CMOS有源像素传感器（APS）的工作原理与应用

首先,我们从CMOS无源像素传感器的实验中得出一条结论,缓存器/放大器能够提高像素性能^[403]。每个像素内部存在有源放大器的传感器被称为有源像素传感器或APS。无源像素传感器以像素放大器来提高性能,相对而言,CMOS有源像素传感器以降低填充因子来提高性能。目前有源像素传感器的像素填充系数一般为50%～70%。虽然我们可以通过降低输出噪声来对电路进行补偿,但光信号的损失远大于这个补偿值,从而导致信噪比（SNR）和动态范围的增加。

有源电路的应用通常是用作简单的源极跟随器,这个跟随器既可以作为放大器又可以作为缓冲器,还可以隔离读出总线电容的电荷。由于每个放大器仅在读取时启动,所以功耗很低。APS的像素主要是利用光敏二极管或光电门作为检测器,并在积分模式下进行信息处理。当无源像素传感器直接转移累积电荷信号到外部时,有源像素传感器就会把电荷转换为像素级电压。一般有源像素传感器会受到高级FPN的影响。

4.5.4.1 光敏二极管（PD）APS

1968年,诺布尔首次对光敏二极管型APS进行命名^[403],20世纪80年代以来,Andoh对此进行更深入的研究^[17]。在其基本形式下,像素包含三个晶体管：一个用于缓冲光敏二极管电压的复位光敏二极管（MR）,一个缓冲光敏二极管列总线电压的源极随耦器（SF）和行选择晶体管（MS）（见图4.8）。信号电荷转化为电压发生在光敏二极管节点电容,这也是极连接晶体管的总电容。源极随耦器负载连接到列总线,因而列中的所有像素是共用的。

在复位阶段,复位晶体管工作并且给光敏二极管加上一个参考电压。光敏二极管的结电容相应的充电。在积分阶段,复位晶体管关闭,电容进行放电并且光电电流与入射光成比例。在曝光时间结束时,输出产生电压。输出电压在黑暗条件下较高,在明亮的光照下较低。

图4.8 CMOS二极管电路图

由于光电电流的散粒噪声和复位电压噪声的影响（通常也称为kTC噪声）,小规模像素矩阵的信噪比（比较4.4.2节）降低,规模为1/,其中C_PD是二极管电容。积分APS像素的动态范围（DR）定义为最大的输出电压V_max和最小的检测信号V_min的比值（比较4.4.2节）,单位是dB。这里V_max由最大势阱电容决定,大量电荷在光敏二极管内部积累。转换增益的定义是由基本积累电荷（V/e^—）引起的电压变化,等于1/C_PD。

因此在减小芯片面积时,设计者要权衡像素填充系数（PD）、动态范围（最大阱容）和转换增益。

4.5.4.2 铰接式光敏二极管（PPD）ASP

为了耦合光检测器与光转换器并解决PD APS的折中问题,我们开发出了铰接式光敏二极管APS（PPD APS）。累积的光电荷通过转移门（TX）转移到浮动扩散区（FD）（见图4.9）。在FD的电容中把电荷转换为电压。该电路拓扑结构允许互相关双采样（CDS）,从而实现抑制噪声。在噪声性能方面,PPD ASP优于标准的PD APS。然而由于额外增加了晶体管,填充系数降低,电容容量也受到了限制。PPD APS图像质量完全能够与CCD媲美。铰接式光敏二极管的一个重要的缺点是不能在标准的CMOS工艺中完成^[339,415]。

图4.9 p-n结二极管电路图(www.xing528.com)

4.5.4.3 光电门（PG）APS

光电门APS在1993年被提出^{[373,372,374]}。它把CCD的积分工作原理和像素电荷传输结合在一起,并实现了随机存取读出。最初的信号电荷积累在光电门。读取就是复位浮动扩散区并且测量产生的电压。信号电荷通过相应的脉冲光电门传送到输出扩散区。同样电压被测量,复位电平与信号电平之间的不同也被读出,实现了真正的互相关双采样,同时我们也知道了互相关双采样（CDS）在抑制复位噪声kTC和抵消FPN方面有许多好处。PG APS的每个像素用5个晶体管（见图4.10）。由于多晶硅栅极的光学特性,可以通过降低量子效率来改善噪声性能。与光敏二极管相比,光电门像素具有更高的电容容量。PG APS适合工作在高性能和低光线的情况下,但是它需要专门的加工工艺。

4.5.4.4 对数PD APS

在过去十年中,提高CMOS图像传感器（通常为60～70dB）的动态范围达到自然场景＞120dB的动态范围已是广泛研究的课题。因为光电信号被压缩或者扩展,所以光信号的对数变换（像素输出信号与光信号的对数是成比例的）需要考虑增加内部的动态范围。例如,一个工作在亚临界区域的MOS晶体管,显示出了对数I-V特性。此属性可以被用来实现光信号的对数变换。图4.11给出了一个示例电路,具有光强度等级和光电流（在pA～nA内）的对数特性,且负载晶体管工作在亚临界状态。该电路是连续时间（非积分）的类型。

图4.10 光电门APS电路原理图

图4.11 APS对数二极管电路原理图

连续时间方法的缺点是在低光照水平下响应时间慢而且易产生电压波动;但其面临的主要障碍是使用连续时间对数感光器有较大固定模式噪声（FPN）。在各种像素级和芯片级的校准技术和方法中,把像素的线性和对数响应方式结合起来,取得了理想的结果。利用对数PD APS技术使得场景内动态范围超过了六级,且FPN维持在几个百分点的水平^{[283,466,333,112]}。

连续时间对数二极管光电检测器可以工作在高增益反馈结构中,以减少寄生电容和结点电容的充/放电时间。该检测器的带宽和速度大大增强^[331]。图4.12显示了基于共源增益级（M₁和M₂）反馈回路的对数感光电路。这种类型的光电检测器可以应用在具有像素级模拟信号处理能力的智能传感器上,将在4.6.5节重新介绍。

图4.12 共源反馈式对数光感器