（电路与系统专业论文）cmos图像传感器系统设计.pdf

摘要 c m o s 图像传感器是一种基于c m o s 工艺的技术，在近十年来得到了快速 的发展，它通过集成的模拟和数字电路对图像进行采集、传输、处理以及输出。 这种技术相比较于其他类型的图像传感技术，具有高集成度、低功耗、低成本、 功能强大等优点，是一种有着广阔前景的技术。 本文以光电鼠标的应用为背景，设计了一个c m o s 图像传感器系统的主要 部分，包括像素阵列、相关二次采样电路、模数转换电路和带隙基准电路。 像素阵列是一个1 6 1 6 的像素阵列，像素单元采用有源像素传感器。像素阵 列采用逐行扫描的方式采样，实现每秒3 1 2 5 帧的输出。像素阵列每行的扫描结 果并行传输到相关二次采样电路，这是一个l 1 6 的阵列，每个相关二次采样电 路单元对应一列像素单元，它存储像素单元在充电周期和积分周期的采样值，并 输出它们的差值，消除像素单元的固定模式噪声。相关二次采样电路的输出串行 输入到模数转换电路，将模拟的电压值转换为数字信号。模数转换电路采用流水 线式的结构，包括具有单端输入，差动输出功能的采样保持电路和九级的子电路， 前八级子电路使用1 5 位级的结构，最后一级使用两个比较器实现，每个输入值 被转换为1 8 位的二进制代码，通过数字纠正技术最终实现1 0 位的输出，按照前 端电路的应用要求，这个模数转换器实现1 3 3 m h z 的采样速率。通过输入有限 个采样点来测试这个模数转换电路的静态性能，其积分非线性和差动非线性均小 于1 l s b 。带隙基准电路为整个系统提供基准电平，它使用两个在c m o s 工艺中 寄生的p n p 型的双极性晶体管，通过运算放大器的反馈实现独立于温度和电压 的带隙基准电压，在使用理想电阻的情况下仿真，其精度达到1 6 6 p p m 。 像素阵列的扫描方式使用多采样技术可以提高传感器动态范围2 ”倍，相关 二次采样技术消除了像素单元之间的固定模式噪声，使用流水线式的模数转换器 可以实现好的分辨率、速度和面积等的折衷。通过晶体管级电路的实现与仿真， 系统各部分的性能满足设计与应用的要求。 关键词：c m o s 图像传感器、多采样、相关二次采样、固定模式噪声、流水线 a b s t r a c t c m o si l l l a g es e n s o r i st 1 1 et e c h n o l o g yb a s e do nc m o sp r o c e s s ，m a k i n gg r e a ip r o 辨s si n r e c e n tt e ny e 缸s i ts a m p l e s ，t r a l l s m i t s ，p r o c e s s e s 吼de 坤o i = t s 打n a g e su s i gi n t 。g r a t e dd i 磐t a l 蛐d a n a l o gc i r c u hc o m p a r i gt oo t h e ri 1 1 l 坞es e n s o r s ，i th a st 1 1 eb e e 丘t so f h i g hi n t e 口a t i 蚰，l o w p o w e r ，l o wc o s ta n dp o w e r f u lf i i n c t i o n ，a n dh a sb r o a dp m s p e c t t h ep f i i n a r yp a f t so fac m o si m a g es e n s o rs y s t e ma r ed e s 远田e di t h j s p 印e r b 鹕e do n _ 【h e a p p d i c 撕o no fo p 恤a ln l o u s e 】li n c l u d e sp 诬e la my ，c o r i 1 a d o d o u b l es a m p l e ( c d s ) c i r c l l i t ， a n a l 0 哥t o d i g i t a lc o i e n e r o 如c ) 姐db 神d g a pr e f e r e n c e t h e r em1 6 1 6p i x e lu n i 协i np i x e la r r a y ，a n dp 政e lu n i ti sa c l i v ep i x e ls e n s o lp 呔e 1a i r a y i ss a m p k d i nt h er o w - b y _ r o ww a y ，a n di h eo u t p u ti s3 1 2 5 丘a m e s ，s 1 kr o ws a 唧1 e si p i x e la r r a y a r ct 砌s n l i t t e dp a f a l l e u yt oc d s ，a1 1 6 a 玎a y _ e v e r ) ，u n i to fc d sc o r r e s p o n d st oac o l u m no f p i x e lu n i t s ，s t o r a g