KR100808014B1

KR100808014B1 - 3개의 트랜지스터를 구비하는 단위픽셀 및 이를 구비하는픽셀 어레이

Info

Publication number: KR100808014B1
Application number: KR1020060087140A
Authority: KR
Inventors: 이도영
Original assignee: (주)실리콘화일
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-02-28
Also published as: WO2008032933A1; EP2062434A1; EP2062434A4; US20100134672A1; CN101513041B; CN101513041A

Abstract

본 발명은 3개의 트랜지스터를 사용하는 단위픽셀 및 상기 단위픽셀을 구비하는 픽셀 어레이를 개시한다. 상기 단위픽셀은, 광다이오드, 전하전달기, 리셋제어기 및 전압변환기를 구비한다. 상기 광다이오드는 영상신호에 응답하여 전하를 생성시키며, 상기 전하전달기는 전하전달제어신호에 응답하여 상기 광다이오드에서 생성된 전하를 상기 전압변환기에 전달하며, 상기 리셋제어기는 리셋제어신호에 응답하여 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 상기 전하전달기 및 상기 전압변환기의 공통단자에 공급하고, 상기 전압변환기는 상기 전하전달기 및 상기 리셋제어기의 공통단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 출력한다. 상기 픽셀 어레이는, 본 발명에 따른 단위픽셀 복수 개를 2차원적으로 배열시킨 구조를 가지고, 픽셀선택제어신호에 응답하여 상기 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 출력하는 리셋전원공급회로를 적어도 한 개 구비하며, 상기 리셋전원공급회로에서 출력되는 전압을 상기 복수 개의 단위픽셀들 중 일부의 단위픽셀들이 서로 공유한다.

3 트랜지스터, 단위픽셀, 픽셀 어레이, 이미지센서

Description

3개의 트랜지스터를 구비하는 단위픽셀 및 이를 구비하는 픽셀 어레이{Unit Pixel including three transistors and Pixel Array including the Unit Pixels}

도 1은 4개의 트랜지스터를 사용하는 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 회로도의 일예이다.

도 2는 4개의 트랜지스터를 사용하는 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 회로도의 다른 일예이다.

도 3은 도 1 및 도 2에서 사용하는 신호들에 대한 파형도이다.

도 4는 본 발명에 따른 단위픽셀 및 리셋전원공급회로를 구비하는 이미지 센서의 일부분(400)을 나타낸다.

도 5는 제1제어신호가 인에이블 되었을 때 도 4에 도시된 회로의 동작상태를 나타낸다.

도 6은 제2제어신호가 인에이블 되었을 때 도 4에 도시된 회로의 동작상태를 나타낸다.

도 7은 도 4에서 사용하는 제어신호들에 대한 파형도이다.

도 8은 도 4에 도시된 리셋전원공급회로와 단위픽셀들 사이의 연결 관계를 나타내는 픽셀 어레이의 일부분이다.

도 9는 도 4에 도시된 리셋전원공급회로와 단위픽셀들 사이의 연결 관계를 나타내는 픽셀 어레이의 일부분이다.

본 발명은 이미지 센서를 구성하는 단위픽셀에 관한 것으로, 특히 3개의 트랜지스터를 사용하는 단위픽셀에 관한 것이다.

도 1은 4개의 트랜지스터를 사용하는 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 회로도의 일실시예이다.

도 1을 참조하면, 상기 단위 픽셀(100)은, 광다이오드(PD), 전하전달 트랜지스터(M1), 리셋 트랜지스터(M2), 프리차지 트랜지스터(M3) 및 픽셀선택 트랜지스터(M4)를 구비한다.

광다이오드(PD)는 일 단자가 접지전압(GND)에 연결되고 영상신호에 응답하여 전하를 생성시킨다. 전하전달 트랜지스터(M1)는 일 단자가 광다이오드(PD)의 다른 일 단자에 연결되어 있고, 게이트에 전하전달제어신호(TX)가 인가된다. 리셋 트랜지스터(M2)는 일 단자가 전원전압(VDD)에 연결되고 다른 일 단자가 전하전달 트랜지스터(M1)의 다른 일 단자에 연결되며, 게이트에 리셋제어신호(RE)가 인가된다. 프리차지 트랜지스터(M3)는 일 단자가 전원전압(VDD)에 연결되고 게이트는 전하전달 트랜지스터(M1)의 다른 일 단자 및 리셋 트랜지스터(M2)의 다른 일 단자에 공통으로 연결된다. 픽셀선택 트랜지스터(M4)는 일 단자가 프리차지 트랜지스터(M3)의 다른 일 단자에 연결되며 게이트에 인가되는 픽셀선택제어신호(SEL)에 응답하여 다 른 일 단자를 통하여 광다이오드(PD)에서 검출된 영상신호에 대응되는 변환전압(PIX-OUT)을 출력한다.

도 2는 4개의 트랜지스터를 사용하는 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 회로도의 다른 일실시예이다.

