JSSC 2024第4期Clocking & PLLsCMOS Image Sensor

A 336-µm-Pitch SPAD Photon-Counting Image Sensor Using a Clustered Multi-Cycle C

提出一种3.36微米像素间距的单光子计数图像传感器，实现120dB高动态范围和150帧/秒成像。

120dB动态范围, 150帧/秒, 748×448像素, 104mW功耗

单光子计数高动态范围像素间距集群多周期时钟运动伪影抑制

▸创新点1：3.36微米像素间距前端电路（电路创新）。通过优化布局和电路设计，实现了业界领先的3.36微米像素间距前端电路，显著提高了像素密度和空间分辨率，同时保持了高灵敏度和低噪声性能。

▸创新点2：集群多周期时钟充电技术（方法创新）。采用创新的集群多周期时钟充电技术，有效扩展了动态范围至120dB，支持150帧/秒的高速成像，同时降低了功耗至104mW，即使在每像素120万光子的高入射条件下。

▸创新点3：中间最高有效位读出（系统创新）。通过引入中间最高有效位读出机制，实现了全局快门光子计数成像，有效抑制了运动伪影，并消除了模拟读出噪声，提升了图像质量和系统稳定性。

▸创新点4：高动态范围（HDR）与低功耗协同设计（系统创新）。在保持120dB高动态范围的同时，通过优化电路设计和时钟管理，将功耗控制在104mW，实现了高性能与低功耗的平衡，适用于高帧率（150帧/秒）应用场景。

Abstract

A photon-counting image sensor with 3.36-µm- pitch-pixel front-end (PFE) circuits and single-photon avalanche diodes is presented here. A clustered multi-cycle clocked recharg- ing technique with an intermediate most-significant-bit readout is employed to achieve a 120-dB high dynamic range (HDR) at 150- frames/s imaging with 748 × 448 pixels while reducing the PFE circuit pitch to 3.36 µm. The power consumption of the sensor is reduced to 104 mW, even with 1.2 million incident photons per pixel