高性能圖像傳感器的供電

CMOS 圖像傳感器的電源布局會(huì)顯著影響分辨率、幀率等性能。本文討論針對(duì)此應(yīng)用設(shè)計(jì)電源方案時(shí)的重要考量。

CMOS 圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

典型的 CMOS 成像系統(tǒng)包含有源像素顏色陣列、模擬信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和用于控制接口、時(shí)序和數(shù)據(jù)讀取的數(shù)字部分。陣列的填充因數(shù)是感光部分相對(duì)于傳感器總尺寸的百分比。光電探測(cè)器是一種光敏傳感器，用于捕獲可見(jiàn)光子并將其轉(zhuǎn)換為電流（毫微微安級(jí)）。分辨率用于量化 CMOS 圖像傳感器中的總像素陣列數(shù)，例如，200 萬(wàn)像素傳感器陣列是 1600 列和 1200 行。但是，陣列中的像素并非都是有源的（可用于光檢測(cè)），其中有些（在光學(xué)上是黑色的）像素用于黑電平和噪聲校正。

圖1 典型的 CMOS 圖像傳感器模塊

現(xiàn)有多種不同的像素晶體管設(shè)計(jì)，包括三晶體管 (3T)、四晶體管 (4T) 和五晶體管 (5T) 版本。在 4T 布局中，光電二極管將接收到的可見(jiàn)光子轉(zhuǎn)換為電荷。每個(gè)電壓一次讀取一行并放入柱狀電容器 (C) 中。然后使用解碼器和多路復(fù)用器進(jìn)行讀取。

圖2 四晶體管像素設(shè)計(jì)

幀率用于量化圖像處理陣列捕捉完整圖像的速度，一般為 30-120 fps。幀率受快門速度影響，后者控制圖像傳感器收集光線的時(shí)間。可編程時(shí)間間隔，也稱為“暗期”，在讀取最后一行之后執(zhí)行其他任務(wù)時(shí)，此間隔也會(huì)影響幀率，約為讀取速率的 75%。幀是按順序逐行讀取的；最后，緩沖器將整個(gè)幀存儲(chǔ)為完整圖像。

電源設(shè)計(jì)考量

CMOS 圖像傳感器一般使用三個(gè)不同的供電軌，分別是模擬供電軌 (2.8 V AVDD)、接口供電軌（1.8 或 2.8 V DOVDD）和數(shù)字供電軌（1.2 或 1.8 V DVDD）。低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器的輸入引腳上有一個(gè)大旁路電容，可以穩(wěn)定電源，幫助減少電壓波動(dòng)，從而改善圖像傳感器的噪聲性能。電源抑制比 (PSRR) 衡量 LDO 抑制電源紋波引起的輸入電壓變化，或者阻斷由其他開關(guān)穩(wěn)壓器導(dǎo)致的噪聲的能力。具有低 PSRR 的 LDO 可能導(dǎo)致捕獲的圖像中出現(xiàn)不必要的水平紋波。在針對(duì)此應(yīng)用設(shè)計(jì)具有足夠高 PSRR 的 LDO 之前，可計(jì)算給定幀率所需的傳感器行頻。

圖3 正在進(jìn)行穩(wěn)壓的LDO

LDO 內(nèi)部的反饋環(huán)路基本決定了工作頻率低于 100 kHz 的系統(tǒng)的 PSRR。對(duì)于更高頻率（高于 100 kHz）應(yīng)用，仍取決于無(wú)源組件和 PCB 布局。因此，謹(jǐn)慎的 PCB 設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)緊湊的電流環(huán)路，并降低寄生電感。普通 LDO 在高頻率下 PSRR 較低。雖然這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)攝像頭來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但更高分辨率 (50?200 MP) 和高幀率的圖像傳感器要求 LDO 在更低頻率（最高 10 kHz）下的 PSRR 高于 90 dB，在更高頻率 (1?3 MHz) 下高于 45 dB。

設(shè)計(jì)技巧

幀率 (30?120 fps) 和行速率 (22?44 kHz) 會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)載，在模擬供電軌上引起下沖和過(guò)沖。在每次幀或行轉(zhuǎn)換時(shí)，獲取的電流類似于階躍負(fù)載，意味著在每次讀取幀和行（或之間）時(shí)，LDO 必須能夠處理數(shù)百毫安級(jí)的負(fù)載變化。大容量電容（在行和幀頻率下具有低阻抗）可以幫助攝像頭去耦，以減少這種負(fù)載切換引起的紋波。

圖像傳感器的每個(gè)像素都有電荷飽和水平（或最大阱容），這是在達(dá)到飽和之前像素能留存的電荷量（以電子為單位）。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍（以 dB 表示）是能同時(shí)捕獲的圖像最亮和最暗部分的比率。LDO 輸出端的低頻譜噪聲密度（在 10 Hz 至 1 Mhz 之間）也有助于減少傳輸至 CMOS 圖像傳感器的噪聲量，使像素實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。最后，總體紋波和噪聲應(yīng)至少低于傳感器的噪聲閾值 40 dB，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常表示為信噪比 (SNR)。