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KR20090117192A - 외부로부터 유입된 노이즈 성분을 제거할 수 있는아날로그-디지털 변환 장치, 및 상기 아날로그-디지털 변환장치를 구비하는 이미지 촬상 장치 - Google Patents

외부로부터 유입된 노이즈 성분을 제거할 수 있는아날로그-디지털 변환 장치, 및 상기 아날로그-디지털 변환장치를 구비하는 이미지 촬상 장치 Download PDF

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KR20090117192A
KR20090117192A KR1020080043119A KR20080043119A KR20090117192A KR 20090117192 A KR20090117192 A KR 20090117192A KR 1020080043119 A KR1020080043119 A KR 1020080043119A KR 20080043119 A KR20080043119 A KR 20080043119A KR 20090117192 A KR20090117192 A KR 20090117192A
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KR
South Korea
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signal
pixel
sampling
output
analog
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KR1020080043119A
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English (en)
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염현수
한준수
김경민
임용
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

아날로그-디지털 변환 장치는 옵티컬 블랙 기준신호발생부, 램프신호생성기, 및 상관 이중 샘플링 블럭을 포함한다. 상기 옵티컬 블랙 기준신호발생부는 제1픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 상기 제1샘플링 신호와 제1기준신호에 기초하여 제2기준신호을 생성하고, 상기 램프신호생성기는 상기 제2기준신호에 기초하여 램프 신호를 생성하고, 상관 이중 샘플링 블럭은 제2픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상기 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링 신호를 생성하고, 상기 제2샘플링 신호와 상기 램프 신호를 비교하여 비교 신호를 출력한다. 본 발명에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 공급 전원으로부터 발생된 노이즈 성분과 상관 이중 샘플링 수행시 발생되는 노이즈 성분을 제거할 수 있는 효과가 있다.
이미지 센서, 옵티컬 블랙 픽셀, 상관 이중 샘플링

Description

외부로부터 유입된 노이즈 성분을 제거할 수 있는 아날로그-디지털 변환 장치, 및 상기 아날로그-디지털 변환 장치를 구비하는 이미지 촬상 장치{Apparatus for analog to digital converting for removing noise flowed from outside, and image pick-up device having the same}
본 발명은 이미지 촬상 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 픽셀 신호에 포함된 노이즈 성분을 제거함으로써 상기 픽셀 신호에 상응하는 이미지 신호를 출력할 수 있는 아날로그-디지털 변환 장치, 및 상기 아날로그-디지털 변환 장치를 포함하는 이미지 촬상 장치에 관한 것이다.
이미지 촬상 장치(image pick-up device)는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 주로 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD)를 이용한 이미지 촬상 장치와 CMOS 공정을 이용한 CMOS 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS)가 널리 사용되고 있다.
CMOS 이미지 센서는 CCD를 이용한 이미지 촬상 장치에 비해 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제작할 수 있으므로 경제적이며, 아날로그-디지털 변환 장치를 함께 하나의 칩(chip)에 집적할 수 있으므로 집적화에 유리하다. 또한, 상기 CMOS 이 미지 센서는 저전력 저전압 설계가 가능함에 따라 전력 소비가 적은 이동 전화기 (mobile phone), 및 디지털 카메라 등의 휴대용 기기에서 널리 사용되고 있다.
그러나, CMOS 이미지 센서는 상기 CCD를 이용한 이미지 촬상 장치와 달리 빛에 따라 반응하는 액티브 픽셀 센서(Activer Pixel Sensor; APS)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 고해상도의 아날로그-디지털 변환 장치를 필요로 하며, CCD에 비해 노이즈가 많이 발생한다. 이러한 노이즈는 CMOS 이미지 센서의 성능을 열화시키는 요인중에 하나이다.
CMOS 이미지 센서에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 방법으로 하나의 아날로그-디지털 변환기(Analog Digital Converter(ADC))를 사용하는 방법과 컬럼 ADC를 사용하는 방법이 있다.
하나의 ADC를 사용하는 방법은 고속으로 동작하는 하나의 ADC를 사용하여 정해진 시간 내에 모든 컬럼의 APS들로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 또한, 컬럼 ADC를 사용하는 방법은 간단한 구조를 갖는 ADC를 각각의 컬럼마다 배치하여 각각의 컬럼의 APS들로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 주로 전력 소모가 적은 컬럼 ADC를 사용한다.
일반적으로 아날로그-디지털 변환 장치는 이미지 촬상 장치 내의 노이즈를 줄이기 위하여 CDS 방식을 사용한다. CDS 방식은 일정한 전압 레벨을 유지하는 리셋신호와 영상신호와의 차이를 이용하여 노이즈을 억제하는 방식으로, CMOS 이미지 센서등과 같이 단위 픽셀로부터 출력된 픽셀 신호에서 쉽게 관찰 가능한 고정 패턴 잡음(Fixed Pattern Noise; FPN)등을 제거하여 원하는 신호 성분만을 검출하기 위 해 광범위하게 사용된다. 즉, CDS 방식은 단위 픽셀이 근본적을 가지고 있는 FPN과 단위 화소들 사이의 특성 차이로 인하 노이즈를 줄이는데 효과적이다.
