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(jì)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(guò)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(kāi)了CMOS圖像傳感器在微光領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。隨著對(duì)微光CMOS圖像傳感器研究的進(jìn)一步深入，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，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(cè)器微弱的電流、電壓或電阻變化轉(zhuǎn)換成后續(xù)信號(hào)處理電路可以處理的電信號(hào)，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(hào)十分微弱，任何過(guò)大的電路噪聲、偏移都可以將信號(hào)湮沒(méi)，因此提高讀出電路輸出信號(hào)的SNR是微光設(shè)計(jì)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(cè)器輸入阻抗和恒定的探測(cè)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(hào)的線性度和均勻性也很好，適合微弱信號(hào)的讀出。

　　1電路設(shè)計(jì)

　　為完成探測(cè)器輸出電流向電壓的精確轉(zhuǎn)化，所設(shè)計(jì)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。

　　當(dāng)Reset信號(hào)為高時(shí)，MOS開(kāi)關(guān)開(kāi)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(shí)積分電容兩端電壓相等，都為Vref.當(dāng)Reset信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MOS開(kāi)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(guò)程開(kāi)始。最后電壓通過(guò)相關(guān)雙采樣電路讀出。

　　2關(guān)鍵單元電路設(shè)計(jì)

　　2.1高增益低噪聲CTIA電路

　　為了提高讀出電路的增益，使電路能在比較短的積分時(shí)間內(nèi)，讀出PA級(jí)的電流，電路中的積分電容要非常小。同時(shí)為了提高信噪比，在減小積分電容的同時(shí)，電路噪聲也要減小。在新型電路結(jié)構(gòu)中，采用T型網(wǎng)絡(luò)電容加nmos開(kāi)關(guān)。

　　由于C1和C2的作用，使得Cf在CTIA反饋回路中的有效值減少，其有效值為：Cfb= ( C2Cf)/(Cf +C1+C2)，這樣Cf可以取相對(duì)較大的值，避免了使用小電容，因?yàn)樾‰娙菰诠に嚿陷^難實(shí)現(xiàn)，且誤差較大。在本電路中，Cf=20 fF，C2=18 fF，C1=150 fF，則Cfb=2 fF.

　　該電路可工作在高增益模式或低增益模式。在高增益模式，當(dāng)reset為高電平時(shí)，gaIn導(dǎo)通，這時(shí)有效電容為Cf，當(dāng)reset為低電平時(shí)，gaIn關(guān)斷，此時(shí)的積分電容為Cf、C1和C2組成的T型網(wǎng)絡(luò)電容，這樣保證了電路在復(fù)位時(shí)大電容，可有效降低噪聲，積分時(shí)小電容，可大大提高增益。當(dāng)gaIn一直為高電平時(shí)，電路工作在低增益模式。

　　2.2相關(guān)雙采樣

　　相關(guān)雙采樣電路由兩組電容和開(kāi)關(guān)組成，電路工作過(guò)程如下。首先，開(kāi)始積分，R導(dǎo)通，相關(guān)雙采樣電路先讀出像素的復(fù)位信號(hào)，存儲(chǔ)Vreset電壓到電容Creset中。積分完成，開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，將電壓Vread儲(chǔ)存到電容Csig中。最后，將存儲(chǔ)在兩個(gè)電容之上的電壓值相減得到最終的像素輸出電壓值：

　　Vout=Vouts -Voutr

　　這種結(jié)構(gòu)可以很好的消除CMOS圖像傳感器中像素的復(fù)位噪聲、1/f噪聲以及像素內(nèi)的固定模式噪聲。

　　3噪聲分析

　　CMOS讀出電路中包括光探測(cè)器、MOS管和電容3種元件。光探測(cè)器和MOS管是讀出電路的主要噪聲源，這些噪聲包括：一方面光探測(cè)器和MOS管的固有噪聲;另一方面由讀出電路結(jié)構(gòu)和工作方式引起的噪聲。

　　3.1光探測(cè)器噪聲

　　復(fù)位噪聲是由復(fù)位管引入的一種隨機(jī)噪聲。當(dāng)像素進(jìn)行復(fù)位時(shí)，復(fù)位管處于飽和區(qū)或亞閾值區(qū)，具體狀態(tài)取決于光電二極管的電壓值。復(fù)位管導(dǎo)通時(shí)可以等效為一個(gè)電阻，而電阻存在的熱噪聲將引入到復(fù)位信號(hào)形成復(fù)位噪聲。其大小與二極管的電容有關(guān)，復(fù)位噪聲電壓為，其中k為波爾茲曼常數(shù)、T為溫度，C為二極管的等效電容。復(fù)位噪聲本質(zhì)上是一個(gè)熱噪聲，具有隨機(jī)性，只能夠減小而不能夠徹底消除。在本電路中，C=1.3 P，Vn=56μV。

