[논문]컬럼 커패시터와 피드백 구조를 이용한 CMOS 이미지 센서의 동작 범위 확장

이상권; 조성현; 배명한; 최병수; 김희동; 신은수; 신장규

doi:10.5369/jsst.2015.24.2.131

컬럼 커패시터와 피드백 구조를 이용한 CMOS 이미지 센서의 동작 범위 확장
Dynamic Range Extension of CMOS Image Sensor with Column Capacitor and Feedback Structure 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.24 no.2, 2015년, pp.131 - 136

이상권 (경북대학교 전자공학부) , 조성현 (경북대학교 전자공학부) , 배명한 (경북대학교 전자공학부) , 최병수 (경북대학교 전자공학부) , 김희동 (경북대학교 전자공학부) , 신은수 (경북대학교 센서 및 디스플레이공학과) , 신장규 (경북대학교 전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a wide dynamic range complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor with column capacitor and feedback structure. The designed circuit has been fabricated by using $0.18{\mu}m$ 1-poly 6-metal standard CMOS technology. This sensor has dual mode operation using combination of active pixel sensor (APS) and passive pixel sensor (PPS) structure. The proposed pixel operates in the APS mode for high-sensitivity in normal light intensity, while it operates in the PPS mode for low-sensitivity in high light intensity. The proposed PPS structure is consisted of a conventional PPS with column capacitor and feedback structure. The capacitance of column capacitor is changed by controlling the reference voltage using feedback structure. By using the proposed structure, it is possible to store more electric charge, which results in a wider dynamic range. The simulation and measurement results demonstrate wide dynamic range feature of the proposed PPS.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 개선된 PPS 회로를 사용하여 동작 범위를 향상시킨 구조를 제안하였다. 기존의 PPS 회로에 로드 커패시터와 출력 전압 피드백 회로와 추가된 이미지 센서를 제작하였다.

가설 설정

5는 일반적인 3-트랜지스터 APS와 제안하는 회로의 모의 실험한 결과 값이다. 모의실험을 위해 포토다이오드는 전류원으로 대체 되었으며 1fA에서 1nA까지 모델링을 하고 integration time은 30 ms로 설정한 결과이다. Fig.

제안 방법

본 연구에서는 표준 CMOS 공정을 이용하여 PPS구조와 APS구조를 모두 사용하여 하나의 칩에 두 가지 방식으로 동작하게 할 뿐만 아니라 column 회로에 커패시터를 사용하여 고 조도에서의 동작 범위를 확장 시켰다. 이러한 구조를 바탕으로 하여 0.

대상 데이터

로드 커패시와 피드백 커패시터의 값은 각각 120 fF, 480 fF 값을 가진다. Oscilloscope로 출력되는 파형을 확인하고, Illuminator를 사용하여 0.2 lux에서 약 15000 lux까지 변화를 주어 조도별 전압을 측정하였다. Fig.

이론/모형

일반 조도에서는 감도가 좋은 APS모드로 동작시키고 고 조도에서는 동작 범위가 넓은 제안하는 PPS구조로 동작시킨다. 모의 실험은 Cadence 社의 Spectre를 사용하였다.

성능/효과

제안한 출력 전압 피드백 회로를 통하여 사용자가 비교기기준 전압 레벨을 정하여 감도 조절과 포화 레벨을 조절할 수 있다. 이를 이용하여, 기존의 APS모드에서 보다 8,000 lux 이상의 빛을 감지할 수 있게 된다. 제안한 구조를 사용하면 넓은 동작 범위를 필요로 하는 CMOS 이미지 센서의 응용 시스템에 사용 가능할 것으로 기대된다.
또한, PPS 구조의 취약점인 신호 라인에 생기는 노이즈 성분을 리셋 트랜지스터를 통하여 제거 하였다. 제안한 출력 전압 피드백 회로를 통하여 사용자가 비교기기준 전압 레벨을 정하여 감도 조절과 포화 레벨을 조절할 수 있다. 이를 이용하여, 기존의 APS모드에서 보다 8,000 lux 이상의 빛을 감지할 수 있게 된다.
기존의 PPS 회로에 로드 커패시터와 출력 전압 피드백 회로와 추가된 이미지 센서를 제작하였다. 제안한 회로를 이용하면, 외부 조도에 따라서 고감도의 APS와 저감도의 PPS의 사용이 가능하기 때문에, 넓은 동작 범위의 특성을 얻을 수 있게 된다. 또한, PPS 구조의 취약점인 신호 라인에 생기는 노이즈 성분을 리셋 트랜지스터를 통하여 제거 하였다.

