（微电子学与固体电子学专业论文）ctia型读出电路线性度的优化及电路设计.pdf

l i n e a i u t yo p t i m i z a t i o na n dc i r c u i td e s i g no f r o i cb a s e do nc t i a at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t ) r f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w e n y o n g s u d e r v i s e db ys u d e r v l s e ( ib y p r o f e s s o rh uc h e n s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 尽我所 成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：羔垂日期： 别o 5 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：筮妻 导师签名：期：型! ：5 摘要 摘要 红外焦平面阵列( i r f p a ) 是现代红外成像系统的关键器件，它包括红外探测器阵列和读出电 路( r o i c ) 两部分。读出电路是红外焦平面阵列信号处理电路，主要功能是把探测器得到的微弱光 电流转化为电压信号，送入到后续处理电路中。读出电路的非线性严重影响了红外成像系统的成像 质量和可靠性，限制了红外成像系统的使用范围。因此，研究读出电路的线性度对提高红外成像系 统的性能具有重要意义。 本文首先综述红外焦平面阵列的发展现状，介绍红外焦平面读出电路线性度的研究进展。其次， 基于电容反馈跨阻抗放大器型( c t i a ) 读出电路结构，分析影响读出电路线性度的三个主要因素： 积分电容、积分放大器增益和输出级电路。然后，基于c s m cd p t m ( 双晶三铝) 0 5 p m 工艺，设 计了一种高线性c t i a 型读出电路。该电路采用了耗尽型p m o s 管作积分电容，既满足积分过程中 电容的高线性度，又保证了在有限面积下的大电容值；同时采用大增益积分器以稳定探测器偏置； 还采用了具有良好性能的输出级电路来优化读出电路的线性度。最后，完成整个电路的仿真、验证 和版图设计，并进行流片测试。 实验结果验证了积分电容和积分器增益对读出电路线性度的影响，所设计的c t i a 型读出电路 的线性度为0 9 ，达到了设计要求。本文的研究结果有助于进一步优化红外成像系统的线性度，提 高红外成像系统成像质量和可靠性，对红外焦平面的发展具有促进作用。 关键词：红外焦平面阵列，读出电路，c t i a ，线性度，探测器偏置，积分电容 s y s t e m i tc o n s i s t s0 fi n f a - r e dd e t e c t o ra r r a y sa n dr e a d o u tc i r c u i t s ( r o i c ) r o i ci st h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i to fi r f p a 1 t sm a i n f u n c t i o ni st 0c o n v e nw e a kc u r r e n tc a p t u r e df r o md e t e c t o rt ov o l t a g e ，w h i c hi st h e nd e l i v e r e dt os u b s e q u e n tc i r c u i t s t h en o n l i n e a r i 哆o fr o i cs e r i o u s i yi m p a c t so nt h ei m a g i n gq u a l i 劬r e l i a b i l i 够a n da p p i i c a - t i o no ft h ei n 行a r e di m a g i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，i n v e s t i g a t i n gt h el i n e a r i t yo fi r f p ar o i ci sc r i t i c a l t oi m p r o v et h ep e 响衄a n c eo f t h ei n f r a r e di m a g i n gs y s t e m f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fi