（微电子学与固体电子学专业论文）积分器阵列设计.pdf

摘要 摘要 近年来c m o s 图像传感器在医疗和工业等领域中得到了越来越广泛的应用。 作为c m o s 图像传感器的前端处理电路，多通道积分器阵列的性能参数直接决定 了传感器的成像质量并成为该领域的研究热点。本课题的主要研究内容是低噪声 积分器阵列的设计与实现。 本文从c m o s 图像传感器的发展历史和国内外研究现状入手，提出了本课题 的研究目的和意义。在介绍半导体光电知识的基础上，简要分析了光电二极管的 特性并建立了用于模拟仿真的等效电路模型。用简化模型对积分器建模，推导出 各工作状态下噪声的传递函数和噪声功率。用m a t l a b 对电路模型进行系统仿真， 分析开关和运放噪声源对积分器中关键结点的噪声影响。在噪声理论分析的基础 上，详细研究了在不同时序控制下，积分器噪声的传递过程，并提出了通过控制 噪声传递来降低积分器输出噪声的方法。本课题完成了积分器阵列芯片各个电路 模块的设计并用s p e c t r e 和s i m 完成了积分器的模拟仿真，噪声仿真结果与理 论预期基本一致。 本文详细介绍了模拟集成电路版图设计中的各个注意事项和匹配技术。按照 c s m co 6 u md p d m 工艺规范设计了6 4 通道积分器阵列的版图，并顺利完成了两 次流片。第一次流片测试结果表明积分器阵列的最短积分时间为1 0 0 u s ，噪声小 于1 2 m v 。在此基础上，通过优化采样保持电路中开关的尺寸抑制了漏电荷。 二次流片噪声测试结果为6 9 0 u v ，比一次降低近一倍，可以达到1 2 位的分辨率。 因此，证明了本文的噪声理论分析和降噪声方法的正确性。本课题设计的积分器 阵列芯片已经成功地应用于x 射线探测卡并在医疗成像和工业检测等产品中实 现了量产。 关键词c m o s 图像传感器；积分器阵列；噪声传递；漏电荷 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hm ea d v a n c eo fs e m i c o n d u c t o r t e c l l l l o l o g y 趾dt h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i at e c l l i l i q u e s ，c m o si m a g es e n s o ri s e x t e n s i v e l ya p p l i e di nm e d i c a la n d o t l l e ri i l d u s t r i a lf i e l d s i n t e 伊a t o ra r r a yi sm e 舶n t e n dp r o c e s s i n gc i r c u i to fc m o s i i l l a g es e l l s o r ，w h o s ep e r f b m a n c ed i r e c t l yd e t e r m i n e sm e 硫a g eq u a l i t ) ，g e n e r a t e db y m es e n s o r c u r r e n t l y m ei n t e 莎a t o ra r r a yh a sb e c o m eo n er e s e a r c hh o ts p o t t h em a i n w o r k 多o f t h i sm e s i sa r ef o c u s e do nl o wn o i s ei n t e 伊a t o ra r r a yd e s i 髓锄di i i l p l e m e n t a tf i r s t ，t h ep u 】叩o s ea n ds i g n i f i c a t i o no ft 1 1 i ss d b j e c ti sp r e s e n t e db a s e do nt h e d e v e l o p m e n ta 1 1 d s t a t u so fn l ec m o si m a g es e n s o r t h e n ，m ep h o t o e l e c t r i c c h a r a c t 嘶s t i c so fs e m i c o n d u c t o rp h o t o d i o d ea r eb r i e f l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e db ya d e v e l o p e de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la n dm et r a n s f e rf h n c t i o na n dn o i s ep o w e ri n d i 行打e n tw o f i ( i n gp h a s eh a v eb e e nd e d u c e du s i n gas i i n p l ec i r c u i tm o d e l f u n h e n n o r e ， s y s t e m a t i cs i n m l a t i o nw i mm a t l a bh a sb e e ni m p l e m e n t e d ，w h i c hi n d i c a t e st l l e e 虢c to ft 1 1 es w i t c h e sa n do p e r a t i o n a l 锄p l i f i e ro nt 1 1 ek e yn o d e so ft h ei n t e 伊a t o r b a s e do nm en o i s et h e o r y ，n o i s et r a n s f e rp r o c e d u r eo fd i f f 色r e n tt i i l l i n gi sa n a l y z e d a m e t h o d ，d e p e n d i n gu p o nn o i s et r a n s f e rc o n t r 0 1 l i n g ，t or e d u c ei n t e 伊a t o ro u t p u tn o i s ei s d e v e l o p e di nm i sp a p e r c i r c u i ts i m u l a t i o nh a sb e e i ld o n ew i t hm ea i do fs p e c t r ea 1 1 d m m s i ma 1 1 dm er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i mt h en o i s et h e o r ya 工l a l y s i s a n a l o gc i r c u i tl a y o u td e s i g na 1 1 dm a t c h i 工1 9t e c l l l l i q u e sa r ei n 仃o d u c e di nd e t a i l a 6 4 一c h a n n e li n t e 伊a t o r a 仃a yu s i n gc s m c0 6 u md p d mt e c l l l l o l o g yh a sb e e n f 曲r i c a t e dt w ot i m e s t h et e s t i n gr e s u l to ft h ef i r s ts h o w s l a tt h em i n i m u m i n t e 铲a t i o nt i m eo f 缸l ei n t e 掣a t o ra 玎a yc a na c b j e v e1o c h l sa i l dm en o i s ei sl e s st h a n 1 2 m va r e rm o d i 触1 9m es w i t c hs i z ei nm es 锄p l ea n dh o l dc i 】u i t ，t h ec h a r g e 1 e a k a g ei ss u p p r e s s e de f e e c t i v e l yi nm es e c o n dt a p i n 分o u t t h en o i s ei sr e d u c e dt o 6 9 0 u vb e i n ga b o u th a l fo ft h ef i r s t 郇i n 分o u ta i l dh o l d i n gar e s 0 1 u t i o no f12b i t t h e r e f o r e ，m et e s t i n gr e s u l t sv e r i 矽m er l o i s et h e o 巧a i l a l y s i sa 1 1 dp r o v et l l ef e a s i b i l i t ) r o fm el o wn i d i s et e c l l l l i q u e sp r o p o s e di nt h i sm e s i s t h ed e s i 朗e di 1 1 t e 乎a t o ra r r a yh a s b e e nu s e di nx m yd e t e c t o rc a r d s ，w h i c hh a v eb e e i li 1 1t u m 印p l i e dmm e d i c a li i i l a g e r s a i l do m e ri n d u s t r i a ld e t e c t i n ge q u i p m e l l t ss u c c e s s 缸l l y k e yw o r d sc m o s 血a g es e i l s o r ，i m e 謦a t o ra n a y s ，n o i s e 仃a 1 1 s f - e r ，l e a k a g eo fc h a r g e i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趁1 式： 签名：笾l 丕x 日期：2 夕留多z 己 