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用于CMOS图像传感器的像素级模/数转换器的研究

王亚杰  
【摘要】: 近十几年, CMOS集成技术的提高使得CMOS图像传感器成为视频领域的主要产品。目前数字图像传感器成为发展的主要方向,它的核心发明是在图像传感器的每一个像素点上包含了一个模/数转换器(ADC),这些ADC在捕获的瞬间立即将每个像素点上的光信号转换成一个数字值,从而可将阵列上的信号退化和串扰降到最小,可使图像传感器得到更高的图像质量和更大的降低系统成本和功耗。本文所设计的像素级ADC正是开发一种数字化的像素,它是国家自然科学基金项目“基于深亚微米工艺大动态范围、千万像素CMOS图像传感器关键技术研究”的重点工作。具体的研究工作及创新点如下: (1)采用了一种简单结构的多通道位串行(MCBS)ADC。传统的字节并行ADC每个像素需要m-bit锁存器,会占用很大面积。而本设计采用每四个像素共用一个比较器/锁存器对,所有像素共用一个斜坡发生器和数字控制来实现,从而满足图像传感器填充因子指标的要求。 (2)ADC采用Nyquist速率转换代替过采样,所有像素并行工作,转换一次所有像素模块同时输出一个字节,比较器/锁存器对只需工作在非常低的速度下,以简单的结构来实现。 (3)ADC通过直接积分实现来代替连续采样,使图像传感器的弱光表现达到模拟CMOS传感器的水平,每次转换后复位光电二极管,滞后现象被消除。 (4)设计了高增益、低功耗的比较器,以工作在亚阈值区、共源共栅输出的两级放大器来实现,从而满足了像素级ADC的高精度、低功耗的要求。(5)以简单结构实现高精度的斜坡发生器,且步长可调,从而使ADC可方 便的执行可变步骤尺寸的量化。 基于Chart 0.35微米双栅4层金属N阱CMOS工艺,最终设计结果为:ADC的分辨率为8位,转换时间约2.08ms,采样频率3.84kS/s,信噪比约50dB;每四个像素共用一个ADC,平均每个像素有包含4.5个晶体管(四个像素共18个晶体管),一个像素面积约为121.48 um2;填充因子达25.36%;在3.3V电源下,一个像素子模块(4个像素连同比较器/锁存器对)的功耗不超过1uW。


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