e st h es a m p l e so fs 呦p l ep h a 蚰di n t e 可a np h a s eo fp i x e ll l l l 媳e x p o n st h e i r d i f 匏r e n c e s ，a n d h c ec a n 1 st 1 1 e 触e dp a t t e mn o i s e ( 刚) t h eo u l p u 协o fc d s 盯et r a n s m i t t e d r i e s l yt oa d c ，蛐dm ea n a l o gv o l t a g ei sc o n v e r t e di n t od i g i t a ls i 弘a lt l h ea d ci sp i p e l i l l e d ， i n d u d i n gas i n g i e i n p u 枷j 位鹏n c e - o u t p u ts a n l p k h o l dc i r c u i t 姐dn i es t a g es u b c i r c u n s t h e p r e c e d i n ge i g h ts t a g e sa r e1 5 b i 鼬t a g c ，锄dt l l el a s ts t a g ec o n s i s t so f 咖c o m p a r a c o r s e v e r y i 印u ts a m p l ei s 咖v e n e d 血o1 8b i t sb i n a r ys i 印a l s ，姐dt l l e s eb i n a r ys 岫a l sa r ec o n v e r l e di l l c o 1 0b i t sb i l i a r ys i g l l a l s 衄o u g hd i g i t a lc o r r e c 如nc i f c 衄n ea d c ss a i n 口1 em i ei s1 3 3 瑚b 勰e d o nt h er e q u i r e m e n to fp r e c e d i gc i r c u i 协s t a t i cs i u l a t i o ns h o w st l l e 斟la dd n l a r cb o t hl e s s t l l a n1 l s bb y 邱u t 崦l i i n i ts a m p i e sl oa d c b a n d g a pr c f e r e n c cp r o v i d e sr e f e r e n c ev o n a g ef o r o v e r a uc i r c u i t s 】tu s i n g 忡op 啪s m cp n pb j ni i lc m o sp r o c e s sc r e a t s r e f e r c n c ev o l t a g e i n d 印e n d to fc e m p e r a t u r e 托dp o w e rs u p p l yb yo pa m pf c e d b a c k n es i m i l l a t i o no f 血eb 柚d g a p f e f b r e n c eu s i n gi d e a in s i s t e 玎i ss h o 碍，st h a tn 5p r e d s i o nj s1 6 6p p n l t h ed y a n l i cr a n g eo ft h es e n s o ri sj 1 1 c r e a s e db y2 ”l l s i n gm u l t i s a i n p l e 1 h ef p ni s c a n c e e du s i n gc d s 1 k p i p e l i ea d ch a st h e9 0 0 d 仃a d e o 船o ff e s o l u d o n ，s a m d l ef a t ea n da r e a t h es i m u l a d o ns h o w s 山a tt h ep e r f o m a n c eo fd e s i 印e d 打a n s i s t o r - l e v e lc i r c u i ta c c o r d sw i t ht h e a p p l i c a o nr e q u i r e i n t s k e 即o r d ：c m o si m a g es e n s o lm u l t 汹m p l e ，c o r r e l a t i o nd o u b l es 锄出胁e dp a t t e m i s e p i d e l i n e d 浙江大学硕士学位论文c m 0 s 图像传感器系统设计 l 绪论 c m o s 图像传感器是一嵇近十年来快速发展起来的技术，本章概要遗介绍了 c m o s 国像传感器的发暖情况和特点，第1 1 节介绍7 鹜像传感器的辩类疑各自 的特点：第1 2 节叙述7 c m o s 图像传感器匏瘟用；第1 3 节介绍7 c m o s 固像 传感器的类銎包括有源像素传感器帮无源像素传感器， 1 1 图像传感器的分类及特点 图像传感器( i i n a g es e 璐o r ) 是一种针对于图像的采集、传输、处理及输出 的功能器件，它由可以完成各个处理功能的模块组成，其中以图像的采集部分最 为关键，这一模块的性能优劣很大程度上决定了图像的质量好坏，因而图像传感 器的分类也主要是根据这部分使用的电路技术而决定。 