第40卷第11期红外与激光工程2011年11月Vol.40No.11Infrared and Laser Engineering Nov.2011
李煜，白丕绩，王博，刘会平，李立华，洪建堂
(昆明物理研究所，云南昆明650223)
摘要：研制出一种长波凝视型384×288焦平面CMOS读出电路(ROIC)。读出电路输入级单元电路采用像素累积(PA)功能以提高信噪比(SNR)，并具有抗晕功能以提高探测器的适应性；读出电路采用快照(Snapshot)积分模式，具有积分后读出(ITR)和积分同时读出(IWR)两种模式可选功能；其他特征包括积分时间可调、多级增益可选、多种规格及开窗模式，以及全芯片电注入测试功能。该读出电路采用0.35μm DPTM标准CMOS工艺，工作电压为3.3V。测试结果表明，在77K条件下，读出电路的动态范围达91dB，功耗典型值为36mW。
关键词：读出电路；像素累积；信噪比；快照模式
中图分类号:TN386.5文献标志码:A文章编号：1007-2276(2011)11-2110-04
384×288focal plane ROIC with pixel accumulation
Li Yu,Bai Piji,Wang Bo,Liu Huiping,Li Lihua,Hong Jiantang
（Kunming Institute of Physics,Kunming650223,China）
Abstract:The long wave(LW)staring384×288focal plane CMOS ROIC was developed.To enhance the signal to noise ratio(SNR)of ROIC,the pixel accumulation(PA)operation was achieved in the input cell circuit.And the anti-booming operation was achieved to improve the adaptability of detector assembly.
Snapshot integration mode was used in the ROIC which supported two integration mode:integration then readout(ITR)and integration while readout(IWR),as well as other characteristics such as tunable integration time,multiple selectable gains,selectable window readout modes,and all-chip electron injection.The384×288focal plane ROIC was fabricated in0.35μm DPTM CMOS process with work voltage of3.3V.The test results show the ROIC has good performance.The SNR of the ROIC is91dB, and the total power dissipation is about36mW.
Key words:ROIC;PA;SNR;snapshot
收稿日期：2011-03-12；修订日期：2011-04-23
基金项目：国防预研项目
作者简介：李煜(1975-)，男，高级工程师，主要从事红外信号处理方面的研究工作。Email:liyu@knist
第11期
0引言
由于其优良的性能，光伏型碲镉汞(MCT)探测器成为目前最重要的一种红外探测器，碲镉汞探测器的电流-电压(I-V)特性通常被用来表征其性能。国外统计研究发现，HgCdTe二极管的1/f噪声取决于HgCdTe材料的位错密度。DRS公司对高密度垂直互连光电二极管的测量结果表明，当不考虑HgCdTe材料的x-值，以及工作温度时，1/f噪声取决于暗电流的绝对值[1]。
高的动态范围有利于提高红外成像系统的成像质量。要获得高性能的成像质量，就必须尽量抑制红外焦平面探测器的暗电流，从而降低1/f噪声而得到较高的动态范围。由于在长波波段背景辐射较强，红外焦平面探测器的饱和积分时间较短；故读出电路完成一次积分、读出所需要的时间要小于像素曝光时间，在这种情况下，为了充分利用像素曝光时间，可以采用像素累积的方法来提高红外焦平面探测器的信噪比。
通常情况下，凝视型焦平面读出电路在每次曝光时间内进行一次采样，此时间对应着帧积分周期。像素累积技术是通过在一个帧积分周期内对同一像素进行多次采样，并将采样数据累积后进行平均，以延长等效积分时间，提高焦平面探测器的信噪比[2]。
