（微电子学与固体电子学专业论文）用于cmos图像传感器的高精度列并行singleslopeadc.pdf

摘要 随着数码技术、半导体制造技术，以及网络的迅速发展，c m o s 图像传感器 成为当前以及未来市场关注的对象。目前c m o s 图像传感器主要朝着高分辨率、 高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向发展。这给电路设 计尤其是模拟电路的设计提出了严峻的挑战。作为模拟与数字电路的关键接口， 高性能的模拟数字转换器对整个设计系统的实现至关重要。 本文对现今的各种模数转换器结构进行了比较分析，针对c m o s 图像传感 器对模数转换器高数据吞吐量和高精度的要求，选择了列并行s i n g l e s l o p e 模数 转换器作为研究重点。论文从原理入手，系统分析了列并行s i n g l e s l o p e 结构模 数转换器的功能与特性，根据功能讲模数转换器划分为数模转换器、采样保持电 路、比较器、读出电路、基准电压源和数字模块，并分别就各子模块予以研究。 在列并行模数转换器理论的研究基础上着手实际电路的设计。 论文的主要创新点有： ( 1 ) 选择列并行模数转换器，特别适用于图像传感器高数据吞吐量的要求， 并有利于图像传感器向大像素阵列扩展。 ( 2 ) 采样保持电路，通过两次采样，消除c m o s 图像传感器中的f p n 噪 声。 ( 3 ) 比较器，采用输入失调电压存储结构，在缩小面积和降低功耗的同时， 达到了高精度的要求。 该a d c 在0 3 5 u r n 工艺下成功流片验证，测试结果表明，该a d c ，在5 0 m s s 的商数据吞吐量下，实现了c m o s 图像传感器的8 位精度的设计要求和1 7 3 5 r o w 的低功耗，以及0 6 2 m m 2 的芯片面积。a d c 的d n l 和i n l 分别为0 8 l s b 和 】0 9 6 1 s b 。 关键词：模数转换器、图像传感器、列并行、单斜 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y , t h es e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y , a n dt h en e t w o r k ，t h ec m o si m a g es e n s o rb e c o m e sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n - g e t t i n go ft h em a r k e t a tp r e s e n t ，t h ec m o si m a g es e n s o rm a i n l yd e v e l o p s t ot h eh i 曲r e s o l u t i o n , t h eh i g hd y n a m i cr a n g e ，t h eh i 曲s e n s i t i v i t y , t h eu l t r a m i c r o m i m a t u r i z a t i o n ，t h ed i g i t i z a t i o n ，t h em u l t i - p u r p o s ed i r e c t i o n a l lo ft h e s eb d n g m o r ec h a l l e n g et oi cd e s i g ne s p e c i a l l yt oa n a l o gi cd e s i g n a sas p e c i a li n t e r f a c e c o n n e c t i n ga n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i t s ，h i g hp e r f o r m a n c ea n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e ri s m u c hm o r ei m p o r t a n ti nw h o l es y s t e md e s i g n f o rt h er e q u i r e m e n to f h i 【g hd a t at h r o u g h p u ta n dh i 曲r e s o l u t i o no f c m o si m a g e s e n s o r t h i sp a p e rc h o o s e sc o l u m np a r a l l e ls i n g l e s l o p ea d ca sa no b j e c tt os t u d y , a f t e ra n a l y s i ss o m ea d cs t r u c t u r en o w a d a y s b e g i n n i n gw i t ht h ep r i n c i p l