该文档属于类型a（单篇原创研究论文），以下是学术报告内容：
作者及机构
本研究的作者为雷晓，指导教师为电子科技大学王向展副教授。论文于2016年提交至电子科技大学，作为硕士学位论文完成。
学术背景
本研究属于微电子学与固体电子学领域，聚焦于CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）的动态范围增强技术。传统CMOS图像传感器因读出噪声大、动态范围（Dynamic Range, DR）低（约60 dB），在强光或弱光环境下易出现曝光过量或不足的问题，严重制约成像质量。为此，作者提出了一种基于自适应光强检测的新型曝光控制方案，旨在通过精确锁定环境光强并动态调整曝光时间，实现高动态范围成像（目标达107.6 dB以上）。
研究背景涵盖以下关键技术：
1. CMOS图像传感器架构：包括像素单元（光电二极管、读出电路）、信号处理电路（相关双采样Correlated Double Sampling, CDS、模数转换器ADC）及时序控制电路。
2. 动态范围增强技术：对比分析了自动重置、图像压缩（如对数积分）和曝光控制（如二次曝光、多重曝光）的优劣，指出现有技术存在信噪比突降（SNR dip）、电路复杂度高或填充率低等问题。
研究目标为：
- 提出改良的曝光控制方案，解决信噪比突降问题；
- 设计兼容标准0.18 μm BiCMOS工艺的电路，实现自适应光强检测与曝光调整；
- 通过仿真验证方案可行性。
研究流程
研究分为四个主要阶段：
1. 动态范围增强技术分析与方案设计
- 问题分析：通过公式推导，量化二次曝光与多重曝光的动态范围（DR）和信噪比（SNR）。发现当光电流 ( I{ph} ) 超过阈值 ( Q{max}/(t{int1}+t{int2}) - I_d ) 时，SNR会因分段曝光出现突降（图3-5）。
- 方案改进：提出新型曝光控制电路，核心包括：
- 光强检测电路：基于计数器实时量化环境光强；
- 可编程分频器：根据光强动态调整曝光时间 ( t_{int} )，避免固定分段导致的SNR损失；
- 时序优化：整合阵列扫描与曝光控制，提升扫描效率。
2. 读出链电路设计与仿真
- 像素单元：选用n+-psub光电二极管，源随像素结构。针对重置不完全问题，提出亚阈值区开关补偿技术。
- 信号处理电路：
- 电荷放大器：兼具采保（Sample-and-Hold）与SNR增强功能；
- 单斜率ADC（SS-ADC）：采用电阻梯DAC，支持10位分辨率，为光强检测提供数据；
- 数字CDS（DCDS）：优化数据选择器结构，抑制列固定模式噪声（FPN）。
- 工艺验证：基于0.18 μm BiCMOS工艺完成电路仿真。
3. 时序电路设计
- 光强检测电路：利用SS-ADC输出数据驱动计数器，快速判定光强等级（强/中/弱）。
- 曝光控制电路：可编程分频器根据光强切换曝光时间，实现三种模式：
- 强光：短曝光（防饱和）；
- 弱光：长曝光（提升灵敏度）；
- 中等光强：均衡曝光。
- 阵列扫描电路：与传统行扫描兼容，确保高分辨率应用可行性。
4. 整体仿真与验证
- 仿真工具：Cadence（电路设计）、MATLAB（成像效果分析）。
- 测试场景：强光、弱光、中等光强环境，对比传统固定曝光与自适应曝光模式的成像效果。
- 结果：自适应曝光模式下，动态范围提升至107.6 dB，且未出现SNR突降（图5-2）。
主要结果与结论
- 动态范围提升：改良方案通过光强自适应调整，动态范围达107.6 dB，超越传统二次曝光技术的109 dB且避免SNR突降。
- 电路性能：
- 源随像素重置不完全问题解决，填充率保持40%以上；
- DCDS电路数据吞吐量提升，支持千万级像素阵列；
- SS-ADC光强检测速度满足实时性需求。
- 成像效果：MATLAB仿真显示，自适应曝光在三种光强环境下均优于固定曝光，强光无饱和、弱光细节保留（图5-3）。
科学价值：
- 理论层面：揭示了分段曝光导致SNR突降的机理，提出动态调整曝光时间的解决方案；
- 应用层面：为高动态范围CMOS图像传感器设计提供可量产的技术路径，适用于医疗、工业检测等领域。
研究亮点
- 创新性方案：首次将可编程分频器引入曝光控制，实现光强自适应的动态范围优化。
- 关键技术突破：
- 数字CDS结构优化，解决大规模阵列的噪声抑制难题；
- 单斜率ADC复用为光强检测模块，减少硬件开销。
- 工艺兼容性：全电路基于标准0.18 μm工艺，具备产业化潜力。
其他价值
论文还探讨了CMOS图像传感器的未来方向，如三维成像集成、运动追踪等，为后续研究提供参考。