紅外焦平面信號(hào)讀出及處理技術(shù)

李敬國(guó),卓 毅

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著紅外探測(cè)器及集成電路技術(shù)的發(fā)展,作為紅外探測(cè)器組件核心部件的讀出電路正朝著第三代焦平面讀出電路的方向發(fā)展,其主要特點(diǎn)是大面陣、小間距、高幀頻、數(shù)字化、大電荷處理能力等。焦平面讀出電路信號(hào)處理技術(shù)在提高了組件小型化、智能化水平的同時(shí),大大提高了組件的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比,提高了系統(tǒng)的靈敏度。

2 讀出電路關(guān)鍵性能指標(biāo)

讀出電路的典型工作原理如圖1所示,其主要功能是對(duì)紅外探測(cè)器的電流信號(hào)進(jìn)行積分,電荷電壓轉(zhuǎn)換、放大,最后經(jīng)過(guò)時(shí)序選通緩沖放大器輸出。

讀出電路一般通過(guò)銦柱倒裝互連的形式與紅外探測(cè)器連接,封裝在真空杜瓦適配制冷機(jī),形成了紅外探測(cè)器組件。表征其圖像質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)分別為動(dòng)態(tài)范圍與信噪比。

圖1 讀出電路工作原理圖Fig.1 Readout circuit schematic

動(dòng)態(tài)范圍定義為最大的非飽和信號(hào)與無(wú)光輸入條件下組件噪聲之比,參見(jiàn)公式(1),動(dòng)態(tài)范圍大的組件通常會(huì)產(chǎn)生高的圖像質(zhì)量[1]。

(1)

(2)

雖然,平均噪聲功率會(huì)隨著光信號(hào)iph增加而增加,SNR還是會(huì)單調(diào)增加；剛開始,讀出電路噪聲占主導(dǎo)時(shí),SNR以20 dBs/dec斜率增加；最終,散粒噪聲占主導(dǎo)時(shí),SNR以10 dBs/dec斜率增加。

組件的動(dòng)態(tài)范圍、信噪比與紅外探測(cè)器暗電流水平、讀出電路的電荷處理能力、讀出電路噪聲水平直接相關(guān)。對(duì)于低背景、弱目標(biāo)應(yīng)用而言,讀出電路噪聲水平至關(guān)重要,其噪聲水平由讀出電路輸入級(jí)噪聲水平?jīng)Q定。

3 讀出電路輸入級(jí)技術(shù)

根據(jù)應(yīng)用背景不同,通常會(huì)選用不同的輸入級(jí)結(jié)構(gòu),讀出電路的輸入級(jí)結(jié)構(gòu)主要有源隨結(jié)構(gòu)、直接注入結(jié)構(gòu)、CTIA結(jié)構(gòu)。圖2為源隨輸入級(jí)結(jié)構(gòu)[2]。

圖2 源級(jí)跟隨器輸入級(jí)原理Fig.2 Source Follower input stage schematic

源隨輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是光電二極管復(fù)位后,光電流直接在輸入節(jié)點(diǎn)電容上進(jìn)行積分,積分節(jié)點(diǎn)電壓通過(guò)開關(guān)源隨結(jié)構(gòu)讀出,通常情況下,每列源隨結(jié)構(gòu)公用一組電流源。由于輸入節(jié)點(diǎn)電容主要是由光電二極管節(jié)電容組成,節(jié)點(diǎn)電容會(huì)隨著積分節(jié)點(diǎn)電壓而變化,因此源隨輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是先天存在非線性特征,同時(shí)二極管偏壓的不恒定導(dǎo)致像素之間電容效應(yīng)。另外,由于未與讀出電路去耦,二極管偏置電壓會(huì)受到讀出電路各種電效應(yīng)的影響,比如電耦合、電荷注入。

源隨輸入級(jí)結(jié)構(gòu)除了復(fù)位噪聲,源隨MOS管是唯一的像素噪聲來(lái)源,其輸出噪聲為熱噪聲,其值參見(jiàn)公式(3),在大規(guī)格陣列中,由于其負(fù)載電容比較大,源隨結(jié)構(gòu)的噪聲電子會(huì)非常低。

(3)

與源隨結(jié)構(gòu)相比,直接注入輸入級(jí)結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是其積分電容可以獨(dú)立設(shè)計(jì),因此其具有獨(dú)立的電容電壓轉(zhuǎn)換因子。對(duì)同樣的讀出電路鏈路噪聲,直接注入結(jié)構(gòu)可以提供更好的噪聲性能,其主要缺點(diǎn)是電流注入效率取決于由光電流決定的MOS管的跨導(dǎo),參見(jiàn)公式(4)～(6),輸入電流超低的情況下,采用直接輸入級(jí)結(jié)構(gòu)要求非常高的動(dòng)態(tài)阻抗,但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致比較低的截止頻率,從而給積分時(shí)間設(shè)定了下限。動(dòng)態(tài)阻抗在1014Ω,至少需要1 fA的電流才能取得比較好的注入效率。

(4)

(5)

(6)

