用于線陣CMOS圖像傳感器的高速大動(dòng)態(tài)范圍讀出及量化電路設(shè)計(jì).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(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍讀出及量化電路設(shè)計(jì)讀出及量化電路設(shè)計(jì)DesignofwideDynamicRangeReadoutCircuitfHighSpeedLinearCMOSImageSenss領(lǐng)域：集成電路工程作者姓名：楊聰杰指導(dǎo)教師：姚素英教授企業(yè)導(dǎo)師：張國(guó)輝高工天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院二零一五年十二月摘要線陣CMOS圖像傳感器是通過(guò)在某個(gè)方向或者所有方向上掃描目標(biāo)物體來(lái)獲取連續(xù)

2、的圖像，它們通常應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測(cè)、空間拍攝、衛(wèi)星成像等領(lǐng)域。為了提高掃描效率或獲取更精確的探測(cè)結(jié)果，越來(lái)越多的應(yīng)用需要使用高行頻的CIS來(lái)滿足高速探測(cè)需求或者對(duì)快速移動(dòng)的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這對(duì)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(biāo)場(chǎng)景中可能會(huì)包含高亮度和低亮度兩種物體，這些目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)范圍跨度通常超過(guò)90dB。然而，傳統(tǒng)讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍大約在60~70dB。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的準(zhǔn)確還原，需要線陣傳感器的動(dòng)態(tài)范

3、圍也達(dá)到90dB以上。因此，本文對(duì)應(yīng)用于線陣CIS的高速、大動(dòng)態(tài)范圍讀出及量化電路進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。本文提出了一種用于高速線陣CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)讀出技術(shù)和基于兩步時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換高速量化技術(shù)。動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)讀出電路基于電容跨阻反饋放大器結(jié)構(gòu)，通過(guò)多積分電容、自調(diào)整等機(jī)制根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)整積分靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的探測(cè)。列級(jí)ADC采用基于兩步時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)來(lái)提高轉(zhuǎn)換速率。模擬信號(hào)先通過(guò)模擬時(shí)間轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為時(shí)間信息，時(shí)間

4、信息再通過(guò)粗量化和細(xì)量化兩個(gè)階段在時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。針對(duì)粗細(xì)量化之間存在的延時(shí)誤差，提出了一種誤差校正方案，可以對(duì)由粗細(xì)量化傳播延時(shí)不匹配引起的在?Tclk~Tclk范圍內(nèi)的量化誤差進(jìn)行校正。設(shè)計(jì)采用0.13μmCMOS工藝，完成了321像素陣列版圖設(shè)計(jì)。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(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和版圖優(yōu)化，后仿結(jié)果表明，讀出電路動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到99.02dB；在2MSs的轉(zhuǎn)

5、換速率下，ADC校正前的SNDR和SFDR是46.18dB和64.17dB，而經(jīng)過(guò)校正后，其SNDR和SFDR被提升到了60.22dB和70.18dB，有效位數(shù)達(dá)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(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)范圍讀出及量化電路不僅能夠滿足90dB以上的動(dòng)態(tài)范圍需