用于CMOS圖像傳感器的像素級模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究.pdf

1、近十幾年,CMOS集成技術(shù)的提高使得CMOS圖像傳感器成為視頻領(lǐng)域的主要產(chǎn)品.目前數(shù)字圖像傳感器成為發(fā)展的主要方向,它的核心發(fā)明是在圖像傳感器的每一個(gè)像素點(diǎn)上包含了一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),這些ADC在捕獲的瞬間立即將每個(gè)像素點(diǎn)上的光信號轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字值,從而可將陣上的信號退化和串?dāng)_降到最小,可使圖像傳感器得到更高的圖像質(zhì)量和更大的降低系統(tǒng)成本和功耗.本文所設(shè)計(jì)的像素級ADC正是開發(fā)一種數(shù)字化的像素,它是國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目"基于深亞

2、微米工藝大動(dòng)態(tài)范圍、千萬像素CMOS圖像傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究"的重點(diǎn)工作.具體的研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下: (1) 采用了一種簡單結(jié)構(gòu)的多通道位串行(MCBS)ADC.傳統(tǒng)的字節(jié)并行ADC每個(gè)像素需要m-bit鎖存器,會(huì)占用很大面積.而本設(shè)計(jì)采用每四個(gè)像素共用一個(gè)比較器/鎖存器對,所有像素共用一個(gè)斜坡發(fā)生器和數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn),從而滿足圖像傳感器填充因子指標(biāo)的要求. (2) ADC采用Nyquist速率轉(zhuǎn)換代替過采樣,所有像素并行

3、工作,轉(zhuǎn)換一次所有像素模塊同時(shí)輸出一個(gè)字節(jié),比較器/鎖存器對只需工作在非常低的速度下,以簡單的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn). (3) ADC通過直接積分實(shí)現(xiàn)來代替連續(xù)采樣,使圖像傳感器的弱光表現(xiàn)達(dá)到模擬CMOS傳感器的水平,每次轉(zhuǎn)換后復(fù)位光電二極管,滯后現(xiàn)象被消除. (4) 設(shè)計(jì)了高增益、低功耗的比較器,以工作在亞閾值區(qū)、共源共柵輸出的兩級放大器來實(shí)現(xiàn),從而滿足了像素級ADC的高精度、低功耗的要求. (5) 以簡單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的

4、斜坡發(fā)生器,且步長可調(diào),從而使ADC可方便的執(zhí)行可變步驟尺寸的量化. 基于Chart 0.35微米雙柵4層金屬N阱CMOS工藝,最終設(shè)計(jì)結(jié)果為:ADC的分辨率為8位,轉(zhuǎn)換時(shí)間約2.08ms,采樣頻率3.84kS/s,信噪比約50dB；每四個(gè)像素共用一個(gè)ADC,平均每個(gè)像素有包含4.5個(gè)晶體管(四個(gè)像素共18個(gè)晶體管),一個(gè)像素面積約為121.48 um<'2>；填充因子達(dá)25.36﹪:在3.3V電源下,一個(gè)像素子模塊(4個(gè)像素連