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研究生: 劉冠言
Liu, Kuan Yen
論文名稱: 具有行並列式十位元單斜率類比數位轉換器之影像感測器
An Image Sensor with 10-bit Column-Parallel Single-Slope ADC
指導教授: 徐永珍
Klaus Yung-Jane Hsu
口試委員: 黃吉成
賴宇紳
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 89
中文關鍵詞: 光電壓二極體影像感測器數位式二次相關取樣電路像素陣列單斜率類比數位轉換器
外文關鍵詞: Photovoltage, image sensor, Digital CDS, Pixel array, Single-slope ADC
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  • 本研究以高動態的光電二極體作為影像感測器之感光元件,透過數位式二次相關取樣電路消除雜訊,並設計以取樣頻率65 kHz的十位元行並列式單斜率架構作為類比數位轉換器,整合周邊電路於同一晶片中。
    使用TSMC 0.18 μm CMOS標準製程下,以64x36影像陣列,驗證在Full HD的影像規格下,可達到30 frame/s的畫面更新率的影像感測系統。
    量測結果顯示感光元件最低能偵測至0.5 lux的光源,高照度下電壓變化具有對數形式且動態範圍超過90 dB,影像陣列可偵測強度變化劇烈的入射光。


    In this work, an image sensor with photovoltage-sensing pixels is designed and fabricated. A digital correlated double sampling circuit is designed to cancel fixed pattern noise. The implemented column-level ADC uses a single-slope architecture with 10-bit resolution and 65 kHz sampling rate. All devices and circuits are integrated and implemented in a single chip.
    A 64x36 image array was fabricated with TSMC 0.18 μm CMOS technology. The array was designed for the specification of 30 frame/s in full HD.
    Measurement showed that the photodiode can respond to illuminance as low as 0.5 lux. At high light intensity, photodiode voltage change in log scale and the overall dynamic range is over 90 dB. The image array can respond to wide dynamic range of incident light.

    第一章 前言 1 1.1 研究背景與發展現況 1 1.2 研究動機 4 1.3 論文章節架構 5 第二章 CMOS影像感測器之特性 6 2.1 CMOS影像感測器的基本操作與原理 6 2.2 CMOS影像感測器的特性 7 2.3 CMOS影像感測器常見之像素架構 12 2.4 類比數位轉換器的特性參數 15 2.5 CMOS影像感測器常見之類比數位轉換器 19 第三章 電路設計 25 3.1 感光二極體設計 27 3.2 像素陣列電路設計 29 3.3 單斜率類比數位轉換器 31 3.3.1 數位式相關二次取樣電路 32 3.3.2 十位元計數器與移位暫存器 34 3.3.3 斜坡產生器 35 3.3.4 比較器 37 3.4 偏壓電路設計 38 3.5 時脈控制電路設計 41 第四章 模擬結果 43 4.1 像素電路模擬 43 4.2 斜坡訊號產生器模擬 45 4.3 單斜率ADC電路模擬 46 4.4 影像感測器數位輸出模擬 49 4.5 時脈控制電路模擬 51 4.6 晶片佈局 52 第五章 量測與討論 58 5.1 量測系統的建立 58 5.2 量測結果 60 5.2.1 偏壓電路及時脈控制訊號量測 60 5.2.2 源極追隨器線性度量測 61 5.2.3 單一像素量測 62 5.2.4 ADC量測 64 5.2.5 64x36陣列輸出量測 68 5.3 量測結果討論 69 5.4 影像感測參數量測 82 第六章 總結 85 6.1 成果整理 85 6.2 後續研究改進之建議 85

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