具有TDMI功能的640×512雙色碲鎘汞焦平面讀出電路

白丕績(jī)，李 敏，王 博，陳 虓，梁 艷，洪建堂，李立華

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具有TDMI功能的640×512雙色碲鎘汞焦平面讀出電路

白丕績(jī)，李 敏，王 博，陳 虓，梁 艷，洪建堂，李立華

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

研制出一種應(yīng)用于單銦柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)/中波雙色疊層碲鎘汞640×512焦平面CMOS讀出電路（ROIC）。根據(jù)單銦柱結(jié)構(gòu)的雙色疊層碲鎘汞探測(cè)器實(shí)際應(yīng)用需求，讀出電路設(shè)計(jì)了單色長(zhǎng)波積分/讀出、單色中波積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)順序積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)分時(shí)多路積分（TDMI）/讀出等四種工作模式可選功能。輸入級(jí)單元電路分別采用長(zhǎng)/中波信號(hào)注入管、復(fù)位管、積分電容及累積電容，并分別采用讀出開(kāi)關(guān)緩沖輸出。為提高讀出電路的適應(yīng)性，各色信號(hào)通路分別設(shè)計(jì)了抗暈管以提高探測(cè)器的抗暈?zāi)芰Γ蛔x出電路采用快照（Snapshot）積分模式，單色積分時(shí)具有先積分后讀出（ITR）/邊積分邊讀出（IWR）可選功能；當(dāng)讀出電路工作在單色或雙色信號(hào)順序模式時(shí)，各色積分時(shí)間可調(diào)；此外讀出電路具有多種規(guī)格及任意開(kāi)窗模式。該讀出電路采用0.35mm 2P4M標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，工作電壓3.3V。讀出電路具有全芯片電注入測(cè)試功能，測(cè)試結(jié)果表明，在77K條件下，讀出電路的四種積分/讀出模式工作正常，單色信號(hào)輸出擺幅達(dá)2.3V，功耗典型值為65mW。

長(zhǎng)/中波雙色焦平面；單銦柱雙色疊層結(jié)構(gòu)；雙色讀出電路；時(shí)分多路積分

0 引言

雙色紅外焦平面能夠同時(shí)獲取同一目標(biāo)的2個(gè)紅外波段的輻射信息，可以從復(fù)雜背景條件下，將原來(lái)對(duì)目標(biāo)的單一探測(cè)（detection）功能擴(kuò)展到對(duì)目標(biāo)的認(rèn)識(shí)（identification），最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的可快速識(shí)別（discrimination），在偵查、預(yù)警、反導(dǎo)彈攔截等領(lǐng)域有非常重要的作用，因此雙色焦平面探測(cè)器一直是紅外探測(cè)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。

美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)在雙色碲鎘汞焦平面探測(cè)器研究方面起步早、技術(shù)成熟、一直處于領(lǐng)先地位[1-2]。從引出電極個(gè)數(shù)來(lái)區(qū)分，雙色碲鎘汞焦平面探測(cè)器的結(jié)構(gòu)主要有單銦柱結(jié)構(gòu)和雙銦柱結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的讀出電路工作模式有順序積分讀出和同時(shí)積分讀出2種形式。單銦柱結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每個(gè)光敏元只需一個(gè)獨(dú)立的電極，主要缺點(diǎn)是2個(gè)波段的探測(cè)器信號(hào)不能同時(shí)讀取，對(duì)焦平面的幀速有較大的影響；雙銦柱結(jié)構(gòu)則完全采用單色芯片的工藝技術(shù)，在一個(gè)區(qū)域分出2個(gè)光敏元，其優(yōu)點(diǎn)是利用二代焦平面的成熟技術(shù)，而缺點(diǎn)是減少了光敏元的有效面積。

為充分利用光敏元的有效面積，又能達(dá)到同時(shí)積分的效果，美國(guó)RVS（Raytheon Vision Systems）研制了適用于單銦柱疊層結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)/中波雙色碲鎘汞讀出電路（ROIC)，采用時(shí)分多路積分（time division multiplexed integration, TDMI）和子幀平均（Sub-frame Average, SFA）技術(shù)，先后研制成功640×480、1280×720等一系列規(guī)格的長(zhǎng)/中波雙色碲鎘汞焦平面探測(cè)器，達(dá)到準(zhǔn)同時(shí)（quasi-simultaneously）積分讀出的效果[3-4]。

