大動態(tài)范圍脈沖寬度調(diào)制數(shù)字像素傳感器的研究和設(shè)計.pdf

1、隨著CMOS工藝尺寸的不斷減小，阱容量、電源電壓不斷下降，使得圖像傳感器受噪聲串擾等的影響越來越大。因此，數(shù)字像素圖像傳感器應(yīng)運而生。數(shù)字像素圖像傳感器是一種在像素內(nèi)部實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的圖像傳感器。它能夠改善由于工藝尺寸的減小導(dǎo)致的噪聲上升以及電源電壓降低對圖像傳感器的影響?，F(xiàn)階段實現(xiàn)數(shù)字像素共有三種方式，分別是脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和地址事件表示法（AER）。其中PWM將光強信息轉(zhuǎn)換為時域內(nèi)的信息，減小了電路中的噪

2、聲對信號的影響，同時保持適當?shù)墓暮碗娐访娣e。然而由于像素內(nèi)存儲位數(shù)的限制，PWM的動態(tài)范圍受到很大的限制。在固定幀頻的情況下，弱光照信號的探測受到了很大的影響。
　　因此，本文提出了一種具有自適應(yīng)參考電壓的PWM讀出方法來擴大其動態(tài)范圍。該方法將像素陣列分成包含相同數(shù)目像素的像素塊，每個像素塊設(shè)置一個參考電壓產(chǎn)生模塊。通過參考電壓產(chǎn)生模塊使每個像素塊的參考電壓和像素塊內(nèi)光照強度相關(guān)。本文對這種方法的動態(tài)范圍、光響應(yīng)、失真、噪聲來

3、源等進行了詳細的理論分析，與傳統(tǒng)采用固定參考電壓和斜坡參考電壓的PWM數(shù)字像素進行了性能對比。采用65nm CMOS工藝設(shè)計了64×64的像素陣列，對低傳輸時延比較器、像素內(nèi)8位存儲單元、參考電壓產(chǎn)生模塊、8位單斜模數(shù)轉(zhuǎn)換器等進行了電路設(shè)計和優(yōu)化。對其中4×4像素塊進行了版圖設(shè)計。理論分析表明動態(tài)范圍可從48dB提升至96dB，實際仿真結(jié)果為88.16dB。使用峰值信噪比（PSNR）來反映失真，采用自適應(yīng)參考電壓的數(shù)字像素平均能夠達到2