同步复位PFM CMOS图像传感器的阶梯量化响应与噪声特性分析及其性能评估方法

《Microelectronics Journal》：Analysis of stepwise quantized response and noise characteristics of synchronous-reset PFM CISs and their performance evaluation method

　　

# 基于脉冲频率调制的同步复位CMOS图像传感器：阶梯量化响应与噪声抑制特性分析

## 摘要

具有同步复位的脉冲频率调制型互补金属氧化物半导体图像传感器（PFM CIS）具有低数据量和噪声抑制的优势。然而，由于复位和读出被限制在固定的采样间隔内，连续的photocurrent被转换为阶梯状量化脉冲频率响应，输出噪声变得强烈依赖于每个量化步内的位置。因此，假设输入-输出响应相对连续且噪声传播平稳的传统信噪比（SNR）指标，不适合评估同步复位PFM CIS的实际分辨率能力。本文提出了一种系统化的建模框架，首先从理论上分析了同步复位下阶梯状量化响应和噪声调制的物理起源，并通过数学推导建立了解析模型。具体而言，开发了一个脉冲频率-光强模型来描述入射光与输出脉冲频率之间的关系，揭示了一种像楼梯一样逐级上升的阶梯状量化响应。此外，建立了脉冲计数标准差模型来分析同步复位下的输出噪声，表明噪声在楼梯台面上被掩盖，而在转换边缘附近则完全暴露。两个模型均通过行为级仿真和基于0.11μm CIS工艺制造的两片同步复位PFM CIS测试芯片的实验测量进行了验证。基于结构量化和随机噪声的交互作用，引入了一种新的度量指标——最小可分辨光强差，将传感器分辨率分解为结构分量和随机分量。该指标进一步用于评估不同的积分空间和单阈值与双阈值架构，为同步复位PFM CIS的设计提供了理论指导和实践参考。

## 引言

随着高速成像和智能视觉系统的发展，脉冲频率调制型互补金属氧化物半导体图像传感器（PFM CIS）[1]、[2]、[3]、[4]因其将光信号直接编码为脉冲频率的能力而吸引了越来越多的研究兴趣。与传统的帧式CIS相比，PFM CIS在数据吞吐量、响应速度和动态范围方面具有显著优势[5]、[6]、[7]。PFM CIS的像素复位机制一般分为异步模式和同步模式。在异步复位中，当光电二极管（PD）电压达到预定义阈值时立即触发脉冲，复位像素；然而，器件噪声和随机波动可能引入图像闪烁现象[8]，导致输出脉冲序列出现随机偏差。相比之下，同步复位在固定间隔强制执行像素复位和读出，有效抑制闪烁噪声并提高输出脉冲一致性。因此，同步复位特别适用于需要在固定观测窗口中对脉冲输出进行累积或评估的应用场景，以及需要稳定脉冲计数或脉冲频率统计的应用。典型例子包括高速成像、智能视觉系统、工业检测、运动监测和低数据量视觉感知。在这些应用中，阵列级同步、减少闪烁和一致的脉冲输出往往比保留每个像素精确的连续时间阈值跨越时刻更为重要。同步复位的固定读出时机也有利于系统级定时控制和后端数字处理。

更具体地说，当传感器输出在固定观测窗口上进行评估，且稳定的脉冲计数或脉冲频率统计比精确的连续时间阈值跨越时刻更为重要时，同步复位相对于异步复位提供了可测量的优势。这类条件常见于高速工业检测、运动监测和低数据量机器视觉系统中，后端处理器通常在前端预定义曝光或观测窗口内计数或累积脉冲，而不是依赖每个像素的精确触发时间。在这些应用中，抑制随机脉冲抖动并提高帧间或窗口间脉冲计数一致性，可能比保留完全的异步事件定时带来更可测量的益处。当积分时间处于量化台面区域内且足够远离读出边界时，这种优势最为明显，因为随机定时扰动被固定读出栅格所吸收。对于本文分析的读出周期Tread=25μs，适用区间对应于非饱和台面区域且N≥2。在本文研究的两种阈值电压配置下，模型预测的代表性非饱和工作范围约为Vref=0.4V时193.3-1546.7 lux，Vref=1.2V时15.0-120.0 lux，不包括相邻台面之间的窄转换区域。当光强接近转换边缘或输出接近饱和时，同步复位的优势减弱，因为结构量化误差成为主要限制因素。

