（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器控制电路设计与实现.pdf

中文摘要 本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像传感器设 计”的一部分。c m o s 与c c d 图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小、 可将信号处理电路与m o s 图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量 ( 特别是低亮度环境下) 与系统灵活性与c c d 的相比相对较低。由于具有上述特 点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求 的应用，如保安用小型( 微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持 式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微技术、某些车用摄像 系统等大量商用领域。而且随着专用工艺水平的提高，c m o s 图像传感器将具有 广阔的市场前景。此款芯片将数字控制电路，a d ，放大器集成在一起，是一款真 正的数模混合s o c ，它该项目的完成可以为o a o s 图像传感器及其成像系统产业 化奠定坚实的基础。 本论文主要论述了图像传感器控制电路的系统设计和实现方法。针对双采样 像素结构，论文详细地阐述了常用的并行式曝光方式和滚筒式曝光方式的时序关 系，指出采用滚筒式曝光方式时序关系，实现采样电容的列共用，减小图像传感 器像素单元面积；并通过实现曝光时间的大范围高精度可调，扩展了动态范围， 提高了传感器的性能。在控制电路的设计过程中，遵循自顶向下的设计方法，根 据逻辑功能完成模块的划分，运用v e r i l o g 硬件描述语言对子模块进行程序设 计，并完成组装拼接。 在f p g a 验证阶段，选用a l t e r a 的c y c l o n e 系列f p g a 单独对数字电路进行 验证，验证通过后，进行后仿真，仿真通过后，采用c h a r t e d 公司的0 3 5 微米 工艺流片，并搭建o a o s 传感器芯片测试系统，经测试达到设计要求，拍摄图像 清晰。 关键诃：c m o s 图像传感器，滚筒式曝光，v c r i l o g a b s t r a c t t h i st h e s i si so n e p a r to f t h ec r u c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl r o j e e to f t i a n j i nc i t y ： “d e s i g no f t h ec m o si m a g es e n s o rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl a r g ed y n a m i cr a n g e ” c m o si m a g es a 雌1 0 rh a sd e v e l o p e dq u i c k l yd u et oi t sm a t u r ep r o d u c i n gt e c h n i c sa n d r e s e a r e l ar e s u l t so fs o l i di m a g es a 瞰mi th a sb e c o m et h ek e yf a c i l i t yo fi m a g ep r o c e s s i n g t e e l m o l o g ya n db e e na p p l i e dt oag r e a tm a n yf i e l d ss u c h 龋v i d e oc a m e r a , d i g i t a lc a m e r a , m o b i l ec o m m u n i c a t i o n , s a f e g u a r d ，c a l a i r b a ga n df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n t h e a c c o m p l i s h m e n to ft h i sp r o j e c tc a ns e t t l e as t r o n gb a s et od e s i g no t h e ra s i c sa n d i m p l e m e n ts y s t e mi n t e g r a t i o n , a n dt h ep r o d u c t sw i l lh a v ea w i d em a r k e t t h es y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t i n gm e t h o do ft h ec o n t r o l l i n gc i r c u i to fi m a g e s e n s o ra r cd i s c u s s e di