（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器.pdf

复旦大学硕士学位论文 摘要 近年来消费电子市场迅速膨胀，数码相机等多媒体设备已经成为新兴的 大众消费热点。随着c mo s 工艺技术和设计水平的不断进步，数码相机中传 统的c c d 图像传感器己越来越受到价格低廉、性能优良的c mo s 图像传感器的 巨大挑战。c m o s 图像传感器和标准c m o s 工艺完全兼容的优点使得片上相机 ( c a m e r a - o n - c h i p ) 时 代就要来临。 本 文采用c s m c 标准的 c m o s 0 .6 p 。 工艺 设计一 个 3 2 0 x 2 4 0 像素分辨率、具 有高动态范围的c mo s 图像传感器。该c mo s 图像传感器采用了读出速度很快 的集成像素级a d c 的体系结构，从而容易实现对读出速度要求较高的多次采样 技术，达到较高的动态范围。 本文首先从器件噪声的角度分析c mo s 图像传感器中的几个重要噪声来 源，并且描述了这些噪声模型;然后通过建立c m o s 图像传感器的行为级 模型考察了几种图像传感器动态范围增强技术;接着阐述集成像素级a d c 的c m o s 图像传感器电路设计和用单个比较器实现像素级a d c 的方法;最后对 前面的分析和设计进行仿真验证。 关键字:数码相机、c mo s 图像传感器、动态范围、数模转换器 摘要 r e c e n t l y t h e m a r k e t o f c o n s u m e r e l e c t r o n i c s e x p a n d s v e r y r a p i d l y , d i g it a l c a m e r as h a v e b e c o m e mo r e a n d m o r e p o p u l a r . a s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e c mo s t e c h n o l o g y a n d t h e d e s i g n m e t h o d o lo g y , t r a d i t i o n a l c c d i m a g e s e n s o r s u s e d i n d i g i t a l c a m e r as a r e b e i n g t r e m e n d o u s l y c h a l l e n g e d 勿 l o w - c o s t g o o d - p e r f o r m a n c e c mo s i m a g e s e n s o r s . d u e t o c mo s i m a g e s e n s o r s f u l l c o m p a t i b i li t y w i t h c mo s t e c h n o l o g y , t h e t i m e o f c a m e r a o n - c h i p i s c o m i n g . t h i s t h e s is d e s c r i b e s a 3 2 0 x 2 4 0 w id e - d y n a m i c - r a n g e c mo s i m a g e s e n s o r u s i n g c s mc s t a n d a r d c m o s 0 .6 p m p r o c e s s . b e c a u s e t h i s im a g e s e n s o r a d o p t s a s t r u c t u r e , w h i c h i n t e g r a t e s p i x e l - l e v e l a d c a n d w o r k v e r y f a s t , i t i s e asy t o i m p l e m e n t t h e m u l t i p l e s a m p li n g t e c h n i q u e s a n d o b t a i n w i d e 衡n a m i c r a n g e . i n t h is t h e s i s , w e fi r s t a n a l y z e s e v e r a l m a j o r n o i s e s o u r c e s i n c mo s i m a g e s e n s o r s a n d d e s c r i b e t h e i r m o d e l s . t h e n s e v e r a l t e c h n i q u e s , w h i c h e n h a n c e t h e d y n a m i c r a n g e o f c m o s i m a g e s e n s o r s , a r e e x a m i n e d u s i n g b e h a v i