2021年2月Feb. 2021
第50卷第2期
Vol.50 No.2红外与激光工程
Infrared and Laser Engineering
张武康叫陈洪雷I, 丁瑞军I
(1.中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室，上海200083；
2.中国科学院大学，北京100049)
摘 要：为了提高红外焦平面检测目标的灵敏度，目标辐射产生的载流子应尽可能长时间保持，同 时应尽可能减少热激发和背景辐射激发的比例。高背景条件下长波红外读出电路的积分电容较快 饱和，且长波红外探测器暗电流的非均匀性会影响焦平面的固定图形噪声。基于共模背景抑制结 构以及长波确镉汞探测器暗电流分析的基础上，设计了具有非均匀性矫正的背景抑制电路。传统 的背景抑制电路采用单一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模块的高精度背景记忆一 般在小范围区间内。本文背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合，可以在较大的
背景噪声范围内有效地降低固定图形噪声以及增大动态范围。该背景抑制结构中共模背景抑制采 用电压-电流转换法，差模背景抑制采用电流存储型背景抑制结构。差模背景抑制通过背景记忆时 信号放大，背景抑制时信号缩小来提高背景抑制精度。电路采用标准CMOS 工艺流片。测试结果
表明：读出电路的FPN 值为2.08 mV 。未开启背景抑制时，焦平面FPN 值为48.25 mV o 开启背景抑 制后，焦平面FPN 值降至5.8 mV 。基于探测器的暗电流非均匀分布，计算其理论FPN 值为40.9 mV 。
长波红外焦平面输出信号的RMS 噪声在0.6mV 左右。关键词：背景抑制；暗电流；读出电路；长波红外
中图分类号：TN215 文献标志码：A DOI ： 10.3788/IRLA20200266
Long wavelength infrared readout circuit with
background suppression function
Zhang Wukang 1'2, Chen Honglei 1, Ding Ruijun 1
(1. Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Shanghai Institute of Technical Physics,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract: In order to improve the sensitivity of target detection by IRFPA, the carrier generated by target
radiation should be maintained as long as possible. And the proportion of thermal excitation and background radiation excitation should be reduced as much as possible. The integral capacitance of the long-wave infrared (LWIR) readout circuit (ROIC) is easily saturated under high background conditions. And the non-unifbrmity of
the LWIR detector dark current will affect the fixed pattern noise (FPN) of the focal plane array (FPA). Based on
the common mode background suppression (BDS) structure and the analysis of dark current for long-wave HgCdTe detector, the BDS circuit with non-unifbrmity correction was designed.
Traditional background
suppression circuits only used common mode background suppression or differential mode background suppression. The high-precision background memory of the differential mode background suppression module
收稿日期：2020-07-02；修订日期:2020-09-08
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红外与激光工程
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第2期第50卷was generally within a small range.Common mode BDS and differential mode BDS were used for BDS module in this paper,which can effectively reduce the fixed graphics noise and increase the dynamic range in a larger background noise range.For this background suppression circuit,the common mode background suppression used a voltage-current conversion method,and the differential mode background suppression used a current storage type background suppression structure.The background signal was amplified during background memory and signal was reduced
during BDS for differential mode BDS.It could improve BDS accuracy.The circuit adopted standard CMOS process tape out.The test result shows that the FPN of ROIC is2.08mV.The FPN of the FPA without background suppression is48.25mV.When background suppression is turned on,its FPN noise is 5.8mV.Based on the detector's non-uniform distribution of dark current,the theoretical FPN value is calculated to be40.9mV.The RMS noise of t he output signal of the long-wave infrared focal plane is about0.6mV.
