第一章自掃描光電二極管列陣

1、緒論1 1、圖像傳感器的主要功能：、圖像傳感器的主要功能：把入射到傳感器光敏面上，轉(zhuǎn)換為。2 2、圖像傳感器的主要操作：、圖像傳感器的主要操作：把一定時間內(nèi)的光強信號轉(zhuǎn)換為電信號；：把各個像元的電信號掃描讀出，獲得視頻信號。3 3、固體圖像傳感器的主要分類：、固體圖像傳感器的主要分類： 電荷耦合器件（CCD）； MOS圖像傳感器，即自掃描光電二極管列陣（SSPA）； 電荷耦合光電二極管列陣（CCPD）； 電荷注入器件（CID）。4 4、固體圖像傳感器的主要優(yōu)點：、固體圖像傳感器的主要優(yōu)點： 固體化：全固態(tài)器件，耐沖擊，可靠性高； 集成化：集成電路工藝制作，體積小，功耗低； 高性能：靈敏度高、分

2、辨率高、工作頻率高（高速）。參考文獻1、王慶有 主編.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)（普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材）, 北京，機械工業(yè)出版社，2007-10-1。2、王慶有 主編. 圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)(第2版)（光電信息科學(xué)與工程類專業(yè)規(guī)劃教材）, 北京，電子工業(yè)出版社，2013-2-1。3、高岳 等編著. 光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)（第2版）（電子信息與電氣學(xué)科規(guī)劃教材光電信息科學(xué)與工程專業(yè)）, 北京，電子工業(yè)出版社， 2009-6-1。CMOS 圖像傳感器簡介圖像傳感器分類p 流水線方式p交換機方式第一章 自掃描光電二極管列陣（SSPA）1.1 SSPA線列陣線列陣 1.1.1 線列陣原理 1.1.2

3、 掃描驅(qū)動電路 1.1.3 光電二極管工作方式 1.1.4 開關(guān)噪聲及補償方法 1.1.5 多相時鐘線列陣1.2 SSPA面列陣面列陣 1.2.1 再充電采樣型面陣 1.2.2 電壓采樣型面陣1.3 特殊列陣特殊列陣 1.3.1 環(huán)形列陣 1.3.2 光柵位移傳感器 1.3.3 X射線探測列陣1.1.1 SSPA線列陣原理1 1、SSPASSPA線陣電路框圖線陣電路框圖1.1.1 SSPA線列陣原理2 2、掃描電路掃描電路 移位寄存器：移位寄存器： 每每1 1個時鐘周期，個時鐘周期，o/p1o/p1端的信號傳遞到端的信號傳遞到o/p2o/p2端；端； 信號依次移位，先進先出；信號依次移位，先進

4、先出； 結(jié)構(gòu)簡單，容易擴展。結(jié)構(gòu)簡單，容易擴展。1.1.1 SSPA線列陣原理2 2、掃描電路掃描電路 解碼器：解碼器： n n位二進制輸入；位二進制輸入； 2 2n n個掃描輸出；個掃描輸出； 可以隨機編碼；可以隨機編碼； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易擴展。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易擴展。1.1.1 SSPA線列陣原理選通開關(guān)光電二極管e1e2e3輸出電源3 3、簡單線陣簡單線陣SSPASSPA電路電路1.1.2 掃描驅(qū)動電路n源(S) 柵(G) 漏(D)體(B)ppn源(S) 柵(G) 漏(D)體(B)p溝pp- - - - -GDS（a）零柵壓（b）負柵壓負柵壓（大于閾值）導(dǎo)通；零柵壓或正柵壓截止。GDSIDSI

5、DS4 4、PMOSPMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管1.1.2 掃描驅(qū)動電路4 4、普通移位寄存器普通移位寄存器abT2T1T4T3Cg1e1COMS21cdT6T5T8T7CgCg2e2N-1eN-1NeN負載管（負載管（T2&T4T2&T4）：低電平導(dǎo)通，導(dǎo)通時相當(dāng)于電阻，在對應(yīng)時鐘脈沖為低電平時供電激活該單元；反向器（反向器（T1&T3T1&T3）：低電平導(dǎo)通，信號反向（雙反=不反），將本單元輸入電平信號傳遞到下一單元；柵電容（柵電容（Cg&CgCg&Cg）：本單元激活時充電，本單元不激活時保持電平。3 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工

6、作原理（1 1）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工作原理（2 2）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工作原理（3 3）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93 3、普通移位寄存器普通移位寄存器工作原理（工作原理（4 4）S12ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t91.1.2 掃描驅(qū)動電路4 4、工作波形、工作波形EOSS12ab(e1)cd(e2)Vot0t1t2t3t4t

