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CCD图像传感器读出电路研究设计pdf

gecimao 发表于 2019-07-12 21:16 | 查看: | 回复:

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  分类号 密级 UDC 注1 学 位 论 文 CCD图像传感器读出电路研究与设计 (题名和副题名) 罗 彦 (作者姓名) 指导教师姓名 李竞春 副教授 电子科技大学 成 都 (职务、职称、学位、单位名称及地址) 申请专业学位级别 硕士 专业名称 微电子学与固体电子学 论文提交日期 2009.4 论文答辩日期 2009.5 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2009 年 月 日 注 1:注明《国际十进分类法UDC 》的类号。 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名: 日期: 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 摘要 摘 要 CCD 图像传感器读出电路是CCD 器件与后续数字信号处理电路之间的接口, 其作用是放大 CCD 器件输出的微弱信号,并滤除各种噪声。读出电路的性能决 定了整个 CCD 系统的精度。随着 CCD 器件速度和象元数的不断提高,要求读出 电路具有更高的速度、更低的噪声、更大的动态范围以及更多功能的单片集成。 本文研究了单片集成的 CCD 读出电路,设计了前置放大器、低通滤波器和 相关双采样三个子模块电路。设计过程中主要从精度、速度和噪声三方面探讨了 各个子模块的理论模型和相应的电路实现途径,同时基于 UMC 0.18μm CMOS 工 艺设计了读出频率为 2MHz ,精度在 10 位以上的 CCD 图像传感器读出电路。主 要内容包括以下几方面: 1) 系统阐述和分析了 CCD 器件结构及其产生的噪声,侧重对于在噪声中占 主要成分的输出复位噪声进行了研究,推导了复位噪声随时间变化的表 达式,分析了复位噪声的相关性并计算了相关系数。基于复位噪声的相 关性,采用相关双采样电路降低复位噪声。 2) 基于前置放大器结构,分析了影响前置放大器精度和速度的因素,如运 放有限增益,有限带宽,噪声和失调电压等。通过分析,推导了用于读 出电路的运算放大器的指标。同时基于 2MHz 读出频率和相关双采样抑 制噪声的要求,确定了低通滤波器的-3dB 带宽。 3) 设计了用于 CCD 读出电路各个模块的运算放大器,包括可驱动低阻抗的 带输出级的运放和用于缓冲隔离的普通运放。运放设计过程中还分析和 推导了噪声和失调电压,通过优化参数将噪声和失调电压降至最低。仿 线˚,满足系 统设计的要求。 4) 推导了相关双采样的系统函数。设计了两种相关双采样电路,分析了相 关双采样电路中的电荷注入等误差,通过分析和仿真结果表明,第二种 相关双采样电路能够将误差降至最低,满足系统 10 位精度要求。 5) 基于 UMC 0.18μm CMOS 工艺,设计仿真了用于 CCD 图像传感器的读出 电路,电源电压3.3V,读出频率为2MHz ,最大输出信号为 1V。仿真结 I 摘要 果表明,读出电路信号放大倍数为 5 倍。精度在 0.4mV 之内,对于 1V 的满幅信号,精度满足 10 位以上。 关键词:CCD 读出电路,复位噪声,运算放大器,相关双采样 II ABSTRACT ABSTRACT The readout circuit of CCD image sensor is the interface of CCD device and the following DSP circuits. The function of readout circuit is to amplify the low signal and reject the noise. And the accuracy of the all CCD system is determined by the performance of the readout circuit. With the speed becoming faster and the spots becoming more, the circuit need to operate faster, less noisy, and have more dynamic range and more functions integrated. This thesis studies the CCD readout circuit integrated on single chip. The sub-module includes pre-amplifier, lowpass filter and the correlated double sampling circuit. On the design, the theoretical models and corresponding circuit implement are discussed for the sub-module, which focus on precision, speed and noise. Finally, a 2MHz readout frequency and 10 more bit accuracy read circuit for CCD image sensor is designed based on UMC 0.18μm CMOS process. The details include: 1) The structrure and noise of CCD device circuits are discussed, and it emphasizes the reset noise which may be main noise source. The expression of the reset noise is caculated, and the relativity of reset noise is analysed, with the relativity coefficient deduced. Correlated double sampling circuit(CDS) is adoped to reduce the reset noise due to the relativity. 