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KR102134636B1 - 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서 Download PDF

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KR102134636B1
KR102134636B1 KR1020140088219A KR20140088219A KR102134636B1 KR 102134636 B1 KR102134636 B1 KR 102134636B1 KR 1020140088219 A KR1020140088219 A KR 1020140088219A KR 20140088219 A KR20140088219 A KR 20140088219A KR 102134636 B1 KR102134636 B1 KR 102134636B1
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KR
South Korea
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unit pixels
unit
pixels
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control signal
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이경호
권희상
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삼성전자주식회사
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Abstract

이미지 센서의 단위 픽셀은 전하 생성부, 신호 생성부 및 접지 제어 트랜지스터를 포함한다. 전하 생성부는 입사광에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호에 응답하여 광전하를 플로팅 확산 영역에 제공한다. 신호 생성부는 리셋 제어 신호 및 로우 선택 신호에 기초하여 플로팅 확산 영역의 전위에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력한다. 접지 제어 트랜지스터는 플로팅 확산 영역 및 접지 전압 사이에 연결되고, 접지 제어 신호에 응답하여 턴온된다.

Description

이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서{UNIT PIXEL OF IMAGE SENSOR AND IMAGE SENSOR HAVING THE SAME}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동작 모드에 따라 활성화 또는 비활성화될 수 있는 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 단위 픽셀들을 사용하여 입사광을 감지하여 입사광을 나타내는 아날로그 신호를 생성하고, 단위 픽셀들로부터 생성되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 이미지 데이터를 생성한다.
따라서 이미지 센서의 해상도가 증가함에 따라 이미지 센서가 생성하는 이미지 데이터의 크기 역시 점점 증가하고 있다.
그러나 이미지 센서가 생성하는 이미지 데이터의 크기가 증가할수록 동영상 모드에서 높은 프레임 레이트(frame rate)를 유지하기가 점점 어려워지고 소비 전력 또한 점점 증가하게 된다.
이를 위해 일반적으로 인접 픽셀들로부터 생성되는 아날로그 신호를 사용하여 하나의 디지털 신호를 생성함으로써 이미지 데이터의 크기를 감소시키는 비닝(binning)이 사용된다.
그러나 이미지 센서에 다양한 기능이 포함됨에 따라 이미지 센서는 다양한 타입의 광신호에 응답하여 아날로그 신호를 생성하는 다양한 타입의 단위 픽셀들을 포함한다.
따라서 서로 다른 타입의 단위 픽셀들로부터 생성되는 아날로그 신호들을 사용하여 비닝을 수행하는 경우 이미지가 왜곡되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 동작 모드에 따라 활성화 또는 비활성화될 수 있는 이미지 센서의 단위 픽셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 전하 생성부, 신호 생성부 및 접지 제어 트랜지스터를 포함한다. 상기 전하 생성부는 입사광에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호에 응답하여 상기 광전하를 플로팅 확산 영역에 제공한다. 상기 신호 생성부는 리셋 제어 신호 및 로우 선택 신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 영역의 전위에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력한다. 상기 접지 제어 트랜지스터는 상기 플로팅 확산 영역 및 접지 전압 사이에 연결되고, 접지 제어 신호에 응답하여 턴온된다.
일 실시예에서, 상기 신호 생성부는, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 소스, 상기 접지 전압보다 높은 리셋 전압에 연결되는 드레인 및 상기 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터, 소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 게이트를 갖는 구동 트랜지스터, 및 상기 구동 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 상기 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 리셋 전압은 상기 전원 전압에 상응할 수 있다.
상기 접지 제어 트랜지스터는 제1 동작 모드에서 턴오프되고, 제2 동작 모드에서 턴온될 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서 상기 구동 트랜지스터는 턴온되어 상기 선택 트랜지스터는 상기 아날로그 신호를 출력하고, 상기 제2 동작 모드에서 상기 구동 트랜지스터는 턴오프되어 상기 선택 트랜지스터의 상기 소스는 플로팅(floating)될 수 있다.
제1 동작 모드에서 상기 리셋 제어 신호 및 상기 전달 제어 신호는 순차적으로 활성화되고 상기 접지 제어 신호는 비활성화 상태로 유지되고, 제2 동작 모드에서 상기 접지 제어 신호는 상기 리셋 제어 신호가 활성화되었다가 비활성화된 이후에 활성화 상태로 유지될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전하 생성부는, 상기 입사광에 응답하여 상기 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공하는 광전 변환부 및 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 드레인 및 상기 전달 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 전달 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전하 생성부는, 상기 입사광에 응답하여 상기 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공하는 제1ㅇ광전 변환부, 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 드레인 및 제1 전달 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 제1 전달 트랜지스터, 상기 입사광에 응답하여 상기 광전하를 생성하여 제2 노드에 제공하는 제2ㅇ광전 변환부, 및 상기 제2 노드에 연결되는 소스, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 드레인 및 제2 전달 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 제2 전달 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이, 아날로그-디지털 변환부, 및 제어부를 포함한다. 상기 픽셀 어레이는 로우들 및 컬럼들로 배열되고, 각각이 입사광에 상응하는 아날로그 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 포함한다. 상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 제어부는 상기 픽셀 어레이 및 상기 아날로그-디지털 변환부의 동작을 제어한다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은, 상기 입사광에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호에 응답하여 상기 광전하를 플로팅 확산 영역에 제공하는 전하 생성부, 리셋 제어 신호 및 로우 선택 신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 영역의 전위에 상응하는 크기를 갖는 상기 아날로그 신호를 출력하는 신호 생성부, 및 상기 플로팅 확산 영역 및 접지 전압 사이에 연결되고, 턴온되는 경우 상기 접지 전압을 상기 플로팅 확산 영역에 제공하는 접지 제어 트랜지스터를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 신호 생성부는, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 소스, 상기 접지 전압보다 높은 리셋 전압에 연결되는 드레인 및 상기 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터, 소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 게이트를 갖는 구동 트랜지스터, 및 상기 구동 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 상기 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 리셋 전압은 상기 전원 전압에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 단위 픽셀들은 복수의 제1 단위 픽셀들 및 복수의 제2 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 제1 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 상기 접지 전압에 연결되고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 접지 제어 신호를 수신할 수 있다.
상기 복수의 제1 단위 픽셀들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치되는 녹색 픽셀들, 적색 픽셀들 및 청색 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들은 오토 포커스(auto focus) 데이터를 생성하는 오토 포커스 픽셀을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 단위 픽셀들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치되는 녹색 픽셀들, 적색 픽셀들 및 청색 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들은 적외선에 상응하는 파장 대역의 광신호에 응답하여 동작하는 적외선 픽셀을 포함할 수 있다.
