1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
4.2.1 Mô phỏng và layout mạch nguyên lí 4T-APS sử dụng NMOS source follower
follower.
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 4. 3: Mạch APS sử dụng NMOS source follower có NMOS shutter và NMOS row-select
Cấu tạo: Mạch nguyên lý 4T-APS sử dụng NMOS source có NMOS shutter và NMOS row-select có cấu tạo bao gồm 4 transistor và 1 photodiode. Photodiode đƣợc reset về mức điện áp Vdd – Vth (Vth là điện áp ngƣỡng M1). Dòng quang điện tích lũy vào tụ của photodiode trong suốt quá trình phơi sáng và điện áp đƣợc đọc ra khi kết thúc quá trình bắt sáng.
Page 48 M1 là transistor reset.
M5 là shutter sử dụng transistor NMOS. M5 có nhiệm vụ có tác dụng chuyển điện tích tích lũy ở photodiode sang tụ CFD.
M2 là source follower sử dụng transistor NMOS. M3 là Row – select sử dụng transistor NMOS.
Nguyên lý hoạt động:
Đầu tiên tín hiệu điện tích đƣợc tích lũy ở photodiode (giả sử ở trạng thái ban đầu photodiode đã đƣợc xả hết điện tích). Ngay trƣớc khi chuyển đổi tín hiệu điện tích thì tụ CFD đƣợc reset bẳng cách mở M1. Giá trị reset đƣợc đọc ra ngoài,lấy mẫu tƣơng quan kép (correlated
double sampling - CDS) để mở M3. Sau khi hoàn tất việc đọc giá trị reset tín hiệu điện tích ở photodiode đƣợc chuyển sang tụ bằng cách bật M5, sau đó đọc tín hiệu ra bằng cách bật M3. 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.
Page 49 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 photodiode, tụ, các transistor và các thành phần khác để thỏa mãn nhiễu và lỗi ảnh thấp.
Kết quả mô phỏng: Các giá trị điện áp giữa các mức sáng đều, giúp cho việc xử lý kết quả sau này đƣợc dễ dàng hơn.
Hình 4. 5: Biểu đồ thời gian điện áp trên FD của mạch APS-4T sử dụng NMOS source follower
Ở thời điểm 0 – 0.1ms điện áp UGM1 ở mức thấp M1 ngắt điện áp trên FD xấp xỉ 0.
Page 50 Ở thời điểm 0.1ms-0.2ms điện áp UGM1 ở mức cao M1 thông điện áp
trên FD đạt giá trị 3.3-VThMo.
Ở thời điểm 02ms-0.25ms điện áp UGM1 ở mức thấp M1 lại ngắt diode phóng điện qua nguồn dòng.
Ở thời điểm 025ms-0.55ms điện áp trên FD đƣợc giữ nguyên giá trị do shutter M5 mở để truyền điện tích sang tụ CFD.
Ở thời điểm 0.55ms-1ms shutter M5 đóng điện áp giảm dần.
Các giá trị điện áp trên FD đƣợc đƣa qua transistor NMOS M2 khuếch đại và M3 để đọc các giá trị điện áp đầu ra.
Giá trị đầu ra ứng với các cƣờng độ ánh sáng khác nhau:
Hình 4. 6: Biểu đồ thời gian điện áp ra của mạch APS-4T sử dụng NMOS source follower
Page 51 Giá trị điện áp đầu ra với các mức sáng khác nhau tƣơng ứng với các dải
điện áp khác nhau.
Dải điện áp có mức sụt áp lớn nhất tƣơng ứng với cƣờng độ sáng càng mạnh.
Dải điện áp có mức sụt áp ít nhất tƣơng ứng với cƣờng độ sáng yếu.
Mạch layout APS sử dụng NMOS source follower:
Hình 4. 7: Mạch layout APS-4T sử dụng NMOS source follower
Kích thƣớc điểm ảnh : 12μm x 15 μm. Kích thƣớc photodiode : 10.7μm x 11.6 μm.
