【摘 要】
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从20世纪80年代末至今,CMOS图像传感器已经走过了漫长的道路。自该领域发展以来,列级单斜式模数转换器就作为重要的解决方案被囊括其中,CMOS图像传感器与列级ADC的组合所展现出在速度和功耗上的卓越性能,赋予了该组合强劲的生命力。目前在以高速高精度为核心的发展方向下,对单斜式ADC提出了高速化、高精度化、低功耗和低成本等诸多要求。本文以高速化为切入点对列级单斜式ADC展开研究与设计。通过对国内外
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从20世纪80年代末至今,CMOS图像传感器已经走过了漫长的道路。自该领域发展以来,列级单斜式模数转换器就作为重要的解决方案被囊括其中,CMOS图像传感器与列级ADC的组合所展现出在速度和功耗上的卓越性能,赋予了该组合强劲的生命力。目前在以高速高精度为核心的发展方向下,对单斜式ADC提出了高速化、高精度化、低功耗和低成本等诸多要求。本文以高速化为切入点对列级单斜式ADC展开研究与设计。通过对国内外发展现状进行剖析,本文首先重点研究了以两步式单斜ADC（Two Step Single-Slope ADC）配合时间数字转换（TDC）的设计方法,充分考虑了单斜式结构与列电路的高度兼容性。其次在TS SS ADC的基础上,优化信号转换路径提出了基于数据并行处理思想的全并行两步式单斜ADC（Parallel Two Step Single-Slope ADC）架构,该ADC通过将量化过程分解为4位粗量化、5位细量化和3位时间数字量化实现12位的转换精度。相较于传统两步式,并行下的转换时间由各过程总和,优化为各过程的最大值。PTS SSADC与SSADC相比,在继承了其低功耗与小面积的优势下,转换速度提升了 128倍,相较于TS SSADC获得了 4倍的速度提升。此外针对TS SS ADC存在的粗细转换衔接误差问题,设计了一种跟随式误差校正电路,将粗量化的绝对误差相对化,实现了每个细量化区间的转换衔接误差低于0.3LSB。最后TDC结构的插入进一步优化了两步式结构不兼容高频时钟的缺陷,在保留低频时钟低功耗和低噪声特点的前提下得到转换速度的大幅提升。本文基于55nm 1P4M工艺,完成了电路与系统进行详细设计验证,最后以6.6μm列宽限制进行了版图设计实现物理验证。结果表明:设计的基于PTS SSADC和TDC相结合的12位全并行ADC,在1.2V～2.7V的输入电压范围内,将CMOS图像传感器的行时间压缩至825ns,ADC的微分非线性和积分非线性分别为+0.6/-0.6LSB和+1.6/-1.2LSB,信噪失真比SNDR为68.271dB,有效位数ENOB达到1 1.0489bit,列不一致性低于0.5‰,为CMOS图像传感器提供了一种高效稳健的高速列级ADC方案。
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