nt h et h e s i s i na l l u s i o nt ot h ei m a g es e n s o l w i t hd u a l s a m p l i n gp i x e l a r c h i t e c t u r e t h et i m i n gf u n c t i o n so fp a r a l l e le x p o s u r em o d ea n dr o l le x p o s u r em o d e 眦 d e t a i l e d l yn a r r a t e da n da n a l y z e d w i t hr o l le x p o s u r em o d e , t h es t l l 1 e t u r eo fp i x e lc e l li s s i m p l i f i e d t h ed o u b l es a m p l es t o r a g ei ss h a r e db yo n ec o l u m n a sar e s u l to ft h a tt h e e x p o s u r et i m ec a nb ea d j u s t e dw i d e l ya n df i n e l y , t h ec l y m m i er a n g ei si m p r o v e d f o l l o w i n gt o p - d o w ni cd e s i g nm e t h o d ，t h ed e s i g ni sd i v i d e di n t os e v e r a ls u b - m o d u l e s ， a n dt h e ya l ed e s c r i b e di nv e r i l o g i nt h ep r o c e s so f v e r i f i c a t i o n , t h ef p g a o f c y e l o n es e r yo f a l t e r ai sa d o p t e d o nt h e p a s so ff p g av e r i f i c a t i o n , p o s ts i m u l a t i o ni su s e d t h e nt a p eo u ti nc h a r t e r d0 3 s u m p r o c e s s t h et e s ts y s t e mi sb u i l d e d t h ec h i pp a s s e dt h et e s t t h ei m a g ei se x p l i c i t k e yw o r d s - c m o s i m a g es e n s o r , r o l le x p o s u r e , v e r i l o g 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，也不包含为获得鑫壅盘堂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。钟彩签字日期。纱矿彳年月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁生盘茎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： 签字日期：砂闪g 年1 月，r 日 导师躲溉炙 签字日期： 锌p 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1c m o s 图像传感器发展现况 自从上世纪6 0 年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，传感器便 得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是p c 机多媒体不可缺少的 外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体( c m o s ) 图像传感器与电荷耦 合器件( c c d ) 图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制， c m o s 图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而 没有得到重视和发展。而c c d 器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一 直主宰着图像传感器市场。随着集成电路设计技术提高和专用工艺的出现，c m o s 图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是c c d 器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。目前已证明c m o s 有源像素传感 器的图像水平，量子效率、动态范围、信噪比、灵敏度、填充系数等均可与c c d 相 比拟。 