320×256陣列紅外焦平面讀出電路的設計

夏曉娟+劉琦+關鈺+張杰+孫偉鋒

摘要：提出一種320×256陣列紅外焦平面讀出電路，采用直接注入模式，具有多路輸出、讀出順序可選等功能。具體設計了各個模塊電路，并采用chartered 0.35μm工藝進行流片設計。實測結果表明所設計芯片輸出擺幅為3.24 V，輸出電壓線性度為97.15%，功耗為32 mW，具有豐富的讀出功能。

關鍵詞：紅外焦平面陣列；讀出電路；直接注入；低功耗

中圖分類號：TJ765.1；TN402 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2017）03-0065-04

0引言

近年來，紅外探測技術得到迅猛發展。在軍事應用上，紅外成像制導是利用紅外探測器探測目標的紅外輻射，以捕獲目標紅外圖像的制導技術，其圖像質量與電視相近，但可在電視制導系統難以工作的夜間和低能見度下作戰。紅外成像制導技術已成為制導技術的一個主要發展方向。在民用領域里，如醫療衛生、消防安全、資源探測、工業監控、天氣預報等公共生活領域，紅外探測技術也扮演著極其重要的角色。紅外讀出電路是紅外焦平面陣列的關鍵技術之一，紅外焦平面技術的每一次提升都催動著紅外讀出電路技術的發展，紅外讀出電路性能的優劣直接影響紅外成像系統的成像質量。

1電路結構

讀出電路的組成結構按信號通路一般可分為像素單元級、列處理級、輸出驅動器以及數字控制電路，其結構如圖1所示。

圖1中，像素單元級接收來自探測器的微弱電流信號，并將微弱電流信號轉化為電壓信號。由于要和探測器連接，讀出電路像素單元的尺寸必須和探測器的像元尺寸一致；因此，作為讀出電路的核心單元電路之一，像素單元電路設計要求在一定面積限制內選擇適合不同探測器的最優電路結構并完成電路設計。讀出電路中像素單元電路的性能好壞直接關系到整個焦平面成像的性能優劣。列處理級是對來自像素單元的信號進行暫時存儲，并進行進一步的處理。輸出驅動器是信號與外界的接口，其功能是將內部信號輸出，并隔離外界信號對內部信號的影響。數字控制電路完成對電路功能的控制，例如工作模式、讀出順序等。本文所設計的讀出電路采用直接注入模式，具有1，2和4路輸出以及讀出順序可選等功能，像素單元為320×256，工作頻率為5 MHz，輸出擺幅為3.24 V，積分模式為先積分后讀出或邊積分邊讀出。

2具體電路設計

2.1像素單元的設計

像素單元電路如圖2所示。該像素單元采用直接注入（DI）型，其中PAD接探測器，M1為注入管，INT為積分信號。C_i和C_s分別為積分電容和采樣電容，IRST為積分電容復位信號，SRST為采樣電容復位信號，SH為采樣信號。M6和M7組成一個源級跟隨器，LSEL為行選擇信號，OUT為像素單元的輸出。PMOS管M2的作用是抗飽和，當積分電容上的電壓達到一個值時，M2開啟，光電流經過M2流走，積分電容上的電壓不再上升。飽和電壓由M2的柵極電壓ANTI-BLOOM控制。

2.2列信號處理模塊

列信號處理模塊主要由電平提升電路、電荷放大器和列采樣緩沖器三部分組成，信號通過數字控制逐級傳輸，結構圖如圖3所示。

2.2.1電平移位電路

電平移位電路相當于一級緩沖器，主要功能是將像素內的電壓值采樣到列級電路。它的輸入為像素結構中源級跟隨器的輸出，它的輸出接到電荷放大電路的輸入。具體電路結構如圖4所示，左邊部分是像素內的源級跟隨器，右邊部分是電平移位電路。電平移位電路的原理是電壓電流轉化法。M2管在行選信號無效時提供放電通路。行選信號有效時，M2管會截止，電流流入源級跟隨器。IN的電壓擺幅為0～3V。當電路處于默認狀態下時，也就是主電流為100μA，M1管的電流為3.5μA，M7管的電流為600μA，整個電平移位電路消耗的靜態電流大約為4μA。

2.2.2電荷放大電路

電荷放大電路如圖5所示，OE為全局偏移開關，COL_RST為復位開關，GN0和GN1為增益可調開關。

2.2.3列級采樣緩沖器電路

列級采樣緩沖器電路又叫列級驅動器，其作用是采樣電荷放大器的輸出并驅動串行總線。和后面的緩沖輸出放大器不一樣，列級驅動器的功耗要求非常苛刻，由于電路有256列，每個列級驅動器功耗增加一點就會極大地增大整體電路的功耗。因此，本電路采用了低功耗技術，在保證驅動性能的情況下，盡可能地減少靜態功耗。列級驅動器的電路結構如圖6所示。

2.3輸出驅動器

輸出驅動器的功能是將模擬電壓信號輸出到芯片，由于需要在極短的時間內輸出大量信號，因此輸出驅動器對速度和線性度要求較高。電路輸出驅動器的原理圖如圖7所示。電路采用NMOS差分管和PMOS差分管雙輸入，M1，M8，M17，M18管是電流控制開關管，當單路輸出時，只有一個端口的輸出驅動器工作，其余三個輸出端口的輸出驅動器都處于零電流狀態，這樣，整體電路就不消耗額外的無用功耗。

3版圖設計

所設計芯片采用chartered 0.35μm工藝，整體電路版圖的設計如圖8所示。芯片中間為320×256紅外像素陣列，陣列下方為列信號處理模塊，包括電平移位電路、電荷放大電路和列采樣緩沖器電路。最下方為輸出驅動器電路。芯片的像素陣列周圍分別放置由其他模擬和數字電路組成的模塊，并由模擬和數字電源線、地線形成的環形結構為電路供電。

4測試結果

在常溫對流片芯片進行測試，工作頻率為5 MHz，電源電壓為5V，圖9分別顯示了單路輸出和雙路輸出波形。從圖9（a）可以看出，每行的輸出波形脈寬為128×0.2μs=25.6μs；圖9（b）為雙路輸出，每路輸出脈寬為原來的一半，即12.8μs。讀出電路的輸出擺幅為3.24V，輸出電壓線性度為97.15%，功耗為32 mW，滿足設計要求。具體的測試指標見表1。

5結論

設計了一款320×256陣列多功能紅外讀出電路，并使用Cadence工具完成了紅外讀出電路各個模塊的邏輯設計和仿真驗證。該電路具有豐富的數字功能，功耗低，可讀出速率快。流片測試結果表明，讀出電路具有良好的工作性能。