（微电子学与固体电子学专业论文）hdr+tdi型cis时序控制电路的研究.pdf

摘要 时间延迟积分( t d i ) 技术是一种能获得较高的信噪比和灵敏度的先进技术。 传统上，时间延迟积分技术多使用电荷耦合器件c c d 工艺。但随着c m o s 图像传 感器的快速发展，通过标准c m o s t 艺实现的t d i 线阵图像传感器具有集成度高、 功耗低、低成本、：卷片可缝接等c c d 器件很难实现的优点。课题组自主研发了 t d i 型c i s 芯片，本文所研究的内容就是针对大动态范围( h d r ) t d i 型c m o s 图 像传感器的时序控制系统所展开的研究。 在对t d ic i s 最新研究进展和可行性分析的基础上，首先，本文基于沿扫描 方向的行滚筒式曝光方式实现了t d ic i s 的时序控制系统，采用自顶向下的设计 流程，设计并详细分析了像素阵列、累加器、列级a d c 和1 2 c 总线的时序控制 电路。然后，为了提高图像传感器的成像质量，基于双曝光技术，对时序控制电 路进行了优化，采用两种方式实现了动态范围的扩展：并提出了一种积分级数自 调节的工作模式，为了更好地适应多变的目标场景，此算法可以使图像传感器在 图像过亮、图像过暗、动态范围过窄、饱和区域过大这四种情况下自动进行积分 级数的调节，以拍摄出高质量的图像。最后，对优化后的时序控制系统进行仿真、 逻辑综合、布局布线、时序分析，最终流片；并对积分级数自调节的算法进行了 f p g a 验证。 时序控制电路部分与模拟部分结合验证，能够实现信号累加的功能并正确输 出。基于双曝光技术对控制时序进行优化，可实现动态范围的扩展，理论分析得 动态范围最大可增加4 2 d b ，而且这一动态范围扩展的原理对于其他结构的t d i c l s 具有通用性。对于积分级数自调节算法经f p g a 验证后，图像传感器可根据 当前光照和场景实时进行积分级数自动调节的功能，能够满足使用要求。 关键词：c m o s 图像传感器t d i 时序控制动态范围积分级数自调节 a bs t r a c t t i m e d e l a y i n t e g r a t i o n ( t d i ) i sa k i n do fa d v a n c e dt e c h n o l o g yw h i c hc a no b t a i n h i g h e rs i g n a l - t o n o i s er a t i o ( s n r ) a n dh i g h e rs e n s i t i v i t y t r a d i t i o n a l l y , t d li su s e d i n c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ( c c d ) t e c h n o l o g y h o w e v e rw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o f c m o si m a g es e n s o r ，t h et d il i n e a ra r r a yi m a g es e n s o ru s i n gt h es t a n d a r dc m o s t e c h n o l o g yh a ss om a n ya d v a n t a g e ss u c h a st h eh i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n 1 0 wc o s ta n ds oo n a l lo ft h e s ea d v a n t a g e sa r ed i f f i c u l t t or e a l i z ei n c c d o u rg r o u pi n d e p e n d e n t l yr e s e a r c ha n dd e v e l o pt d ic i sc h i p ，s ot h er e s e a r c ho f t h i sp a p e ri so nt h et i m i n gc o n t r o i s y s t e mf o rh d r ( h i g hd y n a m i cr a n g e ) - t d ic m o s i m a g e s e n s o r t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h el a t e s tr e s e a r c hp r o g r e s so ft d i c i s f i r s to fa 1 1 t h et i m i n gc o n t r o lc i r c u i to f1 0 2 4 x 1 2 8t i m e - d e l a y - i n t e g r a t i o n ( t d i ) c m o si m a g es e n s o rw a sd e s i g n