【導讀】了解為當今高分辨率
、高幀率CMOS圖像傳感器設計供電方案的關鍵挑戰
，是設計一個滿足每位設計工程師要求的含LDO (DC-DC, PMIC)的優化的電源係統方案的關鍵要素。電源係統設計人員需要知道不同應用中的電源方案有何不同，比方說
，一個800萬像素（MP）的相機與一個5000萬像素的相機的電源方案有何不同，或幀率的不同（30 fps、60 fps
、120 fps）如何改變他們的電源設計，多大頻率需要高電源抑製比(PSRR)，等等。本文意在強調在為當今任何圖像傳感器確定供電方案之前的基本考量。

前言

任何CMOS成cheng像xiang係xi統tong都dou含han一yi個ge有you源yuan像xiang素su區qu和he光guang電dian探tan測ce器qi
，光guang電dian探tan測ce器qi用yong於yu捕bu獲huo光guang子zi並bing將jiang其qi轉zhuan換huan成cheng非fei常chang小xiao的de光guang電dian流liu或huo電dian子zi。不bu同tong的de部bu分fen讀du取qu數shu據ju
，包bao括kuoADC、模擬信號處理、用戶接口數字邏輯、計時等。在飛安(Femto amp)範圍內的少量光電二極管電流在曝光時間（打開快門）內被整合成少量的電荷，由ADC轉換成可讀的的電壓。

圖1.  典型的CMOS成像儀結構

像素、分辨率和晶體管設計

每(mei)個(ge)像(xiang)素(su)也(ye)有(you)一(yi)個(ge)填(tian)充(chong)係(xi)數(shu)，取(qu)決(jue)於(yu)使(shi)用(yong)的(de)總(zong)像(xiang)素(su)區(qu)域(yu)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)
，並(bing)有(you)兩(liang)個(ge)部(bu)分(fen)，光(guang)敏(min)和(he)非(fei)光(guang)敏(min)部(bu)分(fen)。光(guang)敏(min)區(qu)捕(bu)獲(huo)光(guang)線(xian)
，而(er)非(fei)光(guang)敏(min)區(qu)則(ze)用(yong)於(yu)ADC、數字塊

、接口和其他功能。

其餘區域用於水平或垂直讀出，其中典型的READ 或WRITE序列由主機開始，在總線上產生一個啟動條件。

CMOS圖像傳感器的分辨率是總的像素陣列數
，像素陣列由許多列和行組成。例如
，一個典型的200萬像素的相機像素陣列可能是1600 x 1200。

圖2. 常見相機像素列表

liehexingshangdeyixiexiangsubeichengweianxiangsu，zaiguangxueshangshiheisede，zaineibuyongyuheidianpingxiaozhenghuoxingzaoshengxiaozheng，zhejiangdaozhishijiyouyuanxiangsuzhenliehuozhenliezhongshijiyouxiaoxiangsudejianshao。

有許多不同的像素晶體管設計（3T

、4T

、5T），如下麵所示的四晶體管（4T）像(xiang)素(su)設(she)計(ji)。光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)將(jiang)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)光(guang)子(zi)轉(zhuan)化(hua)為(wei)少(shao)量(liang)的(de)電(dian)荷(he)，有(you)一(yi)些(xie)開(kai)關(guan)用(yong)於(yu)選(xuan)擇(ze)不(bu)同(tong)的(de)列(lie)和(he)行(xing)。為(wei)了(le)不(bu)幹(gan)擾(rao)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)的(de)讀(du)數(shu)，光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)結(jie)上(shang)的(de)高(gao)阻(zu)抗(kang)放(fang)大(da)器(qi)被(bei)用(yong)作(zuo)源(yuan)跟(gen)隨(sui)器(qi)放(fang)大(da)器(qi)（TIA/SIA）。為了不幹擾光電二極管的讀數，光電二極管結點上的高阻抗放大器被用作源跟隨放大器（TIA/SF Amp）來驅動每列總線。

圖3.  四晶體管設計示例

每個像素電壓一次讀取一行並放入列電容器 (Cs)

，然後使用列解碼器和多路複用器進行讀取。

圖4. 選定行和列的示例

幀和行轉換

幀率衡量的是捕獲一個完整的圖像並讀出陣列以進行處理的速度，典型的頻率範圍是30-120赫茲 (Hz)。圖像傳感器可以是用於慢動作回放的高幀率器件（>60幀），或用於運動模糊效果的低幀率器件(<60 fps)。

速率也可能受到快門速度的限製或影響，快門速度控製著圖像傳感器收集光線的時間，或在最後一行被用於水平消隱

、同步時間或其他目的後發生的被稱為"暗期 "的可編程時間間隔。

我們可以計算出一個給定幀率（15、30或60）所需的最高PSRR的頻率。--例如
，400萬像素相機—和設計一個具有所需PSRR的LDO

，用於計算頻率。

圖 5. 不同幀速率與水平頻率的影響

幀速率約為讀出速率的 75%，另外 25% 作為其他處理的空閑時間，如改變光圈、曝光時間計算、鏡頭自動對焦(AF)、圖像處理、內存寫入速度等。對於靜態圖像和視頻，幀讀出以行序列方式進行

