采用低壓1.5 V 4T PPD有源像素及雙重相關雙采樣列級單斜ADC的低功耗高品質CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器廣泛應用于智能手機、安防監控、物聯網及人工智能領域，這些裝置通常使用電池供電，進而對CMOS圖像傳感器的功耗提出了更高的要求。降低功耗最顯著的手段是降低電源電壓，CMOS圖像傳感器讀出電路的電源電壓受限于像素的電源電壓。為了降低像素電壓，通常采用數字像素，但數字像素動态範圍小且讀出噪聲大，難以滿足高品質成像需求。高品質成像通常需采用有源像素。4T PPD有源像素是高性能CMOS圖像傳感器最常用的像素結構，傳統實作方式其電源電壓均大于2.8 V，當電壓下降時，遠離傳輸管的電子缺乏橫向電場，滞留在像素中，造成圖像的拖尾，進而會嚴重影響成像品質。綜上所述，如何實作低壓4T PPD有源像素的高品質成像成為設計難點。
近日，中科院微電子研究所陳傑研究員課題組提出了采用低壓1.5 V 4T PPD有源像素的高品質列級單斜CMOS圖像傳感器。采用五指形像素層取代傳統方形像素層，以解決低壓4T PPD有源像素中殘餘電荷引起的圖像拖尾問題。列級單斜ADC采用雙重相關雙采樣技術不僅可減小列間差異，而且進一步降低了讀出噪聲。本文CMOS圖像傳感器采用0.11 µm 1P3M CMOS工藝流片，測試結果表明，該晶片的讀出噪聲為1.55e-rms，動态範圍為67.3 dB，整體功耗僅為36 mW，FoM指數僅為1.98e-.nJ，該圖像傳感器在保證了圖像品質的同時實作了低功耗。
本文的研究内容對低功耗高品質CMOS圖像傳感器的研制具有指導意義，設計制作的圖像傳感器具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。
該文章以題為“A low-power high-quality CMOS image sensor using 1.5 V 4T pinned photodiode and dual-CDS column-parallel single-slope ADC”發表在Journal of Semiconductors上。
圖1. PPD形狀及電勢分布。（a）傳統方形；（b）本文五指形。
圖2. 采用雙重相關雙采樣技術的列級單斜ADC架構。
圖3. 列級單斜ADC雙模式計數。（a）電路圖；（b）工作原理。
文章資訊：
A low-power high-quality CMOS image sensor using 1.5 V 4T pinned photodiode and dual-CDS column-parallel single-slope ADC
Wenjing Xu, Jie Chen, Zhangqu Kuang, Li Zhou, Ming Chen, Chengbin Zhang
J. Semicond. 2022, 43(8): 082401
doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082401
