Optimalisatie van INL bij weinig licht in CMOS-beeldsensoren:analyse en simulatie

Met de toenemende vraag naar beeldsensoren met hogere resolutie is de pixelafstand verkleind zodat er een groter aantal pixels binnen dezelfde sensorgrootte past. Om met dezelfde framesnelheid te kunnen lezen, moeten meerdere rijen tegelijkertijd worden gelezen. Hiervoor zijn meerdere analoog-naar-gegevensomzetters (ADC's) per pixelafstand nodig. Het ADC-veld is daardoor nog verder verkleind, waardoor een strakkere indeling nodig is. De kans op parasitaire koppeling neemt toe, wat zich manifesteert als elektrische overspraak. In de ADC-architectuur met één helling hebben ADC's een aantal gedeelde gemeenschappelijke netten, inclusief benodigdheden, terreinen, vooroordelen en opritten. Een groter aantal ADC's dat tegelijkertijd converteert, kan terugslag veroorzaken op deze gedeelde netten. Dit kan leiden tot niet-idealiteiten, waarvan er één niet-lineariteit is.

Figuur 1. Kolom-parallelle uitleesarchitectuur. (Afbeelding:Forza Silicon)

Naast traditionele bronnen van niet-lineariteit worden effecten op arrayniveau beter zichtbaar vanwege de grotere en dichtere arraygrootte van de ADC's. Deze kunnen dips in de lineariteitsgrafiek veroorzaken, die lastig te corrigeren zijn en meerdere correctiecurves vereisen. Traditioneel worden optisch zwarte kolommen gebruikt voor rijruiscorrectie en offset-annulering. Omdat ze allemaal vergelijkbare signaalniveaus hebben, converteren ze tegelijkertijd en veroorzaken ze een verstoring op gedeelde netten. Dit kan niet-lineariteit creëren in de donkere delen van een beeld, wat duidelijker is voor het menselijk oog. Bovendien kan het aantal ADC-conversies in het donker variëren, afhankelijk van de scène. Als gevolg hiervan varieert de omvang van de verstoring en wordt het moeilijker om deze te corrigeren. Het is daarom beter om het probleem bij de bron aan te pakken.

Single-Slope ADC en lineariteit

Figuur 2. Een typische ADC met één helling. De pixelkolombus wordt gelezen met behulp van CDS-bewerking. (Afbeelding:Forza Silicon)

Kolom-parallelle ADC-architectuur en een ADC-schema met enkele helling worden respectievelijk getoond in Figuur 1 en Figuur 2. De ADC's gebruiken gecorreleerde dubbele bemonstering (CDS) om de pixelspanning te lezen. Het automatisch op nul zetten (AZ) wordt voltooid met betrekking tot het pixelresetniveau. De helling wordt op een vast referentieniveau gehouden en het pixel-TG-niveau wordt bemonsterd. Dit niveau wordt in dit scenario vergeleken met een hellingsignaal dat varieert van hoog naar laag. Op het moment dat het rampsignaal en het TG-niveau hetzelfde zijn, wordt een houdpuls gegenereerd.

Deze puls wordt gebruikt om de tellerwaarde vast te houden, wat de gewenste digitale code is die overeenkomt met het pixelsignaal. In een ADC-array is er één ADC per kolombuslijn. De benodigdheden, gronden, vooroordelen en helling worden gedeeld door alle ADC's in de array. Als gevolg hiervan zullen eventuele storingen op deze gedeelde netten (die worden veroorzaakt door terugslag wanneer secties van de ADC-array tegelijkertijd worden omgezet) gemeenschappelijk zijn voor alle ADC's bij het lezen van een bepaalde rij. Traditioneel worden optisch donkere kolommen toegevoegd aan de zijkant van de actieve pixelarray om eventuele rijruis of vaste offsets te corrigeren.

