一种高增益低噪声的图像探测器读出电路设计

  当前固体微光器件以EBCCD及EMCCD器件为主，随着CMOS工艺及电路设计技术的发展,微光CMOS图像传感器的性能在逐步的提升，通过采用专项技术，微光CMOS图像传感器的性能已接近EMCCD的性能，揭开了CMOS图像传感器在微光领域应用的序幕。随着对微光CMOS图像传感器研究的进一步深入，在不远的未来，微光CMOS图像传感器的性能将达到夜视应用要求，在微光器件领域占了重要地位。

  读出电路是微光CMOS图像传感器的重要组成部分，它的基本功能是将探测器微弱的电流、电压或电阻变化转换成后续信号处理电路能处理的电信号，它的噪声水平限制着CMOS图像传感器在微光下的应用。微光条件下像素的输出信号十分微弱，任何过大的电路噪声、偏移都可以将信号湮没，因此提高读出电路输出信号的SNR是微光设计的关键之一。本文采用的新型电容反馈跨阻放大型读出电路CTIA电路，能够给大家提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都有很低的噪声，其输出信号的线性度和均匀性也很好，适合微弱信号的读出。?

  为完成探测器输出电流向电压的精确转化，所设计的电路由CTIA和相关双采样(CDS)组成，CTIA由反向放大器和反馈积分电容构成的一种复位积分器。其增益大小由积分电容确定。图1为典型CTIA电路结构。

  当Reset信号为高时，MOS开关开通，由运算放大器的虚短特性可知，输入端的电压与Vref相等，此时积分电容两端电压相等，都为Vref。当reset信号变为低电平时，MOS开关关断，由于输入端的电压由Vref控制，因此在积分电容Cf右极板上产生感应电荷并慢慢积累，右极板电压逐渐增大，积分过程开始。最后电压通过相关双采样电路读出。

  为了更好的提高读出电路的增益，使电路能在比较短的积分时间内，读出PA级的电流，电路中的积分电容要非常小。同时为了提高信噪比，在减小积分电容的同时，电路噪声也要减小。在新型电路结构中，采用T型网络电容加nmos开关，电路结构如图2所示。

  由于C1和C2的作用，使得Cf在CTIA反馈回路中的有效值减少，其有效值为：Cfb=(C2Cf)/(Cf+C1+C2)，这样Cf可以取相对较大的值，避免了使用小电容，因为小电容在工艺上较难实现，且误差较大。在本电路中，Cf=20fF，C2=18fF，C1=150fF，则Cfb=2fF。

  该电路可工作在高增益模式或低增益模式。在高增益模式，当reset为高电平时，gaIn导通，这时有效电容为Cf，当reset为低电平时，gaIn关断，此时的积分电容为Cf、C1和C2组成的T型网络电容，这样保证了电路在复位时大电容，可大大降低噪声，积分时小电容，可大幅度的提升增益。当gaIn一直为高电平时，电路工作在低增益模式。

  相关双采样电路由两组电容和开关组成，电路工作过程如下。首先，开始积分，R导通，相关双采样电路先读出像素的复位信号，存储Vreset电压到电容Creset中。积分完成，开关S导通，将电压Vread储存到电容Csig中。最后，将存储在两个电容之上的电压值相减得到最终的像素输出电压值：

  这种结构能很好的消除CMOS图像传感器中像素的复位噪声、1/f噪声以及像素内的固定模式噪声。

  CMOS读出电路中包括光探测器、MOS管和电容3种元件。光探测器和MOS管是读出电路的主要噪声源，这些噪声包括：一方面光探测器和MOS管的固有噪声;另一方面由读出电路结构和工作方式引起的噪声。

  复位噪声是由复位管引入的一种随机噪声。当像素进行复位时，复位管处于饱和区或亚阈值区，具体状态取决于光电二极管的电压值。复位管导通时可以等效为一个电阻，而电阻存在的热噪声将引入到复位信号形成复位噪声。其大小与二极管的电容有关，复位噪声电压为

  光电流散粒噪声与照度有关，很难消除。与暗电流有关的散粒噪声能够最终靠改变掺杂浓度减小暗电流，但这会降低量子效率。在本电路中，In=100fA，Is=20pA，Tint=20s，Cint=2fF，则Vdarkn=0.28mV，Vsn=4mV。

  闪烁噪声也称为1/f噪声。在半导体材料中，晶体缺陷和杂质的存在会产生陷阱，陷阱随机捕获或释放载流子形成闪烁噪声。在读出电路中，CTIA放大器是闪烁噪声的主要来源。

  CTIA读出噪声与输入端电容Cin=Cpd、反馈电容Cfb，以及负载电容CL的设计均有关，其小信号噪声模型如图4所示。