（微电子学与固体电子学专业论文）制冷型红外焦平面前端读出电路设计.pdf

摘要 红外焦平面阵列( i r f p a ) 是获取红外信息的重要部件，被广泛应用于军事 民用等领域。读出电路( r o i c ) 是红外焦平面的核心器件，其性能将会影响整 个红外焦平面系统的性能。 基于c h a r t e r e d0 3 5 p m2 p 4 mc m o s 工艺，本文完成了规模为5 1 2 5 1 2 ，单元 面积大小为3 0 9 m 3 0 9 m 的红外焦平面阵列探测器前端读出电路的设计。该电路 主要包括前端读出单元( c t i a ) l n 信号处理电路( 列电荷放大器，列缓冲器，输出 缓冲器】部分。文中详细介绍了电路各模块的控制时序设计，阐述了各部分电路 的工作原理，并给出了相应的仿真结果。根据系统要求，设计了面积小，功耗低 的c t i a 读出单元结构；基于对芯片内寄生参数的分析，设计了电荷转移的列读 出方式；设计了一款传输速度为1 2 m h z 2 5 p f 的a b 类驱动放大器作为该电路的 输出缓冲器；同时，根据电路工作时序的特点，对电路进行了低功耗设计：在此 基础上，完成了整体电路版图设计和后仿真，并对芯片进行了初步测试。 测试结果表明：本前端读出电路对红外信号具有良好的响应，并能够正常完 成设计的积分时间外部可调、电荷存储能力可调等功能，电路的低功耗设计得到 验证。输出级缓冲器可实现5 m h z 以上信号的传输，但在低温条件下其输出波形 出现一定的波动，论文对其原因进行了分析。 i 关键词：制冷型红外焦平面读出电路输出缓冲器 a b s t r a c t i n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a yd e t e c t o r s ( i r f p a ) a r ei m p o r t a n tc o n p o n t st oa b t a i n i n f r a r e di n f o r m a t i o n ，t h u st h e ya r ew i d e l yu s e di nm i l i t a r ya n dm a n yo t h e rf i e l d s r e a d o u ti n t e g r a t e dc i r c u i t ( r o i c ) i st h ec o r ep a r to fi r f p a ，t h ep e r f o r m a c eo fr o i c w i l lg r e a t l yd e c i d et h ep e r f o r m a c eo ft h ei r f p a b a s e do nc h a r t e r e d0 3 5 1 x m2 p 4 mc m o sp r o c e s s ，af r o n te n dr e a d o u tc i r c u i tf o r a512 512o c a lp l a n ea r r a yd e t e c t o r si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，t h es i z eo f e a c hc e l li n i nt h i sd e s i g ni s3 0um 3 0um t h ec i r c u i tm a i n l yc o n s i s t so ft h ef r o n te n dr e a d o u t c e l l ( c t i a ) a n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ( c o l u m nc h a r g et r a n s f e r r i n ga m p l i f i e r ， c o l u m nb u f f e r ，o u t p u tb u f f e r ) t h et i m i n gc o n t r o lo ft h ew h o l ec i r c u i ta n dp r i n c i p l eo f e a c hp a r ta r ef u l l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r al o wp o w e rc o m s u p t i o na n ds m a l ls i z e r e a d o u tc e l li sc a r e f u l l yd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u a i r e m e n t so f t h ei r f p as y s t e m ； ac h a r g et r a n s f e r r i n ga m p l i f i e rc i r c u i ti sd e s i g n e dt oa v o i du s i n gd r i v ec i r c u i ti n c e l l b a s e do nt h ep a r a s i t i c a lp a r a m e