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KR20220105292A - 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법 - Google Patents

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KR20220105292A
KR20220105292A KR1020210007819A KR20210007819A KR20220105292A KR 20220105292 A KR20220105292 A KR 20220105292A KR 1020210007819 A KR1020210007819 A KR 1020210007819A KR 20210007819 A KR20210007819 A KR 20210007819A KR 20220105292 A KR20220105292 A KR 20220105292A
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pixel
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reset
generating
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KR1020210007819A
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English (en)
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송정은
박유진
서성욱
신민석
이후찬
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에스케이하이닉스 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일실시예는 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 전달 신호에 응답해 전하를 전달 및 저장하고, 선택 신호에 응답해 상기 저장된 전하에 대응하는 픽셀 신호를 리드 아웃하는 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 스위치 신호를 바탕으로 상기 픽셀 신호 및 램프 신호를 비교해서 거리 정보 신호를 생성하는 신호 변환기, 및 상기 픽셀 신호를 리드 아웃하는 구간에서 상기 스위치 신호를 생성해서 상기 신호 변환기를 초기화하는 신호 제어기를 제공한다.

Description

이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법{IMAGE SENSING DEVICE AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은 반도체 설계 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 소자이다. 이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. 최근에는 아날로그 및 디지털 제어회로를 하나의 집적회로(IC) 위에 직접 구현할 수 있는 장점으로 인하여 CMOS를 이용한 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 실시예는 리드 아웃된 픽셀 신호를 바탕으로 A/D(analog to digital) 변환을 위한 오프셋 전압을 설정해서, 노이즈 발생을 줄일 수 있는 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 전달 신호에 응답해 전하를 전달 및 저장하고, 선택 신호에 응답해 상기 저장된 전하에 대응하는 픽셀 신호를 리드 아웃하는 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이; 스위치 신호를 바탕으로 상기 픽셀 신호 및 램프 신호를 비교해서 거리 정보 신호를 생성하는 신호 변환기; 및 상기 픽셀 신호를 리드 아웃하는 구간에서 상기 스위치 신호를 생성해서 상기 신호 변환기를 초기화하는 신호 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 동작 방법은, 선택 신호에 응답해 단위 픽셀에 저장된 제1 및 제2 전하들에 각각 대응하는 제1 및 제2 픽셀 신호들을 리드 아웃하는 단계; 스위치 신호에 응답해 상기 리드 아웃된 제1 및 제2 픽셀 신호들과 램프 신호를 사이의 오프셋 전압을 설정하는 단계; 전달 신호에 응답해 상기 제1 및 제2 픽셀 신호들을 리셋하는 단계; 및 상기 램프 신호에 응답해 상기 리셋된 제1 및 제2 픽셀 신호들의 전압 변화 차이에 대응하는 거리 정보 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 리드 아웃된 픽셀 신호를 바탕으로 A/D(analog to digital) 변환을 위한 오프셋 전압을 설정하고, 픽셀 신호를 리셋한 상태에서 A/D 변환을 수행할 수 있다. 오프셋 전압을 설정하고 A/D 변환을 수행하는 동안, 단위 픽셀에 포함되는 트랜지스터, 즉, 구동 트랜지스터가 동일한 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 단위 픽셀의 트랜지스터의 문턱 전압 변화로 인한 노이즈, 예를 들면, 고정 패턴 노이즈(fixed pattern noise)를 제거하고, 이미지 센싱 장치로부터 생성된 거리 정보 신호의 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio)를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 신호변환기를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 동작을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "접속"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 접속"되어 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 접속"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음을 알 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 블록도를 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 TOF(time of flight) 방식을 이용하여 피사체(200)와의 거리(depth)를 나타내는 거리 정보 신호(DOUT)를 생성할 수 있다. 예컨대, 이미지 센싱 장치(100)는 피사체(200)에게 출력되는 제1 광신호(MS)와 피사체(200)로부터 반사되는 제2 광신호(RS)의 위상차를 검출함으로써 거리 정보 신호(DOUT)를 생성할 수 있다. 이미지 센싱 장치(100)는 광 발신기(110), 광 수신기(120), 신호 제어기(130), 픽셀 어레이(140), 및 신호 변환기(150)를 포함할 수 있다.