Key words:background suppression;dark current; 0引言
确镉汞(HgfCdxTe,MCT)材料由于宽光谱内连续带隙可调、高吸收系数、高载流子迁移率以及长的载流子寿命特性，在红外探测器的发展中起到重要的作用。MCT红外探测器的暗电流会增大器件噪声(包含散粒噪声、热噪声、1/噪声和光子噪声)以及降低焦平面的动态范围⑴。对于长波探测器工作环境背景辐射高，其背景电流可能大于信号电流。高背景电流以及暗电流会使读出电路中积分电容很快饱和，从而降低其信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)和动态范围(Dynamic Range,DR)。通过降低探测器的暗电流可以减小读出电路所需的积分电容，提高红外焦平面中的探测器的灵敏度。对于大规模红外焦平面，很难通过在有限的单元电路面积内增大积分电容来延长积分时间。在读岀电路中，可以通过加入背景抑制模块来降低探测器的暗电流以及背景电流，从而起到延长积分时间来提高焦平面的信噪比。背景抑制模块可以通过减小注入电流来延长积分时间，提高信噪比。
背景抑制结构主要有电压-电流转换法、电流存储型的背景抑制结构以及基于DAC的自适应背景抑制结构。电压-电流转换法适用于共模背景信号抑制，背景抑制精度较低电流存储型的背景抑制结构适用于差模背景抑制，对于大的背景电流记忆精度高〔I】。DAC的自适应背景抑制精度高，通过降低读出电路帧率来实现自适应差模背景抑制叫且记忆效率低。
在长波红外探测器的暗电流分析的基础上，文中readout circuit;LWIR
基于电压-电流转换法以及电流存储型的背景抑制结构，通过背景信号放大-缩小原理设计了16元的具有背景抑制功能的长波读出电路。背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合，提高对暗电流以及背景电流抑制的精度。在80K的低温下对该背景抑制模块进行测试分析。
1长波MCT红外探测器暗电流测试分析
文中首先对8~12gm的MCT长波红外探测器的暗电流在80K温度下进行测试分析，以确定读出电路中背景抑制的范围。图1(a)为测试系统，其中源表采用Keithley6430，其电流测试精度可以达到fA量级。在测试时，需将器件封装于高真空的杜瓦瓶内，通过液氮实现80K低温测试。图1(b)为长波探测器暗电流的/-卩以及R-卩曲线，在偏压为-50mV时其暗电流为在61nA左右，电阻大于100MQ.图1(c)为长波探测器在室温时光电流的以及曲线，未加冷屏，在偏压为-50mV时其电流在150nA左右，电阻在100MQ，在焦平面测试其值可以作为参考。
由于暗电流的非均匀性会带来较大FPN值，文中对4种MCT长波红外探测器的暗电流在-50mV 偏压下分别取10个进行统计分析，如图2所示。在偏压为-50mV附近，4种探测器的暗电流方差在1.22-25nA范围波动，非均匀性在2%〜16%范围内，非均匀性平均值在8%左右。探测器的暗电流在70-500nA范围。基于MCT长波探测器的暗电流水平以及背景电流的考虑，背景抑制水平设定在0~1nA 范围内。
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红外与激光工程
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第2期第50卷
2.0E-07 1.5E-07 1.0E-07 5.0E-07
0E-07 -5.0E-07 -1.0E-071E+09
1E+08
1E+O7
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
1E+02
Q
4E-07
3E-07
2E-07
1E-07
0E+00
-
1E-07
-2E-07
1E+09
1E+08
1E+07
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
1E+02
-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100」0.20.3-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100」0.20.3 Vbltage/V Voltage/V
图1长波MCT红外探测器暗电流测试
Fig.l Dark current measurement of LWIR MCT detectors
<-1.8E-07
-1.6E-07
-1.4E-07
-1.2E-07
-1.0E-07
—&0E-08
-3.5E-07
-5.0E-07
-4.5E-07
-
5.5E-O7
—4.0E—07
Device number
6.3E-08
6.2E-08
6.1E-08
<
U 6.0E-08
5.9E-08
5.8E-08
0246810
Device number
图2长波探测器暗电流非均匀性分析
Fig.2Analysis of dark current nonuniformity of LW detector
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红外与激光工程电动油脂润滑泵
