KR20230020904A - Pixel array accumulating photocharges in each unit frame, and image sensor including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단위 프레임마다 광 전하를 축적하는 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.The technical idea of the present disclosure relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor including a pixel array accumulating photocharges for each unit frame and the same.
이미지 센서(image sensor)는 대상물의 2차원적 또는 3차원적 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 이미지 센서는 대상물로부터 반사되는 빛의 세기에 따라 반응하는 광전 변환 소자를 이용해 대상물의 이미지를 생성한다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 핸드폰 등 다양한 전자 기기에서 성능이 향상된 이미지 센서에 대한 수요가 증가하고 있다.An image sensor is a device that captures a two-dimensional or three-dimensional image of an object. An image sensor generates an image of an object using a photoelectric conversion element that reacts according to the intensity of light reflected from the object. Recently, with the development of the computer and communication industries, demand for image sensors with improved performance has increased in various electronic devices such as digital cameras, camcorders, PCS (Personal Communication System), game devices, security cameras, medical micro cameras, and mobile phones. are doing
이미지 센서는 복수의 노광 시간들에 대응되는 광 전하를 수용함으로써, 고조도 내지 저조도의 이미지 데이터를 생성하여 HDR(High Dynamic Range) 이미지를 생성할 수 있다.The image sensor may generate a high dynamic range (HDR) image by generating image data of high or low intensity by receiving photocharges corresponding to a plurality of exposure times.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 적어도 하나의 포토 다이오드에 생성된 광 전하로부터 HDR 이미지를 생성함과 동시에 LFM(LED Flicker Mitigation) 기능을 수행하는 이미지 센서를 제공하는 데에 있다.An object to be solved by the technical concept of the present disclosure is to provide an image sensor that generates an HDR image from photocharges generated in at least one photodiode and simultaneously performs an LED Flicker Mitigation (LFM) function.
본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따라, 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이로서, 복수의 픽셀들 각각은, 복수의 단위 프레임들을 포함하는 프레임에서 광 전하를 생성하도록 구성된 포토 다이오드, 광 전하를 수용하도록 구성된 플로팅 디퓨전 노드, 복수의 단위 프레임들 각각에서 제1 단위 축적 시간 동안 포토 다이오드에 의해서 생성된 제1 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제1 저장 캐패시터, 및 복수의 단위 프레임들 각각에서 제2 단위 축적 시간 동안 포토 다이오드에 의해서 생성된 제2 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제2 저장 캐패시터를 포함할 수 있다.According to one aspect of the technical idea of the present disclosure, a pixel array including a plurality of pixels, wherein each of the plurality of pixels receives photocharges from a photodiode configured to generate photocharges in a frame including a plurality of unit frames. a floating diffusion node configured to receive and store first photocharges generated by the photodiode during a first unit accumulation time in each of a plurality of unit frames through the floating diffusion node; and a plurality of unit frames. and a second storage capacitor configured to receive and store second photocharges generated by the photodiode during a second unit accumulation time through a floating diffusion node in each of the first storage capacitors.
본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있고, 복수의 픽셀들 각각은, 프레임에 포함되는 복수의 단위 프레임들 각각에서 제1 단위 축적 시간 동안 제1 광 전하를 생성하도록 구성된 제1 포토 다이오드, 복수의 단위 프레임들 각각에서, 제2 단위 축적 시간 동안 제2 광 전하를 생성하고, 제3 단위 축적 시간 동안 제3 광 전하를 생성하도록 구성된 제2 포토 다이오드, 제1 광 전하, 제2 광 전하 및 제3 광 전하 중 적어도 하나를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드, 제2 광 전하를 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제1 저장 캐패시터, 및 제3 광 전하를 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제2 저장 캐패시터를 포함할 수 있다.An image sensor according to one aspect of the technical idea of the present disclosure may include a pixel array including a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels is a first unit accumulation in each of a plurality of unit frames included in the frame. A first photodiode configured to generate first photo-charges during time, in each of a plurality of unit frames, to generate second photo-charges during a second unit accumulation time and generate third photo-charges during a third unit accumulation time configured second photodiode, at least one floating diffusion node configured to receive at least one of first photocharges, second photocharges, and third photocharges, and receive and store second photocharges through at least one floating diffusion node and a second storage capacitor configured to receive and store third photocharges through at least one floating diffusion node.
본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서가 적어도 하나의 포토 다이오드에 노광 시간동안 광 전하를 생성하고, 전체 프레임에 대해 복수로 나누어진 단위 프레임들 중 일부 시간 구간인 단위 축적 시간동안 생성된 광 전하만 축적시킴으로써 HDR 이미지를 생성함과 동시에 LFM 기능을 수행할 수 있다.The technical concept of the present disclosure is that an image sensor generates photocharges in at least one photodiode during an exposure time, and accumulates only the photocharges generated during a unit accumulation time, which is a partial time interval among unit frames divided into a plurality of units with respect to the entire frame. By doing so, it is possible to perform the LFM function at the same time as generating the HDR image.
본 개시의 예시적 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 이하의 기재로부터 본 개시의 예시적 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적 실시예들을 실시함에 따른 의도하지 아니한 효과들 역시 본 개시의 예시적 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.Effects obtainable in the exemplary embodiments of the present disclosure are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned are common knowledge in the art to which exemplary embodiments of the present disclosure belong from the following description. can be clearly derived and understood by those who have That is, unintended effects according to the implementation of the exemplary embodiments of the present disclosure may also be derived by those skilled in the art from the exemplary embodiments of the present disclosure.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따라 복수의 단위 프레임들마다 광 전하를 축적 시킴으로써 LED 광원에 대한 이미지 데이터를 생성하는 예시를 도시한 그래프이다.
도 3a 내지 도 3e는 복수의 실시예들에 따른 픽셀의 구성을 도시한 회로도이다.
도 4는 일실시예에 따른 하나의 프레임의 축적 단계에서 각 단위 프레임들마다 생성되는 픽셀 제어 신호들의 레벨을 도시한 그래프이다.
도 5a는 일실시예에 따라 플로팅 디퓨전 노드에 광 전하가 수용되는 예시를 도시한 도면이고, 도 5b는 일실시예에 따라 플로팅 디퓨전 노드에 수용된 광 전하가 저장 커패시터에 저장되는 예시를 도시한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따라 이미지 센서가 도 4의 축적 단계 이후 축적된 광 전하를 독출할 때 생성되는 신호들의 레벨을 도시한 그래프이다.
도 7은 다른 일실시예에 따라 하나의 포토 다이오드를 갖는 픽셀의 구성을 도시한 회로도이다.
도 8은 도 7의 일실시예에 따라 각 단위 프레임들마다 생성되는 픽셀 제어 신호들의 레벨을 도시한 그래프이다.
도 9는 다른 일실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a schematic configuration of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
2 is a graph illustrating an example of generating image data for an LED light source by accumulating light charges for each of a plurality of unit frames according to an embodiment.
3A to 3E are circuit diagrams illustrating configurations of pixels according to a plurality of exemplary embodiments.
4 is a graph illustrating levels of pixel control signals generated for each unit frame in an accumulation step of one frame according to an exemplary embodiment.
5A is a diagram illustrating an example in which photocharges are accommodated in a floating diffusion node according to an embodiment, and FIG. 5B is a diagram illustrating an example in which photocharges received in a floating diffusion node are stored in a storage capacitor according to an embodiment. am.
FIG. 6 is a graph illustrating levels of signals generated when an image sensor reads accumulated photocharges after the accumulation step of FIG. 4 , according to an exemplary embodiment.
7 is a circuit diagram illustrating a configuration of a pixel having one photodiode according to another exemplary embodiment.
FIG. 8 is a graph illustrating levels of pixel control signals generated for each unit frame according to the exemplary embodiment of FIG. 7 .
9 is a block diagram illustrating an image sensor according to another exemplary embodiment.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing a schematic configuration of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
도 1에서 설명되는 픽셀(PX)은 내부에 커패시터를 포함하는 픽셀의 일 예시를 설명하기 위한 것으로서 글로벌 셔터 기능을 수행할 수 있는 디지털 픽셀(digital pixel)이다.The pixel PX described in FIG. 1 is for explaining an example of a pixel including a capacitor therein, and is a digital pixel capable of performing a global shutter function.
이미지 센서(10)는 이미지 또는 광 센싱 기능을 갖는 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(10)는 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)), 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation) 장치 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다. 또한 이미지 센서(10)는 차량, 가구, 제조 설비, 도어, 각종 계측 기기 등에 부품으로서 구비되는 전자 기기에 탑재될 수 있다. The
이미지 센서(10)는 픽셀 어레이(100), 픽셀 드라이버(Row Driver, 200), 램프 신호 생성기(Ramp Generator, 300), 컨트롤러(400), 디지털 신호 처리부(500) 및 인터페이스 회로(600)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(100)는 복수의 픽셀(PX)들을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀(PX)들 각각은 외부로부터의 광 신호를 감지하고, 감지된 광 신호에 대응하는 디지털 출력 신호(DOUT)를 출력하도록 구성될 수 있다.The
복수의 픽셀(PX)들은 광 감지 소자를 이용하여 광 신호를 감지하고, 이를 전기적 신호인 디지털 출력 신호(DOUT)로 변환할 수 있다. 복수의 픽셀(PX)들 각각은 특정 스펙트럼 범위의 빛을 감지할 수 있다. 예를 들어, 복수의 픽셀(PX)들은 레드(red) 스펙트럼 범위의 빛을 전기 신호로 변환하는 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 범위의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀, 및 블루(blue) 스펙트럼 범위의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX)들 각각의 상부에는 특정 스펙트럼 범위의 빛을 투과시키기 위한 컬러 필터가 배치될 수 있고, 집광을 위한 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. The plurality of pixels PX may detect an optical signal by using a light sensing element and convert the optical signal into a digital output signal DOUT, which is an electrical signal. Each of the plurality of pixels PX may sense light in a specific spectrum range. For example, the plurality of pixels PX include a red pixel for converting light in a red spectral range into an electrical signal, a green pixel for converting light in a green spectral range into an electrical signal, and a blue pixel for converting light in a green spectral range into an electrical signal. ) may include a blue pixel for converting light in a spectral range into an electrical signal. A color filter for transmitting light in a specific spectral range may be disposed above each of the plurality of pixels PX, and a microlens for condensing light may be disposed.
