜지스터에 전송 제어 신호(TG)가 인가될 수도 있다.
제1 픽셀(PX1)의 복수의 전송 트랜지스터(TX11, TX12, TX13 및 TX14) 중 적어도 하나의 전송 트랜지스터에 클램핑 제어 신호(CG)가 인가되고, 다른 전송 트랜지스터에 차단 제어 신호(OFF)가 인가될 수 있다. 도 11에는 예시적으로, 제1 픽셀(PX1)의 제1 및 제2 전송 트랜지스터(TX11, TX12)에 클램핑 제어 신호(CG)가 인가되고, 제3 및 제4 전송 트랜지스터(TX13 및 TX14)에 차단 제어 신호(OFF)가 인가되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 적어도 하나의 전송 트랜지스터에 클램핑 신호(CG)가 인가될 수 있으며, 일 예로서, 복수의 전송 트랜지스터(TX21, TX22, TX23 및 TX24) 모두에 클램핑 제어 신호(CG)가 인가될 수도 있다. 차단 제어 신호(OFF)는 제1 픽셀(PX1)에 대한 독출 동작 수행 시, 일정한 레벨을 가질 수 있다. 실시예에 있어서, 차단 제어 신호(OFF)의 레벨은 클램핑 제어 신호(CG)의 로우 레벨과 동일할 수 있다.
복수의 전송 트랜지스터(TX11, TX12, TX13 및 TX14)는 플로팅 디퓨전 노드(FD1)를 공유한다. 따라서, 제1 픽셀(PX1)이 클램핑 픽셀로서 이용될 경우, 복수의 전송 트랜지스터(TX11, TX12, TX13 및 TX14) 중 클램핑 제어 신호(CG)가 인가되는 전송 트랜지스터의 개수에 기초하여 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량이 가변될 수 있다. 다시 말해서, 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 로우 레벨이 가변될 수 있다.
도 12를 참조하면, 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량은 클램핑 제어 신호(CG)가 인가되는 전송 트랜지스터의 개수에 비례할 수 있다. 예컨대, 하나의 전송 트랜지스터에 클램핑 제어 신호(CG)가 인가되고, 다른 전송 트랜지스터들에 차단 제어 신호(OFF)가 인가될 경우, 다시 말해서, 하나의 전송 트랜지스터들이 클램핑에 사용될 경우, 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량을 △VFD11으로 나타낼 수 있다. 2개의 전송 트랜지스터들이 클램핑에 사용될 경우, 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량은 2*△VFD11이고, 3개의 전송 트랜지스터들이 클램핑에 사용될 경우, 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량은 3*△VFD11이고. 4개의 전송 트랜지스터들이 클램핑에 사용될 경우, 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량은 4*△VFD11이다. 다시 말해서, 클램핑 픽셀, 예컨대 제1 픽셀(PX1)에서 클램핑에 사용되는 전송 트랜지스터들의 개수가 증가할 수록 플로팅 디퓨전 노드 전압(FD1)의 전압 변화량도 증가할 수 있다. 이에 따라서, 클램핑에 사용되는 전송 트랜지스터들의 개수가 증가할수록 출력 전압(Vout)의 하한값, 예컨대 클램핑 레벨이 감소될 수 있다.
계속하여 도 11을 참조하면, 로우 드라이버(120c)는 제1 픽셀(PX1)이 위치하는 로우, 즉 클램핑 로우를 구동하는 제1 드라이버(121) 및 제2 픽셀(PX2)이 위치하는 로우, 즉 독출 로우를 구동하는 제2 드라이버(122)를 포함할 수 있다. 제1 드라이버(121)는 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX11, TX12, TX13 및 TX14)을 각각 구동하는 제1 내지 제4 전송 드라이버들(TXD11, TXD12, TXD13, TXD14)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 전송 드라이버들(TXD11, TXD12, TXD13, TXD14)은 신호 생성기(171)로부터 제공되는 클램핑 제어 신호(SCLP) 또는 차단 제어 신호(SOFF)를 버퍼링 또는 레벨 변환하여 클램핑 신호(CG) 및 차단 신호(OFF)를 생성할 수 있다.
신호 생성기(171)는 제1 내지 제4 전송 드라이버들(TXD11, TXD12, TXD13, TXD14)로 제공되는 입력 신호들, 예컨대 클램핑 기준 신호(SCLP) 또는 차단 기준 신호(SOFF)를 생성할 수 있으며, 클램핑 기준 신호(SCLP)의 개수를 조절할 수 있다. 이에 따라서, 클램핑 픽셀, 예컨대 제1 픽셀(PX1)에서 클램핑에 사용되는 전송 트랜지스터들의 개수가 조절될 수 있다.
