衛(wèi)星用高光譜紅外焦平面讀出電路設(shè)計

吳圣娟，胡彥博，胡 旭，洪建堂，李紅福，馬伊娜，鄧 蔚

衛(wèi)星用高光譜紅外焦平面讀出電路設(shè)計

吳圣娟，胡彥博，胡 旭，洪建堂，李紅福，馬伊娜，鄧 蔚

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

研制出一款高性能衛(wèi)星用高光譜紅外焦平面CMOS（complementary metal oxide semiconductor）讀出電路ROIC（readout integrated circuit）芯片。讀出電路設(shè)計包括任意行選擇功能以及行增益單獨調(diào)制功能，滿足高光譜應(yīng)用對讀出電路提出的新要求。讀出電路7檔增益可選，適用于中波與短波碲鎘汞HgCdTe（MCT）芯片；其他功能包括邊積分邊讀出IWR（integration while reading），抗暈，串口功能控制以及全芯片電注入測試功能。讀出電路采用0.35mm曝光縫合工藝，電源電壓5V，測試結(jié)果表現(xiàn)出良好的性能：在77K條件下，全幀頻可達450Hz，功耗可調(diào)且典型值為300mW。本文介紹了在讀出電路設(shè)計的基本架構(gòu)，提出設(shè)計中遇到的問題以及相應(yīng)的解決方法，在文末給出了電路的測試結(jié)果。

衛(wèi)星用讀出電路；高光譜探測器；碲鎘汞；行選擇功能

0 引言

高光譜遙感是窄波段連續(xù)的光譜通道對地物持續(xù)遙感成像的技術(shù)，它是在成像光譜學的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。相對于傳統(tǒng)遙感技術(shù)，高光譜成像光譜儀成像通道更多，能獲得更多的光譜空間信息來提高識別能力，在環(huán)境監(jiān)測、大氣探測、地球資源普查、自然災(zāi)害、天文觀測等諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。

美國JPL實驗室于20世紀80年代初期研制成功第一臺機載成像光譜儀，稱為AIS，這是高光譜成像技術(shù)的首次探索。1988年，Goetz博士在Science上系統(tǒng)性闡述了成像光譜技術(shù)在地球遙感領(lǐng)域的應(yīng)用能力，并公布其研究團隊利用AIS飛行數(shù)據(jù)進行應(yīng)用研究的結(jié)果。此后，經(jīng)典的機載AVIRIS、EO-1衛(wèi)星Hyperion等成像光譜儀相繼投入應(yīng)用，引領(lǐng)著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展方向[6]。我國近幾年來航空航天遙感發(fā)展迅速，“高分五號”衛(wèi)星是我國第一顆高光譜綜合觀測衛(wèi)星，用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)?！案叻治逄枴毙l(wèi)星是我國先進的高光譜探測衛(wèi)星，也是國家“高分專項”中搭載載荷最多、光譜分辨率最高、研制難度最大的衛(wèi)星，其多項指標達到國際先進水平[7-8]。

高光譜設(shè)備通過高數(shù)量光譜通道來成像。同其他常用的遙感手段相比，成像光譜獲得的數(shù)據(jù)具有波段多、光譜分辨率和空間分辨率高等特點。高數(shù)量光譜通道一般有幾十個到上百個覆蓋連續(xù)的光譜的通道，例如本文介紹的高光譜探測器有256個譜段；高光譜分光在關(guān)注的波段范圍內(nèi)具有高分辨率，通常為納米數(shù)量級[9-10]。

應(yīng)用于高光譜成像的讀出電路，空間維（列方向）一般比光譜維（行方向）長，芯片成品是細長形，例如，本文高光譜電路為1024×256陣列，通過拼接，陣列可到3k×256、8k×256或更大。高光譜成像原理如圖1所示，高光譜探測器在光譜維方向上進行分光，即每行對應(yīng)一個譜段。

1 總體設(shè)計

1.1 讀出電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

讀出電路系統(tǒng)框架如圖2所示，像元陣列、列級電路以及輸出接口電路構(gòu)成信號模擬通路。數(shù)字電路包括控制波形產(chǎn)生電路、行列譯碼電路、增益選擇模塊、行選擇模塊以及配置字串并轉(zhuǎn)換模塊。增益選擇、行選擇模塊由外部的配置字控制，并直接作用于陣列開關(guān)。偏壓模塊產(chǎn)生模擬偏壓，為像元放大器、列放大器以及輸出放大器提供偏置。

