红外探测器高性能读出电路的研究

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红外焦平面读出电路的输出摆幅优化研究

第４Ｏ卷第６期
２１００年６月
激光与红外
ＬＳＲ＆ＩＲＡＲＡＥＮＦＥＤ
Ｖｏ．０．．】４Ｎｏ６
Ｊｎ，００ｕｅ２１
文章编号：０－７（０００－６－１１０８２１）６６８５０５００
・子电路・电
ＹＵｎＹａ
（ｏｈＣｉｅｅｒｈＩｓｔｔｏｌｔ —ｐｉ，ｅｉ００５Ｃｉ）ＮａｈｎＲｓａｃｔｕｅｆｅｒｏｔｓＢｉｎ１０１，ｈｎａｎｉＥｃｏｃｊｇａ
ＡｂｔａｔＴｅｐｐｒｓｕｉｄｔｅｆｃｏｓｗｔｅｐｃｏｔｅｏｔｕｗｎｆｔｐｃｌＩＦＡＯＩｗｈｃｏｏｅｓｒｃ：ｈａｅｔｄｅｈａｔｒｉｒｓｅｔｔｈｕｐｔｓｉｇｏｉａＲＰＳＲＣ，ｉｈｃｍｐｓｄｈｙｏ：Ｉｉｐｔｓａｅｓｍｐｅａｄｈｌｉｕｔｃａｇｒｎｆｒｃｒｕｔａｄｏｔｕｔｇ．ＩｇｖｓｅｆｃｉｅｍｅｈｄｔｆＤｎｕｔｇ，ａｌｎｏｄｃｒｉ，ｈｅｔｓｅｉｃｉｎｕｐｔｓａｅｔｉｅｆｔｔｏｏｃｒａｅｖｏｔｚｈｕｐｔｗｉｇｏｐｉｅｔｅｏｔｕｎｆＲＯＩｉｏｓｄｒｎｅｎｎｉｅｅｍｓｏｖｒｄｌ．ｅｓｍｅｔ，ｉｌｔｎｍｉｓＣｗｔｃｎｉｅｉｇｔｏ —ｄａｔｒｆｅｙｍｏｕｅＡｔｈａｉｈｈｌｅｔｍｅｓｍｕａｉｏ

基于电流镜积分的红外探测器读出电路设计

ＸＩｉｎａＳＮｉＤＡｈｎｈｎ，ＵａｇｏｇＡＪａｂｏ，ＨＡＨｕ，ＩＳａｓａＬＯＸｉｎｄｎ
（ｉｎｓｅａｏａｏｙｏＳＣＤｓｎＮｎｏｇＵｉｒｔ，ａｔｎｉｎｓ２０９，ｈｎ）ＪａｇｕＫｙＬｂｒｔｒｆＡＩｅｉ，ａｔｎｖｓｙＮｎｏｇｊａｇｕ２６１Ｃｉａｇｎｅｉ
ｄｉ１．９９ｊｉｎ１０ — ４０２１．１０４ｏ：０３６／．ｓ．０５９９．０１０．１ｓ
基于电流镜积分的红外探测器读出电路设计术
夏建宝，单慧，姗姗，向东戴罗
（通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室，苏南通２６１）南江２０９
ＡｂｔａｔＢｎｌｉｇｔｅｗｒｉｇｐｉｃｌａｄｎｉｆｕｒｎｍｉｏｉｔｒｉｎＣ）ｅｄｕｉｕｔａＣｓｒｃ：ｙａａｙｎｏｋｎｒｉｅｎｏｓｏｒｔｒｒｇｉｅａｏ（ＭＩｒａｏｔｒｉ，ＭＩｚｈｎｐｅｃｅｒｎｎｇｔｃｃ
第３４卷第１期
２１年２月０１
电子器件
ＣｉｅｅＪｕｎｌｆｅｔｎＤｖｃｓｈｎｓｏｒａｏｃｏｅｉｅＥｌｒ
Ｖｏ．４Ｎｏ．１３１
Ｆｂ２ｅ．０ｌｌ
ＡｎＩＲＯＩＤｅｉｎＢａｅｎＣｕｒｎｉｒｒｎｎｔｇａｉｎＲＣｓｇｓｄｏｒｅｔＭｒｏｉｇＩｅｒｔｏ

CTIA型红外读出电路的数字控制电路结构研究

１引言
在红外成像系统中，读出电路是用以检测并放大前级探测器产生的微弱信号，它是探测器电信号到热成像整机的信号传输通道，其性能直接影响焦
平面探测器的性能指标，在很大程度上决定了探测器的性能… 。
电容反馈互导放大器（ＴＡ）红外焦平面读ＣＩ型
维普资讯
２ＯＯ６年１２月增刊
实
验
科
学
与
技
术
பைடு நூலகம்
ＣＩＴＡ型红外读出电路的数字控制电路结构研究
沈科” ，王红培，胡滨
（电子科技大学
成都６０５）１０４
摘要：研究了电容反馈互导放大器（ＴＡ）红外读出电路的数字控制部分的工作原理，并ＣＩ型针对ＣＩ这一特殊结构的读出电路，提出了一种基于计数器的数字控制电路结构。文中给出了ＴＡ
ｆｒｒｏｅｔｃｕｅｏｅｄｓｔｌｃｒｕｔｆＴＡｒａｏｔｉｕｔａｅｎｃｕｔｒｏａｅｔ－ｏｗａｄａｎｖｌｒｔｒｆｉａｉｉｏＩｄｕｒｉｂｓｄｏｏｎｅ．ＣｍｐｒｄｔｏｓｕｈｔｃＣｅｃｃｏｈｅ，ｔｅｎｗｓｒｃｕａｅｅｓｅｏｔｌａｄｆｗｅａｓｓｒｌｓｄｉｅｎｗｓｕｔｒ．ｓｒｈｅｔｔｒＣｂａｉｒｔｃｎｒｅｒｔｎｉｔｓａｅｕｅｎｔｅｔｃｅｕｅｎｏｏｎｒｏｈｒｕＫｅｒｓｙｗｏｄ：ＣＩＴＡ；ＲＯＩＣ；ＣＤＳ；Ｄ－ｉｇｒＣｕｔｒｔｇｅ；ｏｎｅｒ

