Floating diffusion boosting 기법과 In-pixel 차동 증폭기를 이용한 저전력 3D time-of-flight CMOS 이미지 센서

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 pinned photodiode에서 생성된 전자들이 알맞은 phase의 floating diffusion으로 이동하여 정확한 time-of-flight 측정이 가능하고 별도의 programmable gain amplifier 없이 픽셀 안에서 신호를 증폭하여 아날로그 디지털 변환기의 입력으로 사용할 수 있는 indirect time-of-flight 센서를 개발하였다. Floating diffusion node에 coupling을 통한 voltage boosting이 가능하도록 metal-oxide-metal capacitor를 연결하였고 이를 통해 기존 보다 더 낮아진 FD potential은 전하들이 빠르게 이동하여 알맞은 phase의 신호를 사용할 수 있다. 또한 기존에 픽셀 안에서 사용하던 source follower 대신 common source 증폭기를 입력 트랜지스터로 사용하고 열 별로 전류원을 설계하여 FD1과 FD2의 전압차를 증폭시켜 아날로그 디지털 변환기에 전달한다. 차동 증폭기는 capacitor feedback을 사용하여 일정한 gain을 만든다. 또한 기존의 reset 방식을 사용하지 않고 active reset을 사용함으로써 reset KTC 노이즈를 차동 증폭기의 gain만큼 줄일 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposed an indirect time-of-flight (iToF) sensor enabling accurate time-of-flight measurement through rapid charge transfer of the electrons generated from the pinned photodiode to the floating diffusion (FD). It amplifies the signal within the pixel without a separate programmable gain amplifier so that pixel output can be used as input to an analog-to-digital converter directly. The metal-oxide-metal capacitor is connected to the floating diffusion node to enable voltage boost through coupling, which allows the FD potential to make electrons move faster than the conventional iToF sensor for the appropriate phase signal. Proposed sensor also uses common source amplifier as input transistor instead of source follower and designs column-wise current sources to amplify voltage differences between FD1 and FD2 and deliver them to analog-to-digital converter. The differential amplifier uses a capacitor feedback to create a constant gain. It can also reduce reset kTC noise by as much as the gain of differential amplifiers, using active reset rather than conventional reset methods.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 관련연구 3
• 1. Pinned-photodiode (PPD)와 4T 픽셀 회로 3
• 2. Time-of-Flight 센서의 거리 측정 방법과 Lock-in Pixel의 동작 원리 9
• 3. Floating Diffusion (FD) Boosting 기법 16
• 제3장 Indirect Time-of-Flight (iToF) 센서 설계 19
• 1. 전체 구조 19
• 2. Floating Diffusion boosting 2-Tap Lock-in 픽셀 회로 20
• 1) Floating Diffusion Boosting 회로 20
• 2) Floating diffusion boosting capacitance의 최적화 21
• 3) Floating Diffusion Boosting Signal 동작 23
• 3. Active reset을 하는 in-pixel 차동증폭기 25
• 1) Tapered reset 신호를 이용한 active reset 25
• 2) Switched capacitor 구조의 In-pixel 차동 증폭기 27
• 제4장 시뮬레이션 및 측정 결과 39
• 1.시뮬레이션 결과 39
• 1) PPD의 TCAD 시뮬레이션 결과 39
• 2) 차동 증폭기 회로의 선형성 시뮬레이션 결과 40
• 2. 측정 결과 41
• 1) Lock-in 픽셀의 Demodulation Contrast 측정 결과 42
• 2) 식별 가능 거리 범위 및 선형성 측정 결과 44
• 3) 이미지 측정 결과 45
• 제5장 결론 50
• 참고문헌 51
• Abstract 54