도 2를 참조하면, 상기 단위 픽셀(200)은, 광다이오드(PD), 전하전달 트랜지스터(M1), 리셋 트랜지스터(M2), 프리차지 트랜지스터(M3) 및 픽셀선택 트랜지스터(M4)를 구비한다.

광다이오드(PD)는 일 단자가 접지전압(GND)에 연결되고 영상신호에 응답하여 전하를 생성시킨다. 전하전달 트랜지스터(M1)는 일 단자가 광다이오드(PD)의 다른 일 단자에 연결되어 있고, 게이트에 전하전달제어신호(TX)가 인가된다. 리셋 트랜지스터(M2)는 일 단자가 전원전압(VDD)에 연결되고 다른 일 단자가 전하전달 트랜지스터(M1)의 다른 일 단자에 연결되며, 게이트에 리셋 제어신호(RE)가 인가된다. 프리차지 트랜지스터(M3)는 게이트에 인가되는 전하전달 트랜지스터(M1)의 다른 일 단자 및 리셋 트랜지스터(M2)의 다른 일 단자의 전압에 응답하여 일 단자로 변환전압(PIX-OUT)을 출력한다. 픽셀선택 트랜지스터(M4)는 일 단자가 전원전압(VDD)에 연결되고 다른 일 단자가 프리차지 트랜지스터(M3)의 다른 일 단자에 연결되며 게이트에 픽셀선택 제어신호(SEL)가 인가된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 픽셀회로는 4개의 모스 트랜지스터를 사용하여 영상신호를 검출하고 이를 전압신호로 변환하여 출력한다. 도 1 및 도 2에 도시된 모스 트랜지스터들이 모두 N형(N Type)이라고 가정하고 설명한다. 따라서 게 이트에 하이상태(High State)의 신호가 인가되면 모스 트랜지스터가 턴 온(Turn On) 되며 로우상태(Low State)가 되면 턴 오프(Turn Off)된다.

이하에서는 상기 픽셀회로의 동작에 대하여 도 3을 참조하여 간단하게 설명한다.

도 3을 참조하면, 픽셀회로(100, 200)는, 제일 먼저 하이상태로 천이하는 픽셀선택제어신호(SEL)에 의하여, 내부에서 검출된 영상신호에 대응되는 변환전압을 출력할 준비를 갖춘다. 이어서 하이상태로 천이하는 리셋 제어신호(RE)에 의하여 프리차지 트랜지스터(M3)의 게이트(VA)가 전원전압(VDD)으로 프리차지 된다. 이 때 프리차지 트랜지스터(M3)의 게이트에 인가되는 전원전압(VDD)에 의하여 프리차지 트랜지스터(M3)의 드레인-소스사이를 흐르는 전류의 양이 결정되는데, 상기 드레인-소스 사이를 흐르는 전류에 의한 변환전압(PIX-OUT)을 기준전압(V1)으로 정한다(P1).

이어서 전달 제어신호(TX)가 하이상태가 되면 전하전달 트랜지스터(M1)가 턴 온 되어, 광다이오드(PD)에서 생성된 전하와 노드(VA)에 프리차지 되어 있던 전하들 사이에 전도 경로(Conduction Path)가 형성된다. 영상신호에 의하여 생성된 전하에 의하여 전하전달 모스트랜지스터(M1)의 일 단자에 강하되는 전압과 프리차지 전하에 의하여 전하전달 모스트랜지스터(M1)의 다른 일 단자에 강하되는 전압(VA) 사이의 차이가 발생하는 경우, 상기 전도 경로를 통하여 전하들이 이동하게 된다. 즉, 영상신호에 의하여 생성된 전하들에 의하여 프리차지 된 전하들의 수가 변하게 된다. 전하들이 이동이 충분히 일어난 후, 전달 제어신호(TX)가 로우상태로 천이하여 더 이상 전하들이 이동이 일어나지 않게 한다. 이 때 리셋제어 트랜지스터(M3)의 게이트에 축적되는 전하들의 개수가 변하였고, 변한 전하들의 수에 의하여 결정되는 변환전압(PIX-OUT)을 측정하여 비교전압(V2)으로 정한다(P2).

상기 기준전압(V1)과 비교전압(V2)의 차이가 픽셀로부터 검출된 영상신호에 대응되는 검출전압으로 하여 처리된다.

도 1의 픽셀회로(100)의 경우 전원전압(VDD)으로부터 프리차지 트랜지스터(M3) 및 픽셀선택 트랜지스터(M4)를 경유하여 변환전압(PIX-OUT)을 출력하는 반면에, 도 2의 픽셀회로(200)의 경우 전원전압(VDD)으로부터 픽셀선택 트랜지스터(M4) 및 프리차지 트랜지스터(M3)를 경유하여 변환전압(PIX-OUT)을 출력한다는 점이 서로 다르다.

상술한 바와 같이 영상신호에 대응되는 전하를 생성시키고 생성된 전하에 대응되는 변환전압을 출력하는 기능을 수행하는 픽셀회로에는 적어도 4개의 모스 트랜지스터를 사용하였다.

