KR102633135B1

KR102633135B1 - 이미지 센서 및 그의 동작 방법

Info

Publication number: KR102633135B1
Application number: KR1020190010663A
Authority: KR
Inventors: 김무영; 최용석; 최진우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2024-02-02
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: US20200244914A1; KR20200093322A; US20220141413A1; US11601609B2; US11252363B2

Abstract

이미지 센서 및 이의 동작 방법이 개시된다. 본 개시에 따른 이미지 센서는, 로우(row)들 및 컬럼(column)들에 따라 배열되는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(array), 상기 컬럼들 중 하나의 컬럼에 연결되고, 직렬로 연결된 복수의 트랜지스터들을 포함하는 픽셀 부하(load), 및 상기 복수의 트랜지스터들 중 이웃하는(neighboring) 트랜지스터들 사이의 노드들에 각각 병렬로 연결되는 복수의 스위치들을 포함하고, 이미지 프로세서로부터, 이미지를 획득하는 시점의 빛의 세기를 지시하는 이득 정보(gain information)를 획득하고, 상기 획득된 이득 정보에 기반하여, 상기 픽셀 부하를 통과하는 전류의 전기적 경로를 변경하도록, 상기 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 온/오프(on/off)를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 그의 동작 방법{IMAGE SENSOR AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 픽셀 부하(pixel load)의 트랜스 컨덕턴스(transconductance)를 유동적으로 조절하는 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는, 광전 변환 소자(예를 들어, 포토 다이오드(photo diode))를 각각 포함하는 복수의 픽셀(pixel)들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 상기 픽셀 어레이는, 감지된 빛의 세기에 따라 생성되는 전자를 이용하여 전기적 신호를 출력할 수 있다. 하나의 이미지를 형성하기 위하여, 복수의 픽셀들 각각에서 발생한 전기적 신호는 변환되고 수집될 수 있다.

한편, 광전 변화 소자로부터 생성된 전자는, 주변 온도에 따라 열 에너지를 획득하고, 전자의 운동 에너지가 증가할 수 있다. 증가된 운동 에너지에 따라 무작위로 진동하는 전자는, 열 소음(thermal noise)을 야기할 수 있고, 이를 감소시키기 위한 방안이 요구될 수 있다.

본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 복수의 스위치들은 제어함으로써 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스 값을 유동적으로 조절하는 이미지 센서 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.

본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 이미지에 대한 이득에 기반하여, 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스 값을 변경함으로써, 열 소음을 감소시키기 위한 이미지 센서 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일 측면에 따른 이미지 센서는, 로우(row)들 및 컬럼(column)들에 따라 배열되는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(array), 상기 컬럼들 중 하나의 컬럼에 연결되고, 직렬로 연결된 복수의 트랜지스터들을 포함하는 픽셀 부하(load), 및 상기 복수의 트랜지스터들 중 이웃하는(neighboring) 트랜지스터들 사이의 노드들에 각각 병렬로 연결되는 복수의 스위치들을 포함하고, 이미지 프로세서로부터, 이미지를 획득하는 시점의 빛의 세기를 지시하는 이득 정보(gain information)를 획득하고, 상기 획득된 이득 정보에 기반하여, 상기 픽셀 부하를 통과하는 전류의 전기적 경로를 변경하도록, 상기 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 온/오프(on/off)를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일 측면에 따른 이미지 센서의 동작 방법은, 이미지 프로세서로부터, 이미지를 획득하는 시점의 빛의 세기를 지시하는 이득 정보(gain information)를 획득하는 단계, 및 상기 획득된 이득 정보에 기반하여, 픽셀 부하를 통과하는 전류의 전기적 경로를 변경하도록, 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 스위치들 각각은, 직렬로 연결된 복수의 트랜지스터들 중 이웃하는 트랜지스터들 사이의 노드들과 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 픽셀 부하에 적어도 하나의 스위치들을 이용하여, 픽셀 부하를 통과하는 전류의 전기적 경로를 변경함으로써, 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스를 가변적으로 조절할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스를 가변적으로 조절함으로써, 픽셀의 노이즈를 개선할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 화상 이득(image gain)이 낮은 경우, 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스를 증가시킴으로써 ADC(analog to digital converter)의 포화 입력(saturation input)을 확보하고, 화상 이득이 높은 경우, 픽셀 부하의 트랜스 컨덕터스를 감소시킴으로써 픽셀의 노이즈를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 및 픽셀 부하를 도시하는 아날로그 회로도이다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 도시하는 순서도이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 스위치의 온/오프를 제어하는 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6a는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 제1 임계 값을 초과하지 않는 이득 값을 수신한 경우, 스위치의 온/오프 제어에 따른 픽셀 부하 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다.
도 6b는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 제1 임계 값을 초과하고, 제2 임계 값을 초과하지 않는 이득 값을 수신한 경우, 스위치의 온/오프 제어에 따른 픽셀 부하 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다.
도 6c는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 제2 임계 값을 초과하는 이득 값을 수신한 경우, 스위치의 온/오프 제어에 따른 픽셀 부하 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 이미지 처리 시스템(image process system)(1)은, 이미지 프로세서(100) 및 이미지 센서(200)를 포함할 수 있다. 이미지 프로세서(100)와 이미지 센서(200)는 제어 신호 및 이미지 데이터를 송수신함으로써, 피사체에 대한 정지 화상(still image)을 획득할 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 이미지 프로세서(100)는 센서 제어 회로(110), 자동 이득 조절부(120) 및 디지털 신호 처리 회로(130)를 포함할 수 있다.