1 2c m o s 图像传感器- 陛能分析 采用c m o s 工艺实现图像传感技术有如下的优势：l 、c m o s 图像传感器专用 工艺出现，有效地降低了像素噪声。2 、高集成度：不同于c c d 器件，c m o s 像素 可以和所有图像处理电路集成在单个芯片上，提高可靠性，降低成本。3 、随机读取： 可读取像素阵列中任意个在任意位置的像素。4 、高读出速度：采用像素级a d ，使 c m o s 传感器信号读出速率可达1 0 0 0 mp i x e l s s 。5 、低功耗：c m o s 图像传感器的 功耗仅为c c d 的1 1 0 0 ，这适合于笔记本电脑、移动可视电话和便携式扫描仪等电 池供电系统的应用。 c m o s 图像传感器的主要缺陷可以归纳为：1 灵敏度低。2 、暗电流大。3 、噪 声大。这使c m o s 只能占据低端市场，无法进军高端。 1 3 选题的意义 专家们认为，2 1 世纪初全球c m o s 图像传感器市场将在p c 摄像机、移动通信 市场、数码相机、摄像机市场、游戏机市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年 时间内，在1 3 0 万像素至2 0 0 万像素之下的产品中，将开始以c m o s 传感器为主流。 并进军更高分辨率产品，目前已出现8 0 0 万像素级c m o s 图像传感器。 第一章绪论 在李斌桥教授的帮助下天津大学专用集成电路设计中心进行了c m o s 图像传感 器的研究工作。随着研究工作的进展，该项目得到了天津市科委的支持，成为天津 市重点科技攻关项目。目前的研究方向：应用于工业监控的大动态范围，高性能 c m o s 图像传感器。 c m o s 图像传感器的控制电路属于s o c 系统中的数字电路部分，负责协调图像 传感器各个模块的运行。将控制电路集成到芯片上有利于提高成像系统的可靠性， 降低系统功耗，节约芯片面积以及方便用户使用。 2 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 2 1c m o s 图像传感器的设计要求和总体结构 2 1 1c m o s 图像传感器的设计要求 1 、像素总数：1 0 2 4 h x 7 6 8 v 。 2 、光敏面积填充系数( f i l lf a c t o r ) ： 5 0 。 3 、帧频：2 5 f p s 。 4 、动态范围： 8 0 d b 。 5 、整片功耗：垫o o m w 。 2 1 2c m o s 图像传感器的总体结构 为了实现c m o $ 图像传感器的设计要求，我们所采用的结构如图2 - 1 所示。它 由以下几个模块组成： l 、像素单元阵列 像素单元采用三管像素单元。像素单元结构如图2 2 所示。 2 、模拟信号处理模块 1 ) 、放大器 像素阵列的每一列有一个放大器。 2 ) 、8 位模数转换器( a d c ) 像素阵列的每一列有一个比较器。它们共用一个d a 。 3 ) 、列选择器 负责将像素的列并行采样转换成串行输出。 3 、传感器数字控制模块 它提供对各个模拟电路的控制信号。 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 露蠹阵男 行 0 0i21 0 2 11 0 2 21 0 2 3 选 ibg -卣卣凸占 p c 择 总缮 器 bb i 。ob - 及 口吁 行 7 6 6 驱| o占 bob 动 7 6 7 o o 器 广一b b凸白b卣 传 t _ 感f 税溉售号处理，iii il 器 望 第一唧丫。甲丫丫一甲 控 制 电 一器娶娶娶娶娶娶 路p _ 囤嚣冒器冒昌墓 多路选择器 l g r 姆t ob i n a r y l 申 图2 - lc m o s 图像传感器系统结构 2 2c m o s 图像传感器各功能模块的结构和工作原理 2 2 1 像素单元的结构和工作原理 像素有两种响应曲线：一种是对数响应，这种方法的优点是接近人眼对光的响 应，但缺点是对比度差，噪声不易消除。另一种是线性响应，优点是电路简单，缺 点是动态范围小。本设计中，像素采用简单的三管有源像素，这种简单的像素结构 不适合做相关双采样( c d s ) ，因为速度会太慢。因此不能消除像素内的随机噪声， 比如复位管的热噪声。同时该结构因为没有存储节电，只能采用滚筒式曝光，不能 采用全并行曝光。因此本设计采用普通的双采样技术，即对首先对像素积分后输出 电压进行采样，然后对像素进行复位，同时对复位时像素输出电压进行采样。这样 的采样方法虽不能消除随机噪声，但可以消除复位管和缓冲放大管引起的固定模式 噪声。 基本结构如图2 2 所示，虚线内的部分为像素阵列中的一个像素单元，虚线外 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 为每列共用的像素偏置电路。r s t 是复位信号，r o ws e l 为行选信号。r o u t 输出直 接接列放大器的采样电容。像素单元中的复位管( r s t 管) 的以及缓冲放大器的固 定模式噪声对性能影响较大，通过双采样技术进行消除。 电路的基本工作时序如图2 3 所示，最初对像素进行复位，( r s t ：= 1 ，s e l = 0 ) ， 将二极管电位复位到高电平，之后对像素积分( r s t = 0 ，s e l = 0 ) ，即光电二极管感光， 产生光生电流，经过一定的积分时间对输出电压进行采样( r s 瑚，s e l = i ) ，然后再 次对像素进行复位，同时采样信号不变( r s t = i ，s e l = i ) ，复位之后进行下一次积分。 