一種用于CMOS圖像傳感器集成ADC的性能測試系統(tǒng)

隨著CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展，CMOS圖像傳感器以其高集成度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于超微型數(shù)碼相機(jī)、PC機(jī)電腦眼、指紋識(shí)別、手機(jī)等圖像采集的領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器的工作流程可以簡單表述為：外界光信號由像素陣列采集并轉(zhuǎn)換為模擬信號，再通過讀出電路傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，最后交于后續(xù)數(shù)字電路進(jìn)行處理。由此可見，A/D轉(zhuǎn)換器在整個(gè)CMOS圖像傳感器中起著“承上啟下”的作用，其性能指標(biāo)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，從而使得ADC的性能測試變得十分重要。

目前業(yè)界已經(jīng)存在一些通用的ADC測試方法，例如針對靜態(tài)指標(biāo)測試的直方圖法，針對動(dòng)態(tài)指標(biāo)測試的快速傅式變換法，以及專門針對ENOB的正弦波適應(yīng)法等，但是還沒有單一的測試方法能夠有效測試出所有的ADC參數(shù)。

ADC測試需要解決成本和效率的問題，故需要根據(jù)ADC典型應(yīng)用的環(huán)境，選取一些關(guān)鍵指標(biāo)和有效的測試方法，制定合理的測試方案。本文中ADC主要用于CMOS圖像傳感器的數(shù)字輸出，結(jié)合Labview軟件分析程序和測試儀器，搭建了一套ADC綜合性能測試系統(tǒng)。

1 ADC性能測試系統(tǒng)

1.1 ADC性能參數(shù)

表征ADC性能的參數(shù)通?？煞譃殪o態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。其中，靜態(tài)參數(shù)描述的是ADC自身的內(nèi)在特性，與所設(shè)計(jì)的ADC內(nèi)部電路的誤差和噪聲有關(guān)，這些誤差包括ADC的增益誤差、失調(diào)誤差、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)等，主要關(guān)注的是具體的模擬輸入電平與相應(yīng)數(shù)字輸出代碼之間的關(guān)系，表征靜止的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號的精確度;而動(dòng)態(tài)參數(shù)描述的是ADC采樣和重現(xiàn)時(shí)序變化信號的能力，關(guān)注ADC在交流條件情況下的性能表現(xiàn)，主要包括信噪比(SNR)、無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、總諧波失真(THD)、信納比(SINAD)以及有效位數(shù)(EN OB)等，這些參數(shù)的測試都是通過對輸入合適的正弦模擬信號并獲取了芯片正確轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字碼之后，進(jìn)行快速傅氏變換(FFT)計(jì)算得來的。表1為ADC典型參數(shù)的公式定義。

1.2 測試原理和方法

目前常規(guī)的測試系統(tǒng)不能同時(shí)分析多種性能參數(shù)，例如：一般的動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)只能測試ADC動(dòng)態(tài)參數(shù)，如信噪比和信號噪聲失真比等參數(shù)，而傳遞特性的測試系統(tǒng)只能測試傳遞特性等，具有適應(yīng)性比較差、使用不方便等缺點(diǎn)。針對這些缺點(diǎn)，本文開發(fā)了一套由Labview軟件分析程序和測試儀器構(gòu)建的綜合性能測試系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，測試程序?qū)煞N測試分析方法綜合到一起，采用了碼密度直方圖測試法測試靜態(tài)特性參數(shù)、FFT測試法測試動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。在測試程序中，這些測試方法只是數(shù)學(xué)分析算法上的不同，硬件基本一致。因此可很方便的根據(jù)外加測試條件的不同而一鍵選擇不同的測試方法。

1.2.1 碼密度直方圖測試法

該方法通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，對輸入正弦波情況下的輸出數(shù)字碼進(jìn)行振幅域的分布統(tǒng)計(jì)。圖1就是通過這種方法生成的浴盆曲線。