o r a l m o d e ls o f c mo s i m a g e s e n s o r s . a n d t h e n , w e d e s c r i b e a c m o s i m a g e s e n s o r w i t h p i x e l- l e v e l a d c , w h i c h i s i m p l e m e n t e d b y a s i n g l e c o m p a r a t o r . a t l ast , w e c h e c k o u t o u r a n a l y s i s a n d d e s ig n b y s i m u l a t i o n s . 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 c c d和c mos 图像传感器 当今社会处在信息时代，获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需 特别是近年来，随着多媒体市场的迅速成长和i n t e r n e t 的快速普及，人们对 ，上0 l要 消费电子等的需求非常旺盛，数码相机和数字视频等多媒体设备己经成为新兴 的大众消费热点。图1 . 1 中显示的是一个典型数码相机的系统框图: 图1 . 1 : 数码相机系统 上图的数码相机系统是这样工作的:相机镜头聚焦拍摄的图像后，图像光 线通过颜色滤波阵列 ( c f a )照射到图像传感器阵列上，图像传感器阵列将这 些光信号转换成模拟的电信号;然后通过模拟图像处理模块即相关的两次采样 ( c d s )、自 动增益控制 ( a g c )、 数模转换 ( a d c )等把模拟的电 信号转换 成数字信号;最后进行大量的数字信号处理比如颜色处理、图像压缩、图像增 强等后就可以得到图像的数字图像。如今市场需求的迅速增长有力地推动着数 码相机和数字视频等技术不断进步。众多厂商为了抢占市场份额，正在抓紧时 间研发低成本、低功耗、高性能数码相机，其中将数码相机所有功能单片集成 是它的重要发展趋势。不过目前的技术水平还不能够完全做到数码相机的单片 集成，而是将一些重要模块分别集成在不同的芯片上，然后通过印刷电路板 ( p c b )把它们集成为一个数码相机系统。从图1 . 2 我们可以看到数码相机系统 的发展趋势1 i 2 1 , 目 前主流数码相机中的图像传感器大多采用的是电荷藕合器件 ( c c d )， 这是由于c c d 图像传感器具有较高的量子效率、较好的噪声特性以及较低的 暗电流等优点。图1 . 3 所示的是一个被广泛应用的c c d 图像传感器的系统框 图 (1 1 ， 它是按这样方式工作的: 首先光电 探测器在曝光时间里把光电 流转换成 电荷并积累起来，然后在读出时间内这些积累的电荷先后转移到纵向和横向 第一章 引言 imagesensor 另外c c d 图 像传感器读出时间内是在高电压处进行翻转，其功耗也较高;最重要的还在 于c c d 制造工艺复杂，难于单片集成，因此图像传感器面积和成本较高。为了 能够适应便携式和嵌入式图像系统的需要，同时也为了实现低成本、 低功耗、 高性能数码相机的目 标;c mo s 图像传感器以其功耗较低、读出速度较快、可 任意读出、易于单片集成等优点日 益受到重视。虽然c m o s 图像传感器的噪声 水平、量子效率、暗电流等性能较c c d 还有些差距，目前c mo s 图像传感器还 主要在低端市场，如p c 摄像头、电子玩具等。但是随着c mo s 工艺技术的不断 发展c mo s 图像传感器性能也将不断提高，于是从图1 .4 可以看到，在不远的未 来c m o s 图像传感器将成为c c d 图像传感器的替代者。 复旦大学硕士学位论文 2 0 0 , 0 0 0 1 8 0 , 0 0 0 1 6 0 , 0 0 0 1 4 0 , 0 0 0 1 2 0 , 0 0 0 1 0 0 ,0 0 0 8 0 , 0 0 0 6 0 , 0 0 0 4 0 ,0 0 0 2 0 ,0 0 0 0 的-n妇osp月5二0二卜 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 丫 e a r 图 1 . 4 : c c d 和c mo s 图像传感器占有率对比 1 . 2 c mo s 图像传感器的发展历程 c mo s 图像传感器技术自上世纪6 0 年代后期开始发展至今出现了很多结 构，但是一般而言它们都可以归为以下三种类型的c mo s 图像传感器:无源 像素传感器 ( p p s )、有源像素传感器 ( a p s )和数字像素传感器 ( d p s )。 早在上世纪6 0 年代后期，g . we c k l e r 就提出了无源像素传感器结构的c mo s 图 像传感器14 1 15 1 ;这种结构至今几乎没有发生较大变化，它的无源像素结构如 图 1 .5 ( a ) 所示:它包括一个光电 二极管和一个 m o s 开关管。当 m o s 开关管开 启，光电二极管连接到 “ b i t ”总线上，并且通过 “ b i t ”总线末端的电荷积累 放大器 ( c i a ) 将积累的电荷转换为电压信号。