KR100640603B1 - Improved solid state image sensing device and driving method for averaging sub-sampled analog signals - Google Patents
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Abstract
서브 샘플링된 아날로그 신호를 평균화하는 개선된 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법이 개시된다. 상기 고체 촬상 소자에서는, 정지영상의 촬상 때에는 평균화를 위한 스위치가 오프된 상태에서 픽셀 컬럼마다 개별 영상신호를 입력받아 CDS 방식으로 디지털 변환하고, 동영상의 촬상 때에는 온된 상기 스위치에 의하여 동색 컬럼의 영상신호들의 평균화된 영상신호를 해당 CDS 회로들 중 어느 하나를 통하여 디지털 변환한다.An improved solid-state imaging device and its driving method for averaging subsampled analog signals are disclosed. In the solid-state imaging device, when capturing a still image, the individual image signal is inputted to each pixel column in a state where the switch for averaging is turned off, and the digital conversion is performed by the CDS method. Digitally convert the averaged video signal through one of the corresponding CDS circuits.
Description
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In order to better understand the drawings cited in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.
도 1은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a general CIS type solid-state imaging device.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자를 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing a CIS type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 APS 어레이의 픽셀 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a pixel structure of the APS array of FIG. 2.
도 4는 도 2의 고체 촬상 소자의 동작 설명을 위한 흐름도이다.4 is a flowchart for describing an operation of the solid-state imaging device of FIG. 2.
도 5는 픽셀 회로와 아날로그 평균화 회로를 나타내는 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a pixel circuit and an analog averaging circuit.
도 6은 정지 영상 구동 모드에서의 도 5의 회로의 동작 설명을 위한 타이밍도이다.6 is a timing diagram for describing an operation of a circuit of FIG. 5 in a still image driving mode.
도 7은 동영상 구동 모드에서의 도 5의 회로의 동작 설명을 위한 타이밍도이다.7 is a timing diagram for describing an operation of a circuit of FIG. 5 in a video driving mode.
도 8은 광소자의 빛 축적 시간을 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining the light accumulation time of the optical device.
도 9는 정지영상 모드에서 아날로그 평균화 회로 출력을 설명하기 위한 커패 시터 모델이다.9 is a capacitor model for explaining the analog averaging circuit output in the still image mode.
도 10은 동영상 모드에서 아날로그 평균화 회로 출력을 설명하기 위한 커패시터 모델이다.10 is a capacitor model for explaining the analog averaging circuit output in the video mode.
도 11은 영상신호의 크기에 따른 아날로그 평균화 회로의 출력 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.11 is a view for explaining the output timing of the analog averaging circuit according to the magnitude of the video signal.
도 12는 도 2의 디지털 신호 출력 회로의 구체적인 블록도이다.FIG. 12 is a detailed block diagram of the digital signal output circuit of FIG. 2.
도 13은 도 2의 아날로그 평균화 회로의 다른 실시예이다.FIG. 13 is another embodiment of the analog averaging circuit of FIG. 2.
도 14는 도 13의 CDS 회로들의 구체적인 도면이다.FIG. 14 is a detailed diagram of the CDS circuits of FIG. 13.
도 15는 도 14 회로의 동작 설명을 위한 타이밍도이다.FIG. 15 is a timing diagram for describing an operation of the circuit of FIG. 14.
도 16은 도 13의 아날로그 평균화 회로를 일반화시킨 도면이다.16 is a diagram generalizing the analog averaging circuit of FIG. 13.
도 17은 도 16의 각각의 CDS 회로의 구체적인 도면이다.FIG. 17 is a detailed diagram of each CDS circuit of FIG. 16.
본 발명은 고체 촬상 소자(solid state image sensing device)에 관한 것으로, 특히 CIS(CMOS Image Sensor) 형 고체 촬상 소자의 동영상(moving picture) 구현에 필요한 서브 샘플링된 아날로그 신호를 평균화하는 회로 및 상기 고체 촬상 소자의 구동 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
고체 촬상 소자는 크게 두 가지 방식이 있다. 즉, CIS 형 또는 CCD(Charge-Coupled Device) 형으로 분류된다. CIS 형은 CCD 형에 비해 저전압 동작이 가능하 고 소비전력이 작으며, 표준 CMOS(complimentary metal-oxide-semiconductor) 공정을 사용하고, 집적화에 유리한 장점으로 인해 CCD 형을 대체하여 현재 많은 분야에서 사용되고 있다. There are two types of solid-state imaging devices. That is, it is classified into a CIS type or a Charge-Coupled Device (CCD) type. Compared with CCD type, CIS type has lower voltage operation, lower power consumption, uses standard CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) process, and has advantages in integration. have.
CIS형 고체 촬상 소자는 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하여, 디지털 신호 처리부로 전송한다. 디지털 신호 처리부는 고체 촬상 소자에서 출력되는 컬러 이미지 데이터(R, G, B 데이터)를 신호 처리하여 LCD(liquid crystal display)와 같은 디스플레이 장치를 구동한다. 특히, CIS형 고체 촬상 소자를 적용하는 시스템에서, 고체 촬상 소자의 서브 샘플링 모드(sub-sampling mode) 구동은 수직 해상도를 낮추어 영상신호를 출력하는 모드이다. 이러한 서브 샘플링 모드는 동영상 디스플레이 단계, 촬상 하고자 하는 영상을 촬상하기 전에 미리 확인하는 프리뷰(preview) 단계, 또는 자동 촛점(focus) 설정 단계 등 고해상도로 디스플레이 할 필요없는 단계에서 높은 프레임 레이트(frame rate) 지원을 위하여 수행된다. The CIS-type solid-state imaging device is mounted on a mobile phone camera, a digital still camera, or the like, and captures an image developed in a field of view, converts the image into an electrical signal, and transmits it to a digital signal processor. The digital signal processing unit processes color image data (R, G, B data) output from the solid state image pickup device to drive a display device such as a liquid crystal display (LCD). In particular, in a system employing a CIS-type solid-state imaging device, the sub-sampling mode driving of the solid-state imaging device is a mode for outputting an image signal by lowering the vertical resolution. This subsampling mode has a high frame rate in a stage that does not need to be displayed at high resolution, such as a video display step, a preview step for confirming before capturing an image to be captured, or an auto focus setting step. It is carried out for support.
