KR20220033255A - 아날로그-디지털 변환 회로 및 이미지 센서 - Google Patents

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KR20220033255A
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김한상
박유진
송정은
신민석
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Abstract

아날로그-디지털 변환 회로는, 램프 전압과 변환 대상 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제1연산 증폭기; 제1입력 단자로 전달되는 상기 제1연산 증폭기의 증폭 결과와 제2입력 단자로 전달되는 기준 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제2연산 증폭기; 상기 제1입력 단자로의 누설 전류를 측정하는 누설 전류 측정기; 및 상기 누설전류 측정기에 의해 측정된 누설 전류와 동일한 양의 전류를 상기 제2입력 단자로 흘리는 전류 누설기를 포함할 수 있다.

Description

아날로그-디지털 변환 회로 및 이미지 센서 {ANALOG TO DIGITAL CONVERTOR CIRCUIT AND IMAGE SENSOR}
본 특허 문헌은 이미지 센서에 관한 것이다.
씨모스 이미지 센서(CIS)는 속도(Speed)와 파워(Power)가 트레이드-오프(Trade-off) 관계를 가진다. 따라서 현재 씨모스 이미지 센서에서는 속도와 파워가 최적의 트레이드-오프 형태를 가지는 컬럼-패러럴(Column-parallel) 구조를 주로 사용하고 있으며, 이로 인하여 아날로그-디지털 변환 장치(ADC : Analog to Digital Converter)를 좁은 픽셀 폭에 집적해야 하는 어려움이 있으므로, 간단한 형태의 싱글-슬롭(Single-Slope) 아날로그-디지털 변환 장치(ADC)를 주로 사용하고 있다.
델타 리셋 샘플링(DRS: Delta Reset Sampling) 동작은 상호상관 이중 샘플링(CDS : Correlated Double Sampling)동작의 일 예로, 픽셀 신호를 리드아웃(readout)한 후에 픽셀의 리셋 값을 리드아웃해 두 성분을 빼줌으로서 픽셀 신호에서 리셋 노이즈를 제거하는 방식이다.
본 발명의 실시예들은, 높은 정확도로 픽셀 신호를 디지털 이미지로 변환하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 회로는, 램프 전압과 변환 대상 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제1연산 증폭기; 제1입력 단자로 전달되는 상기 제1연산 증폭기의 증폭 결과와 제2입력 단자로 전달되는 기준 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제2연산 증폭기; 상기 제1입력 단자로의 누설 전류를 측정하는 누설 전류 측정기; 및 상기 누설전류 측정기에 의해 측정된 누설 전류와 동일한 양의 전류를 상기 제2입력 단자로 흘리는 전류 누설기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀; 램프 전압과 상기 픽셀의 출력 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제1연산 증폭기; 제1입력 단자로 전달되는 상기 제1연산 증폭기의 증폭 결과와 제2입력 단자로 전달되는 기준 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제2연산 증폭기; 상기 제1입력 단자로의 누설 전류를 측정하는 누설 전류 측정기; 상기 누설전류 측정기에 의해 측정된 누설 전류와 동일한 양의 전류를 상기 제2입력 단자로 흘리는 전류 누설기; 및 상기 제2연산 증폭기의 출력을 이용해 이미지 데이터를 생성하기 위한 디지털 코드 생성 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 이미지 센서가 더 훌륭한 품질의 디지털 이미지를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구성도.
도 2는 도 1의 픽셀(100)의 일실시예 구성도.
도 3은 도 1의 이미지 센서(100)의 램프 전압(RAMP)와 픽셀의 출력 전압(PIXEL)을 도시한 도면.
도 4는 도 1의 제1연산 증폭기(120)와 제2연산 증폭기(130)의 일실시예 구성도.
도 5는 도 3과 같이 램프 전압(RAMP)이 움직이는 경우에, 제1연산 증폭기의 출력 단자(VOUT1)와 제2연산 증폭기의 입력 단자(INN2)가 어떻게 움직이는지를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(600)의 구성도.
