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本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围CMOS图像传感器研究”的重要组成部分。主要面向大动态范围、高速应用,深入研究了高性能CMOS图像传感器的设计技术,在噪声控制、动态范围扩展和系统设计方面具有独创性。主要研究工作包括:1. 全面了解CMOS图像传感器发展动态及CMOS技术发展对其影响。在分析比较各种像素结构灵敏度的基础上,探讨了灵敏度改善技术。常用的PD、PG像素结构的灵敏度受CMOS技术硅化物工艺影响。PPD、TFA结构可获得高灵敏度,但需要附加工艺。2.对CMOS图像传感器中时间噪声、模式噪声的抑制技术进行了深入研究,提出并设计了一种新读出电路结构。有效抑制固定模式噪声FPN, 尤其是列相关FPN, 需要读出电路具有较高噪声抑制效率。我们所设计的新读出电路结构采用仪器放大器配置的精确平衡差分输出SC放大电路,应用失调补偿、CDS等技术,在有效抑制像素FPN同时,消除或减少列电路失调,在读出电路实现列FPN的有效抑制。像素信号的精确平衡差分输出,也使通过电源线、衬底或其它寄生耦合到信号路径的噪声干扰,特别是数字相关的开关噪声得到有效抑制。3.在深入探讨CMOS图像传感器动态范围扩展技术的基础上,提出了像素级双采样存储技术,并完成了双采样存储像素的设计。多次曝光技术是一种较为有效的动态范围扩展方法。但多于两次的曝光,一般需要在片或片外存储器支持,信号处理复杂,传感器的帧频受到限制。我们所提出的像素级双采样存储技术将两次曝光采样及图像组合处理在像素内实现,在扩展动态范围同时, 可获得较高的图像实时处理速度。所设计的具有双采样存储的像素不仅可工作于高速同步曝光模式,还可以工作于滚动曝光模式。4. 应用上述所提出的设计技术,我们在国内首次进行了SVGA级、大动态范围、高速、高精度CMOS图像传感器系统的设计, 提出了可行的系统结构。所设计的单元模块于2004年3月参加了上海ICC的CH350403梯次MPW流片验证,数字模块进行了FPGA验证,为系统样片流片打下坚实基础。