KR20170019730A - 검출신호의 크기에 대응하여 적분 커패시터를 선택하는 근적외선용 신호검출회로 및 이의 제어방법 - Google Patents

검출신호의 크기에 대응하여 적분 커패시터를 선택하는 근적외선용 신호검출회로 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근적외선(Short Wavelength Infra-Red, SWIR)의 신호검출회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스위치를 통해 오피엠프(Op-amp)의 적분기, 비교기 동작 변환을 통해 검출신호의 크기를 판별한 뒤 신호 크기에 따른 적분 커패시터(Capacitor)를 선택하여 신호검출회로의 잡음을 최소화하며 전하적분용량을 증가시키는 근적외선용 신호검출회로 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.

Description

검출신호의 크기에 대응하여 적분 커패시터를 선택하는 근적외선용 신호검출회로 및 이의 제어방법{Short Wavelength Infra-Red Read-out integrated circuit of selecting the integration capacitor in response to the detected signal current and Method for controlling the same}
본 발명은 근적외선(Short Wavelength Infra-Red, SWIR)의 신호검출회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스위치를 통해 오피엠프(Op-amp)의 적분기, 비교기 동작 변환을 통해 검출신호의 크기를 판별한 뒤 신호 크기에 따른 적분 커패시터(Capacitor)를 선택하여 신호검출회로의 잡음을 최소화하며 전하적분용량을 증가시키는 근적외선용 신호검출회로 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
적외선이란 가시광선보다 파장이 긴 영역을 말하며 빛이 없어도 물체를 감지 할 수 있는 점을 이용하여 감시정찰장비에 이용된다. 적외선은 파장의 길이에 따라 SWIR(Short Wavelength Infra-Red)(1~2um), MWIR(Medium WIR)(3~5um) 그리고 LWIR(Long WIR)(8~14um)로 분류됩니다. 특히 근적외선(SWIR)의 경우 물체의 반사광과 함께 검출되는 특성이 있어 높은 분별력의 적외선 영상을 출력 할 수 있다.
근적외선 센서로부터 발생한 전류신호는 신호검출회로(Read-Out Integrated Circuit, ROIC)를 통해 검출하여 신호처리 후 프로그램을 통해 적외선 영상으로 출력된다.
도 1은 일반적인 적외선센서 신호검출회로(ROIC)(10)의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 신호검출회로(ROIC)(10)는, 실제 검출센서를 모사하여 구현한 트랜지스터(Transistor)(11)와, 트랜지스터(11)로부터 생성되는 전류신호를 적분하여 전압신호를 만드는 적분기(12)와, 리셋 노이즈 (Reset Noise) 제거를 위한 CDS(Correlated Double Sampling: 상호연관 이중 샘플링)셀(13)을 포함한다.
트랜지스터(11)는 검출소자로서 실제 소자를 대신하여 외부에서 가하는 가변 전압에 따라 전류신호를 생성하는 기능을 수행한다. 생성된 전류는 적분기(12)의 입력단으로 들어간다.
적분기(12)는 실제검출소자가 연결된 경우에 소자의 바이어스를 유지하고, 검출소자로부터 생성된 전류신호를 적분하여 전압신호를 출력한다. 적분기(12)는 오피엠프(Op-amp)(14)와 적분 커패시터(Capacitor)(15) 그리고 리셋 스위치(Reset Switch)(16)를 포함한다. 오피엠프(Op-amp)(14)의 두 개의 입력단을 이용하여 하나의 입력단에는 검출소자인 트랜지스터(11)를 연결하고 다른 하나의 입력단에는 바이어스 전압을 인가한다.
검출소자인 트랜지스터(11)에서 생성된 전류신호는 적분기(12)의 입력단과 출력단 사이에 연결된 커패시터(Capacitor)(15)에 적분되어 출련단을 통해 전압신호로 출력된다. 리셋 스위치(16)는 ON/OFF 동작하여 적분 커패시터(Capacitor)(15)에 적분된 신호를 바이어스 전압으로 리셋(Reset) 한다.
