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当前固体微光器件以EBCCD 及EMCCD 器件为主，随着CMOS 工艺及电路设计技术的发展， 微光CMOS 图像传感器的性能在不断提高，通过采用专项技术，微光CMOS 图像传感器的性能已接近EMCCD 的性能， 揭开了CMOS 图像传感器在微光领域应用的序幕。随着对微光CMOS 图像传感器研究的进一步深入，在不远的未来，微光CMOS图像传感器的性能将达到夜视应用要求，在微光器件领域占据重要地位。
读出电路是微光CMOS 图像传感器的重要组成部分，它的基本功能是将探测器微弱的电流、电压或电阻变化转换成后续信号处理电路可以处理的电信号，它的噪声水平限制着CMOS 图像传感器在微光下的应用。微光条件下像素的输出信号十分微弱，任何过大的电路噪声、偏移都可以将信号湮没，因此提高读出电路输出信号的SNR 是微光设计的关键之一。本文采用的新型电容反馈跨阻放大型读出电路CTIA电路，可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，其输出信号的线性度和均匀性也很好，适合微弱信号的读出。
1 电路设计
为完成探测器输出电流向电压的精确转化，所设计的电路由CTIA 和相关双采样（CDS）组成，CTIA 由反向放大器和反馈积分电容构成的一种复位积分器。其增益大小由积分电容确定。图1 为典型CTIA 电路结构。
图1 典型CTIA 结构
当Reset 信号为高时，MOS 开关开通，由运算放大器的虚短特性可知，输入端的电压与Vref相等，此时积分电容两端电压相等， 都为Vref。当Reset 信号变为低电平时，MOS 开关关断，由于输入端的电压由Vref控制，因此在积分电容Cf右极板上产生感应电荷并慢慢积累，右极板电压逐渐增大，积分过程开始。最后电压通过相关双采样电路读出。
2 关键单元电路设计
2.1 高增益低噪声CTIA电路
为了提高读出电路的增益，使电路能在比较短的积分时间内，读出PA 级的电流，电路中的积分电容要非常小。同时为了提高信噪比，在减小积分电容的同时，电路噪声也要减小。在新型电路结构中，采用T 型网络电容加nmos 开关，电路结构如图2 所示。
图2 高增益低噪声CTIA电路
由于C1和C2的作用， 使得Cf在CTIA 反馈回路中的有效值减少，其有效值为：Cfb= （ C2Cf）/（Cf +C1+C2），这样Cf可以取相对较大的值，避免了使用小电容，因为小电容在工艺上较难实现，且误差较大。在本电路中，Cf=20 fF，C2=18 fF，C1=150 fF，则Cfb=2 fF。
图3 为该电路的工作时序。
图3 高增益低噪声CTIA 电路工作时序
该电路可工作在高增益模式或低增益模式。在高增益模式， 当reset 为高电平时，gaIn 导通， 这时有效电容为Cf，当reset 为低电平时，gaIn 关断， 此时的积分电容为Cf、C1和C2组成的T 型网络电容， 这样保证了电路在复位时大电容，可有效降低噪声，积分时小电容，可大大提高增益。当gaIn 一直为高电平时，电路工作在低增益模式。
2.2 相关双采样
相关双采样电路由两组电容和开关组成，电路工作过程如下。首先，开始积分，R 导通，相关双采样电路先读出像素的复位信号，存储Vreset电压到电容Creset中。积分完成，开关S导通，将电压Vread储存到电容Csig中。最后，将存储在两个电容之上的电压值相减得到最终的像素输出电压值：
Vout=Vouts -Voutr
这种结构可以很好的消除CMOS 图像传感器中像素的复位噪声、1/f 噪声以及像素内的固定模式噪声。
3 噪声分析
CMOS 读出电路中包括光探测器、MOS管和电容3种元件。光探测器和MOS管是读出电路的主要噪声源，这些噪声包括：一方面光探测器和MOS 管的固有噪声；另一方面由读出电路结构和工作方式引起的噪声。
3.1 光探测器噪声
复位噪声是由复位管引入的一种随机噪声。当像素进行复位时，复位管处于饱和区或亚阈值区，具体状态取决于光电二极管的电压值。复位管导通时可以等效为一个电阻，而电阻存在的热噪声将引入到复位信号形成复位噪声。其大小与二极管的电容有关，复位噪声电压为
，其中k 为波尔兹曼常数、T 为温度，C 为二极管的等效电容。复位噪声本质上是一个热噪声，具有随机性，只能够减小而不能够彻底消除。在本电路中，C=1.3 P，Vn=56 μV。
散粒噪声是指由于电子的随机到达而引起器件中电流的随机波动。因此，散粒噪声与流过器件的电流大小相关，并且服从泊松分布。散粒噪声与热噪声相区别，热噪声在没有任何电压或平均电流的条件下同样存在，而散粒噪声在没有电流条件下不存在。像素的散粒噪声与像素中的电流相关，包括光电流、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
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。 |
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