第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.1.1 CMOS 图像传感器概述
自上世纪 60 年代末，美国阿尔卡特朗讯贝尔实验室（Alcatel-Lucent Bell Labs）提出了固体成像的概念。实际应用中固体图像传感器根据感光材料的不同，存在两种主要的结构形式：电荷耦合器件图像传感器（Charge-coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）[1]。这两种图像传感器的研究起步几乎是同时开始，但是在图像传感器发展的初期，CMOS 图像传感器受限于 COMS 工艺在图像传感器制造的工艺技术瓶颈，在感光性能、动态范围以及信噪比等图像采集的关键性能指标上，均无法达到或接近 CCD 图像传感器。但随着 CMOS 工艺技术在图像传感器工艺技术的日趋成熟，关键性能指标能够媲美 CCD 图像传感器。并且随着 CMOS 工艺平台技术的进一步发展，各方面性能还会有长足的进步，成本也会大幅下降；而由于其采用集成电路通用的 CMOS工艺平台，CMOS 图像传感器可以将读出相关电路集成到一颗芯片上，包括 ADC、DAC、行选控制、时序控制，甚至 Flash 存储、图像处理算法等，实现单芯片解决方案。随着 CIS 技术的进一步发展，BSI（Back Side Illuminated）[2]、3D 堆叠（3D Stack）技术，都是在 CCD 图像传感器结构形式下难以实现的。CMOS 图像传感器以其方便的单芯片信息读取、高速率的信号输出、功耗低、体积小、重量轻、利于集成且集成度高、价格低等特点[3]，在便携式移动电子、安防监控、汽车电子、各类消费电子领域 CCD 图像传感器已几乎被 CMOS 图像传感器所完全取代。
1.1.1 CMOS 图像传感器概述
自上世纪 60 年代末，美国阿尔卡特朗讯贝尔实验室（Alcatel-Lucent Bell Labs）提出了固体成像的概念。实际应用中固体图像传感器根据感光材料的不同，存在两种主要的结构形式：电荷耦合器件图像传感器（Charge-coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）[1]。这两种图像传感器的研究起步几乎是同时开始，但是在图像传感器发展的初期，CMOS 图像传感器受限于 COMS 工艺在图像传感器制造的工艺技术瓶颈，在感光性能、动态范围以及信噪比等图像采集的关键性能指标上，均无法达到或接近 CCD 图像传感器。但随着 CMOS 工艺技术在图像传感器工艺技术的日趋成熟，关键性能指标能够媲美 CCD 图像传感器。并且随着 CMOS 工艺平台技术的进一步发展，各方面性能还会有长足的进步，成本也会大幅下降；而由于其采用集成电路通用的 CMOS工艺平台，CMOS 图像传感器可以将读出相关电路集成到一颗芯片上，包括 ADC、DAC、行选控制、时序控制，甚至 Flash 存储、图像处理算法等，实现单芯片解决方案。随着 CIS 技术的进一步发展，BSI（Back Side Illuminated）[2]、3D 堆叠（3D Stack）技术，都是在 CCD 图像传感器结构形式下难以实现的。CMOS 图像传感器以其方便的单芯片信息读取、高速率的信号输出、功耗低、体积小、重量轻、利于集成且集成度高、价格低等特点[3]，在便携式移动电子、安防监控、汽车电子、各类消费电子领域 CCD 图像传感器已几乎被 CMOS 图像传感器所完全取代。
根据 Yole Développement 的调查资料显示，2015 年 CIS 的全球总销售额为 930亿美元，而 2016 年总销售额已突破 1000 亿美元，并且在安防监控、移动消费、工业设备、汽车电子等领域都保持着每年 10%~20%的增长势头。随着人工智能、AR、VR 等新兴领域的发展，
CMOS 图像传感器使用的规模和范围还会进一步增加，拥有广阔的市场发展前景。
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第三章 列级可编程放大器电路电路设计及仿真 ...................... 37..........................
