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红外焦平面阵列的CMOS的噪声分析读出集成电路林加木1,2 丁瑞军1 陈洪雷1 沈晓1,2 刘非1,2（1中国科学院上海技术物理研究所,上海200083 2中国科学院研究生院,北京100039）摘要：随着红外焦平面探测器的发展，在红外焦平面阵列（红外焦平面）的CMOS的读出集成电路的内部噪音逐渐成为一个影响红外焦平面发展的重要因素。这项工作是研究红外焦平面CMOS读出集成电路的内部噪声。这项工作的动机主要是对读出集成电路的机制和内部噪声的影响分析。并根据信在号传输过程中，对多种内部噪声进行分析。根据理论分析的结果，表明1 / f噪声、KTC噪声和脉冲开关噪声在频域的幅度更大。这些噪音已严重影响了输出信号的性能。这项工作知道读出集成电路芯片的信号频率，这是使用DI读出模式的测试。对频率测试结果进行分析后，显示1 / f噪声和脉冲开关噪声是红外焦平面CMOS读出集成电路的内部噪声的主要组成部分，它们的噪音使输出信号产生重大影响。根据噪声类型，提出一些噪声抑制的方法。之后，这些方法用EDA软件进行仿真，结果表明，噪音减少。这项工作的研究结果为提高红外焦平面CMOS读出集成电路的噪声抑制设计提供了参考依据。关键词：红外焦平面阵列，读出集成电路，噪音，频谱分析1 引言 在红外信号检测应用中，检测到内部噪声严重地限制了红外焦平面阵列（红外焦平面）的红外辐射信号的能力。无法避免的内部噪声，必须抑制或减少，以提高输出信号的信噪比（S / N）1，2。 红外焦平面的噪声可能来自外面的世界，也可能来自红外探测器和读出集成电路（ROIC）本身。，我们必须分析噪声来源，以采取有效的方法来抑制或降低噪音的强度和破坏。这是读出电路设计的重点和难点。部分的红外焦平面CMOS读出电路的噪音可能来自使用设备的基本物理过程中，有些是由于材料和制造过程中的偏差。还有一些噪音是由于电路结构和读出集成电路的工作方法3。结果表明，当设计读出集成电路时，它必须考虑到噪声需要处理，以最大限度地提高输出信号的信噪比（S / N）。2 红外焦平面的CMOS读出电路的噪声 红外焦平面CMOS读出电路的噪声是由读出集成电路内部设备噪声，以及电路结构和读出集成电路工作方法产生的额外的噪音组成。MOS电容和金氧半场效晶体管（MOSFET）是红外焦平面CMOS读出电路的主要组成部分。在MOS电容中所产生的噪音几乎都是阵列空间噪声，而金氧半场效晶体管（MOSFET）主要应用于读出集成电路，它们是主要的噪声源。红外焦平面CMOS读出电路是基于阵列集成电路干扰与数字部分和模拟部分混合。此电路结构是非常特殊和复杂，因此，有必要分析和讨论内部噪声。2.1 热噪声4 尽管各种导体器件的平均电流为零，电子的随机运动仍然可能可以使导体两端的电压波动。而且由于温度与随机运动的电子有关，因此电压波动被称为热噪声。热噪声为白噪声，它是类似于在频谱直线。MOSFET是热噪声的主要产生的渠道。工作在饱和区的MOSFET，可以表示信道噪声源是漏电流源连接，其频谱密度可以用公式表示：。因为有大量的MOSFET应用于读出集成电路，热噪声是读出集成电路内部噪声的重要组成部分 。 据MOSFET热噪声谱密度表达可以看出，热噪声是工作温度和MOSFET的相关的跨导。使读出集成电路的工作温度降低，以减少相应的电路域的MOS-GM，这样可以有效地降低热噪声。2.2 1 / f噪声4 1 / f噪声存在于所有的有源器件中，它随着其功率谱密度增加，而频率减少。因此，1 / f噪声性能在低频部分最明显。电子载体的随机捕获和释放会产生1 / f噪声。 在MOSFET中，1 / f噪声可以近似由一个电压源串联门。其表达谱密度是 。