基于BSIM3噪声模型的CMOS像素源极跟随器噪声优化
天体物理仪器与方法
2016-09-15 v1
摘要
CMOS图像传感器在天文学中正日益普及。为了观测极暗弱目标并获得高精度测光数据，要求极低的噪声水平。尽管CMOS技术相比CCD具有诸多优势，但读出噪声仍是一个主要瓶颈。要将工业级CMOS传感器转化为适用于科学应用的传感器，优化噪声水平的改进设计至关重要。在此，我们详细研究了CMOS像素源极跟随器的1/f噪声与热噪声性能。我们确定了相关设计参数，并利用BSIM3v3噪声模型与增强的栅极电容模型，解析地研究了它们对噪声水平的影响。我们的详细分析表明，与实现最小1/f噪声的经典方法相比，1/f噪声对源极跟随器几何尺寸的依赖性并不局限于最小沟道长度。我们推导出了使1/f噪声最小化的源极跟随器最优栅极尺寸（宽度与长度），并通过数值模拟验证了结果。在将热噪声或白噪声与1/f噪声一并考虑时，源极跟随器的总输入噪声取决于电容比CG/CFD与漏极电流。其中，CG为源极跟随器的总栅极电容，CFD为源极跟随器输入端的总浮动扩散电容。我们证明，最优栅极电容CG取决于所选偏置电流，但为了实现源极跟随器的最小总噪声，其范围在CFD/3至CFD之间。我们采用180nm CMOS技术进行了数值计算与电路仿真以验证结果。
引用
@article{arxiv.1609.04315,
title = {Noise optimization of the source follower of a CMOS pixel using BSIM3 noise model},
author = {Swaraj Mahato and Guy Meynants and Gert Raskin and J. De Ridder and H. Van Winckel},
journal= {arXiv preprint arXiv:1609.04315},
year = {2016}
}
备注
SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation, 2016