读出电路噪声分析

读出电路噪声分析

前言

噪声是制约红外读出电路性能的主要因素之一，它限制了探测器对微小电流的识别能力。读出电路主要是由MOS 管和与MOS 工艺兼容的电容组成的，电容和MOS 管都会产生噪声，其中电容的噪声是因为制造不均匀所产生空间阵列噪声，而MOS 管的噪声是由于其固有特性引起的，并且是读出电路中主要的噪声源。

读出电路的噪声按产生机制来说主要分为三大类：一是器件固有的噪声如热噪声和1/f 噪声以及散粒噪声；二是由电路结构和工作方式引起的噪声，如KTC 噪声和衬底噪声；三是制造误差引起的空间噪声，如固定图形噪声。为了了解噪声的特性，需要对各种噪声的产生原因进行分析。

1/f 噪声

1/f 噪声又叫闪烁噪声，是MOS 管的一种固有噪声。噪声的产生原因是MOS 管是表面型器件，衬底和二氧化硅的接触面存在界面态和缺陷，由于这些界面态和缺陷能俘获载流子，使得表面电荷产生起伏，从而在栅极产生噪声电压。1/f 噪声可以用串联在栅极的电压源来模拟，近似的噪声电压可以表示为：

f WL C K ox 1V 2n •=

其中K 是与工艺有关的参数，C ox 是单位面积氧化层电容，W 和L 是MOS 管宽度和有效长度，f 是频率。 由上式可以知道1/f 噪声与f 成反比，故这种噪声在低频时比较突出，主要表现在20kHZ 以下，所以1/f 噪声也称为低频噪声。从噪声电压与WL 的反比关系可以看出，要减少 1 f 噪声的方法就是必须增加器件面积。PMOS 晶体管输送空穴是在“埋沟”中，也就是在距氧化物和硅界面有一定距离的地方，另一方面在CMOS 电路中PMOS 管的宽长比一般比NMOS 大，在采用工艺最短沟道长度时，面积比NMOS 管大，故 PMOS 晶体管的 1/f 噪声比 NMOS 晶体管的低，所以，用 PMOS 晶体管来代替 NMOS 晶体管能降低电路的 1/ f 噪声。

固定图形噪声（FPN ）

由于半导体材料和制造工艺等原因，读出电路每个像素单元 不可能完全一样而会出现偏差，所以当输入相同的探测信号时，读出的结果也会不一致，称这种阵列电路所特有的空间噪声为固定图形噪声（Fixed Pattern Noise ）。

一般来说，材料和制造工艺给像素电路带来的偏差表现为相同MOS 管尺寸的不一致以及相同尺寸MOS 管阈值电压的不同。前者的偏差对于目前的高精度集成电路加工工艺来说，一般都比较小，其对噪声的影响也不大。但是阈值电压的偏差对于模拟电路性能的影响是比较严重的，尤其对于象红外焦平面阵列读出电路这样的微弱模拟信号处理电路来说更是如

此。这是因为MOS 管阈值电压的偏差可以1:1的转化为V gs 的偏差，而V gs 又直接影响着MOS 管的漏电流。在实际工作中，由阈值电压偏差引入的空间噪声比由入射辐射所输出的信号要大数百倍甚至更大。这种因阵列的非均匀性引入的空间噪声严重影响了焦平面阵列输出信号的动态范围，成为制约红外焦平面阵列提高性能的主要瓶颈之一。

KTC 噪声

读出电路的另一种主要噪声就是KTC 噪声，它是由MOS 管和电容共同引起的。在读出电路中，积分电容要通过复位管周期性的复位，当复位管导通时，其沟道电阻会产生热噪声，其效果会传输到电容上去，从而形成了KTC 噪声。其噪声等效模型如图1所示：

图1 KTC 噪声等效模型

图中，V R 是复位管沟道电阻热噪声电压，R 为MOS 管沟道电阻，C 为积分电容，可以得出从V R 到V out 的传输函数为

()sRC s +=11

V V R out

根据噪声传输原理，输出端噪声平方电压为

14114)()()(22222

++==f C R KTR j V V f S f S n out n out πω 输出总的噪声功率表为：

⎰∞-=∞=+=012222,0tan 2414C

KT C KT df f C R KTR

P out n μππ 由上式可以看出，KTC 噪声的大小与积分电容的大小成反比，因此增大积分电容可以减小KTC 噪声电压。但积分电容增大又会增大电路的容性阻抗，使电路的充放电时间增加，从而降低了电路速度。同时需要指出的是，KTC 噪声本质上是一种热噪声，是MOS 管沟道载流子随机运动产生的电压波动产生的，所以温度越高，KTC 噪声越大。

散粒噪声

散粒噪声是和二极管或双极晶体管的电流波动联系在一起的。当载流子经过一个耗尽区时产生的电流波动便产生了噪声。MOS 管工作在亚阈值区时，也存在因此，必须要有电流和势垒来产生散粒噪声。散粒噪声也建模为WGN （广义的高斯噪声），因为它具有0均值，且具有非常宽的平带谱密度。如下图所示，散粒噪声通常由与直流电流i 并联的一个电流源

I(t)来表示，其谱密度正比于直流电流i 。

f qi f S I ∀=，)(

脉冲开关噪声

读出电路有很多MOS 开关，如行选管，复位管，以及列选管等。当这些开关开启和闭合时，会通过栅源或栅漏交叠电容将脉冲电平耦合到采样电容上。如图2所示

图2 电荷注入效应

当CK 为高电平时，NMOS 开关沟道会形成电子反型层，当开关闭合时，漏极电荷会被V in 吸收，而源极电荷会叠加到电容C H 上，在电容上形成一个高电平或者低电平跳变，从而引入了噪声。

减小这种噪声的方法主要是采用互补开关管如图3所示，其原理是电子和空穴相互抵消，减小了电荷注入效应。

图3 互补开关示意图

主要噪声所占比例（参考）

各种噪声在读出电路中占的比例是不同的，在不同频率，占主导的噪声类型也会不同，并且不同结构的读出电路，各种噪声的影响也会不同。因此文献中一般只研究主要噪声的原理和抑制方法，很少会研究不同噪声的比重。文献1通过频谱分析发现，开关脉冲噪声主要i I(t)

图4.6 散粒噪声模型