可以看到无源像素结构简单、 面积很小、有很大的 “ f i l l f a c t o r ，但同时这种结构读出噪声较大，而且当 图像传感器规模不断增大后，总线上电容相应增加传感器读出速度大大降低。 正是由于这些缺点，无源像素传感器结构逐渐没落，而被新的有源像素传感器 结 构 所替 代。图 1 侧b ) 所示的 是有 源像素 传感器结 构: 它包括 光电 二 极管、 复 位管、有源放大管和读出管;由于这种结构相对无源像素传感器结构在像素单 元里增加了有源放大管，于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快;另外 由于有源放大管仅仅在读出状态下才工作，它的功耗也较小;但是有源像素传 感器在提高性能的同时也付出了增加像素单元面积和减小 “ f i l l f a c t o r ”的代 价13 1 16 1 . 上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出为模拟信号，于 是它们又通称为模拟像素传感器。近年来，美国s t a n f o r d 大学最早提出了一种新 的c m o s 图像传感器结构一一数字像素传感器 ( d p s )，即它在像素单元里集 成了 a d c 和 存储单 元， 如图 1 .5 ( c ) 所 示。由 于 这 种结 构的 像 素 单 元读出 为 数 字 信 号，这样其他电路都为数字逻辑，因此数字像素传感器的读出速度极快，非常 适合高速应用;而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干 第一章 引言 扰。另外由于它充分利用了数字电路优点，因此它很容易随着c m o s 工艺的 进 步而进 行等比 例缩小 ( s c a l i n g d o w n ) ， 性能也 将很快达到并 超过 c c d 图 像传感 器， 并 且实 现 数 码相 机 系 统的 单 片集 成 ( c a m e r a - o n - c h i p ) ( a ) 无源像素 传感器 r e set 月 vdo w ord ( b ) 有源像素传感器 a d c 卜 州 m e m o ry 乒 ( c ) 数字像素 传感器 图1 . 5 : c mo s 图像传感器结构 图像传感器芯片中有三种集成a d c 的方法:首先是图像传感器集成芯片 级a d c ，由于这个a d c 需要服务整块芯片，于是对它的速度要求非常高，在 视频应用场合典型需要每秒几十兆次的转换速度(7 1 ，图1 .6 所示的是集成芯片 复旦大学硕士学位论文 级a d c 的图 像传感器结构框图。第二种方法是图像传感器集成列级a d c 即在传 感器阵列底部集成一排a d c ,侮个a d c 并行负责一列或者几列传感器，这样芯 片对a d c 的速度要求大为降低(8 9 1 ，图1 .6 所示的是集成列级a d c 的图像传感器 结构框图。 一 r- - - - i - . 一 一 一 了 一 言 一 言 一 言 一 空t t t! o u t p u t mu x aoc d igitalo utp ut 图 1 . s : 集成芯片级a d c 的图像传感器 . . 一卜一4 一卜 - 二寻 一十 一 一1 - - - - l - - - - t - - - - i - 一 4 一 ad ad c ic adc adc mux d igitalo u tput 图 1 . 7 : 集成列a d c 的图像传感器 第三种方法是图像传感器集成像素级a d c ，即每个a d c 仅仅负责一个或 者几个像素模块叫 p 1 1 1 2 1 ，因此芯片对a d c 的速度要求非常低并且跟图像传感 器的 像素规模无关，比 如对于3 0 帧/ 秒的视频信号， a d c 的 转换速度也仅仅需 要 3 0 次 / 秒。由 于 所 有 a d c 是并 行工 作的 而 且 像素 读出 为 数字 信号， 因 此 集 成 像 素级a d c 图像传感器有很快的读出速度，适合高速应用。本论文介绍的就是这 样一种结构的c mo s 图像传感器，它的系统框图如图4 . 1 所示二 5 第一章 引言 1 . 3 光电二极管 光电探测器是c m o s 图象传感器中用于探测光信号和转换为电流信号的器 件;因此它的性能直接影响c mo s 图像传感器输出图像的质量。光电探测器种 类很多比如光电二极管、光电三极管、光栅等，本论文采用的是光电探测器为 光电二极管，于是本小节将着重讨论光电二极管的性质。 光电二极管的半导体光电效应如图1 .8 所示。当用波长足够短的光照射半导 体 ( 即光子的能量大于半导体的禁带能量)，半导体中电子空穴对接受光子能 量受激，使得电子从价带向导带跃迁 ( 同时空穴还留在价带内)，若这种受激 产生的空穴电子对发生在p n 结的耗尽区内，耗尽区的内建电场会使载流子作定 向运动，从而产生光电流。对于硅材料的光电二极管，它的禁带宽度为l l e v . 即当小于等效为1 1 0 0 n m 波长的光线照射硅材料时，就会产生光电 流。 