t e ra n a l y s i s ；ar a i lt or a i lc l a s sa ba m p l i f e rw i t h t r a n s f e rr a t eo f12 m h z 2 5 p fi su s e da st h eo u t p u tb u f f e r ；m e a n w h i l e ，l o wp o w e r c o m s u p t i o nd e s i g ni si n t r o d u c e di nt h i sc i r c u i t ；b a s e do nt h ed e s i g n ，t h el a y o u to f t h e w h o l ec i r c u i tw a sc o m p l e t e d ，a n dt h et a p e d o u tc h i pw a sc a r e f u l l yt e s t e d t h et e s t e dr e s u l ts h o w st h ec i r c u i th a sag o o dr e s p o n s et ot h ei n f r a r e ds i g n a l s ，t h e i n t e g r a t e dt i m ea n di n t e g r a t e dc a p i c t a n c ec a nb ea d j u s t e db ys i g n a l sg i v e n o u t s i d eo f t h ec h i p o u t p u ts i g n a lr a t ec o u l dr e a c ha l m o s t5 m h z ，l o wp o w e rc o m s u p t i o nd e s i g n w o r k sw e l li nt h ec i r c u i t b u tt h e r ei sv i b r a t i o na tt h eo u t p u ts t a g e ，t h ep o s s i b l e r e a s o n sa r ed i s c u s s e di nt h i sp 印e r k e yw o r d s ： i r f p ar o i c o u t p u tb u f f e r 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 红外辐射是自然界最广泛，最普遍的辐射之一。任何物体都会发射出与其自 身温度，组成物质，所处状态相对应的红外辐射。因而，红外辐射可以反应出相 当丰富的信息。如能够准确地获取这些红外信息，将会对国防军事，医疗卫生， 工业监控生产，社会生活等领域产生十分积极的意义【1 1 。随着科学技术的发展， 人们越来越清醒地认识到红外辐射信息的重要性，因而相继研制出了各种红外探 测系统。 自上世纪八十年代开始发展起来的红外焦平面阵列技术( i r f p a i n f r a r e d f o c a lp l a n ea r r a y ) 是人类在获取红外信息技术上的重要突破，是当前红外热成像 检测技术的核心。其主要研究内容包括红外辐射探测器技术研究、探测器前端读 出及信号处理电路设计技术研究以及探测器与读出电路的互连封装技术研究【2 j 。 不同于可见光，人眼无法察觉到红外线的存在，因而需要将红外辐射转换为 其它人类可以测量的物理量。自从f w h e r s c h e l 利用水银热胀冷缩原理设计的温 度计作为最原始的热敏探测器以来，人们就不断利用各种红外光的特点对红外辐 射进行检测【3 1 。随着人类对红外辐射认识的加深和半导体制作工艺的发展，人类 相继制成了各种性能越来越高的红外探测器，如热敏型探测器和半导体光电探测 器。由于半导体光电探测器拥有更短的响应时间，更高的稳定性和灵敏度，因而 在现代红外成像系统中得到了更为广泛的应用【4 】。 作为将自然界的红外信息转换为可探测物理量的主要器件，红外探测器的性 能对于整个红外系统的性能实现极为重要，如果探测器无法准确地获取自然界的 信息，红外系统也将无法达到令人满意的结果，因而j 备世界强国都投入了大量的 人力物力进行高性能红外探测器的研究。为了满足卫星探测，军事应用，高性能 民用等高性能应用的需求，科研人员不断研制更高分辨率、更高性能的红外探测 器。目前国内己成功研制出一批高性能的红外探测器，并已在我国的卫星探测， 军事应用等方面做出了重要的贡献。 高性能红外读出电路( r o i c r e a d o u ti n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的研究主要集中在 两个方面。其中一种是基于红外长线列( l o n gl i n e a r r a y ) 探测器读出电路，通过 将长线列探测器进行光学机械扫描即可获得高分辨率的图像。该电路的优势在 于，其设计成本较低，可制备上千元的长线列，同时由于面积和功耗的限制相对 第一章绪论 较小，其读出单元具有很高的性能。但是这种红外探测的缺点也相当明显，它需 要外部的扫描转台系统，因此很难实现微型化。另一种则是面阵型红外探测器读 出电路。