Lineariteit meet het verschil tussen de gemeten output en de ideale output. Het wordt gekwantificeerd in termen van geïntegreerde niet-lineariteit (INL). De typische bronnen van INL in CMOS-beeldsensoren zijn onder meer de pixeluitgangsbronvolger, de VLN-stroombron, de helling, de bemonsteringscondensator aan de ADC-front-end en de voorversterker. De bijdrage van de pixelbronvolger aan INL is voornamelijk te wijten aan het lichaamseffect, dat de drempelspanning van het apparaat verhoogt naarmate de bronspanning toeneemt. Dit staat bekend als donker signaal (Figuur 3). De VLN-stroom verandert naarmate de drain-source-spanning van het VLN-apparaat varieert (kanaallengtemodulatie). Variatie in de VLN-stroom beïnvloedt de transconductantie (gm) van de uitgangsbronvolger van de pixel, waardoor het versterkingssignaal ervan afhankelijk wordt (1), waarbij Rs de uitgangsimpedantie van VLN is.

Figuur 3. Bronvolger en het resulterende lichaamseffect op de output. (Afbeelding:Forza Silicon)

Het gebruik van een cascode VLN-stroombron helpt het effect van kanaallengtemodulatie te verminderen. Dit heeft echter als neveneffect dat het bruikbare bereik van het pixelsignaal wordt verkleind, aangezien het VLN-apparaat bij heldere signaalniveaus uit de verzadiging kan raken. Ramp is een andere belangrijke bron van INL, vooral bij donkere signaalniveaus, vanwege de eindige weerstand van de stroombron in de hellinggenerator. Ten slotte zijn in de ADC de primaire bronnen van INL het bemonsteringscircuit en de voorversterker. Bemonsteringscircuit INL treedt op vanwege de signaalafhankelijke weerstand van de schakelaar en de signaalafhankelijke capaciteit van de bemonsteringskap, die de instelfout van het pixelresetniveau en pixel TG-niveau beïnvloedt.

Bronnen van INL bij weinig licht en mogelijke oplossingen

Zoals beschreven in Hoofdstuk 2 delen de ADC's allemaal het aanbod/de grond, de biases en de helling. Als een aanzienlijk aantal ADC's tegelijkertijd worden omgezet, zal er een terugslag plaatsvinden op de gedeelde netten. Omdat CDS wordt gebruikt om willekeurige verschuivingen van de pixels en ADC's te annuleren, vinden conversies voor hetzelfde signaalniveau dicht bij elkaar plaats. Als gevolg hiervan zal, als meerdere ADC's hetzelfde signaalniveau converteren, een aanzienlijke terugslag resulteren in INL. Dit effect is prominenter in het donkere signaalgebied waar de temporele ruis van de pixel en de ADC de fotonschotruis domineren. De ADC's die een helderder signaalniveau omzetten, hebben meer schotruis en converteren niet tegelijkertijd, wat resulteert in een meer verdeelde terugslag. Naast optisch zwarte kolommen kan het aantal ADC's dat in het donkere signaalgebied converteert, afhankelijk van de scène veranderen. De verstoring heeft ook een ruimtelijke component, waarbij de ADC's dicht bij de bron van de verstoring een grotere terugslag ervaren, wat resulteert in een grotere INL. Als gevolg hiervan zal INL scène-afhankelijk zijn, zowel qua omvang als qua ruimtelijke verdeling, wat erg moeilijk te corrigeren is tijdens de nabewerking. Het verlagen van de INL op de chip is daarom wenselijk.