n 训 自盛幻 拍 日 c t 吟 k i 4 i璐 班吻) 响 图 1 .8 : 光电二极管光电效应 光电二极管的性质我们一般从以下几个方面进行考察: 1 ) 光谱灵敏特性( s p e c t r a l r e s p o n s i v i t y ) 光谱灵敏度的定义是指光电流的大小与照射到器件上的光能量的比值，它的表 达式是: r r e s ( r e s p o n s i v i t y ) =1 ( a m p e r e s ) i l ( w a t t s ) 光电二极管的灵敏度对不同的波长光线是不一样的，我们通常感兴趣的光的波 长范围大约为3 0 0 - 1 1 0 0 n m。对一般硅光电二极管，最灵敏的光波长区域一般处 在8 5 0 -1 0 0 0 n m范围，这是由于光电二极管的价带和导带能带位置所决定的。 当我们采用标准的c mo s 工艺实现的光电二极管，由于在二极管的表面会有氧 化层，不同的厚度的氧化层使光电二极管表现出不同的光谱灵敏度。因此可以 看出光电二极管的性能是随着不同的工艺条件而有所变化。当然我们也可以利 用这种性质，通过不同的覆盖物使光电二极管的光谱响应满足我们的要求; 另外因为对于紫外线即波长低于1 0 0 n m 的光线，会对光电二极管的表面产生损 坏，使得它的光谱灵敏性降低。于是可以通过覆盖玻璃片对光电二极管进行保 护，因为一般的玻璃片可以吸收波长低于3 0 0 n m 的光线。还需要注意的是:同 时增加反偏电压时光电二极管的光谱灵敏度也随之增加。这是因为p n 结的耗尽 复旦大学硕士学位论文 区宽度随反偏电压增加而增加。 根据前面光电 效应的解释，也就是说产生受激 的电子空穴对增加了，结果光电流也随之增加。 2 )响应时间 响应时间由快慢两部分组成。较快的部分是由于载流子在耗尽区内建电场作用 下作定向运动到达电极，而较慢的部分是基区少数载流子通过扩散机制到达 电极。在图1 .9 可以分辨出响应时间的两部分。在反偏的情况下，光电二极管 对9 0 0 n m 或更短波长的光的上升时间可以 达到2 n s ，而对1 0 6 0 n m 波长的光，上升 时间大约是1 5 n s . f ig u ro 式 习 知o f rr m 娜b i u c n 如 r a x r s e a d 图 1 . 9 : 反偏电压对响应时间的影响 可以看到:反偏电压越大，内建电场越强，于是较快部分处在主宰位置 反之，较慢部分更多一些。 3 )结电容 根据p n 结在反向偏置时的结电 容表达式1 3 1 . 。 ，g e e p n q , 1 / 2 (i p d 一 h l2 ( v + , ,) 1 ( 1 . 1 ) 上 式 中 a 代表 工艺 常 数， 肠是结 的 反 偏电 压， n 是 扩散 浓 度， 垂 是 p n 结的 内 建 电势。可以 看出结电容的大小由二极管的面积和偏置电压所决定。从后面的分 析可以看到，光电二极管的寄生电容随偏置电压变化而变化是c mo s 图像传感 器的非线性的一个重要原因。 4 ) 噪声和暗电流 光电二极管分辨率与它的噪声直接相关:当光电流大小小于几倍噪声方差的时 候，它就会被噪声所湮灭。因此光电二级管有最小可 探测的光强，我们可以 通 过 把 噪 声 等效到 照 射光的 功率 ( n o i s e e q u iv a l e n t p o w e r ) 来 表征 光电 二 极管 的 对 光功率的最小分辨率: n e p=n o i s e c v r r e n t ( a ) / r e s p o n s i v i t y ( a / w)( 1 .2 ) 第一章 引言 根据光电二极管的光谱灵敏特性，可以知道n e p 跟光的波长有关。因此当我们 描述n e p 的时候需要说明是针对哪一种特定波长的光信号。反偏的硅光电二极 管噪声主要有由散粒噪声和热噪声组成，具体的光电二极管的噪声模型我们将 在2 .3 里阐述。光电二极管的暗电流是由于非光电效应所激发 ( 可以是热激发 等)的电子空穴对而造成的泄漏电流。很明显暗电流的大小随着温度的增加而 增加。 又_n a c t iv e a r e a _ 一 d 吵吵 r e g i 竺 _/ l义 p s u b s t r a t e 图1 . 1 0 : n 十 / p 衬底 光电 二 极 管的 纵向 图 考虑到本论文所采用的c s m c 标准双阱c m o s 0 .即。 工艺，选择的光电二 极管结构为 很普遍的 n 十 / p 衬底的结构， 它能 够在硅片n 阱内 实现，图 1 . 1 0 所示 的为该光电二极管的纵向图。由于标准的c mo s 工艺流程固定，于是设计者为 了满足设计要求而对光电二极管性能进行控制的手段只有:反偏电 压的大小、 光电二极管的面积和形状。 1 . 4 论文的组织 本论文的目标为设计一个3 2 0 x 2 4 0 像素分辨率、具有高动态范围 的c mo s 图像传感器。为了实现这个 目标，我们首先从理论出发分析 了c mo s 图像传感器中噪声来源及其影响;然后讨论了几种c mo s 图像传感 器的动态范围增强技术的优劣;随后根据前面理论指导，设计了一个集成像素 级a d c 的c mo s 图像传感器:最后进行电路级的仿真验证。