영상신호를 감지하는 광다이오드가 픽셀면적 중 가장 많은 면적을 차지할 뿐만 아니라, 그 면적이 크면 클수록 영상신호의 감지능력이 클 것은 분명하다. 그런데 상기 광다이오드의 면적은 상기 모스 트랜지스터의 개수 및 사이즈에 의하여 큰 영향을 받는다. 즉, 모스 트랜지스터의 개수가 많으면 많을수록 광다이오드가 한정된 픽셀의 전체영역에서 차지할 수 있는 면적이 감소하기 때문에, 모스 트랜지스터의 개수가 적은 픽셀회로는 그 만큼 영상신호의 감지능력이 상대적으로 클 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 3개의 트랜지스터를 사용하는 단위픽셀을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 3개의 트랜지스터를 사용하는 단위픽셀 및 상기 단위픽셀에 적어도 서로 다른 전압 준위를 가지는 적어도 2개의 전원전압을 공급하는 리셋전원공급회로를 더 구비하는 픽셀 어레이를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 단위픽셀은, 광다이오드, 전하전달기, 리셋제어기 및 전압변환기를 구비한다. 상기 광다이오드는 영상신호에 응답하여 전하를 생성시키며, 상기 전하전달기는 전하전달제어신호에 응답하여 상기 광다이오드에서 생성된 전하를 상기 전압변환기에 전달하며, 상기 리셋제어기는 리셋제어신호에 응답하여 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 상기 전하전달기 및 상기 전압변환기의 공통단자에 공급하고, 상기 전압변환기는 상기 전하전달기 및 상기 리셋제어기의 공통단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 출력한다.

상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 픽셀 어레이는, 본 발명에 따른 단위픽셀 복수 개를 2차원적으로 배열시킨 구조를 가지고, 픽셀선택제어신호에 응답하여 상기 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 출력하는 리셋전원공급회로를 적어도 한 개 구비하며, 상기 리셋전원공급회로에서 출력되는 전압을 상기 복수 개의 단위픽셀들 중 일부의 단위픽셀들이 서로 공유한다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

일부분의 이미지 센서(400)를 나타내는 도 4를 참조하면, 전체 이미지 센서는 기본적으로 2차원으로 배열된 복수 개의 단위픽셀(450)을 구비하며 적어도 1개의 리셋전원공급회로(410)를 구비한다. 리셋전원공급회로(410)에서는 적어도 2종류의 전압전원(VDD, GND)을 프리차지 및 리셋단자(P/R)를 통하여 단위픽셀(450)들에 공급된다. 도면에는 단위픽셀(450)들 마다 하나의 리셋전원공급회로(410)가 필요한 것 같이 도시되어 있으나, 이는 단위픽셀(450)과 리셋전원공급회로(410) 사이의 연결 관계를 표시하기 위한 것이고, 실제로는 하나의 리셋전원공급회로(410)를 복수 개의 단위픽셀(450)들이 공유하고 있다.

리셋전원공급회로(410)는 2개의 스위치 소자(M4, M5)를 구비한다. 제4스위치 소자(M4)는 제1제어신호(S1)에 응답하여 제2전원전압(VDD)을 개폐하며, 제5스위치 소자(M5)는 제2제어신호(S2)에 응답하여 제1전원전압(GND)을 개폐한다. 제1전원전압(GND)은 제2전원전압(VDD)에 비하여 상대적으로 낮은 전압인데, 이는 스위치 소자의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 2개의 스위치 소자(M4, M5)를 N형 모스 트랜지스터를 이용하여 구현할 경우, 각각의 게이트에 인가되는 2개의 제어신호(S1, S2)가 논리적으로 하이 상태일 때 스위치가 온(On) 된다.

제4스위치 소자(M4)는 게이트에 인가되는 제1제어신호(S1)에 응답하여 일 단자에 연결된 제2전원전압(VDD)을 다른 일 단자에 연결된 프리차지 & 리셋라인(P/R)에 전달한다. 제5스위치 소자(M5)는 게이트에 인가되는 제2제어신호(S2)에 응답하여 일 단자에 연결된 제1전원전압(GND)을 다른 일 단자에 연결된 프리차지 & 리셋라인(P/R)에 전달한다.

제1제어신호(S1)는 도 1 및 도 2에 도시 된 픽셀선택제어신호(SEL)를 그대로 이용하거나 또는 픽셀선택제어신호(SEL)를 가공하여 생성시킬 수 있다. 제2제어신호(S2)는 제1제어신호(S1)와 크기는 같고 위상은 반대되는 신호이다. 제1제어신호(S1) 및 제2제어신호(S2)가 N형 모스 트랜지스터인 경우 상기 모스 트랜지스터를 턴 온 시키는 논리하이 구간이 서로 중첩되지 않는다. 제1제어신호(S1) 및 제2제어신호(S2)가 P형 모스 트랜지스터를 구동하는 경우에는 반대로 상기 모스 트랜지스터를 턴 온 시키는 논리로우 구간이 서로 중첩되지 않는다. 제1제어신호(S1) 및 제2제어신호(S2)의 논리 상태에 따라, 단위픽셀(450)에는 제1전원전압(GND) 또는 제2전원전압(VDD) 중 하나의 전원전압이 프리차지 & 리셋라인(P/R)을 통하여 공급된다. 여기서 픽셀선택제어신호(SEL)는 리셋전원공급회로(410)를 공유하는 단위픽셀들에서 감지한 전하들을 전압으로 변환시킬 것을 지시하는 신호이다.

