256光电管阵列四象限CMOS光电传感器研究

摘要

基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪,搜索装置,精密测量,如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等领域.传统的硅象限传感器主要采用四象限,八象限的结构,采用焊接的方式将分别制造的感光象限和电路结合在一起,不能实现感光象限与信号处理电路的单芯片集成,难以实现器件的微型化和系统优化;同时,传统象限传感器的感光象限单元数量较少,获取的目标信息有限,难以实现对目标的坐标位置获取、形状识别等功能.该文的第一章主要介绍了图象传感器和象限传感器的发展,特点和比较.其中对传统的马赛克结构图象传感器和新出现的Fovea X3结构的图象传感器结构,CMOS传感器和CCD传感器的比较都进行了详细的介绍.第二章主要介绍传感器的各种感光单元结构,包括无源感光单元和有源感光单元的结构,并且对传感器中的各种噪声进行了分析.第三章主要介绍了该设计中的256光电管阵列四象限光电传感器感光单元模型建立,各个模块的电路设计和仿真,同时也对电路的具体工作原理和方式进行了详细的介绍.第四章介绍了该设计中传感器的版图设计以及各种不同传感单元结构在器件物理结构上的优化设计.第五章主要介绍了通过数字电路设计方法(Verilog语言描述,Synopsys软件综合,Cadence SE自动布局布线)进行数字控制电路设计的方法以及传感器感光动态范围调整的设计考虑.第六章介绍了传感器的测试方法和测试结果以及对测试结果的分析,提出在新的设计中应该注意的问题.第七章对整个设计工作进行了总结,并提出了下一步的设计工作中可以进一步发展深入的方向.

目录

文摘

英文文摘

第一章图象传感器和象限传感器的发展与现状

1.1 CMOS图象传感器的发展

1.2 CMOS图象传感器

1.2.1 CMOS图象传感器分类

1.2.2图象芯片与更小线宽的工艺结合及SOC的发展方向

1.2.3彩色图象传感的实现

1.3象限传感器的发展

1.4图象传感器与象限传感器的异同

第二章传感器感光单元的研究与进展

2.1传感阵列单元中感光单元的形式

2.1.1无源象素单元

2.1.2有源象素结构

第三章象限阵列传感器的电路设计

3.1象限传感器的系统结构

3.2象限阵列传感器的电路结构和工作原理

3.2.1感光阵列单元的电路与工作原理

3.3象限阵列传感器中电路的设计

3.3.1象限感光阵列

3.3.2光电二极管

3.3.3阵列单元内部的读出放大电路

3.3.4相关二次采样(CDS)校正电路

3.3.5偏置电流源

3.3.6对CMOS开关的讨论

3.3.7对电路中电容的估计

3.3.8读出电路参数设计

3.3.9对阵列单元中的NMOS管衬底接源和接地的讨论

3.3.10对于实际电流源的分析

3.4对阵列单元和采样保持电路的模拟

3.4.1在一定的光电流下对系统工作过程中采样保持电路的输出信号的模拟

3.4.2对复位信号上跳变过程中，输出信号变化情况的模拟

3.4.3对开关漏电情况进行模拟

3.4.4对采样保持电容CS，CR充放电的考虑

3.5运算放大器的设计

3.5.1差分输入，AB类输出的两级运放

3.5.2 Fold Cascode结构

3.5.3扩大输出摆幅的Fold cascode运算放大器

3.5.4实现了Rail to Rail的运算放大器设计

第四章版图设计与感光单元器件结构优化

4.1阵列式象限传感器的版图设计的考虑

4.2传感器系统中感光单元阵列的版图设计

4.3采样保持电路中版图的设计考虑

4.4恒流源的版图设计考虑

4.5运算放大器中版图设计的考虑

4.6比较器版图的设计

4.7模拟部分的电源和地在版图设计中的考虑

4.8串扰以及在Mixed-Signal电路版图和布线中对噪声去除的方法

4.8.1串扰

4.8.2在Mixed-Signal电路版图和布线中对噪声去除的方法

4.9感光单元的器件物理结构优化设计

4.10使用Cadence软件完成版图的绘制和验证

第五章数字控制与动态范围调整电路的设计

5.1数字控制部分的实现

5.1.1使用EDA方法设计数字电路的主要流程

5.1.2时序的确定及Verilog的实现

5.2自动布局布线的实现

5.2.1文件准备

5.2.2 SE的准备工作

5.2.3导入文件

5.2.4 SE自动布局布线

5.2.5从SE中导出gds2文件

5.2.6对自动布局布线的一些考虑

5.3动态范围自动调整电路的设计与实现

第六章测试与分析

6.1在设计中的可测性考虑

6.2芯片的封装

6.2.1芯片制造完成后影响芯片性能的因素以及防止措施

6.2.2本设计中封装的实现

6.3暗光测试

6.4第一阶段的有光测试及动态范围调整测试

6.4.1对光电传感单元工作情况的判断性测试

6.4.2在确定光照下对光电传感单元工作情况的测试

6.4.3动态范围调整

6.5第二阶段的有光测试与全芯片测试

6.5.1暗电流的测试与讨论

6.5.2有光照情况下的测试

6.5.3数字部分耦合到模拟部分的噪声测试

6.5.4芯片整体工作的输出测试

6.5.5关于芯片的传感输出噪声问题的讨论

6.5.6传感器芯片对一光点的传感输出及信号处理

6.5.7传感器动态范围调整的测试

6.6对进行器件结构优化的感光单元的测试

6.6.1网格状光电二极管结构光电传感器的结构与测试

6.6.2不同结深光电管结构的光电传感器单元测试

第七章论文总结与展望

7.1论文总结

7.1.1 256光电管单元阵列四象限CMOS光电传感器研究总结

7.1.2有源感光单元器件物理结构优化研究总结

7.2对今后工作的建议与展望

参考文献

感谢

文章发表情况