高性能CMOS圖像傳感器的電源布局會(huì)對(duì)分辨率、幀率等性能產(chǎn)生重大影響。在設(shè)計(jì)電源方案時(shí)，本文討論了這一應(yīng)用的重要考慮因素。

  內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器

  典型的CMOS成像系統(tǒng)包括源像素顏色陣列、模擬信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和用于控制接口、時(shí)間順序和數(shù)據(jù)讀取的數(shù)字部分。陣列的填充因子是感光部分相對(duì)于傳感器總大小的百分比。光電探測(cè)器是一種光敏傳感器，用于捕獲可見(jiàn)光子并將其轉(zhuǎn)換為電流(微安全級(jí))。

  分辨率用于量化CMOS圖像傳感器中的總像素陣列數(shù)。例如，200萬(wàn)像素傳感器陣列是1600和1200行。然而，并不是陣列中的所有像素都是有源的(用于光學(xué)檢測(cè))，一些像素(用于光學(xué)中的黑色)用于黑色電平和噪聲校正。

圖1：典型的CMOS圖像傳感器模塊。

有許多不同的像素晶體管設(shè)計(jì)，包括三個(gè)晶體管(3T)、四個(gè)晶體管(4T)和五個(gè)晶體管(5T)版本。在4T布局中，光電二極管將接收到的可見(jiàn)光子轉(zhuǎn)化為電荷。每個(gè)電壓讀取一行，放入柱狀電容器(C)。然后使用解碼器和多路復(fù)用器進(jìn)行讀取。

圖2：四晶管像素設(shè)計(jì)。

幀速率用于量化圖像處理陣列，以捕完整圖像的速度，通常為30-120fps。幀速率受快門(mén)速度的影響，快門(mén)速度受快門(mén)速度的影響，快門(mén)速度受快門(mén)速度的影響，快門(mén)速度受快門(mén)速度的影響，快門(mén)速度受快門(mén)速度的影響，快門(mén)速度受快門(mén)速度的影響，快門(mén)速度受快門(mén)速度的影響，后者控制圖像傳感器收集光線的時(shí)間?？删幊虝r(shí)間間間隔，也稱為暗期，在讀取最后一行后執(zhí)行其他任務(wù)時(shí)，這個(gè)間隔也會(huì)影響幀速率，約為讀取速率的75%。幀按順序讀取;最后，緩沖器將整個(gè)幀存儲(chǔ)為完整的圖像。

  考慮電源設(shè)計(jì)

  CMOS圖像傳感器一般采用模擬供電軌(2.8VAVDD)、接口供電軌(1.8或2.8VDOVD)和數(shù)字供電軌(1.2或1.8VDVDDD)三種不同的供電軌。低壓降(LDO)穩(wěn)壓器的輸入引腳上有一個(gè)大的旁路電容，可以穩(wěn)定電源，幫助降低電壓波動(dòng)，從而提高圖像傳感器的噪聲性能。

電源抑制比(PSRR)測(cè)量LDO抑制電源紋波引起的輸入電壓變化的能力，或阻斷其他開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器引起的噪聲。低PSRR的LDO可能會(huì)在捕獲的圖像中產(chǎn)生不必要的水平紋波。給定幀速率所需的傳感器行頻可以在設(shè)計(jì)具有足夠高PSRR的LDO之前計(jì)算。

圖3：LDO正在進(jìn)行穩(wěn)壓。

LDO內(nèi)部的反饋回路基本上決定了系統(tǒng)的PSRR，工作頻率低于100kHz。對(duì)于更高頻率(高于100kHz)的應(yīng)用，仍然取決于無(wú)源組件和PCB布局。因此，精心設(shè)計(jì)的PCB可以實(shí)現(xiàn)緊湊的電流回路，降低寄生電感。在高頻下，普通LDO的PSRR相對(duì)較低。雖然這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)攝像頭來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但是高分辨率(50200MP)和高幀率的圖像傳感器要求LDO在較低頻率(最高10kHz)下的PSRR高于90dB，在較高頻率(10kHz)下的PSRR高于45db。

  設(shè)計(jì)技巧

  幀速率(300120fps)和行速率(2244kHz)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)載，導(dǎo)致模擬電源軌道上的下沖和過(guò)沖。在每個(gè)幀或行轉(zhuǎn)換過(guò)程中，獲得的電流類似于階躍負(fù)載，這意味著LDO必須能夠在每次讀取幀和行(或行)之間處理數(shù)百毫安的負(fù)載變化。大容量電容(在行頻和幀頻率下具有低阻抗)可以幫助相機(jī)解耦，從而減少這種負(fù)載切換引起的紋波。

  圖像傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)電荷飽和度(或最大陷阱容量)，這是像素可以保留的電荷量(以電子為單位)，直到達(dá)到飽和。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍(以db表示)是可以同時(shí)捕獲的圖像最亮和最暗部分的比率。

  低頻譜噪聲密度(介于10Hz至1mhz之間)的LDO輸出端也有助于降低傳輸?shù)紺MOS圖像傳感器的噪聲量，使像素達(dá)到更大的動(dòng)態(tài)范圍。最后，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，總紋波和噪聲應(yīng)至少低于傳感器的噪聲閾值40dB，通常表示為信噪比(SNR)。