（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器的研究.pdf

摘要 本论文是天津市科委重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像 传感器设计”研究工作的一部分。由于c m o s 成熟的工艺和固体图像传感器 技术的研究成果，c m o s 图像传感器发展迅猛，以其功耗低、动态范围宽、 可靠性高、体积小、价格便宜等特点，成为图像处理技术中的关键设备，广 泛应用于摄像机、数码相机、移动通讯产品、安全监控、汽车安全气囊、指 纹识别等领域。该项目的完成可以为设计图像采集和处理方面的专用集成电 路以及实现系统集成奠定坚实的基础，并具有广阔的市场前景。 本人在毕业设计期间主要参加了c m o s 图像传感器的像素设计和部分模 拟信号处理电路的设计工作。本论文着重阐述了双积分双采样像素设计、列 前置放大器设计和a d c 驱动放大器的设计。首先概括了c m o s 图像传感器 的发展动态以及设计中的关键因素；根据项目的应用要求，将c m o s 图像传 感器分成几个模块，并分别计算各模块的性能指标；研究像素的相关概念， 并对像素的噪声分析，通过计算获得像素的输出信号与输入光强的关系，使 用h s p i c e 进行仿真，完成了像素的详细设计；研究放大器的各组成部分，如 电流源、开关电容、共模反馈等电路，根据放大器的特点，选择适当的结构 设计完成两组放大器，使用h s p i c e 进行了仿真；综合所有匹配性版图设计的 规则，并将这些规则运用到项目的版图设计中。h s p i c e 的仿真结果表明，双 采样像素结构能够实现动态范围的扩展；所设计的各级放大器均能够很好的 完成信号的放大，达到模块的性能要求。 本论文具有独创性的工作包括：完成了能够实现动态范围扩展的双采样 像素结构；在较窄的宽度范围内设计了带有密勒补偿的两级运放；设计了带 有共模反馈回路的高速折叠共源共栅放大器。 关键词：c m o s 图像传感器，大动态范围，密勒补偿，固定模式噪声， 共模反馈，折叠共源共栅放大器 a b s t r a c t n l i sp a p e ri sm a i n l ya p a r to fr e s e a r c hw o r ko nap a r a m o u n tp r o j e c tt ot a c k l e i nt i a n j i ns c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m i t t e e “h i g l lp e r f o r m a n c eh i g hd y n a m i c c m o si m a g es e n s o rd e s i g n w i t ht h em a t u r eo fc m o st e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n to fs o l i di m a g es e n s o r ，c m o si m a g es e n s o ro b t a i n sh i g hs p e e d p r o g r e s s e s w i 也t h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，l a r g ed y n a m i cr a n g e ， h i g hr e l i a b i l i t y , h i g hi n t e g r a t i o na n dc h e a p n e s s ，i th a sb e c o m et h ek e yf a c i l i t yo f i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dh a sb e e na p p l i e dt oag r e a tm a n yf i e l d ss u c ha s v i d e oc a m e r a ，d i g i t a lc a m e r a , m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，s a f e g u a r d ，c a ra i r b a ga n d f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h i sp r o j e c tc a ns e t t l eas t r o n g b a s et od e s i g no t h e ra s i c sa n di m p l e m e n ts y s t e mi n t e g r a t i o n ，a n dt h ep r o d u c t s 谢l lh a v eaw i d em a r k e t d u r i n gm yg r a d u a t ed e s i g n ，ih a v et a k e np a r ti nt h ed e s