像素级AD转换图像传感器设计

湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 像素级AD转换的图像传感器设计 姓名 吴飞 系别 电气信息学院 专业 电子科学与技术 班级 0402 学号 200401180212 指导老师 刘建 教研室主任 龙 泳 涛 一、 基本任务及要求：1 掌握图像传感器的系统结构； 2 掌握光敏感器件光电二极管； 3 设计像素电路； 4 设计时钟产生器及CMOS动态存储器； 5 对电路进行仿真，完善电路设计； 6 编写设计说明书。 二、进度安排及完成时间： （1）第1周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义； （2）第2周：查阅相关资料，了解本课题的发展历史和研究应用现状，确定课题总体方案，明确课题任务、撰写文献综述和开题报告； （3）第34周：掌握图像传感器的系统结构，光敏感器件； （4）第5周：掌握像素结构； （5）第68周：设计A/D转换器电路结构； （6）第910周：设计时钟产生器及CMOS动态存储器； （7）第11周：对电路进行仿真，完善电路设计； （8）第1213周：撰写设计说明书，整理资料，准备答辩； （9）第14周：毕业设计答辩。 摘要1引言3第一章 绪论41.1 数字成像系统的结构41.2 A/D转换器与图像传感器的结合方式51.3 己有的成就61.4 本文所做的工作8第二章 像素级A/D转换型图像传感器概述92.1 介绍92.2 系统描述92.3 像素结构102.4 A/D转换器的结构112.5 时钟信号产生器与SAM12第三章 CMOS光电敏感器件143.1 光电二极管及光电三极管的性能143.1.1 光电二极管143.1.2 光电三极管143.2 光电二极管的量子效率15第四章 像素电路的设计和模拟194.1 目前已有的一些像素电路194.1.1 MOS二极管的对数传感器194.1.2 类延迟结构的光电路204.1.3 Delbruck的可调光电路214.1.4 电流放大光电路234.1.5 积分光电路234.2 像素电路的设计244.2.1 前置放大器244.2.2 取样保持电路254.2.3 A/D转换器254.3 模拟仿真254.3.1 模型参数的确定264.3.2 设计与改进27第五章 传感器外围电路的设计与整个传感器的仿真325.1 时钟产生器325.2 CMOS移位寄存器345.3 整个传感器的功能模拟36结论39小结与致谢40参考文献41摘要 本课题为像素级AD转换的图像传感器设计，所要研究的就是图像传感器的构造和功能，如何把光信号转换成电信号，通过计算机等辅助工具呈现在人们的面前。现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的80%以上，是通过视觉器官得到的。所以图像传感器，作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽，灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，而在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 在研究过程中，涉及到了大量的原理图，对在传感器中占有重要地位的像素电路进行了设计，主要有积分光电路，前置放大电路，取样保持电路，A/D转换电路，都需要用到Vware软件进行画图和仿真，对所得出的仿真波形图进行分析和设计的优化。 通过对图像传感器的设计和优化，得到了一个全新的CMOS数字图像传感器电路图。模拟仿真的结果表明：这个传感器能实现图像传感的功能。也对图像传感器有了更深的认识。随着计算机技术的迅速发展，多媒体市场的日益扩大，CMOS图像传感器的应用越来越广泛了，同时CMOS工艺的发展和多媒体市场的需要相结合，促成了数字CMOS图像传感器的迅速发展。