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微光CMOS图像传感器关键技术研究

朱天成  
【摘要】: 微光成像技术在军事、医疗、科学探测等领域有着非常重要的应用。目前的微光成像技术存在成本高、工艺复杂、设计制造难度大等缺点。因此,本文采用CMOS图像传感器(CIS)技术进行微光图像传感器的开发。CIS具有工艺成熟、成本低、易于单片集成图像处理电路的优势。但是,现有的CIS并不适合于在微光条件下成像。因此,本文针对微光CIS系统需要解决的关键问题进行研究。 首先,针对目前CIS中像素和读出电路在微光条件下信噪比(SNR)低的问题,对像素和读出电路进行研究。通过对像素中噪声源的分析,提出了像素输出信噪比的理论模型。通过对该模型的分析,可以确定在不改变像素结构条件下,合理增大像素面积和积分时间是提高像素输出SNR的最好选择。同时,为了提高读出电路的SNR,提出了一种双并行相关双采样电路和一种适应微光条件的高增益可编程增益放大器电路,通过理论推导和仿真,验证这两个读出电路可以提高电路的信噪比。 其次,根据一个具有512×512像素阵列、可以在10-4lux光强下成像的微光CIS系统的要求,提出一个具有14位精度、3MS/s处理速度的流水线ADC设计原型。ADC设计采用全差分1.5位每级结构,缓解了模拟电路设计压力,并且从系统上消除了流水线ADC中误差的偶数阶项。同时,采用具有高直流增益的余数放大器、高精度比较器、二阶补偿带隙参考电路、电容阵列DAC电路等高精度模拟电路模块,从模拟电路设计角度保证设计满足精度要求。通过对电路的理论分析、仿真,验证了设计的正确性。 再次,针对CIS系统行间或帧间信号处理可以不连续的特点,提出一种适合CIS系统的、流水线ADC前台数字校准算法。这种算法利用CIS系统中帧间或行间信号处理的间隙,对流水线ADC进行校准处理。校准算法通过对被校准级传输曲线端点误差的估计,提取出校准算法所需的校准参数,利用这些参数校准流水线ADC的增益误差、参考电压偏移等误差。通过各个层次的验证,证明了算法的正确性。同时,为了配合提出的校准算法,在流水线ADC工作模式中加入校准模式。ADC在CIS系统中的控制信号的控制下进入校准模式,采用从后到前的顺序,对需要校准级的传输曲线端点进行测试。通过仿真验证了改进的流水线ADC结构完全适应提出的校准算法的操作要求。 本文通过对微光CIS关键技术——像素、读出电路、后端高精度流水线ADC的研究、设计、仿真,证明采用CIS架构完全可以设计出应用于微光探测的图像传感器系统。


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