元器件应用中的基于CMOS图像传感器中DPGA的电容阵列优化研究

摘要:结合用于CMOS图像传感器中的低噪声DPGA 的性能特点,提出了一种优化电容阵列拓扑结构的方法,讨论了此种结构下由寄生电容引入的时钟馈通和电荷分配效应, 并给出了仿真结果和按照0.35μm CMOS工艺进行流片的版图。测试结果表明,采用改进的电容阵列结构能把采样电容引入的噪声斜率从原来的0.15降低到0.01 。 　　关键词:CMOS ;图像传感器;DPGA ;电容优化 　　随着人们对便携式电子产品的需求逐渐增加,CMOS图像传感器的应用越来越广泛。在CMOS图像传感器芯片中,需要一个可以根据光强变化来处理不同亮暗信号的可编程增益放大器(DPGA) ,它可以扩展整个系统的动态范围。通常, 在本文中，我们探讨了CMOS图像传感器中用于低噪声信号处理的可编程增益放大器（DPGA）的电容阵列优化研究。DPGA在CMOS图像传感器中的作用至关重要，因为它能够根据光强度的变化调整增益，从而扩展系统的动态范围。然而，随着便携式电子设备对高精度和高速度的需求增加，DPGA的设计面临诸多挑战。 传统的DPGA设计常常采用开关电容结构来控制增益，但这种设计可能导致电路速度和精度的折衷。尤其是在高速高精度的系统中，DPGA的步进增益精度直接影响其性能。目前，多数DPGA通过改变反馈电容或采样电容来控制增益，但这可能导致复杂的开关电容阵列，进而影响工作速度和系统的频率响应。 电荷分配效应和时钟馈通是CMOS开关电容电路中的主要噪声源，这些噪声可能导致增益非线性，从而影响输出信号的质量。由于这些效应与输入信号相关，通过简单的双采样自校准技术难以消除。 文章提出了一种优化电容阵列拓扑结构的方法，特别关注了由寄生电容引起的时钟馈通和电荷分配效应。通过仿真和实际流片验证，这种改进的电容阵列结构能显著降低由采样电容引入的噪声斜率，从0.15降低到0.01，提高了信号的纯净度。 DPGA的系统结构包含三级放大器，第一级为固定增益放大器，第二级和第三级则通过数字控制实现不同的增益步进。第二级的电路设计保持反馈电容恒定，以稳定带宽和建立时间。第三级通过16个采样电容实现高增益，通过并联小电容来减少总采样电容，优化高频特性。具体来说，当需要高增益时，多个小电容并联组合，以最小化总采样电容，从而降低噪声和提高效率。 总结起来，本文的研究重点在于通过电容阵列的优化设计，解决DPGA在CMOS图像传感器中的噪声问题，提升图像质量。这种方法不仅减少了噪声斜率，还确保了在大动态范围下的高精度信号处理，对于推动便携式电子设备和图像传感器技术的发展具有重要意义。通过这种方式优化的DPGA能够在满足高速度和高精度要求的同时，有效抑制噪声，提高整体系统性能。