CMOS光電探測器工作原理和CMOS圖像傳感器像素傳輸信號
CMOS光電探測器都是基于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(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構(gòu)建光電探測器。這種光電檢測結(jié)構(gòu)的抽象表示如下。
(a)光電探測器示例示意圖(b)光電流值隨時間的變化
一、CMOS光電探測器的工作原理:
在曝光周期開始時，復(fù)位開關(guān)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓VD。接下來，打開開關(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，無法直接測量。如果我們將光電二極管暴露在光線下一段時間，色調(diào)和電流將在二極管電容CD上積分。儲存的電荷為我們提供了更強(qiáng)的累積信號，更容易測量。此外，組合平均過程使得累積信號更忠實(shí)地表示測量的光強(qiáng)度，尤其是在處理弱信號或噪聲信號時。
請注意，阱容量Qwell設(shè)置了CD可以容納的電荷的上限。超過一定的光強(qiáng)，二極管就會飽和，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。
另一個應(yīng)該考慮的非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，另一個稱為暗電流的電流分量流經(jīng)二極管。暗電流是在沒有光的情況下產(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:
二維光電探測器陣列用于探測入射光的強(qiáng)度。由光電探測器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號通過“行選擇”和“列選擇”開關(guān)陣列被傳輸?shù)捷敵龇糯笃?。ADC用于將放大的信號數(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(主動像素傳感器)的架構(gòu)。在APS設(shè)備中，每個像素位置不僅包含光電二極管，還包含放大器。稱為PPS(無源像素傳感器)的更簡單的架構(gòu)沒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，每個像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲塊。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。
