短波IRFPAs讀出電路CTIA輸入級的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 攀，丁瑞軍，葉振華

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039)

1 引言

短波紅外焦平面陣列正向著大面陣、高分辨率等方向發(fā)展［1－2］。讀出電路是紅外焦平面陣列的重要部分，短波紅外焦平面的發(fā)展要求讀出電路具有更小的像元面積、更高的注入效率和更高的信號輸出幀頻，同時(shí)保持一定的面陣總功耗。合理的輸入級設(shè)計(jì)是短波紅外焦平面讀出電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，必須綜合讀出電路對輸入級單元在尺寸、功耗、注入效率等方面的參數(shù)要求。凝視探測器的單元面積限制了讀出電路單元結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，導(dǎo)致常規(guī)的輸入級結(jié)構(gòu)難以滿足弱信號耦合讀出的特殊要求。

因此，本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)三管運(yùn)放CTIA輸入級結(jié)構(gòu)。新型CTIA輸入級不僅具有傳統(tǒng)CTIA結(jié)構(gòu)的高注入效率、低噪聲、高線性度和穩(wěn)定偏壓等特點(diǎn)，還能有效克服了一般的CTIA結(jié)構(gòu)面積過大、功耗過高的缺點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)短波紅外焦平面弱信號的高幀頻、高注入效率、高分辨率和低功耗的讀出。

2 讀出電路的總體結(jié)構(gòu)和單元CTIA結(jié)構(gòu)

如圖1所示，短波紅外焦平面陣列讀出電路包含單元陣列、行公共處理結(jié)構(gòu)、公共輸出級結(jié)構(gòu)和時(shí)序控制模塊［3］。其中，512×256個單元輸入級結(jié)構(gòu)構(gòu)成了主體陣列部分，每個單元的面積為30 μm×60 μm。單元輸入級需完成對探測器光電信號的積分、采樣然后傳輸給后級。單元輸入級結(jié)構(gòu)采用了三管CTIA結(jié)構(gòu)的前置放大器。CTIA一般采用由套筒式或者折疊式組成的差分輸入加二級放大的電路結(jié)構(gòu)，但由于面陣紅外探測器單元面積的限制，在有限的單元面積內(nèi)CTIA結(jié)構(gòu)不能采用套筒式或者折疊式這么復(fù)雜的多管結(jié)構(gòu)。為此，本文采用電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)的三管運(yùn)放，既能提供足夠的增益又比較節(jié)省面積。

圖1 凝視焦平面讀出電路的總體框架Fig.1 Main architecture of staring IRFPAs ROIC

圖2是三管運(yùn)放結(jié)構(gòu)的示意圖和單元CTIA輸入級的結(jié)構(gòu)圖。M1、M2、M3構(gòu)成了單元輸入級的三管運(yùn)放，對應(yīng)為圖3中的FAMP結(jié)構(gòu)。為節(jié)省單元的面積，將為運(yùn)放提供偏置電壓的輔助結(jié)構(gòu)M4～M9設(shè)計(jì)在列公用結(jié)構(gòu)中。

運(yùn)放增益為:

其中，gm1是 M1管的跨導(dǎo);ro1，ro2分別是 M1管、M2管的輸出電阻，后面也將用到。

為提高運(yùn)放增益并降低工作電流，優(yōu)化調(diào)節(jié)了M1～M3管的寬長比。設(shè)計(jì)中采用了長溝道MOS管，使增益達(dá)到70dB，工作電流100 nA。如圖2所示，與多達(dá)十個以上MOS管的常用CTIA結(jié)構(gòu)相比，新構(gòu)型的CTIA明顯減少了面積。而且，由于偏置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在公共級中，使單元中的運(yùn)放只有一條電流路線流經(jīng) MI、M2、M3到地線，可顯著降低功耗。

圖2 電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cascode stage with current－ source load

圖3 單元CTIA結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of unit cell CTIA structure

對于單元內(nèi)的積分電容和采樣電容的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)基于飽和電荷容量和噪聲因素分析。如圖3所示單元結(jié)構(gòu)中還有緩沖級驅(qū)動結(jié)構(gòu)UGA，用以驅(qū)動256個單元公用的信號線的寄生電容，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高輸出幀頻。由于UGA只在Vcol有效時(shí)工作，對整個面陣的功耗影響較小。

