640×512-25 μm多功能紅外讀出電路設(shè)計(jì)

劉琦 夏曉娟 徐申 馬德軍 王錦春

摘要： ? ? ?以上華0.35 μm 5 V工藝設(shè)計(jì)了一款640×512-25 ?μm多功能紅外讀出電路。 該紅外讀出電路工作在80 K溫度條件下適合多種紅外探測器， 如InSb， HgCdTe 和InGaAs。 此設(shè)計(jì)在分析各模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上， 重點(diǎn)設(shè)計(jì)了像素單元以及陣列的讀出方式。 同時(shí)， 利用相關(guān)雙采樣技術(shù)， 降低了信道里產(chǎn)生的噪聲。 最后， 對該設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行單路、 雙路和四路仿真。 其中工作頻率為5 MHz， 系統(tǒng)默認(rèn)工作幀頻為60 Hz， 最大功耗為180 mW， 輸出擺幅大于3 V， 線性度也在99%以上。

關(guān)鍵詞： ? ? 多功能; 紅外焦平面陣列; 像素單元; 相關(guān)雙采樣

中圖分類號： ? ?TJ765; TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ? ?A文章編號： ? ? 1673-5048（2019）02-0090-06

0引言

紅外技術(shù)由于軍事的強(qiáng)烈需求牽引而得以迅速發(fā)展， 紅外成像儀可裝備各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)武器， 常用于紅外偵察、 預(yù)警、 跟蹤和精確制導(dǎo)， 是電子戰(zhàn)、 信息戰(zhàn)中獲取信息的主要技術(shù)之一[1-4]。 紅外焦平面陣列（Infrared Focal Plane Array， IRFPA）技術(shù)是紅外探測技術(shù)的發(fā)展方向之一， 是集紅外材料、 光學(xué)技術(shù)和微電子技術(shù)于一體的高科技綜合技術(shù)。 其工作性能既與探測器的量子效率、 光譜響應(yīng)、 噪聲譜、 一致性有關(guān)， 還與電路輸入級的電荷存儲能力、 均勻性、 注入效率， 電路輸出級的電荷轉(zhuǎn)移效率、 線性度、 動態(tài)范圍有關(guān)[5-8]。 現(xiàn)在對于成熟的紅外焦平面探測技術(shù)來說， 成為其發(fā)展瓶頸的不是探測器本身， 而是紅外讀出電路， 典型的紅外讀出電路框圖如圖1所示。

目前， 絕大多數(shù)IRFPA均是帶硅基的讀出電路的混合式陣列， 讀出電路規(guī)模也從較小的64×64發(fā)展到1 024×1 024元甚至更高， 同時(shí)像素的密度也在不斷提高， 單元面積從100 μm2發(fā)展到15 μm2甚至更小， 但隨著像素密度的增加， 版圖的布局和走線也變得更加困難。 隨著陣列規(guī)模不斷的擴(kuò)大，對數(shù)據(jù)的傳輸要求也提出了較高的要求， 從以前的單路發(fā)展到雙路輸出， 又到現(xiàn)在的四路輸出。 因此， 多路輸出功能成了當(dāng)今大規(guī)模陣列紅外讀出電路的標(biāo)配。

據(jù)提出了較高的要求， 對功耗的控制問題也擺在了電路設(shè)計(jì)者們的面前。 因此在紅外讀出電路不需要滿陣列工作的情況下， 實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的開窗也成為了大規(guī)模陣列讀出電路的必要功能[9-10]。

就目前來講， 國內(nèi)的紅外焦平面陣列技術(shù)還停留在陣列規(guī)模普遍不是很大， 功能比較單一的階段。 針對上述問題， 本文設(shè)計(jì)了一款640×512多功能紅外讀出電路， 該設(shè)計(jì)的芯片采用先積分后讀出以及邊積分邊讀出方式， 同時(shí)具有任意開窗以及多路輸出功能。

