cmos+忆阻器实现高效分布式处理兼存储功能的传感器架构

片面积过大，影响像素间距变校为解决这些主要问题，我们探讨能否用一个忆阻器代替滤波器的部分功能，发挥其非易失性存储和纳米级尺度的优势。此外，通过数字脉冲（电压或电流）信号很容易控制忆阻器的电阻，按照图4的工作原理，我们的像素解决方案依靠三个忆阻器(MS, Mmax，Mmin)保存与信号VS成正比的电阻值和两个阈压Vmax和Vmin。像素解决方案的原理示意图如图6所示。光频转换器 (L2F)模块将留在像素上的光强转换成固定脉宽(△T)且频率与光生电流(Iph)成正比的数字脉冲，在像素复位过程中，MS电阻值置于最高值(MSL = ROFF ),等待L2F数字脉冲设置电阻值。

图7：像素在积分时间(TI)内的时序图，L2F将n个数字电流脉冲I1馈入MS，使忆阻器电阻在Roff至R(n)范围内变化

图8：与像素的四个不同状态有关(max,min)的忆阻器控制： LL，HL，LH，HH

图9：在每个更新脉冲 (PLS)后，通过忆阻器电阻值(Mmax, Mmin)表达两个阈压在每个像素状态(表I所列像素状态: S1, S2, S3, S4)的预计行为。S1、S2和S3是发生在传感器工作期间的典型状态，而S4则发生在传感器校准阶段，是专门生成的信号。

A. 曝光时间

在曝光时间(Ti)内, L2F转换器生成一串振幅I1、脉宽△T且频率与光强成正比的电流脉冲，送入MS，如图7所示。下面的等式通过状态变量w(t)描述了MS的状态：

使用置于像素外部的两个时钟驱动的列级(HBLOCK)比较器完成热像素检测。表I列出了不同像素状态的数字输出信号。

C. 阈压更新

图8描述了两个忆阻器(Mmax和Mmin)的控制与S1、S2、S3和S4四个像素状态的关系。为实现一个时间常数TH短的滤波器，用信号PLS生成的△TP脉宽的电流脉冲IPH驱动忆阻，馈入HBLOCK。通过估算注入到器件的电荷qHOT = IH?△TP和施加的脉冲数量"m"，设置滤波器的时间常数。另一方面，考虑到冷像素条件，慢滤波器负责处理电荷qCOLD = IPL?△TP，qCOLD < qHOT。 这意味，给忆阻器提供的电荷量相同时，在qCOLD情况下，忆阻变化不大。通过选用图8所示的电路配置，有时可以进行两个阈压的更新过程。假设像素状态是S3，向Mmax馈入qHOT = IH?△TP , 同时向Mmin馈入qCOLD = (IH-Id)?△TP, Id = IH-IL。在这种情况下，两个阈压(Vmax和Vmin)都接近电流信号VS，但是以不同的速度接近(Vmax上升快，Vmin下降慢)。

V. 仿真结果

我们使用MATLAB建立了自适应背景提取算法模型并进行了仿真测试。如图6所示，我们模拟了像素架构的四种不同状态，使用Cadence Spectre通过电仿真再现了图9所描述的预期行为。像素架构设计采用3.3V、0:35m cmos制造工艺，使用Verilog-A模拟忆阻器行为，选择宽忆阻范围(RON = 200Ω ,ROFF = 200KΩ)，以覆盖更大的动态范围。曝光时间值不宜过大，以不会在高频光阻编码过程中导致Ms进入导通状态为准。

使用相同的仿真参数验证四个像素状态，仿真结果见图10。用L2F在10 ms曝光时间(Ti)内生成的数字脉冲设置Ms。在忆阻重置到ROFF状态前，比较Ms的最终值与Mmax和 Mmin值。然后，根据像素条件，对Mmax和Mmin进行相应的调整。图10a是图8的像素状态S1的仿真结果。这里，像素工作正常，如曲线所示，Mmax和Mmin保持向Ms缓慢汇合的趋势。我们还注意到，热像素的二进制信号始终是低电平状态。

在像素的其它状态: 图8中的S2, S3，S4，仿真结果发现一个热像素，我们观察到两种情况。一种是，热状态像素直接随正常像素条件变化，另一种情况是热状态像素（典型S4）将必须变成另一个热像素条件(S2 或S3)，才能返回到正常条件(S1)。

A. 直接从热像素状态转到冷像素状态

像素状态S2和S3通常直接转到正常像素条件。从图10b不难看出，在S2状态中，Mmax和Mmin尝试以不同的时间常量接近Ms，在这个过程中，Mmax升高速度比快Mmin很多，直到像素恢复到正常工作条件为止。如图10c所示，当像素在S3状态时出现反转，Mmin以比Mmax更快速度的下降接近Ms。图10d是S4状态的仿真结果。在这种情况下，Mmax上升速率与Mmin下降速率相同，直到像素恢复到正常条件为止。在所有情况下，变化速率是由所施加的电流脉冲振幅控制的。

B. 从一个热像素状态转到另一个热像素状态，然后转至冷像素

虽然S4是一个典型的禁用状态，是根据Mmax和Mmin两个阈值发生的热像素，但是通常发生在校准阶段系统上电过程中。在这种情况，传感器是照片拍摄模式，算法尝试将两个阈值快速汇合到冷像素条件，同时像素故意设置为状态S4。这个阶段可需要几个帧，直到整个像素达到冷状态为止。在S4状态，热像素不