QVGA SPAD-based Photon Counting Image Sensor for Low Power and High Dynamic Range Imaging

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 Low Power와 High Dynamic Range Imaging을 위한 QVGA Resolution을 가진 Single Photon Counting Image Sensor를 제안한다. In-Pixel에서 8개의 MIM capacitor와 Column Parallel Digital Counter를 이용하여 Photon Counting Sensor를 구현하였다. 또한 Pixel Array에 공급하는 동기화된 Clock으로 인한 Peak Current가 정확한 Photon Detect을 저해하는 것을 방지하기 위해 최대 4개의 서로 다른 Phase를 가지는 Clock을 인가할 수 있게 하였다. 적절한 Column Precharge Method를 구현하여 High Intensity 환경에서 Transistor가 Column의 긴 Metal을 구동할 때 발생하는 전력소모를 줄였다. 덧붙여 Clocked Recharging에서 인가하는 Clock으로 인해 High Intensity 환경에서 Saturation 되어 Dynamic Range가 줄어드는 것과 많은 Clock 입력으로 인한 Power 소모를 막고자 Asynchronous Recharging을 위한 Direct Path를 Column Parallel하게 배치하였다. 결과적으로 제안된 Sensor는 High intensity 환경에서 Conventional한 Clocked Recharging 방식보다 전력 소모를 줄이고 충분한 Dynamic Range를 가지게 설계되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a single photon counting image sensor with QVGA resolution for low power and high dynamic range imaging. The photon counting sensor is implemented using in-pixel 8 MIM capacitors and a column parallel digital counter. In addition, to prevent the peak current due to the synchronized clock supplied to the pixel array from hindering the accurate photon detection, a clock with up to 4 different phases can be applied. An appropriate column precharge method is implemented to reduce the power consumption that occurs when the transistor drives the long metal of the column in a high intensity environment. In addition, in order to prevent the dynamic range from being reduced due to saturation in a high-intensity environment due to the clock authorized in Clocked Recharging and to prevent power consumption due to a large number of clock inputs, the Direct Path for Asynchronous Recharging was arranged in Column Parallel. As a result, the proposed sensor was designed to reduce power consumption and have sufficient dynamic range in a high-intensity environment compared to the conventional Clocked Recharging method.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1. 연구목적과 연구방법론 1
• 제2장 선행 연구 4
• 1. Single Photon Avalanche Diode(SPAD) 4
• 2. Analog Front End(AFE) 회로 구조 및 동작 6
• 3. Photon Counting Image Sensor 8
• 4. Clocked Recharging 9
• 제3장 제안된 구조 12
• 1. 전체적인 구조와 동작 12
• 2. Pixel 구조 15
• 3. Peak Current Mitigation 19
• 4. Asynchronous mode 21
• 5. Alternate Precharge Readout Scheme 24
• 6. Column Circuit 29
• 제4장 시뮬레이션 결과 32
• 1. Top Layout & Photograph 32
• 2. Pixel and Column readout Simulation 33
• 3. Column Circuit Simulation 35
• 4. Peak Current Mitigation Simulation 39
• 5. 결과 비교 40
• 제5장 결론 41
• 참 고 문 헌 42