KR20220114319A - 이미지 센서 및 아날로그-디지털 변환기 - Google Patents

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신민석
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Abstract

이미지 센서는, 제1탭의 픽셀; 제2탭의 픽셀; 비교 동작 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호를 비교하고, 오토 제로잉 동작 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 상기 비교 결과에 따라 선택된 픽셀 신호와 램프 전압을 입력 받고, 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 선택되지 않은 픽셀 신호와 상기 램프 전압을 입력 받는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 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 센서에 관한 것이다.
최근, 일정한 범위의 거리를 동시에 측정하여 3D 거리 영상을 제공하는 이미지 센서가 개발되고 있다. 이러한 거리 영상을 획득하는 것은, TOF(Time-of-Flight) 기술에 기반을 둔다. 이 기술은 이미지 센서 근처에 있는 광원에서 조사된 광이 물체에 반사되어 돌아오는 데까지 걸린 시간을 측정하여 거리를 측정한다.
TOF 기술은 크게 두가지 방식으로 나뉘는데 직접(direct) 방식과 간잡(indirect) 방식이 그것이다. 직접 방식은 펄스(pulse) 형태의 광(light)을 조사한 후 반사된 광이 수광되면, 그 소요 시간을 거리로 환산하는 방식이다. 직접 방식은, 광속을 감안할 때, 펄스 폭을 최대한 작게 만들어야 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 직접 방식은 시간 계측이 매우 정밀해야 한다.
한편, 간접 방식은 TOF를 직접 측정하지 않고, 광을 변조(modulation)하여 조사한 후 반사된 광과의 위상차를 측정하여 거리를 추출하는 방식으로 구현된다. 구체적으로, 간접 방식은 서로 다른 시간에 활성화되는 A탭의 픽셀과 B탭의 픽셀을 이용해 반사된 광을 감지하고, A탭의 픽셀 신호를 아날로그-디지털 컨버팅한 값과 B탭의 픽셀 신호를 아날로그-디지털 컨버팅한 값을 차이를 이용해 물체까지의 거리를 측정할 수 있다.
간접 방식의 TOF에서는 A탭의 픽셀 신호를 아날로그-디지털 컨버팅하기 위한 아날로그-디지털 컨버터와 B탭의 픽셀 신호를 아날로그-디지털 컨버팅하기 위한 아날로그-디지털 컨버터가 별도로 요구되므로, 면적 면에서 부담이 가중될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 두 탭의 픽셀 신호들의 전압 차이를 아날로그-디지털 컨버팅하는 것에 의해 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, 제1탭의 픽셀; 제2탭의 픽셀; 비교 동작 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호를 비교하고, 오토 제로잉 동작 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 상기 비교 결과에 따라 선택된 픽셀 신호와 램프 전압을 입력 받고, 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 선택되지 않은 픽셀 신호와 상기 램프 전압을 입력 받는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은, 제1탭의 픽셀 신호와 제2탭의 픽셀 신호의 크기를 비교하는 단계; 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 상기 비교하는 단계에서의 비교 결과 선택된 픽셀 신호와 램프 전압을 기준으로 연산 증폭기의 오토 제로잉 동작을 수행하는 단계; 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 선택되지 않은 픽셀 신호와 상기 램프 전압과의 비교 동작을 수행하는 단계; 및 상기 비교 동작 결과에 응답해 디지털 코드를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 회로는, 비교 동작 구간에서 상기 제1전압과 상기 제2전압을 비교하고, 오토 제로잉 동작 구간에서 상기 제1전압과 상기 제2전압 중 상기 비교 결과에 따라 선택된 전압과 램프 전압을 입력 받고, 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 제1전압과 상기 제2전압 중 선택되지 않은 전압과 상기 램프 전압을 입력 받는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 두 탭의 픽셀 신호들의 전압 차이가 아날로그-디지털 컨버팅될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구성도.