그러나 종래의 CDS 방식은 CDS 블록 자체에서 생성된 전원 노이즈 및 스위칭에 의한 커플링 노이즈에 대해서는 좋은 노이즈 특성을 갖지만, CDS 블록 외부의 단위 픽셀로부터 생성된 픽셀 공급 전원 노이즈에 대해서는 효율적으로 대처하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, CDS 블록 외부에서 발생되는 노이즈를 제거할 수 있는 아날로그-디지털 변환 장치가 절실히 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 공급 전원 노이즈 및 스위칭 노이즈를 제거할 수 있는 아날로그-디지털 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 옵티컬 블랙 기준신호발생부, 램프 신호 생성기, 및 상관 이중 샘플링 블럭을 포함한다. 상기 옵티컬 블랙 기준신호발생부는 제1픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 상기 제1샘플링 신호와 제1기준신호에 기초하여 제2기준신호을 생성한다. 상기 램프신호생성기는 상기 제2기준신호에 기초하여 램프 신호를 생성한다. 상기 상관 이중 샘플링 블럭은 제2픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상기 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링 신호를 생성하고, 상 기 제2샘플링 신호와 상기 램프 신호를 비교하여 비교 신호를 출력한다.
상기 옵티컬 블랙 기준신호발생부는 상기 제1픽셀로부터 출력된 상기 픽셀신호에 대해 상기 상관 이중 샘플링을 수행하여 상기 제1샘플링 신호를 생성하는 상관 이중 샘플링 회로와 상기 제1샘플링 신호를 버퍼링하여 상기 제2기준신호을 생성하기 위한 증폭기를 포함한다.
상기 램프 신호생성기는 전압-전류 변환기, 비교기, 및 스위칭 소자를 포함한다. 상기 전압-전류 변환기는 출력 노드와 제1전원을 수신하기 위한 제1단자 사이에 접속되고, 상기 출력 노드의 전압을 분배하여 분배된 전압을 피드백 신호로서 출력하고 상기 출력 노드의 전압을 기초하여 상기 램프 신호를 생성한다. 상기 비교기는 상기 제2기준 신호와 상기 피드백 신호를 비교하여 비교 신호를 출력한다. 상기 스위칭 소자는 제2전원을 수신하기 위한 제2단자와 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 비교 신호에 응답하여 스위칭 동작을 수행한다.
상기 제1픽셀은 옵티컬 블랙(Optical Black) 픽셀이고, 상기 제2픽셀은 단위 픽셀이다.
상기 램프 신호 생성기는 상기 비교기의 출력단자와 상기 출력 노드 사이에 접속되는 밀러 보상 캐패시터를 더 포함한다.
상기 제1기준신호는 일정한 전압 레벨을 유지하는 기준전압이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 촬상 장치는 활성 영역, 옵티컬 블랙 영역, 옵티컬 블랙 기준전압발생부, 램프신호생성기, 및 상관이중샘플링 블럭을 포함한다. 상기 활성영역은 제1픽셀을 포함하고, 상기 옵티컬 블랙 영역은 제2픽셀을 포함한다. 상기 옵티컬 블랙 기준신호발생부는 상기 제1픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 상기 제1샘플링 신호와 제1기준신호에 기초하여 제2기준신호을 생성한다. 상기 램프신호생성기는 상기 제2기준신호에 기초하여 램프 신호를 생성한다. 상기 상관이중샘플링 블럭은 상기 제2픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링 신호를 생성하고, 상기 제2샘플링 신호와 상기 램프 신호를 비교하여 비교 신호를 출력한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 공급 전원 노이즈 및 스위칭 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 밀러 보상 캐패시터를 이용하여 램프 신호를 안정적으로 출력하고, 레이아웃 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치를 포함하는 이미지 촬상 장치의 개략적인 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다. 도 2에 도시된 이미지 촬상 장치(10)는 싱글 슬로프(single slope) ADC를 포함하는 이미지 촬상 장치(10)로 구현될 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 이미지 촬상 장치(10)는 픽셀 어레이(pixel array)와 같은 활성 영역(20), 옵티컬 블랙(Optical Black; OB) 픽셀 어레이와 같은 옵티컬 블랙 영역(25), 로우 디코더(row decoder; 30), 컬럼 디코더(column decoder, 35), 타이밍 생성기(Timing Generator(TG), 40), 기준신호발생기(45), 램프 신호 생성기(60), 및 아날로그-디지털 변환 블럭(90)를 포함한다.
아날로그-디지털 변환 블럭(90)은 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling(CDS)) 블럭(70)과 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter(ADC), 80)를 포함한다.
