KR20230102081A - Pixel with various dynamic range setting and image sensor applying the same - Google Patents
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Abstract
다양한 다이나믹 레인지 설정이 가능한 픽셀 및 이를 적용한 이미지 센서가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 픽셀은, 광이 입사되면 전자를 생성하는 PD, FD 노드를 초기화 하기 위한 리셋 스위치, FD 노드에 연결된 FD 커패시터, PD와 FD 노드를 연결하여 PD에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키기 위한 시그널 스위치, 일단이 FD 노드에 연결되고 타단이 전압 소스에 연결된 커패시터 및 FD 노드의 전압을 읽어들이는 버퍼를 포함한다. 이에 의해, 스위치 없이 커패시터 하나만을 추가하여 픽셀의 다이나믹 레인지를 아주 다양하게 설정할 수 있고, 픽셀 면적과 픽셀 간 간격을 최소화할 수 있게 되어, 궁극적으로 이미지 센서 면적 증가를 최소화할 수 있게 된다.A pixel capable of various dynamic range settings and an image sensor to which the same is applied are provided. A pixel according to an embodiment of the present invention includes a PD generating electrons when light is incident, a reset switch for initializing an FD node, an FD capacitor connected to the FD node, and electrons generated in the PD by connecting the PD and the FD node to the FD It includes a signal switch for moving to a node, a capacitor with one end connected to the FD node and the other end connected to a voltage source, and a buffer for reading the voltage of the FD node. As a result, the dynamic range of the pixel can be set in various ways by adding only one capacitor without a switch, and the pixel area and the distance between pixels can be minimized, ultimately minimizing the increase in the image sensor area.
Description
본 발명은 픽셀 설계 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 픽셀 및 이를 적용한 이미지 센서와 X-ray 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a pixel design technology, and more particularly, to a pixel that converts an optical signal into an electrical signal, and an image sensor and an X-ray detector to which the same is applied.
CIS(CMOS Image Sensor)와 X-Ray 검출기에서 픽셀은 입사되는 광을 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다. 픽셀은 수광부에 집적되는 광 신호를 전기 신호로 변환해 ROIC(ReadOut IC)를 통해 읽어낸다. 따라서 픽셀의 성능은 이미지 센서의 성능을 결정한다. 도 1에는 일반적인 CIS의 구조를 나타내었다.In CIS (CMOS Image Sensor) and X-Ray detectors, pixels play a role in converting incident light into electrical signals. The pixel converts the optical signal integrated into the light receiver into an electrical signal and reads it through the ROIC (ReadOut IC). Therefore, the performance of the pixel determines the performance of the image sensor. 1 shows the structure of a general CIS.
도 2 내지 도 4에는 대표적인 필셀들의 구조를 나타내었다. 초기에는 도 2에 제시된 바와 같이 구조가 간단하고 빠른 패시브 픽셀이 사용되었으나 축적된 전자를 스위치만을 이용하여 읽기 때문에 노이즈에 취약하다는 단점이 있다.2 to 4 show structures of representative pixels. Initially, as shown in FIG. 2, a passive pixel having a simple structure and fast was used, but has a disadvantage in that it is vulnerable to noise because accumulated electrons are read using only a switch.
이를 개선하기 위해, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 소스 팔로워(source follwer) 형태의 버퍼가 추가된 3Tr 액티브 픽셀과 4Tr 액티브 픽셀이 개발되었다. 3Tr 액티브 픽셀 대비 4Tr 액티브 픽셀은 시그널 스위치를 이용하여 리셋(RS)과 영상 신호를 단절시켜 kTC 노이즈에 둔감하여 고품질 이미지 구현이 가능하다. 따라서 최근에 생산되는 대부분의 CIS에는 4Tr 액티브 픽셀을 채택하고 있다.To improve this, as shown in FIGS. 3 and 4 , a 3Tr active pixel and a 4Tr active pixel to which a buffer in the form of a source follower is added have been developed. Compared to 3Tr active pixels, 4Tr active pixels are insensitive to kTC noise by disconnecting reset (RS) and video signals using a signal switch, enabling high-quality images to be realized. Therefore, most of the recently produced CIS adopts 4Tr active pixels.