단위픽셀(450)은 광다이오드(PD), 전하전달기(M1), 리셋제어기(M2) 및 전압변환기(M3)를 구비한다.

광다이오드(PD)의 일 단자는 제1전원전압(GND)에 연결되며, 입사되는 영상신호의 에너지에 대응되는 전하를 생성시킨다.

전하전달기(M1)는 일 단자가 광다이오드(PD)의 다른 일 단자에 연결되고 게이트에 전하전달제어신호(TX)가 인가되는 N형 모스 트랜지스터로 현할 수 있으며, 전하전달제어신호(TX)에 응답하여 상기 광다이오드에서 생성된 전하를 전압변환기(M3)에 전달한다.

리셋제어기(M2)는 일 단자가 프리차지 & 리셋라인(P/R)에 연결되고 다른 일 단자가 전하전달기(M1)의 다른 일 단자(VC)에 연결되며 게이트에 리셋제어신호(RE)가 인가되는 N형 모스 트랜지스터로 구현할 수 있으며, 리셋제어신호(RE)에 응답하여 프리차지 & 리셋라인(P/R)을 통하여 공급되는 적어도 2개의 서로 다른 전원전압(VDD, GND)을 전하전달기(M1)의 다른 일 단자(VC)에 공급한다.

전압변환기(M3)는 일 단자가 제2전원전압(VDD)에 연결되고 게이트가 전하전달기(M1)의 다른 일 단자 및 리셋제어기(M2)의 다른 일 단자에 공통으로 연결된 N형 모스 트랜지스터로 구현할 수 있으며, 전하전달기(M1) 및 리셋제어기(M2)의 공통단자(VC)에 축적된 전하들에 대응되어 결정되는 변환전압(PIX-OUT)을 출력한다.

이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 도 4에 도시된 단위픽셀(450)의 프리차지(Pre-Charge) 및 리셋(Reset) 동작에 대하여 설명한다. 여기서, 제1제어신호(S1)가 인에이블 되면 프리차지 & 리셋라인(P/R)을 통하여 제2전원전압(VDD)이 출력되고 제2제어신호(S2)가 인에이블 되면 제1전원전압(GND)이 출력된다고 가정한다.

도 5를 참조하면, 리셋제어기(M2)의 일 단자에 제2전원전압(VDD)이 공급되므 로, 리셋제어기(M2)가 턴 온 되었을 때, 전하전달기(M1), 리셋제어기(M2) 및 전압변환기(M3)의 공통노드(VC)에는 제2전원전압(VDD)의 전압준위에 해당하는 전하들로 프리차지 된다.

도 6을 참조하면, 리셋제어기(M2)의 일 단자에 제1전원전압(GND)이 공급되므로, 리셋제어기(M2)가 턴 온 되었을 때, 전달제어기(M1), 리셋제어기(M2) 및 전압변환기(M3)의 공통노드(VC)에는 제1전원전압(GND)의 전압준위에 해당하는 전하들로 리셋 된다.

도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 단위픽셀(450) 및 리셋전원공급회로(410)를 구비하는 이미지 센서의 동작에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는 전달제어기(M1), 리셋제어기(M2) 및 전압변환기(M3)들을 실제로 구현할 수 있는 N형 모스 트랜지스터들로 가정한다.

도 7은 도 4에서 사용하는 제어신호들에 대한 파형도이다.

도 7을 참조하면, 단위픽셀(450)은, 제일 먼저 픽셀선택제어신호(SEL) 또는 제1제어신호(S1)가 일정시간 구간 동안 논리하이 상태로 천이되며, 상기 제1제어신호(S1)가 논리하이인 구간 동안 프리차지 & 리셋라인(P/R)을 경유하여 리셋전원공급회로(410)로부터 공급되는 제2전원전압(VDD)을 리셋제어기(M2)의 일 단자에 공급한다.

이어서 리셋제어신호(RE)가 일정한 시간 구간 동안 논리하이 상태를 유지하 게 되는데, 이 시간 구간 동안 리셋제어기(M2)가 턴 온 되어 제2전원전압(VDD)으로부터 공급되는 전하들이 리셋제어기(M2)의 다른 일 단자, 전하전달기(M1)의 다른 일 단자 및 전압변환기(M3)의 일 단자의 공통 마디(VC)에 축적(accumulation)된다. 상기 노드(VC)에 전하를 공급할 수 있는 경로는 전하전달기(M1) 및 리셋제어기(M2)를 통하는 것뿐인데, 이 시간 구간동안에는 전하전달기(M1)가 턴 오프 되어 있다. 따라서 이 시간 구간동안에 상기 노드(VC)에 전하를 공급할 수 있는 소스는 리셋제어기(M2)를 경유해서 인가되는 제2전원전압(VDD)이 유일하므로 상기 노드(VC)에 축적된 전하들이 나타내는 전압은 제2전원전압(VDD)이 된다. 이 때 공통마디(VC)에 충전되는 전압을 V1이라고 정의한다.

