CMOS图像传感器系统中的列并行高速ADC的研究设计

摘要

在当今时代，信息爆炸，人们对信息的渴望是随时随地的。因此随着科学技术的不断进步，便携式数码产品以其体积小，功耗低，易于携带等优点拥有着当前以及未来广阔的市场。在视频技术领域，CMOS图像传感器以其具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与像素采集阵列集成在一个芯片上等优点，正在逐步成为传统的CCD图像传感器的替代品。CMOS图像传感器的未来发展方向是大动态范围、高分辨率、高灵敏度、微型化和多功能化。这就给CMOS图像传感器系统的设计提出了更高的要求，特别是随着工艺水平的不断提高，尺寸的不断缩小，模拟电路设计所面临的挑战就越来越大。模数转换器是模拟世界和数字世界的接口，是模拟电路设计中重要的部分。因此找到适合于CMOS图像传感器系统的模数转换器显得尤为重要。 本文主要从CMOS图像传感器系统对模数转换器的需求出发，论述了列并行处理结构的模数转换器的特点和应用以及设计方法。考虑到列并行处理结构在数据处理速度上的优势，模数转换器的精度和数据吞吐量就成为了设计的主要考虑因素。本文中分别介绍了两种列并行结构的模数转换器：Single-slope ADC和Cyclic ADC，系统阐述了两种ADC设计中的关键问题。对于Single-slope ADC的功能结构，斜坡发生器的实现方式及设计方法，比较器的失调，滤波器的选择和读出电路都做了比较详尽的论述；对于Cyclic ADC的理论说明，结构选择，电路实现都做了比较详细的描述，特别是提出了一种CMOS图像传感器的重要噪声——列FPN的消除方法，在很大程度上减少了列FPN噪声对图像质量的严重干扰，有着比较好的实际效果。 该设计是基于0.18um工艺的基础上，通过仿真验证。Single-slope ADC在50MS/s的数据吞吐量下，实现了10 bit的高精度和仅有10mW左右的低功耗。Cyclic ADC同样实现了10 bit的精度要求，并且在速度上比Single-slope ADC有了很大的提高，完成一次AD转换只需要2us的时间，这样使得图像传感器的帧频几乎是采用Single-slope ADC结构的图像传感器的6倍，而只消耗0.5mW左右的功耗，给图像传感器性能的进一步提高创造了可能。总之两种ADC各自有着自身的特点和应用环境，是两种重要的列并行模数转换器。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 CMOS图像传感器简介

1.2选题的目的和意义

第二章模数转换器基本知识和其在CIS中的应用

2.1模数转换器简介

2.2模数转换器的基本特性

2.2.1模数转换器的静态指标

2.2.2模数转换器的动态指标

2.3 ADC在CMOS图像传感器中的应用

第三章列并行Single-slope模数转换器设计

3.1引言

3.2列并行Single-slope ADC的结构和基本原理

3.3斜坡发生器(DAC)模块设计

3.3.1电容阵列实现斜坡发生器

3.3.2电容阵列斜坡发生器电路设计

3.3.3积分器结构的斜坡发生器设计

3.3.4两种斜坡发生器结构的比较

3.3.5偏置电路设计

3.3.6低通滤波器设计

3.4比较器设计

3.5读出电路设计

3.5.1脉冲触发电路

3.5.2输出寄存器

3.5.3多路选择器(MUX)

3.6小结

第四章列并行Cyclic模数转换器设计

4.1引言

4.2 Cyclic模数转换器简述

4.3 CMOS图像传感器中的Cyclic ADC设计

4.3.1 CMOS图像传感器中的Cyclic ADC的结构

4.3.2 CMOS图像传感器中的Cyclic ADC的工作原理

4.3.3 Cyclic ADC中RSD的编码方式

4.4 CMOS图像传感器中列FPN的消除

4.5消除列FPN的Cyclic ADC电路设计

4.5.1主放大器模块

4.5.2 sub-ADC模块

4.5.3输出逻辑模块

4.6小结

第五章列并行ADC的仿真结果及版图

5.1 Single-slope ADC仿真结果分析

5.1.1电容阵列结构的斜坡发生器的仿真

5.1.2积分器结构的斜坡发生器仿真

5.1.3比较器的仿真

5.1.4 Single-slope ADC整体性能分析

5.1.5版图设计

5.2 Cyclic-ADC仿真结果分析

5.2.1主放大器模块

5.2.2 Sub-ADC模块

5.2.3 Cyclic ADC整体性能分析

总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

附 录

致 谢