用于CMOS图像传感器的AGC放大器设计

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用于CMOS图像传感器的AGC放大器设计
余国义，张 乐，崔先慧，邓业磊
(华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074)
摘 要：设计了一种自动增益控制(AGC)放大器。该AC-C放大器使用线性跨导技术的可变增益放大器(VGA)，可实现较好的
线性度。利用下峰值检测电路检测信号大小和简洁的调整电路控制VGA增益，并设计了一种无启动电路的带隙基准电路为整
个系统提供基准电压。经过SMIC的0．35 m CMOS工艺仿真验证，结果表明，所设计的自动增益控制放大器可以实现100
kHz的信号从54．12 dB的输入动态压缩到7．36 dB的输出。
关键词：图像传感器；自动增益控制；可变增益放大器；带隙基准
中图分类号：TN432 文献标志码：A 文章编号：2095—2783(2013)01—0010—04
Design of an AGC amplifier for CM OS image sensor
Yu Guoyi，Zhang Le，Cui Xianhui，Deng Yelei
(School of Optical and Electronic Information，Huazhong Universityof Science and Technology，Wuhan 430074，(~zina)
Abstract：An automatic gain control(AC_a2)amplifier for CMOS image sensor has been designed．The ACa2 amplifier adopts
translinear a variable gain amplifier(VGA)tO realize a good linearity．It detects valley tO present the strength of signal，and uses
a succinct adjustment circuit tO control the gain of VGA．A bandgap reference that does not need start—up circuit has been de
signed for the whole system．Simulated in SMIC 0．35 I．tm CMOS，it can compress the dynamic range of 54．12 dB input tO 7．36
dB output．
Key words：image sensor；automatic gain control(A( )；variable gain amplifier(VGA)；bandgap reference
光信息是容量最大、频率最高、速度最快的一种
信息，最直观的体现就是最为常见的图像信息l】]。
图像传感器可以提高人眼的视觉范围，在生产、生活
和科学研究中具有非常重要的作用。因此，获得高
质量的图像信息，扩展人眼视觉的极限是图像传感
器不断研究的热点和根本目的。
CMOS图像传感器集成度高、体积小和功耗低
的特点使其得到了广泛的应用[2]。应用环境的变化
(例如温度与光线强度的变化)会直接影响CMOS图
像传感器的信号强度及其性能。为了适应信号强度
的变化，需要一个自动增益控制放大器(AGc)调节
信号强度，满足信号较大的动态范围要求。
为满足CMOS图像传感器的动态信号需求，笔
者设计了一种AGC电路，该电路可利用线性跨导技
术设计的可变增益放大器(VGA)减小信号的非线
性，并采用一种新的调整电路将峰值信号调整到
VGA的增益控制信号范围内，实现增益良好控制，
避免系统产生激烈振荡。利用SMIC的cMOS 0．35
1工艺进行验证的结果表明，能够将0．6～305 mV
范围的信号调整到150～350 mV范围，实现54．12
dB动态范围信号到7．36 dB动态范围的压缩，满足
CMOS图像传感器的要求。
图l ACA；结构图
Fig．1 Topology of AGC amplifier
1 AGC放大器结构
本文设计的AGC的结构如图1所示。通过检
测输出信号峰值表征信号大小，利用峰值信号作为
VGA的增益控制信号，实现对VGA的增益控制，压
缩宽动态输入信号。对VGA的增益控制采用了线
性跨导技术，VGA的增益A与控制电压 之间的
关系可以表示为
A — klV。+ k2。 (1)
式中，k 、尼 为常数， 为VGA 的增益控制信号。
收稿日期：2012—12—08
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20090142120005)
作者简介：余国义(1973一)，男，高级工程师，主要研究方向：模数混合信号集成电路和高频微波前端电路的设计，michelsun@mail。hust．edu．cn
第1期 余国义，等：用于CMOS图像传感器的AGC放大器设计
VGA的输出信号Vo—Vop— 与输入信号Vi—Vi
一 之间关系可以表示为
Vo— AVi一(是1V + k2)Vi。 (2)
2 各模块的设计
2．1 VGA设计
VGA是AGC系统中极为重要的模块，其增益
调节范围直接影响信号压缩范围，其线性度直接影
响信号失真度_3]。笔者采用线性跨导技术实现高线
性度，利用两级结构的VGA实现高增益范围。为了
简化设计，采用相同VGA电路实现两级VGA性
能，其电路结构如图2所示。本文中，所有NMOS存
底均接GND，所有PMOS存底均接 。
(a)一级VGA电路
VDD
00)CMFB电路
(c)VGA两级级联
F
图2 VGA电路
Fig．2 Circuit of VGA
图2(a)的虚框中是实现线性跨导的电路。单个
差分输入MOS的跨导会随着输入出现很大的波动，
而利用两个差分输入MOS管跨导相减得到的等效
跨导(ON)在一定范围内变化缓慢，可以通过控制电
压(Vb或 )的变化，使Gm得到较好的线性调整L4 ]。
由于VGA的共源共栅部分的电流经过Ms补偿几乎