2) Based on the configuration of pre-amplifer, the paper reseach all the factors which influence accuracy and speed, such as the limited gain and gain bandwidth of Op-amp, the noise and the offset voltage, from which, the guideline of the Op-amp are caculated. The -3dB bandwidth is also determined, which lies on the 2MHz readout frequency and the requirement of noise rejection for CDS circuit. 3) The operational amplifiers for each module of the readout circuit are designed, which cover the common Op-amp for isolation and Op-amp with output stage for driving low resistance. The noise and offset voltage are also computed, by optimization of the parameter, noise and offset can be heavily reduced. The III ABSTRACT simulation result shows that the gain of the Op-amp is 78dB, the UBW is 30MHz, and the phase margin is 58˚, which satisfies the demand of system. 4) The system transfer function of CDS is deduced. Two CDS circuits are designed, the charge injection error is investigated for them. The analysis and simulation results indicate that the latter one can make the error much less, which meets 10 bit accuracy. 5) Based on UMC 0.18μm CMOS process, a CCD prototype readout circuit is designed with power supply 3.3V and readout frequency 2MHz. The simulation results show that gain is 5 with the largest swing 1V, the precision is within 0.4mV, which means more than 10 bit. Keywords: CCD Readout Circuit, Reset noise, Operational Amplifier, Correlated Double Sampling IV 目录 目 录 第一章 引言 1 1.1 研究意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 论文内容与架构 5 第二章 CCD器件结构及工作原理 6 2.1 CCD器件的工作原理 6 2.1.1 光电转换 6 2.1.2 电荷存储 6 2.1.3 电荷转移 8 2.1.4 电荷读出 10 2.2 CCD器件的分类11 2.2.1 按光谱分类11 2.2.1.1 可见光CCD 11 2.2.1.2 红外CCD 11 2.2.1.3 X射线 2.2.2.1 线 按电荷转移沟道分类 14 2.3 CCD 图像传感器的特性参数 15 2.3.1 转移特性 15 2.3.2 光电转移特性 15 2.3.3 工作频率 16 2.3.4 其它特性 17 V 目录 第三章 CCD的噪声 18 3.1 CCD噪声类别 18 3.2 CCD复位噪声 19 3.2.1 浮置扩散输出管复位过程 19 3.2.2 复位管导通时的热噪声 20 3.2.3 复位管截止期间的热噪声及其相关性 21 3.3 噪声降低技术 22 第四章 前置放大器和低通滤波器 24 4.1 前置放大器 24 4.1.1 考虑运放有限增益 24 4.1.2 考虑运放的有限带宽 25 4.1.3 考虑运放输出阻抗 26 4.1.4 考虑噪声 27 4.1.5 考虑运放失调 29 4.1.6 考虑电阻不匹配 29 4.2 低通滤波器 30 4.3 运算放大器 31 4.3.1 运算放大器指标 31 4.3.2 运放结构 32 