短波IRFPAs讀出電路CTIA輸入級的優化設計

王 攀，丁瑞軍，葉振華

(1.中國科學院上海技術物理研究所紅外成像材料與器件重點實驗室，上海200083;2.中國科學院研究生院，北京100039)

1 引言

短波紅外焦平面陣列正向著大面陣、高分辨率等方向發展［1－2］。讀出電路是紅外焦平面陣列的重要部分，短波紅外焦平面的發展要求讀出電路具有更小的像元面積、更高的注入效率和更高的信號輸出幀頻，同時保持一定的面陣總功耗。合理的輸入級設計是短波紅外焦平面讀出電路設計的關鍵，必須綜合讀出電路對輸入級單元在尺寸、功耗、注入效率等方面的參數要求。凝視探測器的單元面積限制了讀出電路單元結構的復雜度，導致常規的輸入級結構難以滿足弱信號耦合讀出的特殊要求。

因此，本文提出并設計了一種新型的電流源負載的共源共柵結構三管運放CTIA輸入級結構。新型CTIA輸入級不僅具有傳統CTIA結構的高注入效率、低噪聲、高線性度和穩定偏壓等特點，還能有效克服了一般的CTIA結構面積過大、功耗過高的缺點，進而實現短波紅外焦平面弱信號的高幀頻、高注入效率、高分辨率和低功耗的讀出。

2 讀出電路的總體結構和單元CTIA結構

如圖1所示，短波紅外焦平面陣列讀出電路包含單元陣列、行公共處理結構、公共輸出級結構和時序控制模塊［3］。其中，512×256個單元輸入級結構構成了主體陣列部分，每個單元的面積為30 μm×60 μm。單元輸入級需完成對探測器光電信號的積分、采樣然后傳輸給后級。單元輸入級結構采用了三管CTIA結構的前置放大器。CTIA一般采用由套筒式或者折疊式組成的差分輸入加二級放大的電路結構，但由于面陣紅外探測器單元面積的限制，在有限的單元面積內CTIA結構不能采用套筒式或者折疊式這么復雜的多管結構。為此，本文采用電流源負載的共源共柵結構的三管運放，既能提供足夠的增益又比較節省面積。

圖1 凝視焦平面讀出電路的總體框架Fig.1 Main architecture of staring IRFPAs ROIC

圖2是三管運放結構的示意圖和單元CTIA輸入級的結構圖。M1、M2、M3構成了單元輸入級的三管運放，對應為圖3中的FAMP結構。為節省單元的面積，將為運放提供偏置電壓的輔助結構M4～M9設計在列公用結構中。

運放增益為:

其中，gm1是 M1管的跨導;ro1，ro2分別是 M1管、M2管的輸出電阻，后面也將用到。

為提高運放增益并降低工作電流，優化調節了M1～M3管的寬長比。設計中采用了長溝道MOS管，使增益達到70dB，工作電流100 nA。如圖2所示，與多達十個以上MOS管的常用CTIA結構相比，新構型的CTIA明顯減少了面積。而且，由于偏置結構設計在公共級中，使單元中的運放只有一條電流路線流經 MI、M2、M3到地線，可顯著降低功耗。

圖2 電流源負載的共源共柵結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of cascode stage with current－ source load

圖3 單元CTIA結構原理圖Fig.3 Schematic diagram of unit cell CTIA structure

對于單元內的積分電容和采樣電容的尺寸進行優化設計基于飽和電荷容量和噪聲因素分析。如圖3所示單元結構中還有緩沖級驅動結構UGA，用以驅動256個單元公用的信號線的寄生電容，進而實現高輸出幀頻。由于UGA只在Vcol有效時工作，對整個面陣的功耗影響較小。

3 CTIA輸入級的線性度與噪聲特性

3.1 線性度特性分析

輸出的信號電壓與輸入的光強(光電流)之間對應的線性度［4］是影響紅外探測系統定量化應用的關鍵。理想狀態下它們的關系是完全線性的。但是，實際電路會受到一些因素的影響而產生非線性輸出，如信號幅度接近工作范圍邊緣引起的非線性、信號通路上的寄生電容引起的非線性、輸入級注入效率低引起的非線性和噪聲引起的非線性。所以CTIA輸入級設計需要進行以下幾個方面的特殊考慮。

首先，信號鏈中傳輸的信號電壓值接近MOS管工作范圍邊緣時，運放的MOS管VDS減小接近線性區邊緣，工作點發生變化，gm變化使工作輸出特性改變，進而引起線性度降低。而且運放的驅動能力也是在工作范圍的中間值處最強，能準確地傳輸信號值，靠近邊緣的驅動能力會降低。

圖4是單位增益運放的通用結構，輸出擺幅1.1～4 V，也即在電源和地上下各損耗一個閾值電壓。輸出信號增益為AV。AV引入了非線性，導致信號的傳輸ΔVm=ΔVoutAv也引入了非線性。因而將工作點范圍設計在MOS管的飽和區減少這種非線性。