픽셀(PX)은 광 검출 회로(110), 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter; 이하 ADC, 120) 및 메모리(130)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀 어레이(100)는 적층된 제1 반도체 기판 및 제2 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 픽셀(PX)의 광 검출 회로(110)는 제1 반도체 기판에 형성될 수 있고, 광 검출 회로(110)에서 생성된 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(120)는 제1 반도체 기판과 다른 제2 반도체 기판에 형성될 수 있다. 제1 반도체 기판에 형성된 광 검출 회로들은 검출 신호가 전송될 수 있도록 전기적 연결 수단을 통해서 제2 반도체 기판에 형성된 ADC들과 각각 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기적 연결 수단은 제 1반도체 기판을 관통하는 TSV(Through Silicon Via) 및/또는 제1 반도체 기판과 제2 반도체 기판에 각각 형성된 금속과 금속의 연결 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 메모리(130)는 제2 반도체 기판에 형성될 수 있다. 광 검출 회로(110)는 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 외부로부터 감지된 광 신호를 전기적인 신호, 즉 아날로그 신호인 검출 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 광 감지 소자는 포토(photo) 다이오드, 포토 트랜지스터, 포트 게이트 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photodiode) 등을 포함할 수 있다. 검출 신호는 픽셀(PX)의 리셋 동작에 따른 검출 신호를 포함할 수 있고, 픽셀(PX)의 광 검출 동작에 따른 검출 신호를 포함할 수 있다.The pixel PX may include an
ADC(120)는 광 검출 회로(110)로부터 출력된 검출 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 일부 실시예들에서, ADC(120)는 검출 신호를 램프 신호(RAMP)와 비교함으로써, 검출 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 메모리(130)는 변환된 디지털 신호를 저장할 수 있다. 메모리(130)는 디지털 출력 신호(DOUT)를 디지털 신호 처리부(500)로 출력할 수 있다. The ADC 120 may convert the detection signal output from the
본 개시에 따른 이미지 센서(10)는 하나의 프레임에 대해 복수로 구분된 단위 프레임들마다 단위 프레임의 일정 비율의 단위 축적 시간 동안 광 전하를 축적시킬 수 있고, 복수의 단위 축적 시간들 동안 축적한 광 전하에 기초하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이 때, 일실시예에 따른 이미지 센서(10)는 하나의 단위 프레임에서 서로 다른 시간 길이를 갖는 단위 축적 시간들동안 전하를 축적함으로써 HDR 이미지를 생성할 수 있다.The
픽셀 드라이버(200)는 픽셀 어레이(100)에 포함된 복수의 픽셀(PX)들을 제어하기 위한 제어 신호들(CTRL)을 출력할 수 있다. 픽셀 드라이버(200)로부터 생성된 제어 신호들(CTRL)에 응답하여 복수의 픽셀(PX)들 각각은, 검출 신호를 생성하고, 램프 신호(RAMP)를 이용하여 검출 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호를 저장하고, 저장된 디지털 신호를 디지털 출력 신호(DOUT)으로서 출력할 수 있다.The
램프 신호 생성기(300)는 램프 신호(RAMP)를 생성하여 픽셀 어레이(100)로 출력할 수 있다. 램프 신호(RAMP)는 픽셀 어레이(100)(예컨대, 픽셀(PX)의 ADC(120))로 제공되어, 검출 신호와의 비교 대상이 되는 기준 신호로서 사용될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 램프 신호(RAMP)는 일정하게 감소 또는 증가하는 신호(예컨대, 단일 및/또는 선형 기울기를 갖는 증가/감소 신호)일 수 있다.The
컨트롤러(400)는 이미지 센서(10)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(400)는 인터페이스 회로(600)를 통해 외부 장치(예를 들어, 이미지 신호 처리기(ISP; Image Signal Processor, 애플리케이션 프로세서(AP; Application Processor) 등)로부터 수신된 제어 정보에 기초하여 이미지 센서(10)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 픽셀 드라이버(200) 및 램프 신호 생성기(300)는 컨트롤러(400)로부터 제공된 타이밍 신호들에 기초하여 제어 신호(CTRL) 및 램프 신호(RAMP)를 생성할 수 있다. The
디지털 신호 처리부(500)는 픽셀 어레이(100)로부터 수신된 디지털 출력 신호(DOUT)들에 대한 디지털 신호 처리를 수행하여, 최종 이미지 데이터(ID)를 외부 장치로 제공할 수 있다. 디지털 출력 신호(DOUT)는 픽셀(PX)의 리셋 동작에 따른 리셋 값을 포함할 수 있고, 픽셀(PX)의 광 검출 동작에 따른 이미지 신호 값을 포함할 수 있다. 디지털 신호 처리부(500)는 리셋 값 및 이미지 신호 값에 대한 연산을 수행함으로써, 하나의 픽셀(PX)에서 감지된 광 신호에 대응하는 최종 디지털 값을 결정할 수 있다. 복수의 픽셀(PX)들 각각에서 결정된 최종 디지털 값들이 조합됨으로써, 최종 이미지 데이터(ID)가 생성될 수 있다. 즉, 디지털 신호 처리부(500)의 디지털 신호 처리 동작 및 픽셀(PX)에 포함된 ADC(120)의 동작에 의해 생성된 디지털 출력 신호(DOUT)을 통해, 상관 이중 샘플링 동작이 구현될 수 있다. The digital
인터페이스 회로(600)는 외부 장치로부터 제어 정보를 제공받거나 또는 최종 이미지 데이터(ID)를 출력하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 인터페이스 회로(600)는 외부 장치와 미리 정해진 프로토콜을 기반으로 상술된 정보들을 주고받을 수 있다.The
도 2는 일실시예에 따라 복수의 단위 프레임들마다 광 전하를 축적 시킴으로써 LED 광원에 대한 이미지 데이터(ID)를 생성하는 예시를 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating an example of generating image data ID for an LED light source by accumulating light charges for each of a plurality of unit frames according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 본 개시의 이미지 센서(10)는 LED 광원에 대한 이미지 데이터(ID)를 생성하기 위해 복수의 단위 축적 시간들 동안 광 전하를 축적할 수 있다. LED 광원은 일정 주기로 온오프(ON-OFF)가 반복될 수 있고, 예시적으로, 90Hz 이상의 주파수로 온오프가 반복될 수 있다. 이 때, 에너지 효율을 위해 LED 광원이 온되는 구간은 오프되는 구간에 비해 짧을 수 있다. 일부 실시예들에서, LED 광원이 턴-오프되는 구간은 LED 광원이 턴-온되는 구간보다 길 수 있다. 예시적으로, 10ms 주기로 온오프되는 경우, LED 광원이 온되는 구간은 1ms 정도일 수 있다.Referring to FIG. 2 , the
비교 실시예에 따라 이미지 센서(10)가 다중 노출(multi-exposure) 방식으로 HDR 이미지를 획득할 때, 포토 다이오드는 하나의 프레임서 복수의 노광 시간들동안 광 전하를 생성할 수 있다. 예시적으로, 고조도의 이미지를 생성하기 위해 포토 다이오드는 짧은 노광 시간 동안 광 전하를 생성할 수 있고, 저조도의 이미지를 생성하기 위해 포토 다이오드는 긴 노광 시간 동안 광 전하를 생성할 수 있다.When the
따라서, 이미지 센서(10)가 다중 노출 방식으로 LED 광원에 대한 HDR 이미지를 획득할 때, 고조도 이미지를 생성하기 위한 짧은 노광 시간은 LED 광원이 오프되는 구간에 포함될 수 있고, 이 때는 LED 광원에 대한 고조도 이미지를 생성하지 못하게 된다.Therefore, when the
본 개시의 포토 다이오드는 프레임에 대응되는 광 전하를 생성하고, 포토 다이오드에 연결된 플로팅 디퓨전 노드는 하나의 프레임에 대해 복수로 나누어진 단위 프레임 중 일부 시간 구간에 대응되는 단위 축적 시간 동안 생성된 광 전하를 수용할 수 있다. 이 때, 단위 프레임의 길이는 LED 광원이 온되는 구간보다 짧게 형성될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(10)는 LED 광원이 켜질 때에 대응되는 광 전하를 생성할 수 있으므로, 주기적으로 점멸되는 LED 광원으로부터 HDR 이미지를 적절하게 생성할 수 있다.A photodiode of the present disclosure generates photocharges corresponding to a frame, and a floating diffusion node connected to the photodiode generates photocharges generated during a unit accumulation time corresponding to a partial time interval among a plurality of unit frames for one frame. can accommodate At this time, the length of the unit frame may be formed shorter than the period in which the LED light source is turned on. Accordingly, since the
이하에서는, 본 개시의 이미지 센서(10)가 HDR 이미지를 생성하기 위한 회로 구성에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a circuit configuration for generating an HDR image by the
도 3a 내지 도 3e는 복수의 실시예들에 따른 픽셀(PX)의 구성을 도시한 회로도이다.3A to 3E are circuit diagrams illustrating a configuration of a pixel PX according to a plurality of embodiments.
도 3a 내지 도 3e에 따른 실시예는 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2)에 의해 생성된 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD1, FD2)에 수용함으로써 LED 광원에 대한 HDR 이미지를 생성할 수 있는 회로일 수 있다. 도 3a 내지 도 3e를 통해 2개의 포토 다이오드들(PD1, PD2)에 의해 광 전하를 생성하는 실시예들을 설명하지만, 본 개시의 포토 다이오드들의 개수는 이에 국한되지 않는다.The embodiment according to FIGS. 3A to 3E is a circuit capable of generating an HDR image for an LED light source by accommodating photocharges generated by a plurality of photodiodes PD1 and PD2 in floating diffusion nodes FD1 and FD2. can be 3A to 3E , examples of generating photocharges by two photodiodes PD1 and PD2 are described, but the number of photodiodes of the present disclosure is not limited thereto.