红外焦平面探测器数字读出电路研究

ｄｔｃｏ，ＳｔｅｆｒａｃｌｌｒｅｙａｆｃｅｐｒｏｍａｃｆｔｅｄｔｃｏｒｅｅｈｏｅｉｇｎｅｅｔｒＯｉｐｒｏｍｎｅｗｉａｇｌｆｅｔｈｅｆｒｎｅｏｅｅｔｒｏｖｎｔｅｗｈｌｍａｉｇｓｌｔｈｓｓｅｙｔｍ．ＷｉｈｅｅｏｍｅｔｏｅｓｌｏｔｔｅｄｖｌｐｎｆｔｉｃｎＣＭＯＳｔｃｎｌｇｅ，ｉｉｐｓｉｌｏｄｇｔｅｔｅｓｇａｎｈｈｉｅｈｏｏｉｓｔｓｏｓｅｔｉｉｚｈｉｎｌａｄｂｉｉｃｒｏａｅｄｇｔｌｓｇａｒｃｓｉｇｉｓｄｈｎｏｐｒｔｉｉｉｎｌｐｏｅｓｎｉｅｔｅＲＯＩＡｓａｒｓｌｔｅｐｒｏａｃｆｔｅＩＰｗｉｅａｎＣ．ｅｕｔｈｅｆｒｎｅｏｈＲＦＡｌｂ，ｍｌ
ｄｇｔｌｎｅｒｔｏｉｉａｔｇａｉｎｉ
０引言
红外成像系统广泛应用于军事及民用各领域。在红外成像领域，凝视焦平面面阵型探测器已经取代扫
Ａｓｒｃ：ＴｅｅｄｕｔｇａｅｒｕｔＲＩ）ｓｎｉｏｔｎｍｐｎｎｒｎｉｆｒｄｆｃｌｌｅａｒｙｂｔａｔｈａｏｔｎｅｒｔｄｉｉ（ＯＣｉａｒｉｃｃｍｐｒｔｏｏｅｔｏｒｅａｐａａａｃｆａｎａｏｎｒ
第３４卷第３期２１０２年３月

红外焦平面CMOS读出电路TDI功能的测试方法研究

红外焦平面ＣＭＯＳ读出电路ＴＩ能的Ｄ功测试方法研究
陈中鲁文唐建，高，矩，雅吉久张聪，利
（京大学微电子学系，京北北１０７）０８１摘要：出了一种新颖的红外焦平面ＣＳ读出电路ＴＩ能的测试方法．方法通过在电测试ＭＯ给ＭＯＤ功该Ｓ场效应晶体
ｗａｒｐｓｄｓｐｏｏｅ．ＤｉｅｅｔｓｕｒａｅｓｉｌｔｎｓｇａｓｗｒｐｌｄｔｈａｅｏｌｃｒｎｃｔｓＭＯＦｎｕｐｔｉ－ｆｒｎｑａｅｗｖｔｆｍｕａｉｉｌｅｅａｐｉｔｅｇｔｆｅｅｔｏｉｅｔｏｎｅｏＳＥＴａｄｏｔｕｇｓｎｌａｅｏ－ａｅｃｏｄｎｌ．ＷｈｔｅｈｉｎｌｄｌｙａｄａｃｍｕａｉｎｏｅａｉｎｏＤＩｆｎｔｎｗｅｅｃｒｅｔｗａａ §ｗｖｆｉｖｒｄａｃｒｉｇｙｍｓｉｅｈｒｔｅｓａｅａｎｃｕｌｔｐｒｔｆＴｕｃｉｒｏｒｃｓｇｏｏｏｖｒｆｄｂｏａｉｇｔｅｃ￣ｅｐｎｅｃａｉｔｎｂｔｅｎｔｅｔｓｏｔｕｖｆＩ［ｎｈｄａｏｔｕｖｆＦＳｅｉｙｃｍｐｒｈｏｓｏｄｎｅｖｒａｉｅｗｅｈｅｔｕｐｔｗａｅｏＩａｄｔｅｉｅｌｕｐｔｗａｅｏｉ．ＡｉｅｎｏＴＳｎＴＭ０Ｓｒａｏｔｉｕｔｗｓｔｓｅｙｕｉｇｔｉｔｏ．ＯｕｅｕｔｈｗｔａｕｐｔｖｆｒｒｏｎｉｅｔｗｔｈＤＩＣｅｄｕｒｉａｅｔｄｂｓｓｍｅｈｄｃｃｎｈｒｒｓｌｓｏｈｔｔｕｅｏｍｓａｅｃｉｃｄｎｉｔｅｓｏｗａｈｉｅｌｏｔｕｖｆｒｏｌｔｓａｔｒｓｈｓｐｏｅｈｔｈｅｔｍｅｈｄｉｅｓｌｄａｕｐｔｗａｅｏｍｓｆｒａｌｅｔｐｔｎ．Ｔｉｒｖｓｔａｅｔｓｅｔｔｏｓｆａｉｅ，ｓｍｐｅａｄｇｎｒｌｖｉｂｅｂｉｌｎｅｅａｌａａｌｌ．ｙａ

二极管非制冷红外探测器及其读出电路设计

祖秋艳，王玮冰，－，黄卓磊，何鑫一，陈大鹏－（１．中国科学院微电子研究所中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京１０００２９；
２．江苏物联网研究发展中心，江苏无锡２１４３１５）摘要：针对非制冷红外技术的低成本高性能应用，提出了基于ＳＯＩ的二极管红外探测器及其读出电路的集成设计方案。阐述了二极管非制冷红外探测器的基本原理和工艺实现。对探测器的电学特性
Ｂａｓｉｃｐｉｎｒｃｉｐｌｅａｎｄｆａｂｉｃｒａｔｉｏｎｔｅｃｎｏｈｌｏｇｙｏｆｕｎｃｏｏｌｅｄｄｉｏｄｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｅｒｅｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｈｅｔｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆｈｅｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈｒａａｃｔｅｉｓｒｉｔｃｓｏｆｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｃｒｃｉｕｉｔｕｓｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｉｍｅａｕｔｏ — ｚｅｒｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｒｅｄｕｃｅｏｆｆｓｅｔｖｏｌｔａｇｅｎｄａｓｕｐｐｒｅｓｓｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｎｏｉｓｅ．Ｉｔａｍｐｌｉｉｅｆｄｈｅｔｓｉｇｎａｌｓａｎｄｃａｓｃａｄｅｄａｆｉｌｔｅｒｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｏｎ－ｉｄｅａｌｓｗｉｔｃｈｅｓ．Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓｉｎｃｉｐｈｗｅｒｅｃｈｏｓｅｎｔｏｓｍｐａｌｅａｎｄｈｏｌｄ，ａｎｄａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｈｅｔｃｒｃｉｕｉｔｈａｄｆｅｗｅｒＩ／０ｐａｄｓａｎｄｓｍａｌｌｅｒｒｅａａ．ＩｔｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｓｐｅｃｔｒｅｔｏｏｌａｎｄｆａｂｉｃｒａｔｅｄｉｎＣＳＭＣ０．５ｔｘｍ２Ｐ３ＭＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ．Ｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｈａｔｔｈｉｔｓｃｒｃｉｕｉｔｈａｓａｇｏｏｄｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇａｃｌｏｓｅｄ — ｌｏｏｐｇａｉｎｏｆ６５．８ｄＢ，

红外探测器的读出电路设计

第３１卷第２期２０１３年３月
吉林大学学报（信息科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
关键词：红外探测器；读出电路；相关双采样
中图分类号：ＴＮ４３１．１文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎｏｆＲＯＩＣｉｎＩｎｆｒａｒｅｄＤｅｔｅｃｔｏｒ
ＬＩＱｉａｎｇ，ＬＩＵＹａｎｇ，ＴＡＮＧＹｕ — ｔａｏ，ＣＡＯＬｉｎｇ－ｊｉｎ，ＬＩＵＹｕｎ — ｆｅｎｇ，ＣＨＡＮＧＹｕ．ｃｈｕｎ，ＹＩＮＪｉｎｇ．ｚｈｉ
２．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｎｏｉｓｅ，ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｓｉｎｇｌｅ — ｓｔａｇｅＣＴＩＡ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＴｒａｎｓ－Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ

背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计

第５１卷　第１期激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．１　２０２１年１月ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＪａｎｕａｒｙ，２０２１文章编号：１００１５０７８（２０２１）０１００６９０５·红外技术及应用·背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计张露漩，袁　媛，李敬国（中电科光电科技有限公司，北京１０００１５）摘　要：主要研究红外探测器读出电路的输入级设计，针对短波红外信号，电容反馈互导放大器型（ＣＴＩＡ）读出电路具有高注入效率的特点。

本文设计了一种带有背景暗电流抑制的ＣＴＩＡ型读出电路输入级结构，该结构在７７Ｋ低温环境，大于３００μｓ的长积分时间工作。

探测器接收短波小信号，注入电流０～８００ｐＡ，与传统的ＣＴＩＡ型读出电路输入级相比，有效实现对背景暗电流的抑制作用，提供探测器偏压的稳定度提高９３．２％，同时，积分线性度达到９９．９７％，具有良好的积分均匀性、灵敏度和动态范围。

关键词：红外探测器；读出电路；ＣＴＩＡ；暗电流中图分类号：ＴＮ４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２１．０１．０１２ＩｎｐｕｔｓｔａｇｅｄｅｓｉｇｎｏｆＩＲｄｅｔｅｃｔｏｒｒｅａｄｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎＺＨＡＮＧＬｕｘｕａｎ，ＹＵＡＮＹｕａｎ，ＬＩＪｉｎｇｇｕｏ（ＣＥＴＣＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｉｎｐｕｔｓｔａｇｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｅａｄｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒＦｏｒｔｈｅｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＣＴＩＡ）ｒｅａｄｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｉｎｊｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｉｎｐｕｔｓｔａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＴＩＡｒｅａｄｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄＴｈｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎａｃｈｉｅｖｅａｌｏｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｉｍｅｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ３００μｓ，ａｎｄｉｎ７７Ｋｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒｒｅｃｅｉｖｅｓｓｈｏｒｔｗａｖｅｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌａｎｄｔｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔｉｓ０～８００ｐＡ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｐｕｔｓｔａｇｅｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣＴＩＡｒｅａｄｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｄｅｔｅｃｔｏｒｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆ９３２％Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｉｓ９９９７％，ｗｈｉｃｈｈａｓｇｏｏｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃｒａｎｇｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｒｅａｄｏｕｔｃｉｒｃｕｉｔ；ＣＴＩＡ；ｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔ作者简介：张露漩（１９９４－），女，硕士，研究方向为集成电路设计，红外读出电路设计。

