用于CMOS圖像傳感器的流水線ADC設計及其成像驗證

3 芯片版圖
該芯片使用0．5μm標準CMOS工藝進行流片，版圖的設計綜合考慮了混合信號電路布局、匹配設計和抗干擾設計等。布局采用數模分離，數字電路加保護環；匹配設計采用了共心對稱設計、比例單元設計和添加啞元元件等技術。芯片版圖如圖7所示，帶PAD的整體芯片面積為3.55 mm@2．9 mm，其中上部分為數字位對齊和數字校準電路，中部為各級流水線，右側為時鐘產生電路，下部為信號輸入和其他電路。

4 成像系統及其成像結果
4．1 成像系統硬件組成
低噪聲、高幀頻的CMOS圖像傳感器成像，除了對PCB測試板的設計要求較高外，也對測試系統的構成也提出了較高的要求。本成像系統的電學硬件系統框圖如圖8所示。該電學硬件系統的基本工作原理是：

1)在PCB板上用基于CPLD設計的時鐘波形來控制板上的CMOS圖像傳感器芯片和ADC芯片協同工作，并在此過程中生成幀同步信號和ADC時鐘信號交予數字采集卡作為采集卡的外觸發和外時鐘信號。
2)在ADC芯片將CMOS圖像傳感器產生的模擬信號進行模數轉換后，其數字信號經緩沖芯片緩沖輸出至數字采集卡。
3)數字采集卡在幀同步信號控制下進行重復觸發采樣，在采集卡收集到一定數據后將采集到的數據傳送到主機中，然后用成像軟件進行分析，給出動態的成像圖片。
4．2 成像系統軟件設計
本測試系統軟件采用Labview編程，Labview是一種圖形化的編程語言的開發環境，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。
本系統中利用Labview的虛擬儀器(virtual instrument)實現對數據采集卡的數據采樣控制、對采集到的數據進行信號處理以及動態成像，圖9為成像軟件的界面圖，其工作模式和原理是：

1)在控制數字采集卡的程序中，將始終和觸發設置為外時鐘采樣以及外觸發重復觸發采樣模式，以實現成像信號幀同步和保證采集卡采樣與ADC輸出的同步。
2)在將采集到的數據轉化為U16數字格式數組后，對這些信號進行灰度值處理，程序設計了兩種灰度調節模式：固定的灰度轉換和灰度自動調節，此外程序還設計了可選的反色、圖像翻轉、圖像放大等功能。
3)在數據進行信號處理后，完成對采集數據的二維灰度值成像，這些信號處理和成像程序都置于while循環中，因此可根據延時設置成像刷新的幀頻，實現動態成像。
4．3 成像結果
用本文設計的ADC對模擬輸出的CMOS圖像傳感器進行模數轉換后，基于自主設計的成像系統，進行了實時成像實驗，成像結果如圖10所示，可以看出，畫面清晰，層次感分明。

5 結束語
文中設計了一種可應用于低噪聲CMOS圖像傳感器芯片級模數轉換的12bit、10Msps流水線ADC，并基于0．5μm標準CMOS工藝進行了流片。最后在PCB板級電路上用該流水線型ADC完成了CMOS圖像傳感器的模數轉換，并基于Labview和數字采集卡系統實現了CMOS圖像傳感器的成
像，成像結果表明，該ADC可滿足低噪聲CMOS圖像傳感器芯片級模數轉換器的要求，下一步可將CMOS圖像傳感器和該ADC合并設計在一個芯片上進行流片。