CMOS图像传感器中时问延迟积分的实现与优化

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作者：时间：2007-11-22来源：光电子.激光收藏

　　1 引言

　　利用高速线扫描摄像机进行监控，具有在线监控、高精度和高速度的特点[1，2]，一般常见的线扫描摄像机，感光器上的每个像素在进行动态扫描时，每次仅对移动中的物体做一次曝光，而时间延迟积分(TDI)电路具备较多且有效的积分时间，从而增强信号的输出强度。目前，TDI技术的研究多局限于CCD工艺。CCD器件是实现TDI的理想器件，它能够实现无噪声的电荷累加[3～5]，但传统CCD图像传感器技术存在驱动电路和信号处理电路难与CCD成像阵列单片集成，需要较高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成电路工艺兼容，图像信息不能随机读取等欠缺。随着CMOS集成电路工艺和开关电容电路设计技术的发展，CMOS图像传感的光电转换、读出和A/D转换等功能已实现单芯片[6～8]，但目前有关利用CMOS工艺实现线阵TDI的技术鲜有报道，其主要技术难点为如何实现低噪声的信号累加。本文在研究CMOS电路噪声的基础上提出了基于CMOS工艺采用开关电容电路实现TDI功能的电路结构，详细分析了电路的噪声，提出了器件级噪声优化方法，采用SMIC 0.35 μm CMOS工艺进行了仿真，仿真结果表明，该电路能够实现TDI功能，并且具有低噪声的特性。

　　2 TDI工作原理

　　TDI是指对同一移动中的物体进行多次曝光并将其积累。由于感光器积累多次的入射光，图像信号及整体亮度也相应大幅提升[9]。在对入射信号累加的同时，对噪声信号也进行了累加，因此低噪声的电路设计成了设计中的重点。CMOS-TDI结构如图1所示，它类似于普通面阵CMOS图像传感器，n级的TDI由n行像素单元、积分阵列组和列并行ADC组成。其中，m为像素单元的个数，n为级数。本设计中，n=32。

　　3 电路设计

　　3.1 光敏单元的设计

　　像素单元的物理结构包括光电二极管、行选信号、电源、地信号和源跟随晶体管等。由于有源像素相对于无源像素有低读出噪声、可集成到更大规模阵列和高速读出等优势[9，10]，采用三管有源像素结构。该结构的填充系数相对较高，而且寻址方式简单。其电路结构如图2所示。

　　3.2 积分电路的设计

　　采用的积分器如图3所示，包括采样电容、积分电容和两相不交迭时钟。工作过程为：在采样模式下，S1和S3闭合，S2和S4断开，采样电容CS两端的电压追踪输入信号，积分电容C1保持初始值不变。在向积分模式的转换过程中，S1和S3断开，S2和S4闭合，存储在Cs上的电荷通过虚地点传到CI上。采用适当的时序，使S3和S1之前断开，可以避免与输入有关的电荷注入[11]。

　　3.3 开关电容电路噪声

　　3.3.1 采样相噪声

　　首先分析积分器采样相噪声。采样网络及采样噪声的电路模型如图4所示，此时积分器可等同于RC网络。值得注意的是，若采样时间远大于RC网络的时间常数，即有充分的时间使之建立，开关上的压降在采样相结束时近似为0。同时，开关的动作过程使开关的Si和氧化物界面状态复位，从而阻止低频1/f噪声的积累。所以1/f噪声在采样阶段可以忽略。

　　用作开关作用的MOS管，其热噪声谱密度可表示为[11]

　　其中：Rs为MOS管的等效电阻;γ=1。VOUT端噪声功率可表示为

　　其中，

对式(2)积分得到

　　观察式(3)可以发现，Rs并不出现在表达式中，但Rs对噪声的谱密度有带限作用。

　　3.3.2 积分相噪声

　　采样阶段获得的电荷在积分阶段传输至积分电容。开关引入多余的热噪声，引入的噪声被运放和开关的开启阻抗以及电容形成的时间常数所带限，如图5所示。

　　由小信号等效电路推导传输函数可得

　　其中：PA=gm/CS，Ps=-1/RsCS，gm为输入MOS管跨导，而且│ Ps│≥│PA│。在频域内积分推出

　　因为│Ps│》│ PA│，式(5)可简化为

，通过合理选择积分电容和采样电容的比值，可以优化噪声特性。综合考虑噪声、面积等综合因素，选择CS=CI=2pF。

　　3.4 低噪声运算放大器的设计

　　积分器中，运算放大器采用folded cascode结构的两级运放，如图6所示。其中folded Cascode共源、共栅结构能够提高电路的增益，从而减小积分器的泄漏因子，而class AB类的输出级提高了非线性的转换速度。分析可知，运放第2级器件产生的噪声在等效到输入端时要除以第1级的增益，而通常情况下，第1级为高增益级，因此第2级器件对噪声贡献很小。在本文讨论中，将第2级器件产生的噪声忽略不计。具体分析为：将MOS管的器件噪声等效为与栅极串连的电压源，则该电路的第1级输出OUT1端的总噪声电流可以表示为