（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器动态范围扩展技术的研究.pdf

中文摘要 c m o s 图像传感器是集光电探测器、模拟电路和数字电路于一体功能完善的 超大规模数模混合集成电路。相对于c c d 图像传感器技术，c m o s 图像传感器 具有低成本、低功耗、随机读取、单片集成等优点，具有广泛的应用前景。 本论文重点研究了c m o s 图像传感器动态范围扩展技术。首先分析半导体 光电效应的基本原理，典型的c m o s 工艺兼容光电探测器，以及c m o s 图像传 感器本身所具有的局限性，还详细分析了c m o s 图像传感器中的随机噪声源和 固定模式噪声源，并对固定模式噪声进行理论推导，从而为对数有源像素的固定 模式噪声消除奠定基础。 动态范围是图像传感器成像质量的重要指标，动态范围较大就可以探测到更 宽光强范围内的场景信息，探测到的图像细节更丰富。但由于硅材料本身最大的 光动态范围低于应用要求，研究动态范围扩展技术是c m o s 图像传感器拓展其 大动态范围应用领域的迫切需要。本文分别从三个层次研究动态范围扩展技术， 具有独创性：首先，重点研究光电对数响应技术，这种技术改变了像素单元结构， 属于像素层次上的探索；其次，研究了自动增益控制技术，通过调节预处理放大 器的增益实现动态范围扩展，属于像素模拟预处理电路层次上的探索；最后，研 究了自适应曝光调节技术，通过调节曝光时闻自适应环境光强，属于c m o s 图 像传感器s o c 系统层次上的探索。 本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像传感器 研究”的重要组成部分，同时也是国家自然科学基金资助项目“基于深亚微米大 动态范围、千万像素c m o s 图像传感器关键技术研究”的重要组成部分。 关键词：c m o s 图像传感器；动态范围；对数有源像素；双采样技术；固定 模式噪声；自适应曝光 a b s t r a c t c m o si m a g es e n s o ri sav e r yl a r g e s c a l em i x e di n t e g r a t e ds y s t e m , i n t e g r a t e d w i t h p h o t o d e t e c t o r s a n a l o g c i r c u i t sa n dd i g i t a l c i r c u i t s c o m p a r e dw i t hc c d t e c h n o l o g y , c m o si m a g es f f l l s i o rc a n b ef a b r i c a t e dw i t ht h es t a n d a r dc m o s p r o c e s s e s t h em a i na d v a n t a g e so fc m o si m a g es e n s o r sa r et h e i rh i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n , r a n d o ma c c e s s i b i l i t y , a n dl o w - v o l t a g e ，l o wp o w e ro p e r a t i o n a p p l i c a t i o np r o s p e c to f c m o si m a g es e n s ei sa b r o a d f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fs i l i c o np h o t e e f f e c t ，c m o sc o m p a t i b l e p h o t o d e t e c t o r sa n dl i m i t sf r o mt h ec m o si m a g e8 e 】t 3 s o r s e c o n d l y , r a n d o mn o i s e s o u r c e sa n d 缸e dp a t t e r nn o i s es o u r c e sf r o mc m o si m a g e8 e f l s o ra r ea n a l y z e di n d e t a i l ，a n dt h e nf i x e dp a t t e r nn o i s ew a sc a l c u l a t e di nt h e o r y d y n a m i cr a n g ei sac r i t i c a lf i g u r eo f m e r i tf o ri m a g es e n s o r s o f t e nas e n s o rw i t h h i g h e rd y n a m i cr a n g ei sr e g a r d e da sh i g h e rq u a l i t yt h a no n ew i t