Оптимизация INL при слабом освещении в КМОП-датчиках изображения:анализ и моделирование

С ростом спроса на датчики изображения с более высоким разрешением шаг пикселя был уменьшен, чтобы вместить большее количество пикселей в датчик того же размера. Чтобы читать с одинаковой частотой кадров, необходимо читать несколько строк одновременно. Для этого требуется несколько преобразователей аналога в данные (АЦП) на каждый шаг пикселя. В результате шаг АЦП был уменьшен еще больше, что потребовало более плотной компоновки. Возрастает вероятность паразитной связи, которая проявляется в виде электрических перекрестных помех. В архитектуре однотактных АЦП АЦП имеют несколько общих общих цепей, включая источники питания, заземления, смещения и линейное изменение. Большее количество АЦП, преобразующих одновременно, может вызвать отдачу в этих общих сетях. Это может привести к неидеальности, одной из которых является нелинейность.

Рисунок 1. Архитектура параллельного считывания по столбцам. (Изображение:Forza Silicon)

Помимо традиционных источников нелинейности, эффекты на уровне массива становятся более заметными из-за большего и плотного размера массива АЦП. Это может привести к провалам на графике линейности, которые утомительно корректировать и требуют создания нескольких кривых коррекции. Традиционно оптически черные столбцы используются для коррекции шума строк и компенсации смещения. Поскольку все они имеют одинаковые уровни сигналов, они преобразуются одновременно и вносят помехи в общие сети. Это может создать нелинейность в более темных областях изображения, что более заметно для человеческого глаза. Кроме того, количество преобразований АЦП в темноте может меняться в зависимости от сцены. В результате величина возмущения меняется, что затрудняет его коррекцию. Поэтому лучше устранить проблему в источнике.

Однонаклонный АЦП и линейность

Рисунок 2. Типичный односкатный АЦП. Шина столбцов пикселей считывается с использованием операции CDS. (Изображение:Forza Silicon)

Архитектура столбцово-параллельного АЦП и схема однотактного АЦП показаны на рисунках 1 и 2 соответственно. АЦП используют коррелированную двойную выборку (CDS) для считывания напряжения пикселя. Автоматическое обнуление (AZ) завершено относительно уровня сброса пикселей. Линейное изменение удерживается на фиксированном опорном уровне, и производится выборка уровня TG пикселя. В этом сценарии этот уровень сравнивается с линейно меняющимся сигналом от высокого до низкого. В момент, когда сигнал линейного изменения и уровень ТГ совпадают, генерируется импульс-защелка.

Этот импульс используется для фиксации значения счетчика, которое представляет собой желаемый цифровой код, соответствующий сигналу пикселя. В массиве АЦП на каждую линию шины столбца приходится один АЦП. Источники питания, заземления, смещения и линейного изменения являются общими для всех АЦП в массиве. В результате любые помехи в этих общих цепях, вызванные отдачей при одновременном преобразовании секций массива АЦП, будут общими для всех АЦП при чтении определенной строки. Традиционно оптически темные столбцы добавляются сбоку от массива активных пикселей для коррекции любого шума в строках или фиксированных смещений.

Линейность измеряет разницу между измеренным выходным сигналом и идеальным выходным сигналом. Это выражается количественно с точки зрения интегрированной нелинейности (INL). Типичные источники INL в КМОП-датчиках изображения включают повторитель источника выходного сигнала пикселя, источник тока VLN, линейное изменение, конденсатор выборки на входе АЦП и предусилитель. Вклад пиксельного повторителя источника в INL обусловлен, прежде всего, эффектом тела, который увеличивает пороговое напряжение устройства по мере увеличения напряжения источника. Это известно как темновой сигнал (рис. 3). Ток VLN изменяется по мере изменения напряжения сток-исток устройства VLN (модуляция длины канала). Изменение тока VLN влияет на крутизну (gm) выходного повторителя источника пикселя, делая его коэффициент усиления зависимым (1), где Rs — выходной импеданс VLN.

