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本科生毕业设计 论文 参考文献译文本本科生毕业设计 论文 参考文献译文本 译文出处 Xingming Wang 电流型 CMOS 图像传感器的电路模块 设计 Chinese Academy of Sciences 2000 4 32 页 院 系 光学与电子信息学院 专业班级 中法 1202 姓 名 胡越 学 号 U201210300 指导教师 李微 2015 年 7 月 译文 电流型 CMOS 图像传感器的电路模块设计 摘要 本文介绍了电流型 CMOS 图像传感器的设计与实现 该设计是基于 CRVDC 视频图像 压缩 有条件的补充视频数据压缩 算法 在 CMOS 芯片上进行预处理 可以实现压缩比为 10 1 且没有显著衰减的信号 我们研究的主要内容为构建基本模块 当图像传感器工作在 电流模式时 正在建立的模块将会成为电流镜和电流比较器 细致的分析了几种镜子后 我们选择共源共栅电流镜 通过电路模拟和对原型设计的研究 我们证明了这个电流镜在 200MHz 可以实现十一位的分辨率 为了实现 CRVDC 算法 我们需要设计一个准确而且 快速的电流比较器 将两种新的电流比较器对比 并将对比结果和传统的电流比较器对比 我们通过模拟和测量 证明了新的 CMOS 电流比较器在传播时延和功功率散耗上的性能比 较好 作为一个有源像素传感器的 CMOS 图像传感器 用于将入射光转换成光电流 我们提出 了可根据传感器的特征将其建模 并详细分析了它的性能 从而获得了将 CMOS 芯片压缩 到标准的 0 18 m 的工艺技术 自从我们知道了在一个正在运行的像素传感器的芯片上的 电流特性可以生成大的固定的图像噪声 成像质量 电流型电路设计就采用了这种方法 基于一个电流型芯片的成像质量的测试结果 我们得出了 该芯片的成像质量抑制比为 0 35 同时 在一个芯片上 我们有必要将模拟信号转换为数字信号 ADC 以便用 来实现数字型接口和有着 8bitADC 码的电流型管道的连接 仿真结果表明 ADC 码是单 调的并且有一个完整的积分非线性 0 45 的最低有效位和微分非线性 0 43 的最低有效位 我们的结果表明 我们的整个设计可以充分满足 CMOS 图像传感器的系统规范并且有可能 倍用于前端处理模块在其他图像处理的应用程序上的动态检测和图像分割等动态环境中 第一章 介绍和论文大纲 1 1 介绍 视频用于个人沟通的媒介 向导 导航 外层空间的探索 宇宙飞船 使网络带宽和视 频压缩技术的可用性得到了越来越快的发展 最初决定图像质量的为摄像机的图像传感器 此外 图像传感器在集成电路驱动图像传感器和执行信号处理芯片上变得越来越重要 我们 关注的是应用在能量消耗的这一块 图像传感器自身的能量消耗是巨大的 所以在大型图 像格式处理图像处理任务时 这个问题变得尤为棘手 我们希望获得理想的低制造成本 低功率 和有着良好的成像质量的图像传感器 现在 两个应用的最多的图像传感技术为电荷耦合器 CCD 和 CMOS 图像传感器 互补 金属氧化物半导体 CISs 直到 1990 年代中期 CCD 一直在图像领域中占领主导地位 而传统的 ICs 主要是基于 CMOS 技术制造出来的 然而从那时起 CMOS 图像传感器已 经有了越来越多的发展 这是因为 CMOS 图像传感器的诸多的优点 如 低功耗 随机 访问 集成度低 低成本 这些优点在很多生产应用中都是至关重要的 因此 CMOS 图 像传感器在集成度低的优势上获得了很多潜在的应用 如 安全领域 生物识别技术和工 业应用中 1 2 动机 在图像传感系统中 信号的压缩变得尤为重要 捕获的原始数据在预处理之前先发送到 计算机 再通过通信渠道进行进一步的处理 这将导致允许发送的数据减少且允许发送的 数据会以更低的发送速率发送 从而减少了计算机的负载 在给给定的通信通道传输视频信号时 我们需要确定传输所需要的带宽 假设一个屏幕 以每秒 F 帧的速度显示一个 N N 的图像 则预期的传输频率应该是 2 2 2 FNFNN 对于每秒 25 帧的传输速率和 625 行 屏幕在正常的电视广播系统 视频信号的基本带宽约 为 5 MHz 这只提出了一个黑白图像 同样 对于图像传感器 需要有一个宽的带宽来读 出来自各个图像传感器的图像数据 而图像传感器的带宽是限制高像素成像的根本原因 在 1969 年 F W Mounts 提出了一个对电视信号进行编码的方法 