相对于线列型的读出电路，面阵型电路单元多，规模大，单个读出电路 面积小，因而设计方法更为复杂，成本也较高，同时该探测器与读出电路的互联 也需要先进的工艺技术的支持。但是由于微型化和低功耗带来的应用上的巨大优 势，大规模面阵型读出电路成为了现阶段红外读出电路研究的主要方向【3 j 。 1 2i r f p a 国内外发展现状 近年来，国外的i r f p a 技术依然保持着快速发展的状态，尤其是在性能和 规模上取得了极大的进步。在2 0 0 0 年，r o c k w e l l 公司就已经开始量产像素规模 为2 0 4 8 2 0 4 8 的h g c d t e 短波红外焦平面阵列，并且被成功地应用到了超级望 远镜上1 。而在2 0 0 7 年，美国r a y t h e o nv i s i o ns y s t e m 公司也成功研制出像素规 模达2 0 4 8 2 0 4 8 的i n s b 焦平面阵列，并应用于天文学等低背景探测的应用中。 同时，该公司于2 0 0 7 年将1 6 个规模2 0 4 8 2 0 4 8 的i n s b 焦平面阵列拼装在一 起，生产了世界上最大的焦平面整列，其总像素已达6 7 亿1 6 。而从像素单元面 积来说，大规模红外面阵的单元间距都已小于3 0um ，t e l e d y n e 公司2 0 0 4 年研 制的规模为2 0 4 8 2 0 4 8 的h g c d t e 焦平面阵列，其像素间距已小至1 8um 。 而在国内，红外焦平面阵列的研究主要集中在上海技物所、中科院半导体所、 华北光电技术研究所、重庆光电技术等研究院所。通过近年的探索，国内的焦平 面阵列研究己经取得了一定的进展。目前国内研发的成熟的h g c d t e 焦平面阵列 基本以1 2 8 1 2 8 、2 5 6 2 5 6 、3 2 0 2 5 6 、3 8 4 2 8 8 等中小规模阵列为主，其像 素间距一般为3 0u m 及以上。目前已有部分5 1 2 5 1 2 、6 4 0 4 8 0 ，1 0 2 4 1 0 2 4 等较大规模焦平面的研究，但是尚未有真正较为成熟的产品。 通过对比发现，相对于国外的i r f p a 发展水平，国内的i r f p a 技术还相对 落后。国内焦平面阵列技术的发展主要受到几个方面的限制：高性能的大规模面 阵探测器的制造工艺；大规模高性能r o i c 芯片的设计；大规模面阵探测器与 r o l c 的互联技术。 1 3 本文研究内容 本课题所设计的面阵型红外探测器前端信号处理电路是“高性能红外面阵成 像系统 项目中的一部分。本设计的主要目标为将低背景、低信号环境下光电探 测器产生的微弱光电流进行精确地转换，放大，并按照系统要求的形式进行输出。 第一章绪论 该电路主要电路信号处理通路包括光电流积分电路、采样保持电路、列电荷转移 放大电路、列缓冲器、多路选择开关、输出缓冲器。同时电路内还包括有基准电 路和数字控制电路。该电路的积分时间可调，积分电容大小可调。 本文对c m o s 面阵型红外读出电路的设计进行初步探索，设计了一款 5 1 2 5 1 2 红外探测器读出电路芯片，并进行了流片和测试。获得了许多面阵红外 读出电路设计的宝贵经验，为将来电路的进一步优化提供了一定的指导。 1 4 本文的结构 本论文共分成五章。第一章介绍了本文的课题背景和论文选题的意义；第二 章主要介绍了面阵型红外读出相关基础知识和前端读出电路的系统框架和时序 设计：第三章详细阐述了前端读出电路各个模块的工作原理以及其仿真结果；第 四章介绍了芯片的版图，后仿真和测试情况；第五章对全文进行了总结，并对将 来需要进行的研究工作进行了展望。 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 面阵型红外读出电路系统的研究内容主要包括三个部分：红外探测器技术、 读出电路及相关信号处理电路设计技术以及探测器与电路之间的互连技术。本章 将简要介绍红外相关基础知识和红外探测器信号处理电路系统级设计。 2 1 红外探测器简介 红外探测器是整个红外成像系统最前端，是将自然界信号转换为可测物理信 号的主要器件。对于红外读出电路设计来说，由于读出电路是和红外探测器直接 连接的，因而必须深入了解红外探测器的工作原理，才能理解红外探测器对读出 电路的要求，以及读出电路对探测器性能的影响。 2 1 1 红外光电探测器的分类 现在较为成熟的探测器总类较多，但是一般来说，可以根据工作原理分成两 类：热敏探测器和光子型探测器。 当物体吸收红外辐射后，其内部电子运动状态加剧，物理温度将升高，从而 导致物体各种物理变化，如金属电阻率，电势，物体体积的变化等。通过测量这 些物理量的变化，人们就可以得到红外辐射是否存在以及其大小的信息。这就是 热敏探测器的工作原理。 热敏探测器工作原理简单，设计系统易实现，工作稳定。同时，工艺生产也 较容易实现，且成本较低。但是也有一些固有的缺点，如对红外波长无选择性， 灵敏度低，响应时间慢等，因而这类探测器无法应用于高性能要求的场合。 光子型红外探测器的利用的基本原理是红外线的光子效应。在半导体器件内 部，由于受到红外辐射的作用，自由载流子增加，这将引起探测器一系列电特性 的变化，通过测量这些变化可以得到红外辐射的大小。 光子型红外探测器又可以分为光导型探测器、光伏型探测器、量子阱探测器 ( q w i p ) 等几类i ，j 。 光导型探测器利用了半导体的光导特性。