红外焦平面CTIA型读出电路的设计研究

红外焦平面CTIA型读出电路的设计研究蔡晶晶;刘晓东;张轩雄【摘要】In order to adapt to the trend of high pixel demand of infrared focal plane (IRFPA),it is necessary to design a smaller size and better performance pixel circuit.A capacitive transimpedance amplifier (CTIA) was selected as the circuit structure of the pixel circuit.The cascode structure was adopted for the CTIA,and the integration time was able to be adjusted by using the optional integrated capacitors.The pixel circuit was modified to reduce the area for meeting the need of high pixel.In addition,the analog signal chain was set up and analyzed by simulation.Its layout was drawn and then it was post simulated to provide a guarantee of accuracy and reliability of the readout circuit (ROIC).After optimization,the area of the pixel circuit is 18 μm × 18 μm,and the optional integrated capacitors are 60 fF and 400 fF respectively.The output swing of the analog signal chain is 2.03 V at room temperature and 1.52 V at lowtemperature,obtained in the postsimulation.The output integrated noise at low temperature is 213.6 μV,which is lower than the former structure,and can meet the requirements in the post-simulation.%为了适应红外焦平面(IRFPA)高像素的趋势,设计出面积更小、性能更优的像元电路,选择电容反馈跨阻放大器(CTIA)作为像元电路的电路结构,在CTIA中运算放大器基于共源共栅结构,采用积分电容可选的模式来调整积分时间,并基于电路高像素的需求,优化电路,减小面积.在此基础上,搭建模拟信号通路进行仿真研究,绘制版图,并进行后仿,为读出电路的正确性、可靠性提供保障.优化后的像元电路面积为18 μm×18μm,可选积分电容分别为60 fF和400 fF,后仿得到的信号通路输出摆幅常温下为2.03 V,低温下为1.52V,且低温下的积分噪声为213.6 μV,满足设计需求.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2017(039)004【总页数】7页(P346-352)【关键词】红外焦平面;读出电路;像元电路;CTIA;模拟信号通路【作者】蔡晶晶;刘晓东;张轩雄【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;复旦大学微电子学院,上海201210;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TN432红外焦平面阵列属于红外光学系统,是一种红外成像器件,广泛用于军事领域、民事领域.红外焦平面阵列由红外探测器和读出电路两部分组成[1].红外探测器将红外辐射转换成电信号,读出电路对探测器输出的电信号积分采样,采样结果通过缓冲器串行读出.读出电路既有模拟电路又有数字电路,是典型的数模混合集成电路.其中模拟电路负责对探测器电流积分、采样和传输,并提供电路所需的偏置;数字电路产生控制时序,控制读出电路积分、采样的时间节点,并根据所设置的控制字,选择窗口大小、积分模式、输出通道个数等多种功能.其中,输入级电路作为读出电路的核心部分,其性能对读出电路的噪声、功耗、面积等参数有很大影响.目前,报道的输入级电路有多种结构[2],如SI (自积分)、SFD (源跟随器)、DI (直接注入)、GMI (电流镜栅调制)、BDI (缓冲直接注入)以及CTIA(电容反馈跨阻放大器)等.SI结构简单,占用面积少,但是输出无增益,需要后接电荷放大器,并且积分电容的非线性会引起输出的非线性.SFD结构简单,适用于大面积、低功耗的读出电路,在低背景下有较好的信噪比,但是其在中、高背景下,输出信号的非线性较为严重,并且源跟随器会引入较大的噪声.DI结构由注入管和积分电容构成,占用面积较小,但在低背景下,探测器光电流较小,使得注入管跨导变小,输入阻抗增大,注入效率降低,增大了电路的非线性度.GMI结构利用电流镜的复制作用,将光电流按比例放大或缩小,再进行积分.GMI相比DI有更高的灵敏度,但是GMI不能给探测器提供稳定的偏压.BDI结构是在DI结构基础上,跨接反相放大器,降低了电路的输入阻抗,提高了注入效率,改善了响应,但是面积与功耗都较大.CTIA结构虽然相较前面几种较为复杂,功耗较大,但是CTIA结构中运放与积分电容构成负反馈回路,可以提供很低的输入阻抗、较高的注入效率,能为探测器提供稳定的偏压.在从低到高的背景范围内,CTIA噪声都很小,非线性度低[3].综合考虑下,本文选取CTIA结构作为读出电路的输入级结构.传统的CTIA结构采用两级运算放大器结构,至少需要8个MOS管和一个比较大的补偿电容,占用面积大,功耗高[4].而现今,随着读出电路的规格越来越大,为了使读出电路达到百万像素,就需要增大读出电路的阵列规格,显然,如果采用传统的CTIA结构,那么读出电路的尺寸将会变大,不利于读出电路与其他模块的集成.因此,需要进一步减小像元电路的尺寸.本文采用一种基于共源共栅结构的CTIA电路[2,5],对CTIA 电路进行优化,根据电荷容量调整电容大小,采用积分电容可选的积分模式,并采用一位带宽控制结构,减小了电路面积,优化了电路功能,优化后的像元电路面积为18μm×18 μm,可选积分电容分别为60 fF和400 fF.另外,为确保电路功能的正确性,文中对读出电路的模拟信号通路进行分析研究,并在常温300 K和低温150 K下进行仿真分析,后仿得到CTIA电路在低温下积分电压为2.41 V,噪声为213.6 μV,信号通路低温下输出摆幅为1.52 V,通过后仿结果可知,电路低温下的输出摆幅需要在今后进一步优化.1.1 电容反馈跨阻放大器图1(见下页)为输入级电路的多种电路结构示意图.电路结构中的各项变量分别为:Ci 为积分电容;Vsh为采样控制信号;MUX为输出端;VSS为接地端;Vr为复位电压；Rd与Cd分别为二极管自身电阻与电容；Vb为偏置电压；Vsub为二极管的衬底电压；Vi为注入电压.其中,CTIA(电容反馈跨阻放大器)是由运算放大器和反馈积分电容构成的一种复位积分器,电路结构如图1(e)所示.积分电容位于放大器的反馈回路上,探测器的电流在反馈电容上积分,复位管将积分电容上的电荷放电,并将输出端复位至参考电平. CTIA选用共源共栅结构的运算放大器,并基于文献[2]中的电路结构进行优化.为减小单元电路面积,电路采用一位带宽控制,并调整电容大小及MOS管尺寸,CTIA电路如图2所示(见下页).图2中VDD为电源,bwl_b为带宽选择控制信号,lowg_b为积分电容选择信号,reset为复位信号,at_bloom为防溢出信号,r_sw为行选信号;Vso为采样输出信号,Ii为探测器输入电流,Vc为共源共栅结构中的偏置电压,Vo1为CTIA结构的输出电压,Vo2为像元电路中的输出电压.电路中积分电容越大,电荷容量越大,引入的噪声电子数也越大;而若积分电容太小,则会导致积分电压过高,非线性失真增加,因此在CTIA电路中采用积分电容可选的方式,由积分电容选择管实现.为了满足单元电荷容量0.3 Me,4 Me可选的指标要求,积分电容分别取值为C1=60 fF和C2=400 fF.当电容选择管栅端信号lowg_b为低电平时,积分电容为C1+C2;为高电平时,积分电容为C1.当复位管栅端信号reset为高时,探测器的电流在积分电容上开始积分;reset为低时,积分电容放电,CTIA单元输出端恢复至参考电平.当采样管栅端信号为低时,采样管导通,从CTIA输出端开始采样,采样结果输入由M9与M10构成的源极跟随器中,并传输到下一级缓冲器.出于面积以及噪声的考虑,电容C2受带宽选择管M4和积分电容选择管M5控制而分时复用,M4和M5不能同时导通.当带宽选择管导通时,会降低一些高频部分的噪声.本文采用一位带宽选择,以减少MOS管的KTC噪声,又保证了CTIA高频部分的降噪.CTIA的噪声对红外焦平面探测器微弱信号输出的信噪比有着重要的影响[6].电路中有两种噪声,分别为热噪声(KTC噪声)和闪烁噪声(1/f噪声).CTIA电路中带有复位开关,开关的打开和闭合都会产生KTC噪声.当开关断开时,噪声会随输入信号的瞬时值保存到积分采样电容上.KTC噪声是读出电路中起主要作用的噪声.闪烁噪声是MOS管在漏电流中产生的噪声.CTIA电路的总噪声是CTIA复位阶段的噪声与积分阶段的噪声之和,计算公式[7-8]为(Ci+gm,r)2+[8kTγ(+)++]式中:k是玻尔兹曼常数；T是温度；γ是体效应系数；KP是PMOS管的闪烁噪声系数；KN是NMOS管的闪烁噪声系数；COX是单位面积栅氧电容；gm是MOS管跨导；Ci是积分电容；W是MOS管栅宽；L是栅长；f是频率;Ri,a为放大器的输入电阻.从式(1)可以看出,当CTIA电路处于复位阶段时,积分电容越大,引入的噪声越大.因此,采用积分选择管是有意义的.1.2 模拟信号通路为了验证电路功能的正确性,将模拟信号通路提出,信号通路的结构如图3所示.