一種用于CMOS圖像傳感器集成ADC的性能測試系統(tǒng)

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

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

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

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

1 ADC性能測試系統(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)和動態(tài)參數(shù)。其中，靜態(tài)參數(shù)描述的是ADC自身的內在特性，與所設計的ADC內部電路的誤差和噪聲有關，這些誤差包括ADC的增益誤差、失調誤差、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)等，主要關注的是具體的模擬輸入電平與相應數(shù)字輸出代碼之間的關系，表征靜止的模擬輸入信號轉換成數(shù)字輸出信號的精確度;而動態(tài)參數(shù)描述的是ADC采樣和重現(xiàn)時序變化信號的能力，關注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)的測試都是通過對輸入合適的正弦模擬信號并獲取了芯片正確轉換得到的數(shù)字碼之后，進行快速傅氏變換(FFT)計算得來的。表1為ADC典型參數(shù)的公式定義。

1.2 測試原理和方法

目前常規(guī)的測試系統(tǒng)不能同時分析多種性能參數(shù)，例如：一般的動態(tài)測試系統(tǒng)只能測試ADC動態(tài)參數(shù)，如信噪比和信號噪聲失真比等參數(shù)，而傳遞特性的測試系統(tǒng)只能測試傳遞特性等，具有適應性比較差、使用不方便等缺點。針對這些缺點，本文開發(fā)了一套由Labview軟件分析程序和測試儀器構建的綜合性能測試系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，測試程序將兩種測試分析方法綜合到一起，采用了碼密度直方圖測試法測試靜態(tài)特性參數(shù)、FFT測試法測試動態(tài)特性參數(shù)。在測試程序中，這些測試方法只是數(shù)學分析算法上的不同，硬件基本一致。因此可很方便的根據外加測試條件的不同而一鍵選擇不同的測試方法。

1.2.1 碼密度直方圖測試法

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