광 발신기(110)는 피사체(200)에게 제1 광신호(MS)를 출력할 수 있다. 이때, 제1 광신호(MS)는 주기적으로 토글링하는 주기 신호일 수 있다.
광 수신기(120)는 피사체(200)로부터 반사되는 제2 광신호(RS)를 입력받을 수 있다. 광 수신기(120)는 제2 광신호(RS)에서 주변광(ambient light) 등에 따른 잡음을 제거하고 제1 광신호(MS)에 대응하는 제3 광신호(RS')를 픽셀 어레이(140)에게 제공할 수 있다.
신호 제어기(130)는 픽셀 어레이(140) 및 신호 변환기(150)를 제어하기 위한 제어 신호들(MIXA/B, ROWs, SW, VRAMP)을 생성할 수 있다. 도 1을 참조하면, 신호 제어기(130)는 위상 신호 생성부(132), 제어 신호 생성부(134), 및 램프 신호 생성부(136)를 포함할 수 있다.
위상 신호 생성부(132)는 서로 다른 위상을 가지는 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB)은 180도의 위상 차이를 가질 수 있다. 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB)은 제1 광신호(MS)와 동일한 주기를 가지며, 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB) 중 어느 하나는 제1 광신호(MS)와 동일한 위상을 가질 수 있다.
제어 신호 생성부(134)는 픽셀 어레이(140)를 로우 별로 제어하기 위한 복수의 로우 신호들(ROWs)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호 생성부(134)는 픽셀 어레이(140)의 제1 로우에 배열된 픽셀들을 제어하기 위한 제1 로우 신호들을 생성할 수 있고, 픽셀 어레이(140)의 제n 로우에 배열된 픽셀들을 제어하기 위한 제n 로우 신호들을 생성할 수 있다(단, 'n'은 2보다 큰 자연수). 또한, 제어 신호 생성부(134)는 신호 변환기(150)를 초기화하는 스위치 신호(SW)를 생성할 수 있다.
램프 신호 생성부(136)는 램프 신호(VRAMP)를 생성해서 신호 변환기(150)로 전송할 수 있다. 램프 신호(VRAMP)는 전압 레벨이 저전압에서 고전압 사이에 정해진 기울기로 상승하는 신호를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(140)는 제3 광신호(RS'), 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB), 및 복수의 로우 신호들(ROWs)을 바탕으로 복수의 픽셀 신호들(VPXs)을 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(140)는 피사체(200)와의 거리를 측정하기 위한 적어도 하나의 단위 픽셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단위 픽셀은 복수의 로우 신호들(ROWs)을 바탕으로 선택될 수 있고, 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB)과 제3 광신호(RS')를 바탕으로 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)을 생성할 수 있다. 이와 같은 단위 픽셀의 구성은 도 2를 참조하여 보다 더 구체적으로 설명한고자 한다.
신호변환기(150)는 복수의 픽셀 신호들(VPXs)을 바탕으로 피사체(200)와의 거리를 나타내는 거리 정보 신호(DOUT)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 신호변환기(150)는 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)을 각각 A/D(analog to digital) 변환하고 A/D 변환된 신호를 연산해서 거리 정보 신호(DOUT)를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이(140)에 포함된 단위 픽셀의 회로도를 나타내고 있다. 도 2를 참조하면, 하나의 단위 픽셀은 제1 픽셀(TAPA) 및 제2 픽셀(TAPB) 쌍을 포함할 수 있다.
제1 픽셀(TAPA)은 리셋 신호(RX), 전달 신호(TX), 선택 신호(SX), 및 제1 위상 신호(MIXA)를 바탕으로 제1 픽셀 신호(VPX_A)를 생성할 수 있다. 이때, 리셋 신호(RX), 전달 신호(TX), 및 선택 신호(SX)는 앞서 설명한 복수의 로우 신호들(ROWs)에 포함되는 신호일 수 있다. 도 2를 참조하면, 제1 픽셀(TAPA)은 제1 센싱 회로(P1), 제1 리셋 회로(RT1), 제1 전달 회로(TT1), 제1 전하 저장 회로(C1), 제1 구동 회로(DT1), 및 제1 선택 회로(ST1)를 포함할 수 있다.