圖3 直接注入輸入級(jí)原理Fig.3 Direct Injection input stage schematic

與DI注入結(jié)構(gòu)相似,CTIA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)同樣可以調(diào)節(jié)電荷電壓轉(zhuǎn)換因子,提供精確的低阻光電二極管的偏置,但不會(huì)存在注入效率的問(wèn)題。CTIA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)受面積約束比較強(qiáng),因此放大器的低頻噪聲是噪聲的主要貢獻(xiàn)者；采用CDS相關(guān)雙采樣技術(shù)可以消除大量的復(fù)位噪聲,達(dá)到降噪目的,但積分時(shí)間會(huì)決定最終的噪聲水平,因?yàn)榉e分時(shí)間會(huì)改變CDS濾波器的譜響應(yīng)。積分節(jié)點(diǎn)之后的讀出鏈路(像素級(jí)的源隨放大器、輸出緩沖器)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的電壓噪聲,其值主要取決于鏈路帶寬和功耗限制。當(dāng)CTIA反饋電容足夠小,高轉(zhuǎn)換增益產(chǎn)生高的信噪比會(huì)彌補(bǔ)像素運(yùn)放產(chǎn)生的額外噪聲。其噪聲傳輸函數(shù)參見(jiàn)公式(7)[3]。

(8)

圖4 CTIA輸入級(jí)原理Fig.4 CTIA input stage schematic

圖5為采用CDS相關(guān)雙采樣后,CTIA噪聲與積分電容、積分時(shí)間、讀出電路鏈路噪聲仿真圖。當(dāng)幀頻很低時(shí),讀出電路鏈路帶寬很小,噪聲水平比較低,通常在100 μV以下；但是,由于積分時(shí)間很長(zhǎng),經(jīng)過(guò)CDS以后,運(yùn)算放大器的閃爍噪聲仍然比較明顯,CTIA噪聲水平比較高。另外,參考電壓和電源電壓的低頻噪聲會(huì)進(jìn)一步抬高CTIA的噪聲的水平[3]。

圖5 CDS后的CTIA噪聲、積分電容、積分時(shí)間關(guān)系Fig.5 The relationship of CTIA noise,integration capacitor,integration time

4 讀出電路低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)紅外探測(cè)器組件應(yīng)用環(huán)境為低背景、弱目標(biāo)時(shí),由于CTIA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)注入效率很高,通常會(huì)被采用,CTIA結(jié)構(gòu)的KTC噪聲對(duì)成像質(zhì)量影響較大,其主要與CTIA的反饋電容和輸入電容相關(guān),當(dāng)CTIA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)增益比較高時(shí),復(fù)位輸入?yún)⒖荚肼暱梢赃_(dá)到幾百個(gè)電子,消除KTC噪聲對(duì)低噪聲成像應(yīng)用至關(guān)重要,消除KTC噪聲的主要方法是采用相關(guān)雙采樣。相關(guān)雙采樣一方面可以通過(guò)列級(jí)后續(xù)相關(guān)雙采樣實(shí)現(xiàn),圖6(a)為滾動(dòng)模式下的CDS電路結(jié)構(gòu),在滾動(dòng)積分模式下,Cint是信號(hào)電荷積分電容,Cs是像素內(nèi)復(fù)位信號(hào)采樣電容。讀出階段分為兩部分,首先對(duì)存儲(chǔ)在Cs上的復(fù)位信號(hào)進(jìn)行采樣,然后時(shí)鐘信號(hào)psc變?yōu)楦唠娖?對(duì)積分信號(hào)進(jìn)行采用讀出,時(shí)序見(jiàn)圖6(b)所示。兩次采樣差值就是消除復(fù)位低頻噪聲后的信號(hào)。

列級(jí)后續(xù)相關(guān)雙采樣主要局限：由于要進(jìn)行連續(xù)的兩次操作,讀出電路的帶寬翻倍,影響整個(gè)系統(tǒng)的功耗；另外晶體管漏電在兩幀讀出方式相關(guān)雙采樣模式下會(huì)通過(guò)噪聲引起誤差。

圖6 滾動(dòng)積分相關(guān)雙采樣時(shí)序Fig.6 CDS timuy in rolling mocle integration

另外一種相關(guān)雙采樣模式為像素級(jí)相關(guān)雙采樣[4],如圖7所示。其原理主要是將積分節(jié)點(diǎn)通過(guò)交流耦合至干凈的參考電壓V_CLAMP,像素里的交流耦合抑制了復(fù)位的不確定性。由于復(fù)位開關(guān)執(zhí)行復(fù)位時(shí),會(huì)引起運(yùn)算放大器干擾；為了減小干擾,在積分電壓允許交流耦合到相關(guān)雙采樣左側(cè)之前,利用系統(tǒng)容許足夠時(shí)間讓復(fù)位干擾瞬態(tài)建立,采樣鉗位開關(guān)Clamp斷開時(shí)間要比CTIA復(fù)位開關(guān)RST斷開時(shí)間延遲10 ～100 ns。一旦采樣的鉗位開關(guān)斷開,復(fù)位電平就存儲(chǔ)在相關(guān)雙采樣電容上,然后,采樣電容的左側(cè)開始跟隨積分電荷,最終形成純的像素輸出信號(hào)。

