當前固體微光器件以EBCCD 及EMCCD 器件為主
，隨著CMOS 工藝及電路設計技術的發展， 微光CMOS 圖像傳感器的性能在不斷提高，通過采用專項技術，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域應用的序幕。隨著對微光CMOS 圖像傳感器研究的進一步深入，在不遠的未來，微光CMOS圖像傳感器的性能將達到夜視應用要求，在微光器件領域占據重要地位。

 

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、電壓或電阻變化轉換成後續信號處理電路可以處理的電信號，它的噪聲水平限製著CMOS 圖像傳感器在微光下的應用。微光條件下像素的輸出信號十分微弱，任何過大的電路噪聲、偏移都可以將信號湮沒，因此提高讀出電路輸出信號的SNR 是微光設計的關鍵之一。本文采用的新型電容反饋跨阻放大型讀出電路CTIA電(dian)路(lu)
，可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)很(hen)低(di)的(de)探(tan)測(ce)器(qi)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)和(he)恒(heng)定(ding)的(de)探(tan)測(ce)器(qi)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)，在(zai)從(cong)很(hen)低(di)到(dao)很(hen)高(gao)的(de)背(bei)景(jing)範(fan)圍(wei)內(nei)，都(dou)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)低(di)的(de)噪(zao)聲(sheng)，其(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)線(xian)性(xing)度(du)和(he)均(jun)勻(yun)性(xing)也(ye)很(hen)好(hao)，適(shi)合(he)微(wei)弱(ruo)信(xin)號(hao)的(de)讀(du)出(chu)。

 

 

為完成探測器輸出電流向電壓的精確轉化
，所設計的電路由CTIA 和相關雙采樣（CDS）組成，CTIA 由反向放大器和反饋積分電容構成的一種複位積分器。其增益大小由積分電容確定。圖1 為典型CTIA 電路結構。

圖1 典型CTIA 結構

 

當Reset 信號為高時，MOS 開關開通，由運算放大器的虛短特性可知，輸入端的電壓與Vref相等
，此時積分電容兩端電壓相等
， 都為Vref。當Reset 信號變為低電平時，MOS 開關關斷，由於輸入端的電壓由Vref控製，因此在積分電容Cf右極板上產生感應電荷並慢慢積累，右極板電壓逐漸增大
，積分過程開始。最後電壓通過相關雙采樣電路讀出。

 

 

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間內，讀出PA 級的電流
，電路中的積分電容要非常小。同時為了提高信噪比，在減小積分電容的同時，電路噪聲也要減小。在新型電路結構中，采用T 型網絡電容加nmos 開關，電路結構如圖2 所示。

圖2 高增益低噪聲CTIA電路

 

由於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，因為小電容在工藝上較難實現，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 為該電路的工作時序。

圖3 高增益低噪聲CTIA 電路工作時序

 

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reset 為高電平時，gaIn 導通， 這時有效電容為Cf，當reset 為低電平時，gaIn 關斷， 此時的積分電容為Cf、C1和C2組成的T 型網絡電容， 這樣保證了電路在複位時大電容，可有效降低噪聲，積分時小電容
，可大大提高增益。當gaIn 一直為高電平時，電路工作在低增益模式。

 

 

相關雙采樣電路由兩組電容和開關組成，電路工作過程如下。首先
，開始積分，R 導通，相關雙采樣電路先讀出像素的複位信號，存儲Vreset電壓到電容Creset中。積分完成，開關S導通，將電壓Vread儲存到電容Csig中。最後
，將存儲在兩個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

 

這種結構可以很好的消除CMOS 圖像傳感器中像素的複位噪聲、1/f 噪聲以及像素內的固定模式噪聲。

 

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：一方麵光探測器和MOS 管的固有噪聲；另一方麵由讀出電路結構和工作方式引起的噪聲。

 

3.1 光探測器噪聲

 

