（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器低功耗设计技术研究.pdf

d e 夏至适叁堂亟：堂位迨塞 主塞擅噩 中文摘要 随着科学技术的高速发展，图像处理器在军事、科研、工农业生产、医疗卫 生等领域的应用越来越广泛，然而由于图像自身的缺陷，使得各行业对于实现图 像处理器的需求也越来越迫切。 本论文提出了一种利用延时锁相环产生高速低功耗列扫描信号的方法，可以 大大降低c m o s 图像传感器的功耗；本论文同时还提出了一种c m o s 图像传感器 的图像信号读出方法，采用该方法可以只使用一个采样频率远远低于列扫描频率 的模数变换器完成图像信息的快速获取，不仅提高了c m o s 图像传感器的感光效 率，而且减小了传感器的功耗和面积。这种新的c m o s 图像传感器的电路结构在 功耗、面积以及性能上的优势非常明显，可以解决各种具体问题，实现产业化。 尤其对于即将全面实施的3 g 移动通信中的可视通信，这个技术也许会带来可观的 商业价值。 关键词：低功耗：c m o s 图像传感器；延时锁相环 分类号：t p 3 1 7 4 ；t p 7 5 1 1 ；t p 7 5 2 1 e 蕴銮适盔堂亟：量堂壁迨塞旦s ! 垦! a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y , i m a g es e n s o r sh a v e b e e nw i d e l y u s e di nt h em i l i t a r y 、s c i e n t i f i cr e s e a r c h 、i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea n dm e d i c a l t r e a t m e n t f o rt h ed e f e c t so ft h e s ei m a g e s ，t h en e e df o rr e a l t i m ep r o c e s s i n gs y s t e m i sv e r yu r g e n t i nt h i sr e p o r t an e wm e t h o df o rt h eh i g h - s p e e da n dl o w p o w e rh o r i z o n t a i s c a n n i n gs i g n a lg e n e r a t o rw h i c hb yu s eo fd l l i so f f e r e d i tc a ng r e a t l yr e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o no fac m o si m a g es e n s o r an e wr e a d o u tm e t h o df o rc m o s i m a g es e n s o r si sp r o p o s e di nt h er e p o r t b yu s i n gt h i sm e t h o d ，a na dc o n v e r t e r w i t hl o ws a m p l i n gr a t ew o r k sw e l lf o rt h eh i g hs p e e da p p l i c a t i o n s ，a n dt h i sg r e a t l y r e d u c e st h ep o w e rc o n s u m p t i o na n da r e ao c c u p a t i o n so ft h ec m o s i m a g e s e n s o r s t h i sn e ws t r u c t u r eo fc m o si m a g es e n s o r sh a v eg r e a ta d v a n t a g ei np o w e r c o n s u m p t i o n 、c h i pa r e aa n dp e r f o r m a n c e i tc a nf i g u r eo u tv a r i o u sp r o b l e m sa n d t ob ei n d u s t r i a l i z e d t h i st e c h n o l o g yw i l la l s oh a v ec o m m e r c i a lv a l u ei nv i s u a l c o m m u n i c a t i o no f 3 gt e c h n o l o g yw h i c hw i l lb eb r o u g h ti n t oe f f e c ts o o n k e y w o r d s ：l o wp o w e r ；c m o si m a g es e n s o r ；d l l c l a s s n 0 ：t p 3 1 7 4 ：t p 7 5 1 1 ：t p 7 5 2 1 致谢 本论文的工作是在我的导师李晓光教授的悉心指导下完成的，李晓光教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李晓光老师对我的关心和指导。 