用于低噪声CMOS图像传感器的流水线ADC设计及其成像验证

邓若汉 ， 徐 星 ， 王洪彬 ， 余金金 ， 陈世军 ， 陈永平

（1.中国科学院 上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083；2.中国科学院研究生院 北京 100039）

CMOS图像传感器（CMOS image sensor， CIS）在近二十年来取得了飞速的发展，得益于有源像素传感器（Active Pixel Sensor）的出现、相关双采样技术（Correlated Double Sampling）的发明以及工艺的进步等[1-5]，用于低噪声应用领域的CMOS图像传感器也取得了长足的发展。由于CMOS传感器具有先天的低成本、易于集成等优点，CMOS传感器在低噪声应用领域也已引起了越来越多的关注。目前，在低噪声CMOS图像传感器的研究领域，除研究其噪声外，数字化也是它的一个重要的研究方向。

文中介绍了一种适用于低噪声CMOS图像传感器芯片级模数转换的流水线型ADC，根据低噪声CMOS图像传感器的系统要求，文中设计的ADC的分辨率为12 bit，速度为10 Msps，采用了每级1.5 bit、共11级的流水线型结构。在该ADC完成设计仿真后，基于0.5 μm标准CMOS工艺进行了流片。最后在PCB板级电路上用该ADC对一个自主设计的模拟输出的CMOS图像传感器进行了模数转换，并基于自主设计的成像测试系统完成了CMOS图像传感器的成像。

1 ADC设计指标及框架

根据自主设计的低噪声CMOS图像传感器的系统要求，可以确定流水线ADC的设计指标。表1给出了该设计的具体设计指标。

表1 流水线ADC的设计指标Tab.1 Design requirements for pipeline ADC

由于该ADC设计目标为应用在自主设计的低噪声CMOS图像传感器的芯片级，因此其速度和精度都应尽可能的高，以达到芯片系统低噪声和速度的要求。而由于其工作在芯片级，其功耗和面积的要求则可以相对宽松一些。因此本设计采用了11级，1.5 bit每级的结构，虽然这种结构在功耗上会有所增加，但是可以降低比较器的比较精度带来的影响，同时也降低了对第一级采样保持电路运放的要求。本文设计的ADC的结构框图如图1所示，在该ADC11级结构中的前10级电路中，每级电路包括子模数转换器（ADC）、子数模转换器（DAC）、求和电路、余量放大器以及采样保持电路，其中由于子DAC、采样保持电路、求和电路以及余量放大电路一般都由一个开关电容电路实现，因此该电路模块常被统称为乘法型数模转换器 （Multiplying digital to analog converter， MDAC），第 11 级电路为一个 2 bit的 flash ADC。在两组互不相交时钟CLK1和CLK2的控制下，每级电路都产生了数字输出，这些输出在经过数字位对齐和数字校准后得到最终的数字输出。

图1 流水线ADC结构框图Fig.1 Architecture of pipeline ADC

2ADC各模块设计

2.1MDAC设计

MDAC电路是流水线ADC设计中非常重要的部分，它在ADC中实现的功能包括采样保持、数模转换、减法和余量放大等，一般采用开关电容技术实现，由模拟开关、电容和跨导运算放大器（OTA）构成，其电路图如图2所示。其工作原理是：用MDAC的采样保持对前级余量电压进行采样；将其采样电压与本级子DAC的输出电压进行减法运算；将减法运算得到的余量电压通过余量放大器进行放大。

在流水线ADC结构中，第一级的MDAC的要求最高，随着级数的增加，要求不断降低。对于一个12位、10 Msps采样率流水线ADC，以第一级MDAC为例，该电路需满足的总体指标为：精度12 bit，采样率10 Msps。而在MDAC设计中，最关键的是余量放大器设计，本文以第一级余量放大器的设计为例来说明整个设计，其中采用的余量放大器的结构如图3所示。余量放大器工作在闭环状态，要求其有限直流增益造成的误差小于1/2LSB，即有：

图2 MDAC电路设计图Fig.2 Circuit structure of MDAC

式中A0为开环增益，N为ADC分辨率，β为反馈系数。

另外，由于余量放大器有限的带宽，因此对输入电压响应需要经过一定的时间才能趋于稳定。在采样频率为f的ADC中，要求信号在二分之一的时钟周期内达到所需的精度（即误差小于1/2LSB），即有：

式中GBW为单位增益带宽，N为ADC分辨率，β为反馈系数，f为采样频率。

对于本文的 ADC 设计有：N=12， β=1/2，f=10 MHz，因此由公式（1）和公式（2）可得，用于本文第一级MDAC的余量放大器应满足：开环增益需大于84 dB，单位增益带宽需大于58 MHz。综合考虑到输入信号摆幅、流片工艺和功耗等要求，本文的余量放大器采用了折叠共源共栅的运放结构，仿真结果表示，该结构可满足设计要求。