활성 영역(20)은 다수의 로우(row)들과 다수의 컬러(column)들 사이에 2차원 매트릭스 형태로 배열된 다수의 단위 픽셀들을 포함한다. 활성 영역(20)은 로우 디코더(30)로부터 출력된 제어신호들(예컨대, TX, RX, SEL)에 응답하여 어느 하나의 컬럼으로부터 출력되는 각각의 픽셀 신호(Pixel<0> - Pixel<n>)를 각각의 CDS 회로(71, 73 및 75)로 전송한다.
일반적으로 단위 픽셀은 광전 변환을 수행하는 광 감지 소자와 다수의 트랜지스터들을 포함하며, 상기 광 감지 소자는 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터로 구현될 수 있다. 예컨대, 단위 픽셀이 하나의 광 감지 소자와 4개의 트랜지스터들을 포함하는 4-TR 구조로 구현되는 경우, 픽셀 어레이(20)는 로우 디코더(30)로부터 출력된 제어신호들(TX, RX, SEL)에 응답하여 단위 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호 즉, 리셋 신호와 영상 신호를 증폭하여 CDS 블럭(70)으로 전송한다.
단위 픽셀들 각각은 상기 단위 픽셀을 구동하기 위한 공급 전원 예컨대, 전원 전압을 수신하기 위한 단자에 접속되어 있다. 이에 따라 상기 공급 전원으로부터 생성된 공급 전원 노이즈가 픽셀 신호로 유입되고, 유입된 공급 전원 노이즈는 상기 픽셀 신호와 함께 증폭되어 CDS 블럭(70)으로 전송된다. 이러한 원치 않는 노이즈 성분 예컨대, 공급 전원 노이즈는 CDS 블럭(70)에서의 아날로그-디지털 변환 동작에 반영되어 디지털 신호 값에 영향을 미치게 된다.
옵티컬 블랙 영역(25)은 다수의 옵티컬 블랙 픽셀들을 포함한다. 옵티컬 블랙 영역(25)은 활성 영역(20)과 달리 상부를 모두 금속으로 덮어 외부로부터 입사되는 빛을 완전히 차단한 영역으로서, 빛에 의한 영향을 받지 않으므로 광전 변환에 의해 생성되는 신호 없이 옵티컬 블랙 픽셀의 내부에서 생성되는 전자들만을 기초하여 옵티컬 블랙 신호를 출력한다.
옵티컬 블랙 영역(25)의 옵티컬 블랙 픽셀들에 공급되는 공급 전원은 활성 영역(20)의 단위 픽셀들에 공급되는 공급 전원과 동일하다. 따라서 옵티컬 블랙 영역(25)으로부터 출력되는 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel)에 포함된 공급 전원의 노이즈는 활성 영역(20)으로부터 출력되는 픽셀 신호(Pixel<0>-Pixel<n>, 여기서 n은 자연수이다)에 포함되는 공급 전원의 노이즈와 동일하다. 즉, 옵티컬 블랙 영역(25)은 활성 영역(20)에서 생성된 공급 전원 노이즈와 동일한 노이즈를 옵티컬 블랙 신호를 통해 효과적으로 전달할 수 있다.
로우 디코더(30)는 픽셀 어레이(20)에 접속되며, 타이밍 생성기(40)로부터 출력된 제어신호들에 응답하여 순차적으로 또는 미리 지정된 순서에 따라 픽셀 어레이(20)의 로우(row)를 선택한다.
컬럼 디코더(35)는 픽셀 어레이(20)에 접속되며, 타이밍 생성기(40)로부터 출력된 제어신호들에 응답하여 순차적으로 또는 미리 지정된 순서에 따라 픽셀 어레이(20)의 컬럼(column)을 선택한다.
즉, 이미지 촬상 장치(10)의 픽셀 어레이(20)는 로우 디코더(30)와 컬럼 디코더(35)에 의하여 선택된 적어도 하나의 픽셀로부터 생성된 픽셀 신호, 즉 아날로그 신호들(리셋 신호와 영상신호)을 아날로그-디지털 변환 블럭(90)으로 출력한다.
타이밍 생성기(40)는 픽셀 어레이(20), 로우 디코더(30), 컬럼 디코더(35), 타이밍 생성기(40), 기준신호발생기(45), 램프 신호 생성기(60), 및 아날로그-디지털 변환 장치(90) 중에서 적어도 하나의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어신호를 생성한다.
기준신호발생기(45)는 노이즈의 변동에 상관없이 일정한 레벨을 유지하는 제1기준신호(Vref)을 생성한다. 제1기준신호(Vref)는 OB 기준신호발생부(50)의 기준신호로서 제공된다.
또한, 기준신호발생기(45)는 OB 기준신호발생부(50)를 포함한다. OB 기준신호발생부(50)는 옵티컬 블랙 영역(25)으로부터 출력된 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel) 에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 생성된 제1샘플링 신호와 제1기준신호(Vref)에 기초하여 제2기준신호(도 3에 도시된 VOB _ in1)을 생성한다.