李晓光教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向李晓光老师表示衷心的谢意。 李金城老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，黄启军、胡晓霞，白利波等同学对我论文中的 创新研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 e 京銮逗叁堂亟堂位迨塞i i 言 1 引言 本论文主要介绍了对现在应用非常广泛的c m o s 图像传感器的低功耗设计方 面的技术研究。介绍了一种实现图像处理器低功耗的设计方法。 第二章主要介绍了本论文选题的背景和意义，以及c m o s 图像传感器的发展， 接着对传感器c c d 与c m o s 进行对比，最后还介绍了c m o s 图像传感器的最新 发展与应用，并对c m o s 图像传感器现在所面l 临的问题进行分析。 第三章主要从c m o s 图像处理器的象素结构、扫描电路以及c m o s 图像处理 器中a d c 的结构等方面介绍了c m o s 图像处理器的工作原理，并对图像处理器 的功耗进行了分析。 第四章首先介绍了c m o s 图像处理器中的传统扫描电路，随后介绍了一种采 用d l l 技术的扫描电路，这种扫描电路可以有助于降低c m o s 图像处理器的功耗。 第五章重点介绍了图像处理器中对图像处理的方法，推出一种新的图像处理 的方法，即在对图像压缩之前先对图像进行低通滤波，然后再对滤波后的图像进 行压缩。利用此方法对灰度图，彩色静止图像以及连续图像处理后可能大大降低 图像处理器的功耗。初步证实将这种图像处理方法与第四章中提出的图像扫描电 路结合一起使用在不影响图像真实度的前提下可以达到理想效果。对于即将全面 实施的3 g 移动通信中的可视通信有很重要的意义。 a e 立銮适太望亟堂僮途塞 mqs 图篮佳壁墨筐企 2c m o s 图像传感器简介 本章主要说明论文选题的背景和意义，以及c m o s 图像传感器的发展，接着 对传感器c c d 与c m o s 进行对比，最后还介绍了c m o s 图像传感器的最新发展 与应用，并对c m o s 图像传感器现在所面临的问题进行分析。 2 1c m o s 图像传感器的发展背景 在c m o s 和c c d 诞生之前，已经出现了m o s 图像传感器。7 0 年代初期，随 着m o s 技术的成熟，三种典型的固体图像传感电荷耦合器件( c c d ：c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 、电荷注入器件( o d ：c h a r g e i n i e c t e dd e v i c e ) 、光敏二极管阵列 ( p d a ：p h o t o d i o d ea r r a y ) 得到了发展。到8 0 年代中期，基于这三种固体图像传感 器技术的摄像机逐渐投放市场。在这三种固体图像传感器中，c c d 发展最为迅速， 在可见光成像方面取得了唱主角的地位。到9 0 年代初，c c d 技术己比较成熟， 在微光下，具有每个像元几个电子的成像能力，c c d 技术已得到非常广泛的应用。 但c c d 制作比较复杂，工艺要求严格，且与一般集成电路工艺不兼容，成本也高。 进入2 0 世纪9 0 年代，由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的 增加，芯片制造技术和信号处理技术的发展，为新一代低噪声、优质图像和高彩 色还原度的c m o s 传感器的开发铺平了道路，c m o s 传感器的性能因此大大提高， c m o s 图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点，日立、三菱等研究机构 曾推出基于m o s 图像传感器的摄像机，其成像质量不如当时生产的c c d 。8 0 年 代中、后期，当c c d 在可见光领域得以广泛应用时有的混合式红外焦平面阵列采 用了c m o s 图像传感器。9 0 年代以来，v l s i 技术的发展和用户对小型化、低功 耗和低成本成像系统的需求，研究c m o s 图像传感器再次成为热点。美国、日本 等国家和欧洲的一些国家均投巨资开发、研究c m o s 图像传感器，并取得令人满 意的成果。c c d 技术在过去1 5 年里一直主宰着图像传感器市场，十年来大规模集 成电路的工艺成就使今天c m o s 图像器件及其支撑外围电路的设计条件，比过去 好了很多。随着c m o s 集成电路工艺的不断进步和完善，采用亚微米和深亚微米 c m o s 集成电路工艺制造的c m o s 图像传感器芯片获得了迅速的发展和广泛应 用。 至今已研制出三大类c m o s 图像传感器，即c m o s 无源像素传感器， ( c m o s p p s ) 、c m o s 有源像素传感器( c m o s a p s ) 和c m o s 数字像索传感器 ( c m o sd p s ) 。