不变，其输出电阻r。也不会变化，该VGA通过 调
节Me的电流，调节Ms 、Ma 的跨导，使整体等效跨
导改变，实现对VGA增益的控制。控制过程可表
达为
A — Gmr。一(g 一g【n4)ro。 (3)
由于VGA输入共模信号会影响VGA的增益，
因此要保持VGA的输入信号稳定。为了避免失调
电压的影响，还要加入共模负反馈(CMFB)。对于第
一级VGA的输入共模信号，要在信号进入之前进行
处理，预放大器_6]和电容耦合[7]能够使共模信号趋
于稳定值。文献E8]提出了一种较好解决方法。第
二级VGA 的输入共模信号由第一级VGA 的
CMFB实现。VGA输出稳定的共模信号，是保证峰
值检测(Peak Detecting，PD)正常工作的关键。在两
级VGA设计中都采用CMFB技术，可使VGA输出
的共模信号满足PD的要求。CMFB电路如图2(b)
所示。为了避免共模负反馈导致振荡问题，在共模
负反馈电路加入了频率补偿电容c，。
2．2 峰值检测(PD)电路设计
峰值检测的目的是检测信号的大小，设计了下
峰值检测电路，其电路结构如图3所示_g]。
图3 一F峰值检测电路
Fig．3 Circuit of the valley detector
当输入信号小于 时，运放输出信号会使M 导
通，对电容C 充电，迫使 降低至输入电平。由于
，。比较小，此时可以忽略J。的影响；当输人信号高于
时，运放输出信号会使M 截止，电流L对电容C。
放电，使 缓慢上升，实现对峰值的动态监测。
微弱电流 。的大小在10~100 nA数量级，而且
不需精确控制，因此利用亚阈值MOS实现微电流为
较好的选择。图3中，提供亚阈值偏置电压可以很
容易地调节虚框部分的电路，实现微弱电流。
设计峰值检测(PD)电路时，值得注意的是，输出
信号 不能驱动小的电阻，因为小电阻会加快对C。
的放电，严重影响峰值检测效果。为了使用 信号，
需要加一级电压跟随器，利用运算放大器可以方便
地实现。
2．3 控制信号调整电路
控制信号调整电路将PD信号调整为VGA对
12 中国科技论文 第8卷
应的增益控制信号。由于PD检测的是下峰值，所以
PD信号范围为0～1．65 V。在对VGA仿真时可发
现，当V 一2．23 V时，增益G一1； 一2．62 V时，
增益G===350。假设将Vi信号放大至2 V，则将各参
数代入式(1)和式(2)可得
一32Vi／35+38．9／35。 (4)
为实现对该电压信号转换，所设计的电路如图4
所示。
R =22kQ
= 3．3V
图4 控制信号调整电路
Fig．4 Adj ustment circuit
2．4 带隙基准设计
本文设计的共模反馈电路、控制信号调整电路
和偏置电路均需要精准稳定的电压源，带隙基准可
以提供精准稳定的电压源l1 。采用一种简单结构实
现带隙基准，带隙基准电路如图5所示。
当 为低电平， 为高电平时，运算放大器的
输出为高电平[1 ，电流 Iz、I。、I 均为0，电路出现
锁死状态。为了避免电路出现锁死状态，需使运算
放大器的两输人信号为低电平时，其输出信号也为
低电平，具体的运算放大器电路结构如图5(b)所示。
带隙基准电路的输出参考电压可表示为
V f— R1 J2+ (Vb 1+ V。 )一Rl( 3+ J4)+
(、／rl + 。 )一 ( b 一vbe )+ vbe +
／X3 』 4
(1+ + v -)V。 (5)
1％ 3 1、4
式中： 。 为运算放大器直流失调电压；Vk 和 分
别为三极管Q 和Q2的基极一发射极的结电压。在
一45～125℃范围内仿真，该带隙基准电压为1．64
V，温度系数为8．13×10～，可以满足系统设计
需要。
3 仿真结果
本文电路采用SMIC的0．35 btm CMOS进行工
艺验证。单电源电压为3．3 V，在cadence中仿真通
过。为模拟信号强度变化，采用共模1．65 V、差模初
始幅值1．2 V(单端0．6 V)、频率100 kHz、阻尼因子
1 000的信号作为测试信号源。仿真结果如图6
所示。
(a)带隙基准电路结构
Ⅲ J
(b)运算放犬器电路
图5 带隙基准电路
Fig．5 Circuit of the bandgap reference
(a)输入信
氢 —一
时IN／ms
(b)输出信号
图6 AGC放大器仿真结果
Fig．6 Simulation diagrams
比较稳定输出时间范围为0．668~6．92 ms，对应的
输人信号从1．955 0 V衰减为1．650 6 V，对应的输
出信号从2．0 V变化为1．8 V；输入差模信号范围为
0．6~305 mV，输出范围为150~350 mV。仿真结果
第1期 余国义，等：用于CMOS图像传感器的AGC放大器设计 13
表明，可实现将差模输入信号从54．12 dB动态压缩
到到7．36 dB。
4 结论
设计了一种可用于CMOS图像传感器的AGC
放大器。该AGC放大器的VGA采用线性跨导技
术，可实现较好的线性。使用下峰值检测电路检测
信号大小，通过电平调整电路实现峰值对VGA的增
益控制。还设计了不需要启动电路的带隙基准，为
电路提供稳定参考电压。该AGC放大器可实现将
100 kHz的差模输入信号从54．12 dB动态压缩到
7．36 dB输出，满足CMOS图像传感器的要求。
[参考文献](References)
111 章毓晋．图像工程I-M]．北京：清华大学出版社，2006．
Zhang Yujin．Image Engineering[M]．Beijing：Tsing—
hua University Press，2006．(in Chinese)
[2] Takayanagi I，Nakamura J．High-resolution CMOS vid—
eo image sensors[J]．Proc IEEE，2012，99：1-13．
13] Wang Chuachin．A 48 dB dynamic gain range／stage lin—
ear—in-dB low power variable gain aAmplifier for directconversion
receivers l-c]／／2Oll International SoC De—
