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应用于CMOS图像传感器的列级高速单斜式ADC设计技术研究认领

作者：

王杨乐

学位授予单位：

西安理工大学

摘要：

在如今越来越高集成化的时代背景下,CMOS图像传感器凭借其高集成度、低成本和低功耗的特点,在便携式数码相机、手机相机、汽车、航天卫星等消费级以及工业级领域均能看到其身影。在这些应用场景下,人们对高性能成像系统的需求日益增加。然而,CMOS图像传感器很难兼顾在高分辨率的同时实现较高的帧频。单斜式ADC作为业界CMOS图像传感器读出电路的主流架构,其性能的优劣直接将影响到整个系统的性能。因此,在实现高精度的前提下,完成更高速的量化成为了目前亟待解决的问题,本文将针对该问题,对高速化单斜式ADC展开详细的研究。本文提出了一种应用于高帧频CMOS图像传感器的高速全差分两步式ADC设计方法。该ADC设计方法基于差动斜坡与时间数字转换技术,将差动量化嵌套在两步式的量化中,形成了区别于串行量化的并行量化模式,不仅提升了数据量化的速率,而且保证了系统的一致性和鲁棒性;针对传统时间数字转换技术与单斜式ADC的匹配性问题,提出了一种基于电平编码的时间数字转换技术,在完成模数转换的最后一个时钟周期内,在不提升系统时钟的情况下,完成时间数字转换,实现了更高精度的量化。该文基于55nm 1P4M CMOS工艺下完成了所提方法的电路与系统设计、版图设计和仿真验证流程。在3.3V模拟电压域、1.2V数字电压域、100MHz时钟频率和1.6V动态输入范围的设计环境下,仿真得到DNL和INL分别为+0.6/-0.6LSB和+1.2/-1.4LSB。该ADC以2.08MS/s的采样频率对254.313Hz的输入进行采样,仿真得到信噪失真比和有效位数分别为70.1dB和11.3-bit。与现有的先进单斜式ADC相比,ADC转换速度提高了52%以上,为高帧率大面阵CIS的实现提供了有效的解决方案。

摘要译文

关键词：

电平编码; CMOS图像传感器; 差动斜坡; 时间数字转换; 模数转换器

学位年度：

2024

学位类型：

硕士

导师：

郭仲杰

中图分类号：

TP391.41;TN792;TP212[发送器（变换器）、传感器]

学科分类号：

080202[机械电子工程];080203[机械设计及理论];080902[电路与系统]

D O I：

10.27398/d.cnki.gxalu.2024.001539