7、5t6t7t8t91.1.2 掃描驅(qū)動電路4 4、一種低功耗動態(tài)移位寄存器、一種低功耗動態(tài)移位寄存器2112.T2T1T4T3CVe1COMS21T6T5e2RLVoN1l N1為高電平，則T6柵極始終保持1低電平，T6導(dǎo)通；l N1為低電平，則自舉電容耦合2低電平時，T5導(dǎo)通。1.1.2 掃描驅(qū)動電路4 4、一種低功耗動態(tài)移位寄存器、一種低功耗動態(tài)移位寄存器2.T2T1e1S2T6T5e2N11N2T2T1T6T5N1N212121.1.2 掃描驅(qū)動電路5 5、簡化電路分析、簡化電路分析T1ST5T4e21NCbCN0-V0-VS時當(dāng)時當(dāng)SNbNbVVWLCCVWlCC 0 00VCCCVN

8、bbN6 6、工作波形（、工作波形（1 1）S12VN1e2e16 6、工作波形（、工作波形（2 2）S12VN1e2e16 6、工作波形（、工作波形（2 2）S12VN1e2e11.1.2 掃描驅(qū)動電路6 6、工作波形、工作波形S12VN1e2Voe11.1.2 掃描驅(qū)動電路7 7、電容自舉移位寄存器的優(yōu)點、電容自舉移位寄存器的優(yōu)點互補驅(qū)動電路：T5和T6不同時導(dǎo)通；移位信號到才開始工作：整個移位寄存器消耗的功率僅等于一位寄存器消耗的功率；功耗極低：0.5mW；掃描速度快：半個時鐘周期移一位；CMOS電路性能更好。1.1.2 掃描驅(qū)動電路8 8、CMOSCMOS移位寄存器移位寄存器傳輸門+反

9、向器1.1.2 掃描驅(qū)動電路9 9、仿真電路、仿真電路SV2SC310p00M21pmosl = 5uW = 5uVDDM14nmosl = 5uW = 5uVCC0D11N437612F2VCC00V55VdcSM1pmosl = 5uW = 5u0I15udcM28nmosl = 5uW = 5uM6nmosl = 5uW = 5uM22nmosl = 5uW = 5uVCCVoM8nmosl = 5uW = 5u0F20VCCM24nmosl = 5uW = 5uM23pmosl = 5uW = 5u0C210pM10nmosl = 5uW = 40uF20M25pmosl = 5uW

10、= 5u0C110pM3pmosl = 5uW = 5u0VCCM2nmosl = 5uW = 5uVCCM7pmosl = 5uW = 5uF1SV4F2VCCM15pmosl = 5uW = 5uVDDSV3F1I35uVCC0R11kM16nmosl = 5uW = 5uVCCM5pmosl = 5uW = 5uM9nmosl = 5uW = 40u0D21N437612VCCF1e2F1e4M27pmosl = 5uW = 5uM12nmosl = 5uW = 5u0D31N437612M26nmosl = 5uW = 5uVCCVCCV15VdcM17pmosl = 5uW = 5u

11、M13pmosl = 5uW = 5u0M4nmosl = 5uW = 5uM11pmosl = 5uW = 5uM30nmosl = 5uW = 40uSVCC0I25ue3M18nmosl = 5uW = 5u傳輸門反相器1.1.2 掃描驅(qū)動電路9 9、仿真結(jié)果、仿真結(jié)果1.1.3 光電二極管工作方式1 1、連續(xù)工作方式、連續(xù)工作方式ILRLVoVBqJLhvPhvhPqJLPPhcqAhPqAIL光電流很??；布線很困難。AIL6121010注意：2 2、電荷存儲工作方式、電荷存儲工作方式1CVRLVVoe1CdD1T1ILRLVVoe1CdID0H1H2HSH2qVCqdS1qSDTIq

12、 0t01t2t1e0I0H1H2HSH0ISQQSHHH210SDDTIttIq)(120SLTLttLTIdttIdttIqS0)()(213 3、定量分析、定量分析VCQdZdAMVC2/1002/NqMsidtdCVdtdVCdtdQddLIdtdQdtdVAMZVdtdCZd)1( dtdVVZAMIZL)1 ()1/(1)1(0)1/(1)1(0ZSZZSLZhcMqPTVAMTIVV)1(0)1(ZZSLVVAMTI注：二極管兩端的電壓與光強注：二極管兩端的電壓與光強P P和積分時間和積分時間TsTs的乘積成比例。的乘積成比例。3 3、連續(xù)工作方式與電荷存儲方式的比較、連續(xù)工作方

13、式與電荷存儲方式的比較ILRLVoVBhv1CVRLVVoe1CdD1T10ISLTIqdSLCTIVSLdLSLTICRTII0SLTIIG0光電流增益很大；光電流增益很大；布線容易；布線容易；視頻輸出線電容影響大。視頻輸出線電容影響大。1.1.3 開關(guān)噪聲及補償方法1 1、開關(guān)噪聲、開關(guān)噪聲12e1+5Ve2RLVoNe2開關(guān)噪聲光信號1.1.3 開關(guān)噪聲及補償方法2 2、補償方式（、補償方式（1 1）：補償列陣）：補償列陣e1e2RLVNe212SEOS12COMRLVoNRSRSRRfVoutTT噪聲信號補償列陣光電列陣移 位 寄 存 器1.1.3 開關(guān)噪聲及補償方法2 2、補償方式（