r f p ai ss u m m a r i z e da n dt h er e s e a r c ho ft h er o l cl i n e a r i 哆i si n t r o d u c e d i nt h et h e s i s s e c o n d ，t h el i n e a r i t yo fr o i cb a s e do nc a p a c i t i v et r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ( c t i a ) i sa n a - l y s e df r o mt h r e em a i nf a c t o r s ，i n c l u d i n gt h ei n t e g r a t i o nc 印a c i t a n c e ，t h eg a i no ft h ei n t e g r a t i o n 砌p l i f i e r a n dt h eo u t p u ts t a g ec i r c u i t t h i r d ，ac t i ar o i cw i t hh i 曲l i n e a r i t yi sd e s 谵n e da n df a b r i c a c e di nc s m c d p t m ( t w op 0 1 yt r i p l em e t a l s ) 0 5 u mp r o c e s s ad e p l e t e dp m o st r a n s i s t o ri su s e da st h ei m e g r a t i o nc a p a c i t a n c ei nt h ed e s i g n e dc i r c u i t i tg u a r a n t e e st h el i n e a r i t yo ft h ei n t e g r a t i o nc a p a c i t a n c ed u r i n gt h ei n t e g r a t i o np r o c e s s ，a n de n s u r e st h el a 曙ec a p a c i t a n c ev a l u eu n d e rt h el i m i t e da r e a ah i g hg a i ni n t e g r a t o ri s a d o p t e dt 0s t a b i l i z et h ed e t e c t o rb i a s ag o o do u t p u ts t a g ec i r c u i ti sa l s ou s e df o rt h er o i cl i n e a r i t yo p t i - m i z a t i o n f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o na n dv e r 讯c a t i o no ft h ec i r c u i t 锄dt h ed e s i g no ft h el a y o u ta r ef i n i s h e d t h ec h i pi st a p e do u ta n dt e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i n e dt h ee f r e c t st h a tt h ei n t e g r a t i o nc 印a c i t a n c ea n dt h eg a i no ft h ei n t e g r a t i o nh a v eo nt h ei i n e a r i t yo fr o i c t h el i n e a r i 妙o ft h ed e s i g n e dc t l ar o i cr e a c h e so 9 ，w h i c h m e e t st h ed e s i g nr c q u i r e m e n t t h er e s e a r c hi sh e i p f u lf o rm r t h e ro p t i m i z i n gt h ei i n e a r i t ) r ，i m p r o v i n gt h e i m a g i n gq u a l i t ) r 嬲w e i la sr e i i a b i l i t yo ft h ei n f r a r e di m a g i n