用于线阵CMOS图像传感器的高速大动态范围读出及量化电路设计

摘要

线阵CMOS图像传感器是通过在某个方向或者所有方向上扫描目标物体来获取连续的图像,它们通常应用于工业监测、空间拍摄、卫星成像等领域。为了提高扫描效率或获取更精确的探测结果,越来越多的应用需要使用高行频的CIS来满足高速探测需求或者对快速移动的物体进行实时监测,这对传感器的读出和量化电路的读出速率提出了很高的要求。除此之外,目标场景中可能会包含高亮度和低亮度两种物体,这些目标物体的动态范围跨度通常超过90 dB。然而,传统读出电路的动态范围大约在60~70dB。为了实现对目标场景的准确还原,需要线阵传感器的动态范围也达到90dB以上。因此,本文对应用于线阵CIS的高速、大动态范围读出及量化电路进行研究与设计。
　　本文提出了一种用于高速线阵CMOS图像传感器的动态范围增强读出技术和基于两步时间数字转换高速量化技术。动态范围增强读出电路基于电容跨阻反馈放大器结构,通过多积分电容、自调整等机制根据信号强度实时调整积分灵敏度,从而实现大动态范围的探测。列级ADC采用基于两步时间-数字转换器的结构来提高转换速率。模拟信号先通过模拟-时间转换器转换为时间信息,时间信息再通过粗量化和细量化两个阶段在时间-数字转换器中转换为数字信号。针对粗细量化之间存在的延时误差,提出了一种误差校正方案,可以对由粗细量化传播延时不匹配引起的在-Tclk~+Tclk范围内的量化误差进行校正。
　　设计采用0.13μm CMOS工艺,完成了32×1像素阵列版图设计。电路中的模拟部分和数字部分分别由3.3V和1.5V电压供电,每列功耗为693μW。通过结构设计和版图优化,后仿结果表明,读出电路动态范围达到99.02 dB;在2 MS/s的转换速率下,ADC校正前的SNDR和SFDR是46.18 dB和64.17 dB,而经过校正后,其SNDR和SFDR被提升到了60.22 dB和70.18 dB,有效位数达到9.71位;电路的INL和DNL在校正前分别为+1.78/-15.76 LSB和+15.90/-15.36 LSB,而经过校正后,其INL和DNL提升到了+0.25/-0.51 LSB和+0.31/-0.11 LSB。综上,本文提出的高速、大动态范围读出及量化电路不仅能够满足90dB以上的动态范围需求,还能够实现高速高精度的量化。

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第一章 绪论

1.1 CMOS图像传感器概述

1.2 CIS读出量化电路的功能及国内外研究进展

1.3 选题的目的和意义

1.4 本文的内容安排

第二章 用于线阵CMOS图像传感器读出电路的研究

2.1 读出单元结构

2.2动态范围扩展技术

2.3适用于线阵CIS中的常用列级ADC

2.4适用于列级ADC的TDC结构分析

2.5基于TDC技术的列级ADC架构与原理

2.6本章小结

第三章 高速大动态范围读出电路的设计

3.1线阵图像传感器架构

3.2电容反馈跨导放大器(CTIA)

3.3读出电路实现

3.4基于两步TDC的列级ADC设计

3.5延时误差及其校正

3.6本章小结

第四章 版图设计与仿真分析

4.1版图设计

4.2仿真分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