基于粗细量化并行与TDC混合的CMOS图像传感器列级ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行ADC设计方法.该方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时采用插入式时间差值TDC(Time-to-Digital Converter),实现了全局低频时钟下的快速转换机制.本文基于55-nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压3.3 V,数字电压1.2 V,时钟频率250 MHz,输入电压1.2~2.7 V的情况下,将行时间压缩至825 ns,ADC的微分非线性和积分非线性分别为+0.6/-0.6LSB和+1.6/-1.2LSB,信噪失真比(Signal-to-Noise-and-DistortionRatio,SNDR)为68.271 dB,有效位数(Effective Numbers Of Bits,ENOB)达到11.0489 bit,列不一致性低于0.05%.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,ADC转换速率提高了87.1%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

基于自适应校正技术的拼接型像素阵列一致性驱动方法研究

随着拼接工艺在超大阵列CMOS图像传感器中的应用,传统的时钟树同步设计方法已不再适用于像素阵列的双侧驱动电路中,同一行像素阵列的双侧驱动面临直流穿通和坏行的严重问题。基于片上自适应校正思想提出了一种可应用于拼接型像素阵列的一致性驱动方法。该方法根据芯片工作环境的变化进行自适应实时校正,具有结构简单和可靠性高等特点。基于55 nm工艺,采用所提方法在一款12288×12288的150M像素规模、芯片面积高达77 mm×84 mm的超大阵列CMOS图像传感器中进行了实际应用和全面验证。实验结果表明:在500 MHz的主时钟、125 kHz的行时钟下,双侧行驱动的非一致性由17.5 ns减小至2 ns(一个时钟周期)以内,一致性提高了9倍以上,确保了亿级像素规模的超大面阵图像传感器的帧频达到10帧以上。

面向超大面阵CMOS图像传感器的列总线自加速建立方法研究

在超大面阵CMOS图像传感器(COMS Image Sensor,CIS)中,由于像素面阵输出的列总线上存在超大的寄生电阻电容,列总线信号建立速度的主导因素发生改变,严重影响了读出速度.为了解决这一问题,本文提出了一种可应用于超大面阵CIS列并行读出机制的列总线自加速建立方法,基于电流增益增强理论,在不引入额外总线的前提下,通过对模拟信号建立过程的实时跟踪,加快列总线信号的变化过程,在列总线终端实现了自加速,将超长列总线的读出速度提升了一个数量级. 55 nm工艺下的测试与实验结果显示,采用本文提出的方法后,在亿级像素规模CIS列总线引入的寄生电容与寄生电阻分别为47 pF和20 kΩ的情况下,光电信号从像素节点到列级电路采样节点的上升建立时间由4μs缩短至790 ns,下降建立时间由22.43μs缩短至1.17μs,将亿级像素规模的CMOS图像传感器帧频提升至100帧,压缩了相关双采样的取样间隔时间,从而拓宽了噪声抑制的频率范围.本文方法实现了在保持低噪声和高速读出的同时,单列功耗仅有6.6μW.

面向亿级CMOS图像传感器的高速全并行两步式ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analogue-to-Digital Conversion,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行两步式ADC设计方法,该ADC设计方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时针对两步式结构在采样过程中的电荷注入和时钟馈通问题,提出了一种基于误差同步存储技术的误差校正方法,消除了采样电路非理想因素对ADC性能的影响.本文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压为3.3 V,数字电压为1.2 V,时钟频率为250 MHz,输入信号为1.472 V的设计条件下,本文设计实现的13 bit ADC转换时间为512 ns,DNL(Differential NonLinearity)为+0.8/-0.8LSB,INL(Integral NonLinearity)为+2.1/-3.5LSB.信噪失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SNDR)达到70 dB,有效位数为11.33 bit,列级功耗为47μW.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,使ADC转换速率提高了74.4%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

应用于CMOS图像传感器的高速列级ADC设计

针对CMOS图像传感器的高速化设计提出了一种列级ADC电路,其采用单斜式ADC与TDC结合的方式,通过时钟信号约束比较器输出,在量化的最后一个时钟周期内产生与电压对应的时间差值。利用TDC将该差值转换为相应的数字码并与单斜式ADC的量化结果做差,实现高精度转换的同时显著提高了ADC的量化速度。基于0.18μm CMOS工艺,完成电路的具体设计、版图实现和性能验证。在模拟电压3.3 V、数字电压1.8 V、时钟频率250 MHz、输入信号范围1.5 V的条件下,10 bit ADC的信噪失真比(SNDR)达到55.74 dB,无杂散动态范围SFDR为66.79 dB,有效转换位数达到8.9 bit,DNL不超过0.3 LSB,INL不超过0.6 LSB,列级电路功耗仅为79μW,行读出量化时间压缩至1μs。为大面阵CMOS图像传感器的帧频提升提供了一种有效的ADC设计方案。