基于4T结构的CMOS图像传感器时序控制研究

摘要

近几年来，CMOS图像传感器由于其生产工艺兼容、生产成本较低和功耗控制较好等优势，在很多方面获得了快速的发展，广泛应用于手机、PC摄像头、安防监控、条形码扫描器、玩具、汽车后视和航空航天等领域，正在逐步取代CCD图像传感器。CMOS图像传感器是一种把像素感光阵列、放大器和模数转换等模拟功能模块及时序控制电路集成在一起的芯片系统。时序控制电路是芯片系统中的重要部分，为其它各个模块提供控制信号，确保其在正确的时序下工作，从而完成一帧图像的输出。故本文的研究内容有着非常重要的现实意义。本文的创新点在于设计了一种简化4T像素结构，较普通4T像素结构而言，该简化结构像素内部去掉了行选通管，行选信号替换复位管的电源电压，从而提高了像素的填充因子，简化了内部电路设计，减小了版图的面积，消除了行选通管引入的随机噪声。
　　本论文主要研究的内容为简化4T像素结构CMOS图像传感器的时序控制。首先，详细分析了简化4T像素结构及其读出电路的工作时序;其次，在此基础上设计了本系统所采用的滚筒式曝光控制方式，并深入分析了其时序控制关系;最后，重点介绍了芯片系统中各控制模块的结构和具体设计。在控制模块具体设计时，采用自顶向下的设计方法，按照逻辑功能和时序控制关系完成模块的划分，然后运用Verilog硬件描述语言完成所有模块的编码，最后使用Cadence公司的设计工具进行仿真验证。
　　设计完成后采用0.11μmCIS工艺流片，经测试，该CMOS图像传感器的填充因子较普通的4T像素结构有了较大的提升，达到了72％，灵敏度也有一定的提高，芯片整体性能满足了设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 CMOS图像传感器发展现状

1．2 CMOS与CCD图像传感器特点比较

1．3 选题的目的和意义

第2章 CMOS图像传感器像素结构

2．1 半导体光电效应

2．2 传统3T像素结构

2．3 4T像素结构

2．3．1 4T像素结构原理

2．3．2 4T像素工作时序

2．3．3 钳位二极管PPD

2．4 CMOS图像传感器噪声分析

2．4．1 固定模式噪声

2．4．2 随机噪声

2．5 本章小结

第3章 简化4T像素CMOS图像传感器系统结构

3．1 简化4T像素的基本结构

3．2 简化4T像素的工作时序

3．3 系统整体结构

3．4 曝光控制电路的时序分析

3．4．1 滚筒式曝光

3．4．2 帧频分析

3．5 本章小结

第4章 系统控制模块设计

4．1 像素控制模块

4．2 时序控制模块

4．3 寄存器控制模块

4．4 AGC／AEC控制模块

4．5 OSD控制模块

4．6 I2C总线控制模块

第5章 仿真与流片测试

5．1 整体仿真

5．2 位线仿真

5．3 芯片测试

第6章 总结与展望

致谢

参考文献