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红外焦平面阵列的CMOS读出电路结构评述

红外焦平面阵列的CMOS读出电路结构评述

2006/6/2 9:33:00
0 引 言 自从20世纪60年代末期,美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后,固体图像传感器便得到了迅速发展,成为传感技术中的一个重要分支。固体图像传感器技术主要包括可见光图像传感器和红外焦平面阵列(1RFPA)技术。近年来,IRFPA发展迅速,它主要有探测器阵列(DA)和读出电路(ROIC)构成。红外探测器阵列通过铟柱压焊的方法与硅衬底的ROIC相连接,ROIC对信号进行积分、读出、噪击消除,整形后输出。IRFPA的工作原理是:焦平面上的红外探测器接收到入射的红外辐射后,在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷,通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件来读出这些电荷,每一个局部即为一个像元。HgCdTe,InSb和PtSi等材料制成的制冷探测器的发展已较为成熟,InGaAs,VOx和铁氧等材料制成探测器由于具有非深制冷;成本低等优点,目前,正成为红外传感的热点之一。现行的用于红外焦平面读出技术主要有:电荷耦合器件(CCD)结构、电荷注入器件(CID)结构、电荷成像矩阵(CIM)结构和CMOS结构。由于CMOS结构具有功耗低、采用标准的CMOS工艺和价格低等优点,故正逐渐成为红外焦平面ROIC结构的主流。 本文重点列举了IRFPA的一些最新的CMOSROIC单元结构,并对它们各自的特点作了简要的比较,同时,给出了一些结构在具体芯片应用上的主要参数,最后,对ROIC的未来发展方向作了一些简单介绍。 1 CMOSROIC单元结构类型 ROIC是IRFPA的关键部件之一,它不直接参加红外辐射信号的探测,但它参加红外探测信号的传输过程,它的主要功能是对红外探测器微弱信号进行预处理(如,积分、放大、滤波、采样/保持等)和阵列信号的并/串行转换,以在IRFPA和随后的信号处理级之间提供一个好的接口:其工作原理是:MOS管开关晶体管排成阵列,探测器产生的光电流在积分时间内累积在ROIC提供的积分电容上(或探测器的结电容上),由外部时钟驱动的移位寄存器提供行和列扫描,对探测器阵列进行寻址;即每一列探测器共用一条视频线,进行行扫描的移位寄存器一次打开一行行开关,进行列扫描的移位寄存器一次打开一列列开关,行和列开关都打开的MOS管的信号便通过视频线转移到ROIC端输出;读出后,该积分电容上的电平经外部脉冲打开复位开关,恢复到一个参考电平,然后,复位开关关闭,积分电容开始对光生电流以及暗电流积分,直到该单元下一次被寻址。 根据不同的应用对IRFPAROIC的设计要求也有所不同,满足红外探测信号的准确传输是ROIC设计的基本要求,其主要参数有:最大存储电荷量、输出摆幅、注入效率、积分时间、动态范围、非线性度、阵列尺寸和功耗等。以下列举了IRFPA的一些最新的CMOSROIC单元结构,并对它们各自的特点作了简要的比较,同时,给出了一些结构在具体芯片应用上的主要参数。 1.1 直接注入结构及其改进电路 20世纪七八十年代,采用的2种简单的ROIC结构每个探测器源跟随器[1]和自积分[1]结构的积分电容都是探测器的结电容,由于结构简单,因而,在要求高密度、大面积和低功耗的电路中得到广泛的应用。然而,因为这种结构中由光子激发的电荷被直接积分到输入结电容,故探测器的偏置电压会随积分过程而变化,结果可能导致探测器特性的不稳定以及读出电流的非线性。 直接注入结构[1]有自己独立的积分电容。曝光控制管的栅源电压为探测器阵列提供较稳定的偏置电压,同时,感应红外探测器的输出电流,并进一步积分到已复位的积分电容上,积分电压通过源跟随器并由选择管控制读出。由于该结构提供了较好的偏置控制,而且,几乎不存在有源功耗,故特别适用于高密度IRFPA的应用。该电路的缺点是曝光控制管的栅电压不易控制,而且,注入效率较低,故不适用于低背景条件。 缓冲直接注入结构[1]是在直接注入结构的注入管和探测器之间增加了一反向增益级。该结构的输入阻抗因为存在负反馈而减小,因此,注入效率很高。由于增益级的虚短路特性,故探测器的偏置控制比直接注入结构稳定;而且,平衡输人参考噪声和带宽也得到提高。然而,附加增益级也导致功耗较大,因此,设计时,尽量用低的偏置电流。为增加积分时间,同时提高信噪比可使用时间延迟积分[2,3]技术,使用该技术的缓冲直接注入结构典型的32像素×4像素的芯片的积分时间为32μs,动态范围为77dB,输出摆幅为2.7V,最大存储电荷量为1.1 ×10-12C,功耗为100mW。 电容跨阻抗放大器结构[1]与缓冲直接注入结构不同的是积分电容和复位管被放置在放大器的反馈回路中。在积分工作期间,反馈放大器的大增益使输入实际上保持接地,这样,既保持了对探测器偏压的控制,又防止了电荷积分在探测器电容上,使光电流几乎全部累积在积分电容上:由于积分电容器的密勒效应,它的电容能做的很小,以获得低噪声和高灵敏度。