1.2 讀出電路主要性能參數(shù)

讀出電路像元陣列1024×256，像元中心距30mm，積分電容設(shè)計7檔可調(diào)，讀出模式為IWR（integration while reading）模式。具體如表1所示。

為增加讀出電路的應(yīng)用范圍，讀出電路設(shè)計7檔增益可調(diào)，如表2所示，經(jīng)過測試驗證，電路可應(yīng)用于中波和短波MCT探測器。

圖1 高光譜成像示意圖

2 電路設(shè)計

2.1 輸入級單元電路選擇

像元電路選擇電容跨導放大器CTIA結(jié)構(gòu)。主要原因包括：

1）與DI結(jié)構(gòu)相比，CTIA結(jié)構(gòu)注入效率高。在短波與中波高光譜應(yīng)用中，由于分光的需要，每行的波段窄，光電流一般較小。直接注入DI結(jié)構(gòu)因注入效率低，不適合處理小電流。

2）與SFD結(jié)構(gòu)相比，CTIA結(jié)構(gòu)可以更好地穩(wěn)定光電二極管偏壓，線性度高，并且可以合理地設(shè)計積分電容。SFD結(jié)構(gòu)以探測器器件寄生電容為積分電容，因此積分電容是固定值且與器件工藝有關(guān)。SFD結(jié)構(gòu)電路的線性度不如CTIA，因為探測器寄生電容隨著探測器偏壓改變。SFD適用于積分時間需要很長的探測器[11]，不適用于高速讀出應(yīng)用。

圖2 讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖

表1 讀出電路主要性能參數(shù)

表2 讀出電路7檔增益

綜上所述，讀出電路選擇CTIA作為輸入級。DI，CTIA，與SFD結(jié)構(gòu)示意圖如表3所示。

表3 三種輸入級結(jié)構(gòu)比較

2.2 CTIA輸入級結(jié)構(gòu)設(shè)計

CTIA輸入級結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。光電二極管偏壓是由放大器負反饋端來穩(wěn)定，設(shè)計CTIA放大器為高增益放大器，因此V-≈V+。圖中C1為積分電容，用來存儲信號電荷。C2為濾波電容，作用為：①增加放大器輸出結(jié)點電容，以降低主極點，提高電路穩(wěn)定性；②降低噪聲帶寬以降低放大器輸出噪聲電壓。C3為采樣保持電容，配合IWR模式實現(xiàn)邊積分邊讀出功能。圖4為像元電路控制信號波形圖。

圖3 像元電路示意圖

圖4 CTIA電路控制信號波形圖

2.3 像元開關(guān)設(shè)計

2.3.1 開關(guān)設(shè)計分析

像元開關(guān)包括CTIA復位開關(guān)INT_RST以及IWR模式開關(guān)IWR_SW，如圖3所示。像元開關(guān)在設(shè)計時需要關(guān)注以下兩方面：

1）噪聲問題。開關(guān)動態(tài)過程會給系統(tǒng)引入噪聲。定性分析：由于開關(guān)輸入端到系統(tǒng)輸出端低頻增益低，因此暫不考慮開關(guān)動態(tài)過程引入的低頻噪聲。動態(tài)過程引入的高頻噪聲分析如下：開關(guān)過程引入的高頻噪聲在系統(tǒng)輸出端有響應(yīng)。CTIA放大器主極點處有低通濾波功能，能濾除高于截止頻率的噪聲。截止頻率與out×out有關(guān)，即受到設(shè)計結(jié)構(gòu)的限制。另外一種想法是讓開關(guān)過程足夠慢，該方法可以減小高頻信號的引入，其次，由于幾十萬個CTIA同時進行開和關(guān)的動作，快速的開關(guān)過程對電源供電能力、陣列的穩(wěn)定性設(shè)計都提出挑戰(zhàn)，因此設(shè)計希望緩慢的開關(guān)過程。通過分析開關(guān)信號頻譜圖，確定開關(guān)信號合適的上升/下降時間，從而減小中高頻噪聲。

