Operation of a wide dynamic range CMOS image sensor based on dual sampling mechanism and its SPICE simulation

이중 샘플링 기반의 넓은 동작 범위 CMOS 이미지 센서의 동작 및 시뮬레이션을 통한 특성 분석

공재성·조성현·이수연·최경화 * ·서상호·신장규 ^†

Operation of a wide dynamic range CMOS image sensor based on dual sampling mechanism and its SPICE simulation

Jae-Sung Kong, Sung-Hyun Jo, Sooyeun Lee, Kyung-Hwa Choi * , Sang-Ho Seo, and Jang-Kyoo Shin ^†

Abstract

In this paper, a dynamic range(DR) extension technique based on a 3-transistor active pixel sensor(APS) and dual image sampling is proposed. The feature of the proposed APS is that the APS uses two or more photodiodes with different sensitivities, such as a high-sensitivity photodiode and a low-sensitivity photodiode. Compared with previously proposed wide DR(WDR) APS, the proposed approach has several advantages, such as no-external equipments or signal processing, no-additional time-requirement for additional charge accumulation, simple operation and adjustable DR extension by controlling parasitic capacitance and sensitivity of two photodiodes. Approximately 16 dB of DR extension was evaluated from the simulation for the situation of 10 times of sensitivity difference and the same size of parasitic capacitance between those two photodiodes.

Key Words : CMOS image sensor, dynamic range extension, photodiode, APS

1. 서 론

CMOS 이미지 센서 (CMOS image sensor; CIS) 에서 동작 범위 (dynamic range; DR) ^{향상은 가독 정보의 양}

을 확장시키고 , 이를 통해 응용 시스템의 적용 범위를 넓힐 수 있기 때문에 잡음 감쇄 기술과 더불어 가장 많 은 연구가 이루어지는 분야이다 ^[1-13] . ^{동작 범위 향상을}

위해서 이용된 방법으로는 선형 및 비선형 영상을 결합 하는 방법 (linear-logarithmic CIS) ^[7-9] , 오버플로우 커패시 터 (overflow integration capacitor) 를 이용한 방법 ^[10,11] , 개 별 화소 초기화 방식 (individual pixel resetting) ^[12] , 이중 혹은 다중 샘플링 기법 (dual- or multi-sampling) ^{[13] 등을}

중심으로 연구가 이루어 졌다 . ^{이러한 방식은 저조도에서}

의 영상 품질이 크게 떨어지는 문제 ^[9] , 선형성 부족 ^[7,8] ,

단위 화소의 크기 증가에 따른 해상도 저하 ^[10,11] , 복잡

한 주변회로 및 복잡한 제어 ^[12] 가 문제점으로 지적 되 었다 . 장 · 단의 다른 광집적 시간을 가지는 두 개 이상 의 영상을 칩 내부 혹은 외부에서 합성하는 , 이른바 듀 얼 샘플링 (dual sampling) ^{기술에 기반한 연구 또한 많}

이 수행되었다 ^[13] . 동일한 감도 (sensitivity) 를 가지는

CIS 의 경우 광집적 시간을 장시간 가지게 되면 집적

광전자의 수가 증가하므로 , 저조도 환경에서 좋은 영상 을 얻을 수 있지만 , 고조도 환경의 영상은 포화된다 .

반면 , ^{단시간 광집적을 한 경우에는 고조도에서 깨끗한}

영상을 얻을 수 있는 반면 , 저조도의 영상은 잡음 이하 의 신호가 나오게 된다 . 이 두 개의 서로 부족한 영상 정보를 합치게 되면 서로 부족한 부분을 보완하게 되 므로 , 넓은 동작 범위의 영상을 얻을 수 있다 . 다중 샘 플링 (multi-sampling) 은 두 개의 영상을 결합하는 이중 샘플링 방법에 비해서 좀 더 개선된 영상을 얻을 수 있

경북대학교전기전자컴퓨터학부

(School of Electrical Engineering and Computer Science, Kyungpook National University)

*

Department of Sensor and Display Engineering, Kyungpook National University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : January 8, 2010, Revised : May 13, 2010

Accepted : June 14, 2010)

다 . ^{반면 이러한 방법은 추가적인 광집적 시간을 요구}

하기 때문에 전체적으로 센서의 감도가 떨어지고 , 또한 각각의 광집적이 동시에 이루어지지 않기 때문에 시간 불일치 (time disparity) ^{에 따른 영상 왜곡이 발생할 소}

지가 높다 .

