一种具有片上补偿功能的红外读出电路

阙隆成，吕 坚，魏林海，周 云，蒋亚东



一种具有片上补偿功能的红外读出电路

阙隆成，吕 坚，魏林海，周 云，蒋亚东

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054）

针对非制冷红外探测器系统，提出了一种恒流偏置的红外读出电路（ROIC），该电路具有衬底温度补偿功能，且可实现片上偏移非均匀性补偿。基于微测辐射热计等效电阻受目标温度、衬底温度等影响的等效模型，每个读出通道采用两个盲电阻以消除衬底温度的影响，同时使用DAC逐点调节参考电压，以完成片上偏移非均匀性补偿。该ROIC应用到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上，已在CSMC 05MIXDDST02的0.5mm CMOS标准工艺下成功流试验片。电路测试结果表明：对于常温目标，当衬底温度变化60K时，输出电压变化小于500mV；经偏移非均匀性补偿后，阵列的固定图像噪声为11.8mV。该ROIC适用于应用于复杂温度环境的高均匀性非制冷红外探测器。

微测辐射热计；读出电路；衬底温度补偿；非均匀性补偿

0 引言

非制冷红外探测器在军事、工业、医药、科研等领域有着广泛的应用，其中最具代表性的是微测辐射热计[1]。微测辐射热计是一种光-热-电型的红外探测器，探测器阵列接收红外辐射引起微测辐射热计的温度变化，从而导致其等效电阻的变化。红外微测辐射热计读出电路是读取微测辐射热计等效电阻的变化值，获取相应目标红外辐射信息的专用电路。

微测辐射热计的等效电阻由Arrhenius关系可知[2]：

()＝0exp(a/B) (1)

式中：0是与工艺有关的常数，可由实验推算；a是激活能；B是Boltzmann常数；是绝对温度。

用于探测目标温度的微测辐射热计，可称为探测像元。由于目标温度引起的温升常常是一个相对微小的变量，因此可以将式(1)等效为：

s()＝s,0(sub)(1＋Ds) (2)

式中：s,0(sub)是在衬底温度为sub时的等效电阻值；是电阻温度系数（TCR），它是随衬底温度微小变化的负值；Ds是红外辐射引起的温升。

由式(2)可知，微测辐射热计不仅会探测目标温度，同时还会受到衬底温度的影响，然而使用中希望探测结果仅反映目标辐射的变化。

另一方面，在制作过程中，由于工艺偏差，微测辐射热计还会存在一定的非均匀性。同时，读出电路本身也存在非均匀性。这些非均匀性会导致探测器的输出表现出非均匀性，尤其是采用列级读出通道的探测器芯片会出现明显的列条纹。虽然一般的非均匀性可以由外部电路校正，但是会减小探测器的动态范围。

综上所述，具有衬底温度补偿以及非均匀性补偿的读出电路成为当前研究的热点[3-4]。

1 新型恒流偏置的读出电路设计

由式(2)反解Ds可以为读出电路设计提供启示：

若能引入两个对红外信号不敏感的微测辐射热计，可称为盲像元，则相等于在读出电路中引入两个与s,0(sub)等值且随衬底温度变化一致的电阻，可称为盲电阻，由此获得仅与目标温度有关的输出。盲像元的制作在探测像元的基础上增加遮光层使之对红外信号不敏感，其它制作步骤与探测像元相同。在忽略工艺偏差时，等效阻值如式(4)所示：

b()＝b,0(sub)＝s,0(sub) (4)

图1给出了基于上述思想的一种具有补偿功能的新型恒流偏置型红外读出电路。其中，s为微测辐射热计等效电阻；b1、b2为盲电阻，它们除了不探测红外辐射外，其余特性与s相同；1～4为半导体电阻。它们具有相同的阻值。ref1由5bits片上DAC逐点调节产生。

第一盲电阻b1和微测辐射热计的等效电阻s被相同电流ref偏置，经单位增益运放采样后，获得点电压V和点电压V：

V＝refb1(5)

V＝refs(6)

经过加、减法器电路后，输出V为：

V＝V－V＋ref1(7)

V由积分器在积分电容int上进行积分，其积分电阻b2为第二盲电阻，经过积分时间int后其积分输出为：

若忽略工艺偏差，即认为电路不存在非均匀性问题，此时调节片上DAC使得ref1＝ref2，则式(8)可简化为：

由式(9)易知，在忽略电阻温度系数随衬底温度变化的情况下，所提出的新型恒流偏置读出电路仅与红外目标辐射有关，实现了衬底温度补偿。

若读出电路存在偏移非均匀性，则由式(7)、式(8)可知，调节ref1可以对其进行补偿，从而减小固定图像噪声（FPN）。5bits片上DAC的设计正是为了实现ref1逐点调节。片上DAC包括3部分：共享芯片级分压电阻串、列级集成的解码电路（decoder）以及逐点调节数据传输电路。前二者是比较成熟的技术，不再累述，而逐点调节数据传输电路是完成片上偏移非均匀性补偿的关键，该电路结构如图2所示。