2）不均勻性問題。所有像元積分起點和終點是由像元開關(guān)控制，由于金屬線的寄生電阻，信號的傳遞存在延時，即與驅(qū)動電路的距離相關(guān)，帶來不均勻性問題。從版圖方面考慮，若兩個像元積分起點（INT_RST控制）相差時間D，積分終點（IWR_SW控制）也同樣相差時間D，則兩個像元總的積分時間相同，消除不均勻性問題。從電路考慮，信號在傳遞過程中，若降低信號傳遞過程中寄生電阻上的壓降，則可降低RC延時。降低上壓降的方法有兩種：一是增加版圖金屬線寬，金屬走線使用網(wǎng)格設(shè)計，以降低電阻值；二是降低金屬線驅(qū)動電流，設(shè)計考慮用一個緩沖器驅(qū)動整個面陣的開關(guān)。緩沖器的驅(qū)動電流能力有限，分配到像元內(nèi)寄生電阻的電流小，電阻上的壓降變低，則像元間電容壓差變小，達到降低延時的目的。實際設(shè)計過程中，版圖布局布線的需要，有時增加金屬線寬或使用網(wǎng)格線的方法會受到限制，因此需要同時從版圖和電路兩個方面來設(shè)計。

2.3.2 復位開關(guān)的頻譜特性

復位開關(guān)波形()圖如圖5所示。

圖5 復位開關(guān)波形圖

對方波信號進行頻譜分析。傅里葉積分公式：

()分段函數(shù)值如下所示：

式中：＝5/(－)。

則根據(jù)公式(1)求得()的傅里葉函數(shù)值(j)：

固定＝5ms，計算1＝－＝10ns，2ms，5ms，10ms下(j)的幅值。

利用Matlab計算并畫出頻譜圖，依次獲得1＝10ns，2ms，5ms，10ms下頻譜圖，如圖6所示。

圖6 頻譜分析圖

從圖中可知，1越大，則高頻幅值越低，引入到系統(tǒng)中的高頻噪聲越小。設(shè)計采用一個緩沖器驅(qū)動整個像元陣列的開關(guān)，通過調(diào)整緩沖器的寬長比，即調(diào)整其驅(qū)動能力達到1設(shè)計目標值。綜合緩沖器的驅(qū)動能力的設(shè)計，選擇上升/下降時間1＝2ms為設(shè)計目標。

2.3.3 像元開關(guān)設(shè)計

每個像元都有一個復位開關(guān)，電路可以設(shè)計為一個緩沖器控制一行，也可以設(shè)計為一個緩沖器控制整個陣列，本設(shè)計選擇后者。緩沖器所帶負載為分布式電阻電容，負載與版圖設(shè)計相關(guān)，為得到精確的結(jié)果，對單個像元進行后仿真。像元負載的后仿真模型如圖7所示，其中，1，2為像元與相鄰像元的接口，1，2，3，1，2為金屬連接線的寄生電阻電容，M1為積分復位開關(guān)管。其中，1的源漏接地，即仿真開關(guān)管寄生電容最大的情況。

在低溫77K下，通過后仿真得到：1＝300mW，2＝400mW，3＝2.6W，1＝5.4f，2＝1.9f。

總仿真模型是單個像元模型的陣列形式，如圖8所示。圖中為了簡便，每個像元（cell）單元用一個電阻電容，實際仿真時，cell單元如圖7所示。

圖7 像元開關(guān)負載

2.3.4 像元開關(guān)仿真結(jié)果

通過仿真可以直觀地了解電阻電容網(wǎng)絡(luò)中：①各個結(jié)點的電壓值；②各個結(jié)點上升/下降時間。

1）直流仿真

仿真結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，通過調(diào)整緩沖器驅(qū)動，使結(jié)點1<0>（位置如圖8所示）處電壓上升時間約為2ms，符合設(shè)計預期。

圖8 全陣列金屬線仿真模型

Fig.8 Simulation model for full array metal wire

圖9 直流信號仿真結(jié)果

2）不均勻性的影響分析

通過對圖8進行仿真，電阻/電容網(wǎng)絡(luò)4個角上2<0>，1<0>，2<255>，1<255>的上升時間進行對比，仿真結(jié)果如圖10所示。仿真最快的結(jié)點是離buffer最近的點2<255>，上升到2.5V時所用時間為5.792ms，最慢的點是對角線上的點1<0>，上升到2.5V電壓所用時間為5.807ms，兩個時間相差15ns。由于buffer的驅(qū)動能力有限，金屬網(wǎng)絡(luò)中像元寄生電阻分得的電流很小，電阻上的電壓降很小，因此上升過程中，1<0>與2<255>兩點的電壓值在可以接受的范圍內(nèi)。