本文是按这样的方 式进行组织的: . 第二章先从器件角度阐述c m o s 图像传感器中的几个重要噪声来源，并且 描述了光电二极管和m o s 管的噪声模型:随后从图像传感器工作模式角度 来分析噪声源对c mo s 图象传感器的影响; . 第三章开始简单的介绍了一些c m o s 图像传感器的主要性能参数;然后通 过对c mo s 图像传感器的行为级模型来估计图像传感器的 参数指标，为设 计性能优良的c mo s 传感器提供参考;最后着重分析比较了两种提高图像 传感器动态范围的技术; . 第四章首先介绍一种3 2 0 x 2 4 0 像素分辨率的数字像素传感器体系结构;然 后详细阐述了像素级a d c 的算法和设计;接着还介绍了像素模块中其他子 复旦大学硕士学位论文 电路单元;最后比较了集成芯片级a d c 的a p s 、集成列级a d c 的a p s 和集 成像素级a d c 的d p s 三种结构的c mo s 图像传感器的工作速度; .第五章主要是电路的仿真验证，版图设计以及根据仿真结果得到c mo s 图 像传感器的性能。 第二章 c m o s 图像传感器中的噪声分析 第二章c mos 图像传感器中的噪声分析 2 . 1 引言 噪声广义上指的是除了信号以外其他形式的扰动。集成电路里噪声有许多 类型，我们大体上可以根据其产生的原因把它们分为器件电子噪声和 “ 环境” 噪声。器件的电子噪声是由于器件本身的物理性质造成的，在c mo s 图像传感 器中一般包括热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、暗电流:“ 环境”噪声则是指电 路受到电源、地线、衬底等的随机干扰，或者环境温度变化、时钟抖动、电磁 干扰等。各种噪声通过外围电路祸合到传感器阵列而损坏图象传感器性能。其 中 “ 环境”噪声可以通过设计者良 好的电路设计而被很好地压制，不会对传感 器的性能产生重要的影响。比如在图像传感器的版图设计过程中，添加保护环 来增加芯片对电源波动的抗干扰能力;又如设计者也可以使用低相位噪声的时 钟来减少时钟抖动对图像传感器性能的影响。与此同时，器件所固有的噪声却 很难被压制，从而成为了c mo s 图象传感器性能的最基本的限制因素。 本章所 要讨论的几种噪声类型就都属于c mo s 图像传感器中器件所固有的电子噪声。 本章接下来是按照这样的方式来安排的:首先从器件角度阐述c m o s 图像 传感器中的几个重要噪声来源，并且描述了光电二极管和mo s 管的噪声模型; 然后从图像传感器工作模式角度来分析噪声源对c mo s 图象传感器的影响;最 后对c mo s 图像传感器中的噪声分析进行小结。 2 . 2 2 . 2 . 1 c mo s 图像传感器中的基本噪声源 热噪声 热噪声的产生机制是导体中被热激发的载流子进行不规则布朗运动所产生 的随机电流，通过欧姆定律就产生了随机电压。热噪声可视为白噪声，实际上 热噪声的功率谱密度 ( p s d )在高达1 0 0 t h z 的频率下都是平坦的，只在更高的 频率范围时 才开始下降; 对我们来说，白 噪声模型己 经足够精确了 1 5 1 。 假设电 阻 r 在 特定温度下的 r m s 噪声电 压为 瓦， 与此对应的 r m s 噪声电 流为 砚 ，电 阻 r 的 热噪声模型如图2 . 1 所示，其中 瓦和ti n 可分别表示为: 嵘 = 4 k t r 0 f % 2_e n _ 4 k t a f 月l儿 ( 2 . 1 ) ( 2 .2 ) 因 此我 们可以 大致 算出 1 k 欧 姆的电 阻的 r m s 的 功 率谱 密 度约为 4 n v / 至 于 m o s 管 的 热 噪 声， a . v a n d e r z i e l 认 为 它 是由 漏电 流 噪 声 i 豁 和 栅 极 噪 了 h z o 声 i 2 ， 构 成1 s ! 口前者是由于场效应管可视为压控电阻表现出热噪声的性质，它的理论表 复旦大学硕士学位论文 r 芝 ( + ) i. 1之哥|内丫| r一气 图 2 . 1 :电阻热噪声模型 达式是: i 2. ,= 4 k t 7 9 d o z ,f ( 2 . 3 ) 上式中9 d o 是冷s 为零时的 漏源电导;参数7 在饱和条件下， 长沟道器件一般可取 为 2 / 3 ， 但是对短沟道器件，它的 典型值则是2 - 3 。 后者的 产生原因 在于沟道电 压的变化藕合到栅极上，而产生栅极噪声电流，它可表达为: 例 i 2n g= 上式中参数。 在长沟道器件里为 4 / 3 , 4 k t o 7 g g a f 一 般是 y 的两倍 而 9 9 则为 w 2 g 2g s 9 9=一 二 - - 一 0 9 d o ( 2 .5 ) 显然，栅极噪声电流的功率谱密度并不是常数，而是随着mo s 管的工作频率增 加而增加，我们把这种噪声称为 “ 蓝噪声”;m o s 管的栅极噪声模型如图2 .2 所 不 o 图 2 . 2 ( b ) 所示的 是一 个串 联 r c 网 络， 它是 m o s 管 栅 极噪声 另外 一种 表达形 式 。 