CCD图像传感器读出电路研究与设计
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5) 基于 UMC 0.18μm CMOS 工艺，设计仿真了用于 CCD 图像传感器的读出 电路，电源电压 3.3V，读出频率为 2MHz，最大输出信号为 1V。仿真结
I
摘要
果表明，读出电路信号放大倍数为 5 倍。精度在 0.4mV 之内，对于 1V 的满幅信号，精度满足 10 位以上。 关键词：CCD 读出电路，复位噪声，运算放大器，相关双采样
3) The operational amplifiers for each module of the readout circuit are designed, which cover the common Op-amp for isolation and Op-amp with output stage for driving low resistance. The noise and offset voltage are also computed, by optimization of the parameter, noise and offset can be heavily reduced. The
1) 系统阐述和分析了 CCD 器件结构及其产生的噪声，侧重对于在噪声中占 主要成分的输出复位噪声进行了研究，推导了复位噪声随时间变化的表 达式，分析了复位噪声的相关性并计算了相关系数。基于复位噪声的相 关性，采用相关双采样电路降低复位噪声。
2) 基于前置放大器结构，分析了影响前置放大器精度和速度的因素，如运 放有限增益，有限带宽，噪声和失调电压等。通过分析，推导了用于读 出电路的运算放大器的指标。同时基于 2MHz 读出频率和相关双采样抑 制噪声的要求，确定了低通滤波器的-3dB 带宽。
II
ABSTRACT
ABSTRACT
The readout circuit of CCD image sensor is the interface of CCD device and the following DSP circuits. The function of readout circuit is to amplify the low signal and reject the noise. And the accuracy of the all CCD system is determined by the performance of the readout circuit. With the speed becoming faster and the spots becoming more, the circuit need to operate faster, less noisy, and have more dynamic range and more functions integrated.
第二章 CCD器件结构及工作原理 ............................................................................. 6
2.1 CCD器件的工作原理 ............................................................................................. 6
1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2
1.3 论文内容与架构 ..................................................................................................... 5
2) Based on the configuration of pre-amplifer, the paper reseach all the factors which influence accuracy and speed, such as the limited gain and gain bandwidth of Op-amp, the noise and the offset voltage, from which, the guideline of the Op-amp are caculated. The -3dB bandwidth is also determined, which lies on the 2MHz readout frequency and the requirement of noise rejection for CDS circuit.
III
ABSTRACT
simulation result shows that the gain of the Op-amp is 78dB, the UBW is 30MHz, and the phase margin is 58˚, which satisfies the demand of system. 4) The system transfer function of CDS is deduced. Two CDS circuits are designed, the charge injection error is investigated for them. The analysis and simulation results indicate that the latter one can make the error much less, which meets 10 bit accuracy. 5) Based on UMC 0.18μm CMOS process, a CCD prototype readout circuit is designed with power supply 3.3V and readout frequency 2MHz. The simulation results show that gain is 5 with the largest swing 1V, the precision is within 0.4mV, which means more than 10 bit. Keywords: CCD Readout Circuit, Reset noise, Operational Amplifier, Correlated
This thesis studies the CCD readout circuit integrated on single chip. The sub-module includes pre-amplifier, lowpass filter and the correlated double sampling circuit. On the design, the theoretical models and corresponding circuit implement are discussed for the sub-module, which focus on precision, speed and noise. Finally, a 2MHz readout frequency and 10 more bit accuracy read circuit for CCD image sensor is designed based on UMC 0.18μm CMOS process. The details include:
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
导师签名：
日期： 年 月 日
摘要
摘要
CCD 图像传感器读出电路是 CCD 器件与后续数字信号处理电路之间的接口， 其作用是放大 CCD 器件输出的微弱信号，并滤除各种噪声。读出电路的性能决 定了整个 CCD 系统的精度。随着 CCD 器件速度和象元数的不断提高，要求读出 电路具有更高的速度、更低的噪声、更大的动态范围以及更多功能的单片集成。
1) The structrure and noise of CCD device circuits are discussed, and it emphasizes the reset noise which may be main noise source. The expression of the reset noise is caculated, and the relativity of reset noise is analysed, with the relativity coefficient deduced. Correlated double sampling circuit(CDS) is adoped to reduce the reset noise due to the relativity.
