基于SAR-SS架构的图像...感器专用高速列级ADC设计_刘宇帆.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；大连市科学技术局项目（）通信作者：常玉春 ：光电器件 ：基于 架构的图像传感器专用高速列级 设计刘宇帆，刘炯晗，程禹，曲杨，钟国强，常玉春（大连理工大学 微电子学院，辽宁 大连 ）摘要：针对图像传感器中传统列级模数转换器（）难以实现高帧频的问题，提出了一种由逐次逼近寄存器型（）和单斜坡型（）组成的混合型高速列级 ，使转换周期相较于传统的 缩短约；利用 的电容实现像素的相关双采样（），在模拟域做差，使 的量化时间缩短至一个转换周期，进一步提高了 的量化速度；为了保证列级 的线性度，提出了一种 冗余算法，可实现 的微分非线性和 的积分非线性。基于 工艺的仿真结果表明，该列级 在 时钟下，转换周期仅为，无杂散动态范围为 ，信噪失真比为 ，有效位数为 。关键词：图像传感器；高速列级 ；逐次逼近寄存器 ；单斜坡 ；混合型 ；相关双采样中图分类号：；文章编号：（），（，）：（），（）（），（），：；半导体光电 年 月第 卷第期刘宇帆 等：基于 架构的图像传感器专用高速列级 设计引言在图像传感器（）芯片中，图像传感器的帧数与列级 的转换速率直接相关。受面积限制，传统的列级 通常使用单斜坡（）对数据进行量化，量化周期为 个时钟周期，其中是 的位 数，难以应用于高 帧 率 。与 相比，逐次逼近寄存器（）仅需个时钟周期即可完成量化，但是其缺点也十分明显，由于电容失配导致 的线性度难以满足图像传感器的要求。实际中往往通过增大 的单位电容来减小失配，但这会由于面积的增大导致不能应用于图像传感器。本文在权衡面积和速度的前提下，提出一种新颖的混合式高速列级 。该 粗搜索采用 的逐次逼近方式，细搜索采用斜坡逼近方式，并且利用 的电容进行相关双采样。在 的 时钟频率下，本文提出的 转换时间仅为，相比之下传统的 的转换时间约为，转换时间减少了约。的架构设计本文所提出的 加 的混合式 结构如图所示。整体结构以 为基础，包含电容式数模转换器（）、动态比较器、斜坡发生器、开关、和采样电容。图 结构图展示了 的时序图，工作过程共分为三个阶段：采样阶段，阶段，阶段。图中 为图像传感器像素输出的电压，包括 电压和 电压，是由可调增益放大器（）放大后的电压，列级 需要对此电压进行量化。在采样阶段，当 和 同时闭合时，电压被采样到 的上极板。当 闭合、断开时，电压被采集到电容的上极板，从而实现相关双采样。图 时序图在 阶段，根据比较结果，将 对应权重电容的下极板连接到 或 。根据电荷重分配原理，在 阶段结束时，电容整列输出电压表达式为 （）式中，为 反向放大后的像素 电压，为 输入的参考电压，表示比较器产生的第位数字码。在 阶段，斜坡发生器会产生一个到 的斜坡信号，同时 中的计数器开始计数，如图中 所示，直至比较器发生翻转。根据电容分压原理，此时的表达式为 （）式中，表示 阶段计数器所产生的第位数字码。当比较器发生翻转时，等于。由于 采样的是 电压，因此，结合式（）和（）可得到下列公式：（）（）由式（）可知，在一次转换周期内可 以 完 成 对 像 素 输 出 电 压 的 ，利 用 快速完成高位量化，减小 量化幅值，缩短量化时间。的电路设计动态比较器、斜坡发生器和电容阵列是 的关键电路。本文采用了两级带预放大的 动态比较器和 冗余的电容阵列，用来减少比较器误判导致的误码情况。动态比较器本文所设计的动态比较器如图所示，其中包含一个预放大器和动态比较器。图中 是预放大电路，为 动态比较器。采用预放大加锁存器的结构可以有效减少回踢噪声，并且能提升比较器的速度和准确率。比较器复位阶段，为，将动态比较器输出 和复位到 ；比较阶段 ，预放大电路将和的差值进行放大。为了提高预放大电路的增益，和 以负阻连接方式接入电路，预放大电路的增益为，（）式中，和，分别为对应管子的跨导。当 管和 管的跨导值非常接近时，预放大电路得到一个比较高的增益。第二级的 比较器将预放大后的电压值进行锁存，得到最终的比较结果。图动态比较器电路图斜坡信号发生器斜坡信号发生器作为量化低 的关键电路，需要产生一个准确且稳定的斜坡。