彩色SXGA数字图像传感器

Motorola公司的MCM20027彩色SXGA数字图像传感器是固态有源CMOS图像传感器(ACITM),它在单一芯片上集成有完整的模拟图像采集、模/数转换和数字信号处理系统的功能,实现真正的“片上相机”(“ camera on a chip”)。MCM20027简化和详细框图示于图1和图2。图像传感器由1280×1024有源元件的格式像素阵列组成。图像的大小是完全可编程的,由用户确定所需视窗。像素的间距为6.0μm。像素所采用的光电二极管结构具有高灵敏度和低噪声的特点。标准微透镜进一步提高了灵敏度。传感器为彩色输出或做为单色图像传感器提供Bayer图形彩色滤光片阵列(CFA)。

集成的定时和编程控制使视频或静止图像捕护模式支持连续扫描模式。帧速率是可编程的,而且保持主时钟频率恒定。用户可编程的行和列起始停止。使视窗可达最小1×1像素视窗。多像素增量中的二次取样也可执行视窗操作以便数字图像放大。

像素阵列的模拟视频输出由片上的模拟信号处理流水线进行处理。相关双取样(CDS)能去掉传感器复位噪声而不需要在每个有效视频帧捕获和减去复位帧。帧速率箝位(FRC)使能实时光黑电平校准和补偿校正。可编程模拟增益由曝光或总增益构成,以把信号强度变化映射到ADC输入范围内,而白色补偿执行模拟范围的白色补偿。ASP(模拟信号处理)信号链路包括:列运放(1.5×固定增益);列DOVA(1.5× 固定增益);白色补偿PGA(0.88-2.82x);G10bal PGA(0.67×-5.92x);G10bal DOVA(2.0×固定增益)。这些数字可编程放大器(DPGA)提供自动白色补偿(AWB)及总增益调节的实时彩色增益校正,可在每列和全程进行补偿校准。存储在片上寄存器中的值可用于每列补偿校正。10位冗余符号数(RSD)ADC变换模拟数据为10位数字字流。全差分模拟信号处理流水线用以改进抗噪声度、信噪比和系统动态范围。

传感器用工业标准2线I2C兼容串行接口。它工作在单3.3V电源,不需要另外的偏置,只需要单个主时钟(工作频率高达13.5MHz)。此传感器是48引脚陶瓷LCC封装。

MCM20027的设计考虑到标准视频编码器的接口要求。除10位 Bayer编码数据流外，传感器输出有效的帧、行和编码所需的像素同步信号。传感器具有与各种商用视频图像处理器的接口,为不同标准视频格式提供编码。

MCM20027是一种精巧和特别灵活的单片解决方案,它简化了图像感测,处理、数字变换和数字信号处理的系统设计任务,不愧是一款高性能、低成本、低功率IC。

MCM20027图像传感器的图像感测和捕获结构如下。

传感器接口

像素结构

MCM20027传感器由1280×1024有源像素阵列组成并支持连续模式。像素的基本操作靠光电效应实现。由于其物理特性,硅能够检测光电子。光电子产生正比于入射光光强和波长的电子-空穴时。应用适当的偏置可使用户捕捉电子和测量有用参量(如电压)的电荷。

像素结构也要求一行中的所有像素具有共同的复位、传送和行选择控制。此外,所有的像素具有共同的电源(VDD)和地(Vss)连接。一个最佳的单元结构能提供低噪声、最大占空因数、抗散焦特性。光电元件所用的光电二极管专利和传送门器件能增强整个可见光谱范围和非滞后操作的灵敏度。

除成像像素外,还有在成像部分边缘的暗和伪像素。暗像素由光屏蔽打底像素(在下层对光电不灵敏)覆盖。这些像素为量测暗电平补偿提供传感器手段,在信号处理链路下游执行自动黑色电平校准时用暗电平补偿。在阵列边缘提供的伪像素可消除由于光管道进入有效像素邻近的暗像素所引起的不精确测量。这些像素的输出将被去掉。

照相术语中的电子快门,也称之为电子光定时是一种标准特性。像素积分时间可在给定帧读出时间的百分之几到整个帧时间的较宽范围内变化。

彩色分离和占空因数放大

MCM20027系列提供单片聚合物彩色滤光片阵列(CFA)选择方案。超平面化工艺和专用的滤光片技术的结合,使CFA具有优异的光谱和传输特性。标准选择方案是基本的(RGB)“Bayer”图形(见图3),但是,也有能生成包含辅助(CMYG)镶嵌结构的定制CFA的功能。

可选用微透镜阵列(图4)得到较高的灵敏度。此透镜组阵列可改进传感器占空因数(孔径比)1.5-2×,这取决于相机系统中所采用的主透镜的F值。没有微透镜的占空因数是32%。用微透镜,占空因数改进到TBD。

WOI控制

器件读出的像素数据定义为“Window of Interest ”(WOI)。可把WOI以任意的大小确定在像素阵的任何地方。用户提供左上角的像素位置和确定WOI行和列的大小。用WOI指针、WOI高度和WOI宽度寄存器确定WOI。图5示出WOI的图示表示。

WOI二次取样控制

WOI可由每个用户控制二次取样。用户可在每个方向以4种不同取样率(全,1/2,1/4或1/8)读出单色或Bayer像素空间的像素数据。用户通过二次取样控制寄存器控制二次取样。