gs y s t e m i ti sa l s oh e l p 凡lf o rp r o m o t i n gt h e d e v e l o p m e mo fi r 下p a k e yw o r d s ：i r f p a ，r o l c ，c t i a ，l i n e a r i 饥d e t e c t o r b i a s ，i n t e g r a t i o nc a p a c i t a n c e i i 1 3 红外焦平面读出电路非线性的研究进展2 1 4 本文内容及章节安排4 第二章c t i a 型读出电路非线性分析5 2 1 读出电路非线性问题5 2 2c t i a 型读出电路像素单元非线性分析6 2 3c t i a 型读出电路输出级非线性分析l l 2 4 本章小结1 4 第三章c t l a 型读出电路线性度优化及电路设计1 5 3 1 整体电路结构1 5 3 2 像素单元电路线性度优化及电路设计1 6 3 3 输出级电路线性度优化及电路设计2 6 3 4 数字控制电路3 0 3 5 整体电路仿真3l 3 6 本章小结一3 2 第四章芯片版图设计3 3 4 1 像素单元电路版图设计。3 3 4 2 输出级电路版图设计3 4 4 3 整体电路版图设计3 5 4 4 本章小结3 7 第五章芯片测试分析3 8 5 1 测试方案3 8 5 2 测试结果4 0 5 3 本章小结4 4 第六章总结与展望4 5 6 1 总结4 5 6 2 展望4 5 致谢4 6 参考文献4 7 硕士期间取得成果5 0 j 2 一 i 一 一 第一章绪论 第一章绪论 红外成像技术是近代科技领域的一个重要分支，在红外技术史上有着悠久的历史。红外成像具 有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点，在军事领域得 到了极为广泛的应用。同时随着非致冷型红外成像技术的发展，尤其是制造成本大幅度的降低，促 进了红外成像技术在工业、医疗、民用方面的推广，可以说红外成像技术正在不断地渗透到我们生 活的各个领域，为我们带来更多的利益。本章综述了红外焦平面阵列和读出电路的发展历史，介绍 了国内外对读出电路非线性的研究进展，并给出了本文的主要工作及文章的整体结构。 1 1 红外焦平面阵列的发展 红外焦平面阵列( i r f p a ，i n f r a r e df o c a lp l a n ea 帆y s ) 是2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，在国防 应用以及其他战略与战术应用的推动下发展起来的。它是获取景物红外光辐射信息的重要光电器 件，是红外成像系统的关键组成部分。跨入二十一世纪以来，红外成像技术的发展已经历了三十多 个年头。其发展已从当初的机械扫描机制发展到了目前的全固体小型化、全电子自动扫描凝视摄像， 特别是非致冷技术的发展使红外成像技术从长期的主要军事应用扩展到诸如工业自控、医疗诊断、 化学过程检测、红外天文学、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域。随着我国 自行研制的红外焦平面探测器的逐步实用化，研制与之相适应的读出电路也显得很重要- l 川。 红外焦平面阵列因探测器放置在光学系统的焦平面上而得名，是红外技术发展最活跃的领域。 红外焦平面阵列由红外探测器和读出电路( r e a d o u tc i r c u i t ，r o i c ) 两部分组成，通过铟柱相连，如 图1 1 所示。常见的红外焦平面阵列的工作原理是：焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐 射后，在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷，通过扫描焦平面阵 列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件中来读出这些电荷。红外探测器是利用器件所接收的 入射红外线与探测器物质相互作用产生电信号的，对于红外探测器有着各种不同的分类方法：根据 工作波长可以分为近红外、中红外和远红外探测器；根据工作温度可以分为低温、中温和室温探测 器；根据用途和结构可分为单元、多元、线阵和焦平面阵列；根据探测机理可分为热探测器和光子 探测器两大类。读出电路是红外焦平面阵列的关键部件之一，它的主要功能是对红外探测器感应的 微弱信号进行预处理( 如积分、放大、滤波、采样保持等) 和阵列信号的并串行转换。 铟 红外辐射 路阵列 图1 1 红外焦平面阵列结构 红外焦平面阵列的发展大致可分为三代。第一代红外焦平面阵列以数目有限的探测单元为特 征，借助光机扫描来实现图像探测，同时，还需要低温制冷器协同工作。