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传统图像传感器在低电压下会出现严重的性能下降,甚至不能工作。随着便携式电子产品的发展,低电压、低功耗的图像传感器成为当前研究的热点。由于基于CMOS工艺的电路工作电压低、功耗小,所以CMOS图像传感器已经取代CCD图像传感器,成为低压图像传感领域的主要解决方案。本文针对图像传感器应用的性能指标要求,设计一个分辨率为1024×768、扫描速度为70帧/秒、总体动态范围高于8bit的图像传感器中的重要组成部分:像素单元阵列与读出电路。该电路的主要模块由像素单元,多路复用器,采样/保持电路(S/H),模拟/数字转换器(ADC)组成。设计时重点考虑像素单元的低电压工作特性、工作稳定性和抗噪声干扰能力。差分有源像素单元同时采用亢余结构和差分工作模式,其中,亢余结构可以大幅减小整个像素单元的失效概率,从而大幅提高像素单元的工作稳定性;差分模式传输的光生信号可以大幅电源中的噪声以及环境中的电磁干扰。版图布局中,对称放置PIXEL中的差分信号通路以抵抗共模噪声,合理使用接地点防止锁死(litch-up)现象的产生。本文中提出的差分有源像素单元具有工作稳定,噪声性能优良的特点。本文设计的图像传感器中像素单元最小工作电压为1.75V,功耗为7.48μW/Pixel,动态范围为71.9dB。在读出电路的设计中,对使用ADC直接对像素单元输出进行相关双取样的数据读出方式进行了分析并得到ADC的设计指标。设计了一个采样率为0.54M次/秒、有效位数为9位的流水线ADC,其微分非线性度和积分非线性度分别为0.48LSB和0.92LSB。整个读出电路尽量使用差分信号通路设计,以降低共模噪声的干扰。并针对差分有源像素单元的工作特性和纠错能力设计了判断电路,用于ADC后的数字信号处理。读出电路可以在70帧/秒的扫描速度下驱动1024×800的差分有源像素阵列,可用于实现一个动态范围为8位并具有自纠错能力的图像传感器。