e du s i n gt h et o p - d o w nd e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n g t i r n i n gc o n t r o lc i r c u i t so fp i x e la r r a y , a c c u m u l a t o r , a n dc o l u m nl e v e la d c a n d1 2 cb u s i m p l e m e n tt h es y n c h r o n i z a t i o n o fc h a r g et r a n s f e rb e t w e e np i x e l s a n d s i g n a l a c c u m u l a t i o n ，b a s e do na l o n g - t r a c k - r o l l i n ge x p o s u r em o d ea n dt h r o u g hi n c r e a s i n g t h e “q u e n c yo fe x p o s u r e t h e n ，i no r d e rt o r a i s et h ei m a g eq u a l i t y , b a s e do nd o u b l e e x p o s u r et e c h n i q u e ，t h et i m i n gc o n t r o lc i r c u i t s a r eo p t i m i z e d ，a n dt w om e t h o d sa r e i m p k ：m e n t e dt or e a l i z eh d r i na d d i t i o n ，as e l f - a d j u s tm o d eo fi n t e g r a t i o ns t a g e s i s p u tf o r w a r d ，i no r d e rt o b e t t e ra d a p tt oc h a n g e f u lt a r g e ts c e n e t h i sa l g o r i t h mc a n m a k ei m a g es e n s o rs e l f - a d j u s tt ot h ec h a n g e f u lc a s e ss u c ha sb r i g h t ，d a r k ，n a r r o w d y n a m i cr a n g e 1 a r g es a t u r a t e da r e a ，t op r o d u c eah i g hq u a l i t yi m a g e s f i n a l l y , a s t o t h d io p t i m i z e dt i m i n gc o n t r o l l e rs i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，p l a c e & r o u t e ，a n dt i m i n g 甜l a l y s i s ，f m a l l yt a p eo u t t h es e l f - a d j u s ta l g o r i t h mo fi n t e g r a t i o ns t a g e si sv e r i f i e d o n f p g a t i l t l i i l gc o n t r o lc i r c u i tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n o ft d ia n dh d ra r e rp o s t s i m u l a t i o nc o m b i n i n gt h ed i g i t a la n da n a l o gc i r c u i t s b a s e do nd o u b l e 。e x p o s u r e t h eo p t i m i z e dc i r c u i t sc a nr e a l i z et h ee x p a n s i o no fd y n a m i cr a n g e t h e a n a l y s i ss h o w st h a tt h em a x i m u md y n a m i cr a n g ei s i n c r e a s e db y4 2 d b ， a n dt h ep r i n c i p l eo fd y n a m i cr a n g ee x p a n s i o nf o ro t h e rs t r u c t u r e so ft d ic i si s v e r s a t i l e t h es e l f - a d j u s ta l g o r i t h mo fi n t e g r