CMOS圖像傳感器集成A/D轉換器技術的研究

　　目前用于象素級的A/D轉換器主要有Fowler[4]提出的過采樣Sigma-Delta結構A/D轉換器和Yang提出的MultiCChannelCBitCSerial(MCBS)結構A/D轉換器.

2.3.1 精簡型過采樣Sigma Delta結構A/D轉換器
　　過采樣Sigma-Delta A/D轉換器的特點是模擬部分比例少，精度要求低，（減小了Vdd波動，器件匹配，KT/C噪聲對電路性能的影響)，數字部分比例大，比較適宜用標準CMOS工藝實現。一階過采樣Sigma-Delta的結構簡單、速度低、精度高，恰好滿足了圖像傳感器對象素級A/D轉換器的要求。一階過采樣Sigma-Delta結構A/D轉換器原理如圖7所示。 信息來源:http://tede.cn

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　　輸入信號過采樣后經過積分器積分，然后通過量化器反饋回輸入端，同時輸出量化后的數字信號，數字信號經過梳狀濾波器降頻到Nyquist頻率。

　　Fowler利用Sigma-Delta A/D轉換器得思想對傳統Sigma-Delta A/D轉換器進行改進，精簡了電路，提出的CMOS象素級集成的精簡型Sigma-Delta A/D轉換器電路。
　　它的一個單元采用了四個光電檢測器和一個象素級A/D轉換器，并且通過17只管子來實現。工作時，由于感光后光電二極管產生了光電荷，光電荷儲存在光電二極管節電容中產生了節點電壓，轉換器通過被復選器選中一個光電二極管，被選光電二極管的節電壓通過受時鐘控制比較器被量化。
　　該設計中比較器工作于亞閾值區以減少功耗和噪聲，增加增益，并且減小D/A轉換器中的漏電流。偏置電流也被設置成能夠夠完成所需要采樣率的足夠小值，。這一位的D/A轉換器是通過一個模擬信號移位寄存器來實現。
　　于數字部分比較復雜，占用的面積大，Fowler只把Sigma-Delta A/D轉換器的模擬部分集成與圖像傳感器芯片中，而把數字部分放在片外。這種做法縮小了芯片面積，但是過采樣會導致輸出數據量巨大，由于數字部分設置在片外，這樣對于大尺寸或者高速CMOS圖像傳感器芯片，需要很高的I/O帶寬，所以限制了它的應用范圍。
　　2.3.2 MCBS結構A/D轉換器
　　傳統的位并行(bit parallel)和位串行(bit serial)A/D轉換技術在面積，功耗上的限制無法做為象素級集成的A/D轉換器使用。1998年Stanford 大學的學者David Yang提出了第一種Nyquist率的MCBS(multi-channel-bit serial) 結構的象素級A/D轉換器，它的采樣頻率只有信號頻率的2倍，所以不會有信號輸出數據量過大的問題。它由象素單元電路和芯片級電路組成，每一個象素單元采用了一個比較器和一個鎖存器構成。而所有象素單元共用一個有限狀態機電路和一個M位的DAC電路。 信息請登陸:輸配電設備網

　　轉換原理是通過研究編碼表找出各位的規律，以對一個在0～1之間的輸入信號進行3位的GRAY碼為例，判斷MSB位只需將輸入信號與1/2進行比較，判斷LSB位需要將信號與1/8,3/8,5/8,7/8進行比較。這種比較在并行結構A/D里是以同時比較的方式實現。我們這里通過多時鐘實現對各位的串行比較。
　　通過有限狀態機提供的一個臺階上升的RAMP信號與輸入模擬信號經過多時鐘周期的串行多位比較，3位精度的A/D轉換器，求出最高位需要一個時鐘周期，求出次高位需要二個時鐘周期，最低位需要四個時鐘周期，各位的結果送入由有限狀態機提供的BITX信號控制的鎖存器并串行輸出。MCBS結構A/D轉換器通過多周期的復用技術來來模擬全并行A/D轉換器中的電阻分壓與輸入模擬信號的多位的并行比較，從而極大減小了A/D轉換器面積，并且可以采用穩定的簡單電路來實現。
　　Yang的MCSB結構的A/D轉換器使用了18個晶體管。

　　3.展望

　　SOC技術的發展使CMOS圖像傳感器在集成度高上的優越性上越來越體現出來，而集成A/D轉換器是CMOS圖像傳感器的中核心部件，世界各國科研工作者很早就開始了這一領域的研究工作。美國的Stanford大學早在上世紀90年代初就開始了該領域的研究并且在象素級A/D轉換器方面取得了豐碩的成果。我們中國科學院微電子研究所雖然起步比較晚，但通過不懈的努力，已在列級和芯片級A/D轉換器方面取得了一定的研究成果。目前，該領域主要有以下幾個研究方向。
　　3.1低電壓
　　集成電路設計已經進入深亞微米時代，最小線寬從0.25 到0.18 到現在的0.13 ，供電電壓也降低到2.5V，1.3V，甚至1V以下，這給數字電路的設計帶來了很大幫助，低電壓意味著低功耗，但這對于模擬電路設計卻是很大的挑戰。如何保持低電壓下，讓A/D轉換器正常的工作，提高模擬信號的動態范圍和信噪比，已經成為今后研究的熱點問題。
　　3.2低功耗
　　主要用在便攜設備上的圖像傳感器芯片對芯片的功耗的要求尤其苛刻，象素級和列級集成的A/D轉換器的功耗大小將會大大影響到整個芯片的功耗。所以如何更好的控制A/D轉換器的功耗，降低整個系統的功耗，從而延長便攜視頻系統的電池使用時間，是模擬集成電路設計者所需要考慮的主要問題之一。

3.3提高轉換精度和速度
　　新一代視頻技術和3D視頻技術的提出，對視頻的畫面質量有了更高的要求，而A/D轉換器的轉換精度和速度影響視頻畫面質量的關鍵因素。視頻播放的幀數受制于轉換速度，而視頻的畫質則受轉換精度的影響。如何開發出高速高精度的圖像傳感器用A/D轉換器，從而滿足不斷增長的高畫質數字視頻的要求，也成為當今一個迫切需要解決的問題。