도 1은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자(100)를 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자(100)는 APS(active pixel sensor) 어레이(110), 로우(row) 드라이버(120), 및 아날로그-디지털 변환부(ADC: analog-digital converter)(130)를 구비한다. 로우 드라이버(120)는 로우 디코더(미도시)에서 제어 신호를 받고, 아날로그-디지털 변환부(130)는 컬럼(column) 디코더(미도시)에서 제어 신호를 받는다. 이외에 상기 고체 촬상 소자(100)는 전반적인 타이밍 제어 신호들과 각 픽셀의 선택 및 감지된 영상신호의 출력을 위한 어드레싱(addressing) 신호들을 생성하는 콘트롤부(미도시)를 구비한다. 통상적으로 칼라 고체 촬상 소자(100)인 경우에, APS 어레이(110)를 이루는 각 픽셀 상부에 특정 컬러의 빛만 받아들이도록 컬러 필터(color filter)를 설치하는데, 색 신호를 구성하기 위하여 적어도 3 가지 종류의 컬러 필터를 배치한다. 가장 일반적인 컬러 필터 어레이는 한 행에 R(red), G(green) 2 가지 컬러의 패턴, 및 다른 행에 G(green), B(blue) 2 가지 컬러의 패턴이 반복적으로 배치되는 베이어(Bayer) 패턴을 가진다. 이때, 휘도 신호와 밀접한 관련이 있는 G(green)는 모든 행에 배치되고, R(red) 컬러, B(blue) 컬러는 각 행마다 엇갈리게 배치되어 휘도 해상도를 높인다. 디지털 스틸 카메라 등에는 해상도를 높이기 위하여 100만 픽셀 이상의 많은 픽셀을 배열한 CIS가 적용되어 있다.1 is a block diagram showing a general CIS type solid-
이와 같은 픽셀 구조를 가지는 CIS형 고체 촬상 소자(100)에서, 상기 APS 어레이(110)는 광소자(photodiode)를 이용하여 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하여 영상신호를 생성한다. 상기 APS 어레이(110)에서 출력되는 영상신호는 R(red), G(green), B(blue) 3색의 아날로그 신호이다. 아날로그-디지털 변환부(130)는 상기 픽셀 어레이(110)에서 출력되는 아날로그 영상신호를 받아 디지털 신호로 변환한다. In the CIS type solid-
도 1과 같은 일반적인 CIS형 고체 촬상 소자(100)에서, 광소자에서 감지된 영상신호를 아날로그-디지털 변환부(130)에서 디지털 신호로 변환할 때, CDS(correlated double sampling) 방식을 이용한다. 이와 같은 구동 방식에 대하여 는 미국 특허, "USP5,982,318", 또는 "USP6,067,113" 등에 잘 나타나 있다. CDS 방식의 아날로그-디지털 변환에서는 기본적으로 픽셀 어레이(110)에서 리셋신호를 받은 후, 광소자에서 감지된 영상신호를 받아 디지털 신호로 변환하는 두 단계로 구분된다. 광소자에서 소정 주기로 빛을 새로이 감지할 때마다, 광소자가 새로이 감지된 영상신호를 아날로그-디지털 변환부(130)로 출력하기 전에, 픽셀 어레이(110)는 아날로그-디지털 변환부(130)로 리셋신호를 출력한다. 아날로그-디지털 변환부(130)는 리셋신호를 받아 리셋한 후에, 광소자로부터 입력받는 영상신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 디지털 신호 처리부로 출력되어 소정 보간(interpolation) 처리된다. 또한, 후속하는 디지털 신호 처리부는 LCD와 같은 디스플레이 장치의 해당 해상도에 적합한 구동 신호들을 생성하여, 디스플레이 장치를 구동한다.In the general CIS type solid-
이와 같은 종래의 CIS형 고체 촬상 소자에서, 정지 영상을 촬상할 때에는 APS 어레이(110)의 광소자들에서 감지된 모든 픽셀의 영상신호를 출력한다. 그러나, 서브 샘플링 모드일 때에는, 수직 해상도를 낮추어 영상신호를 출력한다. 예를 들어, APS 어레이(110)가 SXGA(Super Extended Graphics Adapter) 급 해상도를 가지는 CIS형 고체 촬상 소자(100)의 경우에, 정지 영상의 촬상 시에는 SXGA 급으로 영상신호를 출력하지만, 동영상 디스플레이, 프리뷰(preview) 단계, 또는 자동 초점 설정 단계 등 서브 샘플링 모드 동작에서는 VGA(Video Graphics Adapter) 급으로 영상신호를 출력한다. 참고적으로, SXGA 급 해상도의 픽셀수는 1280*1024이고, VGA급 해상도의 픽셀수는 640*480이다. 또한, APS 어레이(110)가 UXGA(Ultra Extended Graphics Adapter)급 해상도를 가지는 CIS형 고체 촬상 소자(100)의 경우에도, 서브 샘플링 모드 동작에서 VGA급 해상도 이하로 영상신호를 출력하여 처리되는 데이터 량을 줄인다. 참고적으로, UXGA 급 해상도의 픽셀수는 1600*1200이다. In the conventional CIS type solid-state imaging device as described above, when imaging still images, image signals of all pixels detected by photons of the
이와 같은 종래의 CIS형 고체 촬상 소자(100)의 서브 샘플링 모드에서는, 서브 샘플링을 위하여 일정 간격으로 떨어져 있는 특정 행(row) 및 열(column)의 영상신호만을 아날로그-디지털 변환부(130)로 출력시킴으로써 수직 해상도를 낮춘다. 위의 예에서, SXGA 급 해상도를 VGA 급 해상도로 낮추기 위하여, 2 행 및 2 열에 해당하는 픽셀 데이터들 중에서 하나의 행 및 하나의 열에서 교차되는 하나의 데이터만 선택하고 나머지는 제거하여, 해상도 1/2 축소 모드로 동작시킨다. 마찬가지로, 더 많은 행 및 열에 해당하는 데이터 중에서 하나의 행 및 하나의 열에 해당하는 데이터만 선택되도록 하면, 해상도를 더 축소시킬 수 있고, 이에 따라 처리되는 데이터 량을 더 줄일 수 있다.In the sub-sampling mode of the conventional CIS type solid-
그러나, 이와 같은 종래의 CIS형 고체 촬상 소자(100)의 서브 샘플링 모드에서, 이용되지 않고 버려지는 데이터가 존재하므로, 디스플레이 상에서 사선 부분이 부드럽게 연결되지 못하고 지그재그(zigzag) 형태로 나타나는 엘리어싱(aliasing) 노이즈를 야기시킨다. 이러한 왜곡을 없애기 위해서는 일정한 범위의 영상신호들을 평균하여 출력하는 방법이 있다. 즉, 픽셀에서 감지된 영상 신호가 아날로그-디지털 변환부(130)로 출력되기 전에 일정한 범위의 영상신호들을 아날로그적으로 평균화하는 방법과, 아날로그-디지털 변환부(130)로부터 출력되는 해당 디지털 신호들을 평균화하는 방법이 있다. 그러나, 이와 같은 디지털적인 평균화는 큰 용량의 메 모리를 필요로하므로 칩 면적을 증가시키고, 소비 전력을 증가시키므로, 적용하기어려운 문제점이 있다. 또한, 도 1과 같은 구조에서, 픽셀에서 감지된 영상 신호에 대하여 아날로그적으로 평균화시키기 위해서는, 한 컬럼 당 리셋신호 및 영상신호 각각을 위한 2개의 큰 커패시터(capacitor)가 더 요구되므로 칩 면적의 증가로 소형 모바일 응용 제품에 적용하기 어렵다.However, in the sub-sampling mode of the conventional CIS-type solid-
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 큰 커패시터 없이도 픽셀에서 출력되는 영상신호들을 아날로그적으로 평균화하여 동영상을 위한 서브 샘플링 모드를 구동함으로써, 칩 면적 및 소비 전력에서 효율적으로 동작하는 고체 촬상 소자를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention provides a solid-state imaging device that operates efficiently in a chip area and power consumption by driving a subsampling mode for video by analogizing a video signal output from a pixel without a large capacitor. To provide.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는, 상기 고체 촬상 소자의 서브 샘플링 모드 구동 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a subsampling mode driving method of the solid-state imaging device.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는, APS(active pixel sensor) 어레이, 평균화 회로, 및 디지털 신호 출력 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 APS 어레이는 2차원 행렬형태로 픽셀들이 배열되어 있고, 서브 샘플링 모드 구동 시 선택된 행에서, 한 컬럼 간격을 가지는 2개의 픽셀들 각각이 제1 리셋신호와 제1 영상신호, 및 제2 리셋신호와 제2 영상신호를 생성하여 출력한다. 상기 평균화 회로는 상기 서브 샘플링 모드 구동에서, 상기 제1 리셋신호 및 상기 제2 리셋신호의 평균을 반영한 신호를 증폭기 입력 신호로 하고, 상기 증폭기 입력 신호에 상기 제1 영상신호 및 상기 제2 영상신호를 반영시켜 상기 제1 리셋신호와 상기 제1 영상신호의 차이 및 상기 제2 리셋신호와 상기 제2 영상신호의 차이에 대한 평균에 대응하는 신호를 생성하여, 그 신호를 펄스 폭 신호로 변조한다. 상기 디지털 신호 출력 회로는 상기 펄스 폭 신호의 논리 상태 변동 시점에 따라 서로 다른 디지털 값을 가지는 디지털 신호를 생성한다. 상기 평균화 회로는, 소정 증폭기를 가지며, 각 컬럼에 구비된 CDS(correlated double sampling) 회로들; 및 상기 서브 샘플링 모드 구동에서, 한 컬럼 간격을 가지는 2개의 상기 소정 증폭기들의 입력단들을 단락시키는 스위치를 구비하고, 상기 증폭기 입력 신호는 상기 단락된 입력단들에서 생성되는 것을 특징으로 한다. 한 컬럼 간격을 가지는 2개의 상기 소정 증폭기들 중 어느 하나를 구비하는 해당 하나의 CDS 회로만, 상기 제1 리셋신호와 상기 제1 영상신호의 차이 및 상기 제2 리셋신호와 상기 제2 영상신호의 차이에 대한 평균에 대응하는 신호와, 기준 전압을 비교하여 상기 펄스 폭 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.A solid-state imaging device according to the present invention for achieving the above technical problem is characterized by comprising an APS (active pixel sensor) array, an averaging circuit, and a digital signal output circuit. In the APS array, pixels are arranged in a two-dimensional matrix, and in the selected row when the subsampling mode is driven, each of the two pixels having one column interval includes a first reset signal, a first image signal, and a second reset signal. And generate and output a second video signal. In the sub-sampling mode driving, the averaging circuit uses a signal reflecting an average of the first reset signal and the second reset signal as an amplifier input signal, and the first image signal and the second video signal in response to the amplifier input signal. To generate a signal corresponding to an average of the difference between the first reset signal and the first video signal and the difference between the second reset signal and the second video signal, and modulate the signal into a pulse width signal. . The digital signal output circuit generates a digital signal having a different digital value according to a logic state variation time point of the pulse width signal. The averaging circuit includes a correlated double sampling (CDS) circuit having a predetermined amplifier and provided in each column; And a switch for shorting the input terminals of the two predetermined amplifiers having one column interval in the sub-sampling mode driving, wherein the amplifier input signal is generated at the shorted input terminals. Only one CDS circuit having any one of the two predetermined amplifiers having a column spacing, and the difference between the first reset signal and the first video signal and between the second reset signal and the second video signal. The pulse width signal is generated by comparing the signal corresponding to the average of the difference with the reference voltage.
