一種基于電荷泵的CMOS圖像傳感器
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像素單元的重置脈沖信號(hào)Vreset_p由外圍電路產(chǎn)生，它的幅值是電源電壓Vdd，為使這個(gè)高電平升高為電荷泵的輸出電壓，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，如圖3(a)所示。Vreset_c是由外圍電路產(chǎn)生的普通的重置脈沖信號(hào)，它經(jīng)過兩個(gè)反相器將幅值提高至Vout_c，兩個(gè)反相器的電源電壓由Vout_c代替。M5，D1和C1的使用是為了正確地控制M1。當(dāng)Vreset_c是低電平時(shí)，M2截止，M5導(dǎo)通，電源電壓對(duì)C1充電至VC由于D1的正向電壓，VC=Vdd-Vdd，由于VCVout_c-Vthp，因此M1導(dǎo)通，VN=Vout_c；當(dāng)Vreset_c是高電平時(shí)，M2導(dǎo)通，由于電容C1的電荷保持特性，此時(shí)VC=2Vdd-V1，這個(gè)電壓超過Vout_c，M1截止，因此VN1降為低電壓。這個(gè)時(shí)候因?yàn)镈1的單向性，電容C1的電荷不經(jīng)過M5回流，保持VC的不變。這樣節(jié)點(diǎn)N1上產(chǎn)生了與Vreset_c反相的波形，再經(jīng)過M3和M4組成的反相器的反相，輸出Vreset_p與Vreset_c同相。但幅值已被提高。圖3(b)是信號(hào)的波形示意圖。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/188515.htm
3 仿 真
這里提出的電路使用TSMC的0．35 μm Mixed Mode模型庫仿真，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。
圖4中顯示的是對(duì)像素單元中的源極跟隨器的仿真結(jié)果．由等式(4)可知，源極跟隨器的柵源電壓Vgs2與寬度W的方根成反比，如圖4(a)所示，與偏置電流Ibins的方根成正比。同時(shí)調(diào)整源極跟隨器的寬度和偏置電流可以降低充電節(jié)點(diǎn)電壓的擺動(dòng)范圍下界。在本電路中，寬度由1．5 μm調(diào)整至3 μm，偏置電流有10 μA調(diào)整至5 μA，Vgs2可減小大約80 mV，有效地拓展了充電節(jié)點(diǎn)電壓擺動(dòng)范圍下界。
圖5是對(duì)像素單元中充電節(jié)點(diǎn)電壓VN的掃描結(jié)果，對(duì)于重置開關(guān)柵極電壓Vg1的不同值，VN的瞬態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)出不同的特性。從圖5中可以明顯看出，隨著Vg1的升高，VN的最終值也隨之升高，同時(shí)VN達(dá)到最終值的時(shí)間也隨之逐漸縮短。在傳統(tǒng)的像素單元中，充電周期的Vg1是3．3 V，它可使VN的最終值達(dá)到2．546 V，VN達(dá)到2．5 V時(shí)需要大約4μs的時(shí)間；而當(dāng)Vg1為5．8 v時(shí)，VN的最終值可以達(dá)到3．3 V，而它達(dá)到最終值只需時(shí)6．7 ns，可以將充電周期設(shè)為10 ns。在這種情況下，充電周期相比于傳統(tǒng)像素的充電周期大大縮短，從而可以提高傳感器的幀率。
4 結(jié) 語
提出一種基于電荷泵電路的CMOS圖像傳感器，通過提高重置脈沖信號(hào)的幅值，以及調(diào)整源極跟隨器的參數(shù)，可以有效地提高充電節(jié)點(diǎn)電壓的擺幅。在充電周期提高重置開關(guān)的柵極電壓也減小了充電時(shí)間常數(shù)，縮短了充電周期，從而提高了圖像采集的幀率。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這種方案的可行性。
評(píng)論