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研究生： 張喬富
論文名稱： 金氧半影像感測器可消除固定圖像雜訊之讀出電路設計
Design of a Readout Circuit for Fixed-Pattern Noise Reduction in the CMOS Image Sensor
指導教授： 周懷樸
Hwai-Pwu Chou
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 65
中文關鍵詞： 固定圖像雜訊 、影像感測器 、讀出電路
外文關鍵詞： fixed pattern noise, CMOS image sensor, readout circuit
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    • 本篇論文是探討如何消除CMOS影像感測器中的固定圖像雜訊(fixed pattern noise，FPN)。而FPN可分為兩種，一種是同一行內像素與像素之間的固定圖像雜訊，稱為P-P FPN，另一種是行與行間的固定圖像雜訊，稱為C-C FPN。然而一般電路已用行處理電路中的相關二次取樣方式將P-P FPN降低，故在此將採用一種行處理電路可有最小的C-C FPN，再於其後設計出讀出電路。並且設計類比電路所需時序使得像素陣列在感光後能依序經由讀出電路獲得輸出。本研究是以主動式像素感測器作為感光元件，接在APS之後的行處理與讀出電路可實行取樣與相減功能來降低FPN，其中讀出電路是用切換電容全差動放大器來實現。
    本篇論文以TSMC 0.35um 2P4M製程，類比與數位時序控制電路總面積約0.402 ，填充係數為28.6%，整張圖像輸出速度在25Mhz時脈下為153.2 frames/s。

    目錄 誌謝……………………………………………………………………Ⅰ 摘要……………………………………………………………………Ⅱ 目錄……………………………………………………………………Ⅲ 圖片目錄………………………………………………………………Ⅴ 表格目錄………………………………………………………………Ⅷ 第一章 緒論…………………………………………………………1 1.1 研究動機與目的……………………………………………1 1.2 論文架構……………………………………………………3 第二章 文獻回顧……………………………………………………4 2.0 前言………………………………………………………… 4 2.1 CMOS影像感測器感光基本原理……………………………4 2.2 CMOS影像感測器基本特性規格……………………………6 2.3 CMOS影像感測器……………………………………………8 2.3.1 被動式感測器(CMOS Passive Pixel Sensor) …9 2.3.2 主動式感測器(CMOS Active Pixel Sensor) …10 2.3.3 相關兩次取樣與讀出電路………………………16 2.4 CDS與讀出電路優缺點整理………………………………24 第三章 可消除固定圖像的讀出電路與時序設計…………………26 3.1 設計架構……………………………………………………26 3.2 像素電路……………………………………………………27 3.3 行處理電路…………………………………………………30 3.4 讀出電路……………………………………………………32 3.5 時序控制設計………………………………………………38 第四章 電路模擬結果與佈局………………………………………41 4.1 電路特性分析模擬結果……………………………………41 4.1.1光電流輸入與輸出關係……………………………41 4.1.2運算放大器規格……………………………………42 4.2 固定圖像雜訊(FPN)模擬結果…………………………… 43 4.3 時序與混合模擬結果………………………………………48 4.3.1 時序模擬結果……………………………………48 4.3.2 混合模擬結果……………………………………49 4.4 電路佈局與佈局後模擬……………………………………53 4.5 數位合成分析………………………………………………59 第五章 結論與建議……………………………………………………61參考文獻……………………………………………………………… 63 圖目錄 圖2.1 激發電子-電洞對示意圖……………………………………5 圖2.2 光二極體內部電子電洞對移動示意圖 ……………………6 圖2.3 存在FPN 的影像圖 ………………………………………．8 圖2.4 被動式影像感測器電路圖 …………………………………9 圖2.5 基本3T主動式感測器像素電路與控制時序圖 …………10 圖2.6 光閘極APS電路……………………………………………13 圖2.7 光二極體APS的 在不同光強度的曲線圖………………13 圖2.8 對數模式APS電路…………………………………………14 圖2.9 對數模式APS的輸出特性…………………………………15 圖2.10 CDS電路圖………………………………………………．17 圖2.11 使用單級差動放大器………………………………………18 圖2.12 使用folded-cascode opamp………………………………18 圖2.13 增益變化曲線圖……………………………………………18 圖2.14 參考文獻[12]的行處理電路………………………………19 圖2.15 參考文獻[13]的CDS與讀出電路…………………………20 圖2.16 DDS操作電路圖…………………………………………．21 圖2.17 CMOS影像感測器電路圖 …………………………………22 圖2.18 參考文獻[16]整體電路……………………………………24 圖3.1 CMOS影像感測器電路架構…………………………………27 圖3.2 3T APS與時序控制圖………………………………………28 圖3.3 3T APS等效電路……………………………………………29 圖3.4 光積分模式與變化示意圖 …………………………………29 圖 3.5 有DDS操作的行處理電路 ………………………………31 圖 3.6 行處理電路的時序控制圖…………………………………31 圖 3.7 讀出電路……………………………………………………33 圖 3.8 讀出電路的相關時序控制圖………………………………34 圖 3.9 讀出電路在preset mode …………………………………34 圖 3.10 讀出電路在read mode ……………………………………34 圖 3.11 二級全差動放大器…………………………………………37 圖 3.12 共模回授電路………………………………………………38 圖 3.13 簡略的時序設計圖…………………………………………39 圖 4.1 像素輸出擺幅與光電流關係圖……………………………41 圖 4.2 讀出電路輸出與光電流關係圖……………………………42 圖 4.3 P-P FPN模擬結果…………………………………………45 圖 4.4 C-C FPN模擬結果…………………………………………46 圖 4.5 時序波形模擬圖 …………………………………………48 圖4.6 傳送任一列像素作最後輸出所需時序圖……………………49 圖4.7 陣列輸出模擬結果 ………………………………… 50 圖4.8 第二個畫面的輸出模擬結果…………………………………51 圖4.9 像素佈局圖 …………………………………………………54 圖4.10 陣列像素佈局圖 …………………………………………．54 圖4.11 行處理電路的佈局圖 ………………………………………55 圖4.12 讀出電路的佈局圖 …………………………………………56 圖4.13 CMOS影像感測器類比電路佈局圖…………………………57 圖4.14 佈局後模擬的輸出電壓圖 …………………………………58 圖4.15 合成後的數位時序控制區塊圖 ……………………………59 圖4.16 合成後的內部電路圖 ………………………………………59 表目錄 表2.1 不同感測器像素電路部份優缺點比較表……………………16 表2.2 參考文獻CDS與讀出電路優缺點比較表……………………24 表4.1 全差動雙級運算放大器的規格整理表 ……………………43 表4.2 三個增益下的P-P FPN ……………………………………45 表4.3 各個不匹配參數下的FPN……………………………………47 表4.4 三種不同電路C-C FPN 的模擬比較表……………………47 表4.5 模擬的CMOS影像感測器規格 ……………………………52 表4.6 數位時序控制區塊合成資料 ………………………………59

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