상기 서브 샘플링 모드 구동은, 동영상 구동인 것을 특징으로 한다. 상기 스위치는, 정지영상 구동 시에 오픈되고, 상기 CDS 회로들은 정지영상 구동 시에 각 컬럼의 해당 픽셀에서 생성된 리셋신호와 영상신호의 차이에 대응하는 신호를 생성하여, 그 신호의 크기에 비례하는 펄스 폭을 가지는 신호로 변조하여 출력하는 것을 특징으로 한다. 상기 펄스 폭 신호는, 상기 제1 리셋신호와 상기 제1 영상신호의 차이 및 상기 제2 리셋신호와 상기 제2 영상신호의 차이에 대한 평균에 대응하는 신호의 크기에 비례하는 것을 특징으로 한다. The sub-sampling mode drive is a video drive. The switch is opened when driving a still image, and the CDS circuits generate a signal corresponding to a difference between a reset signal and a video signal generated at a corresponding pixel of each column when driving a still image, and is proportional to the magnitude of the signal. And modulating the signal into a signal having a pulse width. The pulse width signal may be proportional to a magnitude of a signal corresponding to an average of a difference between the first reset signal and the first video signal and a difference between the second reset signal and the second video signal.
상기 APS 어레이는 선택되는 다수의 N개 행들 각각에서 동색 컬럼의 N개 리셋 신호들 및 N 개 영상 신호들을 생성하고, 상기 평균화 회로는, 상기 N 개 리셋 신호들 및 영상 신호들 각각을 평균화하고, 평균화된 리셋신호에 대한 평균화된 영상신호의 차이를 펄스 폭 신호로 변조하는 것을 특징으로 한다. The APS array generates N reset signals and N image signals of the same color column in each of the N rows selected, and the averaging circuit averages each of the N reset signals and image signals, The difference between the averaged video signal with respect to the averaged reset signal is characterized by modulating the pulse width signal.
상기 평균화 회로는 제1 스위치; 상기 픽셀 어레이의 어느 하나의 열에서, 상기 리셋신호들 및 상기 영상신호들을 입력받아, 상기 제1 스위치의 단락에 의하여 해당 평균화된 리셋신호 및 평균화된 영상신호를 생성하고, 램프신호, 상기 평균화된 리셋신호 및 상기 평균화된 영상신호를 이용하여 제1 펄스 폭 신호를 생성하는 제1 CDS 회로; 및 상기 제1 CDS 회로가 속하는 열과 이웃하는 동색 신호 열에서, 상기 리셋신호들 및 상기 영상신호들을 입력받아, 상기 제1 스위치의 단락에 의하여 해당 평균화된 리셋신호 및 평균화된 영상신호를 생성하고, 상기 램프신호, 상기 평균화된 리셋신호 및 상기 평균화된 영상신호를 이용하여 제2 펄스 폭 신호를 생성하는 제2 CDS 회로를 구비하고, 상기 제1 스위치는 상기 서브 샘플링 모드 구동에서 단락되는 것을 특징으로 한다.The averaging circuit comprises a first switch; In one of the columns of the pixel array, the reset signals and the image signals are received, and corresponding averaged reset signals and averaged image signals are generated by a short circuit of the first switch, and a ramp signal and the averaged image signals are generated. A first CDS circuit for generating a first pulse width signal using a reset signal and the averaged video signal; Receiving the reset signals and the image signals in a same color signal column adjacent to a column to which the first CDS circuit belongs, and generating a corresponding averaged reset signal and an averaged video signal by a short circuit of the first switch, And a second CDS circuit configured to generate a second pulse width signal using the ramp signal, the averaged reset signal, and the averaged video signal, wherein the first switch is shorted in the subsampling mode driving. do.
상기 APS 어레이는, 상기 서브 샘플링 모드 시에, 한 컬럼 간격을 가지는 다른 2개의 픽셀들 각각이 제3 리셋신호와 제3 영상신호, 및 제4 리셋신호와 제4 영상신호를 생성하여 출력하고, 상기 평균화 회로는, 상기 제3 리셋신호 및 상기 제4 리셋신호의 평균을 반영한 해당 증폭기 입력 신호에 상기 제3 영상신호 및 상기 제4 영상신호를 반영시켜 상기 제3 리셋신호와 상기 제3 영상신호의 차이 및 상기 제4 리셋신호와 상기 제4 영상신호의 차이에 대한 평균에 대응하는 신호를 생성하여, 그 신호에 해당하는 펄스 폭 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 영상신호 및 상기 제2 영상신호는, 제1 색 신호이고, 상기 제3 영상신호 및 상기 제4 영상신호는 제2 색 신호인 것을 특징으로 한다. 상기 APS 어레이는, 다음 선택된 행에서, 제2 색 신호에 해당하는 상기 제1 영상신호 및 상기 제2 영상신호를 생성하고, 제3 색 신호에 해당하는 상기 제3 영상신호 및 상기 제4 영상신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 색 신호, 상기 제2 색 신호, 및 상기 제3 색 신호는, 베이어 패턴을 구성하는 것을 특징으로 한다.The APS array may generate and output a third reset signal, a third image signal, a fourth reset signal, and a fourth image signal in each of the other two pixels having one column interval in the subsampling mode. The averaging circuit is configured to reflect the third image signal and the fourth image signal to a corresponding amplifier input signal reflecting an average of the third reset signal and the fourth reset signal, so that the third reset signal and the third image signal are reflected. And generating a signal corresponding to an average of the difference between the difference and the difference between the fourth reset signal and the fourth image signal and generating a pulse width signal corresponding to the signal. The first video signal and the second video signal are first color signals, and the third video signal and the fourth video signal are second color signals. The APS array generates the first video signal and the second video signal corresponding to a second color signal in a next selected row, and the third video signal and the fourth video signal corresponding to a third color signal. It characterized in that to generate. The first color signal, the second color signal, and the third color signal constitute a Bayer pattern.