CTIA線列型讀出電路輸出異常問題研究

王 靜,劉興新,李冬冰,袁 媛

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在讀出電路設計中,常用的輸入級結構主要有直接注入(DI)、緩沖直接注入(BDI)、以及電容跨阻放大器(CTIA)等。其中CTIA輸入級結構由于引入高性能運算放大器,其注入效率、線性度等性能卓越。理想情況下可以實現100 %的注入效率。同時,由于能夠提供穩定的探測器偏置,以其作為讀出電路的探測器芯片輸出均勻性和噪聲都優于其他結構。因此,在小信號、高信噪比的探測應用中,優先考慮CTIA作為輸入級[1-2]。

近年來,隨著探測需求的進一步提高,CTIA結構的應用也越來越廣泛。但是,也因為探測性能高,導致CTIA輸入級敏感,對于信號傳輸和互連匹配性要求較高,容易受到信號變化的干擾,出現異常輸出。陣列規模越來越大、像元間距越來越小,對該結構應用也是一種挑戰。本文針對采用CTIA作為輸入級結構的線列型讀出電路出現的大信號輸出異常問題,通過仿真驗證結合理論分析,提出措施并進行實驗驗證,有效的解決了同一類型電路出現的相同問題。

2 CTIA輸入級原理

應用于讀出電路的典型的CTIA輸入級結構如圖1所示。其核心工作部件為運算放大器(amplifier)。其中,bias提供其正常工作的偏置電壓。Vref和SUB為光電二極管提供反偏工作電壓,Vref同時也是積分起始電平。Cint為積分電容,在積分信號INT的控制下,對光生載流子進行積分,最終輸出積分電壓out。圖2給出了CTIA輸入級的信號變化示意圖,其中INT為高電平時開關斷開,積分電容開始積分,積分起始電平為Vref,INT為低電平時,開關閉合,積分電容復位至Vref,等待下次積分[3-4]。

圖1 典型的CTIA輸入級結構

圖2 CTIA輸入級積分信號示意圖

圖1中A點為光電二級管和CTIA輸入級互連節點,同時也是電荷敏感節點,無驅動力且連接積分電容Cint和二極管的結電容,容易受到擾動,使積分信號發生變化。該節點在電路設計中一定要加以保護[5]。

3 輸出異常分析

在使用中發現,采用圖1中的CTIA作為輸入級的TDI線列型讀出電路,在處理大信號(半阱以上,與積分電容有關)時,輸出出現異常,如圖3所示。

圖3(a)中,當面對同一探測溫度時,正常輸出下,幀間復位后每幀輸出同樣的電平,當輸出異常時,幀與幀之間的輸出電平出現高低差異,并且交替出現。圖3(b)給出了異常輸出電平的成像圖,在圖像上表現為明暗條紋交替出現,通過測試,輸出異常與積分電容大小直接相關,積分電容越小引發異常輸出所需的信號能量越小,幀間電平差異越大。并且通過改善供電、調節偏置電壓和參考電壓等措施對該現象均無明顯改善。延長INT的復位時間能夠輕微改善該現象,但繼續增強積分信號,現象會再次出現。

(a)電平輸出異常表現

(b)異常輸出成像圖

根據測試結果,分析認為電路輸出異常與輸入級的工作狀態直接相關。光電二極管工作時,兩端弱反偏電壓由CTIA輸入級提供。光電二極管弱反偏下特性曲線如圖4所示,光電二極管工作在坐標的左半平面。當光電二極管偏壓變化時,產生的光電流相應發生變化,即CTIA積分電流發生變化[6]。

圖4 光電二極管電流-電壓特性曲線

圖5給出了光電二極管模型,結合圖1可以發現,SUB電壓通過探測器與積分電容相連,積分電容上發生瞬時信號變化通過探測器直接可反饋至SUB端。

當積分電容復位時,電容信號發生突變,在復位過程中會產生瞬時放電電流其過程遵循以下公式[6]:

Q=CV=it

(1)

其中,Q為積分電荷量;C為積分電容應用量級一般約為10-15;V為積分電壓值；i為放電電流;t是放電時間,由電路RC時間常數決定,其中,C為積分電容;R為運放和開關的等效電阻,量級在105左右(仿真得出)。當電容復位時,產生的瞬時電流量級約為10-5,對應圖1中A點產生一個電流過沖,這個過沖通過探測器會影響SUB(電容兩端發生信號變化時,電容導通)。實際應用中所有光電二極管共用一個SUB端,因此,對于10000元的陣列來說,在SUB端接收到的瞬時沖擊電流可達幾十毫安甚至幾百mA。

圖5 光電二極管模型示意圖

實際使用中,SUB供電能力有限同時供電線上存在阻抗特性等非理想因素,在受到大電流倒灌時,需要較長時間恢復甚至難以恢復。圖6給出了SUB端沖擊及影響示意圖。對于CTIA結構,SUB端電壓受到沖擊抬升,那么,在下一次積分時,光電二極管反向偏壓變小,引起響應光電流變小,下一次積分信號降低,復位產生的過沖也隨之減小,再下一幀時SUB端可以恢復初始值,繼而探測器光電流變大,如此反復,產生幀間異常輸出。

圖6 SUB端沖擊及影響

根據上述理論分析,用8000個CTIA輸入級(圖1結構)仿真SUB端所受沖擊情況如圖7。

在積分信號為半阱的情況下,積分電容復位時,SUB端收到的沖擊電流達到540 mA,該脈沖持續時間小于1.7 ns。與理論分析基本一致。

圖7 8000像元復位時過沖電流仿真

4 驗證實驗

結合仿真和分析結果,上述現象最直接的改善方法是降低積分信號強度、延長復位時間,使SUB端電壓充分恢復。實際項目應用中,以上措施往往難以實現,那么,根據公式(1),還可以通過修改鏈路時間t的辦法,限制放電電流i,降低陣列同時復位對SUB端產生的沖擊。結合上述計算,在SUB管腳串聯1 kΩ電阻,即可將電流沖擊量控制在μA量級。仿真結果如圖8所示。

圖8 SUB管腳串聯1 kΩ電阻后放電電流仿真

串聯限流電阻后,放電電流的尖峰降至650 μA。顯著降低了對外圍電路的沖擊。

最后,驗證實驗中,在SUB端串聯1 kΩ限流電阻,測試結果統計如圖9所示。其中,縱坐標為輸出信號幅值,橫坐標為采樣幀,圖中取同一像元在第1～15幀的輸出進行統計。

圖9 SUB端限流后讀出電路測試結果

從圖9統計結果來看,串聯電阻后,幀與幀之間輸出表現為正常的噪聲影響,沒有明顯的電平差異。因此,理論和實驗結果相匹配,可以在不改變系統設置和應用條件的情況下,解決輸出異常問題。

5 結 論

CTIA結構因其噪聲低、注入效率高的特點,在弱信號處理時具有顯著的優勢。然而,也因為這些優點導致其結構比較敏感,抗干擾能力弱。采用CTIA結構作為輸入級的線列型讀出電路在處理大信號時發生輸出異常。該現象是由于積分電容放電時對探測器襯底一端產生瞬時沖擊造成的。上述現象與探測器的信號強度、積分電容、積分時間、復位時間等工作參數的匹配直接相關。根據現象機理分析,可以不改變系統設置和應用條件,通過給受沖擊管腳增加限流電阻的方法,降低沖擊電流強度,以助其在復位時間內順利恢復正常值,該方法已通過實驗驗證,切實有效,可以消除幀與幀之間輸出電平差異的現象。