关键字 CMOS A/D转换电路Abstract The topic for the conversion of the AD-pixel image sensor designed to study by the image sensor is the construction and function of how the optical signals into electrical signals through computers and other aids people in the show before. Modern human life, people need urgent access to information, and human access to the total amount of information of more than 80 percent is obtained through the visual organs. Therefore, image sensor, as a modern visual access to information based on a device, to achieve their access to information, conversion and the expansion of visual function (broaden the spectrum, expand the scope of sensitivity), can give direct, real, level up, as most Rich visual image information, and in modern society has been more widely used. In the course of the study, which involves a lot of schematics, on the sensor occupies an important position in the pixel circuit design, the main integral optical circuits, pre-amplifier, to maintain the sampling circuit, A / D converter circuit, we need Vware used simulation software and drawing on the outcome of the simulation waveform of the analysis and design optimization. Through the image sensor in the design and optimization, get a new digital CMOS image sensor circuit. The simulation results showed that: the image sensor to achieve sensing functions. The image sensor also gained a deeper understanding. With the rapid development of computer technology, the growing multimedia market, CMOS image sensor applications more widely, while the development of CMOS technology and multimedia integration of the needs of the market, led to the digital CMOS image sensors rapid development.引言 现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的80%以上，是通过视觉器官得到的。所以图像传感器，作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽，灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，而在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和不可见光)，转换为按时序输出的电信号视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按照时序变化的电信号的过程称为图像摄取。 60年代以前，摄像的任务都是用各种电子束摄像管来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MO S集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到了迅速发展。到70年代末，已经有一系列产占，在军事、民用个方面得到广泛应用，例如RL2048, CCPD1728,TCD 106C等。 