CMOS圖像傳感器中高精度放大器的研究與設(shè)計

趙 鵬

(榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

引言

放大器在CMOS圖像傳感器(CIS)中一般為CDS+AMP+ADC結(jié)構(gòu),向前承由于它的輸入輸出分別是CDS電路和AD電路，在CIS電路系統(tǒng)中，通常采用分別采樣積分信號和復(fù)位信號來進(jìn)行做差，即進(jìn)行兩次采樣做差，以此來減小固定噪聲的影響[1]，然后從CDS輸出的信號進(jìn)入放大器進(jìn)行放大。最后將信號送到后續(xù)處理電路ADC進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。對于原始信號輸出擺幅很小的CIS電路，需要采用精度很高的ADC，而高精度的ADC占用面積大、功耗高，所以，為了減小CIS系統(tǒng)中對ADC苛刻要求，即即盡可能降低的精度，常常在ADC電路之間增加一級放大電路, 這樣通過放大器將CDS的采樣輸出信號放大到ADC所需的信號輸入范圍，這樣就可以適當(dāng)降低對ADC精度的要求。

1 電路設(shè)計過程

1.1 放大器電路結(jié)構(gòu)的確定

綜上所述，由于放大器工作在低頻下，對速度要求比較低，主要功能就是對直流電壓進(jìn)行放大；因此對精度的要求比較高，所以我們主要從2個方面去提高和優(yōu)化精度。

(1)列放大器主體電路運算放大器的高增益是高精度的要求，本設(shè)計采用的是折疊共源共柵放大器，因為套筒式共源共柵放大器對共模輸入范圍和偏置電壓的確定都很嚴(yán)格。增益提高運放需要用到額外的放大器來提高增益，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也不適合我們這次的設(shè)計。兩級運放雖然有較大的擺幅和較高的增益，但是電路引入的極點多，系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要補償電容。本次采用共源共柵放大器結(jié)構(gòu)不僅具有較高的輸出擺幅，而且輸入共模電平更容易選取。除了這些優(yōu)點外，共源共柵結(jié)構(gòu)還能很大程度上消除輸入端的米勒效應(yīng)，提高頻率特性，同時該結(jié)構(gòu)還具有自補償?shù)奶匦浴?/p>

(2)采用電容開關(guān)型電路實現(xiàn)固定增益放大

開關(guān)電容電路相對于電阻電路，不僅精度可以更好的控制，能實現(xiàn)高精度的要求，而且電容的制造工藝還和CMOS工藝兼容。

本文主要就是設(shè)計一種精度好、穩(wěn)定性好的固定增益放大器。從而滿足CMOS圖像傳感器的比較好的工作性能要求。

圖1 放大器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 開關(guān)電容工作時序

圖1是本次設(shè)計采用的電容式開關(guān)式固定增益放大器結(jié)構(gòu)。通過時序發(fā)生電路產(chǎn)生兩相互不交疊時鐘信號來控制開關(guān)電容放大器在采樣和放大保持兩種狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換[2]。

電路工作分為以下兩個步驟：

步驟一：S1和S2都導(dǎo)通

(Vrst-Vrefl)C1+(Vref-Vrefl)C2

(1)

步驟二：S1和S2關(guān)閉，S3導(dǎo)通

(Vsin-Vrefl)C1+(Vout-Vrefl)C2

(2)

由于電容上的電荷不能突變，故可得

Vout=Vref+(Vrst-Vsig)C1/C2

(3)

1.2確定電容C1和C2的比值

由于CDS中復(fù)位電壓Vrst為0.6V，參考電壓Vref為0.6，積分信號Vsig的值在(0.2-0.6V)之間。而CIS系統(tǒng)要求經(jīng)過放大器放大的信號范圍為0.6-1.1V，即Vout的值為0.6-1.1V。故由表達(dá)式(3)可以計算出C1/C2的比值為1.25。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，放大器的等效輸入噪聲為：

(4)

公式β是電路的反饋系數(shù)，CLT為負(fù)載電容，與放大器的等效輸入電容相比而言是比較大的，它主要是由大器的負(fù)載電容和自身電容組成。所以由公式(4)可得，放大器本身的等效輸入噪聲可以忽略。而CDS電路中由MOS管的導(dǎo)通電阻和采樣電容所構(gòu)成的RC電路作產(chǎn)生的熱噪聲才是主要的噪聲源。故在輸入的積分信號范圍為0.2v到0.6v，ADC的分辨率為10位的情況下，ADC的LSB=400uV,故1/2LSB=200uV,根據(jù)公式：

(5)

可得， C的最小為100fF。由于理論計算時都做了不同程度的理想化，故為了使設(shè)計的電路由充分的余度，電容的C的值應(yīng)該比計算出到值大50%左右，即約為150fF。

1.3 放大器增益的設(shè)計

放大器閉環(huán)增益公式如下[4]：

(6)

1.4 放大器增益帶寬的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的要求，放大階段的時鐘脈沖為100ns，根據(jù)采樣的一般原則，我們在t= 50ns時采樣，故放大器必須在50ns內(nèi)將信號放大的穩(wěn)定的狀態(tài)，所以放大器的建立時間為50ns。根據(jù)公式

t≥λ(N+1)ln2

(7)

其中l(wèi)為時間常數(shù)，t=50ns，N = 10是ADC轉(zhuǎn)換的分辨率。

(8)