a t i o ns t a g e si sv e r i f i e do nf p g a ，a n d t h e i n t e g r a t es t a g e sc a nb ea u t o m a t i c a l l ya d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts c e n ei n r e a l - t i m e ，w h i c hc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c m o si m a g es e n s o r , t d i ，t i m i n gc o n t r o l ，d y n a m i cr a n g e ， s e l f a d j u s to fi n t e g r a t i o ns t a g e s 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d i 技术的应用 在很多成像应用中，场景和图像探测器是相对运动的，并且有恒定或已知的 相对速度，如文件扫描，传输带检测系统，从卫星或者航天飞机上对地球进行观 测成像等，在这些情况下，人们常用一维像素阵列进行多次曝光，通过线阵扫描 产_ 生二维图像。但这种线阵扫描方式有一个明显的缺陷：由于相对运动，每个探 测点的曝光时间是有限的，严重限制了信噪比( s n r ) ，即图像信号和噪声的比 值。因此，时间延迟积分( t d i ) 的技术便应运而生。 t d i ( t i m ed e l a ya n di n t e g r a t i o n ) 技术是将一维图像传感器改为面阵，沿着传 感器移动方向加入多行像素，使得同列的像素能够对同一物体进行多次曝光，将 多欧曝光结果进行累加，等效于延长光信号积分时间，大幅提高光能吸收【l 】。 由于对曝光结果的累加过程中，信号是以电压幅度的形式进行叠加，而噪声是以 功率的形式进行叠加，也就是说噪声的电压幅度是按照均方根的方式进行相加 的，直观上的理解就是信号的能量增长速度大于噪声的能量增长速度，因此随着 累加光生信号的次数的增加，信噪比( s n r ) 也不断提升【2 】【3 】。所以t d i 工作 方武是一种能获得较高的信噪比( s n r ) 和灵敏度的先进技术。 线阵图像传感器广泛采用t d i 的工作方式，采用面阵结构实现线阵扫描的 功能，弥补了一维线阵捕获二维图像时扫描速度严重影响曝光时间的缺陷，从而 改善图像传感器的信噪比和灵敏度。在光照水平比较低或相对运动速度比较大的 情况下，这种t d i 型线阵图像传感器是非常实用的 4 。这种扫描成像技术最早 由关国f a i r c h i l d 公司在7 0 年代初期开发并应用于航空照相侦察，现在已在航空 和航天遥感上得到广泛的应用，并在空间遥感、航空影像、物体外形尺寸测量、 位置和位移测量、工业检测控制、光谱和色谱的探测与分析、医疗x 射线成像、 安全等领域都有极其重要的应用价值。如图1 1 所示。 传统上，t d i 技术中多使用电荷耦合器件( c c d ) 工艺，因为c c d 像素间 电简直接累加并且无噪声，电荷转移具有同时性【5 】，因此t d i c c d 具有低噪声、 高灵敏度、动态范围较大等特点，应用比较广泛 6 】，目前t d i c c d 技术己趋于 成熟。但是，c c d 在应用过程中存在如下几个问题： ( 1 ) 抗空间辐射的能力比较差，即在辐射下，没有光信号时，传感器也会 有输出信号。 第一章绪论 一 1 ：o ， 霪 图1 1t d i 型图像传感器f 门应用领域 ( 2 ) c c d 器件所需要的驱动种类多，驱动与输出时序设计比较复杂。 ( 3 ) 图像电荷须经串行顺序输出才能到达输出端，功耗大，信号在传输过 程中产生衰减影响信号的质量。 ( 4 ) 制造工艺复杂，与通用集成电路制造工艺不兼容，体积、功耗无法进 一步减小。 ( 5 ) 目前我国在c c d 工艺领域仍与国际先进水平具有较大的差距，相关工 艺条件还无法满足空间成像、工业成像等高性能成像领域的应用。且由于c c d 工艺的制造工艺较为复杂，其核心技术仍掌握在美国、加拿人和日本等国际半导 体厂商手中，并且具有逐渐垄断的趋势，对我同空间技术领域的白主发展形成了 一定程度的威胁。 近些年来，集成电路工艺水平和设计水平显著提高，c i s ( c m o s 图像传感 器) 快速发展，改善了早期的工艺噪声高、暗电流人、光响应非一致性严重等不 良因素，并且具有集成度高、功耗低和成本低等优势 7 ，在许多应用领域已经 取代c c d 图像传感器，并不断拓展新的应用领域。但是通过标准c m o s 工艺实 现的t d i 线阵扫描功能有c c d 器件很难实现的优点 8 ，如： ( 1 ) 与数宁处理电路集成度高，减小体积降低成本； ( 2 ) 凭借c m o s 工艺的芯片缝接技术可以实现长线阵的图像传感器： ( 3 ) 可实现高集成度全色和多频谱的t d i 线阵图像传感器。 通过可行性分析，t d ic i s 可以弥补t d ic c d 其自身技术无法改良的缺陷。 