개선된 Fixed Pattern Noise 특성을 가지는 WDR CMOS
■ 개선된 Fixed Pattern Noise 특서을 가지는 Wide Dynamic Range CMOS 능동 픽셀 센서
의 설계와 특성 분석, 2009, 백인규.
대표적 image sensor인 Charge Coupled Device (CCD)는 1970년에 Bell 연구소에서 처음으로 고안되었으며, 이후 CCD가 1970~80년대 image sensor 시장을 지배하였다. 이후 1993년 CMOS Active Pixel Sensor (APS)가 등장한 이후 CMOS Image sensor (CIS)는 지난 10년간 급속한 발전을 이루어 왔다. 이는 CMOS 공정의 벌전된 성능과 CIS가 의료용 기기, 우주 과학 등의 새로운 응용으로 그 영역을 넓혀 갔기 때문이다.
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CCD |
CIS |
장점 |
-센서에 최적화된 공정 -저잡음 신호 출력 -화소간 균일성 |
-집적에 유리한 공정 -다양한 동작 모드 -낮은 소비 전력 -고속 동작이 가능 |
단점 |
-집적의 어려움 -높은 소비 전력 -제한된 동작 속도 |
-높은 Dark current -낮은 Quantum efficiency -높은 noise와 non-uniformity |
CCD는 회로가 적기 때문에 수광부의 최적화가 가능하며, 이로 인해 Quantum Efficiency. dark current 및 결합에 유리하다. 또한 전자의 형태로 신호를 전송하므로 전압 형태의 잡음이 추가 되지 않난다. 또한 동일한 형태의 수광부에서 축적된 전하를 전송한 후 단일 출력 단에서 신호 처리를 하므로 Fixed Pattern Noise (FPN) 억제가 용이하다. 단점으로는 같은 chip에 카메라의 다른 기능을 집적하기가 어려우며, 높은 속도의 shifting clock의 사용으로 인해 전력 소비가 크다. 또한 serial readout으로 인해 frame rate의 제한을 받는다.
반면 CIS는 Analog Digital Converter (ADC)와 같은 analog 및 digital 회로와의 집적이 가능하다. CCD에 비해서 저 전압 동작이 가능하며, 픽셀의 random access가 가능함으로 인해 낮은 소비 전력 및 다양한 동작 모드가 가능하다. 단점으로는 CMOS 공정으로 인한 dark current가 크며 QE가 낮다. 또한 신호의 증폭에 따른 높은 noise와 non-uniformity가 발생한다. 따라서 CIS는 non-uniformity 특성으로 인해 발생하는 높은 Fixed Pattern Noise (FPN)와 dark current를 개선시키면서 발전하고 있다.
CIS의 noise는 크게 시간에 따른 신호의 크기가 변하는 temporal noise와 공간적으로 다른 출력 특성을 보이는 Fixed Pattern Noise (FPN)로 나뉜다. Temporal noise source의 하나인 shot noise는 photo-generated signal의 square root에 비례하는 반면, FPN은 signal의 크기에 비례한다. 따라서 빛의 세기가 클 경우 전체 noise에서 FPN의 영향은 shot noise보다 커지게 된다. 아주 강한 빛에서는 signal의 크기가 noise에 비해서 상당히 크기 때문에 상대적으로 FPN의 영향은 크지 않다. 하지만 넓은 범위를 수용 할 수 있는 Wide Dynamic Range CMOS APS는 수용 가능한 빛의 전 범위에서 FPN의 영향은 중요하다. 따라서 기존의 Wide Dynamic Range APS인 Self-adaptive APS 픽셀은 구조의 특성상 약한 빛을 제외한 영역에서 FPN이 크기 때문에 이를 보완해야 한다.
-> 기존의 Self-adaptive APS 픽셀의 FPN을 줄이기 위하여 기존에 제안되었던 calibration current를 이용하는 방법에 착안하여 고안된 방법이다. 제안된 픽셀 구조는 기존의 Self-adaptive 장점인 높은 sensitivity와 넓은 dynamic range 특성을 유지하면서 강한 빛에서 기존의 Self-adaptive APS보다 낮은 FPN과 향상된 SNR성능을 보인다.
2010M020083236_S1Ver2.pdf