新型集成阵列四象限CMOS光电传感器的研制周�鑫,朱大中(浙江大学信息与电子工程学系,微电子技术与系统设计研究所,浙江杭州310027)��摘�要:�本文介绍了一种用于目标跟踪和坐标定位的新型集成阵列四象限CMOS光电传感器.该传感器采用上华0.6�m标准CMOS工艺制造,实现了象限传感器与后端信号处理电路的单片集成.该传感器由16�16单元有源光电管阵列,相关二次采样电路和时序控制电路组成.每个有源光电管的大小为60�m�60�m,其感光面积百分比(FillFactor)为64.5%.通过变频二次扫描的工作模式可将传感器的感光动态范围增大为84dB.传感器的感光灵敏度为2V/lxs,工作速度根据目标照度可在2ms/帧~64ms/帧范围内调整.关键词:�阵列式象限传感器;相关二次采样;互补金属氧化物半导体光电传感器;动态范围调整;二次扫描中图分类号:�TN432���文献标识码:�A���文章编号:�0372�2112(2005)05�0928�03ResearchofaNewIntegratedArrayed4QuadrantsCMOSPhoto�ElectricSensorZHOUXin,ZHUDa�zhong(DepartmentofInformationScienceandElectronicsEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310027,China)Abstract:�Anewintegratedarrayed4quadrantsCMOSphoto�electricsensorusedfortargetcoordinateobtainingandtargettrackingisdesignedandfabricatedina0.6�mstandardCMOSprocess.Itrealizesthesinglechipintegrationofthequadrantssensorandsubsequentsignalprocessingcircuits.Itconsistsof16�16activephotodiodes(PD)array,correlateddoublesampling(CDS)cir�cuitsanddigitalcontrolpart.TheareaofeachactivePDis60�m�60�mandthefillfactoris64.5%.Thedynamicrange(DR)ofthesensorcanbeenlargedwithresetfrequencyadjustmentdoublescanningmethod.Asaresult,84dBDRcanbeobtained.Thesensi�tivityofsensorcanbe2V/lxsandthesensoroperationspeedcanbe2ms/frame~64ms/frameaccordingtoilluminanceintensity.Keywords:�arrayedquadrantsensor;CDS;CMOSphotoelectricsensor;dynamicrangeadjustment,doublescanning1�引言��基于硅材料的象限光电传感器在目标对准和跟踪系统中有广泛的用途.传统的象限传感器一般有四个或八个象限单元,每一个象限单元为一个分立的光电二极管.传感器工作时,通过对各个象限感光单元中产生的光电信号进行比较,就可得到目标光源的位置信息,从而控制相应的机械传动部分使传感器对准目标.传统的象限传感器与当前广泛用于数字图像获取的有源像素传感器(APS)相比较,象限传感器的象限感光单元面积较大,数量较少,从而可以保证传感器高速工作;但是,感光单元数量较少也限制了传感器获知目标的坐标位置,形状特征等信息.此外,传统的象限传感器的制造不能与标准的CMOS工艺相兼容,这也限制了其应用范围.为此,本文提出了一种新型的集成阵列四象限CMOS光电传感器.该传感器采用了上华0.6�m标准CMOS工艺制造,实现了象限传感器与后端信号处理电路的兼容集成,并可以获取目标的坐标方位等信息.2�电路结构与有源光电二极管结构��传感器的功能结构如图1所示.传感器由16�16单元有源光电管阵列,采样保持电路,差分放大电路和数字控制电路四部分组成.其中采样电路和放大电路共同实现了相关二次采样(CorrelatedDoubleSampling,CDS)[1]的功能,可以有效减小传感阵列中产生的固定模式噪声(FixedPatternNoise,FPN)的影响.传感器感光单元的电路结构和版图如图1(a)所示.每一个有源感光单元均包含有一个光电二极管及相应的预处理电路.图中I,II,III和IV分别代表了感光阵列的四个象限;图1(a)中A为16�16单元有源光电管阵列;B为16组并行工作的采样保持电路,每一组电路对传感阵列中一列感光单元产生的信号进行处理;C为时序控制信号产生电路;D为16组并行工作的输出放大电路;E,F分别为有源感光单元的电路结构图和版图;G为一组采样保持电路的等效电路图,其中CR与CS为采样保持电容;H为有源感光单元中的光电流收集电极,可以提高光电流的收集效率.图1(b)中,RESET为复位信号,VDD为电源,RS为行选通信号,SHR和SHS分别为开关控制信号.有源感光单元的预处理电路包含3个晶体管,为广泛使用...