도 2는 도 1의 이미지 센서(100)의 비교 동작 구간의 동작의 일실시예를 도시한 타이밍도.
도 3은 도 1의 이미지 센서(100)의 오토 제로잉 동작 구간(AZ) 및 아날로그-디지털 변환 구간(ADC)의 동작의 일실시예를 도시한 타이밍도.
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 제1탭의 픽셀(110), 제2탭의 픽셀(120), 제1픽셀 신호 출력부(130), 제2픽셀 신호 출력부(140), 연산 증폭기(150), 캐패시터들(151, 152), 스위치들(153~159), 카운터 회로(160) 및 스위치 제어 회로(170)를 포함할 수 있다.
제1탭의 픽셀(110)은 신호(MIXA)가 활성화된 구간에서 빛을 감지할 수 있다. 제1탭의 픽셀(110)은 제1광 감지기(111), 제1리셋 트랜지스터(112), 제1전달 트랜지스터(113), 제1캐패시터(114), 제1구동 트랜지스터(115) 및 제1선택 트랜지스터(116)를 포함할 수 있다. 제1광 감지기(111)는 광전 변환 기능을 수행할 수 있다. 제1광 감지기(111)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. 제1광 감지기(111)는 신호(MIXA)의 제어를 받아 신호가 하이 레벨로 활성화된 구간에서 활성화될 수 있다. 제1리셋 트랜지스터(112)는 리셋 신호(RX)에 응답해 노드(A)로 전원 전압을 전달할 수 있다. 제1전달 트랜지스터(113)는 전달 신호(TX)에 응답해 노드(A)와 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)를 전기적으로 연결할 수 있다. 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)는 제1광 감지기(111)가 감지한 빛에 대응하는 전하 또는 초기화 전압에 대응하는 전하가 축적되는 노드일 수 있다. 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)에는 제1캐패시터(114)가 연결될 수 있다. 제1구동 트랜지스터(115)는 게이트가 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)에 연결되고 드레인과 소스가 전원 전압단과 제1선택 트랜지스터(116) 사이에 연결될 수 있다. 제1구동 트랜지스터(115)는 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)의 전압을 증폭하는 역할을 수행할 수 있다. 제1선택 트랜지스터(116)는 선택 신호(SX)에 응답해 제1구동 트랜지스터(116)로부터 전달되는 전류를 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)가 출력되는 노드로 전달할 수 있다.
제2탭의 픽셀(120)은 신호(MIXB)가 활성화된 구간에서 빛을 감지할 수 있다. 신호(MIXA)와 신호(MIXB)는 주파수(frequency)가 동일하며, 위상(phase)이 서로 다른 주기파일 수 있다. 제2탭의 픽셀(120)은 제2광 감지기(121), 제2리셋 트랜지스터(122), 제2전달 트랜지스터(123), 제2캐패시터(124), 제2구동 트랜지스터(125) 및 제2선택 트랜지스터(126)를 포함할 수 있다. 제2광 감지기(121)는 광전 변환 기능을 수행할 수 있다. 제2광 감지기(121)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. 제2광 감지기(121)는 신호(MIXB)의 제어를 받아 신호가 하이 레벨로 활성화된 구간에서 활성화될 수 있다. 제2리셋 트랜지스터(122)는 리셋 신호(RX)에 응답해 노드(B)로 전원 전압을 전달할 수 있다. 제2전달 트랜지스터(123)는 전달 신호(TX)에 응답해 노드(B)와 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)를 전기적으로 연결할 수 있다. 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)는 제2광 감지기(121)가 감지한 빛에 대응하는 전하 또는 초기화 전압에 대응하는 전하가 축적되는 노드일 수 있다. 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)에는 제2캐패시터(124)가 연결될 수 있다. 제2구동 트랜지스터(125)는 게이트가 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)에 연결되고 드레인과 소스가 전원 전압단과 제2선택 트랜지스터(126) 사이에 연결될 수 있다. 제2구동 트랜지스터(125)는 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)의 전압을 증폭하는 역할을 수행할 수 있다. 제2선택 트랜지스터(126)는 선택 신호(SX)에 응답해 제2구동 트랜지스터(126)로부터 전달되는 전류를 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)가 출력되는 노드로 전달할 수 있다.