이 때 전압변환기(M3)의 게이트(VC)에 인가된 전압(V1)에 응답하여 전압변환기(M3)의 일 단자에 연결된 제2전원전압(VDD)으로부터 다른 일 단자로 대응전류가 흐르게 된다. 상기 전압변환기(M3)의 일 단자로부터 다른 일 단자로 흐르는 전류에 의하여, 전압변환기(M3)의 다른 일 단자의 전압준위가 결정되는데 이 전압은 전압변환기(M3)의 게이트에 축적된 전하들이 전압으로 변환되었기 때문에 변환전압(PIX-OUT)이라고 정의하며 이 때의 전압을 기준전압(Vo1)이라 정한다(P1).

이어서 전달제어신호(TX)가 일정한 시간 구간 동안 하이상태가 되면 전하전달기(M1)가 턴 온 되어, 광다이오드(PD)에서 생성된 전하와 노드(VC)에 프리차지 되어 있던 전하들 사이에 전도 경로(Conduction Path)가 형성된다. 영상신호에 의하여 생성된 전하와 노드(VC)에 축적되어 있던 전하들 사이에는 확산(diffusion), 드리프트(Drift) 및/또는 재결합(Recombination)이 발생하게 되는데, 결국 노 드(VC)에 축적되는 전하들의 양이 변하게 된다. 전하들의 확산, 드리프트 및/또는 재결합이 충분히 일어난 후, 전달 제어신호(TX)가 로우상태로 천이하면 노드(VC)에 축적된 전하들의 양이 변한 상태로 다시 고정되며, 이 때 공통마디(VC)의 전압을 V2이라고 정의한다.

이 때 전압변환기(M3)의 게이트에 축적된 변한 전하들의 개수에 의하여 결정되는 변환전압(PIX-OUT)을 측정하여 비교전압(Vo2)으로 정한다(P2).

이 후 상기 기준전압(Vo1)과 비교전압(Vo2)을 이용하여 픽셀로부터 검출된 영상신호에 대응되는 검출전압을 생성시키는데, 기준전압(Vo1)과 비교전압(Vo2)의 전압 차이를 검출전압으로 하여 처리하는 것이 일반적이다.

상기의 과정이 모두 종료된 후 픽셀선택제어신호(SEL) 또는 제1제어신호(S1)가 로우상태로 되고난 후, 일정한 시간이 경과한 후 제2제어신호(S2)가 일정시간 동안 하이상태로 천이한다. 제2제어신호(S2)가 하이상태로 유지하는 시간 구간 동안 프리차지 & 리셋라인(P/R)을 통하여 제1전원전압(GND)이 리셋제어기(M2)의 일 단자에 공급된다. 이 때 제2제어신호(S2)가 하이상태로 유지하는 시간 구간 사이의 일정한 시간 동안 리셋제어신호(RE)가 하이상태로 천이하면, 그 시간 구간 동안 공통노드(VC)와 제1전원전압(GND) 사이에 전하전달 경로가 생성된다. 이 때 공통노드(VC)에 남아 있던 전하들이 상기 제1전원전압(GND)으로 모두 방전이 되게 되기 때문에, 공통노드(VC)에 남아 있던 전하들이 다음 사이클의 전하검출에 영향을 주지 않게 되는 효과도 부수적으로 얻을 수 있게 된다.

프리차지 & 리셋라인(P/R) 중 빗금 친 부분은 제1전원전압(GND) 및 제2전원 전압(VDD)이 아닌 하이 임피던스 상태가 된다.

상술한 바와 같이, 3개의 모스 트랜지스터를 사용하는 본 발명에 따른 단위픽셀의 동작은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 4개의 모스 트랜지스터를 사용하는 종래의 단위픽셀을 구동하는 신호의 형태 및 방식과 특별히 다른 점이 없다. 따라서 본 발명에 따른 단위픽셀을 이미지 센서에서 사용하던 종래의 단위픽셀을 1 대 1로 대체할 수 있다.

도 8은 도 4에 도시된 리셋전원공급회로와 단위픽셀들 사이의 연결 관계를 나타내는 픽셀 어레이의 일실시 예이다.

도 8을 참조하면, 상기 픽셀 어레이(800)는 N(N은 정수)개의 리셋전원공급회로(410-1 ~ 410-N) 및 수평 방향으로 배열된 M(M은 정수)개의 단위픽셀그룹들(810 ~ 840)을 구비한다.