3) 设计了用于 CCD 读出电路各个模块的运算放大器，包括可驱动低阻抗的 带输出级的运放和用于缓冲隔离的普通运放。运放设计过程中还分析和 推导了噪声和失调电压，通过优化参数将噪声和失调电压降至最低。仿 真结果，运放增益 78dB，单位增益带宽 30MHz，相位裕度 58˚，满足系 统设计的要求。
4) 推导了相关双采样的系统函数。设计了两种相关双采样电路，分析了相 关双采样电路中的电荷注入等误差，通过分析和仿真结果表明，第二种 相关双采样电路能够将误差降至最低，满足系统 10 位精度要求。
答辩委员会主席
评阅人
2009 年 月 日
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下wenku.baidu.com行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
分类号 UDC 注1
密级
学位论文
CCD 图像传感器读出电路研究与设计
（题名和副题名）
罗彦
（作者姓名）
指导教师姓名
李竞春
副教授
电子科技大学
成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）
申请专业学位级别 硕士 专业名称 微电子学与固体电子学
论文提交日期 2009.4
学位授予单位和日期
论文答辩日期 2009.5 电子科技大学
Double Sampling
IV
目录
目录
第一章 引言 .................................................................................................................. 1
1.1 研究意义 ................................................................................................................. 1
签名：
日期：
年月日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，
允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全
部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描
等复制手段保存、汇编学位论文。
本文研究了单片集成的 CCD 读出电路，设计了前置放大器、低通滤波器和 相关双采样三个子模块电路。设计过程中主要从精度、速度和噪声三方面探讨了 各个子模块的理论模型和相应的电路实现途径，同时基于 UMC 0.18μm CMOS 工 艺设计了读出频率为 2MHz，精度在 10 位以上的 CCD 图像传感器读出电路。主 要内容包括以下几方面：
I
摘要
果表明，读出电路信号放大倍数为 5 倍。精度在 0.4mV 之内，对于 1V 的满幅信号，精度满足 10 位以上。 关键词：CCD 读出电路，复位噪声，运算放大器，相关双采样
3) The operational amplifiers for each module of the readout circuit are designed, which cover the common Op-amp for isolation and Op-amp with output stage for driving low resistance. The noise and offset voltage are also computed, by optimization of the parameter, noise and offset can be heavily reduced. The
1) 系统阐述和分析了 CCD 器件结构及其产生的噪声，侧重对于在噪声中占 主要成分的输出复位噪声进行了研究，推导了复位噪声随时间变化的表 达式，分析了复位噪声的相关性并计算了相关系数。基于复位噪声的相 关性，采用相关双采样电路降低复位噪声。
2) 基于前置放大器结构，分析了影响前置放大器精度和速度的因素，如运 放有限增益，有限带宽，噪声和失调电压等。通过分析，推导了用于读 出电路的运算放大器的指标。同时基于 2MHz 读出频率和相关双采样抑 制噪声的要求，确定了低通滤波器的-3dB 带宽。
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ABSTRACT
ABSTRACT
The readout circuit of CCD image sensor is the interface of CCD device and the following DSP circuits. The function of readout circuit is to amplify the low signal and reject the noise. And the accuracy of the all CCD system is determined by the performance of the readout circuit. With the speed becoming faster and the spots becoming more, the circuit need to operate faster, less noisy, and have more dynamic range and more functions integrated.
第二章 CCD器件结构及工作原理 ............................................................................. 6
2.1 CCD器件的工作原理 ............................................................................................. 6
1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2
1.3 论文内容与架构 ..................................................................................................... 5
2) Based on the configuration of pre-amplifer, the paper reseach all the factors which influence accuracy and speed, such as the limited gain and gain bandwidth of Op-amp, the noise and the offset voltage, from which, the guideline of the Op-amp are caculated. The -3dB bandwidth is also determined, which lies on the 2MHz readout frequency and the requirement of noise rejection for CDS circuit.