TDMI工作模式的焦平面讀出電路，長(zhǎng)波/中波（LW/MW）兩個(gè)波段的信號(hào)分時(shí)多路積分，同時(shí)讀出；探測(cè)器的工作狀態(tài)分時(shí)多路控制，達(dá)到最佳狀態(tài)。在這個(gè)讀出電路設(shè)計(jì)時(shí)，TDMI控制電路很重要。由于要在一幀積分時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波段的信號(hào)分時(shí)多路積分、分別累加；且兩個(gè)波段的信號(hào)有數(shù)量級(jí)的差異，輸入級(jí)單元電路設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，否則會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)波信號(hào)積分飽和而中波信號(hào)積分不夠的現(xiàn)象。

1 640×512雙色焦平面讀出電路設(shè)計(jì)

1.1 640×512雙色焦平面讀出電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了640×512雙色焦平面讀出電路的結(jié)構(gòu)框圖，此ROIC主要由以下幾部分組成：640×512×2輸入級(jí)單元電路陣列、偏置電路產(chǎn)生模塊、列級(jí)信號(hào)處理電路模塊、工作模式控制模塊、窗口控制模塊、內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生電路模塊，以及行/列譯碼器等；該ROIC一共使用8個(gè)輸出緩沖放大器，分別用于緩沖輸出長(zhǎng)波和中波信號(hào)，以提高讀出速率和幀頻。

圖1 640×512雙色焦平面讀出電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 工作模式

讀出電路設(shè)計(jì)針對(duì)LW/MW雙色凝視型焦平面探測(cè)器單銦柱結(jié)構(gòu)，以及準(zhǔn)同時(shí)（quasi-simultaneous）積分、讀出的快照操作要求[5]，用戶可以選擇不同的工作模式：?jiǎn)紊L(zhǎng)波積分/讀出、單色中波積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)順序積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)時(shí)分多路積分（TDMI）/讀出等4種工作模式可選功能；積分時(shí)間可編程；其它的特征包括：抗光暈、積分時(shí)間可編程、同一讀出電路上可適用640×512、640×480、512×512等3種規(guī)格的焦平面陣列，以及開(kāi)窗模式工作，隨機(jī)的窗口方式可用作小于一幀的成像。

根據(jù)控制字Mode1/0的不同取值，輸入級(jí)有4種可選工作模式，其中“10”為默認(rèn)（Default）模式，如表1所示。

表1 4種工作模式及電荷處理能力

1.3 輸入級(jí)單元電路設(shè)計(jì)

基于直接注入積分原理，在輸入級(jí)電路里設(shè)計(jì)了2套單元電路，分別實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波信號(hào)和中波信號(hào)的積分和讀出[5]。如圖2所示，M1和M2分別為中波信號(hào)和長(zhǎng)波信號(hào)的注入管，int_M和int_L分別為中波信號(hào)和長(zhǎng)波信號(hào)的積分電容；M3和M4分別為中波信號(hào)和長(zhǎng)波信號(hào)的積分電荷轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)，PA_M和PA_L分別為中波信號(hào)和長(zhǎng)波信號(hào)的累積電容；M9和M10分別為中波信號(hào)和長(zhǎng)波信號(hào)的行讀出開(kāi)關(guān)，用于控制中波和長(zhǎng)波輸入級(jí)信號(hào)讀出；M5、M6、M7、M8等4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管分別用于對(duì)int_M、int_L、PA_M、PA_L等4個(gè)電容進(jìn)行復(fù)位。

1.3.1 單色及雙色信號(hào)順序積分工作模式

當(dāng)讀出電路工作在單色長(zhǎng)波積分/讀出、單色中波積分/讀出模式時(shí)，SUBPV分別固定為低電平或高電平。為提高單色信號(hào)的積分電荷量，M3和M4的控制電壓PA_L和PA_M自動(dòng)置為高，使得int_M和PA_M成為中波信號(hào)積分電容，int_L和PA_L成為長(zhǎng)波信號(hào)積分電容。在一幀周期內(nèi)，長(zhǎng)波/中波信號(hào)分別在各自的積分電容上積分，然后緩沖輸出。