센서 제어 회로(110)는 이미지 센서(200)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 센서 제어 회로(110)는 이미지 센서(200)에 포함된 제어 레지스터(210)에게 제어 신호를 송신할 수 있다. 제어 신호를 수신한 제어 레지스터(210)는 이미지 센서(200)에 포함된 복수의 구성들(예를 들어, 타이밍 생성기, 버퍼, 카운터 제어기 등)을 제어할 수 있다.

센서 제어 회로(110)로부터 제어 레지스터(210)에게 전달되는 제어 신호는, I²C(inter-integrated circuit) 버스를 통해(via) 전달될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

자동 이득 조절부(120)는 이미지에 대한 이득(gain)을 결정할 수 있다. 상기 이득은, 이미지를 획득하는 시점의 빛의 세기에 기반하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 수신된 빛의 세기가 큰 경우(예를 들어, 밝은 곳 또는 야외), 광전 변환 소자에 의해 생성되는 전자의 양은 많을 수 있다. 따라서, 낮은 이득(또는 x1)으로 증폭하더라도, ADC(230)의 포화 입력에 도달할 수 있다. 다른 예를 들어, 수신된 빛의 세기가 작은 경우(예를 들어, 어두운 곳 또는 암실), 광전 변환 소자에 의해 생성되는 전자의 양은 작을 수 있다. 따라서, 높은 이득(예를 들어, x16)으로 증폭하여야 ADC(230)의 포화 입력에 도달할 수 있다. 상기 결정된 이득은, 램프(220)의 설정 값으로 이용될 수 있다. 자동 이득 조절부(120)는 자동 노출(auto expose)을 이용하여, 주변(peripheral) 빛의 세기를 측정함으로써 상기 이득을 결정할 수 있다.

디지털 신호 처리 회로(130)는 이미지 데이터를 처리할 수 있다. 디지털 신호 처리 회로(130)는 이미지 센서(200)의 버퍼(예를 들어, 도 2의 280)로부터 이미지 데이터를 수신하고, 상기 수신된 이미지 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 디지털 신호 처리 회로(130)는 표시부(미도시)에서 이미지를 표시할 수 있도록 상기 이미지 데이터를 처리 및 가공할 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 이미지 센서(200)는 제어 레지스터(210), 램프(220) 및 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter, 이하, ADC)를 포함할 수 있다.

제어 레지스터(210)는, 램프 신호 발생기(미도시), 타이밍 생성기(미도시), 카운터 제어기(미도시), 및 버퍼(도 2의 280) 각각에 제어 신호를 출력하여 동작을 제어할 수 있다.

램프(220)는, 이미지 프로세서(100)로부터 수신한 이득 값에 따라, 픽셀 출력 전압을 증폭할 수 있다. 예를 들어, 매우 밝은 곳에서 이미지를 획득한 경우, 이득 값은 x1에 상응할 수 있다. 이 경우, 램프(220)는 버퍼링 역할을 수행할 수 있다. 다른 예를 들어, 매우 어두운 곳에서 이미지를 획득하는 경우, 이득 값은 x16에 상응할 수 있다. 이 경우, 램프(220)는 픽셀 출력 전압을 16배 증폭시켜 ADC(230)에 입력 전압으로 인가함으로써, 이미지 내에 피사체들을 용이하게 구별할 수 있도록 이미지를 재구성할 수 있다.

ADC(230)는, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, ADC(230)는 램프(220)로부터 픽셀 출력 전압을 이득 값에 따라 증폭한 아날로그 신호를 수신할 수 있다. ADC(230)는 상기 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 픽셀 데이터를 생성할 수 있다.

