用于線陣CMOS圖像傳感器的高速大動態(tài)范圍讀出及量化電路設計.pdf

1、用于線陣用于線陣CMOS圖像傳感器的圖像傳感器的高速大高速大動態(tài)范圍動態(tài)范圍讀出及量化電路設計讀出及量化電路設計DesignofwideDynamicRangeReadoutCircuitfHighSpeedLinearCMOSImageSenss領域：集成電路工程作者姓名：楊聰杰指導教師：姚素英教授企業(yè)導師：張國輝高工天津大學電子信息工程學院二零一五年十二月摘要線陣CMOS圖像傳感器是通過在某個方向或者所有方向上掃描目標物體來獲取連續(xù)

2、的圖像，它們通常應用于工業(yè)監(jiān)測、空間拍攝、衛(wèi)星成像等領域。為了提高掃描效率或獲取更精確的探測結果，越來越多的應用需要使用高行頻的CIS來滿足高速探測需求或者對快速移動的物體進行實時監(jiān)測，這對傳感器的讀出和量化電路的讀出速率提出了很高的要求。除此之外，目標場景中可能會包含高亮度和低亮度兩種物體，這些目標物體的動態(tài)范圍跨度通常超過90dB。然而，傳統(tǒng)讀出電路的動態(tài)范圍大約在60~70dB。為了實現(xiàn)對目標場景的準確還原，需要線陣傳感器的動態(tài)范

3、圍也達到90dB以上。因此，本文對應用于線陣CIS的高速、大動態(tài)范圍讀出及量化電路進行研究與設計。本文提出了一種用于高速線陣CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍增強讀出技術和基于兩步時間數(shù)字轉換高速量化技術。動態(tài)范圍增強讀出電路基于電容跨阻反饋放大器結構，通過多積分電容、自調整等機制根據(jù)信號強度實時調整積分靈敏度，從而實現(xiàn)大動態(tài)范圍的探測。列級ADC采用基于兩步時間數(shù)字轉換器的結構來提高轉換速率。模擬信號先通過模擬時間轉換器轉換為時間信息，時間

4、信息再通過粗量化和細量化兩個階段在時間數(shù)字轉換器中轉換為數(shù)字信號。針對粗細量化之間存在的延時誤差，提出了一種誤差校正方案，可以對由粗細量化傳播延時不匹配引起的在?Tclk~Tclk范圍內的量化誤差進行校正。設計采用0.13μmCMOS工藝，完成了321像素陣列版圖設計。電路中的模擬部分和數(shù)字部分分別由3.3V和1.5V電壓供電，每列功耗為693μW。通過結構設計和版圖優(yōu)化，后仿結果表明，讀出電路動態(tài)范圍達到99.02dB；在2MSs的轉

5、換速率下，ADC校正前的SNDR和SFDR是46.18dB和64.17dB，而經過校正后，其SNDR和SFDR被提升到了60.22dB和70.18dB，有效位數(shù)達到9.71位；電路的INL和DNL在校正前分別為1.78?15.76LSB和15.90?15.36LSB，而經過校正后，其INL和DNL提升到了0.25?0.51LSB和0.31?0.11LSB。綜上，本文提出的高速、大動態(tài)范圍讀出及量化電路不僅能夠滿足90dB以上的動態(tài)范圍需