1384×288读出电路设计
1.1电路系统结构
图1给出了384×288读出电路(ROIC)的结构框图。此ROIC主要由以下几部分组成：384×288输入级单元电路阵列、偏置电压产生电路模块、列信号处
图1384×288读出电路结构框图
Fig.1Architecture of384×288ROIC 理电路模块、PA模式控制模块、内部时钟产生电路模块，以及行/列译码器等；该ROIC一共使用4个输出缓冲模块、PA模式控制模块、内部时钟产生电路模块，以放大器来提高读出速率和帧频[3]。
1.2读出模式
读出电路的设计针对长波凝视型焦平面探测器高帧频、快照操作的要求，可以选择不同的工作方式：
先积分后读出、边积分边读出、像素累计等3种模式；其它的特征包括：抗光晕、积分时间可编程、同一读出电路上可适用384×288、320×256、288×288等3种规格的焦平面阵列，以及开窗模式工作，随机的窗口方式可用作小于一帧的成像。
1.3输入级单元电路
与直接注入积分模式根本不同，输入级的设计采用“像素累计(PA)”模式。如图2所示，输入级单元电路采用开关电容滤波器电路读出，可以更好地实现较大电容处理能力。
图2输入级单元电路原理图
Fig.2Schematic of input cell circuit
谷氨酰胺合成酶
在PA模式下，一个帧周期包含许多子帧周期，用一个子帧平均电路在各子帧周期内对每个像素的光敏信号进行积分，然后进行转移并完成累加；当所有的子帧积分结束后，所读出的积分信号就是进行PA 处理后的输出信号。如果帧周期是16.67ms，则一个帧周期可以包括多达64个子帧周期。
1.3.1理论分析
电容C PA的信噪比(SNR)遵循递归滤波器原理[1,4]。信号电压：
V
S
=
Q
S
(1-αN)
C
INT
(1)噪声电压：
V
N
=
Q
N
[1-α2N]1/2[(1-α)(1+α)]1/2
INT (2)
李煜等：具有像素累积功能的384×288焦平面读出电路2111
红外与激光工程第40卷其中
α=
C
PA
C
PA
+C
INT
(3)
信噪比提高效果与采样次数（或者积累次数）N、电容比例系数α都有关，它们的关系如图3所示。可以看到，当系数α接近1时，SNR与N1/2成正比关系。这种信噪比提高效果类似于时间延迟积分(TDI)工作模式。在输入级电路设计时，既要保证电容比例系数α接近1，又要保证电容C PA上的噪声在ROIC中是最大的。
图3像素积累(PA)模式与信噪比的关系
Fig.3Relation between SNR improvement and pixel accumulation
1.3.2像素累计模式工作原理[1,5]
积分过程从帧信号(INT)的上升沿开始，晶体管M1被闭合(信号Ф_P1为高)，光电探测器D0转换的电荷在积分电容C INT上积分。晶体管M1闭合的持续时间称为子帧周期，所研制ROIC的一个帧周期包含50个子帧周期。如图4所示，当每个子帧周期结束，晶体管M1被打开（信号Ф_P1为低），晶体管M2被闭合（信号Ф_P2为高），积分电容C INT 上的电荷被转移到累积电容C PA上。一旦完成上述转移，复位开关Rst1被闭合（信号Ф_Rst1为高），使积分电容C INT被复位，然后开始第二个子帧周期的积分。
图4PA模式下输入级单元电路工作时序
Fig.4Timing diagram of input cell circuit at PA operation
对于每一个子帧周期，上述转移过程都会重复一次。值得注意的是，在所有的子帧周期过程中，累计电容C PA都不会被复位。于是，在累计电容C PA上产生一个累积电荷并且被保持。
当第50个子帧周期积分结束，晶体管M3被闭合（信号Ф_P3为高），累积电容C PA上的电荷被转移到电容C AVG上。转移完成后，晶体管M3被打开（信号Ф_P3为低），复位开关Rst2被闭合（信号Ф_Rst2为高），对累计电容C PA进行一次复位。当读出信号Read到来，该像素的电荷累积信号被读出，然后复位开关Rst3被闭合（信号Ф_Rst3为高），对电容C AVG进行一次复位，标志着一个INT积分周期的结束。
第一语音
1.3.3像素累计模式仿真结果
利用Cadence spectre程序对输入单元电路进行电路仿真，以PA模式进行瞬态扫描，仿真结果如图5所示，其中，图5(a)为V PA的节点波形；图5(b)为V AVG的节点波形。
图5PA模式下不同输入电流作瞬态扫描时的V PA
和V AVG节点波形
Fig.5Spectre results of input cell circuit at PA operation 2384×288读出电路版图设计
384×288读出电路属于大规模数字/模拟混合集成电路，设计时需遵守各输入单元电路版图