이러한 구성에 따라 신호를 출력 하는 경우 리셋(Reset)에 따라 발생하는 리셋 노이즈(Reset Noise)가 신호와 함께 출력된다. 근적외선(SWIR)의 경우 검출소자로부터 생성되는 신호의 크기가 작기 때문에 리셋 노이즈(Reset Noise)가 발생하게 되면 신호검출에 어려움이 있다.
이에 CDS셀(13)에서는 CDS를 위한 커패시터(Capacitor)(17)와 CDS 제어 스위치(18)를 이용하여 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거한다. CDS제어 스위치(18)의 ON/OFF에 따라 적분기(12)의 출력신호에서 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거한 뒤 최종 출력한다. 이러한 CDS 동작 원리를 설명한 도면이 도 2에 도시된다.
한편, 근적외선의 경우 복사광뿐만 아니라 반사광과 함께 검출되는 특성이 있어 검출 대상의 주변광량에 따라 신호의 차이가 매우 커진다. 밤의 경우 주변 광량이 매우 낮아 검출소자에서 발생하는 신호의 크기가 매우 작다. 따라서 신호검출회로(ROIC)에서 발생하는 노이즈(Noise)가 낮아야 신호를 읽어 들일 수 있다.
신호검출회로에서 발생하는 노이즈(Noise)는 적분 커패시터(Capacitor)의 적분 용량이 작을수록, 출력단의 로드 커패시터(Load Capacitor)가 클수록 작아진다. 낮의 경우 신호의 크기가 밤과 비교하여 커지게 되므로 적분 커패시터(Capacitor)의 적분 용량을 증가시켜 신호의 포화없이 읽어 들여야 한다. 그런데 적분 커패시터(Capacitor)의 적분용량이 커지게 되면 앞서 말했듯 신호검출회로(ROIC)의 노이즈(Noise)가 증가하게 되는 문제점이 있다.
즉, 밤의 경우 노이즈(Noise) 감소를 위해 적분 커패시터(Capacitor)의 용량을 작게 하면 낮의 경우에 발생하는 신호가 포화되어 읽어 들일 수 없다. 또한, 커패시터
(Capacitor)의 용량이 커지게 되면 신호검출회로의 노이즈(Noise)가 증가하게 되어 밤의 경우 발생하는 신호를 읽어 들일 수 없게 된다. 따라서 밤의 경우 최소한의 회로 노이즈(Noise)를 보장함과 동시에 낮의 경우에 발생하는 신호를 읽어 들이기 위해 전하적분용량을 증가시키는 기술이 필요하다.
1. 한국등록특허번호 제10-1375378호(2014.03.11) 2. 한국공개특허번호 제10-2008-0089809호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 근적외선(SWIR)을 이용한 신호검출회로(Read-Out Integrated Circuit)에서 광량이 적은 밤의 경우 신호검출회로(ROIC)의 노이즈(Noise)를 줄이고 광량이 많은 낮의 경우 전하적분용량을 증가시켜 신호를 읽어 들일 수 있는 근적외선용 신호검출회로및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 근적외선(SWIR)을 이용한 신호검출회로(Read-Out Integrated Circuit)에서 광량이 적은 밤의 경우 신호검출회로(ROIC)의 노이즈(Noise)를 줄이고 광량이 많은 낮의 경우 전하적분용량을 증가시켜 신호를 읽어 들일 수 있는 근적외선용 신호검출회로를 제공한다.