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자 구동 방법은, 2차원 행렬형태로 픽셀들이 배열되어 있는 APS 어레이에서, 서브 샘플링 모드 구동 시 선택된 행에서, 한 컬럼 간격을 가지는 2개의 픽셀들 각각이 제1 리셋신호와 제1 영상신호, 및 제2 리셋신호와 제2 영상신호를 생성하여 출력하는 단계; 상기 서브 샘플링 모드 구동에서, 상기 제1 리셋신호 및 상기 제2 리셋신호의 평균을 반영한 증폭기 입력 신호에 상기 제1 영상신호 및 상기 제2 영상신호를 반영시켜 상기 제1 리셋신호와 상기 제1 영상신호의 차이 및 상기 제2 리셋신호와 상기 제2 영상신호의 차이에 대한 평균에 대응하는 신호를 생성하여, 그 신호를 펄스 폭 신호로 변조하는 단계; 및 상기 펄스 폭 신호의 논리 상태 변동 시점에 따라 서로 다른 디지털 값을 가지는 디지털 신호를 생성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a solid-state imaging device according to the present invention, in an APS array in which pixels are arranged in a two-dimensional matrix. Generating and outputting a first reset signal and a first image signal, and a second reset signal and a second image signal for each pixel; In the sub-sampling mode driving, the first image signal and the second image signal are reflected in an amplifier input signal reflecting an average of the first reset signal and the second reset signal so that the first reset signal and the first image are reflected. Generating a signal corresponding to a difference between the signal and an average of the difference between the second reset signal and the second video signal, and modulating the signal into a pulse width signal; And generating a digital signal having a different digital value according to a logic state variation time point of the pulse width signal.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도 면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자(200)를 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 2의 APS 어레이(210)의 픽셀 구조를 나타내는 도면이다. 도 2의 고체 촬상 소자(200)의 동작 설명을 위하여 도 4의 흐름도가 참조된다. 상기 고체 촬상 소자(200)는, APS(active pixel sensor) 어레이(210), 로우 드라이버(row driver)(220), 및 아날로그-디지털 변환부(analog-to-digital conversion unit)(230)를 구비한다. 상기 아날로그-디지털 변환부(230)는 아날로그 평균화 회로(analog averaging circuit)(231), 및 디지털 신호 출력 회로(232)를 구비한다. 2 is a block diagram showing a CIS type solid-
주지된 바와 같이, 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 장착되는 상기 CIS(CMOS image sensor) 형태의 고체 촬상 소자(200)는 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하여 영상신호를 출력한다. 상기 고체 촬상 소자(200)는 광소자(PD:photodiode)들을 이용하여 외부 빛을 감지하고 전기적 신호로 변환하여 영상신호를 출력한다. 이러한 광소자들(PD)은 상기 APS 어레이(210)에 2차원 행렬 형태로 배열되는 픽셀들 각각에 존재한다. As is well known, the solid-
상기 고체 촬상 소자(200)는 상기 로우 드라이버(220)로부터 생성되는 전달 제어 신호(TG), 리셋 제어 신호(RG), 및 상기 APS 어레이(210)의 행을 선택하는 행 선택신호(SEL)를 이용하여, 리셋신호(VRES) 및 APS 어레이(210) 상에서 광소자들 (PD)에 의하여 감지된 영상신호(VSIG)를 출력한다. 상기 고체 촬상 소자(200)에서 출력되는 삼색 신호(R, G, B)는 소정 영상신호 처리부(미도시)에서 보간(interpolation) 처리된 후, LCD(liquid crystal display)와 같은 디스플레이 장치로 출력되어 표시된다. The solid-
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 CIS형 고체 촬상 소자(200)는, 수직 해상도를 낮추는 서브 샘플링 모드 구동에서, 종래의 일반적인 방법에 비하여 큰 커패시터의 추가 없이, 픽셀에서 출력되는 영상신호들(VSIG)을 아날로그적으로 평균화하여, 왜곡 없는 동영상을 위한 삼색 신호(R, G, B) 생성이 가능하다.On the other hand, the CIS-type solid-
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 APS 어레이(210)에는 2차원 행렬형태로 픽셀들이 배열되어 있다. 상기 APS 어레이(210) 상에 배치되는 컬러 필터의 패턴은 한 행에 제1 색 신호(G), 및 제2 색 신호(B) 2 가지 컬러의 패턴, 및 다른 행에 제1 색 신호(G), 및 제3 색 신호(R) 2 가지 컬러의 패턴이 반복적으로 배치되는 베이어(Bayer) 패턴을 가지는 것으로 가정한다. 하지만, 픽셀 어레이 패턴은 다양하게 구성될 수 있으므로 이에 한정되는 것은 아니다. As shown in FIG. 3, pixels are arranged in a 2D matrix in the
이와 같은 가정하에, 먼저 기계식 셔터(mechanical shutter)를 개방하여, 일정 시간 동안 APS 어레이(210)에 구비된 광소자(PD)에 신호 전하를 축적한다(도 4의 S410). 실질적으로는, 도 8에 도시된 바와 같이, 로우 드라이버(220)에서 생성되는 전달 제어 신호(TG)에 의하여 광소자(PD)에 축적되는 신호 전하량이 결정된다. 광소자들(PD)에 신호 전하가 축적되는 동안, 상기 APS 어레이(210)는 리셋 제어 신호(RG)에 응답하여 리셋신호(VRES)를 생성하여 출력한다. 상기 APS 어레이 (210)는, 정지영상 구동 시에는, 홀수번째 행들에서 광소자(PD)로부터 광전 변환된 제1 색 신호(G) 및 제2 색 신호(B) 각각을 열단위로 출력하고, 짝수번째 행들에서 광소자(PD)로부터 광전 변환된 제3 색 신호(R) 및 상기 제1 색 신호(G) 각각을 열단위로 출력한다. 특히, 동영상을 위한 서브 샘플링 모드 구동에서는, 상기 APS 어레이(210)는 선택된 행에서, 한 컬럼 간격을 가지는 2개의 픽셀들(예를 들어 홀수 컬럼 픽셀들) 각각이 제1 리셋신호(VRES1)와 제1 영상신호(VSIG1), 및 제2 리셋신호(VRES3)와 제2 영상신호(VSIG3)를 생성하여 출력한다(도 4의 S420). 또한, 상기 APS 어레이(210)는, 같은 행에서, 한 컬럼 간격을 가지는 다른 2개의 픽셀들(예를 들어 짝수 컬럼 픽셀들) 각각이 제3 리셋신호(VRES2)와 제3 영상신호(VSIG2), 및 제4 리셋신호(VRES4)와 제4 영상신호(VSIG4)를 생성하여 출력한다(도 4의 S420). Under this assumption, first, a mechanical shutter is opened to accumulate signal charges in the optical device PD provided in the
예를 들어, 서브 샘플링 모드 구동 시, 도 3에서, 제1 행을 선택하는 행 선택신호 "SEL1"이 액티브된 경우에, 상기 APS 어레이(210)는, 제1 컬럼 및 제3 컬럼의 픽셀들 각각에서 제1 색 신호(G)를 위하여 제1 리셋신호 VRES1과 제1 영상신호 VSIG1, 및 제2 리셋신호 VRES3과 제2 영상신호 VSIG3을 생성한다. 또한, 상기 APS 어레이(210)는, 제2 컬럼 및 제4 컬럼의 픽셀들 각각에서 제2 색 신호(B)를 위하여 제3 리셋신호 VRES2과 제3 영상신호 VSIG2, 및 제4 리셋신호 VRES4과 제4 영상신호 VSIG4를 생성한다. 다른 컬럼들에서도 같은 동작으로 해당 리셋신호와 영상신호가 생성된다. 그리고, 상기 APS 어레이(210)는, 다음으로 선택되는 제2 행에서는, 제2 색 신호(B) 및 제3 색 신호(R)에 해당하는 리셋신호와 영상신호를 같은 동작으로 생성한다(도 4의 S430). For example, when driving the sub-sampling mode, in FIG. 3, when the row select signal “SEL1” for selecting the first row is activated, the
