CMOS圖像傳感器集成A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)的研究

　　目前用于象素級的A/D轉(zhuǎn)換器主要有Fowler[4]提出的過采樣Sigma-Delta結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器和Yang提出的MultiCChannelCBitCSerial(MCBS)結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器.

2.3.1 精簡型過采樣Sigma Delta結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器
　　過采樣Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器的特點是模擬部分比例少，精度要求低，（減小了Vdd波動，器件匹配，KT/C噪聲對電路性能的影響)，數(shù)字部分比例大，比較適宜用標準CMOS工藝實現(xiàn)。一階過采樣Sigma-Delta的結(jié)構(gòu)簡單、速度低、精度高，恰好滿足了圖像傳感器對象素級A/D轉(zhuǎn)換器的要求。一階過采樣Sigma-Delta結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器原理如圖7所示。 信息來源:http://tede.cn

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　　輸入信號過采樣后經(jīng)過積分器積分，然后通過量化器反饋回輸入端，同時輸出量化后的數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過梳狀濾波器降頻到Nyquist頻率。

　　Fowler利用Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器得思想對傳統(tǒng)Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器進行改進，精簡了電路，提出的CMOS象素級集成的精簡型Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器電路。
　　它的一個單元采用了四個光電檢測器和一個象素級A/D轉(zhuǎn)換器，并且通過17只管子來實現(xiàn)。工作時，由于感光后光電二極管產(chǎn)生了光電荷，光電荷儲存在光電二極管節(jié)電容中產(chǎn)生了節(jié)點電壓，轉(zhuǎn)換器通過被復(fù)選器選中一個光電二極管，被選光電二極管的節(jié)電壓通過受時鐘控制比較器被量化。
　　該設(shè)計中比較器工作于亞閾值區(qū)以減少功耗和噪聲，增加增益，并且減小D/A轉(zhuǎn)換器中的漏電流。偏置電流也被設(shè)置成能夠夠完成所需要采樣率的足夠小值，。這一位的D/A轉(zhuǎn)換器是通過一個模擬信號移位寄存器來實現(xiàn)。
　　于數(shù)字部分比較復(fù)雜，占用的面積大，F(xiàn)owler只把Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器的模擬部分集成與圖像傳感器芯片中，而把數(shù)字部分放在片外。這種做法縮小了芯片面積，但是過采樣會導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)量巨大，由于數(shù)字部分設(shè)置在片外，這樣對于大尺寸或者高速CMOS圖像傳感器芯片，需要很高的I/O帶寬，所以限制了它的應(yīng)用范圍。
　　2.3.2 MCBS結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器
　　傳統(tǒng)的位并行(bit parallel)和位串行(bit serial)A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)在面積，功耗上的限制無法做為象素級集成的A/D轉(zhuǎn)換器使用。1998年Stanford 大學(xué)的學(xué)者David Yang提出了第一種Nyquist率的MCBS(multi-channel-bit serial) 結(jié)構(gòu)的象素級A/D轉(zhuǎn)換器，它的采樣頻率只有信號頻率的2倍，所以不會有信號輸出數(shù)據(jù)量過大的問題。它由象素單元電路和芯片級電路組成，每一個象素單元采用了一個比較器和一個鎖存器構(gòu)成。而所有象素單元共用一個有限狀態(tài)機電路和一個M位的DAC電路。 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　轉(zhuǎn)換原理是通過研究編碼表找出各位的規(guī)律，以對一個在0～1之間的輸入信號進行3位的GRAY碼為例，判斷MSB位只需將輸入信號與1/2進行比較，判斷LSB位需要將信號與1/8,3/8,5/8,7/8進行比較。這種比較在并行結(jié)構(gòu)A/D里是以同時比較的方式實現(xiàn)。我們這里通過多時鐘實現(xiàn)對各位的串行比較。
　　通過有限狀態(tài)機提供的一個臺階上升的RAMP信號與輸入模擬信號經(jīng)過多時鐘周期的串行多位比較，3位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，求出最高位需要一個時鐘周期，求出次高位需要二個時鐘周期，最低位需要四個時鐘周期，各位的結(jié)果送入由有限狀態(tài)機提供的BITX信號控制的鎖存器并串行輸出。MCBS結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器通過多周期的復(fù)用技術(shù)來來模擬全并行A/D轉(zhuǎn)換器中的電阻分壓與輸入模擬信號的多位的并行比較，從而極大減小了A/D轉(zhuǎn)換器面積，并且可以采用穩(wěn)定的簡單電路來實現(xiàn)。
　　Yang的MCSB結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器使用了18個晶體管。

　　3.展望

　　SOC技術(shù)的發(fā)展使CMOS圖像傳感器在集成度高上的優(yōu)越性上越來越體現(xiàn)出來，而集成A/D轉(zhuǎn)換器是CMOS圖像傳感器的中核心部件，世界各國科研工作者很早就開始了這一領(lǐng)域的研究工作。美國的Stanford大學(xué)早在上世紀90年代初就開始了該領(lǐng)域的研究并且在象素級A/D轉(zhuǎn)換器方面取得了豐碩的成果。我們中國科學(xué)院微電子研究所雖然起步比較晚，但通過不懈的努力，已在列級和芯片級A/D轉(zhuǎn)換器方面取得了一定的研究成果。目前，該領(lǐng)域主要有以下幾個研究方向。
　　3.1低電壓
　　集成電路設(shè)計已經(jīng)進入深亞微米時代，最小線寬從0.25 到0.18 到現(xiàn)在的0.13 ，供電電壓也降低到2.5V，1.3V，甚至1V以下，這給數(shù)字電路的設(shè)計帶來了很大幫助，低電壓意味著低功耗，但這對于模擬電路設(shè)計卻是很大的挑戰(zhàn)。如何保持低電壓下，讓A/D轉(zhuǎn)換器正常的工作，提高模擬信號的動態(tài)范圍和信噪比，已經(jīng)成為今后研究的熱點問題。
　　3.2低功耗
　　主要用在便攜設(shè)備上的圖像傳感器芯片對芯片的功耗的要求尤其苛刻，象素級和列級集成的A/D轉(zhuǎn)換器的功耗大小將會大大影響到整個芯片的功耗。所以如何更好的控制A/D轉(zhuǎn)換器的功耗，降低整個系統(tǒng)的功耗，從而延長便攜視頻系統(tǒng)的電池使用時間，是模擬集成電路設(shè)計者所需要考慮的主要問題之一。

3.3提高轉(zhuǎn)換精度和速度
　　新一代視頻技術(shù)和3D視頻技術(shù)的提出，對視頻的畫面質(zhì)量有了更高的要求，而A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和速度影響視頻畫面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。視頻播放的幀數(shù)受制于轉(zhuǎn)換速度，而視頻的畫質(zhì)則受轉(zhuǎn)換精度的影響。如何開發(fā)出高速高精度的圖像傳感器用A/D轉(zhuǎn)換器，從而滿足不斷增長的高畫質(zhì)數(shù)字視頻的要求，也成為當今一個迫切需要解決的問題。