hl o w e rd y n a m i c r a n g e s i n c eas e n s o r 、新也h i g h e rd y i i a m i c c a l ld e t e c taw i d e rr a n g eo fs c c l l e i l l u m i n a t i o nt h a no n e 、i t l ll o w e rd y n a m i cr a n g e i tc a np r o d u c ei m a g e sw i t hg r e a t e r d e t a i l d y n a m i cr a n g eo fs i l i c o ni so f t e nn o tw i d ee n o u g ht os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fa p p l i c a t i o n i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt e c h n i q u e so fe n h a n c i n gd y n a m i cr a n g eo f c m o s i m a g es e n s o r i ti sn e c e s s a r y t os t u d y t e c h n i q u e so f e n h a n c i n gd y n a m i cr a n g eo f c m o s i i t h g g cs e n s o lt h r e et e c h n i q u e so fe n h a n c i n gd y n a m i cr a n g ef r o mt h r e el e v e l sw a s i n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r ：f i r s t l y , t e c h n i q u eo fp h o t o e l e c t r i cl o g a r i t h m i cr e s p o n s ew a s s t u d i e d ，a n dt h em e t h o dc h a n g e dt h ep i x e ls t r u c t u r ea n db e l o n g e dt op i x e ll e v e l ； s e c o n d l y , t h et e c h n i q u eo fa u t o m a t i cg a i nc o n t r o lw a sr e s e a r c h e d ，a n dt h em e t h o di s r e a l i z e db ya d j u s t i n gt h eg a i no fp r e - a m p l i f i e ra n db e l o n g e dt ot h el e v e lo fa n a l o g p r e p r o c e s s i n g ；f i n a l l y , t h et e c h n i q u eo fa d a p t i v ea d j u s t i n ge x p o s u r ew a si n v e s t i g a t e d ， a n dt h em e t h o di s i m p l e m e n t e db ya d j u s t i n ge x p o s u r et i m e t o a d a p t s c e n e i l l u m i n a t i o na n db e l o n g e dt os y s t e m o n - c h i p ( s o c ) s y s t e ml e v e lo fc m o si m a g e s e 】r s o r t h ep a p e ri sap a r to fr e s e a r c hw o r ko nt i a n j i nt e c h n o l o g i c a lk e y p r o j c o t “s t u d y o nc m o si m a g es c a s o r sw i ml a r g ed y n a m i cr a n g ea n dh i 曲p e r f o r m a n c e ”，a n di ta l s o i sap a r to ft h ep r o j e c t ，s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , s t u d yo nk e yt e c h n i q u e so fl a r g ed y n a m i cr a n g ea n dt e n so fm e g ap i x e l sc m o s i m a g es e n s o rb a s e do nt h ed e e ps u b m i