Design of a 12bit Single Ramp ADC with time to digital converter for TDI CMOS Image Sensor

CMOS 图像传感器中列级 ADC 的设计

目录

应用 TDC 技术的单斜列级 ADC 的优点

ADC 的整体架构

各个模块的设计与仿真

后续工作

应用 TDC 技术的 ADC 的国内外进展

Advantages of Single Ramp ADC with time to digital converter for TDI CMOS Image Sensor

优点：一、解决了传统单斜 ADC 速度的限制 二、相应的分辨率可以增大 三、保留了可应用于列级 TDI CMOS

图像传感器和一致性好的优点。

Time to digital-single slope ADC 整体架构

架构四部分 : 一、斜坡发生器和比较器得到电压到时间段的转换； 二、计数器粗量化六位 , 所得到的数字码作为最高有效位； 三、 TDC 量化计数器所剩余的余量得到六位最低有效位； 四、最后将两部量化结果融合得到量化结果。

各组分电路图：斜坡发生器——开关电容积分器电路图

由电路图可知：电路包含高增益运算放大器、高速 MOS开关、积分电容。复位信号控制 MOS 开关决定斜坡电压的运算范围。斜坡电压的斜率由基准电流和电容决定。

斜坡发生器——开关电容积分器斜坡的模型即传输函数为：

A 是运放的增益， Vref 和 Iref 分别是基准电压和基准电流， C 是积分电容。 T 是复位信号的周期。

斜坡电压的线性度主要取决于基准电流，由常电流镜产生。

(t)

0

1(t) (V )

1

T

ramp ref ref

AV I dt

A C

斜坡发生器——开关电容积分器仿真结果

运用斜坡发生器可以增大速度的原因？

• 速度增大，同样的分辨率速度可以变快，因为传统单斜受到台阶个数的限制T*2N , 因此限制了速度。 TDI-single-slope ADC 不受台阶限制，分辨率相同的情况下大大提高了速度。

比较器：比较电压的差值

• 将比较器和斜坡发生器一起得到电压到时间的转换：时序和仿真结果如下：

TDC------TIME TO DIGITAL CONVERTER基本架构和原理

• Delay-line-based TDCs

将 D 触发器得到的温度计码转为二进制码或格雷码

TDC------TIME TO DIGITAL CONVERTER

• 运算时序图：

量化的时间段为 T1+T3-T2

TDC------ 计数器粗量化时间段 T3

• 由计数器量化八位最高有效位 MSB

• 由 TDC 量化余下四位最低有效位 LSB

延迟单元的设计 电流饥饿型反相器

• 延迟单元是 TDC 最重要的元件

延迟单元的设计vctrl td(ps

)1.8 304.4

1.6 305

1.4 305.7

1.2 307.5

1 311.4

0.95 314.4

0.9 317.2

0.85 320.7

0.8 324.2

0.6 425.6

DLL 模块用于确保分辨率，降低分辨率受工艺和环境的干扰

D

Q

D

Q

D

Q

D

Q

Start

Stop

PD Charge pump

D D D DCLK

Vbi as

Vbi as