KR20220052797A - 이미지 센서 및 아날로그-디지털 변환기 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서는, 픽셀 신호를 출력하는 픽셀; 제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하고, 상기 제1구간 이후의 제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하는 램프 전압 생성 회로; 상기 제1구간과 상기 제2구간 동안에 상기 픽셀 신호와 상기 램프 전압을 비교하는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 상기 픽셀 신호에 대응하는 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 아날로그-디지털 변환기 {IMAGE SENSOR AND ANALOG TO DIGITAL CONVERTOR}
본 특허 문헌은 이미지 센서 및 아날로그-디지털 변환기에 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 변환기(ADC)를 주로 사용하고 있다.
이미지 센서의 발전과 함께, 아날로그-디지털 변환의 정확도(해상도)가 높아질 것이 점점 요구되고 있다. 과거에는 픽셀 전압을 10비트의 디지털 코드로 변환하는 것도 충분했지만, 현재에는 픽셀 전압을 12비트 또는 14비트의 디지털 코드로 변환하는 것이 요구되고 있다. 그런데 아날로그-디지털 변환의 정확도(해상도)를 높일 수록 아날로그-디지털 변환에 필요한 시간이 늘어나는 문제가 발생한다. 예를 들어, 전압을 12비트의 디지털 코드로 변환하는 경우에 10비트의 디지털 코드로 변환하는 것 대비 4배의 시간이 소요될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 짧은 시간에 높은 정확도로 픽셀 신호를 디지털 코드로 변환하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 신호를 출력하는 픽셀; 제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하고, 상기 제1구간 이후의 제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하는 램프 전압 생성 회로; 상기 제1구간과 상기 제2구간 동안에 상기 픽셀 신호와 상기 램프 전압을 비교하는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 상기 픽셀 신호에 대응하는 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은, 픽셀 신호를 생성하는 단계; 제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하는 단계; 상기 제1구간 동안에 클럭을 카운팅해 디지털 코드를 생성하는 단계; 상기 제1구간 동안에 상기 램프 전압의 레벨이 상기 픽셀 신호의 전압 레벨이 도달하지 못하고 상기 제1구간이 종료되는 단계; 상기 디지털 코드가 초기화되는 단계; 제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하는 단계; 상기 제2구간 동안에 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하는 단계; 상기 램프 전압의 레벨이 상기 픽셀 신호의 전압 레벨에 도달하는 단계; 및 상기 도달에 응답해 상기 클럭의 카운팅을 중지하고, 상기 픽셀 신호에 대응하는 상기 디지털 코드를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환기는, 제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하고, 상기 제1구간 이후의 제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하는 램프 전압 생성 회로; 상기 제1구간과 상기 제2구간 동안에 변환 대상 전압과 상기 램프 전압을 비교하는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 상기 변환 대상 전압에 대응하는 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 이미지 센서가 짧은 시간에도 높은 품질의 디지털 이미지를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구성도.
도 2는 도 1의 픽셀(110)의 일실시예 구성도.
도 3과 도 4는 도 1의 이미지 센서(100)의 동작의 일실시예를 도시한 도면.
도 5는 시그널 리드아웃 구간(SR)에서의 램프 전압(RAMP)의 램핑 동작에 대한 또다른 예를 도시한 도면.
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 구성 요소들에 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), 램프 전압 생성 회로(120), 연산 증폭기(130), 카운터 회로(140), 제어기(150), 스위치들(131, 132) 및 캐패시터들(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.
램프 전압 생성 회로(120)는 램프 전압(RAMP)을 생성할 수 있다. 램프 전압 생성 회로(120)가 생성하는 램프 전압(RAMP)의 기울기(slope)는 동작 구간 별로 달라질 수 있다. 이에 대해서는 도 3과 함께 자세히 알아보기로 한다.
