乔劲轩、魏经纬（格科微电子（上海）有限公司）于2024年6月在《集成电路应用》第41卷第6期（总第369期）发表了一篇题为《一种新型高动态范围CMOS图像传感器结构设计》的研究论文。该研究针对CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）在高动态范围（High-Dynamic Range, HDR）成像中的技术瓶颈，提出了一种创新的像素结构和自适应控制方法，旨在提升成像性能并优化系统效率。

学术背景

CMOS图像传感器广泛应用于手机、安防监控及机器视觉领域，其动态范围（Dynamic Range, DR）是关键性能指标。传统HDR实现方法（如多帧融合）存在运动失真和LED闪烁问题，而单帧HDR技术（如双转换增益Dual Conversion Gain, DCG或分裂二极管Split Photodiode Pixel, SPP）需多次信号读取，导致数据冗余和帧率下降。本研究的目标是通过结构创新和自适应算法，减少数据读取次数，缩短行读出时间，从而提升帧率。

研究流程与方法

1. 系统架构设计

研究提出的CIS系统包含以下核心模块：
- 像素阵列：每个像素集成两个感光灵敏度不同的光电二极管（PD1高灵敏度，PD2低灵敏度）及浮动电荷存储电容（Cf）。PD2通过浮动电荷导通晶体管（Tgc）与浮置扩散区（Floating Diffusion, FD）连接，可积累极高亮度下的溢出电荷。
- 列处理单元：新增增益控制模块，通过检测信号电压动态调整转换增益（电荷-电压转换增益档位）和模拟增益（电压增益档位），实现单次信号读取。

2. 自适应读出流程

研究设计了一套分阶段的信号处理流程：
- 参考电压采集：分两阶段读取FD结点在不同转换增益（高/低）下的参考电压（R1L、R1H、R2H、R2L）。
- 亮度区间判断：通过比较像素输出电压（PXD）与预设阈值（Vref1、Vref2），动态选择PD1或PD2作为信号源，并设定增益档位。例如，若PXD < Vref1，则启用高增益模式（DCG=1）；若PXD < Vref2，则触发Tgc管导通以处理极亮场景。
- 信号转换：最终仅需读取两个信号电压（S1、S2），即可覆盖暗、中、亮、极亮四档亮度区间，显著减少数据量。

3. 创新技术

• 双光电二极管结构：PD1与PD2的灵敏度差异扩展了动态范围。
  
• 浮动电荷存储技术：Cf和Tgc的引入解决了极亮场景下的电荷溢出问题。
  
• 自适应增益控制：通过列级实时判断，避免冗余数据读取，将传统需4次读取的信号压缩至2次。
  

主要结果与贡献

1. 性能提升：实验表明，该结构将行读出时间缩短50%，帧率显著提高，同时动态范围扩展至覆盖极端亮度场景。
   
2. 资源优化：单次信号读取策略减少数据处理需求，降低芯片功耗。
   
3. 技术突破：通过硬件结构（双PD、Cf）与算法（自适应增益）的协同设计，实现了HDR成像的效率与质量平衡。
   

结论与价值

本研究通过像素结构创新和自适应控制方法，解决了传统HDR CIS的数据冗余问题，为高速、高动态范围成像提供了可行方案。其科学价值在于：
- 方法学创新：首次将浮动电荷存储与双PD结构结合，并实现列级自适应增益控制。
- 应用潜力：适用于自动驾驶、安防监控等对实时性要求严苛的场景，具有产业化推广价值。

研究亮点

1. 结构创新：双PD+浮动电容设计突破了极亮场景的信号处理瓶颈。
   
2. 流程优化：自适应算法将多档亮度区间压缩至单次读取，显著提升效率。
   
3. 跨学科融合：结合半导体器件设计与信号处理算法，展现了集成电路设计的系统化思维。
   

该研究为CMOS图像传感器的高性能化提供了新思路，相关技术已申请专利，并有望在下一代消费电子和工业视觉系统中落地应用。