基于CCPT的宽动态范围图像传感器的研究

发布时间：2020-10-09 00:10

　　图像传感器作为现代视觉信息的重要获取途径,经历了从化学银盐胶片到今天的数字成像,可以实现信息的获取、存储、转换和视觉感知功能的扩展,能够给出直观、真实、层次多以及内容丰富的可视图像信息。CMOS图像传感器凭借高性能、低功耗、低成本、集成度高等明显的优势基本占据了整个同类产品的市场。对于一般的CMOS图像传感器,因其像素电路中感光元件的最大势阱容量的限制,只有70dB~80dB的动态范围,远低于自然场景中180dB的动态范围,因此,动态范围过于狭窄是限制图像传感器发展的重要因素。本文针对图像传感器的动态范围做了如下研究:首先,本文对CMOS图像传感器进行了基础的研究,简要介绍了图像传感器的几种主要的性能参数指标,阐述了各参数对图像传感器成像质量的影响,并分析了各性能参数之间相互促进或相互制约的关系。介绍了影响图像传感器性能的几种主要噪声源,包括固定模式噪声和时域噪声,详细分析了各种噪声的产生原因和抑制及消除方法。对图像传感器的动态范围现状进行了分析,介绍了几种扩展动态范围的方法,主要包括:阱容量扩展、多次曝光、多探测器技术、对数响应及混合响应技术等,为了提高动态范围,设计者通常会大幅度的修改像素架构,添加许多额外的辅助电路,这势必会占用一定的芯片面积,增加电路的噪声,且或许会有各种各样的非理性因素对图像传感器其他性能产生制约和影响。其次,在分析现有的高动态范围成像技术的基础之上,本文创新的提出一种电荷补偿光电晶体管CCPT,并基于此电荷补偿技术共设计了两种像素结构,分别是基于3T像素架构和4T像素架构,并利用两种像素结构分别进行了图像传感器系统的设计。在传统3T像素架构基础上设计的CCPT的像素结构,只是比传统结构增加了一个P+掺杂区形成的补偿电压源。新的掺杂区形成了一个补偿二极管,其正极与外部可调的补偿电压源相接,负极与主光电二极管的负极相连,充当光电器件的输出节点,这样两个背靠背的二极管构成了一个光电晶体管结构。在入射光强较弱时或积分时间较短时,补偿二极管工作在反向偏置状态,相当于与主光电二极管并联,两者都作为普通的光电二极管工作在积分模式下,共同释放光生电荷,像素在弱光下具有良好的线性响应。随着积分时间的延长或光强的增强时,输出点电压逐渐降低,使得补偿二极管两端电压差逐渐超过其阈值电压,补偿二极管转向正向偏置状态。此后,补偿二极管不再产生光生电荷,而是向主光电二极管提供正电荷,抵消其产生的光生电荷,从而形成补偿机制,避免了像素输出过早饱。当补偿二极管产生的正向电流与主光电二极管产生的光生电荷达到一种平衡状态时,输出点电压将不再变动,且平衡点的大小只与光照强度有关,而与积分时间无关。理论上由于二极管的正向导通电流与输出电压呈指数关系,使得像素输出电压与光照强度呈对数模式,从而极大的扩展了动态范围。而基于4T像素架构所设计的CCPT的像素结构有相似的工作原理。这种设计结构同时结合了线性和对数两种工作模式的优点,弱光下与积分模式的传感器性能相同,具有良好的线性响应;强光下与光强呈对数响应,便于其探测更高的光强,其理论分析和仿真结果都证明此结构可以极大地扩展动态范围。再次,本文基于所设计的两种CCPT像素结构进行了图像传感器系统的设计,包括像素阵列设计、读出电路设计和时序驱动设计等。在读出电路设计中采样保持电路使用了相关双采样技术,可以有效地消除像素复位噪声和FPN噪声。在整体结构设计中,利用编码器直接选择某一个像素进行输出,这样的测试方法避免了传统测试方法为每个像素预留PAD,使得测试时更加便捷,同时又节省了芯片面积。在完成整体设计及版图绘制后,采用0.18μm标准商用CMOS工艺对所设计的图像传感器系统芯片进行了制造,分别制成了基于3T像素结构的芯片和基于4T像素结构的芯片。制成的芯片面积分别为4×4mm~2和3×3mm~2,像素分辨率分别为210×280和160×200,像素间距分别为为10μm和8μm,填充因子分别约为36%和31%。对制成的芯片进行了暗电流、光电响应特性、噪声等性能进行了测试与分析,测试结果表明,两种像素结构得到的动态范围分别为167dB和169dB。最后,针对像素输出的信号过于微弱满足不了后续处理电路对信号需求的问题,本文设计了一款应用于读出电路模拟前端的开关电容可变增益放大器。为了提高整个可变增益放大器系统的精度,作为核心电路的运算放大器采用了全差分两级结构来提高开环增益。为了保证系统的稳定性,运算放大器的增益带宽积可以随着VGA增益的变化而变化。误差校正DAC的引入可以补偿暗电流引起的误差,且误差校正DAC的补偿电压随VGA增益的增大而增加。利用xfab 0.18μm CMOS工艺进行流片。最后结果表明,在电源电压为3.3V的情况下,VGA电路功耗为65mW,增益动态范围为-3dB~19 dB。在40MS/s的采样频率下,得到有效位数为14.9bit精度,信噪比达到了91.4dB,无杂散动态范围达到了97.9dB,误差校正范围为-507mV~507mV,可以很好的实现对像素输出信号的放大功能和校正功能。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

流程图,图像传感器,成像,流程

吉林大学博士学位论文1.2 图像传感器的成像流程图像传感器是和眼睛类似的视觉系统，它最直观的作用就是对图像的复现，人眼看到的景象是光从物体上反射而成的光，然后人眼吸收这些光子并在大脑里成像，而图像传感器的成像原理与人眼成像原理类似，图 1.1 给出了图像传感器的成像流程图。

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第一章绪论此外，慢动作视频拍摄也是当今智能手机的目标之一，它可以通过超高的帧速率拍摄视频，然后以较低的帧速率回放来实现。2018 年，TSMC 公司提出了一个 4224×3200 像素阵列，以每秒 514 帧的慢动作拍摄的 CIS[25]；三星电子推出的 ISOCELL Fast 2L3CIS 以每秒 960 帧的超级慢动作、弱光拍摄，大大强化了拍摄功能。由于超高的帧速率会产生巨大的数据量，而图像传感器与处理器之间的信号传输具有带宽的限制，因此，图像传感器芯片采用了 3D 堆栈式结构(StackCMOS)[26]。

图像传感器,发展趋势,历程,动态范围

图 1.3 图像传感器的发展历程以及发展趋势.4 本论文的研究目的与创新点本文的研究目的在于提高图像传感器的动态范围，传统 CIS 由于像素感光的最大势阱容量的限制，动态范围远远低于自然场景的动态范围，造成图像细节丢失，同时，动态范围越大，所记录的暗部和亮部细节越丰富，表现的也越丰富。因此，本文致力于研究一种超宽动态范围的图像传感器。本论文的创新贡献包括：提出了一种新型电荷补偿光电晶体管（Charge Compensated PhototransisCPT），该器件在像素结构的应用中无需任何外围电路即可实现线性对数两作模式，设计工艺与标准 CMOS 工艺相兼容。结果证明，CCPT 的光电响应高，动态范围也得到了极大的提升。

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