微光CMOS圖像傳感器讀出電路設(shè)計

當(dāng)前固體微光器件以EBCCD 及EMCCD 器件為主，隨著CMOS 工藝及電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展， 微光CMOS 圖像傳感器的性能在不斷提高，通過采用專項(xiàng)技術(shù)，微光CMOS 圖像傳感器的性能已接近EMCCD 的性能， 揭開了CMOS 圖像傳感器在微光領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。隨著對微光CMOS 圖像傳感器研究的進(jìn)一步深入，在不遠(yuǎn)的未來，微光CMOS圖像傳感器的性能將達(dá)到夜視應(yīng)用要求，在微光器件領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

讀出電路是微光CMOS 圖像傳感器的重要組成部分，它的基本功能是將探測器微弱的電流、電壓或電阻變化轉(zhuǎn)換成后續(xù)信號處理電路可以處理的電信號，它的噪聲水平限制著CMOS 圖像傳感器在微光下的應(yīng)用。微光條件下像素的輸出信號十分微弱，任何過大的電路噪聲、偏移都可以將信號湮沒，因此提高讀出電路輸出信號的SNR 是微光設(shè)計的關(guān)鍵之一。本文采用的新型電容反饋跨阻放大型讀出電路CTIA電路，可以提供很低的探測器輸入阻抗和恒定的探測器偏置電壓，在從很低到很高的背景范圍內(nèi)，都具有非常低的噪聲，其輸出信號的線性度和均勻性也很好，適合微弱信號的讀出。

1 電路設(shè)計

為完成探測器輸出電流向電壓的精確轉(zhuǎn)化，所設(shè)計的電路由CTIA 和相關(guān)雙采樣(CDS)組成，CTIA 由反向放大器和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器。其增益大小由積分電容確定。圖1 為典型CTIA 電路結(jié)構(gòu)。

圖1 典型CTIA 結(jié)構(gòu)

當(dāng)Reset 信號為高時，MOS 開關(guān)開通，由運(yùn)算放大器的虛短特性可知，輸入端的電壓與Vref相等，此時積分電容兩端電壓相等， 都為Vref。當(dāng)Reset 信號變?yōu)榈碗娖綍r，MOS 開關(guān)關(guān)斷，由于輸入端的電壓由Vref控制，因此在積分電容Cf右極板上產(chǎn)生感應(yīng)電荷并慢慢積累，右極板電壓逐漸增大，積分過程開始。最后電壓通過相關(guān)雙采樣電路讀出。