제1픽셀 신호 출력부(130)는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)가 출력되는 노드로부터 일정한 전류를 싱킹(sinking)할 수 있다. 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨은 제1선택 트랜지스터(116)로부터 소싱(sourcing)되는 전류량과 제1픽셀 신호 출력부(130)에 의해 싱킹되는 전류량에 의해 결정되는데, 제1픽셀 신호 출력부(130)의 싱킹 전류량은 상수이고 제1선택 트랜지스터(116)의 소싱 전류량은 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)의 전압 레벨이 높아질수록 커진다. 따라서 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨은 제1플로팅 디퓨전 노드(FDA)의 전압 레벨이 높을수록 높아질 수 있다. 제1픽셀 신호 출력부(130)는 전류원을 포함할 수 있다.
제2픽셀 신호 출력부(140)는 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)가 출력되는 노드로부터 일정한 전류를 싱킹(sinking)할 수 있다. 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨은 제2선택 트랜지스터(126)로부터 소싱(sourcing)되는 전류량과 제2픽셀 신호 출력부(140)에 의해 싱킹되는 전류량에 의해 결정되는데, 제2픽셀 신호 출력부(140)의 싱킹 전류량은 상수이고 제2선택 트랜지스터(126)의 소싱 전류량은 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)의 전압 레벨이 높아질수록 커진다. 따라서 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨은 제2플로팅 디퓨전 노드(FDB)의 전압 레벨이 높을수록 높아질 수 있다. 제2픽셀 신호 출력부(140)는 전류원을 포함할 수 있다.
연산 증폭기(150)는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL), 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL) 및 램프 전압(VRAMP) 중 스위치들(153~157)에 의해 선택된 신호들을 캐패시터들(151, 152)을 통해 입력 단자들(INN, INP)에 입력 받을 수 있다. 연산 증폭기(150)는 입력 단자들(INN, INP) 중 입력 단자(INP)의 전압 레벨이 높은 경우에는 출력 신호(OUTP)를 하이 레벨로 생성하고, 입력 단자들(INN, INP) 중 입력 단자(INN)의 전압 레벨이 높은 경우에는 출력 신호(OUTP)를 로우 레벨로 생성할 수 있다. 스위치들(158, 159)이 턴온되면 연산 증폭기(150)의 입력 단자(INN)와 출력 단자(OUTP)가 단락되고, 연산 증폭기(150)의 입력 단자(INP)와 출력 단자(OUTN)가 단락되어 연산 증폭기(150)가 오토 제로잉될 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. 후술하겠지만, 픽셀 신호들(VA_PXL, VB_PXL) 중 더 높은 전압 레벨을 가지는 픽셀 신호가 연산 증폭기(150)에 인가된 상태로 연산 증폭기(150)의 오토 제로잉 동작이 수행되고, 이후에 픽셀 신호들(VA_PXL, VB_PXL) 중 더 낮은 전압 레벨을 가지는 픽셀 신호가 연산 증폭기(150)에 인가된 상태로 램프 전압(VRAMP)과의 비교 동작이 수행되어, 두 픽셀 신호들(VA_PXL, VB_PXL)의 전압 차이에 대응하는 전압에 대한 아날로그-디지털 변환 동작이 수행될 수 있다.
카운터 회로(160)는 연산 증폭기(150)의 출력 단자(OUTP)의 신호에 응답해 카운팅 클럭(CNT_CLK)을 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다.
