概述
图像传感器作为数字成像系统的核心前端器件，其性能直接决定成像质量与系统响应速度。随着高分辨率、高帧率成像需求的不断提升（如4K/8K视频、高速机器视觉、自动驾驶等场景），传统单通道A/D转换架构因数据吞吐量不足、传输噪声叠加等问题，已难以满足应用需求。列并行A/D转换电路通过为像素阵列的每一列配置独立或共享的A/D转换单元，实现模拟信号的并行量化，有效突破了单通道架构的速度瓶颈，同时缩短了模拟信号传输路径，降低了噪声干扰，成为高性能CMOS图像传感器的核心解决方案之一。本文将从架构选型、核心技术设计、典型实现方案、性能优化策略及应用前景等方面，全面阐述图像传感器芯片列并行A/D转换电路的解决方案。
在图像传感器的A/D转换架构中，主要存在单通道、列并行和像素并行三种主流方案。单通道架构因所有像素共享一个A/D转换器，虽具备高填充因子和良好成像质量，但转换速度受限，无法适配高帧率需求；像素并行架构为每个像素配备独立A/D单元，转换速度最快，但存在填充因子低、功耗与面积成本过高的固有缺陷。列并行架构则平衡了速度、功耗与面积的需求，其核心优势在于：一是并行处理提升帧率，每列共享的A/D单元可同步处理列内像素信号，大幅提升数据吞吐量；二是缩短传输路径降噪，模拟信号在列内完成量化，避免了长距离传输导致的噪声叠加与信号衰减；三是工艺兼容性强，可与CMOS工艺深度集成，便于实现系统级芯片（SoC）设计。
根据核心转换单元的类型，列并行A/D转换架构可分为以下三类：
列并行单斜率ADC（SS-ADC）架构：
采用“斜坡发生器+比较器+计数器”的极简结构，所有列共享一个斜坡发生器，每列配置独立比较器与计数器。工作时，斜坡发生器输出单调变化的参考电压，与列内像素的模拟信号进行比较，当两者相等时锁存计数器数值，完成量化。该架构具有结构简单、面积紧凑、功耗低的特点，是目前主流的列并行方案，广泛应用于手机、安防等消费级与工业级图像传感器。
列并行循环ADC（Cyclic-ADC）架构：通过多次迭代逼近实现高精度量化，核心单元包括比较器、乘法数模转换器（MDAC）和移位寄存器。每列配置一套循环转换单元，通过重复“比较-放大-反馈”流程提升分辨率。该架构在保证中等速度的前提下，可实现12位以上高精度转换，适用于对成像质量要求较高的医疗成像、专业摄影等场景。
列并行1位比较器迭代架构：每列配置1位简单比较器，通过在像素信号积分过程中分阶段完成位量化（如每阶段确定2位，4阶段完成8位量化）。该方案大幅简化了比较器设计，降低了面积与功耗，适合低功耗、高集成度的智能图像传感器。
列并行A/D转换电路的性能核心取决于三个关键指标：分辨率（动态范围）、转换速度（帧率）和功耗，其设计难点在于如何在有限的列间距内，实现低噪声、高精度、低功耗的并行量化。以下是核心模块的设计要点：
比较器是列并行A/D转换的核心单元，其噪声水平直接决定转换精度。列并行架构中，比较器需在紧凑的面积内实现低噪声性能，主要采用以下设计策略：一是采用高增益单端比较器，通过优化晶体管尺寸与偏置电流，降低热噪声与闪烁噪声，在3.24μm像素尺寸下可实现2.4e⁻rms的低噪声水平；二是引入动态偏置技术，通过开关电容控制偏置电流，在转换阶段提供高增益以保证精度，空闲阶段降低偏置电流以节省功耗，如开关电容控制的低功耗动态偏置比较器，可使列平均功耗降至63.2μW；三是采用双噪声消除技术，对模拟电路的复位噪声与数字电路的耦合噪声进行高精度抵消，进一步提升信号纯净度。
