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移动检测型CIS中低功耗流水线模数转换器的设计

作　者: 陈灿锋
导　师: 姚素英
学　校: 天津大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 流水线模数转换器 移动检测 CMOS 图像传感器 低功耗
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 34次
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内容摘要


在混合信号系统中,模数转换器(ADCs)是负责将模拟信号转换成数字信号的器件,在集成电路日益数字化的今天,它的应用领域不断扩大。流水线模数转换器(Pipelined ADC)因其在高速高精度低功耗方面的优势,更是得到了广泛的应用。本文主要针对应用于监控领域的CMOS图像传感器进行研究,并基于移动检测原理设计了一款10位精度5M采样率的流水线ADC,设计基于SMIC 0.18μm CMOS工艺。流水线模数转换器采用SHA以及9级MDAC的电路结构,其中MDAC电路采用传统的1.5bit每位结构,在设计之前,通过Matlab Simulink对该系统建立模型,在此过程中逐一考虑了KTC噪声、OTA增益误差、比较器误差等非理想因素对系统精度的影响,并通过相应的系统仿真,确定了各级采样电容值、OTA增益值等设计指标。本论文的设计重点在于移动检测型CIS中流水线模数转换器的低功耗实现,主要从系统架构以及电路结构两方面来体现。在系统架构方面,根据相临两帧图像信息是否改变决定流水线ADC工作在开启模式或关闭模式,仿真表明,关闭模式下功耗仅占开启模式下功耗的32%。在电路结构方面,采用功耗较小的折叠式共源共栅运放做为各级主运放;通过在流水线的前几级进行采样电容尺寸缩放,降低运算放大器的带宽要求,进而减小系统功耗;每级MDAC中选择不消耗静态功耗又满足系统要求的动态比较器得到数字码;综合考虑系统功耗与噪声要求优化每级采样电容值与运放的工作电流。对所设计的流水线ADC进行系统仿真,当输入1/50采样频率下的测试信号时,其有效位数为9.9位,开启模式下功耗为1.83mW。并对所设计的ADC进行了仔细的版图设计。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-13
  1.1 设计背景  7
  1.2 CMOS图像传感器简介  7-9
  1.3 低功耗CMOS图像传感器发展现状  9-10
  1.4 CMOS图像传感器ADC集成方法  10-12
  1.5 本文结构  12-13
第二章 ADC性能指标及各种ADC介绍  13-24
  2.1 ADC性能指标  13-17
    2.1.1 ADC的静态特性参数  13-15
    2.1.2 ADC的动态特性参数  15-17
  2.2 各种ADC介绍  17-23
    2.2.1 全并行ADC  17-18
    2.2.2 两步式ADC  18-19
    2.2.3 子区间ADC  19-20
    2.2.4 连续逼近ADC  20
    2.2.5 复循环式ADC  20-21
    2.2.6 过采样ADC  21-22
    2.2.7 流水线ADC  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第三章 流水线ADC采样保持电路设计  24-46
  3.1 开关采样电路  24-30
    3.1.1 MOS管开关精度问题  24-27
    3.1.2 开关电荷注入抵消  27-29
    3.1.3 下极板采样技术  29-30
  3.2 采样保持电路设计  30-39
    3.2.1 采样保持电路结构  30-33
    3.2.2 采样电容的选取  33-35
    3.2.3 采样保持电路参数估算  35-36
    3.2.4 增益增强技术  36-39
  3.3 采样保持电路闭环特性仿真  39-42
    3.3.1 开关电容共模反馈  39-41
    3.3.2 瞬态特性仿真结果  41-42
  3.4 采样保持电路性能仿真  42-44
  3.5 本章小结  44-46
第四章 基准源及每级1.5 位流水线MDAC电路实现  46-68
  4.1 基准源  46-53
    4.1.1 电路结构  46-48
    4.1.2 环路特性的仿真  48-50
    4.1.3 PTAT系统仿真  50-53
  4.2 每级1.5 位MDAC电路实现  53-62
    4.2.1 MDAC主体放大电路  55-57
    4.2.2 电阻失配型动态锁存比较器  57-59
    4.2.3 子adc电路及dac电路  59-62
  4.3 时钟对齐电路与数字校正电路  62-64
  4.4 流水线ADC整体性能仿真  64-66
  4.5 本章小结  66-68
第五章 低功耗架构下的流水线ADC改进  68-82
  5.1 动静态图像的判断  68-71
    5.1.1 动态图像与静态图像  68-69
    5.1.2 带存储功能的像素单元  69
    5.1.3 移动检测比较器  69-71
  5.2 动静态图像的选择性ADC  71-78
    5.2.1 流水线ADC改进  72-76
    5.2.2 各级MBIT信号产生  76-78
  5.3 功耗统计  78-79
  5.4 ADC 整体版图及后仿  79-81
  5.5 本章小结  81-82
第六章 总结  82-83
参考文献  83-86
发表论文和参加科研情况说明  86-87
致谢  87

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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