Differential Integrator Pixel Architecture for Dark Current Compensation in CMOS Image Sensors

Le Capteur d'Image CMOS (CIS) est rapidement devenu la technologie dominante dans les marchés de l'imagerie. Il y a des avantages sur les technologies avec CCD tels que la faible consommation de puissance et les faibles coûts. . La technologie CMOS APS s'est améliorée au cours des dernières décennies et propose une alternative viable à la technologie CCD pour de nombreuses applications. Néanmoins, les capteurs d'image CMOS APS ont un niveau plus élevé de courant d'obscurité que les capteurs CCD. Plusieurs techniques ont été développées pour améliorer la performance du capteur d'image en termes de courant d'obscurité qui limite sévèrement la gamme dynamique et la sensibilité des capteurs d'image. Il existe différentes approches pour réduire le courant d'obscurité. L'approche idéale, mais coûteuse, consiste à modifier le procédé de fabrication par améliorant la photosensibilité du pixel ou de réduire le courant de fuite. Cependant, certaines architectures de circuits peuvent être utilisées pour réduire ou compenser le courant d'obscurité sans modification de procédé, cette alternative fait l'objet de ce mémoire. Dans cette thèse, un circuit amplificateur différentiel multi-branche est proposé pour compenser l'effet de courant d'obscurité d'un capteurs d'image CMOS. Afin d'obtenir une application de détection à faible courant de noirceur, un interrupteur de type T avec un faible courant de fuite est utilisé. La nouvelle configuration de multiple-input multiple-output amplificateur différentiel présente l'avantage de réduire considérablement les courants d'obscurité femto-ampères des photodiodes. L'objectif étant d'améliorer la sensibilité et la gamme dynamique des pixels des capteurs d'image CMOS. Un prototype est conçu à partir du procédé de fabrication CMOS standard 0.18 µm de TSMC.

Abstract

CMOS Image Sensor (CIS) rapidly became the dominant technology over Charge-Coupled-Device (CCD) in imaging markets. It has many advantages over CCDs such as low power and low cost which is highly desirable for imaging-enabled mobile devices. CMOS Active Pixel Sensor (APS) technology has improved during the last decades and suggests a viable alternative for many applications with CCD technology. Nonetheless, CMOS APS image sensors have higher dark current level than CCD sensors. Several techniques have been developed to improve the performance of image sensor in terms of dark current which severely limits the dynamic range and the sensitivity of image sensors. There are different approaches to reduce the dark current. The ideal but expensive approach is to modify the fabrication process by enhancing the photosensivity of the pixel or reducing the leakage current. However, some circuit and layout techniques reduce or compensate the dark current of standard CMOS processes which is the method considered in this work. In this thesis a multi-branch differential amplifier circuit is proposed to compensate the effect of dark current in CMOS image sensors. In order to obtain a low level sensing application, a T-type switch with low leakage current is used. The new configuration of multiple-input multiple-output differential amplifier has the advantage of compensating the femto-ampere dark currents of hotodiodes. The objective is to improve the sensitivity and the dynamic range of active pixel CMOS image sensors. A prototype is designed and simulated in a standard CMOS 0.18 µm fabrication process from TSMC.