1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
3.1 Lý thuyết cấu trúc điểm ảnh PPS
PPS (Passive Pixel Sensor) là thế hệ cảm biến MOS đầu tiên nhƣng do vấn đề SNR thấp mà nó đã bị dừng phát triển. Cấu trúc của PPS rất đơn giản chỉ gồm photodiode và 1 transistor tƣơng tự nhƣ cấu trúc của DRAM (Dynamic Random Acess Memory).Nhờ có cấu trúc đơn giản,ít linh kiện mà PPS có hệ số FF – fill factor lớn (tỉ lệ diện tích photodiode trên diện tích toàn điểm ảnh). Đây là đặc điểm rất phù hợp cho mục đích cảm biến ảnh. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra lại bị suy giảm nhanh chóng do nhiễu lớn.
Dƣới đây là 2 mạch PPS cơ bản với 2 kiểu đọc dữ liệu ra :
Ở đây CPD là điện dung trên tiếp giáp p-n của photodiode, CC là điện dung kí sinh trên đƣờng tín hiệu ra ở cột.Mạch ở hình (a) có bộ khuếch đại cột độc lập nhằm biến đổi tín hiệu điện tích thành tín hiệu điện áp trong khi mạch (b) có bộ khuếch đại tích hợp ngay trên chip và nhờ đó có thể đọc tín hiệu ra gần nhƣ trọn vẹn.
Page 34
Ban đầu tín hiệu điện tích đƣợc đọc ra dƣới dạng dòng điện qua đƣờng tín hiệu ngang rồi chuyển thành tín hiệu điện áp qua 1 điện trở. Phƣơng pháp này có 1 số nhƣợc điểm :
- Xuất hiện các vết bẩn dạng sọc thẳng đứng do quá trình tín hiệu điện tích chuyển vào đƣờng tín hiệu cột. Điều này là do chu kì đọc tín hiệu ngang khá dài (64µs)
- Nhiễu nhiệt lớn : PPS có điện dung lấy mẫu CC trên đƣờng tín hiệu cột lớn do đó nhiễu nhiệt (kBTC) cũng lớn.
- Nhiễu hệ thống FPN (Fixed pattern Noise) lớn : CC lớn dẫn tới cần 1 transistor đóng ngắt cho lƣu lƣợng vận chuyển lớn. Điều này dẫn tới tăng kích thƣớc cổng và gây ra điện dung Cgd ở mạch (a), nhiễu FPN từ đây mà ra.
Để khắc phục các nhƣợc điểm kể trên mạch TSL – Transerval signal line đƣợc phát triển với thêm 1 transistor chọn cột ở mỗi điểm ảnh
Page 35
Tín hiệu điện tích đƣợc chọn ở mỗi chu kì dọc ngắn hơn nhiều so với chu kì ngang do đó có thể giảm đáng kể các đốm bẩn.Thêm vào đó transistor chọn cột MCSEL chỉ cần điện dung lấy mẫu CPD nhỏ hơn nhiều so với CC do đó nhiễu nhiệt cũng giảm. Cuối cùng MCSEL có kích cỡ cổng nhỏ giảm đƣợc nhiễu khi đóng mở đo đó cũng giảm đƣợc FPN. Cấu trúc TSL cũng đƣợc dùng để giảm FPN ở mạch APS. Thêm vào đó 1 bộ khuếch đại điện tích cũng đƣợc dùng thay cho điện trở (chỉ thích hợp với số lƣợng điểm ảnh thấp) có tác dụng nhận tín hiệu điện tích và chuyển thành tín hiệu điện áp. Cấu hình này mặc dù tăng hiệu suất nhƣng lại giảm khả năng cảm biến với các tín hiệu nhỏ do điện dung kí sinh trên các đƣờng tín hiệu ra. Điện áp ra ở cột đƣợc xác định theo công thức :
Vout=QPD CC CC+CPD
1 CF
Page 36