像素级AD转换图像传感器设计.doc

1、湖 南 工 程 学 院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书设计（论文）题目： 像素级 AD 转换的图像传感器设计 姓名 吴飞 系别 电气信息学院 专业 电子科学与技术 班级 0402 学号 200401180212 指导老师 刘建 教研室主任 龙 泳 涛 一、基本任务及要求：1 掌握图像传感器的系统结构； 2 掌握光敏感器件光电二极管； 3 设计像素电路； 4 设计时钟产生器及 CMOS 动态存储器； 5 对电路进行仿真，完善电路设计； 6 编写设计说明书。 二、进度安排及完成时间： （1）第 1 周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及

2、研究的实际意义； （2）第 2 周：查阅相关资料，了解本课题的发展历史和研究应用现状，确定课题总体方案，明确课题任务、撰写文献综述和开题报告； （3）第 34 周：掌握图像传感器的系统结构，光敏感器件； （4）第 5 周：掌握像素结构； （5）第 68 周：设计 A/D 转换器电路结构； （6）第 910 周：设计时钟产生器及 CMOS 动态存储器； （7）第 11 周：对电路进行仿真，完善电路设计； （8）第 1213 周：撰写设计说明书，整理资料，准备答辩； （9）第 14 周：毕业设计答辩。 摘要 .1引言 .3第一章 绪论 .41.1 数字成像系统的结构 .41.2 A/D 转换器与图

3、像传感器的结合方式 .51.3 己有的成就 .61.4 本文所做的工作 .8第二章 像素级 A/D 转换型图像传感器概述 .92.1 介绍 .92.2 系统描述 .92.3 像素结构 .102.4 A/D 转换器的结构 .112.5 时钟信号产生器与 SAM .12第三章 CMOS 光电敏感器件 .143.1 光电二极管及光电三极管的性能 .143.1.1 光电二极管 .143.1.2 光电三极管 .143.2 光电二极管的量子效率 .15第四章 像素电路的设计和模拟 .194.1 目前已有的一些像素电路 .194.1.1 MOS 二极管的对数传感器 .194.1.2 类延迟结构的光电路 .2

4、04.1.3 Delbruck 的可调光电路 .214.1.4 电流放大光电路 .234.1.5 积分光电路 .234.2 像素电路的设计 .244.2.1 前置放大器 .244.2.2 取样保持电路 .254.2.3 A/D 转换器 .254.3 模拟仿真 .254.3.1 模型参数的确定 .264.3.2 设计与改进 .27第五章 传感器外围电路的设计与整个传感器的仿真 .325.1 时钟产生器 .325.2 CMOS 移位寄存器 .345.3 整个传感器的功能模拟 .36结论 .39小结与致谢 .40参考文献 .411摘要本课题为像素级 AD 转换的图像传感器设计，所要研究的就是图像传感

5、器的构造和功能，如何把光信号转换成电信号，通过计算机等辅助工具呈现在人们的面前。现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的 80%以上，是通过视觉器官得到的。所以图像传感器，作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽，灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，而在现代社会中得到了越来越广泛的应用。在研究过程中，涉及到了大量的原理图，对在传感器中占有重要地位的像素电路进行了设计，主要有积分光电路，前置放大电路，取样保持电路，A/D 转换电路，都需要用到 Vware 软件进行画图和仿真，对所得出的仿真波形

6、图进行分析和设计的优化。通过对图像传感器的设计和优化，得到了一个全新的 CMOS 数字图像传感器电路图。模拟仿真的结果表明：这个传感器能实现图像传感的功能。也对图像传感器有了更深的认识。随着计算机技术的迅速发展，多媒体市场的日益扩大，CMOS 图像传感器的应用越来越广泛了，同时 CMOS 工艺的发展和多媒体市场的需要相结合，促成了数字 CMOS 图像传感器的迅速发展。关键字 CMOS A/D 转换电路2Abstract The topic for the conversion of the AD-pixel image sensor designed to study by the image

7、 sensor is the construction and function of how the optical signals into electrical signals through computers and other aids people in the show before. Modern human life, people need urgent access to information, and human access to the total amount of information of more than 80 percent is obtained

8、 through the visual organs. Therefore, image sensor, as a modern visual access to information based on a device, to achieve their access to information, conversion and the expansion of visual function (broaden the spectrum, expand the scope of sensitivity), can give direct, real, level up, as most R

9、ich visual image information, and in modern society has been more widely used. In the course of the study, which involves a lot of schematics, on the sensor occupies an important position in the pixel circuit design, the main integral optical circuits, pre-amplifier, to maintain the sampling circuit

10、, A / D converter circuit, we need Vware used simulation software and drawing on the outcome of the simulation waveform of the analysis and design optimization. Through the image sensor in the design and optimization, get a new digital CMOS image sensor circuit. The simulation results showed that: t

11、he image sensor to achieve sensing functions. The image sensor also gained a deeper understanding. With the rapid development of computer technology, the growing multimedia market, CMOS image sensor applications more widely, while the development of CMOS technology and multimedia integration of the

12、needs of the market, led to the digital CMOS image sensors rapid development.3引言现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的 80%以上，是通过视觉器官得到的。所以图像传感器，作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽，灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，而在现代社会中得到了越来越广泛的应用。图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和不可见光)，转换为按时序输出的电

13、信号视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按照时序变化的电信号的过程称为图像摄取。60 年代以前，摄像的任务都是用各种电子束摄像管来完成。60 年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是 MO S 集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到了迅速发展。到 70 年代末，已经有一系列产占，在军事、民用个方面得到广泛应用，例如 RL2048, CCPD1728,TCD 106C 等。目前，图像传感器主要有两类，一种是电荷耦合器件(ChargeCoupled Device ，简称CCD)，另一种是互补金属氧化物半导体器件（Complementary Metal-Oxide-Sem

