With the development of semiconductor technology, film-based radiography has been replaced by digital radiography which is made by semiconductor sensor. Digital radiography provides not only easy storing, searching, and sharing the radiographic image but also image processing using computers. There are a lot of applications like a chest, an oral, CT, mammography X-ray radiographic, and industrial NDT in digital radiography.
Industrial NDT uses CCD, a-Si, and CMOS process in the digital radiography field. The image sensor using CMOS process in industrial NDT is mostly used as CMOS process has been developed. Industrial NDT needs a total inspection to test whether all products are wrong or not. The speed of total inspection is limited by not the speed of pixel operation but ADC conversion time with increase of the resolution of image. The commercial industrial NDT makes use of a Pipe-line ADC and SAR ADC mostly. These type of ADC are applied as chip-level ADC due to large layout area. But the design hardness is directly proportional to a square of increased pixel numbers as industrial NDT needs higher and higher resolution. In the other hand, integration ADC is applied for column-level ADC so that required conversion speed is directly proportional to increased pixel numbers. In this thesis, 2 times faster conversion speed than basic integration ADC is implemented by using complementary dual-slope signal. And the use of complementary dual-slope signal makes wide-input range of ADC possible so that we proposed high frame-rate and wide-input ADC.
We designed 12 bit resolution and 25 KS/s CDS-ADC and experimented a static and dynamic test to get specification of the designed CDS-ADC. We derived that maximum DNL was 0.43 LSB, INL was 0.78 LSB, ENOB was 9.18 bit, and FoM was 0.003 pJ/conversion. Lastly, We anticipate that CDS-ADC will be faster 4 times, 8 times even 16 times faster as it uses more complementary dual-slope signal and improvement of found problem.
반도체 기술의 발전에 따라 기존의 필름 방식 방사선 투과영상 방법이 반도체 센서를 이용한 디지털 방사선 투과영상으로 대체 되었다. 디지털 방사선 투과영상은 정보의 저장, 공유, 보관의 장점이 있으며, 영상 처리를 할 수 있는 가장 큰 장점이 있다. 디지털 방사선 투과영상 분야에는 가장 대표적으로 쓰이는 흉부를 비롯하여 CT, 구강, 유방, 산업용 비파괴 검사 X-ray 분야에 다양하게 쓰인다.
디지털 방사선 영상센서 중 산업용 비파괴 검사에 있어 센서는 CCD, a-Si, CMOS 공정을 이용한다. 이 중에서 CMOS 공정의 빠른 발전으로 산업용 비파괴 검사 센서에는 CMOS 공정을 이용한 영상센서가 각광받고 있다. 산업용 비파괴 검사는 제품의 파손없이 불량을 구별하는 검사로써 모든 제품을 검사하는 전수검사를 필요로 한다. 또한 CMOS로 영상 센서가 고해상도로 감에 따라 픽셀의 동작 속도가 아닌 ADC 변환 속도에 의해 전수 검사의 속도가 제한된다. 현재 주로 쓰이고 있는 ADC 종류로는 파이프라인 방식과 축차비교형 방식이 주로 쓰인다. 이 ADC 종류는 큰 설계 면적을 필요로 하여 전체 칩에 한 개가 들어가는 chip-level ADC로 쓰인다. 하지만 산업용 비파괴 검사의 센서가 점점 고해상도를 필요함에 따라 chip-level ADC의 경우 늘어나는 픽셀 한 변의 2승으로 빠른 변환 속도를 필요로 한다. 반면 설계 면적을 작은 적분형 ADC의 경우 column-level ADC 즉, column 별로 하나의 ADC가 사용될 수 있다. 이 경우 고해상도로 감에 따라 늘어나는 픽셀 수에 비례적으로 설계 요구사항 필요로 하여 설계가 쉬워진다. 이에 본 연구에서는 12 bit 적분형 ADC를 설계하여 column-level ADC로 구현하였으며, 적분형 ADC의 단점인 느린 변환 속도를 상보형 램프 신호를 이용하여 기존 방식보다 2배 빠른 변환 속도를 구현하였으며, 또한 넓은 입력 범위로 동작하는 ADC를 설계할 수 있었다.
설계된 12 bit 해상도, 25 KS/s CDS-ADC의 정적 테스트와 동적 테스트를 수행하였다. 이로써 정적 테스트 인자인 DNL은 최고 0.43 LSB, INL은 최고 0.71 LSB를 확인하였으며, 동적 테스트 결과로 ENOB 9.18 bit, FoM 0.0031pJ/conversion의 결과를 얻을 수 있었다. 본 결과를 바탕으로 발견된 문제들을 재설계 하며, 상보적 램프 신호의 수를 늘인다면 추후 4배, 8배, 16배 빠른 적분형 ADC를 설계할 수 있을 것으로 예상된다.