제1리셋전원공급회로(410-1)는 제1제어신호(S11) 및 제2제어신호(S21)에 응답하여 제1전원전압(GND) 및 제2전원전압(VDD) 중 하나의 전원전압을 제1프리차지 & 리셋라인(P/R1)을 통하여 제1단위픽셀그룹(810)에 공급한다. 제1단위픽셀그룹(810)은 M개의 단위픽셀들(450-11~450-1M)을 구비하며, 단위픽셀들(450-11~450-1M) 각각은 제1프리차지 & 리셋라인(P/R1)을 통하여 전달되는 전원전압, 제1전달제어신호(TX1) 및 제1리셋제어신호(RE1)에 공동으로 응답하여 동작한다.

제2리셋전원공급회로(410-2)는 제1제어신호(S12) 및 제2제어신호(S22)에 응답하여 제1전원전압(GND) 및 제2전원전압(VDD) 중 하나의 전원전압을 제2프리차지 & 리셋라인(P/R2)을 통하여 제2단위픽셀그룹(820)에 공급한다. 제2단위픽셀그 룹(820)은 M개의 단위픽셀들(450-21~450-2M)을 구비하며, 단위픽셀들(450-21~450-2M) 각각은 제2프리차지 & 리셋라인(P/R2)을 통하여 전달되는 전원전압, 제2전달제어신호(TX2) 및 제2리셋제어신호(RE2)에 공동으로 응답하여 동작한다.

제N리셋전원공급회로(410-N)는 제1제어신호(S1N) 및 제2제어신호(S2N)에 응답하여 제1전원전압(GND) 및 제2전원전압(VDD) 중 하나의 전원전압을 제N프리차지 & 리셋라인(P/RN)을 통하여 제N단위픽셀그룹(840)에 공급한다. 제N단위픽셀그룹(840)은 M개의 단위픽셀들(450-N1~450-NM)을 구비하며, 단위픽셀들(450-N1~450-NM) 각각은 제N프리차지 & 리셋라인(P/RN)을 통하여 전달되는 전원전압, 제N전달제어신호(TXN) 및 제N리셋제어신호(REN)에 공동으로 응답하여 동작한다.

도 9는 도 4에 도시된 리셋전원공급회로와 단위픽셀들 사이의 연결 관계를 나타내는 픽셀 어레이의 다른 일실시 예이다.

도 9를 참조하면, 상기 픽셀 어레이(900)는 N(N은 정수)개의 리셋전원공급회로(410-1 ~ 410-N) 및 수직 방향으로 배열된 M(M은 정수)개의 단위픽셀그룹들(910 ~ 930)을 구비한다.

M개의 리셋전원공급회로(410-1~410-M) 각각은 제1제어신호(S11) 및 제2제어신호(S21)에 응답하여 제1전원전압(GND) 및 제2전원전압(VDD) 중 하나의 전원전압을 출력한다.

제1단위픽셀그룹(910)은 N개의 단위픽셀들(450-11~450-N1)을 구비한다. 제1단위픽셀(450-11)은 제1프리차지 & 리셋라인(P/R1)을 통하여 전달되는 전원전압, 제1전달제어신호(TX1) 및 제1리셋제어신호(RE1)에 공동으로 응답하여 동작한다. 제 2단위픽셀(450-21)은 제1프리차지 & 리셋라인(P/R1)을 통하여 전달되는 전원전압, 제2전달제어신호(TX2) 및 제2리셋제어신호(RE2)에 공동으로 응답하여 동작한다. 제N단위픽셀(450-N1)은 제1프리차지 & 리셋라인(P/R1)을 통하여 전달되는 전원전압, 제N전달제어신호(TXN) 및 제N리셋제어신호(REN)에 공동으로 응답하여 동작한다.

제2단위픽셀그룹(920)은 N개의 단위픽셀들(450-12~450-N2)을 구비한다. 제2단위픽셀그룹(920)에 포함된 N개의 단위픽셀들(450-12~450-N2)의 구성이 제1단위픽셀그룹(910)에 포함된 N개의 단위픽셀들(450-11~450-N1)의 구성과 동일하므로, 설명은 생략한다. 마찬가지 이유로 제M단위픽셀그룹(930)의 구성에 대한 설명도 생략한다.

도 10은 도 4에 도시된 리셋전원공급회로와 단위픽셀들 사이의 연결 관계를 나타내는 픽셀 어레이의 또 다른 일실시 예이다.

도 10을 참조하면, 상기 픽셀 어레이(1000)는 한 개의 리셋전원공급회로(410) 및 수직 방향으로 배열된 M(M은 정수)개의 단위픽셀그룹들(1010~1030)을 구비한다. 리셋전원공급회로(410)가 하나 인 것을 제외하고는 도 9에 도시된 실시 예와 동일하므로, 구성에 대한 설명은 생략한다.

이하에서는 도 8 내지 도 10에 도시된 픽셀 어레이의 동작에 대하여 설명한다.

도 11은 도 8에 도시된 픽셀 어레이의 동작에 관련된 신호의 파형도이다.