14、iconductor，简称 CMOS)。 CCD 图像传感器结构相对比较简单，工艺容易实现，但这种器件耗能较大，不易高度集成，且用模拟方式进行信息交换，因此应用范围比较小。而对 CMOS 图像传感器来说，它的集成度较高，可以把整个系统集成在单片上，但信号处理线路复杂，对工艺的要求比较苛刻，与 CCD 器件相比还不够成熟。不过，随着 CMOS 工艺水平的不断提高，使得单片上集成大量晶体管成为可能，因此 CMOS图像传感器的设计日益受到人们的重视。随着计算机技术的迅速发展，多媒体市场的日益扩大，需要一种先进的图像获取系统，能够直接将图像输入到个人电脑中。电脑只能进行数字信号处理，而图像信号是一种模

15、拟信号，因此需要 A/D 转换器，将模拟图像信号转换成数字图像信号，才能实现电脑处理图像。在很多应用中，例如机器人视觉、监督系统、视频会议和数字相机等方面，都需要把 A/D 转换器与图像传感器直接集成在一起，构成数字成像系统。这样就提高了集成度，减小了芯片面积，降低了功率损耗，增强了可靠性，并且降低了成本。CMOS 工艺的发展和多媒体市场的需要相结合，促成了数字 CMOS 图像传感器的诞生，并迅速发展起来。4第一章 绪论1.1 数字成像系统的结构目前，多数数字成像系统是由多个离散单元芯片构成的。图 1-1 所示就是一个典型的成像系统。这个系统包括一个时钟驱动器，一个 CCD 图像传感器，一个高

16、速 A/D转换器，RAM，和一个或多个 ASIC。时钟驱动器提供 CCD 的控制信号。CCD 图像传感器把光信号转换为模拟信号。模拟信号通过高速 A/D 转换器变为数字信号，数字数据就存储在 RAM 中。ASIC 芯片用于管理系统并进行一些必要的信号处理和数据压缩。可能有人认为可以通过把这些电路集成在一个单片硅上而形成一个单片数字传感器，这在事实上是行不通的，因为每部分电路需要不同的工艺。这个系统的另一个缺点就是功率损耗很高，约为 10 瓦，并且其面积很大。因此，对于目前所需要的便携式应用，这种系统是不合适的。为了在一个芯片上集成数字成像系统，图 1-1 所示的所有的块(可以不包括 RAM)必

17、须要用同一种工艺来制造。标准 CMOS 工艺可以做到这一点。图 1-2 给出了一个这种系统的框图。它包括两个部分：一个传感器芯片和 RAM。传感器芯片包括一个图像传感器，一个 A/D 转换器和控制于处理信号电路。C L O C K D R I V E R SC C D S E N S O RV I D E O A C CA S I C R A MD I G I T A L V I D E O图 1-1 离散芯片构成的数字成像系统A S I CC M O S S E N S O RA D CR A MD I G I T A L V I D E O5图 1-2 单片集成数字成像系统1.2 A/D

18、转换器与图像传感器的结合方式将 A/D 转换器与图像传感器集成在一起有几种不同的方法。最简单的方法是一个图像传感器集成一个 A/D 转换器，每个像素的输出都要经过 A/D 转换后输出，如图 1-3 所示，这个结构需要一个高速的 A/D 转换器。第二种方法是利用在芯片上数据传输可以并行的优势，把一个图像传感器和一个半并行 A/D 转换器集成在一起，如图 1-4所示。这种结构需要一行 A/D 转换器。由于半并行结构每个像素列共用一个 A/D 转换器，使得这种结构的性能比第一种更加优越。在本文中我们将要讨论另一种结构-并行结构，如图 1-5 所示，这种结构每个像素都有自己的 A/D 转换器，从而在一

19、个图像传感器中集成了一个 A/D 传感器的三维阵列。这种结构在可用结构中 A/D 转换器速度要求最低，功率最小，并且在传感器核与外围电路间的所有交换都是数字的。并行A/D 结构也有很多缺点，例如版图复杂、A/D 传感器尺寸有严格限制。然而，以目前的 CMOS 工艺水平，例如 0.8um、三层金属的工艺，己经可以制造这种并行 A/D 转换的图像传感器。图 1-3 一个 A/D 转换器的图像传感器结构图6I m a g e S e n s o r C o r eL I N E A R A R A A YC O N T R O LROWDECODERSD I G I T A L I / OA M P

20、 L I F J E R SA / D图 1-4 半并行 A/D 转换型图像传感器结构图1.3 己有的成就到目前为止，己经有很多研究者把目光投到 A/D 转换型的 CMOS 图像传感器的研究上。他们的工作使得单 A/D 转换型结构到半并行结构的转换有了重大进展。并且在CMOS 图像传感器像素方面也取得了很大进展，从扫描式光电二极管发展到了含有几个 MOS 晶体管的动态像素。1991 年，Peter Denyer 研究小组在爱丁堡大学设计出了著名的集成一个 A/D 转换器的 CMOS 图像传感器。在图 1-5 中描述了一个用于针式打印摄取和验证的视频传感器。这个传感器的示意图如图 1-6 所示，由一个 258258 的像素阵列，一个水平移位寄存器和一个竖直移位寄存器构成。7图 1-5 并行 A/D 型图像传感器结构图图 1-6 Peter Denyer 小组的图像传感器结构图