摄像头噪声产生原因及应对方法

什么是摄像头电源噪声

摄像头普遍存在电源噪声问题。电源噪声是sensor供电电源上的频率噪声干扰了sensor的像素采集导致成像上面出现横条、竖条或者带状的亮暗条纹。随着用户对拍照质量要求的逐渐提高，摄像头电源噪声必须要进一步的压制。本文借鉴摄像头sensor厂商应对电源噪声的经验，总结整理成文，旨在提供一些基础的可遵循的经验。分别从什么是电源噪声，电源噪声是如何产生的，sensor、供电、板级、FPC级如何尽量规避电源噪声的引入几个方面着手分析。

在摄像头预览时可见明显的条纹噪声，如下图所示。但是测试AVDD电源的纹波，干净且不见任何可疑噪声。通过用频谱仪测试摄像头AVDD的频谱，发现在10KHz到10MHz，每隔300KHz出现一个噪声，如下图所示。原因是后摄AVDD与LCD、光感共用，导致AVDD混杂了一些能干扰摄像头sensor的噪声，造成电源噪声问题。

电源噪声

摄像头FPC为了刻意的满足MIPI走线的100ohm差分阻抗，设计走线过细，导致走线容易断裂而出现预览黑屏的问题。

在项目堆叠时没有注意摄像头的散热问题，导致摄像头预览时sensor过热，预览图像出现竖条纹，加入散热措施后解决。

过热导致的条纹

H噪声

摄像头的H噪声一般都是由摄像头的电源噪声引起的，供电电源的噪声波动通常都会以成像中的水平条纹或带状条纹表现出来。如下图所示，可见明显的带状横条纹噪声。

条纹噪声

摄像头sensor以行为单位一行一行的读取像素信息，在读每一行时，先读出复位态（零态）的数值，再读出当前信号值，然后做差分处理，做差分处理能有效的消除直流偏差与其它相关的噪声源。如果当采集复位态数值时的供电电源VDD与采集当前信号值时的供电电源VDD不相同，两个VDD之间的插值ΔVDD就会叠加在差分信号上。在同一行不同像素点之间的差分信号是变化的，但是叠加的ΔVDD噪声在整行都是不变的。如果ΔVDD是导致信号值偏高，或者导致复位态信号偏低，这一整行都会变得比真实情况偏亮；如果ΔVDD噪声导致信号值偏低，或者导致复位态信号偏高，这一整行都会变得比真实情况偏暗。传感器一行一行的读取阵列的像素值，同时ΔVDD也一行一行的发生变化。对于一个均匀的成像物体某些行会更亮一点，某些行会更暗一点，从而形成行状条纹。供电电源更容易在较暗的环境下产生条纹噪声，因为在暗态下信号值会非常低。例如在很暗的环境下，条纹噪声是±1，像素信号值输出是4，因为行与行之间的波动达到±25%，条纹噪声就会非常的明显。在很亮的环境中，假设像素信号值输出是100，那行与行之间的波动就只有±1%，条纹噪声就微乎其微了。

但也不是说电源有噪声波动就一定有条纹噪声，当行扫描周期与电源噪声波动周期一致时。就不会产生条纹噪声，如下图所示。当行扫描周期与电源噪声波动周期不一致时，基本上都会产生条纹噪声了。

Sensor的PSRR值

sensor的PSRR曲线代表了其对不同频段噪声的抑制能力。以频率为横轴，以db为纵轴单位。不同频段的电源噪声需要用不同的方法解决。所以在选择降噪方法之前最需要做的事情就是如何检查出这些电源噪声的频率。一种比较简单的噪声分类如下：

行噪声基本上都是中频噪声，在10KHz～1MHz之间。在PCB layout时，非常重要的一个措施就是尽量降低电源线上阻抗（<1%）。降低中频电源噪声，最常用的器件是一些电容与电感，还有非常关键的器件就是具有比较高电源噪声抑制比的供电LDO。在sensor方面，也需要具备较高的电源噪声抑制能力，应对来自系统内部的电源噪声。具备比较高的电源噪声抑制比的sensor能极大的帮助摄像头抑制由于sensor内部、或者系统内部产生的电源噪声，降低行条纹。Sensor、DVDD、DOVDD、AVDD都有可能是噪声的来源。同时在供电电源消耗的电流变化时，也会在DVDD、DOVDD、AVDD等上产生噪声，从而引起条纹噪声。如下图所示OV8858的DVDD在工作时的电流变化曲线。

如下图所示为一款摄像头sensor的PSRR曲线。在600KHz以下频段有相对较高的抑制比。但是最大都在10db左右，噪声抑制能力不强。

如下图所示为另外一款sensor的PSRR曲线，在中低频段有高达40db以上的噪声抑制能力。在摄像头sensor选择时，需要厂家提供对应的PSRR曲线，如果中低频PSRR值比较低，那就需要更换sensor，或者在PCB板设计时更加注意电源的设计了。

