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用于低噪声CMOS图像传感器的流水线ADC设计及其成像验证

作者:时间:2012-08-07来源:网络收藏

摘要:在对低的研究中,除需关注其外,目前数字化也是它的一个重要的研究和方向,了一种可的12 bit,10 Msps的,并基于0.5μm标准工艺进行了流片。最后,通过在PCB测试版上用本文实现了模拟输出的低噪声CMOS的模数转换,并基于自主开发的成像测试系统进行了成像,结果表明,成像画面清晰,该可作为低噪声CMOS图像的芯片级模数转换器应用。
关键词:ADC;低噪声CMOS图像;成像;Labview

CMOS图像传感器(CMOS image sensor,CIS)在近二十年来取得了飞速的发展,得益于有源像素传感器(Active PixelSensor)的出现、相关双采样技术(Correlated Double Sampling)的发明以及工艺的进步等,低噪声应用领域的CMOS图像传感器也取得了长足的发展。由于CMOS传感器具有先天的低成本、易于集成等优点,CMOS传感器在低噪声应用领域也已引起了越来越多的关注。目前,在低噪声CMOS图像传感器的研究领域,除研究其噪声外,数字化也是它的一个重要的研究方向。
文中介绍了一种适低噪声CMOS图像传感器芯片级模数转换的型ADC,根据低噪声CMOS图像传感器的系统要求,文中设计的ADC的分辨率为12 bit,速度为10 Msps,采用了每级1.5 bit、共11级的流水线型结构。在该ADC完成设计仿真后,基于0.5μm标准CMOS工艺进行了流片。最后在PCB板级电路上用该ADC对一个自主设计的模拟输出的CMOS图像传感器进行了模数转换,并基于自主设计的成像测试系统完成了CMOS图像传感器的成像。

1 ADC设计指标及框架
根据自主设计的低噪声CMOS图像传感器的系统要求,可以确定流水线ADC的设计指标。表1给出了该设计的具体设计指标。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/160156.htm

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由于该ADC设计目标为应用在自主设计的低噪声CMOS图像传感器的芯片级,因此其速度和精度都应尽可能的高,以达到芯片系统低噪声和速度的要求。而由于其工作在芯片级,其功耗和面积的要求则可以相对宽松一些。因此本设计采用了11级,1.5 bit每级的结构,虽然这种结构在功耗上会有所增加,但是可以降低比较器的比较精度带来的影响,同时也降低了对第一级采样保持电路运放的要求。本文设计的ADC的结构框图如图1所示,在该ADC11级结构中的前10级电路中,每级电路包括子模数转换器(ADC)、子数模转换器(DAC)、求和电路、余量放大器以及采样保持电路,其中由于子DAC、采样保持电路、求和电路以及余量放大电路一般都由一个开关电容电路实现,因此该电路模块常被统称为乘法型数模转换器(Multiplying digital to analog converter,MDAC),第11级电路为一个2 bit的flash ADC。在两组互不相交时钟CLK1和CLK2的控制下,每级电路都产生了数字输出,这些输出在经过数字位对齐和数字校准后得到最终的数字输出。

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2 ADC各模块设计
2.1 MDAC设计
MDAC电路是流水线ADC设计中非常重要的部分,它在ADC中实现的功能包括采样保持、数模转换、减法和余量放大等,一般采用开关电容技术实现,由模拟开关、电容和跨导运算放大器(OTA)构成,其电路图如图2所示。其工作原理是:用MDAC的采样保持对前级余量电压进行采样;将其采样电压与本级子DAC的输出电压进行减法运算;将减法运算得到的余量电压通过余量放大器进行放大。

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在流水线ADC结构中,第一级的MDAC的要求最高,随着级数的增加,要求不断降低。对于一个12位、10 Msps采样率流水线ADC,以第一级MDAC为例,该电路需满足的总体指标为:精度12 bit,采样率10 Msps。而在MDAC设计中,最关键的是余量放大器设计,本文以第一级余量放大器的设计为例来说明整个设计,其中采用的余量放大器的结构如图3所示。余量放大器工作在闭环状态,要求其有限直流增益造成的误差小于1/2LSB,即有:
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式中A0为开环增益,N为ADC分辨率,β为反馈系数。