스위치 제어 회로(170)는 스위치들(153~159)을 제어하기 위한 제어 신호들(PS1~PS5, RS)을 생성할 수 있다. 스위치 제어 회로(170)는 제어 신호들(PS1~PS5, RS)을 이용해 스위치들(153~159)의 온/오프를 제어할 수 있다. 스위치 제어 회로(170)는 제어 신호들(PS1~PS5, RS)의 생성에 출력 단자(OUTP)의 신호를 이용할 수 있다.
이미지 센서(100)의 동작 구간은 비교 동작 구간, 오토 제로잉 동작 구간 및 아날로그-디지털 변환 구간으로 나눌 수 있는데, 이하에서는 각 동작 구간에서의 이미지 센서(100)의 동작에 대해 알아보기로 한다.
도 2는 도 1의 이미지 센서(100)의 비교 동작 구간의 동작의 일실시예를 도시한 타이밍도이다. 비교 동작 구간은 두 픽셀 신호들(VA_PXL, VB_PXL)의 전압 레벨을 비교하는 구간일 수 있다.
도 2를 참조하면, 먼저, 구간 '201' 동안에 스위치 제어 회로(170)는 제어 신호들(PS1, PS2, RS)이 하이로 활성화하고, 이에 의해 스위치들(153, 154, 158, 159)이 턴온될 수 있다. 스위치들(153, 154)이 턴온되므로 캐패시터들(151, 152)을 통해 입력 단자들(INN, INP)에는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)가 인가될 수 있다. 또한, 스위치들(158, 159)이 턴온되므로 입력 단자(INN)와 출력 단자(OUTP)가 단락되고, 입력 단자(INP)와 출력 단자(OUTN)가 단락되어 연산 증폭기(150)가 오토 제로잉될 수 있다. 오토 제로잉 동작에 의해 연산 증폭기(150)의 두 입력 단자들(INN, INP)의 전압 레벨은 동일해질 수 있다. 도면에서는 이 전압 레벨을 VREF1으로 표시했다. 구간 '201'은 두 픽셀 신호들(VA_PXL, VB_PXL)의 전압 레벨을 비교하기 이전에, 정확한 동작을 위해 연산 증폭기(150)를 오토 제로잉(auto zeroing)하기 위한 구간일 수 있다.
구간 '203'에서 스위치 제어 회로(170)는 제어 신호들(PS1, PS4)을 하이로 활성화하고, 이에 의해 스위치들(153, 156)이 턴온될 수 있다. 구간 '203'에서 입력 단자(INN)는 캐패시터(151)를 통해 이전 구간 '201'에서와 동일하게 계속해서 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)를 입력 받으므로, 입력 단자(INN)의 전압 레벨은 VREF1을 유지할 수 있다. 한편, 입력 단자(INP)는 캐패시터(151)를 통해 구간 '201'에서는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)를 입력 받다가 구간 '203'에서는 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)를 입력 받으므로 입력 단자(INP)의 레벨이 변하게 된다. 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨이 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨보다 높은 경우에는 입력 단자(INP)의 전압 레벨은 VREF1보다 높아지고, 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨이 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨보다 낮은 경우에는 입력 단자(INP)의 전압 레벨은 VREF1보다 낮아질 수 있다. 여기서는 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨이 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨보다 낮아서 입력 단자(INP)의 전압 레벨이 VREF1보다 낮아지는 경우를 도시했다.
구간 '203'에서 입력 단자(INP)의 전압 레벨이 입력 단자(INN)의 전압 레벨보다 낮으므로, 출력 신호(OUTP)는 로우로 생성될 수 있다. 출력 신호(OUTP)가 로우라는 것은 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨이 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨보다 높다는 것을 의미할 수 있다. 도 2의 예시와 다르게, 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨이 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨보다 높은 경우에는, 출력 신호(OUTP)가 하이로 생성될 수 있다. 출력 신호(OUTP)는 스위치 제어 신호로 전달되며, 이를 바탕으로 스위치 제어 신호(170)는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)와 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨 비교 결과를 알 수 있다.
