CMOS X射线图像传感器降噪技术的研究

摘要

X射线图像传感器广泛应用于医学成像、空间探测、无损探伤等领域。基于CMOS的射线图像传感器有低功耗、低成本、集成度高等优点，其市场应用前景广泛。
　　本文分析像素工作过程引入的噪声，根据噪声性质给出降噪方案，并用PSPICE软件对降噪方案进行仿真与分析。研究重点包括：采用漏极过零和双斜积分的复位方式抑制图像拖尾和图像光晕；采用衬底参杂新结构抑制像素串扰；采用双栅结构的复位管抑制沟道回溅噪声；三种暗电流调零电路：暗电流拷贝调零、V/I转换调零与暗电流积分调零电路的仿真与分析；读出放大电路失调电压校正电路、传统相关双采样电路（CDS电路）与单通路相关双采样电路的仿真与分析；改进的按位比较模数转换器（ADC）与二分逐次逼近ADC的仿真与分析。
　　仿真结果表明，漏极过零和双斜积分结合的复位方式能有效地抑制图像拖尾和图像光晕，提高系统动态范围。采用暗电流调零电路能减小像素内部暗电流，提高成像质量。具有浓度梯度的衬底结构能增大电荷收集效率，抑制像素串扰。采用双栅结构的传输管能提高电荷转移效率，减小沟道回溅噪声。单通道CDS在抑制固定模式噪声（FPN）的同时引入最小噪声。
　　本文的创新之处体现在以下几个方面：
　　(1)最佳带宽的确定：根据源跟随器电路特点，调节影响SNR的参数，使系统工作于最佳带宽。
　　(2)新型像素复位电路：该电路弥补现有复位电路的不足。
　　(3)像素串扰的抑制：外延层参杂形成的浓度梯度，诱导电荷进入指定区域。
　　(4)ADC的设计：改进的ADC，转换位数增加一位，所需的转换时间几乎不变。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2X射线探测器及性能对比

1.3半导体X探测器结构

1.4 CMOS X射线图像传感器的研究现状

1.5系统探测器结构

1.6课题研究的意义与内容

第二章CMOS X射线图像传感器的噪声分析

2.1半导体光电效应

2.2光电二极管的工作方式

2.3图像传感器基本噪声

2.4 MOS管噪声

2.5 MOS管工作区域

2.6 光电二极管噪声模型

2.7 本章小结

第三章4-T像元工作过程的噪声分析及仿真

3.1 复位阶段的分析与抑制

3.2 感光阶段的分析与抑制

3.3 电荷转移阶段的分析与抑制

3.4 读出阶段分析

3.5 本章小结

第四章 图像传感器噪声抑制技术

4.1热电制冷降噪技术

4.2 最佳带宽

4.3 暗电流调零电路

4.4 列FPN的抑制

4.5 相关双采样(CDS)电路的仿真

4.6 图像传感器用ADC

4.7 本章小结

第五章 总结

5.1 工作总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

附录