상기 근적외선용 신호검출회로는,
입력 신호를 생성하는 검출소자;
상기 입력 신호를 1차 적분하여 생성되는 1차 적분 신호를 미리 설정되는 기준값과 비교하여 상기 1차 적분 신호의 크기에 따른 결과값을 생성하고, 상기 결과값에 따라 상기 1차 적분 신호를 초기화하거나 2차 적분을 수행하여 2차 적분 신호를 생성하는 적분기; 및
상기 2차 적분 신호로부터 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 CDS(Correlated Double Sampling)셀;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적분기은, 상기 1차 적분을 위한 제 1 적분 커패시터; 상기 1차 적분 신호를 상기 기준값과 비교하여 상기 1차 적분 신호의 크기를 결정하는 비교기; 및 상기 제 1 적분 커패시터 보다 용량이 크며 상기 결과값에 따라 상기 제 1 적분 커패시터와 병렬로 연결되고, 상기 2차 적분을 위한 제 2 적분 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 적분 커패시터를 상기 CDS(Correlated Double Sampling)셀에 연결하는 제 1 적분 스위치; 상기 비교기의 입력단에 바이어스 전압을 연결하는 제 2 적분 스위치; 및 상기 검출 소자와 상기 비교기의 입력단 사이에 놓이는 제 3 적분 스위치; 상기 제 2 적분 커패시터를 선택하는 선택 스위치; 상기 제 2 적분 커패시터를 상기 CDS 셀에 연결하는 로드 연결 스위치; 및 상기 1차 적분 신호 또는 2차 적분 신호를 리셋하기 위한 리셋 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 근적외선용 신호검출회로는, 상기 결과값을 저장하는 1-비트 플립플롭;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 1차 적분 신호가 상기 기준값보다 크면, 상기 제 1 적분 커패시터 및 제 2 적분 커패시터를 상기 2차 적분을 위해 모두 사용하고, 상기 1차 적분 신호가 상기 기준값보다 작으면, 상기 제 2 적분 커패시터는 상기 로드 커패시터에 직접 연결되어 상기 제 1 적분 커패시터만 적분을 위해 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 근적외선용 신호검출회로는, 상기 비교기의 동작을 온오프하기 위해 상기 제 1 적분 커패시터의 출력을 상기 비교기에 연결하는 제 1 비교기 동작 스위치; 및 비교 전압을 상기 비교기에 연결하는 제 2 비교기 동작 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 검출소자는 트랜지스터의 게이트와 소스 전압을 외부에서 변동하여 전압크기에 따라 전류신호를 만들어 내는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 적분 커패시터의 용량은 8fF이고, 상기 제 2 적분 커패시터의 용량은 400fF인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 근적외선용 신호검출회로는, 상기 CDS 셀은 리셋 노이즈를 제거하기 위한 로드 커패시터; 및 상기 CDS 커패시터를 제어하는 제어 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 검출소자로부터 생성된 입력 신호를 수신하는 단계; (b) 상기 입력 신호에 대하여 1차 적분을 수행하여 1차 적분 신호를 생성하는 단계; (c) 상기 1차 적분 신호의 크기를 미리 설정되는 기준값과 비교하여 상기 1차 적분 신호의 크기에 따른 결과값을 생성하는 단계; (d) 상기 결과값에 따라 1차 적분 신호를 초기화하거나 2차 적분을 수행하여 2차 적분 신호를 생성하는 단계; 및 (e) 상기 2차 적분 신호로부터 리셋 노이즈를 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 비교기를 통해 검출신호의 크기를 판별한 후, 판별된 신호 크기에 맞는 적분 커패시터(Capacitor)를 선택함으로써, 검출신호의 크기가 작아 1차 적분시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨보다 작은 경우(밤), 용량이 작은 커패시터(Capacitor)를 적분 커패시터(Capacitor)로 선택함과 동시에 적분용량이 큰 커패시터(Capacitor)는 로드 커패시터(Load Capacitor)로 연결하여 노이즈(Noise)를 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 검출신호의 크기가 커 1차 적분시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨보다 큰 경우(낮), 적분용량이 큰 커패시터(Capacitor) 역시 적분 커패시터(Capacitor)로 연결함으로써 전하적분용량을 증가시켜 신호의 크기가 큰 신호를 읽어 들일 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 적외선센서 신호검출회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit)의 구성도이다.
