非制冷紅外焦平面陣列電路設計

　　引言

　　紅外焦平面陣列(IRFPA)可以獲取目標紅外輻射信息，利用光電信息轉換、信號處理等手段，實(shí)現對目標成像。傳統制冷型紅外探測系統，需要較低溫度的工作環(huán)境，然而由于制冷設備復雜，攜帶不方便，且價(jià)格比較昂貴，難以實(shí)現大范圍推廣。非制冷紅外焦平面陣列(UIRFPA)能夠工作在室溫條件下，降低了對工作環(huán)境的要求，被廣泛應用在軍事及民用領(lǐng)域[1]。非制冷紅外焦平面陣列根據探測器元件的不同物理機理，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器，是根據PN結二極管在恒定偏置電流下的導通電壓—溫度特性[4]制成的。它可采用標準的CMOS工藝完成探測器制作，大大降低生產(chǎn)成本，減小設備復雜程度，有利于紅外成像技術(shù)的規?；瘧?。

　　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系統整體表現。目前關(guān)于SOI二極管型UIRFPA讀出電路的研究文獻比較少。本文提出一種針對SOI二極管原理非制冷紅外探測器的讀出電路。探測器陣列規模為384×288，幀頻為40Hz，輸出信號變化范圍0~5mV。讀出電路使用CHRT 0.35μm CMOS 工藝完成設計，仿真結果顯示該設計讀出電路輸出動(dòng)態(tài)范圍達到2V，數據輸出頻率5MHz。

　　1 SOI二極管探測器工作原理

　　由肖克萊方程式[5]可知，理想二極管中，電流If與正向導通電壓Vf之間的關(guān)系如下：

　　其中：S為二極管PN結截面積，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，T為溫度，Eg為禁帶寬度，γ為一個(gè)常數，C為一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數。當通過(guò)二極管的電流If為恒定值時(shí)，由式(1)和(2)，可以推導出：

　　由式(3)可知，較小的溫度范圍內，在恒定偏置電流條件下，PN結的正向導通壓降與溫度近似為線(xiàn)性關(guān)系。SOI二極管探測器正是利用了PN結的溫度特性。探測器吸收層吸收紅外輻射，轉化為熱量，引起二極管探測器溫度上升，在電流恒定的條件下，二極管正向導通電壓降低，電路讀取電壓變化量，實(shí)現紅外輻射信號向電壓信號的轉換。

　　2 讀出電路架構

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

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

　　3 柵調制積分(GMI)電路設計

　　傳統非制冷紅外探測器的基本原理是紅外輻射引起探測器阻值改變，在恒定偏置電壓條件下，探測器的電流發(fā)生變化，對電流積分得到相應的電壓信號。而SOI二極管紅外探測器偏置電流為恒定值，在紅外照射下，正向導通電壓改變。因此，傳統的非制冷紅外陣列讀出電路不適合用作對SOI二極管探測器信號的讀取。

　　本文設計采用柵調制積分(GMI)電路[6]，結構如圖4所示。其工作原理：復位時(shí)，MOS管Mr在Rst控制下將積分電容Cint復位到參考電平Vref，此時(shí)，行選開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，Mi輸入管不工作;積分時(shí)，復位開(kāi)關(guān)管Mr關(guān)閉，探測器輸出接輸入管Mi柵極，積分電容Cint接Mi管漏極，Mi管將探測器輸出電壓變化轉化為電流變化，在Cint上積分，產(chǎn)生積分電壓。一定積分時(shí)間后，開(kāi)關(guān)管Ms在時(shí)鐘S1控制下開(kāi)啟，電壓信號進(jìn)入后一級電容放大電路，進(jìn)一步放大，實(shí)現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(kāi)關(guān)選擇導通，通過(guò)輸出緩沖器輸出。GMI積分放大器的增益可寫(xiě)為：

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

　　對于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，當二極管導通電流為10-5~10-4A時(shí)，可以獲得較好的信噪比[8]。本設計中，二極管偏置電流源選用10μA。因為探測器陣列規模為384×288，當每個(gè)像素單元偏置電流為10μA時(shí)，探測器陣列供電導線(xiàn)有10μA-2.88mA不等的電流流過(guò)，受寄生電阻的影響，導線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生線(xiàn)上壓降(IR drop)，造成探測器輸出信號的非均勻性。為減小此效應的影響，在輸入管Mi源極設計虛擬電流源結構。虛擬電流源與探測器偏置電流源結構完全相同，在相同偏置條件下，探測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(xiàn)寬度與方向均與探測器供電導線(xiàn)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定。

　　在該積分電路中，由于需要周期性的通過(guò)MOS管對積分電容進(jìn)行復位或導通，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(guò)增大積分電容來(lái)降低噪聲。設計中積分電容為150fF。

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

　　仿真結果顯示，輸入信號為2.000~2.005V時(shí)，輸出信號范圍1.409~1.910V，分析得到積分電壓擬合曲線(xiàn)為y=-100.78*x+203.47，最大非線(xiàn)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(mǎn)足2V動(dòng)態(tài)輸出范圍的要求，因此，設計中增加一級電荷轉移放大電路實(shí)現對輸出電壓信號進(jìn)一步放大。

　　4 仿真結果與分析

　　電路采用CHRT 0.35μm CMOS工藝設計，版圖結構如圖6所示。提取版圖參數，利用Hspice仿真軟件對讀出電路進(jìn)行仿真，仿真結果如圖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，輸出信號幅值3.441~1.437V，動(dòng)態(tài)輸出范圍超過(guò)2V，數據輸出頻率5MHz，信號建立時(shí)間小于20ns，符合紅外成像系統設計要求。

　　5 結論

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

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