应用于微光CMOS图像传感器的电荷泵系统设计

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微光CMOS图像传感器具有低成本、低功耗、易于集成的优点,有着广阔的应用前景。对微光像素内的传输栅进行高压、负压调节,可以有效改善微光成像质量。要产生这种高压、负压偏置,需在芯片内部集成像素专用的电荷泵系统。本文对应用于微光CMOS图像传感器的电荷泵系统进行研究,分析了该应用的指标要求,并完成了相应的电路设计与仿真验证。本文首先分析了电荷泵系统的非理想效应对微光像素的影响,提出关键设计指标:输出纹波和负载响应时间。然后针对微光应用,设计了一种低输出纹波的电荷泵结构。为了以更小的面积实现电荷泵系统的全集成,本文又提出了一种带补偿器的改进结构。它通过电荷补偿缩短了负载响应的恢复时间,从而避免使用过大的滤波电容,减小了芯片的面积开销。最后,对本文提出的电荷泵系统进行了电路实现、版图设计及仿真验证,并通过比较加入补偿器前后的输出性能,说明该补偿器带来的性能提升。针对微光CMOS图像传感器应用,本文采用0.11μm 1P4M工艺对低输出纹波的电荷泵系统进行了设计,完成了对无补偿器结构和带补偿器结构的全集成电路实现,仿真表明:两结构的输出纹波均小于1m VPP时,若负载响应恢复时间相当,带补偿器结构的面积为无补偿器的50.69%;若两结构的面积相当,补偿器的引入使负载响应的恢复时间缩短了72%。可见,在应用于微光CMOS图像传感器的低输出纹波电荷泵系统中,本文提出的电荷补偿方式,可以有效加速负载响应的恢复,极大地减小了全集成电荷泵系统的面积开销。
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