参考信号的稳定性直接影响量化精度，尤其是列并行架构中多列共享参考源时，需保证信号的一致性与温度稳定性。设计要点包括：一是采用带隙基准电压电路，生成不受温度变化影响的参考电压，可提供四组高精度基准电压供多列ADC共享；二是优化斜坡发生器设计，对于SS-ADC架构，采用电流源驱动的电容充放电电路，通过校准技术补偿电容漂移与电流偏差，实现线性度优良的斜坡信号；三是引入增益自适应结构，基于开关电容调整量化步长，补偿光子散粒噪声的影响，提升动态范围，经校准后可实现13位动态范围。
列并行架构需保证所有列的A/D转换单元同步工作，同时实现高效的数据读出，避免数据冲突。关键设计包括：一是采用全局时钟同步机制，通过时钟发生器生成高精度时序信号，控制斜坡发生器、比较器与计数器的同步工作，确保多列量化的一致性；二是设计低翻转次数的双向双边沿计数器，减少数字电路的开关噪声，同时提升计数效率；三是采用多工器（MUX）实现并行数据的串行输出，例如将8个列ADC分为一组，通过8位MUX汇总后从单个引脚输出，平衡并行处理与引脚数量的矛盾。
随着像素尺寸不断缩小（如1.12μm），列间距愈发紧凑，传统平面集成难以满足电路面积需求。堆叠工艺成为列并行ADC集成的关键技术：一是采用双芯片堆叠架构，将传感器像素（采用定制传感器工艺）与列ADC逻辑电路（采用先进CMOS逻辑工艺）分别集成在上下芯片，通过硅通孔（TSV）实现列信号的高效传输，该架构可使列ADC面积缩小至2.24×365μm²；二是引入三层堆叠架构，在传感器层与逻辑层之间增加DRAM缓存层，实现高帧率数据的临时存储，可在全高清分辨率下实现960fps的超慢动作录制；三是采用芯片级晶圆键合（CoW）技术，对于大光学格式传感器，将多个逻辑芯片堆叠在传感器芯片上，通过微凸块实现高密度连接，提升面积效率。
基于上述核心技术，业界已提出多种成熟的列并行A/D转换解决方案，覆盖从消费级到专业级的不同应用场景，以下是两类典型方案：
低功耗列并行增益自适应SS-ADC方案
该方案针对高分辨率消费级图像传感器设计，采用TSMC 180nm工艺实现，核心特点是通过增益自适应技术提升动态范围，同时优化电路结构降低功耗。关键设计包括：一是采用SS-ADC架构，每列配置独立比较器与计数器，共享斜坡发生器；二是引入开关电容式增益自适应结构，根据像素信号强度调整量化步长，补偿低光环境下的噪声影响；三是采用动态偏置比较器与低翻转计数器，降低静态与动态功耗。实测性能指标：列平均功耗63.2μW，动态范围13位（校准后），随机噪声1.2e⁻，FoM₁值1.08e⁻·nJ/pixel，FoM₂值0.29e⁻·pJ/step。基于该方案实现的500万像素CMOS图像传感器，采用SEC 90nm BSI工艺，系统总功耗135.8mW，满足智能手机、平板电脑等移动设备的低功耗需求。
高精度列并行循环ADC方案
该方案面向高速、高精度工业视觉与医疗成像场景，采用TSMC 0.18μm CMOS RF混合信号工艺实现，核心是通过循环迭代架构提升分辨率。关键设计包括：一是每列配置一套12位循环ADC单元，包含高增益比较器与MDAC模块；二是集成列并行相关双采样（CDS）电路，消除像素复位噪声；三是采用全局同步时序控制，保证64×64像素阵列的并行转换同步性。实测性能指标：ENOB大于11位，单列ADC面积11254μm²，CDS电路面积2042μm²，全芯片功耗小于90mW，64×64像素阵列循序扫描帧率达520fps，可满足HD TV 1080p规格的高帧率需求。
列并行A/D转换电路的设计本质是噪声、功耗与面积的三者权衡，针对不同应用场景的需求，可采用以下优化策略：