e r o np r o c e s s e s k e yw o r d s ：c m o si m a g es e n s o r , d y n a m i cr a n g e ，l o g a r i t h m i ca c t i v ep i x e l s e n o r , d o u b l es a m p l et e c h n i q u e ，f i x e dp a t t e r nn o i s e ( f p n ) ，a d a p t i v ee x p o s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或攘写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：稍1 炭习么 签字日期：卵5 年月易g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘空盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 村憾揿 2 月二苫日 导师签名： 撕定 签字日期：尹舌年月舻日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 从古到今，不断去收集、感知、处理信息是人类以及其他各种生物适应环境， 改造环境并生存下来的极其关键的手段之一。人类的五官赋予了自己视觉、听觉、 嗅觉、触觉、昧觉以便更好的收集数据和信息。五官之中，眼睛扮演了一个极其 重要的角色，人们通过眼睛视觉系统提取的信息量为最多，也最为丰富多彩，最 为可靠。俗话说，“百闻不如一见”正是说明了这个道理，可以说人类绝大多数 信息的获得都要依赖于眼睛【i j 。随着科学技术的发展，人类开发出诸多的设备来 加强信息的存取。如果说现代数字计算机相当于人的大脑，那么图像传感器则相 当于人的眼睛脚。 图像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界 和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各 种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生和发展过程等等。可见图像传 感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中超到非常重要的作用。可以 说，现代人类活动已经无法离开图像传感器【l 】。 自十九世纪照相机发明以来，照相技术已经有了很大的改进。最早的光学照 相机使用胶片来存储信息，这种技术曾经非常流行且目前仍在应用。随着照相技 术的发展，未来代表照相机技术最高水平的将是电子摄像系统。电子照相机所拍 摄的图像能方便输入到电脑中显示并处理，而传统胶片照相机就需要通过扫描仪 才能输入到电脑。电子照相机的诞生以后，电子照相机经历了真空管图像传感器， c c d 图像传感器，c m o s 图像传感器三个阶段【i j ，电子照相技术的发展可谓日 新月异。 目前，各种各样电子相机在各个领域都有非常广泛的用途，如拍摄静止画面 的数码相机、便携式摄像机、用于文件扫描的相机、红外相机、x 射线相机、天 文望远镜和显微镜等等。尽管应用的范围差异很大，但是所有的电子相机都有着 相同的基本功能元件，需要有收集光子的光学器件( 如透镜) ，特定波长的滤波 器，光电探测器( 如固态图像传感器) ，时序和控制电路，驱动电路，信号处理， 色彩处理，模数转换等部件组成 3 1 。 电子相机的核心部分是图像传感器，它的基本作用是将光信号转换为电信 第一章绪论 号。由于硅在可见光波长范围内有良好的吸收特性，并且硅的加工技术以及超大 规模集成电路制造技术已经相当成熟，所以硅基的图像传感器已经被深入研究。 在可见光波段，主要有两种硅基固态图像传感器：c c d 图像传感器和c m o s 图 像传感器。尽管这两种技术都使用硅为衬底，但它们在光学特性和工作方式上都 有很大的区别。正是由于c c d 技术制作的图像传感器的暗电流小、光灵敏度高、 固定模式噪声小【】，所以c c d 技术在过去的几十年中一直是固态图像传感器的 主流。然而，c c d 工艺与标准c m o s 工艺差异很大，c c d 技术不适合集成相机 的其它功能，如时序逻辑，信号处理等。因此，大多数c c d 相机一般都有多达 8 块的芯片( 至少需要3 块) ，如时钟控制电路芯片，a d c 芯片，图像处理芯片 等，而c m o s 技术刚好填补了c c d 技术的缺陷。 1 2 真空管图像传感器与固态图像传感器 图像传感器是在光电技术的基础上发展起来的，利用光电器件的光电转换功 能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。图像传感器的 工作基础就是光电效应，其主要分为两大类：内光电效应和外光电效应。真空器 件中的光电管或光电倍增管是利用外光电效应工作的，即入射光子打在阴极材料 上，将其内部电子轰击出来形成光电流，它随着入射光强改变而改变，从而可检 测出光信号。而半导体光电器件，包括光敏电阻，光电池，光电二极管，光电三 极管等，都是利用内光电效应。