电荷泵技术提升CMOS图像传感器动态范围

"基于电荷泵的CMOS图像传感器设计与传感技术分析" 0引言 随着数字影像技术的快速发展，CMOS图像传感器（CIS）因其显著的优势——低功耗、高集成度以及灵活的功能配置，逐渐成为图像传感器领域的主流。在各种便携设备和特殊环境应用中，CMOS图像传感器扮演着关键角色。然而，动态范围（DR）作为衡量传感器性能的重要参数，一直备受关注。动态范围定义为传感器能够捕捉的最大信号强度与背景噪声之间的比率，它直接影响到图像的对比度和分辨率。因此，提升动态范围对于提高图像质量至关重要。 近年来，研究者们提出多种方法以增强CMOS图像传感器的动态范围。例如，Chen Xu等人利用PMOS晶体管作为重置开关，并采用互补源极跟随器来实现信号轨对轨的转换，但这会导致像素单元的面积增大，降低填充因子（Fill Factor），并因PMOS管载流子的低迁移率而延长充电时间，影响传感器的帧率。SYang等人则采用条件重置的多采样技术，虽然能提高动态范围，但需多次充电和积分周期，同样影响了帧率。OYadid-Pecht等人设计了一种包含双信号链的有源像素传感器，可以同时读取不同积分时间的图像，但这并不适用于捕捉场景的全面明暗信息，且不易扩展到多于两个图像的同时采集。 为了解决这些问题，本研究提出了一种基于电荷泵的新型CMOS图像传感器设计。这种设计通过一个简单的电荷泵结构，可以提升重置脉冲的电压幅度，使得像素单元内的充电节点能够达到电源电压水平，从而增加电压摆幅。同时，通过优化源极跟随器的参数，扩展充电节点电压在积分期间的下限，这样既保持了高动态范围，又避免了传统方法中帧率下降的问题。 电荷泵技术在图像传感器中的应用主要体现在其能提供稳定的高电压，这有助于增加像素的动态范围，减少噪声影响，提升图像质量。电荷泵的工作原理是利用晶体管的开关特性，通过时序控制将电荷从一个节点转移到另一个节点，从而实现电压的倍增。这种设计思路巧妙地克服了PMOS晶体管载流子迁移率低的局限，提高了充电效率，有利于维持较高的传感器帧率。 在实际应用中，这种基于电荷泵的CMOS图像传感器不仅可以应用于常规的摄影设备，如手机摄像头、监控摄像头，还可在医疗成像、无人机航拍、自动驾驶汽车等领域发挥重要作用，尤其是在光线条件变化大或需要高动态范围成像的场景下，其优势更为明显。 总结来说，基于电荷泵的CMOS图像传感器设计是一种有效提高动态范围的技术，它通过优化重置脉冲和源极跟随器参数，提升了传感器的性能，同时避免了传统方法可能导致的帧率降低问题。这一创新设计有望推动CMOS图像传感器技术的进步，为各种应用场景提供更高质量的图像数据。