TDI 型 CMOS 图像传感器中的列级 ADC 设计

TDI 型 CMOS 图像传感器中的列级 ADC 设计

吕涛

课题背景及意义

时间延迟积分（ TDI ）型 CMOS 图像传感器可以把对同一物体多次曝光得到的信号进行低噪声累加，因此能够达到很高的灵敏度和信噪比，非常适合应用在暗光拍摄和高速扫描拍摄的条件下，在工业检测和航空拍摄等领域具有很高的应用价值。

ADC 是 TDI 型 CMOS 图像传感器的重要组成部分，实现了将模拟信号转换为数字信号的功能。

CIS 中的列级 ADC

CIS 中的读出电路架构主要有列级 ADC 、芯片级 ADC 和像素级 ADC 。

列级 ADC 与芯片级 ADC 相比，对 ADC 速度要求较低，降低了设计难度；与像素级 ADC相比，提高了填充因子，从而提高了光电转换效率，因此列级 ADC 得到了广泛应用

CMOS 图像传感器中常用的列级 ADC 有：单斜 ADC 、循环 ADC 和逐次逼近 ADC 。

其中，列级单斜 ADC 应用最为广泛。

列级单斜 ADC

结构：各列共用的斜坡发生器和

计数器；每列只需一个比较器、锁存器。

原理：首先采样输入信号 VIN ，

然后产生斜坡电压 VRAMP 与VIN 进行比较，当 VRAMP 大于VIN 时，比较器输出发生翻转，寄存器将保存此时的计数器值作为量化结果。

优点：结构简单，面积小。共用 DAC ，一致性好。

缺点：转换时间长。 N 位至少需

要个时钟周期。

斜坡发生器

比较器+-

计数器寄存器

Vin1

Vramp

第1列

比较器+-

寄存器

Vin2

第2列

……

V

t

Vramp

Vin

计数器值

Multiple-Ramp ADC

采用多个不同区间的斜坡电压来同时进行量化，可成倍增快量化速率。

量化过程分为粗量化和细量化两步。

缺点：但是需要多个斜坡发生器，结构复杂；功耗大。

我的设计

改进多斜坡列级 ADC 。斜坡发生器同时产生多路斜坡电压，但每个斜坡需要一个 buffer 来驱动所有列比较器，此 buffer 的功耗非常大，所以随着斜坡数量的增多，功耗也会大大增加。

对此结构进行改进，改为只有一个斜坡电压，但有多个参考电压的结构。

两步单斜 ADC

斜坡及多参考电压产生器

Vin1- Vin1+ Vin2- Vin2+

Vref1

Vref2

Vrefk

Vramp

逻辑电路及存储电路

控制电路及计数器

Vin1- Vin1+

第1列

……比较器

数字输出

Vrefp

VrefnS1

S2

Sk

……

……



Vin2- Vin2+

第2列

比较器

S1

S2

Sk

……

t

V Vramp

Vrefk

Vref2

Vref1Vrefn

Vrefp

… …

斜坡及参考电压产生器产生斜坡电压 Vramp 及 k 个参考电压Vref1~Vrefk ，提供给各列使用。斜坡电压的范围为量化范围的 1/k 。各个参考电压将量化范围等分为 k 个细量化区间。

每一列电路包括比较器、多路选择开关、逻辑电路及存储电路。

粗量化细量化

Vin1+

Vin1-

VR=Vin1+-Vin1-

Vsig

Vref1

(Vrefn)

Vref2

Vref3

Vrefk

Vrefp

0

比较器输出

Vref4

… …

refVk

ref-1 Vkk（）

ref-2 Vkk（）

refV

(a)

(b)

(c)

工作原理



Vref1

Vref2

Vrefk

Vramp



Vin1- Vin1+

第1列

……比较器

数字输出

Vrefp

VrefnS1

S2

Sk

……

……



Vin2- Vin2+

第2列

比较器

S1

S2

Sk

……

量化过程分为粗量化细量化

优点

对于一个 P 位的两步单斜 ADC ，若分为 M 位粗量化和 N 位细量化， P=M+N ，那么量化一次所需的时钟周期数为

与多斜坡 ADC 相比，只需一个斜坡，因此斜坡发生器的结构简单。

另外多斜坡 ADC 的每个斜坡且只需要一个 buffer来驱动所有列比较器，此 buffer 的功耗非常大；而本结构只需一个这样的 buffer 来驱动斜坡，各参考电也只需要接 buffer ，但驱动的是直流电平，因此功耗较低。