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：l 嶂导师签名：垂巡日期： 移9 口兮、弓j 2 2 ， 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 c m o s 图像传感器概述 上个世纪7 0 年代，出现了三种典型的固体图像传感器电荷耦合器件 ( c c d ：c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 、电荷注入器件( c i d ：c h a r g ei n j e c t e d d e v i c e ) 、光敏二极管阵列( p d a ：p h o t o d i o d ea r r a y ) 。到8 0 年代中期，基 于这三种固体图像传感器技术的工业和民用产品逐渐投放市场。在这三种固体图 像传感器中，c c d 发展最为迅速。c c d 是在m o s ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 晶 体管电荷存储器的基础上发展起来的，它是一个多栅m o s 晶体管，即在源与漏之 间密布许多栅极、沟道极长的m o s 晶体管瞳圳。c c d 的概念提出以后，它的潜力被 许多科技工作者所认识，所以在很短的时间内几乎所有的电子学领域都提出了应 用的设想聆3 ：如根据c c d 存贮电荷的能力直接提出了c c d 记忆电路和逻辑电路的 方案；电荷作信息载体的优越性导致了它用作信号处理的许多建议；硅探测可见 光辐射的能力，使人们很快形成了c c d 图像传感器的概念。随着c c d 应用范围 的扩大，其缺点逐渐显露出来。问题之一是c c d 光敏单元阵列难与驱动电路及信 号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能，这些功能包括模数转换 器、精密放大器、存贮器、运算单元等元件的功能。问题之二是c c d 阵列驱动 脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成( v l s i ) 技 术兼容。为此，人们又开发了另外几种固体图像传感器，其中最引人注目最有发展 潜力的是采用标准的c m o s 工艺技术来生产图像传感器，即c m o s 图像传感器。 c m o s 图像传感器的核心部分包括：光敏感元件阵列、c m o s 读出电路，即积 分器阵列、a d 转换电路、数字图像处理电路，如图卜1 所示。光敏元件感光生 成光电流；积分器阵列读入光电流进行积分处理，把光电流转换成电压信号并放 大；a d 转换电路采集电压信号并将其转换位数字码；数字图像处理电路利用a d 输出的数字码进行成像处理，输出数字图像信号。 北京_ q k 大学_ 学硕十学位论文 光敏元件阵爿 积分嚣阵爿 ，带基电痞 覆字圈像焦理电路 覆字圈像信号 图卜lc m o s 图像传感器框图 f i g 1 - 1c o m s 妇a g e s e n s o rd i a g r a m 与c c d 图像传感器相比，c m o s 图像传感器具有低功耗、低噪声、宽动态范 围、宽光谱灵敏度、体积小，价格便宜等优势，适用于微型数码相机、便携式可 视电话、p c 机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安全监控、汽车防盗等领 域。c m o s 图像传感器还可用与军事侦察、制导、卫星等方面。随着c m o s 技术 的不断完善，现有的工艺已经可为数字系统设计百万个或更多晶体管，采用标准 c m o s 技术生产实用像元尺寸质量高的固体图像传感器己成为可能。目前已能够 制作出尺寸比可见光波长小的c m o s 晶体管结构，可以在一个像元内集成多个晶 体管。采用c m o s 技术可以将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、 模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统。这 进一步推动了c m o s 图像传感器的发展，国外各大公司和科研机构已经开发出多 种类型的c m o s 图像传感器和以c m o s 图像传感器为核心的摄像系统。因此 c m o s 图像传感器将会在许多领域取代c c d 图像传感器，并开拓出更广阔的市场， 从而大大扩展视频图像技术的应用范围。 1 2 国内外c m o s 图像传感器研究历史与发展现状 图像传感器的发展历史如图卜2 所示。1 9 6 5 一1 9 7 0 年，i b m 、f a i r c h i l d 等 公司开发了双极和m o s 光电二极管阵列。贝尔实验室在1 9 7 0 年发明了c c d 技 术。c c d 技术由于具有低噪声、高一致性、低暗电流、高敏感度和高量子效率等 优点，直到今天仍然主宰着固态图像传感器的市场。从1 9 8 5 年到1 9 9 1 年，v l s i v i s i o n 等公司开发了无源像素图像传感器。从1 9 9 2 年到现在，有源像素图像 传感器迅速发展。