短波高光谱红外焦平面系统电路设计

卓 毅，岳冬青，李敬国，于小兵

（华北光电技术研究所，北京100015）

1 引 言

在复杂的光电环境中，单波段红外探测效能渐渐不能满足特殊的成像、制导等应用。20世纪80年代高光谱探测技术的发展，为红外探测技术革新提供了有力的技术基础。从更多谱段上探测目标，借助其丰富的光谱信息，可以充分反映目标间的细微差异，使人们能够发现许多单波段探测无法获知的监测信息［1］。

在高光谱红外成像应用中，读出电路（ROIC）的性能越显突出。在制冷型红外系统中，读出电路主要功能是为探测器提供偏压、收集光响应电流、积分、采样保持、增益调整和信号输出等。高性能的红外焦平面系统对于读出电路要求越来越严苛，由于短波高光谱红外成像系统光响应信号微弱，对于其配合的读出电路关键性能指标，诸如良好的噪声、功耗、线性度等，成为保障短波高光谱成像系统性能的重中之重。

本文介绍了一种基于低漏电CTIA像素结构的读出电路设计。对其进行了噪声和漏电的分析，提出优化结构的方式，以及其运用在实际电路中仿真和测试的情况。

2 设计及理论分析

2.1 像素结构

制冷型红外焦平面读出电路常见的像素电路结构包括：直接注入型（DI）、缓冲注入型（BDI）、电容跨阻放大器型（CTIA）等。

CTIA型像素电路因为其优秀的电源抑制比、低噪声和良好的探测器偏压控制等特性，受到极大的关注。但是由于像素面积的限制，CTIA型像素电路多应用于短波红外探测系统。CTIA电路的非线性是影响此类型读出电路的重要因素。读出电路的非线性指的是光电流与最终输出信号的线性关系。其定义为实际曲线和理想曲线的最大偏差与输出摆幅的比值。在短波应用中，经典CTIA结构中相关电荷守恒节点的CMOS开关会存在漏电效应，这种漏电对于弱信号探测影响很大。这种影响随积分电压非线性变化，后期的校准处理并不能有效消除影响。所以对整体系统性能而言是非常不利的。

常用CTIA型读出电路像素结构如图1所示。

其中，Cint是积分电容；Vref是运算放大器参考电压。工作时通过运算放大器虚短作用，A节点的电位被控制在Vref，并以此作为对光电探测器的偏压。通过复位开关将输出复位。考虑运算放大器失调，此时输出信号为：

随后开始积分的过程，探测器光电流为Iint，积分电容上极板被运放钳制在Vref电压处，由于电荷守恒原理，在Vout输出点得到积分结果的电压值。此时输出信号为：过一个小的Cint，体现在输出端就是一个不容忽视的误差漂移。

图1 CTIA型读出电路像素结构Fig.1 CTIA pixel read-outcircuit

再通过采样电容采样信号，并由源跟随结构读出。

2.2 漏电流效应影响及消除结构

在短波器件弱信号探测的应用中，MOS管的漏电效应不能完全的撇除。由于短波应用中，积分电容值普遍较小，由复位开关或者增益调整开关带来的漏电流所影响，电荷守恒节点A接收到的扰动通

图2为短沟道器件的漏电流模型［2］。其中I1为PN节反偏电流，I2为源漏之间的亚阈值漏电流，I3、I4、I5为栅漏电流，I6为源漏之间的穿通电流。前文讲到在系统中引起输出端漂移的漏电流主要是通过影响电荷守恒节点A来影响输出，所以我们考虑图中MOS管源漏之间的漏电流。重点在于I2源漏之间的亚阈值漏电流。

图2 短沟道器件的漏电流模型Fig.2 Short channel device leakage current model

关断截止状态下，亚阈值漏电流起主导作用。具体表达式为［2］：

源漏之间的漏电起重要作用的还包括漏致势垒降低效应（DIBL）［3］，随着 Vds电压增加，源漏之间的耗尽层会互相靠近，导致势垒高度降低，使得漏电流增大。同时还有衬底效应（Body Effect）等影响因素存在。考虑了以上效应的整体漏电流表达式为：

上述公式中可以看出，源漏之间的漏电流与Vds电压相关，即电荷守恒节点A点电压Vref和输出电压Vout之间压差。由于Vout是由红外辐射强度决定，所以Isub随输出非线性变化，影响系统线性度。

