KR20140085238A - 단위 픽셀 장치 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 씨모스 이미지 센서(CIS)의 픽셀 어레이를 이루는 단위 픽셀 장치에 관한 것으로, 픽셀 출력신호(픽셀 정보)를 신호 왜곡(Distortion) 없이 전달할 수 있는 단위 픽셀 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치는, 입사광에 비례하여 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달하는 픽셀 입력/제어부; 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 따라 픽셀 출력신호의 레벨을 조절하되, 상기 픽셀 출력신호를 선형화시켜 출력하는 구동부; 및 외부로부터의 선택 제어 신호에 의해 픽셀을 선택하는 선택부를 포함할 수 있다.

Description

단위 픽셀 장치{UNIT PIXEL APPARATUS}
본 발명의 몇몇 실시예들은 씨모스 이미지 센서(CIS : CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Image Sensor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서(CIS)의 픽셀 어레이를 이루는 단위 픽셀 장치에 관한 것이다.
일반적으로 씨모스 이미지 센서(CIS)의 포토 다이오드(Photo Diode)의 출력과 리드아웃 경로(Read-out Path) 사이에는 버퍼(트랜지스터 증폭기)를 삽입하여 구현한다. 그러나 포토 다이오드의 출력과 리드아웃 경로 사이에 보편적으로 사용되는 버퍼(Buffer)는 선형적(Linear)이지 못한 입출력 특성을 가진다. 즉, 일반적으로 포토 다이오드의 출력과 리드아웃 경로 사이에 사용되는 버퍼는 비선형적인(Non-linear) 입출력 특성을 가진다.
다시 말하면, 통상적으로 포토 다이오드의 출력과 리드아웃 경로 사이에 사용되는 버퍼로는 픽셀 장치에 포함된 플로팅 디퓨전(FD : Floating Diffusion) 노드의 전압에 따라 픽셀 장치의 출력신호의 레벨을 조절하는 소스 팔로워 타입(Source Follower Type)의 트랜지스터 증폭기가 사용된다. 그러나 이러한 소스 팔로워 타입의 트랜지스터 증폭기는 바디(Body)와 소스(Source) 간의 전압에 따라 문턱 전압(Threshold Voltage)이 변하여 소스 팔로워(Source Follower)의 이득(Gain)이 일정하지 못하기 때문에, 픽셀 장치의 출력 전압이 포토 다이오드에서 출력되는 전압 범위 내(즉, 플로팅 디퓨전 노드의 전압 범위 내)에서 선형적(Linear)이지 못한 특성(즉, 비선형적인 특성)을 가진다.
이처럼 선형적이지 못한 특성을 가지는 버퍼(소스 팔로워 타입의 트랜지스터 증폭기)의 사용으로 인하여 픽셀 장치에서 신호 처리 회로(Signal Processing Circuitry)로 왜곡(Distort)된 픽셀 출력신호가 전달되는 문제점이 있다.
그에 따라, 신호 처리 회로에서는 왜곡된 픽셀 출력신호를 처리하여야 하기 때문에 이미지 프로세싱에 어려움이 발생하게 된다.
본 발명의 실시예는 픽셀 출력신호(픽셀 정보)를 신호 왜곡(Distortion) 없이 전달할 수 있는 단위 픽셀 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치는, 입사광에 비례하여 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달하는 픽셀 입력/제어부; 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 따라 픽셀 출력신호의 레벨을 조절하되, 상기 픽셀 출력신호를 선형화시켜 출력하는 구동부; 및 외부로부터의 선택 제어 신호에 의해 픽셀을 선택하는 선택부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는, 상기 광전하에 의한 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 대응되는 전류를 출력하는 제 1 구동 트랜지스터; 및 상기 제 1 구동 트랜지스터의 비선형적인 출력 전류를 인버스하여 선형화시켜 상기 픽셀 출력신호로 출력하는 제 2 구동 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 기술은, 선형적인 특성을 가지는 버퍼(Buffer)를 사용하여 픽셀 출력신호를 신호 왜곡 없이 선형적으로 신호 처리 회로에 전달할 수 있는 효과가 있다.
그에 따라, 본 기술을 적용하면 신호 처리 회로에서는 선형적인 픽셀 출력신호를 처리하기 때문에 이미지 프로세싱이 용이하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 각 단위 픽셀 장치와 신호 처리 회로까지의 리드아웃 경로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀 장치의 회로도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같아, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치(10)는 픽셀 입력/제어부(11), 구동부(12), 및 선택부(13)를 포함한다.