1關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理

1.1像素單元

模擬信號通路由探測器光電信號產(chǎn)生模塊、 像素單元采樣模塊、 列信號處理模塊和輸出緩沖模塊組成， 通過數(shù)字電路的控制信號， 探測器感應(yīng)的紅外信號可以一級一級地傳輸。 單個(gè)像素信號的大致流程如圖2所示， 像素單元將光電流采樣為積分電容上的電壓信號， 經(jīng)過行選信號選通， 電壓被采樣到列信號處理單元， 最后列選信號有效， 信號經(jīng)過輸出驅(qū)動器輸出。

像素單元設(shè)計(jì)是紅外讀出電路最重要的設(shè)計(jì)之一。 本文像素單元采用直接注入（DI）結(jié)構(gòu)[11-13]， 具有占用面積小、 電路結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)， 大規(guī)模紅外焦平面陣列大多都采用此結(jié)構(gòu)。 在該電路中， 探測器電流通過注入管向積分電容充電， 實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換， 電壓增益的大小與積分電容的大小有關(guān)， 當(dāng)然也受到電源電壓的限制。 圖3為像素單元的電路結(jié)構(gòu)。

其中， Cin為積分電容， Csh為采樣電容。 M1， M2分別為注入管和測試注入管， M2和M5分別為積分電容和采樣電容的復(fù)位管， M4為采樣管， M6和M7為后級電路源跟隨器的一部分。 本文芯片設(shè)計(jì)有邊積分邊讀出和先積分后讀出兩種主要讀出方式。 圖4為像素單元時(shí)序框圖。

1.2相關(guān)雙采樣模塊

列信號處理單元最需要解決的是信道噪聲問題[14]。 因此， 列信號處理單元通過相關(guān)雙采樣來降低信道里的噪聲[15-17]。 圖5為相關(guān)雙采樣模塊電路。

在T1時(shí)刻， 復(fù)位開關(guān)閉合， VOS端的電壓為VOS， Vin端的電位為V1。 在T2時(shí)刻， 復(fù)位開關(guān)打開， 同時(shí)Vin端電壓變?yōu)閂2。 此時(shí)根據(jù)B點(diǎn)在T1和T2時(shí)刻電荷守恒， 可以得到

C0（VREF-V1）=C0（VREF-V2）+C2（VREF-VOS）+C1（VREF-VO）

VO=C0C1（VT1-VT2）+C2C1（VREF-VOS）+VREF

這樣就可以在輸出結(jié)果加上或者減去一個(gè)固定電平， 達(dá)到一個(gè)全局偏移的目的。

2主要數(shù)字功能設(shè)計(jì)

2.1格雷碼計(jì)數(shù)器模塊

在大規(guī)模的焦平面陣列中， 如果只對一部分區(qū)域的圖像感興趣， 就可以通過該功能對感興趣的區(qū)域進(jìn)行讀出， 有效提高了焦平面探測器的幀頻。 這種讀出方式既允許高分辨率、 全窗口、 寬視場模式讀出， 同時(shí)又可以在窄視場范圍內(nèi)以高速的數(shù)據(jù)率讀出。 ?當(dāng)二進(jìn)制數(shù)0111計(jì)數(shù)加1為1000時(shí)， 四位電平都需要轉(zhuǎn)換， 由于制造工藝、 門的種類甚至制造時(shí)微小的工藝偏差會導(dǎo)致四位電平轉(zhuǎn)換出現(xiàn)先后延遲， 從而出現(xiàn)一段窄脈沖， 即毛刺。 尤其在高速數(shù)字電路里面毛刺的維持時(shí)間較長會導(dǎo)致后續(xù)邏輯電平的錯(cuò)亂， 從而增加誤碼率。 其優(yōu)點(diǎn)為計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)一次， 地址只變化一位。 按上面例子0111轉(zhuǎn)化成格雷碼為0100， 計(jì)一次數(shù)為1100， 只有一位產(chǎn)生變化， 因此避免了競爭導(dǎo)致的冒險(xiǎn)。 行列格雷碼計(jì)數(shù)器工作總框圖如圖6所示。