如 果 假 设 该 网 络 的 品 质 因 子 较 高 ， 于 是 可 以 推 出 与 ， zr g , v n g 的 表 达 式 分 别 为 : 1 q 2 +1 1 1 1 一9 9 一q 2 s g d o ( 2 .6 ) 1-场 4 k t o r , o f 上式可以 看到 r . 与 m o s 管的工 作频率无关 析。 ( 2 .7 ) 这方便了我们的对噪声电路的分 2 . 2 . 2 散粒噪声 散粒噪声的产生机制是当电流流过势垒的时候，载流子翻越势垒的时间的 不一致产生了不连续的电流脉冲。这些载流子翻越势垒时间的随机性，使得散 粒噪声也表现为白噪声。可见散粒噪声的产生需要条件:1 )有势垒;2 )有电 流通过它。当 mo s 管工作在饱和区，只有直流的栅极漏电流对散粒噪声有贡 第二章 c m o s 图像传感器中的噪声分析 g a 七 +)编 每g g 宁 c g, sou r ce ( a ) 栅极噪声的电 流模型 g a 七 so u rce ( b ) 栅极嗓声的电 压模型 图2 . 2 : m o s 管栅极噪声模型 献，但是通常由于栅极电流太小，散粒噪声是可以忽略。但是在二极管或三极 管中， p n 结上的电 流对散粒噪声都有贡献，因 此这时散粒噪声不能忽略的。 事 实上，散粒噪声的r m s 噪声电流可以表示为: 甭 =2 4 i d c 0 f ( 2 .8 ) 由 上 式 可以 估 计: 当 i d c 为 1 m a 时 ， 散 粒噪 声 的 r m s 噪 声电 流 约 为 1 8 p a 八 / 不; 它的噪声模型可以如图?所示。 二 县万 图 2 . 3 : 散粒噪声模型 2 . 2 . 3 闪烁噪声 闪烁噪声广泛存在于各种器件里，由于它的功率谱密度跟频率的倒数有 关， 所以 人们通常又称它为“ 1 / f 噪声。 关于闪 烁噪声产生的 普遍机制 还没有 发现，但是它通常跟电子器件表面性质有关，因此mo s 管的闪烁噪声远比双极 器件要大的多。在mo s 管中，电 荷捕获机制是产生闪烁噪声的一种重要机制: 在mo s 管的栅氧化层和硅衬底的界面处有许多的 “ 悬挂键”，这是由晶体里的 缺陷和杂质所引起的;这些 “ 悬挂键”产生了额外的能态，可以随机的俘获或 者释放经过该界面的载流子，从而在漏电流中产生了“ 闪烁”噪声。在mo s 管 复旦大学硕士学位论文 中 1 / fl* 声电 流平均功率可以 表示成: g 22 wl c _ f( 2 . 9 ) 其中k 是一个与工艺相关的常量，在较好的工艺条件下，半导体的缺陷、杂质 等较少可以使k 值降低;同时从上式可以看出:减少闪烁噪声的另一种方法就 是增加器件的面积。 2 . 2 . 4 暗电流 暗电流是指电探测器产生的与半导体光电效应无关的漏电流，它可能是由 于热激发或其他机制产生的空穴电 子对的 形成的， 它通常用 二 a / 二2 来衡量。 对 硅光电二极管，暗电流大小与温度和器件的掺杂浓度强烈相关:事实上，暗电 流随着温度每升高8 - 1 0 度而增加一倍。下面表格显示了几种常见器件的暗电流 大小: 表 2 . 1 : 器件的暗电流的典型值 器件1 暗电流大小 传统c c d 高端c c d 传统c mo s 改进c mo s 1 0 一 5 0 0 p a / c 7 n 2 1 p a / c m 2 1 n a / c m 2 1 0 一1 0 0 p a / c 7 n 2 2 . 3 光电 二极管和mo s 管的噪声模型 本小节将介绍在c mo s 图像传感器中普遍使用的器件:光电二极管 和m o s 场效应管的噪声模型。 2 . 3 . 1 mo s 管的噪声 模型 从上节的分析我们可以看到， mo s 管里的噪声源主要有:沟道热噪声、栅 极热噪声、闪烁噪声。一般而言，对于传统的模拟电路，mo s 管一般工作在饱 和区 域，它的噪声模型如图 2 .4 所式1 7 2 0 1 . 其 中 磕和 、 可 分 别 见 公 式 俘 7 ) 和 俘 6 ) ; 而 i nn d ln,j 可 以 表 示 成 为 : g . wl 2l c o x 了+4 k t y g d o ,l 了( 2 . 1 0 ) k一f 一- 一儡 第二章 c m o s 图像 传感器中的 噪声 分析 图2 . 4 : mo s 管的噪声模型 当然mo s 管的噪声模型还跟它的工作点有关，在c mo s 图像传感器上的应用情 况下，mo s 管可能不只是工作在饱和区域。为了方便在c mo s 图像传感器中分 析，mo s 管的噪声模型可以如图2 . 5 所示。 + )d ,又 + ) i , ( t ) t + )i 2 w 图 2 . 5 : mo s 管在c m o s 图像传感器里的噪声模型 一般来说， mo s 管的栅极热噪声是可以忽略的;上图中 纽 为m o s 管的漏电 流，i i 和1 2 分别为热噪声 ( 或散粒噪声) 和闪烁噪声所引起的噪声电 流， 它们的 平均功率表达式可如下表示: 乃，二 4 k t ( 盖 9 - ) ,l f 4 k tr q f 9 i d lf s a t u r a t i o n l i n e a r s u b t h r e s h o l d ( 2 . 1 1 ) 9 m wl 嗽 了( 2 . 