도 7은 도 6의 누설 전류 측정기(650)와 전류 누설기(660)의 일실시예 구성도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀(110), 제1연산 증폭기(120), 제2연산 증폭기(130), 디지털 코드 생성 회로(140), 스위치들(121, 122, 131, 132) 및 캐패시터들(123, 124, 133, 134)을 포함할 수 있다.
픽셀(110)은 감지된 빛을 이용해 픽셀 신호(PIXEL)를 출력할 수 있다. 픽셀(110)은 다수의 로우와 컬럼을 포함하는 어레이 형태로 다수개 구비될 수 있는데, 여기서는 간단한 설명을 위해 1개의 픽셀(110)만을 도시했다.
제1연산 증폭기(120)는 캐패시터들(123, 124)을 통해 픽셀 신호(PIXEL)와 램프 전압(RAMP)을 입력받을 수 있다. 제1연산 증폭기(120)는 캐패시터(123)를 통해 입력 단자(INN1)로 입력된 픽셀 신호(PIXEL)와 캐패시터(124)를 통해 입력 단자(INP1)로 입력된 램프 전압(RAMP)의 레벨을 비교해 그 결과를 출력 단자(VOUT1)로 출력할 수 있다. 입력 단자(INN1)는 부(-)입력 단자이고, 입력 단자(INP1)는 정(+)입력 단자이고, 출력 단자(OUT1)는 정(+)출력 단자이고, 출력 단자(VOUT1_COM)는 부(-)출력 단자일 수 있다.
제2연산 증폭기(130)는 캐패시터(133)를 통해 제1연산 층폭기(120)의 출력(VOUT1)을 입력 단자(INN2)로 입력 받고, 캐패시터(134)를 통해 기준 전압을 제2입력 단자(INP2)로 입력 받을 수 있다. 여기서는 기준 전압으로 전원 전압(VDDA)이 사용되었다. 제2연산 증폭기(130)는 입력 단자(INN2)와 입력 단자(INP2)의 전압 레벨을 비교해 그 결과를 출력 단자(VOUT2)로 출력할 수 있다. 입력 단자(INN2)는 부(-)입력 단자이고, 입력 단자(INP2)는 정(+)입력 단자이고, 출력 단자(VOUT2)는 정(+)출력 단자이고, 출력 단자(VOUT2_COM)는 부(-)출력 단자일 수 있다.
스위치들(121, 122, 131, 132)은 연산 증폭기들(120, 130)의 오토 제로잉(auto zeriong) 동작을 위한 것일 수 있다. 오토 제로잉 동작시에 스위치들(121, 122, 131, 132)이 턴온될 수 있다. 스위치(121)는 제1연산 증폭기(120)의 입력 단자(INN1)와 출력 단자(VOUT1)를 전기적으로 연결하고, 스위치(122)는 제1연산 증폭기(120)의 입력 단자(INP1)와 출력 단자(VOUT1_COM)를 전기적으로 연결할 수 있다. 스위치(131)는 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자(INN2)와 출력 단자(VOUT2)를 전기적으로 연결하고, 스위치(132)는 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자(INP2)와 출력 단자(VOUT2_COM)를 전기적으로 연결할 수 있다. 스위치들(121, 122) 각각은 PMOS 트랜지스터를 포함하고, 스위치들(131, 132) 각각은 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 여기서는 스위치들(121, 122, 131, 132) 각각이 1개의 트랜지스터로 구성된 것을 예시했는데, 스위치들(121, 122, 131, 132) 각각이 2개 이상의 트랜지스터들로 구성될 수도 있다. 신호(S1)는 오토 제로잉 동작시에 로우 레벨로 활성화되어 스위치들(121, 122)을 턴온시킬 수 있으며, 신호(S2)는 오토 제로잉 동작시에 하이 레벨로 활성화되어 스위치들(131, 132)을 턴온시킬 수 있다.