앞서 언급한 기술들은 추가 용량 및 복잡한 신호 제 어를 위한 추가적인 회로에 의한 칩 면적 소모 증가 ,

광 집적 시간의 증가 등 칩 면적 혹은 결과를 얻기 위 한 시간 등의 손실을 동반하여 동작 범위를 향상시키 는 기술들이라 할 수 있다 . ^{본 연구에서는} 3-transistor active pixel sensor(3-Tr. APS) 및 이중 샘플링을 기반 으로 하면서 , 언급한 문제를 최소화하는 방법을 제안하 고자 한다 .

2. 회로 구조 및 동작

이중 샘플링에서 감도 저감화 문제와 시간 불일치 문제는 넘어서야 하는 단점이라고 할 수 있을 것이다 .

본 연구는 감도가 다른 두 개의 영상을 얻기 위해서 기 존의 광집적 시간을 다르게 하여 영상을 얻는 방법 대 신 실제로 광감도가 다른 두 개의 포토다이오드를 이 용하는 방법으로 문제점을 해결해 보려고 한다 . 이러한 방식의 접근은 원리적으로 먼저 두 번 이상의 광집적

및 리드아웃 (readout) ^{시간에 따른 시간을 줄일 수 있기}

때문에 광감도 저하 측면에서 유리하고 , 두 번째로 동 일한 시간에 광집적이 이루어지기 때문에 시간 불일치 에 따른 영상 왜곡 문제를 최소화할 수 있다 .

Fig. 1 은 제안하는 회로의 등가 회로를 나타낸 것이

다 . ^{커패시터 및 독립 전류원은 포토다이오드의 등가}

모델이다 . 즉 , 제안된 회로는 두 개의 포토다이오드를 사용하고 , 하나의 화소를 구성하기 위해서 4 개의 트랜

지스터가 필요하다 . ^{하지만 동작은} 3-Tr. APS ^{에 포토}

다이오드 및 스위치 MOSFET 가 추가되어 있는 형태

라고 할 수 있다 . IPH1 ^및 CPD1 ^{은 고감도 포토다이}

오드 , IPH2 및 CPD2 는 저감도 포토다이오드의 등가

모델이다 . 제안된 화소는 Fig. 2 에 나타난 바와 같이

화소 초기화 , ^광집적 , ^{영상 결합 및 리드아웃의} 4 ^단

계로 동작된다 . 먼저 초기화 동작은 MN1 트랜지스터

를 외부 입력 신호인 VRST 를 이용하여 ON 하여 동

작시킬 수 있다 . ^{이때 저감도 화소도 함께 초기화하여}

야 하기 때문에 MN2 트랜지스터를 외부 입력 신호인

VMOD 를 이용하여 ON 시켜준다 . 짧은 시간의 초기

화 동작 수행이후 MN1 ^및 MN2 ^를 OFF ^{하게 되면 두}

개의 포토다이오드는 동시에 광집적을 시작하게 된다 .

높은 광감도를 가지는 포토다이오드 쪽의 영상이 이 중 샘플링에서 장시간 광집적을 한 영상에 대응하는 영상이 출력될 것이다 . 반대로 낮은 광감도를 가지는 포토다이오드의 영상은 단시간 광집적을 가진 영상에 대응하는 출력이 될 것이다 . 제안된 화소는 두 가지

모드로 동작이 된다 . 첫 번째는 일반적인 3-Tr. APS 와

같이 이용되는 형태이다 . ^추가된 MN2 ^및 CPD2 ^와

IPH2 로 이루어진 저감도 포토다이오드는 사용하지 않 는 형태로 , 고감도 모드라고 할 수 있다 . 이 모드는 야 간 등의 조명이 충분히 확보되지 않은 상태 및 넓은 동작 범위가 필요하지 않는 고속 동작에 이용될 수 있