i g no ft h ep i x e la n d p a r to fa n a l o gc i r c u i t s n l ca r t i c l em a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no fd u a li n t e g r a t i o n d u a ls a m p l i n gp i x e l ，c o l u m na m p l i f i e ra n dt h ea d cd r i v i n ga m p l i f i e r f i r s t g e n e r a l i z et h ed e v e l o p m e n to fc m o si m a g es e o s o ra n dk e yf a c t o r si nt h ed e s i g n d i v i d et h es y s t e mi n t os e v e r a lm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n ，a n dc a l c u l a t e t h e i rp e r f o r m a n c et a r g e t s b a s e do nt h ec o n c e p to f p i x e l ，a n a l y z et h en o i s eo f p i x e l ， s i m u l a t et h ec i r c u i tb yh s p i c ea n dg i v et h ep r o c e s so ft h ed e s i g no fp i x e l s t u d y t h ei m p o r t a n tp a r t so fa m p l i f i e r , s u c ha sc u r r e n ts o u r c e ，s w i t c h e dc a p a c i t o ra n d c o m m o n m o d ef e e d b a c k f i n i s ht 1 1 e d e s i g no ft h et w ot y p eo fa m p l i f i e r sw i t h a p p r o p r i a t es t r u c t u r e s ，a n dd os i m u l a t i o nw i t hh s p i c e d e s i g nt h el a y o u to ft h e a n a l o gc i r c u i tb a s e do nt h es t u d yo ft h em a t c h i n gr o l e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sb y h s p i c e i n d i c a t et h a t m u l t i p l es a m p l i n ge n h a n c i n gd y n a m i cr a n g ea n dt h e a m p l i f i e r sc a nw o r kp r o p e r l y , a c h i e v e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h em o d u l e s t h ec r e a t i v ew o r ko ft h i sa r t i c l ei n c l u d e s ：f i n i s h e dt h ec i r c u i td e s i g no fd u a l i n t e g r a t i o nt w os a m p l i n gp i x e lw h i c hh a sl a r g ed y n a m i cr a n g e d e s i g n e dat w o s t a g ea m p l i f i e rw i t hm i l l e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri nn a r r o ws p a c e ，a n dd e s i g n e d a h j 【曲s p e e dc a s c o d ew i t hc o m m o n m o d ef e e d b a c kc i r c u i t k e yw o r d s ：c m o si m a g e s e n s o r , l a r g ed y n a m i cr a n g e ，m i l l e r c o m p e n s a t i o n ，f i x e dp a t t e r nn o i s e ，c o m m o n m o d ef e e d b a c k ， c a s c o d ea m p l i f i e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舟垒喃签字日期：烈年z 月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 郑釜弗导师签名：铱苎才 签字目期：o 年) 月 _ 7 日 签字日期： 口，年工月j - ? 