도 1에서는 기준신호발생기(45)가 OB 기준신호발생부(50)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, OB 기준신호발생부(50)는 기준신호발생기(45)의 외부에 어디에라도 구현이 가능하다.
램프 신호 생성기(60)는 OB 기준신호발생부(50)로부터 출력된 제2기준신호(VOB _ in1)에 기초하여 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel)에 포함된 공급 전원 노이즈와 CDS 회로(57) 내의 스위칭 노이즈를 레플리카한 램프 신호(Vramp)를 출력한다.
아날로그-디지털 변환 블록(90)은 CDS 블록(70)과 아날로그-디지털 변환기(80)를 포함하며, 단위 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호(Pixel<0>-Pixel<n>)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링 신호(도 3에 도시된 VIN1)를 생성하고, 상기 제2샘플링 신호(VIN1)와 램프 신호(Vramp)에 기초하여 디지털 신호를 생성한다.
도 2를 참조하면, 아날로그-디지털 변환 장치는 기준신호발생기(45), OB 기준신호발생부(50), 램프 신호 생성기(60), 및 CDS 블럭(70)을 포함한다.
옵티컬 블랙(Optical Black; OB) 기준신호발생부(50)는 옵티컬 블랙 픽셀(이하, "제1픽셀"이라 한다)로부터 출력되는 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 생성된 제1샘플링 신호를 기초하여 제2기준신호(VOB _ in1)을 생성한다.
램프 신호 생성기(60)는 OB 기준신호발생부(50)로부터 출력되는 제2기준신호(VOB _ in1)에 기초하여 주기적인 램프 신호(Vramp)를 발생한다.
CDS 블럭(70)은 각각의 컬럼마다 접속된 다수의 CDS 회로(71, 73 및 75)를 포함한다. CDS 회로(71, 73 또는 75)는 어느 하나의 컬럼에 접속된 단위 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호(Pixel<0>-Pixel<n>)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링신호(VIN1)를 생성하고, 제2샘플링신호(VIN1)와 램프 신호(Vramp)를 비교하여 비교 결과에 따른 디지털 신호를 생성하기 위한 비교 신호를 출력한다.
도 3은 도 2의 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 도를 나타낸다. 이하, 도 2와 도 3을 참조하여 공급 전원 노이즈와 스위칭 노이즈를 제거할 수 있는 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명한다.
OB 기준신호발생부(50)는 CDS 회로(57)와 증폭기(또는 버퍼, 55)를 포함하고, 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel)에 기초하여 제2기준신호(VOB _ in1)을 생성한다.
CDS 회로(57)는 다수의 스위치들(SW1 및 SW2), 캐패시터(C0), 및 제1비교기(51)를 포함한다. CDS 회로(57)는 도 3에 도시된 스위칭 신호들(S1 및 S3)에 기초하여 제1픽셀로부터 출력된 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel)에 대하여 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링신호 또는 제1샘플링신호의 적어도 일부와 연관된 신호를 발생한다.
증폭기(55)는 제1샘플링 신호 또는 상기 제1샘플링신호의 적어도 일부와 연관된 신호를 버퍼링하여 제2기준신호(VOB _ in1)을 생성한다. 본 발명의 실시 예에서 증폭기(55)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구현되며, 이에 한정되는 것은 아니다.
CDS 회로(57)가 샘플링 동작을 수행하는 경우, 즉 CDS 회로(57) 내에서 다수의 스위치들(SW1 및 SW3) 각각이 스위칭 신호들(S1 및 S3)에 응답하여 턴-온 또는 턴-오프될 때 스위칭 노이즈가 발생된다. 또한 CDS 회로(57)에는 옵티컬 블랙 신호(OB_Pixel)를 통해 제1픽셀의 공급 전원으로부터 생성된 공급 전원 노이즈가 유입된다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 제2기준신호(VOB _ in1)에는 제1픽셀의 옵티컬 블랙 신호뿐만 아니라 제1픽셀의 공급 전원으로부터 유입된 공급 전원 노이즈와 CDS 회로(57) 내부에서 생성된 스위칭 노이즈를 함께 포함한다.
상술한 바와 같이, OB 기준신호발생부(50)는 CDS 블럭(70)에 포함된 CDS 회로(71, 73 및 75)와 동일한 구성을 갖는 CDS 회로(57)를 포함하고, 단위 픽셀로부터 출력된 픽셀 신호를 샘플링 동작을 수행하는 경우 발생되는 노이즈 성분(예컨대, 단위 픽셀로부터 유입된 공급 전원 노이즈와 CDS 회로(57) 내에서 생성된 스위칭 노이즈)을 레플리카한 램프 신호(Vramp)를 출력한다.
