一种高灵敏度数字化TDI型红外焦平面读出电路

袁 媛,李敬国,胡 月,于 艳,徐长彬

(1.中电科光电科技有限公司,北京 100015；2.航天恒星科技有限公司,北京 100094)

1 引 言

传统的红外焦平面探测器尤其是长波红外焦平面探测器由于其固有的背景通量大、暗电流大等缺点,在应用中往往受限于有限的像元面积、有限的积分电容使得积分时间无法提高,读出电路电荷处理能力无法进一步提高。随着现今红外探测器越来越高的灵敏度要求,需要突破传统红外焦平面读出电路技术的瓶颈,使电荷处理能力不再受限于像元面积,因此数字化红外焦平面技术作为第三代红外焦平面技术被国内外竞相研究,同时对于大面阵、多线列的红外焦平面,低功耗设计也是必不可少的。本文提出了一种将像素级数字化技术与TDI技术相结合的读出电路设计,并通过仿真验证了该电路良好的性能。

2 数字化红外焦平面结构

模数转换器(ADC)作为数字化焦平面读出电路的关键模块,将红外焦平面探测器的光电流模拟信号转换为数字信号,这样就可以利用数字信号便于存取、计算和传输等特点实现更多的片上数字化功能。根据模拟域信号与数字域信号在焦平面上的转换位置即ADC位置,数字化红外焦平面结构可分为系统级ADC、列级ADC以及像素级ADC[1-3]。

2.1 系统级ADC结构

系统级ADC即整个系统的所有的像元共用一个ADC将所有的像元的模拟数据转换为数字值并且输出,ADC仅在信号链的末端实现AD转换,如图1所示。该类型与片外的ADC相比,降低信号在板级处理的复杂度,同时降低了模拟信号在片外长距离传输中被干扰的可能性。系统级数字化不会受到象元尺寸的限制,面积约束比较小,但是对于转换速率和功耗要求比较高,且信号在系统链路末端才实现AD转换,因而对增大电荷处理能力以及噪声性能的提高作用不明显,目前数字化焦平面已很少采用这种结构。

图1 M行N列焦平面系统级ADC结构

2.2 列级ADC结构

列级ADC通过阵列中某一列或者是某几列共用一个ADC,将每列或某几列的像素积分得到的模拟信号在列的末端进行AD转换,如图2所示。读出电路的像素单元以及列传输电路均工作在模拟域,只有行传输电路工作在数字域。

图2 列级ADC读出电路结构示意图

列级ADC的优势在于受像素面积限制比较小,从而降低了ADC的要求,使得ADC实现方式更多样化,设计时可以针对不同的应用来选择不同的类型的ADC；另外,列级ADC的转换速率远小于芯片级ADC的转换速率,这样可以有效提高电路的帧频。列级ADC保留了模拟信号只需要在列级传输的特点,减少了模拟信号的传输距离,可以有效的提高信号的信噪比。但是由于数字域信号是在信号链路中间产生,信号链路前端的模拟域信号仍然容易受到干扰噪声性能没有达到最优,且像素单元内仍然使用传统的积分电容对红外探测器的光电流进行积分,列级ADC对提高读出电路的电荷处理能力没有帮助。

2.3 像素级ADC结构

像素级ADC即红外焦平面光电流信号在各自像素单元内直接完成模拟域信号到数字域信号的转换,每一个像素均由一个独立的ADC构成,如图3所示。

图3 像素级ADC读出电路结构示意图

像素级ADC的转换速率不依赖于电路的帧频,只与读出电路接受到的光电流信号大小有关,这使得ADC的转换速率可以非常低,大大降低了系统的功耗。像素级ADC中模拟域信号在信号链路源头即转换为数字域信号,这就在最大程度上避免了模拟信号长距离传输被干扰,将噪声引入降到最低,探测器信噪比大大提高；同时,像素级ADC读出电路对光电流信号直接进行AD转换,电荷处理能力不再受限于积分电容大小,因此红外焦平面能够达到Ge-数量级超大电荷处理能力,这对焦平面灵敏度的提升非常有利。但是由于要在有限的像元面积内实现完成的ADC转换,像素级ADC对面积的要求苛刻,ADC实现类型比较受限制。

3 高灵敏度数字化读出电路设计

红外焦平面探测器的信噪比与积分电荷量有直接关系,如图4所示[4]。从图中可以看出要想使焦平面SNR接近理论极限值,必须让其工作在方块区域内,这个区域要求积分电荷达到Ge-数量级。因此,红外焦平面探测器灵敏度要达到高灵敏度甚至甚高灵敏的探测需求,要求读出电路具有Ge-数量级超大电荷处理能力。根据前文对三种数字化红外焦平面结构的介绍,采用积分电荷两不受限于积分电容面积的像素级ADC结构,可以满足高灵敏度红外焦平面设计要求。

图4 红外焦平面SNR与电荷处理量的关系

另一方面,红外探测器可以通过加长积分时间来获取更多的积分电荷,但是在实际应用中帧频限制了积分时长,这时通过延迟积分(TDI)技术,即在不同的时间点用同一探测器的不同像元对同一目标进行读取,并将每个时间点各像元读取的信息进行累加存储输出,间接等效延长固定目标积分时间,且参与累加的像元数越多,等效积分时间越长,积分电荷量越大。本设计采用像素级ADC与TDI技术相结合,进一步提高电荷处理能力,从而使探测器获得更高的探测灵敏度。

