（电路与系统专业论文）cmos图像传感器的低功耗研究与设计.pdf

摘要 摘要 本文的目标是在提高动态范围的基础上对c m o s 图像传感器( c m o si m a g e s e n s o r ) 进行了低功耗的研究与设计。 目前，图像传感器市场主要有c m o s 图像传感器和c c d 图像传感器。c c d 图像传 感器由于其较高的填充因子f f ( f i l lf a c t o r ) 和较低的固定模式躁声f p n ( f i x p a t t e r nn o i s e ) 已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度， 难与c m o s 集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的移动设备 中应用。 而c m o s 图像传感器讵是因为这些优点得到特别的关注，已经占领了移动设备 的市场，而移动通信设备基本上都是电池供电。因此功耗将成为c m o s 图像传感器 比较关注的一个问题。特别近几年来，由于c m o s 工艺大大提高，进入了深亚微米 时代，管子尺寸越来越小，电源电压相应降低，集成程度越来越高，结果，更多 的功能模块将会集成到芯片里面，将允许芯片有更大的功能。因此在这些复杂的 系统中，功耗的控制和优化将会越来越难。尤其对于c m o s 图像传感器应用在便携 中。 降低功耗可以通过选用较新的工艺或者降低电源电压，然而，在实现c m o s 有源像素图像传感器中，降低电源电压会降低信号的摆幅，相应地增加系统的噪 声，使得c m o s 图像传感器的动态范围变窄、信噪比变低，影响成像的质量。 如何提高图像传感器的动态范围而又满足低功耗的应用，是c m o s 图像传感器 设计中富有挑战性的课题。本文从系统设计的角度来看它的低功耗设计，主要有 工艺级、结构级、电路级以及系统集成来实现。在文章结构上。本文首先分析了 低功耗设计的重要性，然后论述了c m o s 图像传感器和c c d 的基本原理，接着对如 何提高c m o s 图像传感器的动态范围进行了分析与设计，进行了像素单元电路，模 数转换器( a d c ) 和数字控制时序的低功耗研究与设计，最后，对其进行了仿真 分析和验证。 主要完成了以下工作： 1 、对c m o s 图像传感器如何提高动态范围的各种方法进行了对比分析；设计 了条件重置的像素单元电路，如果对其条件重置n 次，那么可以提高图像传感器 的动态范围n 倍： 2 、从系统的角度上对功耗优化进行了分析，然后对像素单元以及相关双采 样进行了各具体电路设计和功耗优化： 3 、完成了逐次逼近a d c 各单元具体电路，以及相关控制时序的优化和设计， 并采用c s m 0 3 5 u m2 p 4 mc m o s 工艺器件模型，用h s p i c e 软件对其进行仿真分析， 在3 3 v 电源电压下，总个逐次逼近a d c 平均功耗仅为8 5 9 7 u w 。 关键词：c m o s 图像传感器动态范围低功耗逐次逼近a d c ab s t r a c t a b s t r a c t t h em a i np u 印o s eo ft h i s p a p e ri s t or e s e a r c ha n dd e s i g nt h el o wp o w e r c o n s u m p t i o nt e c l m o l o g yo fc m o si m a g es e n s o rw i c hi n c r e a s i n gd y n 哪i cr a n g e r e c e n t l y ，t h em a i np r o d u c t so ft h ei m a g es e n s o rm a r k e ta d o p tt h ec m o sa n d c c d t e c h n o l o g y c c di sw i d e l yu s e d ，b e c a u s eo fi t sh i 曲n l lf a c t o r ( f f ) a n di o w 6 x e dp a t t e mn o j s e ( f p n ) h o ，e v e r ，c c dt e c h n o i o g yh a sal o to f p r o b l e m s ，i n c i u d i n g m u l t i p l ev o l t 鹋e s ，h i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，1 0 ws p e e da n dd i 矗i c u i t yo fi n t e g r a t i o n w i t hc m o st e c h n o l o g y a n dt h u s ，i t sa p p l i c a t i o n6 e l di sl i m i t e db yt h ep r o b l e m s a b o v e s p e c i a l l y ，i nt h ei n o b j l ed e v i c e sw h i c hr e q u i r el o wv o l t a g ea n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，i ti sv e r yd i f h c u l tt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t sw i t hc c dt e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h ep r 。