CN103986888A - 针对单粒子效应加固的tdi型cmos图像传感器累加电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子学中的抗辐射集成电路和CMOS图像传感器设计领域，为提出一种TDI型CMOS图像传感器的工作方式，用以针对像素的单粒子效应进行加固。为此，本发明采取的技术方案是，针对单粒子效应加固的TDI型CMOS图像传感器累加电路，TDI型CMOS图像传感器累加级数为3n，n＝1、2、3……，每n行像素的输出分别经过数模转换后存储于对应的存储器中，在第3n行像素读出之后，先对前n行、中间n行和后n行中各行像素的输出值分别进行累加，再将三个累加得到的和值送入三模冗余模块中进行表决，剔出异常值，累加输出；三模冗余所使用的阈值可以由用户自行设定。本发明主要应用于集成电路设计制造。

Description

针对单粒子效应加固的TDI型CMOS图像传感器累加电路
技术领域
本发明涉及微电子学中的抗辐射集成电路和CMOS图像传感器设计领域，尤其涉及使用电路设计的方法对TDI型图像传感器进行抗辐射加固
技术背景
时间延迟积分型(Time-Delay-Integration，TDI)CMOS图像传感器使用线阵或面阵感光阵列，相对于被拍摄物体以一个固定的相对速度移动，将拍摄物体相同部位的像素的输出信号进行累加以获得图像。图1所示的是3级累加的累加时序，图1中的标号代表各像素行的行号，在时间上，各像素行循环执行曝光和读出；TL表示TDI型CMOS图像传感器的渡越时间，其值等于相邻两行像素的中心距除以被拍摄物体相对图像传感器运动的速度。图1中，第1、2、3行像素在间隔TL的时刻分别输出的数据(图中灰色部分所示)将被累加输出。TDI型图像传感器的累加输出方式，使其适合于在低光照条件下进行拍摄，并且所获得的图像的信噪比随着累加级数的增加而提高。目前，TDI型图像传感器被广泛应用于航天拍摄、对地成像和工业检测等领域中。
CMOS图像传感器使用反偏PN结形成的光电二极管进行光电转换，这种感光单元本身对入射粒子引起的单粒子效应十分敏感。同时，传统应用于电路加固的抗辐射方法并不适用于像素。这是因为光电二极管的输入是光，而光作为位置的函数，其本身难以在空间域中进行冗余。因此，发生于普通CMOS图像传感器像素阵列中的单粒子效应，在理论上无法由电路级设计进行加固，而只能依赖于其他方法，比如图像处理。与普通面阵CMOS图像传感器相比，TDI的像素结构本身并无特别不同。当TDI型CMOS图像传感器应用于空间环境中时，像素阵列同样容易受单粒子效应的影响，但TDI累加模式本身的时间域冗余特性，使得在时间域实现对单个像素受到的干扰进行屏蔽成为可能。当这种加固模式被应用于TDI型图像传感器时，可以有效去除受干扰像素输出的数据，从而提高了针对单粒子效应的抵抗能力。鉴于TDI型CMOS图像传感器在航天领域的重要应用，研究利用TDI本身时域冗余特性对其进行抗单粒子效应加固具有十分重要的意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，提出一种TDI型CMOS图像传感器的工作方式，用以针对像素的单粒子效应进行加固。。为此，本发明采取的技术方案是，针对单粒子效应加固的TDI型CMOS图像传感器累加电路，TDI型CMOS图像传感器累加级数为3n，n＝1、2、3……，每n行像素的输出分别经过数模转换后存储于对应的存储器中，在第3n行像素读出之后，先对前n行、中间n行和后n行中各行像素的输出值分别进行累加，再将三个累加得到的和值送入三模冗余模块中进行表决，剔出异常值，累加输出；三模冗余所使用的阈值可以由用户自行设定。
前n行、中间n行和后n行中各行像素的输出值分别进行累加，再将三个累加得到的和值进行比较，其中与另外两个的差超过阀值者为异常值。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
1、利用TDI型CMOS图像传感器本身的时间域冗余特性，实现针对像素的单粒子效应错误屏蔽。
2、不改变原有的曝光、读出顺序，只是对读出之后的数据进行暂存处理，实现方便。
3、像素输出经过数模转换后直接进入数字域，可以充分利用数字电路的抗辐射加固方法进行电路的加固。
附图说明
图1TDI型CMOS图像传感器工作原理。
图2带有三模冗余操作的TDI型图像传感器工作原理。
具体实施方式
本发明在TDI型CMOS型图像传感器工作时序的基础上，提出一种基于时间域冗余针对像素的单粒子效应进行加固的方法。该方法要求TDI型CMOS图像传感器具有3的整数倍的累加级数。下面以最简单的3级累加流程进行说明。如图2所示，对于3级累加TDI型CMOS图像传感器，各行的曝光和读出时间不变，但是第1行和第2行在相隔TL时间的读出数据被首先经过数模转化先后存放在存储器A和存储器B中，等第3行像素在TL之后读出的数据被量化并存储于存储器C中之后，此时存储器A、存储器B和存储器C中存储了3行像素对被拍摄物体同一部分进行摄像之后输出的数据。在不考虑像素工艺偏差以及光场变化等干扰因素的情况下，存储器A、存储器B和存储器C中的值应当是相同的。倘若第1行、第2行和第3行像素在曝光的过程中，其中有一行像素受到了单粒子效应的干扰，则该行像素输出的模拟信号经过数模转换后存储于对应存储器中的值也会产生变化。当第3行像素完成输出后，对存储器A、存储器B和存储器C中的值进行三模冗余输出，可以剔除其中受到单粒子效应干扰的值。
在实际芯片中，各行像素在相同光照下的输出并不完全相同，因此在实际应用时，三模冗余过程需要使用一个阈值来判断各存储器中的值是否可以被认为是一致的。当某个存储器中的值与另外两个存储器中的值的偏差超过了设定的阈值，则可以使用另外两个存储器中的值来还原输出信号，同时抛弃受干扰的信号。
上述针对3级累加过程的描述同样适用于针对3n(n＝1、2、3……)级累加的情况。此时，每n行像素的输出分别经过数模转换后存储于对应的存储器中，在第3n行像素读出之后，先对前n行、中间n行和后n行中各行像素的输出值分别进行累加，再将三个累加得到的和值送入三模冗余模块中进行表决、累加输出。三模冗余所使用的阈值可以由用户自行设定。
本发明提出的时间域冗余抗辐射加固TDI型CMOS图像传感器需要将像素输出值立刻进行模数转换，因此要求模数转换器的速度能够满足需求。因此，可以使用列级模数转换的方法完成该项操作，即每一列像素使用一个模数转换器。

Claims (2)

1.一种针对单粒子效应加固的TDI型CMOS图像传感器累加电路，其特征是，TDI型CMOS图像传感器累加级数为3n，n＝1、2、3……，每n行像素的输出分别经过数模转换后存储于对应的存储器中，在第3n行像素读出之后，先对前n行、中间n行和后n行中各行像素的输出值分别进行累加，再将三个累加得到的和值送入三模冗余模块中进行表决，剔出异常值，累加输出；三模冗余所使用的阈值可以由用户自行设定。
2.如权利要求1所述的针对单粒子效应加固的TDI型CMOS图像传感器累加电路，其特征是，前n行、中间n行和后n行中各行像素的输出值分别进行累加，再将三个累加得到的和值进行比较，其中与另外两个的差超过阀值者为异常值。
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