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另外,由于余量放大器有限的带宽,因此对输入电压响应需要经过一定的时间才能趋于稳定。在采样频率为f的ADC中,要求信号在二分之一的时钟周期内达到所需的精度(即误差小于1/2LSB),即有:
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式中GBW为单位增益带宽,N为ADC分辨率,β为反馈系数,f为采样频率。
对于本文的ADC设计有:N=12,β=1/2,f=10 MHz,因此由公式(1)和公式(2)可得,用于本文第一级MDAC的余量放大器应满足:开环增益需大于84 dB,单位增益带宽需大于58 MHz。综合考虑到输入信号摆幅、流片工艺和功耗等要求,本文的余量放大器采用了折叠共源共栅的运放结构,仿真结果表示,该结构可满足设计要求。
2.2 比较器设计
流水线ADC由于采用了校正电路,对比较器失调电压的要求放宽了。对于1.5 bit每级的电路,设参考电压为1 V,则它的失调电压放宽为125 mV。本ADC中从第1级到第10级电路都采用了动态比较器,因为其失调电压小于可校正的最大失调电压,同时它具有较快的速度和较低的功耗。该电路的原理图如图4所示,它包括一个由rst信号控制的快速复位电路、信号输入的预防大电路、锁存比较器以及输出反相器组成。

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2.3 数字位时间对齐及数字校准电路设计
由于流水线ADC每级电路产生数字代码的时间不同,因此,在进行数字校正之前,必须先对其进行延迟,所以在数字校正电路之前必须要有数字延迟电路。完整的输出数字时间对齐及数字校正电路如图5所示,其中图的左边为数字位时间对齐电路,图的右边为数字校准电路。

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2.4 时钟控制电路设计
流水线ADC对于时序要求比较高,为了确保流水线ADC正常工作,要求前后两级不同时工作在采样状态和保持状态,至少需要一对两相不交叠时钟。文中设计的时钟信号电路如图6所示。相比一般的采用器件延时来设计时钟控制电路,本文采用了在电路引入电容的方式来确定时钟延时,尽管这样做会在版图上多占用了一些面积,但是其好处是设计的两相不交叠时钟非常稳定,时钟可以根据电容值选取的大小而更为合理的错开。

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3 芯片版图
该芯片使用0.5μm标准CMOS工艺进行流片,版图的设计综合考虑了混合信号电路布局、匹配设计和抗干扰设计等。布局采用数模分离,数字电路加保护环;匹配设计采用了共心对称设计、比例单元设计和添加哑元元件等技术。芯片版图如图7所示,带PAD的整体芯片面积为3.55 mm@2.9 mm,其中上部分为数字位对齐和数字校准电路,中部为各级流水线,右侧为时钟产生电路,下部为信号输入和其他电路。

4 成像系统成像结果
4.1 成像系统硬件组成
低噪声、高帧频的CMOS图像传感器成像,除了对PCB测试板的设计要求较高外,也对测试系统的构成也提出了较高的要求。本成像系统的电学硬件系统框图如图8所示。该电学硬件系统的基本工作原理是:

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1)在PCB板上用基于CPLD设计的时钟波形来控制板上的CMOS图像传感器芯片和ADC芯片协同工作,并在此过程中生成帧同步信号和ADC时钟信号交予数字采集卡作为采集卡的外触发和外时钟信号。
2)在ADC芯片将CMOS图像传感器产生的模拟信号进行模数转换后,其数字信号经缓冲芯片缓冲输出至数字采集卡。
3)数字采集卡在帧同步信号控制下进行重复触发采样,在采集卡收集到一定数据后将采集到的数据传送到主机中,然后用成像软件进行分析,给出动态的成像图片。
4.2 成像系统软件设计
本测试系统软件采用Labview编程,Labview是一种图形化的编程语言的开发环境,广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
本系统中利用Labview的虚拟仪器(virtual instrument)实现对数据采集卡的数据采样控制、对采集到的数据进行信号处理以及动态成像,图9为成像软件的界面图,其工作模式和原理是:

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1)在控制数字采集卡的程序中,将始终和触发设置为外时钟采样以及外触发重复触发采样模式,以实现成像信号帧同步和保证采集卡采样与ADC输出的同步。
2)在将采集到的数据转化为U16数字格式数组后,对这些信号进行灰度值处理,程序设计了两种灰度调节模式:固定的灰度转换和灰度自动调节,此外程序还设计了可选的反色、图像翻转、图像放大等功能。
3)在数据进行信号处理后,完成对采集数据的二维灰度值成像,这些信号处理和成像程序都置于while循环中,因此可根据延时设置成像刷新的帧频,实现动态成像。
4.3 成像结果
用本文设计的ADC对模拟输出的CMOS图像传感器进行模数转换后,基于自主设计的成像系统,进行了实时成像实验,成像结果如图10所示,可以看出,画面清晰,层次感分明。

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5 结束语
文中设计了一种可应用于低噪声CMOS图像传感器芯片级模数转换的12bit、10Msps流水线ADC,并基于0.5μm标准CMOS工艺进行了流片。最后在PCB板级电路上用该流水线型ADC完成了CMOS图像传感器的模数转换,并基于Labview和数字采集卡系统实现了CMOS图像传感器的成
像,成像结果表明,该ADC可满足低噪声CMOS图像传感器芯片级模数转换器的要求,下一步可将CMOS图像传感器和该ADC合并设计在一个芯片上进行流片。

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