제1 센싱 회로(P1)는 제1 노드(N1)와 저전압단 사이에 접속될 수 있다. 제1 센싱 회로(P1)는 제1 위상 신호(MIXA)에 응답해 제3 광신호(RS')에 대응하는 제1 전하들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 센싱 회로(P1)는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
제1 리셋 회로(RT1)는 고전압단과 제1 노드(N1) 사이에 접속될 수 있다. 제1 리셋 회로(RT1)는 리셋 신호(RX)에 응답해 제1 센싱 회로(P1)와 제1 전하 저장 회로(C1)를 리셋할 수 있다. 예컨대, 제1 리셋 회로(RT1)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제1 전달 회로(TT1)는 제1 노드(N1)와 제1 플로팅 확산(floating diffusion) 노드(FD1) 사이에 접속될 수 있다. 제1 전달 회로(TT1)는 전달 신호(TX)에 응답해 제1 전하 저장 회로(C1)를 리셋하고, 제1 센싱 회로(P1)로부터 생성된 제1 전하들을 제1 전하 저장 회로(C1)에 전달할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 픽셀(TAPA)의 리드 아웃 구간에서 제1 전달 회로(TT1)는 전달 신호(TX)에 응답해 제1 전하 저장 회로(C1)를 리셋할 수 있다. 예를 들어, 제1 전달 회로(TT1)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제1 전하 저장 회로(C1)는 제1 플로팅 확산 노드(FD1)와 상기 저전압단 사이에 접속될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 픽셀(TAPA)의 리드 아웃 구간에서 제1 전하 저장 회로(C1)는 제1 전달 회로(TT1)에 의해 리셋될 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장 회로(C1)는 기생 캐패시터를 포함할 수 있다.
제1 구동 회로(DT1)는 고전압단과 제1 선택 회로(ST1) 사이에 접속될 수 있다. 제1 구동 회로(DT1)는 제1 플로팅 확산 노드(FD1)에 걸린 전압을 바탕으로 고전압단을 통해 공급되는 고전압으로 제1 컬럼 라인(COL1)을 구동할 수 있다. 예를 들어, 제1 구동 회로(DT1)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제1 선택 회로(ST1)는 제1 구동 회로(DT1)와 제1 컬럼 라인(COL1) 사이에 접속될 수 있다. 제1 선택 회로(ST1)는 선택 신호(SX)에 응답해 제1 구동 회로(DT1)와 제1 컬럼 라인(COL1)을 선택적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 선택 회로(ST1)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제2 픽셀(TAPB)은 리셋 신호(RX), 전달 신호(TX), 선택 신호(SX), 및 제2 위상 신호(MIXB)를 바탕으로 제2 픽셀 신호(VPX_B)를 생성할 수 있다. 도 2를 참조하면, 제2 픽셀(TAPB)은 제2 센싱 회로(P2), 제2 리셋 회로(RT2), 제2 전달 회로(TT2), 제2 전하 저장 회로(C2), 제2 구동 회로(DT2), 및 제2 선택 회로(ST2)를 포함할 수 있다.
제2 센싱 회로(P2)는 제2 노드(N2)와 저전압단 사이에 접속될 수 있다. 제2 센싱 회로(P2)는 제2 위상 신호(MIXB)에 응답해 제3 광신호(RS')에 대응하는 제2 전하들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제2 센싱 회로(P2)는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
제2 리셋 회로(RT2)는 고전압단과 제2 노드(N2) 사이에 접속될 수 있다. 제2 리셋 회로(RT2)는 리셋 신호(RX)에 응답해 제2 센싱 회로(P2)와 제2 전하 저장 회로(C2)를 리셋할 수 있다. 예를 들어, 제2 리셋 회로(RT2)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제2 전달 회로(TT2)는 제2 노드(N2)와 제2 플로팅 확산 노드(FD2) 사이에 접속될 수 있다. 제2 전달 회로(TT2)는 전달 신호(TX)에 응답해 제2 전하 저장 회로(C2)를 리셋하고, 제2 센싱 회로(P2)로부터 생성된 상기 제2 전하들을 제2 전하 저장 회로(C2)에 전달할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 픽셀(TAPB)의 리드 아웃 구간에서 제2 전달 회로(TT1)는 전달 신호(TX)에 응답해 제2 전하 저장 회로(C2)를 리셋할 수 있다. 예컨대, 제2 전달 회로(TT2)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제2 전하 저장 회로(C2)는 제2 플로팅 확산 노드(FD2)와 저전압단 사이에 접속될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제2 픽셀(TAPB)의 리드 아웃 구간에서 제2 전하 저장 회로(C2)는 제2 전달 회로(TT2)에 의해 리셋될 수 있다. 예를 들어, 제2 전하 저장 회로(C2)는 기생 캐패시터를 포함할 수 있다.