디지털 코드 생성 회로(140)는 제2연산 증폭기(130)의 출력 단자(VOUT2)의 신호를 이용해 이미지 데이터(IMG)를 생성할 수 있다. 픽셀(100)로부터는 감지된 빛에 대응하는 픽셀 신호가 먼저 출력되고, 이후에 리셋 신호가 출력된다. 그리고 제2연산 증폭기(130)에 의해서는 픽셀 신호와 램프 전압이 비교된 결과가 먼저 출력되고, 이후에 리셋 신호와 램프 전압이 비교된 결과가 이후에 출력된다. 디지털 코드 생성 회로(140)는 제2연산 증폭기(130)의 출력을 이용해 픽셀 신호에서 리셋 신호를 뺀 값에 대응하는 디지털 정보인 이미지 데이터(IMG)를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀(100)의 일실시예 구성도이다.
도 2를 참조하면, 픽셀(100)은 광 감지기(201), 캐패시터(203), 리셋 트랜지스터(205), 전달 트랜지스터(207), 구동 트랜지스터(209) 및 선택 트랜지스터(211)를 포함할 수 있다.
광 감지기(201)는 광전 변환 기능을 수행할 수 있다. 광 감지기는 접지 전압단과 노드(A) 사이에 연결될 수 있다. 광 감지기(201)는 외부로부터 광(light)을 수신하고, 수신된 광에 기초해 광 전하(photo charge)를 생성할 수 있다. 광 감지기(201)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode) 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
리셋 트랜지스터(205)는 리셋 신호(RX)에 응답해 노드(A)로 전원 전압(VDDA)을 전달할 수 있다. 리셋 동작시에는 리셋 신호(RX)와 전달 신호(TX)가 모두 활성화되므로 리셋 트랜지스터(205)와 전달 트랜지스터(207)가 모두 턴온될 수 있다. 그러므로, 리셋 동작에 의해 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 광 전하가 리셋될 수 있다.
전달 트랜지스터(207)는 전달 신호(TX)에 응답해 광 감지기(201)가 연결된 노드(A)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)를 전기적으로 연결할 수 있다.
플로팅 디퓨전 노드(FD)는 광 감지기(201)가 감지한 빛에 대응하는 전하 또는 초기화 전압에 대응하는 전하가 축적되는 노드일 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 캐패시터(203)가 연결될 수 있다.
구동 트랜지스터(209)는 게이트가 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결되고 드레인과 소스가 전원 전압단(VDDA)과 선택 트랜지스터(211) 사이에 연결될 수 있다. 구동 트랜지스터(209)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 증폭하는 역할을 수행할 수 있다.
선택 트랜지스터(211)는 선택 신호(SX)에 응답해 구동 트랜지스터(209)에 의해 증폭된 전압을 픽셀 신호(PIXEL)로 출력할 수 있다.
도 3은 도 1의 이미지 센서(100)의 램프 전압(RAMP)와 픽셀의 출력 전압(PIXEL)을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 'GR'은 글로벌 리셋(global reset) 구간을 나타낸다. 이 구간 동안에는, 리셋 신호(RX)와 전달 신호(TX)가 모두 하이 레벨로 활성화되어 리셋 트랜지스터(205)와 전달 트랜지스터(207)가 모두 턴온될 수 있다. 이에 의해 픽셀(110)의 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다.
'GE'는 글로벌 익스포져(global exposure) 구간을 나타낸다. 이 구간 동안에는, 리셋 신호(RX)는 로우 레벨로 비활성화되어 리셋 트랜지스터(205)가 오프되고 전달 신호(TX)가 하이 레벨로 활성화되어 전달 트랜지스터(207)가 턴온될 수 있다. 따라서 광 감지기(201)에서 감지된 광에 의한 광전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달될 수 있다.
글로벌 익스포져 구간(GE) 이후 그리고 시그널 리드아웃 구간(SR) 구간 이전에 제1연산 증폭기(120)와 제2연산 증폭기(130)의 오토 제로잉(auto zeroing) 동작이 수행될 수 있다. 오토 제로잉 동작시에는 스위치들(121, 122, 131, 132)이 모두 턴온될 수 있다.
