白丕績，姚立斌

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第三代紅外焦平面探測器讀出電路

白丕績，姚立斌

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

對紅外探測器不斷增長和提高的需求催生了第三代紅外焦平面探測器技術(shù)。根據(jù)第三代紅外探測器的概念，像素達到百萬級，熱靈敏度NETD達到1mK量級是第三代制冷型高性能紅外焦平面探測器的基本特征。計算結(jié)果表明讀出電路需要達到1000Me－以上的電荷處理能力和100dB左右的動態(tài)范圍（Dynamic Range）才能滿足上述第三代紅外焦平面探測器需求。提出在像素內(nèi)進行數(shù)字積分技術(shù)，以期突破傳統(tǒng)模擬讀出電路的電荷存儲量和動態(tài)范圍瓶頸限制，使高空間分辨率、高溫度分辨率及高幀頻的第三代高性能制冷型紅外焦平面探測器得到實現(xiàn)。

第三代紅外焦平面探測器；高溫度分辨率；高動態(tài)范圍；數(shù)字積分技術(shù)；像素級ADC數(shù)字讀出電路

0 引言

紅外探測器用于對目標(biāo)的紅外熱輻射信息進行探測和傳輸。第一代紅外探測器采用多元器件和室溫條件下的前置放大器（簡稱前放），因此每一個像元都有一根獨立的信號傳輸線穿過制冷的真空杜瓦壁，到達由分立電子元件構(gòu)成的前放，進行紅外光敏信號的預(yù)處理。在給定光學(xué)視場中，由于前放和信號傳輸線數(shù)量的限制，第一代紅外探測器的像元數(shù)量是非常有限的，一般不超過200元，因此第一代紅外探測器必須搭配復(fù)雜的光機掃描裝置才能實現(xiàn)對目標(biāo)輻射的紅外成像。在有限的幀周期內(nèi)，要用有限的像元完成一幅目標(biāo)圖像的掃描，導(dǎo)致每個目標(biāo)圖像像素在探測器像元上的駐留時間非常有限，因此探測器像元接收的目標(biāo)輻射能量受限，使得紅外探測器輸出信號的信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）和紅外成像系統(tǒng)的作用距離都十分有限，這也使得第一代紅外探測器主要作為戰(zhàn)術(shù)性運用。因為室溫附近目標(biāo)的峰值波長在10.6mm左右，且8～14mm有大氣輻射窗口，因此第一代紅外熱成像儀使用“多元長波紅外探測器＋光機掃描”技術(shù)研制長波紅外熱成像儀[1]。

隨著微電子技術(shù)和集成電路加工工藝的進步，出現(xiàn)了采用電子掃描的紅外焦平面探測器，即第二代紅外焦平面探測器。

為了獲得最大的光學(xué)增益，將感光陣列芯片放置在成像透鏡的焦平面上，因此將此類感光陣列芯片稱為焦平面探測器芯片[2]。如圖1所示，紅外焦平面探測器芯片組由紅外探測器陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）芯片和CMOS集成電路信號處理芯片通過銦球倒裝互連而成。CMOS集成電路芯片的基本功能是對紅外探測器陣列的光敏信號進行積分放大，然后將探測器陣列芯片上的幾十萬甚至上百萬像素的積分信號逐行（Row by Row）轉(zhuǎn)移到列處理器進行采樣/保持，再經(jīng)過一個或幾個輸出緩沖器（亦稱多路傳輸器，Multiplexer）串行讀出，讀出電路（Read Out Integrated Circuit，ROIC）概念因此提出。

紅外焦平面探測器芯片包括幾十萬甚至上百萬像素，讀出電路采取電荷存貯（積分）工作方式。所謂積分工作方式，是指在幀周期內(nèi)，由探測器陣列對目標(biāo)場中各像素的紅外輻射進行光-電信號轉(zhuǎn)換，然后讀出電路對光敏電荷（電流）進行積分并保持，最后通過一路或多路輸出緩沖器完成串行輸出。因為采用積分方式，使讀出電路芯片在電路架構(gòu)和信號傳輸通路上有別于一般的連續(xù)時間電路，讀出電路既有模擬電路部分又有數(shù)字電路部分，是一種典型的數(shù)/?；旌霞呻娐?。圖2為典型的凝視型焦平面讀出電路結(jié)構(gòu)框圖，讀出電路由×像素級輸入單元電路陣列、列級采樣/保持電路、行和列級移位寄存器及輸出放大級等幾部分組成。

