一种高优值cms图像传感器读出电路的设计.pdf

摘 要 近年来，CMOS 图像传感器 （CMOS Image Sensor, CIS ）以其高集成、高分辨 率、低功耗等优点取得了长足发展。随着 CIS 像素阵列不断扩大，读出速度和动态 范围 （Dynamic Range, DR ）的不断提高，它对读出电路的要求也越来越高，可以说 读出电路设计已成为 CIS 的瓶颈，如何设计一个高优值 （figure-of-merit, FOM ）的 读出电路成为摆在我们面前的重要课题。 本文针对影响读出电路的速度、功耗等因素进行了分析，设计了一个可用于 1M （1024x1024）像素 CIS （帧频 20fps ）中的高优值读出电路。该读出电路由相关双 采样 （correlated double sampling, CDS ）、可编程增益放大器(programmable gain amplifier, PGA)和接口电路三个子模块构成。采用 TSMC 0.18um 3.3V CIS 工艺完成 版图设计和流片，后仿结果表明该读出电路可使 1M （1024x1024）像素 CIS 的帧速 率达到 20fps （帧/秒），动态范围 73.9dB 。 论文重点研究了 CDS 和 PGA 的设计。针对传统 CDS 中易产生列FPN （Fixed Pattern Noise ）噪声，功耗和面积大的缺点，本问提出一中新的CDS 结构，该 CDS 电路仅需一个列放大器，可有效抑制列 FPN 噪声，同时功耗和面积比传统设计降低 一半。另外，我们提出了一种电容版图设计简单、反馈系数大、噪声小、线性度高 的 PGA 结构 。设计了一个 可调补偿电容的运算跨导放大器 （Operational Transconductance Amplifier, OTA ），通过补偿电容调节 OTA 带宽，大大降低了 PGA 功。 使用 Nanosim 仿真显示：在 25MHz 采样频率下， CDS 功耗仅为 1mW ；PGA 实现 6dB 步进，0~18dB 增益变化范围，精度为 12-bit ，功耗仅为 10mW；接口电路 功耗为 4mW 。整个读出电路的优值为 30 dBgMHz / mW 。 关键词：CMOS 图像传感器 读出电路 相关双采样 可编程增益放大器 I Abstract The main advantages of CMOS image sensors are their high level of integration, random accessibility, and low-power operation. In recent years, vision systems based on CMOS image sensors have acquired significant ground over those based on charge-coupled devices (CCD). Nowadays, CIS ’ dynamic range (DR) is become higher and higher. Besides, with the expanding array of pixel, improvement of reading speed, readout circuit design becomes a bottleneck. Therefore, designing a high high-figure-of-merit (FOM) readout circuit is real challenge. In this paper, the speed, noise, accuracy of readout circuit is thorough studied. And a high-figure-of-merit readout circuit for 1M（1024x1024）CIS is designed.