ccd的低功耗分析

ccd的低功耗分析

0cd能耗估算與分析在設(shè)計以cd為圖像傳感器的電子系統(tǒng)時，人們通常會重點關(guān)注特定電路、驅(qū)動時間序列電路、cd視頻處理器電路和其他外圍電路的設(shè)計，忽視了對cd噪聲的分析和計算。然而，隨著大規(guī)模場景和高視頻頻率cc設(shè)備的出現(xiàn)，全球功率測量和cd噪聲的估算變得越來越重要。這對于評估整個電子系統(tǒng)的功耗、正確選擇cc時鐘控制器、合理設(shè)計cc周圍電路以及決定是否使用抗制措施是重要的。此外，在航空航天應(yīng)用中，油耗是一個重要的設(shè)計指標(biāo)。因此，在將cc應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域時，預(yù)測值是電子設(shè)計階段的一個重要步驟。CCD功耗的分析與估算需在了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對內(nèi)部時鐘電極所構(gòu)成的RC電路以及輸出放大器電路進行分析,從而估算CCD的總功耗.本文正是從這個思路出發(fā),首先簡要介紹CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其RC電路模型;然后分析CCD工作時消耗功率的幾個部分,并給出相應(yīng)的估算方法;最后結(jié)合實際需求,以E2V公司的CCD47-20為例,分析并計算其功耗.1元cd模型構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(MentalOxideSemiconductor:金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu).文獻中給出了三相CCD單個像素的3D模型,如圖1(a).由圖1(a)可以得到三相CCD單個像素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路,如圖1(b).圖1(b)中Rline為多晶硅時鐘電極的電阻,Rs和Cs分別為每個時鐘電極相對于襯底的串連等效電阻和電容,Cl是時鐘電極的極間電容.Rline、Rs、Cs及Cl等參量通常由CCD廠家提供的集總參量來確定.2消耗的功率CCD的功耗包括靜態(tài)功耗及動態(tài)功耗兩部分.靜態(tài)功耗主要是指CCD片上輸出放大器所消耗的功率;動態(tài)功耗是由于給CCD加時鐘脈沖時,時鐘脈沖對Cs或極間電容Cl進行充放電,從而產(chǎn)生充放電電流,充放電電流流過Rline或Rs引起功率耗散.因此,動態(tài)功耗又包括時鐘電極串連等效電阻Rs的功耗及多晶硅時鐘電極電阻Rline的功耗兩部分.2.1估算sd動態(tài)噪聲的方法關(guān)于動態(tài)功耗的估算方法主要有集總模型估算法、分布式模型估算法、PSpice仿真估算法三種,下面分別進行分析介紹.2.1.1rc平均載荷的計算集總模型法是工程上比較常用的一種估算方法.它不是將每個像素時鐘電極均等效為圖1(b)的RC電路,而是將整個CCD陣列看為一個集總模型,利用Rlinet、Rst、Cst、Clt等集總參量,將其等效為一個較簡單的RC電路,通過分析RC電路中流過電阻的電流來估算相應(yīng)的功耗.由于Rst的功耗很小,工程上通常不預(yù)估算,因此工程上三相CCD的集總模型如圖2.在分析圖2中Rlinet的功耗前,先簡要分析簡單的RC電路中R的平均功耗.1電池內(nèi)r的能耗圖3為一簡單的RC電路模型,若Vin(t)為周期為T的方波或近似方波的梯形波,那么根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得流過電阻R的電流為Ι(t)=VpRe-tτ(1)I(t)=VpRe?tτ(1)式中τ=RC,Vp為Vin(t)的峰峰值.