紅外探測器的讀出電路設(shè)計(jì)

李 強(qiáng), 劉 陽, 湯欲濤, 曹令今, 劉云峰, 常玉春, 殷景志

(1. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012; 2. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 長春 130033)

0 引 言

紅外焦平面陣列是紅外成像技術(shù)中獲取紅外圖像信號(hào)的核心光電器件, 是一種高性能的紅外固體圖像傳感器。紅外成像技術(shù)在軍事、 空間技術(shù)、 醫(yī)學(xué)以及國民經(jīng)濟(jì)等相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。一般來說, 一個(gè)紅外成像系統(tǒng)主要包括焦平面陣列及其讀出電路。由于光電器件輸出的信號(hào)強(qiáng)度很微弱, 所以要求高性能的讀出電路。筆者基于0.35 μm n-well CMOS工藝設(shè)計(jì)了低功耗、 低噪聲紅外探測器的讀出電路。其中讀出電路的結(jié)構(gòu)采用電容跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)。與其他電路結(jié)構(gòu)相比, 該結(jié)構(gòu)能為探測器提供穩(wěn)定的偏置電壓、 具有高注入效率、 高輸出動(dòng)態(tài)范圍、 低噪聲和低功耗。

1 紅外焦平面陣列讀出電路設(shè)計(jì)方案

紅外焦平面陣列的讀出電路如圖1所示, 它由電容跨導(dǎo)放大器、 相關(guān)雙采樣電路和源跟隨器組成[4-8]。當(dāng)電容跨導(dǎo)放大器在復(fù)位期間, 開關(guān)Srow, Stran斷開, 開關(guān)Sreset閉合； 當(dāng)電容跨導(dǎo)放大器在工作期間, 開關(guān)Srow, Stran閉合, 開關(guān)Sreset斷開。在此過程, 電容Cint將光電流轉(zhuǎn)換成電壓Vc。 電壓Vint由放大器的偏置電壓Vref和Vc決定。

圖1 紅外焦平面的讀出電路

(1)

其中t為光電流積分時(shí)間； 光電流Iint由光敏器件產(chǎn)生；Cint為放大器的跨導(dǎo)電容, 其作用是對(duì)光電流進(jìn)行積分。考慮到功耗問題, 電容跨導(dǎo)放大器中的放大器采用高增益單級(jí)放大器結(jié)構(gòu)。由于噪聲對(duì)電路的性能影響很大, 為減小電路的噪聲, 采樣電路采用相關(guān)雙采樣電路。下面闡述相關(guān)雙采樣功能。時(shí)間為T1, 圖1中開關(guān)Stran閉合,Sclamp為高電平。此時(shí), 采樣電容Cc兩端電壓V1和V2為

V1(T1)=Vdd-Vint-VGSN

(2)

V2(T1)=0

(3)

式(2)中,Vint為積分電容Cint的端電壓；VGSN為源跟隨器中NMOS器件的柵源電壓。時(shí)間為T2,Sclamp為低電平。此時(shí), 采樣電容Cc端電壓

V1(T2)=Vdd-VGSN

(4)

由電容兩端電荷守恒定律可得

Cc[V1(T1)-V2(T1)]=Cc[V1(T2)-V2(T2)]

(5)

由式(2)～式(5)可得, 時(shí)刻T2的V2(T2)為

V2(T2)=Vint

(6)

表明V(T2)送到P型源跟隨器的輸入端, 該過程完成了相關(guān)雙采樣的功能。

為增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力, 相關(guān)雙采樣電路后接一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的源跟隨器。為降低功耗, 在此放大器中加入控制部分, 有數(shù)據(jù)輸出時(shí), 源跟隨器處于工作狀態(tài)。沒有數(shù)據(jù)輸出時(shí), 源跟隨器處于不工作狀態(tài)。構(gòu)成源跟隨器的放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 放大器的電路圖

2 仿真結(jié)果和相關(guān)參數(shù)部分

為降低功耗, 電容跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)采用單級(jí)放大器, 單級(jí)放大器的功耗為33 μW。計(jì)算得到整個(gè)電路的功耗為69.78 mW,仿真得到的結(jié)果為77.8 mW。

電路的噪聲主要包括： 散彈噪聲、 復(fù)位噪聲和讀出噪聲。散彈噪聲由二極管產(chǎn)生, 它是白噪聲而不是熱噪聲。散彈噪聲電流正比其流過的電流, 其計(jì)算公式為

(7)

其中q表示電荷量,ID表示流過光電器件的暗電流。復(fù)位

圖3 等效電路圖

噪聲是電容跨導(dǎo)放大器中積分電容復(fù)位時(shí)產(chǎn)生的噪聲。讀出噪聲就是讀出電路產(chǎn)生的噪聲, 主要包括熱噪聲和閃爍噪聲, 其中熱噪聲是高斯白噪聲[9-11]。MOST的熱噪聲主要取決于其溝道電阻。由于溝道的均勻性較差(源端導(dǎo)電性較好, 而在漏端是夾斷的), 所以需要積分計(jì)算熱噪聲。閃爍噪聲主要與材料表面的狀態(tài)相關(guān), 硅是晶體, 其表面被截?cái)? 柵氧在其頂部生長, 使表面產(chǎn)生閃爍噪聲。為計(jì)算讀出電路的熱噪聲電壓, 筆者使用的結(jié)構(gòu)如圖3所示。熱噪聲可表示為