可以通过调节积分时间，适应不同光强的信号大小，达到扩展动态范围的目的。 p i x e l 图2 2 像素基本结构 脚 广厂 脚j l j l 一 啦厂 鍪厂 图2 - - 3 像素工作时序 2 2 2 列放大器的结构和工作原理 本设计中，像素阵列的每一列都有一个列放大器，它主要将像素单元两次采样 的信号进行差分放大。 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 图2 - - 4 麴放大器结构 v 0 u t 电路基本结构如图2 4 ，采用基本的s c 同相放大器。输入端直接接像素单元 的输出端。电路基本工作原理主要分成两个工作状态：状态一，s 1 = l ，电路通过 c 。采样像素输出信号：状态二，s 1 - - - - 0 ，电路采样复位信号，同时进入放大阶段， ， 将输出信号p o = 一导( p 乙一p 名) 送到比较器采样。通过双采样，即先采样像素 t - 2 输出信号再采样复位信号，将两者的电压差送到比较器的采样电容上，从而消除像 素单元内由复位管和放大管引起的固定模式噪声。 考虑到列放大器自身的失调电压，即x 与x 不等，则电路的传输方程变为： ( v a s - 7 p 皿- v 一) c i + ( 一y ：曲c 2 = ( 矸w 一 i 眦一矿匆) c l + ( 玩一一矿膏) c 2 则= l 甚( 一) 公式( 2 1 ) 其中为像素的f p n 噪声，可以看出输出消除了像素的f p n 噪声，但包仍含了 由列放大器失调电压构成的f p n 噪声，减小了信噪比。 由于各列放大器m o s 管的阈值电压可能不同，各列之间存在着不完全一致性。 因此各列的失调电压也就可能不同，这样所造成的列f p n 噪声会在图像上造成纵向 条纹。将图2 4 调整为图2 5 ，通过列f p n 消除技术可以消除列放大器的f p n 噪 声。 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 e f 一卜叫i v r y 图2 5 改进的放大器结构 埘厂1 一 i 吼广 g l 8 i s 2 。 i 厂_ 1 ： ： i i 一 广1 图2 6 放大器工作时序 v r e f 列放大器工作时序如图2 6 ，电路主要有两个工作状态：状态一，输入信号为 积分后的像素输出信号v s i g ，开关管s 1 = l ，s 1 = 1 ，$ 2 - = 0 ，电路通过c l 采样 像素信号，此为采样阶段。状态二，输入信号为复位信号v r s t ，开关管s 1 = o ，s 1 = 0 ，s 2 = l 。此为保持阶段。 电路的传输方程： ( 一坼龇一矿铆d + ( 一矿铆凸= 陬一坼m 一矿铆凸+ ( 一矿铆凸 则= 一导( 一) 公式( 2 - 2 ) 可以看出，电路通过双采样，消除了像素与列放大器的f p n 噪声。 列放大器的工作过程必须与像素单元紧密配合，因此在时序上是相关的。 像素与列放大器的具体工作时序如图2 6 ，s 1 和s 1 为两相，相互间没有重叠 的时钟信号。像素中s e l 信号的脉冲宽度包含s 1 ，s 1 的脉冲宽度之和，保证放大 器工作时是的输入信号正确。r s t 信号同样也要涵盖s 2 信号。在图中可以看出在由 采样向保持转换的过程中，s l 先断开，然后再断开s 1 ，这样的一个开关顺序，消 除了由连接v r e f 的开关s 1 所引起的沟道电荷注入效应。这是因为控制v r e f 导通的 信号s 1 是在复位开关s l 断开后断开的。s 1 一旦断开，放大器输入端悬浮，此处的 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 电荷无释放回路，保持不变。所以s 1 所引起的沟道注入电荷无法对最后的输出产生 影响。 2 2 3 列并行单斜a d 转换器的结构和工作原理 图2 7 为单斜a d c 整体模块图，电路由d a 转换，比较器两个主要模块组成， 温度计码计数器与格雷码计数器为伺服模块。其中，d a 转换与计数器单元为阵列共 用，比较器单元，每列一个。d a 模块产生的斜波信号需驱动所有的列比较器采样电 容，因此其后需要模拟驱动模块b u f f 3 。高低参考电压输入由带隙偏置电路提供。为 d a 模块的电容阵列充电，需要b u f f l ，b u 妇2 两个模拟驱动电路。 列并行a d c 的优点有： ( 1 ) 尽早把模拟信号数字化以减少在模拟信号处理过程中的信号间干扰。 ( 2 ) 简单的多个a d 并用的结构可以在低功耗下实现高速度。 封 姆 图2 7 单斜a d c 电路图 整个单斜a d c 的基本工作原理如下：首先输入信号被采样保持并加到比较器的 正端。同时，d a 、温度计码和格雷码计数器复位。复位完成后，输入采样开关断开， 斜波信号加载到比较器的正端。如果模拟输入大于斜坡电压，则比较器输出为高电 平：此时温度计码计数器与格雷码计数器同时开始计数，由于斜波受温度计码计数 器控制，因此斜波也随之升高。当斜坡发生器的输出增大到大于或等于模拟输入时， 比较器输出变为低电平，这时格雷码计数器所示数值即为a d 转换所求。 