第一章 自扫描光电二极管列阵

1、绪论1 1、图像传感器的主要功能：、图像传感器的主要功能：把入射到传感器光敏面上，转换为。2 2、图像传感器的主要操作：、图像传感器的主要操作：把一定时间内的光强信号转换为电信号；：把各个像元的电信号扫描读出，获得视频信号。3 3、固体图像传感器的主要分类：、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 4、固体图像传感器的主要优点：、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

2、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p 流水线方式p交换机方式第一章 自扫描光电二极管列阵（SSPA）1.1 SSPA线列阵线列阵 1.1.1 线列阵原理 1.1.2

3、 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1.2 SSPA面列阵面列阵 1.2.1 再充电采样型面阵 1.2.2 电压采样型面阵1.3 特殊列阵特殊列阵 1.3.1 环形列阵 1.3.2 光栅位移传感器 1.3.3 X射线探测列阵1.1.1 SSPA线列阵原理1 1、SSPASSPA线阵电路框图线阵电路框图1.1.1 SSPA线列阵原理2 2、扫描电路扫描电路 移位寄存器：移位寄存器： 每每1 1个时钟周期，个时钟周期，o/p1o/p1端的信号传递到端的信号传递到o/p2o/p2端；端； 信号依次移位，先进先出；信号依次移位，先进

4、先出； 结构简单，容易扩展。结构简单，容易扩展。1.1.1 SSPA线列阵原理2 2、扫描电路扫描电路 解码器：解码器： n n位二进制输入；位二进制输入； 2 2n n个扫描输出；个扫描输出； 可以随机编码；可以随机编码； 结构复杂，不易扩展。结构复杂，不易扩展。1.1.1 SSPA线列阵原理选通开关光电二极管e1e2e3输出电源3 3、简单线阵简单线阵SSPASSPA电路电路1.1.2 扫描驱动电路n源(S) 栅(G) 漏(D)体(B)ppn源(S) 栅(G) 漏(D)体(B)p沟pp- - - - -GDS（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。GDSIDSI

5、DS4 4、PMOSPMOS场效应管场效应管1.1.2 扫描驱动电路4 4、普通移位寄存器普通移位寄存器abT2T1T4T3Cg1e1COMS21cdT6T5T8T7CgCg2e2N-1eN-1NeN负载管（负载管（T2&T4T2&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（反向器（T1&T3T1&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（栅电容（Cg&CgCg&Cg）：本单元激活时充电，本单元不激活时保持电平。3 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工

6、作原理（1 1）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工作原理（2 2）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工作原理（3 3）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工作原理（4 4）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t91.1.2 扫描驱动电路4 4、工作波形、工作波形EOSS12ab(e1)cd(e2)Vot0t1t2t3t4t

7、5t6t7t8t91.1.2 扫描驱动电路4 4、一种低功耗动态移位寄存器、一种低功耗动态移位寄存器2112.T2T1T4T3CVe1COMS21T6T5e2RLVoN1l N1为高电平，则T6栅极始终保持1低电平，T6导通；l 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 4、一种低功耗动态移位寄存器、一种低功耗动态移位寄存器2.T2T1e1S2T6T5e2N11N2T2T1T6T5N1N212121.1.2 扫描驱动电路5 5、简化电路分析、简化电路分析T1ST5T4e21NCbCN0-V0-VS时当时当SNbNbVVWLCCVWlCC 0 00VCCCVN

8、bbN6 6、工作波形（、工作波形（1 1）S12VN1e2e16 6、工作波形（、工作波形（2 2）S12VN1e2e16 6、工作波形（、工作波形（2 2）S12VN1e2e11.1.2 扫描驱动电路6 6、工作波形、工作波形S12VN1e2Voe11.1.2 扫描驱动电路7 7、电容自举移位寄存器的优点、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 8、CMOSCMOS移位寄存器移位寄存器传输门+反

9、向器1.1.2 扫描驱动电路9 9、仿真电路、仿真电路SV2SC310p00M21pmosl = 5uW = 5uVDDM14nmosl = 5uW = 5uVCC0D11N437612F2VCC00V55VdcSM1pmosl = 5uW = 5u0I15udcM28nmosl = 5uW = 5uM6nmosl = 5uW = 5uM22nmosl = 5uW = 5uVCCVoM8nmosl = 5uW = 5u0F20VCCM24nmosl = 5uW = 5uM23pmosl = 5uW = 5u0C210pM10nmosl = 5uW = 40uF20M25pmosl = 5uW

10、= 5u0C110pM3pmosl = 5uW = 5u0VCCM2nmosl = 5uW = 5uVCCM7pmosl = 5uW = 5uF1SV4F2VCCM15pmosl = 5uW = 5uVDDSV3F1I35uVCC0R11kM16nmosl = 5uW = 5uVCCM5pmosl = 5uW = 5uM9nmosl = 5uW = 40u0D21N437612VCCF1e2F1e4M27pmosl = 5uW = 5uM12nmosl = 5uW = 5u0D31N437612M26nmosl = 5uW = 5uVCCVCCV15VdcM17pmosl = 5uW = 5u