在此基础上又问世了c m o s 视觉传感器( c m o sv i s u a ls e n s o r ) 、 t 立交道盔堂亟堂位i 金塞丛qs 图像佳壁墨篮金 c m o s 应力传感器：( c m o ss t r e s ss e n s 0 0 ，c m o s 对数极性传感器( l o g - p o l a rc m o s s e n s 0 0 、c m o s 视网膜传感器# ( c m o sr e t i n a ls e n s o r ) 、c m o sm 型传感器( c m o s f o v e a t e ds e n s o r ) 、对数变换形c m o s 图像传感器( l o g a r i t h m i c - c o n v e r t i n gc m o s i m a g es e n s o r s ) 、轨对轨c m o s 有源像素传感器( r a i l t o r a i lc m o sa c t i v ep i x e l s e n s o r ) 、单斜率模式c m o s 图像传感器( s i n g l es l o p em o d ec m o si m a g es e n s o r ) 和 c m o s 指纹图像传感器( c m o sf i n g e rf r i n g es e n s o r ) 等。其中发展最快的是 c m o s p p s 和c m o s a p s 。这两种类型的摄像器件已经进人商品化和实用化阶段， 但是对全面改善c m o s a p s 性能的工作还在深人进行。 2 2c n o s 图像传感器的研制现状及发展趋势 9 0 年代以来，v l s i 技术的发展和市场对小型化、低功耗和低成本成像系统的 需求使c m o s 图像传感器得到迅速发展。目前已有多种c m o s 图像传感器新产品 问世：美国o m n i v i s i o n 公司研制的6 4 0 x 4 8 0 、1 0 2 4 7 6 8 ( 黑白、彩色) c m 0 s 图像 传感器及正在开发的高分辨率1 2 8 0 x1 0 2 4 c m o s 图像传感器：r o c k w e l l 半导体系 统所研制的用于数字和视频领域的6 4 0 x 4 8 0 、8 0 0 6 0 0 、9 6 0 7 2 0 阵列高分辨率 c m o s 图像传感器；另外，k o d a k ，h a m a m a t s u ，i m e c ，a t & t ，l u c e n tt e c h n o l o g i e s i b m 和h y v n d a i 等公司均开发出各种类型的c m o s 图像传感器。同时，基于c m o s 图像传感器的应用系统也不断出现如v l s iv i s i o n 公司生产的单色3 8 4 x 2 8 7 像素 和3 2 0 x2 4 3 像素的摄像机；美国宇航局喷气实验室设计的1 0 2 4 x1 0 2 4 c m o s 图像 传感器的彩色相机；s u n n i 公司正在开发用于指纹识别和二维条形码识别的高集成 度c m o s 图像传感器，可用于高速、低成本光学存储o e m c c d 图像系统。通过提 高c m o s 制造工艺。可以不断提高c m o s 传感器的分辨率；通过采用新工艺和改善 相关双采样电路，可以有效降低固定模式噪声，缩小暗电流；通过采用棱镜或在光敏 元下使用一层掺杂层可以有效提高填充系数，最高可达1 0 0 ；一种阶跃的复位栅电 压技术使采用a p s 技术的c m o s 图像传感器的动态范围提高到9 0 d b ；采用a s i c 技术的薄膜图像传感器允许增强局部像元对比度，使动态范围达到1 2 0 d b ：新型 u s b 计算机接口及红外接口技术在图像传感器中的应用，增强了系统开发的灵活 性。可以预见，c m o s 图像传感器将在越来越广泛的领域得到应用，并将进一步推动 数字图像技术的发展 c m o s 图像传感器的前途是光明的。随着多媒体、数字电视、可视通信等市 e 基窑适盔堂亟堂位逾塞丛qs 图速佳盛矍篮盆 场的增加，c m o s 图像传感器应用6 i 景更加广阔。在实现小单元尺寸方面，c m o s 图像传感器取得了快速的进步，已有5 6 m m 5 6 p m 单元尺寸的报道。当采用0 2 5 p m 特征尺寸的工艺技术，将生产出高性能的c m o s 图像传感器。高性能单芯片c m o s 摄像机有希望在短期内出现，单芯片彩色c m o s 摄像机有望在今后两年内出现。 目前，人们主要致力于提高c m o s 图像传感器，尤其是c m 0 s a p s 的综合性 能，缩小单元尺寸，调整c m o s7 - 艺参数，将时钟和控制电路、信号处理电路、 模，数转换器、图像压缩等电路与图像传感阵列完全集成在一起，并制作滤色片和 微透镜阵列，以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。c m o s 图像传感器正朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、高帧速、集成化、数字化、 智能化的方向发展。 2 3传感器c o d 与c m 0 $ 的对比 c c d 和c m o s 之间的主要差异是数据传送的方式不同，c c d 传感器中的每 一行中的每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最低端部分输 出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在c m o s 传感器中，每个像素 都会邻接一个放大器及a 仍转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。