第二代以二维n m 元红 外焦平面阵列探测器为特征，探测单元数目在万个单元以上，且自带信号读出电路，其中又分为低 温制冷和非制冷两种。制冷型红外成像具有响应速度快、分辨率和灵敏度高等优点，但一般需要在 查堕奎兰堡主堂垡丝茎 液氮温度下工作，制冷机和杜瓦制作工艺复杂，且其制造工艺为台面工艺，与硅片工艺不兼容，难 以大批量生产，制造成本高。随着新材料的发现和材料工艺的改进，其劣势得到了一定程度的弥补。 第三代称为“灵巧凝视大阵列焦平面，其特征是集成探测器后续的信号处理电路，包括信号读出 电路、前置放大器、数模转换器和图像处理电路等。现在国外处于一、二代并存的状态，三代“灵 巧”焦平面阵列正在研制中。 1 2 红外焦平面读出电路的发展 读出电路是红外焦平面阵列的关键部件，也是本次论文研究的对象。在多数红外技术应用中， 目标的红外辐射非常微弱，探测器的光生电流或光生电压都非常小，加之各种噪声的干扰，目标信 号几乎完全掩埋在各种噪声之中，故必须对输入信号进行某些适宜的处理( 如积分、放大和降噪等) 才能从噪声中提取出目标信号，这就是红外读出电路要完成的主要工作。 在读出电路问世之前，红外信号的处理是由分离电子元件完成的。可以想象，在给定的光学视 场中，其单位面积实现的像元数目是有限的。随着集成电路工艺和技术得到迅猛发展，尤其是m o s 集成电路制造技术的成熟，促进了读出电路的发展。限于当时的工艺和技术水平，m o s 读出电路 属于单片式器件，即光敏元件和读出电路各占焦平面的一部分面积。随后，由于铟柱技术的成功运 用，使红外焦平面阵列的性能发生了历史性的转变。铟柱技术将光敏元件阵列和读出电路分别制作， 然后通过铟柱将其互相连接。这样，可使光敏元件阵列和读出电路阵列分别选用最佳材料和最佳工 艺制作，且分别测试以确保各自的性能，从而提高互连后焦平面阵列的整体性能。随着半导体工艺 的飞速发展，读出电路从m o s 技术逐渐转向c m 0 s 技术。c m o s 技术具有集成度高、成本低、抗 辐射能力强、功耗低和读出方式灵活等优点，大大提高了读出电路的设计灵活性和综合性能，已成 为红外焦平面读出电路的发展趋判钏i ，j 。 对于红外焦平面阵列技术来说，限制其进一步发展的不是探测器的性能，而是读出电路的性能， c m o s 读出电路的性能直接影响红外焦平面阵列的质量。红外焦平面阵列对其读出电路要求比较苛 刻：电荷存储容量要大、噪声低、动态范围大、线性度高、功耗低、对红外探测器偏置控制良好， 而且阵列尺寸和中心距小。随着红外焦平面阵列规模成倍地增加，像元尺寸显著减小，限制了读出 电路输入级的复杂程度和积分电容的容量。目前，读出电路已成为红外焦平面阵列进一步发展的瓶 颈，当然也是我国红外焦平面阵列技术快速发展的关键技术之一。如今，c m o s 红外焦平面读出电 路基本模块的发展已经成熟，人们正逐渐把研究重点转向增强整个红外焦平面阵列功能和降低读出 电路复杂程度等方面上。有的读出电路结构太复杂，不适合大规模焦平面阵列应用；有的读出电路 结构噪声大，线性度差，影响图像信号质量；有的没有良好的背景电流抑制功能，动态范围小，不 适合高背景( 例如：空对地，地对地) 条件下的应用。因此，国内外不少专家都在致力于研究新技 术、新电路以提高读出电路的性能巾j 。 由于红外焦平面读出电路在军事上有着重要用途，西方发达国家对我国禁运，所以，研究和开 发我国自己的高性能c m o s 读出电路非常重要。掌握了此技术，可使我国红外焦平面技术研制进程 加快，缩短与国际先进水平的差距，从而在军事和国民经济各领域发挥良好的经济效益和社会效益。 1 3 红外焦平面读出电路非线性的研究进展 红外焦平面读出电路是对微弱的光电流信号进行处理，这个微弱的光电流信号很容易受到探测 器暗电流、读出电路非线性效应以及外界噪声等的影响而发生探测失真，从而得不到准确的热图像 信号。为了提高读出电路输送信号的精确度，把探测到的微弱光电流信号转化成精确的、可靠的热 图像，就需要高线性、高精度的读出电路结构，因此研究读出电路线性度对红外焦平面阵列的发展 具有促进作用。 2 第一章绪论 线性度是红外焦平面读出电路的一个重要参数，反映了红外成像系统的线性程度。读出电路差 的线性度影响了红外成像系统的成像质量，限制了红外成像系统的使用范围，使红外成像系统得不 到准确的目标信号。为了提高读出电路的线性度，国内外对读出电路像素单元结构进行了改进，提 出了一系列新的读出电路结构【7 j 【9 】，如自积分型( s i ) 读出电路，源极跟随器型( s f d ) 读出电路， 直接注入型( d i ) 读出电路和电容跨阻抗放大器型( c t i a ) 读出电路，如图1 2 所示。 