01한 문장으로

이미지센서 픽셀은 빛을 전자로 바꾸어 모아 둔다. readout 회로는 그 전자의 수를 세어 숫자로 바꾼다. 이 교재는 두 번째 일, 곧 "얼마나 정확하고 조용하게 셀 수 있는가"를 다룬다.

전자를 직접 하나씩 셀 수는 없다. 그래서 회로는 전자를 전압으로 바꾸고, 그 전압을 멀리 있는 회로까지 옮기고, 정해진 순간에 표본을 뜬 다음, 마지막에 숫자로 바꾼다. 단계마다 신호를 나르는 물리량이 바뀐다.

024T 픽셀의 한 번의 읽기

대표적인 픽셀인 4T 픽셀(transistor 4개)은 다음 순서로 읽는다. 아래 시뮬레이터에서 단계 버튼을 하나씩 눌러 보자.

• Reset: RST 스위치를 켜서 FD를 정해진 전압으로 맞춘다. 칠판을 지우는 일과 같다.
• Reset 읽기: RST를 끈 뒤 출력을 한 번 읽는다. "빈 칠판"의 값이다.
• 전송: TG를 켜서 포토다이오드의 전자를 FD로 옮긴다. 전자는 음전하이므로 FD 전압이 내려간다.
• Signal 읽기: 다시 읽는다. 이번에는 "글씨를 쓴 칠판"의 값이다.
• 빼기(CDS): 두 값의 차이가 빛에 비례하는 신호다.

03왜 두 번 읽어서 빼는가

Reset 스위치를 끄는 순간, FD에는 매번 조금씩 다른 양의 전하가 남는다. 전하가 열 때문에 흔들리기 때문이다(kT/C noise, 12장). 이 무작위 성분은 한 번만 읽으면 그대로 신호에 섞인다.

그런데 이 성분은 reset 읽기와 signal 읽기에 똑같이 들어 있다. 그래서 두 값을 빼면 사라진다. 이것이 상관 이중 표본화(correlated double sampling, CDS)의 핵심이다. 시뮬레이터에서 kT/C를 켜고 끄며 CDS 결과가 바뀌지 않는 것을 확인해 보자.

04두 가지 오차

readout 설계는 결국 두 종류의 오차를 줄이는 일이다.

• Noise: 읽을 때마다 다르게 나타나는 무작위 성분이다. 평균은 0이고 "얼마나 퍼져 있는가"(RMS)로 말한다.
• 정착 오차(settling error): 출력이 최종값까지 다 가기 전에 읽어서 생기는 차이다. 같은 조건이면 매번 같은 방향, 같은 크기로 나타난다.

시뮬레이터에서 column 정착 τ를 키워 보자. 출력이 표본 시점까지 다 따라오지 못해 CDS 결과가 이상값에서 벗어난다. 이 차이는 무작위가 아니라 정착 오차다. 06·07장에서 자세히 다룬다.

두 오차는 같은 회로를 공유한다. 예를 들어 FD를 작게 만들면 전자 하나가 만드는 전압이 커져 noise에 유리하지만, 동작 범위나 다른 회로의 부담이 바뀔 수 있다. 이 교재는 이런 연결을 장마다 실험으로 확인한다.

01한 문장으로

MOSFET은 gate 전압으로 채널(전자의 길)을 만들었다 지웠다 하는 수도꼭지다. 픽셀의 SF, reset 스위치, column의 전류원, ADC의 비교기까지 readout 회로의 거의 모든 소자가 MOSFET이다. 이 장은 회로를 해석하는 데 필요한 만큼만 MOS를 정리한다. 소자 내부의 더 깊은 물리는 CIS Pixel Device Physics 교재가 다룬다.

02Gate가 채널을 만든다

NMOS는 p형 실리콘 위에 얇은 산화막을 깔고 그 위에 gate 전극을 올린 구조다. 양옆에는 전자가 풍부한 source와 drain이 있다.

Gate에 양(+) 전압을 걸면 산화막 바로 아래로 전자가 끌려와 얇은 전자 층이 생긴다. 이 층이 source와 drain을 잇는 반전 채널(inversion channel)이다. 채널이 생기기 시작하는 gate 전압이 문턱전압(threshold voltage) $V_{th}$이고, 그보다 더 건 만큼을 overdrive라고 부른다.

$V_{ov}$가 클수록 채널에 전자가 많아져 전류가 잘 흐른다. 아래 3D 모델에서 $V_{GS}$를 올리며 파란 채널이 두꺼워지는 것을 보자.

03Drain을 올리면 채널이 기울어진다

이제 drain 전압 $V_{DS}$를 올려 보자. Source 쪽은 그대로인데 drain 쪽은 전압이 높아진다. 그러면 drain 쪽에서는 gate와 채널 사이의 전압 차이가 줄어 채널이 얇아진다. 채널이 source에서 drain으로 갈수록 점점 가늘어지는 모양이 된다.

• $V_{DS}$가 작을 때(triode): 채널이 끝까지 이어져 있다. 저항처럼 동작해 $V_{DS}$에 비례해 전류가 는다.
• $V_{DS} \ge V_{ov}$일 때(포화): drain 끝에서 채널이 끊긴다(pinch-off). 이후로는 $V_{DS}$를 더 올려도 전류가 거의 늘지 않는다.

포화에서 전류가 거의 일정하다는 성질 덕분에 MOSFET은 전류원으로 쓰인다. column 끝의 bias 전류원(05장)이 바로 이 성질을 이용한다. 긴 채널 소자에서 흔히 쓰는 식은 다음과 같다.

04문턱 아래에서도 전류는 흐른다

$V_{GS}$가 $V_{th}$보다 낮으면 전류가 0일까? 아니다. 수도꼭지를 거의 잠가도 물이 조금씩 새듯, 문턱 아래에서도 작은 전류가 흐른다. 이 영역을 약반전(subthreshold, weak inversion)이라고 한다.

약반전 전류는 gate 전압에 지수적으로 변한다. 그래서 전류를 로그 축으로 그리면 직선이 된다. 전류를 10배 바꾸는 데 필요한 gate 전압은 실온에서 대략 70–100 mV다.

픽셀에서 이 영역은 생각보다 자주 나온다. "꺼진" reset 스위치를 통해 새는 전류, reset이 끝나 갈 때 FD가 아주 천천히 더 충전되는 현상이 모두 약반전 전류다.

05작은 변화를 다루는 세 숫자

회로에서 신호는 보통 큰 바탕(동작점) 위에 얹힌 작은 흔들림이다. 작은 흔들림만 볼 때는 소자를 세 개의 숫자로 요약한다.

• $g_m$(transconductance): gate 전압을 조금 바꿀 때 전류가 얼마나 바뀌나. 소자의 "증폭력"이다.
• $g_{mb}$: bulk(기판)와 source 사이 전압이 바뀔 때 전류가 얼마나 바뀌나. 아래 body effect에서 나온다.
• $g_{ds}$: drain 전압이 바뀔 때 전류가 얼마나 바뀌나. 포화에서는 작지만 0은 아니다.

포화에서 $g_m$은 다음처럼 쓸 수 있다. 세 식은 같은 값이다.

마지막 식이 특히 쓸모 있다. 같은 전류라면 $V_{ov}$를 작게 할수록 $g_m$이 커진다. 대신 $V_{ov}$를 줄이려면 소자를 넓게(W/L을 크게) 만들어야 하고, 그러면 용량이 커진다(03장). 약반전에서는 같은 전류로 얻을 수 있는 가장 큰 $g_m = I_D/(nV_T)$를 얻는다.

06Body effect: 바닥이 올라오면 문턱도 오른다

Source 전압이 bulk보다 높아지면 채널 아래의 공핍층이 두꺼워지고, 채널을 만들기가 더 어려워진다. 그래서 문턱전압이 올라간다. 이것이 body effect다.

Source가 신호에 따라 움직이는 source follower(05장)에서는 이 효과 때문에 출력이 입력을 덜 따라간다. 작은 신호에서는 $g_{mb} = \eta\,g_m$으로 나타나며 $\eta$는 대략 0.1–0.3이다.

07Finger: 넓은 소자를 나눠 그리기

넓은 transistor는 layout에서 여러 개의 가는 조각(finger)으로 나누어 그린다. finger가 NF개면 폭이 NF배인 소자 하나와 같다. 전류와 $g_m$은 finger마다 더해진다.

08온도가 바꾸는 것

온도가 오르면 문턱전압은 내려가고(대략 −1 ~ −3 mV/K), 전자의 이동도는 줄어든다. 두 효과는 전류에 반대 방향으로 작용한다. 약반전 전류는 온도에 훨씬 민감하다. 자세한 경향은 부록 A에서 다룬다.