它能够替代c c d 器件，是一种更有效的图像传感器形式 9 】。 1 2t d ic i s 的发展现状 国内外对于t d i c c d 图像传感器的研究起步较早，技术比较成熟，学术界 发表论文较多，工业界产品也很多，从8 级电荷累加到2 5 6 级电荷累加都有相应 的商业产品出现。近几年，国内外己开始了对t d i 型c i s 的研究和设计，但是 第一章绪论 起步较晚，大都还基本停留在理论研究和设计上，在工业界还没有发布成熟的电 子产品。通过标准c m o s 工艺实现的t d i 线阵图像传感的技术虽然还不成熟， 但比c c d 更有发展前景。 德国行星研究院的h a r a l dm i c h a e l i s 等人在2 0 0 5 年设计了2 5 6 0 x 1 6 的t d i c m o s 图像传感器i 1 0 】：2 0 0 9 年，c m o s i s 的g 6 r a l dl e p a g e 等人提出了几种可 行的t d ic m o s 图像传感器方案 4 】。国内也有相关的研究 1 l 】【1 2 ，北京大学的 高峻等人2 0 0 4 年提出了2 8 8 x 4t d ic m o s 图像传感器读出电路的设计方案 1 2 】。 参考相关文献【1 3 】【1 4 】【1 5 】，可以总结出一般均采用这两类设计方法：一种是将像 素重复曝光后的电压信号经积分器进行累加，如果不考虑积分器自身噪声和其他 非理想因素，经过n 次累加后，像素信号的信噪比提高、川倍，再将累加后的 信号经过模数转换器( a d c ) 进行量化：另一种是将像素产生的电压信号经源极 踉随器出来后先经过a d c 量化为数字信号，再将量化后的数字信号在数字域进 行累加，这样也能达到信号n 次累加后信噪比提高4 n 倍的目的，在数字域累 加的一个好处是不用考虑累加信号的溢出。 但是这些研究均是理论性的，几乎没有成功的产品。因为在实现t d i 型c i s 上还存在着难点和问题，如：怎样解决电荷转移不具有同时性的问题等 4 】。为 了解决这个问题，本论文设计了t d ic i s 的时序控制部分，基于沿扫描方向的行 滚筒式曝光方式，通过增加曝光频率解决c m o s 线阵图像传感器实现t d i 功能 时的电荷转移同时性和像素外信号累加同步性的问题，和模拟部分结合，实现了 t d i 架构的c i s 。 1 3 大动态范围t d ic i s 的研究背景 针对于t d i 型c i s ，其动态范围并不比普通的c i s 高 1 6 】，由于应用于高端 的监测场合较多，如遥感卫星监测，同一轨卫星图像中，在相同的曝光时间下， 不同区域所拍摄的图像亮度差别很大。要想使得不同时刻大部分目标场景和环境 所得到的图像都有丰富的层次，就必须要扩展t d ic i s 的动态范围，较小的动态 范围不可能实现高质量的图像。因此，t d ic i s 除了必须具备较大的动态范围外， 也需要传感器能够根据当前场景和光照实时进行自动曝光调节功能 1 7 】。所以， 在研究t d ic i s 的同时，提高图像质量、增大动态范围的研究则更有意义。而且 国内外对t d ic i s 的研究起步较晚，只是提出了相关的设计方案，对扩展t d ic i s 动态范围的研究还未有报道。 对于t d i 型图像传感系统来说，由于积分级数和曝光时间是可以控制的， 传感器在成像时的图像动态范围是随着成像参数而变化的。这就意味着提高成像 第一章绪论 质量可以考虑动态范围的扩展【1 8 。 c i s 的动态范围一般与可分辨的最小信号和可测量的最大信号相关，通常可 定义为：最大的非饱和信号与暗条件下噪声均方差之比。c i s 的动态范围越大， 所得到的图像颜色层次就越多，就越符合真实场景，质量就越好；也可以说c i s 的动态范围和其图像质量有等同的意义【1 9 】【2 0 】。 真实世界中，一般户外场景图像的动态范围都在1 0 0 d b 以上，特别是同时 包含亮光和暗光的场景，动态范围更大。另外，人眼的动态范围能达到2 0 0 d b 。 而一般的c i s 动态范围约6 5 7 5 d b ，在高性能应用领域受到了一定限制。如图 1 2 所示的同一场景的图像，左边的三幅图像是一般拍摄模式，只是曝光时间不 同，最右边的图像是高动态范围模式下所拍摄，很明湿最右边图像质量要高于左 边三幅图像。 图1 2不i 司动态范围的罔像列比 近年来，国内外关于扩展c i s 动态范围的研究非常广泛，提出了多种实现方 法。目前常用的方法有像素级和数字图像类处理两类。像素级扩展动态范围的方 法有连续实时对数读出电路技术、线性对数复合响应技术、以及光电二极管势阱 容量调节技术等 2 1 。数字图像处理( i m a g es i g n a lp r o c e s s i n g ) 扩展动态范围的 方法有全光谱曝光技术、多次曝光采样技术、局部曝光技术等 2 2 1 。像素级扩展 图像动态范围的方法多采用对数响应像素结构，结构简单，效果明显。但随机噪 声较为严重，漏电流较大 2 3 2 4 1 。数宁图像处理类的全光谱曝光技术图像质量 较高，但数据处理工作量大，速度方面受到限制。