一種新型非制冷紅外焦平面讀出電路的設計

顏 超，高文釗，李 勇，夏渤函

（1.天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300387；2.臺州國晶智芯科技有限公司，浙江 臺州 318014）

0 引 言

非制冷紅外成像技術開始于20世紀80年代，1978年美國德州儀器公司成功研制了世界上第一個非制冷紅外熱像儀系統。1983年，Honeywell公司成功研制出一種非制冷氧化釩微測輻射熱計的紅外焦平面陣列；1996年出現了320×240像元陣列的微測熱輻射紅外焦平面陣列的報道，其像元尺寸為50 μm×50 μm，噪聲等效溫差在100 mK左右。目前，還有研究者利用一種特殊的雙重結構生產出了25 μm像元的320×240和640×512兩種紅外焦平面陣列，并且當前的研究方向為20 μm像元的640×512規格紅外焦平面陣列，使系統性能得到大幅度提升。

我國在20世紀80年代末逐漸開展對紅外芯片的研究，但在該方面的技術上與西方國家仍有一定的差距。我國在非制冷紅外熱成像方面的研究集中在部分高等院校，包括清華大學、北京大學、西安電子科技大學以及電子科技大學等，它們均致力于研究非制冷紅外焦平面，其陣列規模從起初的160×120逐步擴展到320×240、384×288；到目前為止，陣列大小已達到了640×512。本文基于TSMC 0.18 μm工藝，設計了一種384×288像元陣列非制冷紅外焦平面讀出電路，并對電路進行了仿真，結果顯示積分電壓具有較好的線性和放大效果。

1 研究目的及意義

隨著我國經濟的發展，在很多場合對無光照條件下超遠距成像的需求和紅外探測器的需求量將會越來越大。比如在軍事領域，士兵可以通過紅外成像觀察隱蔽物后的敵人，也可以在夜間能見度較低的情況下觀察敵人的移動方向，達到偵查的目的；指揮官可以通過用無人機攜帶紅外探測器的方式來最大程度地顯示戰場的形勢，也更有利于其對戰場的把控。在日常生活領域，可以通過紅外芯片的紅外熱成像功能測量人體不同部位的溫度差異來分析病情；同時在疫情防控期間，在人流量密集的公共場所，紅外體溫檢測儀被廣泛應用，它可以實現大范圍地查看人們的體溫，如果存在異常就會報警并對體溫異常人員進行抓拍，有效地遏制疫情傳播。因此，關于紅外芯片的研究在軍事、交通、個人健康等領域都有著極其重要的意義。

紅外探測器已成為各國研究的重要方向。盡管我國對紅外探測器的發展已經提供了大力支持，但技術水平與其他國家仍有一定的差距，并且國外對于此項技術嚴格保密，所以我們需要投入更多的精力進行創新，不斷縮小與國外的技術差距。

2 電路結構設計

本文基于TSMC 0.18 μm工藝，研究并設計了一種384×288像元陣列非制冷紅外焦平面讀出電路，總體結構包括非均勻性消除結構、像元結構和CTIA結構三個部分。

2.1 非均勻性消除模塊

在MEMS制造過程中，盡管給定相同的輻射功率，但在有效像元的制造過程中會與標準值有較大誤差，使得在像元陣列中每個像元產生不同的輸出；而且即使輻射功率相同，每個像元在像元陣列中的輸出也不一定是均勻值，這就是非均勻性。

在理想狀態中，紅外焦平面陣列中所設計的各個明像元響應圖像關系均相同。非均勻性是指紅外探測器自身的材料、工藝上的缺陷等均有可能使各個明像元具有不同的響應曲線，此時同等條件的紅外輻射下各探測元的響應輸出曲線不同。而本文依據非均勻特性所設計的校正電路結構可以降低制造工藝上的復雜度，從而引入探測器電阻的非均勻性對輸出的動態范圍進行優化，進而降低對輸出信號的干擾。