1 1 1 电荷注入器件 电荷注入器件( c h a 唱ei n j e c t i o d e v i c e ，c ) 一般来说是介于电荷耦合器 件( c h a r g ec o u p l e d e v i c e ，c c d ) 和光门( p h o t og a t e ，p g ) 之间的一种技术。 由于电荷注入器件在相邻级的电荷传输方式上更像电荷耦合器件，因而通常不把 它看作真正的c m o s 器件。这种技术的唯一的特点是它能实现信号的无损耗读 出，因此，它能做到多次读出相同的信号，并对这些信号进行求平均( a v e r a 西n g ) 1 的操作，这种求平均的操作能够减少随机噪声喜：倍，其中n 是信号求平均的 q n 次数。这种方法的缺点是因信号多次读出而花费相当多的时间以及暗电流的限 制。电荷注入器件的每个像素中包括两个m o s 电容，它们通过共用一个栅( g a t e ) 来实现连接，或通过扩散区( d i f c i i s i o ) 连接。 电荷注入器件的工作过程如图1 1 所示，图1 1 ( a ) 是对信号进行积分，图 1 1 ( b ) 显示通过改变控制电压实现信号的无损耗读出，图1 1 ( c ) 实现连续的 信号积分，然后再读出，这种积分读出循环的次数根据需要设置，当最后一个 信号读出完成，如图1 1 ( d ) 所示，两个控制电平都变低，释放电荷，准备下一 浙江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 个信号采样。 5 v1 0 v 二兰= - _ 上 5 v 0 v = 兰 _ j | 一 1 1 2 电荷调制器件 5 v1 0 v 二土二 上- 图1 1 ：电荷注入器件的工作过程 0 v0 v = 生 _ 上_ 一 电荷调制器件( c h a 培em o d u l a t i o nd e v i c e ，c m d ) 实质上是光m o s f e t ( p h o t o - m o s f e t ) ，m o s f e t 是m e t a l 一o x i d e s e m i c o n d u c t o r f i e l de f r e c tt r a n s i g t o r 的缩写，即金属氧化物半导体场效应晶体管。电荷调制器件的截面图如图1 2 所 不o | ：j n + 她q s 淞f i vl 卅il + + + l n - l a y e r p s u b 图1 2 ：电荷调制器件感光部分截面图 其工作原理是，当入射光进入硅片，光子的能量注入产生了电子空穴对 ( e l e c t m n h o l ep a i r ) ，其中空穴被器件的栅极( 图1 2 中的g ( ) ) 收集从而 改变有效的栅电压，进而调制流入m o s f e t 的电流。由于这样的调制行为，电 荷调制器件能在光信号采集中产生定的增益。 一 电荷调制器件技术由日本公司为了高分辨率电视的成像而开发的技术，特别 是1 9 8 0 年代中期的奥林巴斯( o l y n l p u s ) 以及最近的日本广播协会( n i p p o nh o s o 浙江大学硕士学位论文c m o s 图像传感器系统设计 k y o k a i ，n h k ) 。最近的论文报告了1 9 2 0 1 0 3 5 像素的彩色照相机，帧率为6 0 h z ， 应用于高清晰度电视( h i g l l d e f i n n i o nt v ，h d t v ) 。但是，电荷调制器件表现 出了相当大的暗电流( d a r k c u r r e n t ) 和固定模式噪声( f i x e d p a t t e m n o i s e ，f p n ) 。 1 1 3 电荷耦合器件 电荷耦合器件( c h a 唱ec o u p l ed e v i c e ，c c d ) 是现今广泛流行的一种图像 传感技术，它使用脉冲控制的电极将电荷在势阱( p o t e n l i a l w e l l ) 之间转移。电 荷耦合器件的优点是具有大的感光面积百分比( f i l lf a c t o r ) ( 不存在不可感光的 器件) 、高的敏感度、低的噪声以及可以实现大的阵列格式( 例如d a l s a 4 0 9 6 4 0 9 6 ) 。 它的工作原理如图1 3 所示。 v e m c a lt r a n s f e r h o r i z o n t a lt m n s f e r ( n ) o u t p u t n o d e 图1 3 ：c c d 电荷传输原理图 电荷耦合器件信号处理的实质是所有的电荷在相邻的栅之间顺序转移，这样 的每次电荷转移可以达到9 9 9 9 9 的效率。