III
ABSTRACT
simulation result shows that the gain of the Op-amp is 78dB, the UBW is 30MHz, and the phase margin is 58˚, which satisfies the demand of system. 4) The system transfer function of CDS is deduced. Two CDS circuits are designed, the charge injection error is investigated for them. The analysis and simulation results indicate that the latter one can make the error much less, which meets 10 bit accuracy. 5) Based on UMC 0.18μm CMOS process, a CCD prototype readout circuit is designed with power supply 3.3V and readout frequency 2MHz. The simulation results show that gain is 5 with the largest swing 1V, the precision is within 0.4mV, which means more than 10 bit. Keywords: CCD Readout Circuit, Reset noise, Operational Amplifier, Correlated
This thesis studies the CCD readout circuit integrated on single chip. The sub-module includes pre-amplifier, lowpass filter and the correlated double sampling circuit. On the design, the theoretical models and corresponding circuit implement are discussed for the sub-module, which focus on precision, speed and noise. Finally, a 2MHz readout frequency and 10 more bit accuracy read circuit for CCD image sensor is designed based on UMC 0.18μm CMOS process. The details include:
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
导师签名：
日期： 年 月 日
摘要
摘要
CCD 图像传感器读出电路是 CCD 器件与后续数字信号处理电路之间的接口， 其作用是放大 CCD 器件输出的微弱信号，并滤除各种噪声。读出电路的性能决 定了整个 CCD 系统的精度。随着 CCD 器件速度和象元数的不断提高，要求读出 电路具有更高的速度、更低的噪声、更大的动态范围以及更多功能的单片集成。
1) The structrure and noise of CCD device circuits are discussed, and it emphasizes the reset noise which may be main noise source. The expression of the reset noise is caculated, and the relativity of reset noise is analysed, with the relativity coefficient deduced. Correlated double sampling circuit(CDS) is adoped to reduce the reset noise due to the relativity.
3) 设计了用于 CCD 读出电路各个模块的运算放大器，包括可驱动低阻抗的 带输出级的运放和用于缓冲隔离的普通运放。运放设计过程中还分析和 推导了噪声和失调电压，通过优化参数将噪声和失调电压降至最低。仿 真结果，运放增益 78dB，单位增益带宽 30MHz，相位裕度 58˚，满足系 统设计的要求。
4) 推导了相关双采样的系统函数。设计了两种相关双采样电路，分析了相 关双采样电路中的电荷注入等误差，通过分析和仿真结果表明，第二种 相关双采样电路能够将误差降至最低，满足系统 10 位精度要求。
答辩委员会主席
评阅人
2009 年 月 日
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下wenku.baidu.com行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
分类号 UDC 注1
密级
学位论文
CCD 图像传感器读出电路研究与设计
（题名和副题名）
罗彦
（作者姓名）
指导教师姓名
李竞春
副教授
电子科技大学
成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）
申请专业学位级别 硕士 专业名称 微电子学与固体电子学
论文提交日期 2009.4
学位授予单位和日期
论文答辩日期 2009.5 电子科技大学
Double Sampling
IV
目录
目录
第一章 引言 .................................................................................................................. 1
1.1 研究意义 ................................................................................................................. 1
签名：
日期：
年月日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，
允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全
部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描
等复制手段保存、汇编学位论文。
本文研究了单片集成的 CCD 读出电路，设计了前置放大器、低通滤波器和 相关双采样三个子模块电路。设计过程中主要从精度、速度和噪声三方面探讨了 各个子模块的理论模型和相应的电路实现途径，同时基于 UMC 0.18μm CMOS 工 艺设计了读出频率为 2MHz，精度在 10 位以上的 CCD 图像传感器读出电路。主 要内容包括以下几方面：