数字成像系统中CMOS光电二极管及相关电路的研究

论文摘要

对于CMOS图像传感器而言,其核心部分是光电转换器件CMOS光电二极管和与其相关的读出电路,这两个部分决定了整个芯片的主要性能。因此,研究这两个方面对提高整个CMOS图像传感器的性能有重要的理论和实际意义。本文介绍了CMOS图像传感器件的结构、工作原理和国内外发展,分析了影响其性能的因素。在上述讨论的基础上,使用连续性方程和不同的边界条件对CMOS光电二极管建立了一维物理模型。代入普通CMOS 0.18μm工艺参数,在温度为300K,反偏电压为2.2V条件下对几种结构的二极管量子效率进行了模拟。其中考虑了表面复合速率,外延层厚度,P+衬底与P外延同质结等因素对模拟结果的影响,模拟结果符合理论计算。表面复合速率越高,量子效率越小。同质结采用了一个新的边界条件进行模拟,外延层越厚量子效率越大。用双曲余切函数代替了传统的扩散电流的表达式,代入普通CMOS 0.18μm工艺对暗电流进行了模拟,并且考虑了温度和反偏电压对暗电流的影响,得出N+/P-epi和N-well/P-epi的暗电流最小,而P+/N-well的暗电流最大。然后使用分段线性近似的方法对光电二极管光积分的非线性进行了模拟。结果显示在光积分过程中存在着很明显的非线性情况。对传统的三管有源像素单元进行了模拟,先后分析了在不同光照时输出电压的变化;换了PMOS复位管后输出电压的变化;偏置晶体管宽长比对电路特性的影响。接着模拟了四管APS的时序图和输出电压,并与前面的三管单元进行了比较。简单介绍了读出电路的构成和工作原理,采用恒定Vgs的采样电路,设计了一个导通电阻很小,并且随输入电压的变化很小的开关。最后设计了适合于CMOS光电二极管读出电路的差动放大器,其动态范围为85dB,建立时间小于5ns,主放大电路功耗小于7.2mW,偏置电路功耗小于2mW。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 CMOS图像传感器的研究进展
• 1.2.1 国外发展
• 1.2.2 国内发展
• 1.3 CMOS图像传感器的应用
• 1.3.1 在工业中应用
• 1.3.2 在交通工程中的应用
• 1.3.3 在数码影像中的应用
• 1.3.4 在医学中的应用
• 1.4 本文的研究意义和主要内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 CMOS光电二极管及相关像素单元的简介
• 2.1 成像系统简介
• 2.2 CMOS图像传感器的工作原理
• 2.3 与CMOS光电二极管相关的像素结构
• 2.3.1 无源像素传感器（PPS）
• 2.3.2 有源像素传感器（APS）
• 2.3.3 数字像素传感器（DPS）
• 2.3.4 互补有源像素单元
• 2.3.5 电压-频率型像素单元
• 2.4 本章小结
• 第3章 CMOS光电二极管量子效率的研究
• 3.1 硅材料的光吸收
• 3.2 光电流和量子效率的定义
• 3.3 光电流的计算
• 3.4 量子效率的模拟
• 3.4.1 N+/P-epi结构光电二极管量子效率
• 3.4.2 N-well/P-epi结构光电二极管量子效率
• 3.4.3 N+/P-well和P+/N-well型光电二极管量子效率
• 3.4.4 光栅二极管量子效率
• 3.5 暗电流
• 3.6 光积分非线性
• 3.7 小结
• 第4章 像素单元电路和读出电路
• 4.1 三管 APS的模拟
• 4.2 四管 APS的模拟
• 4.3 读出电路介绍
• 4.4 采样保持电路
• 4.4.1 采样保持电路的工作原理
• 4.4.2 输入电压相关的关断瞬间
• 4.4.3 电荷注入效应
• 4.4.4 开关导通电阻的非线性
• 4.5 恒定Vgs采样电路
• 4.6 小结
• 第5章 差动放大器
• 5.1 差动放大器的性能指标
• 5.1.1 开环增益
• 5.1.2 开环带宽
• 5.1.3 输出摆幅
• 5.1.4 转换速率
• 5.1.5 建立时间
• 5.1.6 相位裕度
• 5.2 典型运放结构对比
• 5.2.1 折叠共源共栅放大器
• 5.2.2 套筒式运算放大电路
• 5.3 适合于 CMOS光电二极管读出电路的差动放大器设计
• 5.3.1 设计指标
• 5.3.2 参数设计
• 5.3.3 MOS管宽长比参数
• 5.3.4 模拟结果
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间论文发表情况