도 2는 CDS(Correlated Double Sampling) 원리를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 검출신호의 크기에 대응하여 적분 커패시터를 선택하는 근적외선용 신호검출회로(300)의 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 근적외선용 신호검출회로(300)의 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 적분 동작을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 적분 동작에 대한 등가회로도이다.
도 7은 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 비교기 동작을 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 신호검출회로(300)의 비교기 동작에 대한 등가회로도이다.
도 9는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기 동작을 보여주는 도면이다.
도 10a는 도 9에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 작은 경우에 대한 등가회로도이다.
도 10b는 도 9에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 큰 경우에 대한 등가회로도이다.
도 11a는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 작은(즉, 밤) 경우 신호검출회로(300)의 시간에 대한 출력신호 그래프이다.
도 11b는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 큰(즉, 낮) 경우 신호검출회로(300)의 시간에 대한 출력신호 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 검출신호의 크기에 대응하여 적분 커패시터를 선택하는 근적외선용 신호검출회로 및 이의 제어방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 검출신호의 크기에 대응하여 적분 커패시터를 선택하는 근적외선용 신호검출회로(300)의 회로 구성도이다. 도 3을 참조하면, 입력 신호를 생성하는 검출소자(330); 검출소자(330)로부터 생성되는 입력신호를 적분하고 적분된 신호의 크기를 비교하는 적분기(310); 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거하기 위한 CDS 셀(332)을 포함한다.
검출소자(330)는 근적외선을 검출하기 위한 트랜지스터로 구성되며 실제 검출 센서를 모사하여 구현하는 기능을 수행한다. 근적외선을 검출하기 위한 검출 소자로서는 고감도, 고속도의 반도체를 사용한 광도전형, 광기전력형 센서가 많이 사용되고 있다. 이들에는 InAs, InSb, PbS, HgCdTe, PbSnTe 등의 기초 흡수를 이용하는 것과 Ge 속에 Au, Hg, Cu, Zn 등을 첨가하여 불순물 준위가 관계되는 천이를 이용하는 것이 있다.
적분기(331)는 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333); 제 2 적분 커패시터(Capacitor)(334); 비교기(335); 적분 동작을 위한 제 1 내지 제 3 적분 스위치(336-1,336-2,336-3); 비교기(335)의 동작을 위한 제 1 및 제 2 비교기 동작 스위치(337-1,337-2); 비교기(335)의 결과값을 저장하는 1-Bit 플립플롭(Latch)(338); 비교기(335)의 결과값에 따라 제 2 적분 커패시터(Capacitor)를 선택하는 선택 스위치(339); 제 2 적분 커패시터(334)를 로드 커패시터(Load Capacitor)로 연결하는 로드 연결 스위치(340); 리셋(Reset) 스위치(341)를 포함한다.
여기서, 검출 소자(330)는 트랜지스터이다. 또한, 제 1 적분 커패시터(333)와 제 2 적분 커패시터(334)의 용량은 각각 서로 다르며, 예를 들면 제 1 적분 커패시터(333)의 용량은 8fF이고, 제 2 적분 커패시터(334)의 용량은 이 제 2 적분 커패시터보다 큰 400fF이다.
또한, 비교기(335)는 오피 엠프(Op-Amp)가 될 수 있다.
또한, 이러한 비교기(335)를 동작시키기 위해 2개의 제 1 및 제 2 비교기 동작 스위치(337-1,337-2)가 구성된다. 제 1 비교기 동작 스위치(337-1)는 제 1 적분 커패시터(333)의 출력단에 연결되며 기준 전압(Vref)을 비교기(335)에 제공한다. 제 2 비교기 동작 스위치(337-2)는 비교 전압(Vcomp)을 비교기(335)의 + 입력단에 제공한다.
