陆逸凡 1,2,3汪鸿祎 1,2,3陶文刚 1,2,3,4曹嘉晟 1,2,3[ ... ]李雪 1,2
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 上海科技大学,上海 200083
为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5 μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18 μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器（CTIA）输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。
小像元 红外焦平面阵列 读出电路 CTIA结构 暗电流 small pixel IRFPA ROIC CTIA structure dark current
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 南通智能感知研究院, 江苏 南通 226009
设计并验证了一款可选分辨率、高速1024线列CMOS图像传感器。为了优化列总线读出速率, 芯片采用总线分割技术以减小总线寄生电容, 有效提升了信号读出速率。传感器具有4种可选择分辨率功能, 使其具有更高的帧频。设计的芯片采用0.5μm标准CMOS工艺成功流片, 验证了设计的正确性。测试结果表明: 满阱容量为4.76Me-/像素, 动态范围为75dB; 在128分辨率下, 帧频能达到36000frames/s。
电容反馈跨阻放大器 高速 建立时间 CMOS图像传感器 CTIA high speed settling time CMOS image sensor
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
3 中国科学院大学, 北京 100049
设计了一款基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器。传感器基于一种新型的结构, 其可在时间域下探测高输入光强, 在模拟域下探测低输入光强。该设计在传统电容反馈式跨阻放大器(CTIA)的基础上, 新增了时间域测量电路, 在不改变原有积分过程的同时可实现连续的大动态范围。基于0.35μm, 5V-CMOS工艺进行了256×1线列CMOS图像传感器流片, 光电二极管面积为22.5μm×22.5μm, 并对器件的光电特性进行了后仿真验证。仿真测试结果表明, 基于时间域读出的图像传感器可实现96dB的大动态范围, 且时间域和模拟域的两路输出信号可同步输出, 功耗为7.98mW。
CMOS图像传感器 时间域 CTIA像素 动态范围 CMOS image sensor time domain CTIA dynamic range
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
4 上海科技大学，上海 201210
目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出，引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）结构，同时为保证弱信号时的注入效率，结合CTIA输入级，对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法，在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题，并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示，提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB，为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案，并为数字化读出电路设计奠定理论基础。
脉冲频率调制 CTIA输入级 大动态范围 铟镓砷 数字化读出 pulse frequency modulation CTIA input stage high dynamic range InGaAs digital readout circuit 张思韬 1,2,3,4汪鸿祎 1,2,3王绪泉 1,2,3黄松垒 1,2方家熊 1,2,*
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
针对短波红外焦平面的大动态范围需求, 设计了一种像素级脉冲频率调制(PFM)模数转换器(ADC)。传统PFM ADC采用DI输入级, 进行弱信号探测时, 注入效率会下降, 造成动态范围的损失。设计的PFM ADC采用CTIA输入级, 弱信号探测时仍能维持高注入效率; 同时采用两档增益和增益自选择技术, 使得每个像素都能够根据输入的光电流自动选择增益, 在提升动态范围的同时, 不增加额外的功耗。在0.18μm CMOS工艺模型下, 仿真结果表明该电路的动态范围达到100.1dB, 单元ADC功耗小于10.54μW, 并且基于所设计的改进型PFM ADC设计了规模为32×32、中心距为50μm的像素级数字化读出电路。
短波红外焦平面 大动态范围 脉冲频率调制 增益自选择 两档增益 short-wave IRFPA wide dynamic range PFM CTIA CTIA self-selected gain technology two levels of gain
中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
设计了一种基于电容反馈跨阻放大器(CTIA)的长线列CMOS图像传感器。为减小器件功耗和面积, 采用基于单端四管共源共栅运算放大器。为提高信号读出速率, 采用没有体效应的PMOS源跟随器, 同时减小PMOS管的宽长比, 有效减小了输出总线寄生电容的影响。在版图设计上, 采用顶层金属走线, 降低寄生电阻和电容, 提高了长线列CMOS图像传感器的读出速率和输出线性范围。采用0.35μm 3.3V标准CMOS工艺对传感器进行流片, 得到器件像元阵列为5×1030, 像元尺寸为20μm×20μm。测试结果表明: 该传感器在积分时间为1ms、读出速率为4MHz的情况下工作稳定, 其线性度达到98%, 线性动态范围为76dB。
CMOS图像传感器 电容反馈跨阻放大器 体效应 读出速率 寄生电容 CMOS image sensor CTIA body effect readout ratio parasitic capacitance
中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室， 上海 200083
设计了一款高帧频高灵敏度双通道16元线列PINCMOS图像传感器。相对于传统的pn结光电二极管，PIN光电二极管具有结电容小和量子效率高的优点，可以降低CTIA像素电路的噪声,提高信噪比；同时采用一种新型的相关双采样电路结构，可以在边积分边读出的模式下实现相关双采样，抑制像素复位带来的KTC噪声。基于0.35μm PINCMOS工艺进行了线列CMOS图像传感器流片，并对器件的光电性能进行了测试。测试结果表明：在像元尺寸为90μm×90μm，700nm波长下，器件灵敏度达3000V/(lx·s)，量子效率为96%；在40kHz高帧频、0.05lx光照条件下器件信噪比为7，适于弱信号下的高速探测。
CMOS图像传感器 CTIA像素电路 PIN光电二极管 相关双采样电路 CMOS image sensors CTIA pixel circuit PIN photodiode correlated double sampling
红外与激光工程
2020, 49(5): 20190491
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
1 昆明船舶设备研究试验中心, 云南 昆明 650051
2 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
设计了一种基于电容反馈跨阻放大器型(Capacitive Trans-impedance Amplifier, CTIA)像元电路与双Δ采样(Delta Double Sampling, DDS)的低照度CMOS图像传感器系统。采用CTIA像元电路提供稳定的光电二极管偏置电压以及高注入效率, 完成在低照度情况下对微弱信号的读取; 同时采用数字DDS结构, 通过在片外实现像元积分信号与复位信号的量化结果在数字域的减法, 达到抑制CMOS图像传感器中固定图案噪声的目的, 进一步提高低照度CIS的成像质量。基于0.35 μm标准CMOS工艺对此基于CTIA像元电路的CMOS图像传感器芯片进行流片, 像元阵列为256×256, 像元尺寸为16 μm×16 μm。测试结果表明该低照度CMOS图像传感器系统可探测到0.05 lx光照条件下的信号。
低照度 CMOS图像传感器 双Δ采样 CTIA像元电路 low-light-level CMOS image sensor Delta Double Sampling CTIA pixel circuit 红外与激光工程
2018, 47(7): 0720002