b l e m so fc c d t e c h n o l o g y g r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h e c m o si m a g es e n s o r a sm o b i l ed e v i c ei su s u a l i yp o w e r e db yb a t t e r y t h ec m o s i m a g es e n s o rb e c o m e st h ed o m i n a n tt e c h n o l o g yi nt h em a r k e to fm o b i l ed e v i c e s p o w e rc o n s u m p t i o nw i l lb e c o m et h ei s s u eo fc o n c e mi nt h ef o l l o w i n gy e a r s b e c a u s e o ft h ed e v e l o p m e n to fc m o s t e c m o l o g y ，t h ec o m i n go ft h ed e e ps u b m i c r o ne m ，t h e d e c r e a s i n go ft h es c a l eo fm o s f e t ，t h ef a l li n go fv o l t a g ea n dt h ei n c r e a s i n go f i n t e g r a t i o n ，m o r ea n dm o r ef u n c t i o nm o d e l sw i l lb ei n t e g r a t e di n t ot h ec m o si m a g e s e n s o r a n dt h u si nc o m p l i c a t e ds y s t e m s ，s u c ha sc m o si m a g e s e n s o r ，t h ec o n t r o ia n d o p t i m i z a t i o no fp o w e rc o n s u m p t i o nw i l lb em o r ea n dm o r ed i 位c u l t a d o p t i n g n e wt e c h n o l o g yo r d e c r e a s i n gp o w e rv o l t a g e c a nf - u l 矗l lt h e r e q u i r e m e n t so fi o wp o w e rc o n s u m p t i o n h o w e v e r ，i nt h ec m o sa c t i v ep i x e l ，t h e d e c r e a s i n go fp o w e rv 0 1 t a g e1 e a d st ot h ef a n i n go ft h eo u t p u ts i g n a ls w i n ga n dt h e i n c r e a s i n go fs y s t e mn o i s e a n da sar e s u l t ，t h ed y n a m i cr a n g eo fc m o si m a g es e n s o r w i i lb en a u r r o w ，t h es n rw i l id e c r e a s ea n df i n a l l yt h eq u a i i t yo ft h ep i c t u r ec a p t u r e d w i l ld e t e r i o m t e i ti sac h a l l e n g ew o r kt od e s i g nac m o si m a g es e n s o rw i t hl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dh i g hd y n a m i cr a n g e t h i s p a p e rr e s e a r c h t h el o wp o w e r c o n s u m p t i o nt e c h n o l o g yi nt h et e c h n o l o g yi e v e l ，a r c h i