第一章自扫描光电二极管列阵报告.ppt

绪论 1 图像传感器的主要功能 把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信号 转换为按时序串行输出的视频信号 2 图像传感器的主要操作 光电转换 把一定时间内的光强信号转换为电信号 扫描读出 把各个像元的电信号扫描读出 获得视频信号 3 固体图像传感器的主要分类 电荷耦合器件 CCD MOS图像传感器 即自扫描光电二极管列阵 SSPA 电荷耦合光电二极管列阵 CCPD 电荷注入器件 CID 4 固体图像传感器的主要优点 固体化 全固态器件 耐冲击 可靠性高 集成化 集成电路工艺制作 体积小 功耗低 高性能 灵敏度高 分辨率高 工作频率高 高速 参考文献 1 王庆有主编 光电传感器应用技术 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 北京 机械工业出版社 2007 10 1 2 王庆有主编 图像传感器应用技术 第2版 光电信息科学与工程类专业规划教材 北京 电子工业出版社 2013 2 1 3 高岳等编著 光电检测技术与系统 第2版 电子信息与电气学科规划教材 光电信息科学与工程专业 北京 电子工业出版社 2009 6 1 CMOS图像传感器简介 图像传感器分类 流水线方式 交换机方式 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 1 1 1SSPA线列阵原理 1 SSPA线阵电路框图 1 1 1SSPA线列阵原理 2 扫描电路 移位寄存器 每1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 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 1 1 1SSPA线列阵原理 选通开关 光电二极管 e1 e2 e3 输出 电源 3 简单线阵SSPA电路 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 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 IDS IDS 4 PMOS场效应管 1 1 2扫描驱动电路 4 普通移位寄存器 a b T2 T1 T4 T3 Cg 1 e1 COM S 2 1 c d T6 T5 T8 T7 Cg Cg 2 e2 N 1 eN 1 N eN 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供电激活该单元 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 3 普通移位寄存器工作原理 1 S 1 2 a b e1 c d e2 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 3 普通移位寄存器工作原理 2 S 1 2 a b e1 c d e2 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 3 普通移位寄存器工作原理 3 S 1 2 a b e1 c d e2 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 3 普通移位寄存器工作原理 4 S 1 2 a b e1 c d e2 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 1 1 2扫描驱动电路 4 工作波形 EOS S 1 2 a b e1 c d e2 Vo t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 1 1 2扫描驱动电路 4 一种低功耗动态移位寄存器 2 1 1 2 T2 T1 T4 T3 CV e1 COM S 2 1 T6 T5 e2 RL Vo N1 N1为高电平 则T6栅极始终保持 1低电平 T6导通 N1为低电平 则自举电容耦合 2低电平时 T5导通 1 1 2扫描驱动电路 4 一种低功耗动态移位寄存器 2 T2 T1 e1 S 2 T6 T5 e2 N1 1 N2 T2 T1 T6 T5 N1 N2 1 2 1 2 1 1 2扫描驱动电路 5 简化电路分析 6 工作波形 1 S 1 2 VN1 e2 e1 6 工作波形 2 S 1 2 VN1 e2 e1 6 工作波形 2 S 1 2 VN1 e2 e1 1 1 2扫描驱动电路 6 工作波形 S 1 2 VN1 e2 Vo e1 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 扫描速度快 半个时钟周期移一位 CMOS电路性能更好 1 1 2扫描驱动电路 8 CMOS移位寄存器 传输门 反向器 1 1 2扫描驱动电路 9 仿真电路 传输门 反相器 1 1 2扫描驱动电路 9 仿真结果 1 1 3光电二极管工作方式 1 连续工作方式 IL RL Vo VB 光电流很小 布线很困难 注意 2 电荷存储工作方式 1 CV RL V Vo e1 Cd D1 T1 IL RL V Vo e1 Cd ID 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 3 连续工作方式与电荷存储方式的比较 IL RL Vo VB 1 CV RL V Vo e1 Cd D1 T1 光电流增益很大 布线容易 视频输出线电容影响大 1 1 3开关噪声及补偿方法 1 开关噪声 1 2 e1 5V e2 RL Vo N e2 开关噪声 光信号 1 1 3开关噪声及补偿方法 2 补偿方式 1 补偿列阵 e1 e2 RL VN e2 1 2 COM RL Vo N RS RS R Rf Vout T T 噪声 信号 补偿列阵 光电列阵 移位寄存器 1 1 3开关噪声及补偿方法 2 补偿方式 2 邻近位相关法 e1 e2 e3 0 1 COM VO Vout T 信号 移位寄存器 2 VN 3 噪声 电源 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 1 CV COM RL 3 N 1 VO偶 CV RL 2 N 4 移位寄存器 1 1 4多相时钟线列阵 2 工作波形 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 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 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 11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 单元电路 栅 漏 垂直 Y 扫描电路 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 1 2 2电压采样型面列阵 1 电路结构 1 2 2电压采样型面列阵 1 电路结构 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 视频输出信号大 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 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 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 a 自对准MOSFET b 短栅MOSFET c 光耦合MOSFET 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 1 3 2粗光栅位移传感器列阵 a 列阵结构 b 工作波形 S 1 2 Vo 图像传感器的分辨率可达微米量级 光栅尺的分辨率可达亚微米量级 1 3 3x射线探测器列阵 a