金少雷1,2,3、陈永平1*、陈世军1（1.中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室；2.上海科技大学信息科学与技术学院；3.中国科学院大学）的研究团队于2023年2月在《semiconductor optoelectronics》第44卷第1期发表了一项关于大动态范围CMOS图像传感器的原创研究。该研究设计了一种基于时间域读出的新型传感器结构，通过双路输出机制实现了96dB的动态范围突破，为复杂光照场景下的成像技术提供了创新解决方案。

学术背景

CMOS图像传感器作为光电转换的核心器件，其动态范围（dynamic range）是衡量性能的关键指标，传统结构受限于满阱容量和噪声等因素，动态范围通常仅为60-70dB。在汽车电子、安防监控等领域，复杂光照条件（如逆光、隧道等）易导致图像局部过曝或欠曝。针对这一问题，现有技术如多次曝光（multiple exposure）、对数响应（logarithmic response）等方案存在图像合成复杂、固定模式噪声（fixed pattern noise, FPN）显著等缺陷。本研究提出了一种时间域（time domain）与模拟域（analog domain）协同的读出架构，旨在实现连续、高精度的动态范围扩展。

研究流程与方法

1. 传感器设计原理

研究团队在传统电容反馈式跨阻放大器（capacitor feedback trans-impedance amplifier, CTIA）像素基础上，创新性地引入时间域测量电路： - 模拟域通路：采用CTIA积分电路检测低光强，输出线性电压信号，经采样保持（sample/hold, S/H）结构和8-bit SAR ADC转换为数字信号。 - 时间域通路：通过施密特触发器（Schmitt trigger）检测CTIA输出电压的饱和时间（tsat），利用8-bit计数器量化时间信息。饱和时间与输入光强呈倒数关系，形成非线性响应区。

2. 关键电路实现

• CTIA像素优化：采用T型复位开关隔离漏电流，在0.35μm CMOS工艺下实现84.49dB开环增益，积分电容16fF，有效抑制微光下的非线性误差。
• 时间域测量电路：施密特触发器的迟滞特性（vsph=3.5V, vspl=0.98V）避免噪声干扰，计数器时钟周期tclk将tsat离散化为数字信号。
• 信号同步输出：边积分边读出（integration while read, IWR）模式实现双路信号并行处理，模拟域（voutl）和时间域（vouth）数据通过列共享ADC/计数器同步输出。

3. 系统集成与验证

设计256×1线列传感器，光电二极管面积22.5μm×22.5μm，芯片尺寸9.4mm×2.9mm。后仿真采用5V CMOS工艺，测试条件包括： - 积分时间tint=100μs，光电流范围1.56pA~100nA - 带隙基准（bandgap reference, BGR）温度系数3.8ppm/℃，电源抑制比65.5dB

主要结果

1. 动态范围性能：模拟域覆盖1.56pA~0.4nA（48dB），时间域扩展至100nA（48dB），总动态范围达96dB（式7理论验证）。
2. 线性-非线性响应特性：低光强下模拟域响应斜率ka=(vctia-vrst)/tint呈线性；高光强下时间域斜率kt=(vsat-vrst)/tsat呈倒数关系，临界点km=vful/tint实现无缝衔接（图4）。
3. 功耗与同步性：双路输出功耗7.98mW，信号同步误差时钟周期。

结论与价值

本研究通过时间域读出技术突破了传统CMOS传感器的动态范围瓶颈，具有以下创新价值： 1. 科学意义：提出积分响应率（integration response rate）分段检测理论，证明时间域与模拟域动态范围的连续性。 2. 应用前景：适用于车载摄像头、气象监测等复杂光照场景，无需后期图像合成，可直接输出全数字信号。 3. 技术通用性：该架构不改变原有积分过程，仅增加时间域电路，易于在现有工艺上实现拓展。

研究亮点

1. 方法创新：首次将施密特触发器作为饱和时间量化模块，结合T型复位开关优化微光线性度。
2. 性能突破：96dB动态范围优于文献报道的线性-对数传感器（典型值80dB）。
3. 工程可行性：通过标准CMOS工艺流片验证，版图设计兼容量产需求。

其他发现

• 温度稳定性：BGR电路的高精度设计保障了ADC在宽温范围内的转换一致性。
• 扩展潜力：动态范围可通过增加ADC/计数器位数进一步提升（式7显示每增加1bit可扩展6dB）。

该研究为大动态范围图像传感器提供了一条可扩展的技术路径，其理论框架和电路设计对下一代智能成像芯片开发具有指导意义。