关于帧捕获模式,图像扫描模式以及连续帧捕获模式(CFCM)帧速率和积分时间控制等在此就不一一描述了。

模拟信号处理链路

MCM20027模拟信号处理(ASP)链路包含相关双取样(CDS)、帧速率箝位(FRC)、数字可编程增益放大器(DPGA)、补偿校正(DOVA)和10位A/D变换器(ADC)。

相关双取样(CDS)

与电容结点复位动作有关的非确定性引起复位噪声,此噪声等于KTC(C是结点电容,T是温度,K是波耳兹曼常数)。消除在所有图像传感器中的噪声是采用相关双取样法。对输出信号取样两次,一次对其复位(参考)电平,一次对有效的视频信号。取样和保持这些值,而差分放大器信号从输出中减去参考电。 双取样消除了相关噪声源。相关双取样原理示于图6。

帧速率箝位(FRC)

设计FRC(见图7)来提供正馈暗电平减参考电平测量。在自动FRC模式中,每次图像传感器开始新帧时,重新建立光黑色电平参考。MCM20027用光黑色(暗)像素帮助建立这种参考。

在MCM20027中,暗像素输入信号的采样时间至少应为13Tμs以使CLRCA和CLRCB引脚上的2个0.1μF电容器有足够的时间为10位精度充电。这保证FRC的“下降”将保持在≤750μV,因此,保证规定的ADC10位精度在±0.5LSB。在最高工作频率(13.5MHz),图像传感器需要一些帧来为其后的有效像素处理建立暗像素参考。暗像素取样周期是内部自动控制的,设置是起始3暗行空白,然后取样其后面的2暗行。当“暗箝位”有效时,处理并保持每个暗像素以在CLRCA和CLRCB引脚建立像素参考电平。在此期间,FRC的差分输出V+和V-（见图7)被箝位到Vcm。这些功能有助于消除暗电平偏移,同时建立在ADC输出所希望的零码。

白色补偿控制(PGA)

在模拟信号处理链路有两个数字可编程增益放大器(DPGA),用于执行白色补偿和光增益功能。在此只介绍白色补偿控制可编程增益放大器。

传感器产生3个主要的色彩输出:红、绿、蓝。它们是单色信号,代表每个主要色彩的亮度值。当等量相加时,它们混合成非彩色的色彩。白色补偿是这样一种技术:设置构成Bayer图形(见图8)的绿(O)、红、蓝和绿(3)像素增益素数以补偿它们的非彩色景像输出。由于在Bayer图形中的两个绿色像素的感光度可能不一样,所以为Bayer 图形中的每个元素提供一个单独的彩色增益寄存器。

一旦所有彩色增益寄存器装入所需要的增益系数,则实时地实现了白色补偿。选择恰当的值并通过调整通路送到像素输出,其延迟远远小于像素时钟率。对任何增益寄存器可执行实时更新。用户通过彩色增益寄存器编程单独的增益系数到MCM20027中。

MCM20027利用I2C接口写或读程序控制寄存器。

模/数变换器

ADC是全微分、低功率电路。ADC采用流水线、冗余符号数(RSD)算法技术,使其具有适于图像应用的优异特性。

积分噪声线性度(INL)和微分噪声线性度(DNL)分别为±1.0和±0.5,无漏码。输入电压分辨率是2.44mV(满量程2.5Vpp输入)。通过可编程电压基准产生器可编程ADC的输入动态范围。正基准电压VREFP和负基准电压VREFM通过基准电压寄存器可分别编程为2.5V~1.25V和0V~1.25V,步长为5mV。ADC的缺省范围是1.9V(对于正基准电压)和0.6V(对于负基准电压),因此,提供1.3V峰-峰值信号的10位数字变换。

另外的工作条件

MCM20027包括初始化,待机模式和外部基准电压输出,为用户提供特殊应用的灵活性。

初始化

INIT输入引脚控制MCM20027的初始化。以用来保证控制的芯片和系统的启动。通过逻辑高态输入保持控制。此状态必须保持最小1ms,在芯片进行处理前应该有1ms“等待期间”,以确保MCM20027运行完启动程序和保证所有保持和旁路电容器等达到它们所需要的稳态值。

启动期间要完成的任务包括:利用编程寄存器的复位和其缺省值的初始化,所有内部计数器和锁存器和复位以及模拟信号处理链路的建立。这也包括置芯片为待机模式。

待机模式

在不需要MCM20027工作期间,用户可选择待机模式以降低系统功耗。此特性使低功率应用中的电池寿命得以延长。

利用待机模式,用户可把动态功耗从大约400mW降到≤50mW。

加一个有效高态信号到INIT输入引脚可实现待机模式。注意,这也导致芯片初始化。在有效处理模式,置MCM20027输出为3态,也可降低功耗。

正、负基准电压

为简化系统,MCM20027包含所有内部产生的基准电压和片上偏压。一个内部产生的差分带隙稳压器提供所有ADC和其他模拟信号处理所需的基准电压。用户把CVREFP和CVREFM引脚与0.1μF电容器连接，以便精确地保持偏压。

共模基准电压

MCM20027保持芯片上共模基准电压到稳定值。为了达到此稳定值,VAG、VAGREF和VAGRETURN引脚必须连接两个0.1μF电容器。

内部偏置电流控制

模拟信号处理(ASP)链路具有内部产生的偏置电流,使工作功耗达400mW 用户可在EXTRESP和EXTRESRTN引脚之间连接一个电阻器,以降低器件的功耗。