当半导体吸收红外辐射后，其自由 电子和空穴将增加，电导率增加，电阻降低。因此可以通过测量红外辐射探测器 的电阻来确定红外辐射的大小。 4 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 光伏型红外探测器是利用的p n 结的光伏效应制成的红外探测器。其主要工 作原理为：能量大于禁带宽度的红外光子在p n 结附近激发产生电子空穴对。结 电场使空穴进入p 区，电子进入n 区，两部分就出现了电位差，回路内产生了 电流信号。相对于光导型探测器来说，光伏型红外探测器无需外加电场，且阻抗 高，得到了较为广泛的应用。 q w i p 利用了窄带隙材料和宽带隙的材料形成量子阱结构。当吸收了红外线 辐射后，量子阱结构中束缚态上的电子吸收红外光向高能带跃迁，并在电场作用 下输运，形成光电流实现对红外光的探测。相对于基于光导型和光伏型探测器来 说，q w i p 具有相应速度快，探测率高等特点，但其最大的优势还是在于，使用 先进的生产工艺，可以生产出高品质，大面积均匀的多量子阱材料【引。 相对于热敏探测器来说，光子型探测器有其性能上的优点：其灵敏度高，响 应快，同时通过使用不同的禁带宽度的材料，可以实现对不同波长的红外辐射进 行探测，适用于高性能的红外探测如卫星探测，军事等应用领域。但是不同于热 敏探测器，光子型探测器一般工作于低温条件下，因此需要一定的制冷系统将探 测器工作环境温度降低到规定范围内。 2 1 2 光伏红外探测器 在光子型探测器中，光子激发半导体材料内部受束缚的电子为自由电子，而 只有具有一定能量的光子才能够产生激发作用。因此，半导体的禁带宽度决定了 探测器的响应波长。而大气对红外线存在三个重要的大气窗口：lum 3l am 的 短波红外、3um um 的中波红外、8um 1 4l am 的长波红外。对于不同的波 长来说，其光子能量是不同的，也就有不同的响应。因此，针对不同的波长，分 别使用不同的半导体材料研制出了响应的探测器，如表2 - 1 所示。 表2 1 红外大气窗口及其对应的光子探测器 光谱响应范围 1 3 p m3 5 岬8 1 4 j x m 光导型探测器p b s p b s e ，i n s bh g c d t e ， h g c d t eg e h g ，s i x 光伏型探测器 h g c d t e ，i n s b ，h g c d t eh g c d t e i n g a a s g a a l a s 可以从表2 1 中看到，与l n g a a s 等探测器只能够对特定波长进行响应不同， h g c d t e 探测器可以对各种波长的红外线产生响应，这是由其材料本身决定的。 红外探测器用h g c d t e 材料一般可以表示为h g o 州c d x t e ，通过对于x 值的调节， 可以实现对其禁带宽度e g 的调节，从而对不同波长的红外线实现响应。由于工 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 作温度较高，噪声低，易于实现大规模集成等性能特点，h g c d t e 成为了第三代 红外焦平面阵列所使用的主流探测器。 为了达到低背景噪声探测的要求，探测器需要很高阻抗将自身热噪声的水平 降低到背景噪声以下。显然，光导型的红外探测器无法做到这点。而光伏型的红 外探测器工作时为一个反向p n 结，具有较高的阻抗，且在适当的偏压下，其光 电流具有很高的线性度，因而更适合高性能的红外探测要求。 在本课题研究的i r f p a 系统中，所使用的探测器为一种高性能h g c d t e 光 伏红外探测器。 光伏探测器从原理上讲就是一个p n 结光电二极管，利用p n 结的光伏效应 工作。图2 1 为p n 结光伏红外探测器结构图。从衬底材料来区分，p n 结光伏 红外探测器可以分为两类，共n 型探测器和共p 型红外探测器。 np ( a )( b ) 图2 - 1p n 结型光伏红外探测器结构图：( a ) p + n 结构( b ) n + p 结构 p n 结光伏红外探测器的基本工作原理为：在无光的情况下，当p n 结受反 向偏压时，p n 结仅有很小的电流流过。而在有光的情况下，将会产生大量的光 生载流子。而在反向电压作用下，电子和空穴将会发生漂移运动，从而产生了光 电流。该光电流远远大于无光情况下的暗电流，且按辐射强度正比例增大。 而在实际应用中，为了保证探测器稳定地输出光电流，通常需要在探测器两 端加上一个稳定的偏压以获得稳定的光电流输出。光电二级管的等效电路如图 2 - 2 所示，可以将光电二极管等效为一个恒流源，c d 分别表示光电二极管的 等效电阻和电容。i d 为光电流，i 为实际注入到读出电路输入端的光电流。 图2 - 2 光电二极管等效电路图 u 、 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 由图2 2 ，有 易= i + i 2 + 毛+ 式2 - 1 = 心 式2 2 由于一般情况下，光调制的频率都很低，因此i 4 0 ，而i 2 ，i 3 则与光电二极管两 端的偏置电压有关。