램프 신호 생성기(60)는 전압-전류 변환기(또는 V-I 변환기, 63), 제2비교기(61), 스위칭 소자(P1), 및 외장 캐패시터(CL)를 구비하는 제1패드(65)를 포 함하며, OB 기준신호발생부(50)로부터 출력된 제2기준신호(VOB _ in1)에 기초하여 주기적인 램프 신호(Vramp)를 생성한다.
전압-전류 변환기(63)는 출력 노드(ND1)와 제1전압(VSS)을 수신하는 제1단자 사이에 접속되는 분배기와 전류원(Ib)를 포함한다. 분배기는 출력노드(ND1)와 제1노드(ND2)에 접속되는 제1저항(R1)과 상기 제1노드(ND2)와 제1단자 사이에 접속되는 제2저항(R2)을 포함한다. 분배기는 출력노드(ND1)의 전압을 분배하고, 분배된 전압을 제1노드(ND2)에서 피드백 신호로서 출력한다. 분배 전압은 제1저항과 제2저항의 저항값에 기초하여 조절되며, 제2비교기(61)의 제2입력단자(+)로 피드백된다.
또한, 전류원(Ib)은 출력 노드(ND1)로부터 제3저항(R3)을 통해 제1단자에 접속되고, 출력 노드(ND1)의 전압을 기초하여 램프 신호(Vramp)를 출력한다.
제2비교기(61)는 제1입력단자(-)를 통해 입력된 제2기준신호(VOB _ in1)와 제2입력단자(+)를 통해 입력된 피드백 신호를 비교하여 비교결과를 출력한다.
스위칭 소자(P1)는 제2전압(VDD)과 출력 노드(ND1) 사이에 접속되며, 제2비교기(61)로부터 출력되는 비교 결과에 따라 턴-온되어 제2전압(VDD)을 수신하는 제2단자와 출력노드(ND1) 사이의 전류 패스를 형성한다.
상기 스위칭 소자(P1)는 PMOSFET 또는 NMOSFET로 구현될 수 있다. 예컨대, 스위칭 소자(P1)가 PMOSFET로 구현되는 경우, 스위칭 소자(P1)는 제1레벨(예컨대, 로우레벨)을 갖는 비교 신호에 응답하여 턴-온 상태를 유지한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 제1픽셀에서 생성된 공급 전원 노이즈와 CDS 회로(57)내에서 샘플링 동작시 생성된 스위칭 노이즈를 레플리카(replica)한 램프 신호(Vramp)를 생성할 수 있다. 램프 신호(Vramp)는 CDS 블럭(70)의 기준 신호로서 공급된다.
CDS 블럭(70)은 각각의 컬럼마다 접속되는 다수의 CDS 회로(71, 73, 및 75)를 포함하고, CDS 회로(71, 73, 및 75)는 다수의 스위치들(SW1 및 SW2), 캐패시터, 및 제3비교기(50)를 포함한다.
픽셀 어레이(20)는 로우 디코더(30)로부터 출력된 제어신호(예컨대, TX, RX 및 SEL)에 응답하여 어느 하나의 컬럼에 접속된 단위 픽셀(이하, "제2픽셀"이라 한다)의 픽셀 신호 즉, 리셋 신호(Vres)와 영상 신호(Vsig)를 각각의 CDS 회로(71, 73, 및 75)로 순차적으로 출력하고, CDS 회로(71, 73 및 75)는 스위칭 신호(S1 및 S3)에 응답하여 리셋 신호(Vres)를 샘플링한 후, 영상 신호(Vsig)를 샘플링한다.
즉, CDS 회로(71, 73 및 75)는 제2픽셀로부터 출력된 픽셀 신호(Pixel<0> - Pixel<n>)에 대하여 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링신호(VIN1)를 발생한다.
여기서, CDS 회로(71, 73 및 75)가 리셋 신호(Vres)에 대하여 샘플링 동작을 수행하는 구간을 '리셋 신호 샘플링 구간'(①-③)이라 하고, 영상 신호(Vsig)에 대하여 샘플링 동작을 수행하는 구간을 '영상 신호 샘플링 구간'(④-⑤)이라 한다.
제3 비교기(59)는 제1입력단자(-)를 통해 입력된 제2샘플링 신호(VIN1)와 제2입력단자(+)를 통해 입력된 램프 신호(Vramp)를 비교하여, 비교 결과에 따라 비교 신호를 출력한다.
하향 램핑이 시작될 때, 즉 램프 신호(Vramp)가 감소되는 동안, 아날로그-디지털 변환기(80)는 클럭신호의 개수를 카운트하고, 비교 신호가 제1레벨(예컨대, 로우 레벨)에서 제2레벨(예컨대, 하이 레벨)로 천이될 때 카운트된 신호를 디지털 신호로서 출력한다. 즉, 감소되는 램프 신호(Vramp)의 레벨이 제2샘플링 신호(VIN1)의 레벨에 도달하는 시점(T1)에서의 카운트 값이 디지털 신호를 의미하며, 결과적으로 디지털 신호는 리셋 신호(Vres)와 영상 신호(Vsig)의 차이(Vres-Vsig)에 해당하는 변화량(△Signal, 이하 "영상 신호 변화량"이라 한다) 또는 램프 신호(Vramp)의 변화량(△Vramp)에 상응하는 출력 값이다.
