3232红外出入口电路设计与验证

3232红外出入口电路设计与验证

军事运用及基本特点红外图像具有被动勘探、隐蔽性强、连续侯工作、抗病性强等优点。广泛应用于军事、航空、航空、民用等领域。在军事方面,采用红外成像制导技术,可为导弹提供更多的目标信息,更好地抑制背景干扰,提高识别概率和命中精度。在系统和探测器的研制过程中,第一代红外成像导引头采用单线列器件光机扫描体制。为提高性能,后来发展了4N焦平面器件代替原单线列器件,称为一代半技术。第二代红外成像导引头采用凝视焦平面器件,此类成像器无需扫描,结构紧凑,性能好,可以实现高帧频、高可靠性,能够适于各类导弹,是现今导引头设计的主要技术方向。同时,也要求红外探测系统视场、帧频、积分时间可变,并具备目标识别功能,可实现直接与目标撞击等。在航天遥感方面,气象卫星类航天红外探测器,以单元和多元(包括小规模焦平面)为主,波长覆盖近红外到甚长波红外。遥感卫星包括军用系列卫星,以红外焦平面技术为主,着重于短波、中波和长波的长线列扫描型红外焦平面,以及甚长波的面阵红外焦平面。因此,作为红外探测系统的重要组件,读出电路的功能不再是简单的对探测到的红外信号进行预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持)和阵列信号的并串转换,还需要提高动态范围以适应高低背景探测要求,提供丰富的控制功能以完成图像的局部信息输出、高帧频输出等要求。文中选择了广泛应用于高速成像系统、可自由调整积分时间的快照(Snapshot)工作模式,但是随着探测阵列像元的尺寸不断减小,在有限的像元面积内完成较高性能的单元电路设计是快照模式焦平面读出电路的难点。传统的电容反馈跨导放大器(CTIA)读出电路一般采用差分输入的运算放大器,因其电路结构相对复杂,占用版图面积较大,很难实现快照积分模式。文中采用共源共栅(Cascode)放大器构成的CTIA读出电路,在有限的像元面积内集成了积分电路、增益可调电容、带宽调整电容、反饱和功能等,配合各种积分模式和控制方式,实现了高动态范围和多功能读出,通过流片验证了这种CTIA读出电路能够胜任高灵敏度、高帧频、高动态范围的红外成像领域。1ctia积分输出电路像元电路不但直接与探测器接口,还是整个读出电路性能的瓶颈。CTIA像元电路在噪声抑制、带宽扩展、功耗控制、动态范围控制、均匀性和线性度等方面具有优势,符合快照式高动态范围读出电路要求。但传统的差分运放式CTIA结构由于MOS管太多无法满足日益缩小的像元面积要求,因此,文中设计了一种改进的CTIA结构,用Cascode单级放大器来代替差分运放,不仅实现了快照积分,还在有限面积内集成了反饱和、可调增益、源随缓冲等功能。图1是设计的基于Cascode的CTIA像元电路原理图,包含CTIA、采样保持电路及缓冲器。其中,M1、M2、M3构成Cascode放大器,VCAS控制共栅管的栅电压;M3为尾电流源,由VB端控制CTIA偏置电流的大小;M5是积分复位控制管,由IRST-B控制,低电平有效;M6是可变积分电容选择管,通过ADD-CAP信号选择C1(140fF)积分电容;M7是采保控制管,通过VSH控制电容C2对CTIA-OUT信号进行采样和保持;M4是反饱和管,通过调节ANTI-BLOOMING信号的电平可以达到反饱和的效果;M8、M9构成源随缓冲器,RSEL是行选择信号,CELLOUT是像元信号输出端。该电路采用华虹NEC0.35μm1P4M工艺进行设计仿真,所绘制的版图面积小于30μm×30μm。其设计特点是:1.电路设计了两个可选积分电容C0和C1(10fF和140fF),10fF电容应用于低噪声低背景条件,电荷存储能力0.17×106个电子,通过ADD-CAP端加上140fF电容后,电荷存储能力达2.55×106个电子,增大了15倍动态范围,可用于高背景条件;2.在积分电流过大的情况下,电路设计的反饱和功能可以防止积分器饱和导致的探测器偏压改变;3.电路中集成的采样保持电容,能使电路工作在所有像元同时积分保持的快照模式下;4.通过积分控制信号(IRST-B)的占空比变化可以方便地调整积分时间。与基于差分运放的CTIA电路相比,文中设计的CTIA结构其积分参考电压是由放大器本身的反馈得到,而不是由运放的参考电压端决定,当器件选定以后,积分参考电压由共源共栅放大器的偏置电流来决定,而与积分电流无关。因此该结构可以为探测器提供稳定的偏压,从而保证了输出信号对于输入电流具有良好线性关系。图2给出了在不同输入电流条件下CTIA电路的积分输出仿真波形,从上到下依次是积分复位信号IRST-B、CTIA积分输出电压(积分电容是10fF,三条积分线对应的积分电流由上到下分别是1nA、1.5nA和2nA)和探测器偏置电压Vin。其工作原理是,IRST-B低电平时,CTIA复位,输入与输出相等;IRST-B变为高电平时,CTIA对探测器的光电流进行积分,若光电流在这一时间段内恒定,CTIA积分输出信号与时间呈线性关系。