低噪LDO

在板级电源线路设计中，供电电源LDO的选取显得更为重要。LDO在中高频段的PSRR电源噪声抑制比一般都比较差，对噪声来说有点像高通滤波器。在选取LDO时，重点对比关注中低频段的PSRR值，如下图所示为两款LDO的PSRR曲线，左边的LDO在1MHz以下频段只有在100KHz左右有比较低的PSRR，约40db，而右边的LDO在10KHz以上时PSRR就已经下降到30db以下。

对于LDO的选择，输出响应能力也需要重点关注，响应能力不仅可能会影响sensor的正常工作，还会引入更多的电源噪声，影响sensor采集图像的质量。如下图所示为两款不同LDO的输出响应曲线，明显的左边的LDO输出上下冲都比较大，而右边的LDO是比较好的选择。

PCB板设计

1 在AVDD、DVDD、DOVDD供电线路上，至少需要2颗电容，一颗靠近供电PMU或者LDO放置，另外一颗靠近摄像头连接器放置。空间充足条件下可放置多颗不同容值（谐振频率在10K～1MHz之间）的电容，组合滤除不同频段的电源噪声。

2 靠近连接器放置的AVDD上电容，推荐建议在4.7uF或者以上，注意该电容的GND脚与连接器的AGND引脚连接在一起后需要单点到系统主地。

3 为降低行噪声，建议供电电源走线压降小于1%。假设铜厚是1盎司/平方英尺，峰值电流为100mA，那么电源走线最小的宽长比至少为1:400，即如果走线长3英寸（1英寸=2.54cm），线宽至少是7.5mil（1mil=0.0254mm）；如果峰值电流为200mA，电源走线最小的宽长比至少为1:200。

4 AVDD的回流地建议使用AVDD临层做回流地，且最好不要有断差、走线隔开。最小的回流路径引入干扰的可能性就会更小。

5 数字电源与模拟电源尽量隔开，不要交叉、平行、共回流地等。

6 AVDD与AFVDD不可共用。

7 摄像头连接器附近的AGND与DGND应该尽可能的大，做到尽量多的吸收噪声信号。

8 在摄像头模组内部AGND与DGND是相互分开的，在连接器位置通过主板上实现单点接地。

9 AFVDD与AFGND通过连接器引入的时候，尽量和sensor的走线分开。AFGND单点直接到主板主地，不要与摄像头连接器的AGND或者DGND表层连接；或者采用0ohm电阻到主板DGND，不要与摄像头连接器的AGND连接。采用0ohm电阻到DGND时，注意电阻靠近连接器放置。

FPC设计

FPC在整个摄像头中起到承载元器件的作用，包括Sensor、电容电阻、连接器等电子元器件；还起到电气连接的作用，包括电源线、各种信号线的连接.FPC是使用FPC基材，通过曝光、显影、蚀刻等工序形成线路，再通过表面处理对裸露铜面进行保护，并增强其焊接、抗氧化等能力。针对摄像头模组FPC的设计我们需要关心以下问题，并协助检查厂家FPC设计。

1 MIPI走线需包地：MIPI线对间隔地，相邻层重叠区域铺地；

2 MIPI过孔需要用GND线包起来；

3 MIPI阻抗需要在100+/-10%以内；

6.4 MIPI走线对内线长差小于10mil（极限情况15mil）；

5 MIPI走线对间线长差小于40mil（极限情况45mil）；尽量保证信号不会因为线长不同而出现不同时间到达的问题。

6 MIPI走线不能有直角，如遇直角情况，需要走弧形线；

7 MIPI主要走线需要布在同一层；

8 MIPI尽量不走蛇形线，如果一定要走，平行间距S尽量大，最好大于MIPI线宽的3倍；

9 XMCLK需要左右包地，上下层如果有信号，必须是GND信号；

10临层的平行信号线走线要错开，错位方式走线。

11 注意FPC边缘最好都有地线包裹，尤其是信号线比较靠近边缘时。

12 DVDD走线注意线上阻抗不能太大。根据不同sensor的供电要求，计算DVDD（DVDD耗电较大）需要的电流大小，进而判断走线宽度。

13 AVDD和AGND要并排走线；给AVDD提供最短的回流路径。

14 电源线和信号线距离要尽量远，空间允许条件下用地线隔离。

15 摄像头模组内部在各电源上挂在的滤波、去耦电容摆放位置是否合理（尽量位于回路上，靠近引脚出线）；电容地是否有不同GND混连（有发现过AVDD上电容接到DGND上）；电容数量、容值是否充足。

使用差分导线与示波器可以测量MIPI线的眼图质量。参考图如下所示。

散热注意事项

由于现今摄像头像素发展快速，功能也越来越丰富，导致摄像头功耗也越来越高，短时间的预览都可将摄像头明显升温。摄像头模组温度过高，会严重影响图像质量与可靠性问题。在结构堆叠设计时需要重要考虑摄像头模组的散热问题。对于摄像头模组sensor来说，常规CMOS摄像头模组的工作温度范围是-30～70℃，能保证图像品质的温度范围是0～50℃（注意是sensor的温度，非环境温度）。如下图所示为摄像头模组在高温下的表现情况，明显可见噪声问题加剧，严重影响成像质量。