非制冷紅外焦平面陣列讀出電路設計

摘要：針對SOI二極管型非制冷紅外探測器，設計了一種新型讀出電路（ROIC）。該電路采用柵調制積分（GMI）結構，將探測器輸出電壓信號轉化為電流信號進行積分。設計了虛擬電流源結構，消除線上壓降（IR drop）對信號造成的影響。電路采用0.35μm 2P4M CMOS工藝進行設計，5V電源電壓供電。當探測器輸出信號變化范圍為0～5mV時，讀出電路仿真結果表明：動態輸出范圍2V，線性度99.68%，信號輸出頻率5MHz，功耗116mW。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/235421.htm

關鍵詞：非制冷紅外焦平面陣列；讀出電路；柵調制積分

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.007

引言

紅外焦平面陣列（IRFPA）可以獲取目標紅外輻射信息，利用光電信息轉換、信號處理等手段，實現對目標成像。傳統制冷型紅外探測系統，需要較低溫度的工作環境，然而由于制冷設備復雜，攜帶不方便，且價格比較昂貴，難以實現大范圍推廣。非制冷紅外焦平面陣列（UIRFPA）能夠工作在室溫條件下，降低了對工作環境的要求，被廣泛應用在軍事及民用領域[1]。非制冷紅外焦平面陣列根據探測器元件的不同物理機理，可以分為：熱釋電型、熱敏電阻型、雙材料懸臂梁型[2]、熱電堆型、二極管型[3]。二極管型非制冷紅外探測器，是根據PN結二極管在恒定偏置電流下的導通電壓—溫度特性[4]制成的。它可采用標準的CMOS工藝完成探測器制作，大大降低生產成本，減小設備復雜程度，有利于紅外成像技術的規模化應用。

讀出電路（ROIC）是非制冷紅外焦平面陣列的重要組成部分，其性能直接影響紅外探測系統整體表現。目前關于SOI二極管型UIRFPA讀出電路的研究文獻比較少。本文提出一種針對SOI二極管原理非制冷紅外探測器的讀出電路。探測器陣列規模為384×288，幀頻為40Hz，輸出信號變化范圍0～5mV。讀出電路使用CHRT 0.35μm CMOS 工藝完成設計，仿真結果顯示該設計讀出電路輸出動態范圍達到2V，數據輸出頻率5MHz。

1 SOI二極管探測器工作原理

由肖克萊方程式[5]可知，理想二極管中，電流If與正向導通電壓Vf之間的關系如下：

2 讀出電路架構

非制冷紅外焦平面陣列讀出電路，主要由探測器陣列、列積分放大電路、采樣保持電路、輸出緩沖器、多路選擇開關以及時序控制電路組成，讀出電路的系統框圖如圖1所示。

電路采用行讀出方式，在時序電路控制下，某一行的探測器被選通，該行探測器全部工作，各列讀出電路單元同時對選通行的探測器信號進行讀取及積分放大，采保電路將已被放大的信號進行采樣保持，等待列選通開關依次選通，并通過輸出緩沖器輸出。這種電路結構比較簡單，每列只需要一個讀出電路，有益于實現低功耗、低噪聲設計。讀出電路結構圖及工作時序如圖2和圖3所示：

3 柵調制積分（GMI）電路設計

傳統非制冷紅外探測器的基本原理是紅外輻射引起探測器阻值改變，在恒定偏置電壓條件下，探測器的電流發生變化，對電流積分得到相應的電壓信號。而SOI二極管紅外探測器偏置電流為恒定值，在紅外照射下，正向導通電壓改變。因此，傳統的非制冷紅外陣列讀出電路不適合用作對SOI二極管探測器信號的讀取。

對單個柵調制積分電路進行仿真，模擬探測器受紅外輻射，輸出信號范圍2.000～2.005V，幀頻為40Hz，選取積分時間為60μs，調制積分電路瞬時仿真結果如圖5所示：

仿真結果顯示，輸入信號為2.000～2.005V時，輸出信號范圍1.409～1.910V，分析得到積分電壓擬合曲線為y=-100.78*x+203.47，最大非線性點為0.32%。

由于受到積分電路增益的限制，積分電路輸出電壓動態范圍只有501mV，不滿足2V動態輸出范圍的要求，因此，設計中增加一級電荷轉移放大電路實現對輸出電壓信號進一步放大。

4 仿真結果與分析

電路采用CHRT 0.35μm CMOS工藝設計，版圖結構如圖6所示。提取版圖參數，利用Hspice仿真軟件對讀出電路進行仿真，仿真結果如圖7所示。其中，圖7（a）是讀出電路單元輸出波形，圖7（b）是讀出電路陣列輸出波形。從圖中可以看出，輸出信號幅值3.441～1.437V，動態輸出范圍超過2V，數據輸出頻率5MHz，信號建立時間小于20ns，符合紅外成像系統設計要求。

5 結論

針對SOI二極管紅外探測器陣列，本文提出了一種新型讀出電路，仿真結果顯示：該讀出電路能夠實現對384×288非制冷紅外焦平面探測器微弱信號的讀取，動態輸出范圍超過2V，線性度99.68%，功耗116mW。該讀出電路具有結構簡單，輸出動態范圍大，線性度高，功耗小等特點，具有較高的實用價值。

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