多次曝光采样技术需要大量的 存储单元对多幅图像进行缓存，同时也会降低帧率，若目标场景有运动的物体， 图像也会产生拖影，影响图像质量 2 5 。局部曝光技术对丁光强的预判需要复杂 的电路实现，且图像处理单元也要求很高，在硬件实现上存在很大困难，在实际 应_ f j 中也受到了很多5 艮帝1 j 2 6 。 权衡各种方法，本文针对多次曝光技术对t d ic i s 的动态范围扩展展开研 究。多次曝光技术也可在像素内实现，也可以由数字图像处理实现。 像素内多次曝光技术1 2 4 2 7 通过5 t 像素结构中p d 节点( p h o t od i o d e ) 曝 光多次，收集强光区和弱光区的光电荷，然后依次输入到f d 节点( f l o a t i n g d i f f u s i o n ) 进行信号综合，得到动态范围较人的信号。这类技术扩展动态范围效 第一章绪论 果比较明显，但是对像素结构有一定要求，并且这种结构在暗光下响应时间长， 同时对器件参数十分敏感，随机噪声较为严重，信噪比降低影响图像质量。 芯片外数字图像处理的多次曝光采样技术是对同一场景进行多次曝光，对弱 光区域采用长曝光时间，强光区域采用短曝光时间，生成多幅图像通过特定算法 进行融合从而得到最终的高动态范围图像。此类技术方法很多 2 3 2 8 】，不降低 信噪比，但多次曝光过程需要对图像进行缓存，需要大容量存储，同时降低了帧 率。另外，场景中若存在运动物体，合成后的图像会存在拖影，影响图像质量。 基于实现t d i 功能的图像传感器的特殊结构，并结合t d ic i s 的曝光特点 和工作方式，本文基于多次曝光技术提出了两种实现动态范围扩展方法，这两种 方法并不改变像素结构的设计方案，只是对控制时序进行改变和优化，对于多种 能实现t d i 功能的图像传感器，这种思想和方法是通用的。尤其是第二种方案 只是优化了传感器的时序，将不同曝光时间的光信号累加输出，直接得到处理后 的图像，既不需要存储，又不用改变像素结构。既避免了解决像素内多次曝光的 结构复杂、噪声大的问题，又避免了芯片外处理的高存储量、帧率降低的问题。 但是鉴于多次曝光的时序控制电路的实现难度、面积和功耗的综合考虑，本文提 出了比较合适的实现方案：双曝光时序控制。 此外，目前通常是采用人为控制指令调节t d ic i s 的积分级数，这种控制方 式比较简单，虽然能保证图像传感器正常工作，但是并不能满足有效图像信号输 出最大化的原则，更不能适应目标场景和光照情况的变化。所以本文并提出了一 种可应用于t d ic i s 的积分级数自调节的算法，即曝光级数根据外部场景的变化 自动调节，这种方法先统计当前帧的数据，得到的相关参数被应用到下一帧，改 变累加的积分时间，实时的进行参数调整。 1 4 论文内容安排 本论文主要研究了t d ic m o s 图像传感器的时序控制系统，并对控制时序 进行优化，提出了两种可扩展动态范围的时序控制方案和积分级数自调节算法。 对优化后的时序控制进行半定制设计，并逻辑综合和布局布线，验证无误后并进 行流片；积分级数自调节算法通过f p g a 进行验证。具体章节安排如下： 第一章简要介绍了t d i 技术的发展和应用，并介绍了大动态范围的t d ic i s 的国内外发展现状和研究背景。 第二章主要介绍了模拟域累加的t d i c i s 的基本结构和工作原理，包括像素 阵歹i j 、累加器、列级a d c 、电压电流基准、时序控制等部分。 第三章详细分析了t d ic i s 的时序控制系统的三个模块：像素阵列和累加器 第一章绪论 时序控制、列级a d c 时序控制和1 2 c 总线控制。 第四章对已有的时序进行改进和优化，实现动态范围的扩展，提出两种可扩 展动态范围的双曝光方案；为了适应目标场景多变的情况，还提出了一种积分级 数自调节的算法。 第五章对优化后的时序控制系统进行验证、逻辑综合、布局布线，基于f p g a 还对积分级数自调节算法进行了验证。 第六章对本论文进行了总结，对设计方案的缺点提出建议，并对本课题的发 展方向做了展望。 6 第二章t d ic i s 的结构和工作原理 第二章t d ic i s 的结构和工作原理 t d ic m o s 图像传感器以面阵实现线阵扫描的功能，本课题设计的t d i c m o s 图像传感器芯片是采用沿扫描方向的行滚筒式曝光方式 ( a l o n g - t r a c k r o l l i n g ) ，有源像素输出信号经过像素内源极跟随器驱动累加器，信 号经过模拟域累加后输出给列级a d c ，最终由a d c 进行量化输出，其中相关控 制信号通过1 2 c 进行控制和输出，结构简化图如图2 1 。 2 , 1t d ic i s 的设计要求 图2 1t d i c i s 结构简化图 。t d ic m o s 图像传感器的图像分辨率是1 0 2 4 1 2 8 ，使用标准c m o s 工艺， 输出精度为1 0 b i t ，t d i 技术是1 2 8 级。 