基于双极光栅管的CMOS图像传感器读出电路的研究

摘要

概述了国内外CMOS图像传感器发展历史、现状和趋势，比较了CMOS图像传感器与CCD图像传感器的性能特点，指出了本课题的研究意义。在介绍半导体光电知识的基础上，深入探讨了用于CMOS图像传感器的半导体光电二极管和双极光栅晶体管的光电转换特性，指出了影响光电二极管光电特性的因素和提高光电二极管特性的方法，建立了新型光电器件——双极光栅晶体管的等效电路模型，利用电子电路仿真软件PSPICE对其光电特性进行了模拟，由于引入P+N注入结，双极光栅晶体管的光响应特性优于传统光栅晶体管，随着入射光功率的增加，其光电流成指数关系增加。介绍了CMOS图像像素采集单元的各种电路形式，提出了针对双极光栅晶体管的新型像素单元电路并对其噪声特性进行了分析。通过在每列总线上增加两个晶体管，使之与像素内的行选通晶体管和源跟随晶体管形成一个输入输出短接的差动放大器，提高了像素内的光电转换增益。相关双取样电路中，用单位增益采样器代替PMOS列选电路，不但克服了开关晶体管的非理想效应，而且进一步提高了系统的光电转换增益，并设计了一个用于将信号送入模数转换器的列输出缓冲器。设计了一个适合应用于CMOS图像传感器的列并行8位低功耗模数转换器，该转换器采用逐次逼近型结构，量化速度为1M，信噪比为42dB，微分非线性度和积分非线性度分别为0.5LSB和1LSB。电压比较器采用完全差分三级结构，第一、二级为预放大级，第三级为放大级，数模转换器采用电荷定标，并且采用新型的电容分布形式，大大减少了单位电容的使用量，逐次逼近寄存器采用最少的逻辑单元完成，所有这些措施使得系统的功耗大大降低，仅为350μW。本设计有利于降低CMOS图像传感器整体电路的功耗，避免了由于局部电路功耗过大而使芯片局部过热影响图像触感器的性能，使芯片的功耗、噪声、面积、速度达到一个很好折衷。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1图像传感技术

1.2国内外CMOS图像传感器研究历史与现状

1.3 CMOS图像传感器与CCD图像传感器性能特点的比较

1.4 BJPHGT的提出

1.5论文研究的意义

第2章CMOS图像传感器中的光电器件

2.1光电器件的信号收集与工作原理

2.1.1半导体材料的光吸收

2.1.2光电二极管工作原理

2.1.3光电二极管的量子效率

2.2双极光栅晶体管

2.2.1双极光栅晶体管结构与特性

2.2.2双极光栅晶体管等效电路模型及模拟

2.2.3双极光栅晶体管的噪声

2.3本章小结

第3章像素单元电路

3.1已有像素单元结构

3.1.1无源像素传感器

3.1.2有源像素传感器

3.1.3光栅型APS

3.1.4对数响应型APS

3.1.5补偿型APS

3.2基于双极光栅晶体管的像素单元

3.2.1双极光栅晶体管结构

3.2.2缓冲器设计

3.2.3复位晶体管

3.2.4单元电路结构

3.3栅调制输出与拖影消除

3.4本章小结

第4章模拟信号处理电路

4.1 CMOS图像传感器的列线电路

4.1.1 CMOS图像传感器中的信号通路

4.1.2相关双取样电路

4.1.3单位增益缓冲器

4.1.4 MOS模拟开关

4.1.5单位增益采样器

4.2芯片级模拟信号通路

4.2.1多路复用器

4.2.2差动放大器

4.3输出缓冲器的设计

4.3.1 MOS基本单元

4.3.2输出缓冲器

4.4本章小结

第5章ADC的设计

5.1 CMOS图像传感器中的ADC

5.2 SAR型ADC的工作原理

5.3单元电路设计与模拟

5.3.1数模转换器(DAC)设计与模拟

5.3.2比较器(Comparator)设计与模拟

5.3.3逐次逼近寄存器(SAR)设计

5.4整体仿真结果

5.5本章小结

结论

1.全文总结

2.本文创新点

3.后续工作建议

参考文献

致 谢

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