'SR'은 시그널 리드아웃(signal readout) 구간을 나타낸다. 이 구간 동안에는 리셋 신호(RX)와 전달 신호(TX)가 로우 레벨로 비활성화되어 리셋 트랜지스터(205)와 전달 트랜지스터(207)가 오프되고, 선택 신호(SX)가 활성화되어 선택 트랜지스터(211)가 턴온될 수 있다. 따라서 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 광전하에 대응하는 전압이 픽셀(100)로부터 출력될 수 있다. 즉, 여기서의 픽셀(100)의 출력 전압(PIXEL)은 픽셀 시그널에 대응하는 전압일 수 있다. 시그널 리드아웃 구간(SR)에서 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 픽셀의 출력 전압(PIXEL)과 만나는 시점까지, 즉 제2연산 증폭기(VOUT2)의 출력 단자의 전압 레벨이 반전되는 시점까지, 디지털 코드 생성 회로(140)는 클럭을 카운팅해 픽셀 시그널에 대응하는 디지털 코드를 생성할 수 있다.
'RR'은 리셋 리드아웃(reset readout) 구간을 나타낸다. 이 구간 동안에는 리셋 신호(RX)와 전달 신호(TX)가 하이 레벨로 활성화되어 리셋 트랜지스터(205)와 전달 트랜지스터(207)가 턴온되고, 선택 신호(SX)가 활성화되어 선택 트랜지스터(211)가 턴온될 수 있다. 따라서 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋되고 리셋된 플로팅 디퓨전 노드에 대응하는 전압이 픽셀(100)로부터 출력될 수 있다. 즉, 여기서의 픽셀(100)의 출력 전압(PIXEL)은 리셋값에 대응하는 전압일 수 있다. 리셋 리드아웃 구간(RR)에서 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 픽셀의 출력 전압(PIXEL)과 만나는 시점까지, 즉 제2연산 증폭기(VOUT2)의 출력 단자의 전압 레벨이 반전되는 시점까지, 디지털 코드 생성 회로(140)는 클럭을 카운팅해 리셋 값에 대응하는 디지털 코드를 생성할 수 있다.
디지털 코드 생성 회로(140)는 시그널 리드아웃 구간(SR)에서 생성된 픽셀 시그널에 대응하는 디지털 코드의 값에서 리셋 리드아웃 구간(RR)에서 생성된 리셋 값에 대응하는 디지털 코드의 값을 빼서, Signal - Reset 값에 대응하는 이미지 데이터(IMG)를 생성할 수 있다.
도 4는 도 1의 제1연산 증폭기(120)와 제2연산 증폭기(130)의 일실시예 구성도이다. 도 4에는 스위치들(121, 122, 131, 132)과 캐패시터들(123, 124, 133, 134)을 같이 도시했다.
도 4를 참조하면, 제1연산 증폭기(120)는 NMOS 트랜지스터들(M0~M5)과 PMOS 트랜지스터들(M6, M7)을 포함할 수 있다. NMOS 트랜지스터들(M0, M1)은 바이어스 전압들(VBIAS1, VCASC1)에 응답해 제1연산 증폭기(120)에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다. NMOS 트랜지스터들(M2, M3)은 입력 단자들(INN1, INP1)의 신호들을 입력받기 위해 사용될 수 있다. NMOS 트랜지스터들(M4, M5)과 PMOS 트랜지스터들(M6, M7)은 NMOS 트랜지스터들(M2, M3)을 통해 입력된 신호들을 차동 증폭하기 위해 사용될 수 있다.
제2연산 증폭기(130)는 PMOS 트랜지스터들(M8~M13)과 NMOS 트랜지스터들(M14, M15)을 포함할 수 있다. PMOS 트랜지스터들(M8, M9)은 바이어스 전압들(VBIAS2, VCASC2)에 응답해 제2연산 증폭기(130)에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다. PMOS 트랜지스터들(M10, M11)은 입력 단자들(INN2, INP2)의 신호들을 입력받기 위해 사용될 수 있다. PMOS 트랜지스터들(M12, M13)과 NMOS 트랜지스터들(M14, M15)은 PMOS 트랜지스터들(M10, M11)을 통해 입력된 신호들을 차동 증폭하기 위해 사용될 수 있다.
