可变参考电压大动态范围数字像素图像传感器设计

摘要

CMOS图像传感器体积小、成本低、成像质量高，被广泛应用于工业、医疗、军事、消费电子等诸多领域。随着 CMOS工艺逐渐向小尺寸方向发展，逐渐建立了 CMOS数字像素传感器理论，其避免了低电源电压带来的性能下降，具有高信噪比、低功耗、结构简单的优势。本文针对脉冲宽度调制 CMOS数字像素图像传感器不能同时实现大动态范围和双采样的问题开展研究，在研究数字像素基本工作原理的基础上，提出了一种多斜坡可变参考电压的脉冲宽度调制型CMOS数字像素图像传感器。
　　本文采用高低不同的连续多个斜坡参考电压取代传统数字像素中单一固定的参考电压，引入这种斜坡的电压能够有效提高对强光和弱光的探测能力，以在有限的积分时间下获得更大动态范围。同时，将像素的曝光周期划分为两个采样阶段，能够实现时间域相关双采样操作，消除像素固定模式噪声和部分随机噪声。据此建立完整的脉冲宽度调制型 CMOS数字像素图像传感器行为级模型，提出了详细的多斜坡参考电压方案实现算法和码值处理的过程。基于MATLAB仿真分析了像素噪声、动态范围、光照响应等性能指标，给出了参数折衷下最优的参考电压设计，进而完成传感器系统建模。基于系统设计方案，在Cadence环境下完成了像素单元、像素级比较器、像素级存储器等模块的电路设计和仿真。
　　本文基于SMIC0.13μm工艺设计完成的脉冲宽度调制型 CMOS数字像素图像传感器像素单元，在1.8V电源电压、16位内存深度和100fps帧频下，经过双采样操作后能够达到103.06dB的动态范围，噪声能够下降到小于1LSB。如果仅进行单次采样，动态范围可进一步扩展到138.49dB，噪声为3.97％。

目录

声明

第1章 绪论

1.1图像传感器概述

1.2国内外研究现状

1.3课题研究意义及论文内容安排

第2章 脉冲调制CMOS数字像素图像传感器

2.1脉冲宽度调制DPS

2.2脉冲频率调制DPS

2.3对比分析

2.4本章小结

第3章 基于可变参考电压的PWM DPS

3.1时间域相关双采样原理

3.2斜坡相关双采样方案

3.3动态范围分析

3.4噪声和时间误差模型

3.5本章小结

第4章 可变参考电压PWM DPS行为级模型

4.1 MATLAB Simulink模型

4.2完整行为级模型的建立与仿真

4.3码值线性化转换与校正

4.4本章小结

第5章 可变参考电压PWM DPS像素电路级设计及仿真

5.1系统设计

5.2像素单元设计

5.3像素级比较器设计

5.4像素级存储器设计

5.5像素阵列设计

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