Optimización de INL con poca luz en sensores de imagen CMOS:análisis y simulación

Con el aumento de la demanda de sensores de imagen de mayor resolución, el tamaño de los píxeles se ha reducido para que quepa una mayor cantidad de píxeles dentro del mismo tamaño de sensor. Para leer a la misma velocidad de cuadros, se deben leer varias filas simultáneamente. Esto requiere múltiples convertidores de analógico a datos (ADC) por paso de píxel. Como resultado, el paso del ADC se ha reducido aún más, lo que requiere un diseño más ajustado. Aumenta la probabilidad de acoplamiento parásito, que se manifiesta como diafonía eléctrica. En la arquitectura ADC de pendiente única, los ADC tienen algunas redes comunes compartidas, incluidos suministros, tierras, polarizaciones y rampas. Una mayor cantidad de ADC que se convierten al mismo tiempo puede provocar un contragolpe en estas redes compartidas. Esto puede conducir a no idealidades, una de las cuales es la no linealidad.

Figura 1. Arquitectura de lectura en columnas paralelas. (Imagen:Forza Silicio)

Además de las fuentes tradicionales de no linealidad, los efectos a nivel de matriz se vuelven más visibles debido al tamaño de matriz más grande y denso de los ADC. Esto puede provocar caídas en el gráfico de linealidad que son tediosas de corregir y requieren múltiples curvas de corrección. Tradicionalmente, las columnas ópticamente negras se utilizan para la corrección del ruido de las filas y la cancelación del desplazamiento. Como todos tienen niveles de señal similares, se convierten al mismo tiempo e introducen una perturbación en las redes compartidas. Esto puede crear no linealidad en las regiones más oscuras de una imagen, que son más evidentes para el ojo humano. Además, la cantidad de conversiones de ADC en la oscuridad puede cambiar según la escena. Como resultado, la magnitud de la perturbación varía y hace que sea más difícil corregirla. Por lo tanto, es mejor eliminar el problema desde su origen.

ADC de pendiente única y linealidad

Figura 2. Un ADC típico de pendiente única. El bus de la columna de píxeles se lee mediante la operación CDS. (Imagen:Forza Silicio)

La arquitectura ADC de columnas paralelas y un esquema de ADC de pendiente única se muestran en la Figura 1 y la Figura 2 respectivamente. Los ADC utilizan muestreo doble correlacionado (CDS) para leer el voltaje del píxel. La puesta a cero automática (AZ) se completa con respecto al nivel de restablecimiento de píxeles. La rampa se mantiene en un nivel de referencia fijo y se muestrea el nivel de TG del píxel. Este nivel se compara con una señal de rampa que va de alto a bajo en este escenario. En el momento en que la señal de rampa y el nivel de TG son iguales, se genera un pulso de bloqueo.

Este pulso se utiliza para bloquear el valor del contador, que es el código digital deseado correspondiente a la señal de píxel. En una matriz de ADC, hay un ADC por línea de bus de columna. Todos los ADC del conjunto comparten los suministros, las tierras, los sesgos y la rampa. Como resultado, cualquier perturbación en estas redes compartidas, que son causadas por un contragolpe cuando las secciones de la matriz de ADC se convierten simultáneamente, serán comunes para todos los ADC al leer una fila en particular. Tradicionalmente, las columnas ópticamente oscuras se agregan al lado de la matriz de píxeles activa para corregir cualquier ruido de fila o desplazamientos fijos.

La linealidad mide la diferencia entre la producción medida y la producción ideal. Se cuantifica en términos de no linealidad integrada (INL). Las fuentes típicas de INL en los sensores de imagen CMOS incluyen el seguidor de fuente de salida de píxeles, la fuente de corriente VLN, la rampa, el condensador de muestreo en el extremo frontal del ADC y el preamplificador. La contribución del seguidor de fuente de píxeles a INL se debe principalmente al efecto del cuerpo, que aumenta el voltaje umbral del dispositivo a medida que aumenta el voltaje de la fuente. Esto se conoce como señal oscura (Figura 3). La corriente VLN cambia a medida que varía el voltaje de fuente de drenaje del dispositivo VLN (modulación de longitud de canal). La variación en la corriente VLN afecta la transconductancia (gm) del seguidor de la fuente de salida del píxel, haciendo que su señal de ganancia dependa (1), donde Rs es la impedancia de salida de VLN.

