应用于CMOS图像传感器的非线性ADC

发布时间：2020-09-29 10:12

　　无透镜成像系统的出现使得细胞检测技术向低成本、便携化的方向发展,CMOS图像传感器作为系统中的成像部件,需有良好的图像采集能力。然而,该系统得到的细胞图像分辨率较低,且局部区域灰度值较接近,导致对比度下降无法快速分辨图像内容。这是因为图像传感器中所用的线性ADC电路处理的是均匀的信号范围,对于低对比度区域的信号则无法进行良好的线性转换。通过对细胞图像局部对比度提高的研究得知,需要采用一种非线性ADC电路结构,处理不均匀的输入信号范围。利用SS ASC(single-slope ADC,SS ADC)和特殊多频计数器设计了一种10-bit的非线性ADC电路,它主要由斜坡发生器、比较器和计数器等模块组成。其中子模块斜坡发生器是基于电流舵DAC结构,采用5+3+4的分段译码方式增加电流匹配性减小电路面积:比较器采用含有级联预放大器的再生比较器结构以达到系统对精度和速度的要求;为满足细胞图像重点区域细量化和非重点区域粗量化的处理,计数器设有多种参考频率,可根据不同输入类型进行重新配置。采用UMC 110 nm标准CMOS工艺完成了非线性ADC原理图和版图的设计与仿真,由前仿真得到该电路线性模式下的有效位数是9.04-bit,信噪比是57.8 dB:通过非线性模式下的A/D转换数据得到了低对比度工作模式和高对比度工作模式下的非线性响应曲线,其静态特性微分非线性为+0.34 LSB～-0.34 LSB,积分非线性为+0.78 LSB～-0.98 LSB。整体电路的版图面积为920 μm×750 μm,后仿真电路功耗为16.398 mW。最后,通过MATLAB软件分别模拟数字对比度拉伸算法和非线性ADC处理细胞图像的效果,可以得到后者处理下的重点区域灰度平均梯度由9.39×103增加到1.14×104,对比验证了非线性ADC处理下的图像细节更丰富。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;TP212
【部分图文】：

波形图,自举开关,栅压,输入输出

西安理工大学工程硕士专业学位论文为栅压自举开关在时域中的仿真波形在 20MHz 的时钟控制下，过 CLK 高电平采样低电平保持，得到红色的输出信号 Vout，幅值采样管 Ms 的栅压信号，从图中可以看出 Vin 与 VG的差值为恒定恒定，较普通开关改善了电阻的非线性影响

自举开关,栅压

图 3-6 栅压自举开关电路的输入输出波形图Fig.3-6 Input and Output Waveform of Gate-Voltage Boost Strap Switch栅压自举开关在频域下的仿真波形为验证最差条件下的结果样周期，输入采样频率为 2.09MHz 的正弦信号，对得到的输T 处理，从频谱结果中可以看出栅压自举开关的有效位数为 1DC 的要求，避免了采样开关因电阻变化产生的非线性影响 0.26 dB，信纳比为 67.53 dB，无杂散动态范围为 67.57 dB，也

对应关系,电流源

图 3-11 分段比和面积的对应关系Fig.3-11 Correlation between Segmentation Ratio andArea的设计可知本文的 DAC 用 5+3+4 的分段译码结构，而且单位流源阵列的电流值则分别为 1 μA 2 μA 4 μA 8 μA，和高 5 位温度计码的电流源阵列分别为 7 个 16μA 和 3所以必须注意各个电流源之间的匹配性同一种工艺制造际尺寸也不一定相同，最终导致晶体管的阈值沟道长有微小偏差，这些误差都是随机性的，虽然无法避免但准偏差与其尺寸的关系如式(3-8)表示[39]：222242( )THVIGS THWLV V IAA = + Aβ都是由工艺决定，VGS-VTH是 MOS 管的过驱动电压对单位电流标准偏差成反比，所以为减小电流源的匹配

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