由于在一個時鐘周期內(nèi),電容C充放電各一次,而無論充電還是放電均會引起R的功率耗散,因此一個時鐘周期內(nèi)R所消耗的平均功率為ΡAVER=1ΤΤ∫0ΡR(t)dt=2ΤΤ∫0Ι2(t)Rdt(2)PAVER=1T∫0TPR(t)dt=2T∫0TI2(t)Rdt(2)將式(1)代入式(2)并進行積分得ΡAVER=V2pCΤ(1-e-2Ττ)PAVER=V2pCT(1?e?2Tτ),當(dāng)T?τ且令f=1Τf=1T,則可得到R的平均功耗為PAVER=V2p2pfC(3a)在一個大的工作周期(如:CCD的一個幀周期)TT中,通常驅(qū)動時鐘并不是一直在工作,當(dāng)驅(qū)動時鐘停止工作時,電容C上的充放電電流幾乎為零,此時R的功耗也為零.因此,若驅(qū)動時鐘工作的時間為Tw,R的平均功耗如式(3b),其中D為占空比,D=TT/Tw.PAVER=V2p2pfCD(3b)2襯底電容c、n極間電容clt所耗散功率的計算由圖2可以看出,三相CCD的集總模型中,流過Rlinet的電流包括襯底電容Cst及兩個極間電容Clt的充放電電流.因此結(jié)合公式(3b),在不考慮極間電容耦合的情況下可以估算出φ相時鐘Rlinet所耗散的功率為RlineT=?V2p2pf(Cst+2Clt)D(4)2.1.2cdd-pcr的等效電路集總模型是對CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種理想化的近似,CCD的內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)實際為一分布式結(jié)構(gòu),因此要比較真實的反映CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu),應(yīng)將CCD的每個像素均等效為圖1(b)的RC電路,這樣對于一個三相CCD來說其單行n個像素的RC等效電路如圖4(a)及(b),其中圖4(a)是單端驅(qū)動時的等效電路,圖4(b)是雙端驅(qū)動時的等效電路.圖4(a)及(b)是多級RC電路,若仍按基爾霍夫電壓定律分析計算流過電阻的電流,然后再計算其功耗,工作量會很大,而且分析過程也較繁瑣.因此,對于分布式模型可按式(5)計算流過電阻的電流,其中Tr為加在CCD時鐘電極上梯形波的上升時間,并且梯形波的周期T?τ(τ為相應(yīng)的RC時間常量).Ι(t)=CdVindt≈CVpΤr(5)I(t)=CdVindt≈CVpTr(5)1rs總能耗由圖4(a)及(b)可以看出,Cs的充放電電流即為流過Rs的電流,若不考慮傳輸損耗及極間電容耦合的影響,則流過每個Rs的充電電流Is均可由式(5)得Ιs=CsVpΤr(6)Is=CsVpTr(6)那么,對于?相時鐘N個像素的CCD來說,Rs的總功耗為ΡsΤ=DΝ?2ΤΤ∫0Ι2sRsdt=2Ν?C2sV2pRsfΤrD(7)PsT=DN?2T∫0TI2sRsdt=2N?C2sV2pRsfTrD(7)2特性rle的電流將圖4(a)或(b)進行細(xì)化,對第一個像素的第一相時鐘電極φ1的Rline進行分析,如圖5.由基爾霍夫電流定律,可以得到流過第一個像素的Rline的電流為:Il1=I12+I31+Is+Il2.可見,流過第一個像素的Rline的電流Il1,不僅與第一個像素的極間電容及襯底電容的充放電電流有關(guān),而且還包括流過第二個像素的Rline的電流Il2.同樣,流過第二個像素的Rline的電流Il2,不僅與第二個像素的極間電容Cl及襯底電容Cs的充放電電流有關(guān),而且還包括流過第三個像素的Rline的電流Il3.以此類推,只有單端驅(qū)動時,流過CCD陣列的最后一個像素n的Rline的電流,以及兩端驅(qū)動時,流過CCD陣列中心第n/2個像素的Rline的電流,僅與本像素的極間電容及襯底電容的充放電電流有關(guān),若不考慮傳輸損耗及極間電容耦合的影響,其電流值為Ιl=(Cs+2Cl)VpΤrIl=(Cs+2Cl)VpTr.由此流過第k個像素Rline的電流Ik可表示為Ik=(n-k+1)Il(單端驅(qū)動);Ιk=(n2-k+1)ΙlIk=(n2?k+1)Il(雙端驅(qū)動).