红外焦平面阵列用信号处理电路

摘要：介绍了红外焦平面阵列信号处理电路的发展概况。重点描述了CCD多路传输器（CCD-MUX）、时间延迟积分CCD（TDI-CCD）、MOSFET、CMOS多路传输器（CMOS-MUX）的基本结构、工作方式及应用领域。最后给出了多路传输器件的两种应用电路。

关键词：多路传输器 红外探测器 红外焦平面阵列 信号处理电路

未来红外系统（如热成像系统、导引系统、监视系统）中的信号探测几乎都将建立在红外探测器焦平面阵列的基础上。利用红外焦平面阵列（IRFPA）可简化或取消光机扫描以改善系统性能。红外焦平面阵列器件是把包含大量敏感元且需恒低温操作的器件封装起来的新型结构。在这种新式结构中，由红外探测器（IRD）输出的电信号的处理是在焦平面上完成的。人们通常把信号处理在探测器的同一块衬底上进行的方式称为单片式IRFPA红外处理方式，而把红外探测器（IRD）分别制备在不同衬底上，然后进行锢柱倒装互连而成方式称为混合式IRFPA。红外探测器（IRD）有各种不同的类型，如光伏型（PV）锑化铟IRD、光导型（PC）、HgCdTe、PbS、PbSe、PhSnTeIRD、金属硅化物（Pd2Si、PtSi、IrSi）二肖特基势垒红外探测器（SBIRD）、异质结势垒（SiGe/Si）内光电发射IRD、超晶格量子阱（AlGaAs/GaAs、SiGe/Si）IRD等。同时，它们也有各种不同的信号处理电路，如SCCD、BCCD、MCCD、SCD、TDI-CCD、MOSFET开关、CMOS静态（或准静态）移位寄存器多路传输器（CMOS-MUX）等。这种信号处理电路是目前单片式（CMOS-MUX）等。这些信号处理电路是目前单片式（或混合式）红外焦平面阵列常用的红外信号处理器件。到目前为止，作为红外焦平面阵列用的信号处理电路都是用硅材料制作的。因为采用硅以外的材料制造高性能信号处理电路在技术上尚有很大的困难。

为了研制性能优良的红外系统，在红外焦平面阵列（IRFPA）的研制中，除了成熟的红外探测器（IRD）制备工艺外，设计和研制信号处理电路是改善IRFPA性能的最关键因素。信号处理电路主要的设计要求是电荷存贮容量高，转移效率高、噪声低、功耗低，具有背景抑制和多路传输等功能。而且在IRFPA内红外探测器将入射光子转换为电荷后，产生的信号电荷必须能够注入到信号处理电路以便多路输出。

下面简要介绍几种信号处理电路的基本结构、工作方式以及应用领域。

1 红外焦平面阵列用信号处理电路

1.1 硅CCD多路传输器

硅CCD多路传输器（SiCCD-MUX）的电路原理如图1所示，图中T1、T2……，TN为输入信号的N个抽头。SiCCD-MUX的主要功能是在红外热成像系统中将一行若干个（16、32、64、128、256、…等）红外探测器并行输出信号转换为串行输出信号。其主要优点是噪声低、灵敏度高和工作频率高。由于所有输入信号都经过一个低噪声，高灵敏度的电荷检测器输出，因此输出信号的不均匀性比较容易解决。

SiCCD-MUX不仅可以与光导型HgCdTe长波红外探测器相匹配，而且也可以在先进的第二代红外探测系统中与光伏型HgCdTe红外探测器（PVHgCdTe-IRD）相匹配[1]，由于这种匹配是采用直接注入方式，因而免去了光导型HgCdTe长波红外探测系统对低温前置放大器的需要。使得整个系统显得更加小巧，功耗更低，同时大大减轻了致冷器的负担，从而使长波红外信号处理开始进入焦平面信号处理时代。

直接注入式SiCCD-MUX可用于战术制导跟踪系统等需要很强抑制背景信号能力的高背景场合。因此直接注入式SiCCD-MUX的设计比光导系统中交流百合式SiCCD-MUX的设计更加复杂。其输入结构应具有对注入电荷晕、分割、撇取和消除背景等功能。直接注入式SiCCD-MUX结构框图如图2所示。

