高性能圖像傳感器的供電

CMOS 圖像傳感器的電源布局會顯著影響分辨率、幀率等性能。本文討論針對此應用設計電源方案時的重要考量。

CMOS 圖像傳感器的內部結構

典型的 CMOS 成像系統(tǒng)包含有源像素顏色陣列、模擬信號處理電路、模數轉換器和用于控制接口、時序和數據讀取的數字部分。陣列的填充因數是感光部分相對于傳感器總尺寸的百分比。光電探測器是一種光敏傳感器，用于捕獲可見光子并將其轉換為電流（毫微微安級）。分辨率用于量化 CMOS 圖像傳感器中的總像素陣列數，例如，200 萬像素傳感器陣列是 1600 列和 1200 行。但是，陣列中的像素并非都是有源的（可用于光檢測），其中有些（在光學上是黑色的）像素用于黑電平和噪聲校正。

圖 1：典型的 CMOS 圖像傳感器模塊

現有多種不同的像素晶體管設計，包括三晶體管 (3T)、四晶體管 (4T) 和五晶體管 (5T) 版本。在 4T 布局中，光電二極管將接收到的可見光子轉換為電荷。每個電壓一次讀取一行并放入柱狀電容器 (C) 中。然后使用解碼器和多路復用器進行讀取。

圖 2：四晶體管像素設計

幀率用于量化圖像處理陣列捕捉完整圖像的速度，一般為 30-120 fps。幀率受快門速度影響，后者控制圖像傳感器收集光線的時間。可編程時間間隔，也稱為“暗期”，在讀取最后一行之后執(zhí)行其他任務時，此間隔也會影響幀率，約為讀取速率的 75%。幀是按順序逐行讀取的；最后，緩沖器將整個幀存儲為完整圖像。

電源設計考量

CMOS 圖像傳感器一般使用三個不同的供電軌，分別是模擬供電軌 (2.8 V AVDD)、接口供電軌（1.8 或 2.8 V DOVDD）和數字供電軌（1.2 或 1.8 V DVDD）。低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器的輸入引腳上有一個大旁路電容，可以穩(wěn)定電源，幫助減少電壓波動，從而改善圖像傳感器的噪聲性能。電源抑制比 (PSRR) 衡量 LDO 抑制電源紋波引起的輸入電壓變化，或者阻斷由其他開關穩(wěn)壓器導致的噪聲的能力。具有低 PSRR 的 LDO 可能導致捕獲的圖像中出現不必要的水平紋波。在針對此應用設計具有足夠高 PSRR 的 LDO 之前，可計算給定幀率所需的傳感器行頻。

圖 3：正在進行穩(wěn)壓的 LDO

LDO 內部的反饋環(huán)路基本決定了工作頻率低于 100 kHz 的系統(tǒng)的 PSRR。對于更高頻率（高于 100 kHz）應用，仍取決于無源組件和 PCB 布局。因此，謹慎的 PCB 設計可以實現緊湊的電流環(huán)路，并降低寄生電感。普通 LDO 在高頻率下 PSRR 較低。雖然這對標準攝像頭來說不是問題，但更高分辨率 (50?200 MP) 和高幀率的圖像傳感器要求 LDO 在更低頻率（最高 10 kHz）下的 PSRR 高于 90 dB，在更高頻率 (1?3 MHz) 下高于 45 dB。

設計技巧

幀率 (30?120 fps) 和行速率 (22?44 kHz) 會產生動態(tài)負載，在模擬供電軌上引起下沖和過沖。在每次幀或行轉換時，獲取的電流類似于階躍負載，意味著在每次讀取幀和行（或之間）時，LDO 必須能夠處理數百毫安級的負載變化。大容量電容（在行和幀頻率下具有低阻抗）可以幫助攝像頭去耦，以減少這種負載切換引起的紋波。

圖像傳感器的每個像素都有電荷飽和水平（或最大阱容），這是在達到飽和之前像素能留存的電荷量（以電子為單位）。圖像傳感器的動態(tài)范圍（以 dB 表示）是能同時捕獲的圖像最亮和最暗部分的比率。LDO 輸出端的低頻譜噪聲密度（在 10 Hz 至 1 Mhz 之間）也有助于減少傳輸至 CMOS 圖像傳感器的噪聲量，使像素實現更大的動態(tài)范圍。最后，總體紋波和噪聲應至少低于傳感器的噪聲閾值 40 dB，在數據手冊中通常表示為信噪比 (SNR)。