또한, 제 1 내지 제 3 적분 스위치(336-1,336-2,336-3)는 제 1 차 적분 및/또는 제 2 차 적분을 수행하기 위해 온/오프된다. 부연하면, 제 1 적분 스위치(336-1)는 상기 제 1 적분 커패시터(333)를 상기 CDS(Correlated Double Sampling)셀(332)의 로드 커패시터(342)에 연결하고, 제 2 적분 스위치(336-2)는 상기 비교기(335)의 입력단에 바이어스 전압을 연결하고, 제 3 적분 스위치(336-3)는 상기 검출 소자와 상기 비교기의 입력단 사이에 놓여 비교기(335)에 입력되는 입력 신호를 온 또는 오프한다.
또한, 비교기(335)의 결과값을 저장하는 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)이 구성된다.
이 1-Bit 플립플롭(338)은 결과값을 "0"또는 "1"로 저장하며, "0"일 경우 '
Figure pat00001
'가 되고, "1"일 경우 "
Figure pat00002
"가 된다.
CDS 셀(332)은 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거하기 위한 로드 커패시터(Capacitor)(342)와 CDS(Correlated Double Sampling)를 제어하는 제어 스위치(343) 등을 포함하여 구성된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 근적외선용 신호검출회로(300)의 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 검출소자(330)로부터 생성된 입력 신호를 수신한다. 이러한 입력 신호에 대하여 제 1 적분 커패시터(333)를 이용하여 1차 적분을 수행하여 1차 적분 신호를 생성한다(단계 S410). 즉 1차 적분을 위해 제 1 내지 제 3 적분 스위치(336-1 내지 336-3)를 ON하고, 제 1 및 제 2 비교기 동작 스위치(337-1,337-2)를 OFF하고, 선택 스위치(339)를 OFF하고, 로드 커패시터(Load Capacitor) 연결 스위치(340)를 ON하여 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)에 신호를 적분하고, 제 2 적분 커패시터(Capacitor)는 로드 커패시터(Load Capacitor)(342)로 연결한다.
이후, 상기 1차 적분 신호의 크기를 미리 설정되는 기준값과 비교한다(단계 S420).
비교 결과, 검출 신호인 1차 성분 신호가 작은 경우, 즉 1차 적분 신호의 크기가 특정 레벨을 넘지 못하였으면, 0V를 출력하고, 이를 1-비트 플립플롭(338)에서 "0"으로 저장한다(단계 S431). 이후, 제 1 적분 커패시터와 로드 커패시터를 선택 연결한다(단계 S451).
이와 달리 비교 결과, 검출 신호인 1차 성분 신호가 큰 경우, 즉 1차 적분 신호의 크기가 특정 레벨을 넘었으면, 3.3V를 출력하고, 이를 "1"로 저장한다(단계 S432). 이후, 제 1 적분 커패시터(333)와 제 2 커패시터(334)를 선택하여 2차 적분을 수행한다.
즉, 단계 S431 및 단계 S432에 따라 1차 적분 신호를 초기화하거나 2차 적분을 수행하여 2차 적분 신호를 생성한다(단계 S460).
이후, 상기 2차 적분 신호로부터 리셋 노이즈를 제거하여 최종 출력 신호를 생성한다(단계 S470).
도 5는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 적분 동작을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 근적외선(SWIR) 센서인 검출 소자(330)로부터 생성된 전류신호인 입력 신호는 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)에 적분되어 출력단을 통해 출력된다. 즉, 선택 스위치(340), 제 1 적분 스위치(336-1) 및 제 2 적분 스위치(336-2)만을 ON으로 하면, 적분 동작이 되며, 이를 등가 회로도로 보여주는 도면이 도 6이다.
도 7은 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 비교기 동작을 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 1차 적분이 끝나면 제 1 비교기 동작 스위치(337-1)를 ON, 제 1 적분 스위치(336-1)를 OFF하고, 제 2 비교기 동작 스위치(337-2)를 ON하여 비교기(335)를 비교 연산 동작을 수행하게 한다. 즉, 오피엠프(Op-amp)를 비교기로 동작시킨다.