单斜产生的斜波信号可用下面等式表达： v o u 唧+ 争l ，坳一矿训f 2 矿，妒+ i l 矿，蛳一矿，硎 公式( 2 3 ) 其中，v o u t # 3 输出r a m p 信号矿r e f h 与矿呦分别为高低参考电平，| | 表示从s o 起始 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 共闭合了_ | 个开关( 也就是有七个开关连接到y r 7 i ) 。随着k 值增大，输出逐级抬 高，形成斜波，如图2 - - 9 。 哑醴i ! 厂 。坚! 竺厂 c 世壁厂 吧趔厂 唑壁r s q 厂一 s ! 厂一 哩!厂 图2 8a d 模块工作时序图2 9d a 模块产生的斜坡信号 s 0 $ 2 5 5 开关在d a 复位阶段( 保持低) 与7r e f l 连接，保持采样电容上电荷为 零；在d a 产生斜波信号阶段，s 0 $ 2 5 5 在温度码计数器控制下顺序置高电平，与 r e j h 连接，给电容充电，逐级抬高输出电压，形成斜波。 比较器的工作分为两个过程，我们先以一级比较器结构为例： 乱采样阶段 首先复位开关a m p闭合，将运放复位，电容下极板、输出端均被复位rst v o u t 到参考电平v r e f o 此时电容的上极板被充电至一级放大的输出信号n ，如图2 1 0 。 v 1 n w e f 图2 1 0 复位过程 y o u r 图2 一l l 采样阶段 复位结束后复位开关断开，复位阶段完成。这时采样电容的下极板没有电荷泄 放通路，这就将一级放大读出的信号转化成电荷的形式存储到比较器采样电平的上 极板上，如图2 - - 1 1 。这时，采样电容上存储的电荷为：q = ( v i n v r e f ) c b 比较阶段 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 v c 0 m v r e f 图2 1 2 比较阶段 采样开关断开，斜波开关c r o p _ r a m p 闭合，斜坡信号接到采样电容上极板上，由于x 点没有电荷泄放通路，因此采样电容下极板x 处的电平也随之改变。设采样电容下 极板电平为v x ，则采样电容上的电荷为： q = ( v c o r r $ 一政) c 因为采样电容上电荷守恒，所以q 2 q ，即 ( v i n - v r e f ) c = ( v c o m m n c 可得玩2 l j c o m 一嘲+ v r 公式( 2 - 4 ) 比较器将x 点电平与v r e f 进行比较，可以看出，当v c , o m 与v i n 相等时比较器输出 v o u t 由高电平翻转为低电平。完成比较功能。 二级结构与一级结构的原理相同。对第二级的采样电容c 2 ，复位后， 2 2 * r e 。由于复位后采样电容c 2 没有电荷泄放通路，所以电容上下极板的 电势差保持不便，也就是始终有7 r2y z ，则当第一级比较器由高电平翻转至低电平， 第二级比较器的输出就随之由低电平翻转至高电平，完成比较。 2 2 4 多路选择器的结构和工作原理 因为速度要求为2 0 m h z ，实现1 0 2 4 路选1 ，所以采用动态结构的编码网络。同 时，对于每列中的8 位数字信号的接收单元版图中应做到与列同宽。 电路原理如下图所示： 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 数字输出 图2 1 3i n k l x 原理框图 考虑到功耗的要求，我们采用动态的电路结构，首先对各路进行预充电，然后 在二进制计数器的控制下，每次选出一路输出。由于多路选择器电路结构比较复杂， 管子数量也比较多，但每路的工作原理是相似的，所以我们在此只画出了其中的两 列的l b i t 通路，以便于更好的说明多路选择器( m i ) 的工作原理。电路结构如下 图所示： 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 q o 一 ，- o _ 一 mo - 一 - o _ 一 一o 一 一o 一 _ o 一 mo 一 - o _ 一 1 1 9o _ 一 图2 - - 1 4m u x 电路结构图( 其中的第1 和第2 列) 在每一列中，上面的p 管作为预充电管，下面的1 0 个n 管由l o 位的二进制码 控制导通。在整个多路选择器阵列中，每次只导通一列，选出一列数据。 基本工作原理：考虑到每路的情形是相似的，我们以第一路为例说明。开始时， 对上面的p 管m o 进行预充电，将x 点的电平拉为高电平，即x 为l ，但下面的1 0 个n 管都是截止的，此时m 1 管截止，没有数据通路；当预充电结束后，上面的p 管m o 截止，下面的1 0 个1 3 管在二进制码的控制下导通，形成x 点对地的通路，x 点通过n 管放电至低电平，即x 为0 ，此时p 管m 1 导通，形成数据通路，将数据 q o 传输到输出端q o 。 需要注意的问题：由于面积限制，在传输数据的过程中我们无法选择传输门结 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 构，在这里我们选择了p 管作为传输管，这样就带来了一个问题：传输0 值时的阈 值损失。