日 第一章概述 第一章概述 1 1c m o s 图像传感器发展概述 c m o s 图像传感器是2 0 世纪7 0 年代在美国航空航天局( n a s a ) 的喷气 推进实验室( j p l ) 诞生的，同c c d 图像传感器几乎是同时起步的。过去， 由于c c d 图像传感器具有光照灵敏度高、噪声低、像元尺寸小等优点，而 c m o s 图像传感器过去存在着像元尺寸大、信噪比小、分辨率低、灵敏度低等 缺点，所以c c d 图像传感器一直主宰着图像传感器市场。但随着标准c m o s 大规模集成电路技术的不断发展，过去c m o s 图像传感器制造工艺中的技术 难关都找到了相应解决的途径，从而大大促进了c m o s 图像传感器发展。 目前，c m o s 图像传感器的高度集成化减小了系统的复杂性，降低了制造 成本，像元仅为普通c c d 图像传感器像元的二十分之一，对获得的图像信息 读出及处理变得简单而快捷，能设计出更灵巧的小型成像系统，它具有功耗低 ( 仅为普通c c d 图像传感器的十分之一) 、像素缺陷率低( 仅为普通c c d 图 像传感器的二十分之一) 、可与其它c m o s 集成电路兼容、对局部像素图像的 编程可随机访问等优点。与其相比，c c d 图像传感器技术难以将光敏单元阵 列、驱动电路及模拟、数字信号处理电路单片集成，要实现模数转换器、精 密放大、存储等功能至少需要两个支持芯片；c c d 阵列驱动脉冲复杂，需要 使用相对高的工作电压；不能与大规模集成电路制造工艺技术兼容”1 。 1 2c m o s 图像传感器的历史、现状和市场前景 图像传感器的发展历史如图l l 所示：1 9 6 5 1 9 7 0 年，i b m 、f a i r c h i l d 等公 司开发了双极和m o s 光电二极管阵列。1 9 7 0 年，贝尔实验室发明了c c d 技术。 图1 1 硅图像传感器发展史中的里程碑 第一章概述 c c d 技术由于具有低噪声、高一致性、低暗电流、高敏感度和高量子效率等优 点，直到今天仍然主宰着固态图像传感器的市场。从1 9 8 5 年到1 9 9 1 年，v l s i v i s i o n 等公司开发了无源像素图像传感器。从1 9 9 2 年到现在，有源像素图像传 感器迅速发展。图像传感器像素阵列的尺寸包括标准格式q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 像素) ， c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) ，v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) ，s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) ，x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) 和 超百万像素的非标准格式( 1 0 2 4 1 0 2 4 ) ，非标准格式一般用在数码相机上【3 】。 由于c m o s 集成电路工艺技术的成熟和固体图像传感器技术的不断发 展，c m o s 图像传感器发展很快，国外各大公司、院校和科研机构纷纷加入 c m o s 图像传感器研制和生产的行业，已经开发出多种类型的c m o s 图像传 感器和以c m o s 图像传感器为核心的摄像器件。到目前为止，国外从事c m o s 图像传感器研制和生产的有美国航空航天局( n a s a ) 喷气推进实验室( j p l ) ， 斯坦福大学、哈佛大学、洛克威尔半导体系统公司、p h o t o b i t 公司、摩托罗拉 公司、贝尔实验室、柯达公司、哥伦比亚大学、加利福尼亚大学、o m n i v i s i o n 、 i n t e l 公司、h p 公司，德国工业大学、西门子、佛劳霍弗尔研究所、韦隆霍韦 尔微电子技术研究所、日本东芝、索尼、奥林巴斯光学工业、三菱电气公司、 迈纳与罗姆公司、浜松公司、n i m e n d o ，以色列t o w e r 半导体公司、p h i l i p s 半 导体公司，比利时大学微电子中心( i m e c ) 、f r a u n h o f e r 微电子大学、h a r v a r d 大学，英国v l s i v i s i o n 、日本丰桥技术科学大学、英国大学、意大利帕维亚大 学电子工程系、韩国现代电子集团、安捷伦科技有限公司( 惠普子公司) 、p i n k l l i l l 公司等等。美国贝尔实验室研制的2 5 6 像元2 5 6 像元c m o s 有源像素传感器 ( c m o s a p s ) 的像元尺寸为2 0 u m x 2 0 u m 在单一5 v 电压下工作，动态范围 可达7 2 d b 。英国爱丁堡v l s i 视频有限公司生产7 8 5 像元5 8 6 像元c m o s 图 像传感器。