(8)

ro={ro2[ro3(gm2+gmb2)ro3]+ro3}//ro1

(9)

(10)

其中k=1.38×10-23J/K是波爾茲曼常數(shù),gm為晶體管的跨導(dǎo)。

由于式(9)中{ro2[ro3(gm2+gmb2)ro3]+ro3}?ro1, 則輸出電阻ro≈ro1, 故單位帶寬輸出熱噪聲電壓為

(11)

單位帶寬的閃爍噪聲為

(12)

在T=27 ℃時(shí), 單位帶寬(1 Hz)的輸出噪聲為1.941 23×10-10V。在帶寬為1 GHz,T=27 ℃的條件下, 總的輸出噪聲為1.127 247×10-4V, 仿真結(jié)果為1.121 8×10-6V。

圖4 電路輸出結(jié)果

每行信號(hào)輸出需要時(shí)間為31.25 μs, 一共有320行。所以一幀圖像輸出需要10 ms, 每秒可保證100幀圖像輸出。當(dāng)輸入電流范圍為1～2.6 nA時(shí), 輸出結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出, 電路的線性非常好。電路的相關(guān)參數(shù)如表1所示。圖5是紅外焦平面陣列的版圖, 它包括列共用單元, 時(shí)序控制部分以及銦柱陣列。銦柱的尺寸為： 直徑30 μm, 高度6.5 μm。表1給出了讀出電路的基本特性。由表1可知, 計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的偏差。造成偏差的原因在于計(jì)算所選取的參數(shù)存在誤差, 這些誤差主要包括晶體管柵極長度和寬度誤差、 柵氧化層厚度誤差、 摻雜誤差等。故筆者的結(jié)果以仿真結(jié)果為準(zhǔn)。

圖5 紅外焦平面陣列的版圖

表1 相關(guān)參數(shù)及對(duì)應(yīng)結(jié)果

3 結(jié) 語

筆者設(shè)計(jì)了低功耗低噪聲的紅外焦平面讀出電路, 電路的主要功能是將紅外焦平面陣列所探測到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成易觀測的電信號(hào)。給出了傳感器件的基本工作原理及電容跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu), 并針對(duì)相關(guān)雙采樣進(jìn)行理論推導(dǎo)。采用0.35 μm n-well CMOS完成該設(shè)計(jì), 并給出仿真結(jié)果。由于紅外焦平面陣列的讀出電路的基本電路的發(fā)展已經(jīng)成熟, 人們的注意力將轉(zhuǎn)向強(qiáng)紅外焦平面陣列和整個(gè)電路系統(tǒng)的復(fù)雜性。紅外焦平面陣列的讀出電路的未來發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域有： 芯片中集成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換； 背景抑制； 光學(xué)讀出等。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫志君. 紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 [J]. 半導(dǎo)體光電, 2000, 21(增刊)： 29-32.

SUN Zhi-jun. Development in IRFPA Technologies [J]. Semiconductor Optoelectronics, 2000, 21(Sup)： 29-32.

[2]王利平, 孫韶媛, 王慶寶, 等. 紅外焦平面探測器的讀出電路 [J]. 光學(xué)技術(shù), 2000(2): 123-125.

WANG Li-ping, SUN Shao-yuan, WANG Qing-bao, et al. Readout Circuits of Infrared Focal Plane Array Detectors [J]. Optical Technique, 2000(2): 123-125.

[3]周津, 姚素英, 徐江濤, 等. 新型選擇性復(fù)位CMOS圖像傳感器電路結(jié)構(gòu) [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2006, 36(2): 227-0231.

ZHOU Jin, YAO Su-ying, XU Jiang-tao, et al. Novel Selective Reset CMOS Image Sensor Circuit Structure [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2006, 36(2): 227-231.

[4]HOOD A D. LWIR Strained-Layer Superlattice Materials and Devices at Teledyne Imaging Sensors [J]. Electron Mater, 2010, 39(7): 1001-1006.

[5]HU Bin, LI Ping, RUAN Ai-wu. A Multifunction Snapshot ROIC Design for Low and High Background Application [J]. Optoelectronics and Image Processing, 2010(1): 44-46.

[6]WANG Tao, JIA Gong-xian, YUAN Xiang-hui. Design of Uncooled Microbolometer Array [J]. Semiconductor Optoelectronics, 2001, 22(2): 78-81.

[7]LI Xiang-hui, CHEN Xi-qu, WANG Shang-bao, et al. Design and SPICE Simulation of CMOS Readout Integrated Circuits of Uncooled IRFPA [J]. Infrared Technology, 2005, 27(4): 307-310.

[8]LUNA E, GUZMAN A SANCHEZ-ROJAS J L, et al. GaAs-Based Modulation-Doped Quantum-Well Infrared Photodetectors for Single and Two-Color Detection in 3-5 μm [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2002, 8(5): 992-997.

[9]PHILLIPP R M. Linear Current-Mode Active Pixel Sensor [J]. Solid-State Circuits, 2007, 42(11): 2482-2491.

[10]TIAN H, FOWLER B, GAMAL A. Analysis of Temporal Noise in CMOS Photodiode Active Pixel Sensor [J]. Solid-State Circuits, 2001, 36(1): 92-101.

[11]徐寒松. 單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用于加性高斯白噪聲信號(hào)檢測 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2007, 37(1): 182-187.

XU Han-song. Signal Detection in AGWN by Using Single Stable State System [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2007, 37(1): 182-187.