t e c t u r a ll e v e l ，c i r c u i tl e v e ja n d s y s t e mi n t e g r a t i o nl e v e l f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p o n a n c eo ft h el o wp o 厂e r c o n s u m p t i o nd e s i g n a n dt h e n ，i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fc m o si m a g es e n s o ra 1 1 d c c di m a g es e n s o r a n da r e rt h a t ，t h em e t h o d so fi n c r e a s i n g d y n a m i cr a n g ea r e a n a l y z e da n dd e s i g n e d a n dt h e n ，t h el o wp o w e rc o n s u m p t i o nt e c h n o l o g yo fp i x e l u n i t ，a d c ，t i m i n gc o n t r 0 1 l e ra r ed e s i g n e d ，f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o na n dv e r i n c a t i o n d e m o n s t r a t eo u rm e t h o di se f 艳c t i v e t h em a i nw o “( o ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： l ：ac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd y n a m i ci n c r e a s i n gt e c i l l l o l o g yh a sb 阜e nm a d e ：t h e p i x e lu n i ti sd e s i g n e db a s e d0 nt h ec o n d i t i o n a 】r e s e tt e c h n 0 1 0 9 y i fj r e s e t snt i m e s d u r i n gt h ei n t e g r a t i o np e r i o d t h ed y n a m i cf a n 萨c a nb ei n c r e a s e db vnt i m e s 2 ：t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sa n a l y z e d 舶mt h es y s t e mp e r s p e c t i v e a n d t h e n ， p o w e rc o n s u m p t i o n o p t i m i z a t j o n a n dc i r c u i t d e s i g n o f p i x e j u n i ta j l d c o r r e l a t e d d o u b l e s a m p l i n g ( c d s ) c i r c u i th a sb e e nm a d e 3 o p t i m i z a t i o na n dd e s 适no fs a ra d ca n dt i m i n gc o n t r o l l e fh a sb e e nm a d e ， u s i n gh s p i c es o r w a r e ，s j m u l a t i o nh a sb e e nd o n ew i t ht h et e c h n o l o g yo fc s m o 3 5 2 p 4 m3 3 v ：t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h es a ra d ci so n l y 8 5 9 7 1 】w k e yw o r d s ：c m o si m a g es e n s o r ，d y n 觚】i cr a j 猞e ，】o wp o w e rc o n s u m p t j o n ，s a r a d c l v 中国科学技术大学学位 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：垒垒塑 莎n a 年r 月硝日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着电子产品逐渐向高速度、低电压、低功耗和便携化方向的发展，系统对 电路的要求也越来越高。特别是近几年来，由于c m o s 集成电路工艺大大提高，进 入了深亚微米时代，管子尺寸越来越小，电源电压相应降低，集成程度越来越高， 结果，更多的功能模块将会集成到芯片里面，将允许芯片有更大的功能。