01한 문장으로

용량은 물통의 바닥 넓이와 같다. 넓은 물통은 같은 양의 물을 부어도 수위가 조금만 오른다. 마찬가지로 용량이 크면 같은 전하를 넣어도 전압이 조금만 변한다.

readout 회로에서 용량은 거의 모든 것을 정한다. FD 용량은 전자 하나가 만드는 전압을 정하고(04장), column 배선 용량은 정착 시간을 정하며(06장), 스위치를 놓을 때 남는 무작위 전하는 kT/C로 정해진다(12장). 그런데 회로도에 커패시터 기호로 그려진 것은 일부일 뿐이다. 대부분은 transistor와 배선에 딸려 오는 기생 용량(parasitic capacitance)이다.

02용량은 상수가 아닐 수 있다

진짜 소자에서는 전하가 전압에 정확히 비례하지 않는다. 그래서 용량을 "전압을 조금 바꿀 때 필요한 전하"로 정의한다.

작은 신호에서는 지금 동작점에서의 $C(V)$를 쓰면 된다. 하지만 전압이 크게 움직이면 그 사이의 용량 변화를 다 더해야 한다. 이 차이는 04장(전자 수에 따라 변하는 변환 이득)과 08장(스위치를 끌 때의 전하)에서 다시 나온다.

03MOSFET 안의 용량

Gate 아래 산화막은 그 자체로 평행판 커패시터다. 면적이 $W \times L$이므로 gate 전체의 용량은 $WLC_{ox}$다. 흥미로운 점은 이 gate 전하가 어느 단자와 짝을 이루는지가 동작 영역에 따라 바뀐다는 것이다.

포화에서 drain 쪽 채널이 끊기면 drain 전압이 채널 전하를 거의 건드리지 못한다. 그래서 gate–drain 사이의 채널 용량이 사라진다. 아래 3D 모델에서 성분을 하나씩 켜고 $V_{DS}$를 움직여 보자.

한눈에 정리한 용량 지도를 참고 그림으로 두었다. 단면과 회로 기호에서 같은 용량을 같은 색으로 표시했다.

04가장자리의 용량: overlap

Gate는 source와 drain 위로 살짝 겹쳐 있고, 가장자리에서는 전기장이 휘어져 나간다. 이 overlap·fringing 용량은 동작 영역과 거의 무관하게 항상 남는다. 작지만 gate와 drain을 직접 잇기 때문에 두 가지 현상의 통로가 된다.

• 스위치 gate가 움직일 때 옆 node로 전압이 튀는 clock feedthrough(08장)
• 증폭기의 입력과 출력 사이에서 용량이 커 보이는 Miller 효과(04장)

05접합 용량: 전압에 따라 변한다

Source·drain과 기판 사이의 pn 접합도 커패시터다. 역전압을 걸면 가운데의 공핍층(전하가 비어 있는 층)이 넓어진다. 판 사이가 벌어진 것과 같아서 용량이 줄어든다.

FD도 이런 확산 영역이라 접합 용량이 FD 용량의 큰 부분을 차지한다. 여기서 재미있는 일이 생긴다. 전자가 FD에 들어오면 FD 전압이 내려가고, 역전압이 줄어 용량이 조금 커진다. 그러면 다음 전자가 만드는 전압은 조금 작아진다. 신호가 클수록 변환이 살짝 둔해지는, 변환 비선형성의 한 원인이다.

06배선의 용량과 이웃 결합

금속 배선은 아래 기판과도, 옆 배선과도 용량으로 이어진다. 공정이 미세해질수록 배선이 높고 촘촘해져 옆 배선과의 결합이 커진다. 고정된 전원선과의 용량은 그냥 짐(부하)이지만, 두 신호선 사이의 용량은 한쪽이 움직일 때 다른 쪽을 끌고 가는 통로가 된다.

07추정과 추출

설계 초기(pre-layout)에는 아직 layout이 없어서 기생 용량을 소자 모델과 경험식으로 추정한다. Layout을 그린 뒤(post-layout)에는 추출 도구(PEX)가 실제 모양에서 배선의 저항·용량과 node 사이 결합을 계산해 회로에 붙인다.

• 추출 결과는 추출 조건(공정 조건, 온도, 어느 결합까지 남기는지)에 따라 달라진다.
• 소자 모델에 이미 있는 성분(접합, gate overlap)을 추출 도구가 또 넣으면 두 번 세는 셈이 된다. 무엇이 모델에서 왔고 무엇이 추출에서 왔는지 경계를 확인해야 한다.
• 추출 값이 있다고 정확도가 보증되는 것은 아니다. 측정이나 정밀 해석과 비교하는 단계가 따로 있다(부록 C).

01한 문장으로

Reset을 놓은 FD처럼 어디로도 전류가 흘러 나갈 길이 없는 node에서는 전하가 그대로 보존된다. 이 단순한 규칙 하나가 변환 이득, 전하 재분배, 용량성 결합, Miller 효과를 모두 설명한다.

02전자 하나는 몇 µV일까

FD에 전자 N개가 들어오면 전하 $-qN$이 추가된다. FD의 용량이 $C_{FD}$이면 전압이 이만큼 내려간다.

전자 하나가 만드는 전압을 변환 이득(conversion gain, CG)이라고 한다. 전자의 전하는 $q = 1.6\times10^{-19}$ C이므로, $C_{FD} = 1$ fF이면 전자 하나가 약 160 µV를 만든다. FD 뒤의 회로가 전압을 $A$배로 옮기면 출력에서 본 CG는 $A$를 곱한 값이다.

CG가 크면 좋은 점이 있다. 뒤쪽 회로의 noise가 같아도, 그것을 "전자 몇 개에 해당하는가"로 환산하면 작아진다. 그래서 어두운 장면을 잘 찍으려면 FD를 작게 만든다. 대신 같은 전압 범위에 담을 수 있는 전자 수가 줄어든다. 두 요구를 함께 맞추려고 상황에 따라 FD 용량을 바꾸는 dual conversion gain 구조가 쓰인다(소자 교재 FD 장).

03두 커패시터를 연결하면

전압이 다른 두 커패시터를 스위치로 연결해 보자. 물통 두 개를 관으로 잇는 것과 같다. 물(전하)은 그대로 있고 수위(전압)만 같아진다.

놀라운 점은 에너지는 보존되지 않는다는 것이다. 연결하는 동안 전류가 스위치를 지나며 열을 낸다. 잃는 에너지는 다음과 같고, 스위치 저항 값이 들어 있지 않다.

저항이 작으면 큰 전류가 짧게, 크면 작은 전류가 길게 흐를 뿐 잃는 양은 같다. 이 성질은 12장에서 "kT/C noise는 저항과 무관하다"는 결론으로 다시 만난다. FD에 추가 용량을 연결해 CG를 낮추는 동작, 스위치를 끌 때 채널의 전자가 양쪽으로 나뉘는 현상(08장)이 모두 전하 재분배다.

04옆에서 움직이면 따라 움직인다

떠 있는 node에 커패시터 하나가 연결되어 있고, 그 반대쪽이 $\Delta u$만큼 움직인다고 하자. node는 다른 용량들과 함께 그 움직임을 나눠 받는다.

$C_c$는 움직이는 쪽과 이어진 결합 용량, $C_{rest}$는 고정된 쪽으로 이어진 나머지 용량이다. Reset gate나 transfer gate가 움직일 때 FD 전압이 살짝 튀는 feedthrough가 바로 이 식이다.

05Miller 효과: 함께 움직이면 작아 보인다

커패시터 양쪽이 함께 움직이면 그 커패시터가 요구하는 전하가 달라진다. 입력과 출력 사이에 용량 $C$가 있고, 출력이 입력의 $A$배로 움직인다면, 입력에서 본 실효 용량은 이렇다.

Source follower의 $C_{gs}$가 좋은 예다. 이득이 $A = 0.85$라면 FD가 움직일 때 source도 0.85배 따라 움직인다. $C_{gs}$ 양 끝의 전압 차이는 15%밖에 변하지 않으니, FD가 보는 $C_{gs}$는 원래의 0.15배다. 반대로 이득이 음수인 반전 증폭기에서는 $1-A$가 1보다 커져 작은 용량이 크게 보인다. 흔히 말하는 Miller 증폭이다.

06떠 있는 node의 전압은 무엇이 정하나

Reset이 끝난 FD처럼 전류가 흐를 길이 없는 node에서는 "DC 동작점"을 구하는 방법이 달라진다. 오래 기다리면 커패시터 전류는 0이 되지만, 그것만으로는 전압이 정해지지 않는다. 그 node에 전하가 얼마나 남아 있는가가 함께 정해야 한다. 회로 시뮬레이터가 이런 node에 초기값을 요구하거나 아주 큰 저항으로 접지하는 것도 이 때문이다.

