1、绪论,1、图像传感器的主要功能： 把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信号，转换为按时序串行输出的视频信号。,2、图像传感器的主要操作： 光电转换：把一定时间内的光强信号转换为电信号； 扫描读出：把各个像元的电信号扫描读出，获得视频信号。,3、固体图像传感器的主要分类： 电荷耦合器件（CCD）； MOS图像传感器，即自扫描光电二极管列阵（SSPA）； 电荷耦合光电二极管列阵（CCPD）； 电荷注入器件（CID）。,4、固体图像传感器的主要优点： 固体化：全固态器件，耐冲击，可靠性高； 集成化：集成电路工艺制作，体积小，功耗低； 高性能：灵敏度高、分辨率高、工作频率高（高速）。,CMOS 图像
2、传感器简介,图像传感器分类,第一章 自扫描光电二极管列阵（SSPA）,1.1 SSPA线列阵1.1.1 线列阵原理1.1.2 扫描驱动电路1.1.3 光电二极管工作方式1.1.4 开关噪声及补偿方法1.1.5 多相时钟线列阵,1.2 SSPA面列阵1.2.1 再充电采样型面阵1.2.2 电压采样型面阵 1.3 特殊列阵1.3.1 环形列阵1.3.2 光栅位移传感器1.3.3 X射线探测列阵,1.1.1 SSPA线列阵原理,1、SSPA线阵电路框图,1.1.1 SSPA线列阵原理,2、扫描电路,移位寄存器： 每2个时钟周期，o/p1端的信号传递到o/p2端； 信号依次移位，先进先出； 结构简单，
3、容易扩展。,1.1.1 SSPA线列阵原理,2、扫描电路,解码器： n位二进制输入； 2n个扫描输出； 可以随机编码； 结构复杂，不易扩展。,1.1.1 SSPA线列阵原理,选通开关,光电二极管,e1,e2,e3,输出,电源,3、简单线阵SSPA电路,1.1.2 扫描驱动电路,n,源(S) 栅(G) 漏(D),体(B),n,源(S) 栅(G) 漏(D),体(B),p沟,- - - - -,（a）零栅压,（b）负栅压,负栅压（大于阈值）导通； 零栅压或正栅压截止。,IDS,IDS,4、PMOS场效应管,1.1.2 扫描驱动电路,4、普通移位寄存器,a,b,T2,T1,T4,T3,Cg,1,e1,
4、COM,S,2,1,c,d,T6,T5,T8,T7,Cg,Cg,2,e2,N-1,eN-1,N,eN,负载管（T2&T4）：低电平导通，导通时相当于电阻，在对应时钟脉冲为低电平时激活该单元； 反向器（T1&T3）：低电平导通，信号反向（双反=不反），将本单元输入电平信号传递到下一单元； 栅电容（Cg&Cg）：本单元激活时充电，本单元不激活时保持电平。,3、普通移位寄存器工作原理（1）,S,1,2,a,b,(e1),c,d,(e2),t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,3、普通移位寄存器工作原理（2）,S,1,2,a,b,(e1),c,d,(e2)
5、,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,3、普通移位寄存器工作原理（3）,S,1,2,a,b,(e1),c,d,(e2),t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,3、普通移位寄存器工作原理（4）,S,1,2,a,b,(e1),c,d,(e2),t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,1.1.2 扫描驱动电路,4、工作波形,EOS,S,1,2,a,b,(e1),c,d,(e2),Vo,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,1.1.2 扫描驱动电路,4、一种低功耗动态移位寄存器,2,1,1,2,T2,T1,T4,T
6、3,CV,e1,COM,S,2,1,T6,T5,e2,RL,Vo,N1,1.1.2 扫描驱动电路,5、简化电路分析,6、工作波形（1）,S,1,2,VN1,e2,e1,6、工作波形（2）,S,1,2,VN1,e2,e1,6、工作波形（2）,S,1,2,VN1,e2,e1,1.1.2 扫描驱动电路,6、工作波形,S,1,2,VN1,e2,Vo,e1,1.1.2 扫描驱动电路,7、电容自举移位寄存器的优点,互补驱动电路：T5和T6不同时导通； 移位信号到才开始工作：整个移位寄存器消耗的功率仅等于一位寄存器消耗的功率； 功耗极低：0.5mW； CMOS电路性能更好。,1.1.2 扫描驱动电路,8、C