目前，图像传感器主要有两类，一种是电荷耦合器件(ChargeCoupled Device，简称CCD)，另一种是互补金属氧化物半导体器件（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS)。 CCD图像传感器结构相对比较简单，工艺容易实现，但这种器件耗能较大，不易高度集成，且用模拟方式进行信息交换，因此应用范围比较小。而对CMOS图像传感器来说，它的集成度较高，可以把整个系统集成在单片上，但信号处理线路复杂，对工艺的要求比较苛刻，与CCD器件相比还不够成熟。不过，随着CMOS工艺水平的不断提高，使得单片上集成大量晶体管成为可能，因此CMOS图像传感器的设计日益受到人们的重视。随着计算机技术的迅速发展，多媒体市场的日益扩大，需要一种先进的图像获取系统，能够直接将图像输入到个人电脑中。电脑只能进行数字信号处理，而图像信号是一种模拟信号，因此需要A/D转换器，将模拟图像信号转换成数字图像信号，才能实现电脑处理图像。在很多应用中，例如机器人视觉、监督系统、视频会议和数字相机等方面，都需要把A/D转换器与图像传感器直接集成在一起，构成数字成像系统。这样就提高了集成度，减小了芯片面积，降低了功率损耗，增强了可靠性，并且降低了成本。CMOS工艺的发展和多媒体市场的需要相结合，促成了数字CMOS图像传感器的诞生，并迅速发展起来。第一章 绪论1.1 数字成像系统的结构 目前，多数数字成像系统是由多个离散单元芯片构成的。图1-1所示就是一个典型的成像系统。这个系统包括一个时钟驱动器，一个CCD图像传感器，一个高速A/D转换器，RAM，和一个或多个ASIC。时钟驱动器提供CCD的控制信号。CCD图像传感器把光信号转换为模拟信号。模拟信号通过高速A/D转换器变为数字信号，数字数据就存储在RAM中。ASIC芯片用于管理系统并进行一些必要的信号处理和数据压缩。可能有人认为可以通过把这些电路集成在一个单片硅上而形成一个单片数字传感器，这在事实上是行不通的，因为每部分电路需要不同的工艺。这个系统的另一个缺点就是功率损耗很高，约为10瓦，并且其面积很大。因此，对于目前所需要的便携式应用，这种系统是不合适的。为了在一个芯片上集成数字成像系统，图1-1所示的所有的块(可以不包括RAM)必须要用同一种工艺来制造。标准CMOS工艺可以做到这一点。图1-2给出了一个这种系统的框图。它包括两个部分：一个传感器芯片和RAM。传感器芯片包括一个图像传感器，一个A/D转换器和控制于处理信号电路。图1-1 离散芯片构成的数字成像系统图1-2 单片集成数字成像系统1.2 A/D转换器与图像传感器的结合方式 将A/D转换器与图像传感器集成在一起有几种不同的方法。最简单的方法是一个图像传感器集成一个A/D转换器，每个像素的输出都要经过A/D转换后输出，如图1-3所示，这个结构需要一个高速的A/D转换器。第二种方法是利用在芯片上数据传输可以并行的优势，把一个图像传感器和一个半并行A/D转换器集成在一起，如图1-4所示。这种结构需要一行A/D转换器。由于半并行结构每个像素列共用一个A/D转换器，使得这种结构的性能比第一种更加优越。在本文中我们将要讨论另一种结构-并行结构，如图1-5所示，这种结构每个像素都有自己的A/D转换器，从而在一个图像传感器中集成了一个A/D传感器的三维阵列。这种结构在可用结构中A/D转换器速度要求最低，功率最小，并且在传感器核与外围电路间的所有交换都是数字的。并行A/D结构也有很多缺点，例如版图复杂、A/D传感器尺寸有严格限制。然而，以目前的CMOS工艺水平，例如0.8um、三层金属的工艺，己经可以制造这种并行A/D转换的图像传感器。图1-3 一个A/D转换器的图像传感器结构图 图1-4 半并行A/D转换型图像传感器结构图1.3 己有的成就 到目前为止，己经有很多研究者把目光投到A/D转换型的CMOS图像传感器的研究上。他们的工作使得单A/D转换型结构到半并行结构的转换有了重大进展。并且在CMOS图像传感器像素方面也取得了很大进展，从扫描式光电二极管发展到了含有几个MOS晶体管的动态像素。 1991年，Peter Denyer研究小组在爱丁堡大学设计出了著名的集成一个A/D转换器的CMOS图像传感器。在图1-5中描述了一个用于针式打印摄取和验证的视频传感器。这个传感器的示意图如图1-6所示，由一个258258的像素阵列，一个水平移位寄存器和一个竖直移位寄存器构成。图1-5 并行A/D型图像传感器结构图 图1-6 Peter Denyer小组的图像传感器结构图Robert Forchhermer小组设计制造出了第一个最著名的半并行A/D转换CMOS图像传感器，这个传感器由一个256 256的光电二极管阵列来获取整幅图像。