我们把电荷转移效率n 定义为阱电荷 在每次转移中有效转移的百分比，在最坏的情况下，即信号电荷经历最长的转移 路径，从图1 3 中的带阴影的像素到输出节点( o u t p l nn o d e ) ，电荷的转移操作 需要n + m 次，在这种情况下，电荷的转移效率是矿”。电荷耦合器件能够实现 非常高的电荷转移效率，但它要求专用的工艺技术，同时其工作过程很容易受到 外界的影响，例如辐射对它的影响。 浙江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 1 1 4c m o s 图像传感器 c m o s 图像传感器( c m o si m a g es e i l s o r ，c i s ) 是在电荷耦合器件以后发 展起来的一种技术，也是正在向电荷耦合器件发起挑战的一种图像传感技术，它 通常是基于标准的c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e - s e r n i c o n d u c t o r ，即互补 金属氧化物半导体) 工艺制成，而前面所叙述的几种图像传感器技术通常需要专 用的而且昂贵的工艺制造，因而自c m o s 图像传感器技术诞生以来得到了人们 极大的重视并产生的飞速的发展。 七_ 1 瓦面石两忑f j 图1 4 ：典型的c m o s 图像传感器系统图 图1 4 显示了一个典型的c m o s 图像传感器的系统图，在一个c m o s 图像 传感器的芯片上既包括了核心的成像部分( i m a g i n gc o r e ) ，也有对图像的处理模 块。像素矩阵( p i x e l a m y ) 是c m o s 图像传感器的最重要的部分，入射光通过 微透镜( m i c r 0 l e n s ) 照在芯片的这个区域上i 由于光电效应，光信号转变成电 信号，通过行列选址( x a d d r e s s i n g 和y _ a d d r e s s i n g ) ，像素中被选中像素的信 号经列级放大器( c o l u m a m p l i f i e r s ) 和模拟多路选择( a n a l o gm u x ) 电路输出。 4 浙江大学硕士学位论文( m o s 图像传感器系统设计 输出的是离散的电压或电流信号序列，这些信号进入模数转换器 ( a n a l o g - t o d i 百t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 转换成对应的数字信号，这些数字信号还 可以进行进一步的后处理( p o s t p r o c c s s i n g ) ，最后经芯片的接口电路输出至片外。 对于一个完整的传感器芯片系统，除了上面所述的主要功能模块外，还必须有其 他的一些辅助的功能模块，比如基准( r e f e r e n c e ) 电路等。 1 2c m o s 图像传感器的应用 由于c m o s 图像传感器能够实现高集成度、低功耗、低成本和多功能，因此 在很多领域得到了广泛的应用。 ( 1 ) 移动应用 例如在移动电话、p d a ( p e r s o n a ld i 昏t a la s s i s t a n t ) 等上面实现图像捕捉和 图像传输等能力。 ( 2 ) 数字静态照相机应用 对于数字静态照相机( d i 西t a ls t i l lc a m e r a ，d s c ) 的应用，c m o s 图像传感 技术能够提供百万像素级的传感器，达到类似于电荷耦合器件一样的图像质量， 同时又具有了功耗和成本方面的优势。 ( 3 ) p c 照相机( p c c 锄) 双模照相机应用 c m o s 图像传感器可以提供从数字图像捕捉到流视频、视频会议的应用，为 家庭和商业用户提供了新的通讯方式。 ( 4 ) 汽车应用 在汽车中，传感器与配套系统可以监控司机、乘客及汽车的相关部分，当发 生异常情况时，可以迅速做出反应，采取保护措施。 ( 5 ) 医疗应用 在医疗的检查与治疗上，需要找到一种能够方便地查看身体内部而对患者须 没有太多的侵害和痛苦的方法，使用c m o s 图像传感器技术制造的小巧的摄像头 可以很好地胜任这一工作。 ( 6 ) 高速应用 现代的自动化技术使得某些工作过程保持非常高速的运行，人的眼睛已经无 法适应监视这种工作过程的要求，特别设计的c m o s 传感器可以工作于高速采样 浙江大学硕士学位论文 c m 0 s 图像传感器系统设计 下，可以很好地即时监视这种工作状况。 还有很多其他新型的和有待予开发的应用，c m o s 图像传感器是可以变成我 们生活和工作中不可或缺的很好的工具和搭档。 1 3c m o s 图像传感器的分类 c m o s 图像传感器的像素阵列是由大量相同的像素单元组成，这些相同的像 素单元是传感器的关键部分，c m o s 图像传感器通常也是以像素的不同类型为标 准进行分类的。总的说来，c m o s 图像传感器可以分为两大类，类是无源像素 传感器( p a s s i v ep i x e ls e n s o r ，p p s ) ，另一类是有源像素传感器( a c 廿v ep i x e l s e n s o r ，a p s ) 。 