본 실시예에서, 픽셀이 멀티-쉐어드 구조를 가질 때, 이미지 센서는 클램핑에 사용되는 전송 트랜지스터들의 개수를 조절함으로써, 클램핑 레벨을 조절할 수 있다. 또한 본 실시예에, 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 클램핑 제어 신호(CG)의 제1 레벨 및 제2 레벨을 조절함으로써, 클램핑 레벨을 조절하는 방식이 결합될 수도 있다.
도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 13의 이미지 센서의 동작 방법은 도 1 또는 도 12의 이미지 센서(100, 100c)에서 수행될 수 있으며, 따라서, 전술한 이미지 센서의 동작 방법들이 본 실시예에 적용될 수 있다.
도 13은 이미지 센서가 제2 픽셀에 대한 독출 동작 수행 시, 제2 픽셀과 동일한 컬럼 라인에 연결된 제1 픽셀을 클램핑 회로로 이용하는 방법을 나타낸다. 이 때, 제1 픽셀과 제2 픽셀은 서로 다른 로우에 배치되며, 실시예에 있어서, 제1 픽셀은 독출이 완료된 픽셀이며, 제2 픽셀에 인접한 픽셀 또는 더미 픽셀일 수 있다.
도 13을 참조하면, 픽셀 어레이의 복수의 픽셀들이 리셋 신호에 응답하여 리셋될 수 있다(S110). 이후, 픽셀 어레이에 대하여 로우 단위로 독출 동작이 수행될 수 있다.
리셋 카운팅 구간에, 제1 레벨에서 제2 레벨로 감소하는 클램핑 제어 신호가 제1 로우 라인을 통해 제1 픽셀에 인가될 수 있다(S120). 클램핑 제어 신호는 제1 픽셀의 전송 트랜지스터의 게이트 단자에 인가될 수 있다. 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 플로팅 디퓨전 노드 간의 기생 커패시터에 의하여 플로팅 디퓨전 노드의 전압 레벨이 하강할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드 전압의 전압 변화량은 제1 레벨 및 제2 레벨 간의 차이에 기초하여 가변될 수 있다. 예컨대 제1 레벨 및 제2 레벨 간의 차이가 증가할수록 플로팅 디퓨전 노드 전압의 전압 변화량이 증가하며, 이에 따라서, 플로팅 디퓨전 노드 전압이 더 낮아질 수 있다. 제1 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압은 ADC의 비교기(도 2의 141)의 입력 레인지보다 낮고 컬럼 라인에 연결된 전류원(도 2의 PL)이 정상적으로 동작하기 위한 전압(예컨대 전류원에 구비되는 트랜지스터들의 소스-드레인 간의 전압들의 합)보다 높을 수 있다.
이후, 신호 전송 구간에 제2 로우 라인을 통해 제2 픽셀에 활성 레벨의 전송 제어 신호가 인가될 수 있으며, 제2 픽셀의 전송 트랜지스터가 전송 제어 신호에 응답하여 턴-온될 수 있다(S130). 이 때, 전송 제어 신호의 활성 레벨은 클램핑 제어 신호의 제1 레벨과 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
제1 픽셀의 출력 전압 및 제2 픽셀의 출력 전압 중 높은 전압이 컬럼 라인을 통해 픽셀 신호로서 출력될 수 있다(S140). 픽셀의 출력 전압은 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압을 의미할 수 있다. 따라서, 제1 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압 및 제2 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압 중 높은 전압에 기초하여 픽셀 신호가 결정될 수 있다. 신호 전송 구간 이전에는 제2 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압이 제1 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압보다 높거나 같을 수 있다. 따라서, 제2 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압이 픽셀 신호로서 출력될 수 있다. 이후, 신호 전송 구간에 제2 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드에 광 감지 소자에서 생성된 광 전하가 유입됨에 따라서 제2 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압이 감소될 수 있다. 제2 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압이 과도하게 낮아져 제1 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압보다 낮아질 경우, 제1 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압이 픽셀 신호로서 출력됨으로써, 픽셀 신호가 과도하게 낮아짐에 따라 발생하는 밴드 노이즈를 차단할 수 있다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 14를 참고하면, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 처리 시스템(400)은 이미지 센서(100), 이미지 프로세서(200), 디스플레이 유닛(500) 및 렌즈(320)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), ADC(130), 램프 신호 발생기(160), 타이밍 생성부(170), 제어 레지스터 블록(190) 및 버퍼(180)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(100)는 이미지 프로세서(200)의 제어에 의해 렌즈(320)를 통해 촬상된 물체(310)를 센싱하고, 이미지 프로세서(200)는 이미지 센서(100)에 의해 센싱되어 출력된 이미지를 디스플레이 유닛(500)에 출력할 수 있다. 이때, 디스플레이 유닛(500)은 영상을 출력할 수 있는 모든 장치를 포함한다. 예컨대, 디스플레이 유닛(500)은 컴퓨터, 휴대폰 및 기타 영상 출력 단말을 포함할 수 있다.