完2112
第11期
全一致的原则，避免引入非均匀性。信号MC (Master Clock)为强干扰信号，设计时除按照立体屏蔽办法（采用数字地线屏蔽）外，尽量远离其他信号线布置。所设计的384×288读出电路版图如图6所示。
图6384×288读出电路版图
Fig.6Layout of384×288ROIC
3384×288读出电路测试结果
384×288读出电路采用0.35μm DPTM标准CMOS工艺制程，加工出来的一个读出电路芯片(200mm W
afer)如图7所示。
图7384×288读出电路芯片照片
木馏油Fig.7Photo of384×288ROIC chip
在每个输入单元电路里都预置了测试管。当处于测试模式时，测试管模拟光电流进行全芯片电注入测试。改变测试管的栅电压，读出电路的输出也相应改变。读出电路的典型功耗是36mW，具有ITR、IWR两种模式可选功能，以及积分时间可调、多级增益可选、多种规格和开窗模式等功能测试正常等优点。表1列出了读出电路的主要特征参数。
表1384×288读出电路芯片特征参数
Tab.1Specification parameters of384×288ROIC chip
4结论
采用像素累积技术设计的384×288读出电路具有结构简单、SNR较高等优点。理论分析及测试结果表明，采用像素累积技术可以有效地增加探测器的积分时间、提高动态范围。读出电路已经应用于长波384×288MCT焦平面探测器中，具备实用化的能力。
参考文献：
束腹带
[1]Li Yuding,Li Yumin,Fu Yutian,et al.Effect of over samle-super
positon on MTF for long wave infrared camera[J].Infrared and Laser Engineering,2006,25(1):13-16.(in Chinese)
李玉丁，李玉敏，傅雨田，等.长波红外相机多次采样叠加对MTF的影响分析[J].红外与激光工程,2006,25(1):13-16. [2]Kinch Michael A.HDVIPTM FPA technology at DRS[C]//
不良图片过滤SPIE,2001,4369:566-578.
[3]Liu Dan,Lu Wengao,Chen Zhongjian,et al.Low power design
orienting384×288snapshot infrared readout integrated circuits [J].Journal of Semiconductors,2008,29(1):93-98.(in Chinese)
刘丹，鲁文高，陈中建，等.面向384×288面阵型红外读出
电路的低功耗设计[J].半导体学报,2008,29(1):93-98. [4]Razavi B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].
Xi′an:Xi′an Jiaotong University Press,2003.(in Chinese) [5]Fossum E R,Pain B.Infrared readout electronics for space
science sensors:state of the art and future directions[C]// SPIE,1993,2020:262-285.
[6]Shen Xiaoyan.Methods of canceling noises in CMOS readout
integrated circuit[J].Infrared and Laser Engineering,2004,
33(6):659-661.(in Chinese)
沈晓燕.消除CMOS读出电路噪声方法研究[J].红外与激
光工程,2004,33(6):659-661.
Pixel array384×288
Input cell circuit PA&DI mode
Power supply/V 3.3
Pixel-pitch/μm225×25
Output dynamic range/dB91液氨化工厂制备
Integrator capacitor/pC40
Readout rate/MHz13
Frame frequency/Hz300
Chip size/mm210.6×9.0
Fabrication process0.35μm DPTM
CMOS
李煜等：具有像素累积功能的384×288焦平面读出电路2113
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议