CMOS光電探測(cè)器工作原理和CMOS圖像傳感器像素傳輸信號(hào)
CMOS光電探測(cè)器都是基于PN結(jié)光電二極管的工作原理。當(dāng)光電二極管反向偏置時(shí)(反向電壓小于雪崩擊穿電壓)，與入射光強(qiáng)度成比例的電流分量將流經(jīng)二極管。這種電流成分通常稱為光電流。由于光電流隨光強(qiáng)線性增加，可以使用光電二極管來(lái)構(gòu)建光電探測(cè)器。這種光電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的抽象表示如下。
(a)光電探測(cè)器示例示意圖(b)光電流值隨時(shí)間的變化
一、CMOS光電探測(cè)器的工作原理:
在曝光周期開(kāi)始時(shí)，復(fù)位開(kāi)關(guān)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓VD。接下來(lái)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成比例的光電流。電流在Fian到Pian的范圍內(nèi)，太小，無(wú)法直接測(cè)量。如果我們將光電二極管暴露在光線下一段時(shí)間，色調(diào)和電流將在二極管電容CD上積分。儲(chǔ)存的電荷為我們提供了更強(qiáng)的累積信號(hào)，更容易測(cè)量。此外，組合平均過(guò)程使得累積信號(hào)更忠實(shí)地表示測(cè)量的光強(qiáng)度，尤其是在處理弱信號(hào)或噪聲信號(hào)時(shí)。
請(qǐng)注意，阱容量Qwell設(shè)置了CD可以容納的電荷的上限。超過(guò)一定的光強(qiáng)，二極管就會(huì)飽和，積累的電荷就等于最大值，如上圖所示。因此，必須仔細(xì)選擇積分周期。
另一個(gè)應(yīng)該考慮的非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，另一個(gè)稱為暗電流的電流分量流經(jīng)二極管。暗電流是在沒(méi)有光的情況下產(chǎn)生的電流。該電流分量必須最小化，以使器件的靈敏度最大化。
二、CMOS圖像傳感器的框圖:
二維光電探測(cè)器陣列用于探測(cè)入射光的強(qiáng)度。由光電探測(cè)器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過(guò)“行選擇”和“列選擇”開(kāi)關(guān)陣列被傳輸?shù)捷敵龇糯笃?。ADC用于將放大的信號(hào)數(shù)字化。為了執(zhí)行讀出，給定行的像素值被并行傳送到一組存儲(chǔ)電容器(下面未示出)，然后這些傳送的像素值被順序讀出。
上圖是APS(主動(dòng)像素傳感器)的架構(gòu)。在APS設(shè)備中，每個(gè)像素位置不僅包含光電二極管，還包含放大器。稱為PPS(無(wú)源像素傳感器)的更簡(jiǎn)單的架構(gòu)沒(méi)有將放大器集成到像素中。在DPS(數(shù)字像素傳感器)設(shè)備中，每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。因此，DPS架構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成比例的數(shù)字值。