图像传感器像素阵列的尺寸包括标准格式q c i f ( 1 7 6 1 4 4 像 素) ，c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) ，v g a ( 6 4 0 4 8 0 ) ，s v g a ( 8 0 0 6 0 0 ) ，x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) ) 和 第1 章绪论 超百万像素的非标准格式( 1 0 2 4 1 0 2 4 ) ，非标准格式一般用在数码相机上嘲。 l l9 6 5 一l9 7o 翮 双极、鹾o s 嚣 p d 阵列开发l ( f 嗍)l l 翻o s 图| | 像传惑i l 器援递| k 墨雹霉譬薯篇篇枣 1 9 7 卜1 9 9 7 c c d 主导 l9 9 2 _ 现在渊o s 有源像素研究( 1p l ) 图卜2 硅图像传感器发展史中的里程碑 f i g 1 - 2m i l e s t o n eo fs i l i c o ni i n a g es e n s o r 由于c m o s 集成电路工艺技术的成熟和固体图像传感器技术的不断发展， c m o s 图像传感器发展很快，国外各大公司、院校和科研机构纷纷加入c m o s 图 像传感器研制和生产的行业，已经开发出多种类型的c m o s 图像传感器和以c m o s 图像传感器为核心的摄像器件。到目前为止，国外从事c m o s 图像传感器研制和 生产的有美国航空航天局( n a s a ) 喷气推进实验室( j p l ) ，斯坦福大学、哈佛大 学、洛克威尔半导体系统公司、p h o t o b i t 公司、摩托罗拉公司、贝尔实验室、 柯达公司、哥伦比亚大学、加利福尼亚大学、o i i l n i v i s i o n 、i n t e l 公司、以色列 t o w e r 半导体公司、p h i l i p s 半导体公司，比利时大学微电子中心( i m e c ) 、 f r a u n h o f e r 微电子大学、h a r v a r d 大学，英国v l s iv i s i o n 、日本丰桥技术科 学大学、英国大学、意大利帕维亚大学电子工程系、韩国现代电子集团、安捷伦 科技有限公司( 惠普子公司) 、p i n k h i l l 公司等等。美国贝尔实验室研制的2 5 6 像元2 5 6 像元c m o s 有源像素传感器( c m o s a p s ) 的像元尺寸为2 0 u m 2 0 u m 在 单一5 v 电压下工作，动态范围可达7 2 d b 。英国爱丁堡v l s i 视频有限公司生 产7 8 5 像元5 8 6 像元c m o s 图像传感器。美国航空航天局喷气推进实验室设 计并制造用于彩色相机的1 0 2 4 像元1 0 2 4 像元c m o s a p s 。在国内，西安交通 大学、浙江大学、中科院等单位也开展了c m o s 图像传感器的研制和应用开发工 作，但都处于起步阶段。 1 3 选题的目的及意义 积分器阵列是c m o s 图像传感器的核心模块，主要是指信号进行模数转换之 前的处理电路，结构如图卜3 所示。积分器阵列由多通道积分器、采样保持电 路、时序控制电路和降噪声机制组成。光敏元件阵列( 例如光电二极管， liii匪鼍重lf 9擞发_ 小帱源歼一净 料一 北京t 业大学t 学硕十学位论文 p h o t o d i o d e ) 感光产生光电流。多通道积分器读入光电流并进行积分，把光电流 转换为电压信号并放大。采样保持电路对电压信号采样并输出。时序控制电路 协调多通道积分器与采样保持电路的时序，控制多通道积分器复用一个采样 保持电路。另外，对于低噪声应用还要引入降噪声机制，例如c d s 技术 ( c o r r e l a t e dd o u b l es 锄p l i n g ，相关双采样) 等。 积分 电压 图卜3 积分器阵列结构框图 f i g 1 3h l t e g r a t o ra m l yd i a g r a m 随着c m o s 图像传感器在医疗成像、安全检查、质量监测和军事侦察等领域 的广泛应用，对积分器阵列的性能提出了更高的要求。积分器阵列是传感信号的 前级处理电路，即完成光电转换。为了使c m o s 图像传感器得到高质量的数字图 像信号，积分器阵列必须输出低噪声、低失真电压信号。随着数字信号处理技术 的发展，在集装箱检测和军事侦察等应用领域中出现了对高速积分器阵列的需 求。这些都给阵列积分器电路的设计带来了新的挑战。近年来，随着模拟集成电 路的发展，出现了多种高分辨率的a d 转换器，为高质量数字成像奠定了基础。 这也给积分器阵列的输出噪声带来了更高的要求，如果积分器阵列输出的模拟电 压信号达不到a d 转换器的分辨率，将直接影响整个c m o s 图像传感器的成像质 量。 积分器阵列在c m o s 图像传感器中占有重要地位，本课题将从速度和噪声两 个方面出发，研究高速低噪声计分器阵列的实现方法和各种关键技术，包括高性 能积分器的实现、降噪声机制和基本原理和采样保持电路等。本课题所设计的 计分器阵列芯片，采用o 6 u mc m o s 工艺，5 v 单电源供电，主要针对于线阵探测 第t 章绪论 器( l d a ，l i n e a rd i o d ea r r a y s ) ，应用领域为医疗成像和工业检测。