도 3a 내지 도 3e에 따른 픽셀(PX)의 광 검출 회로(110)는 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2)를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, HDR 이미지를 생성하기 위해 제1 포토 다이오드(PD1)의 감도와 제2 포토 다이오드(PD2)의 감도는 서로 다를 수 있고, 예시적으로, 각 포토 다이오드의 감도는 포토 다이오드의 크기에 따라 결정될 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)는 저조도 이미지를 생성하기 위한 높은 감도의 포토 다이오드일 수 있고, 제2 포토 다이오드(PD2)는 고조도 이미지를 생성하기 위한 낮은 감도의 포토 다이오드일 수 있다.The
도 3a를 참조하면, 광 검출 회로(110a)는 제1 전송 트랜지스터(TX1) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 포함할 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)에 연결된 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 활성화되는 경우 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하를 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 전달할 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에 연결되어 활성화되는 경우 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하를 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 전달할 수 있다.Referring to FIG. 3A , the
제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2)를 각각 포함할 수 있다. 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2)는 각각 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 전송된 광 전하를 수용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2) 각각은 기생 캐패시턴스를 가지는 기생 캐패시터일 수 있다.The first floating diffusion node FD1 and the second floating diffusion node FD2 may include a first capacitor C FD1 and a second capacitor C FD2 , respectively. The first capacitor C FD1 and the second capacitor C FD2 may receive photocharges transferred from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 , respectively. In some embodiments, each of the first capacitor C FD1 and the second capacitor C FD2 may be a parasitic capacitor having a parasitic capacitance.
광 검출 회로(110a)의 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 서로 연결될 수 있고, 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 전하 공유 트랜지스터(CSX)에 연결될 수 있다. 전하 공유 트랜지스터(CSX)는 각 단위 프레임마다 활성화됨으로써 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2)에 전하를 저장 커패시터(Cs)와 공유할 수 있다. The first floating diffusion node FD1 and the second floating diffusion node FD2 of the
광 검출 회로(110a)는 리셋 트랜지스터(RX)를 더 포함할 수 있고, 리셋 트랜지스터(RX)과 활성화되는 경우 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)가 리셋될 수 있다. 일실시예에 따르면, 저장 커패시터(Cs)에 전하가 공유된 이후, 리셋 트랜지스터(RX)에 의해 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)의 전하가 방출되어 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 후속되는 단위 프레임들에서 생성되는 광 전하를 수용할 수 있다.The
일실시예에 따른 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 도 2에 도시된 단위 프레임마다 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하를 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 전송할 수 있고, 단위 프레임마다 활성화되는 전하 공유 트랜지스터(CSX)에 의해 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하를 저장 커패시터(Cs)와 축적할 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 각 프레임마다 수행되는 독출 단계에서 활성화되어 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하를 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 제공할 수 있다.The second transfer transistor TX2 according to an exemplary embodiment may transmit photocharges generated in the second photodiode PD2 to the second floating diffusion node FD2 in every unit frame shown in FIG. 2 and in every unit frame. Photoelectric charges generated in the second photodiode PD2 by the activated charge sharing transistor CSX may be accumulated with the storage capacitor Cs. The first transfer transistor TX1 is activated in a read step performed for each frame and provides photocharges generated in the first photodiode PD1 to the first floating diffusion node FD1 and the second floating diffusion node FD2. can do.
즉, 축적 단계에서 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하가 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)를 통해 저장 커패시터(Cs)에 저장될 수 있고, 축적 단계 이후의 독출 단계에서 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하가 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)를 통해 독출될 수 있다. 또한, 독출 단계에서 저장 커패시터(Cs)에 저장된 제2 포토다이오드에서 생성된 광 전하가 독출될 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하 및 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하는 각각 독립적으로 독출될 수 있다.That is, photocharges generated in the second photodiode PD2 in the accumulation step may be stored in the storage capacitor Cs through the second floating diffusion node FD2, and in the read step after the accumulation step, the first photodiode Photocharges generated in (PD1) may be read through the first floating diffusion node (FD1). Also, in the reading step, photocharges generated by the second photodiode stored in the storage capacitor Cs may be read. Accordingly, the photocharges generated in the first photodiode PD1 and the photocharges generated in the second photodiode PD2 may be independently read.
독출 단계에서, 플로팅 디퓨젼 노드(예컨대, FD1 및/또는 FD2)에 수용된 광 전하의 포텐셜에 따라, 소스 팔로워(SF)는 출력 노드로 검출 신호를 전송할 수 있다. 소스 팔로워(SF)는 플로팅 디퓨젼 노드(예컨대, FD1 및/또는 FD2)의 전압 변화를 증폭할 수 있다. 소스 팔로워(SF)는 출력 노드에 연결되고, 픽셀 드라이버(200)로부터 출력되는 선택 제어 신호에 따라 소스 팔로워(SF)의 전류가 흐르는 전류 패스를 제공할 수 있다. 선택 트랜지스터는 선택 신호의 로직 레벨에 기초하여 소스 팔로워(SF)에 의해서 증폭된 신호(예컨대, 전압 변화)를 ADc에 게종할 수 있다.In the reading step, the source follower SF may transmit a detection signal to the output node according to the potential of photocharges accommodated in the floating diffusion node (eg, FD1 and/or FD2). The source follower SF may amplify a voltage change of a floating diffusion node (eg, FD1 and/or FD2). The source follower SF may be connected to an output node and provide a current path through which current of the source follower SF flows according to a selection control signal output from the
ADC는 예를 들어, 싱글 슬롭(single slope) ADC일 수 있다. ADC는 비교기(COMP), 제1 커패시터, 및 제2 커패시터를 포함할 수 있다. 비교기(COMP)는 차동 증폭기를 포함할 수 있으며, 비교기(COMP)의 제1 입력단은 제1 입력 신호로서 검출 신호를 제1 캐패시터를 통해 수신하고, 비교기(COMP)의 제2 입력단은 제2 입력 신호로서 램프 신호(RAMP)를 제2 캐패시터를 통해 수신할 수 있다. 비교기(COMP)는 커패시터들을 통해 수신되는 검출 신호 및 램프 신호(RAMP)를 비교하고, 비교 결과 신호를 출력할 수 있다.The ADC may be, for example, a single slope ADC. The ADC may include a comparator (COMP), a first capacitor, and a second capacitor. The comparator COMP may include a differential amplifier, a first input terminal of the comparator COMP receives a detection signal as a first input signal through a first capacitor, and a second input terminal of the comparator COMP receives a second input signal. The ramp signal RAMP as a signal may be received through the second capacitor. The comparator COMP may compare the detection signal received through the capacitors and the ramp signal RAMP, and output a comparison result signal.
본 개시의 이미지 센서(10)는 비교 결과 신호에 따라 제1 포토 다이오드(PD1)의 광 신호에 대응하는 디지털 신호와 제2 포토다이오드(PD2)의 광 신호에 대응하는 디지털 신호를 각각 생성할 수 있고, 생성된 디지털 신호들을 조합하여 이미지 데이터(ID)를 생성할 수 있다. 이 때, 이미지 센서(10)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 의해 출력된 비교 결과 신호에 기초하여 제1 조도의 이미지 데이터(ID)를 생성할 수 있고, 제2 포토 다이오드(PD2)에 의해 출력된 비교 결과 신호에 기초하여 제2 조도의 이미지 데이터(ID)를 생성할 수 있다.The
도 3b를 참조하면, 광 검출 회로(110b)는 도 3a의 광 검출 회로(110a)에서 오버플로우 트랜지스터(OFX)를 더 포함할 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OFX)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 연결될 수 있고, 활성화된 경우 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하 중 일부를 방출할 수 있다.Referring to FIG. 3B , the
도 3c를 참조하면, 광 검출 회로(110c)는 도 3a의 광 검출 회로(110a)에서 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)를 더 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)는 이득 제어 트랜지스터로 지칭될 수도 있다. 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 (예컨대, 듀얼 컨버젼 신호(DCS)에 의해서) 활성화된 경우 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)가 연결될 수 있다. 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 비활성화된 경우 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하는 제1 커패시터(CFD1)에만 전송될 수 있고, 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하는 제2 커패시터(CFD2)에만 전송될 수 있다.Referring to FIG. 3C , the
일실시예에 따르면, 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하를 독출할 때, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 비활성화된 경우 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 제1 포토 다이오드(PD1)의 광 전하가 전송될 수 있고, 제1 커패시터(CFD1)에 의해 형성된 전압 레벨이 소스 팔로워(SF)의 게이트로 입력될 수 있다. 반면, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 활성화된 경우 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 제1 포토 다이오드(PD1)의 광 전하가 전송될 수 있고, 직렬로 연결된 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2)에 의해 형성된 전압 레벨이 소스 팔로워(SF)의 게이트로 입력될 수 있다. 병렬로 연결된 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2)의 용량은 제1 커패시터(CFD1)의 용량보다 크므로, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 활성화된 경우에는 비활성화된 경우에 비해 더 낮은 레벨의 전압이 형성될 수 있다. 즉, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)의 활성화 여부에 따라, 이미지 센서(10)는 광 전하의 변환 이득을 조절할 수 있다.According to an exemplary embodiment, when the photoelectric charge generated in the first photodiode PD1 is read, when the dual conversion transistor DCX is inactivated, the first floating diffusion node FD1 is connected to the first photodiode PD1. Photocharges may be transferred, and a voltage level formed by the first capacitor C FD1 may be input to the gate of the source follower SF. On the other hand, when the dual conversion transistor DCX is activated, the photoelectric charge of the first photodiode PD1 can be transferred to the first floating diffusion node FD1 and the second floating diffusion node FD2, and the second floating diffusion node connected in series can be transferred. A voltage level formed by the first capacitor C FD1 and the second capacitor C FD2 may be input to the gate of the source follower SF. Since the capacitances of the first capacitor C FD1 and the second capacitor C FD2 connected in parallel are greater than the capacitance of the first capacitor C FD1 , when the dual conversion transistor DCX is activated, compared to when the dual conversion transistor DCX is inactivated, A lower level of voltage may be formed. That is, depending on whether the dual conversion transistor DCX is activated, the
도 3d를 참조하면, 광 검출 회로(110d)는 복수의 저장 커패시터(Cs)들(예컨대, Cs1, Cs2 등)을 포함할 수 있다. 비록 도 3d는 2개의 저장 캐패시터들(Cs1, Cs2)을 도시하나, 일부 실시예들에서 복수의 저장 캐패시터(Cs)들은 3개 이상의 저장 캐패시터들을 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 이미지 센서(10)는 각 단위 프레임마다 복수의 서로 다른 시간 길이로 할당된 단위 축적 시간들을 포함할 수 있고, 서로 다른 단위 축적 시간 동안 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하는 서로 다른 저장 커패시터(Cs)에 저장될 수 있다. 예시적으로, 제1 단위 축적 시간 동안 축적된 광 전하는 제1 저장 커패시터(Cs1)에 저장될 수 있고, 제2 단위 축적 시간 동안 축적된 광 전하는 제2 저장 커패시터(Cs2)에 저장될 수 있다. 도 3d의 실시예에 따라 광 검출 회로(110d)가 복수의 저장 커패시터(Cs)들에 광 전하를 저장하는 방법은 도 8을 통해 후술하도록 한다.Referring to FIG. 3D , the
도 3e를 참조하면, 광 검출 회로(110e)는 도 3d의 광 검출 회로(110d)보다 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)를 더 포함할 수 있다. 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 활성화된 경우 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)가 연결될 수 있다. 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 비활성화된 경우 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하는 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 연결된 제1 커패시터(CFD1)에만 전송될 수 있고, 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 연결된 제2 커패시터(CFD2)에만 전송될 수 있다. 도 3e 픽셀 회로에서 축적 단계 중 유효 축적 시간(effective integration time; 이하 EIT) 동안 제1 포토 다이오드(PD1)는 광 전하를 생성할 수 있고 제2 포토 다이오드(PD2)는 EIT로부터 분할된 복수의 서브 EIT들 각각 동안 생성된 전하를 복수의 저장 커패시터들에 저장할 수 있다. 독출 단계에서는 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하가 독출될 수 있고, 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하는 저장 커패시터들에 저장된 전하를 통해 독출될 수 있다. 독출 단계의 상세한 설명은 도 6에서 후술될 것이다.Referring to FIG. 3E , the
도 4는 일실시예에 따라 하나의 프레임의 축적 단계에서 각 단위 프레임들마다 생성되는 픽셀 제어 신호들의 레벨을 도시한 그래프이다.4 is a graph illustrating levels of pixel control signals generated for each unit frame in an accumulation step of one frame according to an exemplary embodiment.