最左侧为红外探测器,中间部分为CTIA型读出电路,最右侧为读出电路的缓冲电路,OUT 为输出端,电路中设计了三级缓冲.读出电路选用CTIA作为前级放大器,探测器电流在CTIA的反馈电容上积分,并由放大器进行采样、保持,由M9和M10构成的源极跟随器的输出端接入下一级缓冲器,最后通过多级缓冲器与跟随器输出.缓冲器一般输入电阻大,输出电阻小,常用的缓冲器有两种结构:源极跟随器和单位增益缓冲器.由图3可知,在信号通路中,CTIA单元电路后接多级缓冲器,且均为差分输入的单位增益缓冲器,与输出端相连的是跟随器电路.跟随器电路结构如图4所示,由差分放大器构成,负的输入一端与输出端相连,构成单位增益缓冲器,pd为上拉信号.跟随器比较重要的性能有驱动能力、跟随特性、稳定性等[8].输出摆幅反映跟随特性,它是使所有晶体管都工作在饱和区的输出电压的范围.如果输出电压过低,M4和M5工作在线性区;如果输出电压过高,M2工作在线性区.因此,跟随器的输出摆幅的计算公式为式中:VGST是过驱动电压.经计算可以得到摆幅为[0.3 V,3.2 V].动态范围是读出电路的一个重要的性能参数,定义为输出摆幅与输出噪声之比[9],计算公式为式中:Vsw是读出电路的输出摆幅,Voutrms是读出电路的输出积分噪声.动态范围反映了读出电路的信噪比,在实际电路中,需要根据探测器光电流的信号范围来确定读出电路的动态范围[3].红外焦平面的探测器采用光子型探测器.光子型探测器是一种基于光电效应的红外探测器,由于红外线的频率较低,所以探测器材料的禁带宽度必须足够小.常温下窄禁带半导体载流子的热激发会导致大量载流子从禁带跃迁到导带,会对电路造成干扰.因此,通常使探测器保持在低温下.电子系统在低温下有许多优点[10],例如迁移率增加,工作速度提高;互连线导电性提高,信号传输时间缩短;电路的开关速度、噪声容限以及增益带宽积都得到改善.低温特性在本文表现为噪声减小,延迟时间缩短,功耗降低等.因此,本文将比较常温300 K和低温150 K下CTIA电路的仿真结果,并加以分析.采用0.13 μm CIS工艺在Cadence Spectre软件下对CTIA及信号通路进行仿真.在常温300 K与低温150 K下分别对信号通路进行瞬态仿真,图5是常温下CTIA 的瞬态曲线,可以看出,当积分电容积分完成后,采样控制信号Vsh由高电平变为低电平,开始采样.图6(见下页)为不同输入电流下的瞬态曲线,探测器电流的改变不影响积分电压的大小,积分电压只与积分电容有关,同时探测器电流越大,放电越快.带宽选择管M4和积分电容选择管M5栅压的不同使得积分电容与带宽限制电容有三组取值,瞬态仿真曲线如图7所示(见下页).当积分电容选择管关断时,积分电容为C1,电容放电较为缓慢;当积分电容选择管导通时,积分电容为C1+C2,放电较快.从图7中还可以发现,当积分电容Ci相同时,带宽限制电容Cb的不同值不影响CTIA电路中积分电容的积分及复位.图8为300 K和150 K下的积分电压,可以看出,常温300 K时CTIA的积分范围为(0.38 V,2.74 V),150 K时积分范围为(0.21 V,2.52 V).以探测器电流取值1.5 nA为例,对CTIA电路和信号通路进行交流仿真,得到CTIA 的开环增益为110 dB,带宽为2.98 MHz.另外,为得出电路的等效输出噪声,对CTIA 及信号通路进行噪声分析.通过仿真分析可知,在输出噪声中热噪声起主导作用.在后面的定量分析中采用输出积分噪声作为衡量标准,积分噪声计算方法[11]为对CTIA和信号通路分别仿真噪声,计算输出积分噪声,得到的CTIA输出积分噪声见表1.信号通路在300 K下的输出积分噪声为408.7 μV,150 K下的输出积分噪声为317.6 μV.同时,根据式(1)估算出150 K下CTIA的输出积分噪声的理论值为236.33 μV,仿真结果与理论值的对比见表1.随后对缓冲器及跟随器分别进行直流扫描分析,以获取输出摆幅的大小.以图4的跟随器为例,将输入电压设置为变量,从0到3.3 V进行直流扫描分析,按照正负5 mV 的误差,得到输出摆幅,结果见表2.其他缓冲器的输出摆幅的仿真方法与跟随器一致.由于各缓冲器的MOS管参数不一致,三级缓冲器的输出摆幅均不相同.在信号通路中,信号需要通过多级缓冲器与跟随器,对信号通路进行仿真,按照正负误差10 mV,得到300 K下输出范围为(0.64 V,2.74 V),输出摆幅为2.10 V;150 K下输出范围为(0.77 V,3.14 V),由于150 K下电路积分电压是2.52 V,所以输出范围是(0.77 V,2.52 V),输出摆幅为1.75 V,数据如表2所示.从表2可以发现,通路的输出摆幅比单级缓冲器小,这是因为通路的负载阻抗比单级缓冲器大,拉低了输出摆幅.由式(3)计算可知,300 K时读出电路的动态范围是74 dB,150 K时的动态范围为74 dB.同时,根据前文得到的理论值计算可得,150 K时CTIA的动态范围是78.6 dB.比较可知,仿真的结果与理论值相差不大,满足设计要求.采用0.13 μm CIS工艺,在Virtuoso Layout XL中绘制CTIA电路及模拟信号通路的版图.CTIA单元电路的版图如图9所示,面积18 μm×18 μm.模拟信号通路的版图如图10所示,面积406.65 μm×57.26 μm.使用Calibre工具验证所绘版图,均通过 DRC与LVS检查.使用QRC提取版图的寄生参数,再利用所提取的参数进行后仿,得到如下结果:a. CTIA电路在300 K下积分范围为(0.42 V,2.64 V);150 K下积分范围为(0.28 V,2.41 V).b. 缓冲器、跟随器及信号通路的输出摆幅见表3,可以发现低温下输出摆幅变化较大.c. CTIA的输出积分噪声结果如表4所示,信号通路在300 K下的输出积分噪声是279.1 μV,在150 K下输出积分噪声为209.1 μV.从表1中可以看出,CTIA的输出积分噪声的理论值与前仿结果相差不大,后仿结果与之相比相差亦不大,符合电路的设计指标.现将仿真结果与文献[12]、文献[13]的结果进行比较,对比结果如表5所示,本文像元电路的尺寸为18 μm×18 μm,优于文献[12]与文献[13]的像元尺寸;输出摆幅占电源电压的比值为46%,优于文献[12]中的36%;以单个CTIA的功耗作为评判标准,本文中的CTIA的功耗优于文献[12],但劣于文献[13],有待提高.红外焦平面读出电路基于CTIA单元电路,采用共源共栅放大器结构,选择可选积分电容的积分模式,优化电路,减小单元电路面积.根据设计需求调整了积分电容的大小与CTIA电路结构,使得CTIA单元电路的面积达到18 μm×18 μm的要求.单元电路面积越小,相同面积下的像元数量就越多,因此适用于大面阵的读出电路.优化后CTIA电路150 K下的噪声为213.6 μV,输出摆幅为1.52 V (电源电压为3.3 V),满足设计需求.另搭建模拟信号通路,并对信号通路进行仿真,通过仿真可知信号通路输出积分噪声较小,150 K下输出积分噪声为209.1 μV,通过前、后仿的结果对比,可以发现低温下跟随器的输出摆幅前后有较大差别.对比发现,该电路像元尺寸明显优于之前所报道的文献.但是也需要注意到电路的输出摆幅与之相较也略有减小,电路噪声略有增大,需要在今后的研究中继续优化电路的摆幅与噪声问题.【相关文献】[1] ROGALSKI A,ANTOSZEWSKI J,FARAONE L.Third-generation infrared photodetector arrays[J].Journal of Applied Physics,2009,105:091101.[2] 沈科.基于CTIA的快照式红外读出电路研究[D].成都:电子科技大学,2009.[3] 郝立超.甚长波红外探测器信号读出电路结构研究[D].上海:中国科学院研究生院(上海技术物理研究所),2014.[4] 王霄,史泽林.CTIA型读出电路结构优化研究[J].微电子学与计算机,2014,31(11):64-68.[5] FLIR.ISC9809 low background 320 specification[Z].America:FLIR System,2002.[6] VERMEIREN J,VAN BOGGET U,VAN HOREBEEK G,et al.Low-noise,fast frame-rate InGaAs 320×256 FPA for hyperspectral applications[C]∥Processing of SPIE,Infrared Technology and Applications XXXV.Orlando:SPIE,2009.[7] 王攀,丁瑞军,叶振华.短波IRFPAs读出电路CTIA输入级的优化设计[J].激光与红外,2013,43(12):1363-1367.[8] JOHNSON J F,LOMHEIM T S.Focal-plane signal and noise model-CTIA ROIC[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2009,56(11):2506-2515.[9] 关有光,周文超,田小强.探测器动态范围对光束质量β因子测量的影响分析[J].激光与光电子学进展,2011,48(7):070401.[10] 赵宏亮.基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究[D].天津:天津大学,2012.[11] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].CHEN G C,CHENG J,ZHANG R Z,译.Xi′an:Xi′an Jiaotong University Press,2003:192-194.[12] 翟永成,丁瑞军.320×256大电荷容量的长波红外读出电路结构设计[J].红外与激光工程,2016,45(9):73-78.[13] WANG G N,LU W G,LIU D H,et al.Column-level passive sample and column-shared active readout structure for high speed,low power ROIC[J].ElectronicsLetters,2015,51(5):390-392.。

