彩色SXGA數(shù)字圖像傳感器

Motorola公司的MCM20027彩色SXGA數(shù)字圖像傳感器是固態(tài)有源CMOS圖像傳感器(ACITM),它在單一芯片上集成有完整的模擬圖像采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的功能,實(shí)現(xiàn)真正的“片上相機(jī)”(“ camera on a chip”)。MCM20027簡(jiǎn)化和詳細(xì)框圖示于圖1和圖2。圖像傳感器由1280×1024有源元件的格式像素陣列組成。圖像的大小是完全可編程的,由用戶(hù)確定所需視窗。像素的間距為6.0μm。像素所采用的光電二極管結(jié)構(gòu)具有高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)微透鏡進(jìn)一步提高了靈敏度。傳感器為彩色輸出或做為單色圖像傳感器提供Bayer圖形彩色濾光片陣列(CFA)。

集成的定時(shí)和編程控制使視頻或靜止圖像捕護(hù)模式支持連續(xù)掃描模式。幀速率是可編程的,而且保持主時(shí)鐘頻率恒定。用戶(hù)可編程的行和列起始停止。使視窗可達(dá)最小1×1像素視窗。多像素增量中的二次取樣也可執(zhí)行視窗操作以便數(shù)字圖像放大。

像素陣列的模擬視頻輸出由片上的模擬信號(hào)處理流水線進(jìn)行處理。相關(guān)雙取樣(CDS)能去掉傳感器復(fù)位噪聲而不需要在每個(gè)有效視頻幀捕獲和減去復(fù)位幀。幀速率箝位(FRC)使能實(shí)時(shí)光黑電平校準(zhǔn)和補(bǔ)償校正。可編程模擬增益由曝光或總增益構(gòu)成,以把信號(hào)強(qiáng)度變化映射到ADC輸入范圍內(nèi),而白色補(bǔ)償執(zhí)行模擬范圍的白色補(bǔ)償。ASP(模擬信號(hào)處理)信號(hào)鏈路包括:列運(yùn)放(1.5×固定增益);列DOVA(1.5× 固定增益);白色補(bǔ)償PGA(0.88-2.82x);G10bal PGA(0.67×-5.92x);G10bal DOVA(2.0×固定增益)。這些數(shù)字可編程放大器(DPGA)提供自動(dòng)白色補(bǔ)償(AWB)及總增益調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)彩色增益校正,可在每列和全程進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。存儲(chǔ)在片上寄存器中的值可用于每列補(bǔ)償校正。10位冗余符號(hào)數(shù)(RSD)ADC變換模擬數(shù)據(jù)為10位數(shù)字字流。全差分模擬信號(hào)處理流水線用以改進(jìn)抗噪聲度、信噪比和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。

傳感器用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2線I2C兼容串行接口。它工作在單3.3V電源,不需要另外的偏置,只需要單個(gè)主時(shí)鐘(工作頻率高達(dá)13.5MHz)。此傳感器是48引腳陶瓷LCC封裝。

MCM20027的設(shè)計(jì)考慮到標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼器的接口要求。除10位 Bayer編碼數(shù)據(jù)流外，傳感器輸出有效的幀、行和編碼所需的像素同步信號(hào)。傳感器具有與各種商用視頻圖像處理器的接口,為不同標(biāo)準(zhǔn)視頻格式提供編碼。

MCM20027是一種精巧和特別靈活的單片解決方案,它簡(jiǎn)化了圖像感測(cè),處理、數(shù)字變換和數(shù)字信號(hào)處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù),不愧是一款高性能、低成本、低功率IC。

MCM20027圖像傳感器的圖像感測(cè)和捕獲結(jié)構(gòu)如下。

傳感器接口

像素結(jié)構(gòu)

MCM20027傳感器由1280×1024有源像素陣列組成并支持連續(xù)模式。像素的基本操作靠光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。由于其物理特性,硅能夠檢測(cè)光電子。光電子產(chǎn)生正比于入射光光強(qiáng)和波長(zhǎng)的電子-空穴時(shí)。應(yīng)用適當(dāng)?shù)钠每墒褂脩?hù)捕捉電子和測(cè)量有用參量(如電壓)的電荷。

像素結(jié)構(gòu)也要求一行中的所有像素具有共同的復(fù)位、傳送和行選擇控制。此外,所有的像素具有共同的電源(VDD)和地(Vss)連接。一個(gè)最佳的單元結(jié)構(gòu)能提供低噪聲、最大占空因數(shù)、抗散焦特性。光電元件所用的光電二極管專(zhuān)利和傳送門(mén)器件能增強(qiáng)整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍和非滯后操作的靈敏度。

除成像像素外,還有在成像部分邊緣的暗和偽像素。暗像素由光屏蔽打底像素(在下層對(duì)光電不靈敏)覆蓋。這些像素為量測(cè)暗電平補(bǔ)償提供傳感器手段,在信號(hào)處理鏈路下游執(zhí)行自動(dòng)黑色電平校準(zhǔn)時(shí)用暗電平補(bǔ)償。在陣列邊緣提供的偽像素可消除由于光管道進(jìn)入有效像素鄰近的暗像素所引起的不精確測(cè)量。這些像素的輸出將被去掉。

