CMOS图像传感器：工作原理与应用

本节将介绍五种CMOS图像传感器，包括：无源像素传感器（PassivePixelSensor，PPS）、3T有源像素传感器（Three-Transistor Active Pixel Sensor，3T-APS）、4T有源像素传感器（Four-Transistor Active Pixel Sensor，4T-APS）、对数像素图像传感器（Log Pixel Image Sensor）和脉冲调制图像传感器（Pulse Modulation Image Sensor）。

图6.5　3×3像素阵列行间转移CCD电荷读取顺序示意图

6.2.1　无源像素传感器

无源像素传感器中的“无源”是指光电二极管采集的电荷没有被放大而直接被读取，无源像素是由一个光电二极管和一个MOS开关组成，3×3像素阵列的无源像素传感器结构示意图如图6.6所示，其中光电二极管被反向偏置，可简化等效成一个电容C p d。

图6.6　3×3像素阵列的无源像素传感器结构示意图

每个像素都连接着纵向移位寄存器和横向移位寄存器。当读取光电二极管上收集的电荷时，纵向移位寄存器产生一个脉冲信号，纵向开关MOS导通，电容C p d与纵向信号线相连。因为纵向信号线连着一列所有的像素，所以它的等效电容C VL（约几pF）远大于C p d（约几fF），这导致C p d上存储的绝大部分电荷都移动到C V L上。然后横向移位寄存器产生一个脉冲信号打开横向开关MOS使其导通，纵向信号线上存储的电荷流经输出电阻，产生一个电压信号，再经过放大器后成为输出信号。光电二极管在曝光以前，先通过纵向和横向的信号线连接到电压V，然后再与电压源断开并开始曝光。在曝光期间，光电二极管的耗尽区分离电子-空穴对，使得电子向N区聚集，所以光电二极管的电压下降。曝光结束读取信号电荷时，光电二极管电压再次充电到电压V。

无源像素传感器的电荷读取顺序如图6.7所示。曝光完成后，每个像素的光电二极管中都存储了信号电荷，如图6.7(a)所示，阴影方块表示电荷。首先读取靠近横向信号线的第一行像素，纵向移位寄存器在第一行选择线上产生一个脉冲信号，第一行的纵向开关连通，聚集在第一行光电二极管中的信号电荷被移到相应的纵向信号线上，如图6.7(b)所示。然后读取第一行中第一列的电荷11，横向移位寄存器在第一列产生一个脉冲信号，连通横向开关，信号电荷11通过电阻流向电压源，电阻上由于电荷流动产生的压降被放大器放大得到信号S11，如图6.7(c)所示。横向移位寄存器依次产生脉冲信号，完成第一行所有信号电荷的读取。按照上述方法，每个像素里的信号电荷被依次读取出来，这样就完成了一帧画面的信息读取，然后开始下一帧的曝光，以此类推。

图6.7　3×3像素阵列的无源像素传感器电荷读取顺序示意图

无源像素传感器有较严重的kTC噪声，当一个电容通过一个带有内阻的开关与一个电压源相连，开关不断地打开和关闭产生一种热噪声，其等效电路如图6.8所示。在理想情况下，当开关闭合时电容与电压源相连，那么电容上的电压应该与电压V dd相等。但在实际情况下，由于电子在做不规则的布朗运动，当开关闭合时，电容上的电压不是恒等于电压V dd，而是在V d d附近上下波动。当开关断开时，电容上的电压就等于开关断开那一瞬间的电压值，开关断开后电容将一直保持这个电压值。因此kTC噪声导致电容每次复位时的电压都不相同，kTC噪声又叫复位噪声。

图6.8　kTC噪声等效电路

噪声电荷可以表示为：

在无源像素图像传感器中，当每个像素里的纵向开关连通时，在读取光电二极管上电荷的同时也对光电二极管进行了电压复位；当横向开关导通读取一个像素的输出信号时，纵向信号线的电压也完成了复位，这些复位操作都会产生kTC噪声。横向信号线一直与电压源相连，不产生kTC噪声。由式(6.1)可知，电容越大噪声就越大。光电二极管的等效电容在fF量级，而纵向信号线的等效电容在pF量级。由纵向信号线产生的kTC噪声，是无源像素传感器噪声的主要来源。

6.2.2　3T有源像素传感器

3T有源像素传感器的像素里面有三个MOS管，所谓“有源”是指光电二极管收集的信号电荷被放大了，从而可以抵抗纵向信号线上的噪声，提高信噪比。3T有源像素的电路结构如图6.9所示，与无源像素相比，它多出了一个驱动MOS管MSF和一个复位MOS管MRST。光电二极管的N极连到驱动MOS管的栅极输入端，驱动MOS管的源极输出端通过行选择MOS管MRS连到纵向信号线。像素里的驱动MOS管实际是一个源极跟随器，它与纵向信号线上的负载MOS管ML组成一个完整的源极跟随器放大电路。