美国航空航天局喷气推进实验室设计并制造用于彩色相机的1 0 2 4 像元1 0 2 4 像元c m o s a p s 。在国内，西安交通大学、浙江大学、中科院等单 位也开展了c m o s 图像传感器的研制和应用开发工作，但都处于起步阶段。 c m o s 图像传感器与c c d 图像传感器相比，功耗低，体积小，集成度高， 价格低、噪声低、动态范围宽、宽光谱灵敏度、能大批量生产、容易实现商品 化，适用于超微型数码相机、便携式可视电话、p c 机电脑眼、可视门铃、扫 描仪、摄像机、手表式相机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指 纹认证等图像领域。例如，目前我国的可视门铃或可视电话都是c c d 非隐蔽 式的，随着治安要求的不断提高，为确保门外或室内外的摄像系统不被破坏， 在室内外安装隐蔽式摄像系统将成为家用消费系统的主流趋势。c m o s 图像传 感器的功耗小，配以高效可充电电池，即使全天候工作，也不会引起电路过热、 导致图像质量变差。而c m o s 图像传感器还有一个优点，光谱敏感范围在近 第一章概述 红外光波比可见光的灵敏度高出5 倍6 倍，配蚍适当红外照明，具有更好的 夜视功能，这对侦破和反犯罪活动非常有用。再加上c m o s 图像传感器耗电 量小，成本低，像素缺陷率低等优势，只要开发出c c d 图像传感器技术可以 达到的应用领域的c m o s 图像传感器产品，就可以方便地取代c c d 图像传感 器的市场。 1 3 设计c m o s 图像传感器的关键因素 失配是设计模拟v l s i 系统最主要的限制因素，也是c m o s 图像传感器设计 的关键因素。失配可以认为是分布在图像传感器面积上的空间噪声。失配产生的 空间噪声主要影响c m o s 图像传感器的动态范围和精度。增加器件的尺寸可以 减小失配。但在图像传感器中，增加器件的尺寸不仅会导致功耗的增加，而且会 减小像素的填充率( 敏感度) 和图像的分辨率。因此在设计图像传感器时，要考 虑这些参数的平衡。c m o s 电路主要的失配源为：制造过程中工艺和光刻造成的 器件尺寸的变化、器件掺杂浓度的变化和m o s 器件表面效应( 栅氧化层陷阱电 荷和表面态) 造成的闽值电压的变化。器件尺寸的变化可以通过增加器件的尺寸 来减小( 但要减小填充因子和分辨率) ；掺杂浓度的变化是工艺造成的，不能通 过增加器件的尺寸减小；闽值电压的变化是m o s 器件所特有的特性。m o s 器件 的特性依赖于下面的参数：l 、晶体管的尺寸。失配与晶体管的面积成反比。2 、 晶体管的距离。为了减小晶体管之间的失配，我们要将图像传感器的版图尽量做 得紧凑。3 、晶体管电流的大小。失配直接依赖于流过晶体管的电流，因此晶体 管的工作模式( 弱反型或强反型) 决定光敏阵列失配的大小。 1 4 选题的目的及意义 由于视频的应用越来越广泛，有力地促进了图像采集和处理系统的快速发 展，而图像传感器是该系统的核心。c c d 技术虽然在视频领域仍然占据主流， 但由于其存在一些固有的缺陷，而且c m o s 技术日趋成熟，这使c m o s 图像传 感器的设计成为可能。c m o s 图像传感器的高度集成化减小了系统的复杂性，降 低了制造成本，使采集到的图像信息的读出及处理变得简单而快捷，有利于设计 出更灵巧的小型摄像系统，它还具有单一工作电压、低功耗、与c m o s 电路兼 容、对局部图像随机访问等优点。国外一些公司和科研机构已经开发出多种类型 的c m o s 图像传感器和以c m o s 图像传感器为核心的摄像系统。国内很多科研 单位也展开了c m o s 图像传感器的研制和应用开发工作，但部处于起步阶段。 天津大学专用集成电路设计中心在李斌桥教授的帮助下展开了c m o s 图像 天津大学专用集成电路设计中心在李斌桥教授的帮助下展开了c m o s 图像 第一章概述 传感器的研究工作。我们的研究主要分为两个方向：一个是针对汽车安全气囊的 应用，该图像传感器要求大动态范围、高速度( 2 0 0 帧秒) ；另一个是普通视频 的应用，该应用对c m o s 图像传感器要求是高分辨率、低成本、视频( 3 0 帧 秒) 应用。随着研究工作的进展，该项目得到了天津大学9 8 5 工程和天津市科委 的支持，是天津市重点科技攻关项目。本论文主要研究像素部分以及部分模拟信 号处理电路，像素部分是c m o s 图像传感器的信号来源，它的性能直接决定着 整个图像传感器的性能，模拟信号处理电路决定像素信号处理的好坏，对整个 c m o s 图像传感器系统的性能具有重要的作用。 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 2 1c m o s 图像传感器的总述及应用 本课题所涉及的c m o s 图像传感器主要是应用在汽车保护气囊的探测设备。 由于这种探测器工作的光强条件是从最黑的夜晚到最明亮的太阳直射的中午，因 此要求传感器的动态范围大，大约为1 0 0 d b 到1 2 0 d b 。使用对数像素可以做到这 点，但是这种传感器的像素之间的对比度小，而且很难消除噪声。