所以我们在数据输出端加了一个弥补阈值损失的电路，采用了一个反相器 和一个n 管，从而弥补了传输0 值的时候没有阈值损失，还要注意将弥补阈值损失 的电路中的n 管的l 稍稍加大一些，使之不会影响传输l 值时候的正确性，综上所 述，采用这样的电路结构有效保证了数据传输的正确。 m u x 需要的数字控制信号有：p r e c h a r g c ( 预充电复位) ，和1 0 位二进制码 计数控制端a o 。控制信号波形如下图所示( 以第一列为例) ： c k 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 m 咏厂 厂 厂 厂一 a o 一。，厂 r r 厂一 图2 - - 1 5m u x 时序图 2 2 5 格雷码变二进制模块的结构和工作原理 这个模块为与上一个模块都为纯数字模块。但由于m u x 的面积要求十分严格， 因此为全定制电路，但这个模块则无任何严格要求，所以为半定制电路，由标准单 元法生成。工作原理十分简单，有现成公式可循，公式如下： b i c o d e w i d t i - i _ g 2 b 1 】= c r r a y c o d e w l d t h _ 0 2 b - 1 ； b i c o d e w i d t h _ g 2 b 一2 】；b i c o d e w i d t hg 2 b 一1 】“g r a y c o d c w i d t hg 2 b 一2 】； b i c o d e w i d t i - ig 2 b 3 】= b i c o d e w i d t h _ g z b - 2 】“g r a y c o d e w i d t h _ g 2 b 3 】； b i c o d e w i d t hg 2 b - 4 】_ b i c o d e w i d t hg 2 b 一3 】“g r a y c o d e w i d t h _ g 2 b - 4 ； b i c o d e w i d t h _ g 2 b - 5 】= b i c o d e w i d t h _ g 2 b - - 4 “c _ r r a y c o d e w l d l i - ig 2 b - 5 】； b i c o d e w i d t hg 2 b - 6 】- b i c o d e w l d t h _ g 2 b - 5 】“g r a y c o d e w l d t hg 2 b 一6 】； b i c o d e w i d t h _ 0 2 b - 7 】= b i c o d e w i d t h _ g 2 b 一6 】“g r a y c o d e w i d t h _ g 2 b 7 】； b i c o d e w l d t h _ g 2 b - 8 】；b i c o d e w i d t hg 2 b 一7 】“g r a y c o d e w i d t h _ g 2 b - 8 】； 公式( 2 5 ) 1 3 第二章c m o s 图像传感器的结构和工作原理 而且这个模块为组合逻辑模块，所以可以不用任何控制信号，以简化控制逻辑。 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 3 1c m o s 图像传感器控制电路的设计思路 通过对以上电路模块的分析，我们可将各个控制信号，拼在一起组成完整的一 行像素的采样、处理、输出时序图。 图3 一l 处理一行像素整体时序图 从图3 一l ，我们可以直观地看出“一行图像信息的采集和处理时间= 采样时间+ a d 转换时间+ 数据选通输出时间”。为了清晰明了，后面的时序图根据需要只列出该 图中的部分有代表性的信号。 事实上，如上一章所述，所用a d 为列共用单斜式a d ，它的特点是速度幔，完 成一次a d 转换至少需要1 0 2 4 个时钟( 斜波的长度) ，因此可以利用a d 转换的时 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 间进行数据选通输出，一列像素数据正好是1 0 2 4 个，对应a d 的1 0 2 4 个时钟。这 样并不需要等待“数据选通输出时间”再进行下一行图像信息的采样，两者可以并行 操作，通过插入级间寄存器，使多路选择器处理第n 行数据时，放大器、a d 可处理 第n 十l 行数据。因此可以得出“一行图像信息的采集和处理时间= 采样时间+ a d 转 换时间”。这样便能加大数据吞吐量，使帧频提高一倍。 我们取像素采样时间：1 1 0 0 n s ；a d 转换时间：5 1 2 u s ；则一行图像信息的采集 和处理时间= 1 1 u s + 5 1 2 u s = 5 2 3 u s 。一帧图像信息的采集和处理时间= 一行的采 集处理时间x 行数= 5 2 3 u sx7 6 8 = 4 0 1 6 6 4 m s 。帧频= 1 帧，一帧的处理时间= l 帧 4 0 1 6 6 4 m s 2 5 f p s ，达到设计要求。 3 1 1 不同控制电路时序的分析 下面我们介绍两种常用的时序关系：并行式曝光方式和滚筒式曝光方式。他们 都利用了积分时间来处理和输出数据，从而使帧频得到很大的提高。 并行式曝光方式：像素阵列中所有像素单元同时复位，同时进行积分，积分完 成后。缓存一帧图像信息，然后逐行处理和输出；同时，启动下一帧图像的复位和 积分。 滚筒式曝光方式：逐行启动像素阵列中像素单元的复位和积分，逐行缓存、处 理和输出图像信息。 