噪声优化策略：对于低光照成像场景，采用数字相关双采样（D-CDS）技术消除复位噪声与固定模式噪声；引入多ADC冗余设计，将单个像素信号分配给两个ADC并行转换，通过数据平均降低随机噪声；优化比较器输入级晶体管尺寸，提升增益并降低闪烁噪声。
功耗优化策略：采用动态电源管理技术，在帧间隙关闭闲置列的ADC单元；优化时序设计，减少数字电路的翻转次数；采用低电压工艺（如65nm、40nm），在保证性能的前提下降低电源电压与功耗。
面积优化策略：简化ADC核心单元结构，如采用1位比较器迭代架构替代高精度比较器；采用堆叠工艺将ADC逻辑电路与传感器像素分层集成，充分利用垂直空间；复用列内电路模块，如多列共享参考源与时钟驱动电路。
列并行A/D转换电路作为高性能CMOS图像传感器的核心技术，已广泛应用于智能手机、安防监控、工业视觉、自动驾驶、医疗成像等领域。随着应用需求的升级，未来将呈现以下发展趋势：
更高分辨率与帧率：通过先进工艺（如3nm、2nm）与堆叠架构优化，实现16位以上分辨率与1000fps以上帧率，满足超高清视频与高速运动捕捉需求。
低功耗与高集成度：结合近阈值计算、异步电路设计等技术，进一步降低功耗；将AI加速器与列并行ADC集成，实现“感知-量化-计算”一体化，提升智能图像传感器的性能。
多维度传感融合：在列并行架构基础上，集成红外、深度等多模态传感的A/D转换单元，实现多维度图像数据的并行采集与融合处理。
极端环境适应性：针对汽车、航天等极端环境，优化电路的温度稳定性与抗辐射性能，提升列并行ADC的可靠性与鲁棒性。
列并行A/D转换电路通过并行量化架构，有效平衡了图像传感器的分辨率、帧率、功耗与面积需求，是高性能CMOS图像传感器的核心解决方案。其设计核心在于通过低噪声比较器、高精度参考信号、同步时序控制与堆叠集成技术，实现多列信号的高效、精准量化。不同应用场景需根据性能需求选择合适的架构（如SS-ADC适用于低功耗场景，循环ADC适用于高精度场景），并通过噪声、功耗与面积的权衡优化，获得最优设计方案。未来，随着工艺进步与架构创新，列并行A/D转换电路将向更高性能、更高集成度、多维度融合的方向发展，为各类智能成像应用提供更强的技术支撑。
技术优势与创新点 高效转换策略：分段逐次逼近结合动态区段选择，较传统SAR减少30%以上转换周期，提升能效比。过采样+数字校正技术实现14bit等效精度，满足医疗影像、工业检测等严苛场景需求。通过运放共享、RSD算法与紧凑DAC设计，单ADC面积缩小40%，适配超薄摄像头模组。全差分结构与多层屏蔽设计，PSRR提升至70dB，适应车载电子等电磁干扰环境。支持动态分辨率切换（如强光下10bit高速模式，暗光下14bit低噪模式），平衡性能与功耗。架构兼容10–16bit分辨率，适配BSI、Stacked等多种先进工艺，具备长期技术生命力。采用分段逐次逼近与动态区段选择相结合的算法，相较传统逐次逼近寄存器（SAR）减少了30%以上的转换周期，显著提升了能效比。动态区段选择通过实时监测输入信号幅度，自动调整转换区间，从而提高转换速度。
运用过采样技术与数字校正算法，实现14bit等效精度，满足医疗影像与工业检测等对精度要求极高的应用场景。过采样技术通过增加采样频率来提升信噪比，而数字校正技术则有效补偿了电路非线性误差。借助运放共享、RSD算法和紧凑型DAC设计，将单ADC的面积缩小了40%，更适应于超薄摄像头模组。运放共享通过复用模拟电路中的运算放大器，大幅减少了芯片面积。采用全差分信号处理结构与多层屏蔽设计，将电源抑制比（PSRR）提升至70dB，使其具备出色的抗干扰性能，能够在车载电子等强电磁环境中稳定工作。