受工艺和 应用等方面的限制，目前国际市场上的这类积分器阵列芯片的分辨率在1 2 1 5 位 之间。日本h a m a m a t s u 公司的s 8 8 6 5 系列，分别有6 4 通道和1 2 8 通道配置产品， 最短积分时间为2 0 u s ，晟高积分增益下输出噪声为1 0 0 0 u v 。美国t i 公司d d c 系 列，分别有8 通道、3 2 通道、6 4 通道和1 2 8 通道配置产品，最短计分时间为3 2 0 u s ， 最高积分增益下输出噪声为4 3 4 u v 。两款产品的主要性能参数如表卜l 和表卜2 所示。 表卜1h 鲫锄a t s us 8 8 6 5 系列产品主要性能参数 t a b l e1 1p 踟e t e r so f h 锄觚n a t s us 8 8 6 5s e r i e s 速度 m i n t y p m a x 积分时间( t i n t ) 2 0 u s 时钟频率( c l k ) 4 0 k h z4 m h z 读出速率( d a t ar a t e ) 1 0 k h zl m h z h i g hg a i n l o wg a i n 噪声( c s e n s o r = 3 3 p f )( c i n t = 0 5 p f )( c i n t = 2 p f ) 1 0 0 0 u v6 0 0 u v 表卜2t id d c 系列产品主要性能参数 t a b l e1 2p a i 铆n e t e r so f t id d cs e r i e s 速度 m i n t y p m a x 积分时间( t i n t ) 4 0 0 u s 时钟频率( c l k ) 4 m h z 读出速率( d a t ar a t e ) 2 5 k h z h i g hg a i n l o wg a i n 噪声( c s e n s o r = 1 5 0 p f )( c i n t = 3 p f ) ( c i n t = 8 7 5 p f ) 2 2 8 u v2 2 8 u v 1 4 论文的内容安排 本文从积分器阵列的原理入手，着重分析了低噪声积分器、s h 电路和时序 控制电路等核心模块的实现，阐述了噪声来源和传递的机理，分析了降低噪声的 原理和方法。进而设计了一个用于线阵光电二极管光电转换的积分器阵列芯片。 根据上述思路，论文的结构安排如下： 第一章首先介绍了c m o s 图像传感器的基本原理、研究历史和国内外发展状 况，最后介绍了本课题的目的和意义。 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 第二章简要介绍了光敏元件的特性，主要包括半导体的光电效应、p i n 光电 二极管阵列特性和等效模型。 第三章首先简要介绍了噪声的分类，然后着重阐述了积分器的噪声建模并推 导了积分器在不同工作状态下的噪声公式。最后介绍了噪声的传递过程和降低噪 声的方法。 第四章阐述了基本电路模块的设计过程，包括运算放大器、电压比较器、采 样保持电路和数字控制电路。最后给出了各模块的电路仿真结果，并对结果进 行了分析。 第五章是版图设计，首先介绍了本设计所用的工艺，然后着重说明了版图设 计中的注意事项和相关技术。最后给出了本文中积分器阵列的版图。 第六章是积分器阵列芯片的测试和改进，给出了失调、失调均匀度、噪声、 漏电、线性度和增益精度等关键性能的测试结果和分析。然后提出了降低噪声的 方法和第二次流片的测试结果。 第2 章光敏元件特性分析 第二章光敏元件特性分析 光敏元件在c m o s 图像传感器中位于积分器阵列的前端，作用是感光并根据 光强的不同产生相应量级的光电流。本文所设计的积分器阵列主要针对线阵光电 二极管，因此，本章将对半导体的光电效应和光电二极管的原理作一简要介绍。 2 1 半导体的光电效应 光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应和外光电效应两种类型博1 。内 光电效应是被光激发所产生的载流子( 自由电子或空穴) 仍在物质内部运动，使 物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。而被光激发产生的电子逸出物质 表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。内光电效应是半导体图像传感 器的技术基础，外光电效应是真空摄像管、变相管和像增强器的技术基础。因之， 可以说光电效应原理是图像传感器的基础。 2 1 1 本征吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带 中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量， 越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子一空穴对。如图2 1 所示，半导体价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子一空穴对的现象称为本征吸收。 