제2 구동 회로(DT2)는 고전압단과 제2 선택 회로(ST2) 사이에 접속될 수 있다. 제2 구동 회로(DT2)는 제2 플로팅 확산 노드(FD2)에 걸린 전압을 바탕으로 고전압단을 통해 공급되는 고전압으로 제2 컬럼 라인(COL2)을 구동할 수 있다. 예를 들어, 제2 구동 회로(DT2)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제2 선택 회로(ST2)는 제2 구동 회로(DT2)와 제2 컬럼 라인(COL2) 사이에 접속될 수 있다. 제2 선택 회로(ST2)는 선택 신호(SX)에 응답해 제1 구동 회로(DT2)와 제2 컬럼 라인(COL2)을 선택적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제2 선택 회로(ST2)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 신호변환기(150)의 일예를 블록도로 나타내고 있다.
신호변환기(150)는 제1 픽셀 신호(VPX_A) 및 제2 픽셀 신호(VPX_B)와 램프 신호(VRAMP)의 전압 레벨 차이에 대응하는 제1 카운트 신호(CNT1) 및 제2 카운트 신호(CNT2)를 생성할 수 있다. 신호변환기(150)는 제1 픽셀 신호(VPX_A) 및 제2 픽셀 신호(VPX_B)를 처리하기 위해 동일한 구성을 포함할 수 있어, 도 3은 제1 픽셀 신호(VPX_A) 및 제2 픽셀 신호(VPX_B) 중 하나를 처리하는 구성만을 대표로 설명하고 있다.
도 3을 참조하면, 신호변환기(150)는 제1 및 제2 입력부들(C3, C4), 제1 및 제2 스위칭부들(SW1, SW2), 비교부(310), 및 카운팅부(320)를 포함할 수 있다. 비록, 도 3에 도시되지는 않았지만, 신호변환기(150)는 제1 카운트 신호(CNT1) 및 제2 카운트 신호(CNT2)를 연산해서 카운트 값의 차이를 거리 정보 신호(DOUT)로 출력하는 구성, 예를 들면, 논리 연산부를 더 포함할 수 있다.
제1 입력부(C3)는 제1 픽셀 신호(VPX_A, 또는 제2 픽셀 신호(VPX_B))를 수신해서 입력 신호(VIN_A, 또는 VIN_B)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 입력부(C3)는 제1 픽셀 신호(VPX_A, 또는 VPX_B)를 샘플링해서 입력 신호(VIN_A, 또는 VIN_B)를 생성하는 캐패시터를 포함할 수 있다.
제2 입력부(C4)는 램프 신호(VRAMP)를 수신해서 기준 신호(VREF)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제2 입력부(C4)는 램프 신호(VRAMP)를 샘플링해서 기준 신호(VREF)를 생성하는 캐패시터를 포함할 수 있다.
비교부(310)는 입력 신호(VIN_A, 또는 VIN_B) 및 기준 신호(VREF)를 비교해서 비교 신호(VOUTP_A, 또는 VOUTP_B)를 출력할 수 있다. 비교부(310)는 기준 신호(VREF)의 전압 레벨이 입력 신호(VIN_A, 또는 VIN_B)와 같아질 때까지 비교 신호(VOUTP_A, 또는 VOUTP_B)를 논리 하이 또는 로우 레벨로 유지할 수 있다.
제1 및 제2 스위칭부들(SW1, SW2)은 비교부(310)의 입력 노드 및 출력 노드 사이에 연결될 수 있다. 스위치 신호(SW)에 응답해 제1 및 제2 스위칭부들(SW1, SW2)은 비교부(310)의 입력 노드 및 출력 노드 사이를 선택적으로 연결할 수 있다. 스위치 신호(SW)가 천이하면, 제1 및 제2 스위칭부들(SW1, SW2)이 턴-온(turn-on)되어, 비교부(310)의 입력 노드 및 출력 노드를 연결할 수 있다.