도 4를 참조하면, 하나의 프레임의 축적 단계는 복수의 단위 프레임들로 구성될 수 있고, 이미지 센서(10)는 복수의 단위 프레임들동안 축적한 광 전하를 축적 단계에 후속하는 독출 단계에서 독출함으로써 이미지 데이터(ID)를 생성할 수 있다. 도 4 내지 도 5b를 통해 이미지 센서(10)의 축적 단계를 설명하고, 도 6을 통해 이미지 센서(10)의 독출 단계를 설명하도록 한다.Referring to FIG. 4 , the accumulation step of one frame may consist of a plurality of unit frames, and the
일실시예에 따라, 이미지 센서(10)가 복수의 포토 다이오드들을 통해 광 전하를 생성하는 경우, 축적 단계에서 일부 포토 다이오드은 단위 프레임들마다 플로팅 디퓨전 노드로 광 전하를 전송하고 저장 커패시터에 저장할 수 있고, 나머지 포토 다이오드는 복수의 단위 프레임들 시간 동안 광 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 생성한 광 전하를 독출 단계에서 플로팅 디퓨전 노드로 전송시킬 수 있다. 도 3a 내지 도 3e에 따르면, 제1 포토 다이오드(PD1)는 축적 단계의 복수의 단위 프레임들동안 생성한 광 전하를 독출 단계에 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 전송시킬 수 있고, 제2 포토 다이오드(PD2)는 축적 단계의 각 단위 프레임마다 생성한 광 전하를 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 전송 시키고 저장 커패시터에 저장할 수 있다. 그러나, 본 개시의 실시예의 포토 다이오드 개수는 이에 국한되지 않는다.According to an embodiment, when the
일실시예에 따르면, 각 프레임 동안 복수의 포토 다이오드들은 동일한 노광 시간 동안 광 전하를 생성할 수 있고, 이하에서는 하나의 프레임 전체에 대응되는 시간 동안 광 전하를 생성하는 경우에 대해 설명하지만, 본 실시예의 노광시간은 이에 국한되지 않고, 프레임에 대응되는 시간 중 일부 시간 동안 광 전하를 생성하는 경우도 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, a plurality of photodiodes may generate photocharges for the same exposure time during each frame. Hereinafter, a case of generating photocharges for a time corresponding to an entire frame will be described, but this embodiment The example exposure time is not limited thereto, and may also include a case in which photocharges are generated during a portion of the time corresponding to the frame.
이미지 센서(10)는 포토 다이오드에 생성된 광 전하를 리셋함으로써 단위 축적 시간(INT)동안 축적 동작을 시작할 수 있다. 단위 축적 시간(INT) 이전에 포토 다이오드에 생성된 광 전하는 전송 트랜지스터가 활성화됨으로써 플로팅 디퓨전 노드에 수용될 수 있고, 이후, 리셋 트랜지스터(RX)가 활성화된 경우 플로팅 디퓨전 노드에 수용된 광 전하가 리셋될 수 있다. 예시적으로, 도 3a 내지 도 4를 참조하면, 로직 하이 레벨의 제2 전송 신호(TS2)가 제2 전송 트랜지스터(TX2)로 입력되는 경우 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하는 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 전송될 수 있고, 이 후, 로직 하이 레벨의 리셋 신호(RS)가 리셋 트랜지스터(RX)로 입력되는 경우, 단위 축적 시간(INT) 이전에 생성된 광 전하는 리셋될 수 있다.The
이후, 전송 트랜지스터가 비활성화됨으로써 포토 다이오드는 다시 광 전하를 생성하고 축적할 수 있고, 전송 트랜지스터가 활성화된 경우 단위 축적 시간(INT)동안 생성한 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드로 전송될 수 있다. 이 때, 플로팅 디퓨전 노드에 연결된 리셋 트랜지스터(RX)가 비활성화되어 플로팅 디퓨전 노드는 단위 축적 시간(INT)동안 생성한 광 전하를 수용할 수 있다.Thereafter, the photodiode may generate and accumulate photocharges again by inactivating the transfer transistor, and when the transfer transistor is activated, the photocharges generated during the unit accumulation time INT may be transferred to the floating diffusion node. At this time, the reset transistor RX connected to the floating diffusion node is inactivated so that the floating diffusion node can accommodate photocharges generated during the unit accumulation time INT.
예시적으로, 도 3a 내지 도 4를 참조하면, 제2 전송 신호(TS2)가 로직 로우 레벨로 천이됨으로써 제2 포토 다이오드(PD2)는 단위 축적 시간(INT)동안 광 전하를 생성 축적할 수 있고, 다시 제2 전송 신호(TS2)가 로직 하이 레벨로 천이되는 경우, 단위 축적 시간(INT)동안 생성된 광 전하가 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 전송될 수 있다.For example, referring to FIGS. 3A to 4 , when the second transmission signal TS2 transitions to a logic low level, the second photodiode PD2 can generate and accumulate photocharges for a unit accumulation time INT. , when the second transmission signal TS2 transitions to the logic high level again, photocharges generated during the unit accumulation time INT may be transferred to the second floating diffusion node FD2.
일실시예에 따르면, 이미지 센서(10)는 각 단위 프레임들마다 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 활성화됨으로써 단위 축적 시간(INT)동안 축적한 광 전하를 저장 커패시터(Cs)에 저장시킬 수 있다. 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 활성화되는 시점은 리셋 트랜지스터(RX)가 비활성화된 시간 구간 중 임의의 시점일 수 있다. 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 비활성화되는 시점은, 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 활성화된 이후, 단위 축적 시간(INT)의 종점(end point)부터 리셋 트랜지스터(RX)가 활성화되는 시점까지 구간 중 임의의 시점일 수 있다.According to an embodiment, the
예시적으로, 도 3a 내지 도 4를 참조하면, 단위 축적 시간(INT) 이후 전하 공유 신호(CSS)가 로직 하이 레벨로 천이됨으로써 이미지 센서(10)는 단위 축적 시간(INT)동안 플로팅 디퓨전 노드에 수용한 광 전하를 저장 커패시터(Cs)에 저장할 수 있다. 이후, 다시 전하 공유 신호(CSS)는 로직 로우 레벨로 천이되고 리셋 신호(RS)가 로직 하이 레벨로 천이되는 경우, 플로팅 디퓨전 노드의 광 전하가 리셋됨으로써 후속 단위 프레임에 대한 축적 동작이 수행될 수 있다.3A to 4 , as the charge sharing signal CSS transitions to a logic high level after the unit accumulation time INT, the
도 5a는 일실시예에 따라 플로팅 디퓨전 노드에 광 전하가 축적되는 예시를 도시한 도면이고, 도 5b는 일실시예에 따라 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 광 전하가 저장 커패시터(Cs)에 저장되는 예시를 도시한 도면이다.5A is a diagram illustrating an example in which photocharges are accumulated in a floating diffusion node according to an embodiment, and FIG. 5B is an example in which photocharges accumulated in a floating diffusion node are stored in a storage capacitor Cs according to an embodiment. It is a drawing showing
도 3a 내지 도 3d, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전송 트랜지스터(TX), 전하 공유 트랜지스터(CSX), 및 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트에 입력되는 전압 레벨에 따라 포텐셜 배리어(potential barrier)가 제어될 수 있다. 예시적으로, 트랜지스터의 게이트에 높은 레벨의 전압이 입력되는 경우 트랜지스터의 포텐셜 배리어가 낮아져 높은 에너지 준위의 노드에 트랩되었던 전하는 낮은 에너지 준위로 전송될 수 있다. 이에 반해, 트랜지스터의 게이트에 낮은 레벨의 전압이 입력되는 경우 트랜지스터의 포텐셜 배리어가 높아져 전하는 각 노드에 트랩될 수 있다.Referring to FIGS. 3A to 3D and FIGS. 5A and 5B , a potential barrier is formed according to voltage levels input to gates of the transfer transistor TX, the charge sharing transistor CSX, and the reset transistor RX. can be controlled For example, when a high-level voltage is input to a gate of a transistor, a potential barrier of the transistor is lowered, and charges trapped in a node of a high energy level may be transferred to a low energy level. On the other hand, when a low-level voltage is input to the gate of the transistor, the potential barrier of the transistor becomes high and charges may be trapped in each node.
