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1、一种CMOS图像传感器ADC的高速高精度S/H电路摘要:设计了一种用于流水线模数转换器的采样保持电路,该电路采用自举开关,并运用衬底驱动技术设计一个增益达到89dB全差分两级跨导运算放大器(OTA)。在CSMC0.5μmCMOS工艺,在3.3V的电源电压下,仿真它可以满足基于1024×1024CMOS图像传感器芯片级ADC的高速高精度能要求。 关键词:采样/保持电路运算跨导放大器模数转换器CMOS图像传感器 :TN43:A:1007-9416(2011)01-0031-03 1、概述 近年来,随着CMOS工艺技术的不断成熟和相对于传统CCD的自身优势,CMOS图
2、像传感器技术得到了飞速发展。由于小型号和低功耗逐步成为市场主流,CMOS图像传感器除了高动态范围、高灵敏度、低噪声等特点外,还应具有高速、高精度、高集成度和低功耗的特点。 在CMOS图像传感器中,模数转换器(ADC)起着决定性作用。芯片级ADC[1]能够进一步减小CMOS图像传感器的芯片面积提高集成度,而ADC的功耗也决定着图像传感器的功耗。因此,设计一种高速、高精度、低功耗的S/H电路成为必要。 2、S/H电路设计 采样保持电路[2](sampleholddevices)简称S/H;它用在模拟/数字(A/D)转换系统中的一种电路,作用是采集模拟输入电压在某一时刻
3、的瞬时值,并在模数转换器进行转换期间保持、输出电压不变,以供模数转换。 传统的S/H电路分为开环采样保持和闭环采样保持两种结构,开环结构具有高速的特点,但采样精度较差;闭环结构采样精度较高但速度却不高。本设计采用普通开环结构。 3、高速高精度开关设计 普通的开关通常存在线性度较差、建立时间较长等问题,本设计中采用自举栅压开关差分电路来有效解决普通开关存在的非线性、建立时间以及电荷注入和时钟溃通等问题。自举开关[3][4]电路图如图1所示 在开关电路中,M1为输入信号到输出信号的传输开关,M2和M7为控制信号开关,M3、M4以及M5、M6组成两个反相器。当时钟信号
4、高电平到来时,M7管导通,B点被下拉到地电位,电容C1被充电到Vdd-Vth,即A点电位为Vdd-Vth,当时钟信号变为低电平时,B点电位上升到Vdd,M7管截止,而此时电容C1中总电荷数不变,A点电压变为2Vdd-Vt,同时,M8管导通。这样就提高了开关管M1的栅极电压,根据导通电阻Ron公式 (1) 增大了栅源电压VGS,导通电阻Ron被减小,增加了线性度。同时,增大了电流ID,有效减小了电容充放电时间,缩短了建立时间。另外,M9管可吸收由于电荷注入引起的偏差,减小电荷注入的影响。 4、低功耗高增益轨对轨放大器设计 4.1衬底驱动技术 低功耗高增益运算放大
5、器是S/H电路甚至整个CMOS图像传感器电路的实现低功耗的关键,它的功耗直接决定了整个电路的功耗。本设计中采用基于衬底驱动技术的低功耗高增益折叠式共源共栅(Floded—Cascode)运算放大器来降低功耗和提高增益并达到轨对轨输入。 衬底驱动MOS技术[5][6]是利用衬底偏置类似的效应,将栅极连接到一个固定的偏置电压,衬底作为信号的输入端,从而控制晶体管漏电流的阈值电压Vth将会是源和衬底电压VBS的函数。 (2) 其中,Vth0是VSB=0时的阈值电压,是体效应系数,是费米势。 在标准CMOS工艺技术下,利用衬底驱动技术可以提高输入电压共模范围,允许范围达到负
6、值。 4.2高速、高增益轨对轨放大器 本设计采用Floded—Cascode放大器为基础,利用衬底驱动技术,在栅上外加一个固定电压,而衬底作为放大器偏置电压的输入,差分对管MP1和MP2也是利用衬底作为放大器的输入,从而实现高速、高增益轨对轨放大器[7]。 4.2.1输入级差分结构 输入级采用Floded—Cascode结构,输入管利用衬底驱动技术可以实现低功耗和轨对轨输入。采用衬底驱动差分对管MP1和MP2可以很好解决阈值电压对电源电压和输入信号受限的问题,而且很好解决了通过输入电压驱动输入管。在低电压条件下,输入电压共模范围为: (3) 表示M0管的漏源电压
7、,表示MOS管的阈值电压,由于可以采用耗尽型MOS管,因此可以为0,所以真正的实现了轨对轨的输入。 放大器第一级采用折叠式共源共栅结构,由于该结构具有高速,但增益、输出摆幅、功耗和噪声中等的特点。需要通过来提高输出电阻Rout或增加跨到的方法提高增益,但是,输出电阻的增加正比于偏置电流的减小,而跨导的的增大与偏置电流增大是平方根的关系。所以,增大输出电阻Rout比增大跨导有效。 4.2.2输出级结构 输出级采用电流源负载的共源级,这种结构的负载上的电压不是紧随负载电阻的变化而变化,既可以在提高MP7管输出电阻
