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像素内两次曝光组合的宽动态范围CMOS图像传感器

作　者: 孙忠岩
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 两次曝光 宽动态范围 五管有源像素
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着安防监控系统的发展,要求图像传感器具有较宽的动态范围,然而消费类的CMOS图像传感器动态范围不高于60dB,无法满足同时捕捉到场景中暗光和高光细节的要求。常用的动态范围扩展方法有的增加了像素复杂度,有的拍摄的两次或多次图像信息在片上存储器按照一定的算法进行组合大大增加了硬件量。本文提出了一种基于五管有源像素的宽动态范围CMOS图像传感器,在像素内部的浮动节点处进行长曝光时间信号和短曝光时间信号的组合。本文在分析了常用的宽动态范围技术优缺点的基础上,给出了像素内两次曝光组合宽动态范围CMOS图像传感器的数学模型;结合像素内势垒势阱的变化分析了像素操作原理;基于像素操作的要求完成了相应的像素驱动电路和电平选择电路的设计,主要包括带隙基准电路、偏置电压产生电路、像素传输门信号电平产生电路和像素全局复位信号驱动电路等几个模块;利用Tower 0.18μm CMOS工艺进行仿真,结果表明,传输门信号的电平值和全局复位信号的电平值实现可编程选择,满足像素内两次曝光信号组合操作的要求。应用像素内两次曝光组合技术的CMOS图像传感器采用0.18μm CIS工艺进行了流片,测试结果表明通过优化像素操作,光电响应曲线得到了压缩,在两次曝光时间分别为2.4ms和70ns,30帧每秒的帧频条件下,传感器的动态范围达到80dB,满足安防监视系统的应用需求。本文的创新点在于,在达到一定的宽动态范围条件下,采用像素内部节点进行曝光信号组合,没有改变像素结构,相对于其它两次曝光模数转换之后合成,节省了存储器的使用,降低了读出电路和模数转换的速度。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-12
  1.1 CMOS图像传感器的简介  7-8
  1.2 CMOS图像传感器的应用  8-10
  1.3 选题的意义和设计背景  10
  1.4 本文的组织结构和内容安排  10-12
第二章 宽动态范围CMOS图像传感器  12-28
  2.1 动态范围  12-14
  2.2 宽动态范围图像传感器的研究意义  14-15
  2.3 非线性响应技术  15-20
    2.3.1 对数响应技术  15-16
    2.3.2 阱容量调节技术  16-20
  2.4 多次曝光采样技术  20-24
    2.4.1 两次曝光采样技术  20-22
    2.4.2 多次曝光采样技术  22-23
    2.4.3 条件复位技术  23-24
  2.5 像素内信号组合技术  24-27
    2.5.1 两次曝光信号分配组合技术  24-26
    2.5.2 多次曝光信号反馈组合技术  26-27
  2.6 本章小结  27-28
第三章 像素内两次曝光信号组合的原理  28-44
  3.1 CMOS有源像素  28-31
    3.1.1 CMOS三管有源像素  28-29
    3.1.2 CMOS四管有源像素  29
    3.1.3 CMOS五管有源像素  29-31
  3.2 曝光模式  31-33
  3.3 像素内两次曝光信号组合操作  33-39
    3.3.1 理论模型  35-37
    3.3.2 控制信号电平的选择  37-38
    3.3.3 曝光时间的选择  38
    3.3.4 长短曝光先后顺序的选择  38-39
  3.4 复位噪声抑制  39-42
  3.5 本章小结  42-44
第四章 像素内两次曝光组合的像素驱动电路设计与仿真  44-64
  4.1 像素驱动电路的总体结构  44
  4.2 带隙基准电路  44-49
    4.2.1 带隙基准电路的基本原理  44-46
    4.2.2 带隙基准电路的实现与仿真  46-49
  4.3 电压选择电路  49-55
    4.3.1 偏置电压产生电路  49-51
    4.3.2 PR电压选择电路  51-53
    4.3.3 TCK电压选择电路  53-55
  4.4 像素PR信号驱动电路  55-57
    4.4.1 1.8V-3.3V时钟幅度提升电路  55-56
    4.4.2 PR信号驱动电路的实现与仿真  56-57
  4.5 像素TCK电平产生电路  57-63
    4.5.1 1.8V-4.4V时钟幅度提升电路  58-59
    4.5.2 TCK信号电平产生电路的实现与仿真  59-63
  4.6 本章小结  63-64
第五章 图像传感器动态范围的测试与分析  64-72
  5.1 CMOS图像传感器动态范围测试结果  64-67
  5.2 像素内两次曝光组合的分析和优化  67-71
  5.3 本章小结  71-72
第六章 总结与展望  72-73
参考文献  73-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

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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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