应用于CMOS图像传感器的可编程增益放大器(PGA)的研究

摘要

近年来,CMOS图像传感器的快速发展,使得动态范围的扩展研究技术已经成为图像传感器的一个重要课题。在CMOS图像传感器中,PGA是扩展系统动态范围的重要电路部件。它可以根据不同图像信号大小,进行不同增益的选取,从而显示更多的图像细节信息,在扩展动态范围上有很大的优势。
　　本文设计的PGA是一个两级流水线结构,系统在4位控制字的变化下,来控制开关电路实现不同增益选取的线性放大。整体电路共16个增益步进,步长为1dB,增益变化范围为0dB~15dB,即l-5.622倍。第一级电路是在低3位数字控制信号下实现8个步进,步长为1dB,放大倍数为1-2.238倍,第二级在高1位数字控制信号下实现8dB步进,放大倍数为1-2.512倍。文中详细分析了PGA的工作原理和线性变化实现方式,确定了PGA各级电路具体实现方案。详细的介绍了PGA的开关电容采样保持电路,并对其电路进行了分析和优化,确定了全差分运算放大器的基本结构,为两级共源共栅电路,并从系统稳定性方面考虑,加入了带零点控制的密勒补偿电路,和共模反馈电路,并采用电流镜技术为运放提供电压偏置。
　　可编程增益放大器是在UMC110nm CMOS工艺下实现的,电源电压为3.3V,采样速率为10M/s,差分输出摆幅为±2V。通过电路级仿真,得到PGA的各级误差都小于1mV,满足0.05％的每级精度要求。而且PGA整体输出误差也都小于2mV,满足0.1%的精度要求。电路的平均功耗为13.8mW。通过版图的设计和后仿真,输出误差也满足我们的设计要求,整体版图面积为380um×300μm。

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1 绪论

1.1 课题研究背景意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文工作和章节安排

2 可编程增益放大器的设计思想和线性实现方法

2.1 可编程增益电路的系统架构

2.2 PGA的基本设计思想

2.3 PGA的线性实现方式

3 基于图像传感器的PGA电路分析与设计

3.1 系统设计的整体考虑

3.2 两级流水线结构

3.3 PGA中采样保持电路的研究

4 PGA中全差分运算放大器的分析和设计

4.1 全差分运算放大器

4.2 共模反馈

4.3 补偿电路的设计

4.4 PGA全差分运放的整体电路

4.5 偏置电路设计

5 PGA电路仿真与版图

5.1 主运放的性能参数仿真

5.2 第一级PGA电路的仿真结果

5.3 第二级PGA电路的仿真结果

5.4 整体PGA电路的仿真结果

5.5 版图及后仿真

6 总结和展望

致谢

参考文献