1 / 22

TDI 型 CMOS 图像传感器 中 的 列 级 ADC 设 计

TDI 型 CMOS 图像传感器 中 的 列 级 ADC 设 计. 吕 涛. 课题背景及意义. 时间延迟积分（ TDI ）型 CMOS 图像传感 器 可以 把 对 同一物 体多次 曝 光 得 到的信号进行低噪声累加 ， 因 此 能 够达到很高的灵敏度和信噪比，非常适合应用在暗光拍摄和高速扫描拍摄的条件下，在工业检测和航空拍摄等领域具有很高的应用价值 。 ADC 是 TDI 型 CMOS 图像传感器的重要组成部分 ， 实 现了将模拟信号转换为数字信号的功能 。. CIS 中 的 列级 ADC. CIS 中的 读出电 路架构主要有列级 ADC 、芯片级 ADC 和像素级 ADC 。

fabiana-fullam
Télécharger la présentation

TDI 型 CMOS 图像传感器 中 的 列 级 ADC 设 计

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. TDI型CMOS图像传感器中的列级ADC设计 吕 涛

  2. 课题背景及意义 • 时间延迟积分（TDI）型CMOS图像传感器可以把对同一物体多次曝光得到的信号进行低噪声累加，因此能够达到很高的灵敏度和信噪比，非常适合应用在暗光拍摄和高速扫描拍摄的条件下，在工业检测和航空拍摄等领域具有很高的应用价值。 • ADC是TDI型CMOS图像传感器的重要组成部分，实现了将模拟信号转换为数字信号的功能。

  3. CIS中的列级ADC • CIS中的读出电路架构主要有列级ADC、芯片级ADC和像素级ADC。 • 列级ADC与芯片级ADC相比，对ADC速度要求较低，降低了设计难度；与像素级ADC相比，提高了填充因子，从而提高了光电转换效率，因此列级ADC得到了广泛应用 • CMOS图像传感器中常用的列级ADC有：单斜ADC、循环ADC和逐次逼近ADC。 • 其中，列级单斜ADC应用最为广泛。

  4. 列级单斜ADC 结构： 各列共用的斜坡发生器和计数器；每列只需一个比较器、锁存器。 原理： 首先采样输入信号VIN，然后产生斜坡电压VRAMP与VIN进行比较，当VRAMP大于VIN时，比较器输出发生翻转，寄存器将保存此时的计数器值作为量化结果。 优点： 结构简单，面积小。 共用DAC，一致性好。 缺点： 转换时间长。N位至少需要个时钟周期。

  5. Multiple-Ramp ADC • 采用多个不同区间的斜坡电压来同时进行量化，可成倍增快量化速率。 • 量化过程分为粗量化和细量化两步。 • 缺点：但是需要多个斜坡发生器，结构复杂；功耗大。

  6. 我的设计 • 改进多斜坡列级ADC。斜坡发生器同时产生多路斜坡电压，但每个斜坡需要一个buffer来驱动所有列比较器，此buffer的功耗非常大，所以随着斜坡数量的增多，功耗也会大大增加。 • 对此结构进行改进，改为只有一个斜坡电压，但有多个参考电压的结构。

  7. 两步单斜ADC 斜坡及参考电压产生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压Vref1~Vrefk，提供给各列使用。斜坡电压的范围为量化范围的1/k。各个参考电压将量化范围等分为k个细量化区间。 每一列电路包括比较器、多路选择开关、逻辑电路及存储电路。

  8. 工作原理 量化过程分为 粗量化 细量化

  9. 优点 • 对于一个P位的两步单斜ADC，若分为M位粗量化和N位细量化，P=M+N，那么量化一次所需的时钟周期数为 • 与多斜坡ADC相比，只需一个斜坡，因此斜坡发生器的结构简单。 • 另外多斜坡ADC的每个斜坡且只需要一个buffer来驱动所有列比较器，此buffer的功耗非常大；而本结构只需一个这样的buffer来驱动斜坡，各参考电也只需要接buffer，但驱动的是直流电平，因此功耗较低。

  10. 误差 • 其中的多个参考电压由电阻串联分压产生，并经过缓冲器以驱动各列电路。然而由于电阻失配、缓冲器运放失调等原因，会使各参考电压发生偏移，从而导致量化产生较大的误差。

  11. 误差校准 • 原有结构的基础上增加一列校准列，其输入连接Vramp和Vref1。 • 为了避免偏移导致的盲区及丢码的问题，需要扩展斜坡电压的范围。

  12. 误差校准 • 将校准列的粗量化及细量化结果存储在校准模块的寄存器中，形成一个查找表，并随着每次量化的进行不断更新。 • 逐列读出其他各列的结果，并依次送入校准模块进行校准。利用如下公式即可即可校准得到最终的量化结果 其中DC和 DF1分别为某列的粗量化结果和细量化结果，DF2为在查找表中该粗量化值对应的校准列细量化结果。

  13. 电路实现 • 要求12位精度，32KHz采样率，1024列。 • 采用该新型的两步单斜ADC。采用八个参考电压，即粗量化3位，细量化10位。 • 主要电路： • 斜坡发生器（DAC） • 多参考电压产生 • 比较器 • 其他逻辑电路

  14. 分段电容阵列DAC 当DA为12位时，即n=12，m=6时，理想输出为

  15. 电容失配分析 • 电容失配会影响该DA的线性度 • 编写Matlab脚本程序进行蒙特卡洛分析。假设电容失配率满足正态分布，对每个电容产生一个满足该正态分布的随机值，计算最大的INL。最后将结果用直方图显示，直方图的横坐标为INL，单位为LSB，纵坐标表示INL的分布情况。

  16. 电容值的选择 不同失配率标准差σ下的合格率 综合考虑电容失配的影响和面积因素，选择失配率为0.08%，此时满足INL小于0.5LSB的合格率为90%，单位电容的面积约为1100 um2

  17. 多参考电压的产生 • 由于采用了校准结构，消除了多参考电压发生偏移的影响，因此可以采用简单的电阻串联分压来产生。

  18. 比较器 • 采用失调消除技术的三级级联比较器结构，每一级为采用二极管连接的七管运放。 • 能满足增益及速度要求，且能有效的消除比较器失调电压带来的误差。

  19. 仿真结果 • 输入信号为正弦波，采样频率16KHz，量化1024次，进行FFT分析 SNDR=83.61dB ENOB=11.67bit

  20. 仿真结果：功耗 • 单个斜坡缓冲器功耗8mW，单个参考电压缓冲器功耗为1.2mW，若采用八个斜坡的多斜坡ADC结构，则缓冲器总功耗高达65.2mW，而本结构的缓冲器总功耗仅为17.6mW。 • 每列电路静态电流24uA

  21. 版图

  22. Thank you

More Related