1 3 1 无源像素传感器 图1 5 显示了一个无源像素传感器的像素单元图，以及像素电压的输出电压 随时问的变化。 c 。 簿 ! r 一一一一一士i 图1 5 ：无源像素传感器原理图及输出电压 在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二极管( p h o t od i o d e ) 和一个 m o s 管，m o s 管作为行选( r o ws e l e c t ) 开关。入射光照在光二极管上，使二极 管负极的节点电压变化，当行选信号出现一个行选的脉冲时，m o s 管导通，二 极管上的信号电压经列线( c o l u n l n b u s ) 输出。由于这个像素单元的结构简单， 其感光面积百分比可以达到很高，因而提高了其敏感度和集成度，但是它的噪声 也很高，这在很大程度上影响了它的性能。 浙江大学硕士学位论文c m 0 s 图像传感器系统设计 1 3 2 有源像素传感器 早期的无源像素传感器由于相当的噪声而限制了其发展，后来出现了有源像 素传感器，如图1 6 所示。 翼长 j c o l u m n激 o u t p u t 图1 6 ：有源像素传感器原理图及输出电压 这种有源像素传感器的像素单元通常称为3 t ( 3 t r 孤s i s t o r ) 结构，在像素 单元中，除一个光二极管外，还包括一个重置( r e s e t ) m o s 管、一个源极跟随 器( s o u r c ef o n o w e r ) m o s 管和一个行选m o s 管。光二极管在重置信号的控制 下每个工作过程经历两个周期一一充电周期( c h a 蟛n gp h a s e ) 和积分周期 ( h l t e g r a t i o np h 勰e ) ，这两个周期在结束时各产生一个信号，经源极跟随器和行 选开关无损耗地读出。由于有源像素传感器的像素单元包括更多的m o s 管，其 感光面积百分比较无源像素传感器为小，因而其敏感度和集成度都降低了，但是 它对入射光产生的电信号所做的像素级的处理使其受后面电路的影响较小，同时 噪声也被大大降低，因而在目前得到广泛的使用。 新江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 2c m o s 图像传感器系统架构与性能 本章是c m o s 萤像传感器系统级的考惑：第2 。l 节描述了c m o s 图像传感 器的系统架构及i 作跟理：第2 2 带阐述7 这一系统 钓整体设计要求以及这些 要求对各个功能子模块匏性能约泵， 2 1c m o s 图像传感器系统架构与描述 本文所述的c m o s 图像传感器系统，其设计初衷是面向于光电鼠标的应用 的，但由于时间有限，在成文时省略了一些功能模块，只完成了主要的功能和要 求，这个系统的整体架构图如图2 1 所示。 图2 1 ：c m o s 图像传感器整体架构图 这个系统架构示意图显示了c m 0 s 图像传感器的模块级组成，包括像素阵 列( p i x e l a 期y ) 、行选( r o ws e l e c t ) 电路、重置( r e s e t ) 电路、相关二次采样 ( c o r r e l a t e dd o u b l es 眦p l i n g ，c d s ) 电路、多路选择( m u x ) 电路、模数转换 器( a n a l o g t o d i 西t a lc o n v e 毗r ，a d c ) 电路以及基准( r e f e r e n c e ) 电路等相关。 的辅助功能电路。 整个电路的工作流程如下：入射光通过芯片上面的微透镜进入硅片上的感光 浙江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 区，即像素阵列，光子对硅基栅格的撞击产生自由的电子空穴对，在光二极管 的p n 结内建电场的牵引下产生定向流动，形成电流，这个电流对光二极管在充 电周期积累的电荷进行放电，使光二极管负端节点的电压发生变化，在积分周期 结束时这个节点的电压就是所采集到的信号电压。这个信号电压经源极跟随器从 像素阵列输出，进入相关二次采样电路，在这个电路中，两个电压被采样，一个 是重置电压，即在光二极管充电周期结束时所充电的电压，另一个是信号电压， 即在积分周期结束时所获得的电压，每个像素都对应两个这样的电压，而这两个 电压的差值就是所采集到的信号信息，消除了固定模式噪声( f 缸e d p a t t e m n o i s e ， f p n ) 。相关二次采样电路中的信号在多路选择电路的控制下，依次进入模数转 换电路，这里的模数转换电路选用了管道式( p i p e l i n e ) 结构，信号在各个低分 辨率的级( s t a g e ) 电路中顺序通过，产生了相应的数字表示。基准选用的带隙 基准( b a n d g a pr e f c r e n c c ) 电路主要为模数转换器提供基准电压。 