카운팅부(320)는 비교 신호(VOUTP_A, 또는 VOUTP_B)에 응답해 클럭 신호(CLK)를 카운트해서 카운트 신호(CNT1, 또는 CNT2)를 출력할 수 있다. 카운팅부(320)는 비교 신호(VOUTP_A, 또는 VOUTP_B)의 논리 레벨이 유지되는 구간에 대응하는 카운트 값을 가지는 카운트 신호(CNT1, 또는 CNT2)를 출력할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도를 나타내고 있다.
도 4를 참조하면, 제1 및 제2 픽셀들(TAPA, TAPB)은 리셋 신호(RX) 및 전달 신호(TX)에 응답해 리셋 구간(RESET) 동안 리셋 동작을 수행할 수 있다. 즉, 리셋 신호(RX)의 활성화되면, 제1 픽셀(TAPA)의 제1 센싱 회로(P1) 및 제2 픽셀(TAPB)의 제2 센싱 회로(P2)가 리셋될 수 있다. 또한, 리셋 신호(RX) 및 전달 신호(TX)의 활성화에 응답해, 제1 픽셀(TAPA)의 제1 전하 저장 회로(C1) 및 제2 픽셀(TAPB)의 제2 전하 저장 회로(C2)가 리셋될 수 있다.
이어서 노출 구간(EXPOSURE) 동안, 제1 및 제2 픽셀들(TAPA, TAPB)은 제3 광신호(RS'), 전달 신호(TX), 및 제1 및 제2 위상 신호들(MIXA, MIXB)을 바탕으로 제1 및 제2 전하들을 생성해서, 전달 및 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 센싱 회로(P1)는 제3 광신호(RS') 및 제1 위상 신호(MIXA)를 바탕으로 제1 전하들을 생성할 수 있다. 제1 픽셀(TAPA)의 제1 전달 회로(TT1)가 전달 신호(TX)에 응답해 제1 전하들을 전달하면, 제1 전하 저장 회로(C1)는 제1 전하들을 저장할 수 있다. 마찬가지로, 제2 센싱 회로(P2)는 제3 광신호(RS') 및 제2 위상 신호(MIXB)를 바탕으로 제2 전하들을 생성할 수 있다. 제2 픽셀(TAPB)의 제2 전달 회로(TT2)가 전달 신호(TX)에 응답해 제2 전하들을 전달하면, 제2 전하 저장 회로(C2)는 제2 전하들을 저장할 수 있다. 이때, 제1 위상 신호(MIXA) 및 제2 위상 신호(MIXB)는 180도의 위상 차이를 가질 수 있다.
제1 및 제2 픽셀들(TAPA, TATB)의 리드 아웃 구간(READOUT) 동안 리셋 신호(RX) 및 선택 신호(SX)가 논리 하이 레벨로 활성화될 수 있다. 제1 및 제2 픽셀들(TAPA, TATB)은 선택 신호(SX)에 응답해 제1 및 제2 전하 저장 회로들(C1, C2)에 저장된 제1 및 제2 전하들에 대응하는 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)을 리드 아웃할 수 있다.
예를 들어, 제1 픽셀(TAPA)에서 제1 선택 회로(ST1)는 선택 신호(SX)의 활성화에 응답해 제1 구동 회로(DT1)와 제1 컬럼 라인(COL1)을 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 구동 회로(DT1)는 제1 플로팅 확산 노드(FD1)에 걸린 전압에 따라 고전압으로 제1 컬럼 라인(COL1)을 구동함으로써 제1 픽셀 신호(VPX_A)를 리드 아웃할 수 있다.
마찬가지로, 제2 픽셀(TAPB)에서 제2 선택 회로(ST2)는 선택 신호(SX)의 활성화에 응답해 제2 구동 회로(DT2)와 제2 컬럼 라인(COL2)을 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 구동 회로(DT2)는 제2 플로팅 확산 노드(FD2)에 걸린 전압에 따라 고전압으로 제2 컬럼 라인(COL2)을 구동함으로써 제2 픽셀 신호(VPX_B)를 리드 아웃할 수 있다.