从图2可以看出,在复位和积分期间,探测器偏置电压Vin恒定,与输入电流大小无关;积分输出电压与输入电流呈现良好的线性关系。当探测器过度曝光,即输入积分电流过大时,CTIA积分输出电压将达到饱和(接近地电位),这时如果积分还在继续,那么探测器偏压将会发生变化。如图3中第二排仿真波形显示,探测器偏置信号Vin在CTIA积分输出接近地电位饱和时会翘起,而偏置的变化会影响相邻像元,降低成像质量。为了解决这个问题,本设计在电路中加入了反饱和管(见图1中ANTI-BLOOMING端所控制的MOS管),其作用是当CTIA积分输出电压过低发生饱和时,反饱和管栅极电压VANTI-BLOOMING减去CTIA积分输出电压会大于MOS管阈值电压(即Vgs>Vth)而使此管开启,为过多的输入电流提供了一条泄放通路,避免了继续积分引起的输入端电压变化,如图3第一排仿真波形所示。2用户可控功能性为了实现读出电路任意开窗、读出方向、输出端口数目、积分电容选择、功耗控制等复杂的功能,需要定义窗口的大小和位置、输出端口选择、输出方向选择等控制信号,因此本设计内置了寄存器以存储用户的设置,实现用户可控功能。用户可控的功能可以分为两大类,一是控制窗口的大小和位置,二是控制各种工作模式,包括CTIA增益、输出端口数目、图像翻转等。具体分类如下:1)任意窗口大小和位置;2)读出方向选择(控制图像翻转);3)积分电容选择(10fF和150fF积分电容);4)CTIA带宽选择(减小带宽去除高频噪声);5)功耗控制(实现多种功耗模式以适应多种应用);6)1、2或4个输出端口选择;7)全局复位;8)积分/读出模式(包含积分时读出和积分后读出)。2.1图像翻转部分任意开窗功能就是对面阵探测器中指定窗口内的像元进行读出。如果单像元读出时间一定,窗口尺寸的缩小可以缩短读出时间进而提高帧频。该功能配合图像翻转可以让人们对感兴趣的视频窗口进行高速输出,观察到更多的细节。该部分的设计主要基于格雷码的两个固有特性:1)任何两个相邻的代码中,仅有一位码元不同;2)具有反射特性,即若以格雷码的最高位0和1的交界处为对称轴,处于轴对称位置的各对代码除最高位不同外,其余各位均相同。因此,改变行地址和列地址的首位就可以方便地实现图像翻转,设定初始地址和地址脉冲个数就可以方便地实现任意开窗输出。图4(a)是任意开窗、图像翻转示意图,表示32×32个像元构成的图像可以上下及左右翻转,而且可以在其中任意选择窗口位置和大小输出。图4(b)是图像翻转仿真波形图,由xrw信号控制行选信号rowsel<1>~rowsel<32>的输出顺序,顺序表示图像正常输出,逆序表示图像垂直翻转输出。2.2工作模式下数据输出对于红外制导、寻的等军事领域,通常需要探测快速移动的目标,以实现对目标的拦截和摧毁,需要高帧速地输出图像才能满足要求。因此在时钟频率不变的情况下,多路输出提供了高速图像输出的解决方案。本设计可以实现1、2、4路输出,可提高图像输出速度2~4倍。在默认工作模式下,读出信号只从OUTA端口读出,在10MHz时钟CLK的上升沿和时钟的下降沿分别读出一个模拟信号。在双端口工作模式下,每个时钟沿都有两个信号并行地从OUTA和OUTB输出;而在四端口工作模式下,每个时钟沿都有四个信号并行地从OUTA、OUTB、OUTC和OUTD四个端口输出,此时可提供每秒16k满帧图像输出。由于最多支持4个端口同时输出数据,因此至少需要4位的数据总线,为了避免数据的冲突并给予一定的数据保持时间,选用了8位的数据总线。每个像元的信号经过缓冲和采样保持以后,按照一定规律输送到这8位数据总线上,再通过选择开关将总线上的信号输出。如图5所示,32个列信号控制开关column<1>~column<32>有序打开,像元信号通过8位总线从OUTA~OUTD四个端口输出。3系统时钟控制测试设计并流片的32×32阵列芯片,采用华虹NEC0.35μm1P4M工艺,面积为3mm×4mm,像元面积30μm×30μm,如图6所示。如果工艺线宽进一步缩小,那么像元面积能够进一步缩小以适应小型化系统要求。测试时,由FPGA板来产生芯片所需的时序信号,采用LM317稳压芯片提供稳定的5V电压给红外读出电路。对模拟偏置电压、多端口输出、开窗模式等功能进行了测试,结果均满足设计要求。比如开窗模式,默认工作模式下窗口大小是整个阵列,即32×32,因此行窗口控制信号LS-WIN持续时间为32个行周期。设定窗口大小为16(行)×14(列)后,测试的行窗口控制信号波形如图7所示,LS-WIN的信号持续时间为16个行周期,表明任意开窗功能正常。图8是在系统时钟控制下的模拟输出信号波形,可见良好的像元信号均匀性。表1列出了该芯片的实验及实测参数。4探测器偏置、低背景适应能力设计的32×32快照式红外读出电路采用Cascode单级放大器构成CTIA像元电路,具有单元电路面积小、积分电容可选、工作带宽可调、动态范围大