彩色SXGA數(shù)字圖像傳感器

Motorola公司的MCM20027彩色SXGA數(shù)字圖像傳感器是固態(tài)有源CMOS圖像傳感器(ACITM),它在單一芯片上集成有完整的模擬圖像采集、模/數(shù)轉換和數(shù)字信號處理系統(tǒng)的功能,實現(xiàn)真正的“片上相機”(“ camera on a chip”)。MCM20027簡化和詳細框圖示于圖1和圖2。圖像傳感器由1280×1024有源元件的格式像素陣列組成。圖像的大小是完全可編程的,由用戶確定所需視窗。像素的間距為6.0μm。像素所采用的光電二極管結構具有高靈敏度和低噪聲的特點。標準微透鏡進一步提高了靈敏度。傳感器為彩色輸出或做為單色圖像傳感器提供Bayer圖形彩色濾光片陣列(CFA)。

集成的定時和編程控制使視頻或靜止圖像捕護模式支持連續(xù)掃描模式。幀速率是可編程的,而且保持主時鐘頻率恒定。用戶可編程的行和列起始停止。使視窗可達最小1×1像素視窗。多像素增量中的二次取樣也可執(zhí)行視窗操作以便數(shù)字圖像放大。

像素陣列的模擬視頻輸出由片上的模擬信號處理流水線進行處理。相關雙取樣(CDS)能去掉傳感器復位噪聲而不需要在每個有效視頻幀捕獲和減去復位幀。幀速率箝位(FRC)使能實時光黑電平校準和補償校正?？删幊棠M增益由曝光或總增益構成,以把信號強度變化映射到ADC輸入范圍內,而白色補償執(zhí)行模擬范圍的白色補償。ASP(模擬信號處理)信號鏈路包括:列運放(1.5×固定增益);列DOVA(1.5× 固定增益);白色補償PGA(0.88-2.82x);G10bal PGA(0.67×-5.92x);G10bal DOVA(2.0×固定增益)。這些數(shù)字可編程放大器(DPGA)提供自動白色補償(AWB)及總增益調節(jié)的實時彩色增益校正,可在每列和全程進行補償校準。存儲在片上寄存器中的值可用于每列補償校正。10位冗余符號數(shù)(RSD)ADC變換模擬數(shù)據(jù)為10位數(shù)字字流。全差分模擬信號處理流水線用以改進抗噪聲度、信噪比和系統(tǒng)動態(tài)范圍。

傳感器用工業(yè)標準2線I2C兼容串行接口。它工作在單3.3V電源,不需要另外的偏置,只需要單個主時鐘(工作頻率高達13.5MHz)。此傳感器是48引腳陶瓷LCC封裝。

MCM20027的設計考慮到標準視頻編碼器的接口要求。除10位 Bayer編碼數(shù)據(jù)流外，傳感器輸出有效的幀、行和編碼所需的像素同步信號。傳感器具有與各種商用視頻圖像處理器的接口,為不同標準視頻格式提供編碼。

MCM20027是一種精巧和特別靈活的單片解決方案,它簡化了圖像感測,處理、數(shù)字變換和數(shù)字信號處理的系統(tǒng)設計任務,不愧是一款高性能、低成本、低功率IC。

MCM20027圖像傳感器的圖像感測和捕獲結構如下。

傳感器接口

像素結構

MCM20027傳感器由1280×1024有源像素陣列組成并支持連續(xù)模式。像素的基本操作靠光電效應實現(xiàn)。由于其物理特性,硅能夠檢測光電子。光電子產生正比于入射光光強和波長的電子-空穴時。應用適當?shù)钠每墒褂脩舨蹲诫娮雍蜏y量有用參量(如電壓)的電荷。

像素結構也要求一行中的所有像素具有共同的復位、傳送和行選擇控制。此外,所有的像素具有共同的電源(VDD)和地(Vss)連接。一個最佳的單元結構能提供低噪聲、最大占空因數(shù)、抗散焦特性。光電元件所用的光電二極管專利和傳送門器件能增強整個可見光譜范圍和非滯后操作的靈敏度。