　　散粒噪聲是指由于電子的隨機(jī)到達(dá)而引起器件中電流的隨機(jī)波動(dòng)。因此，散粒噪聲與流過(guò)器件的電流大小相關(guān)，并且服從泊松分布。散粒噪聲與熱噪聲相區(qū)別，熱噪聲在沒(méi)有任何電壓或平均電流的條件下同樣存在，而散粒噪聲在沒(méi)有電流條件下不存在。像素的散粒噪聲與像素中的電流相關(guān)，包括光電流、暗電流。

　　光電流散粒噪聲與照度有關(guān)，很難消除。與暗電流有關(guān)的散粒噪聲可以通過(guò)改變摻雜濃度減小暗電流，但這會(huì)降低量子效率。在本電路中，In=100 fA，Is=20 pA，Tint=20μs，C int =2 fF，則Vdarkn=0.28 mV，Vsn=4 mV。

　　3.2讀出電路噪聲

　　閃爍噪聲也稱為1/f噪聲。在半導(dǎo)體材料中，晶體缺陷和雜質(zhì)的存在會(huì)產(chǎn)生陷阱，陷阱隨機(jī)捕獲或釋放載流子形成閃爍噪聲。在讀出電路中，CTIA放大器是閃爍噪聲的主要來(lái)源。

　　CTIA讀出噪聲與輸入端電容Cin=Cpd、反饋電容Cfb，以及負(fù)載電容CL的設(shè)計(jì)均有關(guān)。

　　在本電路中，Cfb=2 fF，Cpd=1.3 pF，CL=1 pf，α=1.5，T=300 K，則Vn=2 mV。

　　3.3固定模式噪聲(FPN)

　　之所以稱為固定模式噪聲，是因?yàn)檫@種噪聲產(chǎn)生的影響不隨時(shí)間的變化而變化，即表現(xiàn)在每幀圖像上的誤差是一致的。像素的固定模式噪聲可以通過(guò)讀出電路中的相關(guān)雙采樣電路進(jìn)行消除。通過(guò)以上分析，在本電路中，噪聲的主要來(lái)源在于光探測(cè)器的散粒噪聲和CTIA放大器的閃爍噪聲，輸出總噪聲為

　　其中：Av為輸出跟隨放大器增益0.7。

　　根據(jù)公式，理論計(jì)算噪聲電壓Vn=3.1 mV，實(shí)際電路的噪聲水平會(huì)比理論值大2倍左右。

　　4仿真與測(cè)試結(jié)果

　　4.1電路版圖和仿真結(jié)果

　　本文所設(shè)計(jì)的電路采用CSMC公司0.5μm CMOS工藝模型，對(duì)電路進(jìn)行Spectre仿真、版圖設(shè)計(jì)和流片。

　　表1是對(duì)探測(cè)器進(jìn)行的參數(shù)設(shè)置，主要依據(jù)的是相應(yīng)材料制作的探測(cè)器對(duì)應(yīng)測(cè)試得到的等效電阻值和等效電容值以及探測(cè)器流過(guò)的光生電流來(lái)確定的，其中Vref是外加在放大器正相端的電壓值。

　　當(dāng)信號(hào)電流為20 pA時(shí)，電路輸出差分電壓為90 mV，根據(jù)噪聲電壓的估算值，最小信號(hào)的信噪比SNR=15。

　　4.2測(cè)試結(jié)果

　　采用CSMC公司的0.5μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫(kù)對(duì)電路進(jìn)行流片，表2為仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果比較(Cf=20 fF，C1=150 fF，C2=18 fF信號(hào)輸入20~300 pA，積分時(shí)間20μs)。

　　可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果略小于仿真結(jié)果，當(dāng)光信號(hào)為20 pA時(shí)，測(cè)得電路噪聲電壓為8 mV，則SNR=10.8。

　　5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種高增益低噪聲的探測(cè)器讀出電路，采用CTIA與CDS電路相結(jié)合，通過(guò)對(duì)CTIA電路中積分電容的改進(jìn)，使電路在寬范圍內(nèi)對(duì)微弱信號(hào)讀出，并采用開(kāi)關(guān)控制和CDS電路來(lái)降低噪聲，使電路信噪比達(dá)到10，該電路對(duì)航空航天領(lǐng)域微光探測(cè)系統(tǒng)讀出電路的設(shè)計(jì)具有重要意義。