微光CMOS圖像傳感器讀出電路設(shè)計(jì)

　　3噪聲分析

　　CMOS讀出電路中包括光探測器、MOS管和電容3種元件。光探測器和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=56μV。

　　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。因此，散粒噪聲與流過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改變摻雜濃度減小暗電流，但這會降低量子效率。在本電路中，In=100 fA，Is=20 pA，Tint=20μs，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讀出電路中的相關(guān)雙采樣電路進(jìn)行消除。通過以上分析，在本電路中，噪聲的主要來源在于光探測器的散粒噪聲和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比理論值大2倍左右。

　　4仿真與測試結(jié)果

　　4.1電路版圖和仿真結(jié)果

　　本文所設(shè)計(jì)的電路采用CSMC公司0.5μm CMOS工藝模型，對電路進(jìn)行Spectre仿真、版圖設(shè)計(jì)和流片。

　　表1是對探測器進(jìn)行的參數(shù)設(shè)置，主要依據(jù)的是相應(yīng)材料制作的探測器對應(yīng)測試得到的等效電阻值和等效電容值以及探測器流過的光生電流來確定的，其中Vref是外加在放大器正相端的電壓值。

　　表1仿真時(shí)單元電路參數(shù)取值

　　圖5 CTIA輸出波形