一種用于CMOS圖像傳感器集成ADC的性能測(cè)試系統(tǒng)

 摘要：在CMOS圖像傳感器中，A/D起著“承上啟下”的作用，承接前端傳來的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字后輸出，其性能指標(biāo)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。隨著ADC速度和精度的提高，如何高效、準(zhǔn)確地測(cè)試其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數(shù)是ADC測(cè)試研究的重點(diǎn)。文中闡述了ADC的參數(shù)及其測(cè)試的原理和方法，并基于Labview軟件和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建了ADC的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性的高精度ADC計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)。

隨著CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展，CMOS圖像傳感器以其高集成度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于超微型數(shù)碼相機(jī)、PC機(jī)電腦眼、指紋識(shí)別、手機(jī)等圖像采集的領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器的工作流程可以簡單表述為：外界光信號(hào)由像素陣列采集并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再通過讀出電路傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，最后交于后續(xù)數(shù)字電路進(jìn)行處理。由此可見，A/D轉(zhuǎn)換器在整個(gè)CMOS圖像傳感器中起著“承上啟下”的作用，其性能指標(biāo)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，從而使得ADC的性能測(cè)試變得十分重要。

目前業(yè)界已經(jīng)存在一些通用的ADC測(cè)試方法，例如針對(duì)靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試的直方圖法，針對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試的快速傅式變換法，以及專門針對(duì)ENOB的正弦波適應(yīng)法等，但是還沒有單一的測(cè)試方法能夠有效測(cè)試出所有的ADC參數(shù)。

ADC測(cè)試需要解決成本和效率的問題，故需要根據(jù)ADC典型應(yīng)用的環(huán)境，選取一些關(guān)鍵指標(biāo)和有效的測(cè)試方法，制定合理的測(cè)試方案。本文中ADC主要用于CMOS圖像傳感器的數(shù)字輸出，結(jié)合Labview軟件分析程序和測(cè)試儀器，搭建了一套ADC綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。

1 ADC性能測(cè)試系統(tǒng)

1.1 ADC性能參數(shù)

表征ADC性能的參數(shù)通?？煞譃殪o態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。其中，靜態(tài)參數(shù)描述的是ADC自身的內(nèi)在特性，與所設(shè)計(jì)的ADC內(nèi)部電路的誤差和噪聲有關(guān)，這些誤差包括ADC的增益誤差、失調(diào)誤差、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)等，主要關(guān)注的是具體的模擬輸入電平與相應(yīng)數(shù)字輸出代碼之間的關(guān)系，表征靜止的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)的精確度;而動(dòng)態(tài)參數(shù)描述的是ADC采樣和重現(xiàn)時(shí)序變化信號(hào)的能力，關(guān)注ADC在交流條件情況下的性能表現(xiàn)，主要包括信噪比(SNR)、無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、總諧波失真(THD)、信納比(SINAD)以及有效位數(shù)(EN OB)等，這些參數(shù)的測(cè)試都是通過對(duì)輸入合適的正弦模擬信號(hào)并獲取了芯片正確轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字碼之后，進(jìn)行快速傅氏變換(FFT)計(jì)算得來的。表1為ADC典型參數(shù)的公式定義。

1.2 測(cè)試原理和方法

目前常規(guī)的測(cè)試系統(tǒng)不能同時(shí)分析多種性能參數(shù)，例如：一般的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)試ADC動(dòng)態(tài)參數(shù)，如信噪比和信號(hào)噪聲失真比等參數(shù)，而傳遞特性的測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)試傳遞特性等，具有適應(yīng)性比較差、使用不方便等缺點(diǎn)。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文開發(fā)了一套由Labview軟件分析程序和測(cè)試儀器構(gòu)建的綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，測(cè)試程序?qū)煞N測(cè)試分析方法綜合到一起，采用了碼密度直方圖測(cè)試法測(cè)試靜態(tài)特性參數(shù)、FFT測(cè)試法測(cè)試動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。在測(cè)試程序中，這些測(cè)試方法只是數(shù)學(xué)分析算法上的不同，硬件基本一致。因此可很方便的根據(jù)外加測(cè)試條件的不同而一鍵選擇不同的測(cè)試方法。

1.2.1 碼密度直方圖測(cè)試法

該方法通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，對(duì)輸入正弦波情況下的輸出數(shù)字碼進(jìn)行振幅域的分布統(tǒng)計(jì)。圖1就是通過這種方法生成的浴盆曲線。