이하, 서브 샘플링 모드 구동 시에, 제1 행을 선택하는 행 선택신호 "SEL1"이 액티브되었고, 이에 따라, 상기 APS 어레이(210)가, 제1 컬럼 및 제3 컬럼의 픽셀들 각각에서 제1 리셋신호 VRES1과 제1 영상신호 VSIG1, 및 제2 리셋신호 VRES3과 제2 영상신호 VSIG3을 생성한 경우를 예로 들어 설명한다. 위에서 기술한 바와 같이, 다른 컬럼들 및 다른 행들에서도 같은 동작이 이루어진다. Hereinafter, when the sub-sampling mode is driven, the row selection signal "SEL1" for selecting the first row is activated, and accordingly, the
이때, 상기 아날로그 평균화 회로(231)는 상기 서브 샘플링 모드 구동에서, 큰 커패시터의 추가 없이, 일반적인 CDS 회로들 간을 단락/개방하는 제5 스위치(510)(도 5 참조)만을 이용하여, 상기 제1 리셋신호 VRES1와 상기 제1 영상신호 VSIG1의 차이(VRES1-VSIG1) 및 상기 제2 리셋신호 VRES3와 상기 제2 영상신호 VSIG3의 차이(VRES3-VSIG3)에 대한 평균에 대응하는 신호를 생성하여, 그 신호를 펄스 폭 신호로 변조한다. 상기 디지털 신호 출력 회로(232)는 상기 펄스 폭 신호의 논리 상태 변동 시점에 따라 서로 다른 디지털 값을 가지는 디지털 신호를 생성한다. 상기 아날로그 평균화 회로(231) 및 상기 디지털 신호 출력 회로(232)에 대해서는 아래에서 좀더 자세히 기술된다. In this case, the
도 5는 픽셀 회로(311, 312)와 아날로그 평균화 회로(231)를 나타내는 블록도이다. 도 5에는 제1 컬럼을 위한 회로(211), 제3 컬럼을 위한 회로(212), 제5 스위치(510)가 도시되어 있다. 도 5는, 위의 예와 같이, 제1 컬럼 및 제3 컬럼의 픽셀들 각각에서 제1 리셋신호 VRES1과 제1 영상신호 VSIG1, 및 제2 리셋신호 VRES3과 제2 영상신호 VSIG3을 생성한 경우에, 이 신호들을 처리하기 위한 컬럼 회로들(211, 212)을 예로 들어 도시하였으나, 다른 컬럼들에서 생성되는 신호들을 위한 컬럼 회로들도 같은 구성으로 같은 동작을 한다. 특히, 상기 제5 스위치(510)는 동영상을 위한 서브 샘플링 모드 구동을 위하여 홀수 컬럼들 사이 및 짝수 컬럼들 사이에 배치된다. 5 is a block diagram illustrating the
상기 제1 컬럼을 위한 회로(211)는 제1 컬럼에서 선택될 제1 픽셀회로(311), 제1 컬럼의 모든 픽셀회로들에 접속된 소정 전류원(312), 및 상기 제1 픽셀회로(311)에서 출력되는 제1 리셋신호 VRES1과 제1 영상신호 VSIG1를 처리하는 제1 CDS(correlated double sampling) 회로(313)를 포함한다. 상기 제3 컬럼을 위한 회로(212)는 제3 컬럼에서 선택될 제2 픽셀회로(321), 제3 컬럼의 모든 픽셀회로들에 접속된 소정 전류원(322), 및 상기 제2 픽셀회로(321)에서 출력되는 제2 리셋신호 VRES3과 제2 영상신호 VSIG3를 처리하는 제2 CDS 회로(323)를 포함한다. 여기서, 상기 전류원들(312, 322)은 각 컬럼의 모든 픽셀회로들을 위하여 각 컬럼 끝에 구비되며, 특히, 상기 CDS 회로들(313, 323) 및 제5 스위치(510)는 상기 평균화 회로(231)에 구비된다. 도 5의 회로의 정지영상 구동 모드에서의 동작 설명을 위하여 도 6의 타이밍도가 참조된다. 도 5의 회로의 동영상 구동 모드에서의 동작 설명을 위하여 도 7의 타이밍도가 참조된다.The
주지된 바와 같이, 상기 APS 어레이(210)의 픽셀회로들(311/321)은, 행 선택신호(SEL)에 의하여 선택된 행에서, 전달 제어 신호(TG)에 응답하여 광소자(PD1/PD2)로부터 광전 변환된 영상신호(VSIG1/VSIG3)를 출력하고, 리셋 제어 신호(RG)에 응답하여 리셋신호(VRES/VRES3)를 생성하여 출력한다. 예를 들어, 제1 픽셀회로(311)는 4개의 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)들 (M1~M4), 및 하나의 광소자(PD1)로 구성된다. 상기 행 선택신호(SEL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 상기 리셋 제어 신호(RG)에 응답하여 전원(VDD)로부터 전달된 FD1 노드의 전압이 소스 폴로워(source follower) 역할을 하는 M3의 소스 단자를 통하여 출력된다. M3의 소스 단자로 출력된 FD1 노드의 전압은 M1의 소스 단자를 통하여 리셋신호(VRES1)로서 상기 제1 CDS 회로(313)로 출력된다. 한편, 상기 전달 제어 신호(TG)가 논리 하이 상태로 액티브될 때에는, 상기 리셋 제어 신호(RG)가 논리 로우 상태로 된 상태이며, 이때에는 광소자(PD1)로부터 광전 변환된 영상신호(VSIG1)가 M1의 소스 단자를 통하여 상기 제1 CDS 회로(313)로 출력된다. 마찬가지로, 같은 동작을 하는 제2 픽셀회로(321)에 의하여 제2 리셋신호 VRES3와 제2 영상신호 VSIG3가 상기 제2 CDS 회로(323)로 출력된다. As is well known, the
먼저, 정지영상 구동 시의 CDS 회로들(313, 323)의 동작을 설명한다. 상기 아날로그 평균화 회로(231)에 구비된 CDS 회로들(313, 323)은 리셋신호(VRES1/VRES3)와 영상신호(VSIG1/VSIG3)를 차례로 입력받아, 리셋신호(VRES1/VRES3)와 영상신호(VSIG1/VSIG3)의 차이에 대응하는 신호가 증폭기 입력 신호(VIN1)가 되도록 한 다음, 이를 기준 전압(VREF)과 비교하여, 비교 결과에 따라 다른 펄스폭을 가지는 신호(VCD1/VCD2)를 출력한다. 예를 들어, 제1 CDS 회로(313)는 제1 스위치(401), 제2 스위치(402), 제3 스위치(403), 제4 스위치(404), 제1 커패시터(405), 제2 커패시터(406), 제3 커패시터(407), 제1 증폭기(408), 및 제2 증폭기(409)를 포함한다. 정지영상 구동 시에는, 도 6과 같이, S5 신호의 비활성화 상태 제어를 받는 제5 스위치(510)가 개방 상태에 있다. 먼저, S1, S2, S31, 및 S4 각각의 신호 제어를 받는 제1 스위치(401), 제2 스위치(402), 제3 스위치(403), 및 제4 스위치(404)가 단락된 상태에서, 상기 제1 리셋신호(VRES1)가 입력되고, 이때, 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1에는 도 9의 Vth1 전압이 생성된다. 다음에, 전달 제어 신호(TG)에 응답하여 광소자(PD1)로부터 광전 변환된 영상신호(VSIG1)가 입력되면, 이때, 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1에는 도 9의 X1 전압이 생성된다. 도 9는 제1 리셋신호(VRES1)가 입력된 경우(좌측)와 그 후 제1 영상신호(VSIG1)가 입력된 경우(우측)에 대한 커패시터 모델이다. 도 9를 참조하면, [수학식 1] 내지 [수학식 6]이 성립한다. 여기서, C0는 제2 커패시터(406)의 커패시턴스, Cin은 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1의 커패시턴스, Q1 및 Q3는 제1 리셋신호(VRES1)가 입력된 경우(좌측)와 그 후 제1 영상신호(VSIG1)가 입력된 경우(우측)에 대한 제2 커패시터(405)의 전하량, Q2 및 Q4는 제1 리셋신호(VRES1)가 입력된 경우(좌측)와 그 후 제1 영상신호(VSIG1)가 입력된 경우(우측)에 대한 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1의 전하량이다. [수학식 6]에서 C0가 Cin 보다 충분히 크면 [수학식 7]과 같이 근사화된다.First, operations of the
[수학식 1][Equation 1]
Q2 - Q1 = Q4 - Q3Q2-Q1 = Q4-Q3
[수학식 2][Equation 2]
X1 = Q4 / CinX1 = Q4 / Cin
[수학식 3][Equation 3]
Q1 = (VRES1 - Vth1) * C0Q1 = (VRES1-Vth1) * C0
[수학식 4][Equation 4]
Q2 = Vth1 * CinQ2 = Vth1 * Cin
[수학식 5][Equation 5]
Q3 = (VSIG1 - X) * C0Q3 = (VSIG1-X) * C0
[수학식 6][Equation 6]
X = Vth1 - (VRES1 - VSIG1) * {C0 / (C0 + Cin)} X = Vth1-(VRES1-VSIG1) * {C0 / (C0 + Cin)}
[수학식 7][Equation 7]
X = Vth1 - (VRES1 - VSIG1)X = Vth1-(VRES1-VSIG1)
이에 따라, 도 6과 같이, VRAMP 신호가 서서히 상승하도록 인에이블되면, 제1 리셋신호 VRES1와 제1 영상신호 VSIG1의 차이에 대응하는 IN1 노드의 신호도 VRAMP 신호에 따라 증가하고, 제1 증폭기(408)는 이와 같이 증가하는 신호와 기준 전압(VREF)을 비교하여, 비교 결과에 따라 다른 펄스폭을 가지는 신호(VOUT1)를 출력한다. 상기 제2 증폭기(409)는 제3 커패시터(407)를 통하여 전달되는 위의 신호를 받아 버퍼링하여 제1 펄스 폭 신호(VCD1)를 출력한다. 마찬가지로, 같은 동작을 하는 제2 CDS 회로(323)는 상기 제2 리셋신호(VRES3) 및 상기 제2 영상신호(VSIG3)를 입력받아, 제2 펄스 폭 신호(VCD2)를 출력한다.Accordingly, as shown in FIG. 6, when the VRAMP signal is gradually raised, the signal of the IN1 node corresponding to the difference between the first reset signal VRES1 and the first video signal VSIG1 also increases with the VRAMP signal, and the first amplifier ( The 408 compares the increasing signal with the reference voltage VREF and outputs a signal VOUT1 having a different pulse width according to the comparison result. The
