基于高动态像素及高速低功耗ADC的CMOS图像传感器研究

发布时间：2020-08-13 16:10

【摘要】：本论文的主要内容是基于新提出的高填充因子的双增益像素及低功耗斜坡模数转换器(Ramp ADC),研究设计了一块高动态范围(HDR)、低功耗的CMOS图像传感器芯片。并在此基础上,通过对Ramp ADC的计数逻辑部分的简单修改,提出了一种简单有效的双时钟沿计数方法,提高了ADC的转换速度。通过高速大分辨率全局快门传感器的设计与测试进行了验证。本论文首先提出了一种高填充因子的高动态范围像素结构,这种像素的实现不需要生产工艺的调整,可以采用标准的CMOS图像传感器工艺。该像素基于外溢漏极(overflow)双增益高动态范围像素,通过减少像素中元器件的数量实现高填充因子以及灵敏度,能够更广泛的应用于低光照、高动态范围的图像传感器中。本论文也提出了一种低功耗的Ramp ADC结构。传统的Ramp ADC采用一路计数时钟对转换后的时间进行计数,其计数次数随着输入信号改变,功耗较大。本论文提出的双时钟计数方式,采用高低频率不同的两路时钟对时间进行计数,大大降低了一次模数转换的总计数次数,从而降低了计数器及传感器的功耗。基于提出的高动态像素及低功耗模数转换器,设计了一块高动态范围、低功耗图像传感器。除了本论文提出的像素和ADC模块,该图像传感器片上集成时序生成,高速数据传输等多个模块,降低了使用的复杂度。通过对图像传感器的测试,验证了所提出的像素和ADC结构的有效性和优越性。为克服Ramp ADC转换速度相对较慢的问题,本论文提出一种双沿计数方法,通过对ADC计数逻辑单元的简单修改,对高速计数时钟的上升沿和下降沿同时计数,降低模数转换的时间至原计数方式的一半。这种方式不需要像其他的双沿计数方式一样成倍的增加模数转换器的面积及功耗,适用于低功耗、低成本的应用。通过一块基于电荷域全局快门像素的高速图像传感器的设计与测试,验证了双沿Ramp ADC结构的功能。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN792

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本文编号：2792224