CMOS图像传感器中时问延迟积分的实现与优化
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2020-12-02
07:37:08
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CMOS图像传感器中时问延迟积分的实现与优化图像传感器中时问延迟积分的实现与优化
1 引 言 利用高速线扫描摄像机进行监控，具有在线监控、高精度和高速度的特点[1，2]，一般常见的线扫
描摄像机，感光器上的每个像素在进行动态扫描时，每次仅对移动中的物体做一次曝光，而时间延迟积分(TDI)
电路具备较多且有效的积分时间，从而增强信号的输出强度。目前，TDI技术的研究多局限于CCD工艺。CCD
器件是实现TDI的理想器件，它能够实现无噪声的电荷累加[3～5]，但传统CCD图像传感器技术存在驱动电路和
信号处理电路难与CCD成像阵列单片集成，需要较高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成电路工艺兼
容，图像信息不能随机读取等欠缺。随着CMOS集成电路工艺和开关电容电路设计技术的发展
1 引 言
利用高速线扫描摄像机进行监控，具有在线监控、高精度和高速度的特点[1，2]，一般常见的线扫描摄像机，感光器上的
每个像素在进行动态扫描时，每次仅对移动中的物体做一次曝光，而时间延迟积分(TDI)电路具备较多且有效的积分时间，从
而增强信号的输出强度。目前，TDI技术的研究多局限于CCD工艺。CCD器件是实现TDI的理想器件，它能够实现无噪声的电
荷累加[3～5]，但传统CCD图像传感器技术存在驱动电路和信号处理电路难与CCD成像阵列单片集成，需要较高的工作电压，
不能与深亚微米超大规模集成电路工艺兼容，图像信息不能随机读取等欠缺。随着CMOS集成电路工艺和开关电容电路设计技
术的发展，CMOS图像传感的光电转换、读出和A/D转换等功能已实现单芯片[6～8]，但目前有关利用CMOS工艺实现线阵TDI
的技术鲜有报道，其主要技术难点为如何实现低噪声的信号累加。本文在研究CMOS电路噪声的基础上提出了基于CMOS工艺
采用开关电容电路实现TDI功能的电路结构，详细分析了电路的噪声，提出了器件级噪声优化方法，采用SMIC 0.35 μm
CMOS工艺进行了仿真，仿真结果表明，该电路能够实现TDI功能，并且具有低噪声的特性。
2 TDI工作原理工作原理
TDI是指对同一移动中的物体进行多次曝光并将其积累。由于感光器积累多次的入射光，图像信号及整体亮度也相应大幅
提升[9]。在对入射信号累加的同时，对噪声信号也进行了累加，因此低噪声的电路设计成了设计中的重点。CMOS-TDI结构
如图1所示，它类似于普通面阵CMOS图像传感器，n级的TDI由n行像素单元、积分阵列组和列并行ADC组成。其中，m为像
素单元的个数，n为级数。本设计中，n=32。
3 电路设计电路设计
3.1 光敏单元的设计
像素单元的物理结构包括光电二极管、行选信号、电源、地信号和源跟随晶体管等。由于有源像素相对于无源像素有低读
出噪声、可集成到更大规模阵列和高速读出等优势[9，10]，采用三管有源像素结构。该结构的填充系数相对较高，而且寻址
方式简单。其电路结构如图2所示。
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