複fu位wei噪zao聲sheng是shi由you複fu位wei管guan引yin入ru的de一yi種zhong隨sui機ji噪zao聲sheng。當dang像xiang素su進jin行xing複fu位wei時shi，複fu位wei管guan處chu於yu飽bao和he區qu或huo亞ya閾yu值zhi區qu
，具ju體ti狀zhuang態tai取qu決jue於yu光guang電dian二er極ji管guan的de電dian壓ya值zhi。複fu位wei管guan導dao通tong時shi可ke以yi等deng效xiao為wei一yi個ge電dian阻zu
，而er電dian阻zu存cun在zai的de熱re噪zao聲sheng將jiang引yin入ru到dao複fu位wei信xin號hao形xing成cheng複fu位wei噪zao聲sheng。其qi大da小xiao與yu二er極ji管guan的de電dian容rong有you關guan，複fu位wei噪zao聲sheng電dian壓ya為wei

guangdianliusanlizaoshengyuzhaoduyouguan
，hennanxiaochu。yuandianliuyouguandesanlizaoshengkeyitongguogaibianchanzanongdujianxiaoandianliu，danzhehuijiangdiliangzixiaolv。zaibendianluzhong
，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。在半導體材料中
，晶體缺陷和雜質的存在會產生陷阱， 陷阱隨機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，以及負載電容CL的設計均有關，其小信號噪聲模型如圖4 所示。

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(zhi)所(suo)以(yi)稱(cheng)為(wei)固(gu)定(ding)模(mo)式(shi)噪(zao)聲(sheng)，是(shi)因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)不(bu)隨(sui)時(shi)間(jian)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)
，即(ji)表(biao)現(xian)在(zai)每(mei)幀(zhen)圖(tu)像(xiang)上(shang)的(de)誤(wu)差(cha)是(shi)一(yi)致(zhi)的(de)。像(xiang)素(su)的(de)固(gu)定(ding)模(mo)式(shi)噪(zao)聲(sheng)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)讀(du)出(chu)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)相(xiang)關(guan)雙(shuang)采(cai)樣(yang)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)消(xiao)除(chu)。通(tong)過(guo)以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)，在(zai)本(ben)電(dian)路(lu)中(zhong)，噪(zao)聲(sheng)的(de)主(zhu)要(yao)來(lai)源(yuan)在(zai)於(yu)光(guang)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)散(san)粒(li)噪(zao)聲(sheng)和(he)CTIA 放大器的閃爍噪聲， 輸出總噪聲為

 

噪聲電壓為

6

其中：Av為輸出跟隨放大器增益0.7。

 

根據公式，理論計算噪聲電壓Vn=3.1 mV，實際電路的噪聲水平會比理論值大2 倍左右。

 

4.1 電路版圖和仿真結果

 

本文所設計的電路采用CSMC 公司0.5 μm CMOS 工藝模型，對電路進行Spectre 仿真、版圖設計和流片。

 

表1 是(shi)對(dui)探(tan)測(ce)器(qi)進(jin)行(xing)的(de)參(can)數(shu)設(she)置(zhi)，主(zhu)要(yao)依(yi)據(ju)的(de)是(shi)相(xiang)應(ying)材(cai)料(liao)製(zhi)作(zuo)的(de)探(tan)測(ce)器(qi)對(dui)應(ying)測(ce)試(shi)得(de)到(dao)的(de)等(deng)效(xiao)電(dian)阻(zu)值(zhi)和(he)等(deng)效(xiao)電(dian)容(rong)值(zhi)以(yi)及(ji)探(tan)測(ce)器(qi)流(liu)過(guo)的(de)光(guang)生(sheng)電(dian)流(liu)來(lai)確(que)定(ding)的(de)
， 其中Vref是外加在放大器正相端的電壓值。

 

表1 仿真時單元電路參數取值

圖5 CTIA 輸出的仿真波形。

圖5 CTIA 輸出波形

 

從圖5 可看出，當信號電流為20 pA 時


，電路輸出差分電壓為90 mV，根據噪聲電壓的估算值，最小信號的信噪比SNR=15。

 

4.2 測試結果

 

采用CSMC 公司的0.5 μm 標準CMOS 工藝庫對電路進行流片，表2 為仿真結果和實際測試結果比較（Cf=20 fF，C1=150 fF，C2=18 fF 信號輸入20~300 pA，積分時間20 μs）。

 

表2 仿真結果和實際測試結果比較

從表2 可以看出
，實測結果略小於仿真結果，當光信號為20 pA 時，測得電路噪聲電壓為8 mV，則SNR=10.8。