夏曉娟+劉琦+關(guān)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(shè)計了各個模塊電路，并采用chartered 0.35μm工藝進(jìn)行流片設(shè)計。實(shí)測結(jié)果表明所設(shè)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(guān)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(xiàn)標(biāo)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(shù)得到迅猛發(fā)展。在軍事應(yīng)用上，紅外成像制導(dǎo)是利用紅外探測器探測目標(biāo)的紅外輻射，以捕獲目標(biāo)紅外圖像的制導(dǎo)技術(shù)，其圖像質(zhì)量與電視相近，但可在電視制導(dǎo)系統(tǒng)難以工作的夜間和低能見度下作戰(zhàn)。紅外成像制導(dǎo)技術(shù)已成為制導(dǎo)技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。在民用領(lǐng)域里，如醫(yī)療衛(wèi)生、消防安全、資源探測、工業(yè)監(jiān)控、天氣預(yù)報等公共生活領(lǐng)域，紅外探測技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)之一，紅外焦平面技術(shù)的每一次提升都催動著紅外讀出電路技術(shù)的發(fā)展，紅外讀出電路性能的優(yōu)劣直接影響紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

1電路結(jié)構(gòu)

讀出電路的組成結(jié)構(gòu)按信號通路一般可分為像素單元級、列處理級、輸出驅(qū)動器以及數(shù)字控制電路，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計要求在一定面積限制內(nèi)選擇適合不同探測器的最優(yōu)電路結(jié)構(gòu)并完成電路設(shè)計。讀出電路中像素單元電路的性能好壞直接關(guān)系到整個焦平面成像的性能優(yōu)劣。列處理級是對來自像素單元的信號進(jìn)行暫時存儲，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理。輸出驅(qū)動器是信號與外界的接口，其功能是將內(nèi)部信號輸出，并隔離外界信號對內(nèi)部信號的影響。數(shù)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(shè)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(shè)計

2.1像素單元的設(shè)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(fù)位信號，SRST為采樣電容復(fù)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(dāng)積分電容上的電壓達(dá)到一個值時，M2開啟，光電流經(jīng)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(shù)字控制逐級傳輸，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.1電平移位電路

電平移位電路相當(dāng)于一級緩沖器，主要功能是將像素內(nèi)的電壓值采樣到列級電路。它的輸入為像素結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖4所示，左邊部分是像素內(nèi)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(zhuǎn)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(dāng)電路處于默認(rèn)狀態(tài)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(tài)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(guān)，COL_RST為復(fù)位開關(guān)，GN0和GN1為增益可調(diào)開關(guān)。

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(qū)動器，其作用是采樣電荷放大器的輸出并驅(qū)動串行總線。和后面的緩沖輸出放大器不一樣，列級驅(qū)動器的功耗要求非?？量?，由于電路有256列，每個列級驅(qū)動器功耗增加一點(diǎn)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(shù)，在保證驅(qū)動性能的情況下，盡可能地減少靜態(tài)功耗。列級驅(qū)動器的電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3輸出驅(qū)動器

輸出驅(qū)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(nèi)輸出大量信號，因此輸出驅(qū)動器對速度和線性度要求較高。電路輸出驅(qū)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(guān)管，當(dāng)單路輸出時，只有一個端口的輸出驅(qū)動器工作，其余三個輸出端口的輸出驅(qū)動器都處于零電流狀態(tài)，這樣，整體電路就不消耗額外的無用功耗。

3版圖設(shè)計

所設(shè)計芯片采用chartered 0.35μm工藝，整體電路版圖的設(shè)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(qū)動器電路。芯片的像素陣列周圍分別放置由其他模擬和數(shù)字電路組成的模塊，并由模擬和數(shù)字電源線、地線形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)為電路供電。

4測試結(jié)果

在常溫對流片芯片進(jìn)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(shè)計要求。具體的測試指標(biāo)見表1。

5結(jié)論

設(shè)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(shè)計和仿真驗證。該電路具有豐富的數(shù)字功能，功耗低，可讀出速率快。流片測試結(jié)果表明，讀出電路具有良好的工作性能。