基于CMOS图像传感器的微光成像系统信噪比研究

信噪比是微光成像系统的关键参数,决定了成像系统的性能与成像质量。给出了互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器微光成像系统的信噪比模型,仿真计算了系统的信噪比与信号、噪声的关系。搭建了信噪比测试环境,完成了系统信噪比测试实验。实验结果表明,理论值与实测值一致。最后,根据信噪比分析结果对给定系统进行了参数优化。计算结果显示,优化后的系统在1 mLux照度下,信噪比能达到4.5。信噪比的研究为基于CMOS微光成像系统的总体设计与优化提供了理论依据。     

高帧频高灵敏度线列PIN-CMOS图像传感器研究

设计了一款高帧频高灵敏度双通道16元线列PIN-CMOS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 PIN-CMOS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。     

低照度CMOS图像传感器设计与实现

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 m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256256,像元尺寸为16 m16 m。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。     

一种应用于CMOS图像传感器数字双采样ADC的PGA电路

提出了一种应用于CMOS图像传感器数字双采样模数转换器(ADC)的可编程增益放大器(PGA)电路。通过增加失调采样电容,采集PGA运放和电容失配引入的失调电压,在PGA复位阶段和放大阶段进行相关双采样和放大处理,通过数字双采样ADC将两个阶段存储电压量化,并在数字域做差,降低了PGA电路引入的固定模式噪声。采用0.18μm CMOS图像传感器专用工艺进行仿真,结果表明:在输入失调电压-30~30mV变化区间,提出的PGA的输出失调电压可以降低到1mV以下,相比传统PGA输出失调电压随输入失调电压单倍线性关系而言大大降低了列固定模式噪声。     

CMOS读出电路中的噪声及抑制

CMOS读出电路中的噪声严重地制约了读出电路的动态范围,进而影响到焦平面阵列甚至成像系统的性能.文章对读出电路中KTC噪声、1/f噪声以及固定图形噪声的成因及抑制技术进行了分析和讨论,并给出了仿真结果.     

基于CTIA的红外读出电路相关双采样实现方法

读出电路作为红外探测器组件的关键组成部分,其噪声特性对信号读出以及整个成像系统的性能影响重大。噪声在信号传递的过程中是不可避免的,但可以通过降噪技术以及合理的设计来优化噪声性能。本文从分析红外探测器读出电路噪声入手,基于CTIA输入级仿真对比了两种相关双采样技术:像素级相关双采样和列级相关双采样。旨在根据不同的红外探测器的需求特点,选择更适合的相关双采样技术,以降低读出电路的开关复位噪声、MOS管噪声、FPN噪声,同时兼顾动态范围、线性度和功耗等要求。     

面向超大面阵CMOS图像传感器的列总线自加速建立方法研究

在超大面阵CMOS图像传感器（COMS Image Sensor,CIS）中,由于像素面阵输出的列总线上存在超大的寄生电阻电容,列总线信号建立速度的主导因素发生改变,严重影响了读出速度.为了解决这一问题,本文提出了一种可应用于超大面阵CIS列并行读出机制的列总线自加速建立方法,基于电流增益增强理论,在不引入额外总线的前提下,通过对模拟信号建立过程的实时跟踪,加快列总线信号的变化过程,在列总线终端实现了自加速,将超长列总线的读出速度提升了一个数量级. 55 nm工艺下的测试与实验结果显示,采用本文提出的方法后,在亿级像素规模CIS列总线引入的寄生电容与寄生电阻分别为47 pF和20 kΩ的情况下,光电信号从像素节点到列级电路采样节点的上升建立时间由4μs缩短至790 ns,下降建立时间由22.43μs缩短至1.17μs,将亿级像素规模的CMOS图像传感器帧频提升至100帧,压缩了相关双采样的取样间隔时间,从而拓宽了噪声抑制的频率范围.本文方法实现了在保持低噪声和高速读出的同时,单列功耗仅有6.6μW.     

CMOS图像传感器的设计考虑

由于CMOS图像传感器的应用,新一代图像系统的开发研制已经得到了极大的加快。这些芯片采用与调制解调器、传真机、便携式移动电话以及微处理器相同的设备制造,并且随着经济规模的形成,其生产成本也得到了降低。现在,CMOS图像传感器的画面质量已能够与CCD图像传感器相媲美了,这主要归功于图像传感器芯片设计的改进,以及亚微米级设计水平增加了像素内部新的功能。实际上CCMOS图像传感器更确切地说应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含有：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路复用传送到一个单一的输出,…     

