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CMOS图像传感器的四通道扩展计数ADC设计.docx
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CMOS图像传感器的四通道扩展计数ADC设计.docx
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1. 引言
采用列并行读出电路的 CMOS 图像传感器(CMOS Image Sensor, CIS)在高分辨率、高
速度、低噪声等方面具有优势
[1]
.这些特点使得 CMOS 图像传感器被广泛用于工业、安防、
生物医学、科研等领域.在科研领域的应用中,为了实现微弱图像信号的检测,对图像传感
器的性能有更高的要求,通常需要达到极低的噪声水平(<1e
-
)、高动态范围(>80dB)和高
灰度分辨率(>15 位)
[2]
.
常用于列读出电路的模数转换器(ADC)结构有单斜式 ADC、逐次逼近型(SAR)ADC、
循环型 ADC、ΔΣ ADC、增量型 ADC(Incremental ΔΣ ADC)以及扩展计数 ADC 等.其中,单
斜式 ADC 的转换速度慢,通常需要 2
n
个时钟周期来得到 n 位分辨率的转换结果,不适合
高速高精度图像传感器应用.高精度的 SAR ADC 由于需要大电容提高匹配性,不适合面积
敏感的图像传感器列读出电路应用.
增量型 ADC,也被称作增量型 ΔΣ ADC 或折叠积分(Folding Integration, FI)ADC
[3]
,在
转换时会对输入信号做多次的采样,即相关多采样技术(CMS).相关多采样技术在较高的多
采样次数下,能使 CMOS 图像传感器能够获得极低的噪声水平(<1e
-
),与相关双采样技术
(CDS)相比,能更好的满足科研领域图像传感器中低噪声读出电路的设计需求
[4]
.但一阶增量
型 ADC 在实现高分辨率时需要很高的采样次数,导致转换速度低,因此,通常在中低分
辨率增量型 ADC 之后,增加循环型 ADC、SAR ADC 等奈奎斯特率 ADC 作为第二级,组
成具有多级结构的扩展计数(Extended Counting, EC)ADC
[5-8]
,以此来扩展 ADC 的分辨率,
减少高分辨所需的采样次数和转换时间.
一种传统单通道扩展计数 ADC 的结构和工作时序如图 1.首先由增量型 ADC 对输入
进行 m 次相关多采样得到 M=log
2
(m)位的高有效位(MSB)和余量电压.然后由循环型 ADC 采
样余量电压,进行低有效位(LSB)的转换.但两级 ADC 均以运算放大器作为主要电路结构,
在图像传感器的读出电路阵列中占用了较大的芯片面积和功耗,限制了扩展计数 ADC 在
小像素、高分辨率图像传感器中的应用.
图 1 传统单通道扩展计数 ADC 电路结构及工作时序
Figure 1. Circuit structure and timing diagram of a conventional single-channelEC ADC
下载: 全尺寸图片 幻灯片
利用硬件复用的方式可以减小面积并提高能效
[9]
.扩展计数 ADC 中第一级增量型和第
二级循环型 ADC 具有类似的硬件电路结构,因此可通过在两级 ADC 间复用同一个运算放
大器实现硬件复用
[3, 6, 10]
,减小电路面积.但是,这种硬件复用的方法无法采用流水线等工作
方式,导致扩展计数 ADC 的转换速率较低.
文献[7]中采用 ADC 级联结构,实现了基于流水线工作方式的扩展计数 ADC 结构,
获得了转换速率的大幅提高,然而第一级增量型 ADC 的相关多采样次数不高,使其无法
满足科研领域对于低噪声和高动态范围的要求.
为了解决传统扩展计数 ADC 占用面积大,在高采样次数下转换速率低的问题,本文
提出了一种四通道扩展计数 ADC 结构,该结构通过在四个增量型 ADC 间复用同一个循环
型 ADC 的流水线方式,节省了列读出电路的面积,在高采样次数下保持较高的转换速
度,满足科研领域图像传感器的设计需求.
2. 四通道扩展计数 ADC 结构设计
本文提出的四通道扩展计数 ADC 结构如图 2(a),通过在扩展计数 ADC 的第一级设
计 4 通道并行的结构,每个通道采用一个增量型 ADC 进行相关多采样,降低噪声.由于第
一级的转换时间通常远长于第二级循环型 ADC(大于 4 倍),因此可以通过复用同一个循环
型 ADC 的流水线方式来提高转换速率,从而减小列读出电路的面积.如图 2(b)所示,增量
型 ADC 之间以固定延时 T
o
作为间隔依次启动工作,4 个增量型 ADC 的余量电压由同一个
循环型 ADC 采样和转换,实现了高效的流水线运行.
图 2 四通道扩展计数 ADC 结构及工作时序
Figure 2. Structure and timing diagram of the 4-channel EC ADC
下载: 全尺寸图片 幻灯片
ADC 性能参数较多,通常采用如式(1)所示
[11]
品质因数(FoM)衡量 ADC 综合性能,综
合考虑了图像传感器读出电路关注的面积、功耗、转换速度以及动态范围等性能参数.
FoM=P×ConvTime×A10∣(DRdB−1.76)∣10[fJ⋅μm2conv.step]FoM=P×ConvTime×A10∣(DRdB−1.76)∣10[fJ⋅μm2conv.step]
(1)
式中,P 为功耗; ConvTime 是 ADC 的转换时间; A 为 ADC 的面积; DR
dB
是 ADC 的动
态范围.越小的品质因数代表了越好的设计,品质因数受到通道个数 n 和多采样次数 m 的影
响,需要通过对结构进行分析以确定扩展计数 ADC 设计中最优的通道个数和相关多采样
次数.
对于 n 列像素的 ADC 读出电路,有 n 列并行传统单通道扩展计数 ADC 和 n 通道扩展
计数 ADC 两种结构,两者性能差异主要体现在转换时间和面积上.以下对两种结构进行分
析和对比.
表 1 给出了 n 列并行单通道结构和 n 通道扩展计数结构的 ADC 参数计算方式,其中
f
1
和 f
2
分别表示 ADC 第一级和第二级的采样率; A
1
和 A
2
分别表示 ADC 第一级和第二级电
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