由二极管的i v 特性有： 2 = i o e x p ( 等) - 1 】 式2 - 3 于是有 吼一i o e x p ( 等) - 1 】_ 等 式2 - 4 可以看到，光电二极管两端的偏压u d 会带来两方面的影响，一方面，无论是二 极管的i v 特性，还是寄生电阻导致的电流，都会直接导致实际注入的光电流减 小，降低了注入效率；另一方面，当u d 不为零时，二极管的i v 特性会导致一 个与u d 相关的指数项，降低了探测器对光响应的线性度。因此，在大多数的实 际应用中，探测器偏置电压采取零偏的工作方式，即u d = o ，从而式2 4 中的后 两项均等于零，使得浮i d 。在零偏的情况下，探测器可以实现最高的注入效率和 最好的线性度。 2 2 红外探测器面阵和读出电路的互联 由于红外探测器使用的材料一般为非硅衬底材料，而读出电路大多采用标准 c m o s 工艺进行设计和生产以降低成本和难度。因而，一般情况下，探测器和读 出电路阵列都需要使用不同的工艺分开生产，如何能够将这两者连接起来形成红 外探测系统并且尽量降低互联对电路特性的影响，也是红外系统设计的重要内 容。 在实际的应用中，针对于不同阵列的焦平面阵列，存在两种较为成熟的互联 方式。一种是通过引线键合方式进行互联，一种是通过生长铟柱进行互联。 键合引线的互联方式如图2 3 表示，探测器和读出电路按照对应的位置放好 之后，通过引线键合的方式将两者连接起来。这种连接方式操作简单，不需要采 用复杂的工艺。但是由于键合引线需要一定的幅度和距离，这种互联方式仅适用 于长线列红外探测器和读出电路的互联。且由于键合引线比较容易发生形变，存 在一些不稳定因素。而当键合引线较多时，键合操作也将变得相当困难。 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 图2 - 3 键合引线封装方式 通过生长铟柱进行互联的红外探测系统如图2 4 所示。该技术将成品的探测 器阵列和读出电路阵列先分别加工生产。然后采用高精度对准技术，将两者完全 对齐后，利用特殊工艺，在两者之间生长铟柱将探测器和读出电路连接起来1 9 j 。 该技术要求在设计时就要将探测器阵列和读出电路阵列的大小和位置一一对应 起来，并且在读出电路需要安装封装的要求进行一定的设计。在这种互联中，高 精度的对准和封装工艺是该封装技术的关键。 r 瑟悉西夏瓣、 j 葛塞蒌蓥萋鋈蕊、 、口、o 、口o 、口o o o 、 f o c a lp a n e a r 。y ：、：= y 、 忑忑孓聂面瓦i i ：面惑、。f ；夕| “、n 熬、 图2 4 铟柱生k 的面阵封装方法 此外，还有一种单片集成式的焦平面技术。该技术利用集成电路工艺，在同 一种材料上同时制备探测器阵列和r o i c ，或通过微机械加工和牺牲层刻蚀工艺， 在r o i c 上加工出探测器阵列，这种组件被称为单片式焦平面组件，其优点是焦 平面组件单元数多、均匀性好、价格较低、成品率高，且具有较高的机械强度和 热导率【l o 。但是，这种焦平面电路的实现也有一定的难度。这主要是因为，目前 较为成熟的半导体工艺多为硅材料工艺，而通过表2 1 可以看到，硅材料禁带宽 爹 l*：，# i器 瀵馨鬻渗， *“雏麓每i，掣i 爨*；o穗i，j *”i、-赫女；寥 纛骥鬻攀燃 热 堞 凹 ip由硎爨t慧纛慧落崖毪爨苒苇蠡p垦 引 矧翮酬疑咖 秽yfll0粉m ”州、 m 埘 。p 絮 。十 ， 涨 一l o r o v _ 、， 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 度大，并不适于红外波段的探测。而基于其它材料的生产工艺又不够成熟，因而， 目前单片式焦平面组件研究进展缓慢。 2 3 面阵型读出电路基础 2 3 1 面阵型读出电路的性能参数 一般来说，r o i c 的设计主要关注以下几个主要性能 l 、阵列规模 面阵型红外读出电路阵列规模一般表示为n m ，较为常见的有1 2 8 1 2 8 ， 2 5 6 x 2 5 6 等方形格式，或是3 2 0 2 4 0 ，6 4 0 4 8 0 等标准视频图像格式。探测器 阵列的规模是衡量面阵型读出电路发展水平的一个主要标志，国外高水平焦平面 系统，单片的面阵规模已达2 0 4 8 2 0 4 8 ，4 0 9 6 4 0 9 6 的超大规模红外焦平面也 即将面世。大规模的阵列可以获得更高的空间分辨率，但是其成品率将会降低， 因而成本也将成倍增加。 2 、像素尺寸 像素尺寸是指焦平面阵列中单个像素所占面积的：大小，它标志着焦平面单元 的研究水平和工艺生产水平，决定了焦平面阵列的集程度，并会在一定程度上决 定焦平面阵列的规模大小。由于微细加工技术的发展，国外先进的焦平面阵列像 素尺寸已经相当小，洛克威尔科学中心的h a w ai i 22 0 4 8x 2 0 4 8 元h g c d t e 阵 列，其像素尺寸己小达1 8 1 8l am 。而国内研制的成熟的红外焦平面阵列，其像 素尺寸一般不小于3 0 3 0t 1m 。而对于红外读出来说：，随着像素尺寸的减小，读 出电路单元面积必然要随着减小，而要在3 0 3 0l am 或者更小的面积内设计出 高性能的读出电路，其难度相当大。 3 、电荷存储能力 电荷的存储能力决定了电路的动态范围大小，该参数主要由两部分组成：读 积分电容的大小和饱和电压的高低。积分电容的大小一般要受到单元面积的限 制。在目前大多数面阵型读出电路中，其范围大约为1 0 5 - 1 07 个电子。在背景辐 射强，动态范围大的应用场合，一般要求有较大的电荷存储能力。 