제1 동작 모드에서 상기 제어부는 상기 접지 제어 신호를 비활성화시키고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터는 상기 비활성화된 접지 제어 신호에 응답하여 턴오프되고, 제2 동작 모드에서 상기 제어부는 상기 접지 제어 신호를 활성화시키고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터는 상기 활성화된 접지 제어 신호에 응답하여 턴온될 수 있다.
상기 제1 동작 모드는 고화질의 이미지 데이터를 생성하는 풀 이미지 모드에 상응하고, 상기 제2 동작 모드는 동일한 컬러의 인접 픽셀들에 대해 비닝(binning) 동작을 수행하는 비닝 모드에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 단위 픽셀들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀들은 상대적으로 긴 노출 시간을 갖는 복수의 장노출 단위 픽셀들 및 상대적으로 짧은 상기 노출 시간을 갖는 복수의 단노출 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 장노출 단위 픽셀들 및 상기 복수의 단노출 단위 픽셀들은 상기 픽셀 어레이에서 모자이크 형식으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 단위 픽셀들 중에서 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들은 상기 플로팅 확산 영역, 상기 신호 생성부 및 상기 접지 제어 트랜지스터를 서로 공유하고, 2*2 비닝 수행시 사용되는 두 개의 단위 픽셀들에 의해 공유되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 상기 접지 전압에 연결되고, 2*2 비닝 수행시 사용되지 않는 단위 픽셀 및 2*2 비닝 수행시 사용되는 단위 픽셀에 의해 공유되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 접지 제어 신호를 수신할 수 있다.
상기 픽셀 어레이는 짝수 번째 컬럼들에 위치하는 단위 픽셀들로부터 생성되는 상기 아날로그 신호들 및 홀수 번째 컬럼들에 위치하는 단위 픽셀들로부터 생성되는 상기 아날로그 신호들을 교번하여 상기 아날로그-디지털 변환부에 제공할 수 있다.
2*2 비닝 수행시, 상기 제어부는 상기 픽셀 어레이의 짝수 번째 로우의 짝수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들 및 홀수 번째 로우의 홀수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들에는 활성화된 상기 접지 제어 신호를 제공하고, 상기 픽셀 어레이의 짝수 번째 로우의 홀수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들 및 홀수 번째 로우의 짝수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들에는 비활성화된 상기 접지 제어 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀은 동작 모드에 따라 활성화되는 경우 입사광에 상응하는 아날로그 신호를 출력하고, 비활성화되는 경우 아날로그 신호를 출력하지 않을 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서는 비닝 동작을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 제1 동작 모드에서 도 2에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4는 제2 동작 모드에서 도 2에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 도 1에 도시된 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 7 내지 9는 도 6의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 블록도들이다.
도 10a 및 10b는 제2 동작 모드에서 도 6에 도시된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 12는 도 11의 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13a 및 13b는 제2 동작 모드에서 도 11에 도시된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 14 및 15는 도 11의 이미지 센서에 포함되는 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들의 일 예를 나타내는 회로도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 17은 도 16의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 단위 픽셀(10)은 전하 생성부(CGU)(100), 신호 생성부(SGU)(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)를 포함한다.
전하 생성부(100)는 입사광(IL)에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호(TX)에 응답하여 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)에 제공한다. 예를 들어, 전하 생성부(100)는 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호(TX)가 활성화되는 경우 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)에 제공할 수 있다.
신호 생성부(200)는 리셋 제어 신호(RX) 및 로우 선택 신호(SEL)에 기초하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력한다. 전하 생성부(100)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되는 상기 광전하의 양에 기초하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 변하므로, 신호 생성부(200)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기는 입사광(IL)의 세기에 상응할 수 있다.
접지 제어 트랜지스터(300)는 플로팅 확산 영역(FD) 및 접지 전압(GND) 사이에 연결된다. 접지 제어 트랜지스터(300)는 접지 제어 신호(GX)가 인가되는 게이트를 포함한다. 따라서 접지 제어 트랜지스터(300)는 접지 제어 신호(GX)에 응답하여 턴온된다.
일 실시예에 있어서, 접지 제어 트랜지스터(300)는 제1 동작 모드에서 턴오프되고, 제2 동작 모드에서 턴온될 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서 접지 제어 트랜지스터(300)가 턴오프되는 경우, 접지 제어 트랜지스터(300)는 플로팅 확산 영역(FD)으로부터 접지 전압(GND)을 차단할 수 있다. 상기 제2 동작 모드에서 접지 제어 트랜지스터(300)가 턴온되는 경우, 접지 제어 트랜지스터(300)는 접지 전압(GND)을 플로팅 확산 영역(FD)에 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 접지 제어 트랜지스터(300)는 NMOS(n-type metal oxide semiconductor) 트랜지스터일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 복수개의 단위 픽셀(10)은 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 구성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 단위 픽셀(10a)은 전하 생성부(100a), 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)를 포함할 수 있다.
전하 생성부(100a)는 광전 변환부(110) 및 전달 트랜지스터(120)를 포함할 수 있다.
광전 변환부(110)는 입사광(IL)을 흡수하고 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하여 제1 노드(N1)에 제공할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광전 변환부(110)는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.
전달 트랜지스터(120)는 제1 노드(N1)에 연결되는 소스, 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 드레인 및 전달 제어 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 전달 트랜지스터(120)가 턴오프되는 경우, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다. 전달 트랜지스터(120)가 턴온되는 경우, 전달 트랜지스터(120)는 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전달 트랜지스터(120)는 NMOS 트랜지스터일 수 있다.
신호 생성부(200)는 리셋 트랜지스터(210), 구동 트랜지스터(220) 및 로우 선택 트랜지스터(230)를 포함할 수 있다.
리셋 트랜지스터(210)는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 소스, 리셋 전압(VRST)에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호(RX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 리셋 전압(VRST)은 접지 전압(GND)보다 높을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 리셋 전압(VRST)은 전원 전압(VDD)일 수 있다. 이하, 리셋 전압(VRST)은 전원 전압(VDD)인 것으로 설명한다.
구동 트랜지스터(220)는 로우 선택 트랜지스터(230)의 드레인에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 게이트를 포함할 수 있다.
로우 선택 트랜지스터(230)는 구동 트랜지스터(220)의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 아날로그 신호(AS)를 출력하는 소스를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 리셋 트랜지스터(210), 구동 트랜지스터(220) 및 로우 선택 트랜지스터(230)는 NMOS 트랜지스터일 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서, 단위 픽셀(10)은 활성화되어 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다. 상기 제2 동작 모드에서, 단위 픽셀(10)은 비활성화되어 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않을 수 있다.
도 3은 제1 동작 모드에서 도 2에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 동작 모드에서 접지 제어 신호(GX)는 논리 로우 레벨로 유지될 수 있다.
따라서 상기 제1 동작 모드에서 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴오프상태로 유지되고, 플로팅 확산 영역(FD)은 접지 전압(GND)으로부터 차단될 수 있다.