연산 증폭기(130)는 캐패시터들(133, 134)을 통해 픽셀 신호(PIXEL)와 램프 전압(RAMP)을 입력받을 수 있다. 연산 증폭기(130)는 캐패시터(133)를 통해 입력 단자(INN)로 입력된 픽셀 신호(PIXEL)와 캐패시터(134)를 통해 입력 단자(INP)로 입력된 램프 전압(RAMP)의 레벨을 비교해 그 결과를 출력 단자(OUTP)로 출력할 수 있다. 입력 단자(INN)는 부(-)입력 단자이고, 입력 단자(INP)는 정(+)입력 단자이고, 출력 단자(OUTP)는 정(+)출력 단자이고, 출력 단자(OUTN)는 부(-)출력 단자일 수 있다. 스위치들(131, 132)은 연산 증폭기(130)의 오토 제로잉(auto zeroing) 동작을 위한 것일 수 있다. 오토 제로잉 동작시에 스위치들(131, 132)이 턴온될 수 있다. 스위치(131)는 입력 단자(INN)와 출력 단자(OUTP)를 전기적으로 연결하고, 스위치(132)는 입력 단자(INP)와 출력 단자(OUTN)를 전기적으로 연결할 수 있다. 스위치들(131, 132)은 신호(SW)에 응답해 온/오프될 수 있다.
카운터 회로(140)는 연산 증폭기(130)의 출력 단자(OUTP)의 신호에 응답해, 클럭(CNT_CLK)을 카운팅하고, 그 결과 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다.
제어기(150)는 리셋 리드 구간, 제1구간 및 제2구간 동안에 각각의 구간에 알맞은 동작이 수행되도록, 램프 전압 생성 회로(120), 스위치들(131, 132) 및 카운터 회로(140)를 제어할 수 있다. 제어기(150)의 제어 동작에 대해서는 도 3과 함께 자세히 알아보기로 한다. 도면의 'CONTROL'은 제어기(150)의 제어를 나타낼 수 있다.
도 1의 이미지 센서(100)에서 픽셀(110)을 제외한 나머지 구성들은 픽셀(110)에서 출력된 아날로그 전압(PIXEL)을 디지털 코드(DOUT)로 변환하기 위한 구성들이다. 따라서, 본 발명이 이미지 센서 뿐만이 아니라 아날로그 전압을 디지털 코드로 변환하기 위한 일반적인 아날로그-디지털 변환기에도 적용될 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀(110)의 일실시예 구성도이다.
도 2를 참조하면, 픽셀(110)은 광 감지기(201), 전달 트랜지스터(203), 리셋 트랜지스터(205), 캐패시터(207), 구동 트랜지스터(209), 선택 트랜지스터(211) 및 전류원(213)을 포함할 수 있다.
광 감지기(201)는 광전 변환 기능을 수행할 수 있다. 광 감지기(201)는 접지 전압단과 전달 트랜지스터(203) 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.
전달 트랜지스터(203)는 전달 신호(TX)에 응답해 광 감지기(201)의 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달할 수 있다. 여기서 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 전달 트랜지스터(203)와 리셋 트랜지스터(205)에 연결되는 디퓨전(diffusion) 영역으로, 영상 신호에 대응하는 전하 또는 초기화 전압에 대응하는 전하가 축적되는 노드이다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 전하를 저장하기 위한 캐패시터(207)가 연결될 수 있다.
리셋 트랜지스터(205)는 리셋 제어 신호(RX)에 응답해 전원 전압을 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달할 수 있다. 즉, 리셋 트랜지스터(205)는 리셋 제어 신호(RX)에 응답해 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 광 전하를 리셋할 수 있다.
구동 트랜지스터(209)는 게이트가 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결되고 드레인과 소스가 전원 전압단과 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)의 소스단과 출력 라인(PIXEL)을 전기적으로 연결할 수 있다.
전류원(213)은 출력 라인(PIXEL)으로부터 일정 전류를 접지단으로 싱킹(sinking)할 수 있다. 전류원(213)은 다수개의 픽셀들에 의해 공유될 수 있다.