4 、非线性度 非线性度标志着红外焦平面阵列将光信号转换为输出电压的精度。理想情况 下，读出电路的输出信号和积分期间接收到的光子数是一种线性关系，但在实际 工作中转换过程是存在一定的非线性存在的。“非线性度”定义的是输出信号与 积分光子数之间的非线性程度，它指数据点与最佳拟合直线间的最大偏差i l 。影 9 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 响焦平面红外系统的输出非线性的因素主要有两个，一是由于探测器两端电压无 法完全实现零偏时，探测器实际输出光电流和收到的光子数存在非线性，二是读 出电路在将光电流转化为电压时也存在一定的非线性，因而在设计时需考虑这两 个因素的共同作用。 5 、噪声 噪声通常用输入相关噪声电子数表示，可定义为：在输出端产生总的均方根 噪声电压或电流所需要的输入端当量电子数【1 2 】。读出电路存在的噪声主要有：热 噪声、闪烁1 f 噪声，k t c 噪声和固定模式噪声等。 6 、动态范围 动态范围定义为最大非饱和信号与最小可测信号的比值，常用分贝表示 1 3 】。 动态范围越大则读出电路能探测的光强范围越大，性能越好。最大非饱和信号通 常定义为像素满阱容量或像素最大输出电压摆幅。最小可测信号通常为噪声的均 方根，受噪声限制。 7 、工作温度 读出电路的工作温度主要是由探测器的需求决定的。某些冷型红外探测器要 求工作温度为7 7 k 甚至更低，由于实际工作时读出电路已经与探测器阵列连接 在一起，因而读出电路的工作温度与探测器的工作温度相同。而m o s 管工作状 态在低温时将会发生一系列的变化，因而设计的读出电路必须要保证其在工作温 度下的性能。 8 、功耗 功耗是红外系统中核心性能指标之一。焦平面阵列的主要功耗是读出电路功 耗。因此，低功耗设计是读出电路设计的重要内容。这主要是因为，高性能的红 外系统往往应用于卫星探测或是军事应用等对功耗要求极为苛刻的场合。而另一 方面，高功耗会增加红外探测器的工作温度，增加了背景噪声，可能导致需要探 测的信号完全被湮没。因而必须对读出电路进低功耗设计。但是低功耗设计往往 意味着电路功能的减少和性能的降低，因此在电路设计时，必须考虑功耗和其他 电路性能的平衡关系。 9 、积分时间 在信号极其微弱时，可以通过增加积分时间，增加电路对光电流信号的放大 倍数，从而获得更高的动态范围和灵敏度。积分时间的长短选取与实际应用的背 景，积分电容的大小有关。 1 0 、输出速率或帧频 输出速率振频率往往是由电路的积分时间或是电路处理时间决定的。由于 目前低温下的模数转换器( a d c ) 还不成熟，大多需要将读出电路的模拟信号输 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 出后在焦平面外部进行数据处理。而面阵型读出电路每一帧动辄上十万百万的数 据需要输出，这对电路内部信号处理速度和输出级的信号传输能力提出了较高的 要求，尤其是在某些高速摄像的应用中，要求最终的信号输出速率达到了8 m s 。 11 、盲元率 红外焦平面组件制作过程中，总有一些探测单元的光电等性能严重偏离平均 值，甚至无光敏特性，这些探测单元被定义为缺陷像素。产生缺陷像素的主要原 因是探测器材料的晶格缺陷以及探测器与r o i c 之间的电连接失效。盲元率定义 为：缺陷像素在整个阵列中所占的百分比。盲元率随着工艺的进步可以降低，但 不会完全消除1 1 4 1 。 2 3 2 主要读出电路单元结构 单元读出电路主要通过积分将光电探测器产生的光电流转化为电压，并提供 一定的行选列选功能。而对于不同的应用，对于其性能指标的要求又有一定的不 同，因此可以根据需要采用不同的读出电路结构。而目前存在的所有读出电路中， 每种读出电路在具有一定的优势时，也有一定的限制和不足，因此了解各种读出 电路的优缺点，才能确定采用何种读出电路结构。目前成熟的面阵型读出电路结 构主要是由直接注入型读出电路及其在此基础上发展的几种读出电路结构和电 容反馈跨阻放大器读出电路等【15 j ： ( 1 ) 直接注入型( d i ) 直接注入电路是最早使用的读出电路结构之一。它首先用于c c d 红外焦平 面阵列，现也用于c m o s 红外焦平面阵列。一个典型的直接注入型电路结构如 图2 5 所示【1 6 j 。 图2 - 5 直接注入型电路结构 当晶体管m i 导通，则光电流通过注入管流入到积分电容c i m 上，导致积分 电容上的电压变化，实现积分的功能。当复位开关m - r s t 闭合，c i n t 上的电压被 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 复位到零。电路通过源跟随器来实现对后级电路的驱动；m s e l 为行选开关，可 以通过该开关来实现行选的功能。 d i 结构由于其结构简单，功耗低，所占像素面积小，因而在阵列规模较大、 像素单元较小的应用中使用广泛。尤其是当像素单元继续减小时，其单元面积小 的优势将更为明显。 在高背景情况下，光电流较大时，d i 结构可以获得较高的注入效率。而在低 背景下，当光电流较小时，该读出结构的注入效率将会大大降低。而在大多高性 能红外读出系统中，对电路在低背景下的的读出性能的要求是非常严格的。 同时，在一定的范围内，d i 电路的响应基本上是线性的。