상술한 도 2와 같은 비교 구간 동작에 의해 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)와 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨이 비교될 수 있다.
이하에서는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)와 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL) 중 비교 구간 동작에 의해 더 높은 전압 레벨을 가진다고 판단된 픽셀 신호를 선택된 픽셀 신호라 하고, 더 낮은 전압 레벨을 가진다고 판단된 픽셀 신호를 선택되지 않은 픽셀 신호라 하기로 한다.
도 3은 도 1의 이미지 센서(100)의 오토 제로잉 동작 구간(AZ) 및 아날로그-디지털 변환 구간(ADC)의 동작의 일실시예를 도시한 타이밍도이다. 도 3에 도시된 오토 제로잉 동작 구간(AZ) 및 아날로그-디지털 변환 구간(ADC)의 동작은 도 2의 비교 동작 구간의 동작 이후에 수행될 수 있다.
도 3에서는 도 2의 비교 동작 구간의 동작 결과 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)가 선택된 픽셀 신호가 되었고, 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)가 선택되지 않은 픽셀 신호가 되었다고 가정하기로 한다. 즉, 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)의 전압 레벨이 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 레벨보다 높다고 가정하기로 한다.
오토 제로잉 동작 구간(AZ)에서는 선택된 픽셀 신호(VA_PXL)와 램프 전압(VRAMP)이 연산 증폭기(150)에 인가된 상태에서 연산 증폭기(150)가 오토 제로잉될 수 있다. 오토 제로잉 동작 구간(AZ)에서 스위치 제어 회로(170)는 제어 신호들(PS1, PS5, RS)을 하이로 활성화하고, 그 결과 스위치들(153, 157, 158, 159)이 턴온될 수 있다. 스위치(153)이 턴온에 의해 선택된 픽셀 신호(VA_PXL)가 캐패시터(151)를 통해 입력 단자(INN)로 인가되고, 스위치(157)의 턴온에 의해 램프 전압(VRAMP)이 캐패시터(152)를 통해 입력 단자(INP)로 인가될 수 있다. 그리고 스위치들(158, 159)의 턴온에 의해 입력 단자(INN)와 출력 단자(OUTP)가 단락되고, 입력 단자(INP)와 출력 단자(OUTN)가 단락되어 연산 증폭기(150)가 오토 제로잉될 수 있다. 오토 제로잉 동작에 의해 연산 증폭기(150)의 두 입력 단자들(INN, INP)의 전압 레벨은 동일해질 수 있다. 도면에서는 이 전압 레벨을 VREF2으로 표시했다.
아날로그-디지털 변환 구간(ADC)에서는 선택되지 않은 픽셀 신호(VB_PXL)와 램프 전압(VRAMP)이 연산 증폭기(150)에 인가된 상태에서, 아날로그-디지털 변환 동작이 수행될 수 있다. 이 구간에서는 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)와 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)의 전압 차이에 대응하는 아날로그 전압이 디지털 코드(DOUT)로 변환될 수 있다.
시점(301)에 제어 신호(PS1)가 비활성화되고 제어 신호(PS3)가 활성화될 수 있다. 이에 의해 이제 스위치(155)가 턴온되어 선택되지 않은 픽셀 신호(VB_PXL)가 캐패시터(151)를 통해 입력 단자(INN)로 인가될 수 있다. 캐패시터(151) 한쪽 단의 전압 레벨이 VA_PXL에서 VB_PXL로 변했으므로, 즉 (VA_PXL - VB_PXL)만큼 하강했으므로, 캐패시터(151)의 다른 쪽 단인 입력 단자(INN)의 전압 레벨도 (VA_PXL - VB_PXL)만큼 하강하게 된다. 즉, 입력 단자(INN)의 전압 레벨은 VREF2 - (VA_PXL - VB_PXL)이 될 수 있다.