產生非均勻性有以下兩個原因：（1）陣列里的不同探測元均對應不同的響應曲線，這種差異性是由多種因素造成的，如感應面積的大小、不同區域的摻雜濃度等；（2）無效探測元對輸出電路存在影響，由于制造工藝的原因，部分無效像元對紅外輻射不會產生響應，但會對電路產生非均勻性的影響。

非均勻性模塊中每列由D0～D2信號控制，芯片內共有3×640=1 920個信號。依據MEMS的性能可以控制在相應溫度范圍內，電阻的相對差為3 kΩ（1%），其電壓的可控動態范圍為0.5～4 V，考慮到其他因素的非均勻性，敏感像元在不同溫度下的變化情況如下：-830.114 Ω（-10 ℃），-1 888.659 Ω（20 ℃），-3 395.861 Ω（50 ℃）。據此可知電阻的非均勻性小于3 %（8 kΩ），即所造成的最大積分電流值可超過200 nA，在電路結構中可通過調節使得允許最大電流值大于200 nA。在偏壓、和數字信號D0、D1、D2的作用下輸出調整電流。

用于調節調整電流，D0輸出支路的調整電流為：

此時V的值為：

而D1、D2支路的計算原理同上。

由于在無紅外輻射的情況下該電路中的電阻和敏感像元的阻值相等，D0、D1、D2三條支路中的電流比應為它們的電阻之比，即1：2：4。設D0支路上的電流為，先假設MOS管的電阻對于像元電阻來說可以忽略不計，得到的表達式為：

同理可得，2和4的表達式分別為：

而輸出電流為：

2.2 像元結構

像元的電流性質是外界溫度的改變導致像元阻值的變化，此支路的電流也會產生小幅度的變動，這個微小的電流通過M8 MOS管流出，再經由CTIA電路積分放大，進而變為電壓傳送給下一級。

設計盲像元電路是為了代替真實像元，可以在晶圓的電路功能檢測階段代替有效像元生成電流，從而檢測讀出電路的有效性。其中，是盲像元，是有效像元。若外界沒有紅外光被有效像元吸收，就不會產生電流，則像元電路中的和支路電流的差值為0。當外界有紅外光時，根據像元的電流性質，則有效像元的阻值會發生微小變動，就會與盲像元電路生成漏電流，接著通過傳輸到下一個CTIA支路，再被積分成電壓傳輸到下一級。

在像元結構電路中，電壓的模擬信號包括、、三個信號，可以為電路的輸入提供不同的信號值。而Testp信號則為數字信號，決定著M11、M10、M7、M8這四個管的開通與關斷，進而決定盲像元電路和有效像元電路是否工作。M6的作用是改變有效像元電路的電流，M7和M8是用來選擇像元電路的行與列，M9的作用是改變盲像元電路的電流，通過調整這些數值進而滿足在外界溫度不變的情況下盲像元電路的電流與有效像元電路的電流相等，即=0。

在等效像元工作過程中，所有的數字信號同時開啟，并且時序全部相同，負責向盲像元供給偏置電壓。

工作在飽和區的MOS管，其D與S之間的電阻值與、V的關系如下：

電流差為：

其中：是有效像元阻值；是盲像元阻值。由式（7）和（8）可以看出，如果柵源電壓發生變化，電流差也會發生改變。盲像元電路能夠作為有效像元電路的替換就是憑借了這一電學性質。

讀出電路的特性可以通過像元電路來初步檢測，但是通過有效像元電路的檢測只能在封裝過后才可以進行，并且封裝的成本很高。因此可以通過盲像元電路來實現在晶圓測試時和封裝之前初步檢查讀出電路的電學性質，提前判斷讀出電路是否正常，實現封裝前剔除損壞的芯片，從而大大降低非制冷紅外芯片的生產成本；而且在晶圓測試后、芯片封裝之前，盲像元電路在選擇信號的控制下保持關斷狀態，進而消除對有效像元電路的影響。通過Cadence軟件的仿真可以看出，盲像元電路的電流輸出結果曲線和有效像元電路的曲線均為線性關系，電學性質相同，可以很好地實現代替作用。