1.2 时间延迟积分CCD

时间延迟积分CCD（TDI-CCD）的结构框图如图3所示。它的主要功能是对各个抽头的输入信号（例如HgCdTe红外探测器输出的信号）施加不同的时间（4Tc,8Tc,…，32Tc）延迟，并在输出端进行同步叠加（积分）以达到提高信噪比的目的。因为与TDI-CCD相匹配的HgCdTe红外探测器的输出信号代表着同一目标的红外辐射的强弱。因此其输出端信号在线性叠加后将按因子M增长（M代表输入抽头数）。而HgCdTe红外探测器的噪声和TDI-CCD对应的各通道的噪声是相关的，因此，它的输出端将按因子M 1/2增长。这样，输出信噪比的增长应为M/（M）1/2=M 1/2倍。

TDI-CCD除可在红外热成像系统中检测微弱的红外信号外，还可在扩频系统中作CCD相关器，以检测信噪比小于1的信号。

TDI-CCD是一种功能电路，除可单独使用外，还可作为混合式红外焦平面阵列的信号处理器件。1.3 时间延迟积分CCD单元

该电路将时间延迟积分CCD（TDI-CCD）和硅CCD多路传输器（SiCCD-MUX）集成在一个芯片上，因此，其结构和功能将更为复杂。在用作混合式HgCdTe红外焦平面阵列的信号处理电路[2,3]时，可通过铟柱与4N系列光伏型HgCdTe红外探测器直接焊接，以构成所谓的红外焦平面阵列信号处理电路。

4N系列HgCdTe红外探测器阵列的排列情况如图4所示，Y方向为时间延迟积分方向，X方面为CCD多种传输器输出方向。与之相匹配的TDI-CCD芯片的结构如图5所示。

表1给出了各公司带TDI-CCD读出模式的混合式HgCdTe红外焦平面阵列的像元数和工作波长。

表1 4N系列混合式HgCdTe-IRFPA[3]

1.4 MOSFET开关多路传输器

MOSFET开关多路传输器的基本结构如图6所示。其中每个光电二极管均与单元中的存贮电路器相关联。数字水平扫描移位寄存器（通常制造在芯片上）位于图中的扫描移位寄存器（通常制造在芯片上）位于图中的上部而多路传输器位于图的左边。扫描移位寄存器一次选择一列二极和存贮电容器。同时，垂直扫描移位寄存器选择一行总线。利用这种方式可以顺序地单独录址每一个像素，并将像素信号电荷传输到多路传输器以便读出。

MOSFET开关多路传输器作为红外焦平面阵列的信号处理器件有许多优点。首先，电路密度可以做得很高，以便有更多的空间用于存贮电茶，而且噪声性能良好，因而动态范围非常高。其次，用于MOSFET设计的硅处理技术已高度标准化，因而可以批量生产以降低成本。第三点是用于红外焦平面阵列的信号读出器件对接口的要求很简单，因为一些时钟和开关电路可安置在芯片的旁边，这就减少了需经过杜瓦壁提供的时钟波形数。在致冷型红外焦平面阵列的研制中，目前已研制出具有MOSFET开关多路传输器读出结构的锑化铟线阵64元、128元和面阵128×128元、256×256元红外焦平面阵列。在非致冷型红外焦平面阵列的研制中，英国的Plessey Research caswell公司已研制出具有MOSFET开关多路传输器读出结构的热释电线阵16元、40元和64元非致冷型红外焦平面阵列。为了进一步改善红外焦平面阵列的性能，现在又在MOSFET开关多路传输器研制的基础上研制出了MOS结构场效应晶体管（MOSJFET）开关多路传输器。

1.5 CMOS多路传输器

在红外焦平面阵列（IRFPA）的研制中，人们总是希望研制出成本更低、可生产性更好、动态范围更大的红外信号处理器件，这使得人们转向CMOS多路传输红外信号处理器件的研究。现在，先进的CMOS工艺的出现，使得高密度、多功能CMOS多路传输器的设计成为可能。这种多路传输器能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列[4]（单片式或混合式）的信号部分、传输、处理和扫描。因此使用CMOS-MUX读出装置的红外焦平面阵列（IRFPA）能够设计出体积更小、质量更轻、功耗更低、性能更优良的红外整机系统。

CMOS-MUX通常可作为硅化铂肖特其势垒红外探测器阵列的信号处理器件，在HgCdTe、InSb、AlGaAs/GaAs、InAsP/InP、PbS、PbTe、InGaAs等红外探测器阵列的研制中，设计者往往都希望采用CMOS-MUX作为红外信号处理器件。CMOS多路传输器的功能图如图7所示。