另一个方法是 多次曝光，每次曝光有不同的积分时间，每种积分时间对应着不同的信号范围， 因此曝光的次数越多，信号的总的动态范围就越大。但在实际应用中，当曝光次 数超过两次，每个像素需要多次读出数据，而且需要在传感器芯片上集成或芯片 外做一个很大的寄存器把各个相应的数据做运算才能得到最后的输出结果，这种 处理方式会降低图像传感器的速度。如果采用两次曝光，则很容易将两次曝光后 像素的输出结果存储在像素的内部结点，经处理后再读出，这样可以大幅度地提 高传感器的速度。鉴于对c m o s 图像传感器的分析及其应用要求，本设计采用 双采样的像素结构和单帧读出双采样的信号处理方式以提高运算速度。 传感器系统设计指标如下： 1 、1 0 2 4 x 7 6 8 的像素阵列： 2 、1 2 3 5 u m 1 2 3 5 u r n 的像元大小，3 0 的填充因子； 3 、双积分双采样的时序控制和存储结构； 4 、像素阵列的感光速度为2 0 0 帧每秒； 5 、2 0 m h z 的双端信号读出速度； 6 、数字可编程增益； 7 、1 0 b i t 片上集成a d c ； 8 ：1 0 0 d b 1 2 0 d b 的大动态范围； 9 、功耗小于1 5 w 。 2 2c m o s 传感器各模块的设计 2 2 1 模块划分 为方便c m o s 图像传感器的设计，根据传感器对信号处理功能的不同，把 图像传感器划分为以下几个模块： l 、感光的像素阵列，实现双采样双端同时输出。根据像素的粗略版图设计， 取像素的尺寸为1 2 3 5 u m x1 2 3 5 u m ； 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 2 、列前置放大器，对每列像素的差分输出信号进行处理，增益是可选择的： 1 倍或者4 倍； 3 、a d c 驱动放大器，高速放大器对每1 2 8 路列前置放大器的输出信号进行 处理，增益是可选择的：1 倍或者0 5 倍； 4 、差分输入的1 0 b i t 模数转换器； 5 、时钟生成模块，包括像素读出控制，放大器控制电路，a d c 读出电路； 6 、偏置电压生成模块，生成各模拟电路模块所需要的偏置电压。 模拟电路部分的整体示意图如图2 1 所示。其中，v p r 是像素的复位电平， 图2 - 1 模拟电路整体结构图 其电位的高低可以根据像素的输出电压范围的要求来进行调节；d i o d e 是感光二 极管；s 1 、s 2 是控制像素长积分时间和短积分时间的开关；q 、c ：分别是存 储长短积分电荷的等效结点电容；a 1 是每列像素共用的列前置放大器；a 2 是高 速a d c 驱动放大器；a d c 是模数转换电路，输出1 0 位数字信号。 2 2 2 像素部分 一、像素部分电路分析 像素单元，即像元电路如图2 2 所示，像元电路主要包括以下部分： 1 、一个大的光电二极管，它的主要作用是收集光生电子。光电二极管的面 积要尽量大以增加量子效率( o e ) ，尽量使光电二极管的电容小，这样可以增大 光电转换效率； 2 、复位管。复位管由时钟p r 控制，它的作用是在像素曝光之前首先对像 素的光电二极管进行复位； 3 、由m 2 、m 3 管组成的像元内置单位增益高阻抗放大器。由于该放大器的 数量较多，在设计时应减少其功耗，以减少芯片的功耗； 6 第二章e m o s 图像传感器的系统结构设计 哿diode g n d v i d 图2 - 2 像素单元电路图 4 、两个电压存储单元c 。l 、c 1 1 2 和由时钟s 1 、s 2 控制的采样保持管。存储 单元c 。l 和c i l 2 是靠其结点处的寄生电容来实现的，两个时序控制电路的时序是 分开控制的，这样可以通过调节长短积分的时间来控制像素的动态范围； 5 、两个带有选择开关的列放大器，主要功能是把存储结点的电压转移到列 总线，像素阵列通过s e l 时钟每次选择一行像素的信号进行处理。 二、像素阵列功耗的考虑 由于像素阵列的像元总数是8 0 万，而每个像元内都有一个内置的跟随放大 器，所以减少这个放大器的功耗相当重要。通过调节偏置电压的大小使该放大器 的电流源管工作在亚阈值区，可以将该电路的电流减小到1 u a ，但是即使这么小 的电流也使得整个像素阵列的电流在8 0 0 m a ，因此设计中对偏置电压v l d 使用 时钟控制，可以将像素阵列的功耗减小到5 以内。 三、像素像元设计 因为像素阵列感光速度是2 0 0 帧每秒，那么每帧像素处理的时间是5 m s ，可 以对像素的时序作如图2 3 的设计。长积分时间选择为4 8 m s ，短积分时间为 1 5 0 u s 。v l d 的高电平是0 6 v ，其余的高电平为3 3 v ，所有的低电平为0 v 。 p r k jl i1 _ 1 s 1 s 2 厂 。j l v l d 一- _ l 图2 - 3 像素时序图 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 2 2 3 列前置放大器部分 一、列前置放大器功能设计 每列像素的输出信号都共用一个差分放大器进行放大，差分放大器有1 倍和 4 倍的增益选择。差分放大器的作用是消除两路像素输出信号之间的共模信号成 分，即消除噪声，这样像素输出信号经过列前置放大器处理后的信号是两路差分 输出信号的差，而不再是信号的绝对电压值。