造成 这种差异的原因在于：c c d 的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个 像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理：而c m o s 工艺的数据在传送距离较长 时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。正是由于数据传送 方式的不同，造成了两者之间的本质差别。 1 成本 由于c m o s 传感器采用半导体电路最常用的c m o s 工艺，可以轻易地将周边 电路( 如a g c ，c d s ，时钟，d s p 等) 集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯 片地成本；而c c d 传感器采用电荷传递的方式传数据，其中有一个像素不能运行， 将会导致一整排的数据不能传送，控制c c d 传感器的成品率会比c m o s 传感器困 难的多。因此，c c d 传感器的成本要高于c m o s 传感器。 2 灵敏度 c c d 的感光信号以行为单位传输，电路占据像素的面积较小，这样像素点对 光的感受就高些；而c m o s 传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构 成( 含放大器与a d 转换电路) ，使得每个像索的感光区域只占据像素本身很小的 表面积，像素点对光的感受就低，因此下个泥塑尺i r 相同的情况下，c c d 传感器 的灵敏度就要高于c m o s 传感器。 4 b 塞奎适盘堂亟堂位论奎丛q 图丝佳盛登简盆 3 分辨率 c m o s 传感器上集成有放大器，定时，a d c 等电路。每个像素都比c c d 传 感器复杂。因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，c c d 就可以 做得更密。通常c c d 传感器的分辨率会优于c m o s 传感器的水平。 4 噪声 c c d 的特色在于充分保持信号再传输时不失真( 有专属通道设计) ，透过每一 个像素集合至单一放大器上做统一处理，可以保持资料的完整性。相对地，c m o s 地设计中每个像素旁边就直接连着a d c ( 放大兼模拟数字信号转换器) ，信号直 接放大并转换成数字信号。c m o s 地制造工艺较简单，没有专属通道地设计，因 此必须先放大再整合各个象素地资料。所以c m o s 计算出地噪点要比c c d 多，这 将会影响到图像品质。 5 功耗 c m o s 传感器的图像采集方式为主动式，即感光二极管所产生的电荷会直接 由晶体管放大输出；而c c d 传感器为被动式采集，需要加电压让每个像素中的电 荷移动，除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远 高于c m o s 传感器。 6 响应速度 由于c c d 采用串行连续扫描的工作方式，必须一次性读出整行或整列的像素 数据。而c m o s 由于采用单点信号传输，通过简单的x y 寻址技术，允许从整个 排列、部分甚至单元来读出数据，从而提高寻址速度，实现更快的信号传输。 可以看出，c c d 在多个方面都占据着一定的优势。而且c c d 技术还在发展当 中，如富士公司的超级c c ds r ( s u p e rd y n a m i cr a n g e ，超级动态范围) 相对于同 等数量像素的传统c c d 而言，它有更高的灵敏度、更高的信噪比和更大的动态范 围。但是c m o s 传感器的低功耗、可集成性及快速响应是它的最大优点。虽然 c m o s 的早期产品应用情况并不十分理想，生成的图片质量差，噪波也大，而且 图像处理性能也不好，但是经过多年发展，c m o s 技术得到了充足的发展。如果 c m o s 传感器能在图像噪声和成像质量方面还存在着一定的问题，则c m o s 图像 传感器漆树将会更加区域成熟，相信未来会有更加广阔的自口景。 2 40 n o s 图像传感器低功耗的意义 c m o s 图像传感器广泛应用于人们生活的各个方面。比如：各种数码相机、 v c d 、d v d 、数字电视以及各种网络媒体设备等等。而第三代( 3 g ) 移动通信将 要以更高的输出传输速度提供实时可视通信，这给c m o s 图像传感器提供了更加 j 塞鸾适太堂巫堂僮途室 丛qs 图堡接壁墨西盆 广阔的发展空间。s o c 技术的出现使完整的数字信息处理系统集成在一个芯片上 成为可能。随着集成电路的规模不断扩大，数字信息处理设备的体积不断减小， 使得许多原来的桌上设备变成了小巧的手持设备。 从世界范围内的通信、自动化以及信息处理和消费类电子的市场来看，它们 正在以前所未有的速度迅速扩大，而这种蓬勃发展是被微电子器件尺寸不断缩小 和相应的器件集成度不断提高推动的。集成电路芯片的功能几乎每两年翻一番， 同时电路的工作速度也以相同的速度提高。单位时间内信号的翻转数量和整个芯 片的面积达到了极限程度，所以芯片集成度的进一步提高受到了限制，这其中的 主要原因是由于信号翻转时对芯片中节点电容负载的充放电会产生很大的动态功 耗，芯片的温度会随之上升，当温度高到一定程度后，电路的工作性能受到严重 的影响甚至致使整个芯片烧毁。 功耗大还会带来一系列其它问题。