을 것이다 . 두 번째는 MN2 를 이용하여 CPD1 과

IPH1 ^{으로 이루어진 고감도 포토다이오드와 저감도 포}

토다이오드의 영상을 합하는 방식으로 이루어진다 . 이 러한 동작을 통해서 고감도 포토다이오드에서 포화된 영상 부분이 저감도 포토다이오드의 신호로 인해서

다시 회복되는 효과를 얻을 수 있다 . Fig. 2 에서

WDR ^{은 넓은 동작 범위} (wide DR) ^{를 나타낸다} . WDR

영상은 MN2 트랜지스터를 ON 한 직후부터 리드아웃

이 가능하다 . 이 리드아웃을 수행하는 위치에 따라서 고조도 영상부근에서 더 명확한 영상 차이를 얻을 수 있을 것이다 .

Fig. 1. Equivalent circuit schematic of the proposed APS. ^{Fig. 2.} Timing diagram of the proposed APS.

3. 모의실험 및 동작 분석

3.1. 모의실험

Fig. 3은 특정 광집적 시간에 두 개의 다른 광감도를 가지는 3-Tr. APS 및 제안된 구조의 입사 광량에 따른 출력 전압의 변화를 나타낸 그림으로, 128×128 화소에 대해서 HSPICE를 이용한 모의실험을 수행한 결과이다.

모의실험을 위한 원영상은 참고문헌 12를 참고하였다.

모의실험은 두 포토다이오드의 기생 커패시터의 크기 는 동일하고, 광감도는 10배 차이를 가정하고 수행하였 다. 원영상에서 실내 영상에 최적화하여 광집적을 수행 한 경우 일반적인 3-Tr. APS의 경우 Fig. 3(a)과 같이 창 밖의 풍경이 포화가 됨을 알 수 있다. 하지만, 제안 한 구조를 적용할 경우 Fig. 3(b)과 같이 창 밖의 풍경 정보가 다시 회복될 수 있음을 보여주고 있다. 주어진 조건에서 16 dB의 동작 영역의 확장을 확인할 수 있었 다. 제안한 구조의 장점은 이러한 밝은 영상을 회복하 기 위해서 기존 방법들이 필요로 했던 장시간 광집적 이후 화소 중간 초기화 과정을 거쳐 추가적인 단시간 광집적 시간이 필요하거나, 혹은 각 화소가 포화되었는 지 여부를 판단하는 등의 추가적인 신호 처리가 필요하 지 않다는 것이다. 즉, 동작 범위 향상을 위한 시간 손 실 혹은 제어 신호의 복잡성의 문제가 없다고 할 수 있 다. 또한 각 포토다이오드의 용량의 크기 및 민감도를 조절하여 동작 범위를 제어할 수 있다. 더불어 두 감도 가 다른 영상을 얻어지는 시간이 동일하기 때문에 이중 혹은 다중 샘플링 방식이 가지는 시간 불일치에 따른 영상 왜곡이 없다는 것도 제안한 구조의 장점이다.

3.2. 동작 범위 확장 분석

제안한 구조의 동작 범위 확장은 두 포토다이오드의 기생 커패시턴스의 크기와 광감도의 차이와 관계가 있

다. 적절한 동작 범위를 가지는 센서를 설계하기 위해 서는 두 파라미터와 동작 범위와의 관계를 아는 것은 매우 중요하다. Fig. 4는 특정 광노출 시간을 가정하였 을 때 일반적인 고감도 및 저감도 3-Tr. APS 및 제안 한 구조의 광세기-출력 전압 그래프이다. 정량 분석을 간단히 하기 위해서 광세기와 광전류는 선형적인 관계 를 가진다고 가정하였다. 이 그래프에서 동작 범위는 주어진 광노출 시간에서 APS에서 발생하는 잡음 성분 (V min ) 이상의 신호가 출력되는 최소 광세기와 APS가 포화되기 위한 광세기의 비로 나타난다. 여기에서 광세 기와 광전류의 관계를 선형으로 가정 하였으므로, 동작 범위는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

(1) 여기서 I _pmin 및 I _pmax 는 각각 주어진 광노출 시간동안 V min 에 도달하기 위한 최소 광전류 및 화소가 포화되기 위한 최소 광전류를 나타낸다. Fig. 4에서 일반적인 3- Tr. APS의 동작 범위는 DR norm 으로 나타내었고, 제안 한 구조의 동작 범위는 DR wide 로 표시하였다. 식 (1) 및 광전류에 의한 기생 커패시터의 충·방전, 관계를 이용 하여 일반적인 3-Tr. APS의 동작 범위를 식 (2)와 같이 계산할 수 있다.