采用f p n 开关管消除放大器的固定 模式噪声，即减小放大器的直流偏移误差。 虽然本级放大器整体上是全差分结构，但由于其个数较多，不宜采用带有复 杂共模反馈回路的全差分放大器，而是使用两个差分放大器组合在一起完成全差 分放大器的功能。放大器的开关电容电路结构框图如图2 - 4 所示，其中a 是差分 输入单端输出放大器；c 小c i 。是放大器的输入电容：c o p l 、c o p 2 、c 。1 、c o n 2 是 放大器进行电荷转移的电容；a c c 、r e a d 、r s t 是控制电荷转移的开关，f p n 是消除 f p n 噪声的开关；g a i n 是进行增益选择的开关：v c o , ，、p 0 ：是像素的差分输出信 号；v o l p 、v 0 1 n 是放大器的差分输出信号；v r e f 是放大器的共模电平。列前置 图2 - 4 列前置放大器结构框图 a c c 厂 f o n 广 r s t 厂 r e a d 厂 厂一 图2 - 5 列前置放大器时序图 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 放大器的时序关系如图2 5 所示。控制信号a c e 先有效，将电压信号p 。、p 乙：读 入电容c i p 、c 小然后r e a d 信号有效，将c i ”c ，。上的电压读出到保持电容并输 出经放大器处理后的信号。 整个放大器的传输函数可以表示为式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 1 v o l p = f + 4 ( 2 一】+ j m l ) ( 2 - 1 ) g o i = f 名矿一4 ( f 0 2 一，o l + 芦舭护1 ) ( 2 2 ) 其中，是列前置放大器的正向输出，。是列前置放大器的负正向输出； 是列前置放大器的共模电平；以。，是由开关馈通效应产生的误差；4 是放大器 的增益。那么输出的差分电压可以表示为 g o 】d = v o j ，一l = a j ( 1 0 2 一f o l + 笋小护1 ) ( 2 3 ) 在实际的芯片中，由于放大器的差分支路并不能保证完全相同，那么在实际 放大器中放大器的差分输入端有十几毫伏甚至更多的误差，在本电路设计可以消 除这种电压的偏移量。设没有电压偏移时的电平是y 赫，有电压转移后的电平是 ，电荷转移达到平衡时输入端的电平是，对于输入信号p 乙，、：进行 处理，根据电荷守恒得式( 2 4 ) 、( 2 5 ) ( 胜f 一矿删1 ) c ，= ( v t 匝f 一) c ，+ ( p 矗f 一p 0 1 ) c 。 ( 2 - 4 ) ( p 矗f y 0 2 ) c 。= ( y 矗f 一) c ，+ ( p 矗f 一一y 0 2 ) - c 。 ( 2 5 ) 将以上两式相减得 ( 2 一，) c 。= ( f 2 - ，) - 巴 ( 2 - 6 ) 可以得到输出电压的差为 r 1 圪。一n = ( ，：一圪，) ( 2 7 ) l d 从式( 2 7 ) 可以看出，输出信号的差值仅仅与输入信号和外围电路的电容有关， 消除了各列信号的处理电路。的不同造成的固定模式噪声。 二、放大器的速度计算 由于每列像素共用一个列前置放大器，因此对每帧信号进行处理的过程中， 列前置放大器需要处理7 6 8 组像素的信号，即在长积分的过程中处理7 6 8 组信号， 则要求放大器处理一组信号的最小速度是： v = 4 m s 7 6 8 = 6 2 5 u s ( 2 8 ) 但由于列前置放大器1 2 8 列共用一个a d c 的高速驱动放大器，要求列前置放大 9 第二章o i o s 图像传感器的系统结构设计 器在保持时间内，后级将所有的1 2 8 路信号处理完成，因此需要增大列前置放大 器的速度，鉴于功耗和面积的考虑，将列前置放大器的速度设定在几百纳秒。本 设计取2 0 0 n s ，下面计算放大器的带宽。 根据a d c 的位数是1 0 b i t ，对于摆幅是1 v 的信号，很容易得到放大器需要 精确到大约l m v ，相当于精确到千分之一，根据公式( 2 8 ) ， l er 0 0 0 1( 2 9 ) 所需要的时间是7 r = 2 0 0 n s ，其中f = 1 8 。，所以 b n2 2 赢= 3 5 m h z 。1 0 ) 因此列前置放大器设计的原则是在保持功耗不会明显增加的前提下，放大器的单 位增益带宽要达到3 5 m h z 以上。 2 2 4a d o 驱动放大器 一、a d o 驱动放大器功能设计 a d c 驱动放大器是高速放大器，要处理1 2 8 路列前置放大器的输出信号， 其负载能力要比列前置放大器大，为确保很高的精度，a d c 的开关电容较大。 该放大器采用全差分放大器，即双端输入双端输出放大器，这种放大器必须有共 模反馈电路来稳定电路的直流工作点。放大器的开关电容结构示意图如图2 - 6 所 图2 - 6a d c 驱动放大器结构框图 删2 厂 m u x 2 r - 图2 7a d c 驱动放大器时序图 l o v o z v v 0 2 1 4 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 示。