CTIA線列型讀出電路輸出異常問題研究

王 靜,劉興新,李冬冰,袁 媛

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在讀出電路設(shè)計中,常用的輸入級結(jié)構(gòu)主要有直接注入(DI)、緩沖直接注入(BDI)、以及電容跨阻放大器(CTIA)等。其中CTIA輸入級結(jié)構(gòu)由于引入高性能運算放大器,其注入效率、線性度等性能卓越。理想情況下可以實現(xiàn)100 %的注入效率。同時,由于能夠提供穩(wěn)定的探測器偏置,以其作為讀出電路的探測器芯片輸出均勻性和噪聲都優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。因此,在小信號、高信噪比的探測應(yīng)用中,優(yōu)先考慮CTIA作為輸入級[1-2]。

近年來,隨著探測需求的進一步提高,CTIA結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來越廣泛。但是,也因為探測性能高,導(dǎo)致CTIA輸入級敏感,對于信號傳輸和互連匹配性要求較高,容易受到信號變化的干擾,出現(xiàn)異常輸出。陣列規(guī)模越來越大、像元間距越來越小,對該結(jié)構(gòu)應(yīng)用也是一種挑戰(zhàn)。本文針對采用CTIA作為輸入級結(jié)構(gòu)的線列型讀出電路出現(xiàn)的大信號輸出異常問題,通過仿真驗證結(jié)合理論分析,提出措施并進行實驗驗證,有效的解決了同一類型電路出現(xiàn)的相同問題。

2 CTIA輸入級原理

應(yīng)用于讀出電路的典型的CTIA輸入級結(jié)構(gòu)如圖1所示。其核心工作部件為運算放大器(amplifier)。其中,bias提供其正常工作的偏置電壓。Vref和SUB為光電二極管提供反偏工作電壓,Vref同時也是積分起始電平。Cint為積分電容,在積分信號INT的控制下,對光生載流子進行積分,最終輸出積分電壓out。圖2給出了CTIA輸入級的信號變化示意圖,其中INT為高電平時開關(guān)斷開,積分電容開始積分,積分起始電平為Vref,INT為低電平時,開關(guān)閉合,積分電容復(fù)位至Vref,等待下次積分[3-4]。

圖1 典型的CTIA輸入級結(jié)構(gòu)

圖2 CTIA輸入級積分信號示意圖

圖1中A點為光電二級管和CTIA輸入級互連節(jié)點,同時也是電荷敏感節(jié)點,無驅(qū)動力且連接積分電容Cint和二極管的結(jié)電容,容易受到擾動,使積分信號發(fā)生變化。該節(jié)點在電路設(shè)計中一定要加以保護[5]。

3 輸出異常分析

在使用中發(fā)現(xiàn),采用圖1中的CTIA作為輸入級的TDI線列型讀出電路,在處理大信號(半阱以上,與積分電容有關(guān))時,輸出出現(xiàn)異常,如圖3所示。

圖3(a)中,當面對同一探測溫度時,正常輸出下,幀間復(fù)位后每幀輸出同樣的電平,當輸出異常時,幀與幀之間的輸出電平出現(xiàn)高低差異,并且交替出現(xiàn)。圖3(b)給出了異常輸出電平的成像圖,在圖像上表現(xiàn)為明暗條紋交替出現(xiàn),通過測試,輸出異常與積分電容大小直接相關(guān),積分電容越小引發(fā)異常輸出所需的信號能量越小,幀間電平差異越大。并且通過改善供電、調(diào)節(jié)偏置電壓和參考電壓等措施對該現(xiàn)象均無明顯改善。延長INT的復(fù)位時間能夠輕微改善該現(xiàn)象,但繼續(xù)增強積分信號,現(xiàn)象會再次出現(xiàn)。

(a)電平輸出異常表現(xiàn)

(b)異常輸出成像圖

根據(jù)測試結(jié)果,分析認為電路輸出異常與輸入級的工作狀態(tài)直接相關(guān)。光電二極管工作時,兩端弱反偏電壓由CTIA輸入級提供。光電二極管弱反偏下特性曲線如圖4所示,光電二極管工作在坐標的左半平面。當光電二極管偏壓變化時,產(chǎn)生的光電流相應(yīng)發(fā)生變化,即CTIA積分電流發(fā)生變化[6]。

圖4 光電二極管電流-電壓特性曲線

圖5給出了光電二極管模型,結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn),SUB電壓通過探測器與積分電容相連,積分電容上發(fā)生瞬時信號變化通過探測器直接可反饋至SUB端。