仿真過程中發(fā)現(xiàn)，CTIA復位開關(guān)上升/下降時間越短，積分電容F上的瞬時電流抖動越大。目前沒有直接的實驗結(jié)果證明CTIA復位開關(guān)的設(shè)計與輸出噪聲的關(guān)系，但綜合像元電路性能和CTIA陣列穩(wěn)定性方面，決定暫時使用上述設(shè)計方法，等待后續(xù)全面的測試驗證來進行評判。

圖10 不均勻性仿真對照

2.4 讀出電路任意行選擇以及行增益單獨調(diào)制選擇功能

高光譜器件中，讀出電路需要提供多種功能，其中比較關(guān)注的功能如下：

任意行選功能。讀出電路設(shè)計過程中，由于分光引起的某些行的光譜信息比較重要，因此要求讀出時只開啟關(guān)注的行，讀出電路要有任意行選擇的功能。

行增益單獨調(diào)制功能。通常高光譜探測器具有高分辨率，即每行波段窄，且由于每行攜帶的光譜信息不同，光電流不同，因此要求讀出電路設(shè)計多級增益，且每行可單獨選擇增益，以滿足高光譜需求。

行增益單獨調(diào)制實現(xiàn)：通過外部配置字控制每行增益。配置字有768位用來控制增益選擇，每行對應(yīng)3位?？刂谱质谴休斎?，通過串并轉(zhuǎn)換電路將配置字存入內(nèi)部寄存器中，寄存器的輸出則用來控制增益開關(guān)。讀出電路共7檔增益，以覆蓋更大范圍的譜段。

任意行選擇電路的實現(xiàn)：①通過外部配置字輸入，確定需要輸出的行。配置字有256位用來控制行選擇。②行選擇電路邏輯圖如圖11所示。行計數(shù)器每加一位，行選電路進行判斷，若該行需要讀出，則行計數(shù)器保持，等待載入該行；若不需要讀出，下個時鐘脈沖繼續(xù)尋址。

3 基于曝光縫合讀出電路版圖設(shè)計

1024×256讀出電路版圖設(shè)計基于0.35mm CMOS工藝，電路屬于數(shù)模混合集成電路，版圖設(shè)計時，在列方向（方向）上，讀出電路芯片尺寸超出標準CMOS工藝最大曝光尺寸，需要采用曝光縫合工藝來解決。電路和版圖設(shè)計過程中充分考慮了曝光縫合的需求，將電路在方向（列方向）上劃分為4個重復單元，以配合代工廠曝光縫合工藝。版圖如圖12所示。這款電路在方向（行方向）上不需要縫合。

4 讀出電路測試驗證

4.1 電路功能及基本性能驗證

電路功能驗證包括IWR功能、任意行選擇功能及行增益單獨調(diào)制功能等。讀出電路流片返回后，在中測杜瓦瓶內(nèi)進行測試驗證，利用液氮降溫，通過讀出電路測試系統(tǒng)來驗證讀出電路功能，像元注入由test管完成，利用示波器波形來驗證電路功能。通過實驗驗證，讀出電路IWR功能、任意行選擇功能及行增益單獨調(diào)制功能驗證結(jié)果符合預期，測試結(jié)果如表4所示。

圖11 行選電路邏輯圖

Fig.11 Line selection circuit schematic

圖12 帶曝光縫合的版圖設(shè)計

表4 讀出電路測試結(jié)果

讀出電路經(jīng)過倒裝焊工藝與MCT芯片連接進行性能驗證：將讀出電路分別與中波及短波MCT芯片互連，連接制冷機降溫至77K，經(jīng)過測試，讀出電路表現(xiàn)出較好的性能。實際應(yīng)用時，可以根據(jù)高光譜需求，選擇適合的電容擋位以得到好的成像結(jié)果。

4.2 噪聲的分析及測試結(jié)果

理想放大器噪聲分析如圖13所示。

圖13 理想放大器噪聲分析

根據(jù)圖13(d)小信號等效模型列方程，求解與DN和A的關(guān)系式，其中DN為探測器光電子噪聲，A為放大器等效輸入噪聲，I為放大器輸入電容。

1(D－1＋j1)＋jF(1－())＝DN() (2)