公式中的K是一个关于进程的恒定值，其量级是。研究表明，当通道的大小是相同的，PMOSFET的1/ f噪声小于NMOSFET的1 / f噪声。2.3 KTC噪声 康冠的理论噪声卡恩斯和Kosonocky首先提出了在1974年。据介绍，由电路结构和工作方法组成。红外焦平面CMOS读出电路是一种阵列为基础的综合。阵列结构，导致该电路必须重置许多输出值后在缓冲区单位的数据读出。样品电容和积分电容在读出集成电路结构中，必须复位开关MOSFET的定期或连接。KTC噪声引入时打开MOSFET开关的沟道电阻，它属于热噪声撤消修改。复位和积分电路和噪声等效电路模型的结构如图1所示。 图1 复位和积分电路结构和噪声等效电路模型 在图1中，Cint是积分电容。复位MOSFET开放时R是通道电阻。In电流通道电阻的热噪声。由于，带宽的单位平均每平方米的噪声电压表示为：。由前面的公式可知，在积分电容的平均噪声电压的平方电子可以这样表示： 。因此KTC噪声平方米的平均电压值： 。 从上面的公式表明，KTC噪声电子数积分电容是成正比的。当减少积分电容，噪音电子的数量也减少；但积分电容上的噪声电压是在积分电容的大小成反比。积分电容的增加，可导致KTC噪声电压下降。由于电流复位MOSFET通道电阻的热噪声属于随机噪声，所以KTC噪声积分电容上的电压值也是随机的。每次复位电压值是不同的。这是一个随机函数，这是根据高斯分布和平均值等于。2.4 脉冲开关噪声 在红外焦平面CMOS读出电路包含了很多的MOSFET的开关，如复位MOSFET，行选择开关MOSFET和列选择开关MOSFET等等。当打开或关闭这些开关MOSFET，由于耦合效应的栅源电容和其他电容器的电容耦合，将形成上集成电容器尖脉冲，输出信号线的分布电容或分布电容等。它是在图2所示。 图2 红外焦平面的输出信号 这些脉冲急剧增加电路的暂态过程时间，这样的频率响应变得更糟，还减少了对输出信号的S / N。2.5 数组空间噪声 读出集成电路内部，由于材料和制造工艺，每个像素电路的性能是不同的。通过这种方式，即使每个像素具有相同的输入信号，输出信号是不一样的大小。所以有阵列空间噪声产生。像素电路的性能，是由于材料和制造过程中所造成的，MOSFET的偏差可表示为尺寸偏差和阈值电压的差异。作为一个非均匀的结果，数组空间噪声严重影响了红外焦平面输出信号的动态范围。它也成为改善红外焦平面性能的主要点。2.6 在信号链5噪音影响 上述每一种噪声都会影响信号的精确度。假设热噪声和数组的空间噪声的来源是不相关的，零均值、正常（高斯一阶统计的密度函数）和遍历（合奏平均值等于时间平均）在广泛意义上是固定的。因此，这些噪声在信号的PSD是不可见的。如其他噪音噪声可以很容易在信号的PSD可见，因为他们是在大波动的PSD里，所以其影响到实际信号值是不正确的。3 读出电路的输出信号和噪声的频谱分析 读出电路的输出信号中包含了各种噪音。这些噪音使读出电路的输出信号要差一些。由于机制和噪音的强度是不同的，输出信号受噪音影响也是不一样。分析各种噪声的影响，这是必要的，为了给读出集成电路降低噪音设计参考。每个读出集成电路内部噪声有不同的频率特性，在频域，也有不同的表演。因此，傅里叶变换的输出信号是良好的内部噪声分析。在频域包括噪声的输出信号进行分析，以区分每一个内部噪声的影响。3.1 光谱分析系统 频谱分析系统的框图如图4所示。红外焦平面测试系统的基础上是由频谱分析仪，频谱分析系统构成。红外焦平面测试系统所产生的工作电压和脉冲，这是封装在红外焦平面读出电路芯片的杜瓦里的，为了使芯片的正常工作。读出集成电路的输出连接到频谱分析仪。分析和记录输出信号的频谱。 图3中的频谱分析系统的框图3.2 频谱处理数据 在不同条件下从频谱分析仪上采集数据，所以它必须分类和计算，以有效