출력 라인(PIXEL)으로부터는 픽셀 신호가 출력되는 라인인데, 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨은 구동 트래지스터(209)가 출력 라인(PIXEL)으로 소싱(sourcing)하는 전류의 양과 전류원(213)이 출력 라인(PIXEL)으로부터 싱킹하는 전류의 양에 의해 결정될 수 있다. 결론적으로, 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨은 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압 레벨이 높을수록 높아질 수 있다.
도 3과 도 4는 도 1의 이미지 센서(100)의 동작의 일실시예를 도시한 도면이다. 도 3에서는 픽셀(100)에서 생성된 픽셀 신호의 전압 레벨이 낮은 경우의 동작을 도시했으며, 도 4에서는 픽셀(100)에서 생성된 픽셀 신호의 전압 레벨이 높은 경우의 동작을 도시했다.
도 3의 'AZ'는 오토 제로잉(auto-zeroing) 구간을 나타낼 수 있다. 이 구간(AZ) 동안에는, 제어기(150)에 의해 신호(SW)가 활성화되고, 스위치들(131, 132)이 턴온되어 연산 증폭기(130)의 오토 제로잉 동작이 수행될 수 있다.
도 3의 'RR'은 리셋 리드아웃(Reset Readout) 구간을 나타낼 수 있다. 이 구간에서는 픽셀(100)로부터 리셋 신호(reset signal)가 출력되고, 램프 전압 생성 회로(120), 연산 증폭기(130) 및 카운터 회로(140)에 의해 리셋 신호를 디지털 코드(DOUT)로 변환하는 동작이 수행될 수 있다.
리셋 리드아웃 구간(RR)에, 픽셀(100)에서는 리셋 제어 신호(RX)가 활성화되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋되고, 선택 신호(SX)가 활성화되어, 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 리셋 신호가 출력될 수 있다. 리셋 리드아웃 구간(RR)에서 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨이 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이 때부터 출력 라인(PIXEL)으로 픽셀(100)의 리셋 신호가 출력될 수 있다.
리셋 리드아웃 구간(RR)에서 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 출력 라인(PIXEL)의 전압과 만나는 시점까지, 즉 연산 증폭기(130)의 출력(OUTP)이 천이하는 시점까지, 카운터 회로(140)는 클럭(CNT_CLK)의 활성화 회수를 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다. 여기서의 디지털 코드(DOUT)는 픽셀(100)의 리셋 신호를 디지털로 변환한 코드일 수 있다. 리셋 리드아웃 구간(RR)에서는 램프 전압(RAMP)이 작은 절대값을 가지는 제1기울기를 가지고 내려갈 수 있다. 따라서 리셋 리드아웃 구간(RR)에서 카운터 회로(140)가 생성한 디지털 코드(DOUT)의 해상도가 높을 수 있다. 예를 들어, 리셋 리드 아웃 구간(RR)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)는 12비트의 해상도를 가질 수 있다.
도 3의 'SR'은 시그널 리드아웃(signal readout) 구간을 나타낸다. 이 구간에서는 픽셀(100)로부터 픽셀 신호(pixel signal)가 출력되고, 램프 전압 생성 회로(120), 연산 증폭기(130) 및 카운터 회로(140)에 의해 픽셀 신호를 디지털 코드(DOUT)로 변환하는 동작이 수행될 수 있다.
시그널 리드아웃 구간(SR)에, 픽셀(100)에서는 전달 신호(TX)가 활성화되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 광 감지기(201)의 광 전하가 전달되고, 선택 신호(SX)가 활성화되어, 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 픽셀(100)의 픽셀 신호, 즉 픽셀(100)이 감지한 빛에 대응하는 신호, 가 출력될 수 있다. 시그널 리드아웃 구간(SR)에서 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨이 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이 때부터 출력 라인(PIXEL)으로 픽셀(100)의 픽셀 신호가 출력될 수 있다.