當(dāng)讀出電路工作在長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)順序積分/讀出模式時(shí)，采用ITR積分模式。隨著長(zhǎng)波積分信號(hào)INT_LW和中波積分信號(hào)INT_MW的上升沿，SUBPV依次為低電平和高電平的周期性脈沖，電平值根據(jù)長(zhǎng)/中波探測(cè)器反向偏置要求，由外部輸入。

圖2 輸入級(jí)單元電路原理圖

1.3.2 雙色信號(hào)TDMI工作模式

如圖3所示，在TDMI工作模式下，一個(gè)幀周期包含多個(gè)子幀周期，長(zhǎng)波信號(hào)和中波信號(hào)分別用各自的輸入級(jí)單元電路在各個(gè)子幀周期內(nèi)對(duì)像素的長(zhǎng)波和中波光敏信號(hào)進(jìn)行積分，然后分別進(jìn)行轉(zhuǎn)移并各自完成累加；當(dāng)所有的子幀積分結(jié)束后，所讀出的積分信號(hào)就是分別進(jìn)行了“像素累加（PA）”處理后的長(zhǎng)波和中波輸出信號(hào)，然后分別同時(shí)傳輸?shù)搅刑幚砑?jí)。

圖3 時(shí)分多路積分（TDMI）工作原理圖

根據(jù)熱像總體系統(tǒng)的指標(biāo)分解，綜合考慮探測(cè)器的響應(yīng)特性及讀出電路現(xiàn)有設(shè)計(jì)水平，TDMI工作模式下的一個(gè)幀周期包含24個(gè)子幀周期，長(zhǎng)波信號(hào)和中波信號(hào)分別用12個(gè)子幀周期交替進(jìn)行信號(hào)積分及信號(hào)累加、讀出。

電容PA的信噪比（SNR）遵循遞歸濾波器原理[6-7]，當(dāng)長(zhǎng)波或中波信號(hào)進(jìn)行12次像素累加，信噪比提高效果與電容比例系數(shù)有關(guān)，電容比例系數(shù)如式(1)所示，信噪比增強(qiáng)效果如式(2)所示，其中S為積累的信號(hào)電荷、N為積累的噪聲電荷。

＝PA/(PA＋int) (1)

SNR增強(qiáng)與的關(guān)系如圖4所示?？梢钥吹?，當(dāng)累加次數(shù)一定時(shí)，系數(shù)越大時(shí)，SNR增強(qiáng)效果也越顯著。在輸入級(jí)電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意，要在有限的像素面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙色信號(hào)分別積分/讀出，既要保證電容比例系數(shù)取值合理，又要保證電容PA上的噪聲在ROIC中是最大的。通過(guò)折衷考慮，當(dāng)累積次數(shù)為12次時(shí)，取值0.8。采樣次數(shù)與信噪比提高的關(guān)系如圖4所示。

曲線1：＝0.3125；曲線2：＝0.5；曲線3：＝0.8；曲線4：＝0.833；曲線5：＝0.99

圖4 采樣次數(shù)與信噪比提高的關(guān)系

Fig.4 Numbers of pixel sample and accumulation

1.3.3 像素累計(jì)模式仿真結(jié)果

利用Cadence spectre程序?qū)斎雴卧娐罚ㄈ鐖D2所示）進(jìn)行了室溫條件下的電路仿真，以長(zhǎng)波/中波探測(cè)器以TDMI工作模式進(jìn)行了瞬態(tài)掃描，仿真結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)為對(duì)不同中波電流信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)掃描的結(jié)果，圖5(b)為對(duì)不同長(zhǎng)波電流信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)掃描的結(jié)果?？梢钥吹剑谑覝貤l件下，通過(guò)12次信號(hào)累加，中波信號(hào)的輸出擺幅達(dá)2.1V左右，長(zhǎng)波信號(hào)的輸出擺幅也達(dá)到2.1V左右。在低溫條件下，中波、長(zhǎng)波信號(hào)的輸出擺幅會(huì)有一定變化，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了冗余度。

