互补金属氧化物半导体图像传感器列并行模拟-数字转换器

字数 1802 2025-12-07 21:30:40

互补金属氧化物半导体图像传感器列并行模拟-数字转换器

互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器列并行模拟-数字转换器（Column Parallel ADC）是其读出电路架构中的一项核心技术。为了深入理解，我们需循序渐进地分解其概念。

基础概念：为什么需要模拟-数字转换？
- CMOS图像传感器的核心是一个由成百上千万个像素组成的阵列。每个像素本质上是一个微型的光电探测器，其功能是将照射在其表面的光线强弱，转换为相应大小的电信号（电压或电流）。这个电信号是连续变化的模拟信号。
- 现代数字设备（如计算机、手机处理器）无法直接处理和存储模拟信号。它们内部运算和存储的都是由“0”和“1”组成的离散数字信号。
- 因此，必须将每个像素产生的模拟电压信号，转换为一个用二进制数字（例如，对于8位精度，是0到255之间的一个整数）表示的数字值。这个转换过程就是模拟-数字转换（ADC），执行此功能的电路模块称为模数转换器。
挑战：传统ADC架构的瓶颈
- 在早期或一些简单的CMOS传感器中，可能会采用“芯片级单ADC”或“列共享少数ADC”的方案。即所有像素的模拟信号，通过一个或少数几个高速ADC轮流进行转换。
- 这种方法存在严重问题：速度瓶颈。对于一颗拥有数百万甚至上亿像素的传感器，在极短的曝光/读出时间内，让一个ADC依次转换所有像素的信号是难以实现的，这会导致帧率（每秒能拍摄的画面数）极低，无法满足动态影像拍摄的需求。
解决方案：列并行ADC架构
- “列并行ADC”是解决上述速度瓶颈的主流和高效方案。其核心思想是大规模并行处理。
- 在这种架构下，传感器像素阵列的每一列像素都配备一个独立的、小型的模数转换器。这些ADC在物理布局上就位于像素阵列的底部或两侧，与像素列一一对齐。
- 工作流程如下：
  - 曝光结束后，一整行像素的信号被同时激活并传输到垂直方向的列线（Column Bus）上。
  - 紧接着，这一行所有列的ADC同时开始工作，各自对自己所在列线上接收到的那个像素的模拟电压信号进行独立的模数转换。
  - 转换完成后，每个ADC输出一个数字码（如10位或12位的二进制数）。
  - 然后，这些数字码被并行地送入后续的数字处理电路（如数字增益、降噪等），或通过高速数字接口（如MIPI）串行输出。
- 优势：由于是并行操作，转换一整行像素所需的时间，实际上就是单个ADC转换一个信号的时间。这极大地提升了整个传感器芯片的读出速度，是实现高帧率、高分辨率视频拍摄的关键。
技术细节：列ADC的常见实现类型
- 考虑到芯片面积和功耗，集成在每列下方的ADC通常采用结构相对简单、面积小的类型。最常见的有两种：
  - 单斜坡积分型ADC：这是CMOS图像传感器中最主流的列ADC方案。其原理是将一个从零开始线性上升的公共参考斜坡电压，与输入的像素电压进行比较。同时启动一个计数器进行计数。当斜坡电压上升到与像素电压相等时，比较器翻转，停止计数器。此时计数器的计数值就是与输入电压成正比的数字输出。其结构规整，易于在细长的列空间内布局，且具有良好的均匀性。
  - 逐次逼近寄存器型ADC：这种ADC通过二分搜索法逐位逼近输入电压。它比单斜坡型速度更快，但电路更复杂，对元件匹配精度要求高，功耗和面积通常也更大，多用于对速度和功耗有极致要求的高端产品中。
关键考量与挑战
- 均匀性：成千上万个列ADC集成在芯片上，由于制造工艺的微小偏差，每个ADC的转换特性（如增益、偏移）可能存在差异。这会导致最终图像出现固定的垂直线纹（列固定模式噪声）。因此，必须通过精密的电路设计、校准算法或数字后端处理来校正这些非均匀性。
- 速度与精度权衡：ADC的转换速度越快，单位时间内能处理的帧数就越高，但通常会导致转换精度（信噪比）下降或功耗增加。设计需要在速度、精度和功耗之间取得平衡。
- 芯片面积与功耗：虽然单个列ADC很小，但数量极其庞大，其总面积和总功耗是传感器芯片设计的重要考量因素。优化ADC的电路设计和工艺是持续的研究方向。

总结来说，互补金属氧化物半导体图像传感器列并行模拟-数字转换器是现代CMOS图像传感器实现高速、高分辨率成像的核心引擎。它通过为每一列像素配备专用ADC，将模拟到数字的转换过程从串行改为大规模并行，从而突破了数据读出的速度限制，是当今智能手机、数码相机、监控摄像头等设备能够流畅拍摄高清视频的基石技术。

