应用于CMOS图像传感器的电荷泵的研究与设计

论文摘要

随着CMOS工艺特征尺寸的不断缩小,电路系统所要求的电源电压也不断降低,但是系统中有些局部电路可能需要比电源电压高几倍的电压才能正常工作。对于一个CMOS图像传感器系统,像素单元中的复位晶体管就需要一个比电源电压高的电压来执行复位操作,从而加速复位过程并且增加像素单元中光电二极管电压动态范围,因此为了在低电源电压供电下获得高于电源电压的电压,需要一种专门的高压(高于电源电压)产生电路。电荷泵系统就是一种利用电荷在电容中不断积累来产生高压的电路。本文所设计的电荷泵系统是应用于CMOS图像传感器的像素单元中复位晶体管复位操作的,实际上就是用电荷泵产生的高压来驱动模拟开关,使其具有更好的导通截止性能。本文在分析了各种结构电荷泵的工作原理,并比较了各自优缺点的基础上,根据CMOS图像传感器中需要升压不是很高的要求(约四倍于基准电压),本文电荷泵采用了一种两级倍压器级联的开关电容网络结构,并且详细分析了影响电荷泵升压效率的各种因素,给出其理论模型;然后根据此理论模型,结合CMOS图像传感器对电荷泵系统的升压要求及建立时间、功耗要求完成了带隙基准源电路、振荡器电路、非交叠时钟产生电路和电压缓冲器电路模块的设计,并利用Tower 0.18um CMOS工艺对各个模块电路进行了仿真验证;最后对整个电荷泵系统的仿真验证表明,实现了1.2V到4.2V的升压,建立时间在10us之内,输出电压纹波在6mV以内。所以本文所设计的电荷泵系统能够很好的完成升压目的,具有良好的性能。为了降低电路的复杂性,本文所设计的电荷泵系统,并没有采用任何反馈来稳定输出电压,而是利用在每个时钟周期内对两个一定比例的电容重新充电,然后重新分配电荷,达到稳定输出电压的目的,由于每次都要重新分配电荷,也就浪费了一部分电荷即功耗,但这些功耗足以抵消施加反馈电路所消耗的功耗,这是本文一个比较新颖之处。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电荷泵的发展状况和设计背景
• 1.1.1 早期的电荷泵及其改进类型
• 1.1.2 电荷泵的设计背景及其应用
• 1.2 CMOS图像传感器中的电荷泵应用
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 电荷泵工作原理
• 2.1 电荷泵升压电路的基本原理
• 2.2 Dickson电荷泵电路
• 2.3 Kiuchi电荷泵电路
• 2.4 Tsujimoto电荷泵电路
• 2.5 四相位电荷泵电路
• 2.6 Jieh-Tsorng Wu电荷泵电路
• 2.7 Makowski电荷泵
• 2.8 小结
• 第三章 一种新型电荷泵电路理论分析
• 3.1 新型电荷泵的工作原理
• 3.1.1 新型电荷泵基本理论
• 3.1.2 二倍型电荷泵电路的等效模型
• 3.2 电荷泵的参数及意义
• 3.3 本文所采用的电荷泵结构
• 3.3.1 第一级电荷泵结构及工作原理
• 3.3.2 第二级电荷泵结构及工作原理
• 3.4 小结
• 第四章 电荷泵系统中模块电路的设计与仿真
• 4.1 电荷泵系统功能框图
• 4.2 带隙基准源
• 4.2.1 带隙基准源的基本原理
• 4.2.2 电流模式的带隙基准源电路结构
• 4.2.3 具体电路实现及仿真结果
• 4.3 振荡器
• 4.3.1 电路结构分析
• 4.3.2 电路参数及仿真结果
• 4.4 时钟幅度提升电路
• 4.4.1 电路结构分析
• 4.4.2 电路参数及仿真结果
• 4.5 非交叠时钟产生电路
• 4.5.1 非交叠时钟产生原理
• 4.5.2 本文提出的非交叠时钟产生电路
• 4.5.3 非交叠时钟产生电路的仿真结果
• 4.6 单位增益电压缓冲器
• 4.6.1 单位增益电压缓冲器电路结构及其仿真结果
• 4.7 小结
• 第五章 电荷泵系统整体电路实现与仿真结果
• 5.1 电荷泵开关网络参数的设定
• 5.2 电荷泵系统整体功能实现和仿真结果
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