一种应用于CMOS图像传感器的流水线模数转换器设计

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170150

吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (3): 968-976.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170150

• 论文 • 上一篇

一种应用于CMOS图像传感器的流水线模数转换器设计

陈鸣^1,2, 陈杰^1,2, 肖璟博^1,2

1.中国科学院微电子研究所,北京 100029;
2.中国科学院大学微电子学院,北京 100029;

收稿日期:2017-02-23 出版日期:2018-05-20 发布日期:2018-05-20
通讯作者: 陈杰(1963-),男,研究员,博士生导师.研究方向:.E-mail:jchen@ime.ac.cn
作者简介:陈鸣(1985-),男,博士研究生.研究方向:低功耗模拟集成电路设计.E-mail:chenmingl@ime.ac.cn
基金资助:
“973”国家重点基础研究发展项目(2015CB352103).

Design of pipeline analog digital converter used for CMOS image sensors

CHEN Ming^1,2, CHEN Jie^1,2, XIAO Jing-bo^1,2

1.Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2.School of Microelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China

Received:2017-02-23 Online:2018-05-20 Published:2018-05-20

摘要/Abstract

摘要： 设计了一种应用于CMOS图像传感器中的低功耗流水线模数转换器(ADC),并采用逐次逼近寄存器(SAR)ADC辅助流水线架构,提出了一种新型全差分环形放大器。与传统的跨导运算放大器(OTA)相比,所提出的全差分环形放大器能效更高。本文采用0.18 μm 1P5M工艺完成电路设计及版图布局,当输入频率为19.94 MHz的正弦信号时,仿真显示ADC的信号噪声失真比(SNDR)为57.8 dB,无杂散动态范围(SFDR)为64.9 dB,最大微分非线性(DNL)为+0.58 LSB/-0.33 LSB,最大积分非线性 (INL)为+0.55 LSB/-0.57 LSB。整个ADC功耗为3.78 mW。

关键词: 半导体技术, CMOS图像传感器, 流水线模数转换器, 环形放大器, 逐次逼近寄存器

Abstract: This paper presents a low power pipeline Analog-to-Digital Converter (ADC) used in CMOS image sensor. We propose a new fully differential ring amplifier, and employ a SAR ADC to assist the pipeline architecture. Comparing with conventional Operational Transconductance Amplifier (OTA), the proposed amplifier has higher energy-efficiency. This design is implemented in 0.18 μm 1P5M 1.8 V/3.3 V process. The post-simulation results indicate that it can achieve a maximum differential nonlinearity of +0.58 LSB/-0.33 LSB, a maximum integral nonlinearity of +0.55 LSB/-0.57 LSB, Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) of 64.9 dB and Signal-to-Noise and Distortion Ratio (SNDR) of 57.8 dB for a 19.94 MHz input at sampling rate. The total power dissipation of ADC core is 3.78 mW, the FoM of ADC is 148 fJ/conv-step.

Key words: semiconductor technology, CMOS image sensor, pipeline ADC, ring amplifier, SAR

中图分类号:

TN43

陈鸣, 陈杰, 肖璟博. 一种应用于CMOS图像传感器的流水线模数转换器设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 968-976.

CHEN Ming, CHEN Jie, XIAO Jing-bo. Design of pipeline analog digital converter used for CMOS image sensors[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 968-976.

参考文献

[1] Hamami Shy,Fleshel L, Yadid-Pecht O.CMOS APS imager employing 3.3v 12 bit 6.3 Ms/S pipelined ADC[J]. IEEE International Symposium on Circuits and Systems,2004,5:960-963.
[2] Rhee J, Joo Y.Wide dynamic range CMOS image sensor with pixel level ADC[J]. Electronics Letters, 2003, 39(4): 360-361.
[3] Abo A M, Gray P R.A 1.5 V, 10 bit, 14.3 MS/s CMOS pipeline analog-to-digital converter[J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 1999, 34(5): 599-606.
[4] Brooks L, Lee H-S.A 12 b, 50 MS/s, fully differential zero-crossing based pipelined ADC[J]. IEEE J. Solid-State Circuits,2009,44(12):3329-3343.
[5] Hershberg B,Weaver S, Sobue K, et al., Ring amplifiers for switched capacitor circuits[J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 47(12): 2928-2942.
[6] Lim Y, Flynn M P.A 100 MS/s 10.5b 2.46 mW comparator-less pipeline ADC using self-biased ring amplifiers[C]∥IEEE ISSCC Dig Tech Papers, 2014: 202-203.
[7] Razavi B.Design of analog CMOS integrated circuits[D]. Boston, MA, USA: McGraw-Hill, 2001:435-436.
[8] Liu C C, Chang S J, Huang G Y, et al.A 10 bit 50 MS/s SAR ADC With a Monotonic Capacitor Switching Procedure[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2010, 45(4):731-740.
[9] Ahmed I, Mulder J, Johns D A.A Low-Power Capacitive Charge Pump Based Pipelined ADC[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2010, 45(5):1016-1027.
[10] Oh G G, Lee C K, Ryu S T.A 10 Bit 40 MS/s Pipelined ADC With a Wide Range Operating Temperature for WAVE Applications[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs, 2014, 61(1):6-10.
[11] Hu J, Dolev N, Murmann B.A 9.4 bit, 50 MS/s, 1.44 mW pipelined ADC using dynamic residue amplification[C]∥2008 IEEE Symposium on VLSI Circuits,2008:216-217.
[12] Lajevardi P, Chandrakasan A, Lee HS, et al, Zero-crossing detector based reconfigurable analog system[J]. Solid State Circuits Conference , 2011 , 46(11) :1-4.

相关文章 10

[1]	丁宁, 常玉春, 赵健博, 王超, 杨小天. 基于USB 3.0的高速CMOS图像传感器数据采集系统[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1298-1304.
[2]	姜文龙, 贾萍, 汪津, 丁桂英. 基于3-(4-Biphenylyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole(TAZ)制备的薄膜电阻的磁效应[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 836-840.
[3]	申晶, 张晓林. 一种低功耗CMOS并行双频低噪声放大器[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(02): 485-490.
[4]	韩强,姜文龙,姚冠新. 利用混合母体结构改善有机发光器件性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(03): 787-790.
[5]	唐威,吴龙胜,刘存生,刘佑宝. 深亚微米部分耗尽型SOI MOSFET的建模及特征提取方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(03): 782-786.
[6]	杨志民，马义德，马永杰,3，摆玉龙，杨鸿武 . 基于0.13 μm工艺的低电压CMOS场效应管输出电导[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(01): 229-233.
[7]	周求湛，张苑，孙玉晶，张贺彬，谢宁 . 基于独立分量分析的光电耦合器件可靠性时域筛选方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(05): 1242-1247.
[8]	漆奇，，张彤，，刘丽，，3，刘奎学，，徐宝琨， . 基于辐射功率的微热板测温系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(04): 936-939.
[9]	周建明，高晓薇，费元春 . 一种新的阶跃恢复二极管建模方法及其在短脉冲产生电路中的应用[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(01): 173-176.
[10]	周津，姚素英，徐江涛，胡燕翔. 新型选择性复位CMOS图像传感器电路结构[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(02): 227-0231.

Metrics

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed

一种应用于CMOS图像传感器的流水线模数转换器设计

Design of pipeline analog digital converter used for CMOS image sensors

RICH HTML

PDF (PC)

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 10

Metrics

本文评价

推荐阅读 10