红外成像信号检测技术

红外成像信号检测技术

(Signal Detection Technology of Infrared Imaging)

王欢王志功冯军

(Wanghuan Wang Zhigong Fengjun)

(东南大学射频与光电集成电路研究所南京四牌楼2号 210096)

摘要：介绍了红外成像技术的发展及现状，二维混合红外焦平面阵列（IR FPAs）的基本概念和单元结构，并结合BDI和CTIA两种读取电路对红外成像信号检测技术的工作原理进行了阐述。

关键词：红外焦平面阵列，检测器，读取电路

关键词

Abstract This paper introduces the development and prensent situation of infrared imaging technology.The conception and cell structure of hybrid infrared facal-plane arrays of two dimentions are presented too.This paper also discusses the characteristic of signal detection technology based on the BDI and CTIA.

Key Words facal-plane arrays, detector, readout circuit

红外成像系统大体可分为三代：第一代装置是把单个传感元件和对空间目标进行二维扫描的扫描镜组合在一起，获得红外图像。3—5µm的红外传感器有HgCdTe光电导型（PC 型：photoconductive）和InSb光电型（PV型：photovoltaic）。8—14µm的是HgCdTe光电导型。第二代装置把一维传感器阵列和一维扫描镜组合在一起，多采用PC型HgCdTe传感器阵列。现在PC型HgCdTe元件的灵敏度已大体接近BLIP(background limited infrared photo conductor)状态，要提高系统的分辨率，可采用TDI(time delay and integration:时间延迟积分)技术,提高信噪比。传统的电荷耦合器件(CCD)可用来实现TDI功能。但随着CMOS工艺的提高，现在可用CMOS来实现TDI。第三代装置用的传感器都是二维阵列。有两种类型，一种在功能方面与TDI方式的一维阵列等价，一种是不用扫描镜也能得到图像的所谓“监视传感器”（staring sensor）。

目前,在红外成像信号检测领域,世界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列IR FPAs(Infrared Focal-Plane Arrays), 阵列尺寸已向1024×1024迈进,如图1所示。IR FPAs 可以工作在监视模式和扫描模式。随着IR检测器技术的不断成熟，现在可以生产很大规模的检测器阵列，监视模式的IR FPAs应用日益广泛。

图1. 混合型IR FPAs

从图1中可以看出, 混合型IR FPAs 由检测器阵列和读取电路阵列通过倒装焊技术构成。检测器阵列由HgCdTe 感光二极管构成,读取电路包含前置放大器﹑积分电路﹑采样保持或相关双采样电路﹑数模转换电路﹑数据复接器等。 HgCdTe 感光二极管和信号读取单元电路是一一对应的。通常, 混合型IR FPAs 的单元结构如图2所示. 其中,复接器和输出电路是共用的,可以做在单元以外。通常,复接器实现前级采样信号的并/串转换,然后由一个共用的输出电路输出。模/数转换一般放在片外,以减小芯片面积。对于帧积分，信号读取电路包含前置放大﹑积分电路和采样电路。但帧积分应用于长波器件时，由于光电流较大，需要较大的积分电容，这将导致芯片面积成倍增长，对于大的阵列，这是不经济的。因此，当检测器是长波器件时，可采用行积分，将读取电路中的积分电容和采样电路放在单元电路以外共用，如图2虚线所示。

信号读取电路

混合型IR FPAs

单元电路

图2. 混合型IR FPAs 的单元结构

检测器等效模型由I det ﹑R det 和C det 组成，如图3所示。检测器工作于反偏状态。电流源I det 随背景光强度的变化而变化。随着检测器截止波长的增加，R det 逐渐减小。R det 影响检测器的暗电流。暗电流随光电流一起积分，减小了读取电路的动态范围。同时，R det 为光电流提供了寄生通路，影响读取电路的注入效率。另外，对于IR FPAs ，检测器的均匀性是一个很重要的性能指标。

C det

图3. 检测器等效模型

对于很多成熟的IR FPAs 技术，现在主要是读取电路而不是检测器本身限制其性能。现在，微电子的特征尺寸不断下降，使我们可以设计更加复杂的单元电路。但诸如源级跟随器检测电路等简单电路，由于其较小的像素面积，较低的功耗，依然应用广泛。利用高增益放大器实现的更加复杂的单元电路也越来越被人们所接受，因为这种电路能够提供较好的偏置控制，线性特性和噪声性能。目前，世界上应用比较广泛的几种读取电路包括源极跟随器检测（SFD ）﹑直接注入（DI ）﹑缓冲直接注入（BDI ）﹑栅调制输入（GMI ）﹑级联放大器检测（CAD ）﹑容性跨阻放大器（CTIA ）。电路的选取与应用环境﹑器件特性以及系统性能要求有关。在此，我们仅以BDI 和CTIA 为例对电路基本结构和工作原理进行描述。

缓冲直接注入（BDI ）是由直接注入（DI ）改进而来的，只是在检测器和注入晶体管M i 的栅级之间增加了一个反相放大器，电路形式如图4所示。此反相放大器提供的反馈可以改变读取电路的输入阻抗，使检测器偏置保持相对稳定。光电流通过注入晶体管M i 在C int 上积分，实际上是一个放电过程。积分结束后，C int 上的电压通过传输门送到复接器，最后由输出电路输出。在此过程中，积分电容C int 与总线电容C bus 之间存在电荷共享，将压缩信号梯度，所以在BDI 中，C int 不能太小。由于检测器电阻为光电流提供了寄生通路，BDI 注入效率如下式所示：

()()o

vo mi o

vo mi R A g R A g +++=111η其中A v0是反相放大器的低频增益，g mi 是注入晶体管M i 的跨导，R 0是检测器的小信号电阻。

图4.BDI

det

BDI 的饱和频率为f sat =1/(2π R 0C int A vm A v0)，相对来说小于DI 和SFD 的饱和频率，从

而允许更长的积分时间。其中A vm ＝g mi /g dsi ，g dsi 是注入晶体管M i 的输出电导。

（饱和频率定义为使单元电路变得易受泄漏效应影响的下限频率）。在BDI 中，与DI 相比，注入效率的增加，饱和频率的下降，稳定的检测器偏置，都是以增加功耗和增加电路的复杂程度为代价的。但是，反相放大器的功耗可以设计得尽量小，因为它只需要驱动很小的电容（注入晶体管的栅极电容）。西屋电器已制造出一种在亮背景环境下应用的MWIR IR FPA ，采用了额外的一大块控制电路将宽带BDI 单元电路耦合到宽动态范围的电荷耦合器件(CCD)上。单元电路尺寸为50µm,整个阵列包含了92列和30级TDI 。在312.5usec 的积分时间中，单元电路的读取噪声低于80个电子电荷。每个单元电路的最大电荷存储能力低于1*105个电子电荷。

使用注入类型的读取电路的一个问题是当其工作在暗背景时其性能会变差。注入晶体管的跨导随着背景光电流的下降而下降，引起注入效率的下降，使注入晶体管的噪声增加，故BDI 不能在极暗背景环境中工作。

现在，CTIA 单元电路已同时被监视型和扫描型IR FPAs 采用，在各种场合广泛应用。CTIA 的电路结构如图5所示。CTIA 电路包含一个增益为A 的反相放大器，加在反馈环路中的积分电容C int ，与积分电容并联的复位晶体管M rst ，一个或多个选择开关。反相放大器通常由单端或差动输入的放大器级联构成。单端CMOS 反相放大器的芯片占用面积较小，而差动的放大器在降低电源噪声和带宽控制方面有较好的表现。