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了解為高分辨率、高幀率CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)供電方案的挑戰(zhàn)

江師大電信小希 ? 來源:江師大電信小希 ? 作者:江師大電信小希 ? 2022-11-18 09:06 ? 次閱讀

了解為當(dāng)今高分辨率、高幀率CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)供電方案的關(guān)鍵挑戰(zhàn),是設(shè)計(jì)一個滿足每位設(shè)計(jì)工程師要求的含LDO (DC-DC, PMIC)的優(yōu)化的電源系統(tǒng)方案的關(guān)鍵要素。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要知道不同應(yīng)用中的電源方案有何不同,比方說,一個800萬像素(MP)的相機(jī)與一個5000萬像素的相機(jī)的電源方案有何不同,或幀率的不同(30 fps、60 fps、120 fps)如何改變他們的電源設(shè)計(jì),多大頻率需要高電源抑制比(PSRR),等等。本文意在強(qiáng)調(diào)在為當(dāng)今任何圖像傳感器確定供電方案之前的基本考量。

前言

任何CMOS成像系統(tǒng)都含一個有源像素區(qū)和光電探測器,光電探測器用于捕獲光子并將其轉(zhuǎn)換成非常小的光電流電子。不同的部分讀取數(shù)據(jù),包括ADC模擬信號處理、用戶接口數(shù)字邏輯、計(jì)時等。在飛安(Femto amp)范圍內(nèi)的少量光電二極管電流在曝光時間(打開快門)內(nèi)被整合成少量的電荷,由ADC轉(zhuǎn)換成可讀的的電壓。

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圖1. 典型的CMOS成像儀結(jié)構(gòu)

像素、分辨率和晶體管設(shè)計(jì)

每個像素也有一個填充系數(shù),取決于使用的總像素區(qū)域的百分比,并有兩個部分,光敏和非光敏部分。光敏區(qū)捕獲光線,而非光敏區(qū)則用于ADC、數(shù)字塊、接口和其他功能。

其余區(qū)域用于水平或垂直讀出,其中典型的READ 或WRITE序列由主機(jī)開始,在總線上產(chǎn)生一個啟動條件。

CMOS圖像傳感器的分辨率是總的像素陣列數(shù),像素陣列由許多列和行組成。例如,一個典型的200萬像素的相機(jī)像素陣列可能是1600 x 1200。

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圖2. 常見相機(jī)像素列表

列和行上的一些像素被稱為暗像素,在光學(xué)上是黑色的,在內(nèi)部用于黑電平校正或行噪聲校正,這將導(dǎo)致實(shí)際有源像素陣列或陣列中實(shí)際有效像素的減少。

有許多不同的像素晶體管設(shè)計(jì)(3T、4T、5T),如下面所示的四晶體管(4T)像素設(shè)計(jì)。光電二極管將接收到的光子轉(zhuǎn)化為少量的電荷,有一些開關(guān)用于選擇不同的列和行。為了不干擾光電二極管的讀數(shù),光電二極管結(jié)上的高阻抗放大器被用作源跟隨器放大器(TIA/SIA)。為了不干擾光電二極管的讀數(shù),光電二極管結(jié)點(diǎn)上的高阻抗放大器被用作源跟隨放大器(TIA/SF Amp)來驅(qū)動每列總線。

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圖3. 四晶體管設(shè)計(jì)示例

每個像素電壓一次讀取一行并放入列電容器 (Cs),然后使用列解碼器和多路復(fù)用器進(jìn)行讀取。

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圖4. 選定行和列的示例

幀和行轉(zhuǎn)換

幀率衡量的是捕獲一個完整的圖像并讀出陣列以進(jìn)行處理的速度,典型的頻率范圍是30-120赫茲 (Hz)。圖像傳感器可以是用于慢動作回放的高幀率器件(>60幀),或用于運(yùn)動模糊效果的低幀率器件(<60 fps)。

速率也可能受到快門速度的限制或影響,快門速度控制著圖像傳感器收集光線的時間,或在最后一行被用于水平消隱、同步時間或其他目的后發(fā)生的被稱為"暗期 "的可編程時間間隔。

我們可以計(jì)算出一個給定幀率(15、30或60)所需的最高PSRR的頻率。--例如,400萬像素相機(jī)—和設(shè)計(jì)一個具有所需PSRR的LDO,用于計(jì)算頻率。

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圖 5. 不同幀速率與水平頻率的影響

幀速率約為讀出速率的 75%,另外 25% 作為其他處理的空閑時間,如改變光圈、曝光時間計(jì)算、鏡頭自動對焦(AF)、圖像處理、內(nèi)存寫入速度等。對于靜態(tài)圖像和視頻,幀讀出以行序列方式進(jìn)行,最后,整個幀被收集在緩沖區(qū)中并呈現(xiàn)出完整的圖像。

