卓 毅，岳冬青，李敬國(guó)，于小兵

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

1 引 言

在復(fù)雜的光電環(huán)境中，單波段紅外探測(cè)效能漸漸不能滿足特殊的成像、制導(dǎo)等應(yīng)用。20世紀(jì)80年代高光譜探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為紅外探測(cè)技術(shù)革新提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。從更多譜段上探測(cè)目標(biāo)，借助其豐富的光譜信息，可以充分反映目標(biāo)間的細(xì)微差異，使人們能夠發(fā)現(xiàn)許多單波段探測(cè)無(wú)法獲知的監(jiān)測(cè)信息［1］。

在高光譜紅外成像應(yīng)用中，讀出電路（ROIC）的性能越顯突出。在制冷型紅外系統(tǒng)中，讀出電路主要功能是為探測(cè)器提供偏壓、收集光響應(yīng)電流、積分、采樣保持、增益調(diào)整和信號(hào)輸出等。高性能的紅外焦平面系統(tǒng)對(duì)于讀出電路要求越來(lái)越嚴(yán)苛，由于短波高光譜紅外成像系統(tǒng)光響應(yīng)信號(hào)微弱，對(duì)于其配合的讀出電路關(guān)鍵性能指標(biāo)，諸如良好的噪聲、功耗、線性度等，成為保障短波高光譜成像系統(tǒng)性能的重中之重。

本文介紹了一種基于低漏電CTIA像素結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計(jì)。對(duì)其進(jìn)行了噪聲和漏電的分析，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方式，以及其運(yùn)用在實(shí)際電路中仿真和測(cè)試的情況。

2 設(shè)計(jì)及理論分析

2.1 像素結(jié)構(gòu)

制冷型紅外焦平面讀出電路常見(jiàn)的像素電路結(jié)構(gòu)包括：直接注入型（DI）、緩沖注入型（BDI）、電容跨阻放大器型（CTIA）等。

CTIA型像素電路因?yàn)槠鋬?yōu)秀的電源抑制比、低噪聲和良好的探測(cè)器偏壓控制等特性，受到極大的關(guān)注。但是由于像素面積的限制，CTIA型像素電路多應(yīng)用于短波紅外探測(cè)系統(tǒng)。CTIA電路的非線性是影響此類(lèi)型讀出電路的重要因素。讀出電路的非線性指的是光電流與最終輸出信號(hào)的線性關(guān)系。其定義為實(shí)際曲線和理想曲線的最大偏差與輸出擺幅的比值。在短波應(yīng)用中，經(jīng)典CTIA結(jié)構(gòu)中相關(guān)電荷守恒節(jié)點(diǎn)的CMOS開(kāi)關(guān)會(huì)存在漏電效應(yīng)，這種漏電對(duì)于弱信號(hào)探測(cè)影響很大。這種影響隨積分電壓非線性變化，后期的校準(zhǔn)處理并不能有效消除影響。所以對(duì)整體系統(tǒng)性能而言是非常不利的。

常用CTIA型讀出電路像素結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，Cint是積分電容；Vref是運(yùn)算放大器參考電壓。工作時(shí)通過(guò)運(yùn)算放大器虛短作用，A節(jié)點(diǎn)的電位被控制在Vref，并以此作為對(duì)光電探測(cè)器的偏壓。通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)將輸出復(fù)位?？紤]運(yùn)算放大器失調(diào)，此時(shí)輸出信號(hào)為：

隨后開(kāi)始積分的過(guò)程，探測(cè)器光電流為Iint，積分電容上極板被運(yùn)放鉗制在Vref電壓處，由于電荷守恒原理，在Vout輸出點(diǎn)得到積分結(jié)果的電壓值。此時(shí)輸出信號(hào)為：過(guò)一個(gè)小的Cint，體現(xiàn)在輸出端就是一個(gè)不容忽視的誤差漂移。

圖1 CTIA型讀出電路像素結(jié)構(gòu)Fig.1 CTIA pixel read-outcircuit

再通過(guò)采樣電容采樣信號(hào)，并由源跟隨結(jié)構(gòu)讀出。

2.2 漏電流效應(yīng)影響及消除結(jié)構(gòu)

在短波器件弱信號(hào)探測(cè)的應(yīng)用中，MOS管的漏電效應(yīng)不能完全的撇除。由于短波應(yīng)用中，積分電容值普遍較小，由復(fù)位開(kāi)關(guān)或者增益調(diào)整開(kāi)關(guān)帶來(lái)的漏電流所影響，電荷守恒節(jié)點(diǎn)A接收到的擾動(dòng)通

圖2為短溝道器件的漏電流模型［2］。其中I1為PN節(jié)反偏電流，I2為源漏之間的亞閾值漏電流，I3、I4、I5為柵漏電流，I6為源漏之間的穿通電流。前文講到在系統(tǒng)中引起輸出端漂移的漏電流主要是通過(guò)影響電荷守恒節(jié)點(diǎn)A來(lái)影響輸出，所以我們考慮圖中MOS管源漏之間的漏電流。重點(diǎn)在于I2源漏之間的亞閾值漏電流。

