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(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=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(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(méi)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(méi)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=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(chēng)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(chēng)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。

　　4仿真與測(cè)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(duì)電路進(jìn)行Spectre仿真、版圖設(shè)計(jì)和流片。

　　表1是對(duì)探測(cè)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(cè)器對(duì)應(yīng)測(cè)試得到的等效電阻值和等效電容值以及探測(cè)器流過(guò)的光生電流來(lái)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