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)

摘要

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(gè)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(shuō)，一個(gè)800萬(wàn)像素(MP)的相機(jī)與一個(gè)5000萬(wàn)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(gè)有源像素區(qū)和光電探測(cè)器，光電探測(cè)器用于捕獲光子并將其轉(zhuǎn)換成非常小的光電流或電子。不同的部分讀取數(shù)據(jù)，包括ADC、模擬信號(hào)處理、用戶接口數(shù)字邏輯、計(jì)時(shí)等。在飛安(Femto amp)范圍內(nèi)的少量光電二極管電流在曝光時(shí)間(打開(kāi)快門(mén))內(nèi)被整合成少量的電荷，由ADC轉(zhuǎn)換成可讀的的電壓。

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(gè)像素也有一個(gè)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(gè)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(kāi)始，在總線上產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)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(gè)典型的200萬(wàn)像素的相機(jī)像素陣列可能是1600 x 1200。

圖2. 常見(jiàn)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(kāi)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(lái)驅(qū)動(dòng)每列總線。

圖3. 四晶體管設(shè)計(jì)示例

每個(gè)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。

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(gè)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(dòng)作回放的高幀率器件(>60幀)，或用于運(yùn)動(dòng)模糊效果的低幀率器件(<60 fps)。

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

我們可以計(jì)算出一個(gè)給定幀率(15、30或60)所需的最高PSRR的頻率。--例如，400萬(wàn)像素相機(jī)—和設(shè)計(jì)一個(gè)具有所需PSRR的LDO，用于計(jì)算頻率。

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(shí)間，如改變光圈、曝光時(shí)間計(jì)算、鏡頭自動(dòng)對(duì)焦(AF)、圖像處理、內(nèi)存寫(xiě)入速度等。對(duì)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(gè)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(gè)不同的電源軌來(lái)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(gè)大的旁路電容。

減少每個(gè)電源軌的波動(dòng)還可改善CMOS圖像傳感器的噪聲性能。一般來(lái)說(shuō)，模擬電源軌

是對(duì)噪聲最敏感的軌道，其次是數(shù)字軌，對(duì)噪聲也很敏感。

電源抑制比(PSRR)

PSRR提供了一個(gè)方法來(lái)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(lái)自50/60 Hz紋波的輸入電源，DC-DC的開(kāi)關(guān)頻率，或由于不同電路共享輸入電源而產(chǎn)生的紋波。

圖6. 從LDO的輸入到輸出的噪聲示例

LDO的反饋回路通?？刂浦l率在100 kHz以下的系統(tǒng)的PSRR。所以要確保選擇一個(gè)合適的LDO。對(duì)于高于100 kHz的頻率，適當(dāng)選擇無(wú)源元件和PCB布局/位置來(lái)控制PSRR。

圖7. 典型LDO的 PSRR行為與頻率的關(guān)系

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，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(gè)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(huì)導(dǎo)致電源軌上的噪聲通過(guò)高增益源跟隨器放大器電路進(jìn)入輸出信號(hào)路徑，導(dǎo)致捕獲的圖像中出現(xiàn)不想要的水平波紋。

圖8. 模擬軌上的噪聲示例

普通 LDO 在高頻下的 PSRR 較低，這對(duì)于普通相機(jī)來(lái)說(shuō)應(yīng)該足夠了，但是對(duì)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(huì)給圖像傳感器帶來(lái)動(dòng)態(tài)負(fù)荷，在2.8 V的模擬軌上產(chǎn)生下沖和過(guò)沖。

在每一個(gè)新的幀或新的行轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流的吸取就像一個(gè)階梯負(fù)載。例如，在一幀或一行的讀取過(guò)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(gè)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(wú)任何大幅度的波動(dòng)。

對(duì)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(gè)像素都有一個(gè)電荷飽和度或滿井容量--一個(gè)像素在飽和前所能容納的電荷量(以電子為單位)。對(duì)于任何圖像傳感器，動(dòng)態(tài)范圍(dB)定義為圖像中可被同時(shí)捕獲的最亮和最暗的部分。

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(dòng)態(tài)范圍更高。

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。

總結(jié)

在為不同規(guī)格的圖像傳感器設(shè)計(jì)LDO電源方案時(shí)，有不同的問(wèn)題要解決，比如400萬(wàn)像素不同于4000萬(wàn)像素，30幀不同于120幀的幀率，或高動(dòng)態(tài)范圍不同于低動(dòng)態(tài)范圍，等等。我們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(ISP)提供的最大數(shù)據(jù)速率能力和所用的C/D-PHY MIPI通道數(shù)量實(shí)現(xiàn)高分辨率相機(jī)的最大允許幀率?？紤]到計(jì)算出的最高幀率頻率所需的最高PSRR，和一個(gè)給定的圖像傳感器所需的RMS噪聲密度與已知的SNR，可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的電源系統(tǒng)，以滿足當(dāng)今高分辨率和高幀率CMOS圖像傳感器的要求。

使用在較高頻率下具有高PSRR、低RMS噪聲的LDO方案，以及在給定的垂直和水平頻率下具有特定阻抗的合適的無(wú)源器件，可以幫助改善CMOS圖像傳感器的整體噪聲性能，減少電源波紋，從而使拍攝的圖像減少不想要的水平波紋。