도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 1과 중복되는 기재는 생략될 수 있다.

도 2를 참조하면, 이미지 센서(200)는 제어 레지스터(210), 로우 디코더(240), 로우 드라이버(250), 픽셀 어레이(260), 픽셀 부하(270-1), 램프(220), ADC(230), 및 버퍼(280)를 포함할 수 있다. 제어 레지스터(210), 램프(220) 및 ADC(230)에 대한 기재는, 도 1의 기재를 참조하여 생략될 수 있다.

로우 드라이버(250)는 픽셀 어레이(260)를 행(row) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(250)는 픽셀 어레이(260)를 구성하는 각 단위 픽셀의 전송 트랜지스터(302)를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터(303)를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호를 생성할 수 있다.

픽셀 어레이(260)는 다수의 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 상기 광전 변환 소자는, 포토 다이오드(photo diode, PD), 포토 게이트(photo gate), 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode, PDD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 다수의 광전 변화 소자는, 다수의 행(row)들과 다수의 열(column)을 따라 격자 모양으로 배열될 수 있다. 픽셀 어레이(260)는 상기 다수의 광전 변환 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 이미지 신호를 생성할 수 있다.

도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 및 픽셀 부하를 도시하는 아날로그 회로도이다. 도 2와 중복되는 기재는 생략될 수 있다.

도 3을 참조하면, 픽셀(260-11)은 광전 변환 소자(301), 커패시터(306) 및 다수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 다수의 트랜지스터들은, 전송 트랜지스터(transmit transistor, TG)(302), 리셋 트랜지스터(reset transistor, RG)(303), 구동 트랜지스터(또는 소스 팔로워(source follower, SF))(304), 및 선택 트랜지스터(select transistor, SL)(305)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 광전 변환 소자(301)는 포토 다이오드(photo diode, PD), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode, PDD) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

광전 변환 소자(301)는 입사되는 빛의 세기에 따라 가변되는 광전하를 생성할 수 있다. 전송 트랜지스터(302)는 로우 드라이버(250)로부터 출력되는 전송 제어 신호(TG)에 따라, 상기 생성된 광전하를 커패시터(306)로 전송할 수 있다.

커패시터(306)는 전송 트랜지스터(302)로부터 전송된 광전하를 축적할 수 있다. 상기 광전하가 축적됨에 따라, 커패시터(306)의 노드는 구동 트랜지스터(304)를 구동하기 위한 전압을 생성할 있다. 상기 노드는, 플로팅 디퓨전(floating diffusion, FD) 노드로 지칭될 수 있다. 구동 트랜지스터(304)는 상기 FD 노드의 전위에 따라 선택 트랜지스터(305)로 상기 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다. 선택 트랜지스터(305)는 드레인 단자가 상기 구동 트랜지스터(304)의 소스 단자에 연결되고, 로우 드라이버(250)로부터 출력되는 선택 신호(SEL)에 따라 픽셀(260-11)에 연결된 컬럼으로, 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 리셋 트랜지스터(303)는 로우 드라이버(250)로부터 출력되는 리셋 제어 신호(RS)에 따라 상기 FD 노드를 리셋할 수 있다.

전술한 실시예에 따르면, 픽셀(260-11)은 4개의 트랜지스터를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 실시예들에 따라, 픽셀(260-11)은 3개의 트랜지스터(리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터)를 포함하는 3Tr 구조를 가지거나, 5개의 트랜지스터를 포함하는 5Tr 구조를 가질 수 있다.

전술한 실시예에서, 픽셀(260-11)과 관련된 기재는, 픽셀 어레이(260) 내에 포함되는 복수의 픽셀들(260-11 내지 260-mn)에 동일하게 적용될 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 픽셀 출력 전압 중 열 소음에 의해 발생하는 전압 성분은 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.

여기서, k는 볼츠만 상수(Boltzmann constant), T는 절대 온도(absolute temperature), 은 픽셀 출력 노드에서 바라보는 정전 용량, 은 구동 트랜지스터의 트랜스 컨덕턴스 값, 는 픽셀 부하(270-1)의 트랜스 컨덕턴스 값에 대응될 수 있다.

수학식 1을 참조하면, 열 소음에 의한 출력 전압을 감소시키기 위하여, 픽셀 부하(270-1)의 트랜스 컨덕턴스 가 감소되어야 한다. 픽셀 부하(270-1)의 트랜스 컨덕턴스 값인 는 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.