北京_ 业大学t 学硕 ：学位论文 kj 轰p 您 e 图2 一l 本征吸收示意图 f i g 2 - 1i n 仃证s i ca b s o 印t i o n 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度e 。，才能 使价带e v 上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级e 。之上，光子能量 e p h = h 。九，因此有 丝艮 ( 2 1 ) z 。 其中h = 4 1 3 5 5 1 0 1 5 e v 为普朗克常量，光速c = 2 9 9 8 1 0 8 m s ，九为光波长。由此， 可以得到发生本征吸收的光波长波限 九兰：等胁) + ( 2 2 ) gg 只有波长短于h 的入射光才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特 性。对于s i 而言，禁带宽度e 。= 1 1 1 9 e v ，带入上式得到入射光被s i 材料本征吸 收可以响应的最大波长( 光电探测器的长波限) 为九= 1 1 0 0 n m ，该波长属于红外 线波段，因此可见光范围内均可以本征激发电子一空穴对。 2 1 2 杂质吸收 n 型半导体中未电离的杂质原子( 施主原子) 吸收光子能量。若光子能量大 于等于施主电离能e 。，杂质原子的外层电子将从杂质能级( 施主能级) 跃入导 带，成为自由电子。同样，p 型半导体中，价带上的电子吸收了能量大于e ( 受 主电离能) 的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级 上的空穴吸收光子能量跃入价带。这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生 电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限为 第2 章光敏元件特件分析 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由于杂质的电离能一般比禁带宽度要小，所以杂质吸收的长波长要大于本征吸收 的长波长。 除了本征吸收和杂质吸收外，还有激子吸收、自由载流子吸收、晶格吸收等 吸收方式，这些吸收主要是把辐射能转换为热能，从而使器件温度升高，使热激 发载流子运动速度加快，而不会改变半导体的导电特性。因此光电效应主要由本 征吸收和杂质吸收引起，其中又以本征吸收为主，它们构成了光电探测器的工作 基础。 2 2 光电二极管阵列 大多数探测器都用安装在光电二极管表面的闪烁晶体将吸收的射线转换成 可见光。这是因为普通的光电二极管对能量超过3 0 3 5 k e v 的x 射线的吸收效 率不够高呻1 。最常用的闪烁晶体有基于磷屏的钆( 这和医用x 射线机中用的晶体 相似) 、c d w 0 4 和c s i ( t 1 ) 。新的晶体材料包括基于陶瓷晶体的钆，如用在高 级医用c t 探测器中的g d 2 0 2 s ( g o s ) ，还有玻璃晶体。光电二极管阵列用来测 量晶体产生的可见光。 2 2 1pln 光电二极管特性 目前使用最多的是s i 光电二极管，共有4 种类型，即p n 结型、p i n 型、 雪崩型和肖特基型n 们。在无光照的时候，光电二极管的伏安特性和普通二极管类 似，此时的反向饱和漏电流称为暗电流，其值随反向偏压和环境温度的升高而增 大。在检测微弱的光信号时，必须选用暗电流小的器件。在有光照时，光电二极 管在一定的反向偏压范围内( vr 5 v ) 的反向电流将随着光照强度的增加而线性 增大，此时的反向电流又叫光电流。因此，对于一定的光照强度，光敏二极管相 当于一个恒流源。 本文中用到的光电二极管是p i n 光电二极管，它可以说是一种经改良的低 结电容平面耗尽型光电二极管，结构如图2 2 所示。它是在p + 层和n + 层之间加入 一层电阻很高( 1 0 g q ) 的i 层，以提高响应时间，它的漏电流很小。p 层是光 肺 腑 伽 伽 4 一d 4 一 坐屿 堇| 峨 g 。和c c 0 ，c c l ，c l c 1 ，c 2 这两个条件。假设主极点p l 远 小于次极点p 2 和三极点p 3 ，则 p 1 ：一堡兰鲤兰 ( 4 5 ) o g 。l o p 2 和p 3 满足方程 s 2 + f 堕+ 鱼1 j + 邋：o lc c o观 c c l 观 因此p 2 棚= 一三( 舄+ 剖 ( 4 6 ) 假设两个零点z l 和z 2 相距较远( 这个假设是合理的，一般情况下运放第二级跨 导g 枷较大；为了避免过强的前馈，c c l 的值较小) ，则 z 1 ：一纽 c c o ( 4 7 ) z 2 ：+ 堕( 4 8 ) 2 c c l 我们注意到，补偿以后零点z 1 在左半平面，左半平面零点在波特图上会同时减 缓幅频特性和相频特性的下降，因此不会破毁坏相位裕度。虽然零点z 2 在右半 平面( 由于c c l 的前馈) ，但它远大于单位增益带宽g 。c c o ，可以忽略它对频率 响应的影响。主极点四的位置与密勒补偿一致，而次极点是一对共轭极点p 2 和 p 3 ，其位置比密勒补偿进一步外推，这可以是运放获得更大的带宽。而且次极点 相对于密勒补偿和共源共栅补偿受负载c l 的影响更小。 