这个方法利用了帧 对帧的相关性来减少传输带宽 这种方法被命名为 CRVDC 条件补充视频数据压缩 算法 他发现 当使用和录像 电话相似的信号以中等的幅度在屏幕中运动时 平均只有不到十 分之一的两个连续帧之间的元素变化量是超过峰值信号的 1 的 所以 只有在那些连续 的两帧信号之间存在着明显变化的数据才会被转移 而不是每一帧的每一个数据都会被转 移 这种有条件的补充算法可以达到 10 1 的压缩率且保证信号没有显著的衰减 这样的发 现在视觉通信系统中是十分有用的 图 1 1 一个条件补充发射机终端 图 1 1 显示了发射机执行的操作 在这个发射机中 摄像机的视频信号带宽有限 将其采 样并数字化为 8 位的 PCM 脉码调制 同时给我们提供了一个选择开关 但这个选择开关 既不能在检测到两帧连续信号有显著差异时传输新信息 又不能另外传输内存中存储的信 息帧 框架内存中包含了延时线和有足够能力存储一个完整的帧的视频信息 将相机中的 数据与减法器电路中框架存储器中存储的参考数据相比较 同时新传入的信息和对应相同 图片的参考数据 这两者的增益率有着较大的差异 在每个样本空间内 由控制逻辑控制 而控制逻辑又依赖于绝对信号的幅度差异是否存在着显著的差异 如果绝对信号的幅度存 在着显著差异 那么控制逻辑的输出将会选择一个开关去选通一个新信号 并将其存储在 帧存储器中 如果绝对信号的幅度没有显著的差异 那么存储在帧存储器中的数据是可以 流通的 除了将新数据补充进入帧存储器中 控制逻辑还可以将新的信号数据和新信号数 据的地址存储在缓冲区中 存储在缓冲区中的数据是可以以恒定的速度读出的 按照先入 先出的顺序读出 为了平均补给率能和信道容量兼容 阈值的变化取决于存储在缓冲器中 信息总量的函数 随着阈值的变化变得很小 缓冲区存储的元素变少 允许变化不明显的 数据去更新的阈值减小 随着阈值的变化变大 缓冲器中存储的元素也将变多 阈值也将 增大 同时该阈值也允许补充更显著变化的数据 由于显著变化的数据的阈值的值在增加 改变较小的图像将会被丢弃 不能更改也不能复制 所以并不是所有的图片元素都对应同 一个阈值 这可能导致图片重叠在一起 如图 1 2 所示 但这个问题会在几帧图像过后得 到恢复 一般来说 当压缩率为 10 1 时 恢复数据将会在短时间内完成 在早些年 该算 法是第一个提出数字压缩的 1997 年 k Aizawa h Ohno 利用该算法在模拟域中实现了 图像传感器阵列 图 1 2 第一个五帧 图像用 100 15 最高 和 100 5 最低 的压缩比改变 请注意 图像在几帧后得到了重建 有条件的补充的新方案如图 1 3 所示 将当前信号的像素与那些存储在内存中最后补充 进来的帧相比较 当绝对值的差大于阈值时 像素的值和地址将会被提取和编码 虽然该 算法比较简单 但是它仍然可以达到 10 1 的压缩率 信号也没有大的衰减 如今 用信号处理是最受欢迎的图像传感器技术 与用信号处理相比 我们采用电流型信 号处理技术来实现我们的设计 电流型技术是利用电流来表示信号 在 CMOS 电路中电流 信号的处理技术在最近几年也受到了极大的关注 这是因为电流型信号处理技术相较于传 统的用信号处理有很多的优势 图 1 3 模拟条件补充算法 首先 由于非线性互补金属氧化物半导体晶体管的电流和电压之间的关系 一个在控制输 入端电压的小的改变将会导致在输出端电流大的改变 因此 对于一个固定的电源 电流型 信号的动态范围应该比电压型信号的动态范围大 即使电源电压较低 也总是有一个可以 达到所需的动态范围 因此 芯片的功耗将会降低 这自然满足我们要求的低电源电压和 低功耗芯片的设计 其次 电流型电路比电压型电路要快得多 在给定电路中 寄生电容将永远存在 当电 压改变时 这些电容必须充电或放电 在电流型电路中 通过一个节点改变电流和通过一 个节点改变电压比起来 通过一个节点改变电流并不重要 因此 寄生电容不会降低运转 速度峰值 第三 电流型电路与数字电路可以实现集成在同一使用了标准数字 CMOS 工艺的芯片 这降低了芯片整体的成本 最后 在许多应用程序中 探测器的输出信号和 或传感器 如 CMOS 图像传感器 本质上是 电流 使用电流型技术可以简化电路设计 还降低了布局的复杂性 基于上述优点 我们可以得出结论 使用 CMOS 电流型技术 它确实是有利于设计用芯 片处理的计算视频图像的 1 3 研究目标 视频图像压缩芯片的主要构件包括图像传感器 读出电路 电流镜 当前比较器 