여기서, 은 전자의 이동도(mobility), 는 게이트 산화막의 정전 용량, W는 트랜지스터 채널의 폭, L은 트랜지스터 채널의 길이에 대응될 수 있다.

수학식 2를 참조하면, 픽셀 부하(270-1)의 트랜스 컨덕턴스 는 트랜지스터의 W/L 비율에 비례할 수 있다. 따라서, 트랜지스터의 W/L 비율을 감소시키는 경우, 픽셀 부하(270-1)의 트랜스 컨덕턴스 이 감소하고, 픽셀 출력 전압 중 열 소음에 의한 전압도 감소할 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 픽셀 부하(270-1)는 독립 전류원(307) 및 복수의 트랜지스터들(308 내지 310) 및 복수의 스위치들(311 내지 312)을 포함할 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 독립 전류원(307)은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 트랜지스터에 바이어스 전압을 인가함으로써 일정한 크기의 전류를 출력하도록 제어할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 하나의 트랜지스터를 포함하는 것으로 도시되었지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 독립 전류원(307)은 캐스코드된(cascaded) 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 복수의 트랜지스터들을 연결함으로써 입력 전압에 무관하게 일정한 크기의 전류를 출력하는 이상적인 전류원으로 동작할 수 있다.

다양한 실시예들에 따라 복수의 트랜지스터들(308 내지 310)은 제1 트랜지스터(308), 제2 트랜지스터(309) 및 제3 트랜지스터(310)를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터(308), 제2 트랜지스터(309) 및 제3 트랜지스터(310)는 스택 구조를 형성하도록 직렬로 연결될 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 픽셀 부하(270-1)는 복수의 스위치들(311, 312)을 포함할 수 있다. 복수의 스위치들(311, 312) 각각은, 복수의 트랜지스터들(308 내지 310) 각각과 교차하도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(311)는 제1 트랜지스터(308) 및 제2 트랜지스터(309) 사이에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 스위치(312)는 제2 트랜지스터(309) 및 제3 트랜지스터(310) 사이에 연결될 수 있다. 복수의 스위치들(311, 312) 각각은, 접지 노드(ground node)로 연결될 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 복수의 스위치들(311, 312)은 제어 레지스터(210)로부터 제어 신호를 수신하고, 온 또는 오프될 수 있다. 제어 레지스터(210)는 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율을 감소시키기 위하여, 제1 스위치(311) 또는 제2 스위치(312) 중 적어도 하나의 스위치를 비활성화할 것을 지시하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(311)가 비활성화되고, 제2 스위치(312)는 활성화되는 경우, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율은 1/2로 감소될 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 스위치(311) 및 제2 스위치(312)가 비활성화되는 경우, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율은 1/3로 감소될 수 있다.

다양한 실시예들에 따라, 이미지 센서(200)는 바이어스 전류 회로(400)를 더 포함할 수 있다. 바이어스 전류 회로(400)는 픽셀 부하(270-1)를 통과하는 전류를 생성하기 위한 전류 미러 회로(current mirror circuit)에 상응할 수 있다.

바이어스 전류 회로(400)는 복수의 스위치들(401, 402)을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 스위치들(401, 402)은 픽셀 부하(270-1)에 연결되는 복수의 스위치들(311, 312)와 대칭(symmetry)을 형성할 수 있다. 바이어스 전류 회로(400)에 포함되는 복수의 스위치들(401, 402)과 픽셀 부하(270-1)에 연결되는 복수의 스위치들(311, 312)은 동일하게(identical) 제어될 수 있다. 바이어스 전류 회로(400)에 포함되는 복수의 스위치들(311, 312)을 픽셀 부하(270-1)에 연결되는 복수의 스위치들(311, 312)과 동일하게 제어하지 않는 경우, 바이어스 전류 회로(400)의 W/L 값은 변하지 않는 반면, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 값이 변경될 수 있다. 픽셀 부하(270-1)를 흐르는 전류의 크기는, 바이어스 전류 회로(400)와 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율에 기반하여 결정될 수 있다. 따라서, 픽셀 부하(270-1)에 연결되는 복수의 스위치들(311, 312)과 동일하게 바이어스 전류 회로(400)에 포함되는 복수의 스위치들(401, 402)을 제어함으로써, 픽셀 부하(270-1)를 흐르는 전류의 크기를 유지할 수 있다.

전술한 실시예에 따라, 복수의 트랜지스터들은, 3개의 트랜지스터를 포함하는 것으로 기재되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 실시예들에서, 복수의 트랜지스터들은, n개의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 후술되는 실시예에 따라, 픽셀 부하(270-1)가 n개의 트랜지스터들을 포함하는 경우, 픽셀 부하(270-1)의 트랜스 컨덕턴스의 크기는, 1/n까지 스케일링될 수 있다.