圖5 TDMI模式下不同輸入電流作瞬態(tài)掃描(a) Vavg_M節(jié)點(diǎn)波形，(b) Vavg_L節(jié)點(diǎn)波形

1.3.4 雙色信號(hào)TDMI工作原理

當(dāng)選擇雙色信號(hào)TDMI工作模式，須同步輸入長(zhǎng)波與中波的幀積分信號(hào)（INT_LW和INT_MW）。積分過(guò)程在的INT_LW和INT_MW的上升沿開(kāi)始。首先晶體管M2被閉合（信號(hào)DI_L為高），光電二極管D_L轉(zhuǎn)換的電荷在積分電容int_L上積分；長(zhǎng)波信號(hào)積分結(jié)束后，晶體管M2被打開(kāi)（信號(hào)DI_L為低），晶體管M6被閉合（信號(hào)Rst1_L為高）；然后晶體管M1被閉合（信號(hào)DI_M為低），光電二極管D_M轉(zhuǎn)換的電荷在積分電容int_M上積分；中波信號(hào)積分結(jié)束后，晶體管M1被打開(kāi)（信號(hào)DI_M為高），晶體管M5被閉合（信號(hào)Rst1_M為高）。晶體管M2、M1閉合的持續(xù)時(shí)間稱為子幀周期。研制的ROIC一個(gè)幀周期包含24個(gè)子幀周期，長(zhǎng)波、中波的子幀周期分別為12個(gè)。如圖4所示，當(dāng)每個(gè)子幀周期交替結(jié)束后，晶體管M1或M2被交替打開(kāi)（信號(hào)DI_L為低、DI_M為高），積分電容int_L、int_M上的電荷被交替轉(zhuǎn)移到累積電容PA_L、PA_M上。一旦完成上述轉(zhuǎn)移，復(fù)位開(kāi)關(guān)晶體管M6、M5被交替閉合（信號(hào)Rst1_M、Rst1_L為高），使積分電容int_L、int_M交替被復(fù)位，然后分別開(kāi)始第二個(gè)子幀周期的積分[1,2,4]。

對(duì)于每一個(gè)子幀周期，上述轉(zhuǎn)移過(guò)程都會(huì)重復(fù)一次。值得注意的是，在所有的子幀周期過(guò)程中，累計(jì)電容PA_L、PA_M都不會(huì)被復(fù)位。于是，在累計(jì)電容PA_L、PA_M上分別產(chǎn)生累積電荷PA_L、PA_M并且被保持。

當(dāng)?shù)?4個(gè)子幀周期積分結(jié)束，讀出信號(hào)Read_L、Read_M同時(shí)到來(lái)，該像素的長(zhǎng)波與中波電荷累積信號(hào)分別被同時(shí)讀出，然后復(fù)位開(kāi)關(guān)M8和M7同時(shí)被閉合（信號(hào)Rst2_L和Rst2_M為高），分別對(duì)電容CPA_L、CPA_M進(jìn)行一次復(fù)位，標(biāo)志著一個(gè)積分周期INT_LW、INT_MW的結(jié)束。

1.4 雙色信號(hào)TDMI控制電路模塊設(shè)計(jì)

考慮到中、長(zhǎng)波探測(cè)器轉(zhuǎn)換時(shí)間需求，設(shè)計(jì)了內(nèi)部產(chǎn)生TDMI控制模塊[8-9]；考慮到器件制作也屬于探索階段，增加了外部輸入TDMI控制模式，使得長(zhǎng)波和中波器件的積分時(shí)間、采樣次數(shù)分別可調(diào)，提高了電路的適應(yīng)性。

1.4.1 雙色信號(hào)TDMI控制電路（默認(rèn)模式）

從積分的上升沿開(kāi)始后的3076.5 MC開(kāi)始，通過(guò)SUBPV端口依次輸入12個(gè)從0V到5V的周期性脈沖信號(hào)，周期＝4MC/MC_TDM（TDMI時(shí)鐘通過(guò)MC_SEL選擇：MC_SEL＝0（default），TDMI＝MC；MC_SEL＝1，TDMI＝MC_TDM），因此真正的積分時(shí)間是3076.5MC＋51MC/MC_TDM。積分時(shí)間可編程，且可通過(guò)改變MC/MC_TDM來(lái)不斷地改變。INT的下降沿，對(duì)應(yīng)MC的上升沿，它使輸入MOS晶體管截止結(jié)束積分。電路圖如圖6所示，控制信號(hào)脈沖波型如圖7所示。