도 5는 4Tr 액티브 픽셀의 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 4Tr 액티브 픽셀의 동작을 나타낸 도면이다. 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 4Tr 액티브 픽셀로 입력된 광 신호는 PD(PhotoDiode)를 통해 전자로 변환된다. 리셋 신호를 통해 FD(Floating Diffusion) 노드 전압을 초기화 한 후 시그널 스위치(TG)가 턴-온 되면, PD에서 생성된 전자는 FD 노드로 이동한다. FD 노드의 커패시터 Cfd로 전자가 이동되면 이동된 전자의 수만큼 전압으로 변환되는데, 이 전압을 버퍼인 소스 팔로워를 거쳐 column 라인을 통해 읽어낸다.5 is a diagram showing the structure of a 4Tr active pixel, and FIG. 6 is a diagram showing an operation of the 4Tr active pixel. 5 and 6, the optical signal input to the 4Tr active pixel is converted into electrons through a photodiode (PD). When the signal switch (TG) is turned on after initializing the FD (Floating Diffusion) node voltage through a reset signal, electrons generated in the PD move to the FD node. When electrons are moved to the capacitor C fd of the FD node, they are converted into voltages as many as the number of electrons moved. This voltage is read through the column line through the source follower, which is a buffer.
광 세기가 크거나 광 노출 시간이 증가하면 생성된 전자량이 증가하는데, 커패시터 Cfd에 저장된 전자가 증가할 경우 FD 노드 전압이 더 이상 변하지 않는 포화(Saturation) 상태가 되는데, 포화 상태가 되면 전자량이 증가하더라도 이를 측정할 수 없게 된다.When the light intensity is large or the light exposure time increases, the amount of electrons generated increases. When the number of electrons stored in the capacitor C fd increases, the FD node voltage reaches saturation, where the voltage no longer changes. Even if it increases, it becomes impossible to measure it.
광 신호를 전기 신호로 변환하는 픽셀의 주요 성능 지표 중 하나는 변환 이득(Conversion Gain, CG)이다. 변환 이득이란 광 신호에 의해 생성된 전자들 중 하나의 전자가 생성하는 전압을 의미한다. 단위는 V/e가 된다.One of the main performance indicators of a pixel that converts an optical signal into an electrical signal is a conversion gain (CG). The conversion gain refers to a voltage generated by one electron among electrons generated by an optical signal. The unit becomes V/e.
그리고 픽셀에서 측정 가능한 광 신호의 최대치와 최소치의 범위를 다이나믹 레인지(Dynamic Range, DR)라고 한다.In addition, the range of the maximum and minimum values of the light signal that can be measured in a pixel is called a dynamic range (DR).
그리고 픽셀에서 측정 가능한 광 신호의 최대치와 최소치의 범위(표현가능한 전자의 수)를 다이나믹 레인지(Dynamic Range, DR)라고 한다.And, the range of the maximum and minimum values (the number of electrons that can be expressed) of the optical signal measurable in a pixel is called a dynamic range (DR).
픽셀에서 변환 이득이 높으면 전자 1개에 대한 전압 변동폭이 크다. 따라서 적은 전자수로 포화 상태가 되어 다이나믹 레인지가 작다. 이는 낮은 조도 표현에 유리하다. 반대로 변환 이득이 낮으면 전자 1개에 대한 전압 변동폭이 작아 많은 전자수로 포화 상태가 되어 다이나믹 레인지가 넓다. 이는 높은 조도 표현에 유리하다.When the conversion gain is high in a pixel, the voltage fluctuation range for one electron is large. Therefore, it is saturated with a small number of electrons, and the dynamic range is small. This is advantageous for expressing low illumination. Conversely, if the conversion gain is low, the voltage fluctuation range for one electron is small, and the dynamic range is wide because it is saturated with a large number of electrons. This is advantageous for expressing high illuminance.
따라서 낮은 조도에서는 변환 이득을 높여 다이나믹 레인지를 낮추고 높은 조도에서는 변환 이득을 낮추어 다이나믹 레인지를 높인다.Therefore, at low illumination, the conversion gain is increased to lower the dynamic range, and at high illumination, the conversion gain is decreased to increase the dynamic range.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 최소한의 소자만을 추가하여 아주 다양하게 다이나믹 레인지를 설정할 수 있는 구조의 픽셀 및 이를 적용한 이미지 센서를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a pixel having a structure in which a dynamic range can be set in various ways by adding only a minimum number of elements, and an image sensor to which the same is applied.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 픽셀은, 광이 입사되면 전자를 생성하는 PD(PhotoDiode); FD(Floating Diffusion) 노드를 초기화 하기 위한 리셋 스위치; FD 노드에 연결된 FD 커패시터; PD와 FD 노드를 연결하여 PD에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키기 위한 시그널 스위치; 일단이 FD 노드에 연결되고 타단이 전압 소스에 연결된 커패시터; FD 노드의 전압을 읽어들이는 버퍼;를 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a pixel includes a PD (PhotoDiode) generating electrons when light is incident; A reset switch for initializing a Floating Diffusion (FD) node; FD capacitor connected to FD node; a signal switch for connecting the PD and the FD node to transfer electrons generated in the PD to the FD node; A capacitor with one end connected to the FD node and the other end connected to the voltage source; A buffer for reading the voltage of the FD node; includes.