도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 도시하는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 동작 S110에서, 이미지 센서(200)는 이미지 프로세서(100)로부터 이득 정보를 수신할 수 있다. 이미지 프로세서(100)는 이미지 획득을 요청하는 신호에 응답하여, 자동 노출(auto expose)을 수행하여 측정된 빛의 세기에 기반하여 이득(gain)을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 결정된 이득 값은 x1 내지 x16에 대응할 수 있다. 이미지 프로세서(100)는 상기 이득을 결정한 경우, 이미지 센서(200)에게 상기 결정된 이득 값을 전송할 수 있다. 이미지 센서(200)는 상기 결정된 이득 값을 수신하고, 상기 이득 값에 따라 램프(220)의 설정 값을 변경할 수 있다. 예를 들어, 상기 결정된 이득 값이 x16인 경우, 램프(220)는 픽셀 전압을 16배 증폭시키고, 상기 증폭된 전압을 ADC(230)의 입력 전압으로 인가할 수 있다.

동작 S120에서, 이미지 센서(200)는 이득 정보에 기반하여, 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다. 이미지 센서(200)는 이득 정보를 이용하여, 온/오프를 제어할 스위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 이득 정보가 지시하는 이득 값이 x16인 경우, 이미지 획득 시점에 상응하는 빛의 세기가 매우 작다는 것을 알 수 있다. Vout을 16배 증폭하는 경우, Vout에 포함되는 열 소음 성분도 16배 증폭되므로, 열 소음의 감소가 중요할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(200)는 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치를 온/오프함으로써, 픽셀 부하(270-1)를 흐르는 전류의 전기적 경로를 변경하고, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율을 변경할 수 있다. 열 소음은 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율에 의존적(dependent)이기 때문에, 이미지 센서(200)는 W/L을 감소시킴으로써, 열 소음을 개선할 수 있다. 적어도 하나의 스위치의 온/오프를 제어하는 구체적인 동작은 이하 도 5를 통해 설명될 수 있다.

도 5는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 스위치의 온/오프를 제어하는 동작 방법을 나타내는 순서도이다. 보다 자세하게, 도 5는 이득 정보에 기반하여, 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치의 온/오프를 제어하기 위한 동작 S120의 구체적인 동작 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 동작 S121에서, 이미지 센서(200)는 수신된 이득 값이 제1 임계 값을 초과하는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 임계 값은 x5에 상응할 수 있다. 이미지 센서(200)는 수신된 이득 값이 x1 내지 x4에 상응하는 경우, 5배 이상 픽셀 출력을 증폭하지 않으므로, 픽셀 출력에 포함된 열 소음을 개선하지 않을 것을 결정할 수 있다. 즉, 이미지 센서(200)는 픽셀 출력을 1배 내지 4배만큼 증폭하는 경우, W/L 비율을 감소시켜 얻을 수 있는 열 소음 개선보다 W/L 비율을 감소시켜 제한되는 ADC 입력 전압으로 인한 성능 열화가 더 클 수 있다. 따라서, 이미지 센서(200)는 수신된 이득 값이 제1 임계 값을 초과하지 않는 경우, 절차를 종료할 수 있다.

동작 S122에서, 이미지 센서(200)는 제1 스위치를 비활성화하고, 제2 스위치를 활성화할 수 있다. 동작 S121에서, 수신된 이득 값이 제1 임계 값을 초과하는 경우, W/L 비율을 감소시킴으로써 열 소음을 개선할 수 있기 때문에, 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 레지스터(210)는 제1 임계 값을 초과하는 이득 값을 수신함에 응답하여, 제1 스위치(311)를 비활성화하고, 제2 스위치(312)를 활성화하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 제1 스위치(311)를 비활성화하고, 제2 스위치(312)를 활성화하는 경우, 픽셀 부하(270-1)를 통과하는 전류는, 제1 트랜지스터(308) 및 제2 트랜지스터(309)를 통과한 이후, 제2 스위치(312)를 통해 접지 노드로 흐를 수 있다. 직렬(serial)로 연결되어 스택 구조를 가지는 제1 트랜지스터(308) 및 제2 트랜지스터(309)는 W/2L의 트랜지스터와 등가이므로, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율은 절반으로 감소할 수 있다.