不像直接注入结构和缓冲直接注入结构,该结构的输人阻抗与探测器电流无关。不足的是芯片的面积和功耗因为反向增益级的存在而增加。通常,为减小KTC噪声,并实现暗电流抑制,反向增益级通常由能提供低偏置补偿的差分放大器和相关双抽样级构成[4]。该结构典型的32像素×32像素的芯片的固定模式噪声为2.6mV,随机噪声为4.0mV,最大存储电荷量为1.7×10-12C,功耗为30mW。 共享缓冲直接注入结构[5]也是在缓冲直接注入结构的基础上改进而成的,在这种结构中,增益级由带有共享半电路技术的差分放大器来实现,差分放大器由同一行所有单元共用的左半电路和每个单元都具有的CMOS管构成。该结构在保证缓冲直接注入结构的高注入效率、良好的探测器偏置控制及低噪声的同时,芯片面积和放大器的功耗能比缓冲直接注入结构的减少近一半;故该结构特别适用于高密度、大阵列和高性能的IRFPA的应用。 恒定电流缓冲直接注入结构[6]将恒定电流镜与缓冲直接注入结构相结合,使得该电路同时具有恒定电流镜与缓冲直接注入结构的优点。由于引入恒定电流镜使得BO-比具有高灵敏度、高线性度及电压增益易控制等优点。典型的64像素×64像素的芯片工作在温度为300K时,非线性度为5.7%,积分时间为10.4μs,功耗为150mW。故该结构主要用于大规模非制冷IRFPA,不足之处是缓冲直接注入结构的功耗较高的问题仍未得到解决。 1.2 电流镜像直接注入与开关电流积分及改进电路 如前所述,缓冲直接注入结构因引入放大器而增加了额外功耗和单元面积,除了共享缓冲直接注入结构,另一种新的电路结构被称为电流镜直接注入结构[7]也很好地解决了此问题。该结构的电流源采用共源-共栅镜像电流源,探测器的偏置电压将固定在Ov;因为输入阻抗很低,故注入效率很高,另一特点是接近零偏置,但功耗却很小。 开关电流积分结构[7]的积分电容被放在焦平面阵列之外,而且,被同一列所有单元共享。探测器电流被逐行选择,然后,通过行选择开关转移,并积分到共用积分电容上。共享缓冲技术被用于实现开关电流积分的增益级,因此,共享缓冲直接注入结构的优良特性在开关电流积分结构中依然存在。反馈型镜像电流源用作在选择开关选通之前的电流缓冲,并提供电流模式增益。电流增益能改善探测器的灵敏度,并减少参考噪声。既然积分电容在单元电路和焦平面之外,ROIC的像素尺寸限制能得到较好的解决;而且,通过在共享焦平面积分电容级做一个大的积分电容能增加动态范围和电荷储存能力。虽然开关电流积分结构的积分时间受行处理时间限制,因而,使灵敏度下降,但是,下降的灵敏度能由电路镜增加的电流增益进行补偿。该结构典型的64像素×64像素的芯片的最大传输阻抗为1.3×109Ω,输出摆幅为3V,最大存储电荷量为1.9×10-11C,功耗为30mW。 电流镜像直接注入的缺点是:因积分电容器在像素中,故像素面积相对较大、动态范围较低,且电荷储存能力有限。虽然开关电流积分结构将积分电容放在像素单元之外而提供了很大的电荷存储能力,然而,该结构各单元需要附加一放大器,因而,限制了注人效率,且增加了功耗。电流镜像积分结构[8]组合了电流镜像直接注入和开关电流积分结构的优点:它无需像素积分电容器就能获得的动态范围和强的电荷储存能力;同时,它无需像素放大器就能提供高的注入效率和接近零偏置的性能。该结构每个像素单元由9个晶体管构成,即电流镜像直接注入结构的电流镜分别与开关电流积分结构的电流镜串并联,同时,将积分电容置于像素之外。该结构典型的16像素×16像素的芯片,输出摆幅接近电源电压,注入效率接近100%,非线性度为1%,最大存储电荷量为8.4×10-12C,传输阻抗为6×107Ω,输入阻抗为2.7kΩ。 1.3 门调制输入结构及其改进电路 门调制输入结构[9]用一具有可调偏置的基本镜像电流源来控制电流增益,注入一级装置的注入电流被二级装置镜像,并放大,然后,在已复位的积分电容上积分。电流镜的增益由可调偏置电压源来调节。类似直接注入结构,该结构的注入效率依赖探测器寄生电阻与电流镜的输入电阻的比值。相比直接注入结构,该结构内电流增益能使探测器得到好的灵敏度,并减少输入噪声;而且,可调电流增益能被背景水平控制,因此,可实现的背景抑制能带来好的动态范围。然而,由于注入效率和电流增益对门限电压较为敏感,因此,这对MOS管的门限电压稳定性要求较高。 在门调制输入结构中,放大背景电流被直接积分,在这种条件下,为避免积分电容达到饱和必须设计大容量的电容。为解决这一问题,缓冲门调制输入结构被提出。该结构将电流模式背景抑制电路同开关电流积分结构相结合能获得大的积分电容。其单元电路包括一个作为输入级的共享缓冲器、非平衡电流镜和行选开关。共享缓冲技术为IRFPA提供一个偏置控制,而因固有沟道长度不平衡而导致电流镜两管之间的门限电压不同,会使非平衡电流镜产生较大的增益。因为在整个芯片中仅仅需要一行积分电容级,而且,红外背景电流很小,且功耗也较小,故缓冲门调制输入结构特别适用于大背景条件的IRFPAROIC的应用。该结构典型的32像素×32像素的芯片工作<
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