(57)【要約】【課題】感知信号を比較器に直接入力することによって、感知信号のダイナミックレンジを拡大し、ノイズを減少させるＣＭＯＳイメージセンサを提供する。【解決手段】ＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードと、フォトダイオードにより感知された信号を感知ノードに伝送するスイッチと、感知ノードに電気的に接続され、感知ノードの感知された信号と基準信号とを比較する比較器とを含み、比較器は、感知ノードに直接電気的に接続される第１入力トランジスタと、基準信号が入力される第２入力トランジスタとを含む。【選択図】図４
2008125080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードにより感知された信号を感知ノードに伝送するスイッチと、
前記感知ノードに直接電気的に接続されると共に、前記感知ノードに感知された信号と基準信号とを比較する比較器とを含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項２】
前記比較器は、
前記感知ノードに直接電気的に接続される様に構成される第１入力トランジスタと、
前記基準信号が入力される様に構成される第２入力トランジスタとを含むことを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項３】
前記比較器は、前記感知信号と前記基準信号とを比較して前記感知信号と前記基準信号との電圧差に対応する出力信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項４】
前記基準信号は、経時により減少することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項５】
前記フォトダイオードは、外部映像情報が入力され、前記外部映像情報に対応する前記感知信号を前記比較器に出力することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項６】
請求項１に記載されるＣＭＯＳイメージセンサを含むことを特徴とするデジタルカメラ。
【請求項７】
光信号を電気信号に変換する段階と、
前記電気信号を感知ノードに伝送する段階と、
前記感知ノードの電気信号が直接入力され、前記入力された電気信号と基準信号とを比較する段階を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの映像信号の検出方法。
【請求項８】
前記入力された電気信号と前記基準信号とを比較する時から前記入力された電気信号電圧が前記基準信号電圧より高くなる時まで、一定の単位をカウンタする段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のＣＭＯＳイメージセンサの映像信号の検出方法。
【請求項９】
電源電圧と感知ノードとの間に電気的に接続され、第１信号により制御される第１トランジスタと、
前記感知ノードと第１ノードとの間に電気的に接続され、第２信号により制御される第２トランジスタと、
前記第１ノードと接地電圧との間に電気的に接続されるフォトダイオードと、
第２ノードと第５ノードとの間に電気的に接続され、前記感知ノードにより制御される第３トランジスタと、
前記電源電圧と前記第２ノードとの間に電気的に接続され、前記第２ノードにより制御される第４トランジスタと、
前記電源電圧と第３ノードとの間に電気的に接続され、前記第２ノードにより制御される第５トランジスタと、
前記第３ノードと前記第４ノードとの間に電気的に接続され、基準電圧信号により制御される第６トランジスタ+と、
前記第５ノードと前記第４ノードとの間に電気的に接続される第６ノードと、
前記第６ノードと前記接地電圧との間に電気的に接続される電流源とを含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１０】
前記第１信号に応じて前記感知ノードを初期化し、前記第２信号に応じて前記フォトダイオードから入力された映像情報に対応する感知信号を前記感知ノードに出力し、前記感知信号と前記基準電圧信号とを比較し、前記感知信号の電圧と前記基準電圧との差に該当するアナログ電圧信号を出力することを特徴とする請求項９に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１１】
