随着安防监控系统的发展,要求图像传感器具有较宽的动态范围,然而消费类的CMOS图像传感器动态范围不高于60dB,无法满足同时捕捉到场景中暗光和高光细节的要求。常用的动态范围扩展方法有的增加了像素复杂度,有的拍摄的两次或多次图像信息在片上存储器按照一定的算法进行组合大大增加了硬件量。本文提出了一种基于五管有源像素的宽动态范围CMOS图像传感器,在像素内部的浮动节点处进行长曝光时间信号和短曝光时间信号的组合。本文在分析了常用的宽动态范围技术优缺点的基础上,给出了像素内两次曝光组合宽动态范围CMOS图像传感器的数学模型;结合像素内势垒势阱的变化分析了像素操作原理;基于像素操作的要求完成了相应的像素驱动电路和电平选择电路的设计,主要包括带隙基准电路、偏置电压产生电路、像素传输门信号电平产生电路和像素全局复位信号驱动电路等几个模块;利用Tower 0.18μm CMOS工艺进行仿真,结果表明,传输门信号的电平值和全局复位信号的电平值实现可编程选择,满足像素内两次曝光信号组合操作的要求。应用像素内两次曝光组合技术的CMOS图像传感器采用0.18μm CIS工艺进行了流片,测试结果表明通过优化像素操作,光电响应曲线得到了压缩,在两次曝光时间分别为2.4ms和70ns,30帧每秒的帧频条件下,传感器的动态范围达到80dB,满足安防监视系统的应用需求。本文的创新点在于,在达到一定的宽动态范围条件下,采用像素内部节点进行曝光信号组合,没有改变像素结构,相对于其它两次曝光模数转换之后合成,节省了存储器的使用,降低了读出电路和模数转换的速度。