3 CTIA輸入級的線性度與噪聲特性

3.1 線性度特性分析

輸出的信號電壓與輸入的光強(qiáng)(光電流)之間對應(yīng)的線性度［4］是影響紅外探測系統(tǒng)定量化應(yīng)用的關(guān)鍵。理想狀態(tài)下它們的關(guān)系是完全線性的。但是，實(shí)際電路會受到一些因素的影響而產(chǎn)生非線性輸出，如信號幅度接近工作范圍邊緣引起的非線性、信號通路上的寄生電容引起的非線性、輸入級注入效率低引起的非線性和噪聲引起的非線性。所以CTIA輸入級設(shè)計(jì)需要進(jìn)行以下幾個方面的特殊考慮。

首先，信號鏈中傳輸?shù)男盘栯妷褐到咏麺OS管工作范圍邊緣時(shí)，運(yùn)放的MOS管VDS減小接近線性區(qū)邊緣，工作點(diǎn)發(fā)生變化，gm變化使工作輸出特性改變，進(jìn)而引起線性度降低。而且運(yùn)放的驅(qū)動能力也是在工作范圍的中間值處最強(qiáng)，能準(zhǔn)確地傳輸信號值，靠近邊緣的驅(qū)動能力會降低。

圖4是單位增益運(yùn)放的通用結(jié)構(gòu)，輸出擺幅1.1～4 V，也即在電源和地上下各損耗一個閾值電壓。輸出信號增益為AV。AV引入了非線性，導(dǎo)致信號的傳輸ΔVm=ΔVoutAv也引入了非線性。因而將工作點(diǎn)范圍設(shè)計(jì)在MOS管的飽和區(qū)減少這種非線性。

圖4 單位增益運(yùn)放的原理圖Fig.4 Schematic diagram of unity － gain amplifier

其次，采樣保持電容工作時(shí)有非線性的寄生電容會引起電荷的分流。陣列電路中長導(dǎo)線的寄生電容分走采樣保持電容的電荷是非均勻的，會引入極大的非線性甚至損耗大量信號電壓。所以，該設(shè)計(jì)中采樣保持電容都會接驅(qū)動級來向后傳輸信號。同時(shí)，采樣電容盡量采用大容值。

然后，注入效率引入的非線性，注入效率隨信號強(qiáng)度改變的非均勻性會帶來很大的影響。由于CTIA結(jié)構(gòu)具有高注入效率，接近100%，很好地克服了注入效率帶來的非線性。

最后，噪聲引入的非線性。噪聲特別是低頻噪聲會影響結(jié)果的線性度，不過它對信號的影響是隨機(jī)無規(guī)律的，只能盡量抑制噪聲來達(dá)到提高線性度的目的。

圖5是該設(shè)計(jì)在CTIA輸出級節(jié)點(diǎn)處的線性度仿真結(jié)果。CTIA在工作范圍內(nèi)的積分輸出信號電壓線性度高于99.1%。

圖5 CTIA輸出電壓線性度Fig.5 The linearity of CTIA output voltage

3.2 噪聲特性分析

CTIA輸入級的噪聲［5］對短波紅外焦平面探測器弱信號輸出的信噪比有比較重要的影響。為此，CTIA輸入級噪聲抑制的分析和設(shè)計(jì)是必不可少的。單元CTIA輸入級噪聲主要分為復(fù)位時(shí)段、積分時(shí)段、傳輸時(shí)段三個部分。單元電路總的噪聲為:

其中，下標(biāo)表明了噪聲分別屬于傳輸管(TG)、源級跟隨器(SF)在積分(int)、復(fù)位(RST)和選通(SEL)時(shí)間段。后面公式中的W，L為MOS管的寬和長，gmn是MOS管n的跨導(dǎo)。

首先分析圖4中單位增益運(yùn)放結(jié)構(gòu)的噪聲，作為下面噪聲分析的基礎(chǔ)。其等效輸入噪聲［6］為1/f噪聲和熱噪聲之和:

其中，COX是單位面積柵氧電容;γ為MOS管熱噪聲系數(shù);W、L分別為MOS管的寬和長;KN為N管的閃爍噪聲常數(shù)。下標(biāo)1，3對應(yīng)M1、M3管，以下同理。

3.2.1 復(fù)位階段噪聲分析

在復(fù)位階段只有復(fù)位管Vreseta與積分電容Cint參與復(fù)位，可以求得此時(shí)積分電容上的輸出噪聲:

3.2.2 積分階段噪聲分析

在積分階段，運(yùn)放參與信號產(chǎn)生過程，引入運(yùn)放的噪聲后的積分輸出噪聲為:

3.2.3 信號傳輸時(shí)段的噪聲分析

信號傳輸過程中，參與傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)會引入噪聲，單位增益運(yùn)放UGA引入的噪聲(f為頻率):

傳輸管TG引入噪聲:

上述分析可知積分電容Cint的影響最大，其他參數(shù)均影響到電路的工作狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)大的電容和大面積大寬長比的的管子來降低噪聲。本設(shè)計(jì)選用了60fF的積分電容和120fF的采樣電容，傳輸管和驅(qū)動管均在有限面積內(nèi)設(shè)計(jì)的足夠大來減小噪聲［7］。

4 仿真與測試

為提高芯片成品率和可靠度，要對原理設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的仿真。包括理想模型的前仿真和提取寄生參數(shù)的后仿真，特別是在低溫模型下的后仿真。該設(shè)計(jì)在cadence ic51軟件平臺下進(jìn)行原理圖仿真，版圖的寄生參數(shù)使用mentor公司calibre提取。利用了無錫上華的標(biāo)準(zhǔn)CSMC－6S05DPTM 0.5 μm工藝庫模型做了版圖設(shè)計(jì)和前后仿真。

圖6是在500 Hz幀頻下加入寄生參數(shù)前后的仿真結(jié)果。對比參數(shù)提取后的前仿真和后仿真結(jié)果，可以看出后仿的擺幅降低、線性度下降、信號“平臺”更短更不穩(wěn)定和整體輸出信號電壓降低。前后仿結(jié)果基本一致，信號“階梯”良好，頻率響應(yīng)正常。

擺幅下降是信號線和MOS管柵極的寄生電容分去了部分電荷，導(dǎo)致傳輸?shù)碾妷航档?。這可以通過提高采樣電容的容值，減小輸入管柵面積改善。線性度下降是受寄生電阻和電容噪聲的影響。信號“平臺”不穩(wěn)定，是由于輸出級驅(qū)動不夠?qū)е律仙蛘呦陆禃r(shí)間過長。整體電壓降低是信號線電阻分壓的結(jié)果。后仿結(jié)果給版圖的修改和原理圖的設(shè)計(jì)提供了很好的指導(dǎo)。

圖6 前仿與后仿結(jié)果對比Fig.6 Contrast original and post－ layout simulation

基于上華CSMC－6S05DPTM 0.5 μm工藝?yán)L制版圖并流片。流片完成的驗(yàn)證電路實(shí)際測試結(jié)果與仿真基本符合。電路芯片測試結(jié)果如下:

讀出電路的飽和信號電壓為2.5 V，飽和電子數(shù)1.1 Me－，噪聲電壓0.37 mV，單元電路功耗為0.84 μW，非線性度小于1%。

5 結(jié)論

本文在30 μm×60 μm單元面積內(nèi)設(shè)計(jì)了短波紅外焦平面讀出電路CTIA輸入級。該輸入級能夠很好的處理探測器的0.1～10 pA小信號電流，具有很高的響應(yīng)線性度和大動態(tài)范圍。測試結(jié)果表明，該讀出電路在高幀頻下工作能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為滿足應(yīng)用發(fā)展的要求，該讀出電路輸入級結(jié)構(gòu)的研制需要進(jìn)一步提高偏置電壓穩(wěn)定性、降低噪聲影響，同時(shí)向更小面積(如20 μm×20 μm)發(fā)展。

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