芯片上集成了一个半并行A/D转换器组和一个数字图像处理电路。这个半并行A/D转换器电路如图1-7所示，最大精确值为8位，最小转换时间为25.6us。处理器采用行处理，处理数据速率为4Hz/row。处理器还有其他功能，例如滤波、边缘探测、处理速度调整等。这种图像传感器多用于工业上的机器视觉，例如机器人搜索、服务转移等。 图1-7 半并行A/D转换器1.4 本文所做的工作随着市场对数字式摄像机需求的爆炸性增长，要求提高分辨率和低功耗于微型摄像机中的呼声也越来越高。随着工艺水平的日益提高，计算机数据处理能力的不断增强，目前已经有条件达到体积小、耗能低、速度快、图像质量高等要求。本文根据日常生活中对图像的要求，设计了像素级A/D转换的图像传感器。首先，本文介绍了这种图像传感器的系统结构，对光敏感器件进行了讨论，接着设计了像素电路、时钟产生器以及CMOS动态存储器，并分别进行了模拟仿真及优化。第二章 像素级A/D转换型图像传感器概述2.1 介绍 目前，在固体图像传感器领域，电荷耦合器件(CCD)是应用最广泛的技术。但是，CCD图像传感器存在着以下的问题： a. 可用面积小(典型的CCD图像传感器有50%的面积被薄的或互相交叉的氧化层覆盖，而CMOS图像传感器只有5%的面积被氧化层覆盖。由于氧化层的存在，导致了CCD的可用面积小。 b. 功耗高 c. 由于模拟电荷包的移位和探测使得传感器尺寸/SNR(信噪比)受到限制。 d. 数据是以模拟形式从芯片输出的 目前，已经发展出了几种方法，可以把标准CMOS技术用于CCD图像传感器。自扫描光电二极管阵列己经用于产生二进制和灰度分度的图像传感器。结型光电二极管阵列和电荷注入阵列也有了一定的应用。但是，这些方法都有一些缺点，比如由于有限的像素保存时间而引起的低分辨率，由于模拟信号传输引起的SNR的限制，以及CCD图像传感器信号以模拟方式从芯片输出的问题，在这些方法中仍然存在。 我们描述了一种能克服CCD及其他选择的缺点的图像传感器。这和图像传感器使用标准CMOS工艺，因此它具有CMOS工艺所能达到的高有效面积的优点。控制和处理信号的数字电路可以集成在传感器上，而且，随着CMOS技术在尺寸和金属层技术方面的进展，可以提高像素密度和传感器性能。2.2 系统描述 图2-1是我们所要描述的像素级A/D转换图像传感器，由像素阵列、时钟信号产生器和顺序读写存储器三部分构成。这个传感器的核心是一个88像素阵列。每个像素产生的是未经编码的8位代码，也就是说，换成二进制形式是3位二进制数据(8/23)。像素行(word)的选择输出用时钟信号产生器所产生的信号CLKl-8来控制。每列像素都用传输晶体管与一个“位”(bit)相连。每条“位”线输出到一个8位动态CMOS移位寄存器中进行存储。时钟信号CLK9-16对寄存器进行输出控制。这些移位寄存器就构成了顺序读写存储器(SAM )。每个像素都把模拟光强度转换为一组数字代码，如图2-2所示，注意每帧视频图像都由8个位平面 （bitplane)构成。整个系统是同步的，每个时钟周期结束后每个像素就会产生一位代码数据，整个像素组就产生了一个位平面。 最后，一帧数据，共8个位平面，输入到计算机系统，利用软件编程，使得每个像素的8个代码数据转换成3位二进制编码，即可进行图像的还原、色彩补偿等处理程序。图2-1 88像素级A/D转换的图像传感器图2-2 位平面组（bitplanes）2.3 像素结构图像传感器的功能是把光信号转换为电压信号，这就决定了像素电路设计的重要性。如图2-3所示，像素由四部分构成，即光电敏感器件、前置放大器、信号提取与保持电路和模数转换器。其中：(1) 前置放大器不但把电流信号转换成电压信号，而且控制电压的放大倍数。(2) 信号提取与保持电路把光电流转换为模拟电压信号，而且它还具有滤波器的功能，过滤掉噪音中的高频部分(包括器件噪音和数字噪音)。(3) 数模转换器实现了模拟信号数字化。我们采用特殊的方法，使得当线路处于预定的取样频率时，转换器的功率最小。这个器件的大小与传感器中的像素数量成反比，与每个像素的占空因数也成反比。图2-3 像素的结构示意图2.4 A/D转换器的结构在像素中，我们用的是改进过的闪烁结构的A/D转换器。从概念上来讲，闪烁性结构是非常简单的，如图2-4所示，通过将输入信号与一组电阻串产生的电压相比较，从而得到一组输出码，所需的比较器的个数为2N-1 （N是二进制位数)，因此所需ADC功率损耗和硬件成本也与2N成比例。对比较器的精确度的要求也随着N指数增加。对于4位ADC来说，应将这个模拟输入信号送到15个比较器，为了与此输入电压进行比较，每个比较器都加一个基准电压以便产生一个离散的数字量，这个数字量的最小单位是最低有效位(LSB=FS/2N )。