도 11을 참조하면, 하나의 제1제어신호(S11)와 제2제어신호(S21) 및 첫 번째 제1전달제어신호(TX1) 및 제1리셋제어신호(RE1)는 하나의 그룹으로 인에이블 및 디 스에이블 되며, 이 때 나머지 제1제어신호들(S12~S1N), 나머지 제2제어신호들(S22~S2N), 나머지 전달제어신호들(TX2~TXN) 및 나머지 리셋제어신호들(RE2~REN)은 모두 디스에이블 된다.

첫 번째 제1제어신호(S11)가 인에이블 된 시간 구간동안 인에이블 되는 제1전달제어신호(TX1) 및 제1리셋제어신호(RE1)를 이용하여 픽셀에서 검출된 영상신호를 감지한다. 첫 번째 제1제어신호(S11)가 디스에이블된 후 첫 번째 제2제어신호(S21)가 인에이블 되는 시간 구간 동안 제1리셋제어신호(RE1)가 다시 인에이블 될 때 이미지 센서에 저장된 전하들을 모두 방전시키도록 한다. 이 때 V11 및 V21은 도 4에 도시된 픽셀 회로의 공통마디(VC)에 강하되는 전압을 구분하기 위하여 표시된 것으로서, 두 전압의 차이 전압이 픽업된 영상에 대응되는 신호가 되며, 접지전압(GND)은 상기 공통마디(VC)에 축적된 전하를 방전시키기 위하여 사용하는 전원전압이다.

이어서 두 번째 제1제어신호(S12)가 인에이블 된 시간 구간동안 인에이블 되는 제2전달제어신호(TX2) 및 제2리셋제어신호(RE2)를 이용하여 픽셀에서 검출된 영상신호를 감지한다. 두 번째 제1제어신호(S12)가 디스에이블된 후 두 번째 제2제어신호(S22)가 인에이블 되는 시간 구간 동안 제2리셋제어신호(RE2)가 다시 인에이블 될 때 이미지 센서에 저장된 전하들을 모두 방전시키도록 한다.

도 12는 도 9 및 도 10에 도시된 픽셀 어레이의 동작에 관련된 신호의 파형도이다.

도 12를 참조하면, 하나의 제1제어신호(S11)와 제2제어신호(S21)가 일정한 시간 구간 동안 인에이블과 디스에이블을 반복하고, 이에 대응하여 한 쌍의 전달제어신호(TX) 및 리셋제어신호(RE)가 순차적으로 인에이블 된다. 한 쌍의 전달제어신호(TX1) 및 리셋제어신호(RE1)가 인에이블되면 나머지 제어신호들(TX2~TXN) 및 나머지 제어신호들(RE2~REN)은 모두 디스에이블 된다.

신호들에 대응하여 동작하는 픽셀 어레이의 동작에 대한 설명은 도 8 및 도 11에서 설명한 것과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단위픽셀은, 3개의 모스 트랜지스터를 사용하기 때문에 단위픽셀의 개수를 감소시킴으로서 상기 단위픽셀들을 복수 개 구비하는 이미지센서의 전체적인 면적을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 상기 단위픽셀들에 일정한 전원전압을 공급하기 위하여 리셋전원공급회로를 사용하기는 하지만, 복수 개의 단위픽셀이 하나의 리셋전원공급회로를 공통으로 사용할 수 있기 때문에, 추가되는 리셋전원공급회로에 비하여 감소되는 이미지센서의 면적을 비교할 바가 아니다. 또한 단위픽셀에 축적된 전하들을 접지전압 전원으로 방전시킬 수 있으므로, 이전의 단계에서 축적된 전하들이 연속되는 영상신호 검출 사이클에 영향을 거의 주지 않게 되는 효과도 포함하고 있다.

Claims

광다이오드, 전하전달기, 리셋제어기 및 전압변환기를 구비하며 수신한 영상신호에 대응되는 변환전압을 출력하는 단위픽셀에 있어서,

상기 광다이오드는 영상신호에 응답하여 전하를 생성시키며,

상기 전하전달기는 전하전달제어신호에 응답하여 상기 광다이오드에서 생성된 전하를 상기 전압변환기에 전달하며,

상기 리셋제어기는 리셋제어신호에 응답하여 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 상기 전하전달기 및 상기 전압변환기의 공통단자에 공급하고,

상기 전압변환기는 상기 전하전달기 및 상기 리셋제어기의 공통단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제1항에 있어서,

상기 적어도 2개의 서로 다른 전원전압은 제1전원전압 및 제2전원전압이고,

상기 제1전원전압의 전압준위는 상기 제2전원전압의 전압준위에 비하여 상대적으로 낮은 전압준위를 나타내는 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제2항에 있어서,

상기 제1전원전압은 상기 단위픽셀이 사용하는 전원전압 중에서 가장 낮은 전원전압이고,

상기 제2전원전압은 상기 단위픽셀이 사용하는 전원전압 중에서 가장 높은 전원전압인 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제1항에 있어서,

