超高速數(shù)字CMOS圖像傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)，以及電路技術(shù)的迅速發(fā)展，CMOS圖像傳感器（CIS）在暗電流、噪聲、填充因子和動態(tài)范圍方面的不足被大大改進，并以其低成本、低功耗、易集成和讀取靈活等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于消費類數(shù)碼產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)、工業(yè)監(jiān)控等諸多領(lǐng)域，逐步取代CCD圖像傳感器的主流地位。隨著像素陣列增大，圖像傳感器分辨率增加，“高速”成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的新趨勢。 本研究針對CMOS圖像傳感器對大數(shù)據(jù)吞吐量和高圖像質(zhì)量的要求，分析和比較了三種不同類型

2、的數(shù)字CMOS圖像傳感器，最終選擇半并行工作、處理速度較高、圖像質(zhì)量較好、并特別適合于像素陣列擴展的列并行處理系統(tǒng)。針對具體的高速應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計實現(xiàn)了兩種不同結(jié)構(gòu)的數(shù)字CIS高速列并行處理系統(tǒng)，對于VGA級別，可實現(xiàn)30～1400幀/秒不等的高幀頻。一種為集成了單斜模數(shù)轉(zhuǎn)換器的較高速低功耗列并行處理系統(tǒng)；另一種為集成了RSD循環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低電壓差分輸出（LVDS）和鎖相環(huán)（PLL）的高速列并行處理系統(tǒng)。詳細闡述了兩種列并行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和

3、工作原理，以及系統(tǒng)中的功能模塊，包括像素、采樣保持放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和讀出電路的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計。在0.35μ m工藝下成功的對關(guān)鍵模塊和集成了單斜模數(shù)轉(zhuǎn)換器的較高速列并行圖像傳感器樣片進行了流片，圖像傳感器樣片能夠得到清晰的動態(tài)圖像，關(guān)鍵模塊測試數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求，驗證了電路設(shè)計的正確性。 本文的創(chuàng)新性工作主要包括：①提出了一種適用于循環(huán)ADC的采樣電容負載電容交換技術(shù)。該技術(shù)利用開關(guān)電容放大器電荷轉(zhuǎn)移和循環(huán)ADC循環(huán)操作的工作特

4、點，每個周期交換采樣電容和負載電容，使采樣和放大工作同步進行，在不增加硬件復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，結(jié)合電容拆分技術(shù)，將CIS幀頻提高到原來的三倍。②提出了一種用于消除CIS列固定模式噪聲的失調(diào)反向存儲技術(shù)。該技術(shù)通過在采樣過程中交叉跨接反饋電容，使得失調(diào)電壓在轉(zhuǎn)換過程中不累加到輸出結(jié)果中，并結(jié)合雙采樣技術(shù)，將由像素和處理電路引入的列固定模式噪聲降低到誤差容限范圍內(nèi)。③提出了一種適用于五管有源像素的復(fù)位技術(shù)。該技術(shù)采用硬復(fù)位和軟復(fù)位結(jié)合的方式，利