CMOS有源图像传感器的最新研究进展

由于CMOS有源图像传感器在单片集成、系统功耗、价格以及微型化方面都大大优于CCD,近年来得到较快进展,特别是其抗辐射的性能,使其在空间应用方面尤其具有优势。介绍了CMOS有源图像传感器的原理、性能和研究进展,重点介绍了在空间领域,特别是星敏感器中的研究进展和应用现状。

光电二极管型CMOS有源图像传感器读出电路设计验证

分析了传统的光电二极管型CMOS有源图像传感器读出电路的优缺点;系统阐述了读出电路的设计;并基于开关电容同相放大器,给出一种结构简单、可有效抑制固定模式噪声的列读出电路,电路只需一条支路;HSpice环境下验证了读出电路的设计,结果表明达到了设计要求。系统具有动态范围高、读出速度快的特点。同时分析了电容工艺精度的影响,从中得到如下结论:电容工艺精度越高,噪声的抑制效果越好。

深亚微米CMOS有源图像传感器技术

在深亚微米 CMOS技术 ,传统 CMOS图像传感器像素结构如 PD、PG等受到极大挑战 ,为了获得良好摄像质量 ,需要一些

一种基于新颖的CMOS有源像素图像传感器的微型星敏感器成像系统的实现方法

下一代星敏感器将向着小型化、低成本、低功耗的方向发展，以往的基于 ＣＣＤ图像传感器的成像系统由于受自身因素的制约，难以满足其发展需求．文中介绍了一种基于新颖的ＣＭＯＳ有源像素图像传感器的ＵＳＢ数字成像系统的设计实现，通过对实现的系统模型进行测试和分析，得出结论：即基于 ＣＭＯＳ有源图像传感器的成像系统完全有能力作为下一代星敏感器的光电探测器件，从而为微型星敏感器成像系统的实现提供了一种切实可行的方案．

全局/滚动曝光兼容高动态抗辐照CMOS图像传感器设计

针对高速目标的高精度探测及辐射环境的应用要求,为解决全局与滚动曝光模式兼容难度大、灵敏度和动态低、帧速不高、抗辐照水平低等问题,对CMOS图像传感器架构、像素结构、列并行高精度数字化、高速读出、抗辐照加固等技术进行研究。基于单边列并行DDS、多模兼容的架构方案,设计了一款7.5μm×7.5μm,2048×2048可见光CMOS图像传感器,采用双增益像素结构、高帧速数字化读出、多通道可选输出、像素和电路抗辐照加固等方法,实现了全局与滚动曝光兼容、高灵敏度高动态成像、高精度数字化和高速输出、抗辐照加固等技术验证,填补了国内多模曝光兼容抗辐照CMOS图像传感技术研究空白。测试结果表明:器件功能正常,成像效果良好,动态范围、满阱电荷、灵敏度、帧速、抗辐照等指标满足预期要求,对高速高动态成像及辐射环境的系统应用具有重要意义。

CMOS图像传感器辐射敏感参数测试电路设计及试验验证

以航天领域广泛应用的CMV4000型CMOS图像传感器(CIS)为研究对象,通过开展CIS辐射敏感参数测试电路设计,将CIS辐照电路板与测试电路板中FPGA数据采集及传输板分离,辐照电路板与测试电路板通过接插口通信,从而实现开展辐照试验时对FPGA数据采集部分进行辐射屏蔽防护,避免FPGA数据采集板受到辐射影响。开展了CIS测试电路中的电源模块、数据采集、存储模块、外围电路等设计及PCB版图的布局布线设计。采用VerilogHDL硬件描述语言对各个功能模块进行驱动时序设计,实现CIS辐射敏感参数测试功能。通过开展CMV4000型CIS ^(60)Coγ射线辐照试验,分析了平均暗信号、暗信号非均匀性、暗信号分布等辐射敏感参数随总剂量增大的退化规律,验证了CIS辐射敏感参数测试系统的可靠性。

基于粗细量化并行与TDC混合的CMOS图像传感器列级ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行ADC设计方法.该方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时采用插入式时间差值TDC(Time-to-Digital Converter),实现了全局低频时钟下的快速转换机制.本文基于55-nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压3.3 V,数字电压1.2 V,时钟频率250 MHz,输入电压1.2~2.7 V的情况下,将行时间压缩至825 ns,ADC的微分非线性和积分非线性分别为+0.6/-0.6LSB和+1.6/-1.2LSB,信噪失真比(Signal-to-Noise-and-DistortionRatio,SNDR)为68.271 dB,有效位数(Effective Numbers Of Bits,ENOB)达到11.0489 bit,列不一致性低于0.05%.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,ADC转换速率提高了87.1%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