该比较器的输出端同时出现2N-1个离散的数字输出状态。如果本例中的输入电压刚刚大于满度(FS)的1/2，那么基准电压小于满度1/2的所有比较器都输出数字“1，而其他比较器则输出数字“0。将这两部分比较器的输出状态组合起来就构成了一组代码。最后将这种电子代码转换成二进制数。闪烁型结构具有转换速率非常快的优点，因为在一个周期内完成模数转换。这种结构需要大量的比较器，而且比较器必须周密地匹配适当的偏置才能保证转换结果的线性误差。对于一个N位分辨ADC来说，需要2N-1个比较器，这就势必限制物理集成度，并且保持最大分辨率,输入偏置电阻器的阻值要相当低。没有输入取样保持电路，输入信号就必须驱动一个很大的比较器阵列。当分解率为6比特(位)或者更大时，这就可能导致速度降低。当分解率比较大的时候，由于比较器占了很大的面积并且更容易产生工艺偏移，从而使得比较器错配更加严重。图2-4 典型的闪烁型A/D转换器结构2.5 时钟信号产生器与SAM 这两部分是图像传感器的控制与存储部分，对像素组的工作进行协调处理。时钟信号发生器产生控制信号，使得每行按照顺序在不同的时刻处于高电平，从而使得像素输出的数字信号按顺序存储到SAM(顺序存储寄存器)中。然后，时钟发生器产生相同数量信号，同时作为时钟信号和存储单元的输入，控制存储数据进行读出，并且最后所有的存储单元中数据均为1。我们利用MOS管栅极的存储电荷的功能，构成了结构比较简单的动态存储单元，并用88个这样的单元构成整个SAM。2.6 其他 实际制造传感器时，还要在每个光电二极管上加滤波片，分别为红、绿、蓝三种颜色。每四个相邻的像素为一组，一个红，一个蓝，两个绿。这样，若是每个像素是三位输出，有8个不同的灰度，这个像素组就有888=256种颜色，在我们的88传感器中可以良好的分辨出不同的位置。我们目前所设计的是88传感器，像素数只有64个。在实际传感器中，一般要256 256个像素，所以我们的传感器只是实际传感器的一部分，从而分辨率比实际的要低，其输出图像类似于马赛克图像。第三章 CMOS光电敏感器件光电探测器件是图像传感器入口，在这个阶段的任何缺陷，在后续电路中都是不能补偿的，或者要付出很大的补偿代价。探测器件的特性，例如带宽、噪声、线性度以及动态范围等都会直接影响系统的性能。因此，选择一种比较完美的光电探测器件是很重要的。在本章中我们比较了光电二极管和光电三极管的性能，重点对光电二极管进行了探讨。3.1 光电二极管及光电三极管的性能3.1.1 光电二极管 不同波长的光在光电二极管不同区域被吸收。例如N衬底上的光电二极管，表层P型层所吸收的主要是波长较短的蓝光。在此区域因光产生的少数载流子(电子)一旦扩散到耗尽层表面，就在外加反向偏压的作用下，很快拉向N区。由于P型层很薄，使得波长较长的光将有大部分透过P型层到达耗尽层，在那里激发出电子一空穴对，同样在反偏作用下分别做漂移运动达到P区和N区。而波长更长的红光或红外光则有大部分透过P区与耗尽层而达到N区，从而产生少数载流子（空穴)，一旦扩散到耗尽层界面受反向偏压被拉向P区。因此总的光生电流是这三部分光生电流之和，它随入射光强度的变化而变化。将此光电二极管连入一个回路，在负载电阻上就可以得到一个随入射光变化的电压信号。PN结光电二极管的工作频率一般低于10MHZ，暗电流小于100nA，光生电流可达几十uA。3.1.2 光电三极管 光电三极管具有N型硅单晶为材料的NPN结构，为了适应光电器件的要求，其管芯的基区面积较大，而发射区的面积较小其入射光主要被基区吸收。使用时，管子的基极开路，发射极集电极之间所加的电压与NPN晶体三极管相同。光的转换过程是在集电极一基极PN结内进行的，它与一般光电二极管相同，光激发出电子一空穴对，其中电子流向集电区被集电极所收集，而空穴流向基区作为基极电流被晶体管放大，其原理与一般晶体三极管相同。最后集电极基极产生的光电流被晶体管放大倍输出。一般为几十倍。与光电二极管比较，其优点是光电流灵敏度比光电二极管增加倍，可达几mA到几十mA。光电三:极管的缺点是暗电流比较大，约为10uA，同时它的响应时间长，频响特性差。 我们为了降低器件噪声，减少功率耗散，采用光电二极管。光电二极管处于反向偏置并加足够大的反向偏压，这样可以缩短载流子的渡越时间并减少二极管电容。光电二极管的器件噪声主要来自背景的辐射电流和暗电流。为了改善光电二极管的灵敏度可以采取一定的工艺措施。3.2 光电二极管的量子效率 光电二极管利用光电效应把光子转换为电子空穴对。对于图3-1所示的结构，光电流由两个部分组成:由于耗尽区中电子和空穴的漂移引起的漂移电流，和耗尽层外载流子的扩散引起的扩散电流。