采用低压1.5 V 4T PPD有源像素及双重相关双采样列级单斜ADC的低功耗高品质CMOS图像传感器
CMOS图像传感器广泛应用于智能手机、安防监控、物联网及人工智能领域，这些设备通常使用电池供电，从而对CMOS图像传感器的功耗提出了更高的要求。降低功耗最显著的手段是降低电源电压，CMOS图像传感器读出电路的电源电压受限于像素的电源电压。为了降低像素电压，通常采用数字像素，但数字像素动态范围小且读出噪声大，难以满足高品质成像需求。高品质成像通常需采用有源像素。4T PPD有源像素是高性能CMOS图像传感器最常用的像素结构，传统实现方式其电源电压均大于2.8 V，当电压下降时，远离传输管的电子缺乏横向电场，滞留在像素中，造成图像的拖尾，从而会严重影响成像品质。综上所述，如何实现低压4T PPD有源像素的高品质成像成为设计难点。
近日，中科院微电子研究所陈杰研究员课题组提出了采用低压1.5 V 4T PPD有源像素的高品质列级单斜CMOS图像传感器。采用五指形像素层取代传统方形像素层，以解决低压4T PPD有源像素中残余电荷引起的图像拖尾问题。列级单斜ADC采用双重相关双采样技术不仅可减小列间差异，而且进一步降低了读出噪声。本文CMOS图像传感器采用0.11 µm 1P3M CMOS工艺流片，测试结果表明，该芯片的读出噪声为1.55e-rms，动态范围为67.3 dB，整体功耗仅为36 mW，FoM指数仅为1.98e-.nJ，该图像传感器在保证了图像品质的同时实现了低功耗。
本文的研究内容对低功耗高品质CMOS图像传感器的研制具有指导意义，设计制作的图像传感器具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
该文章以题为“A low-power high-quality CMOS image sensor using 1.5 V 4T pinned photodiode and dual-CDS column-parallel single-slope ADC”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. PPD形状及电势分布。（a）传统方形；（b）本文五指形。
图2. 采用双重相关双采样技术的列级单斜ADC架构。
图3. 列级单斜ADC双模式计数。（a）电路图；（b）工作原理。
文章信息：
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
