非制冷红外焦平面阵列电路设计

　　引言

　　红外焦平面阵列(IRFPA)可以获取目标红外辐射信息，利用光电信息转换、信号处理等手段，实现对目标成像。传统制冷型红外探测系统，需要较低温度的工作环境，然而由于制冷设备复杂，携带不方便，且价格比较昂贵，难以实现大范围推广。非制冷红外焦平面阵列(UIRFPA)能够工作在室温条件下，降低了对工作环境的要求，被广泛应用在军事及民用领域[1]。非制冷红外焦平面阵列根据探测器元件的不同物理机理，可以分为：热释电型、热敏电阻型、双材料悬臂梁型[2]、热电堆型、二极管型[3]。二极管型非制冷红外探测器，是根据PN结二极管在恒定偏置电流下的导通电压—温度特性[4]制成的。它可采用标准的CMOS工艺完成探测器制作，大大降低生产成本，减小设备复杂程度，有利于红外成像技术的规模化应用。

　　读出电路(ROIC)是非制冷红外焦平面阵列的重要组成部分，其性能直接影响红外探测系统整体表现。目前关于SOI二极管型UIRFPA读出电路的研究文献比较少。本文提出一种针对SOI二极管原理非制冷红外探测器的读出电路。探测器阵列规模为384×288，帧频为40Hz，输出信号变化范围0~5mV。读出电路使用CHRT 0.35μm CMOS 工艺完成设计，仿真结果显示该设计读出电路输出动态范围达到2V，数据输出频率5MHz。

　　1 SOI二极管探测器工作原理

　　由肖克莱方程式[5]可知，理想二极管中，电流If与正向导通电压Vf之间的关系如下：

　　其中：S为二极管PN结截面积，Js为反向饱和电流密度，q为电子电荷量，k0为波尔兹曼常数，T为温度，Eg为禁带宽度，γ为一个常数，C为一个与温度无关的常数。当通过二极管的电流If为恒定值时，由式(1)和(2)，可以推导出：

　　由式(3)可知，较小的温度范围内，在恒定偏置电流条件下，PN结的正向导通压降与温度近似为线性关系。SOI二极管探测器正是利用了PN结的温度特性。探测器吸收层吸收红外辐射，转化为热量，引起二极管探测器温度上升，在电流恒定的条件下，二极管正向导通电压降低，电路读取电压变化量，实现红外辐射信号向电压信号的转换。

　　2 读出电路架构

　　非制冷红外焦平面阵列读出电路，主要由探测器阵列、列积分放大电路、采样保持电路、输出缓冲器、多路选择开关以及时序控制电路组成，读出电路的系统框图如图1所示。

　　电路采用行读出方式，在时序电路控制下，某一行的探测器被选通，该行探测器全部工作，各列读出电路单元同时对选通行的探测器信号进行读取及积分放大，采保电路将已被放大的信号进行采样保持，等待列选通开关依次选通，并通过输出缓冲器输出。这种电路结构比较简单，每列只需要一个读出电路，有益于实现低功耗、低噪声设计。读出电路结构图及工作时序如图2和图3所示：

　　3 栅调制积分(GMI)电路设计

　　传统非制冷红外探测器的基本原理是红外辐射引起探测器阻值改变，在恒定偏置电压条件下，探测器的电流发生变化，对电流积分得到相应的电压信号。而SOI二极管红外探测器偏置电流为恒定值，在红外照射下，正向导通电压改变。因此，传统的非制冷红外阵列读出电路不适合用作对SOI二极管探测器信号的读取。

　　本文设计采用栅调制积分(GMI)电路[6]，结构如图4所示。其工作原理：复位时，MOS管Mr在Rst控制下将积分电容Cint复位到参考电平Vref，此时，行选开关断开，Mi输入管不工作;积分时，复位开关管Mr关闭，探测器输出接输入管Mi栅极，积分电容Cint接Mi管漏极，Mi管将探测器输出电压变化转化为电流变化，在Cint上积分，产生积分电压。一定积分时间后，开关管Ms在时钟S1控制下开启，电压信号进入后一级电容放大电路，进一步放大，实现2V的动态输出范围，最后进入采样保持电路，等待列选开关选择导通，通过输出缓冲器输出。GMI积分放大器的增益可写为：