전압 소스는, 리셋 스위치가 턴-온 된 상태에서는 커패시터의 타단에 제1 전압을 인가하고, 리셋 스위치가 턴-오프 된 이후부터 시그널 스위치가 턴-온 되기 전까지 커패시터의 타단에 제2 전압을 인가할 수 있다.The voltage source applies a first voltage to the other end of the capacitor when the reset switch is turned on, and applies a second voltage to the other end of the capacitor after the reset switch is turned off until the signal switch is turned on. can do.
FD 노드의 리셋 전압은, 커패시터의 타단에 제2 전압이 인가되면, 제2 전압 만큼 더 상승할 수 있다.The reset voltage of the FD node may further increase by the second voltage when the second voltage is applied to the other end of the capacitor.
제2 전압은, 제1 전압 보다 높을 수 있다. 제2 전압은, 다이나믹 레인지를 기초로 조정될 수 있다. 버퍼가 읽어들이는 시그널 전압의 범위는, 0V 내지 'FD 노드의 리셋 전압 + 제2 전압' 일 수 있다. 픽셀 값은, 'FD 노드의 리셋 전압 + 제2 전압'과 시그널 전압을 기초로 측정될 수 있다.The second voltage may be higher than the first voltage. The second voltage may be adjusted based on the dynamic range. The range of the signal voltage read by the buffer may be 0V to 'the reset voltage of the FD node + the second voltage'. A pixel value may be measured based on 'the reset voltage of the FD node + the second voltage' and the signal voltage.
그리고, 픽셀은, 이미지 센서 또는 방사선 검출기의 픽셀에 적용가능할 수 있다.And, the pixel may be applicable to a pixel of an image sensor or a radiation detector.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 픽셀 구동 방법은, FD 노드에 일단이 연결된 커패시터의 타단 전압을 제1 전압으로 설정하는 단계; 리셋 스위치를 턴-온 하여, FD 커패시터의 전압을 리셋 전압로 만들어 FD 노드 전압을 리셋 전압으로 초기화 하는 단계; 리셋 스위치를 턴-오프 하여, FD 노드를 플로팅 상태로 전환시키는 단계; 리셋 스위치의 턴-오프 이후 시그널 스위치가 턴-온 되기 전까지 커패시터의 타단 전압을 제2 전압으로 설정하여, FD 노드 전압을 '리셋 전압 + 제2 전압'으로 변경시키는 단계;를 포함한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a pixel driving method may include setting a voltage of the other end of a capacitor having one end connected to an FD node as a first voltage; Initializing the FD node voltage to the reset voltage by turning on the reset switch to make the voltage of the FD capacitor a reset voltage; Turning off the reset switch to convert the FD node into a floating state; Setting the voltage at the other end of the capacitor to the second voltage after the reset switch is turned off and before the signal switch is turned on to change the FD node voltage to 'reset voltage + second voltage'.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 픽셀 구동 방법은, 리셋 스위치의 턴-오프 이후 시그널 스위치가 턴-온 되기 전까지 FD 노드에 일단이 연결된 커패시터의 타단 전압을 제2 전압으로 설정하여, FD 노드 전압을 '리셋 전압 + 제2 전압'으로 변경시키는 단계; FD 노드의 전압을 변환된 리셋 전압으로 읽어들이는 단계; 시그널 스위치를 턴-온하여, PD에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키는 단계; 전자의 이동에 의해 감소된 FD 노드 전압을 시그널 전압으로 읽어들이는 단계;를 포함한다.Meanwhile, in a pixel driving method according to another embodiment of the present invention, after the reset switch is turned off and before the signal switch is turned on, the voltage of the other end of the capacitor connected to the FD node is set to the second voltage, so that the FD changing the node voltage to 'reset voltage + second voltage'; reading the voltage of the FD node as the converted reset voltage; turning on the signal switch to move electrons generated in the PD to the FD node; and reading the FD node voltage reduced by the movement of electrons as a signal voltage.