제1연산 증폭기(120)에서 입력 단자들(INN1, INP1)에 연결된 트랜지스터들은 NMOS 트랜지스터들(M2, M3)이고, 제2연산 증폭기(130)에서 입력 단자들(INN2, INP2)에 연결된 트랜지스터들은 PMOS 트랜지스터들(M10, M11)이다. 이러한 이유로 스위치들(121, 122, 131, 132)이 턴온되어 오토 제로잉 동작이 수행되면, 제1연산 증폭기(120)의 입력 단자들(INN1, INP1) 및 출력 단자들(VOUT1, VOUT1_COM)은 'VDDA - Vthp' 레벨로 되고, 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자들(INN2, INP2) 및 출력 단자들(VOUT2, VOUT2_COM)은 'Vthn' 레벨로 될 수 있다. 여기서 Vthn은 NMOS 트랜지스터의 문턱 전압이고, Vthp는 PMOS 트랜지스터의 문턱 전압일 수 있다.
도 5는 도 3과 같이 램프 전압(RAMP)이 움직이는 경우에, 제1연산 증폭기의 출력 단자(VOUT1)와 제2연산 증폭기의 입력 단자(INN2)가 어떻게 움직이는지를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1연산 증폭기(120)의 출력 단자(VOUT1)는 오토 제로잉 레벨인 'VDDA-Vthp'에서부터 움직이기 시작하고, 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자(INN2)는 오토 제로잉 레벨인 'Vthn'에서부터 움직이기 시작할 수 있다. 두 단자들(VOUT1, INN2) 의 전압 레벨은 서로 다르지만, 캐패시터(133)에 의해 커플링(coupling)되어 있기 때문에 동일하게 스윙(swing)할 수 있다.
램프 전압(RAMP)의 스윙 폭이 크므로, 출력 단자(VOUT1)의 스윙 폭도 크다. 입력 단자(INN2)가 출력 단자(VOUT1)와 동일하게 스윙한다면, 입력 단자(INN2)는 접지 전압(Ground) 아래의 레벨(501)까지 스윙해야 한다. 그런데, 입력 단자(INN2)의 전압 레벨이 접지 전압(Ground) 아래의 레벨로 내려가면 스위치(131)에서 입력 단자(INN2)로 누설 전류(leakage current)가 발생해 실제로는 레벨(502)까지밖에 스윙하지 못한다. 입력 단자(INN2)의 전압 레벨이 음(negative) 전압의 레벨로 내려가면서 스위치(131)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 PN 정션(junction)에 포워드 바이어스(foward bias)가 생성되는 것에 의해 스위치(131)로부터 입력 단자(INN2)로 누설 전류가 흐르게되고, 그 결과 입력 단자(INN2)의 전압 레벨이 높아짐에 따른 것이다.
누설 전류에 의해 입력 단자(INN2)의 전압이 레벨(501)까지 스윙하지 못하고 레벨(502)까지만 스윙하면, 이후에도 입력 단자(INN2)의 전압 레벨이 실선과 같이 변동되지 않고, 점선과 같이 변동되어 리셋 리드아웃 동작에 오류가 발생할 수 있다. 도면의 오프셋(OFFSET)은 누설 전류에 의한 입력 단자(INN2) 전압 레벨의 변동을 나타내는데, 이 오프셋(OFFSET) 값만큼 리셋 리드아웃 동작에 오류가 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(600)의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(600)는 픽셀(110), 제1연산 증폭기(120), 제2연산 증폭기(130) 디지털 코드 생성 회로(140), 스위치들(121, 122, 131, 132), 캐패시터들(123, 124, 133, 134), 누설 전류 측정기(650) 및 전류 누설기(660)를 포함할 수 있다. 즉, 도 6의 이미지 센서(600)는 도 1의 이미지 센서(100) 대비 누설 전류 측정기(650)와 전류 누설기(660)를 더 포함할 수 있다.