4.3.3 运放设计 33 4.3.3.1 偏置电流 34 4.3.3.2 增益 34 4.3.3.3 极点和单位增益带宽 35 4.3.3.4 输出摆幅 36 4.3.3.5 噪声分析 37 4.3.3.6 失调电压分析 38 4.3.3.7 运放参数设计 38 4.3.4 运放偏置电路 39 4.3.5 运放仿线 前置放大器和低通滤波器仿线 前置放大器仿线 低通滤波器仿线 第五章 相关双采样电路 43 5.1 相关双采样理论及实现形式 43 5.2 相关双采样电路分析及仿线 第六章 读出电路整体实现 52 第七章 结论与展望 54 致谢 55 参考文献 56 攻硕期间的研究成果 58 VII 第一章 引言 第一章 引言 1.1 研究意义 CCD[1-3](Charge Coupled Device) CCD MIS 中文译为电荷耦合器件。 是在 电荷 存储器的基础上发展起来的,工作时信息用电荷量表示,称为电荷包。当施加适 当相序的时钟电压脉冲时,MIS 电容器阵列被偏置到深耗尽状态,电荷包以可控 方式在半导体衬底上存储与转移。 1969 年贝尔实验室的 W.S.Boyle 和 G.E.Smith 提出 CCD 的概念后,第一个 8 位 CCD 很快就制成了,它的潜力被很多科学家所认识。30 多年来,CCD 得到了 很大的发展,特别是在固体成像和信号处理等技术领域,已独树一帜,影响极大。 CCD 研究表明, 的潜力远远超过了现有器件的能力,在光谱响应、电荷转移效率、 读出噪声等方面都有可能得到较大的改进。 与 CCD 图像传感器同时发展的固体图像传感器还有 CMOS 图像传感器。 CMOS 图像传感器和 CCD 图像传感器都基于硅半导体材料,但由于工作原理和 设计结构不同,使得这两种传感器在性能上存在着很大的区别,主要体现在灵敏 度、噪声、动态范围、集成度、读出方式、功耗等方面[4] 。 1) 灵敏度:CCD 图像传感器有高的灵敏度,只要很少的积分时间就能读出 信号电荷,而 CMOS 图像传感器因为像素内集成有源晶体管降低了感光 灵敏度。由于 CCD 的高灵敏度,在微光照射领域也有了很大发展,若配 合影像增强管及投光器,即使在暗夜远处的景物仍然还可以探测到。 2) 噪声:由于 CMOS 器件噪声更大,同时 CMOS 图像传感器每一个象元都 CCD CMOS 连有一读出放大器,所以, 图像传感器比 图像传感器噪声更 低。 3) 动态范围:由于 CCD 图像传感器具有较低的暗电流和低的噪声以及成熟 的读出噪声抑制技术,所以CCD 图像传感器动态范围更大。 4) 集成度:CCD 系统控制电路比较复杂,一般为多芯片系统,目前正在往 单片集成电路方向发展。CMOS 图像传感器容易实现单片集成。 1 电子科技大学硕士学位论文 5) 读出方式:CCD 图像传感器是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行 的方式转移,每个像素点顺序读出。而CMOS 图像传感器每个像素可以 同时读取。 6) 功耗:CCD 工作电压更高,结构更复杂,功耗更高。 综上比较,CCD 图像传感器虽然成本较高、功耗较大,但拥有高信噪比、宽 动态范围、高电荷转换效率和高输出图像质量的优点,而 CMOS 图像传感器虽然 集成度高,功耗较低,但有着信噪比小、量子效率低、动态范围窄等缺点,获得 的图像质量不高。因此,在太空探测,高端照相机等领域,基本上都是 CCD 图 像传感器占据。CMOS 图像传感器一般集中在中低端成像领域。 CCD 图像传感器要想在成像系统具有好的特性还必须有一个足够高精度的 CCD A/D 读出电路。 图像传感器读出电路是图像传感器与后续 ,数字信号处理电 路的连接点。读出电路主要完成的功能对微弱信号进行放大,滤除器件的噪声, 以使整个系统达到所需的精度。可以说,读出电路在整个系统中起着承上启下的 作用,它直接决定了整个系统的精度。 随着 CCD 向微光越来越低照度方向发展时,噪声问题日益严重,限制了微 光 CCD 的发展。噪声是衡量 CCD 性能的重要参数,它决定了系统的信噪比 S/N(Signal/Noise)。随着 CCD 器件集成度越来越高,高象元素要求每一个光敏元 面积很低,这使得 CCD 的饱和输出电压降低。饱和输出电压和噪声的比值决定 了系统的动态范围,为了扩大CCD 的动态范围,只有进一步降低CCD 的噪声。 CCD 工作时,在光电转换、信号电荷存储和转移过程、信号读出结构都会产生噪 声。噪声叠加在信号电荷上,形成对信号的干扰,降低了实际检测到的信号精度, 也限制了信号电荷包的最小值。CCD 读出电路的作用为在 CCD 信号范围内,在 不损失图像细节的同时,让图像信号随目标亮度线性变化,并同时尽可能降低各 类噪声信号。 1.2 国内外研究现状 读出电路一直都是研究的热点,读出电路种类繁多,应用的领域也不同,但 功能都大致一样。红外探测器、MEMS ,图像传感器等器件都需要读出电路把微 弱信号提取出来,供后面的电路处理。国内外很多学者都对读出电路进行了深入 研究和改进,提出了各种各样的读出电路结构,以满足越来越高性能的传感器的 要求。 2 第一章 引言 2000 3 [5] 4×288 TDI CCD , 年 月,李仁豪和张坤 提出了 信号读出电路 主要作 为 HgCdTe 红外系统的信号读出电路。采用 TDI 结构的扫描型器件很好地解决了 均匀性差、灵敏度低、分辨率低、信噪比低等问题;抗晕、分割、背景撇除等功 能解决了 HgCdTe 大背景或因某单元失效造成整体功能的下降;采用埋沟 CCD 结 构提高了器件的转移效率(99.99%),高的转移效率能保证信号电荷在信道中完整 转移,使器件积分均匀性好,图形无光晕现象;高的动态范围能保证读出电路在 各种复杂环境下正常工作。 2000 5 T. Reimann, F Krummenacher[6] 年 月, . 