eo ft h e c o l u m np a r a l l e ls i n g l e s l o p ea d c ，t h et h e s i sa n a l y s i si t sf i m c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s ， t h e np a r t ss y s t e mi n t od i g i t a l - t o a n a l o gc o n v e r t e r s a m p l e h o l dc i r c u i t , c o m p a r a t o r , r e a d o u tc i r c u i t ，b a n d g a pr e f e r e n c e ，a n dd i g i t a lm o d u l e b a s e do na l lt h es t u d ya b o v e ，a r e a lc o l u m np a r a l l e ls i n g l e s l o p ea d cc i r c u i ti sd e s i g n e d t h em a j o ri n n o v a t i o n so f t h ep a p e ra r e ： ( 1 ) t h ec o l u m np a r a l l e la d ch a sh i g hd a t at h r o u g h p u t ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n to ft h ec m o si m a g es e n s o r t h ec o l u m np a r a l l e la d ca l s of a v o r st h e e x p a n s i o no f t h ep i x e la r r a y ( 2 ) as a m p l e h o l dc i r c u i ti sd e s i g n e d ，w h i c he l i m i n a t e st h ef p nn o i s eo ft h e c m o s i m a g es e n s o rb yd o u b l es a m p l i n g ( 3 ) t h ec o m p a r a t o ru s e st h ei n p u to f f s e ts t o r a g et e c h n o l o g y , w h i c hr e a l i z e st h e h i g hr e s o l u t i o nw h i l er e d u c i n gt h ea r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o n t h ea d ci ss u c c e s s f u l l yt a p e do u tw i t ho 3 5 u r np r o c e s s ，t h et e s t i n gr e s u l ts h o w s t h a t , t h ep r e s e n t e da d ca c h i e v e sa8 - b i tr e s o l u t i o ni n5 0 m s sh i g hs p e e d ，w h i c hi s r e q u i r e db yc m o si m a g es e n s o r ，w h i l ed i s s i p a t i n g9 5 m wa n dc o s t i n go 6 2 m m 2a r e a t h ed n la n di n lo f t h ea d ca r e0 8 l s ba n d1 1 l s br e s p e c t i v e l y k e y w o r d ：a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r , i m a g es e n s o r ，c o l u m np a r a l l e l ，s i n g l e - s l o p e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：) d 0 6 年月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：狲司多 签字日期：如0 年z 月l 亨日 新始撕炙 签字日期：一6 年月伊日 第一章绪论 1 1c m o s 图像传感器概述 1 1 1 图像传感器发展现状 第一章绪论 数码相机等图像消费类电子产品产业正在飞速发展，这使得图像传感器的研 制获得巨大的市场支持。目前广泛使用的图像传感器主要是以下两种：电荷耦合 器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 和c m o s 图像传感器( c m o si m a g e s e n s o r ，简称c i s ) 。 