一種高靈敏度數字化TDI型紅外焦平面讀出電路

袁 媛,李敬國,胡 月,于 艷,徐長彬

(1.中電科光電科技有限公司,北京 100015；2.航天恒星科技有限公司,北京 100094)

1 引 言

傳統的紅外焦平面探測器尤其是長波紅外焦平面探測器由于其固有的背景通量大、暗電流大等缺點,在應用中往往受限于有限的像元面積、有限的積分電容使得積分時間無法提高,讀出電路電荷處理能力無法進一步提高。隨著現今紅外探測器越來越高的靈敏度要求,需要突破傳統紅外焦平面讀出電路技術的瓶頸,使電荷處理能力不再受限于像元面積,因此數字化紅外焦平面技術作為第三代紅外焦平面技術被國內外競相研究,同時對于大面陣、多線列的紅外焦平面,低功耗設計也是必不可少的。本文提出了一種將像素級數字化技術與TDI技術相結合的讀出電路設計,并通過仿真驗證了該電路良好的性能。

2 數字化紅外焦平面結構

模數轉換器(ADC)作為數字化焦平面讀出電路的關鍵模塊,將紅外焦平面探測器的光電流模擬信號轉換為數字信號,這樣就可以利用數字信號便于存取、計算和傳輸等特點實現更多的片上數字化功能。根據模擬域信號與數字域信號在焦平面上的轉換位置即ADC位置,數字化紅外焦平面結構可分為系統級ADC、列級ADC以及像素級ADC[1-3]。

2.1 系統級ADC結構

系統級ADC即整個系統的所有的像元共用一個ADC將所有的像元的模擬數據轉換為數字值并且輸出,ADC僅在信號鏈的末端實現AD轉換,如圖1所示。該類型與片外的ADC相比,降低信號在板級處理的復雜度,同時降低了模擬信號在片外長距離傳輸中被干擾的可能性。系統級數字化不會受到象元尺寸的限制,面積約束比較小,但是對于轉換速率和功耗要求比較高,且信號在系統鏈路末端才實現AD轉換,因而對增大電荷處理能力以及噪聲性能的提高作用不明顯,目前數字化焦平面已很少采用這種結構。

圖1 M行N列焦平面系統級ADC結構

2.2 列級ADC結構

列級ADC通過陣列中某一列或者是某幾列共用一個ADC,將每列或某幾列的像素積分得到的模擬信號在列的末端進行AD轉換,如圖2所示。讀出電路的像素單元以及列傳輸電路均工作在模擬域,只有行傳輸電路工作在數字域。

圖2 列級ADC讀出電路結構示意圖

列級ADC的優勢在于受像素面積限制比較小,從而降低了ADC的要求,使得ADC實現方式更多樣化,設計時可以針對不同的應用來選擇不同的類型的ADC；另外,列級ADC的轉換速率遠小于芯片級ADC的轉換速率,這樣可以有效提高電路的幀頻。列級ADC保留了模擬信號只需要在列級傳輸的特點,減少了模擬信號的傳輸距離,可以有效的提高信號的信噪比。但是由于數字域信號是在信號鏈路中間產生,信號鏈路前端的模擬域信號仍然容易受到干擾噪聲性能沒有達到最優,且像素單元內仍然使用傳統的積分電容對紅外探測器的光電流進行積分,列級ADC對提高讀出電路的電荷處理能力沒有幫助。

2.3 像素級ADC結構

像素級ADC即紅外焦平面光電流信號在各自像素單元內直接完成模擬域信號到數字域信號的轉換,每一個像素均由一個獨立的ADC構成,如圖3所示。

圖3 像素級ADC讀出電路結構示意圖

像素級ADC的轉換速率不依賴于電路的幀頻,只與讀出電路接受到的光電流信號大小有關,這使得ADC的轉換速率可以非常低,大大降低了系統的功耗。像素級ADC中模擬域信號在信號鏈路源頭即轉換為數字域信號,這就在最大程度上避免了模擬信號長距離傳輸被干擾,將噪聲引入降到最低,探測器信噪比大大提高；同時,像素級ADC讀出電路對光電流信號直接進行AD轉換,電荷處理能力不再受限于積分電容大小,因此紅外焦平面能夠達到Ge-數量級超大電荷處理能力,這對焦平面靈敏度的提升非常有利。但是由于要在有限的像元面積內實現完成的ADC轉換,像素級ADC對面積的要求苛刻,ADC實現類型比較受限制。

3 高靈敏度數字化讀出電路設計

紅外焦平面探測器的信噪比與積分電荷量有直接關系,如圖4所示[4]。從圖中可以看出要想使焦平面SNR接近理論極限值,必須讓其工作在方塊區域內,這個區域要求積分電荷達到Ge-數量級。因此,紅外焦平面探測器靈敏度要達到高靈敏度甚至甚高靈敏的探測需求,要求讀出電路具有Ge-數量級超大電荷處理能力。根據前文對三種數字化紅外焦平面結構的介紹,采用積分電荷兩不受限于積分電容面積的像素級ADC結構,可以滿足高靈敏度紅外焦平面設計要求。

圖4 紅外焦平面SNR與電荷處理量的關系

另一方面,紅外探測器可以通過加長積分時間來獲取更多的積分電荷,但是在實際應用中幀頻限制了積分時長,這時通過延遲積分(TDI)技術,即在不同的時間點用同一探測器的不同像元對同一目標進行讀取,并將每個時間點各像元讀取的信息進行累加存儲輸出,間接等效延長固定目標積分時間,且參與累加的像元數越多,等效積分時間越長,積分電荷量越大。本設計采用像素級ADC與TDI技術相結合,進一步提高電荷處理能力,從而使探測器獲得更高的探測靈敏度。