图1 2 读出电路像素单元结构 自积分型读出电路( s ir o i c ) 在所有读出电路结构中，自积分型读出电路是最为简单的，仅有一个m o s 开关元件，其像元 面积可以做得很小。在自积分型读出电路中，光生电流( 或电荷) 直接在与探测器并联的电容上积 分，然后通过多路传输器输出积分信号，如图1 2 ( a ) 所示。此读出电路的积分电容主要是探测器 自身的电容，该电容是非线性的( 如光电二极管的结电容) ，随积分电荷的增加会造成探测器的偏 置发生变化，从而引起输出信号的非线性，导致该结构的线性度非常差【l 叭。该电路的另一个缺点是 无信号增益，易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。 源极跟随器型读出电路( s f dr o l c ) 源极跟随器型读出电路是在自积分型读出电路结构基础上加入一个缓冲放大器而构成的，增加 了驱动能力，如图1 2 ( b ) 所示。源极跟随器型结构和自积分型一样，其积分电容是由探测器等效 电容和源极跟随器输入管的寄生电容组成的，在积分过程中，探测器的偏置电压发生变化，从而导 致探测器性能发生变化，给读出电路带来非线性【l l l 【1 2 1 。因此，源极跟随器型读出电路在线性度方面 相对自积分型而言没有多大改善。 直接注入型读出电路( d ir o i c ) 随着读出电路技术的发展，人们又提出了直接注入型( d i ) 读出电路，如图1 2 ( c ) 所示，该 结构是第二代探测器使用最早的读出前置放大器之一。在直接注入型读出电路中，探测器电流通过 注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换。此电路结构在中、高背景辐射下，注入管的跨导 较大，光生电流的注入效率相对较高。在低背景下，因注入管的跨导减小，读出电路的输入阻抗增 大，会降低注入效率。由于直接注入型读出电路中引入了一个注入管m d - ，该注入管在积分过程中 稳定了探测器的偏置电压，提高了读出电路的线性度i 】【1 4 j 。直接注入型读出电路相对源极跟随器型 而言，对线性度有了很大的改善。 3 东南大学硕士学位论文 电容反馈跨阻抗放大器型读出电路( c t i ar o i c ) 电容反馈跨阻抗放大器是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器，如图1 2 ( d ) 所示， 探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定。该电路可以提供很稳定的探测器偏置 电压，从很低到很高的背景范围内，都具有非常高的线性度【l5 l i l 引。此电路的功耗和芯片面积较一般 的电路大，复位开关也会带来k t c 噪声。 随着读出电路技术的发展，c t i a 型结构是目前广泛应用的、线性度最好的像素单元结构。c t i a 型读出电路高线性的获得依赖于其单元电路和输出级电路的设计，不同单元电路结构其线性度不一 样。如文献1 1 7 】中设计的c t i a 型读出电路的线性度只有2 ，这是因为该读出电路像素单元采用单 端输入共源共栅放大器做积分器，虽然增益很大，但电路抗外界干扰能力差，探测器偏置稳定性受 电路影响比较大，导致读出电路线性度差。而文献【l8 】所设计的c t i a 型读出电路结构其输出级电路 采用源极跟随器输出，电路结构虽然简单，但是线性度差，线性范围小，影响了读出电路的线性度， 该读出电路的线性度为1 4 。文献【1 9 j 中设计的c t i a 型读出电路像素单元采用了典型的两级放大器 做积分器，其单元面积非常大，读出电路功耗大，输出级电路采用了相关双采样技术，虽然降低了 电路的噪声，但是由于电路结构复杂性，电路中的非理想特性给读出电路的线性度带来很大的影响， 该读出电路的线性度仅为3 。本文在这些读出电路结构基础上对c t i a 型读出电路的线性度影响因 素进行研究，并设计一个高线性的c t i a 型读出电路。 1 4 本文内容及章节安排 随着红外技术的发展，读出电路的功能越来越全面，电路结构也越来越复杂，对读出电路线性 度提出了更高的要求。本课题将基于c t i a 型读出电路结构对线性度进行研究，指出影响线性度的 因素，给出优化方法，并设计一种高线性的c t i a 型读出电路。 具体章节内容安排如下：第一章综述红外焦平面阵列和读出电路的发展历史，介绍国内外红外 焦平面读出电路非线性的研究进展；第二章给出读出电路线性度的定义，阐述读出电路非线性对红 外成像系统的影响，并分析影响c t i a 型读出电路线性度的因素，包括像素单元和输出级电路；第 三章给出c t i a 型读出电路线性度的优化方案以及高线性c t i a 型读出电路的设计过程，包括像素 单元电路、输出级电路和数字控制电路的设计；第四章给出c t i a 型读出电路的版图设计；第五章 给出测试方案，并对芯片进行测试，对测试结果进行必要的分析；第六章总结本文的工作，对高线 性c t i a 型读出电路的研究进展进行展望。 