第二代紅外焦平面探測器具有二維陣列結(jié)構(gòu)。一種是帶有TDI功能的線列結(jié)構(gòu)，用于掃描成像系統(tǒng)；另一種是矩形陣列結(jié)構(gòu)，用于凝視成像系統(tǒng)。目前的第二代紅外焦平面探測器已經(jīng)趨于成熟，正處在從第二代紅外焦平面探測器向第三代紅外焦平面探測器進行重大轉(zhuǎn)變的時期。

圖1 紅外焦平面探測器芯片組結(jié)構(gòu)

圖2 紅外焦平面讀出電路構(gòu)成

1 第三代紅外焦平面探測器

1999年，Donald Reago等人提出以紅外探測器及后續(xù)信號處理為技術(shù)特征的第三代紅外探測器的概念[3]，包含以下內(nèi)容：

1）高性能、多波段的制冷型紅外焦平面探測器；

2）大規(guī)模非制冷紅外焦平面探測器；

3）高性價比的微型非制冷紅外焦平面探測器。

其中，對高性能制冷型焦平面探測器，提出要進一步提高探測距離和識別能力，具體技術(shù)指標(biāo)如下：

1）工作波段：≥2；

2）陣列規(guī)模：≥1k×1k；

3）NETD（噪聲等效溫差）：≤1mK；

4）電荷存儲能力：≥109e－；

5）幀頻：≥480Hz；

6）讀出電路：具備片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器及片上非均勻性校正功能。

2000年，Paul Norton和Donald Reago等人分析了發(fā)展第三代紅外焦平面探測器將面臨的挑戰(zhàn)[4]，認(rèn)為高性能制冷型紅外焦平面探測器的發(fā)展目標(biāo)是具有更高的探測靈敏度，提到了動態(tài)范圍等具體技術(shù)指標(biāo)：

1）NETD（噪聲等效溫差）：≤1mK；

2）動態(tài)范圍：≥95dB。

要提高探測器的探測距離和識別能力，從探測器技術(shù)上，必須從提高焦平面器件規(guī)模（即提高空間分辨率）和提高焦平面器件的熱靈敏度（即降低NETD）兩方面發(fā)展。提高探測靈敏度的關(guān)鍵在于選擇紅外輻射較強的波段，以及提高讀出電路的電荷存儲量和動態(tài)范圍[5]。論文將圍繞上述幾點展開討論，然后提出在像素內(nèi)進行數(shù)字積分技術(shù)，以及集成了像素級模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的數(shù)字讀出電路芯片來解決上述電荷存儲量和動態(tài)范圍限制問題。

2 紅外輻射波段選擇

2.1 紅外大氣窗口

圖3展示了紅外輻射在大氣中的典型傳輸[6]，當(dāng)只考慮大氣的H2O和CO2分子吸收時，大氣在近紅外（0.78～1.0mm）、短波紅外（1.0～2.5mm）、中波紅外（3～5mm）、長波紅外（8～14mm）和甚長波紅外（15～20mm）有5個紅外“透射窗口”。一般說來，波長越長，透射能力越好，因此工作在長波波段可獲得室溫附近目標(biāo)最多的輻射能量。

2.2 紅外輻射波段選擇

輻射能是指以電磁波形式發(fā)射、傳輸或接收的能量（單位為J）。根據(jù)普朗克輻射公式，當(dāng)黑體溫度從220～1200K變化時，黑體輻射出射度與波長關(guān)系如圖4所示[7]。隨溫度升高，黑體輻射的峰值波長從長波向短波方向移動，符合維恩位移定律；而且各個波長的光譜輻射出射度也隨之增加，輻射中包含的短波成分也隨之增加。

表1比較了220Κ（－53℃）、300Κ（27℃）、622Κ（349℃）、929Κ（656℃）、1286Κ（1013℃）黑體在長波（8～14mm）、中波（3～5mm）、短波（1～2.5mm）等波段的紅外熱輻射光子數(shù)。一般來說，波長越長，透射能力越好；而且長波紅外的透射波段范圍最寬（D＝6mm）。因此長波波段的目標(biāo)輻射信號較強，當(dāng)電荷存儲量足夠時，可有效降低探測器溫度分辨限，有利于遠(yuǎn)距離、高速目標(biāo)探測的應(yīng)用需求。