但在该电路中，探 测器的偏置电压由注入管的栅源电压控制，各象素单元注入管阈值电压存在不均 匀性，探测器两端较难维持接近零的偏压状态【1 7 】，且注入管的栅电压不易控制， 因此会在焦平面阵列输出信号中引入固定模式噪声，因而在焦平面阵列应用中必 须克服固定模式噪声的影响。 ( 2 ) 缓冲增强直接注入型( b d i ) b d i 电路的结构是由d i 型读出电路发展而来的，典型的b d i 电路结构如图 2 - 6 所示【1 8 】。该电路同前面提到的d i 结构很类似，只是本结构在注入晶体管的 栅极与探测器输出端之间增加了一个放大器，因为该负反馈电路结构读出电路的 输入阻抗减小为原来的l a ，这将大大地提高该读出电路的注入效率；此外，同 d i 电路相比，由于放大器的虚短特性，b d i 结构中探测器的偏置近似为一个稳 定电压v 。m ；因为探测器的偏置相对稳定，电路可以获得更好的线性度，并且降 低阈值电压不均匀带来的影响。b d i 电路的缺点在于，增加的反向增益级会带来 额外的功耗，同时电路复杂度增加，面积增大。 w v s s 图2 - 6b d i 电路结构 通过对b d i 结构的改进，提出了一种将b d i 中运算放大器设立公共端的s b d i 结构。在该电路中，b d i 单元内部只需要使用运算放大器的一半，而另一半由多 个放大器共同享有，这就将极大地节约单元电路的面积【1 9 】【2 0 1 。但是这种通过共 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 享的方式很难做到放大器内部的匹配，而将放大器两边做的距离太远，也会导致 一些不均匀性的问题。 ( 3 ) 电容反馈跨阻放大器( c t i a ) c t i a 是由运算放大器和反馈积分电容构成的积分运算器【2 1 1 。如图2 7 所示， 当复位开关的控制信号为“l ”时，复位开关闭合，积分电容被复位；当复位开 关的控制信号为“0 ”时，复位开关断开，光电流流向c t i a 积分电容进行积分。 图2 7 电容反馈跨阻放大器电路结构 c t i a 的积分电容和复位管被放置在放大器的反馈环路中，在积分工作期间， 即使输出积分到很高的电压，电路也可以通过放大器的高增益确保电路的“虚短” 特性，这既能够保持探测器零偏，又能够防止光电流在探测器内部寄生电容上积 分，使光电流几乎全部注入到积分电容上，因此c t i a 读出电路的注入效率很高。 由于密勒效应的影响，只要运算放大器的增益足够高，单元内部的积分电容就可 以做得很小，从而获得在低背景低信号应用中的高灵敏度。c t i a 结构同时可以 提供很低的探测器输入阻抗，且在较宽的的背景范围内，该读出结构都有很低的 噪声，而且其线性度也极好。因而，c t i a 成为了目前很多高性能红外读出电路 设计的重点研究对象。 但是c t i a 显然也有其固有的不足，由于其电路内部含运算放大器电路结构， 因此其面积和功耗的消耗将明显大于其他的读出电路结构，其面积也比一般读出 电路面积大。 2 45 1 2 x 5 1 2 面阵读出电路系统架构 2 4 1 本面阵型读出电路的主要性能指标 本课题根据其应用背景，系统对本芯片提出的主要性能指标为 l 、阵列规模：5 1 2 5 1 2 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 2 、工作温度：8 0 k 1 5 0 k 3 、生产工艺：0 3 5u m 标准c m o s 工艺，电源电压3 3 v 4 、整体功耗：小于2 0 0 m w 5 、输出摆幅：大于2 v 6 、输出速率：8 路并行，输出负载2 5 p f 的情况下每路输出1 2 m s 7 、电荷存储能力：分为0 5 m 电子和1 6 m 电子可调 8 、工作模式：i w r ( 边积分边输出) ，i t r ( 先积分后输出) 两种工作模式 可调 9 、像元尺寸：3 0 u m 3 0 u m 1 0 、噪声：3 0 0 e 1 1 、积分时间：通过外部系统给入 1 2 、非线性度：在0 - 2 v 的输出范围内小于3 ，在0 - 0 2 v 的范围内小于5 0 2 4 2 读出单元结构的选取 在明确了设计的主要性能参数后，需要采用合适的读出电路结构单元来加以 设计作为本系统的读出电路。 面阵型红外读出电路的主要结构包括直接注入型( d i ) 以及在其基础上发展 起来的b d i ，s b d i 等读出电路结构和电容反馈跨阻放大器( c t i a ) 读出电路结 构。其优缺点也都相当明显：d i 读出电路结构简单，易于实现，但是性能很难 提高；b d i 性能相对于d i 更好，但是由于增加了放大器结构，电路更为复杂， 所占面积和所消耗功耗将会降低；s b d i 保留了b d i 读出电路的性能，但其均匀 性难以得到保证；c t i a 结构有很好的性能，但同b d i 一样，面积和功耗仍是该 结构面临的难题。 同时，也有其他很多种高性能读出电路，栅调制注入型( g m i ) ，缓冲栅调 制注入型( b g m i ) ，电流镜像型( c m i ) 等读出电路设计，但其面积和设计复 杂程度，实现难度都是很多面阵型读出电路设计无法接受的。而在本课题的设计 中，读出电路的面积为3 0 9 m x 3 0 i t m ，可见本设计对于面积的要求相当严格，因 而仅仅考虑d i ，b d i ，s b d i ，c t i a 四种较为成熟，且结构相对较为简单的读出 电路结构。 