當積分電容復(fù)位時,電容信號發(fā)生突變,在復(fù)位過程中會產(chǎn)生瞬時放電電流其過程遵循以下公式[6]:

Q=CV=it

(1)

其中,Q為積分電荷量;C為積分電容應(yīng)用量級一般約為10-15;V為積分電壓值；i為放電電流;t是放電時間,由電路RC時間常數(shù)決定,其中,C為積分電容;R為運放和開關(guān)的等效電阻,量級在105左右(仿真得出)。當電容復(fù)位時,產(chǎn)生的瞬時電流量級約為10-5,對應(yīng)圖1中A點產(chǎn)生一個電流過沖,這個過沖通過探測器會影響SUB(電容兩端發(fā)生信號變化時,電容導(dǎo)通)。實際應(yīng)用中所有光電二極管共用一個SUB端,因此,對于10000元的陣列來說,在SUB端接收到的瞬時沖擊電流可達幾十毫安甚至幾百mA。

圖5 光電二極管模型示意圖

實際使用中,SUB供電能力有限同時供電線上存在阻抗特性等非理想因素,在受到大電流倒灌時,需要較長時間恢復(fù)甚至難以恢復(fù)。圖6給出了SUB端沖擊及影響示意圖。對于CTIA結(jié)構(gòu),SUB端電壓受到?jīng)_擊抬升,那么,在下一次積分時,光電二極管反向偏壓變小,引起響應(yīng)光電流變小,下一次積分信號降低,復(fù)位產(chǎn)生的過沖也隨之減小,再下一幀時SUB端可以恢復(fù)初始值,繼而探測器光電流變大,如此反復(fù),產(chǎn)生幀間異常輸出。

圖6 SUB端沖擊及影響

根據(jù)上述理論分析,用8000個CTIA輸入級(圖1結(jié)構(gòu))仿真SUB端所受沖擊情況如圖7。

在積分信號為半阱的情況下,積分電容復(fù)位時,SUB端收到的沖擊電流達到540 mA,該脈沖持續(xù)時間小于1.7 ns。與理論分析基本一致。

圖7 8000像元復(fù)位時過沖電流仿真

4 驗證實驗

結(jié)合仿真和分析結(jié)果,上述現(xiàn)象最直接的改善方法是降低積分信號強度、延長復(fù)位時間,使SUB端電壓充分恢復(fù)。實際項目應(yīng)用中,以上措施往往難以實現(xiàn),那么,根據(jù)公式(1),還可以通過修改鏈路時間t的辦法,限制放電電流i,降低陣列同時復(fù)位對SUB端產(chǎn)生的沖擊。結(jié)合上述計算,在SUB管腳串聯(lián)1 kΩ電阻,即可將電流沖擊量控制在μA量級。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 SUB管腳串聯(lián)1 kΩ電阻后放電電流仿真

串聯(lián)限流電阻后,放電電流的尖峰降至650 μA。顯著降低了對外圍電路的沖擊。

最后,驗證實驗中,在SUB端串聯(lián)1 kΩ限流電阻,測試結(jié)果統(tǒng)計如圖9所示。其中,縱坐標為輸出信號幅值,橫坐標為采樣幀,圖中取同一像元在第1～15幀的輸出進行統(tǒng)計。

圖9 SUB端限流后讀出電路測試結(jié)果

從圖9統(tǒng)計結(jié)果來看,串聯(lián)電阻后,幀與幀之間輸出表現(xiàn)為正常的噪聲影響,沒有明顯的電平差異。因此,理論和實驗結(jié)果相匹配,可以在不改變系統(tǒng)設(shè)置和應(yīng)用條件的情況下,解決輸出異常問題。

5 結(jié) 論

CTIA結(jié)構(gòu)因其噪聲低、注入效率高的特點,在弱信號處理時具有顯著的優(yōu)勢。然而,也因為這些優(yōu)點導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)比較敏感,抗干擾能力弱。采用CTIA結(jié)構(gòu)作為輸入級的線列型讀出電路在處理大信號時發(fā)生輸出異常。該現(xiàn)象是由于積分電容放電時對探測器襯底一端產(chǎn)生瞬時沖擊造成的。上述現(xiàn)象與探測器的信號強度、積分電容、積分時間、復(fù)位時間等工作參數(shù)的匹配直接相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)象機理分析,可以不改變系統(tǒng)設(shè)置和應(yīng)用條件,通過給受沖擊管腳增加限流電阻的方法,降低沖擊電流強度,以助其在復(fù)位時間內(nèi)順利恢復(fù)正常值,該方法已通過實驗驗證,切實有效,可以消除幀與幀之間輸出電平差異的現(xiàn)象。