Deze formule verklaart dat de variatie in de VLN-stroom de transconductantie (gm) van de uitgangsbronvolger van de pixel beïnvloedt, waardoor het versterkingssignaal afhankelijk wordt gemaakt (1), waarbij Rs de uitgangsimpedantie van VLN is. (Afbeelding:Forza Silicon)

Ramp is een belangrijke bron van INL. De ADC's die de actieve array converteren, zullen bij weinig licht hobbels in hun INL-plot hebben als gevolg van een verstoring van de hellingshoek. De omvang van de verstoring zal worden verminderd in ADC's die verder van de bron verwijderd zijn, omdat laagdoorlaatfilters van de RC parasitair zijn op de hellingdistributieroute. De verstoring op de helling wordt veroorzaakt door het terugslageffect van de uitgangsovergang van de voorversterker, via parasitaire capaciteit naar de helling. Vanwege de kleine ADC-steek is een strakkere routing vereist, waardoor het moeilijker wordt om de oprit te isoleren.

Figuur 4. Miller-capaciteit in voorversterker. (Afbeelding:Forza Silicon)

Als het percentage agressors toeneemt, afhankelijk van de scène, zal de terugslag toenemen. Er moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de opritroutering bij het maken van een lay-out voor de ADC-kolom. Een andere bron van parasitaire koppeling is de CGD van de ingangs-MOSFET van de voorversterker (Figuur 4). Deze apparaten zijn ontworpen met een grote W en L om flikkerruis te verminderen, en hebben daarom een ​​grotere bijbehorende capaciteit. Het gebruik van een cascodeconfiguratie op de voorversterker helpt het Miller-effect van de capaciteit te verminderen.

Een andere bron van verstoring is de comparator bias. De verstoring kan op de voorspanning zelf liggen, of op de voeding/aarde waarnaar deze verwijst. Dit wordt veroorzaakt door de CGD van de huidige bron (d.w.z. hetzelfde mechanisme als de voorversterker). De voedings-/aardestoring wordt veroorzaakt door een plotselinge IR-daling wanneer de comparatoruitgang schakelt. Het IR-dalingsniveau kan groot worden omdat de stroom niet te verwaarlozen is, vooral wanneer veel ADC's tegelijkertijd worden omgezet, of wanneer de impedantie van voeding en aarde groot is, bijvoorbeeld vanwege het beperkte aantal metaallagen.

Figuur 5. Variatie in ADC-conversie als gevolg van verschil in overgangstijd. (Afbeelding:Forza Silicon)

Als resultaat van de huidige trends om over te stappen op een hogere resolutie in hetzelfde beeldsensorformaat en een hogere framesnelheid, is de ADC-pitch afgenomen om meer ADC's te kunnen passen en aan de specificatie te voldoen. Maar omdat niet ook de maat van de sensor wordt aangepast, is de routing voor de aanvoer- en grondnetten niet met dezelfde factor verbeterd. De IR-daling veroorzaakt een verandering in de VGS van de comparatorbias, wat resulteert in een verandering in de stroom voor de ADC-comparator van het slachtoffer. Op zijn beurt verandert ruis op de biasstroom de overgangstijd van de comparator, wat zich kan manifesteren als niet-lineariteit (Afbeelding 5).

De niet-lineariteit wordt belangrijker voor snellere ADC-telsnelheden, die worden gebruikt om de effectieve rijtijd te verminderen om een hoge framesnelheid te bereiken. Om de overlast te beperken zijn er meerdere mogelijkheden. Ten eerste kan de aandrijfsterkte van de biasgenerator worden vergroot om de impedantie van het biasknooppunt te verlagen, wat zal helpen bij een snellere afwikkeling van de verstoring. Ten tweede kan het aantal snel schakelende poorten op hetzelfde vermogensdomein worden verminderd, wat helpt bij het verminderen van de IR-daling op de voeding/aarde. Dit wordt bereikt door deze apparaten naar een ander machtsdomein te verplaatsen. Er moet ook zorgvuldige aandacht worden besteed aan het minimaliseren van de weerstand van de voeding/grondleiding.