동작 S123에서, 이미지 센서(200)는 수신된 이득 값이 제2 임계 값을 초과하는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 제2 임계 값은 x10에 상응할 수 있다. 이미지 센서(200)는 수신된 이득 값이 x5 내지 x9에 상응하는 경우, 픽셀 출력 전압을 10배 이상 증폭하지 않으므로, W/L 비율을 추가적으로 감소시키는 것을 바이패스할 수 있다. 즉, 이미지 센서(200)는 픽셀 출력을 5배 내지 9배만큼 증폭하는 경우, W/L 비율을 추가적으로 감소시켜 얻을 수 있는 열 소음의 개선보다, 더욱 감소되는 W/L 비율로 인하여 제한되는 ADC 입력 전압으로 인한 성능 열화가 더 클 수 있다. 따라서, 이미지 센서(200)는 수신된 이득 값이 제2 임계 값을 초과하지 않는 경우, 절차를 종료할 수 있다.

동작 S124에서, 이미지 센서(200)는 제2 스위치를 비활성화할 수 있다. 동작 S121에서, 수신된 이득 값이 제2 임계 값을 초과하는 경우, W/L 비율을 감소시킴으로써 열 소음을 개선할 수 있기 때문에, 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다. 즉, 픽셀 출력을 10배 내지 16배만큼 증폭하는 경우, 픽셀 출력에 포함된 열 소음 성분도 10배 내지 16배 증폭되어 출력되기 때문에, 추가적으로 열 소음을 개선할 필요가 있다. 예를 들어, 제어 레지스터(210)는 제2 임계 값을 초과하는 이득 값을 수신함에 응답하여, 제2 스위치(312)를 비활성화하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 제2 스위치(312)가 비활성화되는 경우, 픽셀 부하(270-1)를 통과하는 전류는, 제1 스위치(311) 및 제2 스위치(312)가 비활성화되어 있으므로, 픽셀 부하(270-1)를 통과하는 전류는, 제1 트랜지스터(308), 제2 트랜지스터(309) 및 제3 트랜지스터(310)를 통과할 수 있다. 직렬로 연결되어, 스택 구조를 가지는 제1 트랜지스터(308), 제2 트랜지스터(309) 및 제3 트랜지스터(310)는 W/3L의 트랜지스터와 등가이므로, 픽셀 부하(270-1)는 W/L 비율은 1/3으로 감소할 수 있다.

도 6a는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 제1 임계 값을 초과하지 않는 이득 값을 수신한 경우, 스위치의 온/오프 제어에 따른 픽셀 부하 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다.

이미지 센서(200)는 이미지 프로세서(100)로부터 제1 임계 값을 초과하지 않는 이득 값을 지시하는 이득 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 상기 이득 값은 x1 내지 x4 값에 상응할 수 있다. 이미지 센서(200)는 상기 이득 정보를 수신함에 응답하여, 제1 스위치(311)를 활성화할 수 있다. 접지 노드와 연결된 제1 스위치(311)가 활성화되는 경우, 픽셀 부하 전류는 제1 트랜지스터(308) 및 제1 스위치(311)를 포함하는 전기적 경로를 가질 수 있다. 상기 전기적 경로는, 굵게 표시된 선에 대응될 수 있다. 즉, 픽셀 부하 전류는 제1 트랜지스터(308) 및 제1 스위치(311)를 통과할 수 있다. 픽셀 부하 전류가 통과하는 픽셀 부하(270-1)는 제1 트랜지스터(308)에만 제한되기 때문에, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율은 제1 트랜지스터(308)의 W/L 비율에 상응할 수 있다.

도 6b는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 제1 임계 값을 초과하고, 제2 임계 값을 초과하지 않는 이득 값을 수신한 경우, 스위치의 온/오프 제어에 따른 픽셀 부하 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다.