제1 시각(T1)에, 논리 하이 레벨로 활성화된 로우 선택 신호(SEL)가 로우 선택 트랜지스터(230)의 상기 게이트에 제공됨으로써 단위 픽셀(10)이 선택될 수 있다. 이 때, 전달 제어 신호(TX)는 턴오프 상태로 유지되어 전달 트랜지스터(120)는 턴오프되므로, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다.
제2 시각(T2)에, 논리 하이 레벨로 활성화된 리셋 제어 신호(RX)가 리셋 트랜지스터(210)의 상기 게이트에 제공되어 리셋 트랜지스터(210)는 턴온될 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 상기 광전하는 리셋 트랜지스터(210)를 통해 전원 전압(VDD)으로 유출될 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 전원 전압(VDD)으로 유지될 수 있다.
제3 시각(T3)에, 논리 로우 레벨로 비활성화된 리셋 제어 신호(RX)가 리셋 트랜지스터(210)의 상기 게이트에 제공되어 리셋 트랜지스터(210)는 턴오프될 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)은 전원 전압(VDD)으로부터 차단될 수 있다.
제4 시각(T4)에, 논리 하이 레벨로 활성화된 전달 제어 신호(TX)가 전달 트랜지스터(120)의 상기 게이트에 제공되어 전달 트랜지스터(120)는 턴온될 수 있다. 따라서 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하는 전달 트랜지스터(120)를 통해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달될 수 있다. 따라서 구동 트랜지스터(220)의 상기 게이트에 상응하는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 상기 광전하의 양에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 상기 광전하의 양이 증가함에 따라 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 전원 전압(VDD)으로부터 감소할 수 있다.
제5 시각(T5)에, 논리 로우 레벨로 비활성화된 전달 제어 신호(TX)가 전달 트랜지스터(120)의 상기 게이트에 제공되어 전달 트랜지스터(120)는 턴오프될 수 있다. 따라서 더 이상 제1 노드(N1)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 상기 광전하가 전달되지 않고, 제5 시각(T5) 이후, 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 일정하게 유지될 수 있다.
제5 시각(T5) 이후, 구동 트랜지스터(220)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)에 기초하여 턴온되고, 로우 선택 신호(SEL)는 논리 하이 레벨로 유지되어 로우 선택 트랜지스터(230)는 턴온되므로, 로우 선택 트랜지스터(230)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.
제6 시각(T6)에, 논리 로우 레벨로 비활성화된 로우 선택 신호(SEL)가 로우 선택 트랜지스터(230)의 상기 게이트에 제공됨으로써 단위 픽셀(10)의 선택이 해제될 수 있다.
도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 상기 제1 동작 모드에서, 리셋 제어 신호(RX) 및 전달 제어 신호(TX)는 순차적으로 활성화되는 동안 접지 제어 신호(GX)는 비활성화 상태로 유지되므로, 구동 트랜지스터(220)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)에 상응하는 세기로 턴온될 수 있다. 따라서 로우 선택 트랜지스터(230)는 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.
도 4는 제2 동작 모드에서 도 2에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4를 참조하면, 제1 시각(T1)에, 논리 하이 레벨로 활성화된 로우 선택 신호(SEL)가 로우 선택 트랜지스터(230)의 상기 게이트에 제공됨으로써 단위 픽셀(10)이 선택될 수 있다. 이 때, 전달 제어 신호(TX)는 턴오프 상태로 유지되어 전달 트랜지스터(120)는 턴오프되므로, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다.
제2 시각(T2)에, 논리 하이 레벨로 활성화된 리셋 제어 신호(RX)가 리셋 트랜지스터(210)의 상기 게이트에 제공되어 리셋 트랜지스터(210)는 턴온될 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 상기 광전하는 리셋 트랜지스터(210)를 통해 전원 전압(VDD)으로 유출될 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 전원 전압(VDD)으로 유지될 수 있다.
제3 시각(T3)에, 논리 로우 레벨로 비활성화된 리셋 제어 신호(RX)가 리셋 트랜지스터(210)의 상기 게이트에 제공되어 리셋 트랜지스터(210)는 턴오프될 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)은 전원 전압(VDD)으로부터 차단될 수 있다.
제7 시각(T7)에, 접지 제어 신호(GX)는 논리 하이 레벨로 활성화되어 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴온될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제7 시각(T7) 이후에, 접지 제어 신호(GX)는 논리 하이 레벨로 유지되므로, 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴온 상태로 유지될 수 있다.
따라서 제4 시각(T4)에서 제5 시각(T5) 사이에 전달 제어 신호(TX)가 논리 하이 레벨로 활성화되어 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하가 전달 트랜지스터(120)를 통해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되는 경우에도, 제7 시각(T7) 이후에, 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 접지 전압(GND)으로 유지될 수 있다.
제6 시각(T6)에, 논리 로우 레벨로 비활성화된 로우 선택 신호(SEL)가 로우 선택 트랜지스터(230)의 상기 게이트에 제공됨으로써 단위 픽셀(10)의 선택이 해제될 수 있다.
도 4를 참조하여 상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서, 제7 시각(T7) 이후에, 플로팅 확산 영역(FD)의 전위(VFD)는 접지 전압(GND)으로 유지되므로, 구동 트랜지스터(220)는 턴오프될 수 있다. 따라서 로우 선택 트랜지스터(230)는 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않고, 로우 선택 트랜지스터(230)의 상기 소스는 플로팅(floating)될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 단위 픽셀(10b)은 전하 생성부(100b), 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)를 포함할 수 있다.
도 5의 단위 픽셀(10b)에 포함되는 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)는 도 2의 단위 픽셀(10a)에 포함되는 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)와 동일할 수 있다. 도 2의 단위 픽셀(10a)에 포함되는 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)의 구성 및 동작에 대해서는 도 2 내지 4를 참조하여 상술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
전하 생성부(100b)는 제1 광전 변환부(110-1), 제2 광전 변환부(110-2), 제1 전달 트랜지스터(120-1) 및 제2 전달 트랜지스터(120-2)를 포함할 수 있다.
제1 광전 변환부(110-1)는 입사광(IL)을 흡수하고 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하여 제1 노드(N1)에 제공할 수 있다.
제1 전달 트랜지스터(120-1)는 제1 노드(N1)에 연결되는 소스, 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 드레인 및 제1 전달 제어 신호(TX1)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 제1 전달 트랜지스터(120-1)가 턴오프되는 경우, 제1 광전 변환부(110-1)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다. 제1 전달 트랜지스터(120-1)가 턴온되는 경우, 제1 전달 트랜지스터(120-1)는 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달할 수 있다.
제2 광전 변환부(110-2)는 입사광(IL)을 흡수하고 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하여 제2 노드(N2)에 제공할 수 있다.