시그널 리드아웃 구간(SR) 내에는 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 2개의 구간들(310, 320)에서 수행될 수 있다. 첫번째 구간(310)은 픽셀 신호를 고해상도로 디지털 변환하기 위한 구간이며, 두번째 구간(320)은 첫번째 구간(310)에서 픽셀 신호의 디지털 변환에 실패할 경우에 픽셀 신호를 저해상도로 디지털 변환하기 위한 구간일 수 있다.
구간(310)에서 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 출력 라인(PIXEL)의 전압(픽셀 신호)과 만나는 시점까지 카운터 회로(140)는 클럭(CNT_CLK)의 활성화 회수를 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다. 그런데 구간(310) 내에서 램프 전압(RAMP)이 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨까지 내려가지 못하고 두 전압들의 레벨이 만나지 못하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 구간(310) 내에서 픽셀 신호의 디지털 변환은 실패일 수 있다. 구간(310)에서는 램프 전압(RAMP)이 리셋 리드아웃 구간(RR)에서와 동일한 기울기인 제1기울기를 가지고 내려갈 수 있다. 따라서 이 구간(310)은 높은 해상도를 가지는 디지털 코드(DOUT)의 생성을 시도하는 구간일 수 있다.
구간(310)에서 출력 라인(PIXEL)의 전압을 디지털 코드(DOUT)로 변환하는데 실패했으므로, 구간(320)에서 출력 라인(PIXEL)의 전압을 디지털 코드(DOUT)로 변환하는 동작이 다시 시도될 수 있다. 제어기(150)의 제어에 의해 카운터 회로(140)는 디지털 코드(DOUT)를 초기화하고 구간(320)에서 새로운 디지털 코드를 생성할 수 있다. 또한, 제어기(150)의 제어에 의해 램프 전압 생성 회로(120)는 구간(310)과는 다른 기울기의 램프 전압(RAMP)을 생성할 수 있다. 제어기(150)는 연산 증폭기의 출력(OUTP)을 모니터링하는 것에 의해 구간(310)에서 디지털 코드(DOUT)의 변환 동작이 성공했는지 실패했는지를 알 수 있다.
구간(320)에서 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 램프 전압(RAMP)은 구간(310)에서보다 절대값이 큰 제2기울기를 가지고 내려갈 수 있다. 예를 들어, 제2기울기는 제1기울기의 2^N(N=1이상의 정수)배일 수 있다. 여기서는 제2기울기가 제1기울기의 4배인 것을 도시했다. 구간(320)에서 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 출력 라인(PIXEL)의 전압(픽셀 신호)와 만나는 시점까지, 즉 연산 증폭기(130)의 출력(OUTP)이 천이하는 시점까지, 카운터 회로(140)는 클럭(CNT_CLK)의 활성화 회수를 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다. 구간(320)에서는 램프 전압(RAMP)이 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 내려가므로 램프 전압(RAMP)과 출력 라인(PIXEL)의 전압이 만날 수 있다. 구간(320)에서는 구간들(RR, 310)대비 2^N배의 기울기로 램프 전압(RAMP)이 가파르게 내려가므로, 구간(320)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)의 해상도는 구간들(RR, 310)에서 생성된 디지털 코드(DOUT) 대비 1/(2^N)배의 해상도를 가질 수 있다. 여기서는, 제2기울기가 제1기울기의 4배인 것을 예시했으므로, 구간(320)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)의 해상도는 구간(RR)에서 생성된 디지털 코드(DOUT) 대비 1/4배의 해상도를 가질 수 있다. 즉, 구간(RR)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)가 12비트 코드라면, 구간(320)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)는 10비트 코드일 수 있다.