基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器

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。     

A time-to-first spike CMOS image sensor with coarse temporal sampling

Conventional voltage-based CMOS image sensors inherently have a dynamic range of about 60 dB. To extend the dynamic range, a two-degree of freedom time-based CMOS image sensor is proposed. Instead of reading analog voltages off chip, a time representation is used to record when the photodetector voltage passes a timing-varying threshold. The time measurements are combined with the reference voltage waveform to reconstruct the image. Experimental results on a prototype 32 × 32 pixel array CMOS image sensor verify that the two-degree of freedom sampling technique is feasible for ultra-wide dynamic range imaging. A measured 115 dB dynamic range at 30 fps is obtained. Qiang Luo received the B.S. (with honor) and M.S. degrees in electrical engineering from Fudan University, Shanghai, China, in 1995 and 1998, respectively, and the Ph.D. degree in electrical engineering from University of Florida, Gainesville, FL, in 2002. In 2001, he was with Texas Instruments Inc., Dallas, TX, where he was an intern engineer working on ultra-wide dynamic range CMOS image sensors. From 2002 to 2004, he was with National Semiconductor Corporation, Santa Clara, CA, where he was a staff circuit design engineer and worked on the design of high performance CMOS image sensors. He is currently with the Marvell Semiconductor Inc, Sunnyvale, CA, where he is working on the development of advanced DVD servo IC. His research interests include high-speed mixed-signal IC design, CMOS image sensors, DVD servo IC and device physics. Dr. John G. Harris received his BS and MS degrees in Electrical Engineering from MIT in 1983 and 1986. He earned his PhD from Caltech in the interdisciplinary Computation and Neural Systems program in 1991. After a two-year postdoc at the MIT AI lab, Dr Harris joined the Electrical and Computer Engineering Department at the University of Florida (UF). He is currently an associate professor and leads the Hybrid Signal Processing Group in researching biologically-inspired circuits, architectures and algorithms for signal processing. Dr. Harris has published over 100 research papers and patents in this area. He co-directs the Computational NeuroEngineering Lab and has a joint appointment in the Biomedical Engineering Department at UF. Zhiliang J. Chen received Ph.D. degree in electrical engineering from University of Florida in 1994. From 1994 to 2004, he was with Texas Instruments where he worked as Senior Member of Technical Staff and Design Branch Manager. In 2002 he was expatriated to COMMIT, a Texas Instruments JV company in China, as director of RF & Analog Base Band department. In 2004, he left Texas Instrument and found On-Bright (Shanghai) Corporation where he serves as president of the company. Dr. Chen currently held 22 US patents and has published morn than 10 journal papers. He was a recipient of the Best Paper Award from the 1997 ESD/EOS symposium.     

近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计

简单介绍了一种典型的CMOS图像传感器G9203-256D,主要用于近红外光谱仪的设计.介绍了此传感器的的驱动电路的设计过程,具体介绍了驱动电路中驱动电压和驱动时序的设计过程.驱动时序基于CPLD器件设计,采用VHDL语言编写程序简化了硬件逻辑设计过程,电路简洁,控制可靠.     

CMOS图像传感器及其研究

介绍了CMOS图像传感器的工作原理,比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点,指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径,综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势.     

混合域实现图像块矩阵变换的CIS像素读出噪声分析

为了研究双存储像素的读出噪声对混合域实现图像块矩阵变换的CMOS图像传感器(CIS)产生的误差影响,对其进行噪声分析。结合双存储像素的工作时序,对实现图像块矩阵变换过程中由于多次采样和双路存储而增加的kTC噪声、源跟随器的1/f噪声和热噪声进行分析并建立数学模型,总结出双存储像素读出噪声对一次块矩阵变换的误差影响。以二维离散余弦变换为例,通过CHRT 0.35 m标准CMOS工艺电路仿真并结合matlab/simulink对比验证,得出增大存储电容、减小源跟随器宽长比可以降低由于像素读出噪声引起的误差。结果证明,此方法可以有效降低噪声,指导电路设计。     

CMOS图像传感器的图像采集系统的研究与实现

研究一种基于USB2D的CMOS图像传感器的图像采集系统的实现方案.以xilinx公司的FPGA芯片为核心控制芯片,Cypress公司的CY7C68013为USBZ0接口芯片.主要介绍了CMOS图像传感器外围电路设计、FPGA芯片与CMOS图像传感器接口电路设计、FPGA芯片与USB模块的接口电路设计.所设计的采集系统功耗低、成本低、可扩展性强.     

基于自偏置电流镜的CMOS红外焦平面读出电路

针对高精度红外焦平面阵列应用设计了一种具有高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、小面积和低功耗的自偏置电流镜注入CMOS读出电路.所设计的电路结构包括一种由自偏置的宽摆幅PMOS共源共栅电流镜和NMOS电流镜构成的反馈结构读出单元电路和相关双采样电路.对所设计电路采用Chartered 0.35 μm CMOS工艺进行了流片.测试结果显示:电路线性度达到了99%,探测器两端偏压小于1mV.电路输入阻抗近似为0,单元电路面积为10μm×15μm,功耗小于0.4μW.电量存储能力3108电子.测试结果表明:电路功能和性能都达到了设计要求.     

一种高性能X射线CMOS图像传感器的研究

研制了一种采用电流镜积分读出电路和相关双采样电路的X射线CMOS图像传感器(NEW-X-IS),传感器像元由采用CMOS工艺的光电二极管实现,光电二极管产生的光电流通过电流镜放大后在像元外的电容上积分,经相关双采样电路抑制噪声后,由CMOS移位寄存器和多路开关电路输出视频信号.对采用2 μm CMOS工艺研制的64位实验线阵进行参数测试,结果表明NEW-X-IS具有较小的非均匀性、较低的暗噪声、较大的单位面积响应度、较高的输出电压和较宽的动态范围.将其应用于一个实验系统中,得到了不同密度、不同尺寸材料的视频信号波形.