제2 전달 트랜지스터(120-2)는 제2 노드(N2)에 연결되는 소스, 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 드레인 및 제2 전달 제어 신호(TX2)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 제2 전달 트랜지스터(120-2)가 턴오프되는 경우, 제2 광전 변환부(110-2)로부터 생성되는 상기 광전하는 제2 노드(N2)에 축적될 수 있다. 제2 전달 트랜지스터(120-2)가 턴온되는 경우, 제2 전달 트랜지스터(120-2)는 제2 노드(N2)에 축적된 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 광전 변환부(110-1) 및 제2 광전 변환부(110-2)는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 전달 트랜지스터(120-1) 및 제2 전달 트랜지스터(120-2)는 NMOS 트랜지스터일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 광전 변환부(110-1) 및 제2 광전 변환부(110-2)는 플로팅 확산 영역(FD), 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)를 공유할 수 있다.
단위 픽셀(10b)은 서로 상이한 시간에 제1 광전 변환부(110-1) 및 제2 광전 변환부(110-2) 각각에 대해 도 3 및 4를 참조하여 상술한 바와 같은 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제1 전달 제어 신호(TX1) 및 제2 전달 제어 신호(TX2)를 서로 상이한 시간에 활성화시킴으로써, 단위 픽셀(10b)은 제1 광전 변환부(110-1)로부터 생성된 상기 광전하에 기초하여 생성되는 아날로그 신호(AS) 및 제2 광전 변환부(110-2)로부터 생성된 상기 광전하에 기초하여 생성되는 아날로그 신호(AS)를 독립적으로 출력할 수 있다.
또한, 제1 전달 제어 신호(TX1)가 활성화되는 구간 및 제2 전달 제어 신호(TX2)가 활성화되는 구간에서 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨을 개별적으로 제어함으로써, 단위 픽셀(10b)은 제1 광전 변환부(110-1)로부터 생성된 상기 광전하에 기초하여 생성되는 아날로그 신호(AS)의 출력 여부 및 제2 광전 변환부(110-2)로부터 생성된 상기 광전하에 기초하여 생성되는 아날로그 신호(AS)의 출력 여부를 독립적으로 제어할 수 있다.
도 1 내지 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단위 픽셀(10)은 플로팅 확산 영역(FD) 및 접지 전압(GND) 사이에 연결되고 접지 제어 신호(GX)에 응답하여 턴온되는 접지 제어 트랜지스터(300)를 포함한다. 따라서 단위 픽셀(10)은 접지 제어 신호(GX)가 활성화되는 상기 제1 동작 모드에는 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력하고, 접지 제어 신호(GX)가 비활성화되는 상기 제2 동작 모드에는 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않을 수 있다. 따라서 단위 픽셀(10)은 동작 모드에 따라 선택적으로 활성화 또는 비활성화될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(20)는 픽셀 어레이(400), 아날로그-디지털 변환부(ADC)(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
픽셀 어레이(400)는 로우들 및 컬럼들로 배열되는 복수의 단위 픽셀들(P)(410)을 포함한다. 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(410) 각각은 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 생성한다.
아날로그-디지털 변환부(500)는 복수의 단위 픽셀들(410)로부터 제공되는 아날로그 신호(AS)를 디지털 신호(DS)로 변환한다.
제어부(600)는 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 전달 제어 신호(TX) 및 접지 제어 신호(GX)를 통해 픽셀 어레이(400)의 동작을 제어하고, 제어 신호(CON1)를 통해 아날로그-디지털 변환부(500)의 동작을 제어한다.
도 7 내지 9는 도 6의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 블록도들이다.
도 7을 참조하면, 단위 픽셀(410)은 전하 생성부(CGU)(100), 신호 생성부(SGU)(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)를 포함할 수 있다.
전하 생성부(100)는 입사광(IL)에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호(TX)에 응답하여 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 전하 생성부(100)는 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호(TX)가 활성화되는 경우 상기 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)에 제공할 수 있다.
신호 생성부(200)는 리셋 제어 신호(RX) 및 로우 선택 신호(SEL)에 기초하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다. 전하 생성부(100)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되는 상기 광전하의 양에 기초하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 변하므로, 신호 생성부(200)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기는 입사광(IL)의 세기에 상응할 수 있다.
도 7의 단위 픽셀(410)에 포함되는 전하 생성부(100) 및 신호 생성부(200)는 도 2의 단위 픽셀(10a)에 포함되는 전하 생성부(100a) 및 신호 생성부(200)와 동일할 수 있다. 도 2의 단위 픽셀(10a)에 포함되는 전하 생성부(100a) 및 신호 생성부(200)의 구성 및 동작에 대해서는 도 2 내지 4를 참조하여 상술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
접지 제어 트랜지스터(300)는 플로팅 확산 영역(FD) 및 접지 전압(GND) 사이에 연결될 수 있다.
접지 제어 트랜지스터(300)가 턴오프되는 경우, 접지 제어 트랜지스터(300)는 플로팅 확산 영역(FD)으로부터 접지 전압(GND)을 차단할 수 있다. 접지 제어 트랜지스터(300)가 턴온되는 경우, 접지 제어 트랜지스터(300)는 접지 전압(GND)을 플로팅 확산 영역(FD)에 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(410)은 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)을 포함할 수 있다. 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1) 사이에 분산되어 배치될 수 있다.
복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)은 컬러 데이터를 생성하는 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치되는 녹색 픽셀들, 적색 픽셀들 및 청색 픽셀들을 포함할 수 있다.
복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 상기 컬러 데이터와는 다른 종류의 데이터를 생성하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 오토 포커스(auto focus) 데이터를 생성하는 오토 포커스 픽셀들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 적외선에 상응하는 파장 대역의 광신호에 응답하여 동작하는 적외선 픽셀들을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 접지 전압(GND)에 연결될 수 있다. 따라서 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 제어부(600)로부터 제공되는 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨에 무관하게 턴오프 상태로 유지될 수 있다.
따라서 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)은 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨에 무관하게, 도 3을 참조하여 상술한 바와 같은 동작을 수행하여 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 제어부(600)로부터 제공되는 접지 제어 신호(GX)를 수신할 수 있다. 따라서 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨에 기초하여 턴온 또는 턴오프될 수 있다.
따라서 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨에 기초하여 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 즉, 제어부(600)로부터 제공되는 접지 제어 신호(GX)가 비활성화된 상태로 유지되는 경우, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 도 3을 참조하여 상술한 바와 같은 동작을 수행하여 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력하고, 제어부(600)로부터 제공되는 접지 제어 신호(GX)가 활성화되는 경우, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 도 4를 참조하여 상술한 바와 같은 동작을 수행하여 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않을 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 이미지 센서(20)는 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드로 동작할 수 있다.
상기 제1 동작 모드는 고화질의 이미지 데이터를 생성하는 풀 이미지 모드(full image mode)에 상응하고, 상기 제2 동작 모드는 동일한 컬러의 인접 단위 픽셀들에 대해 비닝(binning) 동작을 수행하는 비닝 모드(binning mode)에 상응할 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서, 제어부(600)는 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 로우들을 순차적으로 선택하고, 상기 선택된 로우에 포함되는 단위 픽셀들(410)에 도 3의 타이밍도에 따라 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 전달 제어 신호(TX) 및 접지 제어 신호(GX)를 제공할 수 있다.