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 이미지 센서는, 다수의 픽셀들;을 포함하며, 각 픽셀은, 광이 입사되면 전자를 생성하는 PD; FD 노드를 초기화 하기 위한 리셋 스위치; FD 노드에 연결된 FD 커패시터; PD와 FD 노드를 연결하여 PD에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키기 위한 시그널 스위치; 일단이 FD 노드에 연결되고 타단이 전압 소스에 연결된 커패시터; FD 노드의 전압을 읽어들이는 버퍼;를 포함한다.Meanwhile, an image sensor according to another embodiment of the present invention includes a plurality of pixels; each pixel includes a PD that generates electrons when light is incident; A reset switch for initializing the FD node; FD capacitor connected to FD node; a signal switch for connecting the PD and the FD node to transfer electrons generated in the PD to the FD node; A capacitor with one end connected to the FD node and the other end connected to the voltage source; A buffer for reading the voltage of the FD node; includes.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 추가 소자 없이 커패시터 하나만을 추가하여 픽셀의 다이나믹 레인지를 아주 다양하게 설정할 수 있어, 픽셀의 fill factor 특성을 극대화할 수 있게 된다.As described above, according to embodiments of the present invention, a dynamic range of a pixel can be set in various ways by adding only one capacitor without an additional element, so that the fill factor characteristics of the pixel can be maximized.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 설정가능한 다이나믹 레인지의 개수가 이론상 무제한이며, 이 개수를 늘임에 있어 소자가 추가되지 않는다는 점에서, 픽셀 면적과 픽셀 간 간격을 최소화할 수 있게 되어, 궁극적으로 이미지 센서 면적 증가를 최소화할 수 있게 된다.In addition, according to the embodiments of the present invention, the number of configurable dynamic ranges is theoretically unlimited, and elements are not added when increasing the number, so that the pixel area and the inter-pixel spacing can be minimized, resulting in ultimate As a result, the increase in the image sensor area can be minimized.
도 1은 일반적인 CIS의 구조
도 2는 패시브 픽셀,
도 3은 3Tr 액티브 픽셀,
도 4는 4Tr 액티브 픽셀,
도 5와 도 6은 4Tr 액티브 픽셀의 구조와 동작,
도 7은 DMC 방식의 픽셀,
도 8은 도 7에 도시된 픽셀의 변환 이득,
도 9는 도 7에 도시된 픽셀의 다이나믹 레인지,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀의 구조를 도시한 회로도,
도 11은 도 10에 도시된 픽셀의 동작 타이밍도,
도 12는 도 10에 도시된 픽셀의 변환 이득,
도 13은 도 10에 도시된 픽셀의 다이나믹 레인지이다.1 is a structure of a general CIS
2 is a passive pixel;
3 is a 3Tr active pixel;
4 is a 4Tr active pixel;
5 and 6 show the structure and operation of a 4Tr active pixel;
7 is a DMC method pixel;
8 is a conversion gain of the pixel shown in FIG. 7;
9 is a dynamic range of a pixel shown in FIG. 7;
10 is a circuit diagram showing the structure of a pixel according to an embodiment of the present invention;
11 is an operation timing diagram of a pixel shown in FIG. 10;
12 is a conversion gain of the pixel shown in FIG. 10;
FIG. 13 is a dynamic range of the pixel shown in FIG. 10 .
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
조도에 따라 다이나믹 레인지 설정을 변경하기 위한 방안으로, 도 7에 도시된 바와 같이 픽셀에 스위치 DCG와 커패시터 Cdcg를 추가하여 변환 이득(Conversion Gain, CG)을 변경하는 DMC(Dual Mode Conversion) 방식이 있다.As a method for changing the dynamic range setting according to the illuminance, as shown in FIG. 7, a DMC (Dual Mode Conversion) method is used to change the conversion gain (CG) by adding a switch DCG and a capacitor C dcg to a pixel. there is.