1.2 国内外发展现状
目前国内外的 PGA 模块均以 IP 形式进行开发和应用，包括软 IP 和集成 IP，设计理念更加注重复杂应用环境下的增益准确性和输出信噪比，同时对版图形状没有特别要求，仅需面积小、外形规整即可。
本文研究的专用于 CMOS 图像传感器中的 PGA，在目前商用的产品中，均未采用。原因主要由于目前市场主流产品的应用环境决定的：传统的安防应用中，对极暗光的环境成像能力没有特别高的要求，目前的读出电路架构足够满足需求。商用图像传感器供应商对成本的敏感性，决定了成本最优性，通常不会轻易增加成本。
前文也已提到，图像传感器对暗光性能的追求是无止境的，不管是国际厂商还是国内厂商都在都在这个方向上努力探索，希望能突破性的提升暗光性能表现，实现 CMOS 图像传感器的性能升级。通常由两个方向：一方面在工艺上对像元的感光能力进行进一步提升；另一方面对读出电路性能进行提升，最终实现 1‰lux照度下的彩色成像能力。其中前者需要与代工厂进行配合调试，需要调动的资源较多，难度太大，且开发周期和成本均较高，因此通常是 IDM 和国际大供应商的主攻方向；而后者仅从电路设计入手，无需代工厂特别配合，开发和验证周期均可控，较小规模图像传感器供应商也能承受，适合国内的供应商。引入 PGA 前置放大便属于这一种。
目前国内外的 PGA 模块均以 IP 形式进行开发和应用，包括软 IP 和集成 IP，设计理念更加注重复杂应用环境下的增益准确性和输出信噪比，同时对版图形状没有特别要求，仅需面积小、外形规整即可。
本文研究的专用于 CMOS 图像传感器中的 PGA，在目前商用的产品中，均未采用。原因主要由于目前市场主流产品的应用环境决定的：传统的安防应用中，对极暗光的环境成像能力没有特别高的要求，目前的读出电路架构足够满足需求。商用图像传感器供应商对成本的敏感性，决定了成本最优性，通常不会轻易增加成本。
前文也已提到，图像传感器对暗光性能的追求是无止境的，不管是国际厂商还是国内厂商都在都在这个方向上努力探索，希望能突破性的提升暗光性能表现，实现 CMOS 图像传感器的性能升级。通常由两个方向：一方面在工艺上对像元的感光能力进行进一步提升；另一方面对读出电路性能进行提升，最终实现 1‰lux照度下的彩色成像能力。其中前者需要与代工厂进行配合调试，需要调动的资源较多，难度太大，且开发周期和成本均较高，因此通常是 IDM 和国际大供应商的主攻方向；而后者仅从电路设计入手，无需代工厂特别配合，开发和验证周期均可控，较小规模图像传感器供应商也能承受，适合国内的供应商。引入 PGA 前置放大便属于这一种。
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第二章 CMOS 图像传感器中可编程放大器设计基础
2.1 CMOS 电路的设计基础
在 CMOS 电路设计中，基础的 MOS 等效模型[9]和二级效应[10]都是极为重要的设计基础，其包含了基础分析设计方法，在低成本和低噪声的电路设计中体现的尤为重要。
2.1.1 二级效应
理想 MOS 模型是在不考虑实际应用中的各种效应抽象出来的理想模型，对电路进行初步的功能分析很有帮助，但在实际应用中，MOS 器件必然存在各种二级效应，这些效应通常由仿真器结合器件仿真模型来体现。
通常在电路基本功能分析采用理想 MOS 模型，但进入实际电路设计阶段后，为了避免设计预期与仿真结果产生较大偏差，乃至影响整体电路设计架构，需要提前考虑二级效应的影响，比如体效应对偏置器件的阈值的影响。因此 MOS 器件的二级效应的基本理论也是必要的电路设计基础。
2.1 CMOS 电路的设计基础
在 CMOS 电路设计中，基础的 MOS 等效模型[9]和二级效应[10]都是极为重要的设计基础，其包含了基础分析设计方法，在低成本和低噪声的电路设计中体现的尤为重要。
2.1.1 二级效应
理想 MOS 模型是在不考虑实际应用中的各种效应抽象出来的理想模型，对电路进行初步的功能分析很有帮助，但在实际应用中，MOS 器件必然存在各种二级效应，这些效应通常由仿真器结合器件仿真模型来体现。
通常在电路基本功能分析采用理想 MOS 模型，但进入实际电路设计阶段后，为了避免设计预期与仿真结果产生较大偏差，乃至影响整体电路设计架构，需要提前考虑二级效应的影响，比如体效应对偏置器件的阈值的影响。因此 MOS 器件的二级效应的基本理论也是必要的电路设计基础。
2.1.1.1 MOS 的沟道调制效应
由于工艺的设计和电子热运动的特性，当 MOS 沟道在预夹断情况下再继续增大源漏电压 VDS，夹断点会向源级（Source）略微偏移，这会使源级与夹断点之间的长度减小，即器件实际的沟道长度、沟道电子减小，这就是沟道调制效应。当工艺和器件确定后，沟道调制效应也就随即确定。
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2.2 可编程增益放大器基本原理和理论分析