본 발명이 실시예에 따라, 리드 아웃 구간(READOUT) 초기에 스위치 신호(SW)가 논리 로우 레벨 및 논리 하이 레벨 사이에서 천이될 수 있다. 신호 제어기(130)의 제어 신호 생성부(134)는 리드 아웃 구간(READOUT)에서 선택 신호(SX)를 활성화하고, 선택 신호(SX)가 활성화되면 스위치 신호(SW)를 논리 로우 레벨 및 논리 하이 레벨 사이에 천이시킬 수 있다.
스위치 신호(SW)의 천이에 응답해, 신호 변환기(150)가 초기화될 수 있다. 즉, 스위치 신호(SW)의 천이에 응답해, 제1 및 제2 스위칭부들(SW1, SW2)이 턴-온되어, 비교부(310)의 입력 노드 및 출력 노드를 연결할 수 있다. 이로 인해, 리드 아웃된 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)과 램프 신호(VRAMP) 사이의 오프셋 전압이 제1 및 제2 입력부들(C3, C4)에 저장될 수 있다. 따라서, 신호 변환기(150)의 초기화 동작은 비교부(310)의 입력 오프셋 전압을 상쇄시키는 오토 제로잉(auto-zeroing) 동작을 포함할 수 있다.
스위치 신호(SW)가 천이된 후에, 신호 제어기(130)의 제어 신호 생성부(134)는 전달 신호(TX)를 활성화할 수 있다. 리드 아웃 구간(READOUT)에서 리셋 신호(RX)가 논리 하이 레벨인 상태에서 전달 신호(TX)가 활성화되면, 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)이 리셋될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 리셋 회로들(RT1, RT2) 및 제1 및 제2 전달 회로들(TT1, TT2)이 활성화된 리셋 신호(RX) 및 전달 신호(TX)에 응답해 제1 및 제2 전하 저장 회로들(C1, C2)을 초기화할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B), 즉, 입력 신호들(VIN_A, VIN_B)이 리셋된 전압 변화(△VPX_A, △VPX_B) 만큼 상승할 수 있다.
전달 신호(TX)가 활성화된 후에, 신호 제어기(130)의 램프 신호 생성부(136)는 저전압에서 고전압으로 점차적으로 상승하는 램프 신호(VRAMP)를 생성할 수 있다. 램프 신호(VRAMP)에 비례해서 기준 신호(VREF)의 전압 레벨도 상승할 수 있다. 따라서, 비교부(310)는 입력 신호들(VIN_A, VIN_B) 및 기준 신호(VREF)를 비교하고, 기준 신호(VREF)의 전압 레벨이 입력 신호들(VIN_A, VIN_B)과 같아질 때까지 비교 신호들(VOUTP_A, VOUTP_B)을 논리 하이 또는 논리 로우 레벨로 유지할 수 있다.
결국, 카운팅부(320)는 기준 신호(VREF)가 램핑하는 시점부터 비교 신호들(VOUTP_A, VOUTP_B)의 논리 레벨이 변하는 시점까지 클럭 신호(CLK)를 카운트하여, 전압 변화(△VPX_A, △VPX_B)에 각각 대응하는 제1 및 제2 카운트 신호들(CNT1, CNT2)을 생성할 수 있다. 신호 변환기(150)는 제1 및 제2 카운트 신호들(CNT1,CNT2)을 연산해서 제1 및 제2 픽셀들(TAPA. TATB)에서 생성된 제1 및 제2 전하들의 차이에 대응하는 거리 정보 신호(DOUT)를 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 동작을 나타내는 순서도이다.
S510 단계에서, 픽셀 어레이(140)의 단위 픽셀은 선택 신호(SX)에 응답해 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)을 리드 아웃할 수 있다. 리드 아웃 구간(READOUT)에서 신호 제어기(130)의 제어 신호 생성부(134)는 선택 신호(SX)를 논리 하이 레벨로 활성화할 수 있다. 선택 신호(SX)가 활성화되면, 제1 및 제2 픽셀들(TAPA, TATB)은 제1 및 제2 전하 저장 회로들(C1, C2)에 저장된 제1 및 제2 전하들에 대응하는 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)을 리드 아웃할 수 있다.