DMC 방식에서는 스위치 DCG을 통해 커패시터 Cdcg의 연결을 선택적으로 제어하여 변환 이득을 조정할 수 있다. 즉 스위치 DCG가 오프 상태일 경우 기존 픽셀과 동일하게 동작하지만, 스위치 DCG가 온 상태일 경우 FD 노드의 커패시터 Cfd에 커패시터 Cdcg가 병렬로 연결되어 FD 노드의 커패시턴스가 Cfd+Cdcg로 증가하게 되어 동일한 전자량 대비 전압 변화가 줄어들게 되므로, 도 8에 도시된 바와 같이 변환 이득은 감소하고, 도 9에 도시된 바와 같이 다이나믹 레인지(Dynamic Range, DR)는 증가하게 된다.In the DMC method, the conversion gain can be adjusted by selectively controlling the connection of the capacitor C dcg through the switch DCG. That is, when the switch DCG is off, it operates the same as the existing pixel, but when the switch DCG is on, the capacitor C dcg is connected in parallel to the capacitor C fd of the FD node, so the capacitance of the FD node increases to C fd +C dcg . As a result, the change in voltage relative to the same amount of electrons is reduced, so the conversion gain decreases as shown in FIG. 8, and the dynamic range (DR) increases as shown in FIG. 9.
DMC 방식은 스위치 DCG의 온/오프를 통해 커패시터 Cdcg를 연결/분리한다. 이 방식을 통해 다수의 변환 이득을 설정가능하게 하려면 원하는 변환 이득 수 만큼의 스위치와 커패시터가 필요하다. 즉, N개 변환 이득을 구현하고자 한다면, N개의 스위치와 커패시터가 필요한 것이다.The DMC method connects/disconnects the capacitor C dcg by turning on/off the switch DCG. In order to set multiple conversion gains through this method, as many switches and capacitors as desired conversion gains are required. In other words, if you want to implement N conversion gains, you need N switches and capacitors.
하지만, 이미지 센서는 제한된 면적에 다수의 픽셀을 배치하여야 하는데, 픽셀 레이아웃 구현시 스위치들과 커패시터들로 인해 픽셀 면적이 증가하여 궁극적으로 이미지 센서의 픽셀 수를 감소시킬 수 밖에 없다.However, the image sensor needs to arrange a large number of pixels in a limited area, and when implementing the pixel layout, the pixel area increases due to switches and capacitors, ultimately reducing the number of pixels of the image sensor.
따라서 다수의 변환 이득을 위해 다수의 스위치들과 커패시터들을 픽셀 내에 추가하는 것은 현실적으로 불가능하다. 또한 제어를 위한 신호선의 추가도 이미지 센서의 면적을 증가시키게 된다.Therefore, it is practically impossible to add multiple switches and capacitors into a pixel for multiple conversion gains. In addition, the addition of a signal line for control also increases the area of the image sensor.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 다수의 스위치, 다수의 커패시터 및 다수의 제어 신호선 없이도 최소한의 수동소자만을 추가하여 다수의 변환 이득 구현을 가능하게 함으로써 다수의 다이나믹 레인지 설정이 가능한 픽셀을 제시한다.Accordingly, the embodiment of the present invention provides a pixel capable of setting a plurality of dynamic ranges by enabling a plurality of conversion gains to be implemented by adding a minimum of passive elements without a plurality of switches, a plurality of capacitors, and a plurality of control signal lines.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀의 구조를 도시한 회로도이다. 본 발명의 실시예에 따른 픽셀은, 도시된 바와 같이, PD(PhotoDiode)(110), 리셋 스위치(120), 시그널 스위치(130), FD(Floating Diffusion) 커패시터(140), DCG(Dynamic Conversion Gain) 커패시터(150) 및 버퍼(160)를 포함하여 구성된다.10 is a circuit diagram showing the structure of a pixel according to an embodiment of the present invention. As shown, a pixel according to an embodiment of the present invention includes a photodiode (PD) 110, a
PD(110)는 광이 입사되면 전자를 생성하는 광전소자이다. 리셋 스위치(120)는 FD 노드의 전압을 초기 전압으로 초기화 하기 위한 스위치이다. 시그널 스위치(130)는 PD(110)와 FD 노드를 연결하여 PD(110)에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키기 위한 스위치이다.The
DCG 커패시터(150)는 상단은 FD 노드에 연결되고 하단은 전압 소스(미도시)에 연결되어 있다. DCG 커패시터(150)에 의해, 보다 구체적으로, 전압 소스에 의한 DCG 커패시터(150)의 타단 전압 조정(변경)을 통해, 변환 이득을 조정(변경)하여 픽셀의 다이나믹 레인지를 조정(변경)할 수 있다.The
버퍼(160)는 FD 노드의 전압을 읽어들이는 수단으로 소스 팔로워(source follwer)로 구현한다.The
본 발명의 실시예에 따른 픽셀의 동작에 대해, 이하에서 도 11을 참조하여 상세히 설명한다. 도 11은 도 10에 도시된 픽셀의 동작 타이밍도이다.An operation of a pixel according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 11 below. FIG. 11 is an operation timing diagram of a pixel shown in FIG. 10 .