픽셀(100)에서 감지된 정확한 이미지는 [픽셀 신호] - [리셋 신호]로 얻어질 수 있다. 픽셀 신호는 구간(320)에서 10비트의 해상도의 디지털 코드(DOUT)로 생성되었으며, 리셋 신호는 구간(RR)에서 12비트의 해상도의 디지털 코드(DOUT)로 생성되었다. 따라서, 최종적인 이미지는 [구간(320)에서 생성된 디지털 코드 * 4] - [구간(RR)에서 생성된 디지털 코드]로 얻어질 수 있으며, 이 이미지는 12비트의 코드일 수 있다.
도 4의 'AZ'는 오토 제로잉 구간을 나타낼 수 있다. 이 구간(AZ) 동안에는, 제어기(150)에 의해 신호(SW)가 활성화되고, 스위치들(131, 132)이 턴온되어 연산 증폭기(130)의 오토 제로잉 동작이 수행될 수 있다.
도 4의 'RR'은 리셋 리드아웃(Reset Readout) 구간을 나타낼 수 있다. 이 구간에서는 픽셀(100)로부터 리셋 신호(reset signal)가 출력되고, 램프 전압 생성 회로(120), 연산 증폭기(130) 및 카운터 회로(140)에 의해 리셋 신호를 디지털 코드(DOUT)로 변환하는 동작이 수행될 수 있다.
리셋 리드아웃 구간(RR)에, 픽셀(100)에서는 리셋 제어 신호(RX)가 활성화되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋되고, 선택 신호(SX)가 활성화되어, 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 리셋 신호가 출력될 수 있다. 리셋 리드아웃 구간(RR)에서 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨이 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이 때부터 출력 라인(PIXEL)으로 픽셀(100)의 리셋 신호가 출력될 수 있다.
리셋 리드아웃 구간(RR)에서 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 출력 라인(PIXEL)의 전압과 만나는 시점까지, 즉 연산 증폭기(130)의 출력(OUTP)이 천이하는 시점까지, 카운터 회로(140)는 클럭(CNT_CLK)의 활성화 회수를 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다. 여기서의 디지털 코드(DOUT)는 픽셀(100)의 리셋 신호를 디지털로 변환한 코드일 수 있다. 리셋 리드아웃 구간(RR)에서는 램프 전압(RAMP)이 작은 절대값을 가지는 제1기울기를 가지고 내려갈 수 있다. 따라서 리셋 리드아웃 구간(RR)에서 카운터 회로(140)가 생성한 디지털 코드(DOUT)의 해상도가 높을 수 있다. 예를 들어, 리셋 리드 아웃 구간(RR)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)는 12비트의 해상도를 가질 수 있다.
도 4의 'SR'은 시그널 리드아웃(signal readout) 구간을 나타낸다. 이 구간에서는 픽셀(100)로부터 픽셀 신호(pixel signal)가 출력되고, 램프 전압 생성 회로(120), 연산 증폭기(130) 및 카운터 회로(140)에 의해 픽셀 신호를 디지털 코드(DOUT)로 변환하는 동작이 수행될 수 있다.
시그널 리드아웃 구간(SR)에, 픽셀(100)에서는 전달 신호(TX)가 활성화되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 광 감지기(201)의 광 전하가 전달되고, 선택 신호(SX)가 활성화되어, 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 픽셀(100)의 픽셀 신호, 즉 픽셀(100)이 감지한 빛에 대응하는 신호, 가 출력될 수 있다. 시그널 리드아웃 구간(SR)에서 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨이 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이 때부터 출력 라인(PIXEL)으로 픽셀(100)의 픽셀 신호가 출력될 수 있다.
시그널 리드아웃 구간(SR) 내에는 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 2개의 구간들(410, 420)에서 수행될 수 있다. 첫번째 구간(410)은 픽셀 신호를 고해상도로 디지털 변환하기 위한 구간이며, 두번째 구간(420)은 첫번째 구간(410)에서 픽셀 신호의 디지털 변환에 실패할 경우에 픽셀 신호를 저해상도로 디지털 변환하기 위한 구간일 수 있다.
