用于视觉假体的高动态范围图像传感器设计

摘要

使用视觉假体来修复人的视觉功能是目前一种较为有效的帮助盲人恢复一定视觉功能的方法,视觉假体的基本机理是：通过摄像头采集外界的图像信号转化为电信号然后对相应的视觉神经细胞进行刺激,把电信号转化为生物电信号被人的视觉细胞获取,使人“看到”外界的图像信号。视觉假体根据刺激部位不同,可分为视网膜假体、视神经假体、视皮层假体.本文在对视觉假体进行研究的基础上,给出用于视觉假体的图像传感器基本参数,并对图像传感器进行了设计,主要工作如下：首先对视觉假体中图像采集系统的研究,分析了视觉假体的内置式图像采集系统的基本结构,讨论了内置式图像采集系统的图像采集、传输及能量供应,并总结出用于视觉假体的图像传感器的基本参数。接着分析了CMOS图像传感器的分类及各种结构的工作原理,对光电二极管的spectre模型进行了修正,分析了提高动态范围的基本方法。根据视觉假体的应用要求,设计了一种高动态范围的图像传感器芯片。在像素单元的设计中,首次采用了条件溢出电容技术,并采用了多次积分技术,提高了图像传感器的动态范围,并维持了低光照时图像传感器的灵敏度和信噪比。并对读出电路及可编程放大电路PGA进行了研究,在读出电路中采用了双采样技术,以降低图像的固定模式噪声,输出结果经缓冲器送可编程放大器中进行处理,可编程放大电路中采用了电容结构开环增益放大器。使用cadence软件对电路进行了仿真,仿真时采用了先进半导体公司的chrt0.35um的工艺参数。仿真结果表明,新设计的电路比普通四管有源图像传感器的动态范围提高了约59dB,并维持了其低光照时的信噪比和灵敏度。

目录

摘要

Abstract

目录

1 绪论

1.1 视觉功能修复的研究现状

1.2 图像传感器

1.2.1 固态图像传感器的发展历程

1.2.2 CMOS图像传感器的研究进展

1.3 本文的主要内容

2 视觉假体的植入式摄像系统

2.1 视觉假体图像采集系统

2.2 内置式图像采集系统

2.2.1 植入透镜的选择

2.2.2 传感器芯片的基本参数

2.2.3 CIS传输的数据量

2.2.4 视觉假体中信号的无线传输

3 CMOS图像传感器的工作原理

3.1 CMOS图像传感器中的光电器件

3.1.1 光电二极管的基本原理

3.1.2 双极光栅晶体管

3.1.3 CMOS兼容的光电二极管spectre模型

3.2 像元结构和工作原理

3.2.1 无源像素图像传感器结构

3.2.2 有源像素图像传感器(APS)结构

3.2.3 数字像素图像传感器(DPS)

3.3 CMOS图像传感器的噪声

3.3.1 热噪声

3.3.2 散粒噪声

3.3.3 闪烁噪声(1/f)

3.3.4 复位噪声

3.4 CMOS图像传感器动态范围扩展技术

4 CMOS图像传感器像素单元的设计

4.1 传统CMOS 4T APS像素单元电路及时序

4.1.1 普通4T APS像素单元电路

4.1.2 普通4T APS时序分析

4.1.3 仿真结果

4.2 新型像素单元电路设计

4.2.1 像素单元及列共用单元的电路结构

4.2.2 电路的时序结构与功能分析

4.2.3 像素单元工作原理分析及仿真

4.2.4 高动态范围、高灵敏度分析

4.2.5 列共用单元分析

4.3 像素单元输出曲线及分析

5 图像传感器读出电路和可编程放大电路的设计

5.1 双采样读出电路的设计

5.2 可编程增益放大电路PGA

5.2.1 可编程放大器的设计

5.2.2 PGA电路中采用的运算放大器

结论

致谢

参考文献