시점(303)부터 램프 전압(VRAMP)의 레벨이 상승했다가 하강하는 램핑 동작이 수행될 수 있다. 이에 따라 입력 단자(INP)의 전압 레벨도 램프 전압(VRAMP)과 동일한 형태로 상승했다가 하강할 수 있다. 입력 단자(INP)의 전압 레벨이 하강하기 시작하는 시점(305)부터 입력 단자(INP)의 전압이 입력 단자(INN)와 동일해지는 시점(307)까지, 즉 연산 증폭기(150)의 출력 신호(OUTP)가 하이에서 로우로 천이하는 시점(307)까지, 카운터 회로(160)는 카운팅 클럭(CNT_CLK)의 활성화 회수를 카운팅해 디지털 코드(DOUT)를 생성할 수 있다. 이 디지털 코드(DOUT)는 (VA_PXL - VB_PXL)를 아날로그-디지털 변환한 값일 수 있다.
도 3에 따르면, 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)와 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL) 중 더 높은 전압 레벨을 가지는 픽셀 신호(선택된 픽셀 신호)를 기준으로 연산 증폭기(150)의 오토 제로잉 동작을 수행하고, 연산 증폭기(150)에 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)와 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL) 중 더 낮은 전압 레벨을 가지는 픽셀 신호를 인가한 상태에서 아날로그-디지털 변환 동작을 수행하는 것에 의해, 두 픽셀 신호(VA_PXL, VB_PXL)의 전압 차이에 해당하는 값을 한번의 아날로그-디지털 변환 동작으로 디지털 변환할 수 있다. 이렇게 생성된 디지털 코드(DOUT)를 이용하면 거리의 측정이 가능할 수 있다. 종래에는, 두 픽셀의 전압 차이를 아날로그-디지털 변환하기 위해서 2개의 아날로그 디지털 변환기를 이용해 두 픽셀의 전압을 각각 아날로그-디지털 변환하고, 2개의 디지털 코드를 연산해 두 픽셀의 전압 차이에 대응하는 디지털 코드를 생성했는데, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 아날로그-디지털 변환기를 이용해 두 픽셀의 전압 차이를 한번에 아날로그-디지털 변환하는 것이 가능할 수 있다.
도 3에서는 선택된 픽셀 신호가 제1탭의 픽셀 신호(VA_PXL)인 것을 예시했지만, 선택된 픽셀 신호가 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)라면, 스위치 제어 회로(170)는 오토 제로잉 동작 구간(AZ)에서는 제어 신호(PS1) 대신 제어 신호(PS3)를 하이로 활성화하고, 아날로그-디지털 변환 구간(ADC)에서는 제어 신호(PS3) 대신 제어 신호(PS1)를 하이로 활성화할 수 있다. 이 경우에는 제2탭의 픽셀 신호(VB_PXL)와 램프 전압(VRAMP)이 연산 증폭기(150)에 인가된 상태에서 연산 증폭기(150)가 오토 제로잉되고, 제1탭의 픽셀 신호와 램프 전압이 연산 증폭기(150)에 인가된 상태에서 아날로그-디지털 변환 동작이 수행되어, 두 전압의 차이인 (VB_PXL - VA_PXL)가 디지털 코드(DOUT)로 변환될 수 있다.
도 1의 이미지 센서(100)에서 픽셀과 관련된 구성들(110, 120, 130, 140)을 제외한 나머지 구성들은 픽셀에서 출력된 아날로그 전압을 디지털 코드로 변환하기 위한 구성들이다. 따라서, 본 발명이 이미지 센서 뿐만이 아니라 아날로그 전압을 디지털 코드로 변환하기 위한 일반적인 아날로그-디지털 변환 회로에도 적용될 수 있다. 특히, 두 전압의 차이를 아날로그-디지털 변환하기 위해 본 발명이 사용될 수 있다.