이미지 센서(200)는 이미지 프로세서(100)로부터 제1 임계 값을 초과하고, 제2 임계 값을 초과하지 않는 이득 값을 지시하는 이득 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 상기 이득 값은 x5 내지 x9 값에 상응할 수 있다. 이미지 센서(200)는 상기 이득 정보를 수신함에 응답하여, 제1 스위치(311)를 비활성화하고, 제2 스위치(312)를 활성화할 수 있다. 복수의 트랜지스터들이 형성하는 스택 구조 중 제1 스위치(311)가 제2 스위치(312)보다 상위 노드(upper node)에 연결되므로, 제1 스위치(311)가 활성화된 경우, 제2 스위치(312)의 활성화/비활성화 여부와 무관하게 픽셀 부하 전류는 항상 제1 스위치(311)를 통해 접지 노드로 흐를 수 있다. 따라서, 이미지 센서(200)는 제1 스위치(311)를 비활성화함으로써 픽셀 부하 전류가 직렬로 연결된 적어도 둘 이상의 트랜지스터들을 통과하도록 전기적 경로를 변경할 수 있다. 상기 전기적 경로는, 굵게 표시된 선에 대응될 수 있다. 즉, 픽셀 부하 전류는 제1 트랜지스터(308), 제2 트랜지스터(309) 및 제2 스위치(312)를 통과할 수 있다. 상기 전기적 경로는, 제1 트랜지스터(308) 및 제2 트랜지스터(309)를 포함하기 때문에, W/2L 비율의 트랜스 컨덕턴스를 갖는 단일 트랜지스터와 등가 회로(equivalent circuit)일 수 있다. 1/2로 감소된 W/L 비율에 따라, 픽셀 출력에 포함되는 열 소음도 감소할 수 있다.

도 6c는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 제2 임계 값을 초과하는 이득 값을 수신한 경우, 스위치의 온/오프 제어에 따른 픽셀 부하 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다.

이미지 센서(200)는 이미지 프로세서(100)로부터 제2 임계 값을 초과하는 이득 값을 지시하는 이득 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 상기 이득 값은 x10 내지 x16 값에 상응할 수 있다. 이미지 센서(200)는 상기 이득 정보를 수신함에 응답하여, 제1 스위치(311) 및 제2 스위치(312)를 비활성화할 수 있다. 제1 스위치(311) 및 제2 스위치(312)가 비활성화됨으로써, 픽셀 부하 전류는 제3 트랜지스터(310)와 연결된 접지 노드로 흐를 수 있다. 따라서, 이미지 센서(200)는 제1 스위치(311) 및 제2 스위치(312)를 비활성화함으로써 적어도 셋 이상의 트랜지스터들을 통과하도록 전기적 경로를 변경할 수 있다. 상기 전기적 경로는, 굵게 표시된 선에 대응될 수 있다. 픽셀 부하 전류는 제1 트랜지스터(308), 제2 트랜지스터(309) 및 제3 트랜지스터(310)를 통과할 수 있다. 상기 전기적 경로는, 제1 트랜지스터(308) 내지 제3 트랜지스터(310)를 포함하기 때문에, W/3L 비율의 트랜스 컨덕턴스를 갖는 단일 트랜지스터와 등가 회로(equivalent circuit)일 수 있다. 1/3로 감소된 W/L 비율에 따라, 픽셀 출력에 포함되는 열 소음이 감소될 수 있다.

전술한 실시예들에서, 픽셀 부하(270-1)는 3개의 트랜지스터들 및 2개의 스위치들을 포함하는 것으로 도시되었지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 실시예들에 따라, 픽셀 부하(270-1)는 n개의 트랜지스터들 및 (n-1)개의 스위치들을 포함하도록 구성될 수 있다. 도 6a 내지 도 6c에서 도시된 바와 같이, 상위 노드에 연결된 스위치부터 하위 노드에 연결된 스위치까지 순차적으로 비활성화함으로써, 픽셀 부하 전류가 통과하는 트랜지스터의 개수를 순차적으로 증가시킬 수 있다. 픽셀 부하 전류가 통과하는 트랜지스터의 개수가 순차적으로 증가함에 따라, 픽셀 부하(270-1)의 W/L 비율은 트랜지스터의 개수에 반비례하여 감소할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(200)는 (n-1)개의 스위치들을 비활성화하고, 상기 픽셀 부하 전류는, n개의 트랜지스터를 통과하도록 전기적 경로를 변경할 수 있다. 이 경우, 픽셀 부하 전류가 통과하는 픽셀 부하(270-1)의 등가 회로는 W/nL 비율을 가지는 단일 트랜지스터에 상응할 수 있다.

도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 7을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(700)은 이미지 프로세서(710), 메모리 장치(720), 저장 장치(730), 입출력 장치(750), 파워 서플라이(760), 및 이미지 센서(200)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(200)는 도 1 내지 도 6c에서 상술한 본 개시의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다. 도 7에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(700)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.

이미지 프로세서(710)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 이미지 프로세서(710)는 도 1 내지 도 6c에서 상술한 본 개시의 실시예에 따른 이미지 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 프로세서(710)는 마이크로 프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 이미지 프로세서(710)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(720), 저장 장치(730) 및 입출력 장치(750)와 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이미지 프로세서(710)는 주변 구성요소 상호 연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 이미지 프로세서(710)는 호스트 등으로부터 디지털 줌 명령을 수신한 경우 이에 따른 줌 정보를 버스를 통해 이미지 센서(200)에 출력할 수 있다.