照相術(shù)語(yǔ)中的電子快門(mén),也稱(chēng)之為電子光定時(shí)是一種標(biāo)準(zhǔn)特性。像素積分時(shí)間可在給定幀讀出時(shí)間的百分之幾到整個(gè)幀時(shí)間的較寬范圍內(nèi)變化。

彩色分離和占空因數(shù)放大

MCM20027系列提供單片聚合物彩色濾光片陣列(CFA)選擇方案。超平面化工藝和專(zhuān)用的濾光片技術(shù)的結(jié)合,使CFA具有優(yōu)異的光譜和傳輸特性。標(biāo)準(zhǔn)選擇方案是基本的(RGB)“Bayer”圖形(見(jiàn)圖3),但是,也有能生成包含輔助(CMYG)鑲嵌結(jié)構(gòu)的定制CFA的功能。

可選用微透鏡陣列(圖4)得到較高的靈敏度。此透鏡組陣列可改進(jìn)傳感器占空因數(shù)(孔徑比)1.5-2×,這取決于相機(jī)系統(tǒng)中所采用的主透鏡的F值。沒(méi)有微透鏡的占空因數(shù)是32%。用微透鏡,占空因數(shù)改進(jìn)到TBD。

WOI控制

器件讀出的像素?cái)?shù)據(jù)定義為“Window of Interest ”(WOI)?？砂裌OI以任意的大小確定在像素陣的任何地方。用戶(hù)提供左上角的像素位置和確定WOI行和列的大小。用WOI指針、WOI高度和WOI寬度寄存器確定WOI。圖5示出WOI的圖示表示。

WOI二次取樣控制

WOI可由每個(gè)用戶(hù)控制二次取樣。用戶(hù)可在每個(gè)方向以4種不同取樣率(全,1/2,1/4或1/8)讀出單色或Bayer像素空間的像素?cái)?shù)據(jù)。用戶(hù)通過(guò)二次取樣控制寄存器控制二次取樣。

關(guān)于幀捕獲模式,圖像掃描模式以及連續(xù)幀捕獲模式(CFCM)幀速率和積分時(shí)間控制等在此就不一一描述了。

模擬信號(hào)處理鏈路

MCM20027模擬信號(hào)處理(ASP)鏈路包含相關(guān)雙取樣(CDS)、幀速率箝位(FRC)、數(shù)字可編程增益放大器(DPGA)、補(bǔ)償校正(DOVA)和10位A/D變換器(ADC)。

相關(guān)雙取樣(CDS)

與電容結(jié)點(diǎn)復(fù)位動(dòng)作有關(guān)的非確定性引起復(fù)位噪聲,此噪聲等于KTC(C是結(jié)點(diǎn)電容,T是溫度,K是波耳茲曼常數(shù))。消除在所有圖像傳感器中的噪聲是采用相關(guān)雙取樣法。對(duì)輸出信號(hào)取樣兩次,一次對(duì)其復(fù)位(參考)電平,一次對(duì)有效的視頻信號(hào)。取樣和保持這些值,而差分放大器信號(hào)從輸出中減去參考電。 雙取樣消除了相關(guān)噪聲源。相關(guān)雙取樣原理示于圖6。

幀速率箝位(FRC)

設(shè)計(jì)FRC(見(jiàn)圖7)來(lái)提供正饋暗電平減參考電平測(cè)量。在自動(dòng)FRC模式中,每次圖像傳感器開(kāi)始新幀時(shí),重新建立光黑色電平參考。MCM20027用光黑色(暗)像素幫助建立這種參考。

在MCM20027中,暗像素輸入信號(hào)的采樣時(shí)間至少應(yīng)為13Tμs以使CLRCA和CLRCB引腳上的2個(gè)0.1μF電容器有足夠的時(shí)間為10位精度充電。這保證FRC的“下降”將保持在≤750μV,因此,保證規(guī)定的ADC10位精度在±0.5LSB。在最高工作頻率(13.5MHz),圖像傳感器需要一些幀來(lái)為其后的有效像素處理建立暗像素參考。暗像素取樣周期是內(nèi)部自動(dòng)控制的,設(shè)置是起始3暗行空白,然后取樣其后面的2暗行。當(dāng)“暗箝位”有效時(shí),處理并保持每個(gè)暗像素以在CLRCA和CLRCB引腳建立像素參考電平。在此期間,FRC的差分輸出V+和V-（見(jiàn)圖7)被箝位到Vcm。這些功能有助于消除暗電平偏移,同時(shí)建立在ADC輸出所希望的零碼。

白色補(bǔ)償控制(PGA)

在模擬信號(hào)處理鏈路有兩個(gè)數(shù)字可編程增益放大器(DPGA),用于執(zhí)行白色補(bǔ)償和光增益功能。在此只介紹白色補(bǔ)償控制可編程增益放大器。

