背景暗電流抑制的紅外探測器讀出電路輸入級設(shè)計

張露漩,袁 媛,李敬國

(中電科光電科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

1.1 紅外探測器系統(tǒng)介紹

廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)和民用等領(lǐng)域的紅外探測系統(tǒng),是通過對目標(biāo)紅外輻射進(jìn)行接收來完成識別任務(wù)的。它的核心部件是紅外焦平面陣列,由紅外探測器和讀出電路兩部分組成。紅外探測器的作用是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號。讀出電路則是對探測器感應(yīng)生成的電信號積分放大、采樣保持、輸出緩沖、多路傳輸,完成信號讀出的功能[1]。如圖1所示,為紅外焦平面系統(tǒng)信號處理框圖。

圖1 紅外焦平面系統(tǒng)信號處理框圖

1.2 紅外焦平面讀出電路

讀出電路的性能好壞直接影響紅外焦平面陣列的性能。當(dāng)前讀出電路的典型結(jié)構(gòu)主要有以下幾種:自積分型(SI),源跟隨器型(SFD),直接注入型(DI),緩沖直接注入型(BDI),電容反饋互導(dǎo)放大器型(CTIA),電阻反饋互導(dǎo)放大器型(RTIA),電流鏡柵調(diào)制型(CM),電阻負(fù)載柵極調(diào)制型(RL)[2]。

CT IA型讀出電路具有噪聲低、探測器偏壓控制穩(wěn)定、積分線性度、均勻度和靈敏度好、動態(tài)范圍大等多種優(yōu)點(diǎn)。適合短波紅外探測器的信號讀出工作[3-4]。

本文根據(jù)傳統(tǒng)的CTIA型讀出電路輸入級結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種帶有背景暗電流抑制功能的CTIA型讀出電路輸入級結(jié)構(gòu)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證,其性能優(yōu)良,可實(shí)現(xiàn)紅外探測器讀出電路對短波信號長積分時間下的背景暗電流抑制,未來可廣泛用于紅外焦平面線列、面陣以及其他陣列傳感器中。

2 帶有背景暗電流抑制功能的CTIA型讀出電路輸入級設(shè)計

2.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的CTIA型讀出電路輸入級,如圖2所示,是由一個反向運(yùn)放和反饋積分電容Cint構(gòu)成的一種復(fù)位積分器。探測器等效模型detector由并聯(lián)的理想電流源、電阻和電容組成。

圖2 傳統(tǒng)的CTIA型讀出電路輸入級結(jié)構(gòu)

反向運(yùn)放具有較高的開環(huán)增益,反向輸入端電壓由于運(yùn)放的虛地特性,被固定在參考電壓Vcom,從而實(shí)現(xiàn)為探測器提供穩(wěn)定的偏壓。同時,探測器電流在反饋電容上積分,由于放大器的輸入阻抗非常大,可以實(shí)現(xiàn)較高的注入效率。積分增益大小由積分電容決定,可以設(shè)計增加積分增益選控單元,靈活選取積分增益[5]。

傳統(tǒng)的CTIA輸入級電路主要工作于復(fù)位和積分兩種工作狀態(tài)。積分復(fù)位時,復(fù)位開關(guān)Reset閉合,積分電容Cint兩端短接,積分電容完成放電復(fù)位工作,此時輸出電壓VOUT等于運(yùn)放反向輸入端,由于運(yùn)放的虛短特性,其電壓值等于參考電壓Vcom。積分工作時,探測器對目標(biāo)紅外輻射進(jìn)行采集,產(chǎn)生電流Idet,積分電容進(jìn)行電荷積分工作,積分時間為t,放大器開環(huán)增益為A,輸出電壓如公式(1)所示:

(1)

根據(jù)Q=CV電荷守恒理論,對于短波紅外信號,總電荷量相對中長波較小,使用小積分電容可以快速實(shí)現(xiàn)積分電壓建立,縮短積分時間,進(jìn)而加快讀出電路工作頻率。但小積分電容對背景暗電流敏感,當(dāng)積分時間過長或背景暗電流較大時,會造成積分電容飽和,導(dǎo)致讀出電路動態(tài)范圍減小,靈敏度降低,信號傳輸失真[6]。

