CMOS圖像傳感器電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)前固體微光器件以EBCCD 及EMCCD 器件為主，隨著CMOS 工藝及電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展， 微光CMOS 圖像傳感器的性能在不斷提高，通過(guò)采用專項(xiàng)技術(shù)，微光CMOS 圖像傳感器的性能已接近EMCCD 的性能， 揭開了CMOS 圖像傳感器在微光領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。隨著對(duì)微光CMOS 圖像傳感器研究的進(jìn)一步深入，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，微光CMOS圖像傳感器的性能將達(dá)到夜視應(yīng)用要求，在微光器件領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

　　讀出電路是微光CMOS 圖像傳感器的重要組成部分，它的基本功能是將探測(cè)器微弱的電流、電壓或電阻變化轉(zhuǎn)換成后續(xù)信號(hào)處理電路可以處理的電信號(hào)，它的噪聲水平限制著CMOS 圖像傳感器在微光下的應(yīng)用。微光條件下像素的輸出信號(hào)十分微弱，任何過(guò)大的電路噪聲、偏移都可以將信號(hào)湮沒，因此提高讀出電路輸出信號(hào)的SNR 是微光設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本文采用的新型電容反饋跨阻放大型讀出電路CTIA電路，可以提供很低的探測(cè)器輸入阻抗和恒定的探測(cè)器偏置電壓，在從很低到很高的背景范圍內(nèi)，都具有非常低的噪聲，其輸出信號(hào)的線性度和均勻性也很好，適合微弱信號(hào)的讀出。

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　為完成探測(cè)器輸出電流向電壓的精確轉(zhuǎn)化，所設(shè)計(jì)的電路由CTIA 和相關(guān)雙采樣（CDS）組成，CTIA 由反向放大器和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器。其增益大小由積分電容確定。圖1 為典型CTIA 電路結(jié)構(gòu)。

　　圖1 典型CTIA 結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)Reset 信號(hào)為高時(shí)，MOS 開關(guān)開通，由運(yùn)算放大器的虛短特性可知，輸入端的電壓與Vref相等，此時(shí)積分電容兩端電壓相等， 都為Vref。當(dāng)Reset 信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MOS 開關(guān)關(guān)斷，由于輸入端的電壓由Vref控制，因此在積分電容Cf右極板上產(chǎn)生感應(yīng)電荷并慢慢積累，右極板電壓逐漸增大，積分過(guò)程開始。最后電壓通過(guò)相關(guān)雙采樣電路讀出。

　　2 關(guān)鍵單元電路設(shè)計(jì)

　　2.1 高增益低噪聲CTIA電路

　　為了提高讀出電路的增益，使電路能在比較短的積分時(shí)間內(nèi)，讀出PA 級(jí)的電流，電路中的積分電容要非常小。同時(shí)為了提高信噪比，在減小積分電容的同時(shí)，電路噪聲也要減小。在新型電路結(jié)構(gòu)中，采用T 型網(wǎng)絡(luò)電容加nmos 開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

　　圖2 高增益低噪聲CTIA電路

　　由于C1和C2的作用， 使得Cf在CTIA 反饋回路中的有效值減少，其有效值為：Cfb= （ C2Cf）/（Cf +C1+C2），這樣Cf可以取相對(duì)較大的值，避免了使用小電容，因?yàn)樾‰娙菰诠に嚿陷^難實(shí)現(xiàn)，且誤差較大。在本電路中，Cf=20 fF，C2=18 fF，C1=150 fF，則Cfb=2 fF。

　　圖3 為該電路的工作時(shí)序。

　　圖3 高增益低噪聲CTIA 電路工作時(shí)序

　　該電路可工作在高增益模式或低增益模式。在高增益模式， 當(dāng)reset 為高電平時(shí)，gaIn 導(dǎo)通， 這時(shí)有效電容為Cf，當(dāng)reset 為低電平時(shí)，gaIn 關(guān)斷， 此時(shí)的積分電容為Cf、C1和C2組成的T 型網(wǎng)絡(luò)電容， 這樣保證了電路在復(fù)位時(shí)大電容，可有效降低噪聲，積分時(shí)小電容，可大大提高增益。當(dāng)gaIn 一直為高電平時(shí)，電路工作在低增益模式。