01한 문장으로

FD는 아주 작은 물통(수 fF)이고, column 배선은 아주 큰 물통(수 pF)이다. 둘을 그냥 이으면 FD의 신호가 큰 물통에 섞여 거의 사라진다(04장). Source follower(SF)는 FD의 수위를 보기만 하고, 그 수위를 큰 물통에 대신 만들어 주는 펌프다.

SF의 gate는 FD에 연결되어 전류를 거의 끌어가지 않는다. Source는 row select 스위치를 거쳐 column 배선으로 이어지고, column 끝의 전류원이 SF에 일정한 전류 $I_B$를 흘린다.

02출력은 입력보다 한 계단 아래

전류원이 $I_B$를 흘리면, SF는 그 전류를 흘리는 데 필요한 만큼의 gate–source 전압을 스스로 맞춘다. 포화 영역의 식(02장)에서 그 전압을 구하면 출력은 이렇게 된다.

출력은 입력을 따라 움직이되, 항상 $V_{th} + V_{ov}$만큼 아래에 있다. 그래서 이름이 "따라가는 것"(follower)이다.

03왜 기울기가 1보다 작을까

Bulk가 접지에 있으면, 출력(source)이 올라갈수록 source–bulk 전압이 커진다. 그러면 body effect(02장)로 문턱전압이 올라가고, 출력이 덜 올라간다. 그래서 입력을 1 V 올려도 출력은 0.8–0.9 V 정도만 오른다.

작은 신호에서 이 기울기, 곧 전압 이득은 다음과 같다.

$\eta = g_{mb}/g_m$이 0.2라면 이득은 약 0.83이다. Bulk를 source에 묶을 수 있으면 body effect가 사라져 이득이 1에 가까워지지만, 픽셀에서는 면적 때문에 보통 그렇게 하지 않는다.

04출력이 쓸 수 있는 범위

SF 출력의 전압 범위는 양쪽에서 막힌다.

• 아래쪽: 전류원도 transistor다. 전류원으로 동작하려면 자신도 포화에 있어야 한다. 출력이 너무 내려가면 전류원이 전류를 유지하지 못해 SF 식이 깨진다. 시뮬레이터의 "부하 compliance"가 이 한계다.
• 위쪽: 입력(FD)이 가장 높을 때는 reset 직후다. SF의 drain–source 전압이 너무 작아지면 SF가 triode로 들어가 이득이 떨어진다.

신호는 reset 값에서 아래로 내려가므로, reset 값이 너무 높으면 위쪽에서, 신호가 너무 크면 아래쪽에서 범위를 벗어난다.

05내려갈 때와 올라갈 때가 다르다

작은 신호 모델은 작은 움직임에만 맞는다. 입력이 크게 떨어지면 SF가 잠깐 꺼지고, 출력은 전류원이 column 용량을 빼내는 속도 $I_B/C_{col}$로만 내려간다. 이것을 slew라고 한다. 반대로 입력이 오를 때는 SF가 큰 전류를 내므로 빨리 따라간다. 그래서 같은 크기의 변화라도 내려갈 때 더 오래 걸릴 수 있다(07장).

06여러 follower가 한 줄을 나눌 때

여러 SF가 같은 column과 전류원을 나눠 쓰도록 연결되기도 한다. 모든 SF가 같고 입력도 같으면 전류가 똑같이 나뉘어 하나의 큰 SF처럼 동작한다(02장 finger와 같은 원리).

입력이나 소자가 다르면 이야기가 달라진다. 각 SF의 전류 식과 공통 출력의 전류 합(KCL)을 함께 풀어야 하고, "전류를 개수로 나눈다"는 단순한 규칙이 성립하지 않는다. 극단적으로는 입력이 가장 높은 SF가 출력을 끌어올리고 나머지는 거의 꺼진다.

01한 문장으로

좁은 관으로 큰 물통을 채운다고 해 보자. 처음에는 물이 빨리 차지만, 목표 수위에 가까워질수록 밀어 주는 힘(수위 차이)이 줄어 점점 느려진다. 전압도 똑같이 목표값에 "점점 느리게" 다가간다. 이 다가가는 속도를 정하는 숫자가 시정수(time constant) $\tau$다.

readout에서 이런 일은 계속 일어난다. Source follower가 column 배선을 끌고 갈 때, 스위치가 커패시터를 충전할 때, 그 신호가 다 도착하기 전에 읽으면 오차가 남는다. 01장에서 본 정착 오차다.

02RC가 τ를 만든다

저항 $R$을 통해 용량 $C$를 충전하면 시정수는 둘의 곱이다.

저항이 크면 물이 천천히 흐르고, 용량이 크면 채울 물이 많다. 둘 다 τ를 늘린다. 단위를 맞춰 보면 kΩ × pF = ns다. 예를 들어 20 kΩ과 2 pF이면 τ = 40 ns다.

Source follower가 column을 끌 때 $R$은 SF의 출력 저항 $1/(g_m + g_{mb})$이고(05장), $C$는 column 배선과 연결된 소자들의 용량이다.

03남은 오차는 지수로 줄어든다

계단 입력이 들어오면 출력은 이렇게 다가간다.

$t = \tau$에서 남은 오차는 37%(63%가 도착), $3\tau$에서 5%, $5\tau$에서 0.7%다. 오차를 로그 축으로 그리면 직선이 된다. 아래 시뮬레이터에서 직접 확인해 보자.

04몇 τ를 기다려야 하나

ADC가 N bit라면, 남은 오차가 1 LSB, 곧 계단 크기의 $2^{-N}$보다 작아야 "다 왔다"고 할 수 있다. 위 식을 풀면 필요한 시간이 나온다.

중요한 성질이 하나 있다. 정확도를 한 bit 올릴 때마다 τ의 0.69배만 더 기다리면 된다. 시간이 bit 수에 비례해 늘 뿐, 두 배씩 늘지 않는다. 지수의 힘이다.

05pole, zero, −3 dB 주파수

같은 RC 회로를 주파수로 보자. 사인파를 넣으면 출력의 크기와 위상이 주파수에 따라 바뀐다. 이 관계를 전달함수 $H(f)$로 쓴다. RC 하나라면 다음과 같다.

분모를 0으로 만드는 (복소) 주파수를 pole이라고 한다. Bode 그림(로그 주파수에 dB 크기)에서 pole은 기울기가 꺾이는 점이다. pole보다 낮은 주파수에서는 크기가 거의 1이고, 높은 주파수에서는 주파수가 10배 될 때마다 크기가 1/10(−20 dB)로 준다. 정확히 pole 주파수에서는 크기가 $1/\sqrt{2}$(−3 dB), 위상이 −45°다.

−3 dB 주파수(대역폭)는 크기가 $1/\sqrt{2}$로 줄어드는 주파수다. pole이 하나뿐이면 pole 주파수와 같다.

τ = 40 ns이면 약 4 MHz다. pole이 여럿이면 −3 dB 주파수는 가장 낮은 pole보다 더 낮아진다. 같은 pole 두 개면 그 0.64배다.

분자를 0으로 만드는 주파수는 zero다. zero는 반대로 기울기를 +20 dB/dec 꺾어 크기를 다시 올린다. source follower에서는 입력이 $C_{gs}$를 통해 출력으로 바로 넘어가는 길이 zero를 만든다. pole과 zero가 가까이 있으면 크기 그림에서는 서로 거의 지워지지만, 시간 응답에는 천천히 줄어드는 작은 꼬리를 남길 수 있다.

시간으로 보든 주파수로 보든 같은 회로의 같은 성질이다. 대역폭이 넓을수록 빨리 정착하고, 동시에 더 넓은 범위의 noise를 통과시킨다(11장). 그래서 정착과 noise는 서로 당기는 관계에 있다.

06경험 규칙의 의미와 한계

현업에서는 "τ의 몇 배를 기다리면 충분하다" 같은 경험 규칙을 많이 쓴다. 빠르게 판단할 수 있어 유용하지만, 두 가지를 기억하자.

• 이 규칙은 경로가 하나의 지수로 움직인다는 가정 위에 있다. pole이 여러 개이거나, 큰 신호에서 slew가 생기면 필요한 시간이 더 길어진다(07장).
• 어떤 τ를 썼는지가 중요하다. 회로 전체에서 하나의 τ를 뽑는 방법(가장 느린 pole, Elmore 지연 등)마다 결과가 다르다.

01한 문장으로

06장의 단일 지수는 깔끔하지만, 실제 readout 경로는 물통 여러 개가 관으로 줄줄이 이어진 모양에 가깝다. 앞 물통이 차야 뒤 물통이 차기 시작한다. 그래서 출력이 늦게 출발하고, 하나의 τ로 설명하기 어려워진다.

