自掃描光電二極管列陣

緒論1、圖像傳感器的主要功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的視頻信號(hào)。2、圖像傳感器的主要操作：光電轉(zhuǎn)換：把一定時(shí)間內(nèi)的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；掃描讀出：把各個(gè)像元的電信號(hào)掃描讀出，獲得視頻信號(hào)。3、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、固體圖像傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)：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、分辨率高、工作頻率高〔高速〕。參考文獻(xiàn)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(guó)家級(jí)規(guī)劃教材〕,北京，機(jī)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，2023-2-1。3、高岳等編著.光電檢測(cè)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，2023-6-1。CMOS圖像傳感器簡(jiǎn)介圖像傳感器分類流水線方式交換機(jī)方式第一章自掃描光電二極管列陣〔SSPA〕1.1SSPA線列陣

1.1.1線列陣原理

1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路

1.1.3光電二極管工作方式

1.1.4開關(guān)噪聲及補(bǔ)償方法

1.1.5多相時(shí)鐘線列陣1.2SSPA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

1.3.1環(huán)形列陣

1.3.2光柵位移傳感器

1.3.3X射線探測(cè)列陣1.1.1SSPA線列陣原理1、SSPA線陣電路框圖1.1.1SSPA線列陣原理2、掃描電路移位存放器：每1個(gè)時(shí)鐘周期，o/p1端的信號(hào)傳遞到o/p2端；信號(hào)依次移位，先進(jìn)先出；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易擴(kuò)展。1.1.1SSPA線列陣原理2、掃描電路解碼器：n位二進(jìn)制輸入；2n個(gè)掃描輸出；可以隨機(jī)編碼；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易擴(kuò)展。1.1.1SSPA線列陣原理選通開關(guān)光電二極管e1e2e3輸出電源3、簡(jiǎn)單線陣SSPA電路1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路n源(S)柵(G)漏(D)體(B)n源(S)柵(G)漏(D)體(B)p溝-----GDS〔a〕零柵壓〔b〕負(fù)柵壓負(fù)柵壓〔大于閾值〕導(dǎo)通；零柵壓或正柵壓截止。GDSIDSIDS4、PMOS場(chǎng)效應(yīng)管1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路4、普通移位存放器abT2T1T4T3Cg1e1COMS

2

1cdT6T5T8T7CgCg2e2N-1eN-1NeN負(fù)載管〔T2&T4〕：低電平導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于電阻，在對(duì)應(yīng)時(shí)鐘脈沖為低電平時(shí)供電激活該單元；反向器〔T1&T3〕：低電平導(dǎo)通，信號(hào)反向〔雙反=不反〕，將本單元輸入電平信號(hào)傳遞到下一單元；柵電容〔Cg&Cg〕：本單元激活時(shí)充電，本單元不激活時(shí)保持電平。3、普通移位存放器工作原理〔1〕S

1

2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93、普通移位存放器工作原理〔2〕S

1

2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93、普通移位存放器工作原理〔3〕S

1

2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t93、普通移位存放器工作原理〔4〕S

1

2ab(e1)cd(e2)t0t1t2t3t4t5t6t7t8t91.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路4、工作波形EOSS

1

2ab(e1)cd(e2)Vot0t1t2t3t4t5t6t7t8t91.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路4、一種低功耗動(dòng)態(tài)移位存放器

2

112……..……..T2T1T4T3CVe1COMS

2

1T6T5e2RLVoN1N1為高電平，那么T6柵極始終保持1低電平，T6導(dǎo)通；N1為低電平，那么自舉電容耦合2低電平時(shí)，T5導(dǎo)通。1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路4、一種低功耗動(dòng)態(tài)移位存放器

