包含交流耦合CTIA与数字CDS的CMOS图像传感器设计

设计了一种带隔直电容的交流耦合CTIA像元电路与数字相关双采样（DCDS）结构的CMOS图像传感器系统。在传统的CTIA像元电路中增加隔直电容,通过控制光电二极管的偏压,达到减小光电二极管暗电流的目的;同时采用片外数字CDS结构,通过在片外实现复位信号与像元积分信号的量化结果在数字域的减法,可以减小图像传感器像元的复位噪声和固定图案噪声（FPN）。基于0.35 m标准CMOS工艺对此CMOS图像传感器进行流片,像元阵列为256256,像元尺寸为16 m16 m。测试结果表明交流耦合CTIA像元电路可以将光电二极管的偏压控制在零偏点附近,此时其暗电流最小;采用了数字CDS结构后,图像传感器像元的时域噪声及固定图案噪声均有不同程度降低。     

长线列CMOS图像传感器的性能优化设计

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5×1 030,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。     

微光CMOS图像传感器读出电路研究

高性能的信号读出电路是微光CMOS图像传感器的重要组成部分,如何降低读出电路噪声,提高读出电路输出信号的信噪比成为读出电路设计的重点。本文设计了一种高增益低噪声的电容反馈跨阻放大器CTIA（Capacitive Trans impedanceAmplifier）与相关双采样电路CDS （Correlated Double Sampling）相结合的微光探测器读出电路。在CTIA电路中,采用T网络电容实现fF级的积分电容,并通过增益开关控制,来达到对微弱光信号的高增益低噪声读出。采用CSMC公司的0.5μm标准CMOS工艺库对电路进行流片,测试结果表明：在光电流信号为20~300 pA范围内,积分时间为20μs,该电路功能良好,信噪比（SNR）达到10,能应用于微光CMOS图像传感器。     

低照度CMOS图像传感器技术

与其他固体微光器件相比,低照度CMOS图像传感器具有成本、功耗及体积优势,是固体微光器件发展的重要方向。但目前低照度CMOS图像传感器的微光性能还不能满足夜视应用要求。本文介绍了低照度CMOS图像传感器及提高其灵敏度的几种技术途径,采用低照度技术后CMOS图像传感器性能已接近实用要求。随着CMOS工艺技术的不断发展及低照度CMOS图像传感器研究的不断深入,在不远的将来,低照度CMOS图像传感器将成为固体微光器件的重要一员。     

列级反馈降低复位噪声的CMOS图像传感器

提出了一种通过放大器和开关建立起反馈环路,基于列级反馈复位的低噪声CMOS图像传感器（CIS）。设计的CMOS图像传感器采用0.18μm CIS工艺进行了流片,测试结果表明,通过对噪声带宽与反馈放大器的带宽匹配,在复位脉冲下降沿时间为6µs的条件下,传感器的复位噪声减少25dB,满足低照度高速的安防监视系统的应用需求。     

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。     

红外焦平面读出电路片上驱动电路设计

线列红外焦平面读出电路在正常工作时需要提供多路数字脉冲和多路直流偏置电压。本文基于0.5 μm CMOS工艺设计了一款驱动电路芯片,为电容负反馈放大型（CTIA）读出电路（ROIC）提供驱动信号。电路芯片采用带隙基准电路产生低噪声低温漂的直流偏置电压,采用数字逻辑电路生成CLK1,CLK2,RESET等八路数字脉冲。仿真及测试结果表明：驱动电路芯片输出的数字脉冲及偏置电压符合设计值,可驱动CTIA型线列红外焦平面读出电路稳定工作。     

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。     

用于低照度环境的CMOS图像传感器

设计低照度成像系统的工程师们已认识图像传感器在获取高质量图像方面对系统总性能的重要性。在选择一种图像传感器方法时,新的传感器选择对象使得人们必须懂得折衷,现在,一系列互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器已向传统的电荷耦合器件（CCD）传感器提出挑战。为了给须在低照度条件下产生高质量图像的摄像机或者系统选择最好的传感器。系统的设计者对某些特性进行评估,这些特性不仅影响着图像的质量,同时也影响着系统的复杂和成本。决定优越性传器在低照度条件下获取图像的能力的主要属性包括暗电流、动态范围、噪声、占空因数、颜色灵敏度的不平衡、器件的集成、以及器件和有关系的成本。     

一种兼容测距成像的256×256图像传感器控制器

本文提出了一种兼容测距成像的图像传感器控制器,其测距原理基于采用连续波调制的飞行时间测距技术。控制器用于产生256×256高速CMOS图像传感器所需的可配置控制信号。图像传感器具有普通成像和测距成像两种工作模式,在两种工作模式下,通过配置参数产生的控制时序可以实现行滚动曝光与数字域的相关双采样。在逻辑电路级采用优化的设计方法,使得芯片面积和功耗得到优化。图像传感器控制器采用0.18 μm CMOS标准工艺制造,芯片面积为700×3380 μm2。在1.8 V供电电压和100 MHz工作频率下,由综合工具估算出的动态功耗为65 mW。测试结果验证了图像传感器控制器产生控制时序的功能。     

Wide dynamic range CMOS image sensor with in-pixel double-exposure and synthesis

A wide-dynamic-range CMOS image sensor (CIS) based on synthesis of a long-time and a short-time exposure signal in the floating diffusion (FD) of a five-transistor active pixel is proposed.With optimized pixel operation,the response curve is compressed and a wide dynamic range image is obtained.A prototype wide-dynamic-range CMOS image sensor was developed with a 0.18 μm CIS process.With the double exposure time 2.4 ms and 70 ns,the dynamic range of the proposed sensor is 80 dB with 30 frames per second (fps).The proposed CMOS image sensor meets the demands of applications in security surveillance systems.     