圖1和圖2分別是仿真的電流差隨和的變化趨勢圖。從圖中可看出，等效像元電路可以替代電路中的模擬有效像元。

圖1 積分電流隨柵壓GFID的變化情況

圖2 積分電流隨柵壓GSK1的變化情況

2.3 CTIA結構

對于紅外焦平面的讀出電路，目前已出現以下多類輸入級結構：（1）自積分型（SI）：動態范圍小，無探測器偏壓控制，固定圖像的噪聲高、線性度低，但優點是面積小、功耗低；（2）源跟隨器型（SFD）：相比于SI來說，該類型的線性度要好；（3）直接注入型（DI）：相比于SFD來說，動態范圍得到了提高，并且通過有效的手段降低了固體圖像的噪聲；（4）緩沖直接注入型（BDI）：相比于DI型，動態范圍不斷提高，探測器偏壓的穩定性得到進一步控制，但面積與功耗方面卻略有增大。對于電容反饋互導放大器型（CTIA）結構來說，雖然其所需的面積以及功耗高，但是優點還是比較明顯的，主要表現在動態范圍高、具有探測器偏置電壓控制穩定性、優良的線性度以及低噪聲等方面。

綜上所述，本文采用的CTIA讀出電路結構，可以實現對積分之后的電流進行放大，動態調節功耗，從而達到降低系統總功耗的目的。

如圖3所示的CTIA電路結構中，是還原的輸入；為所需積分電容；為有效像元電路和盲像元電路形成的電流差，流入CTIA電路之中；integrate_en是電路的控制信號輸入端；為電路的參考電壓值；為積分后最終輸出電壓。

圖3 CTIA電路結構

假設為低電平、integrate_en為高電平時，M1為截止狀態，M2為導通狀態，在的作用下進行積分。若是integral_time，所得的表達式為：

假設為高電平時，則積分電路進行復位，此時會使=。由式（1）可得，積分電路中得到的輸出電壓值與運放的增益的大小有關。在理想情況下，運放的開環增益可以達到無窮大，就可以忽略偏差所帶來的影響；但實際過程中的運放增益是有局限性的，所以會造成偏差，影響最終的輸出效果。此外，對于輸入信號，則會存在失調電壓的影響，同樣也會造成偏差。但以上兩種偏差通常在實際應用中是不可避免的。

在設計過程中，采用控制變量法，只改變積分電流的值，其他參數的狀態不變。由式（1）可知，輸出特性會發生不同的改變。如圖4所示為值不同的情況下其對應電壓隨的變化趨勢。理想條件下，即>，所對應的積分電壓輸出特性曲線斜率較大；在相等積分時間內，積分電壓也較大。因此可以得出結論：在相同的輸出電壓下，積分電流越大，所需要的積分時間就會越短。

圖4 不同積分電流下積分電壓的理想輸出曲線

除此之外，在條件允許的情況下可以通過適當增大的值，增大放大器的增益，進而提高系統的響應率以及探測器的靈敏度。

通過上述分析，可以得到關鍵參數、、、與之間的關系。若為低電平時，那么電路處于積分狀態，仿真前參數、的數值分別為3.5 V、5 pF。

由圖5、圖6中可以看出，若令=50 nA，=50 μs，則＝4 V ；若令=100 nA，=25 μs，則＝4 V。由圖可知，仿真數據與本文設計的讀出電路所預期的目標相符合。

圖5 積分電流為50 nA時的積分電路瞬態仿真結果

圖6 積分電流為100 nA時的積分電路瞬態仿真結果

3 結 語

傳統的紅外芯片存在有效像元成本高、制造工藝復雜、均勻性差等問題，因此本文研究了一種由非均勻消除模塊、對照像元電路模塊和電容反饋互導放大器（CTIA）組成的384×288非制冷紅外焦平面新型讀出電路，該電路結構通過Cadence軟件進行仿真。由結果可以看出，積分電壓吻合表達式表現出良好線性度和放大性能，同時也減弱了環境與數據采集的絕對差對輸出結果的影響，最終與預期設想相符合。