等人针对焦平面阵列读出电路, 利用斩波调制技术对噪声进行整形,显著提高了读出电路的性能。在 80℃下,输 入泄漏电流仅为 0.3pA,预放大器输入失调电压小于 10mV,输出噪声为26μV/Hz 。 2000 年 5 月,Tsung-Hsin Yu 和 hung-Yu Wu[7]提出一种新的读出电路结构, 运用 CCBDI(constant current buffered direct injection)技术,有效降低了运放失调, 提高了线性度和动态范围,同时读出电路的均匀性也得到了很大改进。 2001 年 10 月,Gao Jun,Lu Wengao 和 Zhang Tianyi[8]基于 DPDM CMOS 工 艺,综合考虑了功耗,面积,速度,噪声的影响,对 FPA 读出电路中的前置放大 器模块进行优化设计。 2001 年 10 月,Chen Zhongjian,Li Xiaoyong[9]等人采用 OESCA(Odd-Even Snapshot Charge Amplifier 技术,对 CMOS 读出电路进行了改进,这种拓扑结构 十分简单,每个像素单元电路只需要三个管子即可实现。该电路不但能够消除寄 生电容的影响,还可以降低 15%的功耗。仿真结果表明,电源电压为 5V 时,输 出摆幅达到3V,64*64 的焦平面阵列,只需要20.8mm2 的 芯片面积。 2003 年 1 月,Toshihisa Watabe, Masahide Goto 和 Hiroshi Ohtake[10]提出了一 种新的信号读出方式,与传统的读出电路相比,使用电荷转移电路代替前置放大 器,结构简单,易于实现。通过将每一个像素单元积累的电荷转移到一个很小的 寄生电容上,从而得到高信噪比的输出电压。仿线 ,与 传统结构相比,信噪比提高了 10.9dB。 2003 12 Xiang Liang Jin Jie Chen[11]针对读出电路中 CDS (相关双采 年 月, 和 样)模块存在的缺陷,综合考虑了噪声,功耗,面积等因素,对 CDS 电路进行了 优化设计。传统的 CDS 电路存在功耗低,面积大等缺点,而且还会引入新的噪声。 通过采用单端输出的差分对结构,可以有效降低芯片面积,适于低压低功耗应用。 仿线μV/Hz 。 3 电子科技大学硕士学位论文 2005 8 Hwang-Cherng Chow J.-B. Hsiao[12] 年 月, 和 为提高低压下图象传感器 的性能,提出了一种新型的轨对轨读出电路。该结构可以有效提高信号输入摆幅, 保证顺序信号处理。电源电压可以低至 1.8V,功耗为 0.102mW 。 2005 年 10 月,Liu Dan 和 Zhang Yacong[13]通过电流镜技术来调整读出电路 的电压增益,从而简化信号处理电路结构,增加积分时间。这种结构可以有效提 高输出信噪比,可以处理 40nA~300nA 范围的电流信号,代价是引入了额外的比 较器来选择不同的增益。 2006 10 Zhu Zhangming Yang Yintang[14] 年 月, 和 对读出电路中的各种噪声源 进行了分析,提出了一种改进的 CTIA(Capacitive Trans-impendence Amplifier)结 构,并结合相关双采样技术,对读出电路进行了优化。基于 CSMC 0.6μm DPDM 2 CMOS 工艺,在 5V 的电源电压下,输出噪声283nV ,芯片面积为 12.46mm 。 而在 CCD 图像传感器读出电路方面,国外不少公司相继开发了功能齐备的 CCD , 专用 视频信号处理芯片,将各种功能电路集成在一块芯片上 可以直接用于 CCD DSP , 器件和后续 处理器之间。这样不仅大大简化了信号处理电路 降低了 CCD , CCD , ADI 相机系统设计复杂度 而且使 相机的功能更强大 性能更优越。如 公司的 AD9814 ,AD9824 ,AD9844 ,AD9845 ,Burr-Brown 公司的 VSP2000 , VSP2212 Philips TDA8783 TDA8786 TDA8787 Exar XRD4460 , 公司的 , , , 公司的 等。 如 ADI 公司的 AD9824 是一款面向 CCD 的单通道模拟信号处理器,它内含 最高 30MSPS 低功耗的相关双采样电路、像素增益放大器、可变增益放大器、14 位最高采样速率为 30MSPS 的A/D 转换器。AD9824 可以工作在三种模式,对面 阵 CCD 信号、模拟视频信号和普通的交流信号进行模数转换,所以具有比较强 的通用性。 国内对 CCD 读出电路也有一些研究[15-20],但发展比较慢,基本限于分立电 路阶段。电路复杂、调试不方便、价格昂贵、功耗大等缺点是显而易见的,这与 CCD 相机向着功能更强大、性能更完善、价格更便宜、功耗更低的发展趋势是相 悖的。因此,研究单片 CCD 信号处理电路,改变国内在这一领域的落后,研制 出用于CCD 信号处理的单芯片是当务之急。 综上所述,CCD 图像传感器读出电路的发展方向主要有以下几点: 1) 提高读出电路输出信噪比和动态范围。这需要读出电路具有抑制各种噪 声的功能,不同的消除噪声的技术应用到了读出电路上,如相关双采样, 斩波调制等。 4 第一章 引言 2) 随着图象分辨率提高,为增加像元数,要求每个像素的功耗尽可能低, 面积尽可能小,同时又不降低它的其它光电性能,这就对读出电路低功 耗的设计提出了新的挑战。 3) 高度集成化,以满足越来越高的分辨率以及低成本要求。这要求我们能 尽可能将 CCD 图象传感器的信号处理电路集成到单芯片上,从多功能模 块集成过渡到最终实现单片系统的趋势发展。 1.3 论文内容与架构 本文针对 CCD 图像传感器读出电路的理论模型和技术实现展开论述和分析, 内容主要包括三部分。 第一部分主要对 CCD 图像传感器进行分析,为读出电路的设计奠定基础。 