즉, 상기 제1 동작 모드에서, 제어부(600)는 접지 제어 신호(GX)를 논리 로우 레벨로 비활성화된 상태로 유지할 수 있다. 따라서 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴오프될 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 접지 전압(GND)에 연결되므로, 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300) 역시 턴오프될 수 있다.
따라서, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 선택된 로우에 포함되는 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2) 각각은 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(500)는 픽셀 어레이(400)로부터 로우 단위로 제공되는 아날로그 디지털 신호들(AS) 각각에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호들(DS)을 생성할 수 있다.
상기 제2 동작 모드에서, 이미지 센서(20)는 동일한 컬러의 인접 단위 픽셀들에 대해 비닝(binning) 동작을 수행할 수 있다.
비닝 동작을 수행하기 위해, 제어부(600)는 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 로우들 중에서 비닝을 수행할 단위 픽셀들을 포함하는 복수의 로우들을 동시에 선택하고, 상기 선택된 로우들에 포함되는 단위 픽셀들(410)에 도 4의 타이밍도에 따라 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 전달 제어 신호(TX) 및 접지 제어 신호(GX)를 제공할 수 있다.
즉, 상기 제2 동작 모드에서, 제어부(600)는 접지 제어 신호(GX)를 활성화시키므로, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴온될 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 접지 전압(GND)에 연결되므로, 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴오프될 수 있다.
따라서 상기 선택된 로우들에 포함되는 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1) 각각은 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력함에 반해, 상기 선택된 로우들에 포함되는 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2) 각각은 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않을 수 있다.
비닝을 수행할 단위 픽셀들을 포함하는 복수의 로우들이 동시에 선택되므로, 상기 선택된 로우들에 포함되고 동일한 컬럼에 위치하는 제1 단위 픽셀들(410-1)로부터 출력되는 아날로그 신호들(AS)의 평균값이 아날로그-디지털 변환부(500)에 제공될 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(500)는 비닝을 수행할 단위 픽셀들을 포함하는 복수의 컬럼들로부터 제공되는 상기 평균값들의 평균에 기초하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다.
도 10a 및 10b는 제2 동작 모드에서 도 6에 도시된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10a 및 10b는 이미지 센서(20)가 픽셀 어레이(400) 상에서 동일한 컬러를 갖고 로우 방향으로 인접한 두 개의 단위 픽셀들 및 상기 동일한 컬러를 갖고 컬럼 방향으로 인접한 두 개의 단위 픽셀들을 포함하는 총 네 개의 픽셀들에 대해 2*2 비닝을 수행하는 경우를 나타낸다.
도 10a에서 각 단위 픽셀에 기재된 숫자(1, 2, ..., 16)들은 각 단위 픽셀의 번호를 나타낸다.
이미지 센서(20)에 포함되는 픽셀 어레이(400)는 도 10a에 도시된 바와 같이 청색 픽셀(B)과 녹색 픽셀(G)이 순차적으로 배치된 로우와 녹색 픽셀(G)과 적색 픽셀(R)이 순차적으로 배치된 로우가 교대로 배치된 베이어 패턴(bayer pattern)을 가질 수 있다.
여기서, 청색 픽셀(B), 녹색 픽셀(G) 및 적색 픽셀(R)은 제1 단위 픽셀(410-1)에 상응할 수 있다. 따라서 청색 픽셀(B), 녹색 픽셀(G) 및 적색 픽셀(R)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 접지 전압(GND)에 연결될 수 있다.
한편, 청색 픽셀(B), 녹색 픽셀(G) 및 적색 픽셀(R)들 사이에 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)이 배치될 수 있다. 도 10a에는 두 개의 픽셀들(6, 10)이 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)을 나타낸다.
픽셀 어레이(400)에 대해 2*2 비닝을 수행하는 경우, 도 10b에 도시된 바와 같이, 청색의 색상을 갖는 네 개의 픽셀들(1, 3, 9, 11)에 상응하는 아날로그 신호(AS)들의 평균을 사용하여 하나의 청색에 상응하는 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있고, 녹색의 색상을 갖는 네 개의 픽셀들(5, 7, 13, 15)에 상응하는 아날로그 신호(AS)들의 평균을 사용하여 하나의 녹색에 상응하는 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다.
그러나, 6번째 픽셀은 제2 단위 픽셀(410-2)에 상응하므로, 네 개의 픽셀들(6, 8, 14, 16)에 상응하는 아날로그 신호(AS)들의 평균을 사용하여 하나의 적색에 상응하는 디지털 신호(DS)를 생성하는 경우, 디지털 신호(DS)의 값이 왜곡될 수 있다.
마찬가지로, 10번째 픽셀은 제2 단위 픽셀(410-2)에 상응하므로, 네 개의 픽셀들(2, 4, 10, 12)에 상응하는 아날로그 신호(AS)들의 평균을 사용하여 하나의 녹색에 상응하는 디지털 신호(DS)를 생성하는 경우, 디지털 신호(DS)의 값이 왜곡될 수 있다.
그러나, 도 6 내지 9를 참조하여 상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서, 제어부(600)는 접지 제어 신호(GX)를 활성화시키므로, 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)에 포함되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴온될 수 있다. 따라서 복수의 제2 단위 픽셀들(410-2)은 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않으므로, 이미지 센서(20)는 복수의 제1 단위 픽셀들(410-1)로부터 출력되는 아날로그 신호들(AS)만을 사용하여 비닝을 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 10b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(20)는 제2 단위 픽셀(410-2)에 상응하는 6번째 픽셀은 제외하고, 세 개의 픽셀들(8, 14, 16)에 상응하는 아날로그 신호(AS)들만의 평균을 사용하여 하나의 적색에 상응하는 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다. 마찬가지로, 이미지 센서(20)는 제2 단위 픽셀(410-2)에 상응하는 10번째 픽셀은 제외하고, 세 개의 픽셀들(2, 4, 12)에 상응하는 아날로그 신호(AS)들만의 평균을 사용하여 하나의 녹색에 상응하는 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다.
도 6 내지 10b를 참조하여 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서(20)는 비닝 모드에서 사용하지 않을 제2 단위 픽셀들(410-2)로부터 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않으므로, 상기 제2 동작 모드에서 비닝 동작을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 이미지 센서(30)는 픽셀 어레이(400), 아날로그-디지털 변환부(ADC)(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
픽셀 어레이(400)는 로우들 및 컬럼들로 배열되는 복수의 단위 픽셀들(P)(410)을 포함한다. 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(410) 각각은 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 생성한다.