如圖3所示,為帶有背景暗電流抑制功能的CTIA型讀出電路輸入級結(jié)構(gòu)。

圖3 帶有背景暗電流抑制功能的CTIA型讀出電路輸入級結(jié)構(gòu)

為了改善背景暗電流對讀出電路積分電容的影響,本文設(shè)計采用skimming方式進(jìn)行暗電流抑制。工作原理如圖3所示,增加背景電流抑制模塊Background current skimming,在積分開始前和積分結(jié)束后,M2管斷開,有效隔離探測器和積分放大單元,避免暗電流對放大器的影響,同時保證積分電容上的電荷不會外泄,保證積分電壓的穩(wěn)定[7-8]。

當(dāng)探測器沒有接收目標(biāo)的光輻射信號時,探測器只接收背景輻射,產(chǎn)生背景暗電流,通過調(diào)節(jié)M1管的柵極偏壓VC,使從M1管上通過的電流大小等于紅外探測器中所產(chǎn)生的暗電流Idark大小。探測器開始接收目標(biāo)光輻射信號后,積分電容開始積分,M2管導(dǎo)通,此時探測器產(chǎn)生的總電流Idet為放大器的輸入端Isig和M1管漏極電流Idark的和,如公式(2)所示:

Idet=Idark+Isig

(2)

在整個輸入級單元電路的工作過程中,M1起到對暗電流分流的作用,使暗電流不會流入后面的積分電路部分,從而有效地抑制了暗電流,同時也可以使積分電容減小,改善了探測器的靈敏度,增大動態(tài)范圍。

2.2 版圖設(shè)計分析

設(shè)計CTIA型讀出電路輸入級的版圖時,輸入和輸出節(jié)點(diǎn)上的元器件和金屬走線必須分開,以避免寄生反饋效應(yīng)。輸入管和負(fù)載管的排列應(yīng)遵循盡量緊密和對稱的布局規(guī)則,以減小運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓。

2.3 工藝分析

本設(shè)計要求電路可以工作在低溫77 K,使用SMIC 0.35 μm工藝,考慮特殊環(huán)境下MOS器件的閾值電壓、跨導(dǎo)等特性具有工藝波動性,在參數(shù)設(shè)計時需要考慮一定的變化范圍,仿真時使用蒙特卡洛仿真法。

3 仿真結(jié)果分析

針對傳統(tǒng)的CTIA輸入級結(jié)構(gòu)和帶有背景暗電流抑制的CTIA輸入級結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行仿真,設(shè)定工作溫度為低溫77 K,大于300 μs的長積分時間和0～800 pA的小注入電流,積分電容大小相同。得到仿真結(jié)果如下,得出結(jié)論,本文設(shè)計的帶有暗電流抑制的CTIA讀出電路對背景暗電流起到了有效抑制作用,可以提供更穩(wěn)定的探測器偏壓,同時,具有良好的積分線性度、均勻性、靈敏度和動態(tài)范圍。

3.1 暗電流抑制仿真

探測器接收短波小信號,對傳統(tǒng)CTIA輸入級和本文帶有背景暗電流抑制的CTIA輸入級分別注入信號電流0～800 pA,步進(jìn)200 pA。

如圖4所示,傳統(tǒng)CTIA輸入級的探測器電流Idet明顯大于放大器注入電流Isig,說明其中產(chǎn)生的背景暗電流會在積分電容上積分累積,進(jìn)而影響運(yùn)放反向輸入端電壓,使其不能恒定在參考電壓Vcom,影響探測器偏壓。

圖4 傳統(tǒng)CTIA型讀出電路輸入級電流分布

如圖5所示,為本文設(shè)計的帶有背景暗電流抑制的CTIA輸入級電流分布。通過調(diào)整起背景暗電流抑制作用的M1管的柵極電壓VC,使流經(jīng)M1管的電流等于背景暗電流Idark,探測器產(chǎn)生的總電流Idet是放大器注入信號電流Isig和背景暗電流Idark的和。實(shí)現(xiàn)背景暗電流的抑制作用。