图6.9　3T有源像素的电路结构图

源极跟随器输入为光电二极管上的电压信号，该节点的等效电容是C p d。源极跟随器的增益小于1，所以输出电压信号会比输入略小些，但是输出端连接着纵向信号线，它的等效电容C V L远大于C p d，这使纵向信号线上的信号电荷与光电二极管上存储的信号电荷相比被放大了很多倍。光电二极管上的电压首先通过MRST复位，也就是光电二极管的起始电压是V dd，经过曝光后光电二极管上的电压V in可以用式(6.2)表示：

其中Q s是光电二极管上收集的信号电荷量。由于曝光导致光电二极管上产生的电压信号是：

源极跟随器的增益是GSF，那么源极跟随器的输出电压信号是：

当行选择MOS管MRS连通时，源极跟随器的输出电压信号就传输到纵向信号线上，那么纵向信号线上存储的电荷Q ou t是：

图6.10　相关双采样电路

因此3T有源像素传感器的电荷增益是：

电荷增益是输出和输入电容比值与源极跟随器增益的乘积，一般源极跟随器的增益约为0.9，C p d是fF数量级，而C V L是pF数量级，所以光电二极管收集的信号电荷被放大了千倍量级。

从图6.9中可以看出V ou t等于V in减去V th（MOS管的阈值电压）。一片晶圆上不同区域的V th会有较大变化，其变化范围可能在10～100m V，而电压信号V in在几百毫伏数量级，因此V th变化产生的噪声大幅度降低了信噪比。由于V th与晶圆位置相关，所以对于一片图像传感器芯片，V th产生的噪声始终出现在图像的固定位置，我们把这种出现在固定位置的噪声叫做固定模式噪声（Fixed-Pattern Noise，FPN）。如果能够获得ΔV ou t,就可以去除由V th变化产生的噪声，通常采用相关双采样（Correlated Double Sam p ling，CDS）电路来实现。

相关双采样电路如图6.10所示，其输入端连到纵向信号线上，其输出端是纵向信号线的输出信号。当不提取像素信号电荷时，纵向信号线会复位，此时钳位管MC栅极会得到一个脉冲信号ΦC使其导通，节点1的电压就会等于V clam p。钳位管断开后，节点1就始终保持着该电压。这意味着纵向信号线复位，节点1就会对应着电压V clam p，与复位电压无关，这可有效消除纵向信号线的复位噪声。当提取像素信号电荷时，因为C C具有通交流阻直流的作用，只有信号电压V sig（不受V th影响）能够穿过C C到达节点1，所以此时节点1的电压是V clam pV sig。然后采样管MS栅极会得到一个脉冲信号ΦS使其导通，节点1的电压传到输出端，并存储在电容C H上。通过CDS电路，去除了纵向信号线复位操作导致的kTC噪声，同时也消掉了V th导致的固定模式噪声。CDS电路结构相对简单，占用芯片的面积较小，所以在每一列的纵向信号线上都会有一个CDS电路。

图6.11　3T有源像素传感器的原理图

3T有源像素传感器的原理图如图6.11所示。当要读取某一像素的信号电荷时，纵向移位寄存器会输出一个脉冲信号，作用在行选择MOS管MRS上使其瞬时导通，从而源极跟随器连通到纵向信号线。当V ou t输出到纵向信号线上以后，纵向移位寄存器会产生一个复位信号，使得复位MOS管MRST导通，光电二极管的电压被复位到V d d，为下一次曝光做好准备。这里需要注意的是，虽然源极跟随器没有放大电压信号，但是由于纵向信号线的寄生电容值C VL较大，源极跟随器提供了放大很多倍的信号电荷；而无源像素传感器则是将光电二极管上积累的信号电荷直接提取到纵向信号线上，信号电荷并没有被放大。当信号电荷被读取到纵向信号线上后，首先，经过CDS电路降低了各种噪声的影响；然后，横向移位寄存器依次产生脉冲信号，驱动每个列选择MOS管MCS，使得纵向信号线上的电压信号依次被传送到输出端。

3T有源像素传感器的性能与CCD图像传感器相当，但是现在主流的CMOS图像传感器很少使用3T有源像素结构，因为它存在一些问题。首先，光电二极管的N极直接与驱动MOS管栅级相连，这使N极必须在硅层表面，而硅层与其上面的二氧化硅层形成的交界面会产生大量热效应激发的电子-空穴对，它们进入光电二极管的耗尽区就会形成暗电流。在没有光照的情况下光电二极管的电流叫作暗电流，它是由热能激发产生的，硅层与二氧化硅层交界面会生成部分暗电流。其次，光电二极管的电荷容量与C p d成正比，而电荷转换增益即单位电荷能够生成的电压与C p d成反比，因此3T有源像素存在电荷容量和电荷转换增益之间的矛盾。最后，光电二极管的复位噪声很难消除，这直接影响输出信号的质量。为了解决上述问题，下一小节我们将讨论4T有源像素传感器。