因此，對于軍用高性能制冷型紅外熱成像探測器的發(fā)展趨勢，將紅外探測波段擴展到充滿整個長波大氣窗口，即8～14mm波段的紅外熱成像探測是第三代紅外探測器發(fā)展的一個重要方向。

圖3 紅外輻射在大氣中的傳輸

圖4 黑體輻射出射度與波長的關(guān)系

表1 各典型溫度下的黑體在長波、中波和短波紅外的輻射光子數(shù)對比

3 電荷存儲量限制

假定頻率為的單色光均勻地照在探測像元上，探測器像元接收的輻射功率為[8-9]：

式中：為探測元的面積；#為冷屏的數(shù)；為頻率；為黑體溫度；為普朗克常數(shù)；B為玻耳茲曼常數(shù)；為光速。

探測器的NETD可表示為：

式中：S為探測器產(chǎn)生的信號電子數(shù)；photo為光電導(dǎo)增益。

降低探測器的噪聲等效溫差NETD，是提高溫度分辨率的另一個重要途徑。限制NETD的關(guān)鍵因素是器件噪聲即電流噪聲和光子噪聲極限（背景限）。根據(jù)資料顯示，目前80K工作的高性能HgCdTe探測器暗電流基本能夠達到擴散電流限，已經(jīng)沒有多大的提高余地，進一步提高探測器性能需要突破電荷存儲量的限制[5]。

表2為一個典型的第二代紅外焦平面探測器——320×240凝視型焦平面探測器的主要性能參數(shù)。當(dāng)探測器工作在snapshot（快照）積分模式、ITR（先積分后讀出）工作模式，而讀出電路以一個輸出通道工作時，320×240凝視型焦平面探測器的最大可用積分時間為12.32ms，對于300K的室溫目標(biāo)，在3～5mm、8～10mm、8～12mm、8～14mm等4個波段的最大可探測信號電子數(shù)s,max如表3所示（其中假設(shè)光電導(dǎo)增益photo等于1，忽略暗電流電荷）。

如表3所示，在忽略暗電流電荷的前提下，中波波段的實際電荷利用率稍高，達88.0%；而長波波段（8～10mm）的實際電荷利用率極低，只有3.50%；尤其是波長往甚長波方向（15～20mm）拓展時，實際電荷利用率更低，只達到約1.11%。

總之，長波電荷利用率極低，是限制長波、甚長波探測器溫度靈敏度提高的關(guān)鍵制約因素之一。

表2 320×240凝視型焦平面探測器主要技術(shù)指標(biāo)

假設(shè)光電導(dǎo)增益photo等于1，忽略暗電流電荷，對應(yīng)于300K溫度的目標(biāo)，以表2主要技術(shù)指標(biāo)為例，根據(jù)前述公式(2)的NETD與存儲電荷的關(guān)系，當(dāng)采用3～5mm的中波波段和采用8～14mm的長波波段探測時，探測器的存儲電荷與NETD的關(guān)系如圖5所示。

如圖5所示，對應(yīng)300K的溫度目標(biāo)，假設(shè)光學(xué)效率為70%，探測器量子效率為80%；讀出電路采用積分后讀出（ITR）方式，積分時間為12.32ms。如果采用3～5mm的中波波段探測時，要實現(xiàn)NETD為1mK的溫度分辨率，探測器存儲電荷需要達到1.38×109e－電子數(shù)（1380Me－）；如果采用8～14mm的長波波段探測時，要達到NETD為1mK的溫度分辨率，探測器存儲電荷需要達到1.01×1010e－電子數(shù)（10100Me－）。隨著探測波段向長波、甚長波方向拓展，達到NETD為1mK的溫度分辨率所需的電荷存儲量要遠(yuǎn)高于中波波段。

目前的ROIC加工工藝一般采用0.35mm（3.3V/5V）標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，在30mm×30mm像素面積內(nèi)，采用結(jié)構(gòu)簡單的直接注入（DI）結(jié)構(gòu)，用CMOS電容實現(xiàn)的積分電容約為2.1pF，實現(xiàn)的最大積分電荷量約為36 Me－（5V電源電壓/滿阱）；即使采用獨特的“多層CMOS電容疊加技術(shù)”作為積分電容的方式，實現(xiàn)的積分電容約為4.0pF，最大積分電荷量約為60Me－（3.3V電源電壓/滿阱），只是NETD為1mK的中波探測器所需積分電荷量（～103Me－）的約1/20、長波探測器所需積分電荷量（～104Me－）的約1/200。