前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記フォトダイオード及び前記第３トランジスターは、ピクセルを構成することを特徴とする請求項９に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１２】
前記ピクセルは、前記第５ノードと前記電流源との間に電気的に接続され、前記ピクセルを活性化する選択信号により制御される第７トランジスタをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【請求項１３】
前記第３トランジスタ、前記第４トランジスタ、前記第５トランジスタ、前記第６トランジスタ及び前記電流源は、比較器を構成することを特徴とする請求項９に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＩＳ（ＣＭＯＳ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）に係り、より詳しくはデジタルダブルサンプリング（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）が実現できる比較器に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラに多く使用されるＣＭＯＳイメージセンサは、光学信号を電気信号に変換する。前記信号変換は、フォトダイオードと読み出し回路とで構成されるＣＭＯＳイメージセンサの画素で行われる。フォトダイオードは吸収された光により電荷を生成し、生成された電荷をアナログ電圧に変換して、変換されたアナログ電圧を読み出し回路に伝送する。読み出し回路はアナログ電圧信号をデジタル信号に変換する。
【０００３】
アナログ−デジタルの変換の過程は、比較器を利用して入力されたアナログ電圧をランプ電圧と比較して行われる。比較器はアナログ電圧とランプ電圧とを比較し、ランプ電圧がアナログ電圧と同じになる時のカウンタ値が、アナログ電圧がデジタルに変換されたデジタルデータである。
【０００４】
一般的に、画素は４個のＮＭＯＳトランジスタを利用して構成される。第１ＮＭＯＳトランジスタは画素を初期化し、第２ＮＭＯＳトランジスタは画素の映像情報を伝送し、第３ＮＭＯＳトランジスタは画素を選択する役割をする。第４ＮＭＯＳトランジスタはソースフォロワ（Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｌｌｏｗｅｒ）を構成して画素の映像情報を伝送する為のバッファとして使われる。
【０００５】
従って、画素が感知信号をソースフォロワを通じて読み出し回路に伝送すると、感知信号はダイナミックレンジが制限され、ノイズが増加するという問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は感知信号を比較器に直接入力することによって、感知信号のダイナミックレンジを拡大するＣＭＯＳイメージセンサを提供することにある。
本発明の他の目的は感知信号を比較器に直接入力することによって、ノイズを減少させるＣＭＯＳイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードと、前記フォトダイオードにより感知された信号を感知ノードに伝送するスイッチと、前記感知ノードに直接電気的に接続されると共に、前記感知ノードに感知された信号と基準信号とを比較する比較器とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明はソースフォロワを使わない画素の出力を比較器に直接接続することによって、ダイナミックレンジを拡大し、ノイズを減少させる効果を得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態を添付された図面等を参考にして詳しく説明する。
図１はＣＭＯＳイメージセンサを含むデジタルカメラのシステムを示すブロック図である。図１によると、デジタルカメラのシステムはＣＭＯＳイメージセンサ１００、プロセッサ２００、メモリ３００、ディスプレイ４００とバス５００を含む。ＣＭＯＳイメージセンサ１００は、プロセッサ２００の制御に応じて外部の映像情報を取得する。
プロセッサ２００は取得された映像情報をバス５００を介してメモリ３００に貯蔵する。プロセッサ２００はメモリ３００に貯蔵された映像情報をディスプレイ４００に出力する。