除成像像素外,還有在成像部分邊緣的暗和偽像素。暗像素由光屏蔽打底像素(在下層對光電不靈敏)覆蓋。這些像素為量測暗電平補償提供傳感器手段,在信號處理鏈路下游執(zhí)行自動黑色電平校準時用暗電平補償。在陣列邊緣提供的偽像素可消除由于光管道進入有效像素鄰近的暗像素所引起的不精確測量。這些像素的輸出將被去掉。

照相術語中的電子快門,也稱之為電子光定時是一種標準特性。像素積分時間可在給定幀讀出時間的百分之幾到整個幀時間的較寬范圍內變化。

彩色分離和占空因數(shù)放大

MCM20027系列提供單片聚合物彩色濾光片陣列(CFA)選擇方案。超平面化工藝和專用的濾光片技術的結合,使CFA具有優(yōu)異的光譜和傳輸特性。標準選擇方案是基本的(RGB)“Bayer”圖形(見圖3),但是,也有能生成包含輔助(CMYG)鑲嵌結構的定制CFA的功能。

可選用微透鏡陣列(圖4)得到較高的靈敏度。此透鏡組陣列可改進傳感器占空因數(shù)(孔徑比)1.5-2×,這取決于相機系統(tǒng)中所采用的主透鏡的F值。沒有微透鏡的占空因數(shù)是32%。用微透鏡,占空因數(shù)改進到TBD。

WOI控制

器件讀出的像素數(shù)據(jù)定義為“Window of Interest ”(WOI)?？砂裌OI以任意的大小確定在像素陣的任何地方。用戶提供左上角的像素位置和確定WOI行和列的大小。用WOI指針、WOI高度和WOI寬度寄存器確定WOI。圖5示出WOI的圖示表示。

WOI二次取樣控制

WOI可由每個用戶控制二次取樣。用戶可在每個方向以4種不同取樣率(全,1/2,1/4或1/8)讀出單色或Bayer像素空間的像素數(shù)據(jù)。用戶通過二次取樣控制寄存器控制二次取樣。

關于幀捕獲模式,圖像掃描模式以及連續(xù)幀捕獲模式(CFCM)幀速率和積分時間控制等在此就不一一描述了。

模擬信號處理鏈路

MCM20027模擬信號處理(ASP)鏈路包含相關雙取樣(CDS)、幀速率箝位(FRC)、數(shù)字可編程增益放大器(DPGA)、補償校正(DOVA)和10位A/D變換器(ADC)。

相關雙取樣(CDS)

與電容結點復位動作有關的非確定性引起復位噪聲,此噪聲等于KTC(C是結點電容,T是溫度,K是波耳茲曼常數(shù))。消除在所有圖像傳感器中的噪聲是采用相關雙取樣法。對輸出信號取樣兩次,一次對其復位(參考)電平,一次對有效的視頻信號。取樣和保持這些值,而差分放大器信號從輸出中減去參考電。 雙取樣消除了相關噪聲源。相關雙取樣原理示于圖6。

幀速率箝位(FRC)

設計FRC(見圖7)來提供正饋暗電平減參考電平測量。在自動FRC模式中,每次圖像傳感器開始新幀時,重新建立光黑色電平參考。MCM20027用光黑色(暗)像素幫助建立這種參考。

在MCM20027中,暗像素輸入信號的采樣時間至少應為13Tμs以使CLRCA和CLRCB引腳上的2個0.1μF電容器有足夠的時間為10位精度充電。這保證FRC的“下降”將保持在≤750μV,因此,保證規(guī)定的ADC10位精度在±0.5LSB。在最高工作頻率(13.5MHz),圖像傳感器需要一些幀來為其后的有效像素處理建立暗像素參考。暗像素取樣周期是內部自動控制的,設置是起始3暗行空白,然后取樣其后面的2暗行。當“暗箝位”有效時,處理并保持每個暗像素以在CLRCA和CLRCB引腳建立像素參考電平。在此期間,FRC的差分輸出V+和V-（見圖7)被箝位到Vcm。這些功能有助于消除暗電平偏移,同時建立在ADC輸出所希望的零碼。

白色補償控制(PGA)