도 5a를 참조하면, 제1 시간 구간(T1)에서 이미지 센서(10)의 포토 다이오드는 광 전하를 생성할 수 있다. 제1 시간 구간(T1)은 단위 축적 시간(INT)에 대응될 수 있고, 이미지 센서(10)는 단위 축적 시간(INT) 이전 포토 다이오드에 생성된 광 전하를 리셋할 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)가 비활성화된 경우 전송 트랜지스터(TX)에 형성된 포텐셜 배리어에 의해 포토 다이오드에 전하가 생성될 수 있다.Referring to FIG. 5A , the photodiode of the
제2 시간 구간(T2)에서 전송 트랜지스터(TX)가 활성화된 경우, 전송 트랜지스터(TX)의 포텐셜 배리어가 낮아져 포토 다이오드로부터 플로팅 디퓨전 노드로 전하가 이전될 수 있다. 이 때, 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 비활성화되어 전하 공유 트랜지스터(CSX)의 포텐셜 배리어가 높아져 단위 축적 시간(INT)에 생성된 광 전하는 플로팅 디퓨전 노드에 수용될 수 있다.When the transfer transistor TX is activated in the second time interval T2 , a potential barrier of the transfer transistor TX is lowered so that charges can be transferred from the photodiode to the floating diffusion node. In this case, the charge sharing transistor CSX is inactivated, and the potential barrier of the charge sharing transistor CSX is increased so that the photocharges generated in the unit accumulation time INT can be accommodated in the floating diffusion node.
도 5b를 참조하면, 제3 시간 구간(T3)에서 전송 트랜지스터(TX)는 비활성화되고, 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 활성화됨으로써 플로팅 디퓨전 노드에 수용된 전하는 저장 커패시터(Cs)에 공유될 수 있다. 이 때, 플로팅 디퓨전 노드의 에너지 준위와 저장 커패시터(Cs)의 에너지 준위는 동일할 수 있고, 저장 커패시터(Cs)의 캐패시턴스는 플로팅 디퓨전 노드의 기생 커패시터의 캐패시턴스보다 클 수 있다.Referring to FIG. 5B , the transfer transistor TX is inactivated and the charge sharing transistor CSX is activated in the third time interval T3 so that the charge received in the floating diffusion node can be shared with the storage capacitor Cs. In this case, the energy level of the floating diffusion node and the energy level of the storage capacitor Cs may be the same, and the capacitance of the storage capacitor Cs may be greater than the capacitance of the parasitic capacitor of the floating diffusion node.
제4 시간 구간(T4)에서 전하 공유 트랜지스터(CSX)는 비활성화될 수 있고, 저장 커패시터(Cs)와 플로팅 디퓨전 노드 간의 포텐셜 배리어가 형성될 수 있다. 일실시예에 따르면, 저장 커패시터(Cs)의 캐패시턴스와 기생 커패시터의 캐패시턴스 비에 따라 각 커패시터에 저장되는 전하량이 결정될 수 있고, 저장 커패시터(Cs)의 캐패시턴스가 기생 커패시터의 캐패시턴스보다 큰 경우, 저장 커패시터(Cs)에 더 많은 전하가 저장될 수 있다.In the fourth time period T4 , the charge sharing transistor CSX may be inactivated, and a potential barrier may be formed between the storage capacitor Cs and the floating diffusion node. According to an embodiment, the amount of charge stored in each capacitor may be determined according to a ratio between the capacitance of the storage capacitor Cs and the capacitance of the parasitic capacitor, and when the capacitance of the storage capacitor Cs is greater than the capacitance of the parasitic capacitor, the storage capacitor More charge can be stored in (Cs).
제5 시간 구간(T5)에서 리셋 트랜지스터(RX)가 활성화됨으로써 플로팅 디퓨전 노드에 저장된 전하가 리셋될 수 있다. 이 때, 전하 공유 트랜지스터(CSX)가 비활성화되어 있으므로, 저장 커패시터(Cs)에 저장된 전하는 리셋되지 않고, 플로팅 디퓨전 노드에 저장된 전하만이 리셋될 수 있다.Charges stored in the floating diffusion node may be reset by activating the reset transistor RX in the fifth time interval T5 . At this time, since the charge sharing transistor CSX is inactivated, the charge stored in the storage capacitor Cs is not reset, and only the charge stored in the floating diffusion node can be reset.
단위 프레임마다 단위 축적 시간(INT)에 생성된 광 전하 중 일부는 저장 커패시터(Cs)에 공유되어 저장될 수 있고, 저장 커패시터(Cs)에 전하가 공유된 후 플로팅 디퓨전 노드가 리셋됨으로써 이미지 센서(10)는 복수의 단위 프레임들동안 생성된 광 전하를 누적하여 저장할 수 있다. 예시적으로, 도 5a를 참조하면 제1 단위 프레임(UF1)에서 제1 시간 구간(T1)동안 생성된 광 전하는 저장 커패시터(Cs)로 공유되어 보존될 수 있다. 각 후속 단위 프레임에서 이미지 센서(10)는 이전 단위 프레임에서 저장된 전하에 포토 다이오드에 생성된 광 전하를 추가하여 저장할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(10)는 제1 단위 프레임(UF1)부터 마지막 단위 프레임(예시적으로, 제10 단위 프레임(UF10))까지 각 단위 프레임에서 단위 축적 시간(INT)동안 생성한 전하를 누적하여 저장할 수 있다.Some of the photocharges generated in the unit accumulation time INT for each unit frame may be shared and stored in the storage capacitor Cs, and after the charges are shared in the storage capacitor Cs, the floating diffusion node is reset to reset the image sensor ( 10) may accumulate and store photocharges generated during a plurality of unit frames. Illustratively, referring to FIG. 5A , the photoelectric charges generated during the first time period T1 in the first unit frame UF1 may be shared and preserved by the storage capacitor Cs. In each subsequent unit frame, the
도 6은 일실시예에 따라 이미지 센서(10)가 도 4의 축적 단계 이후 축적된 광 전하를 독출할 때 생성되는 신호들의 레벨을 도시한 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating levels of signals generated when the
도 6을 참조하면, 이미지 센서(10)는 독출 단계 중 제6 시간 구간(T6)에서, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성 및 축적된 전하에 대하여 듀얼 컨버젼 동작을 수행할 수 있고, 제7 시간 구간(T7)에서 제2 포토 다이오드(PD2)에서 각 단위 프레임의 단위 축적 시간(INT)에 대응되어 저장된 전하들을 독출할 수 있다. 즉, 도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 이미지 센서(10)는 제6 시간 구간(T6)에서 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하를 독출할 수 있고, 제7 시간 구간(T7)에서 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하를 독출할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the
도 3c 및 도 3e를 참조하면, 듀얼 컨버젼 동작에서 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)의 활성화 여부에 따라 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하에 대한 축적 이득이 조절될 수 있다. 예시적으로, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 활성화된 경우, 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 제2 플로팅 디퓨전 노드(FD2)가 연결되어 제1 커패시터(CFD1) 및 제2 커패시터(CFD2)에 의해 축적 변환 이득은 낮아질 수 있다. 이에 반해, 듀얼 컨버젼 트랜지스터(DCX)가 비활성화된 경우, 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에만 전하가 수용되므로, 축적 변환 이득은 높아질 수 있다.Referring to FIGS. 3C and 3E , in the dual conversion operation, the storage gain for photocharges generated in the first photodiode PD1 may be adjusted according to whether the dual conversion transistor DCX is activated. For example, when the dual conversion transistor DCX is activated, the first floating diffusion node FD1 and the second floating diffusion node FD2 are connected to form the first capacitor C FD1 and the second capacitor C FD2 . As a result, the accumulation conversion gain can be lowered. On the other hand, when the dual conversion transistor DCX is inactivated, charge is received only in the first floating diffusion node FD1, and thus the storage conversion gain may be increased.
