像素级模数转换器研究进展

像素级模数转换器因其独特的集成位置而具有高帧频、大动态范围、低功耗及低噪声等优点,广泛应用于红外、可见光及太赫兹成像等领域。文章介绍了主流像素级模数转换器结构的原理,综述了像素级模数转换器在动态范围、功耗、面积及噪声等性能参数的研究进展,最后分别比较和总结了各改进方向的几种关键技术并做出展望。

用于图像传感器的模数转换器研究进展

随着物联网、移动设备等应用的发展,图像传感器作为信息感知重要的窗口,需求不断增长。模数转换器是图像传感器的重要组成部分,负责将探测到的模拟信号转换为数字信号,不仅增加了系统的抗干扰能力,提升了系统的性能,还有助于在片内实现数据处理,提高系统集成度。为了适应图像传感器朝着大阵列、高帧频、低功耗、小像素尺寸等方向的发展趋势,模数转换器在速度、功耗、面积等方面存在挑战。文章概述了应用于图像传感器的模数转换器的几种主要架构,分析了这几种架构的优缺点,总结了研究进展以及未来的发展方向。

像素级数字化紫外焦平面读出电路的研究

为提高紫外焦平面组件成像质量,提出了可用于紫外焦平面的像素级数字化读出电路结构。针对紫外信号微弱及焦平面探测器像素面积小的特点,设计了基于电容反馈跨阻放大器(Capacitive Trans-Impedance Amplifier,CTIA)结构、模数转换器和锁存器的紫外焦平面像素级模数转换读出电路,并给出了实现像素内模数转换的工作原理。详细讨论了像素内模数转换的实现方法,各模块的设计要求及其具体实现,并基于0.35μm DP4M CMOS工艺设计制造了面阵规模128×128、像素单元面积50μm×50μm的读出电路芯片。电路性能测试与成像实验表明:电路的精度达到1mV以下,有效位数达到11位,实现了紫外焦平面读出电路的低噪声数字化输出。

采用电荷复位技术的像素级ADC

实现了一种可用于CMOS图像传感器,采样率为50 Hz、精度为15位的像素级模数转换器(ADC)。此ADC采用电荷复位方式补偿电荷,然后通过对电荷包计数实现模数转换。为了实现低功耗、低噪声和小面积,对电路系统、核心模块的设计以及版图布局布线进行了综合考虑和优化。该设计采用SMIC 0.18μm CMOS标准工艺,版图面积为50μm×50μm。测试结果表明:当输入电流为17.5,33.7和80 nA时,对应的输出码的均值/标准差分别为8 875/6.56,16 500/2.6,32 768/14.3。在满量程输入电流(80 nA)情况下,仿真总功耗仅为4.5μW。