후속연구

이를 이용하여, 기존의 APS모드에서 보다 8,000 lux 이상의 빛을 감지할 수 있게 된다. 제안한 구조를 사용하면 넓은 동작 범위를 필요로 하는 CMOS 이미지 센서의 응용 시스템에 사용 가능할 것으로 기대된다.
이는 더 많은 신호들을 저장 할 수 있으며, 밝은 빛을 감지 할 수 있다. 현재 영상 측정 시스템을 구축 중이며, 추후에 영상을 확인할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전하결합 소자형 이미지 센서의 단점은?	최근 디지털 영상 장치에는 CMOS형 이미지 센서(CMOS image sensor; CIS)가 널리 사용되고 있다. CIS 이전에는 전하결합 소자(charge-coupled devices; CCD)형 이미지 센서가 주로 사용되었으나, 높은 소비 전력과 비싼 생산비용으로 휴대용 기기들에 사용되는데 많은 문제점으로 작용하고 있다[1,2]. 현재 많은 분야에서 CMOS 이미지 센서가 CCD형 이미지 센서를 대체하여 만들어 지고 있다.
	동작 범위 향상을 위한 방법에는 어떤 것들이 있는가?	또한, 이미지 센서에서 동작 범위 향상은 얻을 수 있는 정보의 양을 확장시키고, 이를 통해 많은 응용분야에 적용하고 있다[7-11]. 동작 범위 향상을 위한 방법에는 선형 및 비선형 영상을 결합하는 방법(linear-logarithmic)[12-15], 중간 펄스(middle level pulse)에 의한 방법[16-18], 수직 오버팔로우 커패시터(lateral overflow integration capacitor; LOFIC)를 이용한 방법[19-21] 등이 연구가 되었다.
	CMOS 이미지 센서의 문제점은?	현재 많은 분야에서 CMOS 이미지 센서가 CCD형 이미지 센서를 대체하여 만들어 지고 있다. 하지만 여러 가지 성능 개선에도 불구하고 CCD이미지 센서에 비해 감도가 낮고, 잡음이 많으며, 동작 범위가 좁다는 문제점이 있다. 영상의 화질에 영향을 미치는 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise; FPN)을 비롯한 여러 가지 잡음을 회로적, 소프트웨어 적으로 줄이는 연구가 진행 되고있다[3-6].

참고문헌 (24)

M. Bigas, E. Cabruja, J. Forest, and J. Salvi, "Review of CMOS image sensors", Microelectron. J., Vol. 37, No. 2, pp. 433-451, 2006.

상세보기
E. Fossum, "CMOS image sensors: Electronic camera on a chip", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 44, No. 10, pp. 1689-1698, 1997.

상세보기
X Wu, X Liu, M Zhang, and J Van der Spicegel, "Current mode image sensor with improved linearity and fixed-pattern noise", IEEE Trans. Circuits Syst. I-Regul. Pap., Vol. 61, No. 6, pp. 1666-1674, 2014.

상세보기
M. W. Seo, T. Sawamoto, T. Akahori, Z. Liu, T. Iida, T. Takasawa, T. Kosugi, K. Isobe, and S. Kawahito, "A low-noise high-dynamic-range 17-b 1.3-megapixel 30-fps CMOS image sensor with column-parallel two-stage folding-integration/cyclic ADC", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 59, No. 12, pp. 3396-3400, 2012.

상세보기
K. Yonemoto and H. Sumi, "A CMOS image sensor with a simple fixed-pattern-noise-reduction technology and a Hole Accumulation Diode", IEEE J. Solid-Stats Circuit, Vol. 35, No. 12, pp. 2038-2043, 2000.

상세보기
D. Das and S. Collins, "Fixed-pattern-noise correction for an integrating wide-dynamic-range CMOS image sensor", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 60, No. 1, pp. 314-319, 2013.

상세보기
K. D. Kim, S. H. Seo, M. W. Seo, and J. K. Shin, "Dynamic range improvement of active pixel sensor using charge pimp circuit", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 17, No. 2, pp. 114-119, 2008.

원문보기 상세보기
J. S. Kong, S. H. Jo, S. Y. Lee, K. H. Choi, S. H. Seo, and J. K. Shin, "Operation of a wide dynamic range CMOS image sensor based on dual sampling mechanism and its SPICE simulation", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 19, No. 4, pp. 285-290, 2010.