目前，应用最为普遍，发展较迅速的c c d ，是一种利用内光电效应由单个 光敏元构成的光传感器的集成化，它集电荷存储、移位和输出为一体，具有集成 度高、几何尺寸小、灵敏度高、光谱响应范围宽、动态范围大、读出噪声小等优 图1 1 一种典型的隔行传输c c d 图像传感器的模块图 点。图1 1 是一种典型的隔行传输c c d 图像传感器的模块图。c c d 已在摄像、 图像采集、扫描仪及工业测量等领域广泛应用。虽然c c d 在技术上比较成熟， 但它也存在局限性1 1 】，如： ( 1 ) 像素阵列需要大量的时钟控制信号，复杂且成本高。 ( 2 ) c c d 采用特殊工艺实现，因此难于与逻辑和存储单元单片集成。由于 难于与c m o s 工艺集成，限制了c c d 集成化的发展。 ( 3 ) 需要专门的工艺线，制作成本高 ( 4 ) 电源电压较高，功耗大 ( 5 ) 不能随机读取，限制了应用领域 而与传统的c c d 图像传感器相比，c m o s 图像传感器具有以下优点，使得 c m o s 图像传感器在研究和工业领域都获得了更多地关注： 第一章绪论 ( 1 ) 避免了电荷转移效率的限制：c c d 电荷转移效率( c h a r g et r a n s f e r e f f i c i e n c y ，简称c t e ) 被定义为在一定时钟频率下，一个电荷包在一次转移中 被正确地转移的百分比，它代表了c c d 接收的电荷不被损失的能力。由于c c d 内陷阱或缺陷的存在，使其电荷在转移过程中不可避免地被损失，致使电荷转移 效率下降，制约了c c d 内高地电荷转移率。对于c m 0 s 有源像素图像传感器， 由于电荷在单个像素内传输，不需要经过远距离输送而到达输出放大器，所以不 存在电荷转移效率限制的问题。 ( 2 ) 电源功率消耗更低：c c d 大多需要三种电源供电，功耗较大。c i s 只需一个单电源供电，这在很大程度上减小了系统的功率损耗。在c c d 成像 系统中，信号放大电路、用于减小噪声的相关双取样电路及模数转换器均为离片 设计，这就需要为这些分离电路提供定时、时钟驱动和信号链函数，所以将消耗 很大的系统功率。而实用的c m o s 成像系统由于大多数功能都在c m o s 图像传 感器芯片内实现，不需要有特殊的外围支持电路，所以一般的，c l s 系统的功耗 可以比c c d 系统的功耗低l o 1 0 0 倍，从而大大改善了系统的性能。这对于一 些便携设备来说，是非常重要的。 ( 3 ) 成本更低：c c d 是用特殊的工艺生产的，而c m o s 传感器能利用其 它半导体器件所用的现有的生产工艺和设备进行制造，因此可以大大地降低生产 成本，制造一个c i s 地成本只有用特殊方法制造同样功能c c d 片地三分之一。 更紧凑地结构降低了故障，增加了系统地可靠性，减少了对外围支持芯片封装地 需求，从而将进一步降低成本。 ( 4 ) 工艺成熟：c m o s 工艺的使用已经有相当长的一段时间了，并且在这 段时间里很多工程师和专家都致力与工艺的改进，使得c m o s 工艺获得了很好 的发展，成为成熟的完善的工艺。 目前，c m o s 图像传感器已成为图像传感器领域中研究开发的新热点。国外 研究开发c m o s 图像传感器的科研机构和公司也很多，如英国的v l s i v i s i o n 、 美国的p h o t o b i t 和o m n iv i s i o n ，另外还有m o t o r o l a 、k o d a k 、r o c k w e l l 、i n t e l 、 t o s h i b a 等公司。它们都在c i s 的研究上取得了令人满意的结构，极大的推动了 c m o s 图像传感器的快速发展。 在国内，c m o s 图像传感器的研究起步较晚，目前从事c i s 开发研究的单 位也不多，相对于国外在c i s 研究领域中已经取得的成就，我们还存在着很大的 差距。 1 1 2c m o s 图像传感器基本结构 c m o s 图像传感器是用标准的c m o s 工艺实现的。一般的c m o s 图像传感 器包含以下几个功能模块，如图1 - 2 所示。 2 第一章绪论 控 制 电 路 麟豁俐渊| | 时序电路 图1 - 2c m o s 图像传感器整体框图 ( 1 ) 像素单元阵列 像素单元阵列的主要用途是收集有用的光信号，并将此光信号转化为与其大 小成比例的光生电信号，以便于后期电路对信号的处理。 ( 2 ) 模拟信号处理电路 模拟信号处理电路完成信号的积分、放大、取样和保持功能，通过采用相关双采样、双取 样以及y 校正等处理电路可以有效地将信号噪声减到最小。 ( 3 ) 控制电路 为了获得质量合格地实用产品，芯片中包含了各种标准相机功能控制电路， 如自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，简称a c , c ) 、自动曝光控制( a u t o m a t i c e x p o s u r ec o n t r o l ，简称a e c ) 、白平衡、颜色均衡等，并且可以编程工作。 ( 4 ) 时序电路 芯片内，必须包含一些时序控制信号来保证芯片中各部分电路按规定地节拍 动作。同时，为了便于产品的应用，还要求芯片能输出一些时序信号，如行同步、 帧同步信号等等。 ( 5 ) 模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r ，简称a d c ) c m o s 图像传感器内还集成有在片内的a d c ，它是数字成像系统所必须的， 它实现了将模拟信号转化为计算机所能识别的数字信号的功能。c m o s 图像传感 器可以是整个像素阵列有一个a d c 或几个a d c ，也可以是像素阵列每列各有一 个a d c ，或每几个像素共用一个a d c 。 片内集成的a d c 减小了片外进行a d 转换时引入的噪声信号，减小了在模 拟电路中出现的串扰等现象。 ( 6 ) 读出电路 读出电路通常包括寄存器、多路选择器、锁存器等，实现对转换后的数字信 号存储和读出的功能。 1 1 3c m o s 图像传感器重要的性能参数 理解一个c m o s 图像传感器，需要掌握c m o s 图像传感器的以下几个性能 指标： 第一章绪论 ( 1 ) 分辨率 分辨率是c i s 的一项重要的性能指标，代表了一个c i s 能分辩物象细节的 能力，它直接决定了图像的清晰度和色彩饱和度。分辨率取决于c i s 像素单元的 像素数量，像素数量越多，它的分辩能力就越高。 随着v l s i 的发展和c m o s 器件工艺、技术水平不断提高，c i s 的像素单元 尺寸将做的越来越小，像素阵列规模也将越来越大。目前，像素单元尺寸已达到 2 2 u m x 2 2 u m ，像素阵列更是达到百万、千万像素级。 ( 2 ) 噪声 噪声性能对于低照度应用( 如微光、星光和夜视) 特别重要，因为其对于弱 目标提取的影响很大，高的背景噪声电平可能湮没低的信号电平而使目标的准确 提取难以实现。 c i s 中主要包含两种噪声： 随机噪声 随机噪声是一种瞬态噪声，它在图像的帧与帧问不是维持一个固定值。因此， 可以通过对连续几帧平均化来降低随机噪声。 模式噪声 模式噪声是一种由图像的观察者所看到的空间噪声，它在图像的帧与帧之间 变化并不显著，因此也不能通过平均几帧来降低它。 模式噪声又可分为固定模式噪声( f i x e dp a t t e r nn o i s e ，简称f p n ) 和光响应 不均匀性( p h o t o - - r e s p o n s en o n - - u n i f o r m i t y ，简称p r n u ) 。 f p n 是在无光照的情况下测量出的模式噪声。它主要取决于探测器尺寸、掺 杂浓度、生产过程中的污染、及m o s f e t 的特性( 如v t ，g a i n , w ，l 等) 。 f r n u 是受光照影响的模式噪声。它主要取决于探测器尺寸、掺杂浓度、覆 盖层厚度、光的波长( 即光谱响应) 。 实事上，模式噪声，尤其是固定模式噪声，是限制c i s 性能的主要因素，可 以通过各种方法( 如相关双采样等) 降低或消除。 灵敏度 对于弱光的情况，光照灵敏度也是一个要考虑的十分重要的性能。 关照灵敏度大小与曝光时间的长短有密切的关系，增加曝光时问，可以提高 敏感度。所以，在绝对灵敏度欠缺的条件下，可以改变器件的积分时间，采用长 曝光的方法加大输出信号幅度。但是，无限加长积分时间是不行的，因为积分时 间太长，被拍照物体会移动，影响图像质量。应根据具体的工作情况，适当地调 整积分时间。 动态范围 第一章绪论 动态范围也是c i s 的一个重要的性能指标。c m o s 图像传感器的动态范围 定义为最大可测信号与同时的最小可测信号之比，其值通常由两者比值的2 0 l o g 取值来表示，单位是分贝( d b ) 。对于c i s ，最大可测信号通常定义为像素输出 的最大电压摆幅。动态范围的数值越大，则图像传感器的性能越好。 光谱响应范围 光谱响应是指不同波长的光辐射入射到图像传感器光敏面时，图像传感器的 响应随光辐射波长变化而变化的特性。 图1 3 是理论上的o v 7 1 1 0c m o s 图像传感器光谱响应曲线。由图可知，对 于不同波长的入射光，c m o s 的响应是不同的。c m o s 图像传感器光谱响应范 围比c c d 宽，其响应的光谱范围从0 4 u m 的可见光，直到1 1 u m 的近红外区。 尤其在近红外区域，其光谱响应性能要比c c d 好得多。 1 0 0 0 9 0 0 8 0 爵0 7 0 釜嬲 囊黜 0 2 0 0 1 0 0 0 0 誊蓉基荟誊譬善善善ii 入射光波长( n m ) 图l 一3o v 7 1 1 0 理论上的光谱响应曲线 1 2 模数转换器的功能及其发展趋势 1 2 1 模数转换器的功能 模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ，简称a d c ) 就是将模拟信号转换 成数字信号的接口芯片，它的功能是将来自外界的模拟输入信号转换为与之相对 应的数字代码。