高性能图像传感器电源设计考量

CMOS图像传感器的电源布局会显著影响分辨率、帧率等性能。本篇文章讨论针对此应用设计电源方案时的重要考量。

CMOS图像传感器的内部结构

典型的CMOS成像系统包含有源像素颜色阵列、模拟信号处理电路、模数转换器和用于控制接口、时序和数据读取的数字部分。阵列的填充因数是感光部分相对于传感器总尺寸的百分比。光电探测器是一种光敏传感器，用于捕获可见光子并将其转换为电流（毫微微安级）。

分辨率用于量化CMOS图像传感器中的总像素阵列数，例如，200万像素传感器阵列是1600列和1200行。但是，阵列中的像素并非都是有源的（可用于光检测），其中有些（在光学上是黑色的）像素用于黑电平和噪声校正。

图1：典型的CMOS图像传感器模块

现有多种不同的像素晶体管设计，包括三晶体管（3T）、四晶体管（4T）和五晶体管（5T）版本。在4T布局中，光电二极管将接收到的可见光子转换为电荷。每个电压一次读取一行并放入柱状电容器（C）中。然后使用解码器和多路复用器进行读取。

图2：四晶体管像素设计

帧率用于量化图像处理阵列捕捉完整图像的速度，一般为30-120 fps。帧率受快门速度影响，后者控制图像传感器收集光线的时间。可编程时间间隔，也称为“暗期”，在读取最后一行之后执行其他任务时，此间隔也会影响帧率，约为读取速率的75%。帧是按顺序逐行读取的；最后，缓冲器将整个帧存储为完整图像。

电源设计考量

CMOS图像传感器一般使用三个不同的供电轨，分别是模拟供电轨（2.8 V AVDD）、接口供电轨（1.8或2.8 V DOVDD）和数字供电轨（1.2或1.8 V DVDD）。低压降 （LDO）稳压器的输入引脚上有一个大旁路电容，可以稳定电源，帮助减少电压波动，从而改善图像传感器的噪声性能。

电源抑制比（PSRR）衡量LDO抑制电源纹波引起的输入电压变化，或者阻断由其他开关稳压器导致的噪声的能力。具有低PSRR的LDO可能导致捕获的图像中出现不必要的水平纹波。在针对此应用设计具有足够高PSRR的LDO之前，可计算给定帧率所需的传感器行频。

图3：正在进行稳压的LDO

LDO内部的反馈环路基本决定了工作频率低于100 kHz的系统的PSRR。对于更高频率（高于100 kHz）应用，仍取决于无源组件和PCB布局。因此，谨慎的PCB设计可以实现紧凑的电流环路，并降低寄生电感。普通LDO在高频率下PSRR较低。虽然这对标准摄像头来说不是问题，但更高分辨率（50−200 MP）和高帧率的图像传感器要求LDO在更低频率（最高10 kHz）下的PSRR高于90 dB，在更高频率（1−3 MHz）下高于45 dB。

设计技巧

帧率（30−120 fps）和行速率（22−44 kHz）会产生动态负载，在模拟供电轨上引起下冲和过冲。在每次帧或行转换时，获取的电流类似于阶跃负载，意味着在每次读取帧和行（或之间）时，LDO必须能够处理数百毫安级的负载变化。大容量电容（在行和帧频率下具有低阻抗）可以帮助摄像头去耦，以减少这种负载切换引起的纹波。

图像传感器的每个像素都有电荷饱和水平（或最大阱容），这是在达到饱和之前像素能留存的电荷量（以电子为单位）。图像传感器的动态范围（以dB表示）是能同时捕获的图像最亮和最暗部分的比率。

LDO输出端的低频谱噪声密度（在10 Hz至1 Mhz之间）也有助于减少传输至CMOS图像传感器的噪声量，使像素实现更大的动态范围。最后，总体纹波和噪声应至少低于传感器的噪声阈值40 dB，在数据手册中通常表示为信噪比（SNR）。　　

      审核编辑：彭静