이미지 프로세서(200)는 카메라 컨트롤러(201), 이미지 신호 프로세서(202) 및 PC I/F(203)를 포함할 수 있다. 카메라 컨트롤러(201)는 제어 레지스터 블록(190)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 카메라 컨트롤러(201)는 I2C(Inter-Integrated Circuit)를 이용하여 이미지 센서(100), 즉, 제어 레지스터 블록(190)을 제어할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 카메라 컨트롤러(201)와 컨트롤 레지스터 블록(190) 사이에는 다양한 인터페이스가 적용될 수 있다.
이미지 신호 프로세서(202)는 버퍼(180)의 출력 신호인 이미지 데이터(IDTA)를 입력 받아 이미지를 사람이 보기 좋도록 가공/처리하여 가공/처리된 이미지를 디스플레이 유닛(500)으로 출력할 수 있다. 또는 이미지 신호 프로세서(202)는 PC IF(203)를 통해 외부 호스트로부터 제어 신호를 수신하고, 가공/처리된 이미지를 외부 호스트에 제공할 수 있다.
한편, 이미지 센서(100)로서, 도 1 및 도 12를 참조하여 설명한 이미지 센서(100, 100c)가 적용될 수 있다. 제어 레지스터 블록(195)은 램프 신호 발생기(160), 타이밍 생성부(170), 버퍼(180) 및 전압 생성기(190) 각각에 제어 신호를 출력하여 동작을 제어할 수 있다. 이때, 상기 제어 레지스터 블록(195)은 카메라 컨트롤러(201)의 제어에 기초하여 동작할 수 있다.
픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), ADC(130), 타이밍 생성부(170), 버퍼(180), 램프 신호 생성기(160), 및 전압 생성기(190)에 대하여, 이전 도면들을 참조하여 상세하게 설명한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 픽셀 어레이(110)에서 독출 동작이 수행될 때, 독출 로우에 인접한 비독출 로우의 픽셀들이, 클램핑 픽셀, 즉 클램핑 회로로서 이용될 수 있다. 또한, 신호 전송 구간 이전에 클램핑 픽셀의 전하 전송 트랜지스터의 게이트 단자에 제1 레벨에서 제2 레벨로 낮아지는 클램핑 신호가 인가되고, 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 플로팅 디퓨전 노드 간의 기생 커패시터에 의하여 클램핑 신호의 하강에 따라 플로팅 디퓨전 노드 전압이 하강할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드 전압의 전압 레벨이 클램핑 레벨로 이용될 수 있다. 독출 픽셀의 프로팅 디퓨전 노드 전압이 과도하게 낮아질 경우, 클램핑 픽셀의 플로팅 디퓨전 노드 전압이 픽셀 신호로서 출력될 수 있다. 이에 따라 픽셀 신호가 과도하게 낮아지는 것이 방지되어 밴드 노이즈의 발생이 억제될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 각각이 적어도 하나의 광 감지 소자 및 상기 광 감지 소자에서 생성되는 전하를 플로팅 디퓨전 노드로 전송하도록 구성된 스위칭 소자를 포함하는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 동일한 컬럼 라인에 연결되는 픽셀 어레이; 및
    상기 제2 픽셀의 독출 구간에, 상기 제1 픽셀의 상기 스위칭 소자에 제1 레벨에서 상기 제1 레벨보다 낮은 제2 레벨로 천이하는 클램핑 제어 신호를 제공하도록 구성된 로우 드라이버를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 컬럼 라인으로부터 출력되는 픽셀 전압은 상기 제1 픽셀의 제1 플로팅 디퓨전 노드의 전압 및 상기 제2 픽셀의 제2 플로팅 디퓨전 노드의 전압 중 상대적으로 높은 전압에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 로우 드라이버는,
    상기 제2 픽셀의 상기 독출 구간에 상기 제2 픽셀의 제1 스위칭 소자에 전송 제어 신호를 제공하며,
    상기 제1 스위칭 소자는 상기 클램핑 제어 신호가 상기 제2 레벨로 천이된 이후 제3 레벨의 상기 전송 제어 신호에 응답하여 턴-온 되어 상기 광 감지 소자에서 생성된 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 것을 특징으로 이미지 센서.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 로우 드라이버는
    상기 제1 레벨의 제1 전압 및 상기 제2 레벨의 제2 전압을 기초로 상기 클램핑 제어 신호를 생성하고, 상기 제1 픽셀에 연결된 제1 로우 라인으로 상기 클램핑 제어 신호를 출력하는 제1 전송 드라이버; 및
    상기 제3 레벨의 제3 전압 및 상기 제3 레벨보다 낮은 제4 레벨의 제4 전압을 기초로 상기 전송 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 픽셀에 연결된 제2 로우 라인으로 상기 전송 제어 신호를 출력하는 제2 전송 드라이버를 포함하며,
    상기 제1 레벨 및 상기 제3 레벨은 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 클램핑 제어 신호의 상기 제1 레벨과 상기 제2 레벨의 차이에 기초하여 상기 제1 픽셀의 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 전압이 하강하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 각각은,