2 2M N

误差

其中的多个参考电压由电阻串联分压产生，并经过缓冲器以驱动各列电路。然而由于电阻失配、缓冲器运放失调等原因，会使各参考电压发生偏移，从而导致量化产生较大的误差。

t

Vramp

Vrefk

Vref2

Vref1

… …

VVrefp

Vrefn

误差校准

原有结构的基础上增加一列校准列，其输入连接 Vramp 和 Vref1 。为了避免偏移导致的盲区及丢码的问题，需要扩展斜坡电压的范围。



Vref1

Vref2

Vrefk

Vramp



Vin1- Vin1+

第1列

……比较器

数字输出

Vrefp

VrefnS1

S2

Sk

……

……



Vin2- Vin2+

第2列

比较器

S1

S2

Sk

……



校准列

比较器

S1

S2

Sk

……

校准模块

误差校准

将校准列的粗量化及细量化结果存储在校准模块的寄存器中，形成一个查找表，并随着每次量化的进行不断更新。

逐列读出其他各列的结果，并依次送入校准模块进行校准。利用如下公式即可即可校准得到最终的量化结果

其中 DC 和 DF1 分别为某列的粗量化结果和细量化结果， DF2 为在查找表中该粗量化值对应的校准列细量化结果。

11 22nout F C FD D D D

电路实现

要求 12 位精度， 32KHz 采样率， 1024 列。采用该新型的两步单斜 ADC 。采用八个参考

电压，即粗量化 3 位，细量化 10 位。主要电路：

斜坡发生器（ DAC ）多参考电压产生比较器其他逻辑电路

分段电容阵列 DAC

C C…

C

S0 S1

VrampRSTVrefl

Vrefh

X

… S31 S32

C

S30 S61

C CC

32

31Cs C

RS

T

MSB LSB

S2

C C

1

101

01

10

1

0

( )

m

i in

i i cmm

i c

out refh refl reflm

in

i cmm

i c

b Cb C C

C CV V V V

CC C

C C

当 DA 为 12 位时，即 n=12 ， m=6 时，理想输出为 1

0

2( )

4096

ni

i

out refh refl refl

bV V V V

电容失配分析电容失配会影响该 DA 的线性度编写Matlab脚本程序进行蒙特卡洛分析。假设电容失配

率满足正态分布，对每个电容产生一个满足该正态分布的随机值，计算最大的 INL 。最后将结果用直方图显示，直方图的横坐标为 INL ，单位为 LSB ，纵坐标表示 INL 的分布情况。

σ=0.1 % σ=0.07 % σ=0.05 %

电容值的选择

失配率 σ 0.1% 0.09% 0.08% 0.07% 0.05%

合格率INL≤0.5LSB

73% 82% 90% 96.5% 99.8%

不同失配率标准差 σ 下的合格率

综合考虑电容失配的影响和面积因素，选择失配率为 0.08% ，此时满足 INL 小于 0.5LSB 的合格率为90% ，单位电容的面积约为 1100 um2

多参考电压的产生

由于采用了校准结构，消除了多参考电压发生偏移的影响，因此可以采用简单的电阻串联分压来产生。

Vrefp

Vrefn

Vref4

Vref3

Vref2

Vref1

比较器

采用失调消除技术的三级级联比较器结构，每一级为采用二极管连接的七管运放。

能满足增益及速度要求，且能有效的消除比较器失调电压带来的误差。

S4

C1

C2

com1

S4

S5

com2

S5

C4

C3

S1

S1

S2

S2

Vin+

Vin-

Vramp

Vramp0

S3

S3Vdd

Gnd

S5

com3

S5

C6

C5

Vout-

Vout+Vos1 Vos2 Vos3

3 3 1 2 2 0 3out out in in ramp ramp osV V A A A V V V V V

M1 M2

M3 M4

Vin+ Vin-

Vout+

Vbiasn

VDD

Vout-

Vbiap

仿真结果输入信号为正弦波，采样频率 16KHz ，量化

1024 次，进行 FFT 分析

SNDR=83.61dBENOB=11.67bit

仿真结果：功耗

单个斜坡缓冲器功耗 8mW ，单个参考电压缓冲器功耗为 1.2mW ，若采用八个斜坡的多斜坡 ADC 结构，则缓冲器总功耗高达65.2mW ，而本结构的缓冲器总功耗仅为17.6mW 。

每列电路静态电流 24uA

版图

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TDI 型 CMOS 图像传感器 中 的 列 级 ADC 设 计

TDI 型 CMOS 图像传感器中的列级 ADC 设计