閆 茜，姚素英，高志遠(yuǎn)，李新偉，徐江濤

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

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應(yīng)用使能檢測(cè)單元的抗輻射數(shù)字像素圖像傳感器*

閆 茜，姚素英，高志遠(yuǎn)，李新偉，徐江濤

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

介紹了一種經(jīng)過(guò)抗輻射設(shè)計(jì)加固的CMOS數(shù)字像素圖像傳感器，并提出了一種可以抵抗單粒子效應(yīng)的使能檢測(cè)單元。這個(gè)使能檢測(cè)單元通過(guò)將信號(hào)傳輸給三個(gè)移位寄存器并判斷寄存器輸出是否一致來(lái)判斷和屏蔽單粒子效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:芯片的最大信噪比和動(dòng)態(tài)范圍分別是54.15 dB和56.10 dB，使能檢測(cè)單元可以屏蔽單粒子效應(yīng)。

單粒子效應(yīng)； 設(shè)計(jì)加固； 圖像傳感器

0 引 言

空間環(huán)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(yīng)太空輻射環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而圖像傳感器中的數(shù)字信號(hào)對(duì)電荷注入比較敏感[2～4]，容易產(chǎn)生單粒子效應(yīng)(single event effect，SEE)[5]和總劑量效應(yīng)[6]。當(dāng)高能粒子入射到數(shù)字電路時(shí)，沉積的電荷會(huì)改變存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)或者在組合邏輯的輸出產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖，這分別是空間環(huán)境中的單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset，SEU)和單粒子瞬態(tài)(single event transient，SET)[7]。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用設(shè)計(jì)加固的方法抵抗單粒子效應(yīng)的數(shù)字像素圖像傳感器。它在實(shí)現(xiàn)圖像傳感器正常曝光功能的前提下加固了使能信號(hào)，使之可以抵抗SEE。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)正常曝光，最大信噪比和動(dòng)態(tài)范圍分別是54.15dB和56.10dB。使能檢測(cè)單元可以屏蔽SEU。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

抗輻射數(shù)字像素圖像傳感器的整體架構(gòu)如圖1所示，它包括一個(gè)32×32的像素陣列(DPS array)和一個(gè)控制邏輯模塊(controller)。像素陣列的縱向表示實(shí)際的行方向，橫向表示實(shí)際的列方向。像素陣列在時(shí)序控制邏輯的控制下完成相應(yīng)的復(fù)位、曝光和讀出操作。DPS ArrayController包含使能檢測(cè)單元(enable detector)、主控狀態(tài)機(jī)單元(main finite state machine,MFSM)、全局計(jì)數(shù)器(binary counter)、二進(jìn)制轉(zhuǎn)格雷碼單元(BIN2GARY)、格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制單元(GARY2BIN)、多路選擇器(MUX)。Controller的核心是MFSM，該部分負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)其他各部分的工作。

傳感器的輸入信號(hào)包括PD_RST,CLK,EN,RST，輸出信號(hào)包括L_VALID,F_VALID,DATA。其中，PD_RST 為像素復(fù)位信號(hào)，CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，EN為外部請(qǐng)求成像的使能信號(hào)，RST為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。L_VALID和 F_VALID分別為像素陣列的行有效和幀有效信號(hào)，DATA為像素輸出。

對(duì)于后級(jí)模塊而言，只有當(dāng)L_VALID和 F_VALID均有效時(shí)，DATA才是有效的。

傳感器的時(shí)序信號(hào)如圖2所示。時(shí)序控制邏輯是由4 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘CLK的上升沿觸發(fā)的同步數(shù)字電路。上電后，使用低電位的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST對(duì)時(shí)序控制邏輯進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位方式為同步復(fù)位，即所有寄存器都在RST=0且CLK上升沿時(shí)復(fù)位。退出復(fù)位后，時(shí)序控制邏輯進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)采樣到有效使能時(shí)，將確認(rèn)外部請(qǐng)求成像的要求，并通知主控狀態(tài)機(jī)執(zhí)行復(fù)位、曝光和讀出操作。時(shí)序控制邏輯的主控狀態(tài)機(jī)進(jìn)入初始狀態(tài)，RST信號(hào)通過(guò)16個(gè)電平轉(zhuǎn)換器控制數(shù)字像素陣列中的1 024個(gè)復(fù)位管MRST，實(shí)現(xiàn)所有PD的復(fù)位。2個(gè)時(shí)鐘周期后，RST信號(hào)置低，所有PD進(jìn)入曝光階段。與此同時(shí)，主控狀態(tài)機(jī)控制8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(binary counter)從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。每個(gè)計(jì)數(shù)值維持50 μs，共200個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。二進(jìn)制轉(zhuǎn)格雷碼單元(BIN2GRAY)模塊將Binary Counter輸出的二進(jìn)制計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為格雷碼值，輸出的每一位都通過(guò)后級(jí)的16個(gè)數(shù)字緩沖器輸入到陣列中各數(shù)字像素內(nèi)部的存儲(chǔ)單元。

計(jì)數(shù)過(guò)程結(jié)束后，主控狀態(tài)機(jī)控制陣列中各行數(shù)字像素的所有存儲(chǔ)單元依次被選通，對(duì)應(yīng)行的所有存儲(chǔ)單元掛接到所在列的列數(shù)據(jù)總線。然后，主控狀態(tài)機(jī)將數(shù)字像素陣列中各列數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)緩沖至DATA輸出。