Рисунок 3. Последователь источника и влияние результирующего тела на его выход. (Изображение:Forza Silicon)

Использование каскодного источника тока VLN помогает уменьшить влияние модуляции длины канала. Однако это имеет побочный эффект, заключающийся в уменьшении полезного диапазона пиксельного сигнала, поскольку устройство VLN может выйти из состояния насыщения при ярких уровнях сигнала. Рампа является еще одним основным источником INL, особенно при темных уровнях сигнала, из-за конечного сопротивления источника тока в генераторе рамп. Наконец, в АЦП основными источниками INL являются схема выборки и предусилитель. Схема выборки INL возникает из-за зависящего от сигнала сопротивления переключателя и зависящей от сигнала емкости конденсатора выборки, что влияет на ошибку установления уровня сброса пикселя и уровня пикселя TG.

Источники INL при слабом освещении и возможные решения

Как описано в разделе 2, все АЦП имеют общий источник питания/землю, смещения и линейное изменение. Если одновременно преобразуется значительное количество АЦП, в общих цепях произойдет откат. Поскольку CDS используется для компенсации случайных смещений пикселей и АЦП, преобразования для одного и того же уровня сигнала происходят в непосредственной близости. В результате, если несколько АЦП преобразуют сигнал одного и того же уровня, значительная отдача приведет к INL. Этот эффект более заметен в области темнового сигнала, где временной шум пикселя и АЦП доминируют над шумом фотонного выстрела. АЦП, преобразующие более яркий уровень сигнала, имеют больше дробового шума и не преобразуют одновременно, что приводит к более распределенной отдаче. Помимо оптически черных столбцов, количество АЦП, преобразующих в темной области сигнала, может меняться в зависимости от сцены. Возмущение также имеет пространственную составляющую:АЦП, расположенные вблизи источника возмущения, испытывают большую отдачу, что приводит к увеличению INL. В результате INL будет зависеть от сцены как по величине, так и по пространственному распределению, что очень сложно исправить при постобработке. Поэтому желательно уменьшить INL чипа.

Эта формула объясняет, что изменение тока VLN влияет на крутизну (gm) выходного повторителя источника пикселя, делая его коэффициент усиления зависимым (1), где Rs — выходное сопротивление VLN. (Изображение:Forza Silicon)

Рампа является основным источником INL. АЦП, преобразующие активную матрицу, будут иметь неровности на графике INL при низких уровнях освещенности из-за нарушения наклона кривой. Величина помех будет уменьшена в АЦП, расположенных дальше от источника, поскольку фильтры нижних частот от RC-цепи паразитируют на линейной распределительной трассе. Помехи на линейном изменении вызваны эффектом отдачи от перехода выходного сигнала предусилителя через паразитную емкость на линейное изменение. Из-за небольшого шага АЦП требуется более узкая разводка, что затрудняет изоляцию линейного изменения.

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

Если процент агрессоров увеличится, в зависимости от сцены откат увеличится. При создании схемы расположения колонны АЦП следует внимательно отнестись к маршрутизации пандуса. Другим источником паразитной связи является CGD входного МОП-транзистора предусилителя (рис. 4). Эти устройства имеют большие значения W и L для уменьшения мерцающего шума и, следовательно, имеют большую соответствующую емкость. Использование каскодной конфигурации предусилителя помогает уменьшить эффект Миллера от емкости.

Другим источником помех является смещение компаратора. Помехи могут возникать в самом смещении или в источнике питания/земле, к которому оно относится. Это вызвано CGD источника тока (т. е. тем же механизмом, что и предусилитель). Помехи питания/земли вызваны внезапным падением IR при переключении выхода компаратора. Уровень падения IR может стать большим, поскольку ток не является незначительным, особенно когда множество АЦП преобразуют одновременно или когда сопротивление источника питания и земли велико, например, из-за ограниченного количества металлических слоев.

Рисунок 5. Изменение преобразования АЦП из-за разницы во времени перехода. (Изображение:Forza Silicon)

В результате нынешних тенденций перехода к более высокому разрешению в том же формате датчика изображения и более высокой частоте кадров шаг АЦП уменьшается, чтобы соответствовать большему количеству АЦП и соответствовать спецификации. Но поскольку размер датчика также не регулируется, прокладка питающих и заземляющих сетей не улучшилась на тот же коэффициент. Падение IR вызывает изменение VGS смещения компаратора, что приводит к изменению тока для компаратора пострадавшего АЦП. В свою очередь, шум тока смещения изменяет время перехода компаратора, что может проявляться в виде нелинейности (рис. 5).

