用于CMOS圖像傳感器的流水線ADC設(shè)計(jì)及其成像驗(yàn)證

3 芯片版圖
該芯片使用0．5μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行流片，版圖的設(shè)計(jì)綜合考慮了混合信號電路布局、匹配設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)等。布局采用數(shù)模分離，數(shù)字電路加保護(hù)環(huán)；匹配設(shè)計(jì)采用了共心對稱設(shè)計(jì)、比例單元設(shè)計(jì)和添加啞元元件等技術(shù)。芯片版圖如圖7所示，帶PAD的整體芯片面積為3.55 mm@2．9 mm，其中上部分為數(shù)字位對齊和數(shù)字校準(zhǔn)電路，中部為各級流水線，右側(cè)為時鐘產(chǎn)生電路，下部為信號輸入和其他電路。

4 成像系統(tǒng)及其成像結(jié)果
4．1 成像系統(tǒng)硬件組成
低噪聲、高幀頻的CMOS圖像傳感器成像，除了對PCB測試板的設(shè)計(jì)要求較高外，也對測試系統(tǒng)的構(gòu)成也提出了較高的要求。本成像系統(tǒng)的電學(xué)硬件系統(tǒng)框圖如圖8所示。該電學(xué)硬件系統(tǒng)的基本工作原理是：

1)在PCB板上用基于CPLD設(shè)計(jì)的時鐘波形來控制板上的CMOS圖像傳感器芯片和ADC芯片協(xié)同工作，并在此過程中生成幀同步信號和ADC時鐘信號交予數(shù)字采集卡作為采集卡的外觸發(fā)和外時鐘信號。
2)在ADC芯片將CMOS圖像傳感器產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，其數(shù)字信號經(jīng)緩沖芯片緩沖輸出至數(shù)字采集卡。
3)數(shù)字采集卡在幀同步信號控制下進(jìn)行重復(fù)觸發(fā)采樣，在采集卡收集到一定數(shù)據(jù)后將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)中，然后用成像軟件進(jìn)行分析，給出動態(tài)的成像圖片。
4．2 成像系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本測試系統(tǒng)軟件采用Labview編程，Labview是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。
本系統(tǒng)中利用Labview的虛擬儀器(virtual instrument)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采樣控制、對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理以及動態(tài)成像，圖9為成像軟件的界面圖，其工作模式和原理是：

1)在控制數(shù)字采集卡的程序中，將始終和觸發(fā)設(shè)置為外時鐘采樣以及外觸發(fā)重復(fù)觸發(fā)采樣模式，以實(shí)現(xiàn)成像信號幀同步和保證采集卡采樣與ADC輸出的同步。
2)在將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為U16數(shù)字格式數(shù)組后，對這些信號進(jìn)行灰度值處理，程序設(shè)計(jì)了兩種灰度調(diào)節(jié)模式：固定的灰度轉(zhuǎn)換和灰度自動調(diào)節(jié)，此外程序還設(shè)計(jì)了可選的反色、圖像翻轉(zhuǎn)、圖像放大等功能。
3)在數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理后，完成對采集數(shù)據(jù)的二維灰度值成像，這些信號處理和成像程序都置于while循環(huán)中，因此可根據(jù)延時設(shè)置成像刷新的幀頻，實(shí)現(xiàn)動態(tài)成像。
4．3 成像結(jié)果
用本文設(shè)計(jì)的ADC對模擬輸出的CMOS圖像傳感器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，基于自主設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)時成像實(shí)驗(yàn)，成像結(jié)果如圖10所示，可以看出，畫面清晰，層次感分明。

5 結(jié)束語
文中設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于低噪聲CMOS圖像傳感器芯片級模數(shù)轉(zhuǎn)換的12bit、10Msps流水線ADC，并基于0．5μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行了流片。最后在PCB板級電路上用該流水線型ADC完成了CMOS圖像傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并基于Labview和數(shù)字采集卡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的成
像，成像結(jié)果表明，該ADC可滿足低噪聲CMOS圖像傳感器芯片級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求，下一步可將CMOS圖像傳感器和該ADC合并設(shè)計(jì)在一個芯片上進(jìn)行流片。