傳感器產(chǎn)生3個(gè)主要的色彩輸出:紅、綠、藍(lán)。它們是單色信號(hào),代表每個(gè)主要色彩的亮度值。當(dāng)?shù)攘肯嗉訒r(shí),它們混合成非彩色的色彩。白色補(bǔ)償是這樣一種技術(shù):設(shè)置構(gòu)成Bayer圖形(見(jiàn)圖8)的綠(O)、紅、藍(lán)和綠(3)像素增益素?cái)?shù)以補(bǔ)償它們的非彩色景像輸出。由于在Bayer圖形中的兩個(gè)綠色像素的感光度可能不一樣,所以為Bayer 圖形中的每個(gè)元素提供一個(gè)單獨(dú)的彩色增益寄存器。

一旦所有彩色增益寄存器裝入所需要的增益系數(shù),則實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)了白色補(bǔ)償。選擇恰當(dāng)?shù)闹挡⑼ㄟ^(guò)調(diào)整通路送到像素輸出,其延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于像素時(shí)鐘率。對(duì)任何增益寄存器可執(zhí)行實(shí)時(shí)更新。用戶(hù)通過(guò)彩色增益寄存器編程單獨(dú)的增益系數(shù)到MCM20027中。

MCM20027利用I2C接口寫(xiě)或讀程序控制寄存器。

模/數(shù)變換器

ADC是全微分、低功率電路。ADC采用流水線、冗余符號(hào)數(shù)(RSD)算法技術(shù),使其具有適于圖像應(yīng)用的優(yōu)異特性。

積分噪聲線性度(INL)和微分噪聲線性度(DNL)分別為±1.0和±0.5,無(wú)漏碼。輸入電壓分辨率是2.44mV(滿(mǎn)量程2.5Vpp輸入)。通過(guò)可編程電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生器可編程ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍。正基準(zhǔn)電壓VREFP和負(fù)基準(zhǔn)電壓VREFM通過(guò)基準(zhǔn)電壓寄存器可分別編程為2.5V~1.25V和0V~1.25V,步長(zhǎng)為5mV。ADC的缺省范圍是1.9V(對(duì)于正基準(zhǔn)電壓)和0.6V(對(duì)于負(fù)基準(zhǔn)電壓),因此,提供1.3V峰-峰值信號(hào)的10位數(shù)字變換。

另外的工作條件

MCM20027包括初始化,待機(jī)模式和外部基準(zhǔn)電壓輸出,為用戶(hù)提供特殊應(yīng)用的靈活性。

初始化

INIT輸入引腳控制MCM20027的初始化。以用來(lái)保證控制的芯片和系統(tǒng)的啟動(dòng)。通過(guò)邏輯高態(tài)輸入保持控制。此狀態(tài)必須保持最小1ms,在芯片進(jìn)行處理前應(yīng)該有1ms“等待期間”,以確保MCM20027運(yùn)行完啟動(dòng)程序和保證所有保持和旁路電容器等達(dá)到它們所需要的穩(wěn)態(tài)值。

啟動(dòng)期間要完成的任務(wù)包括:利用編程寄存器的復(fù)位和其缺省值的初始化,所有內(nèi)部計(jì)數(shù)器和鎖存器和復(fù)位以及模擬信號(hào)處理鏈路的建立。這也包括置芯片為待機(jī)模式。

待機(jī)模式

在不需要MCM20027工作期間,用戶(hù)可選擇待機(jī)模式以降低系統(tǒng)功耗。此特性使低功率應(yīng)用中的電池壽命得以延長(zhǎng)。

利用待機(jī)模式,用戶(hù)可把動(dòng)態(tài)功耗從大約400mW降到≤50mW。

加一個(gè)有效高態(tài)信號(hào)到INIT輸入引腳可實(shí)現(xiàn)待機(jī)模式。注意,這也導(dǎo)致芯片初始化。在有效處理模式,置MCM20027輸出為3態(tài),也可降低功耗。

正、負(fù)基準(zhǔn)電壓

為簡(jiǎn)化系統(tǒng),MCM20027包含所有內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓和片上偏壓。一個(gè)內(nèi)部產(chǎn)生的差分帶隙穩(wěn)壓器提供所有ADC和其他模擬信號(hào)處理所需的基準(zhǔn)電壓。用戶(hù)把CVREFP和CVREFM引腳與0.1μF電容器連接，以便精確地保持偏壓。

共模基準(zhǔn)電壓

MCM20027保持芯片上共?；鶞?zhǔn)電壓到穩(wěn)定值。為了達(dá)到此穩(wěn)定值,VAG、VAGREF和VAGRETURN引腳必須連接兩個(gè)0.1μF電容器。

內(nèi)部偏置電流控制

模擬信號(hào)處理(ASP)鏈路具有內(nèi)部產(chǎn)生的偏置電流,使工作功耗達(dá)400mW 用戶(hù)可在EXTRESP和EXTRESRTN引腳之間連接一個(gè)電阻器,以降低器件的功耗。