4 第二章c t i a 型读出电路非线性分析 第二章c t l a 型读出电路非线性分析 红外焦平面读出电路基本模块已经发展成熟，人们的注意力正在转向增强红外焦平面阵列功能， 减少整个系统的复杂性和提高读出电路的性能方面上。由于c t i a 型读出电路像素单元在低噪声、 恒定的探测器偏压控制，积分电容可根据应用情况灵活设计，均匀性和线性度等方面具有良好的性 能，是目前红外焦平面读出电路中使用较为广泛的一种电路结构。本章对c t i a 型读出电路的线性 度性能指标进行研究，并指出影响电路线性度的因素。 2 1 读出电路非线性问题 2 1 1 读出电路线性度定义 一个系统的线性度( 非线性误差) 是指输出量与输入量的实际关系曲线与理论直线偏离的程度 【2 0 】【2 l 】，如图2 1 所示，该系统的线性度可由下式表示： s ：垃( 2 1 ) 匕。 式中s 是系统的线性度，i y i y j l 。瓤是特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差，y 。觚是最大输出 值。s 值越小，系统的线性度越高。线性度反映了系统的线性误差极限，线性范围反映了系统在工 作时的可测量范围，线性范围越大，系统的性能越好。 图2 1 系统线性度定义 红外焦平面读出电路的线性度定义为输出电压与积分电流的线性关系，积分电流由探测器产 生。线性范围是指在一定线性度内，输出电压与积分电流成线性关系的区间。在不影响其他性能的 前提下，输出信号的线性范围越大越好。读出电路的非线性误差对红外成像系统的成像质量有一定 的影响，差的线性度意味着该红外成像系统所得到的图像质量差，可靠性低，严重限制红外成像系 统的使用范围。 2 1 2 读出电路非线性对红外成像系统的影响 目前人们对红外成像系统非线性误差的来源已经比较清楚，但由于产生的原因十分复杂，对其 数学描述大多还局限于经验公式，尚不能建立红外系统非线性的数学模型和理论计算。具体地分析， 红外系统非线性误差的来源首先是红外焦平面阵列中探测器的响应率( 包括量子效率、单元面积等 5 东南大学硕士学位论文 因素) 和暗电流；其次是读出电路的耦合环节和放大电路本身产生的非线性；再次是红外焦平面器 件的工作状态引入的非线性，即电路中选择开关的导通和关断；最后是与外界相关的噪声影响产生 的非线性，因此分析红外成像系统非线性的来源需要从成像的各个环节考虑i z 引。 对于许多成熟的红外焦平面成像技术来说，限制其性能的不是探测器，而是读出电路部分，读 出电路性能的好坏直接影响着红外焦平面的成像质量。读出电路的非线性与红外焦平面的动态范 围、探测器偏置、均匀性等有着密切的关系1 2 3 】。读出电路的非线性降低了红外焦平面的动态范围， 影响着红外成像系统的成像质量。红外焦平面的动态范围表征红外系统可探测红外辐射大小的范 围，反映了系统的工作性能。宽动态范围的红外焦平面可以获得更多有关目标的信息，有利于对目 标的分析和识别。特别是对于那些用来探测红外辐射特性变化较大的目标的红外成像系统，拥有较 宽的动态范围显得尤为重要。而读出电路大的非线性减小了电路信号的有效范围，增加了噪声，使 动态范围变得很小，影响了红外焦平面阵列的可探测范围。 读出电路的非线性也是造成红外焦平面阵列非均匀性的重要原因之一。成像非均匀性定义为红 外焦平面阵列在同一均匀辐射输入时单元之间输出的不一致性，又称为固有空间噪声( o r i g i n a ls p a - t i a in o i s e ) 【2 4 1 。当红外焦平面阵列在同一均匀辐射输入时，由于每个像元电路都存在非线性，且由 于工艺、噪声等其他因素，每个像元电路的线性度不相同，使得焦平面阵列输出信号不一致，导致 成像非均匀。这种非均匀性使获取的图像信号模糊不清、畸变，甚至使传感器失去探测能力，更为 严重的是空间非均匀性随时间缓慢变化，表现出成像不稳定性。因此读出电路的线性度影响着红外 焦平面阵列的非均匀性，读出电路好的线性度可以在一定程度上优化非均匀性，提高红外焦平面阵 列的性能。 总之，读出电路的非线性响应降低了红外焦平面阵列的动态范围，减小了焦平面阵列可探测的 红外辐射范围，同时读出电路的非线性对焦平面的非均匀性带来一定的影响，对红外成像系统的成 像质量和可靠性带来一定的影响，限制了红外成像系统的使用范围。因此优化红外焦平面读出电路 的线性度具有重大意义，对高性能、高质量红外焦平面阵列的发展具有促进作用。c t l a 型读出电 路是目前红外焦平面读出电路中使用较为广泛的一种电路结构，本文就是基于c t i a 型结构对读出 电路的线性度进行研究。 