sign Conference(IsoCO ．Jeju，2011：182．1-182．4．
r4] Klumperink E，Zwan E，Seevinck E CMOS variable
transconductance circuit with constant bandwidth EJ]．
Electron Lett，1989，25(10)：675—676．
15] Zhao Xiao，Fang Huajun，Xu Juru A low power con
stant-Gm rail-to-rail operational transconduetance am
plifier by recycling current[C]／／201 1 International
Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits
(EDSSC)．Pending，2011：1-2．
1 6) Kurihara Y，Watanabe K，Terada M Design of a pre—
amplifier for capacitive sensors with wide low-frequency
range and low drift noise 1J]．Sensors J，2012，12(2)：
378—383．
17] Sun Lina，Ge Fei，rang Zhenchuan，et a1．A capacitive
readout circuit with DC sensing method for micromach—
ined gyroscopes 1C]／／2012 7th IEEE International Con—
ference on Nano／Micro Engineered and Molecular Sys—
terns(NEMS)．Kyoto，2012：712-715．
[8] 余国义，张乐，郑梅军，等．一种新型超宽共模输人范
围放大器设计l-j]．电子器件，2012，35(5)：504—508．
Yu Guoyi，Zhang Le，Zheng Meijun，et a1．Design of
novel operationa1 amplifer with ultra-width commonmode
range EJ]．Electron Device，2012，35(5)：504—
508．(in Chinese)
r9] Chen Mingqi，Boric-Luheeke 0，Lubecke V M．0．5一
CM0S implementation of analog heart-rate extraction
with a robust peak detector[J]．Instrum Measure，
2008，57(4)：690—698．
Elo] Srinivasan P，Marshall A Circuit characterization of
low frequency noise in 45 nm technology bandgap[c]／／
2010 1EEE Dallas Circuits and Systems W orkshop
(DCAS)．Richardson，2010：1-4．
111]幸新鹏，李冬梅，王志华．一个新型CMOS电流模带
隙基准源1J]．半导体学报，2008，29(7)：1249—1253．
Xing Xinpeng，Li Dongmei，W ang Zhihua． A novel
CMOS current mode bandgap reference r-J]．J Semicon—
duct，2008，29(7)：1249—1253． (in Chinese)
(上接第4页)
[2] Wang J，Halder M K，Li L，et a1．Enhancement of
modulation bandwidth o f laser diodes by injection loc—
king[J]．IEEE Photon Technol Lett，1996，8(1)：
34—36．
[3] Simpson T B，Liu J M，Gavrielides A．Small signal a—
nalysis of modulation characteristics in a semiconductor
laser subject to strong optical injection[J]．IEEE J
Quantum Electron，1996，32(8)：1456—1468．
[4] Lau E K，Wong L J，Zhao x X，et a1．Bandwidth en—
hancement by master modulation of optical injection-
Is]
16]
E7]
locked lasers[J]．J Lightwave Teehnol，2008，26(15)：
2584—2593．
Mohrdiek S．Burkhard H。W alter H．Chirp reduction
of directly modulated semiconductor lasers at 10 Gb／s
by strong CW light injection[J]．J Lightwave Technol，
1994，12(3)：418-424．
Lang tL Injection locking properties of a semiconductor
laser l-J]．IEEE J Quantum Electron，1982，18(6)：
976—983．
Lidoyne 0，Gallion P B。Erasme D．Modulation prop～
erties of an injection-locked semiconductor laser 1J]．
IEEE J Quantum Electron，1991，27(3)：344—351．
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