제6 시간 구간(T6)에서, 도 3c 및 도 3e에 따르면, 이미지 센서(10)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 생성된 광 전하에 대해 듀얼 컨버젼 동작을 수행할 수 있다. 광 검출 회로(110)에 로직 로우 레벨의 리셋 신호(RS) 및 로직 로우 레벨의 듀얼 컨버젼 신호(DCS)가 입력된 경우, 이미지 센서(10)는 높은 축적 변환 이득으로 광 전하를 전기 신호로 변환시킬 수 있다. 일실시예에 따르면, 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)을 수행하기 위해 이미지 센서(10)는 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)가 리셋된 이후 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 수용된 전하량을 독출(R1)할 수 있고, 그 후 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 전송된 전하량을 독출(S1)할 수 있다.In the sixth time interval T6 , according to FIGS. 3C and 3E , the
광 검출 회로(110)는 로직 로우 레벨로부터 로직 하이 레벨로 천이된 듀얼 컨버젼 신호(DCS)를 수신한 경우, 낮은 축적 변환 이득으로 축적된 전하량을 독출할 수 있다. 이 때, 광 검출 회로(110)는 상관 이중 샘플링을 수행하기 위해 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 전하량을 독출(S2)하고 및 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)가 리셋된 이후의 전하량을 독출(R2)할 수 있다.When receiving the dual conversion signal DCS transitioned from the logic low level to the logic high level, the
제6 시간 구간(T6)은 높은 축적 이득으로 축적된 전하량을 독출하고, 낮은 축적 이득으로 축적된 전하량을 독출하며, 높은 축적 이득 및 낮은 축적 이득에서 전하량을 독출할 때, 상관 이중 샘플링을 수행하기 위해 리셋 상태의 전하량도 높은 축적 이득 및 낮은 축적 이득에서 각각 독출할 수 있다. 광 검출 회로(110)는 높은 축적 이득에서 리셋 상태의 전하량을 독출(R1)하여 샘플링하기 위해 낮은 레벨의 램프 신호를 수신할 수 있고, 노광 상태의 전하량을 독출(S1)하여 샘플링하기 위해 높은 레벨의 램프 신호를 수신할 수 있다. 아울러, 광 검출 회로(110)는 낮은 축적 이득에서 노광 상태의 전하량을 독출(S2)하여 샘플링하기 위해 낮은 레벨의 램프 신호를 수신할 수 있고, 리셋 상태의 전하량을 독출(R2)하여 샘플링하기 위해 높은 레벨의 램프 신호를 수신할 수 있다.In the sixth time interval T6, when the amount of charge accumulated with a high accumulation gain is read, the amount of charge accumulated with a low accumulation gain is read, and the amount of charge is read with a high accumulation gain and a low accumulation gain, correlated double sampling is performed. For this purpose, the amount of charge in the reset state can be read at high and low accumulation gains, respectively. The
제7 시간 구간(T7)에서, 이미지 센서(10)는 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 광 전하가 단위 프레임마다 저장 커패시터(Cs)에 저장된 전하량을 독출할 수 있다. 도 3c 및 도 3d를 참조하면, 광 검출 회로(110)는 로직 하이 레벨의 전하 공유 신호(CSS) 및 로직 하이 레벨의 듀얼 컨버젼 신호(DCS)를 수신한 경우 저장 커패시터(Cs)에 저장된 전하를 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 제공할 수 있다. 이미지 센서(10)는 상관 이중 샘플링을 수행하기 위해 제1 플로팅 디퓨전 노드(FD1)가 리셋되기 전 전하량을 독출(S3)하고, 리셋 상태의 전하량을 독출(R3)할 수 있다.In the seventh time interval T7 , the
도 3a, 도 3b, 및 도 3d의 실시예는 듀얼 컨버젼 동작없이 독출 구간에서 각 포토 다이오드에 의해 생성된 전하량을 순차적으로 독출할 수 있다. 도 3d의 실시예에 따라 복수의 저장 커패시터(Cs)들에 광 전하가 저장된 경우, 제7 시간 구간(T7) 이후 추가되는 독출 구간에 순차적으로 각 저장 커패시터에 저장된 전하량을 독출할 수 있다.The embodiments of FIGS. 3A, 3B, and 3D can sequentially read the amount of charge generated by each photodiode in a readout period without a dual conversion operation. When photocharges are stored in the plurality of storage capacitors Cs according to the embodiment of FIG. 3D , the amount of charge stored in each storage capacitor may be sequentially read in a readout period added after the seventh time period T7.
도 4 내지 도 6을 통해 이미지 센서(10)가 축적 단계에서 복수의 포토 다이오드들에 의해 생성된 광 전하를 수용하고 중복되지 않고 순차적으로, 각 포토 다이오드에 생성된 광 전하를 독출하는 방법을 설명하였다. 이하, 도 7 및 도 8을 통해 하나의 포토 다이오드에 의해 복수의 단위 축적 시간(INT)들 동안 생성된 광 전하를 복수의 저장 커패시터(Cs)에 저장하는 방법을 설명하도록 한다.4 to 6, a method for the
도 7은 다른 일실시예에 따라 하나의 포토 다이오드(PD)를 갖는 픽셀(PX)의 구성을 도시한 회로도이다.7 is a circuit diagram illustrating a configuration of a pixel PX having one photodiode PD according to another exemplary embodiment.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 광 검출 회로(110)는 하나의 포토 다이오드(PD) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)를 포함할 수 있다. 복수의 저장 커패시터(Cs)들 및 복수의 전하 공유 트랜지스터(CSX)들은 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 병렬로 연결될 수 있고, 서로 다른 단위 축적 시간 동안 포토 다이오드(PD)에 생성된 광 전하는 서로 다른 전하 공유 트랜지스터(CSX)를 통해 서로 다른 저장 커패시터(Cs)에 저장될 수 있다. 비록 도 7에서 2개의 저장 캐패시터들이 도시되었으나, 일부 실시예들에서 복수의 저장 캐패시터(Cs)들은 3개 이상의 저장 캐패시터들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the
도 8은 도 7의 일실시예에 따라 각 단위 프레임들마다 생성되는 픽셀 제어 신호들의 레벨을 도시한 그래프이다.FIG. 8 is a graph illustrating levels of pixel control signals generated for each unit frame according to the exemplary embodiment of FIG. 7 .
일실시예에 따라, 이미지 센서(10)가 축적 단계에서 하나의 프레임으로부터 분할된 복수의 단위 프레임들 각각에서 길이가 다른 적어도 두개의 단위 축적 시간들(INT1, INT2) 동안에 하나의 포토 다이오드(PD)를 통해 광 전하를 생성하는 경우, 생성된 광 전하를 단위 축적 시간들(INT1, INT2) 각각에 대응되는 저장 커패시터들(Cs1, Cs2)에 저장할 수 있다. 예시적으로, 도 8을 참조하면, 이미지 센서(10)는 각 단위 프레임의 제1 단위 축적 시간(INT1)동안 생성한 광 전하를 제1 저장 커패시터(Cs1)에 저장할 수 있고, 각 단위 프레임의 제2 단위 축적 시간(INT2)동안 생성한 광 전하를 제2 저장 커패시터(Cs2)에 저장할 수 있다. 도 8을 통해, 제1 단위 축적 시간(INT1) 및 제2 단위 축적 시간(INT2)에 광 전하를 생성하는 경우에 대해 설명하지만, 본 개시의 실시예의 단위 축적 시간(INT) 및 저장 커패시터(Cs)의 개수는 이에 국한되지 않는다.According to an embodiment, in the accumulation step, the
이미지 센서(10)는 포토 다이오드(PD)에 생성된 광 전하를 리셋함으로써 단위 축적 시간들(INT1, INT2) 각각에 대응되는 축적 동작을 시작할 수 있다. 각 단위 축적 시간 전 포토 다이오드(PD)에 생성된 광 전하는 전송 트랜지스터(TX)가 활성화됨으로써 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 수용될 수 있고, 이 때, 리셋 트랜지스터(RX)가 활성화된 경우 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 수용된 광 전하가 리셋될 수 있다.The
이후, 전송 트랜지스터(TX)가 비활성화됨으로써 포토 다이오드(PD)는 다시 광 전하를 생성할 수 있고, 전송 트랜지스터(TX)가 다시 활성화된 경우 각 단위 축적 시간(INT1, INT2)동안 생성한 광 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)가 다시 활성화되기 전, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결된 리셋 트랜지스터(RX)가 비활성화되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 각 단위 축적 시간(INT1, INT2)동안 포토 다이오드(PD)에 생성된 광 전하를 수용할 수 있다.Thereafter, the photodiode PD can generate photocharges again by inactivating the transfer transistor TX, and when the transfer transistor TX is activated again, the photocharges generated during each unit accumulation time INT1 and INT2 It may be transmitted to a floating diffusion node (FD). Before the transfer transistor (TX) is re-activated, the reset transistor (RX) connected to the floating diffusion node (FD) is deactivated so that the floating diffusion node (FD) is connected to the photodiode (PD) for each unit accumulation time (INT1, INT2). It can accommodate the generated photocharge.
