应用于细胞检测的CMOS图像传感器ADC的设计

摘要

细胞检测在现代医学研究中占据重要地位，作为该系统的关键部件，CMOS图像传感器（CIS）中ADC的性能直接决定了细胞检测的精度，因此设计符合应用背景的高性能ADC至关重要。
　　针对细胞检测环境对电路提出的要求，本文设计了一种精度为10bit的低压低功耗Single_slope型ADC结构，它主要由亚阈值基准源、开关电容运算放大器、分段电流舵型DAC和动态校准比较器等模块构成。其中，亚阈值基准中使用单管启动电路、亚阈值MOS管和不受电源电压波动影响的偏置电路以满足低功耗要求；开关电容运放电路中，通过采用单管开关、失调补偿、特殊的密勒补偿结构和低噪声主运放电路降低失调、减小噪声；动态校准比较器中，采用简单的两级预放大电路、受时序控制的动态校准结构以及可以修整输出波形并防止误触发的读出电路提高精度、降低功耗；分段电流舵型DAC中，使用分段型控制码、合适的开关驱动电路大大降低毛刺、减小噪声；整体ADC测试电路中，在不增加系统复杂度的基础上调整时序，引用新的测试结构，从而减小采样时间、大大提高检测效率。
　　本文在了解应用需求的基础上确立设计指标、确定电路结构，折中优化系统的功耗、噪声、精度、速度等性能，并在UMC11工艺及1.5V的电源电压下，运用Cadence和Matlab工具对设计的电路进行前仿真、版图绘制及后仿真测试。仿真结果表明，在20MHz的时钟频率下，ADC系统的SNDR为59.7dB，SFDR为68.2dB，ENOB为9.625bit，DNL≤±0.5483LSB，INL≤±0.9527LSB，满足应用需求。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2研究现状

1.3 课题的研究意义

1.4 论文内容及章节安排

2列级ADC简介

2.1 CMOS图像传感器及其ADC的工作原理

2.2 ADC的性能参数

2.2.1 ADC的静态参数指标

2.2.2 ADC的动态参数指标

2.3 Single_slope ADC简介

2.3.1 Single_slope ADC的构成

2.3.2 基准源

2.3.3 运算放大器

2.3.4比较器

2.3.5数模转换器DAC

3 基于细胞检测的Single_slope ADC的具体设计

3.1 总体设计思路

3.1.1细胞检测中ADC的设计要求

3.1.2 Single_slope ADC的模块设计

3.1.3 Single_slope ADC中各模块协同工作原理

3.2 亚阈值基准源的设计

3.2.1启动电路的设计

3.2.2 主体电路的设计

3.3 开关电容运放的设计

3.3.1 开关电容结构

3.3.2 主运放的设计

3.4 动态校准比较器的设计

3.4.1 二级预放大的设计

3.4.2 锁存器的设计

3.4.3 输出电路的设计

3.4.4 时序设计

3.5分段电流舵DAC的设计

3.5.1 DAC整体电路框图

3.5.2 电流源及开关电路的设计

3.5.3 开关驱动电路的设计

3.5.4 输出电路的设计

4 Single_slope ADC电路的仿真与版图

4.1 Single_slope ADC电路的仿真

4.1.1 亚阈值基准源电路的仿真

4.1.2 开关电容运放电路的仿真

4.1.3 动态校准比较器电路的仿真

4.1.4分段电流舵DAC电路的仿真

4.1.5 Single_slope ADC整体电路的仿真

4.2 Single_slope ADC电路的版图

4.2.1 亚阈值基准源电路的版图及后仿真

4.2.2 开关电容运放电路的版图及后仿真

4.2.3 动态校准比较器电路的版图及后仿真

4.2.4分段电流舵DAC电路的版图及后仿真

5 总结和展望

致谢

参考文献