应用使能检测单元的抗辐射数字像素图像传感器*

闫 茜，姚素英，高志远，李新伟，徐江涛

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)



应用使能检测单元的抗辐射数字像素图像传感器*

闫 茜，姚素英，高志远，李新伟，徐江涛

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)

介绍了一种经过抗辐射设计加固的CMOS数字像素图像传感器，并提出了一种可以抵抗单粒子效应的使能检测单元。这个使能检测单元通过将信号传输给三个移位寄存器并判断寄存器输出是否一致来判断和屏蔽单粒子效应。实验结果表明:芯片的最大信噪比和动态范围分别是54.15 dB和56.10 dB，使能检测单元可以屏蔽单粒子效应。

单粒子效应； 设计加固； 图像传感器

0 引 言

空间环境中需要使用高性能的图像传感器。CMOS图像传感器具有光电特性好、功耗低、更适应太空辐射环境等优点[1]。然而图像传感器中的数字信号对电荷注入比较敏感[2～4]，容易产生单粒子效应(single event effect，SEE)[5]和总剂量效应[6]。当高能粒子入射到数字电路时，沉积的电荷会改变存储单元的存储状态或者在组合逻辑的输出产生一个尖脉冲，这分别是空间环境中的单粒子翻转(single event upset，SEU)和单粒子瞬态(single event transient，SET)[7]。

本文设计了一种应用设计加固的方法抵抗单粒子效应的数字像素图像传感器。它在实现图像传感器正常曝光功能的前提下加固了使能信号，使之可以抵抗SEE。实验结果显示，该传感器可以实现正常曝光，最大信噪比和动态范围分别是54.15dB和56.10dB。使能检测单元可以屏蔽SEU。

1 传感器结构

抗辐射数字像素图像传感器的整体架构如图1所示，它包括一个32×32的像素阵列(DPS array)和一个控制逻辑模块(controller)。像素阵列的纵向表示实际的行方向，横向表示实际的列方向。像素阵列在时序控制逻辑的控制下完成相应的复位、曝光和读出操作。DPS ArrayController包含使能检测单元(enable detector)、主控状态机单元(main finite state machine,MFSM)、全局计数器(binary counter)、二进制转格雷码单元(BIN2GARY)、格雷码转二进制单元(GARY2BIN)、多路选择器(MUX)。Controller的核心是MFSM，该部分负责控制和协调其他各部分的工作。

传感器的输入信号包括PD_RST,CLK,EN,RST，输出信号包括L_VALID,F_VALID,DATA。其中，PD_RST 为像素复位信号，CLK为系统时钟信号，EN为外部请求成像的使能信号，RST为系统复位信号。L_VALID和 F_VALID分别为像素阵列的行有效和帧有效信号，DATA为像素输出。

对于后级模块而言，只有当L_VALID和 F_VALID均有效时，DATA才是有效的。

传感器的时序信号如图2所示。时序控制逻辑是由4 MHz系统时钟CLK的上升沿触发的同步数字电路。上电后，使用低电位的系统复位信号RST对时序控制逻辑进行复位。复位方式为同步复位，即所有寄存器都在RST=0且CLK上升沿时复位。退出复位后，时序控制逻辑进入等待状态。当采样到有效使能时，将确认外部请求成像的要求，并通知主控状态机执行复位、曝光和读出操作。时序控制逻辑的主控状态机进入初始状态，RST信号通过16个电平转换器控制数字像素阵列中的1 024个复位管MRST，实现所有PD的复位。2个时钟周期后，RST信号置低，所有PD进入曝光阶段。与此同时，主控状态机控制8位二进制计数器(binary counter)从0开始计数。每个计数值维持50 μs，共200个系统时钟周期。二进制转格雷码单元(BIN2GRAY)模块将Binary Counter输出的二进制计数值转换为格雷码值，输出的每一位都通过后级的16个数字缓冲器输入到阵列中各数字像素内部的存储单元。

计数过程结束后，主控状态机控制阵列中各行数字像素的所有存储单元依次被选通，对应行的所有存储单元挂接到所在列的列数据总线。然后，主控状态机将数字像素阵列中各列数据总线的数据缓冲至DATA输出。

图1 图像传感器结构Fig 1 Structure of image sensor

图2 传感器时序Fig 2 Sequence of sensor

2 使能检测单元

传感器中使能信号EN是启动曝光的重要信号，易于受到单粒子效应影响，产生错误的电平翻转致使传感器不正常曝光。所以，本文中提出一种新型使能检测单元来保护使能信号。

设计中，请求信号应该维持至少三个时钟周期来触发曝光。电路逻辑如图3所示。RST,CK分别为系统复位和时钟。D为这个模块的输入，M0～M2为三个二选一多路选择器，R0～R2构成移位寄存器，A,B和C为移位寄存器输出，同时为判断逻辑单元的输入。这个逻辑判断单元判断A,B,C为否均为高电平，如果是，则输出Q拉高；否则，维持低电平。由于判断逻辑的屏蔽作用，当外部没有成像请求(D=0)时，发生在R0,R1和R2任意一个或两个寄存器中的SEU不会造成图像传感器的错误启动，并且错误的信号值将在后续的移位过程中被消除。