比如对于很多消费类电子产品，尤其是具 有语音和图像处理功能的产品来说，需要很强的信号处理能力，而且由于成本问 题这类产品最好使用塑料外壳。塑料外壳限制了产品的功耗最好小于2 w 。另外功 耗大还会使电源电池的成本增加，也会使器件散热的成本增加，功耗大还会带来 电路的待机时间减小等问题。 所以对于各种包含c m o s 图像传感器的手持电子设备，为了减小电池的体积 和成本，延长电池使用寿命和设备待机时间，以及保证芯片在正常的工作温度下 工作，c m o s 图像传感器的低功耗设计技术非常重要。 对于各种非掌上电子设备来说，虽然电源不是问题，但是随着c m o s 集成电 路工艺的不断进步，单位面积上品体管的数量迅速增加。由于每个晶体管在工作 时都会产生热量，所以过高的晶体管密度将使芯片的局部温度迅速上升。过高的 温度不仅会使c m o s 图像传感器的工作不稳定，而且还有可能烧毁整个电路。虽 然采用散热设备在某些情况下是可行的，但是这样不仅增加了设备的成本，而且 在有些特殊场合，散热设备也不能从根本上解决温度过高问题。 综上所述，对于包含c m o s 图像传感器的产品来说，无论是手持电子设备还 是非手持电子设备，要想不断提高产品的处理能力、降低成本、减小体积，不断 改进和提高c m o s 图像传感器的低功耗设计技术至关重要。 e 立銮适太堂亟堂芷迨塞丛q s 国丝佳壁墨曲匾理厘结趋 3c m o s 图像传感器的原理及结构 本章主要从象素结构，触发器扫描电路以及a d c 的结构等几个方面讲述 c m o s 图像传感器的原结构，并对c m o s 图像传感器的工作原理进行了详细介绍。 最后还对图像传感器的功耗进行了分析。 3 1 c m o s 图像传感器的结构 行选通逻辑 - - 卜 定孵和投制 - 卜 输出 像元阵列 一 模搬信号处理嚣 _ 卜 列平行 ，d 转换器 _ 卜 歹| j 选通逻辑 图3 1c m o s 图像传感器总体结构 c m o s 图像传感器的总体结构框图如图3 1 。它们一般由光敏单元阵列、行选 通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路，在片模拟信号处理器( a s p ) 构成。更高级 的c m o s 图像传感器还集成有在片模数转换器( a n c ) 。 c m o s 图像传感器的光敏单元有无源像素结构和有源像素结构两大类。后者 主要有光敏二极管型和光栅型两种，其他特殊结构还有对数传输型、钉扎光敏二 极管型、浮栅放大器型等。行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，或是译 码器。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时问、控制数据输出率等。 在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样、双取样 等功能。在片模拟数字转换器是在片数字成像系统所必需的，c m o s 图像传感器 可以是整个成像阵列有一个a d c 或几个a d c ( 每种一个颜色) ，也可以是成像阵列 每列各有一个a d c 。 c m o s 图像传感器图像信号有几种读出模式。整个阵列逐行扫描读出是一种 7 塞奎适叁茔亟 堂焦迨塞丛qs 国堡莹璧置鲍压理丛结均 普通的读出模式。窗口读出模式仅读出感兴趣窗口内像元的图像信息，这种读出 模式增a n t 感兴趣窗口内信号的读出率。跳跃读出模式每隔一个( 或两个或更多) 像元读出，这种读出模式用降低分辨率为代价，允许图像取样，以增加读出速率。 跳跃读出模式与窗1 ：3 读出模式结合，可实现电子全景摄像、倾斜摄像和可变焦摄 像。 下面针对c m o s 图像传感器中较为重要的几个部分进行详细介绍： 3 1 1c m o s 像素结构 图3 2 是典型的c m o s 像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的 每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送 入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。 图3 2 典型c m o s 像素阵列 c m o s 图像传感器像元电路分为无源像素传感器( p p s ：p a s s i v ep i x e ls e n s o r ) 和 有源像素传感器( a p s ：a c t i v ep i x e ls e n s o r ) ，a p s 引入一个有源放大器。c m o s 图像 传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构 和光栅型有源像素结构。 1 无源像素结构 1 9 6 7 年w e c k l e r 首次提出了光电二极管型无源像素结构。如图3 3 所示， 它由一个反向偏置的光电二极管和一个开关管构成。当歼关管歼启，光电二极管 与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器保持列线电压为一常数，当 光电二极管存贮的信号电荷被读取时，其电压被复位到列线电压水平。 同时，与 光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出。