非制冷紅外焦平面陣列電路設(shè)計

　　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、信號處理等手段，實現(xiàn)對目標(biāo)成像。傳統(tǒng)制冷型紅外探測系統(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，且價格比較昂貴，難以實現(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(guī)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(shè)計，仿真結(jié)果顯示該設(shè)計讀出電路輸出動態(tài)范圍達(dá)到2V，數(shù)據(jù)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?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為一個常數(shù)，C為一個與溫度無關(guān)的常數(shù)。當(dāng)通過二極管的電流If為恒定值時，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二極管探測器正是利用了PN結(jié)的溫度特性。探測器吸收層吸收紅外輻射，轉(zhuǎn)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?qū)妷航档?，電路讀取電壓變化量，實現(xiàn)紅外輻射信號向電壓信號的轉(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)比較簡單，每列只需要一個讀出電路，有益于實現(xiàn)低功耗、低噪聲設(shè)計。讀出電路結(jié)構(gòu)圖及工作時序如圖2和圖3所示：

　　3 柵調(diào)制積分(GMI)電路設(shè)計

　　傳統(tǒng)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(yīng)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?qū)妷焊淖?。因此，傳統(tǒng)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(shè)計采用柵調(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，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，行選開關(guān)斷開，Mi輸入管不工作;積分時，復(fù)位開關(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(zhuǎn)化為電流變化，在Cint上積分，產(chǎn)生積分電壓。一定積分時間后，開關(guān)管Ms在時鐘S1控制下開啟，電壓信號進(jìn)入后一級電容放大電路，進(jìn)一步放大，實現(xiàn)2V的動態(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為積分時間，Cint為積分電容。MOS管M1和M2構(gòu)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(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)，從而可以實現(xiàn)電路輸出動態(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(dāng)偏置電流增大時，由于受到散粒噪聲的影響，噪聲電壓會上升;當(dāng)偏置電流減小時，二極管動態(tài)電阻的增加也會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，可以獲得較好的信噪比[8]。本設(shè)計中，二極管偏置電流源選用10μA。因為探測器陣列規(guī)模為384×288，當(dāng)每個像素單元偏置電流為10μA時，探測器陣列供電導(dǎo)線有10μA-2.88mA不等的電流流過，受寄生電阻的影響，導(dǎo)線會產(chǎn)生線上壓降(IR drop)，造成探測器輸出信號的非均勻性。為減小此效應(yīng)的影響，在輸入管Mi源極設(shè)計虛擬電流源結(jié)構(gòu)。虛擬電流源與探測器偏置電流源結(jié)構(gòu)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走線寬度與方向均與探測器供電導(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管對積分電容進(jìn)行復(fù)位或?qū)?，MOS管溝道電阻會引入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)計中積分電容為150fF。

　　對單個柵調(diào)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，選取積分時間為60μs，調(diào)制積分電路瞬時仿真結(jié)果如圖5所示：

　　仿真結(jié)果顯示，輸入信號為2.000~2.005V時，輸出信號范圍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態(tài)范圍只有501mV，不滿足2V動態(tài)輸出范圍的要求，因此，設(shè)計中增加一級電荷轉(zhuǎn)移放大電路實現(xiàn)對輸出電壓信號進(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，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，輸出信號幅值3.441~1.437V，動態(tài)輸出范圍超過2V，數(shù)據(jù)輸出頻率5MHz，信號建立時間小于20ns，符合紅外成像系統(tǒng)設(shè)計要求。

　　5 結(jié)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(jié)果顯示：該讀出電路能夠?qū)崿F(xiàn)對384×288非制冷紅外焦平面探測器微弱信號的讀取，動態(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)簡單，輸出動態(tài)范圍大，線性度高，功耗小等特點，具有較高的實用價值。

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