3.1 像素级ADC设计

像素级数字化读出电路中,整个ADC单元(包括AD转换器、计数器、寄存器等)需要完全嵌入在规定的像元面积内,ADC结构必须相对简单,因此本设计ADC采用一种典型的像素级数字化技术路线[5]即电荷复位计数型ADC对探测器光电流信号进行积分转换。

电荷复位计数型ADC结构原理如图5所示,其工作原理如下:光电流在积分电容CINT上转换为电荷信号,当积分电荷信号使CINT上极板电压降到比较器电压VREF时触发比较器翻转一次,计数器记录翻转次数,同时比较器触发积分电容复位开关,使CINT复位;积分电容CINT通过一个电荷产生单元(由MOS管T1～T3构成)将电荷Q0注入到CINT中。上述过程就完成了一次AD转换,待积分电流再次对CINT放电至Vth时重复比较器翻转、计数器计数、CINT复位等步骤。

图5 电荷包计数型ADC

在电荷复位计数型ADC工作中,ADC量化步长1LSB的单位电荷包QLSB由式(1)决定:

QLSB=CINJ(VBIAS1-VBIAS2)

(1)

其中,CINJ为T2管的栅电容;VBIAS1、VBIAS2分别为T1管与T2管的栅极偏置电压。从式(1)可以看出,单位电荷包QLSB仅与T2管栅电容及T1管、T2管的栅极电压差有关,而与比较器的反应速度无关,因此该结构ADC除结构简单外,还有转换线性度高量化误差小的优点,这对实现高灵敏度ADC十分重要。

3.2 像素级数字化TDI设计

图6 单列像素级数字化TDI结构框图

设计中TDI累加功能采用可加载初值的计数器替代传统计数器以节约版图面积。第M积分周期结束时(1≤M≤72),除第一级计数器外,其他级计数器将前一级计数器的数据加载进来作为初值,第一级计数器清零；当M+1积分周期开始后,各计数器在初值的基础上进行累加计数,这就同时实现了计数和加法的功能。

4 仿真结果分析

4.1 电荷处理能力仿真分析

本设计采用的电荷复位计数型ADC结构,其单包电荷QLSB由图4中T2管栅电容及T1管、T2管的栅极电压差决定,其中T2管栅电容为寄生电容,为准确计算出电路的电荷处理能力,需对QLSB大小进行仿真。

本电路设计采用0.18 μm工艺,对该工艺下各工艺corner进行仿真,得到电荷包QLSB仿真结果如下表1所示。

表1 电荷包QLSB仿真结果

仿真结果给出单像元满量程典型电荷处理能力:

QTYP=218·QLSB=0.21Ge-

(2)

那么,24元读出电路满量程典型电荷处理能力能够达到5.04 Ge-。

4.2 线性度仿真分析

电荷复位计数型ADC线性度主要由比较器自动翻转复位延时决定,线性度仿真结果如图7所示。

图7 ADC线性度仿真结果

像素单元ADC线性度达到0.0109 %,线性误差非常小不会对探测器性能产生影响,具有较好的线性度是电荷复位计数型ADC的特点。

4.3 噪声及动态范围仿真分析

噪声方面,电荷复位计数型ADC的噪声电荷是[7]:

(3)

其中,en是比较器的等效输入噪声；N是单像元复位的电荷包个数N=218；CINJ是最小电荷转移单元的电容大小；CINT为积分电容。可以看到,当N较大时,en可忽略,电荷复位噪声占主要部分。

对200个电荷包的注入过程进行噪声仿真,直接得到噪声标准差1.44 mV,如图8所示。本设计CINT电容为26.5 fF,根据式(3)计算得到单元ADC噪声电荷为8.6 Ke-,一列中各像元间噪声非相关,因此24元经TDI累加后噪声电荷为42.16 Ke-。

图8 电荷包噪声仿真结果

通过上述噪声及电荷处理能力仿真结果,可以计算出该读出电路24级累加读出电路动态范围为:

≈101.5 dB

(4)

本设计的大电荷处理能力以及大的动态范围对于长波红外焦平面长积分时间应用条件具有很好的前景。

4.4 功耗仿真分析

对于电荷复位计数型ADC结构,因其结构简单相较其他复杂ADC结构功耗也较低,该结构功耗主要来源于比较器功耗。比较器功耗由比较器翻转频率决定,积分电流越大比较器翻转速率越高所需功耗也就越大。以大积分电流的长波红外焦平面应用为例,积分电流典型值为30 nA,积分时间10 ms时比较器的翻转频率达到15.4 MHz,此时单元ADC功耗仿真值为7.8 μW,整个512×24线列列读出电路总功耗为95.8 mW。可以看出,该结构像素级ADC在功耗方面可以很好的满足红外焦平面组件低功耗的设计要求。

5 总 结

本文首先通过对不同结构的数字化红外焦平面结构优缺点的分析,确定采用像素级数字化实现大电荷处理能力以及低功耗设计以满足高灵敏度大动态范围红外焦平面设计需求,同时为了进一步提高电荷处理能力,设计将像素级数字化与TDI技术结合。随后,文中以512×24线列规模为例,给出了像素级数字化ADC以及TDI功能的具体电路设计实现。最后,通过对电路的仿真可看出,本文的设计可以同时满足高灵敏度红外焦平面大动态范围、大电荷处理能力以及低功耗的设计要求,尤其在长波红外焦平面中应用中具有很大优势。