非制冷紅外焦平面陣列電路設(shè)計(jì)

　　引言

　　紅外焦平面陣列(IRFPA)可以獲取目標(biāo)紅外輻射信息，利用光電信息轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)成像。傳統(tǒng)制冷型紅外探測(cè)系統(tǒng)，需要較低溫度的工作環(huán)境，然而由于制冷設(shè)備復(fù)雜，攜帶不方便，且價(jià)格比較昂貴，難以實(shí)現(xiàn)大范圍推廣。非制冷紅外焦平面陣列(UIRFPA)能夠工作在室溫條件下，降低了對(duì)工作環(huán)境的要求，被廣泛應(yīng)用在軍事及民用領(lǐng)域[1]。非制冷紅外焦平面陣列根據(jù)探測(cè)器元件的不同物理機(jī)理，可以分為：熱釋電型、熱敏電阻型、雙材料懸臂梁型[2]、熱電堆型、二極管型[3]。二極管型非制冷紅外探測(cè)器，是根據(jù)PN結(jié)二極管在恒定偏置電流下的導(dǎo)通電壓—溫度特性[4]制成的。它可采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝完成探測(cè)器制作，大大降低生產(chǎn)成本，減小設(shè)備復(fù)雜程度，有利于紅外成像技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

　　讀出電路(ROIC)是非制冷紅外焦平面陣列的重要組成部分，其性能直接影響紅外探測(cè)系統(tǒng)整體表現(xiàn)。目前關(guān)于SOI二極管型UIRFPA讀出電路的研究文獻(xiàn)比較少。本文提出一種針對(duì)SOI二極管原理非制冷紅外探測(cè)器的讀出電路。探測(cè)器陣列規(guī)模為384×288，幀頻為40Hz，輸出信號(hào)變化范圍0~5mV。讀出電路使用CHRT 0.35μm CMOS 工藝完成設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)讀出電路輸出動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到2V，數(shù)據(jù)輸出頻率5MHz。

　　1 SOI二極管探測(cè)器工作原理

　　由肖克萊方程式[5]可知，理想二極管中，電流If與正向?qū)妷篤f之間的關(guān)系如下：

　　其中：S為二極管PN結(jié)截面積，Js為反向飽和電流密度，q為電子電荷量，k0為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度，Eg為禁帶寬度，γ為一個(gè)常數(shù)，C為一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù)。當(dāng)通過二極管的電流If為恒定值時(shí)，由式(1)和(2)，可以推導(dǎo)出：

　　由式(3)可知，較小的溫度范圍內(nèi)，在恒定偏置電流條件下，PN結(jié)的正向?qū)▔航蹬c溫度近似為線性關(guān)系。SOI二極管探測(cè)器正是利用了PN結(jié)的溫度特性。探測(cè)器吸收層吸收紅外輻射，轉(zhuǎn)化為熱量，引起二極管探測(cè)器溫度上升，在電流恒定的條件下，二極管正向?qū)妷航档停娐纷x取電壓變化量，實(shí)現(xiàn)紅外輻射信號(hào)向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

　　2 讀出電路架構(gòu)

　　非制冷紅外焦平面陣列讀出電路，主要由探測(cè)器陣列、列積分放大電路、采樣保持電路、輸出緩沖器、多路選擇開關(guān)以及時(shí)序控制電路組成，讀出電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　電路采用行讀出方式，在時(shí)序電路控制下，某一行的探測(cè)器被選通，該行探測(cè)器全部工作，各列讀出電路單元同時(shí)對(duì)選通行的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行讀取及積分放大，采保電路將已被放大的信號(hào)進(jìn)行采樣保持，等待列選通開關(guān)依次選通，并通過輸出緩沖器輸出。這種電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，每列只需要一個(gè)讀出電路，有益于實(shí)現(xiàn)低功耗、低噪聲設(shè)計(jì)。讀出電路結(jié)構(gòu)圖及工作時(shí)序如圖2和圖3所示：

　　3 柵調(diào)制積分(GMI)電路設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)非制冷紅外探測(cè)器的基本原理是紅外輻射引起探測(cè)器阻值改變，在恒定偏置電壓條件下，探測(cè)器的電流發(fā)生變化，對(duì)電流積分得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。而SOI二極管紅外探測(cè)器偏置電流為恒定值，在紅外照射下，正向?qū)妷焊淖儭Ｒ虼?，傳統(tǒng)的非制冷紅外陣列讀出電路不適合用作對(duì)SOI二極管探測(cè)器信號(hào)的讀取。

　　本文設(shè)計(jì)采用柵調(diào)制積分(GMI)電路[6]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其工作原理：復(fù)位時(shí)，MOS管Mr在Rst控制下將積分電容Cint復(fù)位到參考電平Vref，此時(shí)，行選開關(guān)斷開，Mi輸入管不工作;積分時(shí)，復(fù)位開關(guān)管Mr關(guān)閉，探測(cè)器輸出接輸入管Mi柵極，積分電容Cint接Mi管漏極，Mi管將探測(cè)器輸出電壓變化轉(zhuǎn)化為電流變化，在Cint上積分，產(chǎn)生積分電壓。一定積分時(shí)間后，開關(guān)管Ms在時(shí)鐘S1控制下開啟，電壓信號(hào)進(jìn)入后一級(jí)電容放大電路，進(jìn)一步放大，實(shí)現(xiàn)2V的動(dòng)態(tài)輸出范圍，最后進(jìn)入采樣保持電路，等待列選開關(guān)選擇導(dǎo)通，通過輸出緩沖器輸出。GMI積分放大器的增益可寫為：