11、M13pmosl = 5uW = 5u0M4nmosl = 5uW = 5uM11pmosl = 5uW = 5uM30nmosl = 5uW = 40uSVCC0I25ue3M18nmosl = 5uW = 5u传输门反相器1.1.2 扫描驱动电路9 9、仿真结果、仿真结果1.1.3 光电二极管工作方式1 1、连续工作方式、连续工作方式ILRLVoVBqJLhvPhvhPqJLPPhcqAhPqAIL光电流很小；布线很困难。AIL6121010注意：2 2、电荷存储工作方式、电荷存储工作方式1CVRLVVoe1CdD1T1ILRLVVoe1CdID0H1H2HSH2qVCqdS1qSDTIq

12、 0t01t2t1e0I0H1H2HSH0ISQQSHHH210SDDTIttIq)(120SLTLttLTIdttIdttIqS0)()(213 3、定量分析、定量分析VCQdZdAMVC2/1002/NqMsidtdCVdtdVCdtdQddLIdtdQdtdVAMZVdtdCZd)1( dtdVVZAMIZL)1 ()1/(1)1(0)1/(1)1(0ZSZZSLZhcMqPTVAMTIVV)1(0)1(ZZSLVVAMTI注：二极管两端的电压与光强注：二极管两端的电压与光强P P和积分时间和积分时间TsTs的乘积成比例。的乘积成比例。3 3、连续工作方式与电荷存储方式的比较、连续工作方

13、式与电荷存储方式的比较ILRLVoVBhv1CVRLVVoe1CdD1T10ISLTIqdSLCTIVSLdLSLTICRTII0SLTIIG0光电流增益很大；光电流增益很大；布线容易；布线容易；视频输出线电容影响大。视频输出线电容影响大。1.1.3 开关噪声及补偿方法1 1、开关噪声、开关噪声12e1+5Ve2RLVoNe2开关噪声光信号1.1.3 开关噪声及补偿方法2 2、补偿方式（、补偿方式（1 1）：补偿列阵）：补偿列阵e1e2RLVNe212SEOS12COMRLVoNRSRSRRfVoutTT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 2、补偿方式（

14、、补偿方式（2 2）：邻近位相关法）：邻近位相关法e1e2e312SEOS01COMVOVoutT信号移 位 寄 存 器2VN3噪声电源1.1.4 多相时钟线列阵1 1、四相时钟线列阵、四相时钟线列阵12S奇EOSVO奇移 位 寄 存 器1CVCOMRL3N-1偶EOSVO偶CVRL2N4移 位 寄 存 器12S1e3e1Ne2e4eNe1.1.4 多相时钟线列阵2 2、工作波形、工作波形1212S奇OV偶OV奇EOS偶EOS1.1.4 多相时钟线列阵3 3、工作方式、工作方式p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

15、布的串行视频信号；p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。p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 4、八相时钟线阵、八相时钟线阵优点：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：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

16、声；构成：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。1.2 SSPA面列阵面列阵1.2.1 再充电采样型面列阵EOL水平（X）扫描电路1HEOF2H3H4HoutV1V2V3VLRBV列线行线111213142122232431323334单元电路栅漏垂直（Y）扫描电路1.2 SSPA面列阵面列阵1.2.1 再充电采样型面列阵EOL1HEOF2H3H4HoutV1V2V3VstLfbt行回扫采样时间EOLT)2(EOLFfbTt场回扫行采样周期1.2.2 电压采样型面列阵1 1、电路结构、电路结构Vdde1comVo14comVo13(2,41)(2,1)Vo

17、1comcom(1,41)comCOMcomcom(13,41)e2Vo2com扫 描 电 路e40CP(2,2)(1,2)(1,1)(14,2)come41(14,1)(13,2)(13,1)comcome3(14,41)comSYNC1.2.2 电压采样型面列阵1 1、电路结构、电路结构Vdde1comVo14comVo13(2,41)(2,1)Vo1comcom(1,41)comCOMcomcom(13,41)e2Vo2com扫 描 电 路e40CP(2,2)(1,2)(1,1)(14,2)come41(14,1)(13,2)(13,1)comcome3(14,41)comSYNC1.2

18、.2 电压采样型面列阵2 2、电路分析、电路分析1e)15(VVDDLRdC)5(VCOM 2eoVD1T2T3T)15(VVDDLRdC)5(VCOM oVD1T2T3T)15(VVDDLRdC)5(VCOM oVD1T2T3T（a）单元电路（b）预充电（c）放大读出特点：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431.2.2 电压采样型面列阵3 3、工作波形、工作波形1212345637 38 39 40 41421oV14oV亮区暗区亮区亮区暗区亮区SYNC1.2.2 电压采样型面列阵4 4、噪声消除方法、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MOSFET1.3 特殊列阵特殊列阵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S12Vo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1.3.3 x射线探测器列阵（a）x射线探测器结构（b）工作波形光子能量（keV）70 8010 2