用于CMOS圖像傳感器的流水線ADC設(shè)計(jì)及其成像驗(yàn)證

CMOS圖像傳感器(CMOS image sensor，CIS)在近二十年來取得了飛速的發(fā)展，得益于有源像素傳感器(Active PixelSensor)的出現(xiàn)、相關(guān)雙采樣技術(shù)(Correlated Double Sampling)的發(fā)明以及工藝的進(jìn)步等，用于低噪聲應(yīng)用領(lǐng)域的CMOS圖像傳感器也取得了長足的發(fā)展。由于CMOS傳感器具有先天的低成本、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，CMOS傳感器在低噪聲應(yīng)用領(lǐng)域也已引起了越來越多的關(guān)注。目前，在低噪聲CMOS圖像傳感器的研究領(lǐng)域，除研究其噪聲外，數(shù)字化也是它的一個(gè)重要的研究方向。
文中介紹了一種適用于低噪聲CMOS圖像傳感器芯片級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的流水線型ADC，根據(jù)低噪聲CMOS圖像傳感器的系統(tǒng)要求，文中設(shè)計(jì)的ADC的分辨率為12 bit，速度為10 Msps，采用了每級(jí)1．5 bit、共11級(jí)的流水線型結(jié)構(gòu)。在該ADC完成設(shè)計(jì)仿真后，基于0．5μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行了流片。最后在PCB板級(jí)電路上用該ADC對一個(gè)自主設(shè)計(jì)的模擬輸出的CMOS圖像傳感器進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換，并基于自主設(shè)計(jì)的成像測試系統(tǒng)完成了CMOS圖像傳感器的成像。

1 ADC設(shè)計(jì)指標(biāo)及框架
根據(jù)自主設(shè)計(jì)的低噪聲CMOS圖像傳感器的系統(tǒng)要求，可以確定流水線ADC的設(shè)計(jì)指標(biāo)。表1給出了該設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)。

由于該ADC設(shè)計(jì)目標(biāo)為應(yīng)用在自主設(shè)計(jì)的低噪聲CMOS圖像傳感器的芯片級(jí)，因此其速度和精度都應(yīng)盡可能的高，以達(dá)到芯片系統(tǒng)低噪聲和速度的要求。而由于其工作在芯片級(jí)，其功耗和面積的要求則可以相對寬松一些。因此本設(shè)計(jì)采用了11級(jí)，1．5 bit每級(jí)的結(jié)構(gòu)，雖然這種結(jié)構(gòu)在功耗上會(huì)有所增加，但是可以降低比較器的比較精度帶來的影響，同時(shí)也降低了對第一級(jí)采樣保持電路運(yùn)放的要求。本文設(shè)計(jì)的ADC的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在該ADC11級(jí)結(jié)構(gòu)中的前10級(jí)電路中，每級(jí)電路包括子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、求和電路、余量放大器以及采樣保持電路，其中由于子DAC、采樣保持電路、求和電路以及余量放大電路一般都由一個(gè)開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)，因此該電路模塊常被統(tǒng)稱為乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Multiplying digital to analog converter，MDAC)，第11級(jí)電路為一個(gè)2 bit的flash ADC。在兩組互不相交時(shí)鐘CLK1和CLK2的控制下，每級(jí)電路都產(chǎn)生了數(shù)字輸出，這些輸出在經(jīng)過數(shù)字位對齊和數(shù)字校準(zhǔn)后得到最終的數(shù)字輸出。

2 ADC各模塊設(shè)計(jì)
2．1 MDAC設(shè)計(jì)
MDAC電路是流水線ADC設(shè)計(jì)中非常重要的部分，它在ADC中實(shí)現(xiàn)的功能包括采樣保持、數(shù)模轉(zhuǎn)換、減法和余量放大等，一般采用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由模擬開關(guān)、電容和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)構(gòu)成，其電路圖如圖2所示。其工作原理是：用MDAC的采樣保持對前級(jí)余量電壓進(jìn)行采樣；將其采樣電壓與本級(jí)子DAC的輸出電壓進(jìn)行減法運(yùn)算；將減法運(yùn)算得到的余量電壓通過余量放大器進(jìn)行放大。

在流水線ADC結(jié)構(gòu)中，第一級(jí)的MDAC的要求最高，隨著級(jí)數(shù)的增加，要求不斷降低。對于一個(gè)12位、10 Msps采樣率流水線ADC，以第一級(jí)MDAC為例，該電路需滿足的總體指標(biāo)為：精度12 bit，采樣率10 Msps。而在MDAC設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的是余量放大器設(shè)計(jì)，本文以第一級(jí)余量放大器的設(shè)計(jì)為例來說明整個(gè)設(shè)計(jì)，其中采用的余量放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。余量放大器工作在閉環(huán)狀態(tài)，要求其有限直流增益造成的誤差小于1／2LSB，即有：

式中A0為開環(huán)增益，N為ADC分辨率，β為反饋系數(shù)。