2 2c m o s 图像传感器系统的设计要求 作为一个应用于光电鼠标上的传感器芯片，这个c m 0 s 图像传感器需要完 成一个视频流采集的工作，而其对分辨率的要求并不是太高。 2 2 1 像素单元设计要求 像素单元采用传统的3 - t 有源像素传感器单元。由于标准的c m o s 工艺通 常使用p 型衬底，因此，像素单元中的光二极管使用在p 型衬底上直接注入n + 扩散区来实现。光二极管的结构不使用n w e l l p s u b 结构，是由于n + p s u b 结构 有更高的杂质浓度，因而敏感度更高，集成度也可以做得更高。 整个像素阵列采用1 6 1 6 像素，设计帧率预先定为3 0 0 0 h z ，即3 0 0 0 帧秒 ( 曲m ep c rs e c o n d ，f p s ) 。对于1 6 1 6 像素阵列所采集图像信息以及3 0 0 0 h z 的帧 率，已经可以实现光电鼠标检测移动的功能。 2 2 2 相关二次采样电路设计要求 相关二次采样电路为1 行1 6 列结构，每个像素过程采样两次，一次在充 9 浙江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 电周期结束采样重置电压，另一次在积分周期结束采样信号电压，两个电压分别 存储在当列下面相关二次采样电路中的两个电容里。 多路选择电路将相关二次采样电路中存储的电压依次成对地输出，由第 2 2 ，1 节可知，每帧耗时舞盂秒，即3 3 3p 秒，那么要将1 6 1 6 = 2 5 6 个像素的信 号依次送出，每个像素需要占据罟= 1 3 s 的时间间隔。实际上考虑到各个操 z ) o 一 作之间的不相重叠，这个时间还要缩短。 2 2 3 模数转换电路设计要求 模数转换电路是这个系统的另一个核心电路，其转换精度对最终图像的质量 具有很大的影响。根据第2 2 2 节中初步的计算要求，模数转换电路的信号率理 1 论上要求达到= 7 6 9 盘舷，这个频率的要求是最低限度的，实际中需要l i j s 。 2 m h z 。由于模数转换电路的输入连接的是相关二次采样电路，而相关二次采样 电路已经对像素阵列有采样的操作，即相关二次采样电路输入到模数转换电路的 采样值已经是稳定的直流电平，因此模数转换电路的采样频率可以与信号频率相 等，不要遵照奈奎斯特准则( n y q u i s tc 血e 血) 。 在这个c m o s 图像传感器系统中，模数转换器选用了流水线( p i p e l i n e ) 架 构的数据转换器，这种结构的转换器可以实现高速和高分辨率，根据应用要求， 系统中的模数转换器的分辨率初步定为1 0 位，这样可以很好地满足系统的需要。 p i p e l i n e 结构的模数转换器的前部有一个采样保持( s a m p l e h o l d ，s h ) 电 路，它采样并保持多路选择的相关二次采样电路的输出电压。由于模数转换器使 用全差动结构，而相关二次采样电路输出的电压相对于模数转换器并不是全差动 的，这就要求在这两者之间有一个实现电平转换功能的电路，在这里，采样，保 持电路增加了这种单端电压或非差动电压变差动电压的功能。在整个系统中使用 单电源供电，因此模数转换器使用电源电压的一半作为其差动信号的共模电压， 从相关二次采样电路输出的成对的电压经采槎保持电路以后会转换成以电源电 压的一半为共模电压的差动电压。 浙江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 2 2 4 基准电路设计要求 基准电路采用带隙基准，主要为模数转换器产生共模电压、全量程( f u l l s c a l e ，f s ) 基准电压以及比较器的决定电平( d e c i s i o nk v e l ) 。共模电压为电源 电压的一半，模数转换器的全量程范围视相关二次采样电路的输出范围而定，比 较器的决定电平根据模数转换器每级电路的分辨率而定，带隙基准电路的输出电 压大约为1 2 5 v ，为了产生这些基准电压，可以使用简单的电阻分压电路获得。 浙江大学硕士学位论文 c m 0 s 图像传感器系统设计 3 传感电路的设计与实现 传感电路是c m o s 图像接感器系统的核心部分。包括像素阵硼帮相关二次 采样电路这部分电路的功能是对光照信息进彳亍采集、转换、处理并输出，第 3 1 节是像素部分的设诗考虑s 实现。包括行选逻辑强重置逻辑的时亭：第3 。2 书是相关二次采样电路包括多路选择逻辑：第3 j 3 审是将像素砗鳓与相关= 次 采样电路台并进行妨真灏试， 3 1 像素电路 这一部分首先介绍像素单元的设计，然后是像素阵列的时序设计，最后给出 像素单元的仿真结果。 3 1 1 像素单元的设计 c m o s 图像传感器的像素阵列是传感器的核心部分，而像素单元是这个阵列 的基本组成，因此必须仔细设计。 首先选择传感器像素的类型。无源像素传感器虽然结构简单，敏感度和集成 度高，但相当大的噪声限制了它的应用，而有源像素传感器可以实现对信号的像 素级操作，这些操作功能与后续电路相结合，不但弥补了相比于无源像素传感器 的噪声和敏感度的问题，同时更增加了稳定性，因而有源像素传感器是本系统设 计的选择。在这里，像素单元的电路选择传统的3 t 结构电路，其电路如图3 1 所示。 