결과적으로 램프 신호의 변화량(△Vramp)은 제2샘플링 신호(VIN1)에 포함된 노이즈 성분에 의해 기준 전위가 변동될 수 있으며, 이에 따라 램프 신호 변화량(△Vramp)과 영상 신호 변화량(△Signal)이 서로 다른 값을 갖는다. 이 경우, 아날로그-디지털 변환 장치로부터 출력되는 디지털 신호에는 오차가 발생할 수 있다. 이로 인해 종래의 아날로그-디지털 변환 장치는 광전 변환에 의해 생성된 영상 신호에 상응하는 이미지 신호를 출력할 수 없었다.
리셋 신호 샘플링 구간(①-③) 동안, 비교기(59)의 제1입력단자(-)로 입력되는 제2샘플링 신호(VIN1, 수학식 1에서는 VIN11, 즉 VIN1=VIN11)와 램프 신호(Vramp, 수학식 1에서는 Vramp1 , 즉 Vramp=Vramp1), 및 상기 제2샘플링신호(VIN1=VIN11)와 상기 램프 신호(Vramp1)의 차이(VDiff, 수학식 1에서는 VDiff1, 즉 VDiff=VDiff1)는 수학식 1과 같이 나타내진다.
Figure 112008033021113-PAT00001
여기서, Vref는 제1기준신호(Vref)이고, △VS3는 스위치(S1 및 S3)의 턴-오프시 발생되는 스위칭 노이즈 성분, △Vpower는 공급 전원의 노이즈 성분을 각각 가리킨다.
수학식 1을 참조하면, 제3 비교기(59)의 제1입력단자(-)로 입력된 제2샘플링 신호(VIN1=VIN11)와 제2입력단자(+)로 입력된 램프 신호(Vramp=Vramp1)는 서로 동일하므로 제3 비교기(59)로 입력된 제2샘플링 신호(VIN=VIN11)와 램프 신호(Vramp=Vramp1)는 서로 상쇄된다.
또한, 영상 신호 샘플링 구간(④-⑤)동안, 제3비교기(59)로 입력되는 제2샘플링 신호(VIN1, 수학식 2에서는 VIN12, 즉 VIN1=VIN12)와 램프 신호(Vramp, 수학식 2에서는 Vramp2 , 즉Vramp=Vramp2), 및 상기 제2샘플링 신호(VIN1=VIN12)와 램프 신호(Vramp=Vramp2)의 차이(VDiff, 수학식 2에서는 VDiff2, 즉 VDiff=VDiff2)는 수학식 2와 같이 나타내진다.
Figure 112008033021113-PAT00002
여기서, △Signal은 리셋 동작 이후 제2픽셀로부터 출력되는 리셋 신호(Vres)와 영상 신호(Vsig)의 차이(Vres-Vsig) 즉, 영상 신호 변환량을 나타낸다.
수학식2를 참조하면 영상 신호 샘플링 구간(④-⑤)동안, 제3 비교기(59)의 제1입력단자(-)로 입력된 제2샘플링 신호(VIN1=VIN12)의 노이즈 성분과 제2입력단자(+)로 입력된 램프 신호(Vramp=Vramp2)의 노이즈 성분은 서로 상쇄되고, 실제 원하는 이미지 신호 즉, 영상 신호의 변화량(△Signal)만이 남는다.
영상 신호 샘플링 구간(④-⑤) 이후, 즉 램프 신호(Vramp)가 하향(downward) 램프를 시작할 때, 제3 비교기(59)는 제2샘플링 신호(VIN1)와 램프 신호(Vramp)를 비교하여 디지털 신호를 생성하기 위한 비교 신호를 출력한다.
램프 신호(Vramp)가 하향 램핑을 수행함에 따라 제3비교기(59)의 제2입력단자(+)에 입력되는 램프 신호(Vramp)의 레벨도 감소한다. 제3비교기(59)는 램프신호(Vramp)의 레벨이 제2샘플링신호(VIN1)의 레벨보다 높은 동안에는 제1 레벨(예컨대, 로우 레벨)을 갖는 비교 신호를 출력하고, 램프 신호(Vramp)의 레벨이 제2샘플링 신호(VIN1)의 레벨보다 같거나 낮아지면 제2레벨(예컨대, 하이 레벨)을 갖는 비교 신호를 출력한다.
