1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
3.2.2 Các kiến trúc APS
3T – APS (3 Transistor)
Hình 3. 2:Pixel trong kiến trúc 3T-APS
APS đƣợc đặt tên dựa trên những thuộc tính tích cực của nó nhờ vào bộ khuếch đại tín hiệu ngay trên từng điểm ảnh. Với việc thêm transistor MSF (Source Follower) điện áp đầu ra thay đổi theo điện áp photodiode, tín hiệu đƣợc chuyển đổi ra đƣờng tín hiệu hàng qua 1 MSEL. Bộ khuếch đại ở mỗi điểm ảnh giúp cải thiện
Page 38
đáng kể chất lƣợng hình ảnh so với PPS. Trong khi PPS chuyển đổi trực tiếp tín hiệu điện tích ra ngoài thì APS chuyển đổi thành điện thế trên cực cửa transistor. Ở đây hệ số điện áp nhỏ hơn 1 trong khi hệ số điện tích đƣợc xác định bằng CPD/CSH.
Hoạt động của mạch : đầu tiên MRS mở, photodiode PD đƣợc reset về mức điện áp Vdd – Vth (Vth là điện áp ngƣỡng MRS). Sau đó MRSngắt, khi có ánh sáng tới tại tiếp giáp p – n của PD sinh ra các hạt dẫn làm cho VPD giảm tùy theo cƣờng độ ánh sáng
tới. Sau 1 khoảng thời gian tích tụ hạt dẫn MSEL mở, tín hiệu điện áp đƣợc đọc ra đƣờng tín hiệu cột. Sau khi đọc xong MSEL ngắt và MRS lại mở lặp lại quá trình trên. Tín hiệu điện tích tích lũy ở PD không bị xóa mà có thể đọc lại nhiều lần, chính ƣu điểm này nên APS đƣợc áp dụng trong cảm biến ảnh CMOS thông minh.
Mặc dù đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm SNR thấp của PPS nhƣng APS vẫn tồn tại 1 số vấn đề nhƣ :
- Khó ngăn chặn nhiễu nhiệt.
- PD vừa là vùng cảm nhận ánh sáng vừa là vùng chuyển đổi ánh sáng, điều này ràng buộc thiết kế của PD.
Dynamic range phụ thuộc vào dung lƣợng tối đa (lƣợng điện tích tối đa có trong PD)
DR = (5)
Vmax : tín hiệu ra cực đại ;Vmin : tín hiệu thấp nhất còn phân biệt được
Hệ số chuyển đổi là sự thay đổi điện áp ra khi 1 điện tích (electron hay lỗ trống) tích lũy trong PD. Dung lƣợng tối đa tăng khi CPD tăng nhƣng đồng thời hệ số chuyển đổi điện áp lại giảm (ràng buộc lẫn nhau).4T – APS sẽ giải quyết vấn đề này đồng thời giảm bớt nhiễu do nhiệt.
Page 39
Để giảm các vấn đề gặp phải ở 3T – APS, mạch 4T – APS có phần bắt sáng và
chuyển đổi tín hiệu riêng biệt. Các hạt dẫn sinh ra khi chiếu sáng đƣợc khuếch tán sang vùng FD (floating diffusion) và đƣợc chuyển thành tín hiệu điện áp ở đây. 1 transistor thêm vào có tác dụng chuyển điện tích tích lũy ở PD sang FD
Hình 3. 3:Pixel trong kiến trúc 4T-APS
Hoạt động của mạch : Đầu tiên tín hiệu điện tích đƣợc tích lũy ở PD (giả sử ở trạng thái ban đầu PD đã đƣợc xả hết điện tích). Ngay trƣớc khi chuyển đổi tín hiệu điện tích thì FD đƣợc reset bẳng cách mở MRS. Giá trị reset đƣợc đọc ra ngoài,lấy mẫu tƣơng quan kép (correlated double sampling - CDS) để mở MSEL . Sau khi hoàn tất việc đọc giá trị reset tín hiệu điện tích ở PD đƣợc chuyển sang FD bằng cách bật
MTG, sau đó đọc tín hiệu ra bằng cách bật MSEL. Lặp lại quá trình này, điện tích tín hiệu và điện tích reset đƣợc đọc ra. Chú ý rằng điện tích reset đƣợc đọc ra sau điện tích tín hiệu. Sự phối hợp về thời gian là yếu tố cần thiết cho quá trình CDS và có thể đƣợc thực hiện thông qua tách rời 2 vùng PD và FD. Điều này cũng giúp loại bỏ
Page 40
nhiễu nhiệt, điều mà mạch 3T – APS không làm đƣợc.Nhờ quá trình CDS 4T – APS hoạt động ở chế độ nhiễu thấp và nhờ đó hiệu suất của nó đã có thể so sánh với CCDS.Cần chú ý rằng ở mạch 4T – APS PD phải đƣợc xả hết điện tích trong quá trình đọc ra. Do đó cần sử dụng PPD (Pinned photodiode)
Mặc dù 4T – APS cao cấp hơn 3T – APS bởi khả năng chống nhiễu nhƣng nó vẫn còn tồn tại 1 số nhƣợc điểm :
- Thêm transistor dẫn tới fill factor giảm
- Nhiễu ảnh có thể xảy ra trong quá trình điện tích chuyển sang FD
- Khó khăn thiết lập các thông số chế tạo cho PPD, FD, các transistor và các thành phần khác để thỏa mãn nhiễu và lỗi ảnh thấp.