提出了一种应用于CMOS图像传感器数字双采样模数转换器(ADC)的可编程增益放大器(PGA)电路。通过增加失调采样电容, 采集PGA运放和电容失配引入的失调电压, 在PGA复位阶段和放大阶段进行相关双采样和放大处理, 通过数字双采样ADC将两个阶段存储电压量化, 并在数字域做差, 降低了PGA电路引入的固定模式噪声。采用0.18μm CMOS图像传感器专用工艺进行仿真, 结果表明:在输入失调电压-30~30mV变化区间, 提出的PGA的输出失调电压可以降低到1mV以下, 相比传统PGA输出失调电压随输入失调电压单倍线性关系而言大大降低了列固定模式噪声。
CMOS图像传感器 数字双采样ADC PGA电路 CMOS image sensor digital double sampling ADC PGA circuit
介绍了一种单片集成式光-频率转换芯片，给出了流片芯片的测试结果。芯片内部光电二极管产生随光强变化的光生电流，积分电容将其转换为电压信号，当电压达到比较器阈值时，比较器翻转，振荡电路振荡，光强被转变为频率信号。采用0.6μm 2P3M工艺进行了流片，实现了芯片在三端封装条件下的正常工作，芯片尺寸为1.8mm×1.7mm，光敏区面积为850μm×850μm，非线性小于1%，暗电流小于1Hz，输出信号占空比为50%，芯片最高输出频率为1MHz。
光频转换 光电二极管 比较器 振荡器 light-to-frequency photodiode CTIA CTIA comparator oscillator
随着CMOS图像传感器(CIS)向片上系统化、高度集成化方向发展, 片内锁相环(PLL)成为系统不可或缺的片上时钟模块, 而高速高集成的CIS对PLL的高频时钟输出能力提出了新的挑战。介绍了一种基于0.13μm CIS工艺设计的电荷泵PLL模块, 该模块工作于1.5V电压, 利于控制功耗; 具备压控振荡器(VCO)电流自偏置和自校准技术, 可提供最高频率为480MHz的输出信号和更好的噪声性能; 多种输入输出倍频可选功能使其能够满足多样化的片上时钟生成需求, 提高可复用性。仿真结果表明, 当实现12倍频且输出频率为480MHz时, 该PLL模块输出信号的均方根周期抖动为837fs, 功耗为2.817mW, 满足高速CIS对时钟速度的需求, 同时保证了输出时钟的低噪声和模块本身的低功耗。
高速CMOS图像传感器 锁相环 压控振荡器自偏置 压控振荡器自校准 high-speed CMOS image sensor phase-locked loop VCO self-biasing VCO self-calibration
针对传统自动曝光算法难以兼顾实时性和平滑性的缺点，设计了一种结合直接计算法和可变步长调节法的综合性算法，研究了算法原理，给出了算法流程。该算法可以通过改变步长参数，自由设定将图像亮度调节到目标亮度的时间，使其能够适用于各种不同的应用场合。在基于FPGA的CMOS图像采集平台上完成了算法实现，实验结果证明采用该算法可以使图像亮度快速平稳地接近理想亮度，成像效果很好。
自动曝光 CMOS图像传感器 安防监控 auto exposure CMOS image sensor security monitoring
针对中值滤波导致部分图像细节损失和均值滤波出现模糊现象, 设计了一种适用于椒盐和高斯混合噪声的自适应滤波算法。该算法先用最小邻域的均值和阈值判断噪声类型, 然后使用加权中值滤波处理椒盐噪声, 再利用拉普拉斯算子和相应阈值判断图像边缘细节, 最后对高斯噪声进行加权均值滤波。实验仿真结果表明, 从图像视觉效果来看, 相比单独使用中值和均值滤波降噪, 自适应滤波算法对图像的还原效果更好, 图像细节保存较好, 模糊程度相对较弱, 图像更清晰。通过对比峰值信噪比(PSNR)和均方误差(MSE), 对混合噪声进行处理时, 滤波算法的PSNR和MSE值优于中值和均值滤波, 有效还原了噪声图像。整个算法是在最小邻域空间进行, 易于实现, 对混合噪声的处理效果较好, 为图像处理的系统集成化设计提供了技术支持。