，最後，整個幀被收集在緩衝區中並呈現出完整的圖像。

圖像傳感器電源軌

CMOS圖像傳感器通常需要三個不同的電源軌來為模擬軌(AVDD）
、接口（DOVDD）和數字軌（DVDD）供電。用於模擬電源軌的標準電壓是2.8 V
，接口電源軌是2.8 V或1.8 V，而數字電源軌是1.8 V或1.2 V。

為了改善CMOS圖像傳感器的噪聲性能，我們可以在電源引腳前放置一個大的旁路電容。

減少每個電源軌的波動還可改善CMOS圖像傳感器的噪聲性能。一般來說，模擬電源軌

是對噪聲最敏感的軌道
，其次是數字軌，對噪聲也很敏感。

電源抑製比(PSRR)

PSRR提供了一個方法來衡量LDO抑製紋波的能力
，或如何阻斷僅在LDO輸入端由電源軌產生的噪聲。PSRR越高

，可阻斷越多的電源噪聲或波紋。這些紋波可能來自50/60 Hz紋波的輸入電源，DC-DC的開關頻率
，或由於不同電路共享輸入電源而產生的紋波。

圖6. 從LDO的輸入到輸出的噪聲示例

LDO的反饋回路通常控製著頻率在100 kHz以下的係統的PSRR。所以要確保選擇一個合適的LDO。對於高於100 kHz的頻率，適當選擇無源元件和PCB布局/位置來控製PSRR。

圖7. 典型LDO的 PSRR行為與頻率的關係

在設計PCB時
，應注意電流環路要緊密
，以減少寄生電感和電源軌與相機軌之間的紋波。在Vin和Vo之間使用一個幹淨的偏置或更高的餘量

，也可以增加PSRR 性能能力。

低的PSRRxingnenghuomoniguishangderenhezaoshenghuidaozhidianyuanguishangdezaoshengtongguogaozengyiyuangensuiqifangdaqidianlujinrushuchuxinhaolujing
，daozhibuhuodetuxiangzhongchuxianbuxiangyaodeshuipingbowen。

圖8. 模擬軌上的噪聲示例

普通 LDO 在高頻下的 PSRR 較低，這對於普通相機來說應該足夠了，但是對於 50-200 MP 範圍內的高分辨率和高幀率圖像傳感器，肯定需要特定係列的 LDO， 在較低頻率範圍（達 10 kHz）下的PSRR大於 90 dB，在 1-3 MHz 頻率範圍內的PSRR大於 45 dB，以減少幀和行速率轉換期間的紋波。

傳感器幀和行速率與電源負荷的關係

值得注意的是
，幀率（30-120 fps）和行速率（22-44 kHz）都會給圖像傳感器帶來動態負荷
，在2.8 V的模擬軌上產生下衝和過衝。

zaimeiyigexindezhenhuoxindexingzhuanhuanguochengzhong，dianliudexiqujiuxiangyigejietifuzai。liru，zaiyizhenhuoyixingdeduquguochengzhong，huozhezaimeiyizhenhuoyixingdeduquzhijian，dianyuanfangan (LDO)需要在每個幀和行轉換期間處理幾百毫安的負載變化，但在其輸出電壓軌上無任何大幅度的波動。

對於相機去耦
，需要體電容器在行和幀頻率附近具有最低阻抗，以獲得最佳係統性能。

LDO輸出噪聲(μ VRMS)

根據圖像傳感器的設計
，每個像素都有一個電荷飽和度或滿井容量--一個像素在飽和前所能容納的電荷量（以電子為單位）。對於任何圖像傳感器
，動態範圍（dB）定義為圖像中可被同時捕獲的最亮和最暗的部分。

圖9. 像素容量和本底噪聲示例

在任何LDO的輸出端
，10 Hz至1 MHz之間的頻譜噪聲密度越低
，就越能發揮重要作用，轉移到CMOS圖像傳感器中的噪聲就越少，從而使給定像素的動態範圍更高。

圖10. 典型的LDO輸出噪聲密度

找到CMOS圖像傳感器的信噪比(SNR)信息並設計係統是至關重要的，以使整體紋波和噪聲至少比傳感器的噪聲閾值低40 dB。

總結

在為不同規格的圖像傳感器設計LDO電源方案時
，有不同的問題要解決
，比如400萬像素不同於4000萬像素，30幀不同於120幀的幀率
，或高動態範圍不同於低動態範圍，等等。我們通過互聯網服務提供商(ISP)提供的最大數據速率能力和所用的C/D-PHY MIPI通道數量實現高分辨率相機的最大允許幀率。考慮到計算出的最高幀率頻率所需的最高PSRR，和一個給定的圖像傳感器所需的RMS噪聲密度與已知的SNR，可以幫助我們設計一個優化的電源係統

，以滿足當今高分辨率和高幀率CMOS圖像傳感器的要求。

使用在較高頻率下具有高PSRR、低RMS噪聲的LDO方案，以及在給定的垂直和水平頻率下具有特定阻抗的合適的無源器件，可以幫助改善CMOS圖像傳感器的整體噪聲性能

，減少電源波紋，從而使拍攝的圖像減少不想要的水平波紋。

作者：安森美首席現場應用工程師Majid Dadafshar

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片
、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

ABB采用IGBT7的新一代高功率密度變頻器ACS180係列

電源應用問題之應用環境分析

開啟大功率無線充電新時代

碳化矽MOS 四引腳封裝在應用中的優勢

深入剖析高速SiC MOSFET的開關行為