【００１０】
図２は本発明によるＣＭＯＳイメージセンサを示すブロック図である。図２によると、外部の映像情報をデジタルデータに変換して貯蔵するＣＭＯＳイメージセンサ１００はタイミングコントローラ（Ｔｉｍｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１０、画素アレイ部２０、アナログデジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３０及びバッファ４０で構成される。アナログデジタル変換器３０は比較器、カウンタ及びランプ電圧発生器（Ｒａｍｐ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）で構成される。
【００１１】
外部のアナログ映像情報が入力される画素アレイ部２０は、比較器３１に結合される。図４の画素アレイ部２０と比較器３１の回路図に対して詳しく説明する。
画素アレイ部２０はタイミングコントローラ１０の制御信号等Ｒｘ、Ｔｘ、Ｓｅｌに応じてアナログ信号等Ｖａ（図示せず）を比較器３１に出力する。比較器３１にはアナログ信号Ｖａとランプ電圧発生器３３からランプ信号Ｖｒとが入力される。ランプ信号Ｖｒは時間に比例して電圧が増加又は減少する特徴を有する信号である。この実施形態では、経時により電圧が減少する信号である。
【００１２】
カウンタ３２はタイミングコントローラ１０のクロック信号ＣＬＫと制御信号ＲＳＴに応じてアナログ信号Ｖａとランプ信号Ｖｒとを比較する時からカウントを始める。比較器３１はアナログ信号Ｖａとランプ信号Ｖｒとを比較して、その電圧差に該当する比較信号ＬＡＴＣＨをタイミングコントローラ１０に伝送する。
【００１３】
カウンタ３２は、タイミングコントローラ１０からクロック信号ＣＬＫに応じてカウントを止める。カウンタ３２に貯蔵されたカウンタ値がアナログ信号Ｖａに該当するデジタルデータである。デジタル信号に変換されたアナログ信号は、バッファ４０に貯蔵される。タイミングコントローラ１０は制御信号Ｒ_Ａｄを伝送し、タイミングコントローラ１０にはデータ信号Ｒ_Ｄが伝送される。
【００１４】
図３は図２に図示された画素を示す回路図である。図３に図示された画素は画素アレイ部２０に図示されたＮ×Ｍ個の画素等の中の一つを示すものである。図２乃至図３を参考にすれば、画素２０は４個のＮＭＯＳトランジスタＮＴ０〜ＮＴ３と電流源Ｉｂとで構成される。画素２０は電源電圧と感知ノードＦＤとの間に電気的に接続され、リセット信号Ｒｘにより制御される第１トランジスタＮＴ０、感知ノードＦＤと第１ノードとの間に電気的に接続され、伝送信号Ｔｘにより制御される第２トランジスタＮＴ１、第１ノードと接地電圧との間に電気的に接続されたフォトダイオードＰＤを含み、感知信号ＦＤは第１ノードから出力される。
【００１５】
画素２０は電源電圧と第２ノードとの間に電気的に接続され、感知ノードＦＤにより制御される第３トランジスタＮＴ２、第２ノードと電流源Ｉｂとに電気的に接続され、選択信号Ｓｅｌにより制御される第４トランジスタＮＴ３を含む。
【００１６】
第１トランジスタＮＴ０はタイミングコントローラ１０のリセット信号Ｒｘに応答して画素を初期化する役割をする。第２トランジスタＮＴ１はタイミングコントローラ１０の伝送信号Ｔｘに応答してフォトダイオードＰＤの感知信号を伝送する役割をする。第３トランジスタＮＴ２と電流源Ｉｂとはソースフォロワを構成する。ソースフォロワはバッファとして動作する。従って、第３トランジスタＮＴ２のゲートに入力される感知ノードＦＤのダイナミックレンジが制限される様になる。即ち、感知ノードＦＤの電圧が電源電圧であれば、比較器３１に伝送されるアナログ信号Ｖａは電源電圧と第３トランジスタのスレッショルド電圧との電圧差になる。
又、感知ノードＦＤによるアナログ信号Ｖａは、第３トランジスタＮＴ２と第４トランジスタＮＴ３を介して比較器３１に伝送されるので、アナログ信号Ｖａは第３トランジスタＮＴ２と第４トランジスタＮＴ３とによるノイズが発生する。
【００１７】
第３トランジスタＮＴ２のゲートを介して入力されたアナログ信号は、比較器３１に伝送される。第４トランジスタＮＴ３はタイミングコントローラ１０の選択信号Ｓｅｌに応じて複数の画素等の中で一つの画素を選択する役割をする。
タイミングコントローラ１０は、リセット信号Ｒｘと選択信号Ｓｅｌとを活性化して感知ノードＦＤを初期化する。画素２０は初期化されたアナログ信号Ｖａを比較器３１に出力する。