表3 300K目標(biāo)紅外輻射信息在不同波段的實際利用率

圖5 目標(biāo)溫度為300K時不同探測波段的探測器存儲電荷與NETD的關(guān)系

即使采用更先進的加工工藝，可以得到更大的單位面積積分電容，但電源電壓隨之下降，無法顯著地提高積分電荷存儲量；S. Horn等人提出采用多層讀出電路垂直疊加的加工工藝方案[10]，也只能實現(xiàn)積分電容2～3倍的增長，無法實現(xiàn)積分電容1～2個數(shù)量級的增長，亦不能滿足NETD為1mK的紅外焦平面探測器所需積分電荷量要求。

4 動態(tài)范圍限制

對應(yīng)于NETD為1mK的溫度分辨率，另一個限制探測器靈敏度提高的關(guān)鍵制約因素是動態(tài)范圍。探測器的NETD與信噪比（SNR）的關(guān)系如式(3)所示[8-9]：

式中：S為探測器產(chǎn)生的信號電子數(shù)，S＝Btint/；N為探測器產(chǎn)生的噪聲電子數(shù)，N＝iint/。

以表2主要技術(shù)指標(biāo)為例，根據(jù)公式(3)的NETD與動態(tài)范圍的關(guān)系，假設(shè)光學(xué)效率為80%，探測器量子效率為80%，對應(yīng)于300K的目標(biāo)，當(dāng)積分時間為12.32ms時，采用3～5mm的中波波段和采用8～14mm的長波波段對目標(biāo)進行探測，探測器的動態(tài)范圍與NETD的關(guān)系如圖6所示。

從圖6可見，無論探測器采用3～5mm的中波波段，還是采用8～14mm的長波波段。要達到NETD為1mK的溫度分辨率，必須保證100dB左右的動態(tài)范圍。目前的ROIC的工作電壓為3.3V或5V，如果按照探測器組件系統(tǒng)噪聲為0.3mV或0.5mV左右估計，即使最大輸出電壓擺幅（SR）達到3V，動態(tài)范圍也只能達到80dB，無法滿足NETD為1mK的第三代中波紅外焦平面探測器所需動態(tài)范圍（96dB）要求，更無法滿足NETD為1mK的第三代長波紅外焦平面探測器所需動態(tài)范圍（102dB）要求。

5 數(shù)字積分技術(shù)

面對上述的高電荷存儲量和高動態(tài)范圍要求，傳統(tǒng)讀出電路的“模擬積分技術(shù)”已經(jīng)根本無法滿足，更為現(xiàn)實的途徑是采用“數(shù)字積分技術(shù)”的方法完成積分信號在數(shù)字域的累加[11-12]。

如圖7所示，一個由脈沖頻率調(diào)制器（PFM）和計數(shù)器構(gòu)成的數(shù)字積分器。光伏探測器像素通過銦柱與讀出電路輸入級相連接，由探測器像素通過直接注入（DI）管（MOS場效應(yīng)管M1）將積分電容int上存儲的電荷泄放。根據(jù)探測器光電流大小，一個幀積分周期可由（1≤≤，為計數(shù)器位數(shù)）個子幀周期sub組成。在一個sub內(nèi)，一旦積分電容上的電壓達到比較器的參考電壓ref，觸發(fā)比較器翻轉(zhuǎn)，輸出一個脈沖給復(fù)位管（MOS管M2），將積分電容int的電平復(fù)位到r，同時計數(shù)器進行一次計數(shù)，完成一次sub積分；然后開始下一次sub積分。每次sub泄放的電荷量0是恒定的，通過次sub積分，幀積分周期結(jié)束，計數(shù)器記錄的電荷泄放次數(shù)“”就代表探測器像素的光敏輸出信號值，因此稱此類積分技術(shù)為數(shù)字積分技術(shù)[13-15]。

圖6 目標(biāo)溫度為300K時不同探測波段的探測器動態(tài)范圍與NETD的關(guān)系

圖7 由脈沖頻率調(diào)制器和計數(shù)器構(gòu)成的數(shù)字積分器

如式(4)所示，數(shù)字積分技術(shù)理論上擴大了積分電容的電荷存儲容量，保留了整個積分過程中總電荷的信息（即輸入光電流的信息）。

Q＝×0＋res(4)