아날로그-디지털 변환부(500)는 복수의 단위 픽셀들(410)로부터 제공되는 아날로그 신호(AS)를 디지털 신호(DS)로 변환한다.
제어부(600)는 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 장노출 전달 제어 신호(TXL), 단노출 전달 제어 신호(TXS) 및 접지 제어 신호(GX)를 통해 픽셀 어레이(400)의 동작을 제어하고, 제어 신호(CON1)를 통해 아날로그-디지털 변환부(500)의 동작을 제어한다.
제어부(600)는 동일한 시각에 장노출 전달 제어 신호(TXL) 및 단노출 전달 제어 신호(TXS)를 활성화시킬 수 있다. 장노출 전달 제어 신호(TXL)는 활성화되는 구간의 길이가 상대적으로 길고, 단노출 전달 제어 신호(TXS)는 활성화되는 구간의 길이가 상대적으로 짧을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제어부(600)의 제어 하에, 픽셀 어레이(400)는 짝수 번째 컬럼들에 위치하는 단위 픽셀들(410)로부터 생성되는 아날로그 신호들(AS) 및 홀수 번째 컬럼들에 위치하는 단위 픽셀들(410)로부터 생성되는 아날로그 신호들(AS)을 교번하여 아날로그-디지털 변환부(500)에 제공할 수 있다.
도 12는 도 11의 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(410)은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치되는 복수의 녹색 픽셀들(G, g), 복수의 적색 픽셀들(R, r) 및 복수의 청색 픽셀들(B, b)을 포함할 수 있다.
또한, 복수의 단위 픽셀들(410)은 상대적으로 긴 노출 시간(exposure time)을 갖는 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B) 및 상대적으로 짧은 노출 시간을 갖는 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)을 포함할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B) 및 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)은 픽셀 어레이(400) 내에서 모자이크 형식으로 배치될 수 있다.
픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B)은 제어부(600)로부터 장노출 전달 제어 신호(TXL)를 수신하고, 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)은 제어부(600)로부터 단노출 전달 제어 신호(TXS)를 수신할 수 있다.
복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B)은 상대적으로 긴 노출 시간 동안 흡수된 입사광에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성하고, 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)은 상대적으로 짧은 노출 시간 동안 흡수된 입사광에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성하므로, 동일한 입사광에 대해, 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기와 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기는 서로 상이할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(400)가 모자이크 형식으로 배치된 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B) 및 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)을 포함하는 경우, 이미지 센서(30)는 광역 역광 보정(wide dynamic range; WDR) 기능을 수행할 수 있다.
이미지 센서(30)는 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드로 동작할 수 있다.
상기 제1 동작 모드는 고화질의 이미지 데이터를 생성하는 풀 이미지 모드(full image mode)에 상응하고, 상기 제2 동작 모드는 동일한 컬러의 인접 단위 픽셀들에 대해 비닝(binning) 동작을 수행하는 비닝 모드(binning mode)에 상응할 수 있다.
도 13a 및 13b는 제2 동작 모드에서 도 11에 도시된 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 13a 및 13b는 이미지 센서(30)가 픽셀 어레이(400) 상에서 동일한 컬러를 갖고 로우 방향으로 인접한 두 개의 단위 픽셀들 및 상기 동일한 컬러를 갖고 컬럼 방향으로 인접한 두 개의 단위 픽셀들을 포함하는 총 네 개의 픽셀들에 대해 2*2 비닝을 수행하는 경우를 나타낸다.
도 13a에는 예시적으로 픽셀 어레이(400)가 제0 내지 제7 로우들(R0, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7) 및 제0 내지 제7 컬럼들(C0, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7)을 포함하는 것으로 도시된다.
도 13a에서 각 단위 픽셀에 기재된 숫자(1, 2, ..., 64)들은 각 단위 픽셀의 번호를 나타낸다.
픽셀 어레이(400)에는 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B) 및 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)이 모자이크 형식으로 배치되므로, 도 13b에 도시된 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서, 이미지 센서(30)는 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B)에 기초하여 생성되는 장노출 비닝 픽셀들 및 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)에 기초하여 생성되는 단노출 비닝 픽셀들 역시 모자이크 형식으로 배치되도록 비닝 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 13a에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(30)는 청색의 색상을 갖는 네 개의 픽셀들(1, 3, 17, 19) 중에서 단노출 청색 픽셀들(3, 17)은 제외하고 장노출 청색 픽셀들(1, 19)을 사용하여 하나의 장노출 청색 비닝 픽셀을 생성할 수 있다.
녹색의 색상을 갖는 네 개의 픽셀들(2, 4, 18, 20)은 모두 단노출 녹색 픽셀들에 상응하므로, 이미지 센서(30)는 네 개의 단노출 녹색 픽셀들(2, 4, 18, 20)을 사용하여 하나의 단노출 녹색 비닝 픽셀을 생성할 수 있다.
이미지 센서(30)는 청색의 색상을 갖는 네 개의 픽셀들(5, 7, 21, 23) 중에서 장노출 청색 픽셀들(5, 23)은 제외하고 단노출 청색 픽셀들(7, 21)을 사용하여 하나의 단노출 청색 비닝 픽셀을 생성할 수 있다.
녹색의 색상을 갖는 네 개의 픽셀들(6, 8, 22, 24)은 모두 단노출 녹색 픽셀들에 상응하므로, 이미지 센서(30)는 네 개의 단노출 녹색 픽셀들(6, 8, 22, 24)을 사용하여 하나의 단노출 녹색 비닝 픽셀을 생성할 수 있다.
상기 제2 동작 모드에서, 이미지 센서(30)는 이와 같은 방식으로 픽셀 어레이(400)에 대해 2*2 비닝 동작을 수행하므로, 도 13b에 도시된 바와 같이, 장노출 비닝 픽셀들 및 단노출 비닝 픽셀들이 모자이크 형식으로 배치될 수 있다.
도 13a에서, X표시가 있는 픽셀은 상기 제2 동작 모드에서 2*2 비닝 동작 수행 시 사용되지 않는 픽셀들을 나타낸다.
도 14 및 15는 도 11의 이미지 센서에 포함되는 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들의 일 예를 나타내는 회로도들이다.
도 11, 14 및 15를 참조하면, 복수의 단위 픽셀들(410) 중에서 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들(420)은 도 5에 도시된 바와 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 복수의 단위 픽셀들(410) 중에서 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들(420)은 플로팅 확산 영역(FD), 신호 생성부(200) 및 접지 제어 트랜지스터(300)를 서로 공유할 수 있다.
도 13a 및 14에 도시된 바와 같이, 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들(420-1)이 2*2 비닝 동작 시 사용되는 단위 픽셀들만을 포함하는 경우, 2*2 비닝 동작 시 사용되는 단위 픽셀들만을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-1)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 접지 전압(GND)에 연결될 수 있다. 따라서 2*2 비닝 동작 시 사용되는 단위 픽셀들만을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-1)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 제어부(600)로부터 제공되는 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨에 무관하게 턴오프 상태로 유지될 수 있다.