可编程增益运算放大器即 PGA (Programmable Gain Amplifier)。该模块能通过调节反馈系数来实现较高精度的增益调节。可以用于数模转换电路的前置信号放大，通过 PGA 的增益调节，电路可以将模拟信号进行精确放大，减小输入小信号的数模转换存在量化误差，有效提高图像传感器在极暗光（0.001lux）的夜视环境下的图像质量，提高图像的动态范围，因此在高端夜视应用图像传感器中有广泛的应用前景。本节对可编程增益放大器进行详细介绍和分析。
2.2.1 可编程增益放大器的分类
可编程增益放大器根据其特点存在多种不同的分类方式，可按照增益调节方式、环路结构、反馈网络等来进行分类[14]。
2.2.1.1 增益调节分类
由于工艺的设计和电子热运动的特性，当 MOS 沟道在预夹断情况下再继续增大源漏电压 VDS，夹断点会向源级（Source）略微偏移，这会使源级与夹断点之间的长度减小，即器件实际的沟道长度、沟道电子减小，这就是沟道调制效应。当工艺和器件确定后，沟道调制效应也就随即确定。
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2.2 可编程增益放大器基本原理和理论分析
可编程增益运算放大器即 PGA (Programmable Gain Amplifier)。该模块能通过调节反馈系数来实现较高精度的增益调节。可以用于数模转换电路的前置信号放大，通过 PGA 的增益调节，电路可以将模拟信号进行精确放大，减小输入小信号的数模转换存在量化误差，有效提高图像传感器在极暗光（0.001lux）的夜视环境下的图像质量，提高图像的动态范围，因此在高端夜视应用图像传感器中有广泛的应用前景。本节对可编程增益放大器进行详细介绍和分析。
2.2.1 可编程增益放大器的分类
可编程增益放大器根据其特点存在多种不同的分类方式，可按照增益调节方式、环路结构、反馈网络等来进行分类[14]。
2.2.1.1 增益调节分类
按照增益调节方式，PGA 可分为固定增益步进、固定增益 dB 数和自定义增益步进。1、固定增益步进的 PGA，就是确定增益的变化步进，应用可按照设计步进任意进行增益调整，使用较为灵活，缺点是电路结构会较为复杂，高增益实现难度较大，适用于小范围增益细调；2、固定增益 dB 数的 PGA，采用 dB 为单位来计算其步进，对使用 dB 数计算增益的应用较为方便，缺点也与前者相同，高增益实现难度也较大；3、自定义增益步进的 PGA，通常是为了根据实际应用需求，解决传统固定增益步进或固定增益 dB 实现高增益开销较大的问题，通常采用 1、2、4、8……的步进来设计，结构最为简单，缺点是步进较大，只能实现增益粗调，需要配合其他较小步进来进行精细增益调节。可根据实际应用控制方式和需求来选择增益调节方式。
具体三种增益调节方式的 PGA 步进举例，见表 2-2。
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3.1 PGA 中运算放大器的设计 ............................... 37
3.1.1 PGA 运算放大器电路设计 .................................. 38
3.1.2 PGA 运算放大器的失调 Offset .......................... 40
第四章 列级可编程放大器电路版图及后仿 ................................ 54
4.1 集成电路工艺中的版图设计 ................................. 54
4.1.1 版图设计的特性 ..................................... 54
4.1.2 版图的验证方法 ............................... 54
第五章 总结与展望 ........................... 69
第四章 列级可编程放大器电路版图及后仿
4.1 集成电路工艺中的版图设计
集成电路工艺的版图设计[34]是根据对应的工艺规则和电路设计的具体要求，使用不同的层次图像，设计出各种元器件的图形，并且完成元器件间的互连，最终实现一套完整的集成电路制造使用的掩膜版图像，这种图像被称为版图或者工艺复合图。
本节对集成电路的版图设计相关特性和验证方法进行介绍。
4.1.1 版图设计的特性
根据版图定义设计，总结其有以下三大特性：
可制造性：版图中所有图形都需要最终通过代工厂进行生产制造，因此同层图形、不同层图像之间需要满足对应代工厂的设计规则（Design Rule）[35]，在更先进工艺或要求可靠性要求较高的应用中，需要满足可制造性规则（Design For Manufacturability Rule）。