S520 단계에서, 신호 변환기(150)는 리드 아웃된 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)과 램프 신호(VRAMP) 사이의 오프셋 전압을 설정할 수 있다. 리드 아웃 구간(READOUT)에서 선택 신호(SX)가 논리 하이 레벨로 활성화된 후, 제어 신호 생성부(134)는 스위치 신호(SW)를 논리 로우 레벨 및 논리 하이 레벨 사이에서 천이시킬 수 있다. 스위치 신호(SW)의 천이에 응답해, 신호 변환기(150)의 스위칭부(SW1, SW2)가 턴-온되고, 리드 아웃된 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)과 램프 신호(VRAMP) 사이의 오프셋 전압이 제1 및 제2 입력부들(C3, C4)에 저장될 수 있다.
S530 단계에서, , 픽셀 어레이(140)의 단위 픽셀은 선택 신호(TX)에 응답해 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)을 리셋할 수 있다. 스위치 신호(SW)를 천이한 후, 제어 신호 생성부(134)는 전달 신호(TX)를 논리 로우 하이 레벨로 활성화할 수 있다. 전달 신호(TX)가 활성화되면, 제1 및 제2 픽셀들(TAPA, TATB)은 제1 및 제2 전하 저장 회로들(C1, C2)을 초기화시키고, 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)이 리셋될 수 있다.
S540 단계에서, 신호 변환기(150)는 램프 신호(VRAMP)에 응답해 리셋된 제1 및 제2 픽셀 신호들(VPX_A, VPX_B)의 전압 변화(△VPX_A, △VPX_B) 차이에 대응하는 거리 정보 신호(DOUT)를 생성할 수 있다. 전달 신호(TX)가 활성화되면, 신호 제어기(130)의 램프 신호 생성부(136)는 램프 신호(VRAMP)를 저전압에서 고전압으로 점차적으로 상승시킬 수 있다.
신호 변환기(150)는 상승하는 램프 신호(VRAMP)와 리셋된 제1 픽셀 신호(VPX_A)를 비교해서 전압 변화(△VPX_A)에 대응하는 제1 카운트 신호(CNT1)를 생성할 수 있다. 또한, 신호 변환기(150)는 상승하는 램프 신호(VRAMP)와 리셋된 제2 픽셀 신호(VPX_B)를 비교해서 전압 변화(△VPX_B)에 대응하는 제2 카운트 신호(CNT2)를 생성할 수 있다. 신호 변환기(150)는 제1 카운트 신호(CNT1) 및 제2 카운트 신호(CNT2)를 연산해서 전압 변화(△VPX_A, △VPX_B) 차이에 대응하는 거리 정보 신호(DOUT)를 생성할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 이상에서 설명한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경으로 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 이미지 센싱 장치 200: 피사체
110: 광 발신기 120: 광 수신기
130: 신호 제어기 132: 위상 신호 생성부
134: 제어 신호 생성부 136: 램프 신호 생성부
140: 픽셀 어레이 150: 신호 변환기
310: 비교부 320: 카운팅부

Claims (17)

  1. 전달 신호에 응답해 전하를 전달 및 저장하고, 선택 신호에 응답해 상기 저장된 전하에 대응하는 픽셀 신호를 리드 아웃하는 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    스위치 신호를 바탕으로 상기 픽셀 신호 및 램프 신호를 비교해서 거리 정보 신호를 생성하는 신호 변환기; 및
    상기 픽셀 신호를 리드 아웃하는 구간에서 상기 스위치 신호를 생성해서 상기 신호 변환기를 초기화하는 신호 제어기를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 제2항에 있어서,
    상기 신호 제어기는 상기 픽셀 신호를 리드 아웃하는 구간에서 활성화되는 상기 선택 신호를 생성하고, 상기 선택 신호가 활성화되면 상기 스위치 신호를 제1 논리 레벨 및 제2 논리 레벨 사이에서 천이시키는 이미지 센싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 변환기는
    상기 픽셀 신호를 수신해서 입력 신호를 생성하는 제1 입력부;
    상기 램프 신호를 수신해서 기준 신호를 생성하는 제2 입력부;
    상기 입력 신호 및 상기 기준 신호를 비교해서 비교 신호를 출력하는 비교부;
    상기 스위치 신호에 응답해 상기 비교부의 입력 노드 및 출력 노드를 선택적으로 연결하는 스위칭부; 및