4 1 30 p a l 的偏置电路 图4 3 是o p a l 的偏置电路。m 5 和m 7 组成电流镜，电流1 2 镜像电流1 1 。o p a l 中的电流源m 8 和m 9 镜像m 2 的电流1 2 。m 3 是p m o s 连接成二级管的形式，用来 偏置运放中的共源共栅管m 6 和m 7 。在设计过程中要注意l 1 的输出的偏置电压 第4 苹电路幕本模块设计 不能过高，否则共源共栅管会把m 8 和m 9 压入线形区。m 1 和m 2 是电流镜，电流 1 3 是对电流1 2 的镜像。运放的为电流源m 3 镜像m 6 的电流1 3 。m o 是n m o s 连接 成二级管的形式，电流1 1 、1 2 和1 3 的大小由m 0 的尺寸决定。m 0 的导通电阻与 w l 成反比，w l 越大导通电阻越小，电流1 1 、1 2 和1 3 越大。通过调节m o 的尺 寸可以控制运放的偏置电流，进而控制增益、带宽和压摆率的特性。 4 2 电压比较器设计 图4 3o p a l 的偏置电路 f i g 4 3b i a sc i r c u i tf o ro p a l l l 3 电压比较器用于对积分器进行饱和控制。积分器开始积分后，光电流通过开 关i n t 流入积分电容c i n t ，积分器输出电压从基准点压v r e f 开始下降。如果积 分时间固定，光电流越大积分器的输出电压就越低。光电二极管感应强光时会产 生很大的光电流，这会使积分器的输出在积分时间内下降到一个很低的值( 接近 地电位) ，从而使积分器饱和。积分器在饱和状态下，0 p a l 输出级的m o s 管已经 进入线形区，不能正常工作，输出信号的线性度变差。因此，要对积分器进行饱 和控制，当输出降低到某个较低值时，积分器就停止积分。图4 4 说明了饱和控 制的作用。比较器的两个输入端分别接积分器的输出v o 和饱和控制电压 s 玑一r e f ，本文的积分器饱和控制电压为0 5 v 。在正常工作时，比较器的输出i n t c 北京t 业大学t 学硕十学位论文 和b r k 分别使开关i n t 闭合，开关p d c t r l 断开，这样光电流流入积分器并在 c i n t 上积分。当光电二极管感应强光时，光电流i d 过大导致v o 下降到s 玑一r e f 。 这时比较器被触发，信号i n t c 和b r k 都翻转，使开关i n t 断开，开关p d c t r l 闭合，阻止光电流继续流入积分器。这样输出电压v o 就固定在饱和控制电压上。 开关p d c t r l 的作用是避免光电二极管在开关i n t 断开时浮空，使光电二极管保 持零偏。 c lnt v r e f 治 v r e f s 敏r e f v o 蝴e f 等 4 4 积分器的饱和控制 f i g 4 4s a t u u r a t i o nc o n 仃o lf 0 ri n t e g m t o r 饱和控制电路中采用的是开环比较器，如图4 5 所示。开环比较器实际上就 是一个开环应用的放大器，它需要有很大的增益，以达到比较器所需要的精度。 增益增强技术训乜钉可以使比较器获得足够的增益。本文的比较器中，利用负跨 导来提高增益乜6 l 。如图4 6 所示，m 3 和m 4 连接成正反馈，形成负跨导；m 5 和 图4 5 开环电压比较器 f i g 4 5o p e n1 0 0 pv o l t a g ec o m p a r a l 0 r m 6 连接成二极管，形成正跨导，通过正负跨导相互抵消来提高输出阻抗。如果 第4 章电路幕本模块设汁 m 5 和m 3 匹配很好，可以实现很好的增益( 理想匹配情况下，增益为无穷大) 。 比较器的开环增益为 ，r 彳1 ，叩p 玎= 立生一g 。7 8l i ，d 1 0 ) ( 4 9 ) g m 5 g 。3 v i n 和l 1 1 是比较器的输入，如果输入电压大小不同，在v 0 1 和v 0 2 两点会产生 电压差。m 7 和m 8 根据电压差产生不同的小信号电流，电流镜m 9 和m 1 0 把差分 电流转换为单端电流，流过输出阻抗产生电压输出v 1 。v 1 的输出还不是满度的 数字量输出( 即0 v 或5 v ) ，经过反相器i n v l 整形后变为数字量。i n v 2 和i n v 3 构成锁存器，用来锁存比较器的输出。m 1 3 是复位开关，l 6 是积分器的复位信号。 当积分器复位时，比较器也进行复位，等待新的积分周期到来。 网品 ll g m 5 g m 3 图4 6 提高增益的方法 f i g 4 6g a i l lb o o s tt e c l l i l i q u 铭 4 3 采样保持电路设计 采样保持电路对前级积分器的输出电压进行采样，并把信号输出给后面的 a d 转换器，电路结构如图4 7 所示。c s 等于4 p f 是采样电容，c h 也为4 p f 是 保持电容。c l 是负载电容，也是整个积分器阵列驱动的负载，在本文中为3 0 p f 。 运放0 p a 2 的结构与o p a l 相同，但带宽和压摆率比o p a l 大。这是因为6 4 通道的 积分器共用一个采样保持电路，即6 4 个积分器并行积分，然后由采样保持电 路串行输出。为了达到较高的数据输出速率，采样保持电路的时序相对于积分 器来说比较紧张。