這樣對于φ相Nl行每行n個像素的CCD來說,Rline的總功耗如式(8a)和式(8b)ΡlΤ=Νl?2Τn∑k=1Τ∫0Ι2kRlinedt=Νl?2Τn∑k=1Τ∫0((n-k-1)Ιl)2RlinedtPlT=Nl?2T∑k=1n∫0TI2kRlinedt=Nl?2T∑k=1n∫0T((n?k?1)Il)2Rlinedt(單端驅(qū)動)(8a)ΡlΤ=2Νl?2Τn/2∑k=1Τ∫0Ι2kRlinedt=2Νl?2Τn/2∑k=1Τ∫0((n2-k-1)Ιl)2RlinedtPlT=2Nl?2T∑k=1n/2∫0TI2kRlinedt=2Nl?2T∑k=1n/2∫0T((n2?k?1)Il)2Rlinedt(雙端驅(qū)動)(8b)對式(8a)和式(8b)分別進行化簡計算并考慮驅(qū)動時鐘的占空比得ΡlΤ=Νl?13n(n+1)(2n+1)?(Cs+2Cl)2V2pRlinefΤrD(單端驅(qū)動)(9a)ΡlΤ=Νl?n3(n2+1)(n+1)?(Cs+2Cl)2V2pRlinefΤrD(雙端驅(qū)動)(9b)2.1.3cc動態(tài)載荷估計PSpice仿真估算法是借助Cadence公司的PSpice仿真軟件對CCD的動態(tài)功耗進行估算.仿真前首先畫出CCD時鐘電極的等效電路圖,為了畫圖簡便同時又保證分析的準(zhǔn)確性,通常將整個CCD陣列等效為10～20個小集總單元,小集總單元的參量由廠家提供的集總參量除以所分集總單元的個數(shù)得到;由等效電路圖在PSpice中進行瞬態(tài)分析仿真,并調(diào)用相關(guān)的計算函數(shù)可得到Rline或Rs的功耗.圖6(a)為某三相CCD的20個小集總單元的等效電路圖,由于該CCD為兩端驅(qū)動所以圖中僅對其一半(10個集總單元)進行分析仿真.由仿真結(jié)果得φ1時鐘電極電阻的平均功耗為2*P1half=2*1/Time*S(W(R3)+W(R4)+W(R5)+W(R6)+W(R7)+W(R9)+W(R10)+W(R11)+W(R12)+W(R37))=15.54mW,其中函數(shù)S()表示時間軸上的積分,W()為元器件的瞬時功率,φ1時鐘的頻率為100kHz,占空比為10%.通過上面的分析可以看出:集總模型估算法較簡便,而且無需知道Rlinet及Rst,比較適合于工程上或廠家未提供Rlinet及Rst參量值時CCD動態(tài)功耗的估算;分布式模型估算法,所選用的等效電路與CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較接近,估算準(zhǔn)確度會高于集總模型估算法,但是在按式(5)推算各像素節(jié)點電流時,認(rèn)為每個像素節(jié)點的驅(qū)動時鐘均為理想的梯形波,這在小面陣CCD中成立,但對于大面陣CCD由于傳輸損耗及極間電容耦合的影響該假設(shè)并不一定成立,所以分布式模型估算法適合估算小面陣CCD的動態(tài)功耗;PSpice仿真估算法,通過對等效電路進行計算機仿真,可以較真實的估算出CCD的動態(tài)功耗,但進行電路等效時和分布式模型估算法一樣,需要知道Rlinet、Rst、Cst及Clt等集總參量的確切值.因此,三種估算方法各有利弊,在應(yīng)用時可以根據(jù)實際情況進行選擇.另外,需要說明的是,在集總模型估算法和分布式模型估算法中假設(shè)的T?τ(τ為相應(yīng)的RC時間常量)的條件,在通常情況下均能滿足.因為若不能滿足,那么加到CCD上的驅(qū)動時鐘通過RC電路后會發(fā)生畸變,尤其當(dāng)驅(qū)動時鐘經(jīng)過多級RC電路傳輸?shù)紺CD陣列中心(兩端驅(qū)動)或CCD的另一端時(單端驅(qū)動),會產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變,這樣CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率將不能得到保證,從而會影響CCD的成像質(zhì)量.2.2源極背壓器會增加學(xué)生的背壓降作用CCD靜態(tài)功耗的估算與CCD的輸出結(jié)構(gòu)有關(guān).CCD的輸出結(jié)構(gòu)多采用浮置擴散型的輸出,圖7為浮置擴散型CCD典型的輸出結(jié)構(gòu).