02pole이 둘이면

단위 이득의 1차 단 두 개를 직렬로 이었다고 하자. 각각의 시정수가 $\tau_1$, $\tau_2$일 때 남은 오차는 다음과 같다.

두 τ가 같으면 $(1 + t/\tau)\,e^{-t/\tau}$가 된다. $t = 8\tau$에서 단일 지수보다 9배 큰 오차가 남는다. 같은 "τ의 8배"를 기다려도 결과가 전혀 다르다는 뜻이다.

이런 경로를 하나의 τ로 줄이는 방법은 여럿이다.

• 가장 느린 pole만 쓰기(dominant pole): 한 τ가 다른 것보다 훨씬 크면 잘 맞는다. 둘이 비슷하면 필요한 시간을 짧게 잡는다.
• τ를 모두 더하기: 지연이 쌓이는 효과를 반영한다. 다음 절의 Elmore 지연과 같은 생각이다.

03긴 배선은 RC 사다리

column 배선은 저항과 용량이 길게 고르게 퍼져 있다. 이것을 짧은 구간 n개로 나눈 RC 사다리로 볼 수 있다. 각 구간이 작은 물통과 좁은 관이다.

이런 사다리를 손으로 푸는 것은 번거롭다. 그래서 흔히 Elmore 지연으로 어림한다. 출력까지 가는 길에서, 각 용량에 대해 "그 용량까지 거쳐 가는 저항의 합 × 그 용량"을 모두 더한다.

n이 크면 $\tau_E \to RC/2$다. 아래 시뮬레이터는 사다리를 직접 풀어(수치 적분) Elmore 근사와 비교한다.

실제 응답은 처음에 더 늦게 출발하고(신호가 먼 끝까지 퍼지는 데 시간이 걸린다), 나중에는 Elmore 지수보다 빨리 줄어든다. 늦은 구간의 시정수는 약 $4RC/\pi^2 \approx 0.4\,RC$다.

04T 모델과 π 모델

긴 배선을 손으로 다룰 때는 한 덩어리로 줄인 모델을 자주 쓴다. 배선 전체 저항 $R_w$, 전체 용량 $C_w$를 다음 둘 중 하나로 나타낸다.

• π 모델: 용량을 반씩 양 끝에 두고 가운데 저항 하나 ($C_w/2$ – $R_w$ – $C_w/2$).
• T 모델: 저항을 반씩 양쪽에 두고 가운데 용량 하나 ($R_w/2$ – $C_w$ – $R_w/2$).

driver 저항 $R_d$가 배선을 거쳐 부하 $C_L$을 끈다고 하자. 두 모델 모두 먼 끝의 Elmore 지연이 같고, 분포 RC의 Elmore 지연과도 정확히 같다.

예를 들어 $R_d$ = 10 kΩ, $R_w$ = 20 kΩ, $C_w$ = 2 pF, $C_L$ = 0.5 pF이면 다음과 같다.

식을 보면 읽는 법이 보인다. driver 저항은 모든 용량을 지나야 하므로 전체 용량을 곱하고, 배선 저항은 배선 용량의 절반과 부하만 본다. 배선 용량의 가까운 쪽은 배선 저항을 거의 거치지 않고 충전되기 때문이다.

π와 T는 Elmore 지연이 같아도 응답 모양은 조금 다르다. driver 저항이 클수록 어느 모델이든 잘 맞고, 배선 저항이 지배하면 구간을 두세 개로 나눠야 정확해진다.

05column 블록을 이으면: τ 합산

column 신호는 여러 블록을 차례로 지난다. 예를 들어 다음과 같다.

블록 사이가 버퍼로 분리되어 있으면 각 블록은 독립된 pole이 되고, 전체 응답은 pole 세 개의 cascade다. 이때 빠른 어림셈은 τ를 더하는 것이다.

이것도 Elmore 지연과 같은 생각이다. 각 블록이 신호를 평균적으로 τ만큼 늦추므로 지연이 쌓인다. 한 블록이 압도적으로 느리면 그 τ 하나로 충분하고, 비슷한 블록이 여럿이면 합으로 어림한다. 버퍼가 없으면 뒤 블록의 용량이 앞 블록의 짐이 되어 τ가 서로 바뀌므로, 앞 절의 사다리처럼 함께 풀어야 한다.

06크게 떨어질 때: slew

지금까지는 작은 신호의 이야기였다. 신호가 크게 떨어지면 다른 일이 생긴다. 05장에서 본 것처럼, source follower 출력이 크게 내려가야 할 때 SF는 잠깐 꺼지고, column 용량의 전하는 전류원 $I_B$로만 빠져나간다. 출력은 일정한 속도로 직선을 그리며 내려간다. 이것이 slew다.

오차가 충분히 작아지면 SF가 다시 살아나 지수 정착($\tau = C/g_m$)으로 바뀐다. 바뀌는 지점은 아래에서 따로 따진다. 그래서 큰 신호의 정착 시간은 "slew 구간 + 지수 구간"이다.

07slew에서 지수로 넘어가는 점

언제 slew가 끝나고 지수 정착이 시작될까? 지수 정착 구간에서 출력이 움직이는 속도는 남은 오차 $e$에 비례한다($de/dt = -e/\tau$). 이 속도를 내려면 용량에 $C \cdot e/\tau = g_m e$의 전류를 흘려야 한다. 그런데 전류원이 줄 수 있는 전류는 $I_B$가 한계다. 따라서 필요한 전류가 $I_B$보다 크면 slew, 작아지면 지수 정착이다.

이 점에서 두 구간의 기울기가 정확히 같다. slew 속도는 $I_B/C$이고, 지수 구간의 처음 기울기는 $e_{\text{전환}}/\tau = (I_B/g_m)/(C/g_m) = I_B/C$이다. 그래서 응답이 꺾이지 않고 매끄럽게 이어진다. square-law 포화에서는 $I_B/g_m = V_{ov}/2$이므로, 남은 오차가 대략 $V_{ov}$의 절반보다 크면 slew 구간으로 볼 수 있다. 큰 신호의 정착 시간은 다음과 같이 어림한다.

실제 소자에서는 전환이 한 점이 아니라 어느 폭에 걸쳐 일어난다. 이 식은 큰 신호에서 필요한 시간을 작은 신호 τ만으로 계산하면 얼마나 짧게 잡는지 보여주는 어림셈이다.

slew 구간은 계단 크기에 비례해 길어진다. 작은 신호만 보고 τ로 계산하면 큰 신호에서 필요한 시간을 짧게 잡게 된다. 반대로 출력이 올라갈 때는 SF가 큰 전류를 낼 수 있어 slew가 거의 없다. 같은 크기라도 내려갈 때와 올라갈 때 정착 시간이 다를 수 있다.

01한 문장으로

픽셀의 reset·transfer·row select, column의 표본화 스위치는 모두 MOSFET이다. 켜면 저항, 끄면 끊긴 선이 이상적인 스위치지만, 실제 MOS 스위치는 켜져 있을 때의 저항이 입력 전압에 따라 변하고, 끄는 순간 작은 전하를 흘린다.

02켜진 스위치는 저항이다

Gate를 충분히 높여 켠 NMOS에 작은 전압만 걸리면 triode 영역(02장)에 있다. 이때 소자는 저항처럼 동작한다.

Gate가 $V_{DD}$로 고정되어 있으면, 전달하려는 입력 전압이 높을수록 $V_{ov}$가 줄어 저항이 커진다. PMOS는 반대로 높은 전압에서 저항이 작다. 둘을 병렬로 묶은 CMOS 스위치(transmission gate)는 전 범위에서 저항이 낮다.

03NMOS가 전달할 수 있는 최대 전압

NMOS 스위치로 node를 높은 전압까지 충전한다고 하자. Node 전압이 오를수록 $V_{GS}$가 줄고, $V_G - V_{th}$에 가까워지면 스위치가 거의 꺼진다. 그래서 NMOS 하나로 전달할 수 있는 전압은 대략 다음이 한계다.

여기서 $V_{th}$는 source(충전되는 node)가 올라간 상태의 문턱전압이라 body effect(02장)로 조금 커진다. 문턱 아래 전류가 아주 천천히 계속 흐르므로 오래 기다리면 조금 더 올라가지만, 실용적인 시간 안에서는 이 값이 한계다.

04스위치가 여러 개일 때

여러 스위치가 이어져 있으면 각 스위치의 한계를 조합한다.