因此随 着集成电路的集成度、复杂度以及集成电路规模的增加，集成电路的功耗也随之 迅速增加。因此，在这些复杂的系统中，功耗的控制和优化将会越来越难，将成 为集成电路设计的一个关键因素。尤其对于c m o s t 图像传感器这样一个便携式应 用的要求。 目前，图像传感器主要有c m o s 图像传感器和c c d 图像传感器。但c c d 图像传感器由于其较高的填充因子f f ( f i l lf a c t o r ) 和较低的固定模式躁声f p n ( f i xp a t t e mn o i s e ) 已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速 度，难与c m o s 集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的 移动设备中应用。 而c m o s 图像传感器正是因为这些优点得到特别的关注，特别是近年来， c m o s 工艺大大提高，电源电压相应降低，移动通信设备基本上都是电池供电， 低功耗的问题将成为设计的一个关键问题之一。 c m o s 图像传感器，普遍地存在动态范围过低的现象。因此，如何提高图像 传感器的动态范围而又满足低功耗的应用，是c m o s 图像传感器设计中富有挑 战性的课题。本章首先论述了低功耗研究的意义，发展趋势以及设计方法，然后 叙述了c m o s 图像传感器的研究现状和发展趋势，最后对本文的内容与组织作 了一个介绍。 1 1 课题背景 1 1 1 低功耗研究意义 2 0 世纪7 0 年代，英特尔公司的戈登摩尔( g o r d a nm o o r e ) 提出了“摩尔定律”。 在过去的几十年当中，集成度保持着几乎每1 8 个月翻一倍的增长速度，信息技 术的发展证实了摩尔定律，而且业界也认为摩尔定律将会继续维持有效很长一段 时问。6 5 纳米的c m o s 技术已经出现。那为什么我们在小型化方面取得重大成 功的同时，也引发出了功耗方面的很多问题呢? 这些都应该有利于功耗的进步 降低，而如今却呈现了越来越高的趋势。 第1 章绪论 问题的关键和物理根源在于：随着集成电路规模的增加，集成度更高，集成 电路中对于功耗有影响的诸多因素的发展相对落后( 比如电池的发展) ，晶体管 速度和密度的上升发展比晶体管功耗下降要快很多，所以，从总的意义上来说每 个晶体管单位面积的功耗是上升的! 功耗问题将成为设计的一个关键问题。这个问题的主要原因和影响包括： 1 、可靠性。过大的功耗会带来一序列问题，成为超大规模集成电路发展的 大障碍。当功耗过大时，会引起芯片工作温度的不断升高，温度的升高会导致 连线电阻的增大、延时的增加和加剧硅的失效，这样限制了高速的应用。同时， 温度的升高会导致漏电流的增加，从而引起芯片工作的不稳定性； 2 、封装以及成本。功耗的增加，会导致温度的增加，它直接决定着芯片的 封装形式与成本。芯片封装材料的一个重要特性是热阻。即单位功耗导致该材料 温度变化的量。如果芯片工作温度低，可以采用成本较低的塑料封装；而对于工 作温度较高的芯片，我们就必须采用成本上较高的陶瓷封装，以保证芯片不会被 烧毁。并且如果温度过高，还必须考虑快速散热，而快速散热的要求又会导致成 本的大幅提高； 3 、性能提高。集成电路业的快速发展和集成电路成本的不断降低使得在一 个芯片上集成更多的模块将成为可能和必然。并且，时钟频率的不断升高和高集 成化必定会消耗很大的功耗； 4 、便携市场需求。信息和通信技术的发展使得移动便携式设备在我们日常 生活中应用越来越广泛。便携式设备的快速发展，迫切要求降低功耗。同时，电 池的发展比较缓慢，在1 0 年内其容量只提高了l o 左右，而功耗却里指数形式 的增长，不可能跟上集成电路摩尔定律的发展。如果不采取措施降低系统的功耗， 电源将成为移动设备中应用的一个重要瓶颈。严重影响移动设备的更广泛应用： 5 、工艺变化。在c m o s 电路工艺进入深亚微米或者纳米阶段后，晶体管的 绝缘层变薄，透过绝缘层的漏电流也相应地增加，即使晶体管没有改变其状态时 仍然有电流通过，从而造成芯片闲置时候的功耗的消耗。在9 0 n m 工艺中，漏电 流造成的静态功耗在总的功耗中已经占了很大一部分，并且其增长速度比动态功 耗还快。所以在先进的工艺中，静态功耗将成为一个严重的问题，并且在降低静 态功耗上也比较困难。 综合上述原因，功耗已成为不得不关注的一个问题。 便携式设备对低功耗的要求尤其突出。 1 1 2 低功耗设计方法 集成电路低功耗优化必须在设计的各个层次和不同的具体电路中同时实旋， 虽然不同层次与不同电路优化的目标和效果不尽相同，但是整体目标是一致的。 第1 章绪论 集成电路的低功耗设计涉及到开发初期到生产工艺的各个阶段。通常所采用的设 计方法是按不同的设计层次采用相应的功耗优化设计技术，重点是集中在工艺 级、结构级、电路级以及系统集成来实现。实践证明，按照自项向下的电路设计 方法，在不同的设计层次上对功耗进行优化时，改善的程度是不同的：设计的层 次越高，优化所能达到的效果就越好，而其设计难度也越大。 就c m o s 图像传感器来说，设计时首先在系统结构上进行选择和优化，然 后在具体的电路设计中优化。 