원문보기 상세보기
M. W. Seo, S. H. Seo, J. S. Kong, and J. K. Shin, "Dynamic range expansion of active pixel sensor with output voltage feedback", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 18, No. 4, pp. 274-279, 2009.

원문보기 상세보기
M. Bae, S. H. Jo, M. Lee, J. Y. Kim, J. Choi, P. Choi, and J. K. Shin, "A wide dynamic range CMOS image sensor based on a pseudo 3-transistor active pixel sensor using feedback structure", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 21, No. 6, pp. 413-419, 2012.

원문보기 상세보기
S. H. Jo, H. H. Lee, M. Bae, M. Lee, J. Kim, P. Choi, and J. K. Shin, "Extension of the dynamic range in the CMOS active pixel sensor using a stacked photodiode and feedback structure", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 22, No. 4, pp. 256-261, 2013.

원문보기 상세보기
J. Lee, I. Baek, and D. Yang, "On-Chip FPN calibration for a linear-logarithmic APS using two-step charge transfer", IEEE Trans. Electron Devices, Vol 60, No.6, pp. 1989-1994, 2013.

상세보기
G. Storm, R. Henderson, J. E. D. Hurwitz, D. Renshaw, K. Findlater, and M. Purcell, "Extended dynamic range from a combined linear-logarithmic CMOS image sensor", IEEE J. Solid-Stats Circuit, Vol. 41, No. 9, pp. 2095-2106, 2006.

상세보기
M. Vatteroni, P. Valdastri, A. Sartori, A. Menciassi, and P. Dario, "Linear-logarithmic CMOS pixel with tunable dynamic range", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 58, No. 4, pp. 1108-1115, 2011.

상세보기
C. A. de Moraes Cruz, D. W. de Lima Monteiro, E. A. Cotta, V. Ferreira de Lucenam and A. K. Pinto Souza, "FPN attenuation by reset-drain actuation in the linear-logarithmic active pixel sensor", IEEE Trans. Circuits Syst. I-Regul. Pap., Vol. 61, No. 10, pp. 2825-2833, 2014.

상세보기
Wei-jean Liu, Hsiu-Fen Yeh, and O.T.C. Chen, "A high dynamic-range CMOS image sensor with locally adjusting charge supply mechanism", Conf. Proc. (Midwest Symp Circuits Syst), pp. 384-387, 2005.
D. Park, J. Rhee, and Y. Joo, "A wide dynamic-range CMOS image sensor using self-reset technique," IEEE Electron Device Lett., Vol. 28, No. 10, pp. 890-892, 2007.

상세보기
D. ho, M. O. Noor, U. J. Krull, G. Gulak, and R. Genov, "CMOS Tunable-color image sensor With Dual-ADC Shot-Noise-Aware dynamic range extension", IEEE Trans. Circuits Syst. I-Regul. Pap., Vol. 60, No. 8, pp. 2116-2129, 2013.

상세보기
N. Akahane, S. Sugawa, S. Adachi, K. Mori, T. Lshiuchi, and K. Mizobuchi, "A sensitivity and linearity improvement of a 100-dB dynamic range CMOS image sensor using a lateral overflow integration capacitor", IEEE J. Solid-State Circuit, Vol. 41, No. 4, pp. 851-858, 2006.

상세보기
N. Akahane, S. Adachi, K. Mizobuchi, and S. Sugawa, "Optimum design of conversion gain and full well capacity in CMOS image sensor with lateral overflow integration capacitor", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 56, No. 11, pp. 2429-2435, 2009.

상세보기
S. Adachi, W. Lee, N. Akahane, H. Oshikubo, K. Mizobuchi, and S. Sugawa, "A 200-V/e CMOS image sensor with 100-ke full well capacity", IEEE J. Solid-State Circuit, Vol. 43, No. 4, pp. 823-830, 2008.

상세보기
I. L. Fujimori, C. C. Wang, and C. G. Sodini, "A 256 ${\times}$ 256 CMOS differential passive pixel imager with FPN reduction techniques", IEEE J. Solid-Stats Circuit, Vol. 35, No. 12, pp. 2031-2037, 2000.

상세보기
O. Yadid-Pecht, B. Mansoorian, E. Fossum, and B. Pain, "Optimization of noise and responsivity in CMOS active pixel sensors for detection of ultralow light levels", Proc. SPIE, pp. 2038-2043, 2000.
K. Murari, R. Etienne-Cummings, N. Thakor, and G. Cauwenberghs, "Which photodiode to use: A comparison of CMOS-compatible structures", IEEE Sens. J., Vol. 9, No. 7, pp. 752-760, 2009.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증