单管的光电二极管型无 源像素允许在给定的像元尺寸下，设计出最高的填充系数：而且由于填充系数高， 没有多晶硅叠层，量子效率较高。但由于传输线电容较大，c m o s 无源像素传感 器读出噪声较高，这是其致命的弱点。 图3 3p p s 像素结构 2 有源像素结构 几乎在无源像素结构发明的同时，人们很快认识到在像元内引入缓冲器或放 大器可以改善像元的性能。像元内有有源放大器的传感器称有源像素传感。由于 每个放大器仅在读出期间被激发，所以c m o s 有源像素传感器的功耗比c c d 的还 小。具体的说，有源像素技术是在每一个光敏元内集成一个或多个放大器，使每 一电信号在光敏元内就得到放大。使用这种技术的c m o s 图像传感器灵敏度高， 速度快，并具有良好的消噪功能。 根据光生电荷的不同产生方式c m o s 有源像素传感器的结构分为光敏二极管 型有源像素结构和光栅型有源像素结构。 ( 1 ) 光敏二极管型有源像素结构 1 9 6 8 年，n o b l e 描述了光敏二极管型有源像素传感器：( p d - a p s ) 。后来，这种 像素结构有所改进。光敏二极管型有源像素结构如图3 4 。 9 j e 壅交道太堂亟 堂僮逾童丛q s 圈拯佳壁墨的愿堡丛结翅 州 琶 图3 4 光敏二极管型有源像素结构 因为光敏面没有多晶硅叠层，光敏二极管型a p s 量子效率较高，它的读出噪 声由复位噪声限制，典型值为( 7 5 1 0 0 ) 个均方根电子。光敏二极管型有源像素每 个像元采用三个晶体管，典型的像元间距为1 5 x 最小特征尺寸。c m o s 光敏二极管 型a p s 适宜于大多数中低性能应用。 ( 2 ) 光栅型有源像素结构 光栅型有源像素传感器( p g a p s ) 在1 9 9 3 年由喷气推进实验室最早研究成功并 用于高性能科学成像和低光照成像。光栅型有源像素传感器结合了c c d 和x y 寻 址的优点，其结构图如3 5 。 州 竖 图3 5 光栅型有源像素传感器 光栅型a p s 每个像元采用5 个晶体管，典型的像元问距为2 0 x 最小特征尺寸。 采用0 2 5 , u m 工艺将允许达到和m 的像元间距。浮置扩散电容典型值为1 0 f f 量级， 产生2 0 # t v e 的增益，读出噪声一般为( 1 0 2 0 ) 个均方根电子，已有读出噪声为5 个均方根电子的报道。 1 0 e 塞奎适盔堂亟土堂焦途塞丛qs 国速佳盛登曲厦堡丛结盟 3 1 2 触发器结构的扫描电路 传统的触发器结构的扫描电路是由输入与输出端依次相连的触发器组成的， 在时钟信号的统一触发器下，保证所有的触发器在统一的节拍下工作。由于触发 器结构的行、列扫描电路的结构和工作原理相同，不同的只是它们的时钟频率， 所以这里只研究列扫描电路的结构和工作原理。图3 6 为触发器结构的扫描电路原 理和波形图，其中3 6 a 为电路原理图，3 6 b 为工作波形图。其中c l k 为列扫描的 时钟信号，a i ，a i + l ，a i + 2 等为输出的列扫描信号。在c l k 的触发下，所有的触发 器同时把其输入端d 的信号传给其输出端，由于在所有的触发器中，只有一个输 出信号为高电平，所以在每个列扫描时钟周期内只有一路列扫描信号的输出为 1 ，如图3 6 b 所示，这样就可以得到所有列的扫描信号。 c ( a ) 电路掠理图 c l k 厂 厂 厂 厂 厂 厂 a 。厂 a 。厂 a 。厂 钆”_ ( b ) 工作波形图 图3 6 触发器结构的扫描电路原理和波形图 下面对图3 6 触发器结构的扫描电路功耗进行分析： 1 肘钟d k 的功耗： 在触发器结构的列扫描电路中，触发器的水平分柿应与a p s 阵列的列分布相 同，而每个a p s 为了有足够的光照强度，其面积都不能太小，所以高分辨率的a p s 阵列必然对应很多水平分布距离很长的触发器。由于这些触发器都需要由时钟c l k 来同步，而时钟信号在i c 中是由铝来实现的，其宽度不能小于i c 版图设计规则， 所以这样就使得e l k 上的负载电容很大，在列扫描速度很高时，驱动时钟信号的负 载就需要很大的电流，而这必将带来很大的功耗。 2 每个触发器的输入负载电容带来的功耗： 电路所需的触发器的数量与图像传感器的水平分辨率相同，因此当图像传感 器的分辨率很高时，触发器的数量也很多。由于每个触发器的时钟输入端都有输 入负载电容，而每个触发器的输入负载电容都与时钟c l k 相连，这样时钟信号不仅 有本身的金属线电容，而且还要加上所有的列触发器输入负载电容。所以当水平 分辨率增加时，时钟信号的金属线不仅长度增加，而且由触发器带来的输入负载 电容也增加。 3 空翻的触发器带来的功耗： 从图3 6 b 的工作波形可以看出，在每个扫描时钟上升沿的触发下，只有一个 触发器发生状态翻转，而其它未发生状态翻转的触发器不仅给时钟信号提供如前 所述的输入负载电容，而且从图3 6 所示的典型触发器的电路原理图可以看出，无 论触发器是否发生了状态翻转，时钟信号的上升沿和下降沿都会使触发器内部的 两个时钟信号缓冲器发生翻转，而每个缓冲器最少驱动两个逻辑门。图中的c k n 为触发器的时钟信号，在列扫描电路中与列扫描时钟信号c l k 相连，d 为触发器的 输入端，q 为触发器的输出端。从图3 7 可以看出，c k n 作为触发器时钟信号的 输入端，从c k n 进入的时钟信号在触发器内部进行两次反相，分别得到c k n 的 反相信号c 和同相信号c n 。反相信号c 和同相信号c n 作为触发器内部传输门和 逻辑门的控制信号，使触发器实现沿触发的功能。