内光电效应与外光电效应最大的区别在于，内光 电效应中入射光予并不直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而只是将光电材 料内部的电子从低能态激发到高能态，于是在低能态留下一个导电空穴，而在高 能态上产生一个能自由移动的电子。这样一对由入射光子所激发产生的电子空穴 对，称为光生电子空穴对。光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变半导体 材料的导电性能，检测出这种改变就可探测出信号1 6 】。 图像传感器根据光电效应的种类不同，大致也分为两类，包括电子束摄像管、 图像增强管与变相管等真空管图像传感器，c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s 电荷耦 合器件1 、c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r 互补型金属氧化物半导体晶体管) 等半导体集成图像传感器( 也称为固态图像传 感器) ，图像传感器的分类如图1 1 所示。下厦简单介绍一下真空管图像传感器 和固态图像传感器。 第一章绪论 厂电子束摄像管 i 。r 真空管图像传感器 u 回岭 + 5 + 1 5 - 1 2 十2 + 5+ 6 5 + 9 圜b 国令画 ( c ) 图1 - 6c c d 照相机系统的实物图与模块图 ( 其中图a 4 1 为c c d 和时序控制p c b 板；图b t 4 为a d c ，a s i c ，单片机等辅助芯片的p c b 板；图c 为c c d 照相机系统的模块图) c c d 技术要求整个工作过程保持几乎完美的电荷传输效率，从而使c c d 器 件的应用受到了很大的影响，也是c c d 技术最主要限制性的根本原因。c c d 技 术的不足之处表现在以下几个方面【1 8 】： l ，易受辐射的影响； 2 工作需要相对复杂的、高速的移位时钟； 3 由于需要高速的时钟，导致功耗很大； 4 需要多个相对高的电源电压( 高到1 5 v ) ； 5 光电探性能优化要求采用非标准工艺，与c m o sv l s i 电路不兼容，因此很 第一章绪论 难将其他的信号处理电路和感光电路集到单个芯片上； 6 帧频受到每个像素串联读出和电荷传输效率等因素的限制： c c d 图像传感器最突出的优点就是低噪声，暗电流小，从而成像质量非常 好，尽管具有以上这些限制，c c d 仍然占据市场主流。自c c d 问世以来，研究 和开发的主要焦点是改善c c d 图像传感器的性能。在便携式摄像机和数码相机 巨大市场的驱动下，c c d 技术得到相当大的改善。为了降低生产成本，减轻光 学部件重量，像素尺寸越小越好；为了提高图像清晰度，像素阵列应不断增加。 近年来，c c d 研究重点已经转移到改善c c d 图像传感器的功能上，如电子曝光、 低功耗、简化电源等。 1 3 2c k l 0 s 图像传感器 c m o s 图像传感器采用的是标准的c m o s 工艺，但目前商业化的c m o s 图 像传感器也需要对标准c m o s 工艺做一定的改进，稍微增加一些成本，但其成 本远小于c c d 工艺。c m o s 图像传感器从像素结构上主要可以分为无源像素p p s 和有源像素a p s 。 1 3 2 1 明0 s 图像传感器的像素结构 如上所述，m o s 图像传感器的出现可以追溯到二十世纪6 0 年代，但是目前 研究的c m o s 图像传感器是基于8 0 年代末所开展的工作。直到9 0 年代初；c m o s 无源像素图像传感器( p p s ) 一直是各个国外大公司和科研单位的研究重点，1 9 6 7 年，w e c k l e r 首次提出无源像素的概念【1 2 】，这种像素结构非常简单如图1 7 所示， 由一个光电二极管和一个传输晶体管组成。正是由于像素单元中只有一个开关 管，使得这种结构填充因子最大，对于特定的工艺而言，p p s 像素的尺寸是最小 的，成品率也就最高，成本最低。当行选信号选通，光电二极管就直接与列总线 相连，每条列总线底部都有一个电荷积分放大器读出电路保证列总线为常数，从 而减小k t c 噪声。选通后，光电二极管的电压复位到列总线电压，光照下产生 的与光强成比例电荷通过电荷积分放大器转化为电压值1 1 4 1 。然而由于列总线上寄 生电阻和电容的影响，无源像素图像信号的读出速度很慢，而且读出噪声很大， 无源像素的成像质量只有相同尺寸的c c d 图像传感器的十分之一，这使得无源 像素被限制应用在一些低端的产品上。现在，这种c m o s 无源图像传感器由于 自身的缺陷，已退出历史舞台，人们重点研究具有巨大潜力的有源像素a p s 。 第一章绪论 图1 7c m o s 无源像素p p s 的结构图 1 9 6 8 年，n o b l e 第一次提出在像素中用m o s 源跟随器作为读出的缓冲级， 这就是首次提出的有源像素a p s 的概念。