FGMOS型图像传感器的高精度读出系统研究.pdf

摘要

摘要

图像传感器广泛应用于汽车电子、安防、便携式医疗、移动设备等领域。随着众多

电子产品对图像质量的要求不断提高，更高性能的图像传感器亟待研发。回顾图像传感

CMOS

器的发展历程，图像传感器凭借其低成本、低功耗以及高动态范围的优势不断占

领图像传感器市场。而浮栅MOS（FloatingGateMOS,FGMOS）型图像传感器由于其像

素器件的多信号控制、阈值可变可控等优势，正逐步迈入大众视野。

FGMOS图像传感器的成像方式可分为阈值读出和电流读出。本文基于FGMOS型

像素器件的电流读出方式，设计了一种高精度图像传感器外围模拟读出电路，并针对整

FGMOSAnalogto

体读出电路架构及像素阵列提出了两种利用比较器及模数转换器（

DigitalConverter,ADC）的温度校正方式。此外，本文对新型感存算一体图像传感器进

NORFlash

行了一些研究与探索，并面向闪存（）存储单元的存算一体架构，创新设计

了两种基于FGMOS型器件的数据处理电路。论文的主要研究内容归纳如下。

（1）首先介绍了FGMOS型图像传感器的主要工作机制，包括FGMOS像素器件

的工作原理、读取电流原理及成像原理。在此基础上，针对FGMOS器件电流读出的成

像方式，设计了一种高精度图像传感器外围读出电路，其主要包括钳位电路、电流镜拷

贝电路、电流-电压（I-V）转换电路、比较器电路及斜坡电压电路。由于FGMOS像素

器件电流读出方式与普通MOS管类似，通过钳位电路将FGMOS器件漏端电压固定，

使其与普通MOS管一样工作在线性区，产生固定电流值；电流镜电路将像素器件产生

I-V

的电流进行高精度拷贝；转换电路通过电容积分的方式，将电流转换为电压；比较

I-V

器电路则将转换的电压与斜坡电压进行比较，输出数字值供计数器计数。为充分评

估电路的性能，本文为读出电路提出了一些关键性能指标，作为其实现标准。

（2）基于上述电路分析，对各个子模块进行了详细的电路设计及优化设计。仿真

结果表明，在0~10μA输入电流范围内，钳位电路的钳位电压在200mV左右，上下波

动0.3mV，满足高精度钳位要求，可实现FGMOS器件输出电流的高精度拷贝；电流镜

拷贝精度最大误差为4nA，而比较器的最小比较电压为550μV。随后，针对整体模拟

读出电路进行了有效位数仿真及信噪比分析，分别为9.72dB以及60.75dB，均满足读

出电路高精度设计需求。由于提供运放偏置的基准电流源易受温度影响，提出了一种由

带隙基准、运放及电流镜组成的低温度系数基准电流源。在完成子模块电路及整体电路

的仿真后，对上述电路进行了版图设计及后仿真验证，后仿结果与前仿结果比较接近，

满足预设指标的要求。此外，基于像素器件电子迁移率的温漂特性研究，提出了两种基

于比较器与ADC的温度校正实现方式，通过图像传感器像素阵列输出，产生比较器、

ADC的参考电压，使得上述两个电压值具有相同的温度变化趋势，达到温度校正的目

的。

（3）采用55nmCMOS工艺对设计的改进型基准电流源进行流片。在电源电压波

动百分之十的状态下进行测试，结果表明，基准输出电流从15.34μA变化至15.76μA，

相较于后仿14.91μA至15.00μA，整体偏差0.5μA左右；而在温度变化情况下，基准

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输出电流变化为0.4μA，温漂系数较后仿结果略高，但针对三支路基准电流源而言，有

了很大的改善。

（4）在完成上述读出电路设计的基础上，对感存算一体图像传感器进行了先行探

索，并面向NORFlash存算一体架构，提出了两种用于FGMOS型感存算一体图像传感

器的数据处理电路——绝对值电路及电流权值累加电路。电流权值累加电路利用