7、MOS移位寄存器,传输门+反向器,1.1.2 扫描驱动电路,9、仿真电路,传输门,反相器,1.1.2 扫描驱动电路,9、仿真结果,1.1.3 光电二极管工作方式,1、连续工作方式,IL,RL,Vo,VB,光电流很小； 布线很困难。,注意：,2、电荷存储工作方式,1,CV,RL,V,Vo,e1,Cd,D1,T1,IL,RL,V,Vo,e1,Cd,ID,3、定量分析,注：二极管两端的电压与光强P和积分时间Ts的乘积成比例。,3、连续工作方式与电荷存储方式的比较,IL,RL,Vo,VB,1,CV,RL,V,Vo,e1,Cd,D1,T1,光电流增益很大； 布线容易； 视频输出线电容影响大。,1.1.3
8、 开关噪声及补偿方法,1、开关噪声,1,2,e1,+5V,e2,RL,Vo,N,e2,开关 噪声,光信号,1.1.3 开关噪声及补偿方法,2、补偿方式（1）：补偿列阵,e1,e2,RL,VN,e2,1,2,COM,RL,Vo,N,RS,RS,R,Rf,Vout,T,T,噪声,信号,补偿 列阵,光电 列阵,移 位 寄 存 器,1.1.3 开关噪声及补偿方法,2、补偿方式（2）：邻近位相关法,e1,e2,e3,0,1,COM,VO,Vout,T,信号,移 位 寄 存 器,2,VN,3,噪声,电源,1.1.4 多相时钟线列阵,1、四相时钟线列阵,VO奇,移 位 寄 存 器,1,CV,COM,RL,3
9、,N-1,VO偶,CV,RL,2,N,4,移 位 寄 存 器,1.1.4 多相时钟线列阵,2、工作波形,1.1.4 多相时钟线列阵,3、工作方式,两组互补的时钟相位错开1/4周期，得到的奇数位信号和偶数位信号正好错开半位，两路视频信号合在一起，可得到连续按时序分布的串行视频信号； 把奇偶两组移位寄存器的时钟和S信号合用一组相同的信号，则得到两路奇偶视频信号分开的并行输出信号，分别并行读出，工作频率提高一倍。 两组时钟相同，但第二组（偶数）的起始信号S2由第一组移位寄存器的EOS输出信号加适当驱动后代替，同时第一组的起始脉冲信号S1的周期加长一倍以上，可得到奇数位视频信号在前，偶数位视频信号在后
10、，分组串行输出的视频信号。该方法可简化外部时钟驱动电路。,1.1.4 多相时钟线列阵,4、八相时钟线阵,优点： 提高象元中心间距；提高信号输出频率；早期有应用，目前不需要。,缺点：增大驱动电路面积；增加相位匹配困难；增加固定模式噪声；,构成：在四相时钟线阵基础上，在上下两个移位寄存器输出上分别增加两相时钟控制。,1.2 SSPA面列阵 1.2.1 再充电采样型面列阵,水平（X）扫描电路,列线,行线,11,12,13,14,21,22,23,24,31,32,33,34,单元电路,栅,漏,垂直（Y）扫描电路,1.2 SSPA面列阵 1.2.1 再充电采样型面列阵,行回扫,采样时间,场回扫,行采样
11、周期,1.2.2 电压采样型面列阵,1、电路结构,1.2.2 电压采样型面列阵,2、电路分析,（a）单元电路,（b）预充电,（c）放大读出,特点： 有源极跟随放大，视频输出电压大； 视频信号为箱形波，AD转换方便； 低光照时高电压，高光照时低电压； 尖峰噪声叠加在箱形波上，影响较大。,复位开关,源极跟随,选通开关,1.2.2 电压采样型面列阵,3、工作波形,亮区,暗区,亮区,亮区,暗区,亮区,1.2.2 电压采样型面列阵,4、噪声消除方法,低噪声扫描电路； 去耦合 MOSFET； 积分电路。,1.3 特殊列阵 1.3.1 环形列阵,（a）等效电路,（b）几何尺寸,（c）工作波形,1.3.2 粗光栅位移传感器列阵,（a）列阵结构,（b）工作波形,S,1,2,Vo,1.3.3 x射线探测器列阵,（a）x射线探测器结构,（b）工作波形,1.3.3 红外探测器读出电路,（a）红外探测器结构,（b）读出电路,（c）单元电路,栅,漏,热释电 单元,轻松一下,移位寄存器告诉我们一个道理：一步领先，步步领先。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山，这里我就是这只猿，多么希望能够唤醒你们，跟随课程，直下江陵。,