用于视觉假体的新型高动态范围图像传感器像素单元电路设计

针对于视觉假体的应用领域,本文提出了一种新型的高动态范围的CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)像素单元电路,该电路采用了列共用单元的条件溢出电容和多次积分技术,大大提高了图像传感器的动态范围,同时使其在低光照时保持较高的灵敏度和信噪比,采用了特许半导体公司的0.35μm CMOS工艺参数对该...     

A novel monolithic ultraviolet image sensor based on a standard CMOS process

We present a monolithic ultraviolet(UV) image sensor based on a standard CMOS process.A compact UV sensitive device structure is designed as a pixel for the image sensor.This UV image sensor consists of a CMOS pixel array,high-voltage switches,a readout circuit and a digital control circuit.A 16×16 image sensor prototype chip is implemented in a 0.18μm standard CMOS logic process.The pixel and image sensor were measured. Experimental results demonstrate that the image sensor has a high sensitivity of 0.072 V/(mJ/cm~2) and can capture a UV image.It is suitable for large-scale monolithic bio-medical and space applications.     

A sensitivity and linearity improvement of a 100-dB dynamic range CMOS image sensor using a lateral overflow integration capacitor

In a CMOS image sensor featuring a lateral overflow integration capacitor in a pixel, which integrates the overflowed charges from a fully depleted photodiode during the same exposure, the sensitivity in nonsaturated signal and the linearity in saturated overflow signal have been improved by introducing a new pixel circuit and its operation. The floating diffusion capacitance of the CMOS image sensor is as small as that of a four transistors type CMOS image sensor because the lateral overflow integration capacitor is located next to the reset switch. A 1/3-inch VGA format (640/sup H//spl times/480/sup V/ pixels), 7.5/spl times/7.5 /spl mu/m/sup 2/ pixel color CMOS image sensor fabricated through 0.35-/spl mu/m two-poly three-metal CMOS process results in a 100 dB dynamic range characteristic, with improved sensitivity and linearity.     

A single-chip CMOS APS camera with direct frame difference output

A complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) active pixel sensor (APS) camera chip with direct frame difference output is reported in this paper. The proposed APS cell circuit has in-pixel storage for previous frame image data so that the current frame image and the previous frame image can be read out simultaneously in differential mode. The signal swing of the pixel circuit is maximized for low supply voltage operation. The pixel circuit occupies 32.2×32.2 μm² of chip area with a fill factor of 33%. A 128×98 element prototype camera chip with an on-chip 8-bit analog-to-digital converter has been fabricated in a 0.5-μm double-poly double-metal CMOS process and successfully tested. The camera chip consumes 56 mW at 30 frames/s with 3.3 V power supply     

一种具有高填充因数和动态数字双采样技术的CMOS图像传感器

介绍了基于0.35μm工艺设计的单片CMOS图像传感器芯片.该芯片采用有源像素结构,像素单元填充因数可达到43%,高于通常APS结构像素单元30%的指标.此外还设计了一种数字动态双采样技术,相对于传统的双采样技术(固定模式噪声约为0.5%),数字动态双采样技术具有更简洁的电路结构和更好抑制FPN噪声的效果.传感器芯片通过MPW计划采用Chartered 0.35μm数模混合工艺实现.实验结果表明芯片工作良好,图像固定模式噪声约为0.17%.     

高动态范围多功能快照式红外读出电路设计

设计并验证了一款高动态范围、多种可选功能的32×32红外读出电路。电路在30μm×30μm像元面积内集成了CTIA积分器、采保电路、缓冲器、反饱和功能等,实现了快照式读出。通过积分电容可选,积分时间可从1μs调至33ms(以30Hz帧频计算)的工作方式,有效地扩大系统动态范围,使其具备高低背景工作能力。基于格雷码原理设计的控制电路,实现了动态窗口读出,图像翻转,1、2、4路输出等可选功能。所设计的读出电路采用华虹NEC0.35μmCMOS工艺成功流片,验证了设计的正确性。测试结果表明,电路采用4路输出时,帧频能达到16kFrames/sec,可应用于红外制导领域。     

Reset noise reduction through column-level feedback reset in CMOS image sensors

A low reset noise CMOS image sensor(CIS) based on column-level feedback reset is proposed.A feedback loop was formed through an amplifier and a switch.A prototype CMOS image sensor was developed with a 0.18μm CIS process.Through matching the noise bandwidth and the bandwidth of the amplifier,with the falling time period of the reset impulse 6μs,experimental results show the reset noise level can experience up to 25 dB reduction.The proposed CMOS image sensor meets the demand of applications in high speed security surveillance systems,especially in low illumination.