论文题目: 像素级CMOS数字图像传感器的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 仪器科学与技术
作者: 潘银松
导师: 袁祥辉
关键词: 图像传感器,图像传感器,转换器,像元级,数字像元传感器
文献来源: 重庆大学
发表年度: 2005
论文摘要: CMOS 图像传感器(IS)广泛应用于多媒体、工业检测、数码摄像、卫星遥感、医学等领域。随着多媒体应用和CMOS 工艺技术的发展,推动了CMOS 数字图像传感器的发展, CMOS 数字图像传感器是在传感器芯片上集成了A/D 转换器(ADC)、信号处理、控制和接口等电路,构成单片图像传感系统,以实现新的成像功能,获得高质量的图像,并减小体积,降低成本。像素级CMOS 数字图像传感器与列级和芯片级相比,不仅降低了片上ADC 的速度,而且还具有噪声低、功耗低、可持续观察像素的输出、降低系统噪声、扩大动态范围等突出优点,日益受到人们的重视。因此研究像素级CMOS 数字图像传感器具有重要的应用价值和现实意义。论文首先介绍了CMOS 图像传感器的优点,阐述了该传感器的像素结构和工作原理,以及CMOS 数字IS 的发展现状和应用,最后论述了研究图像传感器的必要性和意义。图像传感器一般都采用光电二极管作为光电探测单元,分析了光电二极管的工作原理及稳态特性,定量推导了积分工作模式下光电二极管上的电压衰减。根据数字化像元填充因子小,要求光敏元的暗电流小,光谱响应范围大、灵敏度高的特点,分析了光敏元结构对暗电流、光谱响应特性的影响。提出了一种带n+复位环的n+/p 结和n 阱/p 结复合的新结构光电二极管,这种新结构具有暗电流小、光谱响应范围大、灵敏度高的特点,用设计的测试样品,验证了新结构的性能。传统的A/D 转换器结构复杂、功耗大、占用面积大,难以满足像元级集成对芯片面积和功耗的苛刻要求。多路共用按位串行ADC 利用连续比较在某一时刻从所有像素中同时输出1 位数据,读出速度高,对ADC 进行编程可实现任何量化表,而且可以用简单的鲁棒电路实现,是一种适合像素级集成的A/D 转换器。这种ADC 克服了传统ADC 的缺点,还具有ADC 性能测试时可以不需要任何光学元件的优点,各个ADC 共用驱动信号,有效地减小了固定模式噪声。以共源-共栅运放作为比较器,设计了4 个像素共用一个3 位ADC 的像元电路,并用PSpice软件作了模拟验证,说明多路共用按位串行ADC 是一种可用于像素级集成的ADC。利用已验证的多路共用按位串行ADC方案,设计了4个像素共用一个8位A/D转换器和锁存器的128×128 像素数字图像传感器。包括像素电路、比较器和锁存器的设计,用PSpice 软件对像素电路进行模拟仿真。读出方法与传统的模拟图像传感器完全不同,以位平面的方式并行读出。
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 CMOS 图像传感器与CCD 比较
1.3 CMOS 图像传感器像元电路及工作原理
1.3.1 无源像素结构
1.3.2 有源像素结构
1.4 CMOS 数字图像传感器
1.4.1 芯片级ADC 的数字图像传感器
1.4.2 列级ADC 的数字图像传感器
1.4.3 像素级ADC 数字图像传感器
1.5 CMOS 数字图像传感器的研究进展
1.6 CMOS 图像传感器的应用及研究意义
1.6.3 在工业上面的应用
1.6.2 在数码影像上面的应用
1.6.3 在卫星遥感上面的应用
1.6.4 在医学上面的应用
1.6.5 研究图像传感器的必要性和意义
1.7 课题主要研究内容
2 光电探测单元
2.1 引言
2.2 p-n 结
2.2.1 热平衡状态下的p-n 结
2.2.2 光照下的p-n 结
2.3 光电二极管
2.4 光电二极管的稳态分析
2.5 光电二极管积分工作模式分析
2.6 带复位环的n~+/p 结和n 阱/p 结复合的新结构光电二极管
2.6.1 探测单元中的暗电流和光谱响应特性
2.6.2 带复位环的n~+/p 结和n 阱/p 结复合的光电二极管新结构
2.6.3 测试样品和结果
2.7 本章小结
3 CMOS 图像传感器像素级 ADC 及其模拟
3.1 引言
3.2 常用ADC
3.3 多路共用按位串行ADC 的工作原理
3.4 按位串行ADC 的模拟和验证
3.4.1 4×4 像素的CMOS 图像传感器的实现方案
3.4.2 光电二极管单元电路
3.4.3 比较器和锁存器
3.4.5 像素电路及模拟结果
3.5 本章小结
4 128×128 CMOS 数字图像传感器的设计
4.1 引言
4.2 MOS 管的亚阈值模型
4.3 128×128 CMOS 数字图像传感器的实现方案
4.4 像元电路设计
4.4.1 设计要求
4.4.2 比较器的设计和工作原理
4.4.3 像元电路
4.5 CMOS 移位寄存器
4.6 本章小结
5 CMOS 图像传感器的噪声分析
5.1 引言
5.2 CMOS 图像传感器中的噪声
5.2.1 随机噪声
5.2.2 固定模式噪声
5.2.3 量化噪声
5.3 消除或减小图像传感器噪声的方法
5.4 本章小结
6 驱动电路和信号读出
6.1 引言
6.2 驱动电路设计
6.2.1 BITX 信号
6.2.2 RAMP 信号
6.3 图像传感器的信号读出和数据采集
6.4 CMOS 数字图像传感器的读出
6.5 本章小结
7 版图设计初步
7.1 引言
7.2 CMOS 集成电路工艺
7.2.1 集成电路主要单项工艺技术
7.2.2 体硅CMOS 工艺设计中阱工艺
7.2.3 硅栅工艺
7.3 版图设计
7.3.1 几何设计规则
7.3.2 版图的分析和检验
7.3.3 掩膜生成
7.4 测试样品版图
8 论文总结
致谢
参考文献
附录 A 与课题相关的照片
附录 B 攻读博士学位期间发表的论文
发布时间: 2005-11-07
参考文献
- [1].应用于监控安防领域的CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 李晓晨.天津大学2013
- [2].高性能CMOS图像传感器设计技术研究[D]. 裴志军.天津大学2004
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