즉, 수학식2에 도시된 바와 같이, 제2샘플링 신호(VIN1)에 포함된 노이즈 성분과 램프 신호(Vramp)에 포함된 노이즈 성분이 서로 상쇄되어 결국 영상 신호의 변화량(△Signal)만이 남음으로써, 램프 신호(Vramp)가 하향 램프를 시작할 때부터 비교 신호가 천이 되는 시점(T1)까지 감소하는 램프 신호의 변화량(△Vramp)은 상기 영상 신호의 변화량(△Signal)과 동일하다. 즉, 영상 신호의 변화량(△Signal)과 램프 신호의 변화량 (△Vramp)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008033021113-PAT00003
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그 디지털 변환 장치는 픽셀 어레이(20)에서 생성된 공급 전원 노이즈와 CDS 회로(71, 73 및 75) 내에서 생성된 스위칭 노이즈를 레플리카한 램프 신호(Vramp)를 생성하여, 노이즈 성분을 레플리카한 램프 신호(Vramp)를 CDS 회로(71, 73 및 75)의 기준 신호로서 제공한다.
이에 따라 본 발명은 단위 픽셀의 출력 신호에 포함된 노이즈 성분과 램프 신호에 포함된 노이즈 성분이 서로 상쇄됨으로써 기존의 아날로그-디지털 변환 장치로부터 출력된 출력 신호에 잔류되어 있던 노이즈 성분까지 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 영상 신호의 변화량(△Signal)과 동일한 램프 신호의 변화량(△Vramp)을 출력할 수 있으므로, 광전 변화량에 상응하는 정확한 이미지 신호를 출력할 수 있다.
상기 CDS 블록(70)에 포함된 CDS 회로(71, 73 및 75)는 OB 기준신호발생부(50)에 포함된 CDS 회로(57)와 구성 및 동작이 동일하며, 상기 CDS 회로(71, 73, 75, 및 57) 각각은 제1비교기(51) 또는 제2비교기(57)로부터 출력된 비교신호를 기준신호(REF)와 비교하기 위한 비교기(53)을 더 구비할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 아날로그-디지털 변환 장치는 기준신호발생기(45), OB 기준신호발생부(50), 램프 신호 생성기(69), 및 CDS 블럭(70)을 포함한다.
아날로그-디지털 변환 장치는 램프 신호 생성기(69)를 제외하고 도 4에 도시된 기준신호발생기(45), OB 기준신호발생부(50), 및 CDS 블럭(70)의 구성 및 동작이 도 2의 OB 기준신호발생부(50)를 포함하는 기준신호발생기(45)와 CDS 블럭(70) 각각과 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여 구체적인 설명은 생략된다.
램프 신호 생성기(69)는 전압-전류 변환기(또는 V-I 변환기, 63), 제2비교기(61), 스위칭 소자(P1), 밀러 보상 캐패시터(Cc), 및 제1패드(65)를 포함한다. OB 기준신호발생부(50)로부터 출력된 제2기준신호(VOB _ in1)에 기초하여 주기적인 램프 신호(Vramp)를 생성한다.
전압-전류 변환기(63)는 출력 노드(ND1)와 제1단자 사이에 접속되는 분배기와 전류원(Ib)를 포함한다. 분배기는 출력노드(ND1)와 제1노드(ND2)에 접속되는 제1저항(R1)과 상기 제1노드(ND2)와 제1단자 사이에 접속되는 제2저항(R2)을 포함한다. 분배기는 출력노드(ND1)의 전압을 분배하고, 분배된 전압을 제1노드(ND2)에서 피드백 신호로서 출력한다. 또한, 전류원(Ib)은 출력 노드(ND1)로부터 제3저항(R3)을 통해 제1단자에 접속되고, 출력 노드(ND1)의 전압을 기초하여 램프 신호(Vramp)를 생성한다.
제2비교기(61)는 제1입력단자(-)를 통해 입력된 제2기준신호(VOB _ in1)과 제2입력단자(+)를 통해 입력된 피드백 신호를 비교하여 비교결과를 출력한다.
스위칭 소자(P1)는 제2단자와 출력 노드(ND1) 사이에 접속되며, 제2비교기(61)로부터 출력되는 비교 결과에 따라 턴-온되어 제2전압(VDD)과 출력노드(ND1) 사이의 전류 패스를 형성한다.
밀러 보상 캐패시터(Cc)는 제2비교기(61)의 출력단자와 출력 노드(ND1) 사이에 접속된다.