但由于受到当时工艺条件的制约，有 源像素没有引起人们足够的重视，二十多年后日本广播协会的a n d o h 联合奥林 巴斯重新开始研烈1 蚰”，直到1 9 9 2 年，美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 的喷 气推进实验所( j p l ) 研究出一种尺寸很小的低噪声有源像素，a p s 才引起人们浓 厚的兴趣。此时所研究的c m o s 有源像素( a p s ) 结构一直沿用到现在，其结 构示意图如图1 8 所示。这种结构与c c d 器件和c m o s 无源像素都不同，每一 个像素都有自己的内部集成放大器。正因为这一点，这些像素被称为有源像素 ( a p s ) 。在每个像素里加一个源跟随器可以很大程度上增加读出速度，降低噪 声，因此a p s 大大缓解了p p s 最主要的缺点。然而2 0 世纪9 0 年代初c m o s 工 艺的特征尺寸仍太大，要在一个像素单元里集成多个m o s 管实现起来难度非常 大，可靠性差，成品率低，因此此时a p s 并没有实现商业化。随着c m o s 工艺 的特征尺寸向深亚微米发展，a p s 不仅仅成为c m o s 图像传感器的主流，同时 随着p p d 技术 2 2 2 4 和微透镜技术0 2 s 2 7 的出现使得c m o s 图像传感器的性能可以 和c c d 图像传感器一争高下。 第一章绪论 图1 - 8c m o s 有源像素a p s 的结构图 从图中可以看出，标准的a p s 单元包括一个光电探测器；一个复位晶体管 m i ；一个源跟随放大器的晶体管m 2 ；一个是行选通管m 3 。m 2 管利用栅极接收 信号，利用源极驱动负载，使源极电势能“跟随”栅压。光生电荷电压转换发生 在m 2 栅极电容上，此电容包括敏感节点的光电二极管电容和所有与该节点连接 的其它寄生电容。源跟随晶体管m 2 是用来隔离敏感节点的缓冲放大器。该缓冲 的负载是有源负载l 管，为了降低功耗，可以每列共用负载管。输出电路一般包 含一个采样保持电路和缓冲放大器，为了使采样值在读出之前能保持精确，就必 须增加缓冲放大器。 有源像素a p s 与无源像素p p s 最显著的区别在于像素内是否包含有源缓冲 器。有源像素内的有源缓冲器，连接光电探测器与列总线。通过增加缓冲管，像 素的光电探测器与列总线相隔离，而与有源缓冲管的栅极相连接，栅极寄生电容 远远小于总线电容。较小的敏感节点电容可以实现较高的数据读出速率和较小的 读出噪声。实现光电探测器与列总线相隔离的方案有许多，最典型的是使用源跟 随器、单位增益放大器如图1 - 9 所示。 k 。一 矿一 b i a s 1 。 圪甜 图i - 9 有源缓冲器( 左图为n m o s 源跟随器，右图为单位增益放大器) 由于源跟随器结构简单且使用m o s 晶体管数较少，因此n m o s 源跟随器是 - l o - 第一章绪论 有源像素通常选用的结构。但源跟随器会受到光刻失配和v t 变化的影响，在图 像传感器中产生很大的固定模式噪声。尽管单位增益放大器也会受光刻和v t 变 化的影响，但单位增益放大器的输入和输出之间存在负反馈，可以稳定保持增益 为1 ，然而由于运算放大器需要大量的晶体管，电路结构复杂，单位增益放大器 在像素中并不适用。有源像素中通常选用的结构为n m o s 源跟随器。 1 3 2 20 m 0 8 图像传感器的优势 c c d 与c m o s 图像传感器最根本的差别是读出电路结构。在c m o s 图像传 感器中，每一个像素都可以通过x - y 坐标系直接读出，而c c d 是通过电荷转移 读出。在c m o s 图像传感器中，无源像素中的电荷或有源像素中的电压是通过 与d r a m 存储器类似的行列译码器读出的，这意味着c c d 像素传输的是电荷， 而c m o s 有源像素将光生电荷转换为电压信号，并将信号直接读出。这种读出 电路结构上的差异以及制造工艺上的不同，使c m o s 图像传感器具有c c d 图像 传感器所不具有的一些优点： 1 c m o s 工艺日趋成熟，台积电t s m c ，联电u m c ，中芯国际s m i c ，特许 c h a r t e r e d 等半导体代工厂提供c m o s 工艺的多项目晶圆( m ：p w ) n 务，非常 方便。 2 在相同的最小特征尺寸下，c m o s 工艺的成本最低。 3 c m o s 电路及系统设计资源极为丰富，如标准单元库，口核等都可以直接使 用，同时支持c m o s 集成电路设计的e d a 工具最全，可靠性最高。 4 c m o s 工艺可以实现v l s i ( 超大规模集成电路) ，这可将摄像系统中所有必 要的功能都集成到单个芯片上。这样集成的片上系统s o c 避免了芯片组合 可能出现的问题，提高了图像传感器的可靠性，降低了成本。理论上，摄像 系统许多其他高级的数字信号处理功能，如便携式摄像机的防抖功能、图像 压缩、彩色编码、多种分辨率成像、移动跟踪、视频会议等功能，都可以集 成到芯片中【2 刖。 5 像素的信号可以根据行列进行随机存取，这种操作方式与d r a m 相似，从 而使得窗口读取成为可能。窗口操作的实现，图像传感器就可以增加图像压 缩、目标跟踪等功能【2 ”。 6 c m o s 有源像素一般都是并行读出和处理，电路本身的速度很快，这样就可 以在一些高速场合使用。据报道，百万像素c m o s 图像传感器阵列，最高帧 频可以达到5 0 0 f f s 。 