基于像素级处理的CMOS图像传感器系统设计及实现

摘要

CMOS图像传感器是将光信号转换成电信号并通过对电信号的处理(信号预放大、A/D转换、色彩平衡等)将场景信息转换成图像信息的器件。它是集光电探测器、模拟电路和数字电路于一体的超大规模数模混合集成电路。随着深亚微米CMOS工艺技术的不断进步，信号在像素级处理已成为可能。相对于其它系统处理方案，像素级处理具有较高的信噪比(距离信号源近，模拟处理链最短，因此引入的噪声等干扰信号较少)、简单而稳定的电路结构、较高的动态范围、较低的系统成本及功耗等优点，在图像捕捉和处理的诸多不同要求面前表现出卓越的适应性和灵活性。 本文研究了采用像素级ADC实现的CMOS图像传感器系统。首先，对CMOS图像传感器的发展历程作了简要地回顾，通过对系统实现方法的讨论引出了像素级处理方案，并介绍了国内外发展情况及论文选题的意义。然后，从实际应用的角度出发，制定了系统的设计指标。根据设计指标的要求制定了合理的系统解决方案。接着，根据系统解决方案对各功能模块进行设计，包括模拟电路的实现及数字控制系统的实现。最后，对系统中各功能模块进行了仿真验证，给出了各模块的仿真结果及整个系统的仿真结果。最后的结果说明，各项指标均已达到设计指标的要求。 设计完成的CMOS图像传感器系统是基于chrt公司0.35μm两层多晶硅4层金属N阱CMOS工艺实现的；电源电压3.3V,ADC分辨率8位，转换时间2.08ms，帧频为 30 帧/秒；每2×2个像素子阵列共用一个 ADC，像素填充因子27％；一个像素子模块 (4个像素连同比较器/锁存器对)的功耗不超过1μM。 本论文的研究课题背景是国家自然科学基金项目“基于深亚微米大动态范围、千万像素CMOS图像传感器关键技术研究”。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

第一节图像传感器简介、历史及发展现状

第二节CIS的主要性能指标

第三节CIS系统的实现方法

第四节选题的意义及论文内容安排

第二章基于像素级ADC的CIS系统解决方案

第一节系统的功能描述及设计目标

第二节系统的总体设计方案

2.2.1系统功能模块的划分及各部分的功能

2.2.2系统的工作原理及过程

2.2.3系统的可测性设计

第三节像素级ADC处理技术

2.3.1多通道位串行ADC的编码原理

2.3.2多通道位串行ADC电路设计

第三章CIS系统中各功能模块的设计及电路实现

第一节像素模块的设计及电路实现

3.1.1综述

3.1.2像素电路的设计

3.1.3采样保持电路的设计

3.1.4像素级ADC的设计和电路实现

第二节斜坡发生器模块的设计及电路实现

3.2.1斜坡发生器的工作原理及结构综述

3.2.2采用开关电容DAC的优点

3.2.3斜坡发生器的电路实现

3.2.4斜坡发生器的精度考虑

第三节列放大器模块的设计及电路实现

3.3.1综述

3.3.2积分器的实现

第四节多路选择器的电路实现

第五节系统偏置模块的设计及电路实现

3.5.1概述

3.5.2系统偏置核心电路的设计

3.5.3偏置子电路的设计

第六节数字控制系统的时序设计及模块实现

3.6.1系统的整体时序设计

3.6.2数字控制系统的模块划分及信号描述

第四章CIS系统的电路仿真验证

第一节像素模块的电路仿真验证

4.1.1像素电路及采样保持电路的仿真验证

4.1.2像素级ADC的仿真验证

第二节斜坡发生器模块的电路仿真验证

4.2.1前置跟随器的仿真验证

4.2.2后置跟随器的仿真验证

4.2.3斜坡发生器的整体仿真验证

第三节列放大器模块的电路仿真验证

第四节数字控制系统的仿真验证

4.4.1系统的时序流图

4.4.2控制系统各模块及整体仿真结果

第五节基于像素级ADC的CIS系统仿真验证

4.5.1系统的仿真电路图

4.5.2系统的仿真结果分析

第五章总结

第一节全文总结

第二节后续工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果