Figura 3. Seguidor de fuente y el efecto corporal resultante en su producción. (Imagen:Forza Silicio)

El uso de una fuente de corriente VLN en cascodo ayuda a reducir el efecto de la modulación de la longitud del canal. Sin embargo, esto tiene el efecto secundario de reducir el rango utilizable de la señal de píxeles, ya que el dispositivo VLN puede salir de la saturación en niveles de señal brillantes. La rampa es otra fuente importante de INL, particularmente en niveles de señal oscura, debido a la resistencia finita de la fuente de corriente en el generador de rampa. Finalmente, en el ADC, las fuentes principales de INL son el circuito de muestreo y el preamplificador. El circuito de muestreo INL se produce debido a la resistencia dependiente de la señal del interruptor y la capacitancia dependiente de la señal de la tapa de muestreo, lo que afecta el error de establecimiento del nivel de reinicio de píxeles y el nivel de TG de píxeles.

Fuentes de INL con poca luz y posibles soluciones

Como se describe en la Sección 2, todos los ADC comparten el suministro/tierra, las polarizaciones y la rampa. Si una cantidad significativa de ADC se convierten simultáneamente, se producirá un contragolpe en las redes compartidas. Dado que CDS se utiliza para cancelar desplazamientos aleatorios de los píxeles y ADC, las conversiones para el mismo nivel de señal se producen muy cerca. Como resultado, si varios ADC convierten el mismo nivel de señal, se producirá un retroceso significativo en INL. Este efecto es más prominente en la región de la señal oscura donde el ruido temporal del píxel y el ADC dominan el ruido del disparo de fotones. Los ADC que convierten un nivel de señal más brillante tienen más ruido de disparo y no convierten al mismo tiempo, lo que resulta en un contragolpe más distribuido. Además de las columnas ópticamente negras, la cantidad de ADC que convierten en la región de señal oscura puede cambiar según la escena. La perturbación también tiene un componente espacial, donde los ADC cercanos a la fuente de la perturbación experimentan un mayor retroceso, lo que resulta en un INL más grande. Como resultado, INL dependerá de la escena tanto en magnitud como en distribución espacial, lo que es muy difícil de corregir en el posprocesamiento. Por lo tanto, es deseable reducir el INL en el chip.

Esta fórmula explica que la variación en la corriente VLN afecta la transconductancia (gm) del seguidor de la fuente de salida del píxel, lo que hace que su señal de ganancia dependa (1), donde Rs es la impedancia de salida de VLN. (Imagen:Forza Silicio)

Ramp es una fuente importante de INL. Los ADC que convierten la matriz activa tendrán protuberancias en su gráfico INL en niveles de poca luz debido a una alteración en la pendiente de la rampa. La magnitud de la perturbación se reducirá en los ADC más alejados de la fuente, ya que los filtros de paso bajo del RC parásitos en la ruta de distribución de rampa. La perturbación en la rampa es causada por el efecto de contragolpe de la transición de salida del preamplificador, a través de capacitancia parásita a la rampa. Debido al pequeño paso del ADC, se requiere un enrutamiento más estrecho, lo que dificulta el aislamiento de la rampa.

Figura 4. Capacitancia de Miller en preamplificador. (Imagen:Forza Silicio)

Si el porcentaje de agresores aumenta, según la escena, aumentará el contragolpe. Se debe prestar especial atención al recorrido de la rampa al crear un diseño para la columna ADC. Otra fuente de acoplamiento parásito es el CGD del MOSFET de entrada del preamplificador (Figura 4). Estos dispositivos están diseñados para tener W y L grandes para reducir el ruido de parpadeo y, por lo tanto, tienen una capacitancia asociada mayor. El uso de una configuración en cascodo en el preamplificador ayuda a reducir el efecto Miller de la capacitancia.

Otra fuente de perturbación es el sesgo del comparador. La perturbación puede deberse a la propia polarización o al suministro/tierra a la que está referenciada. Esto es causado por el CGD de la fuente actual (es decir, el mismo mecanismo que el preamplificador). La perturbación del suministro/tierra es causada por una caída repentina de IR cuando la salida del comparador cambia. El nivel de caída de IR puede llegar a ser grande ya que la corriente no es despreciable, especialmente cuando muchos ADC se convierten simultáneamente, o cuando la impedancia del suministro y la tierra es grande, por ejemplo, debido al número limitado de capas metálicas.

Figura 5. Variación en la conversión de ADC debido a la diferencia en el tiempo de transición. (Imagen:Forza Silicio)

Como resultado de las tendencias actuales de pasar a una resolución más alta en el mismo formato de sensor de imagen y una velocidad de cuadros más alta, el paso del ADC ha ido disminuyendo para adaptarse a más ADC y lograr la especificación. Pero como no se ajusta también el tamaño del sensor, el recorrido de las redes de suministro y de tierra no ha mejorado en el mismo factor. La caída de IR provoca un cambio en el VGS del sesgo del comparador, lo que resulta en un cambio en la corriente para el comparador del ADC víctima. A su vez, el ruido en la corriente de polarización altera el tiempo de transición del comparador, lo que puede manifestarse como no linealidad (Figura 5).

