微光CMOS圖像傳感器讀出電路設(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(guò)采用專(zhuān)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(kāi)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(méi)，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(kāi)關(guān)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)組成，電路工作過(guò)程如下。首先，開(kāi)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(kāi)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。