面阵CCD图像处理系统中50MSPS低功耗流水线ADC设计

摘要

CCD(Charge coupled Device)图像采集系统具有分辨率高、工作频率高、投入市场快等特点，广泛应用于手机、摄像机等消费电子产品以及工业、医药和军事等高端应用领域。同时CCD图像采集的成功应用也离不开高性能的CCD信号处理芯片，因而本文设计了一款适用于面阵CCD图像采集系统的10位、50MSPS流水线ADC。
　　 采用流水线结构实现CCD图像采集系统的ADC是因为它是各种ADC结构中速度和精度最佳折衷。其流水线结构具有FLASH ADC相比拟的高速，但同等精度下功耗和面积大大减小。CCD图像采集系统的ADC对功耗、精度、速度要求都很高，所以流水线ADC结构是最佳选择。
　　 通过对流水线ADC进行了充分原理分析，研究了每级1.5bit流水线ADC数字纠错算法，在算法研究的基础上采用MATLAB Simulink工具对10位每级1.5bit流水线ADC进行了行为级建模，还通过对ADC行为级模型引入非理想因素研究了非理想特性对于ADC系统性能的影响，指导了在流水线ADC中的设计重点和参数选择。基于对流水线ADC和CCD图像采集系统的的研究，提出了采用低功耗动态比较器和省略输入级采样/保持模块相结合的结构使得高速ADC具有低功耗的优点。
　　 电路设计部分使用了Chartered0.35μm Dual Gate Mixed Signal CMOSProcess，在SUN Soliar平台下采用Cadence公司集成电路开发套件IC510中的Artist和Spectre软件分别完成电路图的设计和仿真。基于同样平台下采用LayoutXL和CALIBRE工具完成了版图设计和验证。本流水线ADC的模拟信号输入范围为-1V～1V，分辨率为10位，采样速率达50MHz。通过仿真证明该流水线ADC的性能指标达到了CCD图像采集系统使用要求。
　　 本文设计的流水线ADC于09年9月参加了新加坡Chartered公司MPW(Multi Proj ect Wafer)流片，完成流片加工后的芯片裸片通过无锡中国电子科技集团第五十八所的CPGA132引脚的封装形式来完成测试芯片的封装。使用Altium Designer完成了ADC测试电路的PCB板设计以便完成ADC芯片性能测试。