　　式中，gm为输入管Mi的跨导，tint为积分时间，Cint为积分电容。MOS管M1和M2构成探测器的偏置电流源，可以改变探测器偏置电流，使其工作在响应特性以及噪声性能最佳区间。电路直流增益可以通过输入管Mi源极电压VBS调节，从而可以实现电路输出动态范围的优化。

　　对于SOI二极管，其产生的噪声电压主要受偏置电流的影响[7]，当偏置电流增大时，由于受到散粒噪声的影响，噪声电压会上升;当偏置电流减小时，二极管动态电阻的增加也会引起噪声电压的增大。研究发现，当二极管导通电流为10-5~10-4A时，可以获得较好的信噪比[8]。本设计中，二极管偏置电流源选用10μA。因为探测器阵列规模为384×288，当每个像素单元偏置电流为10μA时，探测器阵列供电导线有10μA-2.88mA不等的电流流过，受寄生电阻的影响，导线会产生线上压降(IR drop)，造成探测器输出信号的非均匀性。为减小此效应的影响，在输入管Mi源极设计虚拟电流源结构。虚拟电流源与探测器偏置电流源结构完全相同，在相同偏置条件下，探测器电流源和虚拟电流源电流相等，而Mi源极偏置电压VBS走线宽度与方向均与探测器供电导线相同，保证了输入管Mi的栅、源电压偏差相同，保证了积分放大器增益稳定。

　　在该积分电路中，由于需要周期性的通过MOS管对积分电容进行复位或导通，MOS管沟道电阻会引入KTC噪声，KTC噪声电压的平均平方值为：

　　由式(5)可知，KTC噪声电压与采样电容的大小成反比，可以通过增大积分电容来降低噪声。设计中积分电容为150fF。

　　对单个栅调制积分电路进行仿真，模拟探测器受红外辐射，输出信号范围2.000~2.005V，帧频为40Hz，选取积分时间为60μs，调制积分电路瞬时仿真结果如图5所示：

　　仿真结果显示，输入信号为2.000~2.005V时，输出信号范围1.409~1.910V，分析得到积分电压拟合曲线为y=-100.78*x+203.47，最大非线性点为0.32%。

　　由于受到积分电路增益的限制，积分电路输出电压动态范围只有501mV，不满足2V动态输出范围的要求，因此，设计中增加一级电荷转移放大电路实现对输出电压信号进一步放大。

　　4 仿真结果与分析

　　电路采用CHRT 0.35μm CMOS工艺设计，版图结构如图6所示。提取版图参数，利用Hspice仿真软件对读出电路进行仿真，仿真结果如图7所示。其中，图7(a)是读出电路单元输出波形，图7(b)是读出电路阵列输出波形。从图中可以看出，输出信号幅值3.441~1.437V，动态输出范围超过2V，数据输出频率5MHz，信号建立时间小于20ns，符合红外成像系统设计要求。

　　5 结论

　　针对SOI二极管红外探测器阵列，本文提出了一种新型读出电路，仿真结果显示：该读出电路能够实现对384×288非制冷红外焦平面探测器微弱信号的读取，动态输出范围超过2V，线性度99.68%，功耗116mW。该读出电路具有结构简单，输出动态范围大，线性度高，功耗小等特点，具有较高的实用价值。

　　参考文献：

　　[1]王玮冰,陈大鹏,明安杰,等.二极管原理非制冷红外焦平面阵列的集成设计[J].红外与激光工程,2011,40(6):997-1000

　　[2]李超波,焦斌斌,石莎莉,等.基于MEMS技术的红外成像焦平面阵列[J].半导体学报，2006,27(1):150-155

　　[3]何伟，陈大鹏，明安杰，等.基于SOI Si片的二极管红外探测器[J].纳米器件与技术，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.半导体器件物理[M].西安:西安交通大学出版社,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