短波IRFPAs读出电路CTIA输入级的优化设计

王 攀，丁瑞军，叶振华

(1.中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室，上海200083;2.中国科学院研究生院，北京100039)

1 引言

短波红外焦平面阵列正向着大面阵、高分辨率等方向发展［1－2］。读出电路是红外焦平面阵列的重要部分，短波红外焦平面的发展要求读出电路具有更小的像元面积、更高的注入效率和更高的信号输出帧频，同时保持一定的面阵总功耗。合理的输入级设计是短波红外焦平面读出电路设计的关键，必须综合读出电路对输入级单元在尺寸、功耗、注入效率等方面的参数要求。凝视探测器的单元面积限制了读出电路单元结构的复杂度，导致常规的输入级结构难以满足弱信号耦合读出的特殊要求。

因此，本文提出并设计了一种新型的电流源负载的共源共栅结构三管运放CTIA输入级结构。新型CTIA输入级不仅具有传统CTIA结构的高注入效率、低噪声、高线性度和稳定偏压等特点，还能有效克服了一般的CTIA结构面积过大、功耗过高的缺点，进而实现短波红外焦平面弱信号的高帧频、高注入效率、高分辨率和低功耗的读出。

2 读出电路的总体结构和单元CTIA结构

如图1所示，短波红外焦平面阵列读出电路包含单元阵列、行公共处理结构、公共输出级结构和时序控制模块［3］。其中，512×256个单元输入级结构构成了主体阵列部分，每个单元的面积为30 μm×60 μm。单元输入级需完成对探测器光电信号的积分、采样然后传输给后级。单元输入级结构采用了三管CTIA结构的前置放大器。CTIA一般采用由套筒式或者折叠式组成的差分输入加二级放大的电路结构，但由于面阵红外探测器单元面积的限制，在有限的单元面积内CTIA结构不能采用套筒式或者折叠式这么复杂的多管结构。为此，本文采用电流源负载的共源共栅结构的三管运放，既能提供足够的增益又比较节省面积。

图1 凝视焦平面读出电路的总体框架Fig.1 Main architecture of staring IRFPAs ROIC

图2是三管运放结构的示意图和单元CTIA输入级的结构图。M1、M2、M3构成了单元输入级的三管运放，对应为图3中的FAMP结构。为节省单元的面积，将为运放提供偏置电压的辅助结构M4～M9设计在列公用结构中。

运放增益为:

其中，gm1是 M1管的跨导;ro1，ro2分别是 M1管、M2管的输出电阻，后面也将用到。

为提高运放增益并降低工作电流，优化调节了M1～M3管的宽长比。设计中采用了长沟道MOS管，使增益达到70dB，工作电流100 nA。如图2所示，与多达十个以上MOS管的常用CTIA结构相比，新构型的CTIA明显减少了面积。而且，由于偏置结构设计在公共级中，使单元中的运放只有一条电流路线流经 MI、M2、M3到地线，可显著降低功耗。

图2 电流源负载的共源共栅结构示意图Fig.2 Schematic diagram of cascode stage with current－ source load

图3 单元CTIA结构原理图Fig.3 Schematic diagram of unit cell CTIA structure

对于单元内的积分电容和采样电容的尺寸进行优化设计基于饱和电荷容量和噪声因素分析。如图3所示单元结构中还有缓冲级驱动结构UGA，用以驱动256个单元公用的信号线的寄生电容，进而实现高输出帧频。由于UGA只在Vcol有效时工作，对整个面阵的功耗影响较小。

3 CTIA输入级的线性度与噪声特性

3.1 线性度特性分析

输出的信号电压与输入的光强(光电流)之间对应的线性度［4］是影响红外探测系统定量化应用的关键。理想状态下它们的关系是完全线性的。但是，实际电路会受到一些因素的影响而产生非线性输出，如信号幅度接近工作范围边缘引起的非线性、信号通路上的寄生电容引起的非线性、输入级注入效率低引起的非线性和噪声引起的非线性。所以CTIA输入级设计需要进行以下几个方面的特殊考虑。

首先，信号链中传输的信号电压值接近MOS管工作范围边缘时，运放的MOS管VDS减小接近线性区边缘，工作点发生变化，gm变化使工作输出特性改变，进而引起线性度降低。而且运放的驱动能力也是在工作范围的中间值处最强，能准确地传输信号值，靠近边缘的驱动能力会降低。

图4是单位增益运放的通用结构，输出摆幅1.1～4 V，也即在电源和地上下各损耗一个阈值电压。输出信号增益为AV。AV引入了非线性，导致信号的传输ΔVm=ΔVoutAv也引入了非线性。因而将工作点范围设计在MOS管的饱和区减少这种非线性。

