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(shè)計.pdf_第1頁
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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(shè)計讀出及量化電路設(shè)計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圖像傳感器是通過在某個方向或者所有方向上掃描目標(biāo)物體來獲取連續(xù)

2、的圖像,它們通常應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測、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結(jié)果,越來越多的應(yīng)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(jìn)行實(shí)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(biāo)場景中可能會包含高亮度和低亮度兩種物體,這些目標(biāo)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(shí)現(xiàn)對目標(biāo)場景的準(zhǔn)確還原,需要線陣傳感器的動態(tài)范

3、圍也達(dá)到90dB以上。因此,本文對應(yīng)用于線陣CIS的高速、大動態(tài)范圍讀出及量化電路進(jìn)行研究與設(shè)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(qiáng)讀出技術(shù)和基于兩步時間數(shù)字轉(zhuǎn)換高速量化技術(shù)。動態(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),通過多積分電容、自調(diào)整等機(jī)制根據(jù)信號強(qiáng)度實(shí)時調(diào)整積分靈敏度,從而實(shí)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(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)來提高轉(zhuǎn)換速率。模擬信號先通過模擬時間轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為時間信息,時間

4、信息再通過粗量化和細(xì)量化兩個階段在時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。針對粗細(xì)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(xì)量化傳播延時不匹配引起的在?Tclk~Tclk范圍內(nèi)的量化誤差進(jìn)行校正。設(shè)計采用0.13μmCMOS工藝,完成了321像素陣列版圖設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計和版圖優(yōu)化,后仿結(jié)果表明,讀出電路動態(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

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