一种大间距短波线列红外探测器用读出电路的设计

王海先,岳冬青,袁 媛,杨斯博,王 静

(中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

短波红外探测器可以实现对微弱信号的探测,能够应用到海洋气象预报,海洋环境监测、资源开发等领域中。本文介绍一种可应用于海洋探测的大像元间距短波线列碲镉汞红外探测器用读出电路的设计,这款探测器的像元面积为180 μm×180 μm,像元中心间距360 μm,本电路是将两个短波谱段的读出电路集成在一起设计,阵列规模为80×6×2,每个谱段设计有一个信号输出通道,且每谱段都有一个独立的控制端口,用于给读出电路提供控制信号,如线列扫描方向、增益选择、盲元替代等控制信号,每谱段电路积分时间设计为独立可调节。版图设计完成后,进行了电路后仿真,通过对寄生参数提取及反标注后的再仿真结果对电路和版图做了优化处理,文章最后给出了电路实际测试结果。

2 电路设计

读出电路设计工艺选择的是0.35 μm 2P4M。图1给出80×6×2规模的线列读出电路模拟通道原理框图。针对短波电路的特点,像素级采用的是CTIA(电容跨阻放大器)输入方式,像素级输出的信号首先要完成盲元替代和双向扫描功能,然后经过采样保持之后进入TDI(时间延迟积分)电路,本电路中每个像元设计有两级TDI,一列有6个像元,所以整个列通道共有11级TDI,80×6的阵列由80个图1所示的单通道电路构成,最后经过多路选通控制的列运放输出到缓冲放大器输出。

图1 模拟通道原理框图Fig.1 The schematic diagram of analog channel

2.1 输入级

本款读出电路是要对短波微弱信号进行处理,因此输入级采用了CTIA(电容跨阻放大器)结构,见图2。 CTIA的输入阻抗与红外探测器的光电流相对独立,二者几乎不相关,因此CTIA方式下的电路能为红外探测器提供精准的偏置电压而不受探测器光电流的影响,这样能使光电流几乎全部累积在积分电容上,防止了电荷积分在探测器的电容上。由于CTIA积分电容器的密勒效应,使积分电容能做的很小,能获得高增益,因此适合微弱信号的处理应用,密勒效应是指在反相放大器的输入端和输出端之间的电容由于放大器的放大作用,其等效电容值会扩大(1+A)倍(A为运放的放大倍数)[1]。为了兼顾大信号的处理能力,输入级采用了多级增益可调方式,增益调整通过一个串行端口来控制实现。

图2 增益可调CTIA输入级Fig.2 CTIA input stage circuit with adjustable gain

输入级电路在设计时需要重点考虑噪声和稳定性问题。在 CTIA 结构中,噪声源主要来自于差分放大器的输入晶体管,差分放大器容易引起失调电压的增大,也容易引起不需要的信号的漂移和补偿,当运放的增益比较低时,不能对 KTC 噪声进行很好的抑制,这是由于运算放大器增益低的时候会使探测器上的偏压不稳定导致噪声增大,使得信噪比(SNR)降低,因此设计CTIA输入级一般需要采用增益在 300 以上的运放。

因为本电路适用的碲镉汞红外探测器单元面积较大,为适应探测器大结电容的特性,要将运放的增益设计的足够大,才能保证输入级电路工作稳定。为此我们设计了图3所示的折叠共源共栅运放,设计增益为90 dB,为大结电容进行了足够的冗余设计,每个CTIA运放的功耗设计值为20 μW,噪声设计值为0.14 mV。图4和图5分别给出了CTIA运放的稳定性和噪声的仿真结果。

图3 CTIA运放示意图Fig.3 CTIA op amp schematic

图4 CTIA放大器稳定性仿真Fig.4 Amplifier stability simulation of CTIA

图5 CTIA放大器噪声仿真Fig.5 Amplifier noise simulation of CTIA amplifier

2.2 列信号处理电路

列信号处理电路包括盲元替代与双向扫描、TDI级、多路选通输出级。盲元替代及双向TDI扫描功能由用户通过串行端口来控制。当实现盲元替代功能时用特定电压值替代盲元的静态电平,同时在TDI中进行信号的增益补偿。

TDI(时间延迟积分)是指在扫描方向上探测器某列上的不同像元在不同积分周期依次对同一个目标进行信号读取,然后在光机扫描系统的同步下将各像元的读取信号进行累加,由此来实现对同一目标的多次曝光,当扫描方向上的所有像元都完成了对目标信号的读取之后,经过存储累加的信息被读出[2]。

TDI电路由图6所示的结构组成,闭合S1、S3,断开S2时为采样状态,将输入信号电压保持到电容C1上,断开S1、S3,闭合S2时为放大状态,将C1保持的信号电压传递到C2上,由于B点电位被Vbais钳位,所以VB=Vbias,Vout=Vbias+V1×C1/C2[3]。