当光子能量高于硅的禁带宽度时，光照射在硅片上，使得被束缚在价带的电于吸收能量跃迁到导带。硅的禁带宽度为1.124eV，这也就是说，波长小于1.1um的光子可以把电子从价带激发出来，这样就产生了光电效应:。光生电子空穴对可以在晶格内扩散，这样就产生了光生电流。尽管光电效应可以把光照转换为电子空穴对，也要使得其避免完全复合才能被有效收集。在标准CMOS工艺中，典型载流子寿命数量级为0.1-10us.因此，光生电子空穴对要迅速分离并收集。 在光电二极管的p-n结上施加一个反偏电压，就可以实现光生载流子的分离，为了得到保持电学平衡的p-n结反向偏置，在耗尽区内通过结的载流子的扩散和反向偏置一定要由一个强大的电场来平衡。如果在耗尽区内产生光生载流子，这个内建电场就会迅速分离电子空穴对，如图3-1所示。这就产生了一个流过二极管的光电流，其与入射光强度成正比。 当光通过半导体传播时，有一部分被吸收，被吸收的光子数正比于光通量的强度，因此我们定义一个比例常数，为被吸收的光子数与光通量之比，称为吸收系数。图3-1 光电二极管的截面图耗尽区中的漂移电流为： Jdrift=-q, (3-1) 这里G (x)是瞬态光通量0时的载流子产生率，此时吸收系数为，其关系式为: G(x)= 0e-ax , (3-2)因为，漂移电流为: Jdrif=q0e-(xj-xp)(1-e-), (3-3)Xn和Xp是耗尽区在结的n区和P区扩展的宽度，由下式确定: Xp=, (3-3)Vbs Xn= (3-4)这里VT 为结的反向偏置电压，V 0为结的内建电势，由下式决定： V0=ln (3-5)扩散电流部分是由下式的扩散方程来决定的: DPG(x)=0 (3-6)在N衬底中。 Dn+ G(x)=0 (3-7)在P注入中。这里，Dn和D0是少子的扩散系数，和是渡越载流子寿命，Pn0和np0为平衡少数载流子浓度，以上公式都在边界条件为：pn = pn = np=和np = 时解方程得到： Pn(x)=Pn0+Ae+Be+Ce (3-8) Np(x)=Np0+De+Ee+Fe (3-9)这里，Lp 和Ln为渡越载流子扩散长度，并且有： A= (3-10) B= (3-11) C= (3-12) D= (3-13) E= (3-14) F= (3-15)由此可以解出扩散电流： J=J+J=-qDp +qDn (3-16)Jdiff =+可简化为:=q+qCDpe+qFDneKp=Kn= 参数Dn , Dp ,n 和p都是掺杂浓度的函数，可以根据以下公式计算得出：p=Dp=n=Dn=总电流就是漂移电流和扩散电流的和：Jopt=Jdrift+Jdiff量子效率是每个入射光子产生的电子空穴对数目：第四章 像素电路的设计和模拟 图像传感器的功能是把光信号转换为电压信号，这就决定了像素电路设计的重要性。到目前为止，人们己经设计出了一些满足一定功能的像素电路，例如对数转换电路, Delbrilck可调光电线路,电路放大线路，级联电路，电荷积累型光电路等等。但是这些电路都有着自身难以克服的缺陷，我们在分析了这些电路的基础上，提出了一种新的像素电路并进行模拟优化。4.1 目前已有的一些像素电路 在图像传感器中最重要的电路就是获取光电流的前端电路。一般说来，输入光电流的处理方法是由特定传感器的整体结构决定的。例如，在三维传感器中，输入的DC(直流)量级是很重要的。这就要求光学电路要保存这个DC量级，同时要增加动态范围。对瞬态传感器，光学电跻同样要存储输入信号的瞬态变化，而且这与动态范围有关系。到目前为止己经有了很多像素电路，我们将对这些电路进行分析。4.1.1 MOS二极管的对数传感器 把光电流转换成光电压的最简单的电路是图4-1所示的对数转换线路图。对数函数是由与MOS晶体管相连的二极管的亚域值工作产生的。输入光电流通常是很小的，在MOS二极管的亚域值区下降，电流一电压间的关系就由下式决定： I=其中，W和L分别是晶体管沟道的宽和长，I输入光电流，n是亚域值下降因数，ID0是一个与工艺有关的参数，V是输出电压。很多图像传感器都是以这种电路为基础设计的，因为它可以达到小面积，高动态响应范围。但是，在弱光照射下，这个电路的动态响应很缓慢，这就使得等待时间比较长。这个电路的一个缺点是对输入信号进行极度压缩。如果采用的算法需要找出信号间的微小差别，对数压缩就降低了发现这种差异的几率。这种情况在动态探测芯片中最为常见。当输入图像的对比度比较低时，对数压缩会再降低对比度，所以这种方法只对对比度大的情况适用。图4-1对数转换线路图4.1.2 类延迟结构的光电路 当输入电流很低或者电容很大时，就要扩大光学电路的动态响应范围，这样就要对光电探测器件的输入结点处的负载能力进行补偿。