3 噪声分析

　　CMOS读出电路中包括光探测器、MOS管和电容3种元件。光探测器和MOS管是读出电路的主要噪声源，这些噪声包括：一方面光探测器和MOS管的固有噪声；另一方面由读出电路结构和工作方式引起的噪声。

　　3.1光探测器噪声

　　复位噪声是由复位管引入的一种随机噪声。当像素进行复位时，复位管处于饱和区或亚阈值区，具体状态取决于光电二极管的电压值。复位管导通时可以等效为一个电阻，而电阻存在的热噪声将引入到复位信号形成复位噪声。其大小与二极管的电容有关，复位噪声电压为

　　光电流散粒噪声与照度有关，很难消除。与暗电流有关的散粒噪声可以通过改变掺杂浓度减小暗电流，但这会降低量子效率。在本电路中，In=100fA，Is=20pA，Tint=20μs，Cint=2fF，则Vdarkn=0.28mV，Vsn=4mV。

　　3.2 读出电路噪声

        闪烁噪声也称为1/f噪声。在半导体材料中，晶体缺陷和杂质的存在会产生陷阱，陷阱随机捕获或释放载流子形成闪烁噪声。在读出电路中，CTIA放大器是闪烁噪声的主要来源。

　　CTIA读出噪声与输入端电容Cin=Cpd、反馈电容Cfb，以及负载电容CL的设计均有关，其小信号噪声模型如图4所示。

　　在本电路中，Cfb=2fF，Cpd=1.3pF，CL=1pf，α=1.5，T=300K，则Vn=2mV。

　　3.3 固定模式噪声（FPN）

       之所以称为固定模式噪声，是因为这种噪声产生的影响不随时间的变化而变化，即表现在每帧图像上的误差是一致的。像素的固定模式噪声可以通过读出电路中的相关双采样电路进行消除。通过以上分析，在本电路中，噪声的主要来源在于光探测器的散粒噪声和CTIA放大器的闪烁噪声，输出总噪声为6。

　　噪声电压为

　　其中：Av为输出跟随放大器增益0.7。

　　根据公式，理论计算噪声电压Vn=3.1mV，实际电路的噪声水平会比理论值大2倍左右。

　　4 仿真与测试结果

　　4.1电路版图和仿真结果

　　本文所设计的电路采用CSMC公司0.5μmCMOS工艺模型，对电路进行Spectre仿真、版图设计和流片。

　　表1是对探测器进行的参数设置，主要依据的是相应材料制作的探测器对应测试得到的等效电阻值和等效电容值以及探测器流过的光生电流来确定的，其中Vref是外加在放大器正相端的电压值。

        表1 仿真时单元电路参数取值

图5 CTIA输出的仿真波形

　　从图5可看出，当信号电流为20pA时，电路输出差分电压为90mV，根据噪声电压的估算值，最小信号的信噪比SNR=15。

　　 4.2 测试结果

　　采用CSMC公司的0.5μm标准CMOS工艺库对电路进行流片，表2为仿真结果和实际测试结果比较（Cf=20fF，C1=150fF，C2=18fF信号输入20~300pA，积分时间20μs）。

        表2 仿真结果和实际测试结果比较

　　从表2可以看出，实测结果略小于仿真结果，当光信号为20pA时，测得电路噪声电压为8mV，则SNR=10.8。