タイミングコントローラ１０は、伝送信号Ｔｘと選択信号Ｓｅｌとを活性化してフォトダイオードＰＤからの外部映像情報を感知ノードＦＤに伝送する。画素２０は比較器３１に外部映像情報に対応するアナログ信号Ｖａを出力する。
【００１８】
アナログデジタル変換器３０は画素から正確なアナログ信号をデジタル信号に変換する為にデジタルダブルサンプリング（ＤＤＳ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）をする。
デジタルダブルサンプリングは画素から正確なアナログ信号をデジタルデータに変換する為に、画素を初期化した時のアナログ信号をデジタルに変換したデジタルデータＤｒｓｔから、外部の映像信号が入力される画素から映像信号に対応するアナログ信号をデジタル信号に変換したデジタルデータＤＳｉｇとの差（ＤＳｉｇ−Ｄｒｓｔ）を求めることを意味する。
【００１９】
図４は本発明による比較器を示す回路図である。図２乃至図４によると、ピクセル２０は電源電圧と感知ノードＦＤとの間に電気的に接続され、リセット信号Ｒｘにより制御される第１トランジスターＮＴ０、感知ノードＦＤと第１ノードとの間に電気的に接続され、伝送信号Ｔｘにより制御される第２トランジスタＮＴ１、第１ノードと接地電圧の間に電気的に接続されたフォトダイオードＰＤを含み、感知信号ＦＤは第１ノードから出力される。
【００２０】
ピクセル２０は第２ノードと第５ノードとの間に電気的に接続され、感知信号ＦＤにより制御される第３トランジスタＮＴ２、第５ノードと電流源Ｉｂとの間に電気的に接続され、制御信号Ｓｅｌにより制御される第４トランジスタＮＴ３をさらに含む。
【００２１】
比較器３１は電源電圧と第２ノードとの間に電気的に接続され、第２ノードにより制御される第７トランジスタＰＴ０、電源電圧と第３ノードとの間に電気的に接続され、第２ノードにより制御される第８トランジスタＰＴ１、第３ノードと第４ノードとの間に電気的に接続され、ランプ信号Ｖｒにより制御される第５トランジスタＮＴ４、電流源Ｉｂと第４ノードとの間に電気的に接続され、電源電圧により制御される第６トランジスタＮＴ５を含み、第３ノードに電気的に接続された出力端は比較器の増幅利得を多くする為に直列接続されたインバータ等IＮＶ１、IＮＶ２の入力端に電気的に接続される。
【００２２】
電流源Ｉｂ、第５トランジスタＮＴ４、第６トランジスタＮＴ５、第７トランジスタＰＴ０、そして、第８トランジスタＰＴ１はピクセル２０に含まれた第３トランジスタＮＴ２、第４トランジスタＮＴ３と共に差動増幅器を形成する。差動増幅器は増幅利得を多くする為のインバータ等IＮＶ１、IＮＶ２と共に比較器を形成する。
【００２３】
タイミングコントローラ１０が制御信号等Ｒｘ、Ｓｅｌを活性化して画素２０を初期化すれば、感知ノードＦＤには初期化された画素に対応する電圧が発生される。感知ノードＦＤは第３トランジスタＮＴ２のゲートに入力され、ランプ信号Ｖｒは第５トランジスターＮＴ４のゲートに入力される。第４トランジスタＮＴ３は制御信号Ｓｅｌが活性化されることによってターンオン（Ｔｕｒｎ−ｏｎ）されれば、比較器３１は感知ノードＦＤの電圧とランプ信号Ｖｒの電圧とを比較して電圧差に該当する出力信号ＬＡＴＣＨをタイミングコントローラ１０に伝送する。
【００２４】
タイミングコントローラ１０は、制御信号等Ｔｘ、Ｓｅｌを活性化して外部映像情報を画素２０に入力すれば、感知ノードＦＤには外部映像情報に対応する電圧が発生する。感知ノードＦＤは第２トランジスタＮＴ１のゲートに入力され、ランプ信号Ｖｒは第５トランジスタＮＴ４のゲートに入力される。第４トランジスタＮＴ３は制御信号Ｓｅｌが活性化されることによってターンオンされれば、比較器３１は感知ノードＦＤの電圧とランプ信号Ｖｒの電圧とを比較して電圧差に該当する出力信号ＬＡＴＣＨをタイミングコントローラ１０に伝送する。
【００２５】
本発明では、画素はソースフォロワを利用しない。従って、画素の出力、即ち感知信号は、比較器に直接接続されることによってダイナミックレンジを拡大し、ノイズを減少させることができる。
図５は図２に図示された比較器の動作を説明する為に、アナログ信号とランプ信号とを時間の順により比較したグラフである。図２乃至図５を参考にすれば、ランプ電圧発生器３３はタイミングコントローラ１０の制御信号Ｒｏｎに応じてランプ信号Ｖｒを発生させる。ランプ信号Ｖｒは基準電圧Ｖｒｅｆのレベルから経時により一定の比率で減少する電圧信号である。
【００２６】