6.2.3　4T有源像素传感器

目前商用的CMOS图像传感器主要采用4T有源像素结构，其电路结构及物理层示意图如图6.12所示。与3T有源像素相比，4T有源像素多出了一个开关MOS管MTX和一个电位浮动的N+区域，它可等效成一个存储电容C FD。此外，4T有源像素采用了埋入式光电二极管（Buried Photodiode），在光电二极管N-/P-sub的N区与二氧化硅层之间嵌入很薄的P+层，这样就有效地隔离了光电二极管与二氧化硅层相交，从而减小了交界面热效应产生的电子对光电二极管的影响。(https://www.xing528.com)

下面讲解4T有源像素电路的工作原理。假设在初始阶段，光电二极管PD中没有累积电荷，满足完全耗尽的条件。光电二极管先曝光积累信号电荷，然后复位MOS管MRST导通，对C FD进行复位操作，紧接着行选择MOS开关MRS连通，通过驱动MOS管MSF（源极跟随器）读取C FD复位的电压。这个复位电压将用于相关双采样电路。复位读取结束后，开关MOS管MTX导通，将PD中累积的信号电荷传输到C FD上。最后再连通行选择MOS开关MRS读取C FD上的信号电压。重复上述过程，循环读取复位电压和信号电压。

图6.12　4T有源像素电路的结构图及物理层示意图

4T有源像素电路光电二极管负责光电检测（积累信号电荷），C FD负责生成要输出的电压信号。光电检测区和光电转换区是分开的，这样就避免了3T有源像素电荷容量和电荷转换增益之间的矛盾。4T有源像素电路可以设计较大的光电二极管提高信号电荷容量，同时还可以设计较小的C FD实现较高的电荷-电压转换因子。4T有源像素电路光电二极管是没有复位操作的，FD才有复位操作，并且会读取FD上的复位电压和信号电压，通过相关双采样电路去除了复位操作导致的kTC噪声，同时也去除了V th变化导致的固定模式噪声。因此4T有源像素电路有效地解决了3T有源像素电路的问题，是目前高性能CMOS图像传感器采用的主流设计方案。

图6.13　4T有源像素传感器的原理图

4T有源像素传感器的原理图如图6.13所示。总体来说其基本操作与3T有源像素传感器类似。不同之处在于信号电荷先是从PD转移到C FD，然后再被读取的；C FD有复位操作，而PD没有。

6.2.4　对数像素图像传感器

首先我们观察图6.14中的两张照片，图6.14(a)中光线较强和光线较弱的区域基本看不清，而图6.14(b)中强光和弱光区域都较清晰。这是什么原因导致的呢？为了说明这个问题，我们介绍一个概念“动态范围”。图像传感器在饱和状态下的信号电荷与最小能被探测的信号电荷的比值叫动态范围（Dynam ic Range,DR），或者是图像传感器能够成像的最大光照强度与最小光照强度的比值。动态范围通常用分贝来表述，如下所示：

其中N e-sat表示饱和状态下的信号电荷，N e-m in是最小能被探测的信号电荷，大小与噪声电荷相当。前几个小节介绍的CCD、3T像素、4T像素都具有光照强度与信号电荷或信号电压成正比的特性，它们都是线性系统。对于一个线性图像传感器系统，其动态范围的示意图如图6.15所示。从动态范围的定义可以看出它是表达一个图像传感器同时捕捉强光和弱光能力的大小，现在我们再分析图6.14中的照片，(a)图不清晰是因为图像传感器的动态范围较小导致，较强的光使图像传感器饱和，较弱的光被图像传感器自身的噪声淹没。(b)图清晰是因为图像传感器的动态范围较大，在强光和弱光下都能正常成像。

人类眼睛的自适应动态范围可达到120dB，人们日常生活的环境中，阳光下和室内的光强相比可能达到100dB，而线性图像传感器的动态范围一般为40～70dB，无法满足人们的需求。提高图像传感器动态范围的一种简单方法是使用对数像素结构，实现对数关系的核心是使MOS管工作在亚阈值区，这同时也是提高光信号探测器动态范围的有效方法^[1]。