구간(410)에서 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 램프 전압(RAMP)이 하강하기 시작하는 시점부터 램프 전압(RAMP)이 출력 라인(PIXEL)의 전압(픽셀 신호)와 만나는 시점까지, 즉 연산 증폭기(130)의 출력(OUTP)이 천이하는 시점까지 카운터 회로(140)는 클럭(CNT_CLK)의 활성화 회수를 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다. 도 4에서는 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨이 비교적 높으므로, 구간(410) 내에서도 램프 전압(RAMP)과 출력 라인(PIXEL)의 전압 레벨이 같아지는 시점이 존재할 수 있다. 구간(410)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)가 픽셀(100)의 픽셀 신호를 디지털로 변환한 코드일 수 있다. 구간(410)에서는 램프 전압이 제1기울기를 가지고 내려가므로, 이 구간(410)에서 생성된 디지털 코드(DOUT)는 높은 해상도, 예를 들어 12비트의 해상도, 를 가질 수 있다.
구간(420)에서 램프 전압(RAMP)이 올라갔다 제2기울기로 내려가는 램핑 동작이 다시 수행될 수 있다. 구간(410)에서 이미 출력 라인(PIXEL)의 픽셀 신호를 디지털 코드(DOUT)로 변환하는데 성공했으므로, 구간(420)에서는 디지털 코드(DOUT)의 생성이 다시 시도되지 않을 수 있다. 즉, 구간(410)에서 디지털 코드(DOUT)의 변환에 성공한 경우에, 제어기(150)는 카운터 회로(140)의 디지털 코드(DOUT)를 초기화하지 않고, 카운터 회로(140)가 카운팅 동작을 수행하지 않도록 제어할 수 있다.
픽셀(100)에서 감지된 정확한 이미지는 [픽셀 신호] - [리셋 신호]로 얻어질 수 있다. 픽셀 신호는 구간(410)에서 12비트 해상도의 디지털 코드(DOUT)로 생성되었으며, 리셋 신호는 구간(RR)에서 12비트 해상도의 디지털 코드(DOUT)로 생성되었다. 따라서 최종적인 이미지는 [구간(410)에서 생성된 디지털 코드] - [구간(RR)에서 생성된 디지털 코드]로 얻어질 수 있으며, 이 이미지는 12비트의 코드일 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 높은 전압 레벨을 가지는 리셋 신호는 구간(RR)에서 고해상도로 아날로그-디지털 변환될 수 있다. 픽셀 신호는 전압 레벨이 높은 경우에는(예, 도 4) 구간(410)에서 고해상도로 아날로그-디지털 변환될 수 있으며, 전압 레벨이 낮은 경우에는(예, 도 3) 구간(320)에서 저해상도로 아날로그-디지털 변환될 수 있다. 픽셀 신호의 전압 레벨이 높다는 것은 픽셀(100)에서 감지된 빛의 양이 적다는 것을 의미하는데, 이 경우에는 감지된 빛의 양의 미세한 차이도 구별 가능해야 하므로 픽셀 신호를 고해상도로 아날로그-디지털 변환할 필요가 있다. 반면에, 픽셀 신호의 전압 레벨이 낮다는 것은 픽셀(100)에서 감지된 빛의 양이 많다는 것을 의미하는데, 이 경우에는 빛의 양의 미세한 차이까지 구별해야할 필요성이 감지된 빛의 양이 적을때보다는 적을 수 있다. 따라서 픽셀(100)에서 감지된 빛의 양이 많은 경우에는 픽셀 신호를 저해상도로 아날로그-디지털 변환하더라도 이미지의 품질에는 큰 영향이 없을 수 있다.