누설 전류 측정기(650)는 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자(INN2)로 흐르는 누설 전류를 측정할 수 있다. 도 5와 함께 살펴본 바와 같이, 입력 단자(INN2)의 전압 레벨이 접지 전압 이하의 음전압의 레벨로 낮아지면서 스위치(131)로부터 입력 단자(INN2)로 누설 전류가 흐르게되는데 누설 전류 측정기(650)는 이 누설 전류의 양을 측정할 수 있다. 누설 전류 측정기(650)는 입력 단자(INN2)에 흐르는 누설 전류를 직접적으로 또는 간접적으로 측정할 수 있다.
전류 누설기(660)는 누설 전류 측정기(650)에 의해 측정된 누설 전류와 동일한 양의 전류를 입력 단자(INP2)로 흘릴 수 있다. 전류 누설기(660)가 입력 단자(INN2)에서 발생하는 누설 전류와 동일한 양의 누설전류를 입력 단자(INP2)로 흘리므로, 입력 단자(INP2)에서도 입력 단자(INN2)와 동일한 양의 오프셋이 발생할 수 있다. 제2연산 증폭기(130)는 차동 증폭기이기 때문에 입력 단자들(INN2, INP2) 사이의 전압 차이를 증폭하는데, 입력 단자들(INN2, INP2) 모두에 동일한 양의 오프셋이 발생하는 경우에는 제2연산 증폭기(130)의 동작에는 아무런 문제가 발생하지 않을 수 있다.
누설 전류 측정기(650)를 이용해 입력 단자(INN2)에 흐르는 누설 전류의 양을 파악하고, 전류 누설기(660)를 이용해 입력 단자(INP2)에도 입력 단자(INN2)와 동일한 양의 누설 전류를 흘려주면, 도 5에서 살펴본 오프셋에 의한 문제는 해결될 수 있다.
도 6의 이미지 센서(600)에서 픽셀(100)을 제외한 나머지 구성들은 픽셀(100)에서 출력된 아날로그 전압(PIXEL)을 디지털 코드인 이미지 데이터(IMG)로 변환하기 위한 구성들이다. 따라서, 본 발명이 이미지 센서 뿐만이 아니라 아날로그 전압을 디지털 코드로 변환하기 위한 일반적인 아날로그-디지털 변환 회로에도 적용될 수 있다.
도 7은 도 6의 누설 전류 측정기(650)와 전류 누설기(660)의 일실시예 구성도이다.
도 7을 참조하면, 누설 전류 측정기(650)는 간접적인 방식으로 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자(INN2)에 흐르는 누설 전류를 측정할 수 있다. 누설 전류 측정기(650)는 더미 제1연산 증폭기(720), 더미 제2연산 증폭기(730), 더미 스위치들(721, 722, 731, 732), 더미 캐패시터들(723, 724, 733, 734) 및 측정기(770)를 포함할 수 있다.
더미(dummy)라는 명칭이 붙은 구성들은 그렇지 않은 구성들과 동일하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 더미 제2연산 증폭기(730)는 제2연산 증폭기(130)와 동일하게 구성될 수 있다. 더미라는 명칭이 붙은 구성들은 더미 제2연산 증폭기(730)의 입력 단자(XINN2)에 흐르는 더미 누설 전류의 양이 제2연산 증폭기(130)의 입력 단자(INN2)에 흐르는 누설 전류의 양과 동일하게 될 수 있도록 하기 위한 구성이며, 실제로 아날로그-디지털 변환 동작을 수행하기 위한 구성들은 아니다. 따라서, 더미 제1연산 증폭기(720)에 실제의 픽셀이 연결될 필요는 없다.
측정기(770)는 더미 제2연산 증폭기(730)의 입력 단자(XINN2)에 흐르는 더미 누설 전류에 대응하는 누설 전압(VSENS)을 생성할 수 있다. 측정기(770)는 커런트 미러(771)와 전류 전압 변환기(775)를 포함할 수 있다.