도 13a 및 15에 도시된 바와 같이, 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들(420-2)이 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 경우, 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 제어부(600)로부터 제공되는 접지 제어 신호(GX)를 수신할 수 있다. 따라서 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 접지 제어 신호(GX)의 논리 레벨에 기초하여 턴온 또는 턴오프될 수 있다.
이 때, 복수의 장노출 단위 픽셀들(G, R, B)은 제어부(600)로부터 장노출 전달 제어 신호(TXL)를 전달 제어 신호(TX)로서 수신하고, 복수의 단노출 단위 픽셀들(g, r, b)은 제어부(600)로부터 단노출 전달 제어 신호(TXS)를 전달 제어 신호(TX)로서 수신할 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서, 제어부(600)는 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 로우들을 순차적으로 선택하고, 상기 선택된 로우의 짝수 번째 컬럼들에 포함되는 단위 픽셀들(410)에 도 3의 타이밍도에 따라 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 장노출 전달 제어 신호(TXL), 단노출 전달 제어 신호(TXS) 및 접지 제어 신호(GX)를 제공한 후, 상기 선택된 로우의 홀수 번째 컬럼들에 포함되는 단위 픽셀들(410)에 도 3의 타이밍도에 따라 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 장노출 전달 제어 신호(TXL), 단노출 전달 제어 신호(TXS) 및 접지 제어 신호(GX)를 제공할 수 있다.
즉, 상기 제1 동작 모드에서, 제어부(600)는 접지 제어 신호(GX)를 논리 로우 레벨로 비활성화된 상태로 유지할 수 있다. 따라서 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300)는 턴오프될 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 두 개의 단위 픽셀들(420-1)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300)의 게이트는 접지 전압(GND)에 연결되므로, 두 개의 단위 픽셀들(420-1)에 의해 공유되는 접지 제어 트랜지스터(300) 역시 턴오프될 수 있다.
따라서, 상기 제1 동작 모드에서, 픽셀 어레이(400)에 포함되는 모든 단위 픽셀들(410) 각각은 입사광(IL)의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(500)는 픽셀 어레이(400)로부터 제공되는 아날로그 디지털 신호들(AS) 각각에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호들(DS)을 생성할 수 있다.
상기 제2 동작 모드에서, 이미지 센서(30)는 동일한 컬러의 인접 단위 픽셀들에 대해 비닝(binning) 동작을 수행할 수 있다.
2*2 비닝 동작을 수행하기 위해, 제어부(600)는 픽셀 어레이(400)에 포함되는 복수의 로우들 중에서 비닝을 수행할 단위 픽셀들을 포함하는 복수의 로우들을 동시에 선택하고, 상기 선택된 로우들의 짝수 번째 컬럼들에 포함되는 단위 픽셀들(410)에 도 4의 타이밍도에 따라 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 장노출 전달 제어 신호(TXL) 및 단노출 전달 제어 신호(TXS)를 제공한 후, 상기 선택된 로우들의 홀수 번째 컬럼들에 포함되는 단위 픽셀들(410)에 도 4의 타이밍도에 따라 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 장노출 전달 제어 신호(TXL) 및 단노출 전달 제어 신호(TXS)를 제공할 수 있다.
이 때, 제어부(600)는 픽셀 어레이(400)의 짝수 번째 로우의 짝수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들 및 홀수 번째 로우의 홀수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들에는 논리 하이 레벨로 활성화된 접지 제어 신호(GX)를 제공하고, 픽셀 어레이(400)의 짝수 번째 로우의 홀수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들 및 홀수 번째 로우의 짝수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들에는 논리 로우 레벨로 비활성화된 접지 제어 신호(GX)를 제공함으로써, 2*2 비닝 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 13a 및 13b를 참조하면, 제어부(600)는 제0 및 제2 로우들(R0, R2)이 선택되는 경우, 짝수 번째 컬럼들(C0, C2, C4, C6)에는 논리 하이 레벨로 활성화된 접지 제어 신호(GX)를 제공하므로, 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 포함되는 픽셀들(17, 3, 5, 23)은 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않을 수 있다. 또한, 제어부(600)는 제0 및 제2 로우들(R0, R2)이 선택되는 경우, 홀수 번째 컬럼들(C1, C3, C5, C7)에는 논리 로우 레벨로 비활성화된 접지 제어 신호(GX)를 제공하므로, 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 포함되는 픽셀들(18, 4, 6, 24)은 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.
마찬가지로, 제어부(600)는 제1 및 제3 로우들(R1, R3)이 선택되는 경우, 짝수 번째 컬럼들(C0, C2, C4, C6)에는 논리 로우 레벨로 비활성화된 접지 제어 신호(GX)를 제공하므로, 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 포함되는 픽셀들(25, 11, 13, 31)은 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다. 또한, 제어부(600)는 제1 및 제3 로우들(R1, R3)이 선택되는 경우, 홀수 번째 컬럼들(C1, C3, C5, C7)에는 논리 하이 레벨로 활성화된 접지 제어 신호(GX)를 제공하므로, 2*2 비닝 동작 시 사용되지 않는 단위 픽셀을 포함하는 두 개의 단위 픽셀들(420-2)에 포함되는 픽셀들(26, 12, 14, 32)은 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않을 수 있다.
상기 제2 동작 모드에서, 비닝을 수행할 단위 픽셀들을 포함하는 복수의 로우들이 동시에 선택되므로, 상기 선택된 로우들에 포함되고 동일한 컬럼에 위치하는 단위 픽셀들(410)로부터 출력되는 아날로그 신호들(AS)의 평균값이 아날로그-디지털 변환부(500)에 제공될 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(500)는 비닝을 수행할 단위 픽셀들을 포함하는 복수의 컬럼들로부터 제공되는 상기 평균값들의 평균에 기초하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다.
도 11 내지 15를 참조하여 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서(30)는 비닝 모드에서 사용하지 않을 단위 픽셀들(410)로부터 아날로그 신호(AS)를 출력하지 않으므로, 광역 역광 보정(wide dynamic range; WDR) 기능을 수행하면서 동시에 비닝 동작을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서(910), 프로세서(920) 및 저장 장치(STORAGE DEVICE)(930)를 포함한다.
이미지 센서(910)는 입사광에 상응하는 디지털 신호를 생성한다. 이미지 센서(910)는 상기 입사광에 상응하는 아날로그 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 구비하는 픽셀 어레이 및 상기 아날로그 신호를 상기 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부를 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 플로팅 확산 영역 및 접지 전압 사이에 연결되고, 접지 제어 신호에 기초하여 턴온되는 접지 제어 트랜지스터를 포함할 수 있다. 상기 접지 제어 트랜지스터가 턴오프되는 경우, 상기 단위 픽셀은 상기 아날로그 신호를 출력하고, 상기 접지 제어 트랜지스터가 턴온되는 경우, 상기 단위 픽셀은 상기 아날로그 신호를 출력하지 않을 수 있다. 따라서, 이미지 센서(910)는 상기 접지 제어 신호를 사용하여 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터를 턴온시키거나 턴오프시킴으로써, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각을 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다.