互补金属氧化物半导体图像传感器列并行模拟-数字转换器互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器列并行模拟-数字转换器（Column Parallel ADC）是其读出电路架构中的一项核心技术。为了深入理解，我们需循序渐进地分解其概念。基础概念：为什么需要模拟-数字转换？ CMOS图像传感器的核心是一个由成百上千万个像素组成的阵列。每个像素本质上是一个微型的光电探测器，其功能是将照射在其表面的光线强弱，转换为相应大小的电信号（电压或电流）。这个电信号是连续变化的模拟信号。现代数字设备（如计算机、手机处理器）无法直接处理和存储模拟信号。它们内部运算和存储的都是由“0”和“1”组成的离散数字信号。因此，必须将每个像素产生的模拟电压信号，转换为一个用二进制数字（例如，对于8位精度，是0到255之间的一个整数）表示的数字值。这个转换过程就是模拟-数字转换（ADC），执行此功能的电路模块称为模数转换器。挑战：传统ADC架构的瓶颈在早期或一些简单的CMOS传感器中，可能会采用“芯片级单ADC”或“列共享少数ADC”的方案。即所有像素的模拟信号，通过一个或少数几个高速ADC轮流进行转换。这种方法存在严重问题：速度瓶颈。对于一颗拥有数百万甚至上亿像素的传感器，在极短的曝光/读出时间内，让一个ADC依次转换所有像素的信号是难以实现的，这会导致帧率（每秒能拍摄的画面数）极低，无法满足动态影像拍摄的需求。解决方案：列并行ADC架构 “列并行ADC”是解决上述速度瓶颈的主流和高效方案。其核心思想是大规模并行处理。在这种架构下，传感器像素阵列的每一列像素都配备一个独立的、小型的模数转换器。这些ADC在物理布局上就位于像素阵列的底部或两侧，与像素列一一对齐。工作流程如下：曝光结束后，一整行像素的信号被同时激活并传输到垂直方向的列线（Column Bus）上。紧接着，这一行所有列的ADC同时开始工作，各自对自己所在列线上接收到的那个像素的模拟电压信号进行独立的模数转换。转换完成后，每个ADC输出一个数字码（如10位或12位的二进制数）。然后，这些数字码被并行地送入后续的数字处理电路（如数字增益、降噪等），或通过高速数字接口（如MIPI）串行输出。优势：由于是并行操作，转换一整行像素所需的时间，实际上就是单个ADC转换一个信号的时间。这极大地提升了整个传感器芯片的读出速度，是实现高帧率、高分辨率视频拍摄的关键。技术细节：列ADC的常见实现类型考虑到芯片面积和功耗，集成在每列下方的ADC通常采用结构相对简单、面积小的类型。最常见的有两种：单斜坡积分型ADC ：这是CMOS图像传感器中最主流的列ADC方案。其原理是将一个从零开始线性上升的公共参考斜坡电压，与输入的像素电压进行比较。同时启动一个计数器进行计数。当斜坡电压上升到与像素电压相等时，比较器翻转，停止计数器。此时计数器的计数值就是与输入电压成正比的数字输出。其结构规整，易于在细长的列空间内布局，且具有良好的均匀性。逐次逼近寄存器型ADC ：这种ADC通过二分搜索法逐位逼近输入电压。它比单斜坡型速度更快，但电路更复杂，对元件匹配精度要求高，功耗和面积通常也更大，多用于对速度和功耗有极致要求的高端产品中。关键考量与挑战均匀性：成千上万个列ADC集成在芯片上，由于制造工艺的微小偏差，每个ADC的转换特性（如增益、偏移）可能存在差异。这会导致最终图像出现固定的垂直线纹（列固定模式噪声）。因此，必须通过精密的电路设计、校准算法或数字后端处理来校正这些非均匀性。速度与精度权衡：ADC的转换速度越快，单位时间内能处理的帧数就越高，但通常会导致转换精度（信噪比）下降或功耗增加。设计需要在速度、精度和功耗之间取得平衡。芯片面积与功耗：虽然单个列ADC很小，但数量极其庞大，其总面积和总功耗是传感器芯片设计的重要考量因素。优化ADC的电路设计和工艺是持续的研究方向。总结来说，互补金属氧化物半导体图像传感器列并行模拟-数字转换器是现代CMOS图像传感器实现高速、高分辨率成像的核心引擎。它通过为每一列像素配备专用ADC，将模拟到数字的转换过程从串行改为大规模并行，从而突破了数据读出的速度限制，是当今智能手机、数码相机、监控摄像头等设备能够流畅拍摄高清视频的基石技术。