在模擬信號處理鏈路有兩個數(shù)字可編程增益放大器(DPGA),用于執(zhí)行白色補償和光增益功能。在此只介紹白色補償控制可編程增益放大器。

傳感器產生3個主要的色彩輸出:紅、綠、藍。它們是單色信號,代表每個主要色彩的亮度值。當?shù)攘肯嗉訒r,它們混合成非彩色的色彩。白色補償是這樣一種技術:設置構成Bayer圖形(見圖8)的綠(O)、紅、藍和綠(3)像素增益素數(shù)以補償它們的非彩色景像輸出。由于在Bayer圖形中的兩個綠色像素的感光度可能不一樣,所以為Bayer 圖形中的每個元素提供一個單獨的彩色增益寄存器。

一旦所有彩色增益寄存器裝入所需要的增益系數(shù),則實時地實現(xiàn)了白色補償。選擇恰當?shù)闹挡⑼ㄟ^調整通路送到像素輸出,其延遲遠遠小于像素時鐘率。對任何增益寄存器可執(zhí)行實時更新。用戶通過彩色增益寄存器編程單獨的增益系數(shù)到MCM20027中。

MCM20027利用I2C接口寫或讀程序控制寄存器。

模/數(shù)變換器

ADC是全微分、低功率電路。ADC采用流水線、冗余符號數(shù)(RSD)算法技術,使其具有適于圖像應用的優(yōu)異特性。

積分噪聲線性度(INL)和微分噪聲線性度(DNL)分別為±1.0和±0.5,無漏碼。輸入電壓分辨率是2.44mV(滿量程2.5Vpp輸入)。通過可編程電壓基準產生器可編程ADC的輸入動態(tài)范圍。正基準電壓VREFP和負基準電壓VREFM通過基準電壓寄存器可分別編程為2.5V~1.25V和0V~1.25V,步長為5mV。ADC的缺省范圍是1.9V(對于正基準電壓)和0.6V(對于負基準電壓),因此,提供1.3V峰-峰值信號的10位數(shù)字變換。

另外的工作條件

MCM20027包括初始化,待機模式和外部基準電壓輸出,為用戶提供特殊應用的靈活性。

初始化

INIT輸入引腳控制MCM20027的初始化。以用來保證控制的芯片和系統(tǒng)的啟動。通過邏輯高態(tài)輸入保持控制。此狀態(tài)必須保持最小1ms,在芯片進行處理前應該有1ms“等待期間”,以確保MCM20027運行完啟動程序和保證所有保持和旁路電容器等達到它們所需要的穩(wěn)態(tài)值。

啟動期間要完成的任務包括:利用編程寄存器的復位和其缺省值的初始化,所有內部計數(shù)器和鎖存器和復位以及模擬信號處理鏈路的建立。這也包括置芯片為待機模式。

待機模式

在不需要MCM20027工作期間,用戶可選擇待機模式以降低系統(tǒng)功耗。此特性使低功率應用中的電池壽命得以延長。

利用待機模式,用戶可把動態(tài)功耗從大約400mW降到≤50mW。

加一個有效高態(tài)信號到INIT輸入引腳可實現(xiàn)待機模式。注意,這也導致芯片初始化。在有效處理模式,置MCM20027輸出為3態(tài),也可降低功耗。

正、負基準電壓

為簡化系統(tǒng),MCM20027包含所有內部產生的基準電壓和片上偏壓。一個內部產生的差分帶隙穩(wěn)壓器提供所有ADC和其他模擬信號處理所需的基準電壓。用戶把CVREFP和CVREFM引腳與0.1μF電容器連接，以便精確地保持偏壓。

共模基準電壓

MCM20027保持芯片上共?；鶞孰妷旱椒€(wěn)定值。為了達到此穩(wěn)定值,VAG、VAGREF和VAGRETURN引腳必須連接兩個0.1μF電容器。

內部偏置電流控制

模擬信號處理(ASP)鏈路具有內部產生的偏置電流,使工作功耗達400mW 用戶可在EXTRESP和EXTRESRTN引腳之間連接一個電阻器,以降低器件的功耗。