【摘 要】
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红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array,IRFPA）作为红外图像传感器的重要部分,其设计对图像传感器性能起着重要作用。近年来,数字像素以其低噪声,高帧频的优势,在红外成像系统中广泛应用。然而,由于传统数字像素的模式单一,无法适应多场景的应用。因此,本文针对多模式数字像素的设计开展研究。首先,针对传统像素结构的工作模式单一性的问题,本文基于脉冲宽度调制（Pulse Wi
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红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array,IRFPA）作为红外图像传感器的重要部分,其设计对图像传感器性能起着重要作用。近年来,数字像素以其低噪声,高帧频的优势,在红外成像系统中广泛应用。然而,由于传统数字像素的模式单一,无法适应多场景的应用。因此,本文针对多模式数字像素的设计开展研究。首先,针对传统像素结构的工作模式单一性的问题,本文基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）方式,提出了一种多模式数字像素结构。在多模式模拟像素部分,通过设计多用电容以实现高满阱容量与高转换增益两种等效结构的选择。同时,在多模式PWM结构中,通过集成多用存储器使像素级模数转换可匹配不同采样方式。所提出的多模式数字像素满足亮、暗场景,快、慢速物体拍摄,以及高精度红外图像传感器设计等不同的应用需求。其次,针对传统逻辑控制在多模式数字像素的模式转换过程中容易导致像素帧数据丢失的问题,提出了一种自适应模式转换控制方法。通过状态机控制的方式,当像素工作于某一模式时,关闭判定模块,降低功耗。当像素模式发生转换时,采用判定模块,匹配对齐时序至像素的帧工作起点。从而在像素的模式转换过程中建立数据保护,确保像素的数据完整性。进一步,基于Simulink模型,对所提出的多模式数字像素进行功能性验证。通过建立多模式电容跨导型（Capacitive Transimpedance Amplifier,CTIA）模拟像素,多模式PWM调制模块,以及数据处理模块的模型,完成多模式数字像素系统搭建。仿真结果表明,所提出的数字像素量化正确,可以实现不同工作模式的转换。最后,基于Cadence平台和Tower Jazz 0.18μm工艺完成多模式数字像素设计,仿真验证了所提多模式数字像素的有效性。在TT工艺角的条件下,采用2.2V供电电压和1.4V像素复位电压,在亮场应用中,像素动态范围为67.07d B,满阱容量为203875e-;在暗场应用中,像素转换增益为13.91μV/e-,输入噪声为37.89e-。同时,自适应模式转换逻辑可以有效实现帧数据的保护。最终实现多模式数字像素的像元面积为30μm×30μm。
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