圖5 帶有背景暗電流抑制的CTIA輸入級電流分布

統(tǒng)CTIA型讀出電路輸入級和本文設(shè)計帶有背景暗電流的讀出電路輸入級注入相同電流0～800 pA,步進(jìn)100 pA。積分電容大小相同。如圖6所示,傳統(tǒng)CTIA讀出電路輸入級零注入電流時,積分飽和時間約52.8 μs,注入電流800 pA時,積分飽和時間約92.7 μs。如圖7所示,帶有背景暗電流抑制的CTIA型讀出電路輸入級對電荷的積分速度更慢,零注入電流時,積分飽和時間約99.7 μs,注入電流800 pA時,積分飽和時間約601 μs。是傳統(tǒng)CTIA型輸入級積分電容飽和時間的2倍,表明電路很好的抑制了暗電流的影響。

圖6 傳統(tǒng)CTIA型讀出電路輸入級積分電容飽和時間

3.2 探測器偏壓穩(wěn)定性仿真

受暗電流影響,傳統(tǒng)CTIA輸入級的運(yùn)放反向輸入端在長積分時間時會造成不穩(wěn)定輸出,反向輸入端電壓下拉。并且下拉電壓幅度與注入電流大小成正比,注入電流越大,反向輸入端電壓下拉幅度越大。增加暗電流抑制電路,可以有效改善這種情況。

圖7 帶有暗電流抑制的CTIA型讀出

如圖8所示,注入800 pA電流時,傳統(tǒng)CTIA輸入級運(yùn)放反向輸入端電壓1.423 V,下拉177 mV。

圖8 傳統(tǒng)CTIA輸入級放大器反向輸入端電壓下拉

如圖9所示,經(jīng)過暗電流抑制,運(yùn)放反向輸入端電壓下拉幅度顯著改善。注入800 pA電流時,反向輸入端電壓1.588 V,下拉12 mV。與傳統(tǒng)的CTIA輸入級相比,改善93.2 %。可以對探測器提供更穩(wěn)定的偏壓。

圖9 帶有背景暗電流抑制的CTIA輸入級放大器反向輸入端電壓下拉

3.3 線性度仿真

增加暗電流抑制模塊的CTIA輸入級,探測器接收短波小信號,注入電流0～80 pA,步進(jìn)2 pA,大于300 μs的長積分時間。將注入電流和輸出電壓繪制成線性度曲線,如圖10所示,將仿真數(shù)據(jù)擬合可知,電路的積分線性度可達(dá)到99.97 %。

3.4 積分均勻性和靈敏度仿真

探測器接收短波小信號,注入信號電流0～80 pA,步進(jìn)4 pA。如圖11所示,隨著探測器電流的線性等差增大,積分電容對電荷進(jìn)行積分,輸出的積分電壓也是線性等差增大的,飽和電壓也隨之等差增大,積分過程平緩,表明本文帶有背景暗電流抑制的CTIA型讀出電路輸入級具有很好的積分均勻性和積分靈敏度。

圖10 讀出電路對注入電流積分并輸出積分電壓

圖11 積分電壓隨注入電流線性增大而線性輸出

通過以上仿真結(jié)果可以得出結(jié)論,本文設(shè)計的帶有背景暗電流抑制的CTIA型紅外探測器讀出電路,可以有效實(shí)現(xiàn)背景暗電流抑制,提供更穩(wěn)定的探測器偏壓,同時,具有良好的積分線性度、均勻性、靈敏度和動態(tài)范圍。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計提出的帶有背景暗電流抑制的CTIA型紅外探測器讀出電路輸入級。可實(shí)現(xiàn)在77K低溫環(huán)境下,大于300 μs的長積分時間,探測器接收短波小信號,注入電流0～800 pA,與傳統(tǒng)的CTIA讀出電路輸入級相比,本文設(shè)計的帶有背景暗電流抑制的CTIA型紅外探測器讀出電路輸入級,有效實(shí)現(xiàn)對背景暗電流的抑制作用,提供探測器偏壓穩(wěn)定度提高93.2 %,同時,積分線性度達(dá)到99.97 %,具有良好的積分均勻性、靈敏度和動態(tài)范圍。

本設(shè)計在未來可用于線陣讀出電路和元數(shù)不是太多的面陣FPA的讀出電路。其性能優(yōu)良。對于像元更多的面陣。考慮到功耗、成品率等問題,可采用單元電路內(nèi)晶體管數(shù)目比較少的其他ROIC方案。