自扫描光电二极管列阵

关于自扫描光电二极管列阵CMOS图像传感器简介第2页,共48页，2024年2月25日，星期天图像传感器分类第3页,共48页，2024年2月25日，星期天第一章自扫描光电二极管列阵（SSPA）1.1SSPA线列阵

1.1.1线列阵原理

1.1.2扫描驱动电路

1.1.3光电二极管工作方式

1.1.4开关噪声及补偿方法

1.1.5多相时钟线列阵1.2SSPA面列阵

1.2.1再充电采样型面阵

1.2.2电压采样型面阵1.3特殊列阵

1.3.1环形列阵

1.3.2光栅位移传感器

1.3.3X射线探测列阵第4页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.1SSPA线列阵原理1、SSPA线阵电路框图第5页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.1SSPA线列阵原理2、扫描电路移位寄存器：每2个时钟周期，o/p1端的信号传递到o/p2端；信号依次移位，先进先出；结构简单，容易扩展。第6页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.1SSPA线列阵原理2、扫描电路解码器：n位二进制输入；2n个扫描输出；可以随机编码；结构复杂，不易扩展。第7页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.1SSPA线列阵原理选通开关光电二极管e1e2e3输出电源3、简单线阵SSPA电路第8页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路n源(S)栅(G)漏(D)体(B)n源(S)栅(G)漏(D)体(B)p沟-----GDS（a）零栅压（b）负栅压负栅压（大于阈值）导通；零栅压或正栅压截止。GDSIDSIDS4、PMOS场效应管第9页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路4、普通移位寄存器abT2T1T4T3Cg1e1COMS

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1cdT6T5T8T7CgCg2e2N-1eN-1NeN负载管（T2&T4）：低电平导通，导通时相当于电阻，在对应时钟脉冲为低电平时激活该单元；反向器（T1&T3）：低电平导通，信号反向（双反=不反），将本单元输入电平信号传递到下一单元；栅电容（Cg&Cg）：本单元激活时充电，本单元不激活时保持电平。第10页,共48页，2024年2月25日，星期天3、普通移位寄存器工作原理（1）S

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2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9第11页,共48页，2024年2月25日，星期天3、普通移位寄存器工作原理（2）S

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2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9第12页,共48页，2024年2月25日，星期天3、普通移位寄存器工作原理（3）S

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2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9第13页,共48页，2024年2月25日，星期天3、普通移位寄存器工作原理（4）S

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2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9第14页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路4、工作波形EOSS

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2ab(e1)cd(e2)Vot0t1t2t3t4t5t6t7t8t9第15页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路4、一种低功耗动态移位寄存器

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112……..……..T2T1T4T3CVe1COMS

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1T6T5e2RLVoN1第16页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路5、简化电路分析T1ST5T4e

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1NCbCN0-V

0-VS第17页,共48页，2024年2月25日，星期天6、工作波形（1）S

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2VN1e2e1第18页,共48页，2024年2月25日，星期天6、工作波形（2）S

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2VN1e2e1第19页,共48页，2024年2月25日，星期天6、工作波形（2）S

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2VN1e2e1第20页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路6、工作波形S

