微光CMOS图像传感器读出电路设计

　　3噪声分析

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。

　　3.1光探测器噪声

　　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

　　，其中k为波尔兹曼常数、T为温度，C为二极管的等效电容。复位噪声本质上是一个热噪声，具有随机性，只能够减小而不能够彻底消除。在本电路中，C=1.3 P，Vn=56μV。

　　散粒噪声是指由于电子的随机到达而引起器件中电流的随机波动。因此，散粒噪声与流过器件的电流大小相关，并且服从泊松分布。散粒噪声与热噪声相区别，热噪声在没有任何电压或平均电流的条件下同样存在，而散粒噪声在没有电流条件下不存在。像素的散粒噪声与像素中的电流相关，包括光电流、暗电流。其计算公式如下：

　　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可以通过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=100 fA，Is=20 pA，Tint=20μs，C int =2 fF，则Vdarkn=0.28 mV，Vsn=4 mV。

　　3.2读出电路噪声

　　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。

　　图4 CTIA放大器噪声模型

　　噪声电压为

　　在本电路中，Cfb=2 fF，Cpd=1.3 pF，CL=1 pf，α=1.5，T=300 K，则Vn=2 mV。

　　3.3固定模式噪声(FPN)

　　之所以称为固定模式噪声，是因为这种噪声产生的影响不随时间的变化而变化，即表现在每帧图像上的误差是一致的。像素的固定模式噪声可以通过读出电路中的相关双采样电路进行消除。通过以上分析，在本电路中，噪声的主要来源在于光探测器的散粒噪声和CTIA放大器的闪烁噪声，输出总噪声为

　　噪声电压为

　　其中：Av为输出跟随放大器增益0.7。

　　根据公式，理论计算噪声电压Vn=3.1 mV，实际电路的噪声水平会比理论值大2倍左右。

　　4仿真与测试结果

　　4.1电路版图和仿真结果

　　本文所设计的电路采用CSMC公司0.5μmCMOS工艺模型，对电路进行Spectre仿真、版图设计和流片。

　　表1是对探测器进行的参数设置，主要依据的是相应材料制作的探测器对应测试得到的等效电阻值和等效电容值以及探测器流过的光生电流来确定的，其中Vref是外加在放大器正相端的电压值。

　　表1仿真时单元电路参数取值

　　图5 CTIA输出波形