圖4 單位增益運放的原理圖Fig.4 Schematic diagram of unity － gain amplifier

其次，采樣保持電容工作時有非線性的寄生電容會引起電荷的分流。陣列電路中長導線的寄生電容分走采樣保持電容的電荷是非均勻的，會引入極大的非線性甚至損耗大量信號電壓。所以，該設計中采樣保持電容都會接驅動級來向后傳輸信號。同時，采樣電容盡量采用大容值。

然后，注入效率引入的非線性，注入效率隨信號強度改變的非均勻性會帶來很大的影響。由于CTIA結構具有高注入效率，接近100%，很好地克服了注入效率帶來的非線性。

最后，噪聲引入的非線性。噪聲特別是低頻噪聲會影響結果的線性度，不過它對信號的影響是隨機無規律的，只能盡量抑制噪聲來達到提高線性度的目的。

圖5是該設計在CTIA輸出級節點處的線性度仿真結果。CTIA在工作范圍內的積分輸出信號電壓線性度高于99.1%。

圖5 CTIA輸出電壓線性度Fig.5 The linearity of CTIA output voltage

3.2 噪聲特性分析

CTIA輸入級的噪聲［5］對短波紅外焦平面探測器弱信號輸出的信噪比有比較重要的影響。為此，CTIA輸入級噪聲抑制的分析和設計是必不可少的。單元CTIA輸入級噪聲主要分為復位時段、積分時段、傳輸時段三個部分。單元電路總的噪聲為:

其中，下標表明了噪聲分別屬于傳輸管(TG)、源級跟隨器(SF)在積分(int)、復位(RST)和選通(SEL)時間段。后面公式中的W，L為MOS管的寬和長，gmn是MOS管n的跨導。

首先分析圖4中單位增益運放結構的噪聲，作為下面噪聲分析的基礎。其等效輸入噪聲［6］為1/f噪聲和熱噪聲之和:

其中，COX是單位面積柵氧電容;γ為MOS管熱噪聲系數;W、L分別為MOS管的寬和長;KN為N管的閃爍噪聲常數。下標1，3對應M1、M3管，以下同理。

3.2.1 復位階段噪聲分析

在復位階段只有復位管Vreseta與積分電容Cint參與復位，可以求得此時積分電容上的輸出噪聲:

3.2.2 積分階段噪聲分析

在積分階段，運放參與信號產生過程，引入運放的噪聲后的積分輸出噪聲為:

3.2.3 信號傳輸時段的噪聲分析

信號傳輸過程中，參與傳輸的結構會引入噪聲，單位增益運放UGA引入的噪聲(f為頻率):

傳輸管TG引入噪聲:

上述分析可知積分電容Cint的影響最大，其他參數均影響到電路的工作狀態。因此，設計大的電容和大面積大寬長比的的管子來降低噪聲。本設計選用了60fF的積分電容和120fF的采樣電容，傳輸管和驅動管均在有限面積內設計的足夠大來減小噪聲［7］。

4 仿真與測試

為提高芯片成品率和可靠度，要對原理設計進行全面的仿真。包括理想模型的前仿真和提取寄生參數的后仿真，特別是在低溫模型下的后仿真。該設計在cadence ic51軟件平臺下進行原理圖仿真，版圖的寄生參數使用mentor公司calibre提取。利用了無錫上華的標準CSMC－6S05DPTM 0.5 μm工藝庫模型做了版圖設計和前后仿真。

圖6是在500 Hz幀頻下加入寄生參數前后的仿真結果。對比參數提取后的前仿真和后仿真結果，可以看出后仿的擺幅降低、線性度下降、信號“平臺”更短更不穩定和整體輸出信號電壓降低。前后仿結果基本一致，信號“階梯”良好，頻率響應正常。

擺幅下降是信號線和MOS管柵極的寄生電容分去了部分電荷，導致傳輸的電壓降低。這可以通過提高采樣電容的容值，減小輸入管柵面積改善。線性度下降是受寄生電阻和電容噪聲的影響。信號“平臺”不穩定，是由于輸出級驅動不夠導致上升或者下降時間過長。整體電壓降低是信號線電阻分壓的結果。后仿結果給版圖的修改和原理圖的設計提供了很好的指導。

圖6 前仿與后仿結果對比Fig.6 Contrast original and post－ layout simulation

基于上華CSMC－6S05DPTM 0.5 μm工藝繪制版圖并流片。流片完成的驗證電路實際測試結果與仿真基本符合。電路芯片測試結果如下:

讀出電路的飽和信號電壓為2.5 V，飽和電子數1.1 Me－，噪聲電壓0.37 mV，單元電路功耗為0.84 μW，非線性度小于1%。

5 結論

本文在30 μm×60 μm單元面積內設計了短波紅外焦平面讀出電路CTIA輸入級。該輸入級能夠很好的處理探測器的0.1～10 pA小信號電流，具有很高的響應線性度和大動態范圍。測試結果表明，該讀出電路在高幀頻下工作能夠滿足設計指標。

為滿足應用發展的要求，該讀出電路輸入級結構的研制需要進一步提高偏置電壓穩定性、降低噪聲影響，同時向更小面積(如20 μm×20 μm)發展。

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