CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺的技术,在近十年来得到了快速的发展,它通过集成的模拟和数字电路对图像进行采集、传输、处理以及输出。这种技术相比较于其他类型的图像传感技术,具有高集成度、低功耗、低成本、功能强大等优点,是一种有着广阔前景的技术。 本文以光电鼠标的应用为背景,设计了一个CMOS图像传感器系统的主要部分,包括像素阵列、相关二次采样电路、模数转换电路和带隙基准电路。 像素阵列是一个16×16的像素阵列,像素单元采用有源像素传感器。像素阵列采用逐行扫描的方式采样,实现每秒3125帧的输出。像素阵列每行的扫描结果并行传输到相关二次采样电路,这是一个1×16的阵列,每个相关二次采样电路单元对应一列像素单元,它存储像素单元在充电周期和积分周期的采样值,并输出它们的差值,消除像素单元的固定模式噪声。相关二次采样电路的输出串行输入到模数转换电路,将模拟的电压值转换为数字信号。模数转换电路采用流水线式的结构,包括具有单端输入/差动输出功能的采样保持电路和九级的子电路,前八级子电路使用1.5位/级的结构,最后一级使用两个比较器实现,每个输入值被转换为18位的二进制代码,通过数字纠正技术最终实现10位的输出,按照前端电路的应用要求,这个模数转换器实现1.33MHz的采样速率。通过输入有限个采样点来测试这个模数转换电路的静态性能,其积分非线性和差动非线性均小于1LSB。带隙基准电路为整个系统提供基准电平,它使用两个在CMOS工艺中寄生的PNP型的双极性晶体管,通过运算放大器的反馈实现独立于温度和电压的带隙基准电压,在使用理想电阻的情况下仿真,其精度达到16.6ppm。 像素阵列的扫描方式使用多采样技术可以提高传感器动态范围2~N倍,相关二次采样技术消除了像素单元之间的固定模式噪声,使用流水线式的模数转换器可以实现好的分辨率、速度和面积等的折衷。通过晶体管级电路的实现与仿真,系统各部分的性能满足设计与应用的要求。