Оптимизация низкоуровневой нелинейности (INL) в CMOS-сенсорах изображения: анализ и моделирование

С ростом спроса на сенсоры изображения с более высоким разрешением, пиксельный шаг был уменьшен для размещения большего количества пикселей в том же размере сенсора. Для чтения с той же частотой кадров несколько строк должны читаться одновременно. Это требует множества аналого-цифровых преобразователей (ADC) на пиксельный шаг. Шаг ADC был уменьшен еще больше в результате, требуя более плотную компоновку. Вероятность паразитной связи увеличивается, что проявляется как электрический кросс-ток. В архитектуре односкатного ADC, ADC имеют некоторые общие общие сети, включая питание, землю, смещения и рамп. Большее количество ADC, конвертирующих одновременно, может вызывать обратный отклик на этих общих сетях. Это может привести к неидеальностям, одной из которых является нелинейность.

Рисунок 1. Архитектура параллельного чтения по колонкам. (Изображение: Forza Silicon)

Помимо традиционных источников нелинейности, эффекты уровня массива становятся более заметными из-за большего и более плотного размера массива ADC. Они могут вызывать провалы на графике линейности, которые трудно корректировать и требуют множества кривых коррекции. Традиционно оптически черные колонки используются для коррекции шума строк и отмены смещения. Поскольку у них все схожие уровни сигнала, они конвертируются одновременно и вводят помеху на общих сетях. Это может создать нелинейность в более темных областях изображения, которая более заметна для человеческого глаза. Кроме того, количество конвертаций ADC в темноте может меняться в зависимости от сцены. В результате величина помехи варьируется и делает ее более сложной для коррекции. Поэтому лучше устранить проблему у источника.

Односкатный ADC и линейность

Рисунок 2. Типичный односкатный ADC. Шина колонки пикселя считывается с использованием операции CDS. (Изображение: Forza Silicon)

Архитектура параллельного ADC по колонкам и схема односкатного ADC показаны на Рисунке 1 и Рисунке 2 соответственно. ADC используют коррелированную двойную выборку (CDS) для чтения пиксельного напряжения. Автонулевание (AZ) завершается относительно уровня сброса пикселя. Рамп удерживается на фиксированном референсном уровне, и уровень TG пикселя сэмплируется. Этот уровень сравнивается с сигналом рамп, تتراوح от высокого к низкому в этом сценарии. В момент, когда сигнал рамп и уровень TG совпадают, генерируется импульс защелкивания.

Этот импульс используется для защелкивания значения счетчика, которое является желаемым цифровым кодом, соответствующим пиксельному сигналу. В массиве ADC есть один ADC на линию шины колонки. Питание, земля, смещения и рамп совместно используются всеми ADC в массиве. В результате любые помехи на этих общих сетях — вызванные обратным откликом, когда секции массива ADC конвертируют одновременно — будут общими для всех ADC при чтении определенной строки. Традиционно оптически темные колонки добавляются сбоку активного пиксельного массива для коррекции любого шума строки или фиксированных смещений.

Легкость измеряет разницу между измеренным выходом и идеальным выходом. Она kvantифицируется в терминах интегральной нелинейности (INL). Типичные источники INL в CMOS-сенсорах изображения включают пиксельный выходной источник-последователь, источник тока VLN, рамп, сэмплирующий конденсатор на входе ADC и предусилитель. Вклад пиксельного источник-последователя в INL в основном обусловлен объемным эффектом, который увеличивает пороговое напряжение устройства по мере увеличения напряжения источника. Это известно как темновой сигнал (Рисунок 3). Ток VLN меняется по мере изменения напряжения сток-исток устройства VLN (модуляция длины канала). Вариация тока VLN влияет на транскондуктность (gm) выходного источник-последователя пикселя, делая его усиление сигналозависимым (1), где Rs — выходное сопротивление VLN.