本课题是在提高c m o s 图像传感器动态范围的基础上降低系统的功耗。 1 1 3c m o s 图像传感器的研究现状 从国内外c m o s 图像传感器的发展情况来看，最早是1 9 6 7 年，美国仙童公司 w e c k l e r 提出了以光子通量积分模式工作的p n 结，光电流收集在反向偏置的p n 结电容中，并采用p m o s 开关读出积分电荷的方法，然后用电阻转换为电压，其 后，c m o s 传感器才有了一定的发展，在1 9 6 8 年，就报道了1 0 0 木1 0 0 的像素阵列 电路。其中，n o b l e 发明了电荷积分放大器用来读出像素信号，接着又有人用了 一个m o s 管作为源跟随放大器来读出信号，对信号改进了不少。但其中的一个重 要难题乃至于现在仍然困惑我们的是，1 9 7 0 年f r y ，n o b l e ，r y c r o f t 共同提出了 在c m o s 图像传感器中存在大量的固定模式噪声f p n 。 就在c m o s 图像传感器被f p n 困惑的同时，1 9 7 0 年c c d 图像传感器破土而出， 它由于采取结构和工艺的不同，摆脱了f p n 的影响，并且因其结构的简单很快得 到了应用。往后，很多人投入了大部分精力都集中在c c d 图像传感器的研究中。 c c d 发展迅速，导致了现在市场上可以看到很多c c d 图像传感器。 到了8 0 年代末，应用上慢慢发现c c d 的弱点。灵敏度低，而且要集成一些 功能模块很难。这时候，有两个主要动力极大地促进了c s 图像传感器的发展， 其中一是c 1 0 s 的低成本，尽管性能当时还不如c c d ；另一是它的微型化、低功 耗。这时很多研究机构又转向c m o s 图像传感器研究之中，很快，c m o s 图像传感 器在噪声，动态范围和灵敏性都有了很大的提高，可以和c c d 相媲美。第一个 c m o s 有源像素( a p s ) 传感器在1 9 9 3 年诞生在美国j p l 实验室，当时像素阵列 是1 2 8 率1 2 8 ，很快，1 0 2 4 ：l c l 0 2 4 像素阵列使用0 5 u m 工艺也继续有报道。 19 9 9 年，a 心y m s k i ( p h o t o b i tc o r p ) 生产了一个10 2 4 宰10 2 4 ，8 位图像传感器 芯片，功耗为4 5 0 m w ；2 0 0 0 年，p h o t o b i t 公司的k b c h o 研制了用1 2 v 电压构造 的1 7 6 木1 4 4 a p s ，帧频2 0 f p s ，功耗仅为4 8 u w ：2 0 0 1 年l i s a g 。m c i i r a t h 报道了采用像 素级并行a d c 的低功耗低噪声的传感器，工艺为o 5 u m ，电压为3 3 v ，每个象素仅 为4 0 n w ；2 0 0 2 年c x u 为了处理低电压下a p s 所带来的问题，提出了适合低电压下 工作的互补c m o s 图像传感器( c a p s ) ；2 0 0 3 年，k w a n 分b oc h o 报道了1 5 v ， 第1 章绪论 5 5 0 u w l 7 6 半1 4 4 ，3 0 f p s ，时钟2 5 m h z 的传感器；2 0 0 4 年，a l e x a n d e rf i s h l 用门控技 术来关闭a p s 有效地降低了功耗；2 0 0 6 年，c h i a n a ny e h 报道了低功耗的时序 控制电路等等。 然而在国内，c m o s 图像传感器的研究起步比较晚，主要有中国科学院、西 安交通大学、浙江大学、天津大学等单位开展了c m o s 图像传感器的研制和应用 开发工作，但都处于起步研究阶段，和国外相比。存在着很大一段距离。它的研 究在国内尚属一个比较新的研究领域。 1 1 4c m o s 图像传感器的发展趋势 c m o s 图像传感器是模拟和数字混合的超大规模集成电路系统，是信息获取 与处理的重要组成部分，在消费电子、科学研究、生物领域、汽车电子、移动设 备等有着广泛的应用。特别现今在便携设备中得到大力的研究和应用，然而，在 便携设备的应用中，最明显的特点主要有：低电压低功耗。因c c d 图像传感器有 多个电压，且无法在低电压下工作，高功耗并且很难与其他系统集成。所以近几 年c m o s 图像传感器发展迅速。随着集成电路工艺的快速发展、系统集成越来越 复杂以及人们需求的推进，c m o s 图像传感器将继续朝着低电压、低功耗、高性 能的方向发展。 1 2 本文的内容与组织 本文主要是在分析c m o s 图像传感器动态范围的各种方法基础上，进行了 动态范围的提高设计，然后设计了1 6 1 6 的像素阵列电路，从系统设计的角度来 进行它的各个单元电路低功耗设计，最后进行了逐次逼近模数转换器的设计和相 关时序的控制优化。各章的具体内容安排为： 第1 章论述了低功耗研究的意义以及为何在工艺不断提高的基础上功耗还 在增加，然后对低功耗的设计方法学进行了概述，最后回顾了c m o s 图像传感 器的研究现状和发展趋势。 第2 章是对c m o s 图像传感器的一般概述。