安捷倫B1500A半導體測試儀CMOS圖像傳感器中的隨機噪聲特征分析

利用B1500A的WGFMU模組測量RTS噪聲
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隨機電報信號(RTS)在±1之間隨機變動，并且有數個零點，在任意時間間隔內都能用泊松過
程來描述。隨機電報信號噪聲（也稱突發或跳躍噪聲）具有RTS特征，主要特點是作用在大
的信號上附加低電平信號。在CMOS圖像傳感器（也稱有源像素傳感器）中，RTS噪聲會在
本該是黑色的地方產生錯誤的白點。隨著半導體元件的微型化，MOSFET中隨機電報信號噪
聲的影響越來越嚴重。
今，RTS噪聲測量由一系列用戶自定義的元件組成，常見的有：低噪聲電源、變壓器電流
和示波器（或電壓表）。但是，這些測量元件很難保證穩定和始終如一的測量結果。這主要
是因為元件或整個系統的校準略顯不足。另外，由于元件的結構復雜性和單個元件中誤差
相累加的總誤差，多重元件中的隨機噪聲都很容易造成RTS測量錯誤。因此，為了采集*
的RTS噪聲數據，我們提供了一個實時的、能確保RTS噪聲處理規格的解決方案。
B1530A波形發生器/快速測量單元(WGFMU)，是B1500A半導體元件分析儀中的一個模
組。它有獨立測量RTS噪聲的能力，不需要任何附加測量元件。WGFMU模組的噪聲不
到0.1mV(rms)，電流測量取樣頻率在1S/s200MS/s之間，帶寬在DC-16MHz之間。
B1500A的WGFMU模組每個通道有4M的測量存儲器，因此它能測量的RTS噪聲頻率范圍
很大。此外，為了讓用戶能立即分析RTS噪聲，WGFMU模組還提供了RTS噪聲采樣分析軟件。
本應用指南將介紹如何使用B1500A的WGFMU模組來測量RTS噪聲，并給出了一些實際測
量范例。

CMOS圖像傳感器中的隨機噪聲
在當代的CMOS圖像傳感器中，RTS噪聲是噪聲源中對像素影響
大的噪聲干擾。每個CMOS圖像傳感器都有一個讀出放大器用
來放大從圖像二極管獲得的光電流信號（參見圖1）。為了提高
像素密度，我們必須縮小放大器并盡量增大光電二極管的尺寸，
從而提高信噪比。通過這些方法我們能減小MOSFET的尺寸，從
而讓它對RTS噪聲更加敏感。
RTS噪聲的物理特性
MOSFET中的RTS噪聲可以理解為閾值電壓的改變，這有可能是
隨機的，也有可能是因為MOSFET中絕緣層間接收到的發射電子
（見圖2）。
由于單個電子被俘獲造成的Vth變化可以用方程式1來描述。
q
?Vth=____________…(1)
L?W?Cox
這里q是電子電荷，L是柵長，W是柵寬，Cox是柵電容。從方
程式可以清楚地看出隨著元件收縮Vth反而變大。由于發射電子
的俘獲可能是微秒-秒，一些由RTS噪聲造成的像素缺失可
能會被肉眼觀察到。
利用B1500A的WGFMU模組測量RTS噪聲
B1500A的WGFMU模組噪聲不到0.1mV(rms)，電流測量取樣頻
率在1S/s200MS/s之間，帶寬在DC-16MHz之間。B1500A
的WGFMU模組每個通道有4M的測量存儲器，因此它能測量
1Hz以下到多個MHz頻率范圍內的RTS噪聲。
B1500A的WGFMU模組主要規格描述如下。
電壓供給
–輸出范圍：
±5V
0V~+10V
–10V~0V
–噪聲電平:
不到0.1mV(rms)1
電流測量
–測量范圍：
±10mA固定
±1mA固定
±100μA固定
±10μA固定
±1μA固定
–測量分辨率
0.014%范圍2
–噪聲電平
0.2%范圍3
–取樣間隔
5ns、10ns1s可變
–硬件均值
10ns20ms可變
–測量存儲大小每通道約4M數據點4
我們的優勢：
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