高性能CMOS图像传感器阵列模数转换器的设计

发布时间：2020-10-27 22:33

　　 CIS广泛应用于消费电子、生产科研、军事国防等领域,随着CIS的不断发展,CIS片上集成ADC阵列,有助于提高系统集成度,增强信噪比,信号抗干扰能力和图像传感器读出速度。目前,人们对CIS的性能有了更多的需求,主要集中在高分辨率、高帧频、高动态范围三个方面。本论文对CIS片上列级ADC进行了研究和设计,并成功设计了一款应用于CIS的列级SAR ADC。本论文设计了一款精度为14bit,最高采样率为10MSPS的基于电荷重分配原理的分段电容式SAR ADC。由于CIS片上列级ADC是阵列结构,对面积和功耗的要求相当苛刻。但为了提高精度,就必须加大电容面积;加大电容就会增大ADC面积占用、增加功耗、减慢建立时间;提高比较器精度又进一步增大功耗。CIS片上集成SAR ADC的研究核心是在有限的面积内采用算法克服电容失配,同时解决比较器噪声、电路的不完全建立的问题,解决ADC精度、速度、面积、功耗之间的矛盾。本论文设计采用的是0.18μm 1P4M CMOS工艺,整体芯片面积为4700μm×2000μm。在该芯片上共设计64路列级SAR ADC,单路列级SAR ADC的版图面积为760μm×55μm。在1.8V供电电压下,单路SAR ADC功耗为1.18mW。在采样时钟频率为10MSPS,输入信号频率为4.873046875MHz时,电路仿真结果显示本论文设计的SAR ADC有效位数ENOB为13.19bit,信号与噪声和失真比SNDR为81.1dB,总谐波失真THD为-82.6dB,无杂散动态范围SFDR为82.8dB。该芯片初步测试结果表明,本论文所设计的SAR ADC有效位数为10.20bit,信号与噪声和失真比SNDR为63.2dB,总谐波失真THD为-69.9d B,无杂散动态范围SFDR为71.2dB。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN792;TP212
【部分图文】：

第一章 绪论2展。其中代表作如图1.1所示有分辨率高达1亿5千万像素大靶面CIS芯片GMAX3005，以及高灵敏度背照式 CIS 芯片 GSENCE400BSI。图 1.1 大靶面 CMOS 图像传感器 GMAX3005近年来，CIS 在消费电子和专业领域都取得了巨大成功，除极特殊应用场合外，已基本取代了传统的 CCD 图像传感器。CIS 片上集成模数转换器（Analog to DigitalConverter，ADC）阵列，有助于提高系统集成度，增强信噪比，信号抗干扰能力和图像传感器读出速度。目前，对 CIS 的性能有了更多的需求，体现在下面的三个关键指标：（1）高分辨率。早期的 CIS 分辨率是 VGA（640 480）级别；目前主流高清晰度电视（High Definition Television

图 1.1 大靶面 CMOS 图像传感器 GMAX3005IS 在消费电子和专业领域都取得了巨大成功，除极特殊应统的 CCD 图像传感器。CIS 片上集成模数转换器（AC）阵列，有助于提高系统集成度，增强信噪比，信号抗干度。目前，对 CIS 的性能有了更多的需求，体现在下面的辨率。早期的 CIS 分辨率是 VGA（640 480）级别；目前主inition Television，HDTV）制式中，1080p 要求单芯片彩色素，4K 级别为 3 千万像素；下一代 8K 版的超高清晰度电vision，UHDTV），对应单芯片彩色 CIS 需要 1.3 亿像素。

图 3.10 SARADC 传统二进制权重查找方式 ADC 转换和比较过程中可能存在的 DAC 电压不完全建立较器噪声导致的错误比较等，都会使得 SAR 逻辑控制单元电压进而产生错误的 DAC 输出电压。a）所示，以一个采用二进制电容权重的 SARADC 的前 4 位输入电压被划分为 16 个数量级， 为初始输入模拟信号电能输出的 16 个数量级的阈值电压。在比较过程中，比较比较结果，在第一次比较过程中，输入信号电压 低于 DA下降 8 个数量级再次进行比较，依次类推完成 SAR ADb）所示，在采用二进制电容权重的 SARADC 的第二次比 DAC 输出电压差值很小，由于可能存在的比较器噪声、D
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本文编号：2859161