固定 图形噪声 成像质量 抑制电路 用于 CMOS 有源像素传感器 和片上模拟 数字转换器 ADC 此外 辅助和控制电路 如当前基准电路 固定比率控制器电路 电压转换器电路和控制逻辑 地址编码器 解码器电路是也必需的 本文着重于设计和实现用电流型视频图像压缩芯片构建一个模块 此外 我们不仅专注于 该模块的分析也会优化该模块的性能 本文的主要贡献如下 1 在系统级别上电流型 CMOS 图像压缩芯片的设计 2 对共源共栅电流镜和一种已经 证明 性能的改进了的电流镜的详细分析 3 设计 仿真和对一种使用了 CRVDC 算法的新的 CMOS 电流型图像传感器的性能分析 4 对一个 CMOS 线性有源像素传感器的描述和建模 5 设计和验证成像质量抑制电路的性能和相关的取样保持的电路 展示设计的模拟 数字转换器 ADC 1 4 论文大纲 本论文的章节由一下部分组成 在第二章中 我们简要的描述了电流型图像压缩芯片 然后 我们详细的描述了单个像素 传感器的配置 CRVDC 算法的实现和电路的定时控制 怎样设计 CMOS 图像传感器 这 个问题尤为突出 最后 我们提出了图像传感器阵列系统的设计规范 在第三章中 我们提出了替代电流镜的设计方案 因为电流镜在我们的设计中是最常用 的电路模块 他们的性能直接决定了整个成像系统的质量 首先 我们描述一下基本电流 镜的基本特征 然后是共源共栅电流镜 最后是受监管的共源共栅电流镜 然后 我们将 讨论怎样设计并改进受监管的共源共栅电流镜 这将会有一些模拟测试和模拟测试的结果 通过对比几个不同设计方案的模拟测量 我们得出 我们新提出的受监管的共源共栅电流 镜的最佳性能可以满足我们的设计规范 在第四章中 我们将分析 模拟和测量 CMOS 电流比较器 首先 我们讨论了三种不同 的 CMOS 电流比较器 这些电流比较器的设计在之前就已经被报道 我们将它们的传播延 迟和仿真结果与我们提出的两个新的 CMOS 电流比较器相比较 然后 我们将详细的测量 新电流比较器的性能并且将其性能与模拟比较器比较 我们的测试结果表 新型的 CMOS 电流比较器确实有不错的性能 为了完成这个设计 我们将会讨论新型电流比较器的性能 将会怎样在未来的设计中怎样一步步改进 在第五章中 我们将致力于设计 模拟和测量 A CMOS 有源像素传感器 B 固定图形噪声 成像质量 抑制电路 C 取样保持的电路 首先 我们将呈现它们的表征和对用在 CMOS 有源像素传感器中 CMOS 兼容的光电二极 管的建模 后来便是它们详细的分析和模拟比较器与几个使用标准的 0 18 m CMOS 技术 制作的芯片的的测量结果相比较 然后 我们描述了一些简单的在图像传感阵列中减小固 定图像噪声的电路设计 我们讨论了一些可能的噪声的来源和这些噪声在有源像素传感器 中的贡献 然后 我们详细的描述了一些可用来实现该方案的技术和根据实际设计的测量 结果 最后 我们讨论了取样保持电路的操作和它的基于模拟测量的性能 在第六章中 我们用 CMOS 图像传感器设计模拟 数字转换器 ADC 基于 1bit 和 8bit 的 ADC 信号的仿真结果 我们可以证明预期的 ADC 系统的性能可以符合我们的设 计要求 在第七章中 我们总结了我们的研究工作 然后讨论了由测试结果得出的结论 并提出 了如何改进电流型 CMOS 图像压缩芯片性能的建议 同时我们也展望了我们未来的工作 最后 我们总结的亚微米 CMOS 技术芯片制造技术和整体布局的设计规则在附录 A 中 给出了 同时我们也在附录 B 中强调了用于测量电路的测量装置的组建的测试报告在弟 3 4 5 章中 第二章 系统构架 2 1 介绍 本章介绍了我们设计的 CMOS 图像传感器的构架 图 2 1 显示了该框图 数据流相对来 说是比较简单 它和用地址译码器 RAD 一样 一行一行的处理像素 同时 我们通过 列地址译码器 CAD 并使用模拟 数字转换器 RAD 将输出数字化 时钟和控制块 提供时钟波形和用来触发 我们的总体设计是使用加拿大微电子公司提供的 0 18 mCOMS 的铸造技术来实现用台湾半导体电路制造有限公司生产的有限大小的芯片 图 2 1 图像传感器框图 在图像传感 光电流在传感器中的产生都是在像素传感器中被处理的 见图 2 1 使 用操作如下 1 取样保持 2 抑制固定图形噪声 成像质量 3 进行像素级的比较 其目的是实现 CRVDC 算法 这要求我们要确定当前电流绝对值的差异 然后将 其与存储在内存单元中的值相比较 下面 我们将讨