这个电路由一个光二极管p d 作为感光器件，以及三个m o s 管组成，电流 源i b 泌不在像素单元中，而是在像素阵列的外面，每一列像素共用一个这样的电 流源。下面从几个方面考虑像素单元的设计。 3 1 1 1 光二极管结构选择 对于光的感应器件，实际中有多种选择，如图3 2 所示。 浙江大学硕士学位论文c m o s 图像传感器系统设计 图3 1 ：有源像素单元电路 0 u t p h o t od l o d ep h o t og a t ep h o t ot r a n s i s t o r ( b 】i ) 图3 2 ：c m o s 工艺中的光感应器件 在标准的c m 0 s 工艺中，有三种常用的光的感应器件：光二极管( p h o t o d i o d e ) 、光门( p h o t og a t e ) 和光双极型晶体管( p h o t ob j t ) 。在这三种器件中， 光二极管结构简单，可以实现比较大的感光面积百分比，是比较常用的一种器件； 光门使用了多晶硅栅( p o l yg a t e ) 感应了硅表面的一层反相层( i i l v e r s i o nl a y e r ) ， 在与衬底( s u b s t r a t e ) 接触的地方形成了一个结( j u n c t i o n ) ，这个结即是感光的 区域，由于这个结构在硅的表面有一层多晶硅栅的遮挡，使之量子效率( q 吼a n t u m e f f i d e n c y ，q e ) 低于光二极管的结构，尤其是在光谱的蓝光附近处；光双极型 晶体管的结构是使用c m o s 工艺中的n w e u 技术实现了双极性晶体管( b i d o l a r j u n c t i o nt r a l l s i s t o r ，b j t ) 的结构，它是在n w e l l 和p 衬底的接触面处形成结的， 由于其特殊的双极型晶体管结构，在信号电压采集的同时，也对这个信号进行了 放大，但是这种结构具有很大的噪声，同时它的暗电流也较前两种结构为大，因 此一般使用的比较少。因此，在本设计的像素中，感光器件采用光二极管的结构， 即在p 型衬底上注入n + 扩散区，形成n 十p s u b 的结构。 _ 厂 7 、7 、阿之佃 r 浙江大学硕士学位论文c m 0 s 图像传感器系统设计 3 1 1 2 电荷积分模式 在像素单元的每个工作循环中，有两个周期一个是充电周期，另一个是 积分周期。当重置信号r e s e t 为高电平时，m o s 管m 1 导通，电源电压对光二极 管p d 进行充电，当重置信号回复为低电平时，m l 截止，像素进入积分周期。 光二极管的电荷积分( c h 楚g ei n t e g r a t i o n ) 模式最早于1 9 6 7 年被g e n ew e c h e r 提出，光二极管的电荷积分模式的模型如图3 3 所示。 i i p h o t o + i d a r ki j c p d 图3 3 ：光二极管的电荷积分 使用这个电荷积分的模型，我们可以推导出在光二极管在已经被充电后，输 出节点n 的电压随时间的变化的函数。从图中可以看到，只有一个理想二极管 和电容组成的放电回路，因此电容上的电流与光电流大小相等，方向相反( 这里 忽略暗电流) 。因此，可得到下式： c ( 掣一一( 3 - 1 ) 对于一个n + p - s u b 型的光二极管而言，电容的大小是： 哪一 锴 1 ，2 一b ：， 在上式中，a 表示光二极管p n 结的结面积，q 代表电子电荷量， g = 1 6 1 0 。1 9 c ，e 。i 表示硅的介电常数，矗= 1 1 7 毛，其中岛= 8 8 5 x 1 0 “f c 卅， n a 表示衬底中少数载流子( m i n o r i t yc a r r i e r ) 的浓度。 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 瓦我们能够得到下式： 知可气- 虬) 扣啊篡刊，一 s ， 其中v o 是光二极管p n 结的内建电势，v 。是充电周期光二极管的充电电 浙江大学硕士学位论文 c m 0 s 图像传感器系统设计 压。 解式( 3 3 ) 可以得到： 嘲；p 一茄卜_ 4 ， 在式( 3 4 ) 中，尽管包括光二极管的面积a ，但因为光二极管的光电流i p h 。 正比于a ，所以a 可以被约除，因此不予考虑。如果我们设定矿= 詈曷，因为 电荷q 和电容c 都是正比于光二极管的面积a 的，所以对于一个固定的光线强 度，光二极管采集的电压是独立于它的结面积的。 我们可以考察电压v ( t ) 随时间变化的情况，根据本设计的参数，有 彳一5 5 肛优2 ， 0 。1 0 1 6 c 矾3 ，0 。一5 0 p 4 ，对于充电电压，因为使用的是3 3 v 的单端供电的电源电压，同时由于n m 0 s 管的阈值电压的限制，光二极管的充 电电压最大值会小于电源电压的一个闽值，因此取p ：。= 2 5 矿a 这样，节点n 的电压随时间变化的趋势如图3 4 所示。 瓤 _ ： 2 5 2 之 篾。谬 萝 1 1 太 一 。 