2 2c t i a 型读出电路像素单元非线性分析 c t l a 型读出电路一般由两部分组成：像素单元电路和输出级电路。c t i a 型读出电路的非线性 就是由这两部分电路引入的。图2 2 是c t i a 型读出电路像素单元的原理酬2 5 j _ 1 2 7 j ，由一个差分运放、 积分电容c i n l 和积分复位管m 哪构成负反馈积分放大器，采样管m s h 和电容c s l i 构成采样电路对积分 输出电压进行采样保持。偏置电压v d d 和积分器负端电压v b 是探测器两端的电压，一般偏置电压是 外加恒定电压保持不变，所以积分器负端电压的变化就可以看做是探测器偏置电压的变化。该像素 单元电路工作原理是：首先，积分复位管m 哦导通，积分电容c i n i 被短路，积分器形成一个单位增 益负反馈电路，积分器负端电压v b ( 探测器偏置电压) 被复位到参考电压v 耐，作为积分输出的起 始电压。然后积分复位管m 嘣断开，探测器输出的积分电流i i n t 在积分电容上积分。在积分某一时刻， 采样管m s l l 导通对积分输出进行采样，并保持在电容c s i i 上，这就是图2 2 像素单元电路的工作原理。 由于探测器输出电流是流进像素单元里，故该积分电路是一个负积分过程，其积分输出电压v 饥t 可 由下式表示： 耻圪一等 6 ( 2 2 ) 图2 2c t i a 型读出电路像素单元原理图 式中t 为积分时间。从式( 2 2 ) 可以看出，在探测器偏置电压v b 和积分电容c i n i 保持不变的情 况下，在相同积分时间里，积分输出电压v 。m 和积分电流l 而是成线性关系，读出电路可以很准确的 把积分电流转化成电压信号，并在后续显示系统中呈现准确的图像。如果探测器偏置电压v b 和积分 电容c i n t 在积分过程中发生变化，将会导致相同的积分电流得到不同的积分输出电压，使显示系统 得到不准确的成像信号，因此稳定的探测器偏置电压和线性的积分电容的设计是非常重要的。 2 - 2 1 探测器偏置引入的非线性 探测器偏置的稳定性主要影响着探测器的性能，使在积分过程中探测器提供的积分电流呈非线 性变化，从而给积分输出信号带来非线性。红外探测器的作用就是把接收到的红外辐射能转换成电 信号输出，它是实现光电转换功能的灵敏器件。光伏型探测器在红外焦平面阵列中最为常见，下面 以光伏型探测器为例分析探测器偏置对读出电路引入的非线性。光伏型探测器实际上可看做一个简 单的光电二极管，该光电二极管工作在光电导模式下，将入射光转化为光电流，反映的是输入光功 率和输出光电流的关系，它的小信号等效电路如图2 3 所示。 -；t l i p =一l d c 刚c 。 c 。时，c 。才趋向于理想的c 。，电容表现出稳定值。对于 栅极多晶硅一般掺杂很少，耗尽层很薄，从而c 。很大，因此可以忽略栅极电容对总电容值的影响。 硅半导体电容随着两端电压的变化而变化，对总电容影响很大，是产生电容非线性的主要因素，所 以m o s 电容的表达式又可以写为： 二兰二二+ 二，或者c 。兰0 2 二i l ( 2 1 2 ) c gc 。c s 3 c 啦+ c s 硅半导体电容c 。受m o s 管工作状态而变化，图2 7 是p m o s 电容的c v 特性曲线，从图中可以看 到，m o s 电容被阈值电压v t p 和平带电压v f b 分成了三个工作区：v g s v f b ，积累区；v v g 。 v f b ，耗 尽区；v 。 v t p ，反型区。在积累区和反型区耗尽层很薄，硅半导体电容很大，对总电容影响可忽略， 总电容值就是氧化层电容。而在耗尽区，半导体电容很大，总电容值就是硅半导体电容和氧化层电 容串联之和。由于耗尽层的厚度随着外加电压的变化而改变，使得硅半导体电容发生变化，所以在 耗尽区，总电容值是非线性的，受电容两端的电压影响很大。 1 0 很明显，m o s 器件只有工作在积累区或者反型区时电容的线性度要好一些。对于c t i a 像素单 元中的积分电容，积分时电容两端的电压差值都是从零开始的，m o s 电容势必经过耗尽区进入稳定， 所以在积分初始阶段有一部分是非线性的，该非线性对读出电路像素单元积分输出电压的精度影响 很大，这就是积分电容给读出电路带来的非线性，这个非线性会使输出电压失真，得到错误图像信 息。因此，读出电路中积分电容设计要求是：在有限的芯片面积内获得大电容值、高线性的积分电 容。 2 3c t i a 型读出电路输出级非线性分析 读出电路的输出级电路结构如图2 8 所示，一般包括行选电路、列选电路、输出驱动电路以及 一些选择控制开关。像素单元积分输出信号保持在采样电容c s h 上，当行选开关m 。和列采样开关 m 。o ls h 导通时，单元输出信号经过行选电路输出到列采样电容c 。0 ls i l 上，当列选开关m 。