1) 먼저 전압 소스가 DCG 커패시터(150)의 하단 전압(Vc)을 0V로 설정한다.1) First, the voltage source sets the lower voltage (Vc) of the
2) 이후 리셋 스위치(120)를 턴-온 하여 FD 커패시터(140)의 전압을 VRST(리셋 전압)로 만들어, FD 노드 전압을 VRST(리셋 전압)로 초기화 한다.2) Then, the
3) 다음 리셋 스위치(120)를 턴-오프 하여, FD 노드를 플로팅 상태로 전환시킨다.3) Next, the
4) 다음 리셋 스위치(120)의 턴-오프 이후 시그널 스위치(130)가 턴-온 되기 전까지 전압 소스는 DCG 커패시터(150)의 하단 전압(Vc)을 2V로 설정하여, FD 노드 전압을 'VRST + 2V'로 만든다. FD 노드가 플로팅 상태이므로 DCG 커패시터(150)의 양단 전압인 2V 만큼 상승하는 것이다. 'VRST + 2V'는 변환된 리셋 전압으로 볼 수 있다.4) After the next turn-off of the
5) 버퍼(160)는 FD 노드의 전압을 변환된 리셋 전압으로 읽어들인다.5) The
6) 다음 시그널 스위치(130)를 턴-온하여, PD(110)에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시킨다. 전자가 PD(110)에서 FD 노드로 이동함에 따라 FD 노드 전압은 이동된 전자량 만큼 감소하게 된다.6) Next, the signal switch 130 is turned on to move electrons generated in the
7) 버퍼(160)는 전자의 이동에 의해 감소된 FD 노드 전압을 시그널 전압으로 읽어들인다. 버퍼(160)가 읽어들이는 시그널 전압의 범위는 '0V' 내지 'VRST + 2V' 이다.7) The
8) '5)'에서 읽어들인 변환된 리셋 전압과 '7)'에서 읽어들인 시그널 전압을 기초로 광량을 측정하여, 픽셀 값, 즉, 영상 신호를 생성한다.8) Based on the converted reset voltage read in '5)' and the signal voltage read in '7)', the amount of light is measured to generate a pixel value, that is, an image signal.
위 '1)'과 '4)'에서 언급한 DCG 커패시터(150)의 하단 전압(Vc)인 0V와 2V는 설명의 편의를 위한 예시이다. 0V와 2V는 다른 전압으로 바꿀 수 있다. 특히, '4)'에서 설정하는 DCG 커패시터(150)의 하단 전압(Vc)인 2V는 변환 이득과 다이나믹 레인지를 결정하는 값이므로, 원하는 변환 이득과 다이나믹 레인지에 따라 적응적으로 설정 가능하다.0V and 2V, which are the lower voltages (Vc) of the
그리고, DCG 커패시터(150)의 하단 전압(Vc)은 아날로그 값이기 때문에 설정 가능한 다이나믹 레인지의 개수는 이론상으로 무제한이므로, 아주 다양한 다이나믹 레인지 설정이 가능하다. 또한, Vc 전압 범위도 매우 크게 할 수 있는데, FD 노드 전압을 공급 전압 이상으로도 설정할 수도 있다는 점에서도, 다양한 다이나믹 레인지 설정을 가능하게 한다.Also, since the lower voltage Vc of the
본 발명의 실시예에 따른 픽셀에서 DCG 커패시터(150)의 하단 전압(Vc)에 의한 변환 이득의 변화를 도 12에 나타내었고 픽셀 다이나믹 레인지의 변화를 도 13에 나타내었다.In a pixel according to an embodiment of the present invention, a change in conversion gain due to a lower voltage Vc of the
도 12와 도 13을, DMC 방식의 변환 이득과 다이나믹 레인지를 나타낸 도 8과 도 9와 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀에서는 전압 기울기를 조정(변경)하는 것이 아닌 전압의 초기 값(리셋 전압)을 조정(변경)하여 다이나믹 레인지를 조정(변경)하는 것임을 알 수 있다.As can be seen by comparing FIGS. 12 and 13 with FIGS. 8 and 9 showing the conversion gain and dynamic range of the DMC method, the voltage slope is not adjusted (changed) in the pixel according to the embodiment of the present invention. It can be seen that the dynamic range is adjusted (changed) by adjusting (changing) the initial value of the voltage (reset voltage).
