應用使能檢測單元的抗輻射數字像素圖像傳感器*

閆 茜，姚素英，高志遠，李新偉，徐江濤

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

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應用使能檢測單元的抗輻射數字像素圖像傳感器*

閆 茜，姚素英，高志遠，李新偉，徐江濤

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

介紹了一種經過抗輻射設計加固的CMOS數字像素圖像傳感器，并提出了一種可以抵抗單粒子效應的使能檢測單元。這個使能檢測單元通過將信號傳輸給三個移位寄存器并判斷寄存器輸出是否一致來判斷和屏蔽單粒子效應。實驗結果表明:芯片的最大信噪比和動態范圍分別是54.15 dB和56.10 dB，使能檢測單元可以屏蔽單粒子效應。

單粒子效應； 設計加固； 圖像傳感器

0 引 言

空間環境中需要使用高性能的圖像傳感器。CMOS圖像傳感器具有光電特性好、功耗低、更適應太空輻射環境等優點[1]。然而圖像傳感器中的數字信號對電荷注入比較敏感[2～4]，容易產生單粒子效應(single event effect，SEE)[5]和總劑量效應[6]。當高能粒子入射到數字電路時，沉積的電荷會改變存儲單元的存儲狀態或者在組合邏輯的輸出產生一個尖脈沖，這分別是空間環境中的單粒子翻轉(single event upset，SEU)和單粒子瞬態(single event transient，SET)[7]。

本文設計了一種應用設計加固的方法抵抗單粒子效應的數字像素圖像傳感器。它在實現圖像傳感器正常曝光功能的前提下加固了使能信號，使之可以抵抗SEE。實驗結果顯示，該傳感器可以實現正常曝光，最大信噪比和動態范圍分別是54.15dB和56.10dB。使能檢測單元可以屏蔽SEU。

1 傳感器結構

抗輻射數字像素圖像傳感器的整體架構如圖1所示，它包括一個32×32的像素陣列(DPS array)和一個控制邏輯模塊(controller)。像素陣列的縱向表示實際的行方向，橫向表示實際的列方向。像素陣列在時序控制邏輯的控制下完成相應的復位、曝光和讀出操作。DPS ArrayController包含使能檢測單元(enable detector)、主控狀態機單元(main finite state machine,MFSM)、全局計數器(binary counter)、二進制轉格雷碼單元(BIN2GARY)、格雷碼轉二進制單元(GARY2BIN)、多路選擇器(MUX)。Controller的核心是MFSM，該部分負責控制和協調其他各部分的工作。

傳感器的輸入信號包括PD_RST,CLK,EN,RST，輸出信號包括L_VALID,F_VALID,DATA。其中，PD_RST 為像素復位信號，CLK為系統時鐘信號，EN為外部請求成像的使能信號，RST為系統復位信號。L_VALID和 F_VALID分別為像素陣列的行有效和幀有效信號，DATA為像素輸出。

對于后級模塊而言，只有當L_VALID和 F_VALID均有效時，DATA才是有效的。

傳感器的時序信號如圖2所示。時序控制邏輯是由4 MHz系統時鐘CLK的上升沿觸發的同步數字電路。上電后，使用低電位的系統復位信號RST對時序控制邏輯進行復位。復位方式為同步復位，即所有寄存器都在RST=0且CLK上升沿時復位。退出復位后，時序控制邏輯進入等待狀態。當采樣到有效使能時，將確認外部請求成像的要求，并通知主控狀態機執行復位、曝光和讀出操作。時序控制邏輯的主控狀態機進入初始狀態，RST信號通過16個電平轉換器控制數字像素陣列中的1 024個復位管MRST，實現所有PD的復位。2個時鐘周期后，RST信號置低，所有PD進入曝光階段。與此同時，主控狀態機控制8位二進制計數器(binary counter)從0開始計數。每個計數值維持50 μs，共200個系統時鐘周期。二進制轉格雷碼單元(BIN2GRAY)模塊將Binary Counter輸出的二進制計數值轉換為格雷碼值，輸出的每一位都通過后級的16個數字緩沖器輸入到陣列中各數字像素內部的存儲單元。

計數過程結束后，主控狀態機控制陣列中各行數字像素的所有存儲單元依次被選通，對應行的所有存儲單元掛接到所在列的列數據總線。然后，主控狀態機將數字像素陣列中各列數據總線的數據緩沖至DATA輸出。

圖1 圖像傳感器結構Fig 1 Structure of image sensor

圖2 傳感器時序Fig 2 Sequence of sensor

2 使能檢測單元

傳感器中使能信號EN是啟動曝光的重要信號，易于受到單粒子效應影響，產生錯誤的電平翻轉致使傳感器不正常曝光。所以，本文中提出一種新型使能檢測單元來保護使能信號。

設計中，請求信號應該維持至少三個時鐘周期來觸發曝光。電路邏輯如圖3所示。RST,CK分別為系統復位和時鐘。D為這個模塊的輸入，M0～M2為三個二選一多路選擇器，R0～R2構成移位寄存器，A,B和C為移位寄存器輸出，同時為判斷邏輯單元的輸入。這個邏輯判斷單元判斷A,B,C為否均為高電平，如果是，則輸出Q拉高；否則，維持低電平。由于判斷邏輯的屏蔽作用，當外部沒有成像請求(D=0)時，發生在R0,R1和R2任意一個或兩個寄存器中的SEU不會造成圖像傳感器的錯誤啟動，并且錯誤的信號值將在后續的移位過程中被消除。