Рисунок 3. Источник-последователь и результирующий объемный эффект на его выходе. (Изображение: Forza Silicon)

Использование каскодного источника тока VLN помогает снизить эффект модуляции длины канала. Однако это имеет побочный эффект уменьшения используемого диапазона пиксельного сигнала, так как устройство VLN может выйти из насыщения на ярких уровнях сигнала. Рамп — еще один главный источник INL, особенно на темных уровнях сигнала, из-за конечного сопротивления источника тока в генераторе рамп. Наконец, в ADC основными источниками INL являются схема сэмплирования и предусилитель. INL схемы сэмплирования происходит из-за сигналозависимого сопротивления переключателя и сигналозависимой емкости сэмплирующего конденсатора, что влияет на ошибку установки уровня сброса пикселя и уровня TG пикселя.

Источники низкоуровневой INL и возможные решения

Как описано в Разделе 2, все ADC совместно используют питание/землю, смещения и рамп. Если значительное количество ADC конвертируют одновременно, на общих сетях произойдет обратный отклик. Поскольку CDS используется для отмены случайных смещений пикселей и ADC, конвертации для одного и того же уровня сигнала происходят в близкой близости. В результате, если множественные ADC конвертируют один и тот же уровень сигнала, значительный обратный отклик приведет к INL. Этот эффект более заметен в области темнового сигнала, где временной шум пикселя и ADC доминирует над фотонным шумом. ADC, конвертирующие более яркий уровень сигнала, имеют больше фотонного шума и не конвертируют одновременно, что приводит к более распределенному обратному отклику. Помимо оптически черных колонок, количество ADC, конвертирующих в области темнового сигнала, может меняться в зависимости от сцены. Помеха также имеет пространственную компоненту, при которой ADC, близкие к источнику помехи, испытывают больший обратный отклик, приводящий к большей INL. В результате INL будет зависеть от сцены как по величине, так и по пространственному распределению, что очень трудно корректировать в постобработке. Снижение INL на чипе следовательно желательно.

Эта формула объясняет, как вариация тока VLN влияет на транскондуктность (gm) выходного источник-последователя пикселя, делая его усиление сигналозависимым (1), где Rs — выходное сопротивление VLN. (Изображение: Forza Silicon)

Рамп — главный источник INL. ADC, конвертирующие активный массив, будут иметь бугоры на графике INL на низких уровнях света из-за помехи в наклоне рамп. Величина помехи будет снижена в ADC, более далеких от источника, как низкочастотные фильтры от RC-паразитной емкости на маршрутизации рамп. Помеха на рамп вызвана обратным откликом от перехода выхода предусилителя через паразитную емкость к рамп. Из-за малого шага ADC требуется более плотная маршрутизация, делая более сложным изолирование рамп.

Рисунок 4. Емкость Миллера в предусилителе. (Изображение: Forza Silicon)

Если процент агрессоров увеличивается в зависимости от сцены, обратный отклик увеличится. Тщательное внимание должно быть уделено маршрутизации рамп при создании компоновки для колонки ADC. Еще один источник паразитной связи — CGD входного МОП-транзистора предусилителя (Рисунок 4). Эти устройства спроектированы с большими W и L для уменьшения мерцания шума, и поэтому имеют большую ассоциированную емкость. Использование каскодной конфигурации на предусилителе помогает снизить эффект Миллера емкости.

Еще один источник помехи — смещение компаратора. Помеха может быть на самом смещении или на питании/земле, на которое оно ссылается. Это вызвано CGD источника тока (то есть тем же механизмом, что и предусилитель). Помеха питания/земли вызвана внезапным падением IR при переключении выхода компаратора. Уровень падения IR может стать большим, так как ток не пренебрежимо мал, особенно когда многие ADC конвертируют одновременно, или когда сопротивление питания и земли велико, например, из-за ограниченного числа металлических слоев.

Рисунок 5. Вариация конвертации ADC из-за разницы во времени перехода. (Изображение: Forza Silicon)

В результате текущих трендов перехода к более высокому разрешению в том же формате сенсора изображения и более высокой частоты кадров, шаг ADC уменьшался для размещения большего количества ADC и достижения спецификации. Но поскольку размер сенсора также не корректируется, маршрутизация для сетей питания и земли не улучшилась тем же фактором. Падение IR вызывает изменение VGS смещения компаратора, что приводит к изменению тока для компаратора жертвы-ADC. В свою очередь, шум на токе смещения изменяет время перехода компаратора, что может проявляться как нелинейность (Рисунок 5).