• 직렬: 신호가 차례로 지나가므로 가장 낮은 한계가 전체 한계가 된다. 같은 gate 전압이라면 문턱 손실이 스위치 수만큼 쌓이지 않는다. 앞 스위치를 지난 전압이 이미 $V_G - V_{th}$이면, 다음 스위치의 한계도 같은 $V_G - V_{th}$이기 때문이다.
• 병렬: 어느 쪽으로든 전하가 들어올 수 있으므로 가장 높은 한계까지 충전된다. 한계가 낮은 쪽 스위치는 그 위에서 그냥 꺼질 뿐, node를 끌어내리지 않는다.

05끄는 순간 1: charge injection

켜진 스위치의 채널에는 전자가 차 있다. 그 양은 대략 다음과 같다.

스위치를 끄면 채널이 사라지면서 이 전자들이 양쪽 node로 흩어진다. 커패시터 $C_H$ 쪽으로 비율 $\alpha$만큼 가면 그 전압이 이만큼 변한다.

$\alpha = 1/2$로 어림하는 경우가 많지만, 실제 비율은 양쪽 node의 임피던스와 gate가 내려가는 속도에 따라 달라진다. gate를 천천히 내리면 전하가 저항이 낮은 쪽으로 더 많이 빠져나간다.

06끄는 순간 2: clock feedthrough

Gate와 node 사이의 overlap 용량(03장)을 통해, gate 전압이 $\Delta V_G$만큼 내려가는 움직임이 그대로 node를 끌어내린다. 04장의 용량성 분배와 같은 식이다.

07줄이는 방법

• 큰 hold 용량: 같은 전하가 만드는 전압이 작아진다. 대신 정착이 느려지고 면적과 kT/C noise의 균형이 바뀐다.
• 작은 스위치: $W$를 줄이면 채널 전하와 overlap이 줄지만 on 저항이 커진다.
• 상보 스위치·dummy 스위치: 반대 극성의 전하를 같이 넣어 상쇄한다.
• 두 번 읽어 빼기: 같은 오차가 reset 표본과 signal 표본에 똑같이 들어가면 CDS로 지워진다(13장). 다만 신호에 따라 $V_{ov}$가 달라지면 그 차이만큼은 남는다.

01한 문장으로

움직이는 신호를 숫자로 바꾸려면 먼저 한 순간의 값을 붙잡아 두어야 한다. Sample-and-hold(S/H)는 스위치를 켜 둔 동안 커패시터가 입력을 따라가다가(track), 스위치를 끄는 순간의 값을 붙잡는(hold) 회로다. 사진의 셔터와 같다.

02표본은 "끄는 순간"의 값이다

Track 동안 hold 커패시터 $C_H$는 스위치 저항을 거쳐 입력을 따라간다(06장의 RC 정착). 스위치가 꺼지는 순간 그 전압이 남는다. 그러니 표본 값을 정하는 것은 스위치가 꺼지는 시각이다.

• 입력이 아직 정착 중이면, 표본은 최종값이 아니라 그 순간의 값이다. 01장에서 본 정착 오차가 이렇게 생긴다.
• 스위치가 꺼지는 순간에는 08장의 charge injection과 feedthrough가 함께 들어간다.
• 붙잡은 뒤의 입력 변화는 표본에 영향을 주지 않는다. 표본과 그 뒤의 회로 상태는 별개다.

03같은 순간에 무언가 바뀐다면

표본 시점과 정확히 같은 순간에 회로의 다른 곳에서 갑작스러운 변화(다른 스위치가 꺼지는 등)가 일어난다고 해 보자. 이상적인 모델에서 그 순간의 전압은 "변화 직전 값"과 "변화 직후 값" 두 개가 있다. 어느 쪽을 표본으로 볼지는 모델에서 미리 정해 두어야 하는 약속이다.

실제 회로에서는 모든 변화가 유한한 시간에 걸쳐 일어나므로, 두 값 사이의 어딘가가 잡힌다. 그래서 시뮬레이션이나 해석에서는 다음을 구분한다.

• 정확히 같은 시각: 모델이 정한 약속(직전 또는 직후)을 따른다.
• 아주 가까운 다른 시각: 그 사이의 회로 응답을 실제로 계산해야 한다. 계산 단계가 같다고 두 사건을 하나로 합치면 안 된다.
• 직후 값은 정착한 값이 아니다. 변화가 막 반영된 순간의 값일 뿐이다.

04시점이 흔들리면

표본 시점이 매번 조금씩 흔들리면(jitter), 입력이 빠르게 변하는 순간일수록 잡은 값이 크게 달라진다. 오차는 입력의 기울기와 시점 흔들림의 곱이다.

진폭 $A$, 주파수 $f$의 사인이면 RMS 오차는 $A \cdot 2\pi f \sigma_t / \sqrt{2}$다. 이미지센서의 reset·signal 표본처럼 거의 정착한 신호를 잡을 때는 기울기가 작아 이 오차가 작다. 정착이 덜 끝난 순간에 잡을수록 커진다.

05붙잡은 값이 새어 나간다

Hold 동안 커패시터 전하는 스위치의 누설 전류로 조금씩 빠진다. 이것이 droop다.

fA 수준의 누설도 hold 시간이 길고 $C_H$가 작으면 µV 수준의 오차가 된다. 픽셀의 FD도 일종의 hold node라서, 같은 이유로 reset 뒤 시간이 지날수록 전압이 조금씩 흐른다(소자 교재의 누설·암전류).

06Noise도 같이 붙잡힌다

Track 동안 스위치 저항의 thermal noise가 $C_H$ 전압을 흔든다. 스위치를 끄는 순간 그 흔들림도 함께 붙잡힌다. 붙잡힌 noise의 크기는 저항과 무관하게 $\sqrt{kT/C_H}$다. 12장에서 이 놀라운 결과를 유도한다.

01한 문장으로

같은 장면을 여러 번 찍어도 픽셀 값은 매번 조금씩 다르다. 이 흔들림이 noise다. noise는 평균이 0이라서 "얼마나 퍼져 있는가"로 말한다. 퍼짐의 크기는 RMS(제곱 평균의 제곱근)이고, 그 제곱이 분산이다.

서로 독립인 원천이 여럿이면 분산끼리 더한다. 40 µV와 30 µV의 독립 noise가 합쳐지면 70 µV가 아니라 $\sqrt{40^2+30^2} = 50$ µV다. 이것을 RSS(root-sum-square)라고 한다. 큰 원천 하나가 전체를 지배하기 쉬운 이유이기도 하다.

02Read noise는 전자 수로 말한다

회로에서 재는 noise는 전압이다. 그런데 이미지센서에서는 read noise를 거의 항상 전자 수로 말한다. 신호가 전자 수이기 때문이다. 출력에서 잰 noise 전압을 출력 conversion gain으로 나누면, "입력에서 전자 몇 개가 흔들린 것과 같은가"가 된다. 이것이 입력 환산 read noise(input-referred read noise)다.

출력 noise가 120 µV이고 CG가 60 µV/e⁻이면 read noise는 2 e⁻다. 이렇게 말하면 좋은 점이 셋 있다.

• CG가 다른 픽셀끼리 공정하게 비교할 수 있다.
• 신호와 바로 비교할 수 있다. 신호 100 e⁻에 read noise 2 e⁻이면 SNR을 바로 어림할 수 있다.
• CG를 키우는 효과가 바로 보인다. 회로 noise 전압이 같아도 CG가 두 배면 read noise는 절반이다. 04장에서 작은 FD가 저조도에 유리하다고 한 이유다.

03주파수로 펼쳐 보기: PSD

noise는 여러 주파수 성분의 합이다. 각 주파수 근처 1 Hz 폭에 들어 있는 분산을 PSD(power spectral density)라고 하고, 단위는 V²/Hz다. 그 제곱근이 ASD이고 단위는 V/√Hz다. 데이터시트의 "10 nV/√Hz"가 ASD다.

전체 분산은 PSD 곡선 아래의 면적이다. 이 교재는 양의 주파수만 쓰는 단측 PSD를 쓴다. 음의 주파수까지 쓰는 양측 PSD와 비교할 때는 양의 주파수에서 값이 두 배 차이 난다.

04저항과 트랜지스터의 thermal noise

저항 안의 전자는 열 때문에 무작위로 움직이고, 그 결과 양 끝에 흔들리는 전압이 생긴다. 이 thermal noise는 모든 주파수에 고르게 퍼진 백색 noise다. 전압원으로 쓰면 $4kTR$, 전류원으로 쓰면 $4kT/R$이다.

MOSFET의 채널도 저항처럼 thermal noise를 낸다. drain 전류의 흔들림은 다음과 같이 쓴다.

$g_{d0}$는 $V_{DS} = 0$일 때의 채널 컨덕턴스이고, $\gamma$는 채널 상태에 따른 계수다.