其中A0w0為放大器的增益帶寬，由公式(7)和(8)可得：

55.2 MHZ

1.5 放大器壓擺率的確定

壓擺率就是輸入為大階躍信號時的輸出響應(yīng)。我們把放大器的放大時間的1/4給大信號的建立，有Vpp/(100ns/4)=24V/us，Vpp為輸出擺幅，其中Vpp為0.6V。

通過上述的分析，本次設(shè)計采用的電路結(jié)構(gòu)形式如圖(3)所示，它是一個共源共柵結(jié)構(gòu)的放大器，該結(jié)構(gòu)不僅提供了較高的電壓增益，而且還減小了輸入端的米勒效應(yīng)，提高頻率特性。此外它還具有自補償特性，使得電路不需要額外的電路。故此電路結(jié)構(gòu)在其占用面積不大的情況下就能能夠提供系統(tǒng)設(shè)計所需的高增益。

圖 3折疊共源共柵結(jié)構(gòu)示意圖

2放大器仿真

圖4 放大器的轉(zhuǎn)換速率

圖5 放大器的建立時間

圖4是放大器輸入大階躍信號的轉(zhuǎn)換速率仿真圖。對于圖4的轉(zhuǎn)換速率仿真，放大器接成單位增益負(fù)反饋的形式，在輸入端加入0.5V到1.1V的大階躍信號，從輸出波形中測量電壓上升最快的斜率，這個斜率就是轉(zhuǎn)換速率。由圖4中可以看出，其中圖中橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是電壓，從輸出波形中找出斜率最大直線上的兩點，計算出這條直線的斜率。經(jīng)計算得出轉(zhuǎn)換速率是26.2V/us。

圖5是放大器輸入小信號的建立時間仿真圖，放大器接成單位增益負(fù)反饋的形式，輸入端加入0.5V到0.501V的小信號階躍，然后觀察它的輸出波形。當(dāng)輸出波形上升到我們要求的精度范圍內(nèi)時所用的時間就是小信號的建立時間。由圖5我們可以看出，其中圖中橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是電壓，建立時間大約為40ns。

圖6 放大器的開環(huán)響應(yīng)

圖6是放大器的開環(huán)增益仿真圖，在輸入信號共模電平0.6V，交流信號幅度1V的情況對放大器進(jìn)行開環(huán)增益和相位裕度的仿真，其中圖6中上下兩圖橫坐標(biāo)都是頻率，上圖相位圖的縱坐標(biāo)是相位，下圖幅頻圖的縱坐標(biāo)是用dB表示的電壓放大倍數(shù)。從圖中可以看出，開環(huán)增益74.5dB、增益帶寬59.248MHz。

圖7 放大器相位裕度

圖7是放大器的相位裕度仿真圖，在輸入信號共模電平為0.6V，交流信號幅度為1V，用180度減去在輸出波形中0dB所對應(yīng)的相位度數(shù)就是我們想要的相位裕度。圖中兩圖橫坐標(biāo)都是頻率，上圖縱坐標(biāo)是相位，下圖縱坐標(biāo)是用dB表示的電壓放大倍數(shù)。從圖中看出相位裕度大約為78度。

圖8 放大器的電源電壓抑制比仿真圖

圖9 放大器的共模抑制比仿真圖

圖8是放大器的電源電壓抑制比仿真圖，放大器接成單位增益負(fù)反饋的形式，輸入信號的交流電壓設(shè)為0V，電源電壓中添加交流分量1V，然后進(jìn)行交流仿真，所得到的輸出波形就是放大器PSRR的倒數(shù)的幅頻特性曲線。圖中橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是用dB表示的電壓放大倍數(shù)。從圖中可以看出，PSRR為75.03dB。

圖9是放大器的共模抑制比仿真圖，將放大器的反向輸入端和輸出端用一個僅包含1V交流電壓的電壓源連接起來，電壓源的正端和放大器的反向輸入端相連，另一輸入端所加的直流電平為0.6V，沒有交流分量。然后進(jìn)行交流仿真，得到輸出波形即為運算放大器CMRR的倒數(shù)的幅頻特性曲線。圖9中橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是用dB表示的電壓放大倍數(shù)，從圖中可以看出，運放的CMRR為79.37dB。

圖10 放大器的共模輸入仿真

圖11 放大器的輸出擺幅仿真

圖10是放大器共模輸入仿真圖，圖中橫縱坐標(biāo)都是電壓，運放接成單位增益負(fù)反饋形式，輸入端直流偏置電壓設(shè)置為變量，對這個變量進(jìn)行掃描，掃描范圍為0到1.5V，同時觀察輸出波形，輸出波形斜率為1時對應(yīng)的輸入信號范圍就是輸入共模范圍。從中可以看出共模輸入范圍為0.4-1.05V。

表1 設(shè)計指標(biāo)和仿真結(jié)果對比表

圖11是放大器的輸出擺幅仿真圖，圖中橫縱坐標(biāo)都是電壓，放大器接成放大倍數(shù)為10的負(fù)反饋形式，這時對輸入端的電壓變量進(jìn)行掃描，這時觀察輸出波形，波形中斜率為10的波形所對應(yīng)的輸出范圍就是放大器的輸出范圍。，從中看出輸出范圍是0.4-1.15V。

3 總結(jié)

我們對設(shè)計的放大器電路進(jìn)行仿真。設(shè)計指標(biāo)和仿真結(jié)果如表格所示。

根據(jù)上述的仿真結(jié)果，設(shè)計的放大器能夠滿足系統(tǒng)的要求。