可以想象当列扫描时钟以很高 的频率发生翻转时，无论是上升沿还是下降沿，扫描电路中所有的触发器内部都 在同时对列扫描时钟信号进行两次反相，而且每个反相器都要驱动最少两个门的 输入负载电容，这将给电路带来很大的功耗。 e 塞銮适盘堂亟 堂位淦奎丛q s 图堡佳盛矍盥厦垄丛结控 q q n 图3 7 典型的触发器电路原理图 除了有前面所述的功耗方面的问题，触发器结构的扫描电路还会给a p s 阵列 的图像信号带来很大的噪声。由于a p s 阵列作为光电转换电路属于模拟电路，而 模拟电路性能的好坏直接与电路的噪声有关。如前面所述，时钟树不仅负载电容 大，而且其上升沿和下降沿都会使所有的触发器内部的时钟缓冲器发生翻转，这 会产生一个很大的噪声电流，这个噪声电流通过衬底耦合到a p s 阵列，对信号的 光电转换和a d 变换产生很大的影响，大大降低了获取图像的质量或速度。 除了有前面所述的功耗方面的问题，触发器结构的扫描电路还会给a p s 阵列 的图像信号带来很大的噪声。由于a p s 阵列作为光电转换电路属于模拟电路，而 模拟电路性能的好坏直接与电路的噪声有关。如前面所述，时钟树不仅负载电容 大，而且其上升沿和下降沿都会使所有的触发器内部的时钟缓冲器发生翻转，这 会产生一个很大的噪声电流，这个噪声电流通过衬底耦合到a p s 阵列，对信号的 光电转换和a d 变换产生很大的影响，大大降低了获取图像的质量或速度。 3 1 3a d c 的结构及分类 1 常用a d c 的结构 目前，已实用化的a d c 结构有：n a s h ( 全并行) 式、逐次逼近式、 双斜率式、 积分增量( s ) 式、流水线式等。 ( 1 ) f i a s h a d c f l a s h a d c 也称并行a d c ，工作时，并行操作，因而是最快的一类转换器。虽 e 立蛮通盘堂亟堂焦迨奎g 丛q s 图堡佳壁墨的厦理丛结捡 然f l a s h a d c 速度很快，仅由比较器和编码器的延迟所限制，但需要n 一1 个比较 器( n 是位数) ，因此，每增加一位，所需比较器数目加倍，这需要芯片上巨大面积。 其次，a d c 精度与生产电阻或电容的工艺有关，没有特殊校准时，精度限制在8 - 1 0 位。所以，f l a s h a d c 具有速度高、功耗大、芯片面积大、成本高、输入电容大等 特点。 ( 2 ) 逐次逼近a d c 逐次逼近a d c 工作时，把输入电压与d a c ( d a 转换) 的输出相比较，调整与 d a c 的输出相对应数字量使d a c 的输出逐次逼近模拟输入，最终，逐次逼近a d c 收敛于纠正的数字量。对于n 位转换，逐次逼近a d c 需要n 个时钟周期。 ( 3 ) 单斜率a d c 单斜率a d c 即计数转换器，与逐次逼近型相似但更简单，如图3 8 所示。二进 制记数器( b i n a r y c o u n t e r ) 增加或减少，直到d a c 输出刚好超过或在模拟输入以下， 比较器禁止记数，此时，二进制记数器的输出是模拟电压的最好数字近似。其转 换速度与转换的电压有关，因此速度和精度不好，但面积和功耗相对较低。 图3 8 单斜率a d c 示意图 ( 4 ) 双斜率a d c 双斜率a d c 是另一种记数转换器，但比单斜率方法更复杂，对工艺变化抗干 扰性强，如图3 9 所示。 工作时，积分器a ( i n t e g r a t o r ) 在固定的时间周期对模拟输入进行积分，参考电压 获得同样最终积分值所需的时间用二进制记数器测量。这种转换精度可以非常高， 但以较长积分时间为代价，另外，面积和功耗相对较低。 j e 塞銮适盘堂亟 堂壁论塞m q s 图堡篮盛墨鳆匾堡厘结也 矿 i 图3 9 双斜率a d c 示意图 ( 5 ) s - - a a d c s - - a a d c 基于平均基础上，对工艺变化不敏感，最简单的形式如图3 所示。 在每个时钟周期，积分器( s u m m e r ) 累加输入电压的倍数，直到所累加电压超过参考 电压，输出口为1 ，在同时，反馈环减去，随后重复此过程，在几个周期后g 又 为1 。二进制记数器在2 n 个时钟周期( n 为位数) 记录1 的个数，给出输出结果。 图3 1 0 最简单的a d c 方框图更复杂的s - - a a d c a d c ( 如二阶等) 是可能的，它们 减少了给定位数，所需时钟周期数，但以额外循环为代价，成本更高。 图3 1 0 最简单的s a a d c 方框图 2 c m o s 图像传感器中集成a d c 的分类 随着c m o s 工艺的发展，近几年来c m o s 数字图像传感器( d p s ：d i g i t a lp i x e l s e n s o r ) 得到迅速的发展c m o s 数字图像传感器在片内对信号进行数字化，即在 芯片内集成a d c 目前在c m o s 图像传感器上集成a d c 的方法可以分为像素级、 列级和芯片级 ( 1 ) 芯片级a d c 的数字图像传感器 图3 1 1 为带芯片级a d c 的数字图像传感器的基本结构。在芯片上集成一个 d 转换器，每个像素的输出都要经过该a d c 转换后输出，整个传感器阵列使 用一个高速a d c ，是目前比较常用的方法，可以采用单斜率a d c 或算法a d c 来 实现。由于a d c 作为一个独立的结构放在像元列阵外，所以a d c 得面积不受很 强的限制。但足这种方法要求a d c 的转换速度：作常快，对于视频信号而言，要 高达1 0m s 。