电荷泵技术提升CMOS图像传感器动态范围

"一种基于电荷泵的CMOS图像传感器" CMOS图像传感器（CIS）是一种采用标准CMOS工艺制造的图像传感技术，与传统的电荷耦合器件（CCD）相比，它具有显著的优势，如低功耗、高集成度和设计上的灵活性。这使得CMOS图像传感器在便携式设备和各种特殊应用环境中得到广泛应用。近年来，研究者们关注的重点之一是提升CMOS图像传感器的动态范围（DR）。 动态范围是衡量图像传感器性能的关键指标，它定义为非饱和信号强度与暗电流噪声标准差的比率。较高的动态范围能够提升图像的对比度和分辨率，尤其是在处理光照变化大或包含明暗对比强烈的场景时。为了增强动态范围，已有多种策略被提出。例如，Chen Xu等人建议在像素单元内采用PMOS管作为重置开关，并利用互补的源极跟随器来调节信号，使其达到轨对轨（rail-to-rail）操作。然而，这种方法会占用像素区域，减少感光面积，同时PMOS管的载流子低移动率会导致较长的充电时间，影响传感器的帧率。 另一些研究，如SYang的提案，采用了条件重置的多采样技术，虽然能提升动态范围，但在图像采集过程中需要多个充电和积分周期，这也导致了帧率的降低。OYadid-Pecht等人提出了一种有源像素传感器设计，该设计包含两列信号链，能够同时读取长短积分时间的图像，但这仍然无法高效地捕获场景的明暗细节，且难以扩展到同时采集更多图像的场景。 针对以上问题，本研究提出了一种基于电荷泵的CMOS图像传感器新方案。通过使用电荷泵，可以提升重置脉冲信号的幅度，从而使像素单元内的充电节点电压达到电源电压的水平。同时，通过对源极跟随器的参数调整，可以拓宽充电节点电压在积分周期内的摆动范围，进而增加电压摆幅，显著提高传感器的动态范围。这种方法不仅能够有效提升充电效率，而且不会显著影响传感器的帧率，解决了之前方法存在的问题。 这种基于电荷泵的CMOS图像传感器设计有望在不牺牲性能的前提下，实现更高的动态范围，对于优化图像质量，尤其是在复杂光照环境下的应用，具有重要的实际意义。通过技术创新和电路优化，CMOS图像传感器的技术边界正在不断被拓展，为未来的成像应用提供了更广阔的可能性。