通常产生斜坡信号的电路有积分器和 ，但其都需要一个较高精度和较大带宽的放大器做缓冲级，并且受工艺失配影响较大，增大了设计难度。本文采用的斜坡发生器采用可控式电容充电斜坡发生器，避免了高精度、高带宽运放的使用，并且斜坡精度主要由时钟控制，对失配敏感度低，其电路如图所示。图斜坡信号发生器电路图其中，运算放大器和 管构成一个反馈回路，电容为弥勒电容，其作用是补偿环路的相位裕度。该环路将 漏端电压钳位在 。，和共同组成开关电阻，其等效阻值为（）式中，为控制，非交叠时钟的频率。在等效电阻产生一个恒定的电流，并且通过电流镜耦合到 。根据式（），可知该电流大小为 （）和组成低通滤波器，滤除开关时钟产生的高频噪声。组成一个 电流舵 ，以 电流为基准，并由 控制对电容的充电电流大小。为斜坡发生器的复位开关，用于控制斜坡产生的时间。通过调节时钟频率可为本文设计的列级 提供一个精准且可控的斜坡信号，并且通过加入 的数字控制信号，可以减小失配导致的斜坡精度降低。冗余电容阵列传统的二进制权重 阵列的每位电容权重等于其余低位电容权重之和。若比较器在中间过程中发生误判，就算后续所有判断都正确，最后结果仍会产生超过 的误差，进而引入较大的非线性。为了减少非线性，本文设计的电容阵列采用 冗余算法，将 对应的电容权重设置为，即每位电容权重小于其余低位电容权重之和。在逐次比较过程中，即使比较器在中间过程中发生误判，仍能保证正确的数字码输出。本文采用的 冗余算法如图所示，此时输入电压和相差 ，若比较器未出错，在 阶段结束时，与相差。若比较器在第三次判断时出错，则在 阶段计数时，与将相差，若 对应电容权重为，则比较器将不会发生翻转。本文提出的 冗余算法将 部分的权重设置为，即使比较器判断出错，依然可以逼近，使比较器发生翻转，从而保证了 的线性度。（）比较器未出错（）比较器出错图 冗余算法示意图 半导体光电 年 月第 卷第期刘宇帆 等：基于 架构的图像传感器专用高速列级 设计书书书仿真结果与版图本文采用 工艺，基于 仿真软件，对所提出的列级 进行了仿真验证。图 展 示 了 动 态 比 较 器 的 仿 真 结 果。在 时钟下，固定比较器正向输入端电压不变，反向输入端电压为正负 的斜坡。由图可知，当大于时，比较器输出信号 和发生翻转。由于动态比较器仅在时钟上升沿来临时改变输出，因此本文设计的比较器延时为 。中计数器时钟周期恰好为 ，因此比较器最大引入误差为 。图动态比较器仿真结果斜坡发生器的仿真结果如图所示。由图可知，斜坡发生器在后稳定，并在之后的每个转换周期内均能为 提供一个固定斜率的 信号。图斜坡发生器仿真结果图为 的仿真结果。在 的 时钟下，为采样阶段，和 分别被采样到和端的采样电容上；为 阶段，逐次逼近至；为 阶段，此阶段 计数时钟一直持续至比较器翻转。整个转换周期为，而在相同条件下传统 的转换周期约为，由此可见本文设计的 的转换时间大幅缩短。图 仿真结果图展示了本文设计 的静态特性仿真结果，在的采样率下，可以看出 的微分非线性（）为 ，积分非线性（）为 。结果表明，本文所提出的 冗余算法可以有效保证 的线性度，使其满足图像传感器读出链对列级 的要求。图 和 仿真结果图 展示了本文设计 的动态特性仿真结果，在的采样率下，可以看出信噪失真比图 动态特性仿真结果 （）为 ，无杂散动态范围（）为 ，总谐波失真（）为 。本文设计的 基于 工艺实 现，版 图 布 局 如 图 所 示，单 列 面积为 ，相较文献 的面积缩小了近。图 版图总结本文采用混合 和 的方式设计了一款应用于图像传感器读出链的列级 。其转换时间由传统 的 缩短到，版图面积与文献 的相比也减小了，在不消耗较大面积情况下，将极大地提高图像传感器的帧率。采用 冗余算法使 的线性度得到保证。在的转换时间下可实现 的 和 的 ，有效位数为 。参考文献：，（），：，（）：，（）：，（）：，（），：，（）：，（），：，（）：作者简介：刘宇帆（），男，河南省焦作市人，硕士研究生，主要研究方向为列级模数转换器的设计；常玉春（），男，博士，教授，博士生导师，研究方向包括 图像传感器及图像信号处理电路等。半导体光电 年 月第 卷第期刘宇帆 等：基于 架构的图像传感器专用高速列级 设计