1 西安电子科技大学 微电子学院， 西安 710000
2 重庆光电技术研究所， 重庆 400060
像素级模数转换器因其独特的集成位置而具有高帧频、大动态范围、低功耗及低噪声等优点，广泛应用于红外、可见光及太赫兹成像等领域。文章介绍了主流像素级模数转换器结构的原理，综述了像素级模数转换器在动态范围、功耗、面积及噪声等性能参数的研究进展，最后分别比较和总结了各改进方向的几种关键技术并做出展望。
读出电路 像素级模数转换器 数字像素传感器 动态范围 功耗 readout circuit pixel-level analog-to-digital converter digital pixel sensor dynamic range power consumption
为了提高CMOS图像传感器的动态范围并应用于昼夜兼容成像, 提出了一种新的动态范围拓展方法。该方法在像素中设置多个复位屏障, 以延长曝光过程中光电二极管的饱和时间, 同时通过在不同成像环境中切换像素积分电容大小, 提高微光成像时的响应灵敏度和强光成像时的满阱容量, 从而实现昼夜兼容高动态成像。经MATLAB仿真证明, 该方法可将传统CMOS图像传感器的动态范围从61dB拓展到102dB。
动态范围 昼夜兼容 CMOS图像传感器 dynamic range day night compatible CMOS image sensor
介绍了一种单片集成式光-频率转换芯片，给出了流片芯片的测试结果。芯片内部光电二极管产生随光强变化的光生电流，积分电容将其转换为电压信号，当电压达到比较器阈值时，比较器翻转，振荡电路振荡，光强被转变为频率信号。采用0.6μm 2P3M工艺进行了流片，实现了芯片在三端封装条件下的正常工作，芯片尺寸为1.8mm×1.7mm，光敏区面积为850μm×850μm，非线性小于1%，暗电流小于1Hz，输出信号占空比为50%，芯片最高输出频率为1MHz。
光频转换 光电二极管 比较器 振荡器 light-to-frequency photodiode CTIA CTIA comparator oscillator
为满足CMOS图像传感器(CIS)图像数据高速输出的需求, 提出一种适用于CIS的片上高速低电压差分信号（LVDS）驱动电路结构。首先介绍了CIS高速数据传输接口的常见类型、LVDS接口技术的起源和特点; 接着根据CIS的需求特点确定了LVDS驱动电路的设计思路和结构; 最后给出了驱动电路设计原理图和仿真结果, 以及接收端眼图仿真结果。仿真结果表明,该LVDS驱动电路, 数据传输速率可以达到500Mb/s, 所有参数均满足TIA/EIA644A接口标准的需求, 接收端眼高为310mV, 眼宽为0.9UI。
CMOS图像传感器 LVDS驱动电路 TIA/EIA644A接口标准 眼图 CMOS image sensor LVDS driver circuit TIA/EIA644A standard eye diagram
随着CMOS图像传感器(CIS)向片上系统化、高度集成化方向发展, 片内锁相环(PLL)成为系统不可或缺的片上时钟模块, 而高速高集成的CIS对PLL的高频时钟输出能力提出了新的挑战。介绍了一种基于0.13μm CIS工艺设计的电荷泵PLL模块, 该模块工作于1.5V电压, 利于控制功耗; 具备压控振荡器(VCO)电流自偏置和自校准技术, 可提供最高频率为480MHz的输出信号和更好的噪声性能; 多种输入输出倍频可选功能使其能够满足多样化的片上时钟生成需求, 提高可复用性。仿真结果表明, 当实现12倍频且输出频率为480MHz时, 该PLL模块输出信号的均方根周期抖动为837fs, 功耗为2.817mW, 满足高速CIS对时钟速度的需求, 同时保证了输出时钟的低噪声和模块本身的低功耗。
高速CMOS图像传感器 锁相环 压控振荡器自偏置 压控振荡器自校准 high-speed CMOS image sensor phase-locked loop VCO self-biasing VCO self-calibration