圖7 像素級(jí)相關(guān)雙采樣Fig.7 Pixel level CDS

5 大電荷處理能力設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的模擬讀出電路一般采用積分電容進(jìn)行紅外探測(cè)器光電流信號(hào)的搜集,最大的電荷處理能力等于總的積分電容與積分電容上最大電壓之積,由于受到工藝技術(shù)的限制,即：工藝電壓與電容密度,通常模擬讀出讀出電路的的最大電荷處理能力只能達(dá)到30Me左右,限制了紅外探測(cè)器的最小溫度分辨率。讀出電路像素單元的電荷處理能力決定了焦平面芯片的最大靈敏度。

假設(shè)讀出電路是理想電路,紅外探測(cè)器組件的總噪聲來(lái)自于信號(hào)光電流內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)波動(dòng),即散粒噪聲受限探測(cè),最大信噪比為：

(9)

為了突破傳統(tǒng)模擬集成電路電荷處理能力的限制,世界許多研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出了像素級(jí)電荷包計(jì)數(shù)技術(shù)以提高讀出電路的電荷處理能力。

像素級(jí)電荷包計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)原理框圖如圖8所示。它是將探測(cè)器的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之成正比的脈沖信號(hào),對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),通過(guò)計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字碼來(lái)反映探測(cè)器光電流的大小。像素單元電路主要由探測(cè)器、內(nèi)部積分電容Cint、比較器、復(fù)位電路、反饋電路和計(jì)數(shù)器、移位寄存器等組成[5]。

其工作原理是當(dāng)光照射到探測(cè)器時(shí),產(chǎn)生的光電流給探測(cè)器的電容放電,導(dǎo)致了Vint電位的下降,Vint和Vref通過(guò)比較器進(jìn)行比較,Vref由片上的DAC或者由分壓電路產(chǎn)生。當(dāng)Vint電位低于Vref時(shí),比較器輸出為高電平,經(jīng)反饋電路反饋到復(fù)位電路,使Vint的電位復(fù)位到初始電平。

圖8 像素級(jí)ADC原理Fig.8 Pixel level ADC schematic

根據(jù)電荷守恒定律,采用像素級(jí)電荷計(jì)數(shù)包方式,可以實(shí)現(xiàn)最大電荷處理能力如公式(10)。

Qmax=Iph×Tint=2N×Cint×(VR-VREF)

(10)

其中,VR為復(fù)位電平；N為計(jì)數(shù)器的位數(shù)。

與傳統(tǒng)的模擬讀出電路電荷處理能力相比,采用像素級(jí)電荷計(jì)數(shù)包的方式,讀出電路的電荷處理能力可以提高10倍,信噪比可以提高2.5倍以上[6]。

6 結(jié) 論

通過(guò)深入分析與紅外探測(cè)器組件成像質(zhì)量密切相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍和信噪比的影響因素以及讀出電路輸入級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),總結(jié)了讀出電路輸入級(jí)的選擇方法、讀出電路的低噪聲相關(guān)雙采樣以及大電荷處理能力設(shè)計(jì)技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,如果背景、目標(biāo)信號(hào)非常弱小,讀出電路噪聲占比較大,紅外探測(cè)器組件工作在非背景限條件下,要重點(diǎn)進(jìn)行低噪聲讀出電路設(shè)計(jì)；如果背景、目標(biāo)信號(hào)比較強(qiáng),紅外探測(cè)器組件工作在背景限條件下,要重點(diǎn)進(jìn)行讀出電路大電荷處理能力的設(shè)計(jì)、降低暗電流以提高組件的動(dòng)態(tài)范圍與靈敏度。

參考文獻(xiàn)：

[1] LI Jing guo.Noise analysis and study of ROIC for infrared focal plane array[J].Laser & Infrared,2010,40(5):542-545.(in Chinese)

李敬國(guó).紅外焦平面讀出集成電路噪聲分析研究[J].激光與紅外,2010,40(5):542-545.(in Chinese)

[2] Bruno FIEQUE,etc.Infrared ROIC for very low flux and very low noiseapplications.Proc.SPIE 8176,Sensors Systems and Next-Generation Satellites XV,October,2011.

[3] F Guellec,etc.Roic development at cea for swir detectors:pixel circuit architecture and trade-offs[J].International Conference on Space Optics,Tenerife,Canary Islands,Spain,October 2014.

[4] S Kleinfelder,Y Chen,K Kwiatkowski.High-speed CMOS image sensor circuits with insitu frame storage[J].Nuclear Science,IEEE Transactions on,2004，51：1648-1656.

[5] Matthew G Brown,Justin Baker,Curtis Colonero,et al.Digital-pixel focal plane array development[J].Proc.SPIE 7608,Quantum Sensing and Nanophotonic Devices VII,2010,760281-1-1：10.

[6] Kenneth I Schultz,Michael W Kelly,etc.Digital-pixel focal plane array technology.[J].Lincoln Laboratory Journal,2014，20(2)：36-51.