1.4.2 雙色信號(hào)TDMI外部控制模式

從積分的上升沿開(kāi)始后的3076.5MC開(kāi)始（TEST_ENA＝0），以Rst_1的下降沿觸發(fā)，通過(guò)SUBPV端口依次輸入（建議值：＝12）個(gè)從0～3.3V的周期性脈沖信號(hào)；并從外部端口依此輸入GPOL_LW_SW、GPOL_MW_SW、PA_LW、PA_MW、RST1_LW、RST1_MW輸入TDMI控制信號(hào)。上述7個(gè)脈沖信號(hào)可參考圖7所示TDMI工作時(shí)序，它們的周期、占空比等可根據(jù)探測(cè)器實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行修改。

2 610×512雙色讀出電路測(cè)試結(jié)果

640×512雙色讀出電路采用0.35mm DPFM（2 Poly 4 Metal）標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制程，加工出來(lái)的是8英寸Wafer，其中一個(gè)讀出電路芯片如圖8所示。

在輸入單元電路里，各波段處理電路都預(yù)置了測(cè)試管。當(dāng)處于測(cè)試模式時(shí)，測(cè)試管模擬光電流進(jìn)行全芯片電注入測(cè)試。改變測(cè)試管的柵電壓，讀出電路的輸出相應(yīng)改變。讀出電路具備單色長(zhǎng)波積分/讀出、單色中波積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)順序積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)時(shí)分多路積分（TDMI）/讀出等4種工作模式可選功能。采用采用單色信號(hào)工作模式時(shí)，讀出電路的典型功耗是55mW；采用雙色信號(hào)TDMI工作模式時(shí)，讀出電路的典型功耗是65mW。讀出電路具備的積分時(shí)間可調(diào)、多種規(guī)格及開(kāi)窗模式等功能測(cè)試正常。表2列出了讀出電路的主要特征參數(shù)。

圖6 雙色信號(hào)TDMI控制電路（默認(rèn)模式）

Fig.6 Dual band signal TDMI control circuit(default)

圖7 雙色信號(hào)TDMI控制信號(hào)脈沖（默認(rèn)模式）

Fig.7 Dual band signal TDMI control signal pulse (default)

圖8 640×512雙色焦平面讀出電路芯片

3 結(jié)論

采用0.35mm DPFM標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)的640×512長(zhǎng)/中波雙色焦平面讀出電路具有單色長(zhǎng)波積分/讀出、單色中波積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)順序積分/讀出、長(zhǎng)/中波雙色信號(hào)時(shí)分多路積分（TDMI）/讀出等4種工作模式可選功能，SNR較高等優(yōu)點(diǎn)。理論分析及測(cè)試結(jié)果表明，采用TDMI技術(shù)可以達(dá)到準(zhǔn)同時(shí)積分/讀出效果。

表2 610×512 雙色讀出電路芯片77K條件下特征參數(shù)

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The ROIC for 640×512 Dual Band MCT Focal Plane Arrays with TDMI Operation

BAI Pi-ji，LI Ming，WANG Bo，CHEN Xiao，LIANG Yan，HONG Jian-tang，LI Li-hua

(,650223,)

The 640×512 ROIC used for one-indium-bump dual band MCT stacked focal plane array was developed. Four kinds of operation, LWIR only integration, MWIR only operation, DWIR Sequential integration and DWIR time-division multiplexed integration, were designed for one-indium-bump dual band MCT stacked focal plane array. The pixel input cell circuit was designed with LW integration DI circuit and MW integration DI circuit, the LW signal and MW signal were transported separately. To improve adaptability of the dual band detector assembly, the anti-booming operation had been achieved. The ROIC supports dual band signal Snapshot module，integration then readout (ITR) or integration while readout (IWR) operation separately, and selectable window readout modes. The 640×512 dual band focal plane ROIC was fabricated in 0.35mm DPFM CMOS process. The test result shows that the ROIC has good performance. The dynamic range of the ROIC is 2.3V, the time-division multiplexed integration operated well, and the total power dissipation is about 65mW.

long/middle wave dual band focal plane array，dual band read out integrated circuit，time-division multiplexed integration，one-indium-bump dual band MCT stacked

TN386.5

A

1001-8891(2015)12-1016-06

2015-01-22；

2015-06-11.

白丕績(jī)（1976-），男，云南祥云人，研究員，博士研究生，主要研究方向?yàn)榧t外探測(cè)及信號(hào)讀出，E-mail：hibai@126.com。

國(guó)防預(yù)研基金。