横向溢流集成电容（LOFIC）技术通过在像素内引入存储电容，将光电二极管饱和后的溢出电荷进行存储，从而突破了光电二极管满阱容量对高亮信号的限制，实现单帧动态范围的显著拓展，并已在车载、手机等领域得到广泛采用。然而随着像素尺寸持续缩小以及高密度电容工艺受限， LOFIC电容面积被进一步压缩，LOFIC技术的动态范围拓展面临瓶颈。

针对上述问题，天津大学微电子学院团队提出了一种结合LOFIC和选择性溢出技术的单次曝光140 dB的宽动态范围CMOS图像传感器。研究成果以“A 140-dB Single-Exposure Wide-Dynamic-Range CMOS Image Sensor Combining LOFIC and Selective Overflow Technology”为题在微电子学与集成电路领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)上在线发表，第一作者为博士生马彪，通讯作者为聂凯明教授、徐江涛教授。

团队首次提出一种集成LOFIC和选择性溢出技术的宽动态范围CMOS图像传感器，在像素内构建两条可独立调控的溢出路径。通过精确调控两条路径的势垒高度，实现饱和电荷按比例分流。这种独特的选择性溢出机制等效增大了Cs电容的满阱容量，从而实现动态范围扩展。该设计通过110nm BSI CMOS工艺进行流片验证，在Cs电容相同的情况下，动态范围从101 dB扩展到140 dB，综合性能达到国际领先水平。这一创新显著降低了传统LOFIC结构中对大电容面积或先进高密度电容工艺的依赖，为小像素条件下的单帧宽动态成像提供了一种解决方案。

图1.(a) 选择性溢出LOFIC像素结构、(b) 光响应曲线、(c) 芯片显微照片、（d）宽动态场景成像效果

此外，针对LOFIC技术中HCG和LCG读出阶段复位和信号读出顺序相反而需要双通道ADC的难题，提出了一种计数范围可选的单斜ADC结构。该结构在HCG读出时选择比较器翻转前的窗口计数，在LCG读出时选择比较器翻转后的窗口计数，使HCG和LCG在同一读出通道内完成量化，同时保持数字相关双采样功能，从而减少传统双通道读出带来的面积与功耗开销。

图2.(a) 计数范围可选的单斜ADC读出架构、(b) 读出时序

该研究得到国家重点研发计划（2022YFB3205101）和国家自然科学基金项目（62134004和U2441230）的支持。

参考文献：B. Ma, K. Nie, Y. Zhang, Z. Shao, J. Gao and J. Xu, "A 140-dB Single-Exposure Wide-Dynamic-Range CMOS Image Sensor Combining LOFIC and Selective Overflow Technology," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, doi: 10.1109/JSSC.2025.3627188.