다음에, 동영상 구동을 위한 서브 샘플링 모드 구동에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, S5 신호의 활성화 상태 제어를 받는 제5 스위치(510)가 단락 상태에 있고, S32 신호의 비활성화 상태 제어를 받는 상기 제2 CDS 회로(323)에 구비되는 제3 스위치(503)가 개방 상태에 있다. 즉, 서브 샘플링 모드 구동에서는, 상기 제2 CDS 회로(323)에 구비되는 제1 증폭기(508) 및 제2 증폭기(509)는 동작하지 않으며, 다만, 상기 제2 CDS 회로(323)의 제1 증폭기(508)의 입력단 노드 IN2가 상기 제1 CDS 회로(313)의 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1과 단락된다. 즉, 한 컬럼 간격을 가지는 2개의 증폭기들(408, 508)의 입력단들(IN1, IN2)가 단락되고, 이 상태에서 제2 CDS 회로(323)는 정상적인 제2 펄스 폭 신호(VCD2)를 출력하지 않고, 제1 CDS 회로(313)만이 정상적으로 제1 펄스 폭 신호(VCD1)를 출력한다. Next, in the sub-sampling mode driving for driving the video, as shown in FIG. The
이하, 동영상 구동을 위한 서브 샘플링 모드 구동에서, 상기 제5 스위치(510)에 의하여 상기 증폭기들(408, 508)의 입력단 노드들(IN1, IN2)이 단락될 때, 두 컬럼의 영상신호의 평균화가 어떻게 이루어지는지를 설명한다.Hereinafter, in driving the sub-sampling mode for driving the video, when the input terminals IN1 and IN2 of the
먼저, CDS 회로들(313, 323)의 스위치들(401, 501)이 단락될 때, 픽셀회로들(311, 321)에서 입력되는 리셋신호들(VRES1, VRES3)에 의하여, 상기 증폭기들(408, 508)의 입력단 노드들(IN1, IN2)에는 상기 제1 리셋신호(VRES1) 및 상기 제2 리셋신호(VRES3)의 평균을 반영한 신호가 생성된다. 이때, 상기 제1 리셋신호(VRES1) 및 상기 제2 리셋신호(VRES3)의 평균이 반영된 신호의 전압은 도 10의 Vth2이고, 다음에, 전달 제어 신호(TG)에 응답하여 광소자들(PD1, PD2)로부터 광전 변환된 영상신호들(VSIG1, VSIG3)가 CDS 회로들(313, 323)에 입력되면, 이때, 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1에는 도 10의 X2 전압이 생성된다. 즉, 상기 제1 리셋신호(VRES1) 및 상기 제2 리셋신호(VRES3)의 평균을 반영한 증폭기 입력 신호 전압(Vth2)에 상기 제1 영상신호(VSIG1) 및 상기 제2 영상신호(VSIG3)를 다시 반영시켜서 X2 전압이 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1의 전압이 되도록한다. 도 10은 리셋신호들(VRES1, VRES3)이 입력된 경우(좌측)와 그 후 영상신호들(VSIG1, VSIG3)가 입력된 경우(우측)에 대한 커패시터 모델이다. 도 10을 참조하면, [수학식 8] 내지 [수학식 14]가 성립한다. 여기서, C0는 커패시터들(405, 406, 505, 506)의 커패시턴스, Cin은 증폭기들(408, 508)의 입력단 노드들(IN1, IN2)의 커패시턴스, Q11 및 Q31은 리셋신호들(VRES1, VRES3)이 입력된 경우(좌측)와 그 후 영상신호들(VSIG1, VSIG3)가 입력된 경우(우측)에 대한 커패시터(406)의 전하량, Q12 및 Q32는 리셋신호들(VRES1, VRES3)이 입력된 경우(좌측)와 그 후 영상신호들(VSIG1, VSIG3)이 입력된 경우(우측)에 대한 커패시터(506)의 전하량, Q2 및 Q4는 리셋신호들(VRES1, VRES3)이 입력된 경우(좌측)와 그 후 영상신호들(VSIG1, VSIG3)이 입력된 경우(우측)에 대한 제1 증폭기(408)의 입력단 노드 IN1의 전하량이다. [수학식 14]에서 C0가 Cin 보다 충분히 크면 [수학식 15]와 같이 근사화된다.First, when the
[수학식 8][Equation 8]
Q2 - (Q11 - Q12) = Q4 - (Q31 + Q32)Q2-(Q11-Q12) = Q4-(Q31 + Q32)
[수학식 9][Equation 9]
Q11 = (VRES1 - Vth2) * C0Q11 = (VRES1-Vth2) * C0
[수학식 10][Equation 10]
Q12 = (VRES3 - Vth2) * C0Q12 = (VRES3-Vth2) * C0
[수학식 11][Equation 11]
Q2 = Vth2 * CinQ2 = Vth2 * Cin
[수학식 12][Equation 12]
Q31 = (VSIG1 - X2) * C0Q31 = (VSIG1-X2) * C0
[수학식 13][Equation 13]
Q32 = (VSIG3 - X2) * C0Q32 = (VSIG3-X2) * C0
[수학식 14][Equation 14]
X2 = Q4 / CinX2 = Q4 / Cin
[수학식 15][Equation 15]
X2 = Vth2 - {(VRES1 - VSIG1) + (VRES3 - VSIG3)} * {C0 / (2*C0 + Cin)} X2 = Vth2-{(VRES1-VSIG1) + (VRES3-VSIG3)} * {C0 / (2 * C0 + Cin)}
[수학식 16][Equation 16]
X2 = Vth2 - {(VRES1 - VSIG1) + (VRES3 - VSIG3)}/2X2 = Vth2-{(VRES1-VSIG1) + (VRES3-VSIG3)} / 2
이와 같이, 상기 제1 리셋신호(VRES1) 및 상기 제2 리셋신호(VRES3)의 평균을 반영한 증폭기 입력 신호 전압(Vth2)에 상기 제1 영상신호(VSIG1) 및 상기 제2 영상신호(VSIG3)를 다시 반영시킴으로써, 상기 제1 리셋신호(VRES1)와 상기 제1 영상신호(VSIG1)의 차이(VRES1 - VSIG1) 및 상기 제2 리셋신호(VRES3)와 상기 제2 영상신호의 차이(VRES3 - VSIG3)에 대한 평균 "{(VRES1 - VSIG1) + (VRES3 - VSIG3)}/2"이 만들어지고, 이에 따라 상기 제1 CDS 회로(313)의 제1 증폭기(408)은 상기 평균에 대응하는 IN1 노드(또는 IN2 노드)의 X2 신호를 펄스 폭 신호로 변조한다. X2 신호가 상기 제1 증폭기(408)의 입력 노드 IN1에 발생하면, 도 7과 같이, VRAMP 신호가 서서히 상승하도록 인에이블되고, 도 11과 같이, 제1 증폭기(408)는 상기 VRAMP 신호에 따라 증가하는 IN1 노드의 신호(VIN1)와 기준 전압(VREF)을 비교하여, 비교 결과에 따라 다른 펄스폭을 가지는 신호(VOUT1)를 출력한다. 상기 제 2 증폭기(409)는 제3 커패시터(407)를 통하여 전달되는 VOUT1 신호를 받아 버퍼링하여 제1 펄스 폭 신호(VCD1)를 출력한다. 상기 제1 펄스 폭 신호(VCD1)의 펄스폭은, 상기 제1 리셋신호(VRES1)와 상기 제1 영상신호(VSIG1)의 차이 및 상기 제2 리셋신호(VRES3)와 상기 제2 영상신호(VSIG3)의 차이에 대한 평균에 대응하는 X2 신호의 크기에 비례한다. 위에서 기술한 바와 같이, 제2 CDS 회로(323)의 증폭기들(508, 509)은 동영상 구동 시에 정상 동작하지 않는다.As such, the first image signal VSIG1 and the second image signal VSIG3 are applied to an amplifier input signal voltage Vth2 reflecting an average of the first reset signal VRES1 and the second reset signal VRES3. By reflecting again, the difference between the first reset signal VRES1 and the first video signal VSIG1 (VRES1-VSIG1) and the difference between the second reset signal VRES3 and the second video signal (VRES3-VSIG3) An average " {(VRES1-VSIG1) + (VRES3-VSIG3)} / 2 " is generated, so that the
도 12는 도 2의 디지털 신호 출력 회로(232)의 구체적인 블록도이다. 도 12를 참조하면, 상기 디지털 신호 출력 회로(232)는 카운터(241) 및 래치회로(242)를 구비한다. 상기 카운터(241)는 상기 램프신호(VRAMP)가 상승할 때, 카운팅을 시작하여 상기 제2 증폭기 출력(VCD1)의 논리 상태가 변동되는 시간에 해당하는 카운트 값을 상기 래치회로(242)로 출력하고, 상기 래치회로(242)는 상기 카운터(241)로부터 받는 해당 디지털 값을 저장하고 출력한다.12 is a detailed block diagram of the digital