• Triode, $V_{DS} \to 0$: 채널이 그냥 저항이므로 $\gamma = 1$. 켜진 스위치는 $4kT/R_{on}$의 noise를 낸다(12장 kT/C의 출발점).
• 포화, 긴 채널: $\gamma \approx 2/3$이고 $g_{d0} \approx g_m$이다. 그래서 흔히 $4kT\gamma g_m$으로 쓴다.
• 짧은 채널: 강한 전기장 때문에 $\gamma$가 1보다 커지기도 한다. 정확한 값은 공정 모델에서 얻는다.

이 전류 noise를 gate 전압으로 옮기면(입력 환산) $g_m^2$로 나눈다.

$g_m$이 클수록 gate 환산 thermal noise가 작다. 그래서 SF나 증폭기 입력 소자의 $g_m$을 어떻게 키우느냐가 중요하다.

05gm을 올리려면

02장의 식을 다시 보자. 포화에서 $g_m = \sqrt{2kI_D} = 2I_D/V_{ov}$이다. $g_m$을 키우는 손잡이는 세 개다.

특히 W/L을 키우는 방법은 끝없이 효과가 있지 않다. 소자가 약반전에 가까워지면 $g_m$이 $I_D/(nV_T)$에서 멈추고, 늘어난 용량만 남는다(수확 체감). 이 균형을 다루는 방법이 $g_m/I_D$ 설계법이다.

061/f noise와 corner

채널 가까이의 결함(trap)이 전자를 잡았다 놓았다 하면서 생기는 noise는 낮은 주파수일수록 크다. PSD가 주파수에 반비례해 1/f noise(flicker noise)라고 부른다. 회로 계산에서 가장 많이 쓰는 간이식은 gate 환산 형태다.

$K$는 공정과 소자 종류(NMOS, PMOS)에 따라 달라지는 계수다. 게이트 면적 $WL$이 클수록 결함이 평균되어 작아진다. 백색 noise와 1/f noise가 같아지는 주파수를 1/f corner라고 한다. corner보다 낮은 주파수에서는 1/f, 높은 주파수에서는 백색이 지배한다.

1/f noise는 대역을 10배 넓힐 때마다 같은 양씩 늘어난다. 그래서 아주 낮은 주파수까지 적분하면 끝없이 커진다. 실제로는 한 번 읽는 데 걸리는 시간과 CDS가 낮은 주파수 쪽을 잘라 준다(13장).

071/f noise의 소자 모델

간이식 뒤에는 두 가지 물리 그림이 있다.

• 수 요동(number fluctuation, McWhorter): 산화막 가까이의 trap이 채널 전자를 붙잡았다 놓으면 채널의 전자 수가 흔들린다. trap들의 시간 상수가 고르게 퍼져 있으면 합쳐서 1/f가 된다.

$N_t$는 산화막 trap 밀도(단위 에너지·부피당), $\lambda$는 전자가 산화막으로 터널링하는 감쇠 길이다. 산화막이 얇아 $C_{ox}$가 클수록, 면적이 클수록 작아진다.

• 이동도 요동(mobility fluctuation, Hooge): 전자의 이동도 자체가 흔들린다. 채널의 전자 수 $N$이 많을수록 상대 흔들림이 작아진다.

회로 시뮬레이터는 이 둘을 경험식으로 묶어 쓴다. 고전적인 SPICE 형태는 다음과 같다.

$AF$, $EF$는 보통 1 근처다. $AF = 1$이고 포화에서 $g_m^2 = 2\mu C_{ox}(W/L)I_D$로 나누면 gate 환산 값은 $KF/(2\mu C_{ox}^2 WL f)$가 된다. 면적과 주파수에 대한 의존성 $1/(WLf)$는 간이식과 같고, $C_{ox}$와 이동도는 계수 쪽에 묶인다. 그래서 간이식의 $K$와 SPICE의 $KF$는 같은 숫자가 아니다. BSIM 같은 최신 모델은 수 요동과 그에 따른 이동도 요동을 함께 다루는 통합 모델을 쓴다.

08하나의 trap: RTS

소자가 아주 작으면 trap이 하나만 지배할 수 있다. 그러면 전류가 두 값 사이를 오가는 RTS(random telegraph signal) noise가 된다. 대부분의 픽셀은 조용한데 몇몇 픽셀만 유난히 시끄러운, noise 분포의 긴 꼬리가 여기서 생긴다. 물리는 CIS Pixel Device Physics 교재의 read noise 장이 자세히 다룬다.

09FD 주변의 다른 원천

• Reset noise: reset을 놓을 때 남는 무작위 전하. 크기는 $\sqrt{kT/C}$이며 12장에서 유도한다. CDS로 지워진다.
• 암전류 shot noise: FD나 포토다이오드로 새어 드는 전류 $I$는 낱개 전자로 오므로 흔들린다. PSD는 $2qI$이고, 쌓인 전자 수 $N$의 흔들림은 $\sqrt{N}$이다.
• 누설·GIDL: 꺼진 스위치나 gate 가장자리에서 새는 전류도 같은 방식으로 noise가 된다.

01한 문장으로

noise는 생긴 자리에서 끝나지 않는다. 뒤따르는 회로를 지나며 어떤 주파수는 키워지고 어떤 주파수는 걸러진다. 그래서 같은 noise 원천이라도, 어디서 생겼고 무엇을 지났는지에 따라 최종 크기가 달라진다.

02PSD는 이득의 제곱으로 바뀐다

선형 회로의 전달함수가 $H(f)$라면, 지나간 noise의 PSD는 이렇게 된다.

전압 이득이 2이면 RMS는 2배, PSD는 4배다. ASD에는 $|H|$를, PSD에는 $|H|^2$를 곱한다. 둘을 섞으면 결과가 제곱만큼 틀린다.

03같은 기준점으로 옮기기

픽셀 신호는 FD → SF → column 증폭 → ADC를 지난다. 각 단에서 생긴 noise를 비교하려면 모두 같은 기준점으로 옮겨야 한다. 보통 FD(또는 전자 수)를 기준으로 삼는다. 어떤 단의 noise를 앞쪽으로 옮길 때는 그 앞에 있는 이득으로 나눈다.

뒷단 noise는 앞단 이득만큼 작게 보인다. 그래서 첫 단의 이득과 noise가 전체 read noise를 좌우한다. column에서 신호를 먼저 키우면 ADC noise의 몫이 줄어드는 이유다.

04면적을 쉽게 구하는 법: ENBW

백색 noise $S_0$가 1-pole 저역 통과 필터(대역 $f_c$)를 지나면, 출력 분산은 다음과 같다.

이 결과는 "높이 $S_0$, 폭 $\tfrac{\pi}{2}f_c$인 직사각형"의 면적과 같다. 이 폭을 등가 noise 대역폭(ENBW)이라고 한다. 필터 모양이 달라도 ENBW만 알면 백색 noise의 분산을 바로 구할 수 있다.

05어디까지 적분하나

실제 계산은 유한한 대역에서 한다. 이때 두 가지를 조심하자.

• 너무 일찍 자르면 놓친다. 1-pole 출력을 $f_c$까지만 적분하면 전체 분산의 절반만 들어온다. $f_c$는 진폭이 $1/\sqrt{2}$가 되는 점일 뿐, 면적의 끝이 아니다.
• 낮은 주파수 쪽: 1/f noise는 하한을 낮출수록 계속 커진다. 하한은 관측 시간이나 CDS 같은 처리로 정해진다.

01한 문장으로

스위치를 닫아 커패시터를 어떤 전압에 맞춘 뒤 스위치를 열면, 커패시터에는 정확히 그 전압이 아니라 매번 조금씩 다른 전압이 남는다. 그 흔들림의 크기는 놀랍게도 온도와 용량만으로 정해진다.

02방법 1: 열평형의 공평한 몫

열평형에 있는 계에서, 에너지를 담을 수 있는 독립된 "자리" 하나마다 평균 $\tfrac{1}{2}kT$의 에너지가 돌아간다(등분배 정리). 커패시터의 에너지 $\tfrac{1}{2}C v^2$도 그런 자리 하나다.

03방법 2: 저항의 noise를 적분하기

스위치가 켜져 있을 때 그 on 저항 $R$은 $4kTR$의 thermal noise를 낸다(10장). 이 noise는 $R$과 $C$가 만드는 저역 통과 필터를 지나 커패시터에 걸린다. 11장의 ENBW를 쓰면 다음과 같다.

R이 지워진다. 저항이 크면 noise 밀도가 커지지만 대역이 좁아지고, 저항이 작으면 반대가 된다. 두 효과가 정확히 상쇄된다. 04장에서 두 커패시터를 연결할 때 잃는 에너지가 저항과 무관했던 것과 같은 뿌리다.