예시적으로, 도 8을 참조하면, 전송 신호(TS)가 로직 로우 레벨로 천이됨으로써 이미지 센서(10)는 제1 단위 축적 시간(INT1)동안 광 전하를 생성할 수 있고, 다시 전송 신호(TS)가 로직 하이 레벨로 천이되는 경우, 제1 단위 축적 시간(INT1)동안 생성된 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송시킬 수 있다.Illustratively, referring to FIG. 8 , when the transmission signal TS transitions to a logic low level, the
일실시예에 따르면, 이미지 센서(10)는 각 단위 축적 시간(INT1, INT2)들 이후 전하 공유 트랜지스터(CSX)를 활성화함으로써 각 단위 축적 시간(INT1, INT2)동안 축적한 광 전하를 각 단위 축적 시간(INT1, INT2)에 대응되어 할당된 저장 커패시터(Cs1, Cs2)에 저장시킬 수 있다. 예시적으로, 도 8을 참조하면, 제1 단위 축적 시간(INT1) 이후 제1 전하 공유 신호(CSS1)가 로직 하이 레벨로 천이됨으로써 이미지 센서(10)는 제1 단위 축적 시간(INT1)동안 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 수용한 광 전하를 제1 저장 커패시터(Cs1)에 저장할 수 있다.According to an embodiment, the
이후, 다시 제1 전하 공유 신호(CSS1)는 로직 로우 레벨로 천이되고, 로직 하이 레벨의 리셋 신호(RS)가 입력되는 경우, 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋됨으로써 후속 단위 축적 시간에 대한 축적 동작을 수행할 수 있다. 예시적으로, 도 7을 참조하면, 제2 단위 축적 시간(INT2) 이전 광 검출 회로(110)에 로직 하이 레벨의 리셋 신호(RS) 및 전송 신호(TS)가 입력되는 경우, 이미지 센서(10)는 제1 단위 축적 시간(INT1) 이후 제2 단위 축적 시간(INT2) 이전 포토 다이오드(PD)에 생성된 광 전하를 리셋할 수 있다. 이미지 센서(10)의 포토 다이오드(PD)는 제2 단위 축적 시간(INT2)동안 광 전하를 생성할 수 있고, 다시 전송 신호(TS)가 로직 하이 레벨로 천이되는 경우, 제2 단위 축적 시간(INT2)동안 생성된 광 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송시킬 수 있다. 제2 단위 축적 시간(INT2) 이후 제2 전하 공유 신호(CSS2)가 로직 하이 레벨로 천이됨으로써 이미지 센서(10)는 제2 단위 축적 시간(INT2)동안 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 수용한 광 전하를 제2 저장 커패시터(Cs2)에 저장할 수 있다.Thereafter, when the first charge sharing signal CSS1 transitions to the logic low level and the reset signal RS of the logic high level is input, the floating diffusion node FD is reset, thereby performing an accumulation operation for the next unit accumulation time. can be performed. Illustratively, referring to FIG. 7 , when the reset signal RS and the transmission signal TS of the logic high level are input to the
도 3d의 이미지 센서(10)는 도 8의 실시예에 따라 복수의 단위 축적 시간들(INT1, INT2)동안 제2 포토 다이오드(PD2)에 생성된 광 전하를 서로 다른 저장 커패시터(Cs1, Cs2)들에 저장할 수 있다.According to the embodiment of FIG. 8 , the
도 7의 이미지 센서는 도 8의 복수의 단위 프레임들로 구성된 축적 단계 이후 독출 단계에서 복수의 저장 커패시터(Cs)들에 저장된 전하를 서로 다른 시점에서 복수의 전하 공유 트랜지스터(CSX)들을 활성화함으로써 각 저장 커패시터(Cs)에 저장된 전하량을 독출할 수 있다. 예시적으로, 이미지 센서(10)는 제1 시점에서 제1 전하 공유 트랜지스터(CSX1)가 활성화된 경우 제1 저장 커패시터(Cs1)에 저장된 전하량을 독출할 수 있고, 제1 시점과 다른 시점인 제2 시점에서 제2 전하 공유 트랜지스터(CSX2)가 활성화된 경우 제2 저장 커패시터(Cs2)에 저장된 전하량을 독출할 수 있다.The image sensor of FIG. 7 activates the plurality of charge sharing transistors CSX at different points in time to store charges stored in the storage capacitors Cs in the reading step after the accumulation step consisting of a plurality of unit frames in FIG. The amount of charge stored in the storage capacitor Cs can be read. Illustratively, the
일실시예에 따르면, 제1 단위 축적 시간(INT1) 및 제2 단위 축적 시간(INT2)의 시간 길이는 서로 다를 수 있고, 각 단위 축적 시간(INT)의 시간 길이는 조도 레벨에 따라 결정될 수 있다. 예시적으로, 이미지 센서(10)는 저조도 이미지를 생성하기 위해 긴 단위 축적 시간(INT)동안 광 전하를 축적시킬 수 있고, 고조도의 이미지를 생성하기 위해 짧은 단위 축적 시간(INT)동안 광 전하를 축적시킬 수 있다.According to an embodiment, the time lengths of the first unit accumulation time INT1 and the second unit accumulation time INT2 may be different from each other, and the time length of each unit accumulation time INT may be determined according to the illuminance level. . Exemplarily, the
도 9는 다른 일실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 9 is a block diagram illustrating an image sensor according to another exemplary embodiment.
도 9에서 설명되는 픽셀(PX')은 내부에 커패시터를 포함하는 픽셀의 일 예시를 설명하기 위한 것으로서 글로벌 셔터(global shutter) 동작이 가능한 픽셀이다. 도 1의 이미지 센서(10)와 비교하여, 도 9의 이미지 센서(10')는 ADC(510)를 픽셀(PX') 내부에 각각 포함하지 않고, 픽셀 어레이(100') 외부에 ADC(510)를 포함할 수 있다. 도 9에 대한 설명에서는 도 1에서와 동일한 부호에 대해 중복 설명을 생략하도록 한다.The pixel PX′ described in FIG. 9 is for explaining an example of a pixel including a capacitor therein, and is a pixel capable of a global shutter operation. Compared to the
도 9를 참조하면, 이미지 센서(10')는 픽셀 어레이(100'), 픽셀 드라이버(200'), 램프 신호 생성기(300'), 컨트롤러(400'), 리드아웃 회로(500') 및 인터페이스 회로(600')를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(100')는 복수의 픽셀(PX')들을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀(PX)들 각각은 외부로부터의 광 신호를 감지하고, 감지된 광 신호에 대응하는 픽셀 신호(PXS)를 출력하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 9 , an image sensor 10' includes a pixel array 100', a pixel driver 200', a lamp signal generator 300', a controller 400', a readout circuit 500', and an interface. circuit 600'. The pixel array 100' may include a plurality of pixels PX', and each of the plurality of pixels PX' senses an external light signal and generates a pixel signal PXS corresponding to the sensed light signal. It can be configured to output.
픽셀 어레이(100')에서 복수의 픽셀(PX')들은 복수의 로우들 및 복수의 컬럼들으로 배치되는 매트릭스(matrix) 형태로 배열될 수 있다. 이미지 센서(10')는 글로벌 셔터 모드에서, 서로 다른 로우에 배치된 픽셀(PX')들의 광 전하 축적 시점을 동일하게 제어할 수 있고, 광 전하 축적 시간의 차이에 의한 이미지의 왜곡을 제거할 수 있다.In the pixel array 100', a plurality of pixels PX' may be arranged in a matrix form in which a plurality of rows and a plurality of columns are arranged. In the global shutter mode, the image sensor 10' can equally control the photo charge accumulation timing of the pixels PX' arranged in different rows, and eliminate image distortion caused by the difference in photo charge accumulation time. can
픽셀(PX')은 광 검출 회로(110') 및 픽셀 신호 생성 회로(120')를 포함할 수 있다. 광 검출 회로(110)는 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 외부로부터 감지된 광 신호를 전기적인 신호, 즉 아날로그 신호인 검출 신호로 변환할 수 있다. 검출 신호는 광 검출 회로(110')의 리셋 동작에 따른 검출 신호를 포함할 수 있고, 광 검출 회로(110')의 광 검출 동작에 따른 검출 신호를 포함할 수 있다.The pixel PX' may include a photodetection circuit 110' and a pixel signal generating circuit 120'. The
픽셀 신호 생성 회로(120')는 검출 신호를 수신하여, 검출 신호에 대응하는 픽셀 신호(PXS)를 생성할 수 있고, 픽셀 신호(PXS)를 컬럼 라인을 통해 출력할 수 있다.The pixel
본 개시에 따른 이미지 센서(10')는 하나의 프레임에 대해 복수로 구분된 단위 프레임들마다 단위 프레임의 일정 비율의 단위 축적 시간동안 광 전하를 축적시킬 수 있고, 복수의 단위 축적 시간들동안 축적한 광 전하에 기초하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이 때, 일실시예에 따른 이미지 센서(10')는 하나의 단위 프레임에 서로 다른 시간 길이를 갖는 단위 축적 시간들에 대응하여 광 전하를 축적함으로써 HDR 이미지를 생성할 수 있다.The image sensor 10' according to the present disclosure may accumulate photoelectric charges during unit accumulation times of a predetermined ratio of unit frames for each of a plurality of unit frames divided into a plurality of units of one frame, and may accumulate photocharges during a plurality of unit accumulation times. Image data can be generated based on one photoelectric charge. In this case, the
픽셀 드라이버(200')는 픽셀 어레이(100')에 포함된 복수의 픽셀(PX')들을 제어하기 위한 제어 신호(CTRL')를 출력할 수 있다. 픽셀 드라이버(200')로부터 생성된 제어 신호(CTRL')에 응답하여 복수의 픽셀(PX')들 각각은, 조도에 따른 복수의 동작 모드들로 동작할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 픽셀 드라이버(200')는 글로벌 셔터 모드로 동작하기 위하여, 복수의 픽셀(PX')들 각각에 출력되는 제어 신호들(CTRL')의이 활성화 및되거나 비활성화되는 타이밍을 결정할 수 있다.The pixel driver 200' may output a control signal CTRL' for controlling the plurality of pixels PX' included in the pixel array 100'. In response to the control signal CTRL' generated from the pixel driver 200', each of the plurality of pixels PX' may operate in a plurality of operation modes according to the illuminance. In an exemplary embodiment, the pixel driver 200' may determine a timing at which the control signals CTRL' output to each of the plurality of pixels PX' are activated or deactivated in order to operate in the global shutter mode. there is.
램프 신호 생성기(300')는 램프 신호(RAMP')를 생성하여 램프 신호(RAMP')를 리드아웃 회로(500'), 예를 들어, ADC(510)로 제공할 수 있다. 램프 신호(RAMP')는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 신호로서, 삼각파의 형태를 갖도록 생성될 수 있다.The ramp signal generator 300' may generate a ramp signal RAMP' and provide the ramp signal RAMP' to the readout circuit 500', for example, the
리드아웃 회로(500')는 ADC(510) 및 메모리(520)를 포함할 수 있다. ADC(510)는 픽셀 어레이(100')에서 제공된 픽셀 신호(PXS)를 샘플링 및 홀드할 수 있고, 리셋 신호와 이미지 신호를 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력하는 상관 이중 샘플링 동작을 수행할 수 있다. ADC(510)는 램프 신호(RAMP')를 제공받아, 리셋 신호와 이미지 신호를 각각 각각을 램프 신호(RAMP')와 비교하고, 비교 결과 신호를 출력할 수 있다. ADC(510)는 비교 결과 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 메모리(520)는 상기 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 이미지 데이터(ID)를 순차적으로 출력할 수 있다.The readout circuit 500' may include an
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 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As above, exemplary embodiments have been disclosed in the drawings and specifications. Although the embodiments have been described using specific terms in this specification, they are only used for the purpose of explaining the technical idea of the present disclosure, and are not used to limit the scope of the present disclosure described in the claims. . Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present disclosure should be determined by the technical spirit of the appended claims.