100: 이미지 센서
110: 제1탭의 픽셀 120: 제2탭의 픽셀
130: 제1픽셀 신호 출력부 140: 제2픽셀 신호 출력부
150: 연산 증폭기 151, 152: 캐패시터들
153~159: 스위치들 160: 카운터 회로
170: 스위치 제어 회로

Claims (20)

  1. 제1탭의 픽셀;
    제2탭의 픽셀;
    비교 동작 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호를 비교하고, 오토 제로잉 동작 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 상기 비교 결과에 따라 선택된 픽셀 신호와 램프 전압을 입력 받고, 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 선택되지 않은 픽셀 신호와 상기 램프 전압을 입력 받는 연산 증폭기; 및
    상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로
    를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비교 동작 구간에서,
    상기 연산 증폭기의 정입력 단자와 부입력 단자에 상기 제1탭의 픽셀 신호가 인가된 상태에서 상기 연산 증폭기가 오토 제로잉되고,
    상기 부입력 단자에 상기 제1탭의 픽셀 신호가 인가되고, 상기 정입력 단자에 상기 제2탭의 픽셀 신호가 인가되어 상기 제1탭의 픽셀 신호의 전압 레벨과 상기 제2탭의 픽셀 신호의 전압 레벨이 비교되는
    이미지 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 오토 제로잉 동작 구간에서,
    상기 연산 증폭기의 부입력 단자에 상기 선택된 픽셀 신호가 인가되고, 상기 연산 증폭기의 정입력 단자에 상기 램프 전압이 인가된 상태에서 상기 연산 증폭기가 오토 제로잉되는
    이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 구간에서,
    상기 연산 증폭기의 부입력 단자에 상기 선택되지 않은 픽셀 신호가 인가되고, 상기 연산 증폭기의 정입력 단자에 상기 램프 전압이 인가되는
    이미지 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 램프 전압의 전압 레벨이 변동되는 램핑 동작이 수행되는
    이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1탭의 픽셀과 상기 제2탭의 픽셀은
    서로 다른 구간에 익스포저(exposure)되는
    이미지 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 연산 증폭기는
    상기 부입력 단자에 연결된 제1캐패시터와 상기 정입력 단자에 연결된 제2캐패시터를 통해 전압들을 인가 받는
    이미지 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1탭의 픽셀은
    제1노드에 연결된 제1광 감지기;
    리셋 신호에 응답해 상기 제1노드를 리셋하기 위한 제1리셋 트랜지스터;
    전달 신호에 응답해 상기 제1노드와 제1플로팅 디퓨전 노드를 전기적으로 연결하기 위한 제1전달 트랜지스터;
    상기 제1플로팅 디퓨전 노드에 연결된 제1캐패시터;
    상기 제1플로팅 디퓨전 노드의 전압을 증폭하기 위한 제1구동 트랜지스터; 및
    제1선택 신호에 응답해 상기 제1구동 트랜지스터에 의해 증폭된 전압을 제1탭 출력 라인으로 출력하기 위한 제1선택 트랜지스터를 포함하는
    이미지 센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2탭의 픽셀은
    제2노드에 연결된 제2광 감지기;
    리셋 신호에 응답해 상기 제2노드를 리셋하기 위한 제2리셋 트랜지스터;
    전달 신호에 응답해 상기 제2노드와 제2플로팅 디퓨전 노드를 전기적으로 연결하기 위한 제2전달 트랜지스터;
    상기 제2플로팅 디퓨전 노드에 연결된 제2캐패시터;
    상기 제2플로팅 디퓨전 노드의 전압을 증폭하기 위한 제2구동 트랜지스터; 및
    제2선택 신호에 응답해 상기 제2구동 트랜지스터에 의해 증폭된 전압을 제2탭 출력 라인으로 출력하기 위한 제2선택 트랜지스터를 포함하는
    이미지 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1탭의 픽셀 신호, 상기 제2탭의 픽셀 신호 및 상기 램프 전압을 상기 연산 증폭기의 정입력 단자와 부입력 단자에 선택적으로 인가하기 위한 다수의 스위치들
    을 더 포함하는 이미지 센서.