1＋e()＋()/＝0 (3)

式中：1為D＋I，解方程得：

式中：T＝D＋I＋F

通過輸入輸出譜密度關(guān)系式Y(jié)()＝X()|()|2以及放大器噪聲與光子噪聲的不相關(guān)性，得到噪聲譜密度V()為：

當理想放大器→∞時，式(4)可寫成：

對(5)式進行分析，式中第一項可以解釋為噪聲電流在積分電容上積累形成的噪聲電壓；第二項和第三項與放大器噪聲有關(guān)，與探測器寄生電阻D和寄生電容D有關(guān)。通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：

1）噪聲與積分電容F呈反比關(guān)系，積分電容F大時輸出噪聲小。

2）噪聲與光電流D呈正比關(guān)系，光電流D大時輸出噪聲大。

3）增大探測器電阻D（(6)式第二項），可減小噪聲。

4）減小探測器寄生電容D（(6)式第三項），可減小噪聲。

5）噪聲與電路積分時間有關(guān)，且隨著積分時間的增加而增加。

實際測試噪聲是按照GB/T 17444的國家標準的方法來進行。測試結(jié)果如表5所示。測試時，探測器溫度穩(wěn)定在77K，黑體溫度為293K和308K，信號響應(yīng)電壓是兩種黑體溫度下的直流電壓的差值。不同積分電容下，直流電壓均為2.8V左右，方便比較噪聲。表中，動態(tài)范圍是20倍擺幅與噪聲比值的對數(shù)值，信噪比是響應(yīng)電壓與噪聲的比值。

從測試結(jié)果可以看出，隨著積分電容逐漸增加，噪聲逐漸減小。雖然此時積分時間也增加，但噪聲最終表現(xiàn)為減小的趨勢，實驗說明噪聲對積分電容的變化比對積分時間更敏感。經(jīng)過計算，積分電容在28fF時，信噪比為263，積分電容在128fF時，信噪比為537。

表5 噪聲測試結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計一款衛(wèi)星用高光譜讀出電路，陣列1024×256，像元尺寸30mm。輸入級采用CTIA注入結(jié)構(gòu)，7檔增益可選。根據(jù)高光譜探測器應(yīng)用需求，外部輸入1024位控制字來控制行選和增益選擇。計算分析以及實驗驗證表明：CTIA輸入級結(jié)構(gòu)配合7檔增益可選，使讀出電路可同時應(yīng)用于短波和中波MCT探測器，滿足了高光譜探測器由于分光對多增益電路的需求；行任意選擇功能和行增益單獨調(diào)制功能，解決了高光譜器件對讀出電路的功能需求。讀出電路已經(jīng)應(yīng)用于中波與短波1024×256 MCT焦平面探測器，具備實用化的能力。同時，通過芯片拼接，可以制造出3000×256或者更大大面陣的MCT焦平面探測器陣列，滿足衛(wèi)星用高光譜探測器的需求。

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Hyperspectral Infrared Focal Plane Array ROIC Design for Satellite Applications

WU Shengjuan，HU Yanbo，HU Xu，HONG Jiantang，LI Hongfu，MA Yina，DENG Wei

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

A hyperspectral infrared focal plane complementary metal–oxide semiconductor (CMOS) readout integrated circuit (ROIC) was developed for satellite applications. The ROIC design includes row and gain selection functions for each line to meet the new requirements of hyperspectral applications in ROICs. Further, the ROIC optionally supports 7-gain features and is suited for medium and shortwave MCT chips; other features of the proposed design include integration while reading, anti-blooming, series port control, and full-chip current injection test functions. The proposed ROIC was fabricated in a 0.35μm stitching process with a 5V power supply; the test results show good performance of the ROIC, with a full-frame rate of 450Hz and adjustable power dissipation having a typical value of 300mW. This paper introduces the basic structure of the readout circuit design, shows the problems in the design and the corresponding solutions, and gives the test results of the circuit at the end of the paper.

ROIC for satellite applications, hyperspectral detector, MCT, row selection function

TN216

A

1001-8891(2020)11-1081-08

2019-09-25；

2020-10-10.

吳圣娟（1984-），女，碩士，研究方向為讀出電路設(shè)計。E-mail：275099355@qq.com。