이미지 센서(910)는 도 6에 도시된 이미지 센서(20) 및 도 11에 도시된 이미지 센서(30) 중의 하나로 구현될 수 있다. 도 6에 도시된 이미지 센서(20) 및 도 11에 도시된 이미지 센서(30)의 구성 및 동작에 대해서는 도 1 내지 15를 참조하여 상세히 설명하였으므로 여기서는 이미지 센서(910)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
저장 장치(930)는 이미지 센서(910)로부터 생성되는 상기 디지털 신호를 저장한다. 프로세서(920)는 이미지 센서(910) 및 저장 장치(930)의 동작을 제어한다.
컴퓨팅 시스템(900)은 메모리 장치(MEMORY DEVICE)(940), 입출력 장치(950) 및 전원 장치(960)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 16에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(900)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(920)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(920)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)일 수 있다. 프로세서(920)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 저장 장치(930), 메모리 장치(940) 및 입출력 장치(950)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(920)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.
저장 장치(930)는 플래시 메모리 장치(flash memory device), 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD), 씨디롬(CD-ROM) 및 모든 형태의 비휘발성 메모리 장치 등을 포함할 수 있다.
메모리 장치(940)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(940)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
입출력 장치(950)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치(960)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(910)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(920)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
이미지 센서(910)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(910)의 적어도 일부의 구성들은PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.
실시예에 따라서, 이미지 센서(910)는 프로세서(920)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서(910)를 포함하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(900)은 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등을 포함할 수 있다.
도 17은 도 16의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 17을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있고, RF 칩(1160)은 DigRF MASTER(1114)를 통하여 제어되는 DigRF SLAVE(1162)를 더 포함할 수 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 입사광을 감지하여 상기 입사광을 나타내는 신호를 출력하는 임의의 이미지 센서에 이용될 수 있다. 특히 정지영상 촬영을 위한 디지털 정지영상 카메라(Digital Still Camera, DSC) 시스템에 적용되어 고감도의 동영상 촬영 모드를 제공하는데 유용하게 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 로우들 및 컬럼들로 배열되고, 각각이 입사광에 상응하는 아날로그 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
    상기 입사광에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호에 응답하여 상기 광전하를 플로팅 확산 영역에 제공하는 전하 생성부;
    리셋 제어 신호 및 로우 선택 신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 영역의 전위에 상응하는 크기를 갖는 상기 아날로그 신호를 출력하는 신호 생성부; 및
    상기 플로팅 확산 영역 및 접지 전압 사이에 연결되고, 접지 제어 신호에 응답하여 턴온되는 접지 제어 트랜지스터를 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀들은 복수의 제1 단위 픽셀들 및 복수의 제2 단위 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 제1 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 상기 접지 전압에 연결되고,
    상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 접지 제어 신호를 수신하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 신호 생성부는,
    상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 소스, 상기 접지 전압보다 높은 리셋 전압에 연결되는 드레인 및 상기 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터;
    소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 게이트를 갖는 구동 트랜지스터; 및
    상기 구동 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 상기 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 선택 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 접지 제어 트랜지스터는 제1 동작 모드에서 턴오프되고, 제2 동작 모드에서 턴온되는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  4. 로우들 및 컬럼들로 배열되고, 각각이 입사광에 상응하는 아날로그 신호를 생성하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부; 및
    상기 픽셀 어레이 및 상기 아날로그-디지털 변환부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
    상기 입사광에 응답하여 광전하를 생성하고, 전달 제어 신호에 응답하여 상기 광전하를 플로팅 확산 영역에 제공하는 전하 생성부;
    리셋 제어 신호 및 로우 선택 신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 영역의 전위에 상응하는 크기를 갖는 상기 아날로그 신호를 출력하는 신호 생성부; 및
    상기 플로팅 확산 영역 및 접지 전압 사이에 연결되고, 턴온되는 경우 상기 접지 전압을 상기 플로팅 확산 영역에 제공하는 접지 제어 트랜지스터를 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀들은 복수의 제1 단위 픽셀들 및 복수의 제2 단위 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 제1 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 상기 접지 전압에 연결되고,
    상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 접지 제어 신호를 수신하는 이미지 센서.
  5. 삭제
  6. 제4 항에 있어서, 제1 동작 모드에서 상기 제어부는 상기 접지 제어 신호를 비활성화시키고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터는 상기 비활성화된 접지 제어 신호에 응답하여 턴오프되고,
    제2 동작 모드에서 상기 제어부는 상기 접지 제어 신호를 활성화시키고, 상기 복수의 제2 단위 픽셀들 각각에 포함되는 상기 접지 제어 트랜지스터는 상기 활성화된 접지 제어 신호에 응답하여 턴온되는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 동작 모드는 고화질의 이미지 데이터를 생성하는 풀 이미지 모드에 상응하고, 상기 제2 동작 모드는 동일한 컬러의 인접 픽셀들에 대해 비닝(binning) 동작을 수행하는 비닝 모드에 상응하는 이미지 센서.
  8. 제4 항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치되고,
    상기 복수의 단위 픽셀들은 상대적으로 긴 노출 시간을 갖는 복수의 장노출 단위 픽셀들 및 상대적으로 짧은 상기 노출 시간을 갖는 복수의 단노출 단위 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 장노출 단위 픽셀들 및 상기 복수의 단노출 단위 픽셀들은 상기 픽셀 어레이에서 모자이크 형식으로 배치되는 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀들 중에서 컬럼 방향으로 서로 인접한 두 개의 단위 픽셀들은 상기 플로팅 확산 영역, 상기 신호 생성부 및 상기 접지 제어 트랜지스터를 서로 공유하고,
    2*2 비닝 수행시 사용되는 두 개의 단위 픽셀들에 의해 공유되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 상기 접지 전압에 연결되고,
    2*2 비닝 수행시 사용되지 않는 단위 픽셀 및 2*2 비닝 수행시 사용되는 단위 픽셀에 의해 공유되는 상기 접지 제어 트랜지스터의 게이트는 접지 제어 신호를 수신하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서, 2*2 비닝 수행시, 상기 제어부는 상기 픽셀 어레이의 짝수 번째 로우의 짝수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들 및 홀수 번째 로우의 홀수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들에는 활성화된 상기 접지 제어 신호를 제공하고, 상기 픽셀 어레이의 짝수 번째 로우의 홀수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들 및 홀수 번째 로우의 짝수 번째 컬럼에 상응하는 픽셀들에는 비활성화된 상기 접지 제어 신호를 제공하는 이미지 센서.
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