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CMOS图像传感器列级全并行像素复位噪声抑制电路的设计与测试

作　者: 谢爽
导　师: 李斌桥
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: CMOS图像传感器 全并行曝光 复位噪声 有源复位 列级复位噪声抑制
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 47次
引　用: 1次
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内容摘要


现代纳米技术研究,生物工程,材料分析学科等尖端科学都需要高速拍摄技术的支持。可实现对高速移动的物体不扭曲拍摄的全并行曝光CMOS图像传感器就因此到欢迎。但对于采用全并行曝光方式的五管像素,不可以采用相关双采样(CDS)来消除随机噪声,使其随机噪声较大。随机噪声中的复位噪声是影响图像传感器图像质量的主要因素,尤其在暗光条件下。所以本文将采用一种全新的“带宽匹配”有源复位的方式来消除复位噪声。本论文在充分了解国内外图像传感器复位噪声消除技术发展动态的基础上,详细分析了全并行曝光五管像素的工作机理和噪声产生机制,设计了一种列级“带宽匹配”有源复位噪声抑制电路。具体的方法为:利用延长复位脉冲下降沿时间的方法来增大复位管的输出电阻,从而减小复位噪声的带宽,使负反馈放大器有足够的响应时间,提高有源复位效果,以此来进一步减小复位噪声。并通过测试找出最佳噪声消除效果的状态。相比于传统有源复位,本文采用的方法具有不改变像素结构的优点。基于对该复位噪声抑制效果详细的理论分析和数学计算的基础上,通过电路实现找出消噪效果最好的状态。电路实现主要由两个模块组成:负反馈模块和复位脉冲产生电路。负反馈模块包括负反馈放大器、开关、电压基准产生电路和像素负载电路。复位脉冲产生电路包括3-8译码器、电平转换电路和电阻序列。该复位噪声抑制电路嵌入一个全并行曝光五管CMOS图像传感器中,该图像传感器采用Tower 0.18μm CMOS图像传感器工艺流片。测试出该电路在全暗光条件下可以有效消除将像素复位噪声减小到原来的1/19.1,即25.6dB。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-13
  1.1 CMOS 图像传感器简介  7-11
    1.1.1 CMOS 图像传感器与CCD 图像传感器  7-8
    1.1.2 CMOS 图像传感器的历史、现状及发展前景  8-9
    1.1.3 影响CMOS 图像传感器图像质量的主要因素  9-11
  1.2 选题的意义  11-12
  1.3 本文内容及结构安排  12-13
第二章 全并行曝光五管像素工作原理  13-29
  2.1 半导体的光电效应  13-19
  2.2 CIS 有源像素工作原理  19-23
    2.2.1 三管有源像素工作原理  19-22
    2.2.2 四管有源像素工作原理  22-23
  2.3 全并行曝光五管像素工作原理  23-29
    2.3.1 全并行曝光与滚筒式曝光比较  23-26
    2.3.2 全并行曝光五管像素结构及工作时序  26-27
    2.3.3 全并行曝光五管像素结构的优缺点  27-29
第三章 CIS 全并行曝光五管像素复位噪声抑制方法  29-49
  3.1 CIS 中的噪声及其消除方法  29-39
    3.1.1 模式噪声  29-30
    3.1.2 随机噪声  30-31
    3.1.3 散粒噪声  31-34
    3.1.4 CIS 噪声消除方法  34-39
  3.2 有源复位噪声抑制技术  39-44
    3.2.1 有源复位的原理  39-40
    3.2.2 传统有源复位噪声抑制电路的效果及局限  40-44
  3.3 全并行曝光五管“带宽匹配”有源复位噪声抑制技术  44-49
第四章 “带宽匹配”复位噪声抑制电路的设计与仿真  49-67
  4.1 负反馈模块  49-62
    4.1.1 反馈放大器  49-50
    4.1.2 开关  50-51
    4.1.3 带隙基准  51-58
    4.1.4 偏压产生电路  58-60
    4.1.5 像素负载模块  60
    4.1.6 负反馈模块的工作时序  60-61
    4.1.7 负反馈模块的仿真  61-62
  4.2 复位信号产生模块  62-67
    4.2.1 复位信号产生模块的设计考虑  62-63
    4.2.2 3—8 译码器  63-64
    4.2.3 电阻序列  64
    4.2.4 1.8V 到3.3V 电压转换器  64-66
    4.2.5 复位信号产生模块的功能仿真  66-67
第五章 “带宽匹配”复位噪声抑制电路的测试及优化  67-74
  5.1 “带宽匹配”复位噪声抑制电路的测试  67-72
    5.1.1 随机噪声的测试方法  67-68
    5.1.2 “带宽匹配”复位噪声抑制电路的测试方法  68
    5.1.3 “带宽匹配”复位噪声抑制电路测试结果  68-70
    5.1.4 根据测试结果对电路复位噪声抑制效果的讨论  70-72
  5.2 “带宽匹配”复位噪声抑制电路的优化  72-74
    5.2.1 负反馈放大器的优化设计  72-73
    5.2.2 优化的负反馈放大器的仿真  73-74
第六章 总结及展望  74-76
参考文献  76-79
附录  79-83
发表论文和参加科研情况说明  83-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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