基于以上分析，需要对电荷守恒节点提供一个隔离，具体结构如图3所示。

针对漏电流的存在，设计中引入一个T型开关结构，对电荷守恒节点进行保护。具体实现方式为：电路处在复位阶段M1、M2开关导通，M3关断。复位结束M1断开，随后M2断开、M3导通，电路进入积分阶段，由于M3开关导通，使得M1开关两端电压Vds为一个固定值即VA-VB，此时源漏之间的亚阈值电流ΔIsub不随积分输出Vout变化。电荷守恒节点A变化电流为Iint±ΔIsub，此时漏电流产生的非线性偏移转化成为固定模式噪声，方便后续校准。

图3 带漏电隔离结构的CTIA电路Fig.3 CTIA pixel circuit with leakage eliminate structure

2.3 列通路及噪声分析

本设计的列通道输出结构如图4所示。由像素的采样结构保障了整体电路的IWR功能，通过合理的带宽控制，将采样所得电平信号转移到列级进行二次采样。

图4 列级、输出级电路结构Fig.4 Column and output buffer structures

二次采样使用奇偶采样方式保障输出和采样可以同时进行。同时驱动输出结构在一行建立的时间内将结果通过Class-AB结构输出。

本设计IWR时序如图5所示。

图5 电路工作时序Fig.5 The working sequence of the circuit

从系统上分析噪声，其主要来源分为以下几种［4］：

（1）散粒噪声

散粒噪声的来源是由于光电探测器产生的感应电流流过势垒的时候，载流子跃迁过势垒时间并不一致，会产生不连续的电流脉冲。由于其跃迁时间的随机性，整体上体现为全频带的白噪声。其功功率谱密度为：

散粒噪声主要产生在探测器积分阶段，由光感应电流和暗电流同时产生。在积分电容C上积分，可以得知其噪声功率谱密度为：

（2）开关噪声KT/C

KT/C噪声来源于复位、采样过程中开关导通电阻所带来的热噪声，通过积分、采样电容进行功率谱整形后，以低频噪声的形式存储在电容上。开关导通电阻产生的热噪声功率谱密度为：

通过推导可知，该噪声与产生的热噪声的电阻值并无关系，主要取决于低通结构的电容值。在存在小电容的开关电路结构中，此类噪声贡献显著。

（3）MOS管噪声

晶体管噪声主要包含热噪声和闪烁噪声分量，当MOS管工作在饱和区，其热噪声表示为：

闪烁噪声则是由于栅氧化层同硅接触面晶体缺陷和杂质引起的，是一种低频噪声分量，其功率谱密度的表达式为：

基于上述三种噪声组成，优化像素及通路的结构。

3 流片测试结果分析

采用0.35μm CMOS5V工艺设计了1024×256规模的读出电路。芯片整体照片和局部显微图像如图6所示。

图6 芯片显微照片Fig.6 Micro photo of read-out circuit

电路具有4种增益切换模式，不同模式下噪声性能测试情况如表1所示。

表1 不同增益的噪声性能Tab.1 Noise performance of different gain

电路采用4口、8口、16口三种可切换模式输出，最高可到240 Hz帧频，输出可以满足4～6 MHz的读出速率，并有3.4 V的高摆幅。使用450 ms的积分时间，观测电路的线性状况，以衡量对漏电流消除效果。四种增益情况下的线性度如图7所示，其中横轴是积分时长倍数，纵轴是输出电压，定义半阱电压为0。

图7 四种增益的线性拟合Fig.7 Linear fitting of four types of gain patterns

混成芯片成像效果如图8所示。成像效果良好。

图8 未校准成像情况Fig.8 Thermal image formation without calibration

4 结 论

本文介绍了一种应用于短波微弱信号高光谱探测的1024×256红外焦平面读出电路设计，对弱信号积分过程中的像元电路漏电消除结构进行了重点的阐述，并对列级输出级噪声优化进行了分析。并基于0.35μm CMOS5V工艺，对该设计进行了流片验证，经过测试表明，电路可以满足4档高低不同增益工作模式，功耗小于250 mW。在450 ms超长积分时间下有效的消除了漏电流带来的非线性因素，使芯片在3.4 V的摆幅内满足99%的线性度。同时输出建立能够满足4～6 MHz的输出速率。对于短波高光谱红外焦平面读出电路设计具有非常高的实际意义和应用价值。