其中第二章介绍 CCD 器件结构、工作原理等。第三章主要研究 CCD 器件的噪声, 侧重对复位噪声进行了分析和计算,并提出降低各类噪声的措施。 第二部分为读出电路各个模块的设计。其中第四章分析和设计了前置放大器 和低通滤波器两部分的电路,着重对电路中需要的运放进行了分析和设计。第五 章提出两种相关采样电路,通过电路分析和仿真,比较了两种电路的优缺点。 第三部分给出了整体读出电路拓扑和仿真结果,对本文作总结,展望进一步 的工作。该部分包括第六章和第七章。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章 CCD 器件结构及工作原理 2.1 CCD 器件的工作原理 CCD 作为光电转换器件,存储和传递的信息均采用电荷包形式,区别与传统 CCD 的以电压和电流为信号的器件。因此, 的工作原理与传统器件也有很大不同。 CCD 的工作原理主要分为四个过程:光电转换、电荷储存、电荷转移、电荷 读出。 2.1.1 光电转换 CCD 工作时第一步是完成光电转换,光照射到 MIS 电容上时,光子穿过栅 电极和氧化层,进入半导体衬底,衬底中处于价带顶的电子吸收光子能量,跃入 导带底,产生电子空穴对。外加电场驱使下,电子空穴对将分别向电极两端移动, 产生光生电荷。 光电荷的产生方式有光注入和电注入两类,目前应用较广的是光注入。光注 入电荷的可用式(2-1)表示: Q ηqΔnAT (2-1) IP C 其中 η 为量子效率,Δn 为入射光子流速度,A 为光敏单元的受光面积,TC 为积分时间。光生电荷当前时刻的电荷将与前一时刻的电荷累加。由此可以看出, 入射光越强,积分时间越长,所产生的光生电荷量越大。 2.1.2 电荷存储 CCD MIS 是由一系列排列紧密的光敏像元阵列构成的移位寄存器, 电容器是 构成光敏象元的基本单元,在多晶硅栅和半导体衬底加上适当偏压,就构成了一 MIS 电容器,如图2-1 所示。 6 第二章 CCD器件结构及工作原理 图2-1 MIS 电容器结构 P MIS 以 型半导体为例,讨论在不同偏压下的 结构。当栅极加负偏压时,电 子在表面处能量增加,能带上弯,电场排斥表面处电子而吸引空穴,表面处空穴 浓度增加,形成多数载流子堆积层,称为积累区,如图 2-2(a)所示。 当在栅极加小的正偏压时,表面处能带下弯,空穴被排斥向体内,在表面处 留下带负电的受主离子,这种表面处多数载流子被耗尽的情况,称为耗尽区,表 面耗尽层宽度随偏压增加而变宽,如图 2-2(b)所示。 当正的偏压继续增加时,表面处能带相对于体内进一步下弯,如图 2-2(c)所 示。当能带弯曲到禁带中央能带 Ei ,即费米能级EF 离导带底比价带顶更近时,意 n 味着表面处电子浓度超过空穴浓度,形成 型反型层。此时,反型层与半导体衬 底之间还存在耗尽层,耗尽层宽度不再随外加栅压增加而增大,此时的状态称为 “ ” MIS 强反型 , 电容器达到了热平衡态。出现强反型的条件为: E −E ϕ 2 =⋅ i F 2ϕ (2-2) s F q φ MIS φ 其中, 为表面势,相应的栅电压称为 电容器的阈值电压, 称为衬底 s F 的费米势,其表达式为: kT N ϕF In A (2-3) q ni N n 为衬底受主浓度, 为本征载流子浓度。 A i 7 电子科技大学硕士学位论文 图2-2 不同偏置下理想 MIS 的能带图 MIS MIS 上面讨论的反型情况是 电容的热平衡状态。然而, 电容器达到热平 衡态需要一段时间,存储时间为: 2τ N T 0 A (2-4) n i 其中τ0 为耗尽区少子寿命。 如果栅压变化太快,比如加一脉冲电压,假设脉冲电压大于 MIS 电容的阈值 电压,界面处能带下弯到进入反型层,然而反型层中少子电子的产生和复合跟不 上高频信号的变化,多子空穴从表面处流向体内,而在表面处留下相同数目的受 主负离子,形成“空间电荷区”,外加电压降落在“空间电荷区”内和绝缘层上。 此时,表面层虽然反型层,但电子未产生,只是一个空的电子势阱。此时半导体 工作在“非平衡状态”,耗尽层宽度将超过“热平衡态”时的最大宽度,所以称 为“深耗尽”。该状态称为 MIS 电容非平衡态。在非平衡态下,当外界由于光和 电注入产生的电子,将逐渐填充空的电子势阱。随着电子的逐渐填充,耗尽层将 变窄,表面势将降低,势阱变浅。当电子填充使表面势 φF 下降到时 2φF ,势阱完 全填满时,半导体恢复到热平衡态,此时不能再注入光子,存储电荷达到饱和。 因此,利用 CCD 器件工作在非平衡态,通过光注入或者电注入信号电荷, 存储在 CCD 器件的电容内,这是 CCD 器件的基本工作条件。 2.1.3 电荷转移 电荷转移部分是由一系列紧密排列的 MIS 电容器构成。加在 MIS 电容器上 的电压越高,产生的电子势阱越深,即MIS 电容器能存储的电荷量更大;当一排 MIS 电容器上加不同大小的脉冲电压时,各MIS 电容器形成的电子势阱深度各不 相同。让 MIS 电容间间距足够小,相邻 MIS 电容的势阱会相互耦合,通过控制 栅上的信号,电荷将由浅势阱向深势阱转移。需要注意的是,在 MIS 电容器栅极 8 第二章 CCD器件结构及工作原理 所加的时钟信号必须满足严格相位要求,其作用是保证电荷转移方向总是朝着一 个方向,信号传送不会出错。 图2-3 转移栅结构 图2-4 三相驱动波形示意图 如图 2-3 是一个三相驱动形式的 CCD 的电荷转移部分示意图,图中三个相邻 的 MIS 电容器为一位,即一个像素。不断改变加在电极上的时序脉冲电压 C1, C C 2-4 , ,势阱中的光生电荷将一位一位按照给定方向传输。