中½科学技术大学
硕士学½论文
大动态范围CMOS图像传感器技术研究与相关电路设计
姓名：卞育华
申请学½级别：硕士
专业：电路与系统
指导教师：卢结成
20090501
摘要
摘要
本文主要围绕ＣＭＯＳ图像传感器的动态范围扩展技术展开研究，总结分析
了½前主要的动态范围扩展技术，选用性½较优的条件重½技术½为本文的核
心，深入研究了条件重½像素结构各参数的选取依据，并且对指数时间采样条件
重½像素结构进行创新性改进。同时，设计了一种新型的１２½扩展ＡＤＣ，½为
指数时间采样条件重½ＣＭＯＳ图像传感器的列级ＡＤＣ。
本文首先阐述了光电管的特性以及数理等效模型，包括电路模型和主要噪声
模型，在此基础上给出ＣＭＯＳ图像传感器关键参数的推导，主要包括动态范围、
信噪比两个重要参数模型，进而以这两个参数为主要依据对常规条件重½技术和
指数采样条件重½技术进行性½分析，给出了相关参数（比较电压、采样时间）
的选取依据。
通过对指数时间采样条件重½像素工½时序的分析，得出像素在积分周期内
存在多次的无效写ＳＲＡＭ操½的结论。对电路的工½时序进行优化，并加入脉
冲生成电路，消除ＳＲＡＭ的无效写操½。设计了一种新型的可配½单稳态脉冲
生成电路，利用工½在亚阈值区域的ＮＭＯＳ管½为电容的充放电回路，电路结
构更½地与ＣＭＯＳ工艺兼容。对整个像素单元进行数模混合仿真验证，证明
ＳＲＡＭ写操½的有效性以及新型指数时间采样条件重½像素工½的可靠性。像素
单元的动态范围在常规条件重½电路的基础上提高１２½Ｂ，ＳＲＡＭ平均写操½次
数由２．１／２Ｎ次降为１次。
针对新型指数时间采样条件重½像素输出信号的特殊性，设计了一种新型的
１２½扩展ＡＤＣ（基于８½逐次逼近ＡＤＣ结构），可以对像素的模拟输出电压和
ＳＲＡＭ中重½时间数值进行处理，直接输出合成后的½换数值。设计的主要模块
包括电荷再分配电容阵列ＤＡＣ模块、迟滞比较器模块和移½ＳＡＲ数字模块。利
用数模混合仿真对输入信号进行全摆幅扫描，ＡＤＣ呈良½的线性输出，并对ＡＤＣ
的失调误差、积分非线性和微分非线性等性½参数进行了分析。
关键词：ＣＭＯＳ图像传感器指数时间采样条件重½单稳态脉冲逐次逼近ＡＤＣ
Ａ½½½½½½½
Ａ½½½½½½½
Ｔ½½½ ½½½½½ ½½½½
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ＣＭＯＳ ½½½½½
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½½ ½½½ ½½½½ ½½½½½ ½½½½ ½½ １ ２½Ｂ
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１．
Ｃ½½½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½½½½½½ ½½ ½½½ ½½½½½’Ｓ ½½½½½½ ½½½½½½，½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½½
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ＡＤＣ）½½
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½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½½½½½½½½．Ｔ½½ ½½½
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½½½½½½ ½½½½½½．Ａ½ ½½½ ½½½ ½½ ½½½½
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½½—½½½½½
½½½½½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½½．
Ｋ½½½½½½½：ＣＭＯＳ
½½½½½ ½½½½½½，½½½½½ ½½½½ ½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½
½½½½½，½½½½—½½½½½½
ＡＤ
½½½½½，½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½½½
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中½科学技术大学学½论文原创性声明
本人声明所呈交的学½论文，是本人在导师指导下进行研究工½所取得的成
果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任½他人已经发表或撰写
过的研究成果。与我一同工½的同志对本研究所做的贡献均已在论文中½了明确
的说明。
½者签名：二瞰
ＩＩＩ½－字ＩＩＩＩ：
≯＾，½．、Ｓ・叶
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½为申请学½的条件之一，学½论文著½权拥有者授权中½科学技术大学拥
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保密的学½论文在解密后也遵守此规定。
虹公开
½者签名：—二½埠．一
口保密（——年）
导师签名
签字日期
签字日期：上型￡：』：竺
第½章绪论
第１章绪论
随着现代计算机技术以及信息处理技术的发展，智½系统正在越来越多地帮
助人类处理外界的各种复杂信息，这些信息包括自然界的声、光、温度、压力以
及气味等等。人类通过五官接受获取外界信息，其中人眼通过获取图像得到的信
息量最大，据统计，人类获取信息的７５％是通过视觉器官得到的。基于视觉图像
巨大的信息量，先进的图像获取技术也就成了现代智½系统的重要组成部分。
图像传感器是图像获取设备的核心，目前主流的固态图像传感器主要包括
ＣＣＤ（Ｃ½½½½½．Ｃ½½½½½
Ｄ½½½½½）图像传感器和
ＣＭＯＳ（Ｃ½½½½½½½½½½½½
Ｍ½½½½．Ｏ½½½½．Ｓ½½½½½½½½½½½½）两种。ＣＣＤ图像传感器由于其较高的填充因子ＦＦ（Ｆ½½½
Ｆ½½½½½）和较½的固定模式噪声ＦＰＮ（Ｆ½½ Ｐ½½½½½½
Ｎ½½½½）已经得到广泛的应用，½因
其存在着多电压，高功耗，½速度，难与ＣＭＯＳ集成等缺点，限制了它的应用。
ＣＭＯＳ图像传感器正是解决了ＣＣＤ存在的问题而得到了越来越多的关注，特别
是近几年来，随着ＣＭＯＳ ５１２艺的发展，有可½开发出超½功耗的单片相机系统。
ＣＭＯＳ图像传感器目前还存在很多问题，主要集中在噪声抑制困难和动态范
围有限两方面，其中有限的动态范围严重限制了ＣＭＯＳ图像传感器在某些领域
的应用，比如交通监控、医疗检测设备等。扩展ＣＭＯＳ图像传感器的动态范围
是½前该领域研究的重点，很多研究已经取得了技术性的突破并且成功运用到产
品中，新成果在动态范围方面有了很大的改善。
本章首先介绍ＣＭＯＳ图像传感器的发展历程、性½特点，然后介绍一下½
前ＣＭＯＳ图像传感器的研究现状以及现有的动态范围扩展技术，最后介绍一下
本文的研究重点和组织结构。
１．１选题背景
１．１．１
ＣＭＯＳ图像传感器的发展历史
早在２０世纪六七十年代，ＣＭＯＳ图像传感器就以第一代固½图像传感器的
身½问世了，该技术的出现时间比ＣＣＤ技术早了很多，在６０年代中期，利用
ＭＯＳ管扫描电路构成的光电图像传感器已经成型。½由于ＣＭＯＳ工艺技术½后，
导致ＣＭＯＳ像素单元尺寸较大且性½½下，在之后相½长的一段时间里，对该
技术的研究进展缓慢。１９７０年后，ＣＣＤ图像传感器诞生，其很快以其优良的性
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