Een andere benadering is om het effect van de storing op de ADC's van het slachtoffer te verminderen. Dit kan worden bereikt door de voorspanning in elke ADC afzonderlijk te bemonsteren. Als gevolg hiervan zal de verstoring zich niet via het biasnet voortplanten; elke verstoring op de voeding/aarde wordt gespiegeld op de bemonsterde biasspanning, waarbij dezelfde VGS behouden blijft. Er moet goed op worden gelet dat de bemonsteringskap zo groot is dat de toevoer-/grondverstoring de VGS niet verandert. Een wisselwerking tussen het bemonsteren van de voorspanning van de comparator is de introductie van kTC-ruis. Omdat de comparator de voorversterker in de signaalketen volgt, is het effect van kTC op de ingangsgerelateerde ADC-temporele ruis doorgaans onbeduidend.

Figuur 6. INL-simulatietestbank. In dit diagram is de ADC-array verdeeld in negen secties. (Afbeelding:Forza Silicon)

Om dit effect te onderzoeken, wordt de ADC-array gemodelleerd en INL uitgezet. De routeringsweerstand voor alle benodigdheden, gronden, biases en hellingen wordt gemodelleerd in de simulatietestbank. De referenties —ramp en biases — worden horizontaal gerouteerd. Bevoorrading en terrein worden horizontaal en verticaal geleid. De ADC-array wordt gemodelleerd door deze in secties te verdelen en m-factor te gebruiken. Er wordt speciale zorg besteed aan het bepalen van het aantal secties dat nodig is om de array te modelleren, zodat elke variatie in voeding/grond binnen een redelijke looptijd kan worden gesimuleerd. Donkere kolommen zijn ook opgenomen in de testbank. De ADC's zijn RC-geëxtraheerd, zodat het effect van parasitaire capaciteit in de resultaten zichtbaar is. De verticale routing voor de benodigdheden en de grond wordt zorgvuldig gemodelleerd om de daadwerkelijke routing in de sensor weer te geven. De testbank is zo ingericht dat een deel van de array op een vast donkersignaalniveau wordt gehouden. De invoer naar de rest van de ADC's in de array wordt naar hun INL-plot geleid. De lineariteit van elke sectie wordt vergeleken om te bepalen of er een ruimtelijk patroon is. Het blokdiagram van de testbank wordt getoond in Figuur 6.

Figuur 7. INL-plotvergelijking. (Afbeelding:Forza Silicon)

Het simulatieresultaat voor en na de wijzigingen wordt weergegeven in Figuur 7. De INL-grafiek is voor de eerste 25 procent van het signaalbereik. Het oorspronkelijke resultaat geeft de INL-plot weer, zonder wijzigingen. De volgende twee grafieken tonen de INL met de in de vorige sectie genoemde wijzigingen. In het ene plot wordt de comparator bias niet bemonsterd, terwijl in het andere geval de comparator bias wel wordt bemonsterd. Zoals u kunt zien, verbetert de INL aanzienlijk wanneer de comparator bias wordt bemonsterd.

In dit artikel wordt een analyse- en simulatiemethodologie gepresenteerd voor het voorspellen van de niet-lineariteit bij weinig licht in een ADC-array. Conventionele bronnen van INL zijn goed bekend, maar naarmate de resolutie van de pixelarrays is toegenomen en de ADC-pitch dientengevolge is verminderd, zijn aanvullende array-bronnen van niet-lineariteit prominent geworden. Meerdere mogelijke bronnen kunnen de gemeenschappelijke netten in een ADC-array beïnvloeden, met name helling en vooroordelen. Er worden methoden gepresenteerd om deze verstoring te verminderen, waarvoor zorgvuldige ontwerpkeuzes nodig zijn. Er wordt ook een methode gepresenteerd om de bronnen te identificeren, waarvoor een zorgvuldige modellering van de ADC-array vereist is. Gesimuleerde resultaten laten een daling in INL zien op lage codeniveaus, die verbetert na wijzigingen.

Dit artikel is geschreven door Jatin Hansrani, Senior Analog Design Engineer, Forza Silicon Corporation (Pasadena, CA). Bezoek hier  . voor meer informatie