红外探测器的读出电路设计

李 强, 刘 阳, 汤欲涛, 曹令今, 刘云峰, 常玉春, 殷景志

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012; 2. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033)

0 引 言

红外焦平面阵列是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件, 是一种高性能的红外固体图像传感器。红外成像技术在军事、 空间技术、 医学以及国民经济等相关领域有着广泛的应用[1-3]。一般来说, 一个红外成像系统主要包括焦平面阵列及其读出电路。由于光电器件输出的信号强度很微弱, 所以要求高性能的读出电路。笔者基于0.35 μm n-well CMOS工艺设计了低功耗、 低噪声红外探测器的读出电路。其中读出电路的结构采用电容跨导放大器结构。与其他电路结构相比, 该结构能为探测器提供稳定的偏置电压、 具有高注入效率、 高输出动态范围、 低噪声和低功耗。

1 红外焦平面阵列读出电路设计方案

红外焦平面阵列的读出电路如图1所示, 它由电容跨导放大器、 相关双采样电路和源跟随器组成[4-8]。当电容跨导放大器在复位期间, 开关Srow, Stran断开, 开关Sreset闭合； 当电容跨导放大器在工作期间, 开关Srow, Stran闭合, 开关Sreset断开。在此过程, 电容Cint将光电流转换成电压Vc。 电压Vint由放大器的偏置电压Vref和Vc决定。

图1 红外焦平面的读出电路

(1)

其中t为光电流积分时间； 光电流Iint由光敏器件产生；Cint为放大器的跨导电容, 其作用是对光电流进行积分。考虑到功耗问题, 电容跨导放大器中的放大器采用高增益单级放大器结构。由于噪声对电路的性能影响很大, 为减小电路的噪声, 采样电路采用相关双采样电路。下面阐述相关双采样功能。时间为T1, 图1中开关Stran闭合,Sclamp为高电平。此时, 采样电容Cc两端电压V1和V2为

V1(T1)=Vdd-Vint-VGSN

(2)

V2(T1)=0

(3)

式(2)中,Vint为积分电容Cint的端电压；VGSN为源跟随器中NMOS器件的栅源电压。时间为T2,Sclamp为低电平。此时, 采样电容Cc端电压

V1(T2)=Vdd-VGSN

(4)

由电容两端电荷守恒定律可得

Cc[V1(T1)-V2(T1)]=Cc[V1(T2)-V2(T2)]

(5)

由式(2)～式(5)可得, 时刻T2的V2(T2)为

V2(T2)=Vint

(6)

表明V(T2)送到P型源跟随器的输入端, 该过程完成了相关双采样的功能。

为增强电路的驱动能力, 相关双采样电路后接一个驱动能力很强的源跟随器。为降低功耗, 在此放大器中加入控制部分, 有数据输出时, 源跟随器处于工作状态。没有数据输出时, 源跟随器处于不工作状态。构成源跟随器的放大器结构如图2所示。

图2 放大器的电路图

2 仿真结果和相关参数部分

为降低功耗, 电容跨导放大器结构采用单级放大器, 单级放大器的功耗为33 μW。计算得到整个电路的功耗为69.78 mW,仿真得到的结果为77.8 mW。

电路的噪声主要包括： 散弹噪声、 复位噪声和读出噪声。散弹噪声由二极管产生, 它是白噪声而不是热噪声。散弹噪声电流正比其流过的电流, 其计算公式为

(7)

其中q表示电荷量,ID表示流过光电器件的暗电流。复位

图3 等效电路图

噪声是电容跨导放大器中积分电容复位时产生的噪声。读出噪声就是读出电路产生的噪声, 主要包括热噪声和闪烁噪声, 其中热噪声是高斯白噪声[9-11]。MOST的热噪声主要取决于其沟道电阻。由于沟道的均匀性较差(源端导电性较好, 而在漏端是夹断的), 所以需要积分计算热噪声。闪烁噪声主要与材料表面的状态相关, 硅是晶体, 其表面被截断, 栅氧在其顶部生长, 使表面产生闪烁噪声。为计算读出电路的热噪声电压, 笔者使用的结构如图3所示。热噪声可表示为

(8)

ro={ro2[ro3(gm2+gmb2)ro3]+ro3}//ro1

(9)

(10)

其中k=1.38×10-23J/K是波尔兹曼常数,gm为晶体管的跨导。

由于式(9)中{ro2[ro3(gm2+gmb2)ro3]+ro3}≫ro1, 则输出电阻ro≈ro1, 故单位带宽输出热噪声电压为

(11)

单位带宽的闪烁噪声为

(12)