图4-3给出了一种在图像传感器中应用较为广泛的电路的几个拓扑图。我们可以提取此电路的小信号传输特性方程: 不带放大器 带放大器 如上所示，在负反馈中有无放大器的光电路表达式有所不同，有放大器的增益更大。这个光电路的直流工作点主要是由放大器来决定的。例如，如果一个同步反相器(一个传输区在Vdd/2的CMOS反相器)的输入电压Vi要设置在Vdd/2。如果一个高增益放大器的正向输入电压与参考电压相关，输入电压Vi就要设置为参考电压。然而，输出电压Vo的支流值是与输入光电流的大小有关的，如果参考电压是常数，输出电压与输入光电流就成对数关系。这就是说，这个电路的功能是做为一个对数压缩器。图4-3 a为无放大器的光电路4.1.3 Delbruck的可调光电路 目前能够满足多数需求和动态特性的光电路之一就是Delbruck的可调光电路。这个光电路，可以利用对数转换来适应标准态(或长期)光强，而对于光强的短暂变化有个很大的增益。 这个电路主要是以类延迟结构的光电路为基础设计的。然而，在从放大器的输出后的反馈回路中加入了一个可调器件和一个用于电压分离电容器。这个光电路的可调功能是与可调器件的的特性密切相关的，如图4-4中的阴影所示。如果我们假定这个器件是个阻值极大的电阻，可以看出，在低频下此电路的工作方法与类缓冲光电路非常相似。在高频下，电路的增益就由C1和C2的电容值比来决定。因此，这个电路能够提供高增益，这对于短时间光照信号比对长时间光照信号来说更重要。长时间光照信号要进行对数压缩。图4-4可调光电路示意图 a b c d e 图4-5几种可调器件结构 这个光电路的一个重要部分是可调器件。Delbruck设计了几种不同的结构，如图4-5所示，并且通过实验和数据分析说明了最好的结构是图4-5，这个结论是分析了这些器件的峰值电流和闭值电流后得出的。这个电路对于要求瞬态处理要求的输入放大的图像传感器芯片是很有用的。另外，瞬态频率越高，原始信号的增益失真就越高，因此，如果在图像传感器中用这样的光电路，就要考虑这个失真。这种光电路的最佳应用领域是移动探测视觉领域，因为在这样的设备中主要要求的是高增益和高瞬态比较。4.1.4 电流放大光电路 在一些设计中常用的非常简单的电路如图4-6所示。输入电流诸如到一个双极晶体管的基极，因此，双极晶体管的电流增益(约为100)就增大了电流。这样就会同时放大信号和噪声，信噪比保持不变。然而，利用增大光电探测时的信号量，就不再需要动态范围大的电路。 图4-6 双极晶体管简单电路图对于多敏感元传感器，由于采用的是双极晶体管结构的光电探测器件，使得电流增益大大增加，并且可以用两个CMOS晶体管来控制双极晶体管的开关。但是，控制结构的要求更高，在排除系统错误的前提下，有时候会出现一些突然的变化，例如系统稳定性的突然变化，这时就要求控制结构能够正确处理这些突发情况。例如，可以利用磁滞现象来消除电流的突然变化而引起的不稳定性。4.1.5 积分光电路 几乎所有的图像传感器和视觉芯片都采用电荷积累并取样保持的方式来进行光电流到电压的转换。这种光电路的基本结构如图4-7所示。开始，复位晶体管处于导通状态，在输入点In的电压处于复位值。接着，这个晶体管截止，光电流就在输入点的输入电容上开始积累。输入电容通常由与此点相连的器件的寄生电容构成。 取样保持电路通常是可以移走的。但是，在这种情况中，当光电探测阵列复位以后，信号读出期间，会有一些光电探测器仍然处于积累电荷状态而其他光电探测器件己经开始读出信号了。对于简单的图像应用，这种做法不会出现严重的后果，因为通常读出时间是很短的。 电荷积性，可以利用改变积累时间来控累方法有着自身的优点和缺点。优点是其线形传输特制动态范围，以及对器件错配的低敏感度，因为电荷积累时间依赖于输入电容，与其他器件的错配没有关系，所以错配可以敏感到取样保持。电荷积累也有着滤波器的功能，消除了噪声中高频部分的影响(噪声包括器件噪声和数字噪声)。 这种方法的主要缺点是自身不能改变电荷积分时间，这就意味着对于指定积分时间，动态范围是被限定的。但是，在smart传感器的设计中，己经可以在牺牲面积的前提下，对单个像素的积分时间进行控制图4-7积分光电路4.2 像素电路的设计 在积分电路的基础上，我们设计了图4-8所示的电路。这个电路分为四个部分:一个光电二极管，一个前置放大器，一个取样保持电路(S&H)和一个A/D转换器。当开关Sa置于逻辑0而开关Sb置于逻辑1时，光电二极管Dl在光照下产生的光电流就流经M3到Vbias1。这样就阻止了光电流从D1流到M1中。当开关Sa置1且Sb置0的时候，D1产生的光电流通过前置放大器后在电容C上会产生一个电压。