根据a l o n g t r a c k - r o l l i n g 曝光方式( 见3 1 节详解) 的需求，和1 0 2 4 1 2 8t d i c m o s 图像传感器的指标要求：数据读出速率大于8 mp i x e f s ，可得到对行渡越 时间t l 的要求为： 堕一1 0 2 4 8 m j t l - - 1 2 9 ，t s一一) j r t l1 2 8 ( 2 1 ) 即一列的像素信号要在1 2 9 p s 的时间内全部读出；累加器为1 2 9 级，控制时钟周 期为t l 1 2 9 = l i - t s ，即累加一组信号所需时间l l a s 。针对时序控制系统，可进行相 第二章t d ic i s 的结构和工作原理 关时序指标计算：单次行选时间为t l 1 2 9 ；复位像素信号读取时间为t l ( 1 2 9 x 2 ) ；等效总曝光时间为( 1 2 8 1 2 9 ) t l 1 2 8 ；累加器读出周期为( 1 2 8 1 2 9 ) h 。曝光时间和曝光强度均可通过1 2 c 总线进行调控。 2 2t d ic i s 的总体结构 图2 - 2 系统架构示意图 为了实现c m o s 图像传感器的设计要求，我们所采用的结构如图2 2 所示， 以面阵结构实现线阵扫描的功能，通过沿扫描方向的行滚筒( a l o n g t r a c k - r o l l i n g ) 曝光方式，有源像素输出信号经过像素内源极跟随器驱动累加器，信号经过累加 器1 2 8 次累加后输出给列级a d c ，最终由列级a d c 进行量化输出，其中相关量 化控制信号通过1 2 c 进行控制和输出。 传感器由以下几个模块组成：像素阵列、模拟信号处理模块、数字时序控制 第二章t d ic i s 的结构和工作原理 模块。 2 2 1 像素阵列 像素结构如图2 3 所示，使用4 t - p p d 有源像素。1 0 2 4 1 2 8 像素阵列如图 2 1 中位置所示，每列像素单总线输入到累加器，s e l 为行选信号，像素复位时间 r s t t l ( 1 2 9 2 ) = 5 0 0 n s ，t x 为曝光控制t x t l ( 1 2 9 2 ) = 5 0 0 n s ，采用沿扫描 方向的行滚筒式( a l o n g t r a c k - r o l l i n g ) 曝光的工作方式( 详细分析见3 1 节) ， 通过时序进行控制曝光。 s e l 厂 r s t 厂 t x 几 图2 - 34 t - p p d 有源像素电路图及工作时序 2 2 2 模拟信号处理模块 t d i 整体读出电路如图2 4 所示，对应端口下面将有介绍。有源p p d 像素输 出信号经过像素内源极跟随器驱动累加器，信号经过累加器1 2 8 次累加器后输出 给a d c ，最终由a d c 进行量化输出。 、 、一h c o 图2 - 4t d i c i s 读出模拟链路 ( 1 ) 累加器 模拟域累加器的端口如图2 5 。1 1 、r e s e t l 至1 1 2 9 、r e s e t l 2 9 为各级累加信 9 第二章i t ) ic i s 的结构和工作原理 号和复位信号：r e a d 为累加器读出信号，也是列级a d c 的输入信号；c l k l 和 c l k 2 是累加器所需要的两相不交叠时钟( 端口间时序关系详细分析见3 1 节) 。 索加器为1 2 9 级，控制时钟周期为t l 1 2 9 = l i - t s ，即累加一组信号所需时间1 1 t s 。 v c i k l g n dc i k l a 1 3 uc i - 【2 v _ 竹l r e s e t v h + l a 8 mj t l - 1 2 9 “s t l1 2 8 ( 3 1 ) 即一列的像素信号要在1 2 9 9 s 的时间内全部读出；累加器为1 2 9 级，控制时钟周期 为t j 1 2 9 = l p s ，即累加一组信号所需时间1 9 s 。针对时序控制系统，可进行相关时 序指标计算：单次行选时间为t l 1 2 9 ；复位像素信号读取时间为t d ( 1 2 9 x 2 ) ； 等效总曝光时间为( 1 2 8 1 2 9 ) t l 1 2 8 ；累加器读出周期为( 1 2 8 1 2 9 ) t l 。 像素阵列控制时序模块的端口如图3 2 所示，其中s t a r tr e s e t 和s t a r tc l k i 为启 动累加器工作的启动信号，c l kd i v 为所需要的分频信号，s e l n 、r s t n 、t x n 为每 级像素的行选信号、复位信号和曝光信号。 c l k 像素阵列 控制模块 p i x e l c t r l s e l l 2 8 r s t l 2 8 t x l 2 8 图3 - 2像素阵列控制模块端口 3 1 2 累加器时序控制 s e t k i 以四级t d i 为例分析累加器工作方式如表3 1 ，得像素阵列和累加器配合时序 聍 牡k小舭n|m一蹦僦吼 第三章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 如图3 3 所示，上半部分为像素阵列的时序，下半部分为累加器时序。1 1 、r e s e t l 至1 5 、r e s e t 5 为各级累加信号和复位信号，当到第4 个t l 时，累加器1 累加4 次， 读出信号r e a d 开始有效。