式中：res為積分電容上的殘余電壓；為計數(shù)器的位數(shù)。通過上述數(shù)字積分技術(shù)將讀出電路的電荷存儲容量提高了倍，讀出電路的動態(tài)范圍亦增加了倍。所以，通過數(shù)字積分方法可將傳統(tǒng)模擬讀出電路的電荷存儲量限制問題及動態(tài)范圍不足問題，轉(zhuǎn)移到用數(shù)字讀出電路對長波光敏信號進行低噪聲預(yù)處理，以及對積分?jǐn)?shù)字信號的高速傳輸問題上。

6 像素級ADC數(shù)字讀出電路

將積分電容上的殘余電壓res輸出至像素外進行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，此量化值與計數(shù)器記錄的電荷泄放次數(shù)結(jié)合，一起構(gòu)成探測器像素的光敏輸出信號值，從而實現(xiàn)全數(shù)字的光電流讀出，即像素級ADC數(shù)字讀出電路[16-18]。

圖8為像素級ADC數(shù)字讀出電路示意圖。來自光電二極管的光敏電流經(jīng)簡單的模擬信號低噪聲預(yù)處理后，送入像素級ADC，經(jīng)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后形成bit數(shù)字信號，保存在像素下的存儲器中，當(dāng)接到輸出指令后，將bit數(shù)字信號并行送入數(shù)字多路器，然后由數(shù)字多路器高速串行輸出<0:－1>bit數(shù)據(jù)，供外部數(shù)字成像電路使用。

像素級ADC數(shù)字讀出電路可以實現(xiàn)高幀頻，而且很容易擴展到大面陣也不會損失高幀頻特性。最大的挑戰(zhàn)是如何在一個很小的像素面積內(nèi)擺放ADC，并且實現(xiàn)微功耗工作。盡管面積嚴(yán)格受限，已開發(fā)幾種架構(gòu)的ADC，例如?-D型、增量?-D型、計數(shù)器型等ADC應(yīng)用在像素級ADC數(shù)字傳輸讀出電路芯片上[19-21]。囿于篇幅限制，不在此討論具體的像素級ADC設(shè)計技術(shù)。

7 結(jié)語

第三代紅外高性能制冷焦平面探測器采用數(shù)字積分技術(shù)，可從根本上解決傳統(tǒng)模擬讀出電路電荷容量限制與紅外焦平面探測器動態(tài)范圍限制的問題，而且可顯著提高紅外焦平面探測器的工作頻率。將數(shù)字積分技術(shù)的概念推廣，可以得到這一類型的像素級ADC，即電流或電壓控制振蕩器和相應(yīng)的數(shù)字積分器構(gòu)成的像素級ADC數(shù)字讀出電路。采用像素級ADC數(shù)字讀出電路也是針對超大規(guī)模、多色多譜段探測所帶來的數(shù)據(jù)傳輸率瓶頸問題的解決方案。而且只有基于像素級ADC高速數(shù)字讀出技術(shù)，通過SoC（System on Chip）讀出電路芯片開發(fā)，才能實現(xiàn)片上非均勻性校正、片上數(shù)字圖像處理等功能，才能真正實現(xiàn)“智能化”紅外焦平面探測器組件。

圖8 像素級ADC數(shù)字讀出電路示意圖

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Read Out Integrated Circuit for Third-Generation Infrared Focal Plane Detector

BAI Pi-ji，YAO Li-bin

（,650223,）

The ever increasing demand of thermal imaging system calls the third generation infrared focal plane array（IRFPA）. The basic parameters of the third generation high-performance cooled IRFPA is million-pixel array and around 1mK NETD. The third-generation IRFPA requires high performance readout integrated circuit（ROIC）. If the ROIC can’t handle 1000Me－charge capacity and about 100dB dynamic range，it will not meet the demand of the third generation IRFPA. The in-pixel digital integration technology is introduced to break the barriers of the charge storage capacity and dynamic range of traditional analog ROIC. With the digital integration technique, the third-generation cooled IRFPA can be implemented with high spatial resolution, high temperature definition and high frame rate.

third-generation infrared focal plane array，high temperature definition，high dynamic range，digital integration technique，digital ROIC with pixel-level ADC

TN215

A

1001-8891(2015)02-0089-08

2015-01-06；

2015-01-10.

白丕績（1976-），男，云南祥云人，高工，博士生，主要研究方向為紅外探測及信號讀出，E-mail：hibai@126.com。

姚立斌（1968-），男，云南石屏人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為混合信號集成電路設(shè)計，E-mail：libin.yao@ieee.org。

國防預(yù)研基金。