1 2 ) k-f 一一 凡 上式中包含了 线性区的电阻r : _函 ,i a 儿=， 一 二澎 口 么 d _ w ( u 端二 下 t v g s o 一v t ) ) 儿 ( 2 .1 3 ) 在亚域值区mo s 管的漏电流: z d= 生 ，- 业- r 2 三 场 互 ”亡 ( 1 一 。 一 赞 )( 2 . 1 4 ) 这里、 可以从下面的公式计算得出: k二二 cc- c o x +c d e p l e t i - ( 2 . 1 5 ) 复旦大学硕士学位论文 2 . 3 . 2 光电 二极管的噪声模型 在1 . 3 节中我们曾 经介绍了光电二级管的结构和性质，在这里我们主要是对 它的噪声特性进行分析并建立它的噪声模型。光电二极管的噪声主要有散粒噪 声 和1 / f 噪声，它的噪声模型如图 2 .6 所示: +) p h + d c ( 个 ) ， ， ( ， ) ( + ) ， 2 ( ， ) 图 2 . 6 : 光电二级管的噪声模型 在这里我们忽略了 光电 二极管的热噪声， 上图中 h 和几 分别为散粒噪 声和闪 烁噪声所引起的噪声电流，它们的平均功率表达式可如下表示: 2 q ( i p h + i d s ) , , f k ilf “ pil凡 上面公式中。 .5 9 - 1 ， 于是 节点 v s 处的 电 导 9 1 约 等于 9 d 1 ; 于 是我 们可以 计算出 公式( 2 . 2 0 ) : v ,? = kt (c p d + c s ) 十 9 ( i p h + z d c ) 2 9 d 1 ( c v d +几) ( 2 . 2 3 ) 从公式俘2 3 ) 中可以 看出: 第一项是由 m o s 管 m 1 的 热噪声所引起的，第二项是 由光电二极管的散粒噪声所引起的。需要注意的是我们在上面的推倒过程中假 设了 c p d 是 常 数， 当 我 们 要 考虑 c p d 随 光电 二 极 管的 偏置电 压 变化的 情况 ， 我 们 就不能 够使用频域分析方法，而是要采用时域的方法进行分析，可以参照2 1 第 三章进行推导。 上面关于复位噪声的 分析实际 上忽略了“ 1 l f ; 噪声的影响， 根据“ 1 l f 噪 声的 功率谱密度 ( 2 , 1 7 ) 和图 2 .8 所示的噪声 模型， 可以 得到由 于“ i 厅” 噪声 所产生的复位噪声能量: _p + 0 0 h2/ f v1 =l - 一 一 ， 一 二 一 一 - ， 一 一 一 : ， - ， 一 : 丁 ， o f j i l t, s i +( c s 2 7r f +( ;p d 2 7 r y ) - ( 2 .2 4 ) 上式积分下限取1 / t r 作为噪声的转折频率是比较随意的做法，但是确实 很 难 确定 m o s 管 噪声的 转折频率， 准确确定“ i l f 噪声到目 前为止 仍旧 是个 难点;而且公式 ( 2 . 2 4 )是积分运算比较复杂，于是可以通过一些数学软件 如m a t l a b 等进行数值求解。幸运的是， 根据典型情况所求得 + 1 / f ” 噪声占 复位噪声的比例较小;再考虑到本论文采用的工艺 c s m c 0 .6 p m 的模型文件没 有给出“ 1 厅” 参数，因此本文后面不予考虑由 于“ 1 灯” 噪声造成的复位噪 声。 第二章 c m o s 图像传感器中的噪声分析 2 . 4 . 2 图像拖尾 当c mo s 传感器复位结束后，节点讥处并不是为一恒定电平，而是随着上 次电压输出有微小变化，这种情况称之为图像拖尾。图像拖尾一般通过像素点 复位后残留的电荷与完全复位电荷的比值来衡量，它是光照强度的函数。产生 图像拖尾的原因是由于复位时间较短，从而使得节点v , 处没有充分建立所造成 的。 针对图2 . 8 的像素模块情况:由 于当电 平磷。 、 取v d d 时，则m1 在复位情况下 处于亚m值状态，完全复位所需时间较长2 1 ，一般来说复位的时间并不足以 使 节点v电平完全复位。于是节点v s 处的复位后电平和复位前电平有关如图2 .9 所 不 ， td ark-dark 一 ! b r i g h t - d a r kb r i g h t - b r i g h t 5势jo召c净 ti me ti me 图 2 . 9 : 在四种不同光照情况下v s 电压和时间的关系 可以看到:当复位前的一帧为弱光照的情况，复位后节点v s 处电平是不 一致的;但是当复位前的一 帧为强光照的情况，复位后节点v , 处电 平却是一致 的。这是因为:当复位前的一帧为弱光照时，节点姚电平下降较小，m1 管始 终处在亚ii l 值区域，由于复位时间并不足以使节点v完全复位，那么复位后节 点 v 9 电平是跟复位前电平相关;当复位前的一帧为强光照时，节点v s 电平下降 较大，复位期间m1 管刚开始处在线性区域，到达某一电平后又处于亚阐值区 域:由 于 m 1 管在线性区域建立极快，于是节点 讥 在极短时间内 进入亚阐值区 域。对于不同强光照的情况下，m1 处于亚阐值区域时间几乎相等，于是复位后 节点 v电 平是跟复位前电 平无关， 没有图 像拖尾现象发生。 在本论文应用中电平磷 。 取v d d 一1 ,所以复位器件m1 管总是处在线性区 域，从而也就不存在图像拖尾的现象发生。 