　　2.2 相關(guān)雙采樣

　　相關(guān)雙采樣電路由兩組電容和開關(guān)組成，電路工作過(guò)程如下。首先，開始積分，R 導(dǎo)通，相關(guān)雙采樣電路先讀出像素的復(fù)位信號(hào)，存儲(chǔ)Vreset電壓到電容Creset中。積分完成，開關(guān)S導(dǎo)通，將電壓Vread儲(chǔ)存到電容Csig中。最后，將存儲(chǔ)在兩個(gè)電容之上的電壓值相減得到最終的像素輸出電壓值：

　　Vout=Vouts -Voutr

　　這種結(jié)構(gòu)可以很好的消除CMOS 圖像傳感器中像素的復(fù)位噪聲、1/f 噪聲以及像素內(nèi)的固定模式噪聲。

　　3 噪聲分析

　　CMOS 讀出電路中包括光探測(cè)器、MOS管和電容3種元件。光探測(cè)器和MOS管是讀出電路的主要噪聲源，這些噪聲包括：一方面光探測(cè)器和MOS 管的固有噪聲；另一方面由讀出電路結(jié)構(gòu)和工作方式引起的噪聲。

　　3.1 光探測(cè)器噪聲

　　復(fù)位噪聲是由復(fù)位管引入的一種隨機(jī)噪聲。當(dāng)像素進(jìn)行復(fù)位時(shí)，復(fù)位管處于飽和區(qū)或亞閾值區(qū)，具體狀態(tài)取決于光電二極管的電壓值。復(fù)位管導(dǎo)通時(shí)可以等效為一個(gè)電阻，而電阻存在的熱噪聲將引入到復(fù)位信號(hào)形成復(fù)位噪聲。其大小與二極管的電容有關(guān)，復(fù)位噪聲電壓為

　　，其中k 為波爾茲曼常數(shù)、T 為溫度，C 為二極管的等效電容。復(fù)位噪聲本質(zhì)上是一個(gè)熱噪聲，具有隨機(jī)性，只能夠減小而不能夠徹底消除。在本電路中，C=1.3 P，Vn=56 μV。

　　散粒噪聲是指由于電子的隨機(jī)到達(dá)而引起器件中電流的隨機(jī)波動(dòng)。因此，散粒噪聲與流過(guò)器件的電流大小相關(guān)，并且服從泊松分布。散粒噪聲與熱噪聲相區(qū)別，熱噪聲在沒有任何電壓或平均電流的條件下同樣存在，而散粒噪聲在沒有電流條件下不存在。像素的散粒噪聲與像素中的電流相關(guān)，包括光電流、暗電流。其計(jì)算公式如下：

　　光電流散粒噪聲與照度有關(guān)，很難消除。與暗電流有關(guān)的散粒噪聲可以通過(guò)改變摻雜濃度減小暗電流，但這會(huì)降低量子效率。在本電路中，In=100 fA，Is=20 pA，Tint=20 μs，C int =2 fF，則Vdarkn=0.28 mV，Vsn=4 mV。

　　3.2 讀出電路噪聲

　　閃爍噪聲也稱為1/f 噪聲。在半導(dǎo)體材料中，晶體缺陷和雜質(zhì)的存在會(huì)產(chǎn)生陷阱， 陷阱隨機(jī)捕獲或釋放載流子形成閃爍噪聲。在讀出電路中，CTIA 放大器是閃爍噪聲的主要來(lái)源。

　　CTIA 讀出噪聲與輸入端電容Cin=Cpd、反饋電容Cfb，以及負(fù)載電容CL的設(shè)計(jì)均有關(guān)，其小信號(hào)噪聲模型如圖4 所示。

　　圖4 CTIA 放大器噪聲模型

　　噪聲電壓為

　　在本電路中，Cfb=2 fF，Cpd=1.3 pF，CL=1 pf，α=1.5，T=300 K，則Vn=2 mV。

　　3.3 固定模式噪聲（FPN）

　　之所以稱為固定模式噪聲，是因?yàn)檫@種噪聲產(chǎn)生的影響不隨時(shí)間的變化而變化，即表現(xiàn)在每幀圖像上的誤差是一致的。像素的固定模式噪聲可以通過(guò)讀出電路中的相關(guān)雙采樣電路進(jìn)行消除。通過(guò)以上分析，在本電路中，噪聲的主要來(lái)源在于光探測(cè)器的散粒噪聲和CTIA 放大器的閃爍噪聲， 輸出總噪聲為

　　噪聲電壓為

　　其中：Av為輸出跟隨放大器增益0.7。

　　根據(jù)公式，理論計(jì)算噪聲電壓Vn=3.1 mV，實(shí)際電路的噪聲水平會(huì)比理論值大2 倍左右。