尽管如此，这种固定间隔读出机制不可避免地引入了量化误差[9]、[10]。在同步复位PFM像素的工作原理下，PD连续积分光电流，其电压从复位电平逐渐向预定义阈值降低，而复位和读出操作只允许在离散的、时钟控制的采样瞬间执行。虽然比较器在PD电压达到阈值时会翻转一次，但该事件仅被存储，只能在下一个计划的读出时刻触发实际复位。由于像素比较器有效地在固定读出间隔进行采样，输出定时相对于PD电压精确跨越阈值的时刻存在延迟，从而产生量化误差。因此，不同的光电流可能产生相同的输出脉冲，产生阶梯状的脉冲频率-光强响应。这种特性进一步调制了噪声行为。在楼梯台面内，小的波动无法跨越间隔边界，被量化结构所掩盖，导致输出几乎恒定。相比之下，在边缘附近，即使是微小的扰动也可能触发脉冲序列中的随机转换，使噪声完全暴露。

先前的研究已探讨了数字像素的量化误差和噪声问题。在量化误差研究方面，Palomeque-Mangut等人系统分析了残余电荷如何导致输出脉冲偏离理想连续响应，强调了此类误差不仅降低动态范围，还使性能评估产生偏差[11]。Xu等人研究了像素电容非线性、比较器延迟和同步读出的耦合效应，建立了量化误差模型并定量分析了误差幅度随光强和像素参数的变化[12]。在噪声特性研究方面，Zhang等人开发了数字像素噪声模型，详细说明了暗电流散粒噪声、光电二极管散粒噪声和比较器输入噪声的贡献，并证明主导噪声源在不同光强下会发生变化[13]。Gao等人分析了高速脉冲图像传感器中的空间噪声和时间噪声，揭示了噪声对脉冲输出均匀性和图像重建的影响，并提出校正方法以增强成像性能[14]。尽管取得了这些进展，但对同步复位下阶梯状量化响应特性的系统分析仍然缺乏，脉冲输出中噪声的结构调制也尚未进行定量研究。此外，传统的信噪比（SNR）指标假设线性输入-输出系统响应和成比例噪声传播[15]、[16]，无法准确评估同步复位下的系统性能。因此，有必要建立能够同时考虑阶梯状量化响应特性和噪声抑制效果的性能评估方法。

本文提出了一种针对同步复位PFM CIS的系统化分析方法。首先，开发了脉冲频率-光强度量化模型来研究楼梯宽度与入射光之间的关系。其次，建立了脉冲计数标准差随光强变化的函数模型，以定量表征噪声的影响和噪声抑制效果。模型通过行为级仿真和测试芯片测量进行了验证，表明它们能够捕捉主要的楼梯响应和噪声调制趋势，而阈值相关的偏差在实际测量条件下仍然存在。基于阶梯状量化响应和随机噪声，进一步提出了最小可分辨光强差指标，将结构分量和随机分量分离开来，为评估同步复位PFM CIS的性能提供了定量框架。该方法为脉冲图像传感器的设计和优化提供了理论指导和实践参考。

## 章节摘要

**同步复位PFM CIS的工作原理与脉冲频率分析**

图1展示了同步复位PFM CIS像素的结构和示意图。该像素由PD、积分电容、复位晶体管（Mrst）、比较器、锁存器、同步复位模块、读定时控制和读出电路组成。如图1所示，工作过程可分为四个步骤。首先，PD积分光电流，感应节点电压（VS）从复位电压（Vrst）逐渐降低。其次，当VS低于……

**同步复位PFM CIS中噪声抑制效应的分析与验证**

如第2节所述，同步复位PFM CIS将连续光强映射为离散脉冲频率，形成阶梯状响应曲线。这种量化机制不仅决定了系统的信号传输特性，还改变了随机噪声在输出端的表现形式。具体而言，当τ对应于量化步的台面区域时，小的随机扰动不足以引起输出变化，噪声被有效掩盖……

**基于最小可分辨光强的性能评估**

第2节同步复位PFM CIS中阶梯状量化响应特性的分析与验证、第3节同步复位PFM CIS中噪声抑制效应的分析与验证的分析表明，同步复位PFM CIS的输出表现出明显的阶梯状量化响应特性和噪声抑制效果。这种非线性量化机制导致输出噪声的统计特性高度依赖于……

## 总结

本研究提出了对同步复位PFM CIS量化特性和噪声行为的系统分析与实验验证。首先，针对脉冲输出的阶梯状量化响应特性，建立了脉冲频率与光强之间的理论模型。该模型分析了楼梯宽度与光强的关系，并与行为级建模和测试芯片测量进行了比较，证明了……

## 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。本工作得到国家自然科学基金（批准号：U2441230）的资助。

## 作者信息

**Jiayi Wang** | **Kaiming Nie** | **Jing Gao** | **Jiangtao Xu**
天津大学微电子学院，中国天津300072