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CMOS图像传感器因其低成本、低功耗和良好的抗干扰性能,被广泛地应用于各种领域,特别在空间探测、遥感成像以及星敏感器等空间应用领域具有极其重要的研究价值。作为图像传感器中关键的一环,读出电路对太空环境中的辐射效应非常敏感。作为太空辐射效应之一,单粒子效应对读出电路中的数字部分和模拟部分都有影响。单粒子效应在数字电路中主要表现形式是单粒子翻转,在模拟电路中不仅会在浮空节点引入失恒的电荷还会使模拟信号发生瞬态扰动,从而影响读出结果。本文主要研究CMOS图像传感器读出电路中的单粒子效应。本文首先研究了单粒子效应对CMOS图像传感器读出电路的影响,并利用TCAD-SPICE混合仿真校准了双指数脉冲电流源模型参数,然后基于双指数脉冲电流源详细地研究了单粒子效应对数字可编程增益放大器和逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)中敏感节点的影响。对于可编程增益放大器,采用双路径加固的方法能有效降低单粒子在运放输入端浮空节点的影响。针对SAR ADC,设计了一种带有复位功能和置位功能的D触发器,该触发器不仅可以抗单粒子翻转还能有效抵抗所有输入端的单粒子瞬态。此外,提出了一种基于衬底电流传感器(bulk built-in current sensors,BBICS)的系统级加固策略以减轻单粒子对SAR ADC模拟开关的影响,根据错误发生的机制,一系列D触发器和BBICS形成反馈控制电路用来判断单粒子是否对SAR ADC有影响,通过屏蔽掉SAR控制逻辑的触发信号时钟沿,SAR逻辑控制将不会采取错误的比较结果,从而避免了单粒子瞬态造成的故障传播到后续的转换步骤。本文基于0.13μm CMOS工艺设计了CMOS图像传感器的抗辐射读出电路。其中,模数转换器的采样速度为1Msps。仿真结果表明:ADC有效位数为9.89bit。基于衬底电流传感器加固策略,模拟开关部分敏感节点对SAR ADC造成的转换误差可以从最高74LSB降低到2LSB。