s t a r tr e s e t 和s t a r tc l k l 配合为累加器的启动信号，高电 平脉冲有效；c l k l 和c l k 2 是累加器所需要的两相不交叠时钟。通过加入延时单 元的办法将像素的控制时序与累加器的控制时序进行同步处理，加入延时单元的 原则为像素阵列的延时要略大于累加器的控制时序即可。 表3 1四级t d i5 个累加器工作方式 1 6 第三章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 。e 里堕土 阴_ 瞪盏。 叫h 而i 面万 图3 - 3 像素阵列和累加器配合时序关系( 4 级) 3 1 3 设计实现与功能仿真 由于用1 2 8 级( 1 2 8 3 个输出信号) 输出，每一级和模拟部分连接的电路比 较大，造成整体接口电路过大，并考虑到后期加b u f f e r 的困难，所以采用先 产生一组周期信号t x 、s e l 和r s t 然后设计逻辑电路进行时序分配进而产生其 他信号的方式，分配到1 2 8 级。这里采用移位寄存电路的设计方式。 由于篇幅有限和可读性，仍以四级为例，将周期性信号t x 、s e l 和r s t 进 行电路分配，和已经得到的启动信号s t a r tr e s e t 和s t a r tc l k i 及其他时钟信号和 复位信号进行逻辑电路设计，得到所需要的像素阵列时序和累加器控制时序的电 路，逻辑电路如图3 4 ，先由数字代码得到周期性的信号，然后设计一组移位寄 存器，并与相关信号逻辑组合，得到需要的时序。这种方法比直接用v e r i l o g 实 现控制时序占用资源少，面积和功耗都大大减小。如果全部电路由代码逻辑综合 得到，每组信号都需要一组庞大的移位寄存器，而且输出较多，与模拟电路结合 时布线困难。 其中通过加入延时单元的办法将像素的控制时序与累加器的控制时序进行 同步处理，加入延时单元的原则即像素阵列的延时要略大于累加器的控制时序即 可，如图3 5 所示。 第一章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 图3 4像素阵列和累力器控制时序的分配电路 r s t t x c i k c l k i ll 图3 5延时单己的添加原则 r e s e t l r e s e t 2 g e s e t 3 r e s e t 4 r e s e t 5 使用m o d e l s i m 6 5 对产生周期信号的代码进行功能仿真。仿真结果如图3 - 6 ： 包括i m h z 的分频时序e l kl m ，启动信号s t a r tr e s e t 和s t a r tc l k i ，及一组周期 的像 分配 素信号t x 、s e l 和r s t ，其中s e l 可由c i k1 m 得到。经过移位寄存器的 之后，便可得到图3 7 的像素阵列时序，直了前三行像素的时序。 图3 - 6一组周期性信号的仿真结果 第三章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 _ ； i 曩i i：| | 量蔓+r ! 一搿 ” ：z 7 ； 图3 7像素阵列控制时序的仿真结果 3 2 列级a d c 的时序控制模块 传感器采j _ f j 列级a d c 结构。首先由比较器对累加器的输出信号进行采样， 量化，翻转；再将比较器输出的翻转信号通过脉冲锁存器得到一个脉冲信号，控 制第一级寄存器来存储比较器翻转时对应的计数器值。经转码电路将二进制码转 到格雷码，使得锁存到寄存器里面的数据为格雷码。得到的信号数据通过第二级 寄存信号输入到多路选择器，列选后由第三级寄存器实现信号的同步性，即可输 出数字信号。 其控制电路端口如图3 8 。主时钟为1 0 m h z ，r e a d o u t ( 占空比为5 ：1 7 5 0 ) 信 号既有参考时钟功能，又有复位功能，在单时钟域代码编写中，如果敏感信号i l 一 有r e a d o u t ，会导致逻辑综合过程出现逻辑混乱，综合不通过。凶此当用到r e a d o u t 时钟功能时，产生一个检测信号，使用检测信号使计数器开始工作。 列级a d c 卜 时序控制 第二级寄存器 - 时序控制 o l 多路选择器 时序控制 第i 级寄存器 时序控制 s 1 s 2 s 3 s 4 s 3 i ) ar s t c tr s t c t - s e t 图3 - 8列级a d c 刚序控制端口 1 9 。k t 几 呲 曼 如 2，k t 1 s c r a 瓦 g t x 1 舱跳c一 q y 3 1 d k l ad 吼胁 一e a g n t e 1 ar l d 第三章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 3 2 1 列级a d c 时序控制 参考模拟组设计的列级a d c 结构，见2 1 2 节。