Pixel and Readout Circuit of a Wide Dynamic Range Linear-Logarithmic Current-Mode Image Sensor

RESUME Le capteur d’images est la partie principale de tout systeme d’acquisition d’images, quelle que soit son application. Jusqu’a la fin des annees 1990, les capteurs de type CCD ont domine le marche en raison de leur qualite d’image exceptionnelle. A l’oppose des capteurs CCD, les capteurs CMOS offrent des possibilites interessantes d’integrer les circuits de traitement de signal sur un meme substrat en vue d’obtenir une camera sur puce. Entant que ces capteurs operent avec des tensions d’alimentations plus faibles que celles requise par les capteurs CCD, elles possedent une faible consommation de puissance. De plus, les couts associes a la fabrication des capteurs CMOS sont plus faibles que ceux engendres par les capteurs CCD. Ces caracteristiques font en sorte que les capteurs d’images CMOS se pretent a un plus grand nombre d’application que leurs equivalents CCD. Dans ce projet, l’objectif principal est de concevoir un capteur d’images ayant une plage dynamique elevee. Il possede l’avantage de deux modes d’operation, lineaire et logarithmique, ainsi qu’une lecture en mode courant afin d’augmenter sa plage dynamique. Les tensions d’alimentation des technologies CMOS diminue de plus en plus, et de ce fait la plage dynamique du pixel. En fonctionnant en mode courant, on arrive a attenuer cet effet. Le projet consiste a concevoir des circuits : convoyeur de courant, ‘delta-reset-sampling’ et un comparateur de courant qui sont efficaces pour les modes d’operation lineaire et logarithmique du pixel et permettent de detecter dans quels des deux modes se situe le pixel de facon a realiser, a l’etage subsequent, une conversion analogique-numerique adequate. Le pixel a trois transistors fonctionnant en mode courant utilise un transistor PMOS dans la region lineaire pour la lecture et un transistor PMOS de reset qui permet une reponse lineaire-logarithmique combinee. L'une des contributions a la non-linearite de la reponse provient de l'effet provoque par la resistance ‘on’ du transistor ‘select’. Pour eliminer cet effet, nous appliquons une fonction de linearisation qui est effectuee dans le domaine numerique. Le mode d’operation du pixel est determine dans le circuit de lecture de colonne et un signal est envoye a l'unite de traitement numerique comme indicateur de mode. Un prototype a ete concu et fabrique en CMOS 0. 35µm standard, 3.3V. Les resultats experimentaux sont concluants et montrent une plage dynamique intrascenede 100 dB. ----------ABSTRACT Digital cameras are rapidly becoming a dominant image capture devices. They are enabling many new applications. Charge-coupled devices (CCDs) have been the basis for solid state imaging since the 1970s. However, during the last decade, interest in CMOS imagers has increased significantly since they are capable of offering System-on-Chip (SoC) functionality. This can greatly reduce camera cost, power consumption, and size. Furthermore, by integrating innovative circuits on the same chip, the performance of CMOS image sensors could be extended beyond the capabilities of CCDs. Dynamic range is an important performance criterion for all image sensors. This thesis presents a current-mode CMOS image sensor operating in linear-logarithmic response. The objective of this design is to improve the dynamic range of the image sensor, and to provide a method for mode detection of the image sensor response. One of the motivations of using current-mode has been the shrinking feature size of CMOS devices. This leads to the reduction of supply voltage which causes the degradation of circuit performance in term of dynamic range. Such problem can be alleviated by operating in current-mode. The column readout circuits are designed in current-mode in order to be compatible with the image sensor. The readout circuit is composed of a first-generation current conveyor, an improved current memory is employed as a delta reset sampling unit, a differential amplifier as an integrator and a dynamic comparator. The current-mode three-transistor active pixel sensor uses a PMOS readout transistor in the linear region of operation and a PMOS reset transistor that allows for a linear-logarithmic response. One of the non-linearity contributions is the effect caused by the ‘on’ resistance of the select transistor. To eliminate this effect, we apply a linearization function that can be performed in the digital domain. The pixel response operation is determined in the column readout circuit and a signal is sent to the digital processing unit as an indicator. These circuits were implemented using a standard CMOS technology with no process modification. A prototype has been designed and fabricated in a standard AMS 2P4M, 3.3V, CMOS 0. 35μm process from Austrian Microsystem.