지금까지, 다양한 다이나믹 레인지 설정이 가능한 픽셀에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.So far, pixels capable of setting various dynamic ranges have been described in detail with reference to preferred embodiments.
위 실시에에서는 다수의 스위치, 다수의 커패시터 및 다수의 제어 신호선 없이, 하나의 커패시터와 하나의 전원선만을 추가하여 다수의 변환 이득 구현이 가능하여, 다수의 다이나믹 레인지 설정이 가능한 픽셀을 제시하였다.In the above embodiment, a plurality of conversion gains can be realized by adding only one capacitor and one power line without a plurality of switches, capacitors, and a plurality of control signal lines, and thus a pixel capable of setting a plurality of dynamic ranges is presented.
본 발명의 실시예에 따른 픽셀은, 기존 DMC 방식의 픽셀 대비 픽셀 내 소자수를 최소화 하여 fill factor가 높다.The pixel according to the embodiment of the present invention has a high fill factor by minimizing the number of elements in the pixel compared to pixels of the conventional DMC method.
또한 기존 DMC 방식의 픽셀은 듀얼 게인 제어 단자를 이용 고정된(이미 정해진) 변환 이득만이 가능할 뿐이며, 변환 이득을 다수 경우로 구현할 경우 스위치와 커패시터가 변환 이득 수에 비례해서 증가하고, 이들을 제어하기 위한 제어선들이 추가되어 이로 인한 픽셀 사이즈 및 픽셀 간 간격 증가로 이미지 센서의 칩 면적이 증가하지만, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀은 이러한 문제가 발생하지 않는다.In addition, pixels of the existing DMC method can only have a fixed (pre-determined) conversion gain using a dual gain control terminal, and when the conversion gain is implemented in multiple cases, switches and capacitors increase in proportion to the number of conversion gains, and it is difficult to control them. Although the chip area of the image sensor increases due to the increase in pixel size and inter-pixel spacing due to the addition of control lines for the control lines, the pixel according to the exemplary embodiment of the present invention does not have this problem.
본 발명의 실시예에 따른 픽셀은 이미지 센서와 X-Ray 검출기는 물론, 광전 변환이 필요한 모든 소자와 장치에 적용될 수 있다.Pixels according to embodiments of the present invention may be applied to image sensors and X-ray detectors as well as all elements and devices requiring photoelectric conversion.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
110 : PD(PhotoDiode)
120 : 리셋 스위치
130 : 시그널 스위치
140 : FD(Floating Diffusion) 커패시터
150 : DCG(Dynamic Conversion Gain) 커패시터
160 : 버퍼110: PD (Photodiode)
120: reset switch
130: signal switch
140: FD (Floating Diffusion) capacitor
150: DCG (Dynamic Conversion Gain) capacitor
160: buffer
Claims (12)
FD(Floating Diffusion) 노드를 초기화 하기 위한 리셋 스위치;
FD 노드에 연결된 FD 커패시터;
PD와 FD 노드를 연결하여 PD에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키기 위한 시그널 스위치;
일단이 FD 노드에 연결되고 타단이 전압 소스에 연결된 커패시터;
FD 노드의 전압을 읽어들이는 버퍼;를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀.
PD (PhotoDiode) that generates electrons when light is incident;
A reset switch for initializing a Floating Diffusion (FD) node;
FD capacitor connected to FD node;
a signal switch for connecting the PD and the FD node to transfer electrons generated in the PD to the FD node;
A capacitor with one end connected to the FD node and the other end connected to the voltage source;
A pixel characterized in that it comprises; a buffer for reading the voltage of the FD node.
전압 소스는,
리셋 스위치가 턴-온 된 상태에서는 커패시터의 타단에 제1 전압을 인가하고,
리셋 스위치가 턴-오프 된 이후부터 시그널 스위치가 턴-온 되기 전까지 커패시터의 타단에 제2 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 1,
voltage source,
When the reset switch is turned on, a first voltage is applied to the other terminal of the capacitor,
A pixel characterized in that a second voltage is applied to the other terminal of the capacitor after the reset switch is turned off until the signal switch is turned on.
