高动态范围CMOS图像传感器的研究

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1、分类号：TN432单位代码：10183研究生学号：2015512045密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）高动态范围CMOS图像传感器的研究StudyonHighDynamicRangeCMOSImageSensor作者姓名：王仁广专业：微电子学与固体电子学研究方向：模拟集成电路指导教师：常玉春教授培养单位：电子科学与工程学院2018年6月—————————————————————高动态范围CMOS图像传感器的研究—————————————————————StudyonHighDynamicRangeCMOSImageSe

2、nsor—————————————————————作者姓名：王仁广专业名称：微电子学与固体电子学指导教师：常玉春教授学位类别：理学硕士答辩日期：2018年5月31日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士(或硕士)学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中

3、已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和C

4、NKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：硕士□博士学科专业：微电子学与固体电子学论文题目：高动态范围CMOS图像传感器的研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林省长春市前进大街2699号吉林大学前卫南区唐敖庆D区（130012）作者联系电话：18204315592摘要高动态范围CMOS图像传感器的研究随着科技的不断进步和人们生活水平的不断提高，消费级的数码相机以及便携式智能手机等各种摄像设备已经成为必需品。图像信息的采集和处理，在消费、医疗、安保以及航空航天等各个领域中都发挥着重要的

5、作用。图像传感器的发展为这些领域的进步奠定了坚实的基础。CMOS图像传感器因其易集成、低成本和低功耗等优势逐渐取代了CCD图像传感器成为市场主流，但是某些先天不足一直制约着它的进一步发展。动态范围（DR，DynamicRange），用来定义CMOS图像传感器（CIS，CMOSImageSensor）能够检测的光强范围，是图像传感器的最重要的技术参数之一。由于CIS中像素的阱容量有限，当入射光强度达到一定值时，像素就会饱和。当前CCD和CIS的动态范围有限，难以满足高动态范围场景的图像获取要求。因此如何提高CIS的动态范围成为一项

6、富有挑战性的课题。本论文创新性地提出了针对图像传感器的一种新颖的高动态电路读出方法，即基于两次电荷转移的高动态读出电路。根据提出的高动态范围电路读出方法，为CIS在高动态成像领域提供一个新的解决方案。主要工作包括高动态读出电路以及像素级模数转换器的设计与仿真。本文提出的基于两次电荷转移的高动态读出电路，其核心思想是在像素单元内部完成入射光强弱的判断，然后将判断结果反馈回像素内部，控制4T（Transistor）像素的积分和电荷转移。像素光强信号的读出分为两个阶段，即预积分阶段和积分阶段，预积分阶段完成对入射光强的判断，积分阶段完

7、成像素信号的采样读出和模数转换。本文完成了高动态电路读出方法的设计和仿真验证工作。基于目前CMOS图像传感器架构中新型的像素信号转换电路，即像素级模数转换器，结合本文提出的高动态电路读出方法，通过复用其中的比较器和锁存器，在像素内完成入射光强判断和光强信息的模数转换。本文基于0.18μm1P4MCMOS工艺，使用Cadence完成了像素级的模数转换器电路的设计与仿真。通过四个像素共用一个像素级的模数转换器，节省了面积和功耗。设计结果表明，图I像传感器的帧率达到100fps，像素尺寸为15μm×15μm，ADC的分辨率为8.72位

8、，单个像素模块的功耗仅为13.2μW。图像传感器的动态范围由61.15dB增强至107.36dB，实现了46.21dB的动态范围增强。关键词：CMOS图像传感器，4T像素，动态范围增强，低功耗，像素级ADCIIAbstractStudyonHighDynamic