摘要：由于传统的单斜式模数转换器(SS ADC)以及改进的各种架构串行两步式SS ADC普遍存在速度瓶颈问题,均无法满足工业界高帧率CMOS图像传感器的发展需求,该文提出一种应用于高帧率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(TDC)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TDC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TDC技术,在ADC量化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55 nm 1P4M CMOS实验平台完成了所提方法的电路设计、版图设计和测试验证。在模拟电压3.3 V、数字电压1.2 V、时钟频率100 MHz、动态输入范围1.6 V的设计环境下,该文ADC设计精度为12 bit,转换时间仅有480 ns,列级功耗低至62μW,DNL以最低有效位(LSB)计为+0.6/–0.6,INL以最低有效位(LSB)计为+1.2/–1.4,信噪失真比(SNDR)达到70.08 dB,与现有的先进单斜式ADC相比,ADC转换速度提高了52%以上,可以有效压缩行处理时间,为高帧率大面阵CMOS图像传感器的实现提供了有效的解决方案。

摘要：为抑制像素阵列在曝光阶段的暗电流对图像传感器动态范围和输出图像质量的影响,基于同步自适应的暗电流跟踪机制,提出一种电路与系统级暗电流积分补偿方法。通过采样输出有效光电信号,在无源处理阶段同步进行暗电流消除。该方法不仅可以补偿不同区域暗电流对有效光电信号的影响,而且可解决传统暗电流消除方法对读出电路动态范围会造成衰减的问题。基于该方法,在55 nm CMOS工艺下设计了一种752×512阵列规模的CMOS图像传感器,实现了完整的电路设计、版图设计与后端物理验证。结果显示,采用集成暗电流补偿技术的采样放大电路对暗电流最小补偿精度可以达到12 bit,补偿范围最大可以达到500 mV,单列功耗仅有15.84μW,同时可实现1~4倍的增益,最小增益步进6.25%。实现了从模拟前端根除暗电流对CMOS图像传感器图像质量和动态范围的影响,为高端、高性能的CMOS图像传感器设计提供了一定的理论支撑。