当时钟CLK1置于逻辑1且CLK2置于逻辑0时，电容C上有一定的电位，处于取样状态。当时钟CLKl置于逻辑0且CLK2置于逻辑1时，电容C处于保持信号状态。4.2.1 前置放大器 Vcc ,M1, M2:和光电二极管构成一个闭和回路，M1和M2:都工作在线性区，故其电阻是欧姆电阻，在M2上有一定的压降，并且此压降随着光生电流的大小不同而发生变化。当开关Sa置于逻辑1, Ml和M2都是作为阻值为Ro的有源电阻。这样，输出电压就为Voutl=IdRom。我们在下面将会设计MOS管的沟道长宽比(表1)，使得输出Voutl处于取样保持电路正常工作的范围内。4.2.2 取样保持电路 在这个像素电路中，取样保持电路是最重要的部分。它不但要对模拟信号进行取样保持，还有滤波器的功能，隔离高频噪声(包括器件噪声和数字噪声)。取样保持电路由三部分构成: 模拟开关，存储电容和放大器。在取样阶段，模拟开关闭合，输入信号的一部分加在电容C上。这样，我们就可以在C上得到一个变化的电压，在放大器上得到一个放大的电压信号。这就是取样过程。当开关截止时，电路就处于保持状态，电容C上的电压保持不变，直到下一个取样信号。开关截止时，MOS晶体管在截止区工作，理论上说，CMOS开关的开关速率可以达到20MHz。根据这些，我们设计了开关Sa和Sb的长宽比和电容C的积分时间，这样我们就可以确定CLK1和CLK2上的脉冲信号的特性。4.2.3 A/D转换器 A/D转换器使得我们可以把模拟信号转换为数字信号，我们设计这个转换器，使得在指定取样频率下它的功率最低。在图4-8中，开始我们采用一个比较器(包括M10, M11, M12, M13, M14), M10和M11构成了一个电流镜，M4是电流沉，M4的栅极电压控制着这个比较器的功率。输入为小信号时可得: 那么电压增益为： 比较器的主要优点是可以准确的控制跳变电压。由上面两个公式我们可以看出，比较电压的大小对电路的逻辑输级不会有太大的影响，但是也会在一定程度上影响，这是因为在上面的公式中我们采用的是近似相等。4.3 模拟仿真 随着大规模集成电路和电子计算机的迅速发展，电子电路的分析与设计方法发生了重大变革。以电子计算机辅助分析与设计(computerallied analysis and design，简称CAA与CAD)为基础的电子设计自动化技术己广泛应用于集成电路与系统的设计之中。它改变了以定量估算和电路实验为基础的传统设计方法，成为现代电子系统设计的关键技术之一，是必不可少的工具与手段。 模拟电路仿真工具是以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础实现的。它采用数学模型和仿真算法，利用计算机的计算、存储和图形处理的高速和高效率，以电路理论为依据，无需任何元器件，用预先设计出的各种功能的应用程序，取代大量的仪器仪表。电路设计者可以通过这些应用程序对电路进行各种分析、计算和校验。4.3.1 模型参数的确定 电路仿真工具的分析精度、可靠性和实用性在很大程度上取决于电路元器件模型及模型参数的精度。 由于我们的设计采用的是CSM0.25 um的工艺，模拟程序中只要应用BSIM模型。模型参数如下：model = bsim3NewModel =3MetaSoftware Compatibility ModeThese are BSIM3v3 Model ParametersLotName=LOT_NAME UserName=USER Date=05-15-2000Fast Models pmos_tktype=p lmin=0.00001 lmax=0.0000501 wmin=1.20000004768372e-06 wmax=0.000003 tnom=25.0 version=3.2 tox=7.44e-09 toxm=7.44e-09 xj=1.0000000e-07 nch=2.4971000e+17 lln=1.0000000 lwn=1.0000000 wln=1.0000000 wwn=1.0000000 lint=5.1000000e-08 ll=0.00 lw=0.00 lwl=0.00 wint=4.1630000e-08 wl=0.00 ww=0.00 wwl=0.00 mobmod=1 binunit=2 dwg=0.00 dwb=0.00 paramchk=1 ldif=0.00 hdif=hdif_value rsh=0 rd=0 rs=0 rsc=0 rdc=0 vth0=-0.5612000 k1=0.6800000 k2=-4.4600000e-16 k3=-5.0000000 dvt0=3.1128299 dvt1=0.615