7 c m o s 图像传感器的功耗仅为c c d 功耗的1 1 0 0 2 s ，这非常适合于笔记本电 脑、移动可视电话和便携式扫描仪等电池供电设备。 第一章绪论 尽管c m o s 图像传感器的固定模式噪声和暗电流都很大，成像质量比c c d 差，但是它低成本、低功耗、高集成度等优点不断吸引更多研究人员和工业界的 注意，使其运用领域不断拓展。 1 4a d c 在c m o s 图像传感器上的集成 c m o s 图像传感器最突出的优点在于集成度高，可以将像素阵列和时序控制 电路，a d c ，信号处理电路等摄像系统所需的各个功能模块都集成到单个芯片中。 作为数字相机，像素输出的模拟信号必须作数字化处理，c c d 图像传感器需要 外加a d c ，而c m o s 图像传感器中都在内部集成a d c 。根据a d c 在图像传感 器芯片上集成层次的不同，可以分成三种集成方法：芯片级a d c 【2 1 1 ，列级 a d c 3 2 - 3 6 1 和像素级a d c 3 7 - 4 2 1 。 1 4 1 芯片级a d o 所谓芯片级a d c 就是整个芯片只有一个a d c ，完成图像传感器的所有像素 模拟输出的数字化任务。芯片级a d c 的图像传感器结构示意图如图1 1 0 所示。 芯片级a d c 的方法概念简单，由于不占用像素中的面积，设计时面积方面的限 制因素小。但是因为在这种传感器只有一个a d c ，所以它的工作速度必须相当 高，一般与图像传感器中像素的数量成正比，对于视频而言其典型的值为每秒上 千万次抽样。a d c 高速度的要求给芯片设计带来了困难，导致了芯片设计的复 杂性，高速度必然带来功耗大等问题。 图1 一l o 芯片级a d c 的c m o s 图像传感器示意图 第一章绪论 1 4 2 列级a d o 列级a d c ，也称为列并行a d c ，就是在图像传感器的每一列集成一个a d c ， 也可以几列共有一个a d c 。列级a d c 的图像传感器结构示意图如图1 1 1 所示。 这种图像传感器是逐行读出的，每行的信号同时存储在采样保持电容，经过a d c 数字化处理后存储在寄存器中，最后经过多路选择器串行输出。由于每列a d c 是并行工作的，每个a d c 所需处理像素的数目相对于芯片级集成a d c 来说大 为减少，缓解对a d c 高速度方面的要求，用低速或中速的a d c 就可以实现。 尽管列级a d c 在列的宽度方向上存在一定程度的限制，但是在垂直方向上没有 限制，从而列级a d c 的设计还是相对比较灵活的。 1 4 3 像素级a d o 一一 - 输出 列读出控制 图i 1 1 列级a d c 的图像传感器示意图 所谓像素级a d c 就是在每个像素或几个像素有一个a d c ，所有的a d c 全 并行工作，其结构示意图如图1 一1 2 所示。从理论上分析可知，a d c 离信号源越 近越好，离褥越近引入的噪声就越小，在像素级a d c 中a d c 直接接在信号源 后，可以使信噪比达到最大。a d c 是全并行处理，单个a d c 的工作速率可以非 常低，功耗也就很小，而且速率不取决于图像传感器像素阵列的大小。例如每秒 3 0 帧的摄像模式下，若每个像素对应一个a d c ，单个a d c 的速率仅为每秒抽 样3 0 次：若每四个像素共用一个a d c ，单个a d c 的速率也就是每秒抽样1 2 0 。；。上 第一章绪论 次。像素级a d c 能有效提高信噪比，降低功耗，然而也带来了许多缺点，填充 因子很低，a d c 由于尺寸限制大，晶体管的数量受到限制，a d c 的精度和一致 性都很差。 、 iiiilliiiii - 传 li lili l_i 感 器 行 读 出 控 制 电 1 路 ij lllililllf iiiill iijlilii 、 i ll ii ii iil li 卜一 。 输出 图1 1 2 像素级a d c 的c m o s 图像传感器示意图 1 4 4a d o 的三种集成方法比较 a d c 在c m o s 图像传感器上的三种不同集成方法的优缺点对比如表1 1 所 示。 表l l 三种不同集成方法的比较 集成方法优点缺点 a d c 的设计不存在面积的限制；a d c 的速率要求高； 芯片的面积小；a d c 的复杂程度高； 芯片级a d c 填充因子高；a d c 速率依赖像素阵列； 一致性高；功耗大； 在垂直方向可以灵活的设计；列的宽度受到限制； 半并行处理，a d c 速率相对低；比芯片级a d c 失配大； 列级a d c 高填充因子，低功耗；比像素级a d c 功耗大； 非一致性小于像素级a d c ：a d c 之间的一致性低： 全并行处理，每个a d c 的速度填充因子低； 很慢，功耗低；a d c 的尺寸受到限制； 像素级a d c 在积分时间内处理；a d c 中的晶体管数量受到限制； 寄生效应最小，信嗓比高；a d c 的精度和一致性差； 第一章绪论 1 5 设计c m o s 图像传感器的关键问题 1 5 1 失配( m i s r n a t c h ) 失配是设计数模混合集成电路系统最主要的限制因素。对于c m o s 图像传 感器芯片来说，失配可以认为是分布在芯片上的空问噪声。