640×512-25 μm多功能紅外讀出電路設計

劉琦 夏曉娟 徐申 馬德軍 王錦春

摘要： ? ? ?以上華0.35 μm 5 V工藝設計了一款640×512-25 ?μm多功能紅外讀出電路。 該紅外讀出電路工作在80 K溫度條件下適合多種紅外探測器， 如InSb， HgCdTe 和InGaAs。 此設計在分析各模塊實現的基礎上， 重點設計了像素單元以及陣列的讀出方式。 同時， 利用相關雙采樣技術， 降低了信道里產生的噪聲。 最后， 對該設計的電路進行單路、 雙路和四路仿真。 其中工作頻率為5 MHz， 系統默認工作幀頻為60 Hz， 最大功耗為180 mW， 輸出擺幅大于3 V， 線性度也在99%以上。

關鍵詞： ? ? 多功能; 紅外焦平面陣列; 像素單元; 相關雙采樣

中圖分類號： ? ?TJ765; TN215 文獻標識碼： ? ?A文章編號： ? ? 1673-5048（2019）02-0090-06

0引言

紅外技術由于軍事的強烈需求牽引而得以迅速發展， 紅外成像儀可裝備各類戰略和戰術武器， 常用于紅外偵察、 預警、 跟蹤和精確制導， 是電子戰、 信息戰中獲取信息的主要技術之一[1-4]。 紅外焦平面陣列（Infrared Focal Plane Array， IRFPA）技術是紅外探測技術的發展方向之一， 是集紅外材料、 光學技術和微電子技術于一體的高科技綜合技術。 其工作性能既與探測器的量子效率、 光譜響應、 噪聲譜、 一致性有關， 還與電路輸入級的電荷存儲能力、 均勻性、 注入效率， 電路輸出級的電荷轉移效率、 線性度、 動態范圍有關[5-8]。 現在對于成熟的紅外焦平面探測技術來說， 成為其發展瓶頸的不是探測器本身， 而是紅外讀出電路， 典型的紅外讀出電路框圖如圖1所示。

目前， 絕大多數IRFPA均是帶硅基的讀出電路的混合式陣列， 讀出電路規模也從較小的64×64發展到1 024×1 024元甚至更高， 同時像素的密度也在不斷提高， 單元面積從100 μm2發展到15 μm2甚至更小， 但隨著像素密度的增加， 版圖的布局和走線也變得更加困難。 隨著陣列規模不斷的擴大，對數據的傳輸要求也提出了較高的要求， 從以前的單路發展到雙路輸出， 又到現在的四路輸出。 因此， 多路輸出功能成了當今大規模陣列紅外讀出電路的標配。

據提出了較高的要求， 對功耗的控制問題也擺在了電路設計者們的面前。 因此在紅外讀出電路不需要滿陣列工作的情況下， 實現小規模的開窗也成為了大規模陣列讀出電路的必要功能[9-10]。

就目前來講， 國內的紅外焦平面陣列技術還停留在陣列規模普遍不是很大， 功能比較單一的階段。 針對上述問題， 本文設計了一款640×512多功能紅外讀出電路， 該設計的芯片采用先積分后讀出以及邊積分邊讀出方式， 同時具有任意開窗以及多路輸出功能。

1關鍵結構與技術原理

1.1像素單元

模擬信號通路由探測器光電信號產生模塊、 像素單元采樣模塊、 列信號處理模塊和輸出緩沖模塊組成， 通過數字電路的控制信號， 探測器感應的紅外信號可以一級一級地傳輸。 單個像素信號的大致流程如圖2所示， 像素單元將光電流采樣為積分電容上的電壓信號， 經過行選信號選通， 電壓被采樣到列信號處理單元， 最后列選信號有效， 信號經過輸出驅動器輸出。

像素單元設計是紅外讀出電路最重要的設計之一。 本文像素單元采用直接注入（DI）結構[11-13]， 具有占用面積小、 電路結構簡單等特點， 大規模紅外焦平面陣列大多都采用此結構。 在該電路中， 探測器電流通過注入管向積分電容充電， 實現電流到電壓的轉換， 電壓增益的大小與積分電容的大小有關， 當然也受到電源電壓的限制。 圖3為像素單元的電路結構。

其中， Cin為積分電容， Csh為采樣電容。 M1， M2分別為注入管和測試注入管， M2和M5分別為積分電容和采樣電容的復位管， M4為采樣管， M6和M7為后級電路源跟隨器的一部分。 本文芯片設計有邊積分邊讀出和先積分后讀出兩種主要讀出方式。 圖4為像素單元時序框圖。

1.2相關雙采樣模塊

列信號處理單元最需要解決的是信道噪聲問題[14]。 因此， 列信號處理單元通過相關雙采樣來降低信道里的噪聲[15-17]。 圖5為相關雙采樣模塊電路。

在T1時刻， 復位開關閉合， VOS端的電壓為VOS， Vin端的電位為V1。 在T2時刻， 復位開關打開， 同時Vin端電壓變為V2。 此時根據B點在T1和T2時刻電荷守恒， 可以得到

C0（VREF-V1）=C0（VREF-V2）+C2（VREF-VOS）+C1（VREF-VO）

VO=C0C1（VT1-VT2）+C2C1（VREF-VOS）+VREF

這樣就可以在輸出結果加上或者減去一個固定電平， 達到一個全局偏移的目的。

2主要數字功能設計

2.1格雷碼計數器模塊

在大規模的焦平面陣列中， 如果只對一部分區域的圖像感興趣， 就可以通過該功能對感興趣的區域進行讀出， 有效提高了焦平面探測器的幀頻。 這種讀出方式既允許高分辨率、 全窗口、 寬視場模式讀出， 同時又可以在窄視場范圍內以高速的數據率讀出。 ?當二進制數0111計數加1為1000時， 四位電平都需要轉換， 由于制造工藝、 門的種類甚至制造時微小的工藝偏差會導致四位電平轉換出現先后延遲， 從而出現一段窄脈沖， 即毛刺。 尤其在高速數字電路里面毛刺的維持時間較長會導致后續邏輯電平的錯亂， 從而增加誤碼率。 其優點為計數器每計數一次， 地址只變化一位。 按上面例子0111轉化成格雷碼為0100， 計一次數為1100， 只有一位產生變化， 因此避免了競爭導致的冒險。 行列格雷碼計數器工作總框圖如圖6所示。