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，一個800萬像素(MP)的相機(jī)與一個5000萬像素的相機(jī)的電源方案有何不同，或幀率的不同(30fps、60fps、120fps)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)都含一個有源像素區(qū)和光電探測器，光電探測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、模擬信號處理、用戶接口數(shù)字邏輯、計(jì)時等。在飛安(Femtoamp)范圍內(nèi)的少量光電二極管電流在曝光時間(打開快門)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)

每個像素也有一個填充系數(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)開始，在總線上產(chǎn)生一個啟動條件。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，一個典型的200萬像素的相機(jī)像素陣列可能是1600x1200。

圖2 常見相機(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/SFAmp)來驅(qū)動每列總線。

圖3 四晶體管設(shè)計(jì)示例

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

速率也可能受到快門速度的限制或影響，快門速度控制著圖像傳感器收集光線的時間，或在最后一行被用于水平消隱、同步時間或其他目的后發(fā)生的被稱為"暗期"的可編程時間間隔。我們可以計(jì)算出一個給定幀率(15、30或60)所需的最高PSRR的頻率。--例如，400萬像素相機(jī)—和設(shè)計(jì)一個具有所需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間，如改變光圈、曝光時間計(jì)算、鏡頭自動對焦(AF)、圖像處理、內(nèi)存寫入速度等。對于靜態(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不同的電源軌來為模擬軌(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2.8V，接口電源軌是2.8V或1.8V，而數(shù)字電源軌是1.8V或1.2V。

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大的旁路電容。減少每個電源軌的波動還可改善CMOS圖像傳感器的噪聲性能。一般來說，模擬電源軌是對噪聲最敏感的軌道，其次是數(shù)字軌，對噪聲也很敏感。

電源抑制比(PSRR)

PSRR提供了一個方法來衡量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。這些紋波可能來自50/60Hz紋波的輸入電源，DC-DC的開關(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的反饋回路通常控制著頻率在100kHz以下的系統(tǒng)的PSRR。所以要確保選擇一個合適的LDO。對于高于100kHz的頻率，適當(dāng)選擇無源元件和PCB布局/位置來控制PSRR。

圖7 典型LDO的PSRR行為與頻率的關(guān)系

在設(shè)計(jì)PCB時，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導(dǎo)致電源軌上的噪聲通過高增益源跟隨器放大器電路進(jìn)入輸出信號路徑，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，這對于普通相機(jī)來說應(yīng)該足夠了，但是對于50-200MP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)10kHz)下的PSRR大于90dB，在1-3MHz頻率范圍內(nèi)的PSRR大于45dB，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(30-120fps)和行速率(22-44kHz)都會給圖像傳感器帶來動態(tài)負(fù)荷，在2.8V的模擬軌上產(chǎn)生下沖和過沖。

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

對于相機(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(μVRMS)

根據(jù)圖像傳感器的設(shè)計(jì)，每個像素都有一個電荷飽和度或滿井容量--一個像素在飽和前所能容納的電荷量(以電子為單位)。對于任何圖像傳感器，動態(tài)范圍(dB)定義為圖像中可被同時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，10Hz至1MHz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40dB。

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，有不同的問題要解決，比如400萬像素不同于4000萬像素，30幀不同于120幀的幀率，或高動態(tài)范圍不同于低動態(tài)范圍，等等。我們通過互聯(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-PHYMIPI通道數(shù)量實(shí)現(xiàn)高分辨率相機(jī)的最大允許幀率。考慮到計(jì)算出的最高幀率頻率所需的最高PSRR，和一個給定的圖像傳感器所需的RMS噪聲密度與已知的SNR，可以幫助我們設(shè)計(jì)一個優(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。

審核編輯：湯梓紅