Page 52
4.2.2 Mô phỏng và layout mạch nguyên lí 4T-APS sử dụng PMOS source followercó NMOS shutter và NMOS row-select.
Từ kết quả mô phỏng mạch schematic ta nhận thấy DR ( dải động hay khoảng bắt sáng) của mạch sử dụng NMOS source follower không lớn. Vì vậy trong phần này tôi sẽ mô phỏng mạch 4T-APS sử dụng PMOS source follower có NMOS shutter và NMOS row-select.
Hình 4. 8: Mạch APS-4T sử dụng PMOS source follower có NMOS shutter và NMOS row-select
Cấu tạo: Mạch nguyên lý 4T-APS sử dụng PMOS source có NMOS shutter và
Page 53 Photodiode đƣợc reset về mức điện áp Vdd – Vth (Vth là điện áp ngƣỡng M1).
Dòng quang điện tích lũy vào tụ của photodiode trong suốt quá trình phơi sáng và điện áp đƣợc đọc ra khi kết thúc quá trình bắt sáng.
M1 là transistor reset.
M5 là shutter sử dụng transistor NMOS. M2 có nhiệm vụ có tác dụng chuyển điện tích tích lũy ở photodiode sang tụ CFD.
M0 là source follower sử dụng transistor PMOS.
M3 là Row – select sử dụng transistor NMOS.
Nguyên lý hoạt động:
Đầu tiên tín hiệu điện tích đƣợc tích lũy ở photodiode (giả sử ở trạng thái ban đầu photodiode đã đƣợc xả hết điện tích). Ngay trƣớc khi chuyển đổi tín hiệu điện tích thì tụ CFD đƣợc reset bẳng cách mở M1.
Giá trị reset đƣợc đọc ra ngoài,lấy mẫu tƣơng quan kép (correlated double
sampling - CDS) để mở M3. Sau khi hoàn tất việc đọc giá trị reset tín hiệu
điện tích ở photodiode đƣợc chuyển sang tụ bằng cách bật M5, sau đó đọc tín hiệu ra bằng cách bật M3. Lặp lại quá trình này, điện tích tín hiệu và điện tích reset đƣợc đọc ra.
Page 54
Kết quả mô phỏng: Các xung điện áp đƣợc đặt cách nhau một khoảng thời gian
nhƣ trên thì ta đƣợc kết quả mô phỏng đầu ra ứng với các cƣờng độ ánh sáng khác nhau:
Hình 4. 9: Biểu đồ thời gian điện áp trên FD của mạch APS-4T sử dụng PMOS source follwer NMOS shutter và NMOS row-select
Ở thời điểm 0 – 1ms điện áp UGM1 ở mức thấp M1 ngắt điện áp trên FD xấp xỉ 0.
Ở thời điểm 1ms-2ms điện áp UGM1 ở mức cao M1 thông điện áp trên FD đạt giá trị 3.3-VThM1.
Ở thời điểm 2ms-2,5ms điện áp UGM1 ở mức thấp M1 lại ngắt diode phóng điện qua nguồn dòng.
Ở thời điểm 2,5ms-55ms điện áp trên FD đƣợc giữ nguyên giá trị do shutter
M5 mở để truyền điện tích sang tụ CFD.
Ở thời điểm 0.55ms-1ms shutter M5 đóng điện áp giảm dần.
Các giá trị điện áp trên FD đƣợc đƣa qua transistor NMOS M0 khuếch đại và M3 để đọc các giá trị điện áp đầu ra.
Page 55
Giá trị đầu ra ứng với các cƣờng độ ánh sáng khác nhau:
Giá trị điện áp đầu ra với các mức sáng khác nhau tƣơng ứng với các dải điện áp khác nhau.
Dải điện áp có mức sụt áp lớn nhất tƣơng ứng với cƣờng độ sáng càng mạnh.
Dải điện áp có mức sụt áp ít nhất tƣơng ứng với cƣờng độ sáng yếu.