失配产生的空间噪声 主要影响动态范围和精度，可以通过增加器件的尺寸来减小失配。但在c m o s 图像传感器中，增加器件的尺寸不仅会导致功耗的增加，而且会减小像素的填充 因子。因此在设计c m o s 图像传感器时，就要考虑失配与功耗、填充因子、分 辨率之间的折衷关系。 c m 0 s 电路主要的失配源来自以下三个方面：由于制造工艺和光刻偏差，造 成不同器件之间的尺寸偏差；由于制造工艺导致掺杂浓度的偏差，造成器件差异； m o s 器件的表面效应造成器件阈值电压的偏差。由器件尺寸偏差引起的失配可 以通过增加器件的尺寸来减小，但同时会减小填充因子和分辨率；掺杂浓度的偏 差是与制造工艺有关的，是不能通过改变器件的尺寸来减小；阈值电压的偏差是 m o s 器件所特有的，一般来说三极管和二极管的失配小于m o s 管。通常，与 m o s 器件尺寸有关的失配与下面三个参数有关1 4 6 】： l 、m o s 管的尺寸：失配与m o s 管的面积成反比； 2 、晶体管之间的距离：为了减小晶体管之间的失配，我们应尽量将c m o s 图像 传感器的版图布局得紧凑，尤其需要匹配的器件应尽可能的靠近。 3 、电流的大小：流过晶体管的电流的大小决定了失配的程度，因此晶体管工作 在弱反型还是强反型就决定光敏阵列失配的大小。 1 5 2 数字电路产生的噪声 数字电路所产生的噪声出现在数字电路时钟脉冲切换的瞬间。c m o s 图像传 感芯片中，至少在读出光敏阵列信号时需要用到数字电路，如译码器或移位寄存 器。数字电路对模拟电路的影响产生的噪声称为数字噪声，而这种噪声是与数字 电路和模拟电路的距离有关。当距离很短时，距离和数字噪声量之间是线性的关 系【47 “j ；当达到一定距离后，随着距离变大，数字噪声将保持不变，这与数字 噪声是通过衬底耦合到模拟电路有关。在数字电路的开关信号和模拟电路的节点 之间总是存在着某种直接的电阻或电容耦合。大多数关于数字噪声建模和表征的 研究都是基于数字电路模块和模拟电路模块是分隔开的，相对独立的。而在 c m o s 图像传感器芯片中，数字扫描信号、模拟偏置和读出线之间存在着直接的 耦合，而数字噪声研究的大部分模型都没有考虑直接耦合。尤其是对数像素，由 第一章绪论 于m o s 管通常是工作在亚阈值状态，对于数字噪声特点敏感。 1 6 本论文研究构思、内容及主要创新点 1 6 1 研究构思 本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像传感器 研究”的重要组成部分，同时也是国家自然科学基金资助项目“基于深亚微米大 动态范围、千万像素c m o s 图像传感器关键技术研究”的重要组成部分。动态 范围是图像传感器质量的重要指标之一，动态范围较大就可以探测到更宽光强范 围内的场景信息，探测到图像的细节更丰富。但由于硅材料本身最大的光动态范 围低于应用要求，研究c m o s 图像传感器动态范围扩展技术迫切需要。我们提 出了大动态范围c m o s 图像传感器s o c 系统解决方案，如图1 1 3 所示。 图1 一1 3 大动态范围c m o s 图像传感器s o c 系统解决方案 第一章绪论 在这个方案中，根据入射光的强弱可以手动或自动来调节工作模式，从而扩 展动态范围。此系统主要有以下两种种工作模式： l 、工作在线性模式，启动自适应曝光时间调节功能，以最小曝光时间或用 户设定时闻开始曝光，根据帧内最大非饱和像素电压，动态调节帧间曝光时间， 从而实现动态范围扩展，适合于很暗或很亮的场景，但对比度差别并不大。 2 、工作在对数模式，自适应曝光时间调节模块停止工作，利用对数像素对 光电响应曲线的对数压缩，从而扩展动态范围，适合于对比度差别很大的场景， 也就是说场景内同时含有很亮的部分和有很暗的部分。 两种工作模式中，可变增益放大器的增益由用户自行设定或由外部逻辑控 制。 本方案中，由于天津大学a s i c 设计中心已熟练掌握线性有源像素( a p s ) ， 列放大器，双采样电路，a d c 等电路模块，因此本论文重点研究对数有源像素， 可变增益放大器和自适合曝光时间调节技术。 1 6 2 研究内容 论文第二部分中，首先分析了半导体光电效应基本原理，包括光吸收系数、 电子空穴对的产生和复合、量子效率、光的反射、光电流的收集和光电二极管的 工作原理；接着介绍了c m o s 工艺兼容的光电探测器，包括光电二极管、光栅 结构光电探测器和p i n n e d 光电二极管结构；最后介绍了c m o s 图像传感器本身 所具有的局限性，比如像素之间的串扰、固定模式噪声( f p n ) 、填充系数小和暗 电流较大等。 论文第三部分中，对c m o s 图像传感器中的噪声进行详细地分析，噪声问 题一直是阻碍c m o s 图像传感器发展最主要因素，分别分析了随机噪声源和固 定模式噪声源，重点研究固定模式噪声，对固定模式噪声进行理论推导，从而为 对数有源像素的固定模式噪声消除奠定基础。 论文在接下来的三个部分中分别从三个层次研究动态范围扩展技术：首先， 重点研究光电对数响应技术，这种技术改变了像素单元结构，属于像素层次上的 探索；其次，研究了自动增益控制技术，通过调节预处理放大器的增益实现动态 范围扩展，属于像素模拟预处理电路层次上的探索；最后，研究了自适应曝光调 节技术，通过调节曝光时间自适应环境光强，属于c m o s 图像传感器s o c 系统 层次上的探索。 