微悬臂梁红外探测器焦平面阵列读出电路设计研究的开题报告

微悬臂梁红外探测器焦平面阵列读出电路设计研究的开题报告选题背景：随着红外探测技术的不断发展，微悬臂梁红外探测器因其高灵敏度、快速响应等优点得到了广泛的应用。

但是，现有的读出电路设计存在一些问题，如信噪比低、灵敏度不够高等。

因此，对微悬臂梁红外探测器焦平面阵列读出电路的设计研究具有重要的理论和应用价值。

研究内容和方法：本文针对微悬臂梁红外探测器焦平面阵列读出电路设计存在的问题，提出了一种新的设计方案。

首先，根据微悬臂梁红外探测器的特点，采用了差分电路和模拟前端电路进行信号采集和放大；其次，使用了低噪声运放和高精度模数转换器进行信号处理和数字化；最后，采用了相位敏感放大电路实现了信号的测量和增强。

本文所采用的研究方法主要包括文献研究、仿真模拟和实验验证。

通过对已有的文献进行全面的梳理和分析，提取出其中的设计思路和技术路线；在此基础上，使用MATLAB等仿真工具对所提出的新方案进行了仿真分析和性能评测；最后，将所设计的电路方案实际应用于微悬臂梁红外探测器的制作中，并对实验结果进行了评估和验证。

研究意义和成果：本文的研究成果不仅可以解决现有微悬臂梁红外探测器读出电路存在的一系列问题，同时也具有一定的推广和应用价值。

具体来说，本文的主要意义包括：（1）提出了一种新的微悬臂梁红外探测器焦平面阵列读出电路设计方案，具有较高的信噪比和灵敏度，能够有效提高微悬臂梁红外探测器的检测性能。

（2）通过对仿真和实验的验证，证明了所提方案的可行性和有效性，并且对实际应用具有重要的指导和借鉴意义。

（3）本文为微悬臂梁红外探测器读出电路的设计和研究提供了新思路和新方法，对红外探测技术的推广和应用具有重要的意义。

论文结构安排：本文共分为六个章节，各章节的主要内容如下：第一章绪论介绍研究的背景、意义和目的，概括所采用的研究方法、主要研究内容和论文结构安排。

第二章相关技术及理论介绍微悬臂梁红外探测器的原理、结构和工作方式，梳理已有的微悬臂梁红外探测器焦平面阵列读出电路设计方案，并对本研究所采用的差分电路、模拟前端和数字处理技术进行详细介绍。

一种新型的高均匀性非制冷红外读出电路研究

（ＵＥＳＴＣ），Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｏｒｔｈｅａｓｔＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｇｙａｎｇ１１００３２，Ｃｈｉｎａ）
（１．电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都６１００５４，２．东北微电子所，辽宁沈阳１１００３２）
摘要：针对非制冷红外探测器系统，设计了一种高均匀性的读出电路（ＲＯＩＣ）结构。由于非制冷红外焦平面阵列中微测辐射热计的制作工艺存在偏差导致探测器输出存在非均匀性，其中列条纹尤为明显。所提出的读出电路能有效地消除列条纹、提高均匀性。该ＲＯＩＣ已在０．５ｇｍＣＭＯＳ工艺下成功流片，并应用到阵列大小为３２０Ｘ２４０的非制冷微测辐射热计焦平面上。测试结果表明：固定图像
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓＰａｐｅｒｄｅｓｃｉｒｂｅｓａｎｅｗｒｅａｄ．ｏｕｔＩＣ（Ｒ０ＩＣ）ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｗｉｔｈｈｉｇｈｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｆｏｒｔｈｅ
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｈｉｎＦｉｌｍａｎｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｅｖｉｃｅｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ

红外探测器背景抑制读出结构设计研究

维普资讯
第３７卷增刊
２００７年９月
激光与红外
ＩＳ＆Ｉ பைடு நூலகம் ＡＥＲＮＦＡＲＥＤ
Ｖｏ．７，ｕｐｅｎ１３ＳｐｌｍｅｔＳｐｅｅ，０７ｅｔｍｂｒ２０
文章编号：０１５７（０７增刊－９１０１０－８２０）００８－４
ｓｒｃｕｅｃｍｐｒｄｔｒｕｈｓｍｕａｉｎ，ｄｆｒｎｅｄｆｐｌａｉｎｆｒｉｈｔｅｅｂｃｇｏｎｕｐｅｓｏｔｏｓｔｕｔｒｏａｅｏｇｉｌｔｈｏｉｅｅｔｉｌｓｏｐｉｔｏｃｈｓａｋｒｕｄｓｐｒｓｉｎｍｅｈｄｆａｃｏｗｈ
ｕａｅ．ＡｌｆｅｅｌｄｔａｐｏＮ（ｉａｎｉａｏ．ＬｎｅｔｇａｏｉｅｂｔｒｃｎａｔａｄｄｎｍｃｒｔｄｌｏｓａｏｒＳＲｓｎｏｅｒｔ）ｏｇｒｉｅｔｎｔ，ｅｅｏｔｓｎｙａｉｔｈｅｏｇｌｓｉｎｒｉｍｔｒ
ｒｇａｃｉｖｄｅｅｔｅｙｂｄｎｕｒｎｕｐｅｓｏｔｕｔｒ．Ｉｉｐｐｒｅｅａｐｃａｋｒｕｄｎａｅｃｎｂａｈｅｅｆｃｉｌｙａｉｇａｃｒｅｔｐｒｓｉｎｓｒｃｕｅｎｔｓａｅ，ｓｖｒｔｉａｂｃｇｏｎｅｖｄｓｈｌｙｌｓｐｒｓｉｎｔｃｎｑｅｄｈｗｔｅｏｋｗｒｎｒｄｃｄＡｃｏｄｎｏｔｅａｖｔ￣ｓａｄｄｓｖｔｇｓｏａｈｕｐｅｓｅｈｉｕｓａｏｙｗｒｅｅｉｔｏｕｅ．ｏｎｈｃｒｉｇｔｈｄａａｉｎｎｄｎａａａｅｆｅｃ

卫星用高光谱红外焦平面读出电路设计

卫星用高光谱红外焦平面读出电路设计吴圣娟，胡彦博，胡旭，洪建堂，李红福，马伊娜，邓蔚（昆明物理研究所，云南昆明 650223）摘要：研制出一款高性能卫星用高光谱红外焦平面CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（readout integrated circuit）芯片。

读出电路设计包括任意行选择功能以及行增益单独调制功能，满足高光谱应用对读出电路提出的新要求。

读出电路7档增益可选，适用于中波与短波碲镉汞HgCdTe（MCT）芯片；其他功能包括边积分边读出IWR（integration while reading），抗晕，串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。