圖7中采用了兩級源極跟隨放大器,這主要是為了提高放大器的帶寬.第一級主要是起偏置作用,包括源極跟隨器M1和電流接收器Mc,偏置電流的大小由Mc的柵源極的電壓控制;第二級源極跟隨器M2主要是起驅(qū)動負(fù)載RL的作用.在計算輸出放大器的功耗時,由于第一級的下拉電流很小,所以通常只考慮第二級的功耗.第二級源極跟隨器M2的功耗為P=VDS×ID,其中VDS為M2的漏極到源極的壓降,即VDS=VOD-VOS;ID為漏極電流,可近似為M2的源極輸出電壓與負(fù)載電阻RL的比值,即ID=VOS/RL.對于有N個輸出放大器的CCD來說,其輸出放大器的總功耗Pstat為Ρstat=Ν(VΟD-VΟS)VΟSRL(10)目前的CCD多采用兩級源極跟隨放大器的輸出結(jié)構(gòu)(如E2V公司的CCD),若CCD為單級跟隨放大器的輸出結(jié)構(gòu),式(10)仍然適用.3cd97-20a-20a-3模式CCD47-20是E2V公司的一款幀轉(zhuǎn)移面陣三相CCD,其感光區(qū)的有效像素個數(shù)為1024(H)×1024(V),存儲區(qū)大小為1024(H)×1033(V),水平讀出區(qū)有左右兩個輸出放大器,可以左右同時讀出,同時讀出的像素個數(shù)分別為536個,其中有效像素512個.由于CCD的功耗不但與其本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),而且與驅(qū)動時鐘的工作頻率、電壓及一個幀周期的占空比有關(guān).因此首先結(jié)合實際需求簡要介紹CCD47-20及其工作模式、工作時序.3.1存儲區(qū)放電后像元讀取為了便于曝光時間和幀頻的調(diào)整,對CCD47-20采用如圖8的工作模式.圖8中,一個幀周期T包括4個階段:T1階段,CCD感光區(qū)曝光,同時清除上一幀周期中第二次曝光的電荷;T2階段,第一次幀轉(zhuǎn)移,將曝光的電荷轉(zhuǎn)移到存儲區(qū);T3階段,將存儲區(qū)的電荷逐行轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中,進行像元讀出;T4階段,第二次幀轉(zhuǎn)移,將T3時間內(nèi)感光的電荷轉(zhuǎn)移到存儲區(qū).在實際應(yīng)用中,CCD47-20的幀頻和曝光時間有多檔,這里以幀頻1fps(T=1s)、曝光時間T1為300ms進行計算.幀轉(zhuǎn)移周期為10μs,行轉(zhuǎn)移周期為100μs,像元讀出頻率為1MHz,則T2=T4≈10ms,T3=680ms.由CCD47-20的數(shù)據(jù)手冊可知,行轉(zhuǎn)移一行536個像素并水平讀出,所需的時間為639μs,其中水平讀出時鐘及復(fù)位時鐘工作536μs.因此,行轉(zhuǎn)移時存儲區(qū)時鐘的周期為639μs,對于T3=680ms的時間可轉(zhuǎn)移并讀出1064行.在此基礎(chǔ)上對感光區(qū)、存儲區(qū)及讀出區(qū)的時鐘進行頻率及占空比分析如表1.3.2cd49-20總能耗的估計由于CCD47-20的數(shù)據(jù)手冊上未提供Rlinet及Rst的確切值,所以其動態(tài)功耗按集總模型法進行估算.估算幀頻1fps、曝光時間300ms時CCD47-20的動態(tài)功耗如表2.CCD47-20的靜態(tài)功耗Pstat由式(10)計算出為60.39mW.其中VOD為29V,VOS的直流電平為22V,RL為5.1kΩ,這些值均是由實驗測得.由此,估算幀頻1fps、曝光時間300ms時CCD47-20的總功耗PT為:PT=Pdyn+Pstat