近十几年来，随着数字集成电路的飞速发展，在一块芯片上已经 实现了可集成几千万个元件的数字系统，数字信号处理系统( d s p ) 的数字处理 能力也越来越强。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理系统具有动态范围大、 可靠性高、功耗低、轻便灵活以及可实现智能控制等优点，适于各种应用场合。 从而在信号的传输和处理方面，数字电路比模拟电路具有更大的优势，现行的系 统大都采用数字系统来进行处理。然而由于自然界的基本信号，如传感器信号、 语音信号、雷达回波信号等大多都是模拟信号，因此信号处理系统所要处理的大 部分信号都是模拟信号。而且，系统在进行数字处理之后，往往还要将这些数字 第一章绪论 信号再转换为连续的模拟信号以实现对系统对外界的控制。因此，在模拟世界和 数字处理系统之间，必然要存在接口部分。一个典型的信号处理系统的处理过程 如图1 - 4 所示。 模拟输入 预处理( 滤波 和模数转换) 字处理( 处理器)簇曩嚣挚b 模拟输出 转换和滤波) r 1 ” 图1 - 4 信号处理系统框图 第一部分的框图为信号的预处理部分，这部分包括滤波部分和模数转换部 分，它的作用是将来自外界的连续信号转换成为数字系统可识别的数字信号。第 二部分为数字处理部分，其根据系统功能的不同对数字信号进行数字处理。第三 部分是后处理部分，其功能是将系统处理过的数字信号再转变成为模拟信号以便 系统实现对现实世界的控制，它包括数模转换器和滤波电路部分。 随着数字信号处理技术的发展，系统处理数字信号的速度也越来越快。由于 模数转换器和数模转换器在数字系统与外界之间起桥梁的作用，因此要求作为接 口的模数转换器和数模转换器也要满足数字处理系统对速度和精度的要求。通常 模数转换器的结构和功能都较数模转换器要复杂，这是因为模数转换器在进行模 数转换时要对模拟信号进行采样、保持、量化、和编码。而且，模数转换器内部 包含了数字和模拟电路，是典型的数模混合电路。模数转换器从早期的组件型和 混合集成型到现在的单片集成再到现在作为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 系统芯片内 部的子系统电路，模数转换器的发展充分体现了模拟和数字系统相互结合的趋 势。 当今模数转换器研究的一个主要方向是将双极( b i p o l a r ) 工艺和m o s 工艺 相结合。前者的速度快，而后者的集成度高，输入阻抗高，功耗小。两者优点的 结合极大的推动了模数转换器的发展。 随着设计技术的发展和生产工艺的进步，现在市场上不断出现高性能的模数 转换器，其在速度和分辨率方面与以往的模数转换器相比有了极大的提高。 按设计的原理分类，传统的模数转换器可以分为积分型和比较型两大类，积 分型包括单积分型、双积分型、电荷平衡型和脉宽调制型；比较型按大类可分为 反馈比较型和非反馈比较型，前者可分为逐次近似比较型和跟踪比较型，后者可 分为串行型、并行型和改进型。一般而言，积分型模数转换器主要用于低速应用； 反馈型用于中速应用；串行比较型和并行比较型主要用于高速领域。 1 2 2 a d c 的发展趋势 随着半导体工艺技术水平的不断提高，a d c 沿着固有的高速和高精度的方 第一章绪论 向发展。同时随着d s p 在各个领域广泛深入的应用，作为关键部件的a d c 也衍 生了多个满足不同应用需要的研究方向。总的来说，a d c 的发展有以下几个热 点： ( 1 ) 向高性能方向发展。 这主要是通过采用新型结构方案，结合不断进步的制作工艺，使a d c 性能 向高速、高精度方向推进。a n a l o gd e v i c e s 公司推出的应用于无线和有线宽带通 信、雷达和卫星子系统等领域的1 2 位a d c 中频采样转换器- - a d 9 4 3 3 1 2 1 ，采样 速率达到了1 2 5 m s p s ，信噪比( s n r ) 为6 7 5 d b ，无失真动态范围( s f d r ) 达到 8 3 d b ，总谐波失真( t h d ) 为9 0 d b ，功耗为9 5 0 r o w ( 在1 2 5 m s p s 下) 。它采用分 步流水结构和b i c m o s 工艺。 ( 2 ) 向单电源、低电压、低功耗方向发展。 这主要是便携式应用及嵌人式系统提出的要求。采用c m o s 、b i c m o s 工 艺，低工作电压( 3 v s v ) 及电源休眠工作方式( s l e e pm o d e ) 等措施和技术， 既可使转换器电路获得高分辨率、高精度和高转换速率，又可达到低功耗( m w 量级) ，解决了一直存在的精度、速度和功耗之间的矛盾。 ( 3 ) 向片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，ip ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块 发展。 信息技术的发展，要求将数个集成电路模块或整个系统集成到单个芯片上， 形成片上系统以增强芯片功能和简化外围电路。同时，为了缩短设计周期以适应 市场快速变化及降低设计成本，设计者应尽可能利用可重复的设计模块，即所谓 的m 模块。