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随着CMOS工艺特征尺寸已发展进入深亚微米级，输出电压摆幅的降低和噪声水平的升高导致有源像素传感器的信噪比、动态范围性能大幅下降，这已成为有源像素传感器动态范围不能达到CCD图像传感器相当水平的瓶颈问题。同时，工艺尺寸减小可使像素内部集成更多的晶体管，因而集成像素级模数转换器和存储器，具有动态范围不直接依赖电源电压特性的CMOS数字像素传感器（Digital Pixel Sensor, DPS）成为当今图像传感器领域研制的热点和前沿。针对小尺寸工艺电源电压下降的趋势，本文提出了一种基于脉冲宽度调制原理的DPS。它采用斜坡电流比较方式从而避免使用复杂像素级比较器，并可在低电源电压下工作；通过调节计数时钟频率来量化不同光强范围对应的光生电流，可同时提高像素最大可探测光电流、降低最小可探测光电流，从而使动态范围得到明显提高，并使DPS具有对数响应特性，这使得该DPS具有人眼成像特性；像素级模数转换器和存储器的使用，使传感器实现全并行曝光，达到较高的帧频；通过调节斜坡比较电流斜率可调节DPS对弱光范围响应的灵敏度，因而会使这种传感器具有更广泛的应用领域。本文设计的DPS采用标准65nm CMOS工艺制作，像素尺寸为7μm×7μm，包括1个光电二极管，11bit像素级存储器和其它11个晶体管，像素填充因子为31.3%。仿真结果表明，该数字像素可在0.5V~1.2V低电源电压下正常工作，动态范围和线性动态范围分别为120dB和80dB，这种高动态范围和对数响应特性使所设计的DPS具有人的视觉系统成像特性。同时，对于640×480的像素阵列，DPS的最高帧频达到246fps。