高性能图像传感器电源设计考量
cmos图像传感器的电源布局会显著影响分辨率、帧率等性能。本篇文章讨论针对此应用设计电源方案时的重要考量。
cmos图像传感器的内部结构
典型的cmos成像系统包含有源像素颜色阵列、模拟信号处理电路、模数转换器和用于控制接口、时序和数据读取的数字部分。阵列的填充因数是感光部分相对于传感器总尺寸的百分比。光电探测器是一种光敏传感器，用于捕获可见光子并将其转换为电流（毫微微安级）。
分辨率用于量化cmos图像传感器中的总像素阵列数，例如，200万像素传感器阵列是1600列和1200行。但是，阵列中的像素并非都是有源的（可用于光检测），其中有些（在光学上是黑色的）像素用于黑电平和噪声校正。
图1：典型的cmos图像传感器模块
现有多种不同的像素晶体管设计，包括三晶体管（3t）、四晶体管（4t）和五晶体管（5t）版本。在4t布局中，光电二极管将接收到的可见光子转换为电荷。每个电压一次读取一行并放入柱状电容器（c）中。然后使用解码器和多路复用器进行读取。
图2：四晶体管像素设计
帧率用于量化图像处理阵列捕捉完整图像的速度，一般为30-120 fps。帧率受快门速度影响，后者控制图像传感器收集光线的时间。可编程时间间隔，也称为“暗期”，在读取最后一行之后执行其他任务时，此间隔也会影响帧率，约为读取速率的75%。帧是按顺序逐行读取的；最后，缓冲器将整个帧存储为完整图像。
电源设计考量
cmos图像传感器一般使用三个不同的供电轨，分别是模拟供电轨（2.8 v avdd）、接口供电轨（1.8或2.8 v dovdd）和数字供电轨（1.2或1.8 v dvdd）。低压降 （ldo）稳压器的输入引脚上有一个大旁路电容，可以稳定电源，帮助减少电压波动，从而改善图像传感器的噪声性能。
电源抑制比（psrr）衡量ldo抑制电源纹波引起的输入电压变化，或者阻断由其他开关稳压器导致的噪声的能力。具有低psrr的ldo可能导致捕获的图像中出现不必要的水平纹波。在针对此应用设计具有足够高psrr的ldo之前，可计算给定帧率所需的传感器行频。
图3：正在进行稳压的ldo
ldo内部的反馈环路基本决定了工作频率低于100 khz的系统的psrr。对于更高频率（高于100 khz）应用，仍取决于无源组件和pcb布局。因此，谨慎的pcb设计可以实现紧凑的电流环路，并降低寄生电感。普通ldo在高频率下psrr较低。虽然这对标准摄像头来说不是问题，但更高分辨率（50−200 mp）和高帧率的图像传感器要求ldo在更低频率（最高10 khz）下的psrr高于90 db，在更高频率（1−3 mhz）下高于45 db。
设计技巧
帧率（30−120 fps）和行速率（22−44 khz）会产生动态负载，在模拟供电轨上引起下冲和过冲。在每次帧或行转换时，获取的电流类似于阶跃负载，意味着在每次读取帧和行（或之间）时，ldo必须能够处理数百毫安级的负载变化。大容量电容（在行和帧频率下具有低阻抗）可以帮助摄像头去耦，以减少这种负载切换引起的纹波。
图像传感器的每个像素都有电荷饱和水平（或最大阱容），这是在达到饱和之前像素能留存的电荷量（以电子为单位）。图像传感器的动态范围（以db表示）是能同时捕获的图像最亮和最暗部分的比率。
ldo输出端的低频谱噪声密度（在10 hz至1 mhz之间）也有助于减少传输至cmos图像传感器的噪声量，使像素实现更大的动态范围。最后，总体纹波和噪声应至少低于传感器的噪声阈值40 db，在数据手册中通常表示为信噪比（snr）。
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图1：典型的cmos图像传感器模块
现有多种不同的像素晶体管设计，包括三晶体管（3t）、四晶体管（4t）和五晶体管（5t）版本。在4t布局中，光电二极管将接收到的可见光子转换为电荷。每个电压一次读取一行并放入柱状电容器（c）中。然后使用解码器和多路复用器进行读取。
图2：四晶体管像素设计
帧率用于量化图像处理阵列捕捉完整图像的速度，一般为30-120 fps。帧率受快门速度影响，后者控制图像传感器收集光线的时间。可编程时间间隔，也称为“暗期”，在读取最后一行之后执行其他任务时，此间隔也会影响帧率，约为读取速率的75%。帧是按顺序逐行读取的；最后，缓冲器将整个帧存储为完整图像。
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cmos图像传感器一般使用三个不同的供电轨，分别是模拟供电轨（2.8 v avdd）、接口供电轨（1.8或2.8 v dovdd）和数字供电轨（1.2或1.8 v dvdd）。低压降 （ldo）稳压器的输入引脚上有一个大旁路电容，可以稳定电源，帮助减少电压波动，从而改善图像传感器的噪声性能。
电源抑制比（psrr）衡量ldo抑制电源纹波引起的输入电压变化，或者阻断由其他开关稳压器导致的噪声的能力。具有低psrr的ldo可能导致捕获的图像中出现不必要的水平纹波。在针对此应用设计具有足够高psrr的ldo之前，可计算给定帧率所需的传感器行频。
图3：正在进行稳压的ldo
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设计技巧
帧率（30−120 fps）和行速率（22−44 khz）会产生动态负载，在模拟供电轨上引起下冲和过冲。在每次帧或行转换时，获取的电流类似于阶跃负载，意味着在每次读取帧和行（或之间）时，ldo必须能够处理数百毫安级的负载变化。大容量电容（在行和帧频率下具有低阻抗）可以帮助摄像头去耦，以减少这种负载切换引起的纹波。
图像传感器的每个像素都有电荷饱和水平（或最大阱容），这是在达到饱和之前像素能留存的电荷量（以电子为单位）。图像传感器的动态范围（以db表示）是能同时捕获的图像最亮和最暗部分的比率。
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