图 是对应的三相 2 3 驱动波形,电荷转移过程如下:t0 时刻,C1 为高电平,电荷存储在第一个电极下 t C C C 面; 时刻, 电平开始下降, 为高电平, 形成的势阱更深,电荷开始从第 1 1 2 2 t t 一个电极转移到第二个电极; 时刻,电荷完全转移到第二个电极下面; 时刻, 2 3 t 电荷开始从第二个电极转移到第三个电极;4 时刻,电荷完全转移到第三个电极 下。由于界面态及 Si 表面缺陷等因素的影响,电荷包在进行每一次转移时会残留 部分电荷,无法完全转移,所以转移效率总是小于 1 的。 9 电子科技大学硕士学位论文 2.1.4 电荷读出 电荷读出是CCD 器件与信号处理电路的接口,其作用是将 CCD 最后一个转 移栅下势阱中的信号电荷转换成电压信号,送给后续电路处理。读出方式多种多 样,每一种读出方式都对器件的特性有着比较大的影响,比较常用的是浮置扩散 放大器(FDA )读出,如图 2-5 所示,CCD 器件上制备有复位晶体管 M1 和输出 晶体管M2 ,同时反偏二极管形成电容 Cs,用于检测信号电荷包,转换成电压。 图2-5 CCD 电荷读出结构 M A 电荷读出结构的工作原理如下:当复位脉冲为低电平时, 1 导通, 点电位 Vcc A M 被拉到电源电压 , 点的电压通过源跟随器 2 缓冲送给输出,输出电平为低 于 Vcc 一个阈值电压的电平上,此时,电荷未进入,读出电路处于等待状态。当 复位脉冲变为高电平时,M1 截止,信号电荷在驱动时钟控制下进入,被电容 Cs A Vout 检测到,转换成电压,信号电荷越多, 点电压下降越多。同时,输出电平 也随着下降,其下降幅度代表着实际的信号,信号表达式为 ΔV=Qs/Cs ,其中 Qs 为一个 CCD 象元所存储的电荷量,Cs 为反偏二极管电容值。 综上所述,CCD 图像传感器具有光电转换、电荷存储、转移和读出功能,它 能把一幅空间域分布的光学图像变换成一列按时间域分布的离散信号电压。通过 后续的读出电路,A/D 转换电路,送到 DSP 单元进行数字处理。 10 第二章 CCD器件结构及工作原理 2.2 CCD 器件的分类 2.2.1 按光谱分类 [17] CCD CCD CCD X CCD 按光谱分类 , 可分为可见光 、红外 、 射线 和紫外 光 CCD 。 2.2.1.1 可见光 CCD 可分为黑白 CCD、彩色 CCD 和微光 CCD 三类。黑白 CCD 和彩色 CCD 的 技术很早就已成熟,微光 CCD 成为近年来的研究热点。微光是泛指夜间或低照 度下微弱的、甚至能量低到不能引起人视觉的光。微光条件下摄像对 CCD 要求 比较苛刻,因为在正常照射条件下,光线较强,信号远大于噪声,易于摄出清晰 的图像。但是在微光条件下,信号往往被噪声淹没,这就对 CCD 器件和其对应 的信号处理电路提出更高的要求,要求器件输出噪声低,同时读出电路要具有低 的噪声。 CCD CCD ICCD 目前微光 摄像器件共有两种类型:增强型 ( )和时间延迟积 CCD TDICCD ICCD 分型 ( )。 像增强器由光阴极、微通道板、荧光屏组成。在 - - 荧光屏 微通道板、微通道板、微通道板 荧光屏之间存在高电压。光子打到光阴 极后产生光电子,光电子进入微通道板后被倍增,放大后的电子束打在荧光屏上 成像。此时的像为增强后的影像,然后经光纤锥耦合到 CCD 上对像进行记录。 ICCD 由于采用像增强器,大大提高了灵敏度,但存在许多不足,如由于像增强 器会引入噪声使信噪比下降,加之像增强的动态范围小,有的还进行多次光电转 换,使对比度减小,图像质量退化等。 而 TDI 模式,就是说增强每场光积分时间,从而提高了信噪比。以这种模式 工作的 CCD 常在低温下工作,这样可以大幅度地降低暗电流,因此 TDI 模式是 目前微光CCD 的发展趋势。 2.2.1.2 红外 CCD 用红外探测器阵列代替可见光 CCD 的光敏元部分,就构成红外 CCD 即 IRCCD 。 11 电子科技大学硕士学位论文 2.2.1.3 X 射线 CCD X 射线具有很强的穿透力,医学上常用来作透射检查。由于 CCD 对 X 射线 的感光度很高,比通常的X 射线 倍,能够将极其微弱的光 线也拍摄到。所以 X 射线 CCD 逐渐发展了起来。 为了提高对 X 射线的转换效率,采用的方法是在每个象元上装置有带隔离层 的碘化铯晶体,碘化铯晶体作为一种能把X 射线转换成可见光的高效转换材料, 它几乎能吸收所以进来的 X 射线。这种结构由于 X 射线不会直接照射到光敏元阵 列上,因而可以延长器件使用寿命。同时,光隔离技术减少了光干扰,提高了信 噪比和系统分辨率。 2.2.1.4 紫外 CCD CCD ( ) X CCD 紫外 技术是继可见光 微光 和 射线 技术兴起的新型技术,但紫 外 CCD 存在很多问题需要解决,一般紫外辐射的波长范围为 100nm~380nm,而 常用的硅衬底的 CCD 是接收不到的,因为它的波长范围为 400nm~1100nm。由 CCD MIS SiO Poly Si UV 于 是 型结构器件, 2 栅介质和多晶硅( - )栅对紫外( ) 光子均有较高的吸收系数。因此,CCD 用于 UV 光子的探测是非常困难的,因为 UV 光子几乎不能到达硅衬底。为了避免UV 光子在 CCD 表面多层结构中被吸收, 目前采用以下的方法是在CCD 表面淀积一层对 UV 光子敏感的磷光物质,并通过 适当选择磷光物质,将紫外信息转换成与 CCD 光谱响应相对应的波长。这种磷 光物质可以选择晕苯。当用波长小于 380nm 的紫外辐射激发时,晕苯即发出荧光, 其波长在可见光谱的绿光波段,峰值接近 500nm。 2.2.2 按结构分类 CCD 按照结构可分为两大类,即线阵 CCD 和面阵 CCD 。线阵 CCD 的光敏 元排列为一行,主要用于扫描仪和传真机等。面阵 CCD 的象元排列为一个平面, 它包含若干行和列的结合,主要用于数码相机,空间摄像机等应用。 2.2.2.1 线阵 CCD 典型的线阵 CCD 芯片的结构如图 2-6 所示。它是由一列光敏阵列和与之平行 的两个移位寄存器组成。