CMOS图像传感器电路设计

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=20 μs，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0.5 μm CMOS 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 输出的仿真波形。

　　图5 CTIA 输出波形

　　从图5 可看出，当信号电流为20 pA 时，电路输出差分电压为90 mV，根据噪声电压的估算值，最小信号的信噪比SNR=15。

　　4.2 测试结果

　　采用CSMC 公司的0.5 μm 标准CMOS 工艺库对电路进行流片，表2 为仿真结果和实际测试结果比较（Cf=20 fF，C1=150 fF，C2=18 fF 信号输入20~300 pA，积分时间20 μs）。

　　表2 仿真结果和实际测试结果比较

　　从表2 可以看出，实测结果略小于仿真结果，当光信号为20 pA 时，测得电路噪声电压为8 mV，则SNR=10.8。

　　5 结论

　　本文设计了一种高增益低噪声的探测器读出电路，采用CTIA 与CDS 电路相结合，通过对CTIA 电路中积分电容的改进，使电路在宽范围内对微弱信号读出，并采用开关控制和CDS 电路来降低噪声，使电路信噪比达到10，该电路对航空航天领域微光探测系统读出电路的设计具有重要意义。