我们以NMOS管为例，其亚阈值区（Subthreshold Region）的工作条件是：

其中V gs是栅极和源极之间的电压差，V th是NMOS管阈值电压。在亚阈值区又可以细分成饱和工作区和线性工作区，通常情况下我们使用饱和工作区，其工作条件是：

其中V ds是漏极和源极之间的电压差。V T是热电压，在300K温度下，约为26m V。因此V ds要大于等于约100m V才能确保NMOS管工作在亚阈值饱和区。当NMOS管工作在亚阈值的饱和区时，其电流公式如下：

其中m是体效应系数。I0可表示为：

图6.14　具有不同动态范围的图像传感器拍摄的照片

图6.15　图像传感器动态范围示意图

其中µn是电子迁移速率，C ox是单位面积栅极氧化层电容，W/L是栅极氧化层宽长比。从式(6.10)可以看出当MOS管工作在亚阈值的饱和区时，流经MOS管的电流与V gs是指数关系。

图6.16是一个最基本的对数像素电路的结构图，比较类似3T像素电路，不同之处在于复位管被NMOS管M替代。M工作在亚阈值饱和区，其栅极连接到了V d d，这意味着光电二极管没有复位操作。该对数像素电路的图像传感器读出操作与3T像素传感器相似，光电二极管的电压V p d（即M的源极电压V S,M）通过源极跟随器MSF输出到纵向信号线。

M工作在亚阈值饱和区，流经M的电流等于光电二极管的光电流I p d，根据式(6.10)可以得出M的源极电压为：

其中V G,M等于V dd。从式(6.12)可以看出V S,M与光电流成对数关系，光电流又与光照强度成正比，所以V S,M与光强成对数关系。

对数像素图像传感器将光强进行对数关系的压缩，因此得到更大的动态范围。图6.16所示的对数像素电路中没有复位操作，它是一个连续采样的过程，这导致其无法使用相关双采样电路去除固定模式噪声。为了解决这个问题，像素内可以设计校准电路，但是这会降低填充系数（Fill Factor，FF），即光电二极管占像素总面积的比例。

图6.16　对数像素电路结构图

6.2.5　脉冲调制图像传感器

前几个小节讨论的像素电路输出都是模拟信号，必须经过模数转换（ADC）变成数字信号，然后才能做后端的数字图像处理和识别。有一类图像传感器的像素电路可以直接输出数字信号，这样就不需要使用功耗较高的ADC，它们是脉冲调制图像传感器。脉冲调制图像传感器分成两种：脉宽调制（Pulse W idth Modulation，PWM）图像传感器和脉频调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）图像传感器。

脉宽调制的像素电路结构如图6.17(a)所示，电路中有一个比较器，它用于比较光电二极管的电压V p d和参考电压V ref。在曝光前，复位NMOS管MRST在脉冲信号ΦRST作用下将光电二极管电压复位（即拉到V dd），此时比较器的输出为高电平。然后曝光开始，光电二极管电压V p d逐渐下降，当电压降到小于参考电压V ref时，比较器输出低电平。脉宽调制的像素电路每个节点的电压关系如图6.17(b)所示。

光强越强，光电二极管电压从V dd下降到V ref的时间就越短，即输出信号的高电平的时间就越短，所以输出的数字信号脉宽可以表达光信号的强弱。脉宽调制图像传感器具有低电压、低功耗的优点，但是由于像素内带有比较器电路，降低了填充系数，所以无法用于高分辨率的图像传感器。

图6.17　脉宽调制像素电路结构图及电路节点电压示意图

脉频调制的像素电路结构如图6.18(a)所示，与脉宽调制像素电路相比，主要区别是将比较器换成了3个反相器。在曝光前，假设光电二极管电压是V dd，此时像素输出电压V ou t是低电平，复位NMOS管MRST断开。然后曝光开始，光电二极管电压V p d逐渐下降，当电压降到小于第一个反相器的阈值电压V TH时，第一个反相器发生翻转并输出高电平，进而导致后面两个反相器也发生翻转，此时像素输出电压V ou t迅速变成高电平。这时复位NMOS管MRST在高电平的作用下瞬时导通，将光电二极管电压复位到V dd，经过3个反相器的传导，像素输出电压V ou t又变成低电平并使复位NMOS管MRST断开。脉频调制的像素电路每个节点的电压关系如图6.18(b)所示。

图6.18　脉频调制像素电路结构图及电路节点电压示意图

输出信号里的高电平脉冲的宽度是非常窄的，等于复位管和3个反相器的延时之和。在曝光期间，如果光照越强，意味着光电二极管电压下降速度就越快，那么被复位的次数就会越多，也就是输出信号的脉冲个数越多，因此脉冲的频率可以表达光信号的强弱。脉频调制图像传感器因为使用了反相器，所以比较灵敏，适合于光强较弱的环境，在生物医疗方面有较好的应用。它的缺点是具有较低的填充系数，而且因为反相器不断地在开关，导致其功耗较高。