圖1 圖像傳感器結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of image sensor

圖2 傳感器時(shí)序Fig 2 Sequence of sensor

2 使能檢測(cè)單元

傳感器中使能信號(hào)EN是啟動(dòng)曝光的重要信號(hào)，易于受到單粒子效應(yīng)影響，產(chǎn)生錯(cuò)誤的電平翻轉(zhuǎn)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(cè)單元來(lái)保護(hù)使能信號(hào)。

設(shè)計(jì)中，請(qǐng)求信號(hào)應(yīng)該維持至少三個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)觸發(fā)曝光。電路邏輯如圖3所示。RST,CK分別為系統(tǒng)復(fù)位和時(shí)鐘。D為這個(gè)模塊的輸入，M0～M2為三個(gè)二選一多路選擇器，R0～R2構(gòu)成移位寄存器，A,B和C為移位寄存器輸出，同時(shí)為判斷邏輯單元的輸入。這個(gè)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(dāng)外部沒(méi)有成像請(qǐng)求(D=0)時(shí)，發(fā)生在R0,R1和R2任意一個(gè)或兩個(gè)寄存器中的SEU不會(huì)造成圖像傳感器的錯(cuò)誤啟動(dòng)，并且錯(cuò)誤的信號(hào)值將在后續(xù)的移位過(guò)程中被消除。

圖3 使能檢測(cè)單元的邏輯結(jié)構(gòu)Fig 3 Logic structure of enable detector

使能檢測(cè)單元的抗輻射分析如下。任何發(fā)生在D,A,B,C節(jié)點(diǎn)的單粒子瞬態(tài)如果被下一級(jí)單元采到，會(huì)在下一個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)。邏輯判斷單元的三個(gè)輸入中就會(huì)不同，所以，請(qǐng)求被拒絕，Q維持低電平不受影響。當(dāng)D的請(qǐng)求信號(hào)維持三個(gè)時(shí)鐘周期或以上時(shí)，A,B,C節(jié)點(diǎn)會(huì)有一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平重合，由邏輯判斷單元判定為有效請(qǐng)求信號(hào)，Q拉高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)的數(shù)字像素圖像傳感器芯片通過(guò)GSMC 1P4M 0.18 μm 1.8 V/3.3 V工藝完成流片驗(yàn)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(gè)單獨(dú)像素。單個(gè)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(yīng)曲線Fig 5 Light response curve of pixel output

傳感器主要指標(biāo):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(dòng)態(tài)范圍56.10 dB；主時(shí)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(yīng)。

傳感器輸出DATA是1 024個(gè)連續(xù)的8 bit數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器所處環(huán)境光照強(qiáng)度，獲得傳感器光響應(yīng)。圖5顯示了像素在光照強(qiáng)度從0～1 150 lx變化時(shí)的光響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，輸出碼值隨光照強(qiáng)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(shù)關(guān)系，所以，光照強(qiáng)度越大，灰度值越大，成像越亮，光響應(yīng)曲線符合預(yù)期。傳感器在光強(qiáng)為14，33，53，78 lx時(shí)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(shí)鐘下，該傳感器具有75幀/s的內(nèi)部幀頻，其最大信噪比是54.15 dB，像素動(dòng)態(tài)范圍是56.10 dB。傳感器主要指標(biāo):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(dòng)態(tài)范圍為56.10 dB；主時(shí)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(yīng)。

圖6 光照強(qiáng)度Fig 6 Light intensity

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了加固過(guò)的使能信號(hào)的抗單粒子效應(yīng)能力。進(jìn)行輻射測(cè)試過(guò)程中，在0.18 μm CMOS工藝下，單粒子瞬態(tài)的持續(xù)時(shí)間在500 ps以下[8]，所以，用一個(gè)持續(xù)2 ns的高脈沖跳變足以模擬單粒子瞬態(tài)，并用這個(gè)高脈沖代替正確的請(qǐng)求曝光信號(hào)EN。如果這種情況下傳感器不被觸發(fā)曝光，則請(qǐng)求信號(hào)被保護(hù)；否則，沒(méi)有達(dá)到保護(hù)效果。在前述分析中，F(xiàn)_VALID和L_VALID兩個(gè)信號(hào)拉高是像素讀出數(shù)據(jù)有效的標(biāo)志，若這兩個(gè)信號(hào)置低，則表示無(wú)有效輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示F_VALID和L_VALID在錯(cuò)誤注入時(shí)都不被拉高，示波器截圖如圖7所示。表明像素沒(méi)有曝光，使能信號(hào)不受單粒子效應(yīng)影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的使能檢測(cè)單元可以抵抗單粒子效應(yīng)。

圖7 加固后使能信號(hào)對(duì)單粒子效應(yīng)的抵抗結(jié)果Fig 7 Hardening effect of enable signal on SEE

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了包含32×32個(gè)像素陣列的數(shù)字像素傳感器，使用了抗輻射設(shè)計(jì)加固的技術(shù)，并用0.18 μm工藝流片實(shí)現(xiàn)。該傳感器使用了一個(gè)新型使能檢測(cè)單元來(lái)抵抗單粒子效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器可以在正常環(huán)境下實(shí)現(xiàn)其功能，使能檢測(cè)單元可以抵抗單粒子效應(yīng)。

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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(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)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?yàn)榭馆椛鋱D像傳感器的設(shè)計(jì)。