    상기 비교 신호에 응답해 클럭 신호를 카운트하는 카운팅부를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 신호의 천이에 응답해, 상기 스위칭부는 턴-온되어 상기 비교부의 입력 노드 및 출력 노드를 연결하는 이미지 센싱 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 신호 제어기는 상기 스위치 신호가 천이되면 활성화되는 상기 전달 신호를 생성하고, 상기 활성화된 전달 신호에 응답해 상기 단위 픽셀은 상기 픽셀 신호를 리셋하는 이미지 센싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단위 픽셀은
    상기 전하를 저장하는 전하 저장 회로;
    리셋 신호에 응답해 상기 전하 저장 회로를 리셋하는 리셋 회로;
    상기 전달 신호에 응답해 상기 전하 저장 회로에 상기 전하를 전달하는 전달 회로; 및
    상기 선택 신호에 응답해 상기 전하 저장 회로에 저장된 전하에 대응하는 상기 픽셀 신호를 생성하는 선택 회로를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호 제어기는 상기 픽셀 신호를 리드 아웃하는 구간에서 상기 선택 신호와 동시에 활성화되는 상기 리셋 신호를 생성하는 이미지 센싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 활성화된 리셋 신호 및 상기 활성화된 전달 신호에 각각 응답해, 상기 리셋 회로 및 상기 전달 회로는 상기 전하 저장 회로를 초기화하는 이미지 센싱 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 신호 제어기는 상기 전달 신호가 활성화되면 저전압에서 고전압으로 점차적으로 상승하는 상기 램프 신호를 생성하는 이미지 센싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단위 픽셀은
    광신호 및 제1 위상 신호에 응답해 제1 전하들을 생성하고, 상기 선택 신호에 응답해 상기 제1 전하들에 대응하는 제1 픽셀 신호를 생성하는 제1 픽셀; 및
    상기 광신호 및 제2 위상 신호에 응답해 제2 전하들을 생성하고, 상기 선택 신호에 응답해 상기 제2 전하들에 대응하는 제2 픽셀 신호를 생성하는 제2 픽셀을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호 변환기는
    상기 제1 픽셀 신호 및 상기 램프 신호의 전압 레벨 차이에 대응하는 제1 카운트 신호를 생성하는 제1 신호 변환부;
    상기 제2 픽셀 신호 및 상기 램프 신호의 전압 레벨 차이에 대응하는 제2 카운트 신호를 생성하는 제2 비교부; 및
    상기 제1 카운트 신호 및 상기 제2 카운트 신호를 연산해서 카운트 값의 차이를 상기 거리 정보 신호로 출력하는 논리 연산부를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상 신호들은 180도의 위상 차이를 가지는 이미지 센싱 장치.
  13. 선택 신호에 응답해 단위 픽셀에 저장된 제1 및 제2 전하들에 각각 대응하는 제1 및 제2 픽셀 신호들을 리드 아웃하는 단계;
    스위치 신호에 응답해 상기 리드 아웃된 제1 및 제2 픽셀 신호들과 램프 신호 사이의 오프셋 전압을 설정하는 단계;
    전달 신호에 응답해 상기 제1 및 제2 픽셀 신호들을 리셋하는 단계; 및
    상기 램프 신호에 응답해 상기 리셋된 제1 및 제2 픽셀 신호들의 전압 변화 차이에 대응하는 거리 정보 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.

  14. 제13항에 있어서,
    상기 선택 신호는 상기 제1 및 제2 픽셀 신호들을 리드 아웃하는 구간에서 활성화되고, 상기 선택 신호가 활성화되면, 스위치 신호가 제1 논리 레벨 및 제2 논리 레벨 사이에서 천이되는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스위치 신호가 천이되면, 상기 전달 신호가 활성화되는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전달 신호가 활성화되면, 상기 램프 신호가 저전압에서 고전압으로 점차적으로 상승하는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 램프 신호에 응답해 상기 거리 정보 신호를 생성하는 단계는
    상기 램프 신호와 상기 리셋된 제1 픽셀 신호를 비교해서 상기 리셋된 제1 픽셀 신호의 전압 변화에 대응하는 제1 카운트 신호를 생성하는 단계;
    상기 램프 신호와 상기 리셋된 제2 픽셀 신호를 비교해서 상기 리셋된 제2 픽셀 신호의 전압 변화에 대응하는 제2 카운트 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 카운트 신호 및 상기 제2 카운트 신호를 연산해서 상기 거리 정보 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
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