14、、補償方式（2 2）：鄰近位相關(guān)法）：鄰近位相關(guān)法e1e2e312SEOS01COMVOVoutT信號移 位 寄 存 器2VN3噪聲電源1.1.4 多相時鐘線列陣1 1、四相時鐘線列陣、四相時鐘線列陣12S奇EOSVO奇移 位 寄 存 器1CVCOMRL3N-1偶EOSVO偶CVRL2N4移 位 寄 存 器12S1e3e1Ne2e4eNe1.1.4 多相時鐘線列陣2 2、工作波形、工作波形1212S奇OV偶OV奇EOS偶EOS1.1.4 多相時鐘線列陣3 3、工作方式、工作方式p兩組互補的時鐘相位錯開1/4周期，得到的奇數(shù)位信號和偶數(shù)位信號正好錯開半位，兩路視頻信號合在一起，可得到連續(xù)按時序分

15、布的串行視頻信號；p把奇偶兩組移位寄存器的時鐘和S信號合用一組相同的信號，則得到兩路奇偶視頻信號分開的并行輸出信號，分別并行讀出，工作頻率提高一倍。p兩組時鐘相同，但第二組（偶數(shù)）的起始信號S2由第一組移位寄存器的EOS輸出信號加適當(dāng)驅(qū)動后代替，同時第一組的起始脈沖信號S1的周期加長一倍以上，可得到奇數(shù)位視頻信號在前，偶數(shù)位視頻信號在后，分組串行輸出的視頻信號。該方法可簡化外部時鐘驅(qū)動電路。1.1.4 多相時鐘線列陣4 4、八相時鐘線陣、八相時鐘線陣優(yōu)點：優(yōu)點： 提高象元中心間距； 提高信號輸出頻率； 早期有應(yīng)用，目前不需要。缺點：缺點： 增大驅(qū)動電路面積； 增加相位匹配困難； 增加固定模式噪

16、聲；構(gòu)成：構(gòu)成：在四相時鐘線陣基礎(chǔ)上，在上下兩個移位寄存器輸出上分別增加兩相時鐘控制。1.2 SSPA面列陣面列陣1.2.1 再充電采樣型面列陣EOL水平（X）掃描電路1HEOF2H3H4HoutV1V2V3VLRBV列線行線111213142122232431323334單元電路柵漏垂直（Y）掃描電路1.2 SSPA面列陣面列陣1.2.1 再充電采樣型面列陣EOL1HEOF2H3H4HoutV1V2V3VstLfbt行回掃采樣時間EOLT)2(EOLFfbTt場回掃行采樣周期1.2.2 電壓采樣型面列陣1 1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)Vdde1comVo14comVo13(2,41)(2,1)Vo

17、1comcom(1,41)comCOMcomcom(13,41)e2Vo2com掃 描 電 路e40CP(2,2)(1,2)(1,1)(14,2)come41(14,1)(13,2)(13,1)comcome3(14,41)comSYNC1.2.2 電壓采樣型面列陣1 1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)Vdde1comVo14comVo13(2,41)(2,1)Vo1comcom(1,41)comCOMcomcom(13,41)e2Vo2com掃 描 電 路e40CP(2,2)(1,2)(1,1)(14,2)come41(14,1)(13,2)(13,1)comcome3(14,41)comSYNC1.2

18、.2 電壓采樣型面列陣2 2、電路分析、電路分析1e)15(VVDDLRdC)5(VCOM 2eoVD1T2T3T)15(VVDDLRdC)5(VCOM oVD1T2T3T)15(VVDDLRdC)5(VCOM oVD1T2T3T（a）單元電路（b）預(yù)充電（c）放大讀出特點：特點：有源極跟隨放大，視頻輸出信號大；視頻信號為箱形波，AD轉(zhuǎn)換方便；低光照時高電壓，高光照時低電壓；尖峰噪聲疊加在箱形波上，影響較大。復(fù)位開關(guān)源極跟隨選通開關(guān)431.2.2 電壓采樣型面列陣3 3、工作波形、工作波形1212345637 38 39 40 41421oV14oV亮區(qū)暗區(qū)亮區(qū)亮區(qū)暗區(qū)亮區(qū)SYNC1.2.2 電壓采樣型面列陣4 4、噪聲消除方法、噪聲消除方法低噪聲掃描電路；去耦合MOSFET；積分電路。（a） 自對準MOSFET（b） 短柵MOSFET（c）光耦合MOSFET1.3 特殊列陣特殊列陣1.3.1 環(huán)形列陣（a）等效電路（b）幾何尺寸（c）工作波形1.3.2 粗光柵位移傳感器列陣（a）列陣結(jié)構(gòu)（b）工作波形S12Vo圖像傳感器的分辨率可達微米量級光柵尺的分辨率可達亞微米量級1.3.3 x射線探測器列陣（a）x射線探測器結(jié)構(gòu)（b）工作波形光子能量（keV）70 8010 2