픽셀 입력/제어부(11)는 입사광에 비례하여 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달한다. 즉, 픽셀 입력/제어부(11)는 외부로부터 입사되는 광(빛)에 비례하여 광전하를 생성하고, 이렇게 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달한다.
구동부(12)는 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 따라 픽셀 출력신호의 레벨을 조절하되, 픽셀 출력신호를 선형화시켜 출력한다. 즉, 구동부(12)는 광전하에 의한 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 따라 픽셀 출력신호의 레벨을 조절하되, 비선형적인 소스 팔로워의 전류를 선형화시켜 픽셀 출력신호로 출력한다. 예를 들어, 선형적이지 못한 특성(즉, 비선형적인 특성)을 가지는 버퍼(Buffer)에 그 버퍼의 인버스 기능(Inverse Function)을 구현해주는 회로를 직렬로 연결함으로써, 입력(Input)과 출력(Output) 사이에 1대1의 선형 관계를 만들 수 있다. 그에 따라, 씨모스 이미지 센서(CIS)에서의 픽셀 출력신호를 신호 왜곡 없이 선형적으로 후단의 신호 처리 회로(Signal Processing Circuitry)로 전달할 수 있다.
선택부(13)는 선택 제어 신호에 의해 픽셀을 선택한다. 즉, 선택부(13)는 외부의 CIS 제어부 또는 타 칩의 제어부로부터 전달받은 선택 제어 신호에 따라 온/오프 동작을 수행하여 대응하는 픽셀을 선택한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하여 살펴보면, 픽셀 입력/제어부(11)는 포토 다이오드와 제어 스위치부를 포함한다. 예들 들어, 픽셀 입력/제어부(11)는 입사광에 비례하여 광전하를 생성하여 축적하는 포토 다이오드, 포토 다이오드에서 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(도면에 도시되지 않음), 및 플로팅 디퓨전(FD) 노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(도면에 도시되지 않음)를 포함한다. 이때, 트랜스퍼 트랜지스터와 리셋 트랜지스터는 외부의 CIS 제어부 또는 타 칩의 제어부로부터의 제어 신호에 따라 제어되며, 리셋 트랜지스터의 드레인 단자에는 전원 전압(VDDPIX)이 연결된다.
구동부(12)는 광전하에 의한 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 대응되는 전류를 출력하는 제 1 구동 트랜지스터(M0), 및 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 비선형적인 출력 전류를 선형화시켜 픽셀 출력신호로 출력하는 제 2 구동 트랜지스터(M2)(보상부)를 포함한다. 여기서, 제 2 구동 트랜지스터(M2)는 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 동일한 타입(Type)과 디멘젼(Dimension)을 가지며, 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 비선형 특성(Non-linearity)을 인버스하는 기능을 수행하여 선형적인 픽셀 출력신호를 얻을 수 있도록 한다.
다음으로, 제 1 및 제 2 구동 트랜지스터(M0, M2)에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
제 1 구동 트랜지스터(M0)는 버퍼로 사용되는 소스 팔로워 타입(Source Follower Type)의 트랜지스터로 구현할 수 있다. 그리고 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 게이트(Gate) 단자는 입력 단자로서, 플로팅 디퓨전(FD) 노드와 연결되어 있다.
그리고 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 드레인(Drain) 단자는 구동 전압(VDDA)과 연결되어 있다. 이때, 구동 전압(VDDA)은 단위 픽셀 장치(10) 내의 픽셀 입력/제어부(11)에 공급되는 전원 전압(VDDPIX)과는 서로 다른 전압 값을 가진다.
그리고 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 소스(Source) 단자는 제 1 전류원(2IB)과 직렬로 연결되어 있다. 이때, 제 1 전류원(2IB)은 I1 암페어(Ampere)의 전류를 공급하는 커런트 싱크/소스(Current Sink/Source)일 수 있다.
한편, 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 동일한 타입과 디멘젼을 가지는 제 2 구동 트랜지스터(M2)의 소스 단자를 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 소스 단자와 연결한다.
그리고 제 2 구동 트랜지스터(M2)의 게이트 단자와 드레인 단자를 서로 연결한 후 제 2 전류원(IB)과 직렬로 연결한다. 이때, 제 2 전류원(IB)은 I2 암페어의 전류를 공급하는 커런트 싱크/소스(Current Sink/Source)일 수 있다.