两种曝光方式对像素单元结构的要求有所不同。由于并行曝光中所有的像素单 元同时进行复位和积分，因此它必须能缓存一帧，即每一个像素单元中都必须有采 样保持电容。相比之下，若采用滚筒式曝光方式，由于是逐行缓存( 采集) 、处理和 输出数据，可以实现一列像素单元共用采样保持电容。显然，采用滚筒式曝光方式 可以减少像素单元的尺寸( 填充因子不变时) ，或提高像素单元的填充因子( 像素单 元尺寸不变时) 。 下面将分别对并行式曝光和滚筒式曝光进行时序分析。 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 3 1 1 1 并行式曝光的控制电路时序 并行式曝光控制电路时序的特点是所有像素单元同时开始、完成积分，并利用 下一帧的积分时间逐行进行图像信息的处理。 当主时钟一定，一帧图像信息的处理时间是一定，而积分时问却可以根据需要 进行相应调整，因此我们以不变量为界，分别讨论“积分时间大于等于一帧图像信息 的处理时间”和“积分时间小于帧图像信息的处理时间”这两种情况： 1 、“积分时间大于等于一帧图像信息的处理时间” 图3 2 给出了当“积分时问大于等于一帧图像信息的处理时间”时，并行式曝光 的时序关系： s 锄 r e f r s t ， o f f g a i n 几a d 鞋捶吐间几 8 位蚀蔓堡鳘望 h 壬刊 ， f ， 7 ， ：臣 ：至 ：；：j 茎 ：；三： ：! 耍i ；：至互： 几r 卜 f 厂 几厂一1 几厂一 r o w s 已 ， o7 6 7 ， 图3 2 并行式曝光的时序关系 ( 积分时间大于等于一帧图像信息的处理时间) 由于r s t 负责启动积分，而s 锄负责启动r s t ，所以我们一开始便令s a m 有效， 所有像素单元将采集到的伪图像信息( 之所以称为伪图像信息，是因为像素未经曝 光而直接进行了采样，这样所得的图像信息是无效的) 存入各自的采样电容中，然 后r s t 有效，复位所有像素单元，当r s t 变为无效时，所有的像素单元就开始第一帧 图像采集的积分。同时r o w s e l 选通第o 行，进行放大，a d 转换和逐列选通一行数 据输出( 注意这里选通的是上一行，即第7 6 7 行的数据) 。然后，r o w s e l 选通下一 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 行，重复以上操作，直至完成帧( 共计7 6 8 行) 的数据处理和输出。在完成一帧 图像的数据处理后，由于下一帧图像的积分时间还没有结束，因此系统转入等待状 态，当积分时问到了后，s f l i n 有效，所有像素单元将采集到的图像信息存入各自的 采样电容中( 此时，存放的是第一帧有效图像的积分信息) 接下来，与上一帧图像 处理一样，启动第二帧的积分，同时逐行处理这一帧的图像信息。 当“积分时间大于等于一帧图像信息的处理时间”时，并行式曝光帧与帧之间的 关系如图3 3 所示： 放大时问 二 a d 转换时阃 图3 3 并行式曝光的帧与帧之间的关系 ( 积分时间大于等于一帧图像信息的处理时间) 从图3 - - 3 可以看出，并行式曝光中“一帧图像信息的采集和处理时间= 积分采 样时间+ 积分复位时间+ 积分时间”。而“一帧图像信息的处理时间= ( 放大的 时间+ a d 转换时间) x 7 6 8 行一积分复位时间”。 一 8 目 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 2 、“积分时间小于一帧图像信息的处理时间” 当积分时间小于一帧图像信息的处理时间时，我们需要在进行图像信息的逐行 处理的时候，每隔一定的时间( 一帧图像信息的处理时间) ，在一定的位置( 一帧图 像信息的处理时间积分时间) 插入复位信号，启动下一帧图像的积分。 当“积分时间小于一帧图像信息的处理时间”时，并行式曝光的时序关系如图3 4 所示： ， r o w s e l i：7 o 7 6 7 o ir r r ， 7 1 一 穰仆时间i p 。几f 币n 一 几 。& 几 、7 广厂 p s 锄一 i 一 一帧脚像信息的处理时同 。! 0 行的放大 一第7 f i 7 行的放大 一 r e f 几 r r s t n几 g a i nnn ia d 转塾f l 寸问 一二 - - _ ) 数据输出 121 0 2 a “ 1 2 ；： 2 4-。_- ! f 图3 4 并行式曝光的时序关系 ( 积分时间小于一帧图像信息的处理时间) “积分时间小于一帧图像信息的处理时间”时的时序关系与“积分时间大于等于一 帧图像信息的处理时间”时的时序关系相比，二者不同之处就是积分复位信号的位置 ( 如图3 4 中的虚线圈所标示) ，系统是否进入等待。 当“积分时间小于一帧图像信息的处理时间”时，并行式曝光帧与帧之间的关系 如图3 5 所示： 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 l 一 一 i 一 积分时吼 自二二 二 ：- 且臣二二盔 卜型qp 旦哟 l 堂蹩塑些型l 一 9 积棵8 积时问 目放大时问 二 a d 转换时问 圈3 5 并行式曝光的帧与帧之间的关系 ( 积分时间小于一帧图像信息的处理时间) 从图3 5 我们可知：一帧图像信息的采集和处理时间= 积分采样时间+ 积分 复位时间+ 一帧图像信息的处理时间。 