(2) 여기서 V _SAT 는 초기화 전압을 나타낸다.

제안한 구조의 경우 V min 전압에 도달하기 위한 광 전류가 얻어지는 조건은 두 개의 포토다이오드가 모두 포화되지 않은 상태일 것이다. 이 조건에서의 출력 전 압은 두 개의 포토다이오드가 병렬 연결되어 있으므로, 두 포토다이오드의 기생 커패시터 합에 두 광전류에 의해서 충전되는 전자에 의한 전압 상승 관계에 따라 식 (3)과 같이 계산할 수 있다.

(3) 여기서 T int 는 광노출 시간을 나타내고, I P1min 과 I P2min 은 V min 전압에 도달하게 되는 최소 광세기에서 고감 도 포토다이오드와 저감도 포토다이오드의 광전류의 크기를 나타낸다. 두 포토다이오드의 감도의 비율이 A 이라고 하면, I P1min = A·I P2min 로 나타낼 수 있을 것이 다. 이 관계를 이용하여 V min 에 도달하기 위한 최소 광 세기에서의 저감도 포토다이오드의 광전류의 크기는 식 (4)와 같이 계산된다.

DR 20log I = ⎝ ⎛ --- I

^max min ⎠ ⎞

DR

= 20log V ⎝ ⎛ V ---

min ⎠ ⎞

V min ( I

1min + I

2min ) T ⋅ int

CPD1 CPD2 + ---

= Fig. 3. Simulation results with 128 ^× 128 pixel array. (a)

Conventional 3-Tr. APS, (b) the proposed APS.

(4) 제안한 구조에서의 신호의 포화는 저감도 포토다이 오드의 포화 시점에서 발생한다. 이러한 관계를 통해서 저감도 포토다이오드는 포화 전류의 크기는 식 (5)와 같이 계산할 수 있다.

(5) 식 (4)와 식 (5)를 식 (1)에 대입하여 제안한 구조의 동작 범위를 식 (6)과 같이 계산할 수 있다.

(6) 모의실험에서의 가정치인 광감도 10배 및 동일한 크기 의 포토다이오드 기생 커패시턴스를 가정하 였을 때, 식 (6)으로부터 14.8 dB의 동작범위 향상을 예상할 수 있고, 이 결과는 3.1절에서의 모의실험 결과와 매우 유사하다.

식 (6)의 결과를 통해서 제안한 구조는 저감도 포토 다이오드의 기생 커패시터를 고감도 포토다이오드의 기생 커피시터보다 크게 만들고, 두 포토다이오드의 감 도의 차이를 크게 하여 동작 범위를 넓힐 수 있다는 것 을 알 수 있다. 하지만, 동작 범위를 넓히기 위해서 저 감도 포토다이오드의 감도를 낮추는 것은 센서의 감도 를 떨어트리는 원인이 되므로, 이 관계 사이에서 트레 이드-오프(trade-off)관계가 발생하게 됨을 알 수 있다.

예상되는 문제점으로는 동작 범위를 넓혔을 때 저조 도 영상의 민감도가 감소하여 잡음에 취약할 수 있다는 것이다. 일반적으로 넓은 동작 범위가 필요한 상황은 실 내에서 창 밖을 볼 때, 터널 내에서 터널 밖을 볼 때 등

조명이 비교적 밝은 경우가 많다고 판단된다. 제안한 회 로의 고감도 모드 및 넓은 동작 범위 모드를 쉽게 바꿀 수 있기 때문에, 상황에 맞추어 적절히 동작시켜서 응용 범위를 넓힐 수 있다고 판단된다. 두 번째 문제는 추가 적인 포토다이오드에 의한 칩면적 소모 문제로, 적층형 포토다이오드를 이용하여 이러한 문제를 최소화하는 방 향으로 연구를 수행해 나갈 계획이다. 적층형 포토다이 오드는 칩면적 소모에 의한 해상도 문제뿐만 아니라, 영 상이 얻어지는 화소의 위치 차이에 의한 영상 왜곡 문 제도 동시에 해결할 수 있다는 장점이 생긴다.