l 和输出选 择开关m b 。导通时，列采样电容上的信号经过列选电路和输出驱动电路输出到后续显示系统中。在 输出级电路正常工作过程中，每级选择电路和开关管的开通都会给读出电路带来非线性误差，读出 电路输出级电路的非线性主要由选择电路的非线性以及开关管的非理想效应引起，开关管带来的误 差电压也可以看做是读出电路工作状态下引入的非线性。 行选电路 列选电路 输出驱动 图2 8 输出级电路结构框图 2 3 1 缓冲器电路引入的非线性 m b i s | 读出电路输出级部分的行选电路、列选电路和输出驱动电路的实质都是缓冲器，因此这些电路 引入的非线性可以看做是缓冲器电路的非线性。缓冲器电路的性能指标一般包括小的输出电阻、大 的输出信号摆幅、高的转换速率、大的增益带宽、小的噪声、低的功耗以及小的输入失调电压。在 读出电路结构中，像素单元采样后的信号经过一系列缓冲器后输出，对这些缓冲器的设计要求需要 更大的输出信号摆幅、更强的驱动能力、更低的功耗和更高的线性度。最简单常用的缓冲器是源极 跟随器结构，如图2 9 所示。 东南大学硕士学位论文 图2 9 源极跟随器结构 源极跟随器结构简单，由一个m o s 管和一个负载电阻构成，其线性度很差，输出摆幅小，高 的输入阻抗和中等的输出阻抗都是以非线性和电压余度的减小这两个缺点为代价的，源极跟随器的 输出电压可以表示为： 圪埘= k f 车1 ( 圪一一圪) 2 r ( 2 1 3 ) l ， 式中v m n 为输出电压，v i 。是输入电压，r 为电阻值。上式忽略了沟道调制效应，如果考虑体效 应，将阈值电压的计算式带入上式，则： 。k 例吃叱一h + y ( 网一网) 弘 眩 v 。h o 是衬偏为零时的阈值电压，1 ，是体效应系数，诉是费米势能，v s b 是衬偏电压。从式( 2 1 4 ) 可以看出，由于输出电压的变化，衬底偏压发生变化，导致阈值电压改变，输出电压并不能很好的 跟随输入电压，即源极跟随器的线性度很差。 总之，源极跟随器表现出高的输入阻抗和中等的输出阻抗，具有电位平移作用，不足之处在于 源极跟随器由于体效应导致的非线性、电位平移导致电压余度的消耗以及差的驱动能力，同时在低 温下由于阈值电压的升高导致输出电压摆幅降低等，这些缺点都限制了源极跟随器结构的应用，因 此我们将采用反馈结构来取代源极跟随器结构。反馈结构可以使放大电路的输出量与输入量之间具 有稳定的比例关系，任何因素引起的输出量变化均可得到抑制，大大提高了缓冲器的线性度。 2 3 2 选择开关引入的非线性 读出电路的输出级部分包括选择控制开关，这些开关都是采用m o s 管做的，在输出级电路中 具有选通作用和使能作用。选通作用是保证信号通路的完整性，使能作用是为了降低读出电路功耗 而加入开关管的。当使能信号有效时，缓冲器正常工作，当使能信号无效时，缓冲器不工作，这样 大大降低了读出电路的功耗。但是，开关的存在又给输出级电路带来了很大的误差电压。m o s 开 关是电路中最常用的器件之一，其精度问题在电路设计中是所需要考虑的，m o s 开关的精度问题 也是引入非线性误差的主要原因。在开关断开的一瞬间，m 0 s 器件有三种机制会产生误差：沟道 电荷注入、时钟馈通和k 1 c 噪声，这三种机制将会给电路带来很大的误差l 强儿驯。 沟道电荷注入 如图2 1 0 所示的采样电路，一个m o s f e t 处于导通状态时，二氧化硅与硅的界面必然存在沟 道。假设v j 。v 。，反型层中的总电荷可以表示为： 线= 耽巳( 一圪一圪) ( 2 1 5 ) 1 2 道电荷注入”。 图2 1 0m o s 开关管沟道电荷注入 在图2 1 0 中，注入到左边的电荷被输入信号源吸收，不会产生误差。但是注入到右边的电荷被 沉积在采样电容c h 上，这就给存储在采样电容上的电压值带来误差。假设q c h 的一半电荷注入到 c h 上，产生的误差电压就等于： y = 坠刍( 垡二生二型 ( 2 1 6 ) 2 0 时钟馈通 除了沟道电荷注入外，m o s 开关还会通过其栅漏和栅源交叠电容将时钟跳变耦合到采样电容 上，如图2 1 1 所示，这种效应给采样输出电压引入误差。假设交叠电容固定不变，误差可以表示为： 一吃老焉 眩7 ， 式中c 。，为单位宽度的交叠电容。误差v 与输入电压无关，在输入输出特性中表现为固定的失调。 ：= 图2 1 l 采样电路中的时钟馈通 k t c 噪声 m o s 开关管在导通的时候可以等效为一个电阻，如图2 1 2 所示。开关的导通电阻在输出端引 入了热噪声，并且当开关断开时，这个噪声随同输入电压的瞬时值保存在电容上了，这时开关管引 入的误差电压近似为( k t c ) 忱。 1 3 是采用c m 0 s 传输门结构， c m o s 传输门优于单沟道m o s 开关的主要方面是在导通状态下其等效电阻减小，模拟信号的动态