一種高增益低噪聲的圖像探測器讀出電路設(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。隨著對微光CMOS圖像傳感器研究的進(jìn)一步深入，在不遠(yuǎn)的未來，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器輸入阻抗和恒定的探測器偏置電壓，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電路結(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，積分過程開始。最后電壓通過相關(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。

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=20fF，C2=18fF，C1=150fF，則Cfb=2fF。

圖3為該電路的工作時(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(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

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(huì)降低量子效率。在本電路中，In=100fA，Is=20pA，Tint=20μs，Cint=2fF，則Vdarkn=0.28mV，Vsn=4mV。

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。