Claims (19)
상기 복수의 픽셀들 각각은,
복수의 단위 프레임들을 포함하는 프레임에서 광 전하를 생성하도록 구성된 포토 다이오드;
상기 광 전하를 수용하도록 구성된 플로팅 디퓨전 노드;
상기 복수의 단위 프레임들 각각에서 제1 단위 축적 시간 동안 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 제1 광 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제1 저장 캐패시터; 및
상기 복수의 단위 프레임들 각각에서 제2 단위 축적 시간 동안 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 제2 광 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제2 저장 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.As a pixel array including a plurality of pixels,
Each of the plurality of pixels,
a photo diode configured to generate photoelectric charges in a frame including a plurality of unit frames;
a floating diffusion node configured to receive the photocharge;
a first storage capacitor configured to receive and store first photocharges generated by the photodiode through the floating diffusion node during a first unit accumulation time in each of the plurality of unit frames; and
and a second storage capacitor configured to receive and store second photocharges generated by the photodiode through the floating diffusion node during a second unit accumulation time in each of the plurality of unit frames. .
상기 제1 단위 축적 시간 및 상기 제2 단위 축적 시간 각각은, 상기 플로팅 디퓨전 노드 및 상기 포토 다이오드의 리셋이 해제된 시점부터 상기 플로팅 디퓨전 노드가 광 전하를 수용한 시점까지의 구간에 대응하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.The method of claim 1,
Each of the first unit accumulation time and the second unit accumulation time corresponds to a period from a time when the reset of the floating diffusion node and the photodiode is released to a time when the floating diffusion node accepts photocharges. A pixel array with .
상기 제1 단위 축적 시간은, 상기 제2 단위 축적 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.The method of claim 1,
The first unit accumulation time is longer than the second unit accumulation time.
상기 제1 단위 축적 시간은, LED(light emitting diode) 광원이 온되는 구간보다 짧은 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.The method of claim 1,
The first unit accumulation time is shorter than a period in which a light emitting diode (LED) light source is turned on.
상기 복수의 픽셀들 각각은,
상기 프레임 이후 제1 독출 구간에서 상기 제1 광 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 독출하고, 상기 프레임 이후 제2 독출 구간에서 상기 제2 광 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 독출하도록 구성된 소스 팔로워를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.The method of claim 1,
Each of the plurality of pixels,
a source follower configured to read the first photocharges through the floating diffusion node in a first read interval after the frame, and to read the second photocharges through the floating diffusion node in a second read interval after the frame; A pixel array comprising:
상기 복수의 픽셀들 각각은,
독출된 상기 제1 광 전하에 대응하는 제1 검출 신호를 제1 디지털 신호로 변환하고, 독출된 상기 제2 광 전하에 대응하는 제2 검출 신호를 제2 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그-디지털 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.The method of claim 5,
Each of the plurality of pixels,
An analog-to-digital converter configured to convert a first detection signal corresponding to the read first photocharge into a first digital signal and convert a second detection signal corresponding to the read second photocharge into a second digital signal. A pixel array further comprising a.
상기 픽셀 어레이는, 적층된 제1 반도체 기판 및 제2 반도체 기판을 포함하고,
상기 제1 반도체 기판은, 상기 포토 다이오드, 상기 플로팅 디퓨전 노드, 상기 제1 저장 캐패시터, 상기 제2 저장 캐패시터 및 상기 소스 팔로워를 포함하고,
상기 제2 반도체 기판은, 상기 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.The method of claim 6,
The pixel array includes a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate that are stacked,
The first semiconductor substrate includes the photodiode, the floating diffusion node, the first storage capacitor, the second storage capacitor, and the source follower;
The second semiconductor substrate includes the analog-to-digital converter.
상기 복수의 픽셀들 각각은,
프레임에 포함되는 복수의 단위 프레임들 각각에서 제1 단위 축적 시간 동안 제1 광 전하를 생성하도록 구성된 제1 포토 다이오드;
상기 복수의 단위 프레임들 각각에서, 제2 단위 축적 시간 동안 제2 광 전하를 생성하고, 제3 단위 축적 시간 동안 제3 광 전하를 생성하도록 구성된 제2 포토 다이오드;
상기 제1 광 전하, 상기 제2 광 전하 및 상기 제3 광 전하 중 적어도 하나를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드;
상기 제2 광 전하를 상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제1 저장 캐패시터; 및
상기 제3 광 전하를 상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 수신하여 저장하도록 구성된 제2 저장 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.A pixel array comprising a plurality of pixels;
Each of the plurality of pixels,
a first photodiode configured to generate a first photoelectric charge during a first unit accumulation time in each of a plurality of unit frames included in the frame;
a second photodiode configured to generate second photocharges for a second unit accumulation time and generate third photocharges for a third unit accumulation time in each of the plurality of unit frames;
at least one floating diffusion node configured to receive at least one of the first photocharge, the second photocharge, and the third photocharge;
a first storage capacitor configured to receive and store the second photocharge through the at least one floating diffusion node; and
and a second storage capacitor configured to receive and store the third photocharge through the at least one floating diffusion node.
상기 제1 단위 축적 시간은, 상기 제2 단위 축적 시간 및 상기 제3 단위 축적 시간 중 적어도 하나와 중첩되는 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 8,
The first unit accumulation time includes at least a portion overlapping at least one of the second unit accumulation time and the third unit accumulation time.
상기 제2 단위 축적 시간의 길이는, 상기 제3 단위 축적 시간의 길이와 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 8,
The image sensor, characterized in that the length of the second unit accumulation time is different from the length of the third unit accumulation time.
상기 제1 단위 축적 시간은, 상기 포토 다이오드의 리셋이 해제된 시점부터 상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드가 광 전하를 수용한 시점까지의 구간에 대응하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 8,
The first unit storage time corresponds to a period from a time when the reset of the photodiode is released to a time when the at least one floating diffusion node accepts photocharges.
상기 복수의 픽셀들 각각은,
상기 프레임 이후 제1 독출 구간에서 상기 제1 광 전하를 상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 독출하고, 상기 프레임 이후 제2 독출 구간에서 상기 제1 저장 캐패시터에 저장된 상기 제2 광 전하 및 상기 제2 저장 캐패시터에 저장된 상기 제3 광 전하 중 적어도 하나를 상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 통해서 독출하도록 구성된 소스 팔로워를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 8,
Each of the plurality of pixels,
In a first read period after the frame, the first photocharges are read through the at least one floating diffusion node, and in a second read period after the frame, the second photocharges and the second photocharges stored in the first storage capacitor are read out through the at least one floating diffusion node. The image sensor of claim 1 , further comprising a source follower configured to read at least one of the third photocharges stored in a storage capacitor through the at least one floating diffusion node.
상기 복수의 픽셀들 각각은, 독출된 상기 제1 광 전하, 상기 제2 광 전하 및 상기 제3 광 전하 각각에 대응하는 검출 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그-디지털 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서The method of claim 12,
Each of the plurality of pixels further comprises an analog-to-digital converter configured to convert a detection signal corresponding to each of the read first photocharge, second photocharge, and third photocharge into a digital signal. image sensor with
상기 픽셀 어레이는, 적층된 제1 반도체 기판 및 제2 반도체 기판을 포함하고,
상기 제1 반도체 기판은, 상기 제1 포토 다이오드, 상기 제2 포토 다이오드, 상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드, 상기 제1 저장 캐패시터, 상기 제2 저장 캐패시터 및 상기 소스 팔로워를 포함하고,
상기 제2 반도체 기판은, 상기 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 13,
The pixel array includes a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate that are stacked,
The first semiconductor substrate includes the first photodiode, the second photodiode, the at least one floating diffusion node, the first storage capacitor, the second storage capacitor, and the source follower;
The second semiconductor substrate may include the analog-to-digital converter.
상기 적어도 하나의 플로팅 디퓨전 노드는,
상기 제1 포토 다이오드로부터 상기 제1 광 전하를 수용하도록 구성된 제1 플로팅 디퓨전 노드; 및
상기 제2 포토 다이오드로부터 상기 제2 광 전하 또는 제3 광 전하를 수용하도록 구성된 제2 플로팅 디퓨전 노드를 포함하고,
상기 복수의 픽셀들 각각은,
활성화시 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드 및 상기 제2 플로팅 디퓨전 노드를 연결하도록 구성되고, 상기 프레임에서 비활성화되도록 구성된 듀얼 컨버젼 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 8,
The at least one floating diffusion node,
a first floating diffusion node configured to receive the first photocharge from the first photodiode; and
a second floating diffusion node configured to receive the second or third photocharges from the second photodiode;
Each of the plurality of pixels,
The image sensor of claim 1 , further comprising a dual conversion transistor configured to connect the first floating diffusion node and the second floating diffusion node when activated, and configured to be deactivated in the frame.
상기 듀얼 컨버젼 트랜지스터는, 상기 프레임 이후 상기 제1 광 전하를 독출하는 제1 독출 구간 동안 비활성화되고, 상기 제1 독출 구간 이후 상기 제1 광 전하를 독출하는 제2 독출 구간 동안 활성화되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 15
The dual conversion transistor is deactivated during a first read period for reading the first photocharge after the frame, and activated during a second read period for reading the first photocharge after the first read period. image sensor to be.
상기 제1 저장 캐패시터에 저장된 상기 제2 광 전하는, 상기 제2 독출 구간 이후 제3 독출 구간 동안 독출되고,
상기 제2 저장 캐패시터에 저장된 상기 제3 광 전하는, 상기 제3 독출 구간 이후 제4 독출 구간 동안 독출되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 16
The second photocharges stored in the first storage capacitor are read during a third read period after the second read period;
The image sensor of claim 1 , wherein the third photocharges stored in the second storage capacitor are read during a fourth read period after the third read period.
상기 듀얼 컨버젼 트랜지스터는, 상기 제3 독출 구간 및 상기 제4 독출 구간 동안 활성화되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The method of claim 17
The dual conversion transistor is an image sensor, characterized in that activated during the third read period and the fourth read period.
상기 제1 독출 구간, 상기 제2 독출 구간, 상기 제3 독출 구간 및 상기 제4 독출 구간에서 독출된 광 전하들에 각각 대응하는 디지털 신호들에 기초하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성된 디지털 신호 처리부를 더 포함하는 이미지 센서.The method of claim 17
A digital signal processing unit configured to generate image data based on digital signals respectively corresponding to the photocharges read in the first read interval, the second read interval, the third read interval, and the fourth read interval. Including image sensor.
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