Нелинейность становится более значительной при более высоких скоростях счета АЦП, которые используются для уменьшения эффективного времени строки и достижения высокой частоты кадров. Чтобы уменьшить беспокойство, есть несколько вариантов. Во-первых, мощность возбуждения генератора смещения можно увеличить, чтобы уменьшить импеданс узла смещения, что поможет более быстрому устранению помех. Во-вторых, количество вентилей быстрого переключения в одной и той же области мощности может быть уменьшено, что помогает уменьшить падение IR на линии питания/земли. Это достигается путем перемещения этих устройств в другой домен питания. Особое внимание следует также уделить минимизации сопротивления проводов питания/земли.

Другой подход заключается в уменьшении влияния сбоя на пострадавшие АЦП. Этого можно добиться, измеряя напряжение смещения в каждом АЦП отдельно. В результате возмущение не будет распространяться через сеть смещения; любые помехи на питании/земле будут отражаться на измеренном напряжении смещения, сохраняя то же значение VGS. Следует уделить должное внимание выбору размера крышки для отбора проб, чтобы помехи питания/земли не изменили VGS. Недостатком выборки напряжения смещения компаратора является появление шума kTC. Поскольку компаратор следует за предусилителем в цепи сигнала, влияние kTC на временной шум АЦП, относящийся к входу, обычно незначительно.

Рисунок 6. Тестовый стенд INL Simulation. На этой схеме массив АЦП разделен на девять секций. (Изображение:Forza Silicon)

Чтобы исследовать этот эффект, моделируется массив АЦП и строится график INL. Сопротивление маршрутизации для всех источников питания, заземления, смещений и линейного изменения моделируется на испытательном стенде моделирования. Опорные значения — линейное изменение и смещения — направляются горизонтально. Источники питания и заземления прокладываются горизонтально и вертикально. Массив АЦП моделируется путем разделения его на секции и использования м-фактора. Особое внимание уделяется выбору количества секций, необходимых для моделирования массива, чтобы любые изменения, связанные с питанием/землей, можно было смоделировать за разумное время выполнения. Темные столбцы также включены в тестовый стенд. АЦП являются извлеченными RC, поэтому в результатах можно увидеть влияние паразитной емкости. Вертикальная маршрутизация питания и заземления тщательно моделируется для отражения фактической маршрутизации в датчике. Испытательный стенд настроен так, что часть массива поддерживается на фиксированном уровне темнового сигнала. Входные данные остальных АЦП в массиве переводятся на их график INL. Линейность каждого раздела сравнивается, чтобы определить, существует ли какая-либо пространственная закономерность. Блок-схема испытательного стенда показана на рисунке 6.

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

Результат моделирования до и после изменений показан на рисунке 7. График INL предназначен для первых 25 процентов диапазона сигнала. Исходный результат отображает график INL без изменений. Следующие два графика показывают INL с изменениями, упомянутыми в предыдущем разделе. На одном графике смещение компаратора не считывается, тогда как в другом случае производится выборка смещение компаратора. Как можно видеть, INL значительно улучшается при выборке смещения компаратора.

В этой статье представлена методология анализа и моделирования для прогнозирования нелинейности в матрице АЦП при слабом освещении. Традиционные источники INL хорошо изучены, но по мере увеличения разрешения матрицы пикселей и, как следствие, уменьшения шага АЦП, стали заметными дополнительные источники нелинейности матрицы. Несколько возможных источников могут влиять на общие цепи в массиве АЦП, в первую очередь нарастание и смещения. Представлены методы уменьшения этого возмущения, которые требуют тщательного выбора конструкции. Также представлен метод идентификации источников, требующий тщательного моделирования массива АЦП. Результаты моделирования показывают снижение INL на низких уровнях кода, что улучшается после внесения изменений.

Эта статья написана Джатином Хансрани, старшим инженером-проектировщиком аналоговых устройств Forza Silicon Corporation (Пасадена, Калифорния). Для получения дополнительной информации посетите здесь  .