质子辐照下CMOS图像传感器随机电报信号机理研究

针对星用CMOS图像传感器面临的质子辐照导致像素性能退化问题,基于中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器试验装置,开展质子辐照导致CMOS图像传感器随机电报信号研究。试验结果表明,CMOS图像传感器积累的位移损伤剂量为240 TeV·g^(-1)时,质子辐照产生的随机电报信号占比为21.4%。随机电报信号可在2~8个固定的暗电流台阶之间随机波动,而且其行为受积分时间调控。分析认为,质子辐照CMOS图像传感器产生的随机电报信号来自于光电二极管,与像素内晶体管无关。质子辐照诱发的复杂位移缺陷是导致光电二极管随机电报信号的原因,复杂位移缺陷在室温条件下可以在不同结构之间随机转换,引起暗电流随机波动。低温工作条件可以有效抑制质子辐照导致的随机电报信号。

面向高帧率CMOS图像传感器的12位列级全差分SAR/SS ADC设计

针对高帧率CMOS图像传感器的应用需求,提出一种结合逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)和单斜坡(Single Slope,SS)结构的混合型模拟数字转换器(Analog to Digital Converter,ADC)。该ADC的分辨率为12位,其中SAR ADC实现高6位量化,SS ADC实现低6位量化。该ADC采用了全差分结构消除采样开关的固定失调并减少非线性误差,同时在SAR ADC中采用了异步逻辑电路进一步缩短转换周期。采用110 nm 1P4M CMOS工艺对该电路进行了设计和版图实现,后仿真结果表明,在20 MHz的时钟下,转换周期仅为3.3μs,无杂散动态范围为77.12 dB,信噪失真比为67.38 dB,有效位数为10.90位。

光电二极管有源像素CMOS图像传感器固定模式噪声分析

在研究有源像素工作机理和制作工艺的基础上,分析了固定模式噪声的产生机制以及对输出信号的影响,建立了噪声产生模型,得出了噪声影响的定量计算的公式。提出了通过优化电路和版图设计抑制电路固定模式噪声的方法。对于无法通过电路设计消除的噪声,提出了双采样电路抑制方法。研究结果对于设计低噪色有源像素具有指导意义。

不同能量质子辐照CMOS图像传感器的单粒子瞬态效应研究

针对空间环境宽能谱质子辐射导致的CMOS图像传感器单粒子效应问题,开展了不同能量质子辐照试验,研究了质子辐照导致CMOS图像传感器单粒子效应的异常现象、图像特征及参数性能变化规律。试验表明,质子辐照主要导致CMOS图像传感器出现明显的单粒子瞬态(single event transient,SET)效应现象,包括SET亮斑和亮线。通过对比不同条件下的试验结果,分析了质子能量、积分时间等变化对SET亮斑覆盖像素情况、信号水平的影响规律,并结合TCAD仿真工具,分析了SET亮斑的产生机制。研究结果表明:SET亮斑灰度水平和覆盖像素数目均随辐照质子能量增加而增大;SET亮斑覆盖像素最大灰度值、平均灰度值随CMOS图像传感器积分时间增加而增大,通过调节CMOS图像传感器的积分时间,可以明显改变SET亮斑的特征和器件成像性能;从TCAD软件仿真的微观物理过程获得了SET亮斑随积分时间变化的机制,支持了对试验结果的分析和判断。研究结果可为CMOS图像传感器空间辐射效应评估、抗辐射加固提供试验和理论参考。

CMOS有源像素图像传感器的电子辐照损伤效应研究

对某国产CMOS图像传感器进行了两种不同能量的电子辐照试验,在辐照前后及退火过程中采用离线测量方法,考察了暗信号、饱和电压、光谱响应特性等参数,分析了器件的电子辐照效应损伤机理。结果表明:暗信号和暗信号非均匀性都随着辐照剂量的增加及高温退火时间的延长而增大;饱和电压在两种能量电子辐照下均出现较大幅度的减小,并在高温退火过程中有所恢复;光谱响应特性无特别明显变化。经分析,暗电流、饱和电压的变化主要由辐照诱发的氧化物陷阱电荷导致的光敏二极管耗尽层展宽和界面陷阱电荷密度增大导致产生-复合中心的增加所引起。

高速大像素CMOS图像传感器中钳位光电二极管形状设计的研究进展

采用钳位光电二极管(PPD)的CMOS图像传感器,由于其优异的性能,已成为图像传感领域中占主导地位的技术。然而,更大尺寸PPD的应用在电荷传输速度和效率方面存在挑战,特别是在微光、高速探测的场景中,传统的像素设计难以满足必要的性能标准。一种有效的方法是通过PPD的形状设计来提升大像素性能。首先全面概述了产生PPD横向电场的两种机制:边缘电场设计和钳位电压调制,并探讨了基于这两种设计策略的各种设计改进。然后总结了传输栅-浮空扩散(TG-FD)节点收集结构及像素整体布局优化的相关研究进展。此外,还研究了PPD的形状设计对暗电流的影响。通过全面分析PPD形状设计中采用的方法,为提升大像素设计提供了参考。

