90-65納米工藝下數字智慧型像素CMOS圖像感測器研究

《90-65納米工藝下數字智慧型像素CMOS圖像感測器研究》是依託天津大學，由李斌橋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：90-65納米工藝下數字智慧型像素CMOS圖像感測器研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李斌橋
• 依託單位：天津大學

項目摘要

CMOS圖像感測器高噪聲限制了其在高端攝像領域的套用，隨著CMOS工藝發展到90-65納米，電源電壓降低導致模擬信號擺幅減小、小尺寸效應導致漏電流和失配增大，噪聲特性將更加惡化。本項目擬研究小尺寸工藝下，具有數位化、智慧型化像素的低噪聲CMOS圖像感測器設計技術：研究小尺寸工藝下光電二極體光電回響與噪聲特性，設計像素內相關雙採樣電路來抑制像素的固定模式噪聲和隨機噪聲；研究小尺寸工藝下像素內部進行模數轉換和存儲技術，每個或幾個像素共用一個多通道位串列模數轉換器，以數字形式傳輸信號；研究同步模數轉換和圖像處理技術，在模數轉換的過程中通過預先設定的斜坡信號和數字編碼靈活的同步實現卷積、插值和離散餘弦變換等算法，同步實現模數轉換和部分後續圖像處理。研究數字智慧型像素的可程式動態範圍、解析度特性；研究成果為小尺寸工藝下CMOS圖像感測器晶片設計提供可行性理論指導和技術方案，並廣泛套用於圖像信息採集領域。

結題摘要

本項目研究了四管CMOS有源像素，對其中的信號電荷傳輸過程進行了建模，並從工藝角度對圖像拖影進行了最佳化。通過對像素噪聲的分析與研究，藉助於鉗位光電二極體、傳輸管與存儲節點間的勢阱結構變化，給出了一種測試鉗位二極體夾斷電壓的方法。從工藝仿真角度出發，從包括傳輸柵溝道閾值電壓注入調整，鉗位光電二極體N型雜質的注入劑量和注入角度調整，以及確保信號電荷轉移的傳輸門電壓幾個方面分別對圖像拖影進行了仿真最佳化。基於提高光電二極體電容的角度，提出通過改變光電二極體結構來提升滿阱容量。為研究背照式像素中嚴重的電學串擾問題，建立了小尺寸背光像素間的串擾物理模型，研究了背照式像素低串擾最佳化方案。通過測試數據證明了圖像感測器暗電流的不一致性，並提出逐點進行暗電流消除的解決方法。設計了以DPCM-Huffman壓縮算法為基礎的解壓系統，完成去暗電流。設計了可用於像素內部的雙固定模式噪聲消除的電路結構，只使用一個耦合電容和開關雙採樣電路。列級FPN則通過數字可程式增益放大器的採樣保持來消除。在分析了全並行曝光五管像素的工作機理和噪聲產生機制的基礎上，設計了列級“頻寬匹配”復位噪聲消除電路。在研究傳統脈衝寬度調製型CMOS數字像素感測器的基礎上，分析了在其中集成圖像壓縮功能的方法；接著，針對傳統架構存儲器面積大的缺點，研究了利用預測編碼縮減存儲器面積的原理，從而確定了改進後的CMOS數字像素感測器系統解決方案；在研究系統的噪聲特性的基礎上，建立噪聲模型，進而完成了感測器的系統建模、仿真和電路設計，並提出了最佳化系統分塊方式、改善系統噪聲特性的方法措施。基於中芯國際65nm工藝，提出了一種可由0.4V電源供電的基於PWM工作模式的CMOS數字像素，通過改變工作頻率，動態範圍可以達到120dB以上。提出了一種可集成圖像校正功能的非線性讀出量化電路，採用簡單二進制步長的對數化傳輸函式，通過對傳統晶片級混合信號處理電路的改進克服了傳統集成方法在電路面積和設計複雜度方面存在的缺陷，在降低功耗的同時提高了像素數據輸出效率。為獲取高幀頻、大動態範圍、低數據量的精確視覺信息，提出了一種基於地址-事件表達的實時視覺CMOS感測器實現方法，採用多模式的行仲裁及實時時間標記，有效減小讀出數據量，減小時域行間信息扭曲；利用像素級光強變化感知電路探測光強變化，雙採樣PWM電路量化光強。