3.1 像素級ADC設計

像素級數字化讀出電路中,整個ADC單元(包括AD轉換器、計數器、寄存器等)需要完全嵌入在規定的像元面積內,ADC結構必須相對簡單,因此本設計ADC采用一種典型的像素級數字化技術路線[5]即電荷復位計數型ADC對探測器光電流信號進行積分轉換。

電荷復位計數型ADC結構原理如圖5所示,其工作原理如下:光電流在積分電容CINT上轉換為電荷信號,當積分電荷信號使CINT上極板電壓降到比較器電壓VREF時觸發比較器翻轉一次,計數器記錄翻轉次數,同時比較器觸發積分電容復位開關,使CINT復位;積分電容CINT通過一個電荷產生單元(由MOS管T1～T3構成)將電荷Q0注入到CINT中。上述過程就完成了一次AD轉換,待積分電流再次對CINT放電至Vth時重復比較器翻轉、計數器計數、CINT復位等步驟。

圖5 電荷包計數型ADC

在電荷復位計數型ADC工作中,ADC量化步長1LSB的單位電荷包QLSB由式(1)決定:

QLSB=CINJ(VBIAS1-VBIAS2)

(1)

其中,CINJ為T2管的柵電容;VBIAS1、VBIAS2分別為T1管與T2管的柵極偏置電壓。從式(1)可以看出,單位電荷包QLSB僅與T2管柵電容及T1管、T2管的柵極電壓差有關,而與比較器的反應速度無關,因此該結構ADC除結構簡單外,還有轉換線性度高量化誤差小的優點,這對實現高靈敏度ADC十分重要。

3.2 像素級數字化TDI設計

圖6 單列像素級數字化TDI結構框圖

設計中TDI累加功能采用可加載初值的計數器替代傳統計數器以節約版圖面積。第M積分周期結束時(1≤M≤72),除第一級計數器外,其他級計數器將前一級計數器的數據加載進來作為初值,第一級計數器清零；當M+1積分周期開始后,各計數器在初值的基礎上進行累加計數,這就同時實現了計數和加法的功能。

4 仿真結果分析

4.1 電荷處理能力仿真分析

本設計采用的電荷復位計數型ADC結構,其單包電荷QLSB由圖4中T2管柵電容及T1管、T2管的柵極電壓差決定,其中T2管柵電容為寄生電容,為準確計算出電路的電荷處理能力,需對QLSB大小進行仿真。

本電路設計采用0.18 μm工藝,對該工藝下各工藝corner進行仿真,得到電荷包QLSB仿真結果如下表1所示。

表1 電荷包QLSB仿真結果

仿真結果給出單像元滿量程典型電荷處理能力:

QTYP=218·QLSB=0.21Ge-

(2)

那么,24元讀出電路滿量程典型電荷處理能力能夠達到5.04 Ge-。

4.2 線性度仿真分析

電荷復位計數型ADC線性度主要由比較器自動翻轉復位延時決定,線性度仿真結果如圖7所示。

圖7 ADC線性度仿真結果

像素單元ADC線性度達到0.0109 %,線性誤差非常小不會對探測器性能產生影響,具有較好的線性度是電荷復位計數型ADC的特點。

4.3 噪聲及動態范圍仿真分析

噪聲方面,電荷復位計數型ADC的噪聲電荷是[7]:

(3)

其中,en是比較器的等效輸入噪聲；N是單像元復位的電荷包個數N=218；CINJ是最小電荷轉移單元的電容大小；CINT為積分電容?？梢钥吹?當N較大時,en可忽略,電荷復位噪聲占主要部分。

對200個電荷包的注入過程進行噪聲仿真,直接得到噪聲標準差1.44 mV,如圖8所示。本設計CINT電容為26.5 fF,根據式(3)計算得到單元ADC噪聲電荷為8.6 Ke-,一列中各像元間噪聲非相關,因此24元經TDI累加后噪聲電荷為42.16 Ke-。

圖8 電荷包噪聲仿真結果

通過上述噪聲及電荷處理能力仿真結果,可以計算出該讀出電路24級累加讀出電路動態范圍為:

≈101.5 dB

(4)

本設計的大電荷處理能力以及大的動態范圍對于長波紅外焦平面長積分時間應用條件具有很好的前景。

4.4 功耗仿真分析

對于電荷復位計數型ADC結構,因其結構簡單相較其他復雜ADC結構功耗也較低,該結構功耗主要來源于比較器功耗。比較器功耗由比較器翻轉頻率決定,積分電流越大比較器翻轉速率越高所需功耗也就越大。以大積分電流的長波紅外焦平面應用為例,積分電流典型值為30 nA,積分時間10 ms時比較器的翻轉頻率達到15.4 MHz,此時單元ADC功耗仿真值為7.8 μW,整個512×24線列列讀出電路總功耗為95.8 mW。可以看出,該結構像素級ADC在功耗方面可以很好的滿足紅外焦平面組件低功耗的設計要求。

5 總 結

本文首先通過對不同結構的數字化紅外焦平面結構優缺點的分析,確定采用像素級數字化實現大電荷處理能力以及低功耗設計以滿足高靈敏度大動態范圍紅外焦平面設計需求,同時為了進一步提高電荷處理能力,設計將像素級數字化與TDI技術結合。隨后,文中以512×24線列規模為例,給出了像素級數字化ADC以及TDI功能的具體電路設計實現。最后,通過對電路的仿真可看出,本文的設計可以同時滿足高靈敏度紅外焦平面大動態范圍、大電荷處理能力以及低功耗的設計要求,尤其在長波紅外焦平面中應用中具有很大優勢。