비교기(Op-amp)(335)의 입력단에 연결된 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)의 1차 적분 신호와 기준 비교 레벨인 비교 전압(Vcomp)을 비교 후 출력단을 통해 결과값을 출력한다. 1차 적분 시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨보다 작은 경우(즉, 밤에 해당) 0V를 출력하고, 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨보다 큰 경우(즉, 낮에 해당) 3.3V를 출력한다. 비교를 위한 기준 비교 레벨은 비교 전압(Vcomp)을 통해 조절 가능하다.
비교기(Op-amp)(335)에서 출력된 비교기의 결과값은 1-비트 플립플롭(Latch)(338)에 저장되고, 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)은 저장된 결과값을 통해 제 2 적분 커패시터(Capacitor)(334)를 선택하는 제어신호를 출력한다.
부연하면, 1차 적분 시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 작은 경우(도 4의 단계 S431, 예시 1) 비교기의 결과값 0V를 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)에 저장한 뒤 출력신호'0'(0V)을 출력한다. 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)의 출력신호를 통해 선택 스위치(339)를 OFF하고, 로드 연결 스위치(340)를 ON한다.
도 8은 도 7에 도시된 신호검출회로(300)의 비교기 동작에 대한 등가회로도이다.
도 9는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기 동작을 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면,
도 10a는 도 9에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 작은 경우에 대한 등가회로도이다. 도 10a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신호검출회로(ROIC)의 1차 적분 시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 작은 경우(밤)에 대한 등가회로를 나타낸 것이다.
제 1 적분 커패시터(Capacitor)(233)가 연결되며 제 2 적분 커패시터(Capacitor)(334)는 로드 커패시터(Load Capacitor)(342)로 연결하여 노이즈(Noise)를 최소화 한다.
1차 적분 시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 큰 경우(도 4의 단계 S432, 예시 2), 비교기의 출력값 3.3V를 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)에 저장한 뒤 출력신호'1'(3.3V)을 출력한다. 1-Bit 플립플롭(Latch)(338) 출력값을 통해 선택 스위치(339)를 ON, 로드 연결 스위치(340)는 OFF한다.
도 10b는 도 9에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 큰 경우에 대한 등가회로도이다. 도 10b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신호검출회로(ROIC)의 1차 적분 시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 큰 경우(즉, 낮에 해당)에 대한 등가회로를 나타낸 것이다.
제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)는 그대로 적분 커패시터(Capacitor)로 사용하며, 이와 함께 제 2 적분 커패시터(Capacitor)(334)도 적분 커패시터(Capacitor)로 사용도어 제 1 적분 커패시터(333)와 병렬 연결하여 최종적으로 합성 커패시터를 사용함으로써 전하 적분 용량을 증가시킨다. 즉, 제 1 적분 커패시터(333)가 8fF이고, 제 2 적분 커패시터(334)가 400fF이면 408fF의 적분 커패시터(Capacitor)가 된다.
비교기(335)와 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)을 통해 적분 커패시터(Capacitor)가 결정되면, 리셋(Reset) 스위치(341)를 ON 하여 적분 신호를 Vbias신호로 리셋(Reset)한다. 적분 신호가 리셋(Reset)된 후 제 1 적분 스위치(336-1)를 ON, 제 1 비교기 동작 스위치(337-1)를 OFF하여 비교기(335)를 적분기로 동작시킨다. 따라서, 앞서 신호크기에 맞게 선택된 적분 커패시터(Capacitor)에 검출소자로부터 생성되는 신호를 2차 적분하여 2차 적분 신호를 생성한다.
2차 적분 신호는 리셋(Reset)에 의해 발생한 리셋 노이즈(Reset Noise)가
포함된 상태로 출력되어 CDS 셀(332)의 입력단으로 들어간다. CDS 셀(332)은 2차 적분이 시작되기 전까지 제어 스위치(343)를 ON하여 대기 전압인 Vcds를 출력한다.
그리고 적분기(310) 동작에서 리셋(Reset) 이후 2차 적분이 시작됨과 동시에 제어 스위치(343)를 OFF하여 로드 커패시터(Capacitor)(342)를 통해 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거한 뒤 최종 출력 신호(Vout)를 출력한다.