램프 신호 생성기(69)는 제1 패드(65)에 접속되는 부하 캐패시턴스(미 도시)에 의하여 출력 노드(ND1)의 전압이 불안정하다. 일반적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 램프 신호 생성기(60)는 제1패드(65)에 외장 캐패시터(CL)를 삽입하여 출력 노드(ND1)의 전압을 안정화시킨다. 즉, 외장 캐패시터(CL)은 제1패드(65)에 접속된 부하 캐패시턴스(미 도시)에 의한 노이즈의 영향을 최소화시켜 출력 노드(ND1)의 전압 레벨을 안정화시킬 수 있다. 그러나 제1패드(65)에 접속된 부하 캐패시턴스가 커질수록, 외장 캐패시터(CL)의 사이즈가 증가함에 따라 아날로그-디지털 변환 장치의 레이아웃 면적이 증가하는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 램프 신호 생성기(69)는 밀러 보상 캐패시터(Cc)를 이용하여 외장 캐패시터(CL) 없이도 출력노드(ND1)의 전압 레벨을 안정화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 램프 신호 생성기(69)는 외장 캐패시터(CL)를 제거함으로써 레이아웃 사이즈를 줄일 수 있다. 또한, 램프 신호 생성기(69)에 외장 캐패시터(CL)를 삽입하는 공정을 제거함으로써 생산 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 제1픽셀에서 생성된 공급 전원 노이즈와 CDS 회로(57) 내에서 샘플링 동작시 생성된 스위칭 노이즈를 레플리카(replica)한 램프 신호(Vramp)를 생성하고, 램프 신호(Vramp)는 CDS 블럭(70)의 기준 신호로서 공급함으로써 아날로그-디지털 변환시 발생되는 오차를 보정할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환기(80)는 OB 기준신호발생부(50)로부터 출력된 램프 신호(Vramp)를 이용하여 단위 픽셀의 픽셀 신호의 샘플링 동작을 수행시 발생되는 노이즈 성분을 제거함으로써 고해상도의 이미지 신호를 출력할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 아날로그-디지털 변환 장치는 외부로부터 발생된 공급 전원 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치를 포함하는 이미지 촬상 장치의 개념적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 아날로그-디지털 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 아날로그-디지털 변환 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.

Claims (8)

  1. 제1픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 상기 제1샘플링 신호와 제1기준신호에 기초하여 제2기준신호을 생성하는 옵티컬 블랙 기준신호발생부;
    상기 제2기준신호에 기초하여 램프 신호를 생성하는 램프신호생성기; 및
    제2픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상기 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링 신호를 생성하고, 상기 제2샘플링 신호와 상기 램프 신호를 비교하여 비교 신호를 출력하는 상관 이중 샘플링 블럭를 포함하는 아날로그-디지털 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 옵티컬 블랙 기준신호발생부는,
    상기 제1픽셀로부터 출력된 상기 픽셀신호에 대해 상기 상관 이중 샘플링을 수행하여 상기 제1샘플링 신호를 생성하는 상관 이중 샘플링 회로; 및
    상기 제1샘플링 신호를 버퍼링하여 상기 제2기준신호을 생성하기 위한 증폭기를 포함하는 아날로그-디지털 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 램프 신호생성기는,
    출력 노드와 제1전원을 수신하기 위한 제1단자 사이에 접속되고, 상기 출력 노드의 전압을 분배하여 분배된 전압을 피드백 신호로서 출력하고 상기 출력 노드 의 전압을 기초하여 상기 램프 신호를 생성하는 전압-전류 변환기;
    상기 제2기준 신호와 상기 피드백 신호를 비교하여 비교 신호를 출력하는 비교기; 및
    제2전원을 수신하기 위한 제2단자와 상기 출력 노드 사이에 접속되고, 상기 비교 신호에 응답하여 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 소자를 포함하는 아날로그-디지털 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 PMOSFET 또는 NMOSFET로 구현되는 아날로그-디지털 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1픽셀은 옵티컬 블랙(Optical Black) 픽셀이고, 상기 제2픽셀은 단위 픽셀인 아날로그-디지털 변환 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 램프 신호 생성기는,
    상기 비교기의 출력단자와 상기 출력 노드 사이에 접속되는 밀러 보상 캐패시터를 더 포함하는 아날로그-디지털 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1기준신호는 일정한 전압 레벨을 유지하는 기준전압인 아날로그-디지털 변환 장치.
  8. 제1픽셀을 포함하는 활성 영역;
    제2픽셀을 포함하는 옵티컬 블랙 영역;
    상기 제1픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1샘플링 신호를 생성하고, 상기 제1샘플링 신호와 제1기준신호에 기초하여 제2기준신호을 생성하는 옵티컬 블랙 기준신호발생부;
    상기 제2기준신호에 기초하여 램프 신호를 생성하는 램프 신호생성기; 및
    상기 제2픽셀로부터 출력된 픽셀신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2샘플링 신호를 생성하고, 상기 제2샘플링 신호와 상기 램프 신호를 비교하여 비교 신호를 출력하는 상관 이중 샘플링 블럭를 포함하는 이미지 촬상 장치.
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KR20170079091A (ko) * 2015-12-30 2017-07-10 에스케이하이닉스 주식회사 램프 신호 발생 장치 및 그를 이용한 씨모스 이미지 센서
US10051215B2 (en) 2016-01-26 2018-08-14 SK Hynix Inc. Pixel biasing device for canceling ground noise of ramp signal and image sensor including the same
KR20240035398A (ko) 2021-07-20 2024-03-15 도요보 가부시키가이샤 적층체 롤

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