首先分析了c m o s 图像传感器 的工作原理，然后对3 种c m 0 s 图像传感器的结构进行了对比分析，最后论述 了与c c d 图像传感器的比较。 第3 章首先分析了当前的c m o s 图像传感器动态范围提高技术，并对其原 理和结构进行了对比分析，最后设计了一种条件重置的动态范围提高技术。如果 条件重置n 次，动态范围可以提高n 倍。 第4 章是c m o s 图像传感器低功耗的单元电路设计。首先对如何降低功耗 从系统设计的层次上对其进行了分析，然后对像素阵列里的各个电路进行了低功 第1 章绪论 耗设计，最后进行了相关双采样的电路设计。 第5 章是a d c 的低功耗研究与设计。首先分析了c m o s 图像传感器a d c 的类型，就低功耗来说，选取了逐次逼近a d c 作为设计的类型，然后设计了a d c 里的各个模块电路。 第6 章是数字电路的时序控制。在c m o s 图像传感器中，主要有两个时序 电路，一是像素阵列，二是逐次逼近a d c 中的时序设计。本章对其分别进行了 优化。 第7 章是仿真分析。首先对像素阵列电路里动态范围的提高做了一个仿真比 较，并对阵列电路进行了仿真，然后仿真数字部分以保证其时序的准确性，特别 是对逐次逼近a d c 进行了综合前和综合后的仿真。最后，验证了逐次逼近a d c ， 以保证其准确性。 第8 章对全文做了一个总结。 第2 章c m o s 图像传感器的一般概述 第2 章c m o s 图像传感器的一般概述 2 1 图像传感器的基本原理 在现实中，“光 不仅是生命赖于存在的主要能源，更是人类认识客观世界 的重要信息源。人类通过自己的眼、耳、鼻、舌、身去认识自然界，其中，人眼 视觉给出的图像信息占的比例最大。据统计，人们获取信息，7 5 以上是通过视 觉器官得到的。所以，图像传感器作为一种重要的视觉获取信息器件，能否实现 信息的获取，转换和视觉功能的扩展，能给出直观、多层次、内容丰富的图像信 息，在现实中应用也越来越广泛。图像传感器的功能就是把光信号转换为电信号， 即是把入射到传感器感光面上的光强信息，转换为电压信号。 目前，图像传感器主要有两大类型，电荷耦合器件c c d ( c h a 唱ec o u p l e d d e v i c e ) 和互补金属氧化物场效应管c m o s ( c o m p l e m e n t a d ，m e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 图像传感器。 无论是c m o s 还是c c d 图像传感器，它们都是采用感光元件作为采集图像 信息的基本手段。c c d c m o s 感光元件的核心都是一个感光二极管( p d ) ，该 二极管在接受光线的照射后能够产生光电流，而光电流的强度则与光照的强度相 对应。但在后面的组成和结构上，c c d 的感光元件与c m o s 的感光元件并不相 同，c c d 的感光元件除了感光二极管外，还包括一个用于控制相邻电荷的储存 单元，当然，感光二极管占据了大部分面积，换一种说法是，c c d 感光元件中 的有效感光面积较大，在同等的条件下，可以接收到较强的光信号，对应的输出 信号更能反应景物的细节。然而c m o s 后面的电路处理相对复杂点，除了处于 核心地位的感光二极管外，还包括放大器、相关双采样、a d c 等，每一个像素 一般有一个感光二极管和3 个晶体管构成，而感光二极管所占的面积只占整个芯 片的一小部分，这就造成了c m o s 图像传感器的填充因子( 有效感光区域与整 个区域的比例) 远低于c c d 的。这样在接受同等光照和像素大小相同的前提下， c m o s 感光元件所能捕捉到的光信号就远小于c c d ，灵敏度较低，体现在输出 结果上，就是c m o s 感光元件所拍摄到的图像内容不如c c d 来的丰富，细节没 那么清楚且噪声明显。这就是早期c m o s 图像传感器只能用于低端场合的一大 原因。早期c m o s 图像受到制约发展还有一个原因就是它的像素点密度无法做 到媲美c c d 的地步，因此，随着密度的增加，感光元件的比重面积将缩小，填 充因子下降，导致图像信息丢失严重。所以，在图像传感器尺寸相同的前提下， c c d 的像素规模总是高于同时期的c m o s 图像传感器，这也是长期一来c m o s 未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。 6 第2 章c m 0 s 图像传感器的一般概述 每个感光元件采集的信息对应于图像上的一个像点，由于感光元件只能感应 光的强度，并不能捕获色彩信息。所以一般在感光元件上方覆盖一个彩色滤光片。 一般是r g b 红绿蓝三色滤光片，以1 ：2 ：1 构成一个四个像点组成的彩色像素。 因为人眼对绿色比较敏感，所以用2 个像点来覆盖绿色滤光片。 在接受光照之后，感光元件产生对应的光电流，电流大小与光强成正比，因 此感光元件直接输出的信号是模拟的。在c c d 传感器中，不对这个模拟信号做 迸一步处理，而是将它直接输出到下一个储存单元，结合该元件生成的模拟信号 再输出给第3 个感光元件( 即按顺序一个个地输出模拟信号) ，依次类推，直到 最后一个感光元件才能统一输出。