读出电路采用0.35 m曝光缝合工艺，电源电压5V，测试结果表现出良好的性能：在77K条件下，全帧频可达450Hz，功耗可调且典型值为300mW。

本文介绍了在读出电路设计的基本架构，提出设计中遇到的问题以及相应的解决方法，在文末给出了电路的测试结果。

关键词：卫星用读出电路；高光谱探测器；碲镉汞；行选择功能中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2020)11-1081-08 Hyperspectral Infrared Focal Plane Array ROIC Design for Satellite ApplicationsWU Shengjuan，HU Yanbo，HU Xu，HONG Jiantang，LI Hongfu，MA Yina，DENG Wei(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)Abstract：A hyperspectral infrared focal plane complementary metal–oxide semiconductor (CMOS) readout integrated circuit (ROIC) was developed for satellite applications. The ROIC design includes row and gain selection functions for each line to meet the new requirements of hyperspectral applications in ROICs.Further, the ROIC optionally supports 7-gain features and is suited for medium and shortwave MCT chips;other features of the proposed design include integration while reading, anti-blooming, series port control, and full-chip current injection test functions. The proposed ROIC was fabricated in a 0.35μm stitching process with a 5V power supply; the test results show good performance of the ROIC, with a full-frame rate of 450Hz and adjustable power dissipation having a typical value of 300mW. This paper introduces the basic structure of the readout circuit design, shows the problems in the design and the corresponding solutions, and gives the test results of the circuit at the end of the paper.Key words：ROIC for satellite applications, hyperspectral detector, MCT, row selection function0 引言高光谱遥感是窄波段连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术，它是在成像光谱学的基础上发展起来的。

中短波红外焦平面探测器暗电流测试分析及相关性能研究

中短波红外焦平面探测器暗电流测试分析及相关性能研究宇宙大爆炸初期宇宙的演变一直是天文学家研究的热点，该时期的宇宙辐射信息主要集中在中短波红外光波段。

中短波HgCdTe红外焦平面探测器能同时满足天文观测的低暗电流、大面阵规模和低盲元率的三大需求，被广泛用于天文探测器的研制。

随着中短波HgCdTe红外焦平面探测器的发展，其暗电流越来越小，这就对暗电流I—V特性的测试方法提出了更高的要求。

另一方面，HgCdTe红外焦平面探测器的制备工艺过程复杂，导致器件产生盲元的因素较多，使盲元的成因分析变得复杂，同时器件规模的不断扩大，进一步增加了盲元分析的难度。

本文围绕中短波HgCdTe红外焦平面探测器，研究了两种微弱电流测试方法，运用改进后的测试系统测试了中短波HgCdTe探测器的暗电流并结合器件工艺进行了分析，利用数据关联分析以及结合X射线CT成像实验的方法研究了器件中出现“响应率盲元对”的原因。

论文的主要内容如下：研究了HgCdTe探测器微弱电流I—V特性测试方法并搭建了新的测试系统，使暗电流I—V特性的测试能力比原有测试方法(系统)提高2~3个数量级。

分析了测试系统噪声的来源，根据不同噪声的特点采取相应的降噪方法，提出了振动引起噪声的机理，并通过改进器件的电学连接方式降低了制冷设备的振动噪声，最终使系统误差小于10fA；计算了实际测试时冷屏辐射引起的暗电流大小，得到了满足中短波HgCdTe探测器暗电流测试需求的全封闭冷屏温度关系；详细分析了测试系统电容效应对器件微弱暗电流I—V特性测试的影响，通过实验确定了满足中短波HgCdTe探测器暗电流测试所需的时序方案。

测试并分析了不同衬底中波HgCdTe红外探测器的变温暗电流I—V特性。

对器件的R—V特性进行了拟合分析，得到不同衬底的中波HgCdTe探测器在液氮温度下的暗电流的主要成分为产生复合电流，且CZT衬底器件的SRH寿命大于Si衬底器件，Si衬底器件大于GaAs衬底器件；准确测试了Si基衬底中波HgCdTe探测器的变温暗电流特性，通过对比发现了实验样品比国际上报道的器件的优值因子在不同温度下均相差2~3个数量级，通过比较分析器件制备工艺过程的差异，且将变温暗电流特性分为高温和低温两个温度区间进行了分析，得到在高温区间引起探测器性能差异的原因或为Hg空位掺杂p型层与非本征掺杂p 型层少子寿命上的差异，在低温区间的差异可能由于n型层中存在离子注入损伤导致材料的SRH寿命偏低。

APD主／被动红外成像读出电路设计

关键词：被动红外成像；主／雪崩光电二极管；线性模式；出电路读
中图分类号：Ｎ１Ｔ２６
文献标识码：Ａ
文章编号：０５９９（０１０ — ６９０１０ — ４０２１）６０５ — ５
近几十年，由于电荷耦合器件（Ｃ，ＭＯＣＤ）ＣＳ图像传感器及红外成像器件的发展。电成像技术在光包括人们１生活在内的诸多领域得到了广泛应３常
ｃｉｓＴｅｓｌｉｅｕｔｕｄｒ７ＫｓｏａＲＩａｈｒｃｅｉｉｏｉｏａｅｐｏｃｉ（７Ｖ）Ｉｈｐ．ｈｉａｏｒｓｌｎｅｈｗｔｔＯＣｈｓｃａａｔｓｃｆｈｇｖｌｇｒｔｔｎ１．ｎｍｕｔｎｓ７ｈｒｔｈｔｅｏ
ｒｍ０ｎｓｔ０ＢＳＴｈｘｍｕｗｏｋｎｒｑｅｃａｅｈｇｅｈｎ５ＭＨｚｆｏ１ｏ３１．ｅｍａｉｍｒｉｇｆｅｕｎｙｃｎｂｉｈｒｔａ．Ｋｅｒｙｗｏｄｓ：ｃｉｅａｄｐｓｉｅｉｇｎＡＰＤ；ｉｅｒｍｏａｔｖｎａｓｖｍａｉｇ；ｌｎａ — ｄｅ；ＲＯＩＣ
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收稿日期：2009-03-30；修订日期：2009-05-08基金项目：国家自然科学基金资助项目（60806010）作者简介：姜俊伟（1986-），男，安徽阜阳人，硕士生，主要研究方向为光电探测器集成电路设计。

Email:lxjjw2003@ 导师简介：赵毅强(1964-)，男，河北辛集人，教授，博士，主要从事集成电路设计和红外系统方面的研究。

Email:yq_zhao@第38卷第5期红外与激光工程2009年10月Vol.38No.5Infrared and Laser EngineeringOct.2009红外探测器高性能读出电路的研究姜俊伟，赵毅强，孟范忠，郭莹（天津大学电子信息工程学院专用集成电路设计中心，天津300072）摘要：设计了一种高性能电容反馈跨阻放大器（CTIA ）与相关双采样电路（CDS ）相结合的红外探测器读出电路。

该电路采用CTIA 电路实现对微弱电流信号的高精度读出，并通过CDS 电路抑制CTIA 引入的固定模式噪声（FPN ），最后采用失调校正技术减小CDS 引入的失调，从而减小了噪声对电路的影响，提高了读出电路的精度。

采用特许半导体(Chartered)0.35μm 标准CMOS 工艺对电路进行流片，测试结果表明：在20pA ～10nA 范围内该电路功能良好，读出精度可达10bit 以上，线性度达97%，达到了设计要求。