　　式中，gm為輸入管Mi的跨導(dǎo)，tint為積分時(shí)間，Cint為積分電容。MOS管M1和M2構(gòu)成探測(cè)器的偏置電流源，可以改變探測(cè)器偏置電流，使其工作在響應(yīng)特性以及噪聲性能最佳區(qū)間。電路直流增益可以通過輸入管Mi源極電壓VBS調(diào)節(jié)，從而可以實(shí)現(xiàn)電路輸出動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)化。

　　對(duì)于SOI二極管，其產(chǎn)生的噪聲電壓主要受偏置電流的影響[7]，當(dāng)偏置電流增大時(shí)，由于受到散粒噪聲的影響，噪聲電壓會(huì)上升;當(dāng)偏置電流減小時(shí)，二極管動(dòng)態(tài)電阻的增加也會(huì)引起噪聲電壓的增大。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二極管導(dǎo)通電流為10-5~10-4A時(shí)，可以獲得較好的信噪比[8]。本設(shè)計(jì)中，二極管偏置電流源選用10μA。因?yàn)樘綔y(cè)器陣列規(guī)模為384×288，當(dāng)每個(gè)像素單元偏置電流為10μA時(shí)，探測(cè)器陣列供電導(dǎo)線有10μA-2.88mA不等的電流流過，受寄生電阻的影響，導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生線上壓降(IR drop)，造成探測(cè)器輸出信號(hào)的非均勻性。為減小此效應(yīng)的影響，在輸入管Mi源極設(shè)計(jì)虛擬電流源結(jié)構(gòu)。虛擬電流源與探測(cè)器偏置電流源結(jié)構(gòu)完全相同，在相同偏置條件下，探測(cè)器電流源和虛擬電流源電流相等，而Mi源極偏置電壓VBS走線寬度與方向均與探測(cè)器供電導(dǎo)線相同，保證了輸入管Mi的柵、源電壓偏差相同，保證了積分放大器增益穩(wěn)定。

　　在該積分電路中，由于需要周期性的通過MOS管對(duì)積分電容進(jìn)行復(fù)位或?qū)?，MOS管溝道電阻會(huì)引入KTC噪聲，KTC噪聲電壓的平均平方值為：

　　由式(5)可知，KTC噪聲電壓與采樣電容的大小成反比，可以通過增大積分電容來降低噪聲。設(shè)計(jì)中積分電容為150fF。

　　對(duì)單個(gè)柵調(diào)制積分電路進(jìn)行仿真，模擬探測(cè)器受紅外輻射，輸出信號(hào)范圍2.000~2.005V，幀頻為40Hz，選取積分時(shí)間為60μs，調(diào)制積分電路瞬時(shí)仿真結(jié)果如圖5所示：

　　仿真結(jié)果顯示，輸入信號(hào)為2.000~2.005V時(shí)，輸出信號(hào)范圍1.409~1.910V，分析得到積分電壓擬合曲線為y=-100.78*x+203.47，最大非線性點(diǎn)為0.32%。

　　由于受到積分電路增益的限制，積分電路輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍只有501mV，不滿足2V動(dòng)態(tài)輸出范圍的要求，因此，設(shè)計(jì)中增加一級(jí)電荷轉(zhuǎn)移放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)一步放大。

　　4 仿真結(jié)果與分析

　　電路采用CHRT 0.35μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，版圖結(jié)構(gòu)如圖6所示。提取版圖參數(shù)，利用Hspice仿真軟件對(duì)讀出電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。其中，圖7(a)是讀出電路單元輸出波形，圖7(b)是讀出電路陣列輸出波形。從圖中可以看出，輸出信號(hào)幅值3.441~1.437V，動(dòng)態(tài)輸出范圍超過2V，數(shù)據(jù)輸出頻率5MHz，信號(hào)建立時(shí)間小于20ns，符合紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié)論

　　針對(duì)SOI二極管紅外探測(cè)器陣列，本文提出了一種新型讀出電路，仿真結(jié)果顯示：該讀出電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)384×288非制冷紅外焦平面探測(cè)器微弱信號(hào)的讀取，動(dòng)態(tài)輸出范圍超過2V，線性度99.68%，功耗116mW。該讀出電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出動(dòng)態(tài)范圍大，線性度高，功耗小等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王瑋冰,陳大鵬,明安杰,等.二極管原理非制冷紅外焦平面陣列的集成設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程,2011,40(6):997-1000

　　[2]李超波,焦斌斌,石莎莉,等.基于MEMS技術(shù)的紅外成像焦平面陣列[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006,27(1):150-155

　　[3]何偉，陳大鵬，明安杰，等.基于SOI Si片的二極管紅外探測(cè)器[J].納米器件與技術(shù)，2009,46(9):525-529

　　[4]Kosasayama Y,Sugino T,Nakaki Y,et al.Pixel Scaling for SOI Diode Uncooled Infrared Focal Plane Arrays[C].Infrared Technology and Applications XXX,Bellingham WA:SPIE,2004:504-511

　　[5]施敏.半導(dǎo)體器件物理[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2008:61-65

　　[6]Wegmann G,Vittoz E A. Charge injection in analog MOS switches[J].IEEE Solid-State Circuits,1987,22(12):1097~1097

　　[7]Ueno M,Kosasayama Y,Sugino T, et al. 640x480 pixel uncooled infrared FPA with SOI diode detectors [C].Infrared Technology and Applications XXXI，Bellingham WA: SPIE, 2005:566-577

　　[8]Ishikawa T,Ueno M,Endo K,et al.Low-cost 320x240 uncooled IRFPA using conventional silicon IC process[C].Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, Orlando, Florida: SPIE,1999:556-564

　　[9]Hsieh C C,Wu C Y,Sun T P. High-Performance CMOS Buffered Gate Modulation Input (BGMI) Readout Circuits for IR FPA [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,1998,33(8):1188-1198