复旦大学硕士学位论文 2 . 4 . 3 积分噪声 当c mo s 传感器处在曝光工作条件下，光电二极管的光电流在采样保持电 容上进行积累，从而将光信号转变成光电 压。在这个过程中，光电二极管的闪 烁噪 声成为 噪声的 主 要来 源。 我 们假设 c p d 为常 数， 在积分时间 为 t i n : 时 刻， 节 点v , 的噪声电压为 v . ( t i n s )=( 2 .2 5 ) 于是在t i 、 时刻噪声电压平方均值: v 2 ( t i n t )= t.nt overlin el.2 dtjo c pd + c 9 ti , r 2 dtc pd + c e ( 2 . 2 6 ) 其中 r n 是光电二极管的散粒噪声电 流的自 相关函 数，根据光电二极管的散粒噪 声 公式( 2 . 1 6 ) ， 可以 得到: v 2 ( t i n t )= 9 ( i p h + i d c ) t i n t ( c p d +c , ) 2 ( 2 . 2 7 ) 同 样需要注意的是我们在上面的 推倒过程中 假设了 伟 是常数，当 我们要考 虑 c p d 随 光电 二极 管的 偏置电 压变 化的 情 况， 我 们需 要采用时 域的 方 法进 行 分析，可以参照!? 第三章进行推导。当 c s 是节点v s 的电 容的主要部分或者节 点v的电压变化不大，上式对积分噪声的估计近似的较好。 4 .4 读出噪声 将输出信号读出过程所产生的噪声，称之为读出噪声。当积分步骤结束 数字像素传感器中每个像素级的 a d c 就会将节点v e 处的电压信号转换成为 2.后 数字信号，再由读出电路将数字信号读出。在这过程中数模转换过程中 将会产 生量化噪声，a d c 电路也会引起噪声。对于一个n 位的量化器，相邻输出间隔 为: 二 fs 2 n一1 ( 2 .2 8 ) 其中 f s 表示转换器的满幅量程。对于量化噪声，它可以认为在频域均匀分布的 白 噪声，于是量化噪声的平均功率p e 为: 1 f 0 / 2。 _a 2 p e = 二 j e d e =下 。 j 一 / 2土 ( 2 .2 9 ) 第二章 c m o s 图像传感器中的噪声分析 2 . 4 . 5 固定模式噪声 c mo s 图像传感器的固定模式噪声是指在均匀光照条件下，由于器件或者 互连线的失配造成在不同位置上像素点输出的偏差。具体针对如图2 . 7 像素模块 来说，固定模式噪声是由于m1 的尺寸和阐值、光电二极管、光学孔径、采样电 容、 a d c 内管子等的失配所造成的9 1 。从后面一章分析可以看到:f p n 一般可 以 通过相关的两次采样而大大的降低。但是暗电流的失配是不能够通过相关的 两次采样进行消除，因此它成为最重要的 f p n 来源。影响暗电流失配的原因是 光电二极管本身的暗点流几 失配和v s 节点电容的失配所造成的，容易分析:由 光电二极管本身的暗点流失配所引起的f p n 可以表示为: f 尸 n i , = i d t i n t d l d ( 2 .3 0 ) 可以假设，曝光时间t i、 为3 0 m s . c s i d 节点v s 处的电容为1 0 0 t.暗电流的 失配为2 0 % ，同时根据表格2 . 1 ，可以估计暗电流i d a r k 为1 f a ;于是可以得 到 f p n , , 约为 。 0 6 m v 。同理可以 得到由 节点 v s 处的电 容失配所造成的 f p n 可 以表示为: f 尸 n c . = ( i p h +l d ) t i n t o c s c s c s ( 2 . 3 1 ) 和前面相同的假设，另外再假设节点v s 处电容c 。 的失配为2 %，光电 流 几 、 为 1 p a因此可以 得到 f p 从、 等于 6 m v ， 这个值显然太大，我们不能接 受。 为了 减小 这种 f p n ， 我 们可以 从 公式( 2 .3 1 ) 中的 几 h t i、 项 得 到启发， 图 像 传感器采用的相关两次采样技术应该使用采样时间较短的两次采样，这样就可 以 减小 t in : 即 减小了 f p 凡， ， 但是 无疑 对传感器的 读出 速 度要求增加。 2 . 5 小结 在这样典型条件下: t=3 0 0 k , t i . t =1 o m s , i d = 1 f a , c s = 1 0 0 f f ，复 位噪声和积分噪声的大小可以根据公式 ( 2 .2 3 )和公式 ( 2 . 2 7 )计算得到， 图2 . 1 0 是复位噪声和积分噪声和光电 流的关系曲线。 从图2 . 1 0 可以看到: 1 . 当 光电 流 z y h 大 于 几百 fa 时 ， 积分电 流 是 c m o s 图 像 传 感 器 器 件噪 声 的 主 要 部分; 2 . 复位噪声基木保持不变， 也就是复位噪声主要由 k t / c 构成，因 此复 位噪 声 也被 称为 k t / c 噪声。 复旦大学硕士学位论文 7.3wk.fpn/ / r帅了 g , i mf ，霭atu n im y s 惬尔盘田万之 图2 . 1 0 : 复位噪声和积分噪声 前面分析知道读出噪声就是a d c 的量化噪声。典型情况a d c 转换8 位， 并且a d c