도 11a는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 작은(즉, 밤) 경우 신호검출회로(300)의 시간에 대한 출력신호 그래프이고, 도 11b는 도 3에 도시된 신호검출회로(300)의 신호크기가 큰(즉, 낮) 경우 신호검출회로(300)의 시간에 대한 출력신호 그래프이다.
리셋(Reset) 제어신호(81)를 통해 신호검출회로(ROIC)의 리셋(Reset) 스위치(도 3의 341)를 제어한다. 3.3V인 경우 리셋(Reset) 스위치를 ON하여 적분출력신호를 Vbias(예시:0.5V)로 리셋(Reset) 하고 0V 인 경우에는 리셋(Reset) 스위치(341)를 OFF하여 검출소자(330)의로부터의 검출신호인 입력 신호를 적분하도록 한다.
적분기&비교기 제어 신호(82)를 통해 비교기(Op-amp)(335)의 동작을 결정한다. 적분기&비교기 제어신호가 3.3V인 경우 제 1 내지 제 3 적분 스위치(336-1 내지 336-3)를 ON, 제 1 내지 제 2 비교기 동작 스위치(337-1,337-2)를 OFF하여 적분기 동작을 하며, 반대로 적분기&비교기 제어 신호(82)가 0V인 경우 제 1 내지 제 2 비교기 동작 스위치(337-1,337-2)를 ON, 제 1 내지 제 3 적분 스위치(336-1 내지 336-3)를 OFF하여 비교기 동작을 한다.
1-Bit 플립플롭(Latch) 출력 신호(83)는 비교기(335)가 비교 동작시 출력한 결과값을 저장한 후 출력하는 신호로 선택 스위치(339)와 로드 연결 스위치(340)를 제어한다. 1차 적분시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 작은 경우 0V를 저장 및 출력하여 선택 스위치(339)를 OFF, 로드 연결 스위치(340)를 ON하며, 반대로 1차 적분시간 동안 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 큰 경우 3.3V를 저장 및 출력하여 선택 스위치(339)를 ON, 로드 연결 스위치(340)를 OFF 한다.
위의 제어신호들을 통해 비교기(Op-amp)(335)의 출력단에서 적분출력신호(80)를 출력한다. 적분기&비교기 제어 신호(82)를 통해 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)에 1차 적분시간 동안 적분 후 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 작은 경우 비교기 결과값 0V를 출력한다.
그 다음 리셋(Reset) 제어 신호(81)를 통해 Vbias(예시 :0.5V)로 리셋(Reset) 한 뒤, 1-Bit 플립플롭(Latch)(338)의 출력 신호(83)를 통해 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)에 신호를 2차 적분하고 제 2 적분 커패시터(Capacitor)(334)는 로드 커패시터(Load Capacitor)(342)로 연결하여 신호를 출력한다.
적분기&비교기 제어 신호(82)를 통해 제 1 적분 커패시터(Capacitor)(333)에 1차 적분시간 동안 적분 후 적분된 전압신호의 크기가 기준 비교 전압 레벨 보다 큰 경우 비교기 결과값 3.3V를 출력한다. 그 다음 리셋(Reset) 제어 신호(81)를 통해 Vbias로 리셋(Reset) 한 뒤, 1-Bit 플립플롭(Latch) 출력 신호(83)를 통해 8fF인 제 1적분 커패시터(Capacitor)(333)와 400fF인 제 2 적분 커패시터(Capacitor)(334)를 모두 적분 커패시터(Capacitor)로 연결하여 2차 적분하고 신호를 출력한다.
따라서, 본 발명의 경우, 근적외선(SWIR)을 이용한 신호검출회로(ROIC)에서 주변 광량에 따라 발생하는 신호를 1차 적분 뒤 비교기를 통해 신호의 크기를 분별하여, 신호크기에 적합한 적분 커패시터(Capacitor) 선택을 통해 노이즈(Noise)를 최소화하며, 전하적분용량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 신호가 크거나 작은 두 동작환경에서 원활히 신호를 읽어 들일 수 있는 근적외선센서용 신호검출회로에 이용할 수 있다.