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2VN1e2Voe1第21页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路7、电容自举移位寄存器的优点互补驱动电路：T5和T6不同时导通；移位信号到才开始工作：整个移位寄存器消耗的功率仅等于一位寄存器消耗的功率；功耗极低：<0.5mW；CMOS电路性能更好。第22页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路8、CMOS移位寄存器传输门+反向器第23页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路9、仿真电路传输门反相器第24页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.2扫描驱动电路9、仿真结果第25页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.3光电二极管工作方式1、连续工作方式ILRLVoVB光电流很小；布线很困难。注意：第26页,共48页，2024年2月25日，星期天2、电荷存储工作方式1CVRLVVoe1CdD1T1ILRLVVoe1CdID第27页,共48页，2024年2月25日，星期天3、定量分析注：二极管两端的电压与光强P和积分时间Ts的乘积成比例。第28页,共48页，2024年2月25日，星期天3、连续工作方式与电荷存储方式的比较ILRLVoVB1CVRLVVoe1CdD1T1光电流增益很大；布线容易；视频输出线电容影响大。第29页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.3开关噪声及补偿方法1、开关噪声12……e1+5Ve2RLVoNe2开关噪声光信号第30页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.3开关噪声及补偿方法2、补偿方式（1）：补偿列阵……e1e2RLVNe212……COMRLVoNRSRSRRfVoutT’T噪声信号补偿列阵光电列阵移位寄存器第31页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.3开关噪声及补偿方法2、补偿方式（2）：邻近位相关法e1e2e301COMVOVoutT信号移位寄存器2VN3噪声电源第32页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.4多相时钟线列阵1、四相时钟线列阵VO奇移位寄存器1CVCOMRL3N-1VO偶CVRL2N4移位寄存器第33页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.4多相时钟线列阵2、工作波形第34页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.4多相时钟线列阵3、工作方式两组互补的时钟相位错开1/4周期，得到的奇数位信号和偶数位信号正好错开半位，两路视频信号合在一起，可得到连续按时序分布的串行视频信号；把奇偶两组移位寄存器的时钟和S信号合用一组相同的信号，则得到两路奇偶视频信号分开的并行输出信号，分别并行读出，工作频率提高一倍。两组时钟相同，但第二组（偶数）的起始信号S2由第一组移位寄存器的EOS输出信号加适当驱动后代替，同时第一组的起始脉冲信号S1的周期加长一倍以上，可得到奇数位视频信号在前，偶数位视频信号在后，分组串行输出的视频信号。该方法可简化外部时钟驱动电路。第35页,共48页，2024年2月25日，星期天1.1.4多相时钟线列阵4、八相时钟线阵优点：

提高象元中心间距；提高信号输出频率；早期有应用，目前不需要。缺点：增大驱动电路面积；增加相位匹配困难；增加固定模式噪声；构成：在四相时钟线阵基础上，在上下两个移位寄存器输出上分别增加两相时钟控制。第36页,共48页，2024年2月25日，星期天1.2SSPA面列阵1.2.1再充电采样型面列阵水平（X）扫描电路列线行线111213142122232431323334单元电路栅漏垂直（Y）扫描电路第37页,共48页，2024年2月25日，星期天1.2SSPA面列阵1.2.1再充电采样型面列阵行回扫采样时间场回扫行采样周期第38页,共48页，2024年2月25日，星期天1.2.2电压采样型面列阵1、电路结构第39页,共48页，2024年2月25日，星期天1.2.2电压采样型面列阵2、电路分析（a）单元电路（b）预充电（c）放大读出特点：有源极跟随放大，视频输出电压大；视频信号为箱形波，AD转换方便；低光照时高电压，高光照时低电压；尖峰噪声叠加在箱形波上，影响较大。复位开关源极跟随选通开关第40页,共48页，2024年2月25日，星期天1.2.2电压采样型面列阵3、工作波形亮区暗区亮区亮区暗区亮区……第41页,共48页，2024年2月25日，星期天1.2.2电压采样型面列阵4、噪声消除方法低噪声扫描电路；去耦合MOSFET；积分电路。第42页,共48页，2024年2月25日，星期天1.3特殊列阵1.3.1环形列阵（a）等效电路（b）几何尺寸（c）工作波形第43页,共48页，2024年2月25日，星期天1.3.2粗光栅位移传感器列阵（a）列阵结构（b）工作波形S

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2Vo第44页,共48页，2024年2月25日，星期天1.3.3x射线探测器列阵（a）x射线探测器结构（b）工作波形光子能量（keV）响应度（10-6C/J/cm2）X射线剂量（J/cm210-6）信号电荷（pC）20keV40keV70keV第45页,共48页，2024年2