并且感光元件生成的电信号一般很小，必须经 过进一步的放大处理，一般由c c d 的专门放大器来处理，将每个像点的信号做 同幅度的增大，最后经过模数转换器转换，以二进制的数字图像矩阵形式输出给 专门的d s p 芯片处理。而对于c m o s 图像传感器，上述工作流程就完全不适用 了。c m o s 传感器中，里面集成了放大器和模数转换器，当感光二极管接受光照 之后产生模拟信号，模拟信号被放大，然后转换为对应的数字信号，送d s p 芯 片处理。 2 2c m o s 图像传感器的分类 目前，c m o s 图像传感器主要有三大类，即c m o s 无源像素传感器( c 1 i j i o s p p s ) ，c m o s 有源像素传感器( a p 勤和c m o s 数字像素传感器( d p s ) 。其中，p p s j_-。一，。、 结构简单，量子效率高，但其缺点是噪声大，不利于图像传感器向大型阵列发展： a p s 在像素中加入了一个晶体管，来实现对像素读出信号的放大和缓冲，改善了 p p s 的噪声问题，但是减小了输出信号的范围，也减小了填充因子：d p s 是在像 素阵列内把每一个像素模拟信号都转换为数字信号，由于其填充因子较低，和匹 配性要求很高，目前还处在研究阶段，工业应用中并不多。 2 2 1c m o s 无源像素传感器 c m o s 无源像素传感器p p s ( p a s s i v ep i x e ls e n s o r ) 是1 9 6 7 年w e c k l e r 首次 提出的，它主要有反相偏置的光电二极管和行选通开关构成，其结构如图2 1 。 其原理为：当行选信号v r s 为高时，光电二极管p d 连接到垂直列总线，位 于列总线末端的电荷积分放大器保持列总线为一个常数电压，这时光电二极管就 被复位到一个常数电压。由于光电二极管的电荷是与光电流成正比的，它上面的 电荷被转移到电荷放大器转换为电压输出。由于列总线上的电压保持为常数，减 少了k t c 噪声。 ，_ ， 1 第2 章c m o s 图像传感器的一般概述 们 = d 一 o u 图2 1c m o s 无源像素传感器 图2 2c m o s 有源像素传感器 这种无源像素传感器，对于特定的c m o s 工艺，在给定像素的前提下可获得 最高的填充因子f f ，且没有象c c d 中的多晶硅叠层，它的量子效率很高。但无 源像素的最主要问题是读出噪声高。并且不适合在大像素阵列和高速系统中应 用，因为大像素阵列总线电容的增加和高速系统中较快的读出速度都将导致很高 的读出噪声。 2 2 2c m o s 有源像素传感器 无源像素传感器由于很大的噪声限制了其发展，后来出现了有源像素传感 器。有源像素图像传感器a p s ( a e t i v ep i x e ls e n s o r 主要是在前者的基础上 加了一个有源跟随器。每一个光电信号都首先经过它后再通过行选管输出。图 2 2 为它的结构图，它的像素单元结构通常称为3 t ( 3 t r a n s i s t o r ) 结构，在像素 单元中，除了一个光二极管外，还包括了一个重置( r e s e t ) m o s 管m 1 、一个源 极跟随器m o s 管m 2 和一个行选m o s 管m 3 。像素内的缓冲放大器可以改善像素的 性能，还可以在读出的时候激活，减少功耗。但这以牺牲填充因子来获得性能的 提高。与p p s 相比较，a p s 读出噪声低，改善了大阵列结构的图像信号，读出速 度还比较高。 光电二极管在重置信号的控制下每个过程经历两个周期：复位周期( c h a r g e p h a s e ) 和积分周期( i n t e g r a ti o np h a s e ) ，这两个周期各产生一个信号，经源 极跟随器和行选开关读出，具体过程为：当v r s t 为高电平时，复位管m 1 导通， 光电二极管被复位到高电平，在行选信号v r s 有效的时候，复位信号被输出；当 v r s t 为低电平时，光电二极管在光照的条件下，进行积分放电，最后当行选为 高电平的时候，积分信号电压被输出，两次的信号通过后面的相关双采样相减得 到图像的信号电压。 由于氏p s 里面包括了更多的m o s 管，其感光面积比p p s 更小，因而其敏感度 降低了，但是a p s 将光电转换后的信号在像素单元内放大，然后用行列地址读出， 从而可以提高图像传感器的灵活性。而且它对入射光产生的电信号所做的像素级 的处理使其受后面电路影响小，同时噪声得到大大降低，也不受电荷转移效率的 限制，速度快，图像质量有明显的改善。所以在目前得到广泛的应用。 8 第2 章c m o s 图像传感器的一般概述 2 2 3c m o s 数字像素传感器 图2 3c m o s 数字像素传感器 以上两种传感器的像素读出信号为模拟信号，也有人称为模拟像素传感器。 近年来，美国s t a n d f o r d 大学最早提出了一种新的c m o s 图像传感器一数字像素 传感器d p s ，即是在像素单元里面集成了a d c 和存储单元，如图2 3 所示。这种 结构的读出速度非常快，比较适合高速的应用。但是，它的f f 感光面积将会非 常小，导致后面信号受到影响。 