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CMOS图像传感器集成A/D转换器技术的研究

时间:2015-04-06  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

  2.1一体电感器.2流水线结构A/D转换器
  流水线结构A/D转换器是流水线和半并行结构A/D转换器的结合。它通过流水线把整个采样过程分为若干级,每级由一个低精度半并行A/D转换器,一个D/A转换器和一个采样保持放大电路组成,每通过一级输出数字量,同时信号减掉输出数字信号经过DAC反馈回来的量送到下一级。这样每级采样1-2位,然后合起来一起并行输出。虽然这样采样速度受级数影响,需要经过若干时钟周期才能输出,但是由于采用了流水线结构,还是能达到很快的转换速度,同时有效的控制了面积和功耗。近年来,流水线结构A/D转换器被广泛应用在各种高速数据转换电路和CMOS图像传感器芯片中。
  2.2列级集成(Column Level)
  列级集成是使用半并行的A/D转换器,通过集成一个中低速A/D转换器的阵列,每个A/D转换器只完成对一行或者几行象素的转换来实现对整个图像传感器模数转换的功能。列级A/D转换器的主要优点是可以使用简单中低速的A/D转换器。缺点是会使芯片版图布局变的更复杂。

  2.2.1逐次逼近型A/D转换器
  逐次逼近型A/D转换器可以提供8位到18位,速度最快在5Msps左右的模数转换。它使用了一个比较器,一个采样保持电路,一个N位的DAC,一个N位的移位寄存器和一个SAR逻辑。这种结构利用数据不断通过环路逐次逼近的方法来达到所需要的精度。想要达到N位的精度就需要循环比较N个周期。这种循环利用结构的缺点是A/D转换器的采样速度较慢。优点是芯片面积小。这种类型A/D转换器的另一特点是电路的功耗随采样率成比例增加,而不像全并行和流水线类型A/D转换器的对应采样率有固定功耗。逐次比较型A/D转换器在R. Panicacci等人的图像传感器芯片中成功的列级集成,并且得到了很好的应用效果。

  2.2.2单边积分型A/D转换器
  单边积分型A/D转换器可以提供高精度的模数转换,并且具有很好的噪声抑制。单边A/D转换器的工作原理是一个未知输入电路电压VIN通过RC电路进行积分。积分结果VINT与已知参考电压VREF进行比较。已知积分后的电压VINT比输入的VIN电压和积分时间t成比例关系,即VINT/VIN和达到的积分时间成比例关系。所以可以根据TINT等于VREF所耗用的时间来确定VIN的大小。
  这种结构A/D转换器的制约因素是 的精度和RC的精度。因此参考电压,电阻和电容微小的变换都会影响转换精度。设计中成功使用了单边积分型A/D转换器与芯片进列级集成。
  2.2.3周期型A/D转换器
  周期型A/D转换器在原理上类似流水线结构A/D转换器。它在结构上相当于流水线 A/D转换器中的一阶,通过多周期调用达到所需要的精度。工作原理是输入信号在读入控制信号上升时被读入电路,然后在A/D转换器电路中被采样,结果存入寄存器输出,再通过一个DAC后和原信号相减。剩余信号通过采样保持放大器,放大到原来大小,在反馈控制信号上升时进行下一次采样。这种周期性重复使用的结构降低了功耗,提供了中低速的模拟信号到数字信号的转换。1998年S. Decker[8]教授在ISSCC会议上发表了采用该种结构A/D转换器,采用0.8 工艺,绕行电感器5v电压,用于256×256象素的图像传感器芯片。

2. 2.3象素级集成(Pixel Level)
  象素级集成的特点是采用一体电感器每个光电检测器(Photodetector)或者几个光电检测器共用一个低速A/D转换器,大量低速A/D转换太诱电感器并行工作达到一个高速A/D转换器的效果。象素级A/D转换器使得图像传感器中心与周边的通讯由模拟信号改变为数字信号,减少了原来模拟信号传输过程中信号的损失。象素级A/D转换电感生产厂家器和象素传感器集成带来了图像传感器结构上的重复性,从而使图像传感器内部具有很多重复单元,因而具有可扩缩性。虽然象素级A/D转换器有着诸多优点,但是象素级A/D转换器由于集成在象素单元内,A/D转换器面积上受到填充率(fill factor)的限制,而且A/D转换器数目和传感器象素单元个数处在同一数量级上,所以象素级A/D转换器对功耗和面积的要求非常的苛刻,故而传统A/D转换器结构很难作为象素级A/D转换器与图像传感器集成。

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