Нелинейность становится более значимой для более быстрых скоростей счета ADC, которые используются для уменьшения эффективного времени строки для достижения высокой частоты кадров. Для снижения помехи есть несколько вариантов. Во-первых, сила драйвера генератора смещения может быть увеличена для уменьшения импеданса узла смещения, что поможет в более быстрой укладке помехи. Во-вторых, количество быстрых переключающихся вентилей на том же домене питания может быть уменьшено, что помогает в снижении падения IR на питании/земле. Это достигается перемещением этих устройств на другой домен питания. Тщательное внимание также должно быть уделено минимизации маршрутизации сопротивления питания/земли.

Другой подход — снизить эффект глюка на жертва-ADC. Это может быть достигнуто сэмплированием напряжения смещения в каждом ADC отдельно. В результате помеха не будет распространяться через сеть смещения; любая помеха на питании/земле будет отражена на сэмплированном напряжении смещения, сохраняя тот же VGS. Должна быть принята должная мера для размеров сэмплирующего конденсатора, чтобы помеха питания/земли не меняла VGS. Компенсация сэмплирования напряжения смещения компаратора — введение kTC шума. Поскольку компаратор следует за предусилителем в цепочке сигналов, эффект kTC на входной референсный временной шум ADC обычно незначителен.

Рисунок 6. Тестбенч симуляции INL. На этой диаграмме массив ADC разделен на девять секций. (Изображение: Forza Silicon)

Для исследования этого эффекта массив ADC моделируется и строится график INL. Маршрутизационное сопротивление для всех питаний, земель, смещений и рамп моделируется в тестбенче симуляции. Референсы — рамп и смещения — маршрутизируются горизонтально. Питание и земля маршрутизируются горизонтально и вертикально. Массив ADC моделируется путем разделения на секции и использования m-фактора. Особое внимание уделяется решению о количестве секций, необходимых для моделирования массива, так чтобы любые вариации, связанные с питанием/землей, могли быть смоделированы в разумное время выполнения. Темные колонки также включены в тестбенч. ADC извлекаются RC, так что эффект паразитной емкости можно увидеть в результатах. Вертикальная маршрутизация для питания и земли тщательно моделируется для представления фактической маршрутизации в сенсоре. Тестбенч настроен так, что секция массива удерживается на фиксированном темном уровне сигнала. Вход остальным ADC в массиве просматривается для их графика INL. Линейность каждой секции сравнивается для определения наличия какого-либо пространственного паттерна. Блок-схема тестбенча показана на Рисунке 6.

Рисунок 7. Сравнение графиков INL. (Изображение: Forza Silicon)

Результат симуляции до и после модификаций показан на Рисунке 7. График INL для первых 25 процентов диапазона сигнала. Оригинальный результат показывает график INL без модификаций. Следующие два графика показывают INL с модификациями, упомянутыми в предыдущем разделе. В одном графике смещение компаратора не сэмплируется, в другом случае смещение компаратора сэмплируется. Как видно, INL значительно улучшается при сэмплировании смещения компаратора.

Эта статья представила анализ и методологию симуляции для предсказания низкоуровневой нелинейности в массиве ADC. Конвенциональные источники INL хорошо понятны, но по мере увеличения разрешения пиксельного массива и уменьшения шага ADC, дополнительные массивные источники нелинейности стали выдающимися. Множество возможных источников могут влиять на общие сети в массиве ADC, наиболее заметно рамп и смещения. Методы снижения этой помехи представлены, требующие некоторых тщательных выборов дизайна. Метод идентификации источников также представлен, требующий тщательного моделирования массива ADC. Смоделированные результаты раскрывают провал в INL на низких уровнях кода, который улучшается после модификаций.

Статья написана Джатином Хансрани, старшим инженером по аналоговому дизайну, Forza Silicon Corporation (Пасадена, штат Калифорния). Для дополнительной информации посетите здесь.