該浴盆曲線的橫坐標(biāo)代表了0到1 024(210)個(gè)數(shù)字碼點(diǎn)，縱坐標(biāo)代表了輸出為該數(shù)字碼的個(gè)數(shù)。在理想情況下，數(shù)字碼分布的概率密度函數(shù)為：

其中FSR代表ADC的滿量程范圍，n代表數(shù)字碼的序號(hào)，N代表分辨率。這樣理想情況下和實(shí)際測(cè)量的輸出特定的數(shù)字碼個(gè)數(shù)之差就可以得出DNL，而將DNLk求和即能得到INL的誤差值。

1.2.2 FFT分析法

FFT法是對(duì)時(shí)域采集的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到采樣信號(hào)的傅立葉頻譜，然后從頻譜中得到信號(hào)、噪聲及諧波分量的功率，經(jīng)加工計(jì)算可得到SNR、THD、SINAD、ENOB、SFDR這些動(dòng)態(tài)參數(shù)。在實(shí)際測(cè)試過程中，需要應(yīng)用相關(guān)采樣原理，即必須滿足如下公式：

式中，M為采樣周期數(shù)，必須為奇數(shù)，N為總采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)于FFT算法必須為2的冪。ft為輸入模擬正弦波頻率，fs為采樣頻率。同時(shí)為了獲得最佳測(cè)試效率和減少測(cè)試時(shí)間，M和Ⅳ要求不可約分，而且為了保證FFT變換一定的故障覆蓋率，N取值不能太小。

1.3 測(cè)試系統(tǒng)組成

文中所測(cè)10bit、8Msps ADC主要用于CMOS圖像傳感器的芯片級(jí)數(shù)字輸出，其結(jié)構(gòu)為流水線型，輸入信號(hào)擺幅為Vp-p為2.4 V，共模電壓為2.5 V，這意味著模擬輸入電壓范圍是1.3～3.7 V。這樣模擬輸入精度就是1LSB=(Vinmax-Vinmin)/2n=2.34 mV(n為數(shù)字輸出位數(shù))，為了能測(cè)試這樣精度的芯片，我們需要輸入更高精度的模擬電壓。因此除了對(duì)測(cè)試方法的選取要求較高外，也對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成和測(cè)試板的設(shè)計(jì)與制作提出了很高的要求。

圖2為ADC測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的工作原理是：由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一幅度略大于ADC滿幅度輸入范圍的正弦波，作為模擬信號(hào)輸入到ADC測(cè)試板，經(jīng)濾波后輸入到ADC輸入端，ADC將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字輸出至數(shù)字采集卡，采集卡將其組合成數(shù)字碼，然后用分析軟件進(jìn)行分析，給出測(cè)試結(jié)果。

本系統(tǒng)利用Labview的虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采樣控制，以及對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在控制數(shù)字采集卡的程序中，應(yīng)設(shè)置為外時(shí)鐘采樣以及有限次采樣模式，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一致性采樣，以及保證采集卡采樣與ADC同步;在對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理時(shí)，考慮到系統(tǒng)需分析處理二種不同的測(cè)試方法，因此在將數(shù)字采集卡采集到的數(shù)字轉(zhuǎn)化為U16標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字格式后，輸入到一個(gè)case結(jié)構(gòu)程序框中，通過在前面板選擇不同的測(cè)試模式，可以很容易的滿足了測(cè)試軟件對(duì)不同特性參數(shù)的測(cè)試要求。圖3左為碼密度測(cè)試軟件的窗口，右為FFT測(cè)試軟件窗口。它包含了采集卡和ADC的控制設(shè)置以及輸出參數(shù)顯示等功能區(qū)域。

1.4 測(cè)試結(jié)果

利用上述測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)CMOS圖像傳感器中的8Msps 10位ADC進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

測(cè)試結(jié)果表明，此系統(tǒng)可有效測(cè)出ADC的各項(xiàng)性能參數(shù)。

2 結(jié)論

本文以CMOS圖像傳感器集成流水線型ADC為測(cè)試實(shí)例，以LABview為軟件，搭建了一套能綜合測(cè)試ADC靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有測(cè)試過程操作簡單、測(cè)試參數(shù)較全面及硬件成本小等特點(diǎn)，并通過對(duì)自主設(shè)計(jì)的ADC進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)可較準(zhǔn)確的表征ADC的性能。