2 应用电路

2.1 多路传输器的信号读出电路

红外探测器阵列，尤其是不用硅材料制成的红外探测器一般都需要专门设计和制备多路传输器（MUX）来作为红外探测器阵列的红外信号处理器件。目前在多路传输器的设计和研制中，采用成熟的硅材料已研制出各种不同类型结构的硅多路传输器（如Si-CCD、Si-MOSFET、Si-CMSO、Si-JFET等），而在单片式（或混合式）IRFPA的研制中，除了成熟的红外探测器制备技术外，提高IRFPA性能的关键因素是研制低拉耗、低噪声、高电荷存贮容量和易于与红外探测器集成或耦合的硅多路传输器。表2给出了硅多路传输器的电荷存贮容量。

表1 硅多路传输器的电荷存贮容量

用两个多路传输器执行线阵列交错读出的应用电路如图8所示。图中，在交错读出的标准和反射镜图像中，多路传输器位于探测器阵列的两侧，这样可使两个多路传输器相互之间互为镜像。探测器阵列的偶数像元连接到阵列一侧的焊脚上，而将奇数像元连接到列阵的另一侧，然后，把列阵的这些焊脚连接到相应的多路传输器上，并从两个多路传输器读出。最后在芯片外重新复合在一起，以使视频信号返回到一个单一的数据串流中。这一方案可使被应用的成像列阵的长度加倍，并使得探测器像元至像元之间的间距更小，而同时仍可使用现成的元件。

线列多路传输器可以同面阵成像列阵一道使用。可以用一个多路传输器控制开关把每一行像元与每一列相应的视频线连接起来，再用另一个多路传输器读出每一列上相应的视频线。如果一行上的所有开关把所有的像元连接到这一列的视频上，那么，也就读出了所有的列。

定时机构会对与列阵上开关相连接的多路传输器的焊脚之一进行计时，然后对与视频相连接的多路传输器全部计时，这一过程将连续进行直至所有的行读出完毕为止。

2.2 缓冲多路传输器应用电路

EG G Reticon公司提供的64、128或256个通道长度的缓冲多路传输器的焊脚位于一行的一，间距为100μm。器件的输入偏置的电流低至100fA。前置放大器的转换增益为每100个电子1μV。图9是包括两个取样保持栅的启动与阻止探测器阵列的信息目标显示示意图。为了把多路传输器与探测器阵列集成在一起，该器件把光敏器连接到了焊脚上，并使每一个焊脚与一个通道相联系，该通道利用一个15pF反馈积分电容把输入电荷换成输出电压。紧接电容器的开关取样电路可提供降低噪声和偏移的相关双取样功能。

该应用电路有两个取样保持栅，在光学能量积分开始时启动一个取保持开关；在积分结束时，再启动另一个取样保持开关。在这两组取样输出数据脉冲中有一列包含已经出现的杂散噪声，而另一个输出脉冲则包含信号以及积分和转换光学脉冲的噪声。因此，应把两组输出差分合成，以减去在读出散间出现的噪声。

3 结论

任何一种IRFPA，不论是单片式或混合式，都是由红外光电转换和信号处理两部分组成。而几乎所有的红外焦平面阵列（IRFPA）的信号处理部分都是用硅材料制和硅信号处理电路来实现的。这是因为如今硅材料最成熟，用硅制成的信号处理电路的设计和工艺技术已经能够满足IRFPA的需要。

IRFPA中的硅信号处理电路具有信号读出、积分、背景抑制、前置放大、采样保持、多路传输等功能。原则上讲，当前的微电子技术完全可以把这些功能集成在一个硅芯片上。但是，对于IRFPA来说，特别是面阵，能够安置这些电路的面积往往非常有限，因此，必须考虑采用非常简单有效的输入级电路，通常采用硅CCD多路传输器（表沟CCD、埋沟CCD、曲沟CCD、埋沟型曲沟CCD）、时间延迟积分CCD、MOSFET、电荷扫描器件（CSD）和CMOS多路传输器等电路来实现IRFPA的信号处理。但是由于硅CCD多路传输器的势阱电荷存储容量小，要求红外探测器的阻抗高，并具有转移损失及工艺复杂等缺点，因此，近几年来，在IRFPA的研制中，无论是致冷型和非致冷型IRFPA的信号处理电路都越来越多地采用高度发展的CMOS多路传输器。