FD 노드의 리셋 전압은,
커패시터의 타단에 제2 전압이 인가되면, 제2 전압 만큼 더 상승하는 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 2,
The reset voltage of the FD node is
A pixel characterized in that when the second voltage is applied to the other end of the capacitor, it is further increased by the second voltage.
제2 전압은,
제1 전압 보다 높은 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 3,
The second voltage is
A pixel characterized in that it is higher than the first voltage.
제2 전압은,
다이나믹 레인지를 기초로 조정되는 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 4,
The second voltage is
A pixel characterized in that it is adjusted based on dynamic range.
제1 전압은,
0V인 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 4,
The first voltage is
A pixel characterized by being 0V.
버퍼가 읽어들이는 시그널 전압의 범위는,
0V 내지 'FD 노드의 리셋 전압 + 제2 전압' 인 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 6,
The range of signal voltages read by the buffer is
A pixel characterized in that 0V to 'the reset voltage of the FD node + the second voltage'.
픽셀 값은,
'FD 노드의 리셋 전압 + 제2 전압'과 시그널 전압을 기초로 측정되는 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 3,
The pixel value is
A pixel characterized in that it is measured based on the 'reset voltage of the FD node + the second voltage' and the signal voltage.
픽셀은,
이미지 센서 또는 방사선 검출기의 픽셀에 적용가능한 것을 특징으로 하는 픽셀.
The method of claim 1,
pixel is,
A pixel characterized by being applicable to a pixel of an image sensor or radiation detector.
리셋 스위치를 턴-온 하여, FD 커패시터의 전압을 리셋 전압로 만들어 FD 노드 전압을 리셋 전압으로 초기화 하는 단계;
리셋 스위치를 턴-오프 하여, FD 노드를 플로팅 상태로 전환시키는 단계;
리셋 스위치의 턴-오프 이후 시그널 스위치가 턴-온 되기 전까지 커패시터의 타단 전압을 제2 전압으로 설정하여, FD 노드 전압을 '리셋 전압 + 제2 전압'으로 변경시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동 방법.
Setting a voltage of the other end of a capacitor having one end connected to a floating diffusion (FD) node as a first voltage;
Initializing the FD node voltage to the reset voltage by turning on the reset switch to make the voltage of the FD capacitor a reset voltage;
Turning off the reset switch to convert the FD node into a floating state;
Setting the voltage at the other end of the capacitor to the second voltage after the reset switch is turned off and before the signal switch is turned on, thereby changing the FD node voltage to 'reset voltage + second voltage'. How to drive a pixel.
FD 노드의 전압을 변환된 리셋 전압으로 읽어들이는 단계;
시그널 스위치를 턴-온하여, PD(PhotoDiode)에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키는 단계;
전자의 이동에 의해 감소된 FD 노드 전압을 시그널 전압으로 읽어들이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 구동 방법.
After the reset switch is turned off, the other end voltage of the capacitor whose one end is connected to the FD (Floating Diffusion) node is set to the second voltage until the signal switch is turned on, and the FD node voltage is set to 'reset voltage + second voltage'changing;
reading the voltage of the FD node as the converted reset voltage;
turning on a signal switch to move electrons generated in a photodiode (PD) to an FD node;
A pixel driving method comprising the steps of reading the FD node voltage reduced by the movement of electrons as a signal voltage.
각 픽셀은,
광이 입사되면 전자를 생성하는 PD(PhotoDiode);
FD(Floating Diffusion) 노드를 초기화 하기 위한 리셋 스위치;
FD 노드에 연결된 FD 커패시터;
PD와 FD 노드를 연결하여 PD에 생성된 전자를 FD 노드로 이동시키기 위한 시그널 스위치;
일단이 FD 노드에 연결되고 타단이 전압 소스에 연결된 커패시터;
FD 노드의 전압을 읽어들이는 버퍼;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
A plurality of pixels; including,
each pixel,
PD (PhotoDiode) that generates electrons when light is incident;
A reset switch for initializing a Floating Diffusion (FD) node;
FD capacitor connected to FD node;
a signal switch for connecting the PD and the FD node to transfer electrons generated in the PD to the FD node;
A capacitor with one end connected to the FD node and the other end connected to the voltage source;
An image sensor comprising a; buffer for reading the voltage of the FD node.
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