04숫자로 감 잡기

300 K에서 $kT \approx 4.14\times10^{-21}$ J이다.

C를 키우면 전압 noise는 줄지만 전자 수 noise는 늘어난다. 전자 수로는 $\sqrt{kTC}/q$이기 때문이다. FD처럼 작은 용량에서는 수 e⁻에서 십여 e⁻ 수준이라, 이것을 그대로 두면 저조도 화질이 크게 나빠진다.

05Hard reset과 soft reset

Reset transistor가 충분히 강하게 켜져(triode) FD를 기준 전압에 붙잡는 hard reset에서는 위 결과가 그대로 맞는다. 반면 reset transistor의 gate가 충분히 높지 않아 FD가 약반전 전류로 천천히 충전되며 끝나는 soft reset에서는 noise가 대략 $\sqrt{kT/2C}$로 작아진다. 대신 이전 프레임의 흔적이 남는 image lag가 생길 수 있다. 소자 쪽 설명은 CIS Pixel Device Physics 교재의 reset 장에 있다.

064T 픽셀은 왜 kT/C에서 자유로운가

4T 픽셀은 reset을 놓은 뒤 같은 FD를 먼저 한 번 읽고(reset level), 전자를 옮긴 뒤 다시 읽는다(signal level). reset을 놓을 때 남은 무작위 전하는 두 읽기에 똑같이 들어 있으므로, 빼면 사라진다(13장). 01장 시뮬레이터에서 kT/C를 켜고 꺼도 CDS 결과가 변하지 않았던 이유다.

01한 문장으로

CDS는 "같은 것을 두 번 읽어 빼면, 두 번 다 들어 있는 것은 사라진다"는 아이디어다. 01장과 12장에서 reset noise가 이렇게 지워지는 것을 보았다. 그렇다면 시간에 따라 흔들리는 noise는 어떨까? 천천히 변하는 noise는 두 표본에 거의 같이 들어 있어 지워지고, 빠르게 변하는 noise는 지워지지 않는다.

02빼기는 필터다

시간 $t$와 $t+T$의 두 표본을 빼는 일은 주파수로 보면 다음 전달함수를 곱하는 것과 같다.

이 가중의 모양을 보면 CDS의 성격이 보인다.

• 낮은 주파수($fT \ll 1$): 약 $4\pi^2 f^2 T^2$로, $f^2$에 비례해 눌린다. 느린 흔들림과 1/f noise가 크게 줄어든다.
• $f = 1/(2T)$ 근처: 가중이 최대 4다. 이 주파수의 성분은 두 표본에서 부호가 반대라 빼면 오히려 커진다.
• $f = 1/T$의 배수: 가중이 0이다. 한 주기를 정확히 건너뛰어 두 표본이 같아지기 때문이다.

03백색 noise는 두 배가 된다

두 표본의 간격이 충분히 길면 그 사이 백색 noise는 서로 독립이다. 독립인 두 값을 빼면 분산이 더해진다(14장). 그래서 백색 noise의 분산은 CDS 뒤에 두 배, RMS는 $\sqrt{2}$배가 된다. 1-pole 대역 $f_c$를 지난 백색 noise에서는 닫힌형으로 이렇게 된다.

$T$가 길면 한 표본 분산($S_0\tfrac{\pi}{2}f_c$)의 두 배에 다가가고, $T$가 아주 짧으면 두 표본이 거의 같아 0에 가까워진다.

04T를 어떻게 고를까

아래 실험에서 백색 noise와 1/f noise를 함께 넣고 T를 바꿔 보자.

• T를 줄이면 두 표본이 더 비슷해져 1/f 잔여가 준다.
• 하지만 T 안에 신호가 정착하고 전송도 끝나야 한다(06–07장). 너무 줄이면 정착 오차가 커진다.
• 대역 $f_c$를 좁히면 백색 성분이 줄지만 정착이 느려진다.

결국 CDS 간격과 대역폭은 noise와 정착 사이의 균형점에서 정해진다.

01한 문장으로

두 noise를 더하거나 뺄 때 결과는 둘이 얼마나 함께 움직이느냐에 따라 달라진다. 늘 같이 움직이면 빼서 지울 수 있고, 따로 움직이면 더하든 빼든 분산이 더해진다.

02상관 계수

두 noise $x$, $y$의 RMS가 $\sigma_1$, $\sigma_2$이고, 둘이 함께 움직이는 정도를 상관 계수 $\rho$(−1에서 1)로 나타내면 다음이 성립한다.

• $\rho = 0$(독립): 합이든 차든 $\sqrt{\sigma_1^2+\sigma_2^2}$.
• $\rho = 1$(완전히 같이): 합은 $\sigma_1+\sigma_2$, 차는 $|\sigma_1-\sigma_2|$. 크기가 같으면 차는 0이다. CDS가 reset noise를 지우는 원리다.
• $\rho = -1$(정반대로): 합이 줄고 차가 커진다.

03여러 번 읽어 평균하기

같은 신호를 m번 읽어 평균하면, 서로 독립인 noise는 분산이 $1/m$, RMS가 $1/\sqrt{m}$로 준다. 그런데 모든 읽기에 똑같이 들어가는 성분 $c$는 평균해도 그대로다.

m을 아무리 늘려도 $\sigma_c$ 아래로는 내려가지 않는다. 평균화의 효과를 기대할 때는 먼저 "이 noise가 정말 읽을 때마다 독립인가"를 따져야 한다.

04어떤 것이 공통 성분인가

• 같은 회로를 공유하는 성분: 여러 픽셀이 같은 column 회로, 같은 기준 전압, 같은 ramp를 쓰면 그 회로의 noise는 픽셀들에 공통으로 들어간다. 픽셀끼리 평균해도 줄지 않고, 행 단위의 줄무늬(row noise)처럼 보이기도 한다.
• 느린 noise: 1/f noise는 시간적으로 서로 가까운 읽기에 비슷하게 들어간다. 빠르게 여러 번 읽어 평균해도 기대만큼 줄지 않는다. 여러 번 표본을 뜨는 기법(multiple sampling)이 1/f에서 효과가 줄어드는 이유다.
• 같은 이력을 가진 성분: 한 번의 reset에서 남은 전하는 그 뒤의 모든 읽기에 공통이다.

01한 문장으로

물탱크의 수위를 재는 가장 단순한 방법은 수면이 내려가는 속도가 일정할 때 몇 초 만에 목표 높이에 닿는지 세는 것이다. Single-slope ADC가 바로 그렇게 한다. 일정한 기울기로 내려가는 ramp 전압을 만들고, 카운터가 clock을 세다가, 비교기가 "ramp가 입력을 지났다"고 알려 주는 순간 센 숫자가 코드가 된다.

02구조

• Ramp 발생기: 모든 column이 공유하는 하나의 기울어진 전압.
• 비교기: column마다 하나씩. 입력과 ramp를 비교해 지나치는 순간 뒤집힌다.
• 카운터: 비교기가 뒤집히는 순간의 clock 수를 저장한다.

column마다 비교기와 카운터가 있으므로 한 행의 모든 픽셀을 동시에 변환한다. 하나의 ADC가 느려도 수천 개가 병렬로 일하는 셈이다.

03분해능과 시간

N bit 코드를 얻으려면 ramp가 전체 범위를 지나는 동안 $2^N$번 셀 수 있어야 한다.

100 MHz clock에서 10 bit는 10.24 µs, 12 bit는 41 µs다. bit 하나를 늘리면 변환 시간이 두 배가 된다. 06장의 정착 시간이 bit에 비례해 늘던 것과 대조된다. 그래서 고해상도·고속에서는 ramp를 두 단계로 나누거나 clock을 빠르게 하는 방법을 쓴다.

04Digital CDS

4T 픽셀의 reset 값과 signal 값을 각각 변환해 코드에서 뺀다. 아날로그에서 빼는 대신 숫자로 빼므로 digital CDS라고 한다. 두 변환에 똑같이 들어간 성분, 예를 들어 비교기의 offset이나 ramp 시작점의 차이도 함께 지워진다. reset 값은 범위가 좁으므로 짧은 ramp로 빨리 변환하고, signal 값은 전체 범위로 변환하는 경우가 많다.

05양자화: 계단의 오차

연속적인 전압을 LSB 단위의 계단으로 바꾸면 −½에서 +½ LSB 사이의 오차가 생긴다. 입력이 충분히 흔들리면 이 오차는 고르게 퍼진 무작위 값처럼 보이고, 그 RMS는 다음과 같다.

• read noise가 1 LSB보다 충분히 크면 양자화 noise는 RSS 합에서 거의 묻힌다.
• read noise가 LSB보다 훨씬 작으면, 같은 입력은 늘 같은 코드가 되어 오차가 무작위처럼 행동하지 않는다. 평균해도 줄지 않는 계단 오차가 남는다.

