应用于图像传感器的双斜坡模数转换器的设计

【摘要】从上个世纪中期，人们一直关注图像传感器的发展。在最初的图像传感器市场中光电耦合类型器件占据主导地位，被广泛的应用在各个领域。然而随着工艺的进步，人们对图像传感器的设计指标提出了更高的要求。在转换方式、节能等方面光电耦合器件的弊端逐渐无法满足人们在应用上的种种需求。CMOS图像传感器随着时代的步伐出现在人们的视野中，它的高集成度，低功耗，甚至可广泛应用在宇宙等辐射环境中等一些优点受到人们的青睐。CMOS图像传感器相关的读出电路在研究领域也向着高精尖的方向发展。本次论文基于CMOS图像传感器的3T主动型像素结构设计一款模数转换器，完成图像传感器的读出电路的设计。在传统的斜坡型模数转换器中，针对3T像素架构的CMOS图像传感器的两次采样两次转换的读出模式，会对两次转换中数据码进行存储并进行数据读出处理。在基于延迟锁相环结构的斜坡型模数转换器，通过延迟锁相环产生的精准延迟时间，可以将传统的芯片工作在系统时钟的16倍频下，达到斜坡型模数转换器应用低频率时钟的可能。在本次的毕业论文中，通过对CMOS图像传感器的输出信号进行相关双采样，借此去除CMOS图像传感器中的固定模式等噪声，针对图像传感器的两次采样得到的电压值的范围的预判，将传统的斜坡信号通过控制斜坡信号的积分时间来变成两个斜率相同，积分时间不同的双斜坡信号；该斜坡信号再分别与两次采样得到的电压值进行比较；比较器的架构是可再生型比较器，当比较器工作时在比较器的输出端产生与时钟周期一致的高低电平，向下向上计数器对比较器的输出信号进行计数，完成两次转换的差值运算；通过移位寄存器和低压差分信号等电路将最终的数字码输出。本次设计采用tower工艺厂1P6M的生产工艺，对本次设计的电路进行了版图绘制。在CMOS图像传感器中，读出电路采用行列型的读出模式，所以像素阵列中每一列像素共用一个模数转换器。因为工艺厂提供的像素尺寸为6μmX6μm，所以决定了本次设计的模数转换器的宽度范围需要小于6μm。在实际的电路版图中，本次单列模数转换器的版图面积为6μm×900μm。同其他类型CMOS图像传感器中采用的模数转换器相比，本次的芯片面积要缩小了10%~50%。通过芯片整体的仿真，本次设计的10bit模数转换器可以应用在CMOS图像传感器中，达到了设计指标。
【作者】王宝续；
【导师】常玉春；
【作者基本信息】吉林大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】CMOS图像传感器；双斜坡模数转换器；相关双采样；向下向上计数器；低压差分信号；

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