CMOS圖像傳感器中時問延遲積分的實現(xiàn)與優(yōu)化

　　1 引 言

　　利用高速線掃描攝像機進行監(jiān)控，具有在線監(jiān)控、高精度和高速度的特點[1，2]，一般常見的線掃描攝像機，感光器上的每個像素在進行動態(tài)掃描時，每次僅對移動中的物體做一次曝光，而時間延遲積分(TDI)電路具備較多且有效的積分時間，從而增強信號的輸出強度。目前，TDI技術(shù)的研究多局限于CCD工藝。CCD器件是實現(xiàn)TDI的理想器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)無噪聲的電荷累加[3～5]，但傳統(tǒng)CCD圖像傳感器技術(shù)存在驅(qū)動電路和信號處理電路難與CCD成像陣列單片集成，需要較高的工作電壓，不能與深亞微米超大規(guī)模集成電路工藝兼容，圖像信息不能隨機讀取等欠缺。隨著CMOS集成電路工藝和開關(guān)電容電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感的光電轉(zhuǎn)換、讀出和A/D轉(zhuǎn)換等功能已實現(xiàn)單芯片[6～8]，但目前有關(guān)利用CMOS工藝實現(xiàn)線陣TDI的技術(shù)鮮有報道，其主要技術(shù)難點為如何實現(xiàn)低噪聲的信號累加。本文在研究CMOS電路噪聲的基礎(chǔ)上提出了基于CMOS工藝采用開關(guān)電容電路實現(xiàn)TDI功能的電路結(jié)構(gòu)，詳細分析了電路的噪聲，提出了器件級噪聲優(yōu)化方法，采用SMIC 0.35 μm CMOS工藝進行了仿真，仿真結(jié)果表明，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)TDI功能，并且具有低噪聲的特性。

　　2 TDI工作原理

　　TDI是指對同一移動中的物體進行多次曝光并將其積累。由于感光器積累多次的入射光，圖像信號及整體亮度也相應(yīng)大幅提升[9]。在對入射信號累加的同時，對噪聲信號也進行了累加，因此低噪聲的電路設(shè)計成了設(shè)計中的重點。CMOS-TDI結(jié)構(gòu)如圖1所示，它類似于普通面陣CMOS圖像傳感器，n級的TDI由n行像素單元、積分陣列組和列并行ADC組成。其中，m為像素單元的個數(shù)，n為級數(shù)。本設(shè)計中，n=32。

　　3 電路設(shè)計

　　3.1 光敏單元的設(shè)計

　　像素單元的物理結(jié)構(gòu)包括光電二極管、行選信號、電源、地信號和源跟隨晶體管等。由于有源像素相對于無源像素有低讀出噪聲、可集成到更大規(guī)模陣列和高速讀出等優(yōu)勢[9，10]，采用三管有源像素結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)相對較高，而且尋址方式簡單。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3.2 積分電路的設(shè)計

　　采用的積分器如圖3所示，包括采樣電容、積分電容和兩相不交迭時鐘。工作過程為：在采樣模式下，S1和S3閉合，S2和S4斷開，采樣電容CS兩端的電壓追蹤輸入信號，積分電容C1保持初始值不變。在向積分模式的轉(zhuǎn)換過程中，S1和S3斷開，S2和S4閉合，存儲在Cs上的電荷通過虛地點傳到CI上。采用適當(dāng)?shù)臅r序，使S3和S1之前斷開，可以避免與輸入有關(guān)的電荷注入[11]。

　　3.3 開關(guān)電容電路噪聲

　　3.3.1 采樣相噪聲

　　首先分析積分器采樣相噪聲。采樣網(wǎng)絡(luò)及采樣噪聲的電路模型如圖4所示，此時積分器可等同于RC網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，若采樣時間遠大于RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)，即有充分的時間使之建立，開關(guān)上的壓降在采樣相結(jié)束時近似為0。同時，開關(guān)的動作過程使開關(guān)的Si和氧化物界面狀態(tài)復(fù)位，從而阻止低頻1/f噪聲的積累。所以1/f噪聲在采樣階段可以忽略。

　　用作開關(guān)作用的MOS管，其熱噪聲譜密度可表示為[11]

　　其中：Rs為MOS管的等效電阻;γ=1。VOUT端噪聲功率可表示為

　　其中，

　　觀察式(3)可以發(fā)現(xiàn)，Rs并不出現(xiàn)在表達式中，但Rs對噪聲的譜密度有帶限作用。

　　3.3.2 積分相噪聲

　　采樣階段獲得的電荷在積分階段傳輸至積分電容。開關(guān)引入多余的熱噪聲，引入的噪聲被運放和開關(guān)的開啟阻抗以及電容形成的時間常數(shù)所帶限，如圖5所示。

　　由小信號等效電路推導(dǎo)傳輸函數(shù)可得

　　其中：PA=gm/CS，Ps=-1/RsCS，gm為輸入MOS管跨導(dǎo)，而且│ Ps│≥│PA│。在頻域內(nèi)積分推出

　　因為│Ps│》│ PA│，式(5)可簡化為

　　3.4 低噪聲運算放大器的設(shè)計

　　積分器中，運算放大器采用folded cascode結(jié)構(gòu)的兩級運放，如圖6所示。其中folded Cascode共源、共柵結(jié)構(gòu)能夠提高電路的增益，從而減小積分器的泄漏因子，而class AB類的輸出級提高了非線性的轉(zhuǎn)換速度。分析可知，運放第2級器件產(chǎn)生的噪聲在等效到輸入端時要除以第1級的增益，而通常情況下，第1級為高增益級，因此第2級器件對噪聲貢獻很小。在本文討論中，將第2級器件產(chǎn)生的噪聲忽略不計。具體分析為：將MOS管的器件噪聲等效為與柵極串連的電壓源，則該電路的第1級輸出OUT1端的總噪聲電流可以表示為

　　假設(shè)I3=I11=2I1=2I7，并考慮其對稱性，有

　　其中，Gm表示有效跨導(dǎo)，

　　3.4.1 熱噪聲分析

　　MOS器件等效到柵極的熱噪聲譜密度可表示為

　　式中：對于工作在飽和區(qū)的長溝道MOS晶體管，可由推導(dǎo)得到γ=2/3，而對于亞微米MOS晶體管，γ可能需要更大的值來代替，在某種程度上γ還隨漏源電壓而改變[8];k=1.38