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第50卷
探测器暗电流的非均匀性可以通过差模背景抑 制来降低对焦平面性能的影响。基于探测器暗电流 的非均匀性，结合读出电路特性分析暗电流非均匀性 对64x64长波红外焦平面的影响，如图3所示。当器
件的暗电流为100 nA 时，暗电流的均方差为8 nA 。 读出电路的积分电容为2 pF，积分时间为10M s o 在
暗背景下只有暗电流进行积分，其积分电压分布如 图3(a)所示，电压在0.35-0.65 V 范围内波动。当信 号电流为500 nA 时，从图3(b)可知：由于信号电流和
暗电流相差不大，这时暗电流的非均匀性会导致焦平 面的FPN 值较大，同时积分电压较大容易达到饱和
值，积分电压为2.85-3.1 V o 通过前面暗电流的测试车流量统计
分析，文中拟设计背景抑制范围为0~1 4，且能够实 现差模背景抑制从而降低暗电流的非均匀性。
50403020
10
60
0.60
0.550.50
0.450.40
0.35
0.65
电压-电流转换法背景抑制模块VIBDS 以及电流存 储型背景抑制模块CMBDS，如图4(a)所示。电流存
储型背景抑制结构具有对大的背景电流记忆精度高
的特点。背景抑制先通过VIBDS 模块实现共模背景 抑制，然后将差模背景电流通过输入级CMI 结构放
大5倍，通过CMBDS 模块进行差模背景电流记忆。 在信号积分阶段，将CMBDS 记忆的差模背景电流通 过电流镜缩小5倍再进行差模背景抑制。图4(a)中
CM_x0.2为实现电流缩小5倍的电流镜模块，采用共
源共栅电流镜结构。图4(a)中积分电容C1为3 pF,
采样电容C2为300 ff o
图4(b)为输入级自偏置CMI 结构，Ml 以及M2 构成电压-电流转换法背景抑制电路即补偿电流源,
实现共模背景信号抑制。补偿电流源采用自级联结 构，其输出阻抗的表达式为：
HD-PRIDE⑴
2
30 Position
£
图3 64x64长波红外焦平面非均匀性拟合
Fig.3 Schematic of 64x64 LW IRFPA non-unifbrmity
Position
读出电路结构仿真分析
式中：/sub 为补偿电流；K1、蜀为MOS 管Ml 、M2 的尺寸系数；Mh 为沟道掺杂系数。从该公式可知大
的沟道长度，可以提高其输出阻抗来增大输出的线性
度。自级联结构采用大的宽长比PMOS 管可以降低正弦波发生器
1/噪声对补偿电流的影响。该补偿电流源结构位于
CMI 的输人端，通过CMI 反馈结构可以提高M2漏极
电压的稳定性，从而减小补偿电流的抖动.提高背景 抑制的稳定性。VIBDS 可以基于探测器暗电流水平,
通过其输岀特性进行手动粗调。该模块背景抑制后 存在欠补偿，再通过CMBDS 背景抑制模块进行修
正。CMI 结构中Outputl 为电流放大五倍输出端，用
于差模背景信号记忆。Output2为电流不做缩放的输
出端，用于信号积分。CMI 结构简化模型如图4(c)所 示，其中少为单元噪声的等效输入功率。MOS 管
的噪声主要为热噪声以及闪烁噪声，其等效电压源可
以表示为：
N
宀狄加肿+丽石
⑵
式中：丫、N 为T.艺相关常数；心是MOS 管的等效负 载电阻’因此CMI 的等效输入噪声可以表示为叫
文中所设计的读出电路单元以及背景抑制模块
如图4所示。读出电路单元包含输入级CMI 结构、
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式中：氏』〜以耳、n_pl~^ n_p4分别为图4(C )中相应 MOS 管的等效噪声电压源;g MnB gMpi 为Mnl 以及
Mpl 的跨导。在单元面积的允许条件下，采用大尺寸
的MOS 管可以减小噪声的影响。
CMI
Outp ut2_x5
-l o o o o C I
VIBDS f
&-i l c
CMBDS
|CM_xO.2|.
右VSS
(b)
(C)
图4读出电路单元及输入级结构
Fig.4 Structure of unit cell and the input stage for readout circuit
两步减背景抑制结构在共模背景抑制的基础上
再进行差模背景信号抑制，减小由于探测器暗电流非 均匀所引起的空间噪声。电流存储型背景抑制结构 如图5所示，主要由记忆管Mb，三个记忆电容以及相
应的开关构成。该结构的工作原理即在背景电流记 忆阶段⑦、劝、02、巾为高电平，其对应的开关处于 导通状态。三个环状记忆电容是用于稳定记忆管105数字商城
Mn6的栅压。当其中一个记忆电容受到噪声干扰时
其存储的电荷数发生变化，另外两个记忆电容可以起 到钳位作用。同时3个环状记忆管可以降低由于开 关信号01以及O2引起的时钟馈通效应所产生的干 扰电压。该干扰电压会改变记忆电容中的电荷
数量，导致存储的记忆电流产生误差：
△/BDS=gmAH (4)
通过3个环状记忆电容可以使得AK1降低到原来
Fig.5 Structure of current memory background suppression
的 CM2/(CM 1+CM2)，其中 CM0=CM 1 且 CM2<CM 1 ㈣。
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