图2 DAC逐点调节数据传输电路

图2中，数据传输电路包含5个基本传输单元，每个基本传输单元负责传输1bit校正数据。第一开关S1/S1B受电路所在列的列选信号Mux控制；第二开关S2/S2B受行启动信号RStart控制（MuxB和RStartB是Mux和RStart各自的反相信号）。第列数据传输电路工作时序如图3所示。图3中，Cor,m为第行第列所需校正数据。当第行积分开始时行启动信号RStart有效，将上一行（第－1行）积分时传输电路Hold所保持的Cor,m读入作为输出Out，并控制decoder解码，产生第行列所需ref1。列选信号开始前RStart变回无效状态，使得输出保持当前值，而不随输入改变。即，当本列列选信号Mux<>有效时传输电路将In所接收到的下一行校正数据（Cor＋1, m）读入，但是Cor＋1, m仅传到Hold由NM2和PM2的寄生电容保持，而不改变当前输出Cor,m。由此实现了逐点设置ref1，从而能够实现片上偏移非均匀性补偿。

图3 传输电路工作时序

2 仿真结果

根据上述分析，本文对提出的恒流偏置电路进行了仿真。仿真时，设置ref1和ref2为2V，ref为12.5mA，积分时间int为20ms，积分电容为4pF。当衬底温度（sub）为273K、293K、313K以及333K时，目标温度（t）为233～333K的电路仿真结果如图4所示。

图4 新型读出电路仿真结果

由图4可以看出，目标温度为303K时，衬底温度变化60K而输出变化小于400mV。衬底温度从273K升高到333K时，响应率从8.73mV/K降为6.99mV/K，变化率小于20%。该仿真结果证明了式(9)的结论，即所设计的新型恒流偏置电路实现了衬底温度补偿。

3 新型读出电路测试结果

目前该读出电路结构已应用到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面读出电路上，并在CSMC 05MIXDDST02的0.5mm CMOS标准工艺下成功流了试验片。

利用既有的测试平台[5]，得到了该电路的探测器芯片输出电压测试、FPN测试结果以及成像效果图。分别对设置为5℃、25℃和45℃的目标黑体，在衬底温度0℃、20℃、40℃以及60℃下进行了测试，图5为输出电压测试结果，输出随衬底温度变化较小，与仿真结果一致。

图6(a)为未采用片上DAC进行ref1逐点偏置的测试结果，其FPN为296.7mV。图6(b)为采用片上DAC逐点偏置ref1后的测试结果，其FPN为降低为11.8mV。对比图6(a)、(b)可知采用逐点偏置DAC的读出电路较好地实现了偏移非均匀性补偿。

图7是搭载了新型恒流偏置读出电路的探测器成像效果图，成像效果较好。

图5 不同目标温度、衬底温度下的测试结果

4 总结

本文提出了一种新型的恒流偏置读出电路结构，该结构可有效地消除衬底温度效应，当衬底温度变化60K时，输出变化小于500mV。同时，该电路还可以完成偏移非均匀性校正，其FPN仅为11.8mV，提高了读出电路的性能。该读出电路非常适合在较恶劣的温度环境下使用的高均匀性红外探测器中应用，具有很好的市场发展潜力。

图6 FPN测试结果(a)未使用DAC；(b)使用DAC

(a)Tsub＝20℃，未使用DAC； (b) Tsub＝20℃，使用DAC；(c) Tsub＝0℃，使用DAC；(d) Tsub＝40℃，使用DAC

[1] 阙隆成, 杜一颖, 周云, 等. 一种应用于非制冷焦平面读出电路的非线性辐射补偿型ADC设计[J]. 红外技术, 2014, 36(1): 26-30, 36.

[2] Wood R A.[M]., 1997, 47.

[3] Lyu Jian, Que Longcheng, Wei Linhai, et al. Uncooled Microbolometer Infrared Focal Plane Array without Substrate Temperature Stabilization[J]., 2014, 14(5): 1533-1544.

[4] 周云, 张丽, 吕坚, 等. 一种新型的高均匀性非制冷红外读出电路研究[J]. 红外技术, 2014, 36(1): 22-25.

[5] 吴和然, 周云, 张宁, 等. 非制冷红外探测器低噪声驱动和处理电路的设计研究[J]. 红外技术, 2011, 33(9): 505-508.

An Infrared Readout Circuit with On-chip Compensation

QUE Long-cheng，LYU Jian，WEI Lin-hai，ZHOU Yun，JIANG Ya-dong

((),610054,)

This paper describes a constant current-biased readout circuit with substrate temperature compensation and non-uniformity compensation for the uncooled micro-bolometer detector. The influence of temperature for the equivalent resistance of micro-bolometer is evaluated. Then an effective way for substrate temperature compensation is proposed, which utilizes two blind micro-bolometers in each readout circuit channel. On the other hand, the non-uniformity compensation is also achieved by a 5bits on-chip DAC. A 320×240 uncooled micro-bolometer focal plane array（FPA）based on the proposed circuit was implemented on silicon by 0.5mm CMOS technology. The measurement data show that the maximum difference of a normal temperature object over 60K substrate of which temperature change is only 500mV and the fixed pattern noise（FPN）is less than 11.8mV. Thus it is ideally suited for high performance production applications.

micro-bolometer，ROIC，substrate temperature compensation，non-uniformity compensation

TN432

A

1001-8891(2015)02-0101-04

2014-07-11；

2014-09-03.

阙隆成（1987-），男，四川成都人，博士生，主要研究领域为非制冷红外探测器读出电路的研究，E-mail：quelongcheng@qq.com。

国家自然科学基金，编号：61421002。