这篇文档属于类型a，是一篇关于高性能全局快门CMOS图像传感器的原创性研究论文。以下为详细的学术报告：
作者及机构
该研究由北京空间机电研究所（Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity）的Liqiang Han、Ganlin Cheng等团队完成，发表期刊为Sensors（2025年7月18日），标题为《A 1000 fps High-Dynamic-Range Global Shutter CMOS Image Sensor with Full Thermometer Code Current-Steering Ramp》。
学术背景
本研究聚焦于CMOS图像传感器（CIS）领域，重点解决科学、工业和医疗应用中高速成像的需求。传统全局快门（Global Shutter, GS）像素存在动态范围受限、噪声性能不足等问题。研究目标包括：
1. 开发一种电压域全局快门像素架构，以提升满阱容量（Full Well Capacity, FWC）和动态范围；
2. 设计一种12位全温度计码电流导向DAC（Current-Steering DAC, CS-DAC）斜坡发生器，解决长总线负载下的非线性响应问题；
3. 优化读出电路噪声性能，实现95 dB动态范围和1000 fps帧率的高性能成像。
研究方法与流程
1. 全局快门像素设计
- 像素架构：采用10T电压域GS像素（10晶体管结构），支持双增益通道（高增益HCG与低增益LCG），单帧内同步捕获高低增益信号。
- 关键技术：
- 通过4个独立存储电容（2个MOS电容、2个MIM电容）隔离寄生电容（<0.01 fF），减少图像滞后（Image Lag）和非线性（图4-6）。
- 像素布局采用24 μm × 24 μm间距，填充因子70%，通过屏蔽接触降低电容串扰（图6）。
- 噪声分析：推导输入参考热噪声公式（式1-2），10T像素比8T噪声性能更优，尤其在存储电容较大时（图3）。
2. 斜坡发生器设计
- 架构创新：提出12位全温度计码CS-DAC，包含5000个单元电流控制单元（图10），通过移位寄存器实现顺序控制，消除输出毛刺。
- 非线性补偿：分析负载电容（Cf）与时间常数（τ=RCf）对斜坡响应的影响（图14），通过冗余单元（904个）补偿总线延迟（22 ns）。
- 性能模拟：单元电流失配仅0.0214%，模拟非线性误差低于0.04 LSB（图15）。
3. 读出电路优化
- 比较器设计：采用两级静态比较器（图16），集成电流补偿模块，降低功耗与噪声。
- 第一级跨导放大器（M1-M5）结合自归零（Auto-Zero）技术，抑制低频噪声。
- 噪声带宽（NBW）通过斜坡斜率与增益调整优化，理论热噪声在×1增益下为128 μVrms（图18）。
- 时序控制：双采样（DDS）操作补偿延迟，帧率在单增益模式下达1000 fps（图17）。
4. 芯片制造与测试
- 工艺：采用110 nm背照式（BSI）CIS工艺，阵列规格1024×512像素。
- 测试结果：
- 动态范围：双增益模式下95 dB（HGC 37 ke-，LGC 620 ke-）；
- 噪声：高增益模式10 e-rms（320 μVrms）；
- 线性度：高增益非线性1.09%，低增益0.78%（表1）。
主要结果
- 像素性能：
- 双增益通道实现71 dB线性动态范围，寄生电容影响低于5 mV偏移（式3）。
- 图像滞后<0.08%，满足高速成像需求（图21）。
- 斜坡发生器：
- 模拟验证斜坡响应在Cf=15 pF时误差可忽略（式14），适用于拼接式CIS设计。
- 系统集成：
- 总功耗557 mW（1000 fps模式），子LVDS接口支持16通道500 MHz输出（表2）。
研究价值与意义
- 科学价值：
- 提出寄生电容最小化的像素布局方法，为高精度GS像素设计提供新范式。
- 全温度计码CS-DAC架构首次应用于CIS斜坡发生器，解决长总线驱动难题。
- 应用价值：
- 适用于科学成像、工业检测等需高帧率（1000 fps）与高动态范围（95 dB）的场景（图22）。
研究亮点
- 创新方法：
- 10T双增益像素结合隔离存储电容，突破传统电压域GS像素的噪声限制。
- 电流补偿比较器与分布式斜坡设计，实现低噪声（10 e-rms）与高一致性。
- 性能突破：
- 在24 μm大像素下实现620 ke-满阱容量，优于同类工作（表3）。
其他补充
- 数据可获取性：研究中所有原始数据可通过通讯作者获取。
- 局限性：未探讨极端温度下的噪声性能，未来可扩展至航天等严苛环境应用。