该读出电路可用于长线列及面阵结构红外探测系统。

关键词：电容反馈跨阻放大器；相关双采样电路；固定模式噪声；失调校正技术中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007-2276(2009)05-0787-05High performance readout integrated circuit for IR detectorsJIANG Jun 蛳wei,ZHAO Yi 蛳qiang,MENG Fan 蛳zhong,GUO Ying(ASIC Design Center,School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University ，Tianjin 300072，China)Abstract:A kind of readout integrated circuit (ROIC)for long linear IR detectors,composed ofcapacitor feedback trans 蛳impedance amplifier(CTIA)and correlated double sample (CDS)circuit,wasproposed.The readout accuracy of weak current signal was obviously improved by the CTIA circuit.Besides,in order to reduce the fixed patten noise(FPN)induced by CTIA,CDS circuit with offsetcalibration technique was utilized.By employing the above techniques,the influence of noise on this circuit was greatly reduced.Meanwhile the precision of the ROIC was improved.The final ROIC chip was fabricated with Chartered 0.35μm standard CMOS processing.Test results show that the readout accuracy could reach up to 10bit during the current varied from 20pA to 10nA,and the linearity could reach up to 97%,which was in perfect accordance with the specification.The ROIC could be applied in long linear and staring array IR detectors systems.Key words:CTIA;CDS;FPN;Offset calibration technique0引言近年来，红外探测系统被广泛地应用于工业控制、医疗诊断、环境监测、资源探测、军事侦察和航空航天等领域[1]，集成化、微型化红外探测系统正成为发展趋势。

由于红外探测器输出信号十分微弱，读出电路的性能优劣直接影响系统的灵敏度和动态范围，因此，宽探测范围下微弱信号的高精度读出是红外探红外与激光工程第38卷测系统读出电路设计的关键。

目前，比较常用的读出电路结构分别为直接注入型（DI）[2]、电流镜积分型（CMI）[3]以及电容反馈跨阻放大器（CTIA）等。

然而，在微弱信号的探测领域内，DI电路的积分线性度显著降低且注入效率低；CMI电路工作于亚阈值区，会导致模拟信号丢失等。

而CTIA电路可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，其输出信号的线性度和均匀性也很好，且注入效率很高，适合微弱信号的读出。

虽说CTIA电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开关也会带来KTC噪声，但是考虑到其相对较宽的探测范围、很高的注入效率以及良好的积分线性度，在各种场合仍然得到了广泛应用。

设计中采用CTIA结构，并在该结构后引入相关双采样（CDS）电路，有效地消除了其引入的噪声，提高了电路性能。

实现了宽输入范围（20pA~10nA）内对电流信号的高精度（10bit）读取。

该电路结构可应用于长线列和面阵红外探测器系统。

1读出电路单元的系统架构文中所设计的读出电路由CTIA和CDS组成，其中CTIA由高增益放大器和反馈电容构成，可保持对探测器零伏偏压的控制，从而获得较高的注入效率。

本设计采用的读出电路单元整体电路如图1所示。

图1读出电路整体架构Fig.1System structure of readout circuitCTIA电路与CDS电路相互配合，完成探测器输出电流向电压的精确转化，其中各开关的工作时序如图2所示。

图1中所有开关均为高电平导通。

很明显，CTIA积分期间，即S res为低电平期间，CDS电路中开关S1导通，使其输出复位到参考电平，S1关断瞬间将CTIA的输出信号V1储存到电容C1上；随后CTIA积分结束，其输出信号经S res被复位至V ref，CDS电路中S2的导通使得电荷在C1与C2之间转移并最终实现两次采样值V1与V ref作差。

图2读出电路工作时序Fig.2Timing of the readout circuit2关键电路单元设计2.1电容反馈跨阻放大器CTIA结构可以提供较低的探测器输入阻抗，从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，输出信号的线性度也很好[4]，因此，可以实现较微弱信号的读出。

图3为本设计采用的CTIA电路结构（图中省略了运放的偏置电路部分）。

探测器用光电二极管与电容C d等效，其产生的光电流在复位开关R eset的控制下周期性地存储在积分电容上，完成电流向电压的转换。

图3电容反馈跨阻放大器电路结构Fig.3Circuit diagram of CTIAS res为低电平时，CTIA电路处于积分相，光电二极管的光生电流存储到积分电容C int上，假定积分时间为t，此时CTIA输出的积分信号为：VCTIA_sig=1V ref+V os+itint!"(1)式中：A为运放增益；V os为运放输入失调。

S res为高电平时开关导通，CTIA电路处于复位相的输出信号为：VCTIA_ref=11+AVref+Vos!"(2)比较公式(1)和公式(2)可知：由于运放有限增益以及输入失调的存在，其输出信号不准确。

运放的有限增益会整体削弱输出信号的幅度，而输入失调则是788第5期输出信号中固定模式噪声的主要来源。

由参考文献[5]可知：用于CTIA的运算放大器的设计要考虑的因素有：必须有足够高的直流开环增益来保证其输入端“虚地”；输出失调电压要小，共模抑制比要高，以提高对信号的积分精度。

图3给出了本设计中采用的运放结构。

为获得高增益，采用两级运放结构，第一级为折叠共源共栅电路，采用相对较大尺寸的PMOST构成输入级，减小运放失调，改善噪声性能。

第二级采用共源级放大器，以获得较高的输出摆幅。

补偿电容C c以及调零电阻R z调整运放的频率响应，保证运放运行稳定。

表1给出了运放各主要参数的仿真结果。

表1两级运算放大器仿真结果Tab.1Simulation result of two蛳stageoperational amplifier2.2相关双采样电路为消除CTIA电路中固定模式噪声的影响，提高CTIA的探测精度，引入了CDS电路，如图4所示，在时序控制下该电路首先采样CTIA的积分信号，然后(a)传统的CDS电路(b)改进后的CDS电路(a)Conventional CDS circuit(b)Improved CDS circuit图4CDS电路结构Fig.4Circuit diagram of CDS 采样CTIA的复位信号，最后将两次采样的信号作差，消除同时存在于积分与复位信号上的固定模式噪声，得到准确的输出信号[6]。

传统的CDS电路如图4(a)所示，在采样开关S1与保持开关S2的配合下完成采样/保持转换，考虑CDS输入失调V os时，保持阶段电路的输出为[7]：Vout（CDS）=Vref+C1C2V1-V211+Vos(3)很明显，V1与V2做差可以去除同时存在与两信号上的固定噪声，然而该电路中运放本身又会引入新的失调，同样影响输出精度。

为消除CDS结构中运放失调带来的误差，可在CDS电路中引入失调电压消除技术[8]，电路如图4(b)所示。

图5给出了完整的CDS电路结构图，以及开关S1、S1′以及S2在时序配合下的工作过程。

图5CDS整体电路Fig.5Whole circuit diagram of CDS采样阶段，S1闭合，S1′闭合,S2断开：Q1C111=C1V1-AA+1Vref-AA+1Vos11Q1C211=C2AA+1Vref-AA+1Vos11(4)该状态测量了失调电压V os，并将其存储在电容C2上，通过下一个状态进行消除。