0 菁 a jb5 羲曩 z53 一 图3 - 4 ：电压随时间变化曲线 浙江大学硕士学位论文c m o s 图像传感器系统设计 在相对较短的时间里，电压曲线近似是线性的，这个特性方便了分析与设计。 但是要注意，我们在上述的计算中忽略了暗电流的影响。 3 1 1 3 感光面积百分比 感光面积百分比也是图像传感器的一个重要参数。如前所述，光二极管具有 存储电荷的电容功能，它的p n 结的面积越大，其能等效的电容越大，因此能提 供较大的动态范围。但是从节点n 到地的电容不只是光二极管等效的电容，还 包括其他的寄生电容。因此必须考虑电容的各个来源，以及这些电容对总的电容 的影响。另外光二极管中也包含有不想要的电荷源。 首先，电容来自于光二极管的n + 扩散区的底板( f 1 0 0 r ) 以面积为单位 的电容和边墙( w i l l ) 以周长为单位的电容，如图3 5 所示。 图3 5 ：光二极管的底板电容和边墙电容 对于本设计使用到的工艺t s m c 的o 3 5umm i x e dm o d e ( 2 p 4 m ，3 3 v ) p o l y c i d e 的工艺，b s i m 3 ( v 3 1 ) 模型，在零偏置电压的情况下，底板电容 q = 1 4 1 7 1 0 _ 3 ，m 2 ，边墙电容c = 4 1 7 3 l o - 1 0 f m 。当面积是3 0 3 0 晰2 时， 边墙电容是总电容o 0 3 8 ，而当面积为5 5 m 2 时，这一比值上升为o 1 9 1 。从另 一角度看，面积从3 0 3 0 历2 到5 5 川2 ，减小到0 0 2 8 ，而电容只减少到0 0 3 3 ， 可见边墙电容对总电容的影响。但总而言之，更小的像素产生更小的电压，因为 i p h 以洲减为恶_ 0 8 4 9 。 其次，与光二极管连接的其它器件的寄生电容也对总的电容有影响，如图3 6 所 示。 1 6 浙江大学硕士学位论文c m o s 图像传感器系统设计 如图3 6 ，与光二极管的负端相连有寄生电容c 。0 d 。，这个电容包括m o s 管 m 。的源衬( s o u r b u l k ) 电容和像素单元内放大器的输入端电容，这些电容都 不依赖于像素的面积。考虑到这些寄生电容，电压的表达式变为： 矿：垡竺2 一( 3 5 ) c ”t l l 舢+ c e 由上式可以看出，由于寄生电容c 。的影响，电压现在不独立于光二极管 的面积了，而是随着面积的减小而下降。 c 图3 6 ：与光二极管连接的寄生电容 最后，光二极管还有个不想要的电荷源，它包括光二极管n + 扩散区底板 和边墙的暗电流，以及信号r e s e t 噪声，它们与光二极管的结面积是非线性的关 系，这时的输出电压为： 矿；攀墼些2 ( 3 6 ) c 。口) + e “ 当面积减小，输出电压和噪声电压都随面积非线性地降低，但输出电压比噪 声电压下降的幅度更大，即噪声电压占输出电压的比例随面积的减小而增大了， 因而像素的信噪比( s i g n a l t o i s er a t i o ，s n r ) 随面积的减小而下降了。 3 ，1 1 4 重置m o s 管 重置m o s 管通常被制作在p 型衬底上，当使用n m o s 晶体管时，其源极 n + 扩散区直接与光二极管的负极相连；如果使用p m o s 型的晶体管，需要n w e l l 作为它的衬底，像素中的光二极管和n m o s 晶体管与阱( w j l l ) 需要有一定的 浙江大学硕士学位论文 c m o s 图像传感器系统设计 距离间隔，如图3 7 所示。 c l gg p s u b 图3 7 ：n w e u 的隔离 由此可见，使用n m o s 晶体管比较节省空间，因为它不需要独立的阱， 因而不需要占据太多的像素面积，可以使光二极管所占像素面积比例尽可能地 大，最大化了感光面积百分比。 但是这种实现有一个很大的限制因素，当n m o s 晶体管的漏极和栅极都是 电源电压v d d 时，那么只能得到一个最大为一巧的源极电压，因为当栅源电 压 巧时，n m o s 晶体管将截止。因此，光二极管只能被充电到电压一巧， 这限制了传感器的动态范围( d ”锄i cr a n g e ，d r ) 。随着c m o s 工艺技术的进 步，其电源电压越来越低，器件的阈值电压也在随特征尺寸的降低而越来越低， 但这个变化没有电源电压变化的明显，因此，电压。一随工艺的变化并不是 一个线性的趋势，如图3 8 所示。 v tf a i l i n g b u t v d o h e l da t5 v 与4 与3 石2 5 1 5 o 4 3 2 1 o 一毫卜。aa 浙江大学硕士学位论文 c m o s 圈像传感器系统设计 3 1 1 5 读出电路 图3 8 ：p 一巧随工艺发展的变化 现在考虑像素的读出电路，信号电压在光二极管的负端产生，然后通过一个 放大器读出，这个放大器是一个共漏极放大器，即源极跟随器，它实现了信号电 压的无损读出。当分析读出电路时，忽略行选晶体管，如图3 9 所示。 v d i o d 。一 v b 一 v o u t v d i 。d 。一 州 图3 - 9 ：像素单元的读出电路 假设k 。，p 缸；一，h 是晶体管l 的闽值电压，因此晶体管l 是在