比較器３１はアナログ信号Ｖａとランプ信号Ｖｒとを比較する。この時、タイミングコントローラ１０はクロック信号ＣＬＫを活性化してカウンタ３２を動作する。
ｔ１からｔ５の区間ではアナログ信号Ｖａのレベルがランプ信号Ｖｒのレベルより低い。然し、ｔ５の以後の区間ではランプ信号Ｖｒのレベルがアナログ信号Ｖａのレベルより低くなるので比較器３１は比較信号ＬＡＴＣＨを活性化する。タイミングコントローラ１０は比較信号ＬＡＴＣＨが活性化されば、クロック信号ＣＬＫを発生させない。従って、比較器３１とカウンタ３２の動作が止まる。この時、止められたカウンタ３２のカウンタ値がアナログ信号Ｖａのデジタルデータになる。
【００２７】
図６は本発明のＣＭＯＳイメージセンサ１００の動作を説明する為のタイミング図であり、図７は本発明によるＣＭＯＳイメージセンサのデジタルダブルサンプリングの順を示す順序図である。図２乃至図７によると、ＣＭＯＳイメージセンサ１００の動作は概ね初期化モードと映像入力モードとに分けられる。初期化モードは画素初期化（段階Ｓ１）と、初期化された画素に対応する電圧をＡＤＣに区分し（段階Ｓ２）、映像入力モードは外部映像情報を画素に伝送し（段階Ｓ３）、外部映像情報に対応する電圧をＡＤＣに区分する（段階Ｓ４）。
【００２８】
段階Ｓ１から、タイミングコントローラ１０はリセット信号Ｒｘと選択信号Ｓｅｌとを活性化して、画素２０を初期化すれば、感知ノードＦＤには初期化された画素に対応する電圧が発生される。比較器３１は感知ノードＦＤの電圧Ｖｒｓｔとランプ信号の電圧Ｖｒとを比較する。比較器は比較信号ＬＡＴＣＨをタイミングコントローラ１０に出力する。
【００２９】
段階Ｓ２から、タイミングコントローラ１０はクロック信号ＣＬＫを活性化して、画素アレイ部２０の初期化によるアナログ信号Ｖｒｓｔをデジタル信号Ｄｒｓｔに変換する。画素アレイ部２０の初期化によるアナログ信号をデジタルデータに変換したものをＤｒｓｔと定義する。
【００３０】
段階Ｓ３から、タイミングコントローラ１０は伝送信号Ｔｘと選択信号Ｓｅｌとを活性化して、外部映像情報を画素２０に入力すれば、感知ノードＦＤには外部映像情報に対応する電圧ＶＳｉｇが発生される。比較器３１は感知ノードＦＤの電圧とランプ信号の電圧Ｖｒとを比較する。比較器３１は比較信号ＬＡＴＣＨをタイミングコントローラ１０に出力する。
【００３１】
段階Ｓ４から、タイミングコントローラ１０はクロック信号ＣＬＫを活性化して、画素アレイ部２０の外部映像情報によるアナログ信号ＶＳｉｇをデジタル信号ＤＳｉｇに変換する。画素アレイ部２０の外部の映像情報によるアナログ信号をデジタル信号に変換したものをＤＳｉgと定義する。即ちデジタルダブルサンプリングはＤＳｉg−Ｄｒｓｔの値を求める過程を意味する。
【００３２】
以上の様に、図面と明細書に基づいて最適の実施形態が説明された。本発明の技術分野で通常の知識を持つ者であれば、本発明の実施形態は多様に変形できることが分かる。従って、本発明の範囲は明細書の請求範囲に記載されている内容によって決めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ＣＭＯＳイメージセンサを含むデジタルカメラのシステムを示すブロック図である。
【図２】本発明によるＣＭＯＳイメージセンサを示すブロック図である。
【図３】図２に図示された画素を示す回路図である。
【図４】本発明による比較器を示す回路図である。
【図５】図２に図示された比較器の動作を説明する為に、アナログ信号とランプ信号を時間の順により比較したグラフである。
【図６】本発明のＣＭＯＳイメージセンサの動作を説明する為のタイミング図である。
【図７】本発明によるＣＭＯＳイメージセンサのデジタルダブルサンプリングの順を示す順序図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  コントローラ
２０  画素アレイ部
３０  アナログデジタル変換器
３１  比較器
３２  カウンタ
３３  ランプ電圧発生器
４０  バッファ
１００  ＣＭＯＳイメージセンサ
２００  プロセッサ
３００メモリ
４００  ディスプレイ
【図１】
2008125080.tif 000003
【図２】
2008125080.tif 000004
【図３】
2008125080.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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