在T=27 ℃时, 单位带宽(1 Hz)的输出噪声为1.941 23×10-10V。在带宽为1 GHz,T=27 ℃的条件下, 总的输出噪声为1.127 247×10-4V, 仿真结果为1.121 8×10-6V。

图4 电路输出结果

每行信号输出需要时间为31.25 μs, 一共有320行。所以一帧图像输出需要10 ms, 每秒可保证100帧图像输出。当输入电流范围为1～2.6 nA时, 输出结果如图4所示。从图4可看出, 电路的线性非常好。电路的相关参数如表1所示。图5是红外焦平面阵列的版图, 它包括列共用单元, 时序控制部分以及铟柱阵列。铟柱的尺寸为： 直径30 μm, 高度6.5 μm。表1给出了读出电路的基本特性。由表1可知, 计算结果与仿真结果有一定的偏差。造成偏差的原因在于计算所选取的参数存在误差, 这些误差主要包括晶体管栅极长度和宽度误差、 栅氧化层厚度误差、 掺杂误差等。故笔者的结果以仿真结果为准。

图5 红外焦平面阵列的版图

表1 相关参数及对应结果

3 结 语

笔者设计了低功耗低噪声的红外焦平面读出电路, 电路的主要功能是将红外焦平面阵列所探测到的信号转换成易观测的电信号。给出了传感器件的基本工作原理及电容跨导放大器结构, 并针对相关双采样进行理论推导。采用0.35 μm n-well CMOS完成该设计, 并给出仿真结果。由于红外焦平面阵列的读出电路的基本电路的发展已经成熟, 人们的注意力将转向强红外焦平面阵列和整个电路系统的复杂性。红外焦平面阵列的读出电路的未来发展技术领域有： 芯片中集成模拟/数字转换； 背景抑制； 光学读出等。

参考文献：

[1]孙志君. 红外焦平面阵列技术的发展现状 [J]. 半导体光电, 2000, 21(增刊)： 29-32.

SUN Zhi-jun. Development in IRFPA Technologies [J]. Semiconductor Optoelectronics, 2000, 21(Sup)： 29-32.

[2]王利平, 孙韶媛, 王庆宝, 等. 红外焦平面探测器的读出电路 [J]. 光学技术, 2000(2): 123-125.

WANG Li-ping, SUN Shao-yuan, WANG Qing-bao, et al. Readout Circuits of Infrared Focal Plane Array Detectors [J]. Optical Technique, 2000(2): 123-125.

[3]周津, 姚素英, 徐江涛, 等. 新型选择性复位CMOS图像传感器电路结构 [J]. 吉林大学学报: 工学版, 2006, 36(2): 227-0231.

ZHOU Jin, YAO Su-ying, XU Jiang-tao, et al. Novel Selective Reset CMOS Image Sensor Circuit Structure [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2006, 36(2): 227-231.

[4]HOOD A D. LWIR Strained-Layer Superlattice Materials and Devices at Teledyne Imaging Sensors [J]. Electron Mater, 2010, 39(7): 1001-1006.

[5]HU Bin, LI Ping, RUAN Ai-wu. A Multifunction Snapshot ROIC Design for Low and High Background Application [J]. Optoelectronics and Image Processing, 2010(1): 44-46.

[6]WANG Tao, JIA Gong-xian, YUAN Xiang-hui. Design of Uncooled Microbolometer Array [J]. Semiconductor Optoelectronics, 2001, 22(2): 78-81.

[7]LI Xiang-hui, CHEN Xi-qu, WANG Shang-bao, et al. Design and SPICE Simulation of CMOS Readout Integrated Circuits of Uncooled IRFPA [J]. Infrared Technology, 2005, 27(4): 307-310.

[8]LUNA E, GUZMAN A SANCHEZ-ROJAS J L, et al. GaAs-Based Modulation-Doped Quantum-Well Infrared Photodetectors for Single and Two-Color Detection in 3-5 μm [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2002, 8(5): 992-997.

[9]PHILLIPP R M. Linear Current-Mode Active Pixel Sensor [J]. Solid-State Circuits, 2007, 42(11): 2482-2491.

[10]TIAN H, FOWLER B, GAMAL A. Analysis of Temporal Noise in CMOS Photodiode Active Pixel Sensor [J]. Solid-State Circuits, 2001, 36(1): 92-101.

[11]徐寒松. 单稳态系统应用于加性高斯白噪声信号检测 [J]. 吉林大学学报: 工学版, 2007, 37(1): 182-187.

XU Han-song. Signal Detection in AGWN by Using Single Stable State System [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2007, 37(1): 182-187.