目前s o c 与m 的发展迅猛，a d c 作为数字化信息处理的关键部件， 不可避免地卷人这一发展进程中。 ( 4 ) 发展与微机兼容的转换电路。 随着计算机技术和i c 技术的发展，新研制的数据转换电路几乎都与微机兼 容，并将采样保持放大器、，基准源、多路转换开关等集成于转换电路的同一芯 片上。事实上，它己构成一个数据采集子系统。 ( 5 ) 向混合信号处理芯片方向发展。 由于v ls i 技术的成熟及调制技术的实现，数字信号处理器( d s p ) 及 其它标准数字器件( 如微控制器、e p r o m 等) 与高分辨率a d c ，d a c 可集成于 同一芯片上，构成混合信号处理器( m s p ) ，从而使得转换器和非转换器的界线 变得模糊，增强了芯片功能，减少了外围电路，电路得以简化，应用更加方便。 ( 6 ) 向单一的c m o s 型工艺发展。 近年来，一个明显趋势是尝试尽可能将转换器和一些混合信号功能从昂贵j 复杂的专业型工艺转入主流的c m o s 型工艺，采用一种工艺技术来制作模拟和 第一章绪论 数字电路。 1 3 选题的目的及意义 a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) 和d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) 是模拟世界与数字处理系统之间的桥梁。现实世界中的模拟量必须由a d c 转换 成数字量才能被数字系统如m p u 、d s p 、数字采集器等收集、处理和分析，也 必须由d a c 将处理的数字信号转换成模拟量才能被现实世界所感知。当几十年 前有电路设计时便开始了转换器的设计。到现在己经发展了几十种类型、结构的 转换器，成为模拟电路的一个大家族。每个时代都根据当时的需求采用所能得到 最好的技术来设计。 近年来由于国际互联网、移动通信、音频、视频技术的快速发展，以及便携 式电子数码产品需求的迅速增长，人们可以随时、随地通过多种传输方式得到想 要的咨询和娱乐服务。各种军用、民用的需求推动芯片设计朝高速、低功率消耗 和低的成本的方向发展。又因为c m o s 制成技术的不断进步，使得c m o s 的特 性可以渐渐适用于高频系统的电路实现。现今几乎所有的数字电路都采用c m o s 工艺实现，高速的c m o s 数字电路己能工作在几个g 赫兹。作为模拟与数字之 间的关键接口，集成化、低功耗、高速高精度是模数、数，模转换器设计的必然 发展趋势。 目前本课题组正在开展国家自然基金“高性能大动态范围c m o s 图像传感 器设计”这一项目，而模数转换器是c m o s 图像传感器中的核心部分，它对整 个图像传感器的图像质量和运行速度等方面都起决定性作用。 通过广泛调研国内外相关工作文献，分析比较各种结构设计方案，本论文提 出设计的列并行s i n g l e s l o p e a d 转换器，使用并行比较器对多数据源并行处理， 用低功耗的简单结构，增强了数据吞吐量，实现了c m o s 图像传感器对a d c 高 精度的要求。列并行s i n g l e s l o p e a d c 相对于芯片级a d c 降低了对a d c 速度要 求的限制，相对于像素级a d c ，不影响像素的填充因子，降低了设计难度。另 外，c m o s 图像传感器未来的发展趋势是缩小像素面积和扩大像素阵列，列并行 a d c 的扩展性很强，利于c i s 向大像素阵列扩展。 第二章模数转换器结构设计 第二章模数转换器理论基础 2 1 模数转换器基本原理 模拟信号的数字处理分为三个阶段，如图2 1 所示： ( 1 ) 模拟信号的数字化，即对模拟输入信号采样，采样值经过量化得到有 限位的数字码。 ( 2 ) 数字码经过数字信号处理器( d s p ) 加工。 ( 3 ) 加工后的数字码恢复成模拟形式的信号。 模拟 输入 2 1 1 采样 采样 量化 1 0 1 1 0 1 ”； 数字 输入 数字信号处理 ( d s p ) 1 1 0 1 0 图2 - 1 模数转换流程 数字 输出 模拟 重建 模拟 输出 采样过程，如图2 - 2 所示，模拟信号每隔时间t 被采样一次，因而时间变量 t 被采样间隔t 离散化 t = n t ，栉= 0 , 1 ，2 ， ( 2 1 ) 根据信号处理理论，采样过程的数学描述： y ( f ) = x ( f ) s ( r ) = x ( n t ) 8 ( t - n t ) ( 2 2 ) 其中，睁) 是采样信号，j ( f ) = 3 ( t - n t ) ，6 ( f ) 是d i r a e 函数。式( 2 2 ) 表 明采样信号y ( r ) 可以看作是载波信弓! 茹) 对基带信号x ( f ) 调制的结果。 利用f o u r i e r 变换得到x ( t ) 与j ( f ) 的频谱分别为： x ( ) = f b o ) 】= e x ( f ) p 删出( 2 - 3 ) s ( ) = f b ( f ) 】= ，a ( o - n o , )( 2 4 ) 其中采样角频率= 2 t o t 。 