各开关的时序如图4 8 所示。 ￥ 北京工业大学t 学硕士学位论文 l 15 治 w 占3 图4 7 采样保持电路 f i g 4 - 7s a m p l e m o l dc i r c u i t l 1 3 一碹 厂一z 己一 l 1 3 d 一砼 厂一碹一 a 15 l 15 a 14 砼厂碹一 孜 厂一碹一 碹厂硬一 o e l 图4 8 采样保持电路时序 f i g 4 87 r i m i n go fs 锄p l e h o l dc i r c u i t 积分结束时l 1 3 和l 1 3 d 闭合，对积分器的输出进行采样。采样结束时l 1 3 先断开，l 1 3 d 再断开，这样开关l 1 3 d 的电荷注入不会对c s 产生影响，因为这 时电容c s 的右极板是浮空的。开关l 1 3 的电荷注入会存在电容c s 上，但是它与 输入信号v s 无关，只表现为增益误差和支流失调。而开关l 1 3 d 的电荷注入与输 入v s 相关，如果被c s 采到，会引入非线性。l 1 3 和l 1 3 d 导通时的沟道电荷分 别为 q c j i l 一1 3 = 陟z c 似0 分矿一w ) ( 4 1 0 ) q c 办一1 3 d = 形z c 似一) ( 4 1 1 ) 对于c m o s 图像传感器，增益误差和失调电流是可以修正的，但非线性不能，这 会破坏成像的质量。采样结束后，开关l 1 5 和a 1 5 闭合，采样保持电路复位。 复位结束后开关a 1 4 闭合，由于v 3 是虚地点，c s 上采样到的所有电荷都会转移 第4 苹电路幂本梗块设计 到c h 上。c s 与c h 的值相等，所以输出电压v o 与采样信号v s 相等。 o p a 2 的有限增益会影响采样保持电路的精度，从图4 9 可以分析有限增益 带来的误差。从复位状态到保持状态，虚地点电荷守恒 一殆木o = 吆宰o + 一砌) 术劬 ( 4 1 2 ) 其中v 。= 一1 吖，为o p a 2 的直流增益，将v 。代入( 4 1 2 ) 得到 场：兰一殆 ( 4 1 3 ) b 砌) 玄砌 ( c s + c h ) 就是0 p a 2 有限增益引起的误差项。 f i o 羽j n l = c h l a ) 叻 图4 9 从复位( a ) 到保持( b ) 电荷守恒 f i g 4 - 9c h a r g ec o n s e r v a t i o n 丘o mr e s e t ( a ) t o ( b ) h o l d o p a 2 的有限单位增益带宽和压摆率也会影响采样保持电路的精度删删。一 般情况下，如果时钟周期t 小于1 0 g b w ，g b w 将会影响采样保持电路的性能瞳7 1 。 这种影响表现为电荷不能完全转移。因此，0 p a 2 的的单位增益带宽要足够大， 以保证电路在一个周期能完全建立。采样保持电路的最小操作时间为a 1 4 的有 效电平( 低电平) ，所以运放的带宽要满足 一 插 ( 4 1 4 ) 其中t ( a 1 4 ) 是a 1 4 的有效电平时间。压摆率是运放输出电压上升或下降的最快 速率。如果采样保持电路的输出端有大摆幅的电压变化，压摆率必须满足 掣5 0 0 2 ，8 0 2 6 必 2 4 彩 3 3 3 3 一 2 9 2 7 2 5 1- e 毫& k ： ( ”、，；p ”) 经( j ，j 0 ，j oj 毒茹! j 3 墨i o 口：4 ，3 ，2 糍 i 圉4 1 6o p a l 的s l e wr a t e f i g 4 - 1 6o p a ls l e wr a t e 运放的失调是指，当v i n = 0 时由于失配v o u t o ，我们说电路存在一个支流 失调，其大小等于：将v i n 置为零时检测到的v i n 值。实际上，确定输入参考失 调电压更有意义，它被定义成输出电压等于零时的输入电平。失调分为系统失调 和随机失调，系统失调是由电路中相邻器件失配造成的，可以通过匹配技术加以 改善；随机失调是由工艺偏差造成，不能通过匹配技术改善乜9 1 。运放的失调主要 表现为v 硼，k ，w ，l 和y 这几个参数的随机偏差。以v 刊为例，当观测大量样 本值时，v 俅表现为高斯分布，如图4 1 7 所示。其中曲线的峰值为阈值电压的 均值，o2 为阈值电压的方差。对于高斯分布，只有o 5 的晶体管的阈值电压会 分布在均值的3 个。之外。一些文献啪m 3 给出了o ( v 州) 的公式 仃) 2 舞 ( 4 1 6 ) 其中a m t 似n b “4 ，n b 是衬底的扩散浓度。如果只考虑v 伸的工艺偏差，忽略其它 参数的影响，可以得到运放输入失调的经验公式 砌s 加= 3 木三婴宰口( 4 1 7 ) 阮 其中系数3 代表高斯分布的3o 范围，是输入管的失调电压，q 是修正系数，用 第4 章电路基本模块设计 来修正运放中其它晶体管对输入失调的贡献。一般情况下，对于0 6 u m 工艺，a 删 为1 0 m v 左右，q 一般取1 5 。 n o 如hv t h a ，2 舞 a v 了h 一n b ；，。- 一 图4 1 7 阈值电压v 硼的g a u s s i a n 分布 f i g 4 - 1 7g a u s s i a nd i s 仃i b u t i o