300: 근적외선센서용 신호검출회로
310: 적분기
330: 검출 소자
332: CDS(Correlated Double Sampling) 셀
333: 제 1 적분 커패시터 334: 제 2 적분 커패시터
335: 비교기

Claims (10)

  1. 입력 신호를 생성하는 검출소자;
    상기 입력 신호를 1차 적분하여 생성되는 1차 적분 신호를 미리 설정되는 기준값과 비교하여 상기 1차 적분 신호의 크기에 따른 결과값을 생성하고, 상기 결과값에 따라 상기 1차 적분 신호를 초기화하거나 2차 적분을 수행하여 2차 적분 신호를 생성하는 적분기; 및
    상기 2차 적분 신호로부터 리셋 노이즈(Reset Noise)를 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 CDS(Correlated Double Sampling)셀;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적분기은,
    상기 1차 적분을 위한 제 1 적분 커패시터;
    상기 1차 적분 신호를 상기 기준값과 비교하여 상기 1차 적분 신호의 크기를 결정하는 비교기; 및
    상기 제 1 적분 커패시터 보다 용량이 크며 상기 결과값에 따라 상기 제 1 적분 커패시터와 병렬로 연결되고, 상기 2차 적분을 위한 제 2 적분 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 적분 커패시터를 상기 CDS(Correlated Double Sampling)셀에 연결하는 제 1 적분 스위치;
    상기 비교기의 입력단에 바이어스 전압을 연결하는 제 2 적분 스위치; 및
    상기 검출 소자와 상기 비교기의 입력단 사이에 놓이는 제 3 적분 스위치;
    상기 제 2 적분 커패시터를 선택하는 선택 스위치;
    상기 제 2 적분 커패시터를 상기 CDS 셀에 연결하는 로드 연결 스위치; 및
    상기 1차 적분 신호 또는 2차 적분 신호를 리셋하기 위한 리셋 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결과값을 저장하는 1-비트 플립플롭;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 1차 적분 신호가 상기 기준값보다 크면, 상기 제 1 적분 커패시터 및 제 2 적분 커패시터를 상기 2차 적분을 위해 모두 사용하고,
    상기 1차 적분 신호가 상기 기준값보다 작으면, 상기 제 2 적분 커패시터는 상기 로드 커패시터에 직접 연결되어 상기 제 1 적분 커패시터만 적분을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 비교기의 동작을 온오프하기 위해 상기 제 1 적분 커패시터의 출력을 상기 비교기에 연결하는 제 1 비교기 동작 스위치; 및
    비교 전압을 상기 비교기에 연결하는 제 2 비교기 동작 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출소자는 트랜지스터의 게이트와 소스 전압을 외부에서 변동하여 전압크기에 따라 전류신호를 만들어 내는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 적분 커패시터의 용량은 8fF이고, 상기 제 2 적분 커패시터의 용량은 400fF인 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 CDS 셀은 리셋 노이즈를 제거하기 위한 로드 커패시터; 및
    상기 CDS 커패시터를 제어하는 제어 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로.
  10. (a) 검출소자로부터 생성된 입력 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 입력 신호에 대하여 1차 적분을 수행하여 1차 적분 신호를 생성하는 단계;
    (c) 상기 1차 적분 신호의 크기를 미리 설정되는 기준값과 비교하여 상기 1차 적분 신호의 크기에 따른 결과값을 생성하는 단계;
    (d) 상기 결과값에 따라 1차 적분 신호를 초기화하거나 2차 적분을 수행하여 2차 적분 신호를 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 2차 적분 신호로부터 리셋 노이즈를 제거하여 최종 출력 신호를 생성하는 단계;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선용 신호검출회로의 제어 방법.
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