메모리 장치(720)는 컴퓨팅 시스템(700)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(720)는 DRAM, 모바일 DRAM, SRAM, 또는 불휘발성 메모리 장치로 구성될 수 있다.

상기 메모리들의 칩은 각기 혹은 함께 다양한 형태들의 패키지를 이용하여 실장될 수 있다. 예를 들면, 칩은 PoP(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) 등의 패키지로서 패키지화될 수 있다.

스토리지 장치(730)는 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive(SSD)), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive(HDD)), CD-ROM 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(2400)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단, 및 프린터와 디스플레이 등과 같은 출력 유닛들을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(760)는 컴퓨팅 시스템(700)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

이미지 센서(200)는 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 이미지 프로세서(710)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 본 개시의 실시예들에 따라 이미지 센서(200)는 이미지 프로세서(710)로부터 이득 정보를 수신하는 경우, 제1 임계 값 및 제2 임계 값과의 비교에 기반하여, 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치를 온/오프하여, 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스 값을 변경함으로써, 열 소음을 개선할 수 있다. 이미지 센서(200)는 이미지 프로세서(710)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 컴퓨팅 시스템(700)은 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(700)은 디지털 카메라, 이동 전화기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트폰(Smart Phone), 태블릿 PC 등을 포함할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

로우(row)들 및 컬럼(column)들에 따라 배열되는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(array);
상기 컬럼들 중 하나의 컬럼에 연결되고, 직렬로 연결된 복수의 트랜지스터들을 포함하는 픽셀 부하(load); 및
상기 복수의 트랜지스터들 중 이웃하는(neighboring) 트랜지스터들 사이의 노드들에 각각 병렬로 연결되는 복수의 스위치들을 포함하고,
이미지 프로세서로부터, 이미지를 획득하는 시점의 빛의 세기를 지시하는 이득 정보(gain information)를 획득하고, 상기 획득된 이득 정보에 기반하여, 상기 픽셀 부하를 통과하는 전류의 전기적 경로를 변경하도록, 상기 복수의 스위치들 중 적어도 하나의 스위치의 온/오프(on/off)를 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 복수의 트랜지스터들은,
직렬(serial)로 연결되어, 스택(stack) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 복수의 스위치들은,
제1 스위치, 및 제2 스위치를 포함하고,
상기 복수의 트랜지스터들은,
제1 트랜지스터, 제2 트랜지스터, 및 제3 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제3항에 있어서,
상기 제1 스위치는,
상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터 사이에 연결되고,
상기 제2 스위치는,
상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제4항에 있어서,
상기 이미지 센서는,
상기 획득된 이득 정보에 기반하여, 이득 값을 식별하고,
상기 이득 값이, 제1 임계 값보다 작은 경우, 상기 적어도 하나의 스위치의 온/오프의 제어를 바이패스하고,
상기 이득 값이, 상기 제1 임계 값보다 크고 제2 임계 값보다 작은 경우, 상기 제1 스위치를 비활성화하고 상기 제2 스위치를 활성화하고,
상기 이득 값이 제2 임계 값보다 큰 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 비활성화하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제5항에 있어서,
상기 픽셀 부하를 통과하는 전류는,
상기 제1 스위치가 활성화된 경우, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제1 스위치를 포함하는 전기적 경로를 가지고,
상기 제1 스위치가 비활성화되고, 상기 제2 스위치가 활성화된 경우, 상기 제1 트랜지스터, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제2 스위치를 포함하는 전기적 경로를 가지고,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 비활성화된 경우, 상기 제1 트랜지스터 내지 상기 제3 트랜지스터를 포함하는 전기적 경로를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제5항에 있어서,
상기 제1 스위치가 비활성화되고, 상기 제2 스위치가 활성화된 경우, 상기 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스 값은 1/2로 감소하고,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 비활성화된 경우, 상기 픽셀 부하의 트랜스 컨덕턴스 값은 1/3로 감소하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 픽셀 부하로 흐르는 전류를 생성하기 위한 바이어스 전류 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제8항에 있어서,
상기 바이어스 전류 회로는,
전류 미러 회로(current mirror circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제9항에 있어서,
상기 전류 미러 회로는,
상기 복수의 스위치들과 대칭(symmetry)을 형성하는 다른 복수의 스위치들을 포함하고,
상기 다른 복수의 스위치들은, 상기 복수의 스위치들의 온/오프와 동일하게 제어되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.