基于CMOS图像传感器的新型粒子轨迹追踪器关键技术研究

高精度、低功耗、可与信号处理电路大规模集成的CMOS图像传感器是新型粒子轨迹追踪器最具潜力的发展方向。噪声是CMOS图像传感器检测粒子信号的瓶颈，此外，高能物理实验产生的海量原始数据需要系统具备实时自动信号处理功能。本项目研究其中的噪声抑制、高速信号读取和列级动态信号处理等关键技术。.研究像素级自适应放大与自动相关双次采样的机理，探索在像素内部实现以上技术的方法，并进一步结合动态存储与曝光控制构造可以高速读取的智能像素，掌握像素级实时自动信号处理技术，抑制噪声、提高灵敏度。.基于动态扫描与失调电压补偿技术研究在列级模数转换器中抑制固定噪声的方法，并结合流水线模式提高工作速度。以此为基础，探索列级自主侦测、智能数据压缩的实现方案，构建列级信号自动处理系统。.研究成果不但可以推动国内相关工作的进展还将对CMOS图像传感器在空间探测、航天、医学仪器等领域的应用提供有力理论指导，具有广泛应用前景。

本项目研究基于CMOS技术的图像传感器信号处理方法，探索其中的低噪声高速信号读取、信号自适应实时处理、超低功耗系统设计等传感器信号处理关键技术。提出了多像素共享信号处理结构，降低了单位像素内晶体管数目，奠定了像素内部集成采样、降噪、量化等完整信号处理系统的基础。研究了信号幅度对数变换的电路实现方法，探索了提高系统动态范围的可能。奠定了智能像素结构进一步研究的基础。.根据传感器信号处理的需求研究了新型高速自清零比较器架构。采用输入/输出误差采样，实现了前置放大电路及锁存器固定误差的自动消除，在降低功耗的同时保证了比较器的高速特性。进一步探索了自适应ADC及高速折叠ADC的实现方法，设计了采样率为80 Ms/s和200 Ms/s的两个原型结构并进行了初步测试。.研究了正电子发射断层成像系统（PET）信号处理的方法。开展了基于TDC（Time-to-Digital Converter）的精确测时系统及PET系统闪烁脉冲数字化单芯片解决方案的相关工作，采用0.25 um CMOS工艺设计了原型芯片。通过使用两级时间控制方案，达到了低功耗实现高分辨率时间测量精度的目的。芯片的测量精度可达40 ps。.根据无线传感器网络的需求研究了超低功耗无线数据收发系统的关键技术。设计了超低功耗自适应时钟/数据精确恢复芯片，当数据率在0.5 kbit/s到500 kbit/s变化时系统功耗仅为13 uW。进一步采用无源唤醒技术设计了满足中国短程通信标准的5.8 GHz无线数据收发单芯片系统，灵敏度为-88 dBm，待机电流低于1 uA，数据率达2 Mb/s。.截至2012年12月，已在学术会议上作分组报告14次，发表论文25篇（11篇期刊论文，14篇会议论文， SCI/EI检索19篇）；完成了6颗混合信号系统集成电路芯片的设计，获得集成电路版图登记8项；相关成果应用于无线数据通信及心电信号检测系统，申请发明专利4项，其中1项已获得授权。累计指导研究生20人，其中硕士研究生18人，有7名已经毕业；合作培养博士研究生2人，有1名已经毕业。