图6 TDI电路原理图Fig.6 Schematic of TDI

综上,一级TDI在一个积分周期内完成了一次信号的读取,信号进入下一级TDI。每个模拟通道共有11级TDI,短波应用的情况下由于信号微弱,采用TDI累加平均的设计方法能保证6个像元的信号平均后不变,噪声平均后变小,从而达到提高信噪比的目的。

电路输出级考虑到功耗、电路面积、版图布局等多方面的需求采用了两级运放,如图7所示由输出列运放和输出缓冲放大器共同构成,工作频率设计值为5 MHz,图8为输出级的信号建立时间仿真图。其中输出列运放经多路选通开关选通逐列输出80列的信号,输出缓冲是读出电路与外部的接口运放,驱动负载的能力设计为R≥100 kΩ,C≤20 pF。

图7 输出级示意图Fig.7 Output stage schematic

图8 输出信号建立时间Fig.8 Established time of the output signal

2.3 数字控制电路

数字控制电路由时序生成和串行数据端口两个模块构成,其中,串行数据端口模块实现积分电容可调、双向扫描、盲元寻址等功能,时序生成模块则用来产生信号积分采样以及信号延迟累加平均所需要的相关时序,如图9所示。

图9 数字控制脉冲时序Fig.9 Timing of digitally controlled pulses

2.4 版图设计

每谱段读出电路的输出管脚采用的是单边走线引出方式,版图布局如图10所示。两谱段(短波1、短波2)电路采取上下镜像放置,图11是最终的版图设计完成图。

图10 版图布局示意图Fig.10 Diagram of the layout

图11 版图设计完成图Fig.11 Final layout design

2.5 电路仿真

电路设计过程中,要对输入级、TDI级、输出级组成的完整模拟通道进行仿真,验证电路性能和功能。通道仿真采用前仿真和后仿真相结合的方式,经过版图和电路的优化设计后,最终进行全电路的原理图仿真。

2.5.1 线性度仿真

CTIA电路的积分线性度是单元电路中一项重要的技术指标。CTIA结构自身能够克服由注入效率引起的非线性,本设计中采样电容采用了大容值设计,以利于消除由寄生电容引入的非线性。线性度仿真选用了60 fF电容,积分时间为400 μs,探测器结阻抗1 GΩ,结电容700 fF,输入电流从0～2.1 nA,扫描22个点,输出信号见图12。图13是对扫描结果进行处理后得到的线性度拟合曲线,结果显示在1.66～4.46 V的2.8 V的范围内线性度良好,其线性度高于99.8%。

图12 对输入信号进行扫描的输出信号仿真结果Fig.12 The output signal simulation result of scanning the input signal

图13 线性度仿真的拟合曲线Fig.13 The fitting curve of Linearity simulation

2.5.2 版图后仿真

版图设计完成之前对电路所做的仿真是理想情况下的仿真,版图设计完成后我们提取MOS管之间的连线产生的分布电容和电阻,然后将提取的这些寄生参数反标到电路网表中再进行仿真,这时的仿真叫做后仿真。后仿真是加入了寄生参数后对电路进行分析,能够最大程度确保电路符合设计要求。

在本设计中通过后仿真的性能分析对电路的设计参数进行了优化调整,如对模拟电路的版图进行布局走线调整、对相关的数字控制脉冲加大了驱动、对敏感信号铺设隔离层等等。

通过上述的优化调整后对全电路设计进行了仿真,仿真积分时间为400 us,两谱段积分电容分别采用了最小电容值15 fF和20 fF。每列中的6个像元输入相同的光电流信号,80列的光电流各有不同,两谱段的输出信号如图14所示,结果显示电路工作正常,功耗和信号建立时间满足设计要求。

图14 全电路的仿真结果Fig.14 Simulation results of the whole circuit

3 电路测试分析

本电路基于0.35 μm 5V工艺设计完成,电路流片返回后分别进行了电路和混成芯片的详细测试分析,电路功耗<50 mW,其中混成芯片在5 MHz工作频率下测试60 fF积分电容的红外探测器噪声<0.5 mV,动态范围大于70 dB,线性度大于99 %。图15是20°黑体测试时的输出电平(左)和信号(右),测试结果表明输出信号均匀性良好。

图15 探测器在20 ℃黑体下的测试值Fig.15 Test value of detector at 20 ℃ black body

4 结 论

本文详细介绍了一款适应大像元间距短波线列碲镉汞红外探测器读出电路的设计情况,设计工艺选择为0.35 μm 2P4M,工作电压为+5 V。电路设计流片完成后经互联探测器的混成芯片测试,在5 MHz工作频率下60 fF积分电容的噪声<0.5 mV,功耗<50 mW,动态范围大于70 dB,线性度大于99 %,输出信号均匀性良好,电路满足预期的设计要求,具有实用价值。