所采用的时序关系图如图2 7 所示。其电压转换方程如式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 所示。 1 2 p = 矿0 2 + 爿2 ( 2 一口l + 以 2 ) ( 2 一1 1 ) 二 1 2 = 名h 2 一爿2 ( u r 2 一厅2 1 + 万肌俨2 ) ( 2 1 2 ) 二 其中p 乙：是共模电平。根据电荷守恒计算放大器的输入输出的关系式，电荷转移 达到平衡时输入端的电平是，对于输入信号v o ，。、v o 。进行处理，根据电荷守 恒得式( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) ， ( p 乙z k - ，) _ c ，= ( 0 2 一) c ，+ ( y 乙2 一v o ：，) c 。 ( 2 1 3 ) ( p 0 2 一圪，) _ c 。= ( 矿山：一) c ，+ ( p o2 一v 0 2 。) - c 。 ( 2 1 4 ) 将以上两式相减得 ( k l p 一圪1 。) c i = ( v 0 2 p v 0 2 ) c o 可以得到输出电压的差值 v 0 2 p - ：”= 百c i ，( k - ，一 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 二、放大器的速度计算 1 2 8 路列前置放大器共用一个a d c 驱动放大器，要求a d c 驱动放大器的速 度高，在前置放大器的保持阶段处理1 0 2 4 8 = 1 2 8 列信号，即该放大器处理一组 信号的时间为 丁：( 6 2 5 p s 一2 0 0 ”5 况q ：4 7 h s ( 一1 7 ) z - i 1 一 1 2 8 一 “6 、 为了达到1 0 b i t 的输出的精度，由( 2 9 ) 式可知，需要放大器满足丁 定裕度情况下取f 约为6 n s ，因此放大器的单位增益带宽为 b n = 二= “1 7 0 m h z fo n s 为了满足指标要求，a d c 驱动放大器的最小单位增益带宽为1 7 0 m h z ，而且在 设计放大器时需要留有一定裕度，将放大器的带宽设计的比最小带宽大。 2 2 5 模数转换器 流水线a d c l 4 是由重复的模块组成，每个模块都有量化( 模数转换) ，减法 放大功能，因此流水线a d c 的各级都是重复着同样的工作。流水线a d c 中的 每一个模块中包含着一个采样保持电路来保持模拟输入信号或余数信号，这就 一 ” 在 订 第二章c m o s 图像传感器的系统结构设计 使得当第二级对第一级的余数进行处理的时候，第一级可以同时处理新的采样输 入；这与普通的子区间a d c 是不同的，普通的子区间a d c 必须在所有级都完 成量化操作时才可以处理下一次的采样。因为流水线a d c 的第一级在完成对一 个信号的采样量化后可立即对新采样进行处理，所以极大地提高了数据吞吐率。 所设计的流水线a d c 的模块结构如图2 - 8 所示口】：它由四级相类似的模块 级联组成，各级内部的模数转换是并行( 四组并行a d c ) 的，每一级完成一次 低分辨率的量化( 假设量化出n 位的数字量) ；接着对量化输出的数字量进行数 模转换得到己经完成转换的模拟量，然后将该模拟量从初始的输入信号中减去并 将余差信号放大2 ”1 倍以备下一级转换，这一系列功能都由m d a c ( m u l t i p l y i n g d a c ) 模块完成；数字纠错逻辑( d i g i t a lc o r r e c t i o nl o g i c ) 将各级输出的数字量 同步后组合在一起并进行校正处理，然后输出十位的数字量而完成转换。流水线 a d c 中的每一级都具有采样，保持( s h ) 功能，因此可允许各级并行操作，这 样在每个时钟周期都有转换完成的数据输出。 d o u t 9 ：0 图2 - 8t 0 位流水线a d c 的结构图 第三章像素设计 3 1 像素的相关概念 第三章像素设计 一、光吸收和光生成 光子在通过原子时，把电子从束缚状态激发到自由状态，完成光能向电能的 转化。当光子的能量大于带隙能量e 。时，原子中价带的电子通过吸收光子可以 进入导带，这样光子在被吸收的同时也就生成了一对电子空穴对，而对于波长超 过丑= h c 。e 。l 6 的光子，原子是不会吸收的。光子的波长与吸收效率和穿透深 度的关系如图3 1 所示。 波k l l l u ) 图3 - 1 吸收系数、穿透深度与波长的关系 光子吸收系数盯决定光在一定波长情况下，照在一定的物质上时被吸收的光 的波长范围。因此一定波长的光照在光电探测器上时，产生电子空穴对以及产生 的光电流的大小是由光子吸收系数决定的。光的穿透深度是指光强变为表面光强 的1 e 时到表面的距离。由l a m b e r t b e e r s 定律 i ( y 、= l o e 一” ( 3 1 ) 可知，光子吸收系数还决定光在半导体材料中的渗透深度，其中，厶是材料表面 的光强，y 是距离表面的距离。由图3 一l 可以看出蓝光( 4 5 0 n m ) 和红光( 7 5 0 n m ) 的渗透深度分别为0 2 a n 和1 0 c o n 。 