降噪滤波 混合噪声 图像处理 最小邻域空间 de-noise filtering mixed noise image processing the smallest neighborhood space
1 重庆光电技术研究所, 重庆 400060
2 重庆鹰谷光电有限公司, 重庆 400060
从优化算法、硬件结构和模拟结果入手, 通过对CMOS图像传感器暗光环境下模数转换电路的优化设计, 提出了一种暗光环境下性能提升的大动态范围非线性模数转换器的设计。在模拟电路模块完成了暗光优化图像处理算法, 使暗光环境下光电转换数字码密度增大, 在不增加额外芯片面积和功耗的同时, 提高了CMOS图像传感器的暗光图像性能。
暗光优化 非线性模数转换器 大动态范围 CMOS图像传感器 low illumination optimization nonlinear ADC wide dynamic range CMOS image sensors
1 重庆邮电大学 光电工程学院, 重庆 400065
2 重庆光电技术研究所, 重庆 400060
设计了一种用于CMOS图像传感器时钟产生的电荷泵锁相环(CPPLL)电路。基于0.18μm CMOS工艺, 系统采用常规鉴频鉴相器、电流型电荷泵、二阶无源阻抗型低通滤波器、差分环形压控振荡器以及真单相时钟结构分频器与CMOS图像传感器片内集成。系统电路结构简洁实用、功耗低, 满足CMOS 图像传感器对锁相环低功耗、低噪声、输出频率高及稳定的要求。在输入参考频率为5MHz时, 压控振荡器(VOC)输出频率范围为40~217MHz, 系统锁定频率为160MHz, 锁定时间为16.6μs, 功耗为2.5mW, 环路带宽为567kHz, 相位裕度为57°, 相位噪声为-105dBc/Hz@1MHz。
CMOS图像传感器 锁相环 频率综合器 片内集成 CMOS image sensor phase-locked loop frequency synthesizers on-chip integration
1 重庆光电技术研究所, 重庆 400060
2 重庆邮电大学 光电工程学院, 重庆 400065
提出了一种基于6T像素结构的全局曝光CMOS图像传感器。通过采用PPD结构的6T像素、高复位电平和低阈值器件, 提高了动态范围, 并优化设计了像素单元的版图, 使之获得较高的填充系数; 模拟读出电路部分, 通过采用双采样、增益放大和减小列级固定模式噪声(FPN)处理, 以及对列选控制电路进行优化, 减小了对全局PGA的运放设计要求。芯片的工作频率为20MHz, 动态范围为66dB, 实现了全局曝光方式CMOS图像传感器的设计。
6T像素 CMOS图像传感器 6T pixel CMOS image sensor FPN FPN PGA PGA
设计了64×64 AlGaN雪崩光电二极管（APD）阵列的读出电路, 该读出电路采用了具有稳定探测器偏压能力的电容跨阻抗放大器（CTIA）结构。利用APD的等效电路模型, 推导了电荷-电压转换因子（CVF）与积分电容、放大器增益的关系。为增加最大探测光电流、降低响应的非均匀性, 利用上述关系得到积分电容为70fF, 放大器增益为300。读出电路的地址选择采用移位寄存器来实现, 并采用电压缓冲器实现信号的输出。
读出电路 雪崩光电二极管 电荷-电压转换因子 read out integrated circuit avalanche photodiodes capacitor transimpedance amplifier CTIA charge-voltage conversion factor
基于0.35μm工艺，设计了应用于低光照环境下的低噪声、高灵敏度CMOS图像传感器。该图像传感器采用PPD 4T像素结构，像素阵列512×512，包含列级运放、水平移位寄存器、逻辑控制单元、单斜率模数转换器和偏置电路等模块。通过采用低噪声PPD 4T像素结构、低噪声列级放大器电路结构，以及对版图的优化设计等措施实现了低噪声、高灵敏度的CMOS图像传感器设计。
CMOS图像传感器 PPD 4T像元 单斜率模数转换器 低噪声 CMOS image sensor PPD 4T pixel single slope ADC low noise