위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자(200)에서는, 정지영상의 촬상 때에는, CDS 방식의 아날로그 디지털 변환부(230)가 평균화를 위한 스위치(510)가 오프된 상태에서 픽셀 컬럼마다 개별 영상신호를 입력받아 디지털 변환하고, 동영상의 촬상 때에는, 온된 스위치(510)에 의하여 동색 컬럼의 영상신호들의 평균화된 영상신호를 상기 아날로그 디지털 변환부(230) 내의 한쌍의 CDS 회로들 중 어느 한쪽 CDS 회로에서 입력받아 디지털 변환한다. 이를 응용하면, 1/2, 1/3, 1/4 등의 수직 해상도 축소를 위한 서브 샘플링 모드를 용이하게 실현할 수 있다.As described above, in the CIS-type solid-
도 13은 도 2의 아날로그 평균화 회로(231)를 나타내는 다른 실시예이다. 여기서는 1/2 해상도 축소를 위한 서브 샘플링 모드 구동의 경우를 예로 들어 설명한다. 즉, 도 13의 아날로그 평균화 회로(231)는, 상기 서브 샘플링 모드 시에, 상기 리셋신호(VRES) 및 상기 영상신호(VSIG) 각각의 열 및 행 단위의 홀수번째 2 개 및 짝수번째 2 개를 평균화한다. 도 13을 참조하면, 상기 아날로그 평균화 회로(231)는 제1 스위치(235), 제1 CDS 회로(236), 및 제2 CDS 회로(237)를 구비한다. 상기 제1 CDS 회로(236)는 상기 APS 어레이(210)의 어느 하나의 열(예를 들어, 제1 열)에서, 리셋신호들(예를 들어, 제1 및 제3 행의 VR1R1, VR3R1) 및 영상신호들(예를 들어, 제1 및 제3 행의 VR1S1, VR3S1)로부터 제1 펄스 폭 신호(예를 들어, VCD1)를 생성한다. FIG. 13 is another embodiment illustrating the
상기 제2 CDS 회로(237)는 상기 제1 CDS 회로(236)가 속하는 열과 이웃하는 동일 색 신호 열(예를 들어, 제3 열)에서, 리셋신호들(예를 들어, 제1 및 제3 행의 VR1R3, VR3R3) 및 영상신호들(예를 들어, 제1 및 제3 행의 VR1S3, VR3S3)로부터 제2 펄스 폭 신호(예를 들어, VCD3)를 생성한다. The
상기 제1 스위치(235)는 평균화를 위하여 서브 샘플링 모드 구동 시에 단락되고, 동영상 모드 구동 시에 개방된다. 서브 샘플링 모드 구동 시에는 입력되는 리셋신호들 및 영상신호들이 상기 제1 스위치(235)의 단락에 의하여 평균화되고, 상기 제1 CDS 회로(236)와 상기 제2 CDS 회로(237) 중 어느 하나에서 정상적으로 펄스 폭 신호(VCD1/VCD2)가 생성된다. 상기 제1 스위치(235)의 단락과 개방은 콘트롤러(미도시)에서 생성되는 제어 신호 SAVG에 의하여 제어된다. The
도 14는 도 13의 CDS 회로들(236, 237)의 구체적인 도면이다. 도 14를 참조하면, 상기 제1 CDS 회로(236)는 제2 스위치(251), 제3 스위치(252), 제1 영상신호 평균화부(253), 제1 리셋신호 평균화부(257), 제1 비교부(261), 제1 커패시터(264), 및 제1 증폭부(265)를 구비한다. 상기 제2 CDS 회로(237)는 상기 제1 CDS 회로(236)와 대칭적인 구조를 가지며, 제4 스위치(351), 제5 스위치(352), 제2 영상신호 평균화부(353), 제2 리셋신호 평균화부(357), 제2 비교부(361), 제2 커패시터(364), 및 제2 증폭부(365)를 구비한다. FIG. 14 is a detailed view of the
상기 제2 스위치(251)는 콘트롤러(미도시)에서 생성되는 제어 신호 S1에 의하여 단락될 때, APS 어레이(210)로부터의 상기 리셋신호들(예를 들어, 홀수 행의 VR1R1, VR3R1) 및 상기 영상신호들(예를 들어, 홀수 행의 VR1S1, VR3S1)를 전달한다. 상기 제3 스위치(252)는 콘트롤러(미도시)에서 생성되는 제어 신호 S2에 의하여 단락될 때, 상기 램프신호(VRAMP)를 전달한다. 상기 제1 영상신호 평균화부(253)는 상기 제1 스위치(235)의 단락에 의하여, 상기 제2 스위치(251)에서 전달된 열 및 행 단위의 홀수번째 2 개 및 짝수번째 2 개의 상기 영상신호들을 평균화시킨다. 상기 제1 리셋신호 평균화부(257)는 상기 제1 스위치(235)의 단락에 의하여, 상기 제2 스위치(251)에서 전달된 열 및 행 단위의 홀수번째 2 개 및 짝수번째 2 개의 상기 리셋신호들을 평균화시킨다. 상기 제1 비교부(261)는 IN1 노드에서 상기 평균화된 리셋신호에 대한 상기 평균화된 영상신호의 차이 전압이 상기 램프신호(VRAMP)에 따라 증가될 때, IN1 노드 전압(VIN1)과 기준 전압(VREF)를 비교하고 비교 결과에 따라 다른 펄스 폭을 가지는 신호를 출력한다. 상기 제1 커패시터(264) 는 한쪽단으로 상기 제1 비교부(261)의 출력을 받아 다른 쪽 단으로 전달한다. 상기 제1 증폭부(265)는 상기 제1 커패시터(264)를 통하여 전달되는 신호를 버퍼링하고 안정화시켜 제1 펄스 폭 신호(VCD1)으로서 출력한다. When the
상기 제2 CDS 회로(237)의 제4 스위치(351), 제5 스위치(352), 제2 영상신호 평균화부(353), 제2 리셋신호 평균화부(357), 제2 비교부(361), 제2 커패시터(364), 및 제2 증폭부(365) 각각의 동작은 상기 제1 CDS 회로(236)의 제2 스위치(251), 제3 스위치(252), 제1 영상신호 평균화부(253), 제1 리셋신호 평균화부(257), 제1 비교부(261), 제1 커패시터(264), 및 제1 증폭부(265)과 같으므로 설명을 생략한다. 상기 제2 CDS 회로(237)에서는 상기 제1 CDS 회로(236)와 같은 방법으로 제2 펄스 폭 신호(VCD3)가 출력된다. The
도 15는 도 14의 회로 동작 설명을 위한 타이밍도이다. 도 15를 참조하여 도 14의 CDS 회로들(236, 237)의 동작이 좀더 자세히 설명된다. 도 14에서, 상기 제1 영상신호 평균화부(253) 및 상기 제2 영상신호 평균화부(263)를 구성하는 커패시터들(254, 255, 354, 355)의 커패시턴스 CS1, CS2, CS3, 및 CS4는 모두 동일하다고 가정한다. 또한, 상기 제1 리셋신호 평균화부(257) 및 제2 리셋신호 평균화부(267)를 구성하는 커패시터들(259, 260, 359, 360)의 커패시턴스 CR1, CR2, CR3, 및 CR4는 모두 동일하다고 가정한다. 도 6에서, VR1R1 및 VR3R1는 이웃하는 2 홀수행들(예를 들어, 제1 행, 제3행)의 어느 하나의 열(예를 들어, 제1 열)의 리셋신호들이고, VR1S1, VR3S1는 이웃하는 2 홀수행들(예를 들어, 제1 행, 제3행)의 어느 하나의 열(예를 들어, 제1 열)의 영상신호이다. 또한, VR1R3 및 VR3R3는 이웃하는 2 홀 수행들(예를 들어, 제1 행, 제3행)의 상기 VR1R1 및 VR3R1 발생열에 이웃하는 열(예를 들어, 제3 열)의 리셋신호들이고, VR1S3, VR3S3는 이웃하는 2 홀수행들(예를 들어, 제1 행, 제3행)의 상기 VR1R1 및 VR3R1 발생열에 이웃하는 열(예를 들어, 제3 열)의 영상신호이다. 도 14에서, 스위치들(251, 252, 262, 266, 256, 258, 또는 351, 352, 362, 366, 356, 358)을 제어하는 신호들 S1, S2, S31, S32, S4, SSIG, 및 SRES는 소정 콘트롤러(미도시)에서 발생되고, 도 15와 같이 제1 논리 상태(논리 로우 상태)에서 제2 논리 상태(논리 하이 상태)로 액티브될 때, 상기 스위치들(251, 252, 262, 266, 256, 258, 또는 351, 352, 362, 366, 356, 358)을 단락시킨다고 가정한다. FIG. 15 is a timing diagram for describing the circuit operation of FIG. 14. The operation of the
이와 같은 가정하에, 도 15의 구간(1)은 상기 제1 스위치(235)가 단락된 상태에서 제1 행의 리셋신호(VR1R1, VR1R3)를 샘플링하는 구간이고, 이때 상기 스위치들(251, 252, 262, 266, 256, 258, 또는 351, 352, 362, 366, 356, 358)은 모두 단락되고, 제1 행의 리셋신호들(VR1R1, VR1R3)이 평균화되며, [수학식 17]과 같은 관계가 성립한다. [수학식 17]에서, Q는 해당 전하량이고, CR1,2,3,4는 CR1, CR2, CR3, 또는 CR4를 나타낸다.Under this assumption, the
[수학식 17][Equation 17]
도 15의 구간(2)는 제1 행의 영상신호들(VR1S1, VR1S3)를 샘플링하는 구간이고, S31, S4에 의하여 제어되는 스위치들(262, 266, 362, 366)은 개방되고, 제1 행 의 영상신호들(VR1S1, VR1S3)이 평균화되며, [수학식 18]과 같은 관계가 성립한다. [수학식 18]에서, Q는 해당 전하량이고, CS1,2,3,4는 CS1, CS2, CS3, 또는 CS4를 나타낸다.The
[수학식 18]Equation 18
도 15의 구간(3)은 제3 행의 리셋신호(VR3R1, VR3R3)를 샘플링하는 구간이고, SSIG, SRES에 의하여 제어되는 스위치들(256, 258, 356, 358)은 개방되고, 제3 행의 리셋신호들(VR3R1, VR3R3)이 평균화되며, [수학식 19]와 같은 관계가 성립한다. [수학식 19]에서, Q는 해당 전하량이고, CR2,4는 CR2 또는 CR4를 나타낸다.
