超高速數(shù)字CMOS圖像傳感器關鍵技術研究.pdf

1、隨著半導體制造技術，以及電路技術的迅速發(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)點廣泛應用于消費類數(shù)碼產(chǎn)品、醫(yī)學、工業(yè)監(jiān)控等諸多領域，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)。針對具體的高速應用領域，設計實現(xiàn)了兩種不同結構的數(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)的結構和

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)轉換器和讀出電路的結構和電路設計。在0.35μ m工藝下成功的對關鍵模塊和集成了單斜模數(shù)轉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，關鍵模塊測試數(shù)據(jù)符合設計要求，驗證了電路設計的正確性。 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。該技術利用開關電容放大器電荷轉移和循環(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，在不增加硬件復雜度的基礎上，結合電容拆分技術，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反向存儲技術。該技術通過在采樣過程中交叉跨接反饋電容，使得失調電壓在轉換過程中不累加到輸出結果中，并結合雙采樣技術，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。③提出了一種適用于五管有源像素的復位技術。該技術采用硬復位和軟復位結合的方式，利