应用于CMOS图像传感器低功耗流水线模数转换器研究.pdf

天津大学
硕士学位论文
应用于CMOS图像传感器的低功耗流水线模数转换器的研究
姓名:王晓楠
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:姚素英
20070501
摘要关键词:流水线模数转换器低功耗数字校正电容误差校正图像传感在混合信号系统中,模数转换器且桓龇浅9丶牟糠帧K歉涸将模拟信号转换成为数字信号的器件,有着非常广阔的应用范围。流水线模数转换器,由于其在低功耗高速高精度方面的结构优势,在更加广泛的领域中得到了应用。本文主要针对应用于图像传感器的高性能的流水线醒芯浚⑸杓屏艘桓龅凸流水线结构的模数转换器,设计基于ひ铡本文主要论述了以下几个方面:第一,介绍了用建立的每级位流水线南低衬P汀Mü立数学模型,把握系统的性能指标。在系统模型中加入非理想因素,如热噪声、余数放大器的增益误差、比较器失调误差和各种非线性误差。通过误差对系统性能影响的分析来指导电路设计。第二,本文着重强调了精度和功耗的要求,这主要体现在功耗方面:采用带数字冗余校正的传统每级位流水线结构,最大的降低比较器失调要求;采用电荷翻转型產采样保持/电路,最小化采样保持级的噪声和功耗;采用电容缩减因子,降低后级运算跨导放大器囊G螅跣」模徽壑钥悸窃肷凸模钣呕裳缛葜岛墓ぷ鞯缌鳌精度方面:∈д妫辉谑毙蛏辖懈慕消除比较器的反馈産噪声等。第三,对于设计中的数字部分,通过仔细设计时钟电路产生合理的系统时序,保证了系统的可靠性。另外,论文还提到了设计其他辅助的电路如锁存器阵列,全加器等的方法。这些电路主要用于完善系统的功能,并实现数字校正。第四,把握当今模数转换器中研究的重点,对精度要求更高时采用的电容误差校正理论进行了简单的介绍,用数学模型进行小信号分析仿真,在此基础上提出了捅冉掀鞴蚕砑际酰8徊接呕档凸奶岢隽死砺垡谰荨器
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第一章前言设计背景和意义国内外研究状况和进展随着计算机、通信和多媒体技术的飞速发展,全球高新技术领域数字化进程的不断推进,利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。工艺水平的不断进步,使得数字集成电路的成本不断降低。因此,很多电子系统的数字部分取代了模拟部分,这使得模数转换器的应用领域不断扩大。这些应用场合包括宽带数据通信、多媒体移动通信、液晶显示驱动、高清晰度数字电视,高速数字示波器、图像传感器等。在图像传感器中,模数转换器大致有三种结构,分别为列级模数转换器【、像素级模数转换器【苦、芯片级模数转换器【】F渲校酒赌J;黄魇将整个像素阵列所采集的模拟信号通过行列选通读出给电路进行处理,具有像素填充因子高,芯片面积小,布局灵活,无固定模式噪声等优点【俊6杂诎偻蛳袼级别的图像传感器来讲,为了保证画面质量较高,需要每秒较高的帧频。这就需要芯片级转换器具有较高的转换速度,并且满足系统精度像传感器中通常为环直媛和性能指标缧旁氡龋段У的要求。流水线且恢旨饶苁迪指咚儆帜苁迪窒嗟狈直鹇实慕峁梗哂泄牡停面积小的优势,因此成为高性能高动态范围的图像传感器的首选。图像传感器中芯片级G笃湮1曜糃ひ眨汕度胧降摹M蓖像传感器被广泛应用于移动便携式设备,如手机、数码相机等,这就要求图像传感器尽可能消耗较少的功耗,流水线魑F渲匾R徊糠郑牡纳杓票为关键。如何在保证性能的条件下,设计低功耗的晌1疚墓丶晕侍狻流水线木ǘ仁苄矶嗟缏泛凸ひ辗抢硐胍蛩氐挠跋欤绲缛菔洹⒈较器失调、跨导运算放大器邢拊鲆娴龋谡饧傅悖谕舛粤魉缏飞杓蒲芯恐饕S屑父龇矫妫⑺俣扔呕速度优化一个研究方向是对于整个系统来讲,可以采用若干流水线并行操
本文各部分主要内容及所做工作设计、电流自举运放【】、动态比较器㈣等都是研究方向。低功耗、小面积方面阅苤副作,或增加局部流水【俊沟昧魉叩乃俣确痘蚋摺A硪桓鲅芯糠较蚓褪堑路级,如通过合理分配压摆区和线性建立区聊,以及合理分配放大器零极点分布等,来优化电路建立特性。⒌凸摹⒌偷缪