2 3c c d 与c m o s 图像传感器的比较 c c d 和c m o s 在制造上的主要区别是c c d 是集成在半导体单晶材料上， 而c m o s 是集成在金属氧化物的半导体材料上。c c d 的制造工艺很复杂，所以 其成本和功耗都较大。工作原理上的差异前面已有论述。 目前，c m o s 图像传感器的研究相对c c d 来说，越来越受到重视。究其原 因，主要是c m o s 图像传感器低功耗，允许随机任意地读取数据以及集成化程 度更高。当然，这些又与图像质量的下降为代价，例如信噪比的降低，暗电流和 f p n ( f i x e dp a t t e mn o i s e ) 的增加。但这些可以通过相关双采样，自动增益增强， 自动亮度调节，白平衡控制，色饱和度，对比度，边缘增强以及伽马校正等先进 影像控制技术来达到与c c d 想媲美的效果。 c m o s 图像传感器的一个显著特点是功耗得到大大降低，相对c c d 来说， 功耗降低将超过1 0 倍以上。首先，c c d 是电容性器件，在像素阵列里面水平和 垂直方向的驱动将消耗很大的功耗。然而在a p s 里，仅仅需要一行的电路读出。 其次，c m o s 只需要5 v ，3 3 v 或者更低的单电源，c c d 不仅需要更高的电压， 还需要多个电压，产生这多个电压还需要消耗很多功耗。第三，c m o s 可以使用 一个低功耗的a d c 。第四，c c d 模拟输出为了保证动态范围，必须有一个很高 的输出频率，这意味着它需要更高的驱动电流。相反，c m o sa p s 内置a d c ， 是数字电压输出o 或者l ，驱动电流小并且输出电压也不要太精确。实际上，a d c 消耗的功耗是非常小的，相对驱动功耗来说是可以忽略不计的：第五，在便携式 9 第2 章c m o s 图像传感器的一般概述 应用中，c m o s 可以以更低的功耗保持在休眠模式中。 2 4c m o s 图像传感器的结构 从图2 4 上可以看出，c m o s 图像传感器包括像素阵列，行列选逻辑，相关 双采样，模数转换和偏置电路组成。 图2 4c m o s 图像传感器的结构 在一般的像素阵列里面，先是在行选有效的情况下，对其像素单元进行复位， 把每一个光电二极管充电到高电平，然后在光照下，二级管积分放电，在列选有 效的时候输出到相关双采样电路中。相关双采样不仅是复位和积分信号电压的相 减和放大作用，也是抑制固定模式等噪声的需要。最后进行模数转换输出数字信 号。 l o 第3 章高动态范围c m o s 图像传感器的研究 第3 章高动态范围c m o s 图像传感器的研究 一般来说，高动态范围的c m o s 图像传感器可以拍摄到细节更丰富的图像， 图像质量较高。所以本文在增强图像传感器的动态范围的基础上，设计一种低功 耗的传感器。就c m o s 图像传感器动态范围的扩展来说，目前有多种方法。本 章首先对c m o s 图像传感器动态范围进行了原理性的概述，然后对目前扩展动 态范围的方法进行了分析论述，最后设计了一种条件重置方法来提高图像的动态 范圈。 3 1c m 0 s 图像传感器的高动态范围概述 在日常生活当中，我们拍摄照片时经常会遇到这样的情况，如何在具有明亮 阳光或者明亮背景的视野下，拍摄到较暗区域内的细节，或者在较暗的背景下拍 摄到较亮的细节。曝光过度或者曝光不足，这其实就是我们无法达到图像的动态 范围所致，以致于无法再现景物细节的问题。 动态范围的定义一般是指最大的非饱和输入信号( 输入信号摆幅) 和最小可 测信号( 零输入时输入端噪声的标准差) 的比值。最大信号一般与所采用的阱容 ( f u l lw 川c a p a c i t y ) 有关，最小可测信号一般由噪声所限制。从光能接收的角 度出发，c m o s 图像传感器的动态范围口定义为： 弘2 叭。g c 等， ， 其中，l 。和。为可以被c m o s 检测到的入射光的最大和最小光强，其单 位为流明( 1 m ) 。 上述表述也可以表示为光照度之比 弘2 嘶g c 等 2 ， 其中e 为光照度，单位为勒克斯( 1 x ) 。 人眼的动态范围不仅可以依赖于视网膜感光细胞的感光能力，还可以靠瞳孑l 的放大和缩小来调节。据悉，人眼分辨物体的动态范围大约等于1 2 0 d b ，而普通 c c d 数码相机的动态范围是6 0 d b 左右。高动态范围的图像传感器可以探测到更 宽光强范围内的场景信息，可以探测到更多的图像细节。因此，动态范围是图像 传感器质量的一项重要指标，很有必要扩展图像传感器的动态范围。 第3 章高动态范围c m o s 图像传感器的研究 3 2 常用动态范围扩展技术 3 2 1 阱容调节技术 从c m o s 图像传感器动态范围的定义来看，提高阱容便可以提高图像传感 器的动态范围。从目前的研究来看，用横向溢出栅像素结构就可以增炽阱容一倍 或者多倍，从而扩展c m o s 图像传感器的动态范围。 兰 一 8 图3 1 横向溢出掇像素结构的a p s 图3 1 为横向溢出栅像素结构的a p s ，其结构与基本的a p s 像素结构类似， 只是在复位管和光电二极管p d 之间增加了v 。管，用于控制灵敏度。p d 产生的 电流要经过v 。的漏极流向其源极。这可以控制其电流，以便控制其积分时间。 但是，这种像素结构虽能提高图像动态范围，还是有一定的限制，通常不能 超过1 0