그리고 I2는 I1의 절반값을 가지므로 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 제 2 구동 트랜지스터(M2)에 흐르는 전류값이 동일해진다. 따라서 제 2 구동 트랜지스터(M2)의 게이트 단자와 드레인 단자가 서로 연결된 노드(A)를 출력(Output) 단자로 하여 픽셀 출력신호를 출력한다. 이때, 픽셀 출력신호는 아날로그 전압 신호일 수 있다.
이처럼, 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 제 2 구동 트랜지스터(M2)가 동일한 타입, 동일한 디멘젼을 가지고 동일한 양의 전류를 흘려보냄으로써, 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 게이트 단자와 소스 단자 사이의 비선형적인 기능(Non-linear Function)을 제 2 구동 트랜지스터(M2)의 소스 단자와 드레인/게이트 단자가 인버스(Inverse)함으로써 입력(Input)과 출력(Output) 사이에 1대1의 선형 관계가 성립한다. 즉, 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 동일한 타입 및 디멘젼을 가지는 제 2 구동 트랜지스터(M2)를 추가적으로 구비하고 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 제 2 구동 트랜지스터(M2)에 동일한 전류가 흐르도록 하여 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 문턱 전압의 변하는 값을 추적(Track)하여 인버스함으로써 입력과 출력 사이에 1대1의 선형 관계가 성립하도록 할 수 있다.
한편, 선택부(13)는 외부의 CIS 제어부 또는 타 칩의 제어부로부터의 선택 제어 신호에 따라 픽셀 선택(Pixel Selection)을 수행하는 선택 트랜지스터(M1)를 포함한다. 이때, 선택 트랜지스터(M1)는 게이트 단자로 선택 제어 신호를 입력받고, 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 제 2 구동 트랜지스터(M2)의 소스 단자가 연결된 노드(B)와 제 1 전류원(2IB)에 드레인 단자와 소스 단자가 연결되어 있다.
그리고 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 제 2 구동 트랜지스터(M2)와 선택 트랜지스터(M1)는 단위 픽셀 장치 내에 구현할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 사용되는 그라운드(Ground) 전압은 동일하게 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 각 단위 픽셀 장치와 신호 처리 회로까지의 리드아웃 경로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하여 살펴보면, 1대1 선형 관계의 시스템을 CIS에 적절하게 구현하기 위해, 제 1 구동 트랜지스터(M0)와 제 2 구동 트랜지스터(M2)와 선택 트랜지스터(M1)를 각 단위 픽셀 장치(10) 내에 각각 구비하고, 그 외의 구동 전압(VDDA), 제 1 전류원(2IB), 및 제 2 전류원(IB)을 칼럼 처리 회로(Column Processing Circuit) 내에 구비한다.
그에 따라, 각 단위 픽셀 장치(10)는 칼럼 처리 회로 측으로부터 구동 전압(VDDA)을 공급받고, 칼럼 처리 회로 측의 제 1 전류원(2IB), 및 제 2 전류원(IB)으로부터 I1 전류값과 I2 전류값을 공급받되, I2 전류값은 I1 전류값의 절반값을 가진다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀 장치의 회로도이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀 장치는, 도 2의 본 발명의 일실시예에 따른 단위 픽셀 장치보다 조금 더 정교한 인버스 기능(Inverse Function)을 구현하기 위해 I2와 동일한 전류값의 제 3 전류원(IB)을 제 1 구동 트랜지스터(M0)의 드레인 단자에 연결할 수 있으며, 그 외의 다른 구성요소 및 동작은 도 2에서 전술한 바와 동일하다. 여기서, 제 3 전류원(IB)은 I2 암페어의 전류를 공급하는 커런트 싱크/소스(Current Sink/Source)일 수 있다.
이처럼, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀 장치는, 기존에 사용되는 소스 팔로워 타입의 트랜지스터 증폭기가 바디와 소스 간의 전압에 따라 문턱 전압(Threshold Voltage)이 변하여 소스 팔로워의 이득이 일정하지 못하기 때문에 포토 다이오드에서 출력되는 전압 범위 내에서 비선형적인 특성(즉, 선형적이지 못한 특성)을 가지는 문제점을 해결하기 위하여, 문턱 전압의 변하는 값을 추적(Track)하여 인버스하는 회로(제 2 구동 트랜지스터)를 추가적으로 구비하고 동일한 전류를 사용함으로써 입력과 출력 사이에 1대1의 선형 관계가 성립하도록 할 수 있다.