La no linealidad se vuelve más significativa para velocidades de conteo de ADC más rápidas, que se utilizan para reducir el tiempo de fila efectivo para lograr una alta velocidad de fotogramas. Para reducir la perturbación, existen múltiples opciones. En primer lugar, se puede aumentar la fuerza de accionamiento del generador de polarización para disminuir la impedancia del nodo de polarización, lo que ayudará a una resolución más rápida de la perturbación. En segundo lugar, se puede disminuir la cantidad de puertas de conmutación rápida en el mismo dominio de energía, lo que ayuda a reducir la caída de IR en el suministro/tierra. Esto se logra moviendo estos dispositivos a un dominio de energía diferente. También se debe prestar especial atención a minimizar la resistencia del enrutamiento de suministro/tierra.

Otro enfoque es reducir el efecto del fallo en los ADC víctimas. Esto se puede lograr muestreando el voltaje de polarización en cada ADC por separado. Como resultado, la perturbación no se propagará a través de la red de polarización; cualquier perturbación en el suministro/tierra se reflejará en el voltaje de polarización muestreado, manteniendo el mismo VGS. Se debe tener cuidado adecuado al dimensionar la tapa de muestreo para que la perturbación del suministro/tierra no cambie el VGS. Una compensación del muestreo del voltaje de polarización del comparador es la introducción de ruido kTC. Dado que el comparador sigue al preamplificador en la cadena de señal, el efecto de kTC en el ruido temporal del ADC referido a la entrada suele ser insignificante.

Figura 6. Banco de pruebas de simulación INL. En este diagrama, la matriz ADC está dividida en nueve secciones. (Imagen:Forza Silicio)

Para investigar este efecto, se modela la matriz ADC y se traza INL. La resistencia de enrutamiento para todos los suministros, tierras, polarizaciones y rampas se modela en el banco de pruebas de simulación. Las referencias —rampa y sesgos— se encaminan horizontalmente. Los suministros y las tierras se encaminan horizontal y verticalmente. La matriz ADC se modela dividiéndola en secciones y utilizando el factor m. Se tiene especial cuidado al decidir el número de secciones necesarias para modelar el conjunto de modo que cualquier variación relacionada con el suministro o la tierra pueda simularse en un tiempo de ejecución razonable. Las columnas oscuras también se incluyen en el banco de pruebas. Los ADC se extraen mediante RC, por lo que el efecto de la capacitancia parásita se puede ver en los resultados. El enrutamiento vertical para los suministros y la tierra se modela cuidadosamente para representar el enrutamiento real en el sensor. El banco de pruebas está configurado de modo que una sección de la matriz se mantenga a un nivel fijo de señal oscura. La entrada al resto de los ADC de la matriz se barre a su gráfico INL. Se compara la linealidad de cada sección para determinar si existe algún patrón espacial. El diagrama de bloques del banco de pruebas se muestra en la Figura 6.

Figura 7. Comparación de parcelas INL. (Imagen:Forza Silicio)

El resultado de la simulación antes y después de las modificaciones se muestra en la Figura 7. El gráfico INL es para el primer 25 por ciento del rango de la señal. El resultado original muestra el gráfico INL, sin modificaciones. Los dos gráficos siguientes muestran el INL con las modificaciones mencionadas en el apartado anterior. En un gráfico no se muestra el sesgo del comparador, mientras que en el otro caso sí se muestra el sesgo del comparador. Como se puede observar, el INL mejora significativamente cuando se muestra el sesgo del comparador.

Este artículo ha presentado una metodología de análisis y simulación para predecir la no linealidad con poca luz en una matriz de ADC. Las fuentes convencionales de INL se conocen bien, pero a medida que la resolución de la matriz de píxeles ha aumentado y, en consecuencia, se ha reducido el paso del ADC, se han vuelto prominentes fuentes adicionales de no linealidad de la matriz. Múltiples fuentes posibles pueden afectar las redes comunes en una matriz de ADC, principalmente rampas y sesgos. Se presentan métodos para reducir esta perturbación, que requieren algunas elecciones de diseño cuidadosas. También se presenta un método para identificar las fuentes, que requiere un modelado cuidadoso de la matriz de ADC. Los resultados simulados revelan una caída en INL en niveles bajos de código que mejora después de las modificaciones.

Este artículo fue escrito por Jatin Hansrani, ingeniero senior de diseño analógico, Forza Silicon Corporation (Pasadena, CA). Para obtener más información, visite aquí  .