Hình 4. 10: Giá trị đầu ra của mạch APS-4T sử dụng PMOS source follwer NMOS shutter và NMOS row-select
Page 56
Kết quả Layout:
Hình 4. 3: Mạch layout APS sử dụng PMOS source follwer NMOS shutter và NMOS row-select
Kích thƣớc điểm ảnh : 12 x 15 μm.
Kích thƣớc photodiode : 9.4μm x 10.7μm.
Page 57
4.2.3 Mô phỏng và layout mạch nguyên lí 4T-APS sử dụng PMOS source follower có NMOS shutter và PMOS row-select.
Mạch APS sử dụng PMOS source follower có NMOS shutter và NMOS row- select có dải điện áp ra lớn hơn nhƣng giá trị giữa các mức sáng cách đều nhau có sự chênh lệch khá lớn. Trong khi đó mạch sử dụng PMOS row-select có DR tốt nhất.
Hình 4. 4: Mạch APS sử dụng PMOS source follower có NMOS shutter và PMOS row-select.
Cấu tạo: Mạch nguyên lý 4T-APS sử dụng PMOS source có NMOS shutter và
PMOS row-select có cấu tạo bao gồm 4 transistor và 1 photodiode.
Photodiode đƣợc reset về mức điện áp Vdd – Vth (Vth là điện áp ngƣỡng M1).
Dòng quang điện tích lũy vào tụ của photodiode trong suốt quá trình phơi sáng và điện áp đƣợc đọc ra khi kết thúc quá trình bắt sáng.
Page 58 M5 là shutter sử dụng transistor NMOS. M2 có nhiệm vụ có tác dụng chuyển
điện tích tích lũy ở photodiode sang tụ C1.
M0 là source follower sử dụng transistor PMOS.
M3 là Row – select sử dụng transistor PMOS.
Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của mạch tƣơng tự nguyên lý hoạt
động mạch nguyên lý 4T-APS sử dụng PMOS source có NMOS shutter và PMOS row-select.
Kết quả mô phỏng: Giá trị điện áp đầu ra với các mức sáng khác nhau tƣơng
ứng với các dải điện áp khác nhau.
Hình 4. 5: Biểu đồ thời gian điện áp trên FD của mạch APS-4T sử dụng PMOS source follower có NMOS shutter và PMOS row-select.
Ở thời điểm 0 – 0.1ms điện áp UGM1 ở mức thấp M1 ngắt điện áp trên FD xấp xỉ 0.
Ở thời điểm 0.1ms-0.2ms điện áp UGM1 ở mức cao M1 thông điện áp trên FD đạt giá trị 3.3-VThM1.
Ở thời điểm 0.2ms-0.25ms điện áp UGM1 ở mức thấp M1 lại ngắt diode phóng điện qua nguồn dòng.
Page 59 Ở thời điểm 0.25ms-0.55ms điện áp trên FD đƣợc giữ nguyên giá trị do
shutter M5 mở để truyền điện tích sang tụ CFD.
Ở thời điểm 0.55ms-1ms shutter M5 đóng điện áp giảm dần.
Các giá trị điện áp trên CFD đƣợc đƣa qua transistor PMOS M0 khuếch đại và NMOS M3 để đọc các giá trị điện áp đầu ra.
Hình 4. 6: Giá trị đầu ra của mạch APS sử dụng PMOS source có NMOS shutter và PMOS row-select.
Các giá trị điện áp giữa các mức sáng sẽ đều hơn so với mạch APS sử dụng NMOS làm row-select, giúp cho việc xử lý kết quả sau này đƣợc dễ dàng hơn.
Trong 2 loại mạch APS sử dụng PMOS source follower thì mạch sử dụng NMOS row-select có dải điện áp ra lớn hơn nhƣng giá trị giữa các mức sáng cách đều nhau có sự chênh lệch khá lớn trong khi mạch sử dụng PMOS row-select có DR tốt nhất.
Page 60
Kết quả Layout:
Hình 4. 7: Mạch layout APS sử dụng PMOS source có NMOS shutter và PMOS row-select.
Kích thƣớc điểm ảnh : 12 x 15 μm.
Kích thƣớc photodiode : 9.1 μm x 10.2 μm.
Page 61