d i 型单元电路结构简单，因此在相同的面积内，可以增加积分电容的大小， 提高读出电路的动态范围，这是d i 型结构的优势，因此，在一些对性能要求不 是太高的情况下，d i 受到了一些设计者的青睐。但d i 结构的主要问题在于，它 提供给探测器偏置电压是不稳定的，而且在积分开关开时，受到暗电流的影响， 偏置电压增大。另外，在低背景应用时，由于输入阻抗变大注入效率会降低。同 1 4 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 时，d i 型结构也存在较大的非线性。此外，由于工艺的原因，各像元注入管阈 值电压必然存在着一定的非均匀性，这会在焦平面阵列输出信号中引入相当严重 的空间噪声，而这很难通过后级电路进行处理。由于本读出电路设计对于信号读 出的线性度和精度，均匀性都有较高的要求，因而，不能够采用d i 结构作为本 设计的基本读出电路结构。 b d i 结构由d i 结构改进而来的，显然，其原理与d i 结构类似，工作也相对 简单。只是由于在输入端引入负反馈放大器使得b d i 结构注入效率大大提高。 另外，相对于d i 结构，b d i 结构中运放的虚短特性可以为读出电路提供更稳定 的偏置。同时，由于放大器的作用，b d i 结构还能在很大程度上降低由于注入开 关管的开启电压非匀性造成的不良影响。显然，b d i 相对于d i 有更高的性能。 但是在积分电容很小的情况下，如本设计中的4 0 f f ，由于寄生效应带来的寄生 电容会与积分电容形成并联，增加了积分电容的大小，降低了读出电路的灵敏度， 对读出电路的性能造成了影响。 在b d i 结构的基础上，又发展出了s b d i 结构，该技术核心就是通过公用 放大器的左部分来降低读出电路的面积和功耗。在理想的情况下，该读出电路的 性能是与相对应的b d i 读出电路的性能是相同的。但是在大规模面阵的设计中， 该读出电路结构却不一定能够适用。以本设计为例，如果每一列公用一个放大器 的左部分，其公共部分为电压信号线，对于5 1 2 5 1 2 规模的读出电路来说，该走 线长度将会达到5 1 2 x 3 0 1 a m = 1 5 3 6 0 m m ，如此长的走线，必须要考虑导线长度的 不同和寄生效应会带来的影响。同时，这么长的走线也必然与很多信号线重合或 是交叉，当这些信号线不停翻转时，该信号线也必将受到一定的影响。 而c t i a 结构是与d i 类结构完全不同的读出方式，该电路输入直接为放大 器的输入端，由于放大器的作用，可以大大提高注入效率和线性度。同时，放大 器的虚短作用可以为探测器提供零偏的条件，且放大器的密勒作用可以大大地降 低探测器自身寄生电容带来的影响。此外，在积分电容很小的情况下，该电路的 积分电容只是跨接在放大器输入输出端的电容，因而大大降低了寄生电容的影 响。 可以看到，由于d i 的性能一般，s b d i 设计无法保证电路的均匀性和稳定性， 因此本设计中这两种电路结构均不予考虑。而在所占面积和功耗的消耗上大致相 当的情况下，相较于b d i 结构，c t i a 结构有更高的注入效率和更好的线性度， 同时在面积较小时也可以降低寄生带来的影响，因此本设计选用了c t i a 作为最 终的读出单元电路。 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 2 4 3 前端读出电路整体框架 本课题要求设计一款面阵规模为5 1 2 5 1 2 的高性能红外读出电路。该芯片 通过生长铟柱的方式与探测器面阵进行互联。 本芯片采用全并行曝光的方式工作，能够将光电探测器的微弱光电流精确转 换为电压信号，并最终串行输出模拟信号。其工作方式可以分为边积分边输出 ( i w r ) ，先积分后输出( i t r ) 两种工作模式，两种工作模式的切换由外部系 统通过数字控制实现控制。其电荷存储能力通过外部系统实现智能调节以实现读 出电路动态范围的扩展。同时，针对电路时序电路工作的特点，本电路通过数字 电路控制，实现电路的低功耗控制。 图2 - 8 读出电路整体框架 芯片的主要功能模块如图2 8 所示，其主要实现的功能为： 读出电路单元：将探测器产生的光电流信号积分放大转换为电压信号 采样保持电路：对读出电路单元产生的电压信号采样并保持至输出 列电荷转移放大电路：将单元内部采样电容上的信号读出到列输出端进行输 出，解决单元输出驱动能力不足的问题。 列缓冲器：驱动多路选择开关打开后的长走线带来的寄生电容，同时隔离选 择开关的切换带来的稳定性问题。 多路选择开关：多路选择开关通过选择不同的列进行输出，从而实现顺序输 出。通过该选择开关实际上是现列选的功能。 输出缓冲器：实现大信号输出，驱动外部负载 数字控制模块：控制电路各个开关的工作状态，为电路工作提供时序信号 第二章面阵型探测器前端读出电路简介 由于本芯片最终将实现8 路并行输出，因此在对5 1 2 x 5 1 2 面阵读出电路进 行整体设计时，将该面阵平均分为8 个部分，每一部包含6 4 列5 1 2 行读出电 路单元。同时每一部分包含该列6 4 的列电荷转移放大器，列缓冲器，以及该6 4 列的6 4 选1 开关，一个输出缓冲器。对于这8 部分来说，每一部分相对独立的， 但它们的电路内容和对时序的要求却