随着CMOS图像传感器(CIS)的广泛应用, 低功耗、高集成化、高稳定性成为其发展趋势, 低压差线性稳压器(LDO)因体积小、功耗低、噪声低及电源抑制比高等优点而满足芯片供电需求。为了避免传统电源在芯片异常时仍持续工作致使功耗增加或芯片烧毁, 设计了一种可应用于CMOS图像传感器的LDO电路, 并加入了LDO的保护电路结构。该保护电路具有欠压保护与过流保护的功能, 并能够通过数字电路对LDO进行使能控制。基于0.11μm CMOS工艺平台对LDO及其保护电路进行仿真与分析, 完成了该工艺下电路版图的绘制和验证。
保护电路 欠压保护 过流保护 CIS CIS LDO LDO protection circuit undervoltage protection over current protection
从方法优化和电路设计入手，提出了基于片上系统（SOC）的复位方法和时钟复位电路。设计了片外按键复位电路、片内上电电路、晶振控制电路、片内RC低频时钟电路、槽脉冲产生电路、分频延时电路、时钟切换电路及异步复位同步释放电路等电路模块。以上电路模块构成了片上系统的时钟复位电路，形成了特定的电路时钟复位系统。该时钟复位系统将片外按键复位与片内上电复位结合起来，形成多重复位设计，相比单纯按键复位更智能，相比单纯上电复位则更可靠。另外，该时钟复位系统还采用了片内RC振荡时钟电路等一系列电路，借助片内RC时钟实现对芯片的延时复位，进而在保证复位期间寄存器得到正确初始化的同时，还使得芯片能够始终处在稳定的晶振时钟下正常工作。相比传统的时钟复位电路，该时钟复位系统既便捷，又保证了系统初始化和系统工作的可靠性。
片上系统 时钟设计 复位设计 延时复位 system on chip clock design reset design timedelay reset
针对传统自动曝光算法难以兼顾实时性和平滑性的缺点，设计了一种结合直接计算法和可变步长调节法的综合性算法，研究了算法原理，给出了算法流程。该算法可以通过改变步长参数，自由设定将图像亮度调节到目标亮度的时间，使其能够适用于各种不同的应用场合。在基于FPGA的CMOS图像采集平台上完成了算法实现，实验结果证明采用该算法可以使图像亮度快速平稳地接近理想亮度，成像效果很好。
自动曝光 CMOS图像传感器 安防监控 auto exposure CMOS image sensor security monitoring
从结构设计和方法优化入手, 提出了基于双SRAM缓存结构并采用乒乓读写原理的CMOS图像传感器逐行转隔行数据缓存方法。该方法采用两组SRAM作为缓存, 并利用乒乓读写原理, 抽取逐行数据中奇数帧周期的奇数行作为隔行数据的奇数场, 抽取逐行数据中偶数帧周期的偶数行作为隔行数据的偶数场, 最终实现CMOS图像传感器逐行数据到奇偶隔行数据的转换。相比传统的采用片外帧存储处理方式, 极大地减小了存储面积, 便于实现与CMOS图像传感器的单芯片集成, 降低了成本, 同时也极大地降低了电路工作时的存储读写功耗。
逐行转隔行 SRAM缓存 乒乓读写 CMOS图像传感器 progressive to interlace SRAM cache ping-pong read-write CMOS image sensors
全局快门CMOS图像传感器广泛应用于高速运动物体的成像, 包括机器视觉、工业测量、航空航天, 以及**应用等领域。介绍了全局快门CMOS图像传感器的主要类型, 具体分析了灵敏度、寄生光灵敏度、读出噪声、动态范围和帧频等性能参数的研究进展。最后对国内外有代表性的全局快门CMOS图像传感器产品进行了介绍。
CMOS图像传感器 全局快门 寄生光灵敏度 动态范围 CMOS image sensor global shutter parasitic light sensitivity dynamic range