4. 결 론

본 논문에서는 3-Tr. APS 및 이중 샘플링을 기반으 로 한 CIS의 동작 범위 향상 방법을 제안하였다. 또한, 제안된 구조에서 동작 범위를 확장하기 위해서 두 포 토다이오드를 설계할 때 고려해야 할 회로 성분들과 각각의 영향을 정량적인 분석을 통하여 알아보았으며, 그 결과는 모의실험 결과와 일치함을 확인하였다. 제안 된 구조는 기존의 동작범위 확장 방법과 비교하여 구 조가 간단하고, 추가적인 시간 소모가 없다. 여러 샘플 링 영상의 합성이 아날로그 방식으로 화소 내에서 이 루어 지기 때문에 외부에서 추가적인 영상 처리 과정 이 필요하지 않다. 또한, 고감도 영상 및 저감도 영상 이 얻어지는 시간이 동일하기 때문에 노출 시간의 차 이에 의한 영상 왜곡이 없고, 향후 적층형 포토다이오 드를 이용할 경우 영상이 얻어지는 화소 위치 차에 의 한 영상 왜곡 역시 최소화할 수 있다. 특히 소개된 화 소 구조의 경우 3-Tr. APS 구조로 제안이 되었지만, 기 본 의도는 적층형 포토다이오드 구조를 기반으로 고감 도 및 저감도의 영상을 합성을 하는 것으로 4-Tr. APS 구조에도 적용이 될 수 있다고 판단되며, 그 발전 가능 성은 충분하다고 예상된다.

감사의 글

이 논문은 BK21과 IDEC(integrated circuit design education center), 그리고 2010년도 정부(교육과학기술 부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연 구입니다(No. 2010-0001878).

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I

2min ⁽ CPD 1 + ^CPD 2 ^{) V ⋅ min}

T int

--- 1 ⋅ ( --- _A + 1 )

=

I

2max CPD 2 ⋅ V

T int

---

=

DR

DR

20log ^CPD 2

CPD 1 + CPD 2 ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ A ⋅ ( + 1 )

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+

=

Fig. 4. Output voltage - incident light intensity curves of

two conventional APSs with different sensitivity

and the proposed APS for a certain charge

integration time.

vol. 44, no. 10, pp. 1689-1698, 1997.

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ISSCC Dig. Tech. , San Francisco, USA, pp. 350- 603, 2005.

공 재 성

• 2002 년 경북대학교 전자공학과 졸업

( 공학사 )

• 2005 년 경북대학교 전자공학과 졸업

( 공학석사 )

• 2008 년 경북대학교 전자공학과 졸업

( 공학박사 )

• 2008 년 10 월 ~2010 년 5 월 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 박사 후 연구원

• 현재 삼성전자 재직 중

• 주관심분야 :CMOS image sensor, bio- inspired vision chip, and its applications

조 성 현

• 2008 년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 졸업 ( 공학사 )

• 현재 경북대학교 대학원 전자전기컴퓨터 학부 석사 과정

• 주관심분야 : CMOS image sensor and

its applications

이 수 연

• 2008 년 영남대학교 전자공학과 졸업

( 공학사 )

• 2010 년 경북대학교 센서 및 디스플레이 공학과 졸업 ( 공학석사 )

• 현재 경북대학교 대학원 전자전기컴퓨터 학부 박사 과정

• 주관심분야 : CMOS image sensor and its applications

서 상 호

• 센서학회지 제 12 권 , 제 4 호 , p. 149, 참조

• 2009 년 경북대학교 전자공학과 졸업

( 공학박사 )

• 2009 년 2 월 ~2010 년 2 월 경북대학교 강의 초빙 교수

• 현재 삼성 모바일 디스플레이 재직 중

최 경 화

• 2008 년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 졸업 ( 공학사 )

• 현재 경북대학교 대학원 센서 및 디스플 레이공학과 석사과정

• 주관심분야 : CMOS vision chip and its applications

신 장 규

• 센서학회지 제 3 권 , 제 1 호 p. 26, 참조

• 현재 경북대학교 IT 대학 전자공학부 교수