전술한 본 발명의 기술은 CIS(CMOS Image Sensor) 등에 적용되어 휴대 전화, 디지털 카메라 등의 전자 제품뿐만 아니라, 병원에서 사용되는 의료 장비, 원격 제어 미사일 등의 군용 장비, 인공 위성과 우주 관측 등의 우주 산업 분야 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 단위 픽셀 장치 11 : 픽셀 입력/제어부
12 : 구동부 13 : 선택부

Claims (13)

  1. 입사광에 비례하여 생성된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달하는 픽셀 입력/제어부;
    상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 따라 픽셀 출력신호의 레벨을 조절하되, 상기 픽셀 출력신호를 선형화시켜 출력하는 구동부; 및
    외부로부터의 선택 제어 신호에 의해 픽셀을 선택하는 선택부
    를 포함하는 단위 픽셀 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 광전하에 의한 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 따라 상기 픽셀 출력신호의 레벨을 조절하되, 비선형적인 소스 팔로워의 전류를 인버스(Inverse)하여 선형화시켜 상기 픽셀 출력신호로 출력하는, 단위 픽셀 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 광전하에 의한 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드의 전압에 대응되는 전류를 출력하는 제 1 구동 트랜지스터; 및
    상기 제 1 구동 트랜지스터의 비선형적인 출력 전류를 인버스하여 선형화시켜 상기 픽셀 출력신호로 출력하는 제 2 구동 트랜지스터
    를 포함하는 단위 픽셀 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 구동 트랜지스터는, 상기 제 1 구동 트랜지스터와 동일한 타입(Type)과 디멘젼(Dimension)을 가지는, 단위 픽셀 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 구동 트랜지스터와 상기 제 2 구동 트랜지스터에 동일한 값의 전류가 흐르도록 전압 및 전류를 공급하는, 단위 픽셀 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 구동 트랜지스터와 상기 제 2 구동 트랜지스터가 동일한 타입과 디멘젼을 가지고, 상기 제 1 구동 트랜지스터와 상기 제 2 구동 트랜지스터에 동일한 값의 전류가 흐르도록 하여, 상기 제 1 구동 트랜지스터의 게이트 단자와 소스 단자 사이의 비선형적인 기능(Non-linear Function)을 상기 제 2 구동 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 및 게이트 단자가 인버스(Inverse)하여 선형화시키는, 단위 픽셀 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 구동 트랜지스터는, 소스 단자가 상기 제 1 구동 트랜지스터의 소스 단자와 연결되고, 게이트 단자와 드레인 단자가 제 1 노드에 연결되며, 상기 제 1 노드가 제 2 전류원과 직렬로 연결된, 단위 픽셀 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 노드를 출력 단자로 하여 상기 픽셀 출력신호를 출력하는, 단위 픽셀 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 구동 트랜지스터는, 게이트 단자가 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드와 연결되고, 드레인 단자가 구동 전압(VDDA)과 연결되며, 소스 단자가 제 1 전류원과 직렬로 연결된, 단위 픽셀 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 구동 전압(VDDA)은, 상기 픽셀 입력/제어부에 공급되는 전원 전압(VDDPIX)과는 다른 전압 값을 가지는, 단위 픽셀 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 구동 트랜지스터는, 게이트 단자가 상기 플로팅 디퓨전(FD) 노드와 연결되고, 드레인 단자가 제 3 전류원과 직렬로 연결되며, 소스 단자가 제 1 전류원과 직렬로 연결된, 단위 픽셀 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 3 전류원은 상기 제 1 전류원과 동일한 값의 전류를 공급하는, 단위 픽셀 장치.
  13. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 구동 트랜지스터와 상기 제 2 구동 트랜지스터에 동일한 값의 전류가 흐르도록, 상기 제 2 전류원은 상기 제 1 전류원에 비하여 절반값의 전류를 공급하는, 단위 픽셀 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102408690B1 (ko) 2021-12-01 2022-06-14 (주)에코그린 열효율 향상을 위한 건축난방 반사 단열필름 및 그 제조방법

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Patent event date: 20121227

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