第二章模数转换器结构设计 模拟 信号 理想采样 采样 信号 图2 - 2 理想采样 根据连续时间系统频域卷积定理得到采样信号与模拟信号的频谱关系式： 】，) 2 击防( ) s ) 】 = q x ( c o - m o ，) ( 2 - 5 ) 式( 2 5 ) 说明了采样信号的频谱y ) 是由原始模拟信号的频谱y 徊) 在整倍 数采样频率n o , ) s 处周期复制而成。图2 3 为理想采样的频谱图，其e e l ( a ) 为一个 x ( c a ) ) - 6 0 m0( 1 ) m y ( ( ) ) y ( ) ( a ) 图2 - 3 理想采样的频谱 带限为的模拟信号频谱，( b ) 和( c ) 分别为采样频率c o ， 2 c 0 。与c o ， 时；那么，x ( f ) 能唯一由它的 采样序列工k 】- 工0 r ) 刀= o ，l ，监，所确定，当且仅当 0 ) s 2 c o 。 ( 2 - 6 ) 其中，1 2 0 j 。被定义为奈奎斯特率。 n y q u i s t 定理不仅给出不失真地恢复模拟信号所需的最低采样频率，而且是 确保信号处理系统在完成对采样信号的数字处理后不会发生频谱混迭失真的充 要条件。根据n y q u i s t 定理，为了能够对快速变化的模拟信号进行数字处理，前 端a d c 的采样频率必须提高，以保证采样频率高于两倍的输入信号带宽；另一 方面，在采样频率固定的情况下，输入信号带宽要小于奈奎斯特率，为此在模拟 信号采徉之前，一般要经过反混迭滤波器, ( a n t i a l i a s i n gf i l t e r ) ，。反混迭滤波器的 设计要求其截止频率小于或等于奈奎斯特率。确保输入的模拟信号带宽经滤波后 采样不会发生混迭现象。 上述的理论分析采用了理想的冲激序列，如图2 4 ( a ) ，但实施起来很难。实 【砷( b ) 图2 - 4 冲激序列采样与脉冲序列采样 际操作一般采用脉冲序列采样，如图2 _ 4 ( b ) 所示。设采样脉冲序列p ( t ) 的幅度为 e ，周期为t ，占空比为f l ；经f o u r i e r 变换得到其频谱： 地矽m 鸭薹( 掣弘c ( 0 - - n a _ o s ， 采样信号y ( t ) 的频谱： j r ) = 寺防 ) 尸( ) 】 = 等薹( 掣卜( c o - - 1 ( 0 s ， ， 式2 - 8 说明采样信号的频j 普y ( c o ) 是x ( c o ) 以整数倍采样频- 率n t o , 周期重复过程 第二章模数转换器结构设计 中，幅度以墅掣的规律变化，如图2 5 所示。 ”f z x ( d ) 2 1 2 量化 y ( ) 图2 - 5 脉冲序列采样的采样信号频谱 量化过程是对时间离散的采样信号继续进行幅值上的离散化。4 t 3 ) c 本质上 是一种量化器。它采用的量化方式有脉冲编码调制( p c m ) 方式和增量调制( m ) 方式。量化器是非线性系统，必然会产生量化误差，并以量化噪声的形式影响 a d c 的动态性能。 ( 1 ) p c n 型量化 通常n y q u i s ta d c 采用p c m 量化方式，即直接对采样信号的幅值进行离散 化。这是一种无记忆量化，即量化器的输出值只由即时输入的采样值决定，而与 量化器过去( 以及将来) 输入的采样值无关。 r 2 3 q 2 q q r0 - q 一2 q - 3 q r 2 x ( t ) x ( n p n 量化 台阶 n t 图2 - 6 量化过程 设量化器输入的满量程为r ，输出有限位数b 的数字码( 以二进制为例) 。 如此量化器的满量程输入范围被等分成2 8 个量化台阶，如图2 - 6 所示。量化电 第二章模数转换器结构设计 平q ，即量化器的分辨率： 式2 - 9 可以改写成： q = 拳 旦：2 一 d ( 2 - 9 ) f 2 一l o ) 式2 - 1 0 给出了量化器的量化台阶总数。由图2 - 6 司以看到，量化信号 d 与采样信号x ( n r ) 之间存在偏差，即量化误差： e ( n t ) = x q ( n t ) 一x ( n d ( 2 - 1 1 ) 或者，简写成一般的序列形式： e = 一x ( 2 - 1 2 ) 而量化误差的范围： 一譬e 譬( 2 - 1 3 ) 理想量化误差的统计模型假定量化误差e 在区间i - q 2 ，q ，2 】上的概率分布 为均匀分步，概率密度p ( e ) 为： p 心i 摇彪 量化误差的均值及方差分别为： 一e = e p 拓吉眙如o ( 2 - 1 5 ) = ( p 一；h 撇= 吉肛= 百q 2 ( 2 1 6 ) 式2 - 1 5 与2 - 1 6 分别代表量化误差的直流分量与平均功率。 ( 2 ) 信噪比 假设输入正弦波的模拟信号，幅值为r 2 ，信号功率为： 只= 去肥s 2 批等 乃 信操比( s n r ) 的定义： s n r 。g ( 刳 令只：，把2 - 9 ，2 - 1 6 与2 - 1 7 代入2 - 1 8 式，得到： 第二章模数转换器结构设计 s n r = 6 0 2 b + 1 7 6 ( d b )( 2 - 1 9 ) 式2 1 8 表明了理想的p c m 型量化器信噪比随位数b 的增加而提高。