픽셀 신호의 전압 레벨이 높은 경우에는 픽셀 신호를 고해상도로 아날로그-디지털 변환하는데 많은 시간이 필요하지 않지만, 픽셀 신호의 전압 레벨이 낮은 경우에는 픽셀 신호를 고해상도로 아날로그-디지털 변환하려면 매우 많은 시간이 필요하다. 따라서 이미지 센서(100)는 픽셀 신호의 전압 레벨이 높은 경우에는 픽셀 신호가 고해상도로 아날로그-디지털 변환하고, 픽실 신호의 전압 레벨이 낮은 경우에는 픽셀 신호를 저해상도로 아날로그-디지털 변환할 수 있다. 즉, 픽셀 신호의 전압 레벨이 높아 고해상도의 아날로그-디지털 변환이 요구되는 경우에는 빠르게 고해상도의 아날로그-디지털 변환 동작을 수행하고, 픽셀 신호의 전압 레벨이 낮아 고해상도의 아날로그-디지털 변환이 요구되지 않는 경우에는 저해상도의 아날로그-디지털 변환 동작을 수행할 수 있다.
도 5는 시그널 리드아웃 구간(SR)에서의 램프 전압(RAMP)의 램핑 동작에 대한 또다른 예를 도시한 도면이다. 도 3과 도 4에서는 시그널 리드아웃 구간(SR)이 고해상도 변환 구간(310, 410)과 저해상도 변환 구간(320, 420)의 두 구간으로 나뉘어지는 것을 도시했는데, 도 5에서는 고해상도 변환 구간(510), 중해상도 변환 구간(520) 및 저해상도 변환 구간(530)의 세 구간들로 나뉘어지는 것에 대해 알아보기로 한다.
도 5를 참조하면, 고해상도 변환 구간(510)에서는 램프 전압(RAMP)이 올라갔다가 낮은 기울기로 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 출력되는 픽셀 신호의 전압 레벨이 511~512 사이의 레벨인 경우에, 구간(510)에서 램프 전압(RAMP)이 픽셀 신호의 전압 레벨과 같아질 수 있으므로, 픽셀 신호가 고해상도(예, 12비트)로 디지털 변환되어 디지털 코드(DOUT)가 생성될 수 있다.
중해상도 변환 구간(520)에서도 램프 전압(RAMP)이 올라갔다가 중간 기울기로 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 출력되는 픽셀 신호의 전압 레벨이 512~521 사이의 레벨인 경우에, 구간(520)에서 램프 전압(RAMP)이 픽셀 신호의 전압 레벨과 같아질 수 있으므로, 픽셀 신호가 중해상도(예, 11비트)로 디지털 변환되어 디지털 코드(DOUT)가 생성될 수 있다.
저해상도 변환 구간(530)에서도 램프 전압(RAMP)이 올라갔다가 높은 기울기로 내려가는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 픽셀(100)의 출력 라인(PIXEL)으로 출력되는 픽셀 신호의 전압 레벨이 521~531 사이의 레벨인 경우에, 구간(530)에서 램프 전압(RAMP)이 픽셀 신호의 전압 레벨과 같아질 수 있으므로, 픽셀 신호가 저해상도(예, 10비트)로 디지털 변환되어 디지털 코드(DOUT)가 생성될 수 있다.
도 5에서는 3단계의 해상도를 이용해 픽셀 전압을 디지털 코드(DOUT)로 변환하는 것을 예시했지만, 이보다 더 많은 단계의 해상도를 이용해 픽셀 전압이 디지털 코드(DOUT)로 변환될 수도 있음은 당연하다.
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.