对其时序分析如下： 比较器的工作过程：一是采样输入信号阶段；二是正常量化阶段，即用含有 1 0 2 4 个台阶的斜坡信号和输入信号做比较，当斜坡信号上升到比输入信号高时， 比较器由低电平翻转成高电平，产生一个上升沿；三是强制翻转阶段，如果输入 信号大于斜坡信号的最大值，即输入信号超出了量化范围，在此阶段需要加一个 大信号强制比较器翻转，否则在正常量化阶段比较器就不会翻转，不能得到有效 的上升沿。当以上三个阶段都完成后，等待下一次采样。比较器采用差分输入两 级级联，结构如图3 - 9 ( 参考模拟组的设计) ，分析可得到工作时序如图3 1 l 的 s l 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 。s 1 即为累加器的输出信号r e a d o u t ；s 2 为斜坡信号控制； d ar s t 信号和s 1 信号时序相同，控制斜坡发生器：s 4 和s 5 信号和r e a d 信号 也基本相同，只是s 5 的下降沿比s 4 的下降沿有一个微小延迟，r e a d 信号的下 降沿比s 5 信号有一个微小延迟；c tr s t 和c ts e t 是对二进制码计数器的控制。 图3 - 9 差分输入两级级联的比较器 。，耻碓一 。：4 u 1 牟乙一 。i|厂li厂 甜广 l广 i ： ： s ，_ _ l 图3 1 0 两级比较器时序图 第二寄存器采用和列级a d c 中寄存器相同的两级动态寄存器结构。寄存器 的控制信号r e g _ c l k 2 和主时钟以及列级a d c 中s 3 信号的对应关系如图3 1 1 所 不。 第三章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 s 3 ：f ： k 缈此4 翔毒4 图3 1 l第二级寄存器的时序 多路选择器可以采用移位寄存器的方法来实现，由1 0 2 4 个d 触发器构成， 如图3 - 1 2 所示，时序图如图3 - 1 3 所示，其中r e g _ c l k 2 代表多路选择器前面的寄 存器的时序，c l k 为主时钟的反相时钟。移位寄存器输入为d a t a ，每一个数据 串只有一个1 ，其余都是0 ，这样可以使数据为1 的列为选中的列，其余列不选 中。m u x r s t 是多路选择器的复位信号。 图3 1 2 移位寄存器结构的多路选择器 r e 此rr c o l _ = 蛐二三二 噩匝二二二二j 一c l k 兀1 兀邮唧唧n 卜m 咖呻盯哪丌帅咖n 兀 d a 诅n| | n 叫1r f _ 1r 图3 1 3多路选择器的时序图 第三极寄存器采用d 触发器结构。从格雷码n - 进制码转码电路中得到的 数据要经过第三级寄存器对数据进行同步，第三级寄存器不是每列用一个，而是 整个芯片共用一个，所以可以采用d 触发器结构，一个d 触发器用来寄存一位 数据，用十个d 触发器即可满足十位数据的寄存。寄存器的控制信号r e g c l k 3 和列选信号c o l 、行同步信号l i n e v a i d 以及输出时钟d a t a r e a d y 的对应 关系如图3 1 4 所示，其中r e gc l k 3 和主时钟相同，d a t a r e a d y 和主时钟的反相 时钟相同。 第三章t d ic i s 时序控制系统的设计与实现 d；# 二j 忑习i r 图3 1 4 寄存器的时序图 3 2 2 设计实现与功能仿真 综合上述所有模块，可以得到如图3 1 5 的整体时序关系。 ：采样信号i用t c , 2 4 4 - 台阶量化：强桃翻转：等待 ；采样信号；用1 0 2 4 介台阶- i t 化；强削翻转l 等待 c l k0 咖0 0 0 0 曲“00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 呻”0 咖1 000 唧”0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 0 呷 。，f # 竺竺= # 丰# ! r 1 # 年 o 一 。：# _ 厂- t * 盯 h o 。，ll 广 一i i l 广u 一一 。_ _ l 毒* l 厂1 上h 鼻一 。，_ ；ll_ l 叫 ； n 厂 il 厂 l c u 。l 厂可_ ii 厂可 浏：碲幕锰舔蕊薜儡一 丽d a t a 璧二：燮夏塑：! 瞪：舞 i ；h i h m u x _ r 毗# 斧专蔫司弦算芋二芊二莳书芋 图3 1 5列级a d c 数据量化读取时序 若用1 2 8 级，代码设计中采用3 个计数器，在累加器读出信号r e a d o u t ( s 1 ) 经过1 2 9 个周期，s 1 下降沿，行选信号开始工作，启动第二个计数器，到1 0 3 8 个主时钟周期，变为高电平，高电平维持1 0 2 4 个，此后低电平维持时间1 2 8 0 1 0 2 4 个周期，循环。由于行选信号工作后第一个周期和后面的周期信号有所不同，所 以从第二周期正式使用第三个计数器计数周期j 【作。使用m o d e l s i m 6 5 对代码进 行功能仿真。读出信号到达后的a d c 工作时序图( 第一个周期) 如图3 1 6 ，到 1 2 9 个r e a d o u t 高电平后，行选信号l i n e v a l i dy t ：始工作，如图3 1 7 。 0 时u 呱嘶lnnn “；删1n