커런트 미러(771)는 NMOS 트랜지스터들(772, 773)을 포함하고, 커런트 미러(771)의 미러링 동작에 의해 NMOS 트랜지스터(772)의 드레인에 흐르는 더미 누설 전류가 NMOS 트랜지스터(773)의 드레인으로 미러링될 수 있다.
전류 전압 변환기(775)는 소스단에 전원 전압(VDDA)이 인가되고, 드레인이 NMOS 트랜지스터(773)의 드레인과 연결되고, 드레인과 게이트가 연결된 PMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 전류 전압 변환기(775)는 NMOS 트랜지스터(773)의 드레인단으로 미러링된 더미 누설 전류에 대응하는 전압인 누설 전압(VSENS)을 생성할 수 있다.
전류 누설기(660)는 누설 전압(VSENS)을 게이트에 인가받아 전원 전압단(VDDA)으로부터 입력 단자(INP2)로 전류를 흘리는 PMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 전류 누설기(660)의 PMOS 트랜지스터는 전류 전압 변환기(775)의 PMOS 트랜지스터(775)와 동일한 전압(VSENS)을 게이트에 인가받으므로, 전류 전압 변환기(775)의 PMOS 트랜지스터와 동일한 영의 전류, 즉 더미 누설 전류와 동일한 양의 전류, 를 입력 단자(INP2)로 흘릴 수 있다.
도 6에서는 이미지 센서(600)가 하나의 제2연산 증폭기(130)를 포함하는 것으로 도시했지만, 이미지 센서(600)는 다수개의 제2연산 증폭기들을 포함할 수 있다. 이 경우 다수개의 제2연산 증폭기들마다 전류 누설기(660)는 별도로 구비되어야 하지만, 다수개의 제2연산 증폭기들이 하나의 누설 전류 측정기(650)를 공유할 수도 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
600: 이미지 센서 110: 픽셀
120: 제1연산 증폭기 130: 제2연산 증폭기
140: 디지털 코드 생성 회로
121, 122, 131, 132: 스위치들
123, 124, 133, 134: 캐패시터들
650: 누설 전류 측정기 660: 전류 누설기

Claims (17)

  1. 램프 전압과 변환 대상 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제1연산 증폭기;
    제1입력 단자로 전달되는 상기 제1연산 증폭기의 증폭 결과와 제2입력 단자로 전달되는 기준 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제2연산 증폭기;
    상기 제1입력 단자로의 누설 전류를 측정하는 누설 전류 측정기; 및
    상기 누설전류 측정기에 의해 측정된 누설 전류와 동일한 양의 전류를 상기 제2입력 단자로 흘리는 전류 누설기
    를 포함하는 아날로그-디지털 변환 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 전류 측정기는
    상기 제2연산 증폭기와 동일하게 구성된 더미 제2연산 증폭기; 및
    상기 더미 제2연산 증폭기의 더미 제1입력 단자에 흐르는 더미 누설 전류에 대응하는 누설 전압을 생성하는 측정기를 포함하는
    아날로그-디지털 변환 회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 측정기는
    상기 더미 제1입력 단자에 흐르는 전류를 미러링하는 커런트 미러; 및
    상기 커런트 미러에 의해 미러링된 전류에 대응하는 상기 누설 전압을 생성하기 위한 전류 전압 변환기를 포함하는
    아날로그-디지털 변환 회로.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전류 전압 변환기는
    상기 미러링된 전류가 드레인에 흐르고, 소스에 풀업 전압이 인가되고, 상기 드레인과 게이트가 연결된 PMOS 트랜지스터를 포함하는
    아날로그-디지털 변환 회로.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 전류 누설기는
    상기 누설 전압에 응답해 상기 제2입력 단자로 전류를 흘리는
    아날로그-디지털 변환 회로.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 누설 전류 측정기는
    상기 제1연산 증폭기와 동일하게 구성된 더미 제1연산 증폭기를 더 포함하는
    아날로그-디지털 변환 회로.
