光流體顯微鏡中CMOS圖像傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光流體顯微鏡的出現(xiàn)使細(xì)胞檢測低成本、便攜化成為了可能。然而目前光流體顯微鏡的研究還處于起步階段，研究方向主要集中在微流體通道制備和細(xì)胞圖像處理兩方面。作為光流體顯微鏡的重要成像部件，CMOS圖像傳感器的各種性能也直接影響著光流體顯微鏡的進(jìn)一步研究。現(xiàn)階段，光流體顯微鏡的“雛形”平臺多數(shù)采用具有高性能的商用CMOS圖像傳感器。但商用CMOS圖像傳感器并不完全適合對小尺寸、大陣列、高幀頻、低功耗、低噪聲以及高集成度有較高要求的光流體顯微鏡。

2、因此，研究應(yīng)用于光流體顯微鏡的CMOS圖像傳感器關(guān)鍵技術(shù)對于處于起步階段的光流體顯微鏡具有非常重要的意義。
　　本論文對應(yīng)用于光流體顯微鏡的CMOS圖像傳感器，從結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了新的研究。具體研究的電路模塊包括相關(guān)雙采樣電路、高速列并行兩步式模數(shù)轉(zhuǎn)換器、斜坡發(fā)生器、帶隙基準(zhǔn)以及低壓降線性調(diào)節(jié)器。針對目前存在的相關(guān)技術(shù)難點提出了解決方法和優(yōu)化方法，最終通過芯片測試和系統(tǒng)實驗進(jìn)行了驗證。論文的主要內(nèi)容如下：
　　a.提出了一種兩

3、步式連續(xù)時間混合型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過高低位分別量化的方式提高ADC的轉(zhuǎn)換速度。利用簡單的數(shù)字反饋電路和較少的列電路布線資源，一方面完成了高位到低位的連續(xù)轉(zhuǎn)換，另一方面降低了斜坡發(fā)生器的電路面積和功耗。除此之外，本論文設(shè)計了一種針對該結(jié)構(gòu)的數(shù)字校準(zhǔn)算法以改善高位轉(zhuǎn)換錯誤對低位精度的影啊。最后，設(shè)計并驗證了該結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性。測試結(jié)果表明，對比傳統(tǒng)的單斜率ADC，本文設(shè)計的兩步式連續(xù)時間混合型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間由22μs變?yōu)?.5μs，速度約提高

4、了5倍。經(jīng)過數(shù)字校準(zhǔn)后，ADC的靜態(tài)特性和動態(tài)特性得到了很大改善，沒有失碼現(xiàn)象，有效位達(dá)到9位以上，滿足CMOS圖像傳感器幀頻和精度的需求。
　　b.對列并行CMOS圖像傳感器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器列電路的各個模塊進(jìn)行低噪聲、低功耗進(jìn)行研究，具體包括低功耗讀出電路、具有失調(diào)消除技術(shù)的低噪聲相關(guān)雙采樣電路、改進(jìn)型高階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路，動態(tài)頻率補(bǔ)償?shù)蛪航稻€性調(diào)節(jié)器。提出了對于離散時間積分型斜坡發(fā)生器的優(yōu)化方法。通過調(diào)整減小電壓和采樣電容，提高了

5、斜坡發(fā)生器的線性度。此外，還提出了寬工作電壓范圍高階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路。通過引入運(yùn)放阻斷補(bǔ)償電流和調(diào)節(jié)電流大小的方法，減小了溫度系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于兩步式連續(xù)時間混合型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CMOS圖像傳感器系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，整體設(shè)計滿足低功耗和低噪聲CMOS圖像傳感器需求。
　　c.針對光流體顯微鏡無透鏡成像的特點，提出了一種局部對比度增強(qiáng)算法，并應(yīng)用于非線性CMOS圖像傳感器系統(tǒng)。利用可配置多頻率計數(shù)器動態(tài)調(diào)節(jié)不同光強(qiáng)區(qū)間的計數(shù)