一种集成多功能控制电路的智能化CMOS图像传感器设计.pdf

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1、第12卷第14期2012年5月科学技术与工程Vol.12No.14May20121671—1815(2012)14-3478-06ScienceTechnologyandEngineering2012Sci.Tech.Engrg.一种集成多功能控制电路的智能化CMOS图像传感器设计王洪彬陈世军刘强邓若汉余金金陈永平(中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要设计了一种集成多功能控制电路的智能化CMOS图像传感器，并应用数模混合集成电路的设计流程做了电路实现。详细描述了芯片架构的细节以及设计流程。设计的每个功能都在仿真系统中经过验证。实

2、现的功能包括:可选快门模式(全局模式及滚动模式)、相关双采样、可编程增益放大器、开窗口、多窗口(多达4个独立窗口)、亚采样、反转、镜像、可扩展动态范围的多次复位技术、SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)等。关键词CMOS图像传感器多功能控制电路智能数模设计流程中图法分类号TN79.2;文献标志码ACMOS图像传感器在许多领域都有应用，比如部分国内科研单位采取的还是由外部提供驱动波数码相机，监视系统，扫描设备，网络视频会议和生形的方法。集成多功能数字控制电路的智能芯片物学测定系统等等。当今智能CMOS图像传感器是还较少。CMOS图像传感器研究和设计的

3、主要方向。而随着1智能化CMOS图像传感器的功能设计传感器分辨率的快速增长和智能化的要求，传统的由外界提供驱动波形的方法已不能适应芯片功能智能化CMOS图像传感器的功能设计主要有如复杂度的增长，因此由片上集成的控制电路来实现下10项设计目标。更多智能化的复杂功能成为了今后CMOS成像传感1.1智能化器设计的主要途径。这就需要涉及多功能和高复该功能是本设计的核心，旨在通过串行外设接用性的芯片架构设计以及数模混合集成电路设计口对CMOS控制电路中的寄存器组进行读写操作，方法在智能化CMOS成像传感器设计上的应用。从而配置CMOS图像传感器的各项功能的属性，如国外各大公司和科研机构由于基础好

4、、投入快门模式、列级放大器的增益、窗口坐标、窗口数、大，在CMOS图像传感器领域遥遥领先。处于行业亚采样属性、反转与镜像的属性、积分时间以及设领先地位的Cypress公司推出了LUPA、IBIS、STAR计中所用到的各种时间参数。在上电运行后，控制系统可以智能化的根据配置的属性及参数生成所等一系列的标准产品。其中LUPA1300—2更是集需的各种控制信号，而不必如过去需要外围电路不成了多种功能。而国内为了在CMOS图像传感器领断地、周而复始地提供这些信号。域进行追赶，已有多家单位进行此方面的研发。虽1.2可选快门模式然进步很大，但还是相对落后。尤其在CMOS图像CMOS图像传感器的快门

5、模式主要分为全局快传感器的智能化方面和国外先进水平差距更大，大门模式和滚动快门模式两种。1)全局快门模式通过在3T结构上增加的全局2012年2月22日收到，7月27日修改第一作者简介:王洪彬(1986—)，男，辽宁人，中国科学院上海技术采样管来实现全局采样。工作原理为全体像素同物理研究所硕士研究生，研究方向:智能化CMOS图像传感器的多功时复位进行积分，当积分完成后，同时采样再由读能集成控制电路的设计。出控制电路一行一行地读出，如图1(a)。14期王洪彬，等:一种集成多功能控制电路的智能化CMOS图像传感器设计34792)当快门模式为滚动快门模式时，当一行读出1.6多窗口后马上进行复位

6、并开始积分，同时进行下一行的读为了能同时关注多个特定局部区域，本设计提出。由于其过程都是一行一行顺序进行的，所以叫供多窗口功能来满足此需要。本设计可通过SPI接滚动快门，如图1(b)。此时全局采样管保持为开通口配置1至4个窗口，芯片信号的输出是前一窗口状态。的整帧数据输出后再输出下一个窗口的整帧数据，而且多个窗口的读出是对应于同一个积分过程的。本设计只在全局快门模式下提供多窗口功能。1.7亚采样亚采样功能是在保持宽视场的同时提高器件帧频的方案。如图3所示，X表示不采样，0表示采样。图1CMOS图像传感器的两种快门模式(a)全局快门模式;(b)滚动快门模式1.3相关双采样电路相关双采样电

7、路主要用于消除CMOS图像传感器的固定图样噪声。如图2，S为信号值，D为相关的暗信号值，图中S和D中间的下凹部分代表复位。芯片的模拟输出接口将直接输出由信号与暗图3亚采样信号做差后的模拟信号值。本设计的相关双采样1.8反转与镜像功能仅在滚动模式下提供。反转与镜像在软件端实现的话会占用相当部分开销，所以把此功能集成到器件上是值得的。反转与镜像的原理就是控制列方向与行方向上的移位寄存器进行反向读出。1.9可扩展动态范围的多次复位技术可扩展动态范围的