图4 单位增益运放的原理图Fig.4 Schematic diagram of unity － gain amplifier

其次，采样保持电容工作时有非线性的寄生电容会引起电荷的分流。阵列电路中长导线的寄生电容分走采样保持电容的电荷是非均匀的，会引入极大的非线性甚至损耗大量信号电压。所以，该设计中采样保持电容都会接驱动级来向后传输信号。同时，采样电容尽量采用大容值。

然后，注入效率引入的非线性，注入效率随信号强度改变的非均匀性会带来很大的影响。由于CTIA结构具有高注入效率，接近100%，很好地克服了注入效率带来的非线性。

最后，噪声引入的非线性。噪声特别是低频噪声会影响结果的线性度，不过它对信号的影响是随机无规律的，只能尽量抑制噪声来达到提高线性度的目的。

图5是该设计在CTIA输出级节点处的线性度仿真结果。CTIA在工作范围内的积分输出信号电压线性度高于99.1%。

图5 CTIA输出电压线性度Fig.5 The linearity of CTIA output voltage

3.2 噪声特性分析

CTIA输入级的噪声［5］对短波红外焦平面探测器弱信号输出的信噪比有比较重要的影响。为此，CTIA输入级噪声抑制的分析和设计是必不可少的。单元CTIA输入级噪声主要分为复位时段、积分时段、传输时段三个部分。单元电路总的噪声为:

其中，下标表明了噪声分别属于传输管(TG)、源级跟随器(SF)在积分(int)、复位(RST)和选通(SEL)时间段。后面公式中的W，L为MOS管的宽和长，gmn是MOS管n的跨导。

首先分析图4中单位增益运放结构的噪声，作为下面噪声分析的基础。其等效输入噪声［6］为1/f噪声和热噪声之和:

其中，COX是单位面积栅氧电容;γ为MOS管热噪声系数;W、L分别为MOS管的宽和长;KN为N管的闪烁噪声常数。下标1，3对应M1、M3管，以下同理。

3.2.1 复位阶段噪声分析

在复位阶段只有复位管Vreseta与积分电容Cint参与复位，可以求得此时积分电容上的输出噪声:

3.2.2 积分阶段噪声分析

在积分阶段，运放参与信号产生过程，引入运放的噪声后的积分输出噪声为:

3.2.3 信号传输时段的噪声分析

信号传输过程中，参与传输的结构会引入噪声，单位增益运放UGA引入的噪声(f为频率):

传输管TG引入噪声:

上述分析可知积分电容Cint的影响最大，其他参数均影响到电路的工作状态。因此，设计大的电容和大面积大寬长比的的管子来降低噪声。本设计选用了60fF的积分电容和120fF的采样电容，传输管和驱动管均在有限面积内设计的足够大来减小噪声［7］。

4 仿真与测试

为提高芯片成品率和可靠度，要对原理设计进行全面的仿真。包括理想模型的前仿真和提取寄生参数的后仿真，特别是在低温模型下的后仿真。该设计在cadence ic51软件平台下进行原理图仿真，版图的寄生参数使用mentor公司calibre提取。利用了无锡上华的标准CSMC－6S05DPTM 0.5 μm工艺库模型做了版图设计和前后仿真。

图6是在500 Hz帧频下加入寄生参数前后的仿真结果。对比参数提取后的前仿真和后仿真结果，可以看出后仿的摆幅降低、线性度下降、信号“平台”更短更不稳定和整体输出信号电压降低。前后仿结果基本一致，信号“阶梯”良好，频率响应正常。

摆幅下降是信号线和MOS管栅极的寄生电容分去了部分电荷，导致传输的电压降低。这可以通过提高采样电容的容值，减小输入管栅面积改善。线性度下降是受寄生电阻和电容噪声的影响。信号“平台”不稳定，是由于输出级驱动不够导致上升或者下降时间过长。整体电压降低是信号线电阻分压的结果。后仿结果给版图的修改和原理图的设计提供了很好的指导。

图6 前仿与后仿结果对比Fig.6 Contrast original and post－ layout simulation

基于上华CSMC－6S05DPTM 0.5 μm工艺绘制版图并流片。流片完成的验证电路实际测试结果与仿真基本符合。电路芯片测试结果如下:

读出电路的饱和信号电压为2.5 V，饱和电子数1.1 Me－，噪声电压0.37 mV，单元电路功耗为0.84 μW，非线性度小于1%。

5 结论

本文在30 μm×60 μm单元面积内设计了短波红外焦平面读出电路CTIA输入级。该输入级能够很好的处理探测器的0.1～10 pA小信号电流，具有很高的响应线性度和大动态范围。测试结果表明，该读出电路在高帧频下工作能够满足设计指标。

为满足应用发展的要求，该读出电路输入级结构的研制需要进一步提高偏置电压稳定性、降低噪声影响，同时向更小面积(如20 μm×20 μm)发展。

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