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一种高优值CMOS图像传感器读出电路的设计

作　者: 刘晓磊
导　师: 桑红石
学　校: 华中科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: CMOS 图像传感器读出电路相关双采样可编程增益放大器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 80次
引　用: 1次
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内容摘要

近年来,CMOS 图像传感器(CMOS Image Sensor, CIS)以其高集成、高分辨率、低功耗等优点取得了长足发展。随着CIS像素阵列不断扩大,读出速度和动态范围(Dynamic Range, DR)的不断提高,它对读出电路的要求也越来越高,可以说读出电路设计已成为CIS的瓶颈,如何设计一个高优值(figure-of-merit, FOM)的读出电路成为摆在我们面前的重要课题。本文针对影响读出电路的速度、功耗等因素进行了分析,设计了一个可用于1M(1024x1024)像素CIS(帧频20fps)中的高优值读出电路。该读出电路由相关双采样(correlated double sampling, CDS)、可编程增益放大器(programmable gain amplifier, PGA)和接口电路三个子模块构成。采用TSMC 0.18um 3.3V CIS工艺完成版图设计和流片,后仿结果表明该读出电路可使1M(1024x1024)像素CIS的帧速率达到20fps(帧/秒),动态范围73.9dB。论文重点研究了CDS和PGA的设计。针对传统CDS中易产生列FPN(Fixed Pattern Noise)噪声,功耗和面积大的缺点,本问提出一中新的CDS结构,该CDS电路仅需一个列放大器,可有效抑制列FPN噪声,同时功耗和面积比传统设计降低一半。另外,我们提出了一种电容版图设计简单、反馈系数大、噪声小、线性度高的PGA结构。设计了一个可调补偿电容的运算跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier, OTA),通过补偿电容调节OTA带宽,大大降低了PGA功。使用Nanosim仿真显示:在25MHz采样频率下, CDS功耗仅为1mW;PGA实现6dB步进,0~18dB增益变化范围,精度为12-bit,功耗仅为10mW;接口电路功耗为4mW。整个读出电路的优值为30 dB gM Hz /mW。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 CMOS 图像传感器应用  9-10
  1.2 CMOS 图像传感器研发现状  10-15
  1.3 选题意义及论文内容安排  15-17
2 读出电路原理  17-25
  2.1 CIS 简介  17-19
  2.2 读出电路结构分析  19-21
  2.3 列并行读出电路工作原理  21-22
  2.4 读出电路设计指标分析  22-24
  2.5 本章小结  24-25
3 CDS 分析与设计  25-39
  3.1 CDS 工作原理  25-27
  3.2 CDS 设计  27-31
  3.3 列放大器的设计  31-37
  3.4 CDS 仿真  37-38
  3.5 本章小结  38-39
4 PGA 分析与设计  39-62
  4.1 PGA 设计指标  39
  4.2 PGA 原理  39-46
  4.3 PGA 噪声和非理想因素分析  46
  4.4 开关与电容设计  46-48
  4.5 PGA 中OTA 设计  48-57
  4.6 PGA 仿真  57-60
  4.7 接口电路原理  60-61
  4.8 本章小结  61-62
5 版图设计与后仿结果  62-70
  5.1 CIS 总体布局  62-64
  5.2 CDS 版图设计  64
  5.3 PGA 版图设计  64-66
  5.4 后仿结果  66-69
  5.5 本章小结  69-70
6 总结与展望  70-72
  6.1 工作总结  70
  6.2 展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
附录攻读硕士期间发表的论文  77

一种高优值CMOS图像传感器读出电路的设计

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