640×512-25 μm多功能红外读出电路设计

刘琦 夏晓娟 徐申 马德军 王锦春

摘要：      以上华0.35 μm 5 V工艺设计了一款640×512-25  μm多功能红外读出电路。 该红外读出电路工作在80 K温度条件下适合多种红外探测器， 如InSb， HgCdTe 和InGaAs。 此设计在分析各模块实现的基础上， 重点设计了像素单元以及阵列的读出方式。 同时， 利用相关双采样技术， 降低了信道里产生的噪声。 最后， 对该设计的电路进行单路、 双路和四路仿真。 其中工作频率为5 MHz， 系统默认工作帧频为60 Hz， 最大功耗为180 mW， 输出摆幅大于3 V， 线性度也在99%以上。

关键词：     多功能; 红外焦平面阵列; 像素单元; 相关双采样

中图分类号：    TJ765; TN215 文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2019）02-0090-06

0引言

红外技术由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展， 红外成像仪可装备各类战略和战术武器， 常用于红外侦察、 预警、 跟踪和精确制导， 是电子战、 信息战中获取信息的主要技术之一[1-4]。 红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array， IRFPA）技术是红外探测技术的发展方向之一， 是集红外材料、 光学技术和微电子技术于一体的高科技综合技术。 其工作性能既与探测器的量子效率、 光谱响应、 噪声谱、 一致性有关， 还与电路输入级的电荷存储能力、 均匀性、 注入效率， 电路输出级的电荷转移效率、 线性度、 动态范围有关[5-8]。 现在对于成熟的红外焦平面探测技术来说， 成为其发展瓶颈的不是探测器本身， 而是红外读出电路， 典型的红外读出电路框图如图1所示。

目前， 绝大多数IRFPA均是带硅基的读出电路的混合式阵列， 读出电路规模也从较小的64×64发展到1 024×1 024元甚至更高， 同时像素的密度也在不断提高， 单元面积从100 μm2发展到15 μm2甚至更小， 但随着像素密度的增加， 版图的布局和走线也变得更加困难。 随着阵列规模不断的扩大，对数据的传输要求也提出了较高的要求， 从以前的单路发展到双路输出， 又到现在的四路输出。 因此， 多路输出功能成了当今大规模阵列红外读出电路的标配。

据提出了较高的要求， 对功耗的控制问题也摆在了电路设计者们的面前。 因此在红外读出电路不需要满阵列工作的情况下， 实现小规模的开窗也成为了大规模阵列读出电路的必要功能[9-10]。

就目前来讲， 国内的红外焦平面阵列技术还停留在阵列规模普遍不是很大， 功能比较单一的阶段。 针对上述问题， 本文设计了一款640×512多功能红外读出电路， 该设计的芯片采用先积分后读出以及边积分边读出方式， 同时具有任意开窗以及多路输出功能。

1关键结构与技术原理

1.1像素单元

模拟信号通路由探测器光电信号产生模块、 像素单元采样模块、 列信号处理模块和输出缓冲模块组成， 通过数字电路的控制信号， 探测器感应的红外信号可以一级一级地传输。 单个像素信号的大致流程如图2所示， 像素单元将光电流采样为积分电容上的电压信号， 经过行选信号选通， 电压被采样到列信号处理单元， 最后列选信号有效， 信号经过输出驱动器输出。

像素单元设计是红外读出电路最重要的设计之一。 本文像素单元采用直接注入（DI）结构[11-13]， 具有占用面积小、 电路结构简单等特点， 大规模红外焦平面阵列大多都采用此结构。 在该电路中， 探测器电流通过注入管向积分电容充电， 实现电流到电压的转换， 电压增益的大小与积分电容的大小有关， 当然也受到电源电压的限制。 图3为像素单元的电路结构。

其中， Cin为积分电容， Csh为采样电容。 M1， M2分别为注入管和测试注入管， M2和M5分别为积分电容和采样电容的复位管， M4为采样管， M6和M7为后级电路源跟随器的一部分。 本文芯片设计有边积分边读出和先积分后读出两种主要读出方式。 图4为像素单元时序框图。

1.2相关双采样模块

列信号处理单元最需要解决的是信道噪声问题[14]。 因此， 列信号处理单元通过相关双采样来降低信道里的噪声[15-17]。 图5為相关双采样模块电路。

在T1时刻， 复位开关闭合， VOS端的电压为VOS， Vin端的电位为V1。 在T2时刻， 复位开关打开， 同时Vin端电压变为V2。 此时根据B点在T1和T2时刻电荷守恒， 可以得到

C0（VREF-V1）=C0（VREF-V2）+C2（VREF-VOS）+C1（VREF-VO）

VO=C0C1（VT1-VT2）+C2C1（VREF-VOS）+VREF

这样就可以在输出结果加上或者减去一个固定电平， 达到一个全局偏移的目的。

2主要数字功能设计

2.1格雷码计数器模块

在大规模的焦平面阵列中， 如果只对一部分区域的图像感兴趣， 就可以通过该功能对感兴趣的区域进行读出， 有效提高了焦平面探测器的帧频。 这种读出方式既允许高分辨率、 全窗口、 宽视场模式读出， 同时又可以在窄视场范围内以高速的数据率读出。  当二进制数0111计数加1为1000时， 四位电平都需要转换， 由于制造工艺、 门的种类甚至制造时微小的工艺偏差会导致四位电平转换出现先后延迟， 从而出现一段窄脉冲， 即毛刺。 尤其在高速数字电路里面毛刺的维持时间较长会导致后续逻辑电平的错乱， 从而增加误码率。 其优点为计数器每计数一次， 地址只变化一位。 按上面例子0111转化成格雷码为0100， 计一次数为1100， 只有一位产生变化， 因此避免了竞争导致的冒险。 行列格雷码计数器工作总框图如图6所示。