该器件的转移栅将光敏区和存储区分开,通过转移栅的 控制可以同时将一帧图像所对应的电荷由光敏区转移到存储区。线阵 CCD 器件 是由阵列光敏元曝光一定时间后在相应驱动脉冲作用下,信号电荷转移至移位寄 12 第二章 CCD器件结构及工作原理 存器,由移位寄存器一位一位地将其输出,从而得到所需的光电信息。最早的线 阵 CCD 是单排结构,位数较低,采用两列移位寄存器的优点是光敏单元具有较 高的封装密度,转移次数减少一半,可提高转移效率,改善图像传感器性能。 图2-6 线 面阵 CCD 面阵 CCD 大部分用来作摄像器件。常见的基本类型有两种,即帧转移型 FTCCD 和行间转移型 ILTCCD 。 1) FTCCD :如图2-7(a)为 FTCCD 结构示意图,包括光敏区、存储区、水平 寄存器和读出结构。其光敏区和存储区是分开的,存储区的作用是防止 光敏区积分后,电荷包向水平读出寄存器转移过程中,光像继续投射在 光敏区,从而使电荷包产生拖影。在光照积分周期结束时,FTCCD 利用 时钟脉冲将整帧信号转移到存储区,整个帧的信号再向下移动,进入水 平读出移位寄存器而串行输出。这种结构需要一个与光敏区同数量的存 储区,芯片尺寸大是其缺点。但单元结构简单,容易实现多象元化,还 允许采用背面光照来增加灵敏度。 2) ILTCCD :如图2-7(b)为 ILTCCD 结构示意图,其光敏阵列与存储区阵列 交错排列。光敏阵列采用透明阵列,以便接受光子照射。垂直存储移位 寄存器与水平读出寄存器为光屏蔽结构。光敏元在积分期内积累的信号 13 电子科技大学硕士学位论文 电荷包,在转移栅控制下水平地转移进入垂直CCD 中,然后每帧信号以 类似于帧转移结构的方式进入读出寄存器逐行读出。这种方式芯片尺寸 小,电荷转移距离比帧转移型短,故具有比较高的工作频率,但单元结 构比较复杂,且只能以正面投射图像,背面照射会产生串扰而无法工作。 图2-7 面阵 CCD 结构 2.2.3 按电荷转移沟道分类 CCD 按照电荷转移沟道可分为表面沟道电荷耦合器件 SCCD(Surface Charge Coupled Device)和体内沟道电荷耦合器件 BCCD(Body Charge Coupled Device) 。 CCD SCCD SCCD 传统的 为 ,即转移沟道在器件表面。 的优点是制作工艺比 较简单、信号处理容量大。但由于界面态的存在将和信号电荷相互作用,转移效 率比较低,精度比较差,适用于低速和低精度的应用。 另一种 BCCD 器件通过离子注入以及外延技术等,在氧化层下的半导体表面 附近设置一浅n 层,将转移沟道由半导体表面移到远离界面的体内,成功克服界 面态对转移沟道中信号电荷转移的影响,提高了转移效率,同时降低了噪声,提 高了精度。由于低噪声和高传输效率的结合,BCCD 适用于低光照下的理想摄像 器件。但它的缺点是容量比较小。 14 第二章 CCD器件结构及工作原理 2.3 CCD 图像传感器的特性参数 衡量 CCD 图像传感器的特性,有以下参数: 2.3.1 转移特性 CCD 是一种电荷转移器件,电荷转移效率是表征 CCD 器件性能好坏的一个 重要参数。设原有的信号电荷量为 Q0 转移到下一个电极下的信号电荷量为 Ql , η=Q/Q η 1 比值 l 0 称为转移效率。理想情况下 应等于 ,但实际上电荷在转移过程 中有所损失,所以,总是小于 1 的。影响转移效率的因素很多,如转移速度、边 缘势垒、电荷俘获等,其中最主要的因素还是表面态和体内陷阱对信号电荷的俘 获。 2.3.2 光电转移特性 CCD 是光电转换器件,它是主要以硅作为衬底的光敏元器件,将入射于光敏 元上的入射光转换为存储电极下深耗尽层中的信号电荷。主要有以下参数: 1) 灵敏度:灵敏度为所产生的信号电荷量 Q 与入射于光敏元上的总能量 E 的比值。 2) 光电响应的均匀性:CCD 各光敏元对不同光的响应不尽相同,为多元光 电转换器件,对于照射进来的各种光,具有一定的不均匀性。光敏元阵 列的响应不均匀性可以分为两种,一种是器件制造工艺中难以控制的偏 差,如由电极、薄膜等的各种不均匀性造成的;另一种是器件中各种光 敏元的缺陷造成,即疵点。 3) 饱和输出电压:当光照足够强的时候,CCD MIS 电容器下的势阱已存储 满,此时再增加光照,输出电压也将不再增加,对应的输出电压为饱和 输出电压。但这并不意味着像元中不再产生信号电荷,信号电荷可能溢 出,产生弥散现象,给传输信号带来干扰。 4) 暗输出电压:暗输出电压指由于半导体热激发产生载流子,同样被电子 势阱收集,经过电荷转移部分被输出端检测到,形成的电压称为暗输出 电压。暗输出电压决定了CCD 输出信号的极小值,低于暗输出电压的信 号将被淹没其中,不同器件由于运行温度不同,产生的暗输出电压也不 一样。 15 电子科技大学硕士学位论文 5) 光谱响应特性:CCD 对于不同波长的光的响应度是不同的。光谱响应特 性代表了 CCD 对于各种单色光的响应能力,其中响应度最大的波长称为 峰值响应波长。响应度在峰值响应 50% 以上的波长范围称为光谱响应范 围。蓝光对于常用的光电二极管响应度比较高。此外,CCD 器件的光谱 响应范围主要由所使用的材料性质决定的,也与器件的光敏元结构和所 使用的电极材料密切相关。 2.3.3 工作频率 信号电荷进入 CCD 器件后,在时钟脉冲控制下,由浅势阱向深势阱方向进 行转移。为了使信号电荷包转移过程中不发生差错,电荷转移速度和 CCD 工作 频率必须协调一致。 对于工作频率的最小值,主要受势阱的存储时间和少数载流子寿命决定。前 面提到,CCD 器件是利用 MIS 电容器工作在深耗尽区,器件处于非平衡状态。 要使器件维持在非平衡状态,MIS 电容栅上所加的电压必须工作在一定频率,如 果过低,载流子热运动产生的少子将存储于势阱中,非平衡态将向平衡态转移, 从非平衡态过渡到平衡态所需要的时间,就是势阱能够存储信号电荷的最大时间, 称为存储时间。