位数b 每增加一位，信噪比提高约6 d b 。实际的量化器还存在其它误差源，例如热噪声 等，因而信噪比要比理想情况低，亦即量化器的有效位数降低。 ( 3 ) a m 型量化 过采样a d c 采用m 型量化方式，即对采样信号前后相邻的两个采样的幅 值插值进行离散化。量化器的输出值不表示采样值本身的大小，而是表示采样时 刻信号的变化趋势。 a m 型量化器利用过采样。当采样率q 2 ，。为输入信号带宽，并定 义过采样率： o s r = 吐2 c o ， ( 2 - 2 0 ) 经过低通滤波，截止频率为。，落在【- 。，。】上的量化噪声功率为： 只= 垡1 2 志 ( 2 - 2 1 ) 信噪比为： s n r = 6 0 2 b + 1 7 6 + l o l o g ( o s r ) ( d 8 )( 2 2 2 ) 对比2 1 9 与2 2 2 式可以看出，采用过采样提高了信噪比，过采样率每增加 一倍，信噪比提高了3 d b 。 aa d c 是一种总和a m 型量化器。它采用噪声整型( n o i s es h a p i n g ) 技术 将量化噪声从基带移向高频端，再通过数字滤波抑制大部分噪声功率，大大改善 了信噪比性能。例如，一阶a a d c 采用数字积分器做噪声整型，噪声功率近 似为： b e = 西2 譬陆) 3 信噪比为： s n r = 6 0 2 b - 3 4 1 + 3 0 l o g ( o s r ) ( 如) ( 2 - 2 4 ) 由式2 2 4 可以看到，一阶噪声整型a a d c 的信噪比随过采样率每增加一 倍提高9 d b 。 2 1 3a d c 工作原理 上面己提到，在d s p 系统的信号处理路径上，信号的采样和量化是由a d c 第二章模数转换器结构设计 彻i a l 。g 1鼍里兰二垒3_：尊兰b。吨)ut b i t s 图2 - 7 a d o 的功能图 a d c 从输入x ( 单个采样值) 到数字输出d 的传递函数为： =壹4=xd b , 2 r + e ( 2 - 2 5 ) l = l = 4 p+8 jt 或者 工=dr+e(2-26) 其中，e 即量化误差。图2 8 ( a ) 、( b ) 分别为a d c 的理想传输特性及其误差曲线 图。 a 1 1 l 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 l l 0 1 0 0 0 1 0 0 0 e x |。|f|f| 。 川 | 1 | | ( b ) 图2 - 8 a d c 理想特性 x 第二章模数转换器结构设计 2 1 4 编码 数字量可以采用多种编码表示，诸如自然码( n a t u r a lb i n a r y ) 、二- 十进制码 ( b c d ) 、格雷码( g r a y ) 等，对于双极性的a d c 还可采用偏移码( 0 f f s e tb i m r y ) 、 反码( o n e sc o m p l e m e n t ) 或补码( t w o sc o m p l e m e n t ) ，a d c 中应用最多的是 自然码。不过其它编码也具有各自的特点，如格雷码的相邻码之间只变化一位。 编码要根据a d c 的具体情况来选择合适的编码方式。表2 1 列出了部分a d c 常 用的编码。 表2 - 1 a d c 的常用编码 输入温度计码自然码格雷码补码循环码 o 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 00 0 0 0 10 0 0 0 0 0 10 0 10 0 11 1 10 0 0 1 20 0 0 0 0 1 1o l o0 1 11 l o0 0 1 1 30 0 0 0 1 1 10 1 10 1 0l o l0 1 1 l 4 0 0 0 1 1 1 1l o o1 1 0 1 0 01 1 1 1 5 0 0 1 1 1 1 11 0 11 1 1 0 1 11 1 1 0 60 1 1 1 1 1 11 1 01 0 10 1 01 1 0 0 71 1 1 1 1 1 11 1 11 0 00 0 11 0 0 0 2 2 模数转换器的性能参数 表征模数转换电路性能的参数主要分为静态参数和动态参到1 1 。静态参数体 现了a d c 电路在静止不变情况下的性能表现。静态参数的测试要求输入信号在 转换时间内保持不变，输入信号对于时间来说是常量。动态参数表征a d c 电路 在动态环境下的性能。动态参数的测试是动态的，也就是说输入信号是时间的函 数。对于高速模数转换电路而言，其动态参数对反应电路的应用性能具有更大的 意义 a d c 的性能表征作为实际应用的指导和依据，是十分重要的。经过多年的 发展，a d c 的设计者与应用者共同确立了一套a d c 特性参数统一的定义，并建 立相应的测试手段或系统。全面的特性参数比较复杂，下面扼要介绍其中的静态 参数和动态参数。 2 2 1 静态参数 ( 1 ) 分辨率 第二章模数转换器结构设计 分辨率指a d 转换器所能分辨的模拟输入的最小增量，它等于1 l s b 所代表 的模拟量，这是a d 转