상기 광다이오드는 일 단자가 제1전원전압에 연결되고 다른 일 단자가 상기 전하전달기에 연결된 다이오드(Diode)이며,

상기 전하전달기는 일 단자가 상기 광다이오드의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자가 상기 리셋제어기 및 상기 전압변환기에 공통으로 연결되며 상기전하전달제어신호에 응답하여 개폐되는 스위치 소자이며,

상기 리셋제어기는 일 단자가 상기 적어도 2개의 전원전압 중 하나의 전원전압에 연결되며 다른 일 단자가 상기 전하전달기 및 상기 전압변환기의 공통단자에 연결되고 상기 리셋제어신호에 응답하여 개폐되는 스위치 소자인 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제4항에 있어서,

상기 전하전달기에 대응되는 스위치 소자는 일 단자가 드레인 단자 또는 소스 단자이고 다른 일 단자가 소스 단자 또는 드레인 단자이고, 게이트에 상기 전하전달제어신호가 인가되는 전하전달용 모스 트랜지스터이며,

상기 리셋제어기에 대응되는 스위치 소자는 일 단자가 드레인 단자 또는 소스 단자이고 다른 일 단자가 소스 단자 또는 드레인 단자이고, 게이트에 상기 리셋 제어신호가 인가되는 리셋제어용 모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제1항에 있어서, 상기 전압변환기는,

일 단자가 제2전원전압(VDD)에 연결되고 다른 일 단자로 상기 변환전압을 출력하며 게이트가 상기 전하전달기 및 상기 리셋제어기가 공통으로 연결된 전압변환용 모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제1항에 기재된 단위픽셀 복수 개를 2차원적으로 배열시킨 픽셀 어레이에 있어서,

픽셀선택제어신호에 응답하여 상기 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 출력하는 리셋전원공급회로를 적어도 한 개 구비하며,

상기 리셋전원공급회로에서 출력되는 전압을 상기 복수 개의 단위픽셀들 중 일부의 단위픽셀들이 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
제7항에 있어서, 상기 리셋전원공급회로는,

상기 픽셀 어레이에 포함된 복수 개의 단위픽셀들 중, 컬럼 방향 또는 로우 방향으로 배열된 단위픽셀들이 공유하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
제7항에 있어서, 상기 리셋전원공급회로는,

상기 픽셀선택제어신호에 응답하여 제2전원전압을 출력하는 제1픽셀선택스위 치; 및

상기 픽셀선택제어신호와 위상이 반대되는 신호에 응답하여 제1전원전압을 출력하는 제2픽셀선택스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
제9항에 있어서,

상기 제1픽셀선택스위치는 일 단자에 상기 제2전원전압이 연결되고 게이트에 상기 픽셀선택제어신호가 인가되는 제1선택 모스 트랜지스터이고,

상기 제2픽셀선택스위치는 일 단자에 상기 제1전원전압이 연결되고 게이트에 상기 픽셀선택제어신호와 위상이 반대되는 신호가 인가되는 제2선택 모스 트랜지스터이며,

상기 제1선택 모스 트랜지스터 및 상기 제2선택 모스 트랜지스터의 다른 일 단자는 서로 공통으로 연결되고, 해당 단위픽셀들에 연결되는 것을 특징으로 하는 단위픽셀.
제7항에 있어서,

상기 적어도 2개의 서로 다른 전원전압은 제1전원전압 및 제2전원전압이고,

상기 제1전원전압의 전압준위는 상기 제2전원전압의 전압준위에 비하여 낮은 전압준위를 나타내는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
제11항에 있어서,

상기 제1전원전압은 상기 픽셀 어레이에서 사용하는 전원전압 중에서 가장 낮은 전원전압이고,

상기 제2전원전압은 상기 픽셀 어레이에서 사용하는 전원전압 중에서 가장 높은 전원전압인 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
광다이오드, 전하전달기, 리셋제어기 및 전압변환기를 구비하며 수신한 영상신호에 대응되는 변환전압을 출력하는 단위픽셀; 및

픽셀선택제어신호에 응답하여 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 출력하는 리셋전원공급회로를 각각 적어도 한 개씩 구비하며,

상기 광다이오드는 영상신호에 응답하여 전하를 생성시키며,

상기 전하전달기는 전하전달제어신호에 응답하여 상기 광다이오드에서 생성된 전하를 상기 전압변환기에 전달하며,

상기 리셋제어기는 리셋제어신호에 응답하여 적어도 2개의 서로 다른 전원전압을 상기 전하전달기 및 상기 전압변환기의 공통단자에 공급하고,

상기 전압변환기는 상기 전하전달기 및 상기 리셋제어기의 공통단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 출력하며,

상기 리셋전원공급회로로부터 출력되는 2개의 서로 다른 전원전압은 상기 리셋제어기에 공급되며,

상기 단위픽셀이 복수 개 있는 경우, 상기 리셋전원공급회로에서 출력되는 전압을 상기 복수 개의 단위픽셀들 중 일부의 단위픽셀들이 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.