雙色紅外焦平面陣列讀出電路設計*

王錦春 ，關 鈺，彭震宇，2，呂衍秋，2，馬德軍，2，劉鎮(zhèn)碩

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009;2.紅外探測器技術航空科技重點實驗室，河南 洛陽471009;3.東南大學國家專用集成電路工程技術研究中心，南京210096)

紅外成像技術由于在紅外搜索與跟蹤、醫(yī)學、天文學、前視紅外系統(tǒng)、導彈制導以及其它戰(zhàn)略上的多重應用需求而得到迅速發(fā)展［1］。紅外焦平面陣列(IRFPA)是紅外成像技術中獲取紅外圖像信號的核心光電器件，經(jīng)過幾十年的技術進步，目前已經(jīng)發(fā)展到以大面陣高分辨率、高性能、雙色和多色以及智能化為特征的第3 代紅外焦平面探測器［2-3］。

雙色技術作為第3 代紅外探測器的一種技術方法，可以響應同一輻射目標的兩個不同波段的信息，可以對復雜背景進行有效抑制，提高目標的探測與識別能力。近年來，雙色紅外焦平面探測器及其讀出電路成為熱點研究領域［4-6］。針對不同的應用需求，雙色紅外焦平面陣列的器件結構與波段組合包括 SWIR/MWIR、MWIR/MWIR、MWIR/LWIR 與LWIR/VLWIR 等［7］。

讀出電路(ROIC)完成紅外焦平面探測器轉換后電信號的放大、采樣保持以及多路傳輸，其功能與性能直接決定了紅外焦平面探測器組件應用范圍及性能，是紅外焦平面陣列的重要組成部分。國內(nèi)讀出電路設計技術起步較晚，功能豐富、性能優(yōu)異的讀出電路設計技術已成為目前紅外焦平面陣列研究中快速發(fā)展的技術之一［8-10］。

1 雙色紅外焦平面讀出電路設計

1.1 P-N-N-P 疊層雙色紅外探測器結構

128×128 疊層雙色紅外焦平面探測器采用MWIR/SWIR 組合的P-N-N-P 結構。探測器單元結構如圖1(a)所示，兩個探測器垂直疊加形成疊層雙色結構，背入射的紅外信號透過襯底后，短波紅外信號被禁帶寬度較大的短波二極管吸收，光生載流子被短波P-N 結分開，電流信號從短波(SW)與公共電極(COMMON)輸出;中波紅外穿過寬禁帶勢壘阻擋層后，被禁帶寬度較低的中波二極管吸收，光生載流子被中波P-N 結分開，電流信號從中波(MW)與公共電極(COMMON)輸出。該探測器有3 個獨立電極，可以同時得到中波與短波紅外信號，簡化讀出電路的設計難度，同時又可以使中波與短波同時積分同時讀出，縮短幀周期。探測器等效電路如圖1(b)所示，中波與短波信號分別從獨立的電極MW與SW 引出，共用一個公共電極COMMON。

圖1 P-N-N-P 雙色紅外探測器單元結構及其等效電路

1.2 讀出電路總體結構

探測器單元輸出的中波與短波電信號分別通過相對應的銦柱連接到對應的讀出電路單元上，讀出電路完成電信號的放大、采樣保持以及多路傳輸。根據(jù)探測器的具體要求及應用需求，128×128 雙色紅外焦平面讀出電路總體結構如圖2 所示，時序產(chǎn)生電路在主時鐘(CLK)、中波積分控制信號(MWINT)與短波積分控制信號(MWINT)的控制下產(chǎn)生行選擇電路與列選擇電路，直接注入(DI)型單元電路讀出的紅外信號在行選與列選信號的控制下分別經(jīng)過各自的列運算放大器并緩沖輸出到各自的輸出端口。

圖2 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路總體結構圖

1.3 讀出電路單元電路及信號通路

單元電路是紅外焦平面讀出電路重要的組成模塊，直接決定了讀出電路乃至焦平面探測器組件的最終性能。根據(jù)紅外系統(tǒng)以及探測器的不同應用需求，單元電路的主要結構有直接注入(DI)、源跟隨(SF)、緩沖直接注入(BDI)、電容跨導積分放大器(CTIA)、開關電流積分(SCI)以及柵調(diào)制輸入(GMI)等［11］。雙色紅外焦平面讀出電路需要在一個探測器單元面積內(nèi)同時設計中波與短波兩套獨立的單元電路，本文設計的電路中每個波段有電容選擇開關，從而在每個波段都需要4 個獨立的積分電容，對面積的要求非常嚴格，因此本文選取結構簡單的直接注入結構作為電路的輸入級，可以在同樣的單元面積內(nèi)獲得更大容量的電容。

圖3 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路單元電路及信號通路

單元電路、列運算放大器和輸出緩沖器組成的完整信號通路如圖3 所示，中、短波信號同時從探測器進入讀出電路單元內(nèi)部，由于中、短波采用的電路結構完全相同，只是積分電容大小以及部分MOS 管的具體尺寸有所不同，僅以中波部分為例介紹一下單元電路的具體工作原理。