100: 이미지 센서 110: 픽셀
120: 램프 전압 생성 회로 130: 연산 증폭기
140: 카운터 회로 150: 제어기
131, 132: 스위치들 133, 134: 캐패시터들

Claims (13)

  1. 픽셀 신호를 출력하는 픽셀;
    제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하고, 상기 제1구간 이후의 제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하는 램프 전압 생성 회로;
    상기 제1구간과 상기 제2구간 동안에 상기 픽셀 신호와 상기 램프 전압을 비교하는 연산 증폭기; 및
    상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 상기 픽셀 신호에 대응하는 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로
    를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 카운터 회로는
    상기 제1구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하고,
    상기 제1구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이하지 않으면, 상기 제2구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하는
    이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2기울기의 절대값은 상기 제1기울기의 절대값의 2^N 배인 (N은 1이상의 정수)
    이미지 센서.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 램프 전압 생성 회로는 상기 제2구간 이후의 제3구간 동안에 상기 제2기울기보다 큰 절대값을 가지는 제3기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하고,
    상기 카운터 회로는 상기 제2구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이하지 않으면, 상기 제3구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하는
    이미지 센서.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 픽셀은 리셋 리드 구간 동안에 리셋 신호를 출력하고,
    상기 램프 전압 생성 회로는 상기 리셋 리드 구간 동안에 상기 제1기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하고,
    상기 연산 증폭기는 상기 리셋 리드 구간 동안에 상기 리셋 신호와 상기 램프 전압을 비교하는
    이미지 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 카운터 회로는
    상기 리셋 리드 구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 상기 클럭을 카운팅해 상기 리셋 신호에 대응하는 디지털 코드를 생성하는
    이미지 센서.
  7. 픽셀 신호를 생성하는 단계;
    제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하는 단계;
    상기 제1구간 동안에 클럭을 카운팅해 디지털 코드를 생성하는 단계;
    상기 제1구간 동안에 상기 램프 전압의 레벨이 상기 픽셀 신호의 전압 레벨이 도달하지 못하고 상기 제1구간이 종료되는 단계;
    상기 디지털 코드가 초기화되는 단계;
    제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하는 단계;
    상기 제2구간 동안에 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하는 단계;
    상기 램프 전압의 레벨이 상기 픽셀 신호의 전압 레벨에 도달하는 단계; 및
    상기 도달에 응답해 상기 클럭의 카운팅을 중지하고, 상기 픽셀 신호에 대응하는 상기 디지털 코드를 제공하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 픽셀 신호를 생성하는 단계 이전에,
    리셋 신호를 생성하는 단계;
    리셋 리드 구간 동안에 상기 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하는 단계;
    상기 리셋 리드 구간 동안에 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 카운팅하는 단계;
    상기 램프 전압의 레벨이 상기 리셋 신호의 전압 레벨에 도달하는 단계; 및
    상기 도달에 응답해 상기 클럭의 카운팅을 중지하고, 상기 리셋 신호에 대응하는 상기 디지털 코드를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제2기울기의 절대값은 상기 제1기울기의 절대값의 2^N배인 (N은 1이상의 정수)
    이미지 센서의 동작 방법.
  10. 제1구간 동안에 제1기울기로 변화하는 램프 전압을 생성하고, 상기 제1구간 이후의 제2구간 동안에 상기 제1기울기보다 큰 절대값을 가지는 제2기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하는 램프 전압 생성 회로;
    상기 제1구간과 상기 제2구간 동안에 변환 대상 전압과 상기 램프 전압을 비교하는 연산 증폭기; 및
    상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 상기 변환 대상 전압에 대응하는 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로
    를 포함하는 아날로그-디지털 변환기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 카운터 회로는
    상기 제1구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하고,
    상기 제1구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이하지 않으면, 상기 제2구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하는
    아날로그-디지털 변환기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제2기울기의 절대값은 상기 제1기울기의 절대값의 2^N배인 (N은 1이상의 정수)
    아날로그-디지털 변환기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 램프 전압 생성 회로는 상기 제2구간 이후의 제3구간 동안에 상기 제2기울기보다 큰 절대값을 가지는 제3기울기로 변화하는 상기 램프 전압을 생성하고,
    상기 카운터 회로는 상기 제2구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이하지 않으면, 상기 제3구간 동안에 상기 연산 증폭기의 출력이 천이할 때까지 상기 클럭을 카운팅해 상기 디지털 코드를 생성하는
    아날로그-디지털 변환기.
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