图3 使能检测单元的逻辑结构Fig 3 Logic structure of enable detector

使能检测单元的抗辐射分析如下。任何发生在D,A,B,C节点的单粒子瞬态如果被下一级单元采到，会在下一个时钟周期产生单粒子翻转。逻辑判断单元的三个输入中就会不同，所以，请求被拒绝，Q维持低电平不受影响。当D的请求信号维持三个时钟周期或以上时，A,B,C节点会有一个时钟周期的高电平重合，由逻辑判断单元判定为有效请求信号，Q拉高。

3 实验结果

设计的数字像素图像传感器芯片通过GSMC 1P4M 0.18 μm 1.8 V/3.3 V工艺完成流片验证。含PAD全芯片面积是1 823 μm×1 968 μm，其中，像素阵列部分包含32×32个单独像素。单个像素面积是31.52 μm ×31.22μ m，像素填充因子是19.69 %。像素版图和全芯片版图分别如图4(a)，4(b)。

图5 像素输出光响应曲线Fig 5 Light response curve of pixel output

传感器主要指标:采用0.18 μm CMOS工艺；电源3.3，1.8 V ；像素阵列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；像素动态范围56.10 dB；主时钟4 MHz；帧频75 frame/s；输出接口8 bit并行输出；抗辐射能力部分抗单粒子效应。

传感器输出DATA是1 024个连续的8 bit数据。测试时，通过调节传感器所处环境光照强度，获得传感器光响应。图5显示了像素在光照强度从0～1 150 lx变化时的光响应曲线。可以看出，输出码值随光照强度增大而变小，DATA由255逐渐趋近0,又由于输出码值与处理成像的灰度值成倒数关系，所以，光照强度越大，灰度值越大，成像越亮，光响应曲线符合预期。传感器在光强为14，33，53，78 lx时的输出图像如图6所示。在3.3 V和1.8 V电源、4 MHz的主时钟下，该传感器具有75帧/s的内部帧频，其最大信噪比是54.15 dB，像素动态范围是56.10 dB。传感器主要指标:采用0.18 μm CMOS工艺；电源为3.3，1.8 V；像素阵列为32×32；像素大小为31.52 μm×31.22 μm；芯片大小为1 823 μm×1 968 μm；像素填充因子为19.69 %；最大信噪比为54.15 dB；像素动态范围为56.10 dB；主时钟为4 MHz；帧频为75 frame/s；输出接口为8 bit并行输出；抗辐射能力部分抗单粒子效应。

图6 光照强度Fig 6 Light intensity

通过实验结果也验证了加固过的使能信号的抗单粒子效应能力。进行辐射测试过程中，在0.18 μm CMOS工艺下，单粒子瞬态的持续时间在500 ps以下[8]，所以，用一个持续2 ns的高脉冲跳变足以模拟单粒子瞬态，并用这个高脉冲代替正确的请求曝光信号EN。如果这种情况下传感器不被触发曝光，则请求信号被保护；否则，没有达到保护效果。在前述分析中，F_VALID和L_VALID两个信号拉高是像素读出数据有效的标志，若这两个信号置低，则表示无有效输出。实验结果显示F_VALID和L_VALID在错误注入时都不被拉高，示波器截图如图7所示。表明像素没有曝光，使能信号不受单粒子效应影响。实验结果表明，提出的使能检测单元可以抵抗单粒子效应。

图7 加固后使能信号对单粒子效应的抵抗结果Fig 7 Hardening effect of enable signal on SEE

4 结 论

设计了包含32×32个像素阵列的数字像素传感器，使用了抗辐射设计加固的技术，并用0.18 μm工艺流片实现。该传感器使用了一个新型使能检测单元来抵抗单粒子效应。实验结果表明：该传感器可以在正常环境下实现其功能，使能检测单元可以抵抗单粒子效应。

[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.

[2] Hopkinson G R.Radiation effects in a CMOS active pixel sen-sor[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2000,47(6):2480-2484.

[3] EidEl Sayed,Chan T Y,Fossurn E R,et al.Design and characte-rization of ionizing radiation-tolerant CMOS APS image sensors up to 30 Mrd (Si) total dose[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2001,48(6):1796-1806.

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[6] Hughes H L,Benedetto J M.Radiation effects and hardening of MOS technology:Devices and circuits[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2003,50(3):500-521.

[7] Lacoe R C.Improving integrated circuit performance through the application of hardness-by-design methodology[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2008,55(4):1903-1925.

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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

天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(15JCQNJC42000)

TP 302

A

1000—9787(2016)11—0094—03

闫 茜(1990-)，女，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为抗辐射图像传感器的设计。