中波單元電路由MOS 器件M1～M5、電容MWC1以及MWC2組成，紅外探測器工作在反向偏置狀態(tài)，探測器公共端COMMON 加正電源電壓5 V，光電流通過注入管M2向積分電容充電，完成電流到電壓的轉換。單元電路積分過程結束后，行選擇信號LSEL(i)(i=1 ～128)控制的NMOS 管M5打開，將積分電容上的電荷傳輸?shù)搅羞\算放大器并保持，在列選擇信號CSEL(i)(i=1 ～128)的控制下，列運算放大器上的電壓被依次緩沖輸出到輸出端MWOUT。單元電路中的M1是測試管，通過柵電壓VMWTest的調(diào)節(jié)，模擬探測器的光電流信號，可以完成讀出電路的單獨測試。在探測器與讀出電路互連后，將探測器柵電壓VMWTest短接到VDD 即可關斷M1。復位管M3復位完成后讀出電路積分前單元電路內(nèi)積分電容上電荷為零，保證單元電路積分開始時輸出電平的一致性。每列單元電路的輸出共用一個列運算放大器的負反饋端，列放大器的正反饋端接基準電壓VVMWREF，通過行選擇信號依次選通各行的單元積分電容上的電荷。列放大器包含一個行復位信號AMPRST，在每行單元電路內(nèi)的電荷信號經(jīng)過輸出緩沖器輸出后，列放大器都要進行一次復位操作，以保證下一行數(shù)據(jù)可以有效進入列運算放大器并緩沖輸出。電容選擇端MWADDC 可以根據(jù)系統(tǒng)應用的需求選擇單元電路內(nèi)不同大小的積分電容，增加系統(tǒng)應用的靈活性。

假定積分電容MWC1與MWC2均參與工作，列運算放大器反饋電容MWC3與MWC4的電容值分別與單元電路對應的積分電容相等，即CMWC1=CMWC3且CMWC2=CMWC4，探測器單元轉換后的光電流為Iint(i，j)(i=1 ～128，j=1 ～128)，積分時間為Tint，注入效率為η，經(jīng)過積分過程已經(jīng)列運算放大器的電荷再分配過程，最終的中波輸出端電壓為［10］:

輸出電壓VMWOUT的最大電壓與基準電壓VVMWREF有關，當積分電流為0 時，最大輸出電壓為2VVMWREF。因此可以通過調(diào)節(jié)VVMWREF的大小獲得較大的輸出擺幅，從而獲得更大的探測器動態(tài)范圍，當然，VVMWREF的大小仍然受電路中其他MOS 管的工作狀態(tài)制約而選取合適的值，從而最大范圍地獲得輸出擺幅的提升。

1.4 讀出電路時序設計

128×128 雙色紅外焦平面讀出電路工作于同時積分、同時讀出模式，中波與短波積分控制信號通過INTMW 與INTSW 兩個信號端口同時送入時序產(chǎn)生電路中，當中波積分與短波積分都完成后開始同時讀出中、短波信號，讀出電路一幀與一行的具體時序圖如圖4 所示。在圖4(a)中，主時鐘CLK、中波積分控制信號INTMW 與短波積分控制信號INTSW 產(chǎn)生內(nèi)部需要的各個時鐘信號，積分控制信號周期即為幀周期。中波與短波積分積分控制信號同時送入時序產(chǎn)生電路后產(chǎn)生50 個CLK 周期的復位信號RST，對像素單元電路進行復位，然后開始積分時間INTm 與INTs，當積分過程都完成后同時讀出128行像元信號，每行讀出時間為TL。圖4(b)為一行的讀出時序圖，每行的讀出周期內(nèi)包含有列運算放大器復位時間與128 個像素單元的讀出時間，每個像素單元讀出時間為TC，即一個CLK 周期。

圖4 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路時序圖

2 雙色紅外焦平面讀出電路的仿真

2.1 讀出電路仿真結果分析

對128×128 雙色紅外焦平面讀出電路進行整體電路仿真，輸出波形如圖5 所示，讀出電路整體時序正常工作，滿足設計要求。選取一行內(nèi)的8 個像素單元，給定不同的積分電流，中、短波積分電流經(jīng)過積分、列運算放大器以及輸出緩沖器后的最終輸出結果分別如圖6(a)與圖6(b)所示，驗證了讀出電路單元電路及整個信號通路正常工作，滿足設計要求。

讀出電路輸出電壓與積分電流的線性度是表征讀出電路性能的重要參數(shù)之一［12］，為驗證讀出電路積分電流與輸出電壓的線性度，對讀出電路一個單元內(nèi)注入不同積分電流仿真其輸出電壓，中、短波輸出電壓的結果分別如圖7(a)與圖7(b)所示，輸出電壓隨著積分電流的變化呈線性變化。

圖8(a)、圖8(b)分別是圖7 所示的中、短波輸出電壓與對應中、短波積分電流的線性擬合曲線，采用最小二乘法進行線性回歸，可以看出中、短波的輸出線性度良好。中波線性相關系數(shù)為99.998%，標準偏差為0.005 72 V;短波線性相關系數(shù)為99.413%，標準偏差為0.108 01 V。

圖5 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路輸出波形圖

圖6 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路八個像素單元不同積分電流的輸出波形

圖7 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路單元不同積分電流輸出電壓仿真結果

圖8 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路輸出電壓與積分電流的線性度擬合

2.2 讀出電路版圖設計

雙色紅外焦平面讀出電路版圖如圖9 所示，采用0.5μm 雙層多晶三層金屬(DPTM)N 阱CMOS 工藝線設計，中間的重復單元式單元電路，外圍是數(shù)字時序控制部分版圖設計，最外圍的是焊盤，整體芯片的面積為9.2 mm×8.0 mm。

圖9 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路整體版圖

3 結論

本文根據(jù)一種三電極疊層雙色結構探測器的具體應用需求，詳細研究了一種采用直接注入結構的128×128 雙色紅外焦平面讀出電路，對其像素單元、時序設計進行了詳細分析。該電路在標準的0. 5 μm DPTM 工藝庫進行了仿真與版圖設計及驗證，結果表明電路工作正常，各項指標滿足設計要求。

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