[수학식 19][Equation 19]
도 15의 구간(4)는 제3 행의 영상신호(VR3S1, VR3S3)를 샘플링하는 구간이고, SSIG, SRES, S31, S4에 의하여 제어되는 스위치들(256, 258, 262, 266, 356, 358, 362, 366)은 개방되고, 제3 행의 영상신호들(VR3S1, VR3S3)이 평균화되며, [수학식 20]과 같은 관계가 성립한다. [수학식 20]에서, Q는 해당 전하량이고, CS2,4는 CS2, 또는 CS4를 나타낸다.The
[수학식 20][Equation 20]
도 15의 구간(5)는 제1 행 및 제3 행의 영상신호들(VR1S1, VR1S3, VR3S1, VR3S3) 4개를 평균화하는 구간이고, SSIG, SRES에 의하여 제어되는 스위치들(256, 258, 356, 358)이 단락되고, [수학식 21] 및 [수학식 22]와 같은 관계가 성립한다. The
[수학식 21][Equation 21]
[수학식 22][Equation 22]
도 11을 참조하면, CDS 회로들(236,237)의 제1 비교부(261) 및 제2 비교부(271)는, 상기 평균화된 리셋신호([수학식 21])에 대한 상기 평균화된 영상신호([수학식 22])의 차이 전압(VIN1)이 상기 램프신호(VRAMP)에 따라 증가될 때, 증가되는 IN1 노드의 전압(VIN1)이 기준 전압(VREF)보다 큰 경우 및 작은 경우 각각에 서로 다른 논리 상태를 가지는 상기 제1 펄스 폭 신호(VCD1)를 생성한다. 동영상 구동시 서브 샘플링 모드에서, 제어 신호 S32에 의하여 제어되는 스위치 362는 개방되고, 제2 비교부(361) 및 제2 증폭부(365)는 정상 동작하지 않는다.Referring to FIG. 11, the
이에 따라, 도 12의 상기 카운터(241)는 상기 램프신호(VRAMP)가 상승할 때, 카운팅을 시작하여 상기 비교신호(VCD)의 논리 상태가 변동되는 시간에 해당하는 카운트 값에 해당하는 디지털 값을 상기 래치회로(242)로 출력하고, 상기 래치회로(242)는 상기 카운터(241)로부터 받는 디지털 값을 저장하고, 상기 디지털 값을 상기 평균화된 리셋신호([수학식 21])에 대한 상기 평균화된 영상신호([수학식 22]) 의 차이에 대응하는 디지털 신호로서 생성하여 출력할 수 있다.Accordingly, when the ramp signal VRAMP rises, the
도 14 회로의 해상도 축소를 위한 서브 샘플링 모드 구동을 예로 들어 설명하였으나, 정지 영상 모드에서는 상기 제1 스위치(235)가 개방되고, 이에 따라 APS 어레이(210)의 광소자들에서 감지된 영상 신호들이 평균화되지 않고, CDS 회로들(236, 237) 모두가 별도의 정상적인 제1 펄스 폭 신호(CDS1) 및 제2 펄스 폭 신호(CDS2)를 생성한다. Although the sub-sampling mode driving for reducing the resolution of the circuit of FIG. 14 has been described as an example, in the still image mode, the
1/N 해상도 축소를 위한 서브 샘플링 모드 구동을 위하여, 도 13의 아날로그 평균화 회로(231)는 도 16과 같이 변경된다. 도 16은 도 13의 아날로그 평균화 회로(231)를 일반화시킨 도면이다. 도 16을 참조하면, 상기 아날로그 평균화 회로(231)는, 서브 샘플링 모드 시에, 열 및 행 단위의 홀수번째 N 개 및 짝수번째 N 개의 리셋신호(VRES) 및 영상신호(VSIG)를 평균화하기 위하여, 도 13의 CDS 회로(236/237)와 동일한 동작을 하는 각 열의 CDS 회로(280) N개가 SAVG 신호의 제어를 받는 스위치(290)에 의하여 연결되어야 한다. In order to drive the subsampling mode for reducing the 1 / N resolution, the
도 17은 도 16 각각의 CDS 회로(290)의 구체적인 도면이다. 도 17을 참조하면, 도 16의 CDS 회로(290)의 구조는 도 14와 같은 구조로, 제6 스위치(291), 제7 스위치(292), 제3 영상신호 평균화부(293), 제3 리셋신호 평균화부(302), 제3 비교부(311), 제3 커패시터(314), 및 제3 증폭부(315)를 구비한다. 이와 같은 회로들의 동작은 도 14의 회로의 동작과 거의 같다. 단지, 제3 영상신호 평균화부(293) 및 제3 리셋신호 평균화부(302) 각각은 각 행의 리셋신호(VRES) 및 영상신호(VSIG)를 저장하기 위한 N개의 커패시터들(297~301, 306~310)을 구비한다. 램프신호(VRAMP) 가 상승하기 직전에, 이와 같은 커패시터들(297~301, 306~310)은 모두 스위치들(294~296, 303~305)이 모두 단락됨에 따라, N*N 개의 리셋신호(VRES)와 영상신호(VSIG)를 평균화시킨다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진자라면, 도 14의 설명에 따라 도 17의 회로 동작을 충분히 이해할 수 있으므로 도 17에 관한 구체적인 설명은 생략한다. FIG. 17 is a detailed view of the
한편, 상기 아날로그-디지털 변환부(230)가, 이와 같이 상기 평균화된 리셋신호([수학식 21])에 대한 상기 평균화된 영상신호([수학식 22])의 차이에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력함에 따라, 후속하는 소정 영상신호 처리부는 소정 보간(interpolation) 처리 등을 수행하여 LCD와 같은 디스플레이 장치로 출력한다. On the other hand, the analog-to-
위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 CIS형 고체 촬상 소자(200)는, 서브 샘플링 모드 구동 시, APS 어레이(210)의 모든 픽셀들에서 광전 변환된 영상신호들(VSIG) 중 버려지는 영상신호가 없도록 하기 위하여, 아날로그 평균화 회로(231)를 통하여 N 개의 행들로부터의 행 및 열 방향의 영상신호를 평균한 영상신호를 출력한다. 아날로그 평균화 회로(231)에서 출력되는 신호(VCD)는 디지털 신호 출력 회로(232)로 입력되고 디지털 신호로 변환되어 출력된다. As described above, the CIS-type solid-
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 CIS 형 고체 촬상 소자(200)에서는, 큰 커패시터 없이도 픽셀에서 출력되는 영상신호들을 아날로그적으로 평균화하여 동영상을 위한 서브 샘플링 모드를 구동할 수 있다. 이러한 기능에 의하여 CDS의 구동 주파수를 내리고, 동영상을 촬상할 때에 높은 프레임 레이트를 확보할 수 있다. 또한, 정지 영상을 고해상도로 촬상하는 것과, 동영상을 저소비 전력으로 촬상하는 것을 양립시킬 수 있다. As described above, in the CIS-type solid-
또한, 서브 샘플링 모드 구동시, 출력되지 않고 버려지는 영상신호 없이 모든 행 및 열의 영상신호를 활용하므로, 신호 크기가 증대되어 출력 신호의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 향상시키고, 디스플레이 상에서 나타나는 지그재그 노이즈를 저감하므로, 휴대폰 카메라, 또는 디지털 스틸 카메라와 같은 모바일 용 소용 시스템에 적용할 때, 디스플레이 품질을 개선시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고, 아날로그 평균화 방법을 적용하므로, 메모리를 사용하지 않아 칩 크기를 증가시키지 않는 효과가 있다.In addition, when driving the sub-sampling mode, the video signals of all rows and columns are used without any video signals that are not output and are discarded. Therefore, the signal size is increased to improve the dynamic range of the output signal and to suppress zigzag noise appearing on the display. As a result, the display quality can be improved when applied to mobile application systems such as mobile phone cameras or digital still cameras. In addition, since the analog averaging method is applied, there is an effect of not increasing the chip size without using a memory.
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