圖像傳感器電源軌

CMOS圖像傳感器通常需要三個不同的電源軌來為模擬軌(AVDD)、接口(DOVDD)和數(shù)字軌(DVDD)供電。用于模擬電源軌的標(biāo)準(zhǔn)電壓是2.8 V,接口電(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)源軌是2.8 V或1.8 V,而數(shù)字電源軌是1.8 V或1.2 V。

為了改善CMOS圖像傳感器的噪聲性能,我們可以在電源引腳前放置一個大的旁路電容

減少每個電源軌的波動還可改善CMOS圖像傳感器的噪聲性能。一般來說,模擬電源軌

是對噪聲最敏感的軌道,其次是數(shù)字軌,對噪聲也很敏感。

電源抑制比(PSRR)

PSRR提供了一個方法來衡量LDO抑制紋波的能力,或如何阻斷僅在LDO輸入端由電源軌產(chǎn)生的噪聲。PSRR越高,可阻斷越多的電源噪聲或波紋。這些紋波可能來自50/60 Hz紋波的輸入電源,DC-DC的開關(guān)頻率,或由于不同電路共享輸入電源而產(chǎn)生的紋波。

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圖6. 從LDO的輸入到輸出的噪聲示例

LDO的反饋回路通常控制著頻率在100 kHz以下的系統(tǒng)的PSRR。所以要確保選擇一個合適的LDO。對于高于100 kHz的頻率,適當(dāng)選擇無源元件和PCB布局/位置來控制PSRR。

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圖7. 典型LDO的 PSRR行為與頻率的關(guān)系

在設(shè)計(jì)PCB時,應(yīng)注意電流環(huán)路要緊密,以減少寄生電感和電源軌與相機(jī)軌之間的紋波。在Vin和Vo之間使用一個干凈的偏置或更高的余量,也可以增加PSRR 性能能力。

低的PSRR性能或模擬軌上的任何噪聲會導(dǎo)致電源軌上的噪聲通過高增益源跟隨器放大器電路進(jìn)入輸出信號路徑,導(dǎo)致捕獲的圖像中出現(xiàn)不想要的水平波紋。

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圖8. 模擬軌上的噪聲示例

普通 LDO 在高頻下的 PSRR 較低,這對于普通相機(jī)來說應(yīng)該足夠了,但是對于 50-200 MP 范圍內(nèi)的高分辨率和高幀率圖像傳感器,肯定需要特定系列的 LDO, 在較低頻率范圍(達(dá) 10 kHz)下的PSRR大于 90 dB,在 1-3 MHz 頻率范圍內(nèi)的PSRR大于 45 dB,以減少幀和行速率轉(zhuǎn)換期間的紋波。

傳感器幀和行速率與電源負(fù)荷的關(guān)系

值得注意的是,幀率(30-120 fps)和行速率(22-44 kHz)都會給圖像傳感器帶來動態(tài)負(fù)荷,在2.8 V的模擬軌上產(chǎn)生下沖和過沖。

在每一個新的幀或新的行轉(zhuǎn)換過程中,電流的吸取就像一個階梯負(fù)載。例如,在一幀或一行的讀取過程中,或者在每一幀或一行的讀取之間,電源方案 (LDO)需要在每個幀和行轉(zhuǎn)換期間處理幾百毫安的負(fù)載變化,但在其輸出電壓軌上無任何大幅度的波動。

對于相機(jī)去耦,需要體電容器在行和幀頻率附近具有最低阻抗,以獲得最佳系統(tǒng)性能。

LDO輸出噪聲(μ VRMS)

根據(jù)圖像傳感器的設(shè)計(jì),每個像素都有一個電荷飽和度或滿井容量--一個像素在飽和前所能容納的電荷量(以電子為單位)。對于任何圖像傳感器,動態(tài)范圍(dB)定義為圖像中可被同時捕獲的最亮和最暗的部分。

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圖9. 像素容量和本底噪聲示例

在任何LDO的輸出端,10 Hz至1 MHz之間的頻譜噪聲密度越低,就越能發(fā)揮重要作用,轉(zhuǎn)移到CMOS圖像傳感器中的噪聲就越少,從而使給定像素的動態(tài)范圍更高。

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圖10. 典型的LDO輸出噪聲密度

找到CMOS圖像傳感器的信噪比(SNR)信息并設(shè)計(jì)系統(tǒng)是至關(guān)重要的,以使整體紋波和噪聲至少比傳感器的噪聲閾值低40 dB。

審核編輯:湯梓紅

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