电荷的传输必须在该存储时间内完成。此外,为避免热产生的少 数载流子对信号电荷的干扰,注入信号电荷从一个电极转移到相邻电极所用的转 移时间必须小于少数载流子寿命。 由上面分析可知,势阱的存贮时间和少数载流子寿命共同决定了 CCD 工作 频率的下限。势阱存贮时间越长,少数载流子寿命越长,则 CCD 工作频率下限 就越低。目前,势阱的存贮时间约为数十秒,因此限制 CCD 工作频率下限的就 是少子寿命。 CCD 工作频率的最大值则由电荷从一个电极转移到另一个电极所需时间决 定。相邻两电极中心距离越大,转移所需时间越多,转移速度越快,转移所需时 间越少。电荷在电极之间的转移是通过漂移运动和扩散运动完成的。在电场作用 下,漂移速度与载流子迁移速率有关,由于电子的迁移速率远大于空穴的迁移率, 因此n CCD n p 沟器件所需转移时间更短,对于结构相同的 器件, 沟器件比 沟器 件有着更高的最大工作频率。 当前,CCD 工作频率范围大约为 100kHz~50MHz。 16 第二章 CCD器件结构及工作原理 2.3.4 其它特性 此外,还有动态范围,电荷存储容量等特性。其中动态范围为器件能处理的 最大信号值和极限噪声电压决定。它反映器件的工作范围,其数值为输出端的信 号峰值电压与均方根噪声电压之比。 CCD 的电荷存储容量代表在 MIS 电容器中能存储的最大电荷量。电荷存储 容量表达式如下 Q C ΔV ⋅A 2-5 ox ( ) 由此可见,要想提高电荷存储量,可以增加驱动时钟电压,也可以降低氧化 层厚度。 CCD 图像传感器另一重要特性噪声特性将在下一章论述。 17 电子科技大学硕士学位论文 第三章 CCD 的噪声 随着 CCD 器件向高灵敏度、宽动态范围发展,信噪比成为衡量 CCD 性能的 重要参数,而噪声是限制这一参数的关键因素。因此,在设计中需要对噪声进行 仔细分析,在保证图像细节完整的前提下,尽可能消除这些噪声干扰,以便准确 地提取出各象元中的实际信号。本章主要讨论 CCD 的各种噪声源,为读出电路 中降低噪声奠定基础。 3.1 CCD 噪声类别 CCD 的噪声[21,22]主要来自两个方面,一个来自 CCD 器件内部所固有的噪声, 包括光子噪声、散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声等。另一个就是 CCD 工作过 程中的产生的噪声,包括复位噪声和输出放大器噪声。 1)光子噪声 当用光照法向 CCD 注入电荷时,光源本身辐射光子数的涨落引起的光子噪 声成分也同时注入到电子势阱中。光子噪声的起源可归结为玻色—爱因斯坦统计 分布的起伏。当 hv/kT1 时,可以忽略光子之间的相互作用而将光子辐射过程 作为泊松过程来处理,即当光子波长 λhc/kT 时,光源辐射光子数起伏的方均值 ΔN n 2 等于辐射光子数的平均值N a 。这种辐射光子数目的起伏在器件内引起的电 噪声具有散粒噪声的简单表达式。若光注入 CCD 势阱中产生的自由载流子数目 1/ 2 为na ,则光注入产生的噪声为na 。 2 )散粒噪声 散粒噪声是电子器件中普遍存在的一种现象,它是由于电荷的不连续造成的。 光注入 CCD 光敏区产生信号电荷的过程可看作独立、均匀、连续发生的随机过 程。单位时间内产生的信号电荷数在一个平均值上作微小波动。这一微小的起伏 便形成散粒噪声。散粒噪声与频率无关,呈现高斯白噪声的噪声谱分布。低照度 条件下,当其它噪声被各种方法抑制后,散粒噪声将成为 CCD 的主要噪声源, 并决定了器件的最低噪声水平。 3 )转移噪声 18 第三章 CCD的噪声 CCD 转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本原因。 中前一电荷包的电 荷未进行完全转移,一部分电荷残存在势阱中,成为后来电荷包的噪声干扰。转 移噪声具有 CCD 噪声所独有的两个特点:相关性和积累性。所谓相关性,是指 相邻电荷包的转移噪声是相关的。所谓积累性是指转移噪声,是在转移过程中逐 次积累起来的。 4 )暗电流噪声 半导体内部由于热运动产生的载流子也会填充电子势阱,在有光和无光的情 况,暗电流始终存在。这些载流子也会和光生电荷一起作为信号电荷包被转移, 在输出端形成噪声干扰,此类噪声称为暗电流噪声。 暗电流噪声的存在限制了器件的灵敏度和最小检测信号值。由于温度越低, 热运动产生的载流子越低,因此,暗电流噪声与温度关系比较大,温度每降低 10℃,暗电流噪声减半,暗电流噪声的大小还与电荷包在势阱中存储时间的长短 有关,存储时间越长,暗电流的噪声越大。 5 )输出复位噪声 输出噪声是器件输出结构产生的噪声。当上面提到的各种噪声被抑制后,输 出噪声成为 CCD 噪声的主要成分,必须通过专门的电路进行处理。下节将介绍 该类噪声。 3.2 CCD 复位噪声 CCD 的复位噪声来自 CCD 信号读出部分将信号电荷转换成电压时产生的噪 声,不同的检测方法产生的噪声各异。以通常使用的浮置扩散放大器读出法为例, 阐述 CCD 复位噪声。FDA 读出方法具有高的信号摆幅、低的输出阻抗,良好的 驱动和隔离能力,同时可以基本消除复位脉冲与输出端的电容耦合以及在复位管 关断瞬间所产生的对输出端的串扰。 3.2.1 浮置扩散输出管复位过程 一个 CCD 的FDA 读出方法和对应的 CCD 时序输出波形如图 3-1 所示。图中 Vcc 为直流偏压,ΦR 为复位脉冲,CS 为反偏二极管 D 的结电容。 浮置扩散放大器工作时序如下:在周期开始 0-t1 时刻,复位脉冲 ΦR 为高电 平时,M1 导通,电容 CS 上极板 A 点被充电到 Vcc 。源极跟随器 M2 的输出电平 Vout Vcc

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