图3 运量放大器结构Fig.3 Circuit structure of amplifier

2.2 比较器设计

流水线ADC由于采用了校正电路，对比较器失调电压的要求放宽了。对于1.5 bit每级的电路，设参考电压为1 V，则它的失调电压放宽为125 mV。本ADC中从第1级到第10级电路都采用了动态比较器，因为其失调电压小于可校正的最大失调电压，同时它具有较快的速度和较低的功耗。该电路的原理图如图4所示，它包括一个由rst信号控制的快速复位电路、信号输入的预防大电路、锁存比较器以及输出反相器组成。

图4 比较器电路Fig.4 Comparator circuit

2.3 数字位时间对齐及数字校准电路设计

由于流水线ADC每级电路产生数字代码的时间不同，因此，在进行数字校正之前，必须先对其进行延迟，所以在数字校正电路之前必须要有数字延迟电路。完整的输出数字时间对齐及数字校正电路如图5所示，其中图的左边为数字位时间对齐电路，图的右边为数字校准电路。

2.4 时钟控制电路设计

流水线ADC对于时序要求比较高，为了确保流水线ADC正常工作，要求前后两级不同时工作在采样状态和保持状态，至少需要一对两相不交叠时钟。文中设计的时钟信号电路如图6所示。相比一般的采用器件延时来设计时钟控制电路[6]，本文采用了在电路引入电容的方式来确定时钟延时，尽管这样做会在版图上多占用了一些面积，但是其好处是设计的两相不交叠时钟非常稳定，时钟可以根据电容值选取的大小而更为合理的错开。

图5 数字位对齐及数字校准电路Fig.5 Circuit structure of digital error correction and bit alignment

3 芯片版图

该芯片使用0.5 μm标准CMOS工艺进行流片，版图的设计综合考虑了混合信号电路布局、匹配设计和抗干扰设计等。布局采用数模分离，数字电路加保护环；匹配设计采用了共心对称设计、比例单元设计和添加哑元元件等技术。芯片版图如图7所示，带PAD的整体芯片面积为3.55 mm@2.9 mm，其中上部分为数字位对齐和数字校准电路，中部为各级流水线，右侧为时钟产生电路，下部为信号输入和其他电路。

4 成像系统及其成像结果

4.1 成像系统硬件组成

低噪声、高帧频的CMOS图像传感器成像，除了对PCB测试板的设计要求较高外，也对测试系统的构成也提出了较高的要求。本成像系统的电学硬件系统框图如图8所示。该电学硬件系统的基本工作原理是：

图6 时钟产生电路Fig.6 Circuit structure of timing generate module

图7 ADC设计版图Fig.7 Layout of ADC

1）在PCB板上用基于CPLD设计的时钟波形来控制板上的CMOS图像传感器芯片和ADC芯片协同工作，并在此过程中生成帧同步信号和ADC时钟信号交予数字采集卡作为采集卡的外触发和外时钟信号。

2）在ADC芯片将CMOS图像传感器产生的模拟信号进行模数转换后，其数字信号经缓冲芯片缓冲输出至数字采集卡。

3）数字采集卡在帧同步信号控制下进行重复触发采样，在采集卡收集到一定数据后将采集到的数据传送到主机中，然后用成像软件进行分析，给出动态的成像图片。

图8 成像测试系统的硬件系统框图Fig.8 Schematic of hardware for the image system

4.2 成像系统软件设计

本测试系统软件采用Labview编程，Labview是一种图形化的编程语言的开发环境，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

本系统中利用Labview的虚拟仪器（virtual instrument）实现对数据采集卡的数据采样控制、对采集到的数据进行信号处理以及动态成像，图9为成像软件的界面图，其工作模式和原理是：

1）在控制数字采集卡的程序中，将始终和触发设置为外时钟采样以及外触发重复触发采样模式，以实现成像信号帧同步和保证采集卡采样与ADC输出的同步。

2）在将采集到的数据转化为U16数字格式数组后，对这些信号进行灰度值处理，程序设计了两种灰度调节模式：固定的灰度转换和灰度自动调节，此外程序还设计了可选的反色、图像翻转、图像放大等功能。

3）在数据进行信号处理后，完成对采集数据的二维灰度值成像，这些信号处理和成像程序都置于while循环中，因此可根据延时设置成像刷新的帧频，实现动态成像。

图9 成像软件界面图Fig.9 Photo of software system

4.3 成像结果

用本文设计的ADC对模拟输出的CMOS图像传感器进行模数转换后，基于自主设计的成像系统，进行了实时成像实验，成像结果如图10所示，可以看出，画面清晰，层次感分明。

图10 实时成像图Fig.10 Photo of real-time image

5 结束语

文中设计了一种可应用于低噪声CMOS图像传感器芯片级模数转换的 12 bit、10 Msps流水线 ADC，并基于 0.5 μm标准CMOS工艺进行了流片。最后在PCB板级电路上用该流水线型ADC完成了CMOS图像传感器的模数转换，并基于Labview和数字采集卡系统实现了CMOS图像传感器的成像，成像结果表明，该ADC可满足低噪声CMOS图像传感器芯片级模数转换器的要求，下一步可将CMOS图像传感器和该ADC合并设计在一个芯片上进行流片。

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