그래서 LSB를 입력 환산 read noise 근처나 그보다 조금 작게 잡는 경우가 많다. 전자 수로 말하면 "1 LSB가 전자 몇 개인가"를 CG로 환산해 비교한다.

01한 문장으로

지금까지 noise 원천을 하나씩 보았다. 설계에서 실제로 묻는 질문은 "전부 합치면 몇 전자이고, 그중 무엇이 가장 큰가"다. 이 질문에 답하는 표가 noise 예산(noise budget)이다.

02예산표 만드는 순서

• 기준점을 정한다. 보통 FD, 단위는 전자 수(e⁻ rms)다(10장).
• 각 원천을 그 기준점으로 옮긴다. 뒷단 원천은 앞단 이득으로 나누고(11장), 전압이면 같은 기준점의 CG로 나눈다.
• 처리 단계를 맞춘다. CDS 전 값과 후 값을 섞지 않는다. CDS로 지워지는 성분(reset noise 등)은 CDS 후 예산에 넣지 않는다(13장).
• 분산으로 더한다. 독립이면 RSS, 상관이 있으면 상관 항을 넣는다(14장).
• 몫을 본다. 분산에서 차지하는 비율이 큰 원천부터 줄인다.

03CG를 바꾸면

SF 채널 noise, column 회로, ADC처럼 FD 기준 전압으로 정해지는 원천은 CG가 커질수록 전자 수 몫이 준다. 같은 µV를 더 큰 CG로 나누기 때문이다. 반면 암전류 shot noise처럼 처음부터 전자 수로 정해지는 원천은 CG와 무관하다. 또 CG를 키우려고 FD를 줄이면 SF 소자 크기나 동작점이 함께 바뀌어 SF noise 자체가 달라질 수 있다. CG를 키우는 효과가 어디까지인지는 예산표에서 원천별로 봐야 한다.

04빛 자체의 흔들림: shot noise

빛의 광자는 무작위로 도착한다. 평균 $S$개의 전자가 모이면 그 흔들림은 $\sqrt{S}$다(shot noise, 포아송 분포). 이것은 회로가 아무리 좋아도 없앨 수 없다. read noise $\sigma_r$와 함께 보면 SNR은 이렇게 된다.

• 어두울 때($S \ll \sigma_r^2$): SNR ≈ $S/\sigma_r$. read noise가 지배한다.
• 밝을 때($S \gg \sigma_r^2$): SNR ≈ $\sqrt{S}$. shot noise가 지배한다.

두 영역의 경계는 $S = \sigma_r^2$이다. read noise가 2 e⁻이면 신호 4 e⁻ 근처에서 바뀐다. read noise를 줄이는 노력은 어두운 장면에서 효과가 크다.

05Dynamic range

가장 큰 신호(full well)와 가장 작은 구분 가능한 신호(read noise)의 비가 dynamic range다.

full well 10,000 e⁻에 read noise 2 e⁻이면 74 dB다. CG를 키우면 read noise(e⁻)는 줄지만 같은 전압 범위에 담을 수 있는 전자 수도 줄어, DR이 반드시 좋아지지는 않는다. 상황에 따라 CG를 바꾸는 구조가 쓰이는 이유다.

01한 문장으로

같은 회로도 여름 자동차 안과 겨울 야외에서 다르게 동작한다. 온도가 바꾸는 것은 크게 전자가 얼마나 잘 움직이는가(이동도)와 채널이 얼마나 쉽게 생기는가(문턱전압) 두 가지다.

02이동도와 문턱전압

• 이동도: 온도가 오르면 격자 진동이 커져 전자가 더 자주 부딪힌다. 강반전에서 대략 $T^{-1.5}$에 비례해 줄어든다.
• 문턱전압: 온도가 오르면 페르미 준위가 움직여 채널을 만들기 쉬워진다. 대략 −1 ~ −3 mV/K로 내려간다.

강반전 전류는 $k \propto \mu$와 $(V_{GS}-V_{th})^2$의 곱이므로, 두 효과가 반대로 작용한다. $V_{GS}$가 높으면 이동도 감소가 이겨 전류가 줄고, 낮으면 문턱 감소가 이겨 전류가 는다. 그 사이에 전류가 온도에 거의 무관한 ZTC(zero temperature coefficient) 점이 있다.

03약반전은 훨씬 민감하다

약반전 전류는 $\exp[(V_{GS}-V_{th})/(nV_T)]$에 비례하고, $V_T = kT/q$와 앞의 계수가 모두 온도에 따라 변한다. 문턱 아래의 누설 전류는 온도가 10 K 오를 때마다 수 배씩 늘어나는 경우가 많다. 꺼진 스위치의 누설, FD의 droop(09장), 암전류가 고온에서 크게 나빠지는 이유다.

04그 밖의 요소

01한 문장으로

PSD가 표로 주어지거나 닫힌형 적분이 없으면 컴퓨터로 면적을 더한다. 그때의 오차는 구간 안을 거칠게 나눠 생기는 오차와 구간 밖을 잘라 버려 생기는 오차 두 가지다. 둘을 따로 추정해야 "얼마나 정확한가"를 말할 수 있다.

02구간 안의 오차

구간을 n개로 나눠 사다리꼴로 더하면, 매끄러운 함수에서 오차는 대략 $1/n^2$로 준다. 구간을 두 배로 나누면 오차가 약 1/4이 된다. Simpson 공식은 $1/n^4$로 더 빨리 줄어든다. 더 나아가 오차가 큰 곳만 골라 촘촘히 나누는 적응형 구적법(예: Gauss–Kronrod)은 구간마다 오차 추정값까지 함께 준다.

03구간 밖의 오차

적분 상한 F에서 자르면 그 위의 꼬리를 놓친다. 1-pole PSD $S_0/(1+(f/f_c)^2)$에서 꼬리는 약 $S_0 f_c^2/F$다. 이렇게 PSD의 경향으로 꼬리의 상한을 구해 결과에 함께 적는다. 하한 쪽도 같다. 1/f noise처럼 하한에 민감한 성분은 하한을 어떻게 정했는지가 결과를 좌우한다(10·13장).

04로그 격자

noise 대역은 Hz에서 GHz까지 여러 자릿수에 걸친다. 일정한 간격으로 나누면 낮은 주파수 쪽이 너무 거칠어진다. 주파수의 로그를 균일하게 나누고, $df = f\,d(\ln f)$로 바꿔 적분하면 모든 자릿수를 고르게 다룰 수 있다. 이 교재의 noise 실험들은 이 방법(로그 격자 위의 Simpson)을 쓴다.

05특이한 점 다루기

• CDS의 0점: $4\sin^2(\pi f T)$는 $f = k/T$에서 0이 된다. 구간 경계를 이 점들에 맞추면 오차가 줄어든다.
• 봉우리: 공진이 있는 전달함수는 좁은 봉우리를 가진다. 봉우리 근처를 촘촘히 나눠야 한다.
• 표 자료: 측정 PSD는 점 사이를 어떻게 이을지(로그–로그 보간 등)를 정해야 하고, 그 선택도 결과의 일부다.

01한 문장으로

"이 계산은 정확한가?"라는 질문은 사실 세 가지다. 식을 제대로 계산했는가, 그 식이 더 자세한 모델과 맞는가, 그 모델이 실제 칩과 맞는가. 하나를 확인했다고 나머지가 확인된 것은 아니다.

02세 층

이 교재의 시험(tests)은 모두 1층이다. 예를 들어 "RC 노이즈를 적분하면 R과 무관하게 kT/C가 나온다", "triode 식과 포화 식이 경계에서 이어진다" 같은 것을 확인한다. 이것은 계산 코드가 식대로 동작한다는 뜻이지, 그 식이 실제 픽셀을 정확히 예측한다는 뜻이 아니다.

03좋은 비교의 조건

2층과 3층에서 비교할 때는 같은 것을 비교하고 있는지가 핵심이다.

• 같은 조건: bias, 온도, timing, 공정 corner가 같아야 한다.
• 같은 관측점: FD 전압인지 column 출력인지, CDS 전인지 후인지.
• 같은 정의: RMS인지 peak인지, 단측 PSD인지 양측인지, 어느 대역까지 적분했는지.
• 같은 범위: 근사가 성립한다고 가정한 영역(소신호, 포화 등) 안에서의 비교인지.

하나라도 다르면 일치하든 어긋나든 결론을 내리기 어렵다.

04자료가 있다는 것과 검증된 것은 다르다

layout에서 추출한 기생 용량(03장)이나 측정에서 얻은 계수를 입력으로 쓴다고 해서 결과가 검증된 것은 아니다. 그 자료는 3층 검증의 재료일 뿐이다. 자료의 출처, 조건, 적용 범위를 함께 기록하고, 결과를 같은 조건의 측정과 비교해야 검증이 된다.