二、量子效率( o f ) 在耗尽区中，由于复合的速度远小于漂移速度，光生电子空穴对将被内部电 场收集，而所有在耗尽区外面的光生电子空穴对将被扩散区收集而不会漂移。在 图3 2 中( 1 ) 区中由于高的注入浓度导致高的复合率，使得载流子的寿命减少。 由于此区域中的光生载流子会减少被收集的电荷与光子的比例，即减小了量子效 第三章像素设计 率。当光的波长较短时，光子主要在( 1 ) 区被吸收，当光的波长比较长时，光 子会在硅中的各个方向渗透，而不只是向耗尽区，这减小了量子效率。由于在一 般的半导体材料中，少数载流子的扩散速度远小于载流子的漂移速度，因此( 2 ) 区的光生载流子的收集速度要比耗尽区的低。因此，由于载流子的扩散速度比较 慢，( 1 ) 区、( 2 ) 区的载流子复合较多，这使得量子效率降低。在高速时，( 1 ) 区、( 2 ) 区的载流子来不及扩散到耗尽区，也来不及漂移到扩散区，因此量子效 率也会降低，所以量子效率还依赖于工作的频率。 p 图3 - 2p n 结剖面图 ) 耋 三、无源像素 像素分为两种，一种是有源像素( a p s ) ，一种是无源像素( p p s ) 7 1 。无源 像素是指像素包括一个光电二极管和一个选择管。每列像素都有各自的电压积分 放大器读出电路，它可以保持读出时列信号电压保持不变。由于无源像素的结构 简单，像素内只有一个选择管，所以其填充因子( f i l lf a c t o r ) 很大，这使得量子 效率很高。但是无源像素主要的问题是：负载电容过大引起了读出速度慢和噪声 水平高。 四、有源像素 有源像素是指在像素的每个像元里都有一个有源放大器。有源像素在像元内 使用电压跟随器以减小填充因子为代价来提高像素性能。由于电压跟随器的存 在，一般的像素的填充因子都很小，从而使得光转化为信号的能力减弱，但由于 每个像素的负载电容都很小，所以读出噪声水平很低，而且动态范围比较大，信 噪比( s n r ) 也较高。 3 2 像素中的噪声源 第三章像素设计 噪声可以分为随机噪声和模式噪声。随机噪声指的是从帧到帧都具有随机性 的噪声信号，可以通过对连续帧求平均值消除。模式噪声是受空间影响而产生的 噪声，它不随着帧的变化而变化，因此不能通过对连续帧求平均来消除。模式噪 声又可以分为固定模式噪声( f p n ) 和光响应非一致性( p 鼢叫) 。固定模式噪声 是在没有光照的条件下测得的模式噪声，它主要受到探测器的尺寸、掺杂浓度、 制作过程中的沾污和m o s f e t s 的特性( v t h ，增益，w ，l 等) 影响。c m o s 图 像传感器中的f p n 主要来源于复位、缓冲和列电路中m o s f e t 闽值电压v 廿l 的 变化，f p n 也产生于时钟不规则引起积分时间的变化。在非常大的阵列中，复位 总线电阻引起的压降可以导致像素复位电压微小的变化。p r n u 与时间无关，但 与信号有关。p r n u 的值依赖于探测器的尺寸、掺杂浓度、覆盖层的厚度和光照 的波长。固定模式噪声是c m o s 图像传感器的发展过程中主要的限制因素。 3 2 1 热噪声 热噪声是由电子的随机运动引起的，是像素最基本的误差源。由于它在每次 采样中都不同，很难对其进行校正，但可以通过增大器件尺寸减少热噪声。然而 对于固定的输入带宽，这会增加功耗。电阻的热噪声为：k = 4 七珏幔。这里r 是电阻值，b 是噪声等效带宽。由于噪声覆盖整个频率范围，所以b 由实际测量 带宽决定。热噪声电流为：i r = 4 4 k t b r 。由m o s f e t 的沟道电阻产生的噪声 电压为巧= 4 女死璩。p 一般来说热噪声的功率谱密度与( w 三) 。1 成正比，但 也依赖于流经该器件的电流。通常热噪声用电子噪声密度表示( n e d ) 【8 】： n e d = 【e 。( ，) c ，q 2 ( 3 - 2 ) e 。( f ) 是输出端总等效输出电压，包括影响增益的所有因素，如晶体管尺寸、 漏源电流等，c 。是输入端总的电容，包括扩散电容、栅电容等。 3 2 2 散粒噪声 散粒噪声是产生于电子分立存在的一种白噪声。散粒噪声是耗尽区热生载流 子( 暗电流) 或光子随机到达产生的电子空穴对。散粒噪声方均根信号为 i = 2 9 k b ，如果噪声是柏松分布，方差等于均值f 2 = i 。暗电流密度j d 砒。在 面积为a ，积分时间为t i n t 的传感器中，散粒噪声方差为 力k = n m = ，女m a t n q ( 3 - 3 ) 光生散粒噪声方差为 胛肿2 = 聆肿= ，如。一，血 ( 3 4 ) 这里l i o 是光子流( 光子c m 2 s ) ，t 1 是量子效率。总的散粒噪声为 第三章像素设计 t s h o t = 属：了石= 扛历：= 了= i 口再而石 ( 3 1 5 ) 与光相关的散粒噪声无法减小。与暗电流相关的散粒噪声可以通过改变掺杂浓度 减小暗电流，但这会降低量子效率。像素有较小的暗电流，因此散粒噪声较小， 但像素的侧壁暗电流比较显著。通常散粒噪声不是像素设计的限制因素。 3 2 3k t c 噪声 一v r e s e t 慨。，仓垫c 戢一v r e s 。，f 试c 交流等效电路输出噪声电压为：巧= 4 t 乃限，带宽为b =