  11. 제1탭의 픽셀 신호와 제2탭의 픽셀 신호의 크기를 비교하는 단계;
    상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 상기 비교하는 단계에서의 비교 결과 선택된 픽셀 신호와 램프 전압을 기준으로 연산 증폭기의 오토 제로잉 동작을 수행하는 단계;
    상기 제1탭의 픽셀 신호와 상기 제2탭의 픽셀 신호 중 선택되지 않은 픽셀 신호와 상기 램프 전압과의 비교 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 비교 동작 결과에 응답해 디지털 코드를 생성하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 비교하는 단계에서,
    상기 연산 증폭기의 정입력 단자와 부입력 단자에 상기 제1탭의 픽셀 신호가 인가된 상태에서 상기 연산 증폭기가 오토 제로잉되고,
    상기 부입력 단자에 상기 제1탭의 픽셀 신호가 인가되고, 상기 정입력 단자에 상기 제2탭의 픽셀 신호가 인가되어 상기 제1탭의 픽셀 신호의 전압 레벨과 상기 제2탭의 픽셀 신호의 전압 레벨이 비교되는
    이미지 센서의 동작 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 오토 제로잉 동작을 수행하는 단계에서,
    상기 연산 증폭기의 부입력 단자에 상기 선택된 픽셀 신호가 인가되고, 상기 연산 증폭기의 정입력 단자에 상기 램프 전압이 인가된 상태에서 상기 연산 증폭기가 오토 제로잉되는
    이미지 센서의 동작 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 비교 동작을 수행하는 단계에서,
    상기 연산 증폭기의 부입력 단자에 상기 선택되지 않은 픽셀 신호가 인가되고, 상기 연산 증폭기의 정입력 단자에 상기 램프 전압이 인가되는
    이미지 센서의 동작 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 비교 동작을 수행하는 단계에서,
    상기 램프 전압의 전압 레벨이 변동되는 램핑 동작이 수행되는
    이미지 센서의 동작 방법.
  16. 비교 동작 구간에서 상기 제1전압과 상기 제2전압을 비교하고, 오토 제로잉 동작 구간에서 상기 제1전압과 상기 제2전압 중 상기 비교 결과에 따라 선택된 전압과 램프 전압을 입력 받고, 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 제1전압과 상기 제2전압 중 선택되지 않은 전압과 상기 램프 전압을 입력 받는 연산 증폭기; 및
    상기 연산 증폭기의 출력에 응답해 디지털 코드를 생성하는 카운터 회로
    를 포함하는 아날로그-디지털 변환기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 비교 동작 구간에서,
    상기 연산 증폭기의 정입력 단자와 부입력 단자에 상기 제1전압이 인가된 상태에서 상기 연산 증폭기가 오토 제로잉되고,
    상기 부입력 단자에 상기 제1전압이 인가되고, 상기 정입력 단자에 상기 제2전압이 인가되어 상기 제1전압의 전압 레벨과 상기 제2전압의 전압 레벨이 비교되는
    아날로그-디지털 변환기.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 오토 제로잉 동작 구간에서,
    상기 연산 증폭기의 부입력 단자에 상기 선택된 전압이 인가되고, 상기 연산 증폭기의 정입력 단자에 상기 램프 전압이 인가된 상태에서 상기 연산 증폭기가 오토 제로잉되는
    아날로그-디지털 변환기.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 구간에서
    상기 연산 증폭기의 부입력 단자에 상기 선택되지 않은 전압이 인가되고, 상기 연산 증폭기의 정입력 단자에 상기 램프 전압이 인가되는
    아날로그-디지털 변환기.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 구간에서 상기 램프 전압의 전압 레벨이 변동되는 램핑 동작이 수행되는
    아날로그-디지털 변환기.
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