1 ，6 3 主要创新点 1 在研究现有光电对数响应技术的基础上，设计了复合型对数有源像素和 第一章绪论 相应的双采样结构，此结构可以消除线性和对数两种工作模式的固定模式噪声， 改进后对数工作模式的光动态范围可以达到1 4 0 d b 。 2 可变增益放大器采用三级流水线结构，不但提高电路工作速度与精度， 而且能够减小电路功耗。前两级采用独热码编码方式，第三级采用固定反馈系数 温度计码编码方式，独特的混合编码方式充分发挥各自优点，减小了芯片面积， 降低成本。 3 与传统滚筒式曝光时序控制相比，自适应曝光调节技术能在利用像素线 性响应特性的基础上，通过自动调节曝光时间，实现帧间的动态范围扩展。此结 构不需改变原有线性像素阵列，能与c m o s 图像传感器实现单片集成。 第二章c m o s 图像传感器感光机理 第二章c m o s 图像传感器感光机理 光电探测器是利用半导体的光电效应将光信号转换为光电流的半导体器件。 这些器件的主要特征是输出电信号与入射光强成比例。由于光电探测器是连接外 部场景与内部处理电路的接口，其特性直接决定整个图像传感系统的性能，被称 为图像传感系统的“入口”，因此要尽量获得性能优良的光电探测器。由于在标 准c m o s 工艺中并不直接提供光电探测器，光电探测器的选择受到很大的局限， 目前所选用大多是标准c m o st 艺的寄生器件。这个限制对c m o s 图像传感芯 片的处理能力并没有很大的影响，p i n 结寄生的光电二极管对可见光谱具有较高 灵敏度的线性响应特性。因此有很大的动态范围，可以超过1 0 7 。消除标准c m o s 工艺寄生光电探钡4 器自身缺陷有两种方法：其一是采用特殊的电路结构，比如有 源像素传感器( a _ p s ) 和相关双采样相结合可以改善c m o s 光电探测器；其二 采用工艺上的改进，比如p i n n e d 光电二极管的暗电流可以显著的减小。由于我 们已经采用固定的生产线，无法对工艺进行调整，只有采用第一种方案通过设计 特殊的电路结构来改善c m o s 光电探测器。本章简单分析了c m o s 图像传感器 的像素部分的感光机理，主要分以下三个部分：首先分析了半导体光电效应的一 些基本概念，如光吸收，光产生，复合，量子效率等；其次分析了与标准c m o s 工艺兼容的光电探测器；最后分析了c m o s 图像传感器的局限性。 2 1 半导体的光电效应 2 1 1 硅的光电效应 半导体光电效应描述半导体材料与光的相互作用，属于内光电效应。理想情 况下，当入射光的光子能量锄大于半导体的禁带宽度e g 时，光子就能把价带中 的电子激发到导带上，在导带中产生可以自由运动的导电电子，同时也相应地在 价带中形成可以自由运动的导电空穴，也就产生了电子空穴对( e l e c t r o n - h o l e p a i r s ) ，也就是光生载流子。光电探钡0 器收集光生载流予，并转化为光电流。通 常由于光电流非常小，光电流积分成电荷再进一步转化为电压。在这种情况下， 吸收谱在禁带宽度e g 对应的波长k 处发生了陡变，如图2 1 所示f 5 1 1 。 第二章c m o s 图像传感器感光机理 吸收 多6 名 五o m o ( a )( b ) 图2 i 理想的半导体光电效应( 图( a ) 表示入射光j 知 e l 时，激发生成电子空穴对；图表 示吸收谱在波长k 处发生了陡变，其中x ，霉加c ) 对于光子的能量正知可以用下式来表示： e 砷= h v = h c l t ( 2 - 1 ) 其中，h 是p l a n k 常数，v 是入射光的频率( h z ) ，c 是真空中的光速( m s ) ，九 是波长( m ) 扣c 加，从而可以得到e 。0 矿) = 1 2 4 2 ( 幼1 ) 。对于半导体硅来说，禁 带宽度r 为1 1 2 4 e v ，对应的吸收限波长大约为l l o o n m ，处于红外区。整个可 见光区的光予都能激发半导体硅产生载流子：紫光的波长为4 0 0 h m ，e 矗为3 1e v ； 红光的波长为7 0 0 n t o ，_ e 厶为1 7 7 e v 垆副。 对于实际的半导体，情况比较复杂，尤其是对于我们所要采用的间接带隙半 导体硅，其能带结构图如图2 - 2 所示【5 3 】。由于间接带隙半导体的导带和价带之间 的最小能带间隙对应不同的晶格动量，对于最小能量黾的跃迁需要同时改变电 子的动量。附加的动量是通过声子来传递的，声子的动量与电子的动量相当不能 忽略，而光子的动量比电子的动量小得多可以忽略不计。因此间接跃迁一方面依 赖于电子与光的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此是二 级过程，发生这样的过程几率比喜接带隙半导体中发生直接跃迁的几率要小得 多，从而间接跃迁的吸收系数远小于直接跃迁的吸收系数。 第二章c m o s 图像传感器感光机理 2 1 2 吸收系数 图2 - 2 半导体硅的能带结构图 ( 箭头表示了直接跃迁和间接跃迁过程) 在光电探测器中，光的吸收系数a 是一个重要的参数。所谓吸收系数就是指 在给定波长的入射光