宽动态范围、低噪声CMOS图像传感器读出电路设计

摘要

读出电路是CMOS图像传感器的核心，其读出电路中的像素单元电路结构始终限制着感光器件的输出光电转换效率，从而限制CMOS图像传感器读出电路的动态范围。宽动态范围、低噪声CMOS图像传感器读出电路的设计成为图像传感器的研究热点。 本文分析像素单元结构，针对经典图像传感器读出电路在强光照时读取光电转换电压失真的缺点，设计一种适用于强光读取的电路新结构。该电路通过对复位阶段和积分阶段采用分别采样保存读出，并增加比较器选择控制积分阶段的工作方式的方法，实现在抑制固定模式噪声的前提下有效拓宽强光信号读取的效果，并保持弱光下读取的效果不被破坏，进而提高读出电路的动态范围。 在此基础上，设计合理的电路结构抑制固定模式噪声，并分析电路中的噪声源，构建小信号模型，改进电路结构，优化电路噪声，以及设计高电源电压抑制比的带隙基准电压源来减小环境噪声对读出电路的影响。 采用Cadence仿真软件Spectre模块，基于Nuvoton0.35μm工艺完成电路仿真与调试，结果显示该电路在积分时间设定为2μs，复位时间设定为8μs，像素单元输出电压摆幅约为-0.046-3.3V，可有效读出的输出电压范围为0.012V-3.3V，从而有效增大读出电路的动态范围并同时抑制电路噪声。最后，运用Laker完成电路版图的绘制，运用Calibre完成版图设计规则检查(Design Rule Check，DRC)，以及电路与版图的映射检查(Layout Versus Schematics，LVS)，运用Hspice完成后仿真，后仿结果表明可有效读出的输出电压范围为0-0.7V，1.5-3V，与前仿结果拟合较好。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状与发展趋势

1．3选题意义及内容安排

第二章原理分析

2．1 CIS主要性能参数

2．2经典CIS读出电路原理分析

2．2．1感光器件等效模型的建立

2．2．2像素单元结构及工作原理分析

2．2．3相关双采样结构及工作原理分析

2．3本章小结

第三章噪声分析

3．1 CIS读出电路的器件噪声

3．1．1散粒噪声

3．1．2热噪声

3．1．3闪烁噪声

3．1．4产生-复合噪声

3．1．5暗电流

3．2 CIS读出电路的电路噪声

3．2．1时间噪声的分析与抑制

3．2．2空间噪声的分析与抑制

3．3 CIS读出电路的环境噪声

3．4本章小结

第四章电路设计与仿真

4．1高电源抑制比、低温漂带隙基准源的设计

4．1．1核心电路

4．1．2运放电路

4．1．3启动电路

4．1．4高电源抑制比的带隙基准源的仿真结果与分析

4．2比较器、反相器、传输门的设计

4．2．1比较器

4．2．2反相器

4．2．3传输门

4．3整体电路设计与仿真

4．3．1电路设计与工作原理

4．3．2时序设置与仿真分析

4．4本章小结

第五章版图设计与后仿真

5．1版图设计整体布局

5．2各模块版图设计

5．3读出电路版图设计

5．4后仿真与分析

5．5本章小结

6．1工作总结

6．2展望

参考文献

致谢

附录