一种新的红外焦平面阵列调整电路设计

陈力颖,于文阳,任亚晶

(1.天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387；2.天津市光电检测技术与系统重点实验室,天津 300387)

1 引 言

红外成像技术已经应用于许多领域,包括军事、交通、医学、工业等[1]。微测辐射热计是红外成像技术的关键部件之一。微测辐射热计是一种对红外辐射敏感的电阻传感器[2]。当有红外辐射时,它会吸收红外辐射,引起电阻变化,电阻的变化会转换为电信号。红外焦平面阵列读出电路的工作原理是通过检测微测辐射热计电阻变化,产生电流的变化,转化为电压信号进行输出。红外焦平面阵列读出电路的原理框图如图1所示。

图1 红外焦平面阵列读出电路的原理框图

图2为传统红外焦平面阵列读出电路由传统调整电路和电容反馈互导放大器(CTIA)[3]组成。在图2中,当栅极偏置电压GSK和GFID分别施加到M1和M2的栅极时,M1和M2的源极电压变为‘GSK+|Vthp|’和‘GFID-Vthn’。其中,Vthp和Vthn是PMOS和NMOS的阈值电压[4]。图中有两个电阻:明像元Ra和盲像元Rb。通过吸收红外辐射,改变电阻值的是明像元。红外辐射对盲像元电阻值不会产生影响,用于参考电阻[5]。ia是明像元支路电流值,ib是盲像元支路电流值,输出电流id是Ra和Rb的函数,可以表示为:

图2 传统skimming模块与CTIA模块

id=ia-ib

(1)

由公式(1)可以看出,id是Vthp和Vthn的函数,传统的调整电路中id对Vthp和Vthn的变化非常敏感。因为阈值电压会受到温度、源极电压和衬底电压等的影响,id的输出将会受阈值电压变化的影响。新的调整电路将通过运算放大器控制明像元电阻和盲像元电阻两端电压值以减少Vth对id的影响,用于调节电路本身的非均匀性。

另一方面,在没有红外辐射时,明像元电路和盲像元电路的输出信号应具有一致性[6]。探测器制造工艺会引入一定的明像元电阻非均匀性,非均匀性问题对系统的成像质量影响严重,为了降低探测器电阻非均匀性对输出动态范围的影响,skimming模块内集成了像元级非均匀性校正功能[7]。非均匀性校正功能是通过在VSK2串联校正电阻来实现。

2 电路结构设计

加入新型调整电路的读出电路如图3所示,该电路结构由非均匀性校正模块、MEMS像元模块、电容反馈互导放大器组成。非均匀性校正模块通过弥补探测器制造过程引入的像元电阻非均匀性来提高调整电路输出电流精度,MEMS像元模块通过运算放大器控制明像元电阻和盲像元电阻两端电压值以减少阈值电压对id的影响。电容反馈互导放大器将输出电流信号转化成电压信号进行输出。

图3 新型skimming模块与CTIA模块

2.1 MEMS像元模块

本论文中的红外像元指标如下:

◆像元有效吸收面积:A=17 μm×17 μm

◆640×480像素焦平面阵列

◆R=290 kΩ,TCR=-2.3 %,Cint=2.5 pF

◆电阻变化值:-831.082(-20 ℃)

-1972.319(27 ℃)

-3942.637(80 ℃)

其工作原理为明像元吸收红外辐射后,因红外辐射加热使得温度发生变化,从而引起明像元Ra的电阻值变化,输出电流发生微弱变化[8],输出微弱电流通过电容反馈互导放大器转换为电压值。

如图3所示,所提出的MEMS模块通过使用两个运算放大器来减少Vth的变化,调节运算放大器形成负反馈回路,负反馈回路将偏置电压GSK1和GFID,施加到Ra和Rb两端。调节GSK1和GFID的值,改变明像元电路电流值ia和盲像元电路电流值ib,用于调节电路的非均匀性。同时使用由晶体管Mn1,Mn2,Mn3,Mn4组成的共源共栅电流镜,电流镜设计成宽长比大的晶体管,用来最小化噪声。共源共栅电流镜的作用是镜像盲像元支路电流值。使明像元上的支路电流与盲像元上的支路电流产生电流差,得到的输出电流信号id经过积分电路进行积分放大转化为电压信号。积分电流id:

(2)

由上式可知,输出电流信号只受VSK1、GFID、GSK1的电压值以及明像元和盲像元电阻值的影响,不受Vth的影响,所以新的调整电路可以减少阈值电压对输出信号的影响,调节电路的非均匀性。

假设在一个积分时间t内,输入电流id是定值,运算放大器的开环增益为无穷大,则输出电压为:

(3)

2.2 非均匀性校正电路

理想情况下,红外焦平面阵列的所有明像元响应曲线都是同样的[9]。非均匀性指的是红外探测器自身的材料、工艺上的缺陷等都会造成各个明像元具有不同的响应特性,即在同样的红外辐射下各探测元的响应输出不同[10]。非均匀性校正电路的作用就是为了降低制造工艺等引入探测器电阻非均匀性对输出动态范围的影响[11]。

每列由D0～D2信号控制,芯片内共有3×640=1920根信号。从MEMS性能可以看出,在目标温度范围内,电阻的相对变化之差为3.11 K(1.07 %),信号电压的动态范围为0.5～4 V,考虑到其他因素的非均匀性,电阻的非均匀性小于3 %(8.7 K),其引起的最大积分电流达到200 nA,通过调节GSK2使得最大调整电流需大于200 nA。在偏压VSK2,GSK2和数字信号D0,D1,D2的作用下,输出调整电流。GSK2用于调节调整电流,D0输出支路的调整电流为:

(4)

其中Vx的值为:

Vx=VSK2-i×4Rb

(5)

同理可以根据上述公式可以计算出D1、D2输出支路的电流值。

非均匀性校正电路的电阻阻值与盲像元电阻Rb相同,电流成比例关系分别为i、2i、4i。假设盲像元电阻远远大于MOS管的输出电阻,调整电流i:

(6)

调整电流2i:

(7)

调整电流4i:

(8)

输出电流id:

id=ia-ib+in

(9)

3 仿真结果分析

该电路使用Cadence ADE软件,采用TSMC 0.18 μm工艺进行设计、仿真。在MEMS模块中,观察运放的偏置电压对明像元电路和盲像元电路的影响情况。在非均匀性校正电路中,测试对输出电流的补偿情况,最后将未加入非均匀性校正电路和加入非均匀性校正电路进行对比。

3.1 MEMS模块

当电源电压VSK设置为5 V,GSK1的电压值设置为从0～5 V的变化量,Vbus电压值设置为2.5 V,盲像元电阻值不改变的情况下,盲像元支路电流值的变化量。盲像元支路电流值随GSK1电压值变化的仿真结果如图4所示。

图4 盲像元电路随GSK1变化的仿真图

由图4可知,盲像元电路的电流值(0～8.9 μA)随GSK1的电压值(0～5 V)的增大而减小。当电源电压VSK设置为5 V,Vbus电压值设置为2.5 V,GFID的电压值设置为从0～5 V的变化量,明像元电阻值不改变的情况下,明像元支路电流值的变化量。明像元支路电流值随GFID电压值变化的仿真结果如图5所示。

图5 明像元电路随GFID变化的仿真图

由图5可知,明像元电路的电流值(0～8.3 μA)随GFID的电压值(0～5 V)的增大而减小。由图4、5可知,可以通过控制GSK1和GFID的电压值,改变盲像元电路电流与明像元电路电流,用于调节电路的非均匀性,达到输出电流变小,积分电压变小,显示效果变暗,一致性好的目的。

3.2 非均匀性校正模块

在非均匀校正电路中,当偏置电压VSK2设置为3 V,偏置电压GFID的值设置为2.33 V,Vbus设置为2.5 V,以及数字开关D0、D1、D2全部在闭合状态,D0、D1、D2所控制的各个支路输出电流值以及总电流值如图6所示。

图6 D0、D1、D2所控制支路电流的比例关系

图6为瞬态仿真,表示由D0、D1、D2控制的支路电流值分别为30.07 nA,60.13 nA,120 nA,以及总的输出电流值210.61 nA,输出总电流值大于200 nA,可以弥补工艺偏差。由图6可知,电流值D0、D1、D2各个支路输出电流值成比例关系为1∶2∶4,与公式推导相同。

在非均匀性校正电路中,当偏置电压VSK2设置为3 V,偏置电压GFID的值设置为2.33 V,Vbus设置为2.5 V,以及数字开关D0在闭合状态,D0所控制支路输出电流值随电压值GSK2的变化,如图7所示。

图7 D0所控制支路输出电流值与电压值GSK2的关系

图7中横坐标为偏置电压GSK2的值,纵坐标为D0所控制支路电流值。由图7可知输出电流值随着GSK2的增加而减小,GSK2平均每调节40 mV变化10 nA的电流,变化率约为0.25 nA/mV。通过图7可知可以通过调节GSK2的值调节D0输出支路电流的值,同理通过调节GSK2的值可以调节D1、D2输出支路的电流值,并且D1、D2输出支路电流值是D0输出支路电流值的倍数。通过控制数字开关D0,D1,D2,改变总的非均匀性补偿输出电流值。以达到增加调整电路输出电流的目的。

当偏置电压VSK1设置为5 V,Vbus设置为2.5 V,以及数字开关D0、D1、D2在断开状态,即无非均匀性校正电路。int为高电平,rsd为低电平,即CTIA为积分状态时,输出电流和输出电压的情况如图8所示。

图8 无非均匀性校正电路的输出结果

图8为瞬态仿真,在int为高电平,rsd为低电平,即CTIA为积分状态时,在没有加入非均匀性校正电路的情况下,调整电路的输出电流值id=10.74 nA,积分电路输出的电压值Vo=2.795 V。当偏置电压VSK1设置为5 V,VSK2设置为3 V,GFID的值设置为2.33 V,Vbus设置为2.5 V,以及数字开关D0闭合状态,即加入非均匀性校正电路,CTIA为积分状态时,输出电流和输出电压的情况如图9所示。

图9 有非均匀性校正电路的输出结果

图9同样为瞬态仿真,与图8的区别在于,图9的仿真结果加上非均匀性校正电路,调整电路的输出电流id=35.73 nA,积分电路的输出电压值Vo=3.482 V。

基于TSMC0.18 μm工艺,在CTIA为积分状态,图9中调整电路的输出电流值id明显增大,导致CTIA输出电压值明显增大。由图8和图9可知,在调节非均匀性校正过程中,调整电路输出电流变大,电容反馈互导放大器电路输出电压变大,显示效果变亮。

4 结 论

由于传统调整电路的输出信号会受阈值电压的影响和一定的像素电阻非均匀性的影响[12],本文设计了一种新的红外焦平面阵列调整电路结构。该调整电路的MEMS像元模块通过新的电路结构设计使明像元与盲像元一致性好。非均匀性校正电路,使MEMS像元输出电流变大,进而积分电压变大,达到显示效果变亮的目的。