  7. 제 1항에 있어서,
    오토 제로잉(auto zeroing) 동작시에 상기 제1연산 증폭기의 정출력 단자와 상기 제1연산 증폭기의 부입력 단자를 연결하기 위한 제1스위치;
    상기 오토 제로잉 동작시에 상기 제1연산 증폭기의 부출력 단자와 상기 제1연산 증폭기의 정입력 단자를 연결하기 위한 제2스위치;
    상기 오토 제로잉 동작시에 상기 제1입력 단자와 상기 제2연산 증폭기의 정출력 단자를 연결하기 위한 제3스위치; 및
    상기 오토 제로잉 동작시에 상기 제2입력 단자와 상기 제2연산 증폭기의 부출력 단자를 연결하기 위한 제4스위치
    를 더 포함하는 아날로그-디지털 변환 회로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제3스위치는
    하나 이상의 PMOS 트랜지스터를 포함하는
    아날로그-디지털 변환 회로.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2연산 증폭기의 출력을 이용해 디지털 코드를 생성하기 위한 디지털 코드 생성 회로
    를 더 포함하는 아날로그-디지털 변환 회로.
  10. 픽셀;
    램프 전압과 상기 픽셀의 출력 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제1연산 증폭기;
    제1입력 단자로 전달되는 상기 제1연산 증폭기의 증폭 결과와 제2입력 단자로 전달되는 기준 전압을 비교해 그 결과를 출력하는 제2연산 증폭기;
    상기 제1입력 단자로의 누설 전류를 측정하는 누설 전류 측정기;
    상기 누설전류 측정기에 의해 측정된 누설 전류와 동일한 양의 전류를 상기 제2입력 단자로 흘리는 전류 누설기; 및
    상기 제2연산 증폭기의 출력을 이용해 이미지 데이터를 생성하기 위한 디지털 코드 생성 회로
    를 포함하는 이미지 센서.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 누설 전류 측정기는
    상기 제2연산 증폭기와 동일하게 구성된 더미 제2연산 증폭기; 및
    상기 더미 제2연산 증폭기의 더미 제1입력 단자에 흐르는 더미 누설 전류에 대응하는 누설 전압을 생성하는 측정기를 포함하는
    이미지 센서.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 측정기는
    상기 더미 제1입력 단자에 흐르는 전류를 미러링하는 커런트 미러; 및
    상기 커런트 미러에 의해 미러링된 전류에 대응하는 상기 누설 전압을 생성하기 위한 전류 전압 변환기를 포함하는
    이미지 센서.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전류 전압 변환기는
    상기 미러링된 전류가 드레인에 흐르고, 소스에 풀업 전압이 인가되고, 상기 드레인과 게이트가 연결된 PMOS 트랜지스터를 포함하는
    이미지 센서.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 전류 누설기는
    상기 누설 전압에 응답해 상기 제2입력 단자로 전류를 흘리는
    이미지 센서.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 누설 전류 측정기는
    상기 제1연산 증폭기와 동일하게 구성된 더미 제1연산 증폭기를 더 포함하는
    이미지 센서.
  16. 제 10항에 있어서,
    오토 제로잉(auto zeroing) 동작시에 상기 제1연산 증폭기의 정출력 단자와 상기 제1연산 증폭기의 부입력 단자를 연결하기 위한 제1스위치;
    상기 오토 제로잉 동작시에 상기 제1연산 증폭기의 부출력 단자와 상기 제1연산 증폭기의 정입력 단자를 연결하기 위한 제2스위치;
    상기 오토 제로잉 동작시에 상기 제1입력 단자와 상기 제2연산 증폭기의 정출력 단자를 연결하기 위한 제3스위치; 및
    상기 오토 제로잉 동작시에 상기 제2입력 단자와 상기 제2연산 증폭기의 부출력 단자를 연결하기 위한 제4스위치
    를 더 포함하는 이미지 센서.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제3스위치는
    하나 이상의 PMOS 트랜지스터를 포함하는
    이미지 센서.
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