基于CMOS图像传感器的复合型中子照相电子学系统的研制

针对高能物理实验中高通量、高性能的中子探测需求,本文提出了一种基于CMOS图像传感器的复合型中子照相电子学系统。该系统采用Kintex-7系列的FPGA作为系统逻辑处理的核心器件,利用SiPM的快响应为CMOS图像传感器提供快门触发,使其对光纤光锥投影的中子光斑进行曝光。通过SiPM提供的粗位置信息确定CMOS传感器的感兴趣区域,读出数据传输至上位机进行显示与分析。实验结果表明,该系统中最小像素单元尺寸为28μm×28μm的CMOS传感器能够对孔径为200μm的小孔进行成像,最大偏移为28μm,系统最高计数率为82 kHz,可实现高效率的中子探测。

CMOS有源像素图像传感器的噪声控制技术

分析了CMOS有源像素图像传感器 (APS)的噪声种类及各自产生的原因 。

面向超大面阵CMOS图像传感器的全局斜坡一致性校正方法

针对大面阵CMOS图像传感器(CIS)中存在的斜坡信号不一致性问题,该文提出一种用于CMOS图像传感器的斜坡一致性校正方法。该误差校正方法基于误差存储和电平移位思想,在列级读出电路中引入用于存储各列斜坡不一致性误差的存储电容,根据存储的斜坡不一致性误差对各列的斜坡信号进行电平移位,确保斜坡信号的一致性。该文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对提出的斜坡一致性校正方法完成了详细电路设计和全面仿真验证。在斜坡信号电压范围为1.4 V,斜坡信号斜率为71.908 V/ms,像素面阵规模为8 192(H)×8 192(V),单个像素尺寸为10μm的设计条件下,该文提出的校正方法将斜坡不一致性误差从7.89 mV降低至36.8μV。斜坡信号的微分非线性(DNL)为+0.001 3/–0.004 LSB,积分非线性(INL)为+0.045/–0.02 LSB,列级固定模式噪声(CFPN)从1.9%降低到0.01%。该文提出的斜坡一致性校正方法在保证斜坡信号高线性度,不显著增加芯片面积和不引入额外功耗的基础上,斜坡不一致性误差降低了99.53%,为高精度CMOS图像传感器的设计提供了一定的理论支撑。

基于大动态范围CMOS图像传感器对数有源像素一种新的FPN抑制技术(英文)

对数模式的CMOS图像传感器提供了大动态范围(大约120dB)。在对数图像传感器设计中缺少简单的消除FPN的方法。采用对数模式的CMOS图像传感器获得了比线性APS大的动态范围。在对数模式传感器中采用了一种新的FPN抑制技术。即在对数像素中增加一个开关晶体管并结合双采样电路,该技术的实施使得对数像素的读出显著的降低了FPN水平。

应用于高光谱成像的CMOS图像传感器

文中介绍了应用于高光谱地球观测的CMOS有源图像传感器。该器件由全局曝光模式的像素组成512×256面阵,可实现450帧/s的帧频。全局曝光模式是由在光二极管外增加1个储存电容的方式实现的。该器件采用0.5μm标准CMOS工艺,满阱电子达到140 000电子,瞬态噪声29电子,动态范围74 d B。采用该器件开发的高光谱成像仪的空间及频谱分辨率具有很高水平。

利用手机CMOS图像传感器测弹簧弹性系数

测量弹簧劲度系数一般有两种方法:拉伸法和简谐振动法.在传统拉伸法测量中,大多通过增减砝码来间接测量,在传统简谐振动法测量实验中,大多采用光电门对弹簧振子周期进行计时.本文主要利用智能手机CMOS图像传感器来测量简谐振动的振子位置随时间变化图像,从图像中提取周期和阻尼信息,进而得出弹簧的弹性系数.改进后,实验数据测量的标准偏差和相对误差较小,分别为0.003 7 N/m和0.26%.本实验能够详细地观察到弱阻尼简谐振动的物理图像,测量出空气和水中的弱阻尼系数.

一种新型高动态范围CMOS图像传感器结构设计

阐述一种新型的高动态范围CMOS图像传感器结构。在新型CMOS图像传感器中,像素包括两个具有不同感光灵敏度的光电二极管以及多个电荷-电压转换增益档位,列电路具有多个模拟电压增益档位。根据该结构和读出方法,对每个像素只进行一次信号电压的读取,可以显著缩短行读出时间,进而提高帧率。