    복수의 광 감지 소자 및 상기 복수의 광 감지 소자 각각에서 생성되는 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하도록 구성된 복수의 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 로우 드라이버는,
    상기 제1 픽셀의 상기 복수의 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 소위칭 소자에 상기 클램핑 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 로우 드라이버는,
    상기 제1 픽셀의 상기 복수의 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 다른 스위칭 소자에 일정한 레벨의 차단 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 서로 다른 로우에 배치되며, 상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀이 배치된 로우에 가장 인접한 로우에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 픽셀은 상기 픽셀 어레이의 비유효 화소 영역에 구비되는 더미 픽셀인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 칼럼 라인에 연결되며, 상기 칼럼 라인으로부터 부하 전류를 싱킹하는 전류원; 및
    상기 칼럼 라인으로부터 출력되는 픽셀 전압을 램프 신호와 비교하고, 비교 결과를 출력하는 비교기를 더 포함하고,
    상기 제1 픽셀의 제1 플로팅 디퓨전 노드의 전압은 상기 클램핑 제어 신호에 응답하여 클램핑 레벨로 낮아지며, 상기 클램핑 레벨은 상기 비교기의 입력 레인지의 하한값보다 낮고, 상기 전류원의 동작 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108600579B (zh) * 2018-05-16 2020-03-20 上海集成电路研发中心有限公司 一种应用于cis的运动检测电路及运动检测方法
US11218659B2 (en) * 2019-12-09 2022-01-04 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with voltage supply grid clamping
US11889216B2 (en) * 2021-02-15 2024-01-30 Dv2Js Innovation, Llp High dynamic range CMOS image sensor having multi-step voltage gain enhancement for low light vision
KR20230008370A (ko) 2021-07-07 2023-01-16 삼성전자주식회사 온도 변화에 따른 전압 레벨을 보상하는 전자 회로 및 이를 포함하는 이미지 센서
CN116887063B (zh) * 2023-09-08 2024-01-09 深圳大学 基于非线性强物理不可克隆函数电路的可信图像传感芯片

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000022118A (ja) 1998-06-30 2000-01-21 Toshiba Corp 撮像装置
KR100871687B1 (ko) 2004-02-11 2008-12-05 삼성전자주식회사 서브 샘플링 모드에서 디스플레이 품질을 개선한 고체촬상 소자 및 그 구동 방법
JP5247007B2 (ja) 2005-06-09 2013-07-24 キヤノン株式会社 撮像装置及び撮像システム
KR101209506B1 (ko) 2011-04-18 2012-12-07 클레어픽셀 주식회사 이미지 센서 및 그 동작 방법
JP6049304B2 (ja) 2012-05-23 2016-12-21 オリンパス株式会社 固体撮像装置および撮像装置
JP2014042211A (ja) 2012-08-23 2014-03-06 Olympus Corp 固体撮像装置および撮像装置
KR102407036B1 (ko) * 2015-11-03 2022-06-10 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법
US9848140B2 (en) 2016-03-31 2017-12-19 Omnivision Technologies, Inc. Horizontal banding reduction with ramp generator isolation in an image sensor
KR102324224B1 (ko) 2017-06-28 2021-11-10 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그것에 포함되는 전자 회로
JP2019050522A (ja) * 2017-09-11 2019-03-28 キヤノン株式会社 撮像装置
US10165210B1 (en) 2017-12-22 2018-12-25 Omnivision Technologies, Inc. Bitline settling improvement by using dummy pixels for clamp
KR102573304B1 (ko) 2018-06-27 2023-08-31 삼성전자 주식회사 이미지 센서, 픽셀 어레이 및 그 동작 방법

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