CMOS圖像傳感器中時(shí)問延遲積分的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

　　1 引 言

　　利用高速線掃描攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，具有在線監(jiān)控、高精度和高速度的特點(diǎn)[1，2]，一般常見的線掃描攝像機(jī)，感光器上的每個(gè)像素在進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，每次僅對(duì)移動(dòng)中的物體做一次曝光，而時(shí)間延遲積分(TDI)電路具備較多且有效的積分時(shí)間，從而增強(qiáng)信號(hào)的輸出強(qiáng)度。目前，TDI技術(shù)的研究多局限于CCD工藝。CCD器件是實(shí)現(xiàn)TDI的理想器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)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(dòng)電路和信號(hào)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(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)單芯片[6～8]，但目前有關(guān)利用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)線陣TDI的技術(shù)鮮有報(bào)道，其主要技術(shù)難點(diǎn)為如何實(shí)現(xiàn)低噪聲的信號(hào)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(shí)現(xiàn)TDI功能的電路結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了電路的噪聲，提出了器件級(jí)噪聲優(yōu)化方法，采用SMIC 0.35 μm CMOS工藝進(jìn)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(duì)同一移動(dòng)中的物體進(jìn)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(hào)及整體亮度也相應(yīng)大幅提升[9]。在對(duì)入射信號(hào)累加的同時(shí)，對(duì)噪聲信號(hào)也進(jìn)行了累加，因此低噪聲的電路設(shè)計(jì)成了設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。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(jí)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(gè)數(shù)，n為級(jí)數(shù)。本設(shè)計(jì)中，n=32。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　3.1 光敏單元的設(shè)計(jì)

　　像素單元的物理結(jié)構(gòu)包括光電二極管、行選信號(hào)、電源、地信號(hào)和源跟隨晶體管等。由于有源像素相對(duì)于無(wú)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(shì)[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(duì)較高，而且尋址方式簡(jiǎn)單。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3.2 積分電路的設(shè)計(jì)

　　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(shí)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(hào)，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(chǔ)在Cs上的電荷通過虛地點(diǎn)傳到CI上。采用適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(shí)積分器可等同于RC網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，若采樣時(shí)間遠(yuǎn)大于RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)，即有充分的時(shí)間使之建立，開關(guān)上的壓降在采樣相結(jié)束時(shí)近似為0。同時(shí)，開關(guān)的動(dòng)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(dá)式中，但Rs對(duì)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(yùn)放和開關(guān)的開啟阻抗以及電容形成的時(shí)間常數(shù)所帶限，如圖5所示。

　　由小信號(hào)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?yàn)椹s│》│ PA│，式(5)可簡(jiǎn)化為

　　3.4 低噪聲運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

　　積分器中，運(yùn)算放大器采用folded cascode結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)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(jí)提高了非線性的轉(zhuǎn)換速度。分析可知，運(yùn)放第2級(jí)器件產(chǎn)生的噪聲在等效到輸入端時(shí)要除以第1級(jí)的增益，而通常情況下，第1級(jí)為高增益級(jí)，因此第2級(jí)器件對(duì)噪聲貢獻(xiàn)很小。在本文討論中，將第2級(jí)器件產(chǎn)生的噪聲忽略不計(jì)。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(jí)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(duì)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(duì)于工作在飽和區(qū)的長(zhǎng)溝道MOS晶體管，可由推導(dǎo)得到γ=2/3，而對(duì)于亞微米MOS晶體管，γ可能需要更大的值來(lái)代替，在某種程度上γ還隨漏源電壓而改變[8];k=1.38