圖3 使能檢測單元的邏輯結構Fig 3 Logic structure of enable detector

使能檢測單元的抗輻射分析如下。任何發生在D,A,B,C節點的單粒子瞬態如果被下一級單元采到，會在下一個時鐘周期產生單粒子翻轉。邏輯判斷單元的三個輸入中就會不同，所以，請求被拒絕，Q維持低電平不受影響。當D的請求信號維持三個時鐘周期或以上時，A,B,C節點會有一個時鐘周期的高電平重合，由邏輯判斷單元判定為有效請求信號，Q拉高。

3 實驗結果

設計的數字像素圖像傳感器芯片通過GSMC 1P4M 0.18 μm 1.8 V/3.3 V工藝完成流片驗證。含PAD全芯片面積是1 823 μm×1 968 μm，其中，像素陣列部分包含32×32個單獨像素。單個像素面積是31.52 μm ×31.22μ m，像素填充因子是19.69 %。像素版圖和全芯片版圖分別如圖4(a)，4(b)。

圖5 像素輸出光響應曲線Fig 5 Light response curve of pixel output

傳感器主要指標:采用0.18 μm CMOS工藝；電源3.3，1.8 V ；像素陣列32×32；像素大小31.52 μm×31.22 μm；芯片大小1 823 μm×1 968 μm；像素填充因子19.69 %；最大信噪比54.15 dB；像素動態范圍56.10 dB；主時鐘4 MHz；幀頻75 frame/s；輸出接口8 bit并行輸出；抗輻射能力部分抗單粒子效應。

傳感器輸出DATA是1 024個連續的8 bit數據。測試時，通過調節傳感器所處環境光照強度，獲得傳感器光響應。圖5顯示了像素在光照強度從0～1 150 lx變化時的光響應曲線。可以看出，輸出碼值隨光照強度增大而變小，DATA由255逐漸趨近0,又由于輸出碼值與處理成像的灰度值成倒數關系，所以，光照強度越大，灰度值越大，成像越亮，光響應曲線符合預期。傳感器在光強為14，33，53，78 lx時的輸出圖像如圖6所示。在3.3 V和1.8 V電源、4 MHz的主時鐘下，該傳感器具有75幀/s的內部幀頻，其最大信噪比是54.15 dB，像素動態范圍是56.10 dB。傳感器主要指標:采用0.18 μm CMOS工藝；電源為3.3，1.8 V；像素陣列為32×32；像素大小為31.52 μm×31.22 μm；芯片大小為1 823 μm×1 968 μm；像素填充因子為19.69 %；最大信噪比為54.15 dB；像素動態范圍為56.10 dB；主時鐘為4 MHz；幀頻為75 frame/s；輸出接口為8 bit并行輸出；抗輻射能力部分抗單粒子效應。

圖6 光照強度Fig 6 Light intensity

通過實驗結果也驗證了加固過的使能信號的抗單粒子效應能力。進行輻射測試過程中，在0.18 μm CMOS工藝下，單粒子瞬態的持續時間在500 ps以下[8]，所以，用一個持續2 ns的高脈沖跳變足以模擬單粒子瞬態，并用這個高脈沖代替正確的請求曝光信號EN。如果這種情況下傳感器不被觸發曝光，則請求信號被保護；否則，沒有達到保護效果。在前述分析中，F_VALID和L_VALID兩個信號拉高是像素讀出數據有效的標志，若這兩個信號置低，則表示無有效輸出。實驗結果顯示F_VALID和L_VALID在錯誤注入時都不被拉高，示波器截圖如圖7所示。表明像素沒有曝光，使能信號不受單粒子效應影響。實驗結果表明，提出的使能檢測單元可以抵抗單粒子效應。

圖7 加固后使能信號對單粒子效應的抵抗結果Fig 7 Hardening effect of enable signal on SEE

4 結 論

設計了包含32×32個像素陣列的數字像素傳感器，使用了抗輻射設計加固的技術，并用0.18 μm工藝流片實現。該傳感器使用了一個新型使能檢測單元來抵抗單粒子效應。實驗結果表明：該傳感器可以在正常環境下實現其功能，使能檢測單元可以抵抗單粒子效應。

[1] Virmontois C,Toulemont A,Rolland G,et al.Radiation-induced dose and single event effects in digital CMOS image sensors[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2014,61(6):3331-3340.

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Radiation-tolerant digital pixel image sensor using enable detecting unit*

YAN Xi,YAO Su-ying,GAO Zhi-yuan,LI Xin-wei,XU Jiang-tao

(School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A CMOS digital pixel image sensor using radiation-hardness-by-design method is intoduced.A novel enable detector cell is proposed for single event effects hardening.It is implemented by transmitting a signal through three shift registers,and then single event effect is prevented by detecting whether outputs of the registers are identical.Experimental results show that the maximum signal noise ratio(SNR) and dynamic range of this chip can reach 54.15 dB and 56.10dB,respectively,and the enable detector can shield single event effects(SEE).

single event effect(SEE);radiation-hardness-by-design;pixel sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0094—03

2016—01—08

天津市應用基礎與前沿技術研究計劃資助項目(15JCQNJC42000)

TP 302

A

1000—9787(2016)11—0094—03

閆 茜(1990-)，女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為抗輻射圖像傳感器的設計。