2……..T2T1e1S

2T6T5e2N1

1N2T2T1T6T5N1N2

1

2

1

21.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路5、簡(jiǎn)化電路分析T1ST5T4e

2

1NCbCN0-V

0-VS6、工作波形〔1〕S

1

2VN1e2e16、工作波形〔2〕S

1

2VN1e2e16、工作波形〔2〕S

1

2VN1e2e11.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路6、工作波形S

1

2VN1e2Voe11.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路7、電容自舉移位存放器的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路：T5和T6不同時(shí)導(dǎo)通；移位信號(hào)到才開始工作：整個(gè)移位存放器消耗的功率僅等于一位存放器消耗的功率；功耗極低：<0.5mW；掃描速度快：半個(gè)時(shí)鐘周期移一位；CMOS電路性能更好。1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路8、CMOS移位存放器傳輸門+反向器1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路9、仿真電路傳輸門反相器1.1.2掃描驅(qū)動(dòng)電路9、仿真結(jié)果1.1.3光電二極管工作方式1、連續(xù)工作方式ILRLVoVB光電流很?。徊季€很困難。注意：2、電荷存儲(chǔ)工作方式1CVRLVVoe1CdD1T1ILRLVVoe1CdID3、定量分析注：二極管兩端的電壓與光強(qiáng)P和積分時(shí)間Ts的乘積成比例。3、連續(xù)工作方式與電荷存儲(chǔ)方式的比較ILRLVoVB1CVRLVVoe1CdD1T1光電流增益很大；布線容易；視頻輸出線電容影響大。1.1.3開關(guān)噪聲及補(bǔ)償方法1、開關(guān)噪聲12……e1+5Ve2RLVoNe2開關(guān)噪聲光信號(hào)1.1.3開關(guān)噪聲及補(bǔ)償方法2、補(bǔ)償方式〔1〕：補(bǔ)償列陣……e1e2RLVNe212……COMRLVoNRSRSRRfVoutT’T噪聲信號(hào)補(bǔ)償列陣光電列陣移位寄存器1.1.3開關(guān)噪聲及補(bǔ)償方法2、補(bǔ)償方式〔2〕：鄰近位相關(guān)法e1e2e301COMVOVoutT信號(hào)移位寄存器2VN3噪聲電源1.1.4多相時(shí)鐘線列陣1、四相時(shí)鐘線列陣VO奇移位寄存器1CVCOMRL3N-1VO偶CVRL2N4移位寄存器1.1.4多相時(shí)鐘線列陣2、工作波形1.1.4多相時(shí)鐘線列陣3、工作方式兩組互補(bǔ)的時(shí)鐘相位錯(cuò)開1/4周期，得到的奇數(shù)位信號(hào)和偶數(shù)位信號(hào)正好錯(cuò)開半位，兩路視頻信號(hào)合在一起，可得到連續(xù)按時(shí)序分布的串行視頻信號(hào)；把奇偶兩組移位存放器的時(shí)鐘和S信號(hào)合用一組相同的信號(hào)，那么得到兩路奇偶視頻信號(hào)分開的并行輸出信號(hào)，分別并行讀出，工作頻率提高一倍。兩組時(shí)鐘相同，但第二組〔偶數(shù)〕的起始信號(hào)S2由第一組移位存放器的EOS輸出信號(hào)加適當(dāng)驅(qū)動(dòng)后代替，同時(shí)第一組的起始脈沖信號(hào)S1的周期加長(zhǎng)一倍以上，可得到奇數(shù)位視頻信號(hào)在前，偶數(shù)位視頻信號(hào)在后，分組串行輸出的視頻信號(hào)。該方法可簡(jiǎn)化外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路。1.1.4多相時(shí)鐘線列陣4、八相時(shí)鐘線陣優(yōu)點(diǎn)：

提高象元中心間距；提高信號(hào)輸出頻率；早期有應(yīng)用，目前不需要。缺點(diǎn)：增大驅(qū)動(dòng)電路面積；增加相位匹配困難；增加固定模式噪聲；構(gòu)成：在四相時(shí)鐘線陣根底上，在上下兩個(gè)移位存放器輸出上分別增加兩相時(shí)鐘控制。1.2SSPA面列陣1.2.1再充電采樣型面列陣水平〔X〕掃描電路列線行線111213142122232431323334單元電路柵漏垂直〔Y〕掃描電路1.2SSPA面列陣1.2.1再充電采樣型面列陣行回掃采樣時(shí)間場(chǎng)回掃行采樣周期1.2.2電壓采樣型面列陣1、電路結(jié)構(gòu)1.2.2電壓采樣型面列陣1、電路結(jié)構(gòu)1.2.2電壓采樣型面列陣2、電路分析〔a〕單元電路〔b〕預(yù)充電〔c〕放大讀出特點(diǎn)：有源極跟隨放大，視頻輸出信號(hào)大；視頻信號(hào)為箱形波，AD轉(zhuǎn)換方便；低光照時(shí)高電壓，高光照時(shí)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)1.2.2電壓采樣型面列陣3、工作波形亮區(qū)暗區(qū)亮區(qū)亮區(qū)暗區(qū)亮區(qū)……1.2.2電壓采樣型面列陣4、噪聲消除方法低噪聲掃描電路；去耦合MOSFET；積分電路。〔a〕自對(duì)準(zhǔn)MOSFET〔b〕短?hào)臡OSFET〔c〕光耦合MOSFET1.3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S

1

2Vo圖像傳感器的分辨率可達(dá)微米量級(jí)光柵尺的分辨率可達(dá)亞微米量級(jí)1.3.3x射線探測(cè)器列陣〔a〕x射線探測(cè)器結(jié)構(gòu)〔b〕工作波形光子能量（keV）響應(yīng)度（10-6C/J/cm2）X射