须注意的是上述过程可以分为两级流水线进行，在第n 行采样的数据从r e g l 转移到r e 9 2 之后，一级放大器就可以对n + 1 行进行采样、放大，比较器同时进行采 样，然后r a m p 对第n + l 行数据进行a d 转换处理；同时，多路选择器对r e 9 2 中的 数据进行译码读出。可见r e 9 2 为流水线闾寄存器。但为了简单明确，上述时序还是 按照串行的方式给出。 ” 对于帧时序，本设计中，如前所述，在芯片启动后立刻进行像素采样，然后行 输出，启动流水线。这将产生一帧无效图像。这第一帧处理过程的作用主要是为后 继的图像处理作准备：启动各行的积分。 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 3 1 1 2 滚筒式曝光的控制电路时序 滚筒式曝光的特点是逐行采样、积分，并利用积分时间逐行进行数据处理和输 出。由于积分时间可以根据需要任意选定，同理我们也需要讨论“积分时间大于等于 一帧图像信息的数据处理时间”和“积分时间小于一帧图像信息的数据处理时间”这 两种情况： 1 、“积分时间大于等于一帧图像信息的数据处理时间” 图3 _ 8 给出了相应的滚筒式曝光的时序关系： r o w s i a r s t s 锄 r 0 暾l 二二二工王工二 二i 图3 6 滚筒式曝光的帧与帧之间的关系 ( 积分时间大于等于一帧图像信息的处理时间) 其工作原理如下：从像素开始积分到积分完成，采集光信号；像素复位，采集 复位信号；放大器放大，消除固定模式噪声，并且重新标定输出的电平；比较器采 样放大器输出，同时复位，然后比较器采样r a m p ；温度计码计数器的输出控制r a m p 发生器的2 5 6 开关，使r a m p 从r e n 与r e i h 之间单调变化，同时格雷码计数器开始 计数，当r a m p 变化到某一时刻时，比较器发生反转，使第一级寄存器r e g l 锁存格 雷码计数器的值：如果r a m p 变化完成比较器仍没反转，则强制寄存器锁存最大输 出。所有的r e g l 都锁存完计数器的输出后，将r e g l 中的值转移至r e 9 2 中；随后 f t 沁 数 x 聆 砖 驺 肋 眦 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 多路选择器对1 0 2 4 列输出信号进行选择后输出8 位有效数据。 图3 7 以更为直观的形式给出了滚筒式曝光的时序关系及帧与帧之间的关系： 。羔二堕竺些墨堕堡一，ii 。兰三竺 iii 8 积分复位时间 目 放大时问 第0 行第1 行第7 6 7 行 9 积分采样时间 二 a d 转换时间 图3 7 滚筒式曝光的帧与帧之间的关系 ( 积分时间大于等于一帧图像信息的处理时间) 通过图3 - - 7 ，我们不难看出当“积分时间大于等于一帧图像信息的数据处理时 间”时，一帧图像信息的采集和处理时间= 积分采样时间+ 积分复位时间+ 积分 时间。 从图3 7 可知：一帧图像信息的数据处理时间= 一行数据处理时间x 7 6 8 行一 ( 积分采样时间+ 积分复位时间) = ( 积分采样时间+ 放大时间+ a d 转换时闯) x 7 6 8 行一( 积分采样时间+ 积分复位时间) 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 2 、“积分时问小于一帧图像信息的数据处理时间” 当“积分时间小于一帧图像信息的数据处理时间”时，如前所述，同并行式曝光 方式需要等一定的时间( 一帧图像信息的数据处理时间一积分时间) 插入复位，但 由于是逐行曝光，所以是逐行插入复位，所以r o w s e l 应根据各行复位的需求，有规 律地变化。 图3 8 给出了这种情况下的滚筒式曝光的时序关系： r e f r s t g a i n r o w s e l 0 图3 8 滚筒式曝光的时序关系 ( 积分时间小于一帧图像信息的处理时间) 与图3 4 类似，虚线圈中的复位信号即为插入的复位信号，但与并行式曝光不同， 滚筒式曝光需要插入7 6 7 个复位，即每行一个，图3 8 只列出了其中的3 个，对于k 的值选取是和曝光时间与处理一行数据的时间的比值及一帧所包含的总行数相关 的，后面将对其作定量的讨论。图3 9 给出了滚筒式曝光的时序关系及帧与帧之间 的关系： 第三章c m o s 图像传感器控制电路的模块设计 卜j 咄坦叫 卜! 些塑塑塑叫 8 第n 行的积分复位时间 9 积分采样时间 n 一， 目放大对问口a d 转换时问 图3 - - 9 滚筒式曝光的帧与帧之间的关系 ( 积分时间小于一帧图像信息的处理时间) 与并行时曝光方式一样，滚筒式曝光方式下的“积分时间小于等于一帧图像信息 的处理时间”与“积分时问大于一帧图像信息处理时间”这两种时序关系的不同之处 也是一、系统是否进入等待，二、是否插入复位信号。对于滚筒式曝光，对应于像 素双采样的复位信号与下一个相邻的采样信号的时间间隔一定，为一帧图像信息处 理时间。同时，两个相邻的复位和采样信号的时间间隔定义了像素的曝光时间( 由 于是逐行采样，因此这里提到的复位和采样信号指的是同一行的) 。因此当要求“积 分日寸间小于一帧图像信息数据处理时间”时，每行的积分的启动并不是在双采样完 成的时候，而是在双采样的像素复位完成时刻起，经过“时间= 一帧图