【摘 要】
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模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）作为图像传感器的重要组成部分,其设计对图像传感器性能起着重要作用。近年来,图像传感器向高分辨率、高帧频、低功耗的趋势发展。为了提升CMOS图像传感器在高分辨率应用场景下的性能,本文通过将逐次逼近型ADC（Successive Approximation Register ADC,SAR ADC）与单斜ADC（Single-
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模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）作为图像传感器的重要组成部分,其设计对图像传感器性能起着重要作用。近年来,图像传感器向高分辨率、高帧频、低功耗的趋势发展。为了提升CMOS图像传感器在高分辨率应用场景下的性能,本文通过将逐次逼近型ADC（Successive Approximation Register ADC,SAR ADC）与单斜ADC（Single-Slope ADC,SS ADC）相结合,提出了一种应用于CMOS图像传感器的高精度列级ADC设计方法。首先,在高精度列级ADC结构设计方面,针对高精度ADC的功耗问题,本文在SS ADC部分采用高低双时钟的计数方法,可以有效降低计数区间内的功耗。针对高精度ADC的速度问题,本文在SS ADC的基础上增加一个DAC阵列以及相应的逻辑控制模块,形成两步式SAR/SS ADC,从而提高ADC的速度。最后,通过SS ADC与SAR ADC的切换方式使相关双采样（Correlated Double Sampling,CDS）在SS ADC内完成,可节省用于存储像素复位电压的SRAM数量,从而缩小版图面积。进一步,考虑两种ADC在切换点电压位置产生的误差问题,通过SAR ADC切换至SS ADC量化时斜坡余量的设置,使SS ADC的量化范围可以覆盖误差。SS ADC内设置符号位与溢出位,可以对切换点产生的误差进行量化,并在后续数据处理部分对该误差进行补偿,从而保证所提ADC的量化精度。为了验证所提设计方法的有效性,本文基于Cadence仿真软件,采用0.18μm标准CMOS工艺,对所提出的高精度列级ADC进行了仿真验证。仿真结果表明,在600MHz计数时钟、单沿计数的工作模式下,14-bit的列级ADC量化时间为9.32μs。使用3.3V模拟电源、1.8V数字电源供电,在FF工艺角下功耗为65.7μW,高低双时钟SS ADC在计数区间内功耗约为8.51μW,较单时钟ADC功耗低约90%。
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