电路一致性：版图是对电路的可制造性设计实现，是电路的功能实现的桥梁，需要的不仅仅是电路的基本结构实现。由于通常电路设计时采用的是理想的或考虑部分寄生参数影响的模型，无法完全考虑实际版图实现过程中引入的寄生参数（电阻、电容、电感），因此版图设计过程中，需要对电路敏感器件和信号进行分析，结合电路需求，并对应的相关寄生进行相应的优化，尤其是关键信号；
可制造性：版图中所有图形都需要最终通过代工厂进行生产制造，因此同层图形、不同层图像之间需要满足对应代工厂的设计规则（Design Rule）[35]，在更先进工艺或要求可靠性要求较高的应用中，需要满足可制造性规则（Design For Manufacturability Rule）。
电路一致性：版图是对电路的可制造性设计实现，是电路的功能实现的桥梁，需要的不仅仅是电路的基本结构实现。由于通常电路设计时采用的是理想的或考虑部分寄生参数影响的模型，无法完全考虑实际版图实现过程中引入的寄生参数（电阻、电容、电感），因此版图设计过程中，需要对电路敏感器件和信号进行分析，结合电路需求，并对应的相关寄生进行相应的优化，尤其是关键信号；
成本最优性：版图设计的图形直接反映为最终生产的各个制造工序的模板，面积的大小直接决定了生产制造的成本，因此在满足可制造性和电路一致性的前提下，做到以最小的面积开销，以减小生产制造成本，提升产品竞争力。
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第五章 总结与展望
本论文完整设计了应用于 CMOS 图像传感器中的列级（Column）前置可编程增益放大器（PGA），主要实现对极暗光条件下图像传感器的小信号进行放大，提高图像传感器的动态范围。
本次设计的主要成果是：在低功耗（5uA）条件下，实现 102uV 的 PGA 系统噪声（后仿真值），这个噪声水平可以淹没于主流高性能的像元噪声（150uV）；增加的 8 倍增益，可以将 CIS 的有效感光环境亮度由 0.01lux，提升到 0.002lux 以下，可以提高 18dB 的动态范围。
设计重点在于在传统 CMOS 图像传感器的列级 ADC 读出架构中，引入前置可编程增益放大器，通过综合考虑整体系统架构，对电路和版图进行针对性设计，有针对性地一致 PGA 设计中的噪声，以适用于实际应用的环境，达到性能优化和成本的优化统一。
本论文完整设计了应用于 CMOS 图像传感器中的列级（Column）前置可编程增益放大器（PGA），主要实现对极暗光条件下图像传感器的小信号进行放大，提高图像传感器的动态范围。
本次设计的主要成果是：在低功耗（5uA）条件下，实现 102uV 的 PGA 系统噪声（后仿真值），这个噪声水平可以淹没于主流高性能的像元噪声（150uV）；增加的 8 倍增益，可以将 CIS 的有效感光环境亮度由 0.01lux，提升到 0.002lux 以下，可以提高 18dB 的动态范围。
设计重点在于在传统 CMOS 图像传感器的列级 ADC 读出架构中，引入前置可编程增益放大器，通过综合考虑整体系统架构，对电路和版图进行针对性设计，有针对性地一致 PGA 设计中的噪声，以适用于实际应用的环境，达到性能优化和成本的优化统一。
由于个人的能力限制，本论文中还有很多不足之处，需要在后续的学习工作中进一步完善和改进：
1、成本：由于设计无法解决电容非线性对 PGA 增益的影响，导致无法使用现有工艺提供的单位容值较大的 MOS 电容，退而选用了线性度较好的 MOM 电容，使 PGA 实际面积增加一倍。虽然此设计应用于高端产品应用，目前成本压力较小，能够接受，但未来还需要结合工艺和设计，改为使用 MOS 电容或其他性能更好的电容进行 PGA 设计；
2、版图与寄生：PGA 的电路结构虽然简单，但后端版图设计对系统噪声性能有直接的影响，对布局布线的合理性要求极高，尤其是在近 2000 个 PGA 同时工作的情况下，很多较小的寄生也会对 PGA 性能产生极大的影响。目前是采用较多的资源，减小各个节点的寄生和串扰，影响整体 PGA 的面积且，未来需要进一步通过仿真确认关键节点寄生需求，按需调配资源，达到性能与面积的最优解；
2、版图与寄生：PGA 的电路结构虽然简单，但后端版图设计对系统噪声性能有直接的影响，对布局布线的合理性要求极高，尤其是在近 2000 个 PGA 同时工作的情况下，很多较小的寄生也会对 PGA 性能产生极大的影响。目前是采用较多的资源，减小各个节点的寄生和串扰，影响整体 PGA 的面积且，未来需要进一步通过仿真确认关键节点寄生需求，按需调配资源，达到性能与面积的最优解；
3、本设计的目标是需要应用于市场产品，而本次仅从理论分析和电路仿真进行论证和分析，具体对实际产品的性能提升情况，方案的可行性和使用性还需要通过实际流片验证；
参考文献（略）
参考文献（略）