同时a d c 的高速转换速率还会带来较大的功耗，而且像素列阵与 j e 塞銮适叁望亟鲎僮迨塞 丛qs 圈拯佳盛登的厘堡丛结也 a d c 之间的数据传输是模拟信号，不可避免会引入额外的噪声，从而影响整个系 统性能。 图3 1 1 芯片级a d c d p s 结构框图 ( 2 ) 列级a d c 的数字图像传感器 为了降低a d c 的工作速率，采用了列级集成a d c 的方法如图3 1 2 所示， 即图像传感器阵列的一列共用一个a d c ，从而构成一个a d c 线阵列a d c 在并行 方式下，对逐列信号进行a d 转换，所以对速度的要求可以有所降低，所以可以 采用速度较低的逐次逼近a d c 图3 1 2 列级a d c d p s 结构框图 ( 3 ) 像素级a d c 数字图像传感器 塞銮适太堂亟 堂垃途奎m qs 国堡佳壁銎的愿理丛结捡 为了进一步降低a d c 的速度，采用了像素级a d c ，即图像传感器的每一个 像元或者邻近的一个像元组( 如2 x 2 、2 3 等) 对应一个a d c ，而a d c 在并行 方式下工作图3 1 3 为采用像素级a d c 实现的图像传感器框图，图中的像元块内 包含一个a d c 由于每个像素采用一个a d c ，而每个像素同时开始a d 转换，从 而大大降低了a d c 的采样率，一般可以降到每秒几十次用像素a d c 实现的 c m o s 数字图像传感器具有信噪比高、功耗低、信号量测性好、a d c 的速度低、 与标准的c m o s 数字工艺兼容等特点但是，由于有限的芯片尺寸，像素级的d 转换器不易实现目前常用的有精简型过采样a 结构的a d c ，以及多路位串行 ( m c b s ) 结构的a d c 数 字 读 出 重 - 兀 阵 弼 图3 1 3 像素级a d c 数字图像传感器 3 2 c m o s 图像传感器的工作原理 从某一方面来说，c m o 图像传感器是在每个象素位置内部有一个放大器，这 就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需 要在帧速率下进行重置。c m o 图像传感器的优点之一就是低的带宽，并增加了信 噪比。由于制造工艺的限制，早先c m o 图像传感器无法将放大器放在象素位置以 内。这种被称为无源象素传感器( p p s ) 的技术，噪声性能很不理想。随着制作工 艺的改善，使得在象素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，象索位置以内 1 7 e 立交适塞堂亟堂位论塞丛qs 圈逐佳盛墨盟厘堡星结控 已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双取样 电路等多种附加功能。实际上在c o n e x a n t 公司( 前r o c k w e l l 半导体公司) 的一台先 进的c m o 图像传感器上的每一个象素中都设计并使用了6 个晶体管。测量到的读 取噪声只有一个电子。不过，随着象素内电路数量的不断增加，留给光敏二极管 的空间逐渐减少。为了避免这个比例( 又称填充系数) 的下降，一般都使用微透镜。 这是因为每个象素位置上的微小透镜都能改变人射光线的方向，使得本来会落到 连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。因为电荷被限制在象 素以内，所以c m o 图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在象素 位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传送到输出放大 器中。因此既然电压是直接被传送到输出放大器中，就不会发生 传输过程中的电荷损耗以及随后产生的图像模糊现象。它的不利因素是每个 象素中的放大器的阈值电压都有着细小差别，这种不均匀性会引起固定图形噪声。 然而随着图像传感器的设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到了显著弱 化。多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行 了。实际上c m o s 图像传感器是属于一种多功能摄像器件。该器件工作过程是这 样的：首先进人“复位状态”，然后进人“取样状态”，最后进入“读出状态”。【6 】 3 3图像传感器的功耗分析 根据图像传感器的典型结构，可以把其功耗分为a p s 阵列的功耗、a d c 的功 耗和扫描电路的功耗。对于a p s 阵列的功耗，简单的来说应该包括a p sq - 作电流 功耗和a p s 复位电路功耗。 扫描电路对于图像传感器的典型结构来说是相同的。它的功耗应该包括行扫 描电路功耗和列扫描电路功耗。对于水平分辨率和垂直分辨率大致相同的a p s 阵 列来说，显然行扫描频率将远远小于列扫描频率，而假如行和列扫描采用相同电 路结构，则列扫描电路功耗将远远大于行扫描电路功耗，甚至行扫描电路功耗相 对与列扫描电路功耗来说可以忽略不计。所以降低列扫描电路功耗对于降低扫描 电路功耗来说更加有效。 c m o s 图像传感器正在向着高分辨率、高图像获取速度方向发展。其中高分 辨率的意义不言而愈，它是获得高质量画面的必然要求。而高图像获取速度在一 些特殊的场合也是必要的。比如在研究迅速变化的物理或化学