圖2 短溝道器件的漏電流模型Fig.2 Short channel device leakage current model

關(guān)斷截止?fàn)顟B(tài)下，亞閾值漏電流起主導(dǎo)作用。具體表達(dá)式為［2］：

源漏之間的漏電起重要作用的還包括漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL）［3］，隨著 Vds電壓增加，源漏之間的耗盡層會(huì)互相靠近，導(dǎo)致勢(shì)壘高度降低，使得漏電流增大。同時(shí)還有襯底效應(yīng)（Body Effect）等影響因素存在。考慮了以上效應(yīng)的整體漏電流表達(dá)式為：

上述公式中可以看出，源漏之間的漏電流與Vds電壓相關(guān)，即電荷守恒節(jié)點(diǎn)A點(diǎn)電壓Vref和輸出電壓Vout之間壓差。由于Vout是由紅外輻射強(qiáng)度決定，所以Isub隨輸出非線性變化，影響系統(tǒng)線性度。

基于以上分析，需要對(duì)電荷守恒節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)隔離，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

針對(duì)漏電流的存在，設(shè)計(jì)中引入一個(gè)T型開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)電荷守恒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。具體實(shí)現(xiàn)方式為：電路處在復(fù)位階段M1、M2開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，M3關(guān)斷。復(fù)位結(jié)束M1斷開(kāi)，隨后M2斷開(kāi)、M3導(dǎo)通，電路進(jìn)入積分階段，由于M3開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使得M1開(kāi)關(guān)兩端電壓Vds為一個(gè)固定值即VA-VB，此時(shí)源漏之間的亞閾值電流ΔIsub不隨積分輸出Vout變化。電荷守恒節(jié)點(diǎn)A變化電流為Iint±ΔIsub，此時(shí)漏電流產(chǎn)生的非線性偏移轉(zhuǎn)化成為固定模式噪聲，方便后續(xù)校準(zhǔn)。

圖3 帶漏電隔離結(jié)構(gòu)的CTIA電路Fig.3 CTIA pixel circuit with leakage eliminate structure

2.3 列通路及噪聲分析

本設(shè)計(jì)的列通道輸出結(jié)構(gòu)如圖4所示。由像素的采樣結(jié)構(gòu)保障了整體電路的IWR功能，通過(guò)合理的帶寬控制，將采樣所得電平信號(hào)轉(zhuǎn)移到列級(jí)進(jìn)行二次采樣。

圖4 列級(jí)、輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Column and output buffer structures

二次采樣使用奇偶采樣方式保障輸出和采樣可以同時(shí)進(jìn)行。同時(shí)驅(qū)動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)在一行建立的時(shí)間內(nèi)將結(jié)果通過(guò)Class-AB結(jié)構(gòu)輸出。

本設(shè)計(jì)IWR時(shí)序如圖5所示。

圖5 電路工作時(shí)序Fig.5 The working sequence of the circuit

從系統(tǒng)上分析噪聲，其主要來(lái)源分為以下幾種［4］：

（1）散粒噪聲

散粒噪聲的來(lái)源是由于光電探測(cè)器產(chǎn)生的感應(yīng)電流流過(guò)勢(shì)壘的時(shí)候，載流子躍遷過(guò)勢(shì)壘時(shí)間并不一致，會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的電流脈沖。由于其躍遷時(shí)間的隨機(jī)性，整體上體現(xiàn)為全頻帶的白噪聲。其功功率譜密度為：

散粒噪聲主要產(chǎn)生在探測(cè)器積分階段，由光感應(yīng)電流和暗電流同時(shí)產(chǎn)生。在積分電容C上積分，可以得知其噪聲功率譜密度為：

（2）開(kāi)關(guān)噪聲KT/C

KT/C噪聲來(lái)源于復(fù)位、采樣過(guò)程中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻所帶來(lái)的熱噪聲，通過(guò)積分、采樣電容進(jìn)行功率譜整形后，以低頻噪聲的形式存儲(chǔ)在電容上。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度為：

通過(guò)推導(dǎo)可知，該噪聲與產(chǎn)生的熱噪聲的電阻值并無(wú)關(guān)系，主要取決于低通結(jié)構(gòu)的電容值。在存在小電容的開(kāi)關(guān)電路結(jié)構(gòu)中，此類(lèi)噪聲貢獻(xiàn)顯著。

（3）MOS管噪聲

晶體管噪聲主要包含熱噪聲和閃爍噪聲分量，當(dāng)MOS管工作在飽和區(qū)，其熱噪聲表示為：

閃爍噪聲則是由于柵氧化層同硅接觸面晶體缺陷和雜質(zhì)引起的，是一種低頻噪聲分量，其功率譜密度的表達(dá)式為：

基于上述三種噪聲組成，優(yōu)化像素及通路的結(jié)構(gòu)。

3 流片測(cè)試結(jié)果分析

采用0.35μm CMOS5V工藝設(shè)計(jì)了1024×256規(guī)模的讀出電路。芯片整體照片和局部顯微圖像如圖6所示。

圖6 芯片顯微照片F(xiàn)ig.6 Micro photo of read-out circuit

電路具有4種增益切換模式，不同模式下噪聲性能測(cè)試情況如表1所示。

表1 不同增益的噪聲性能Tab.1 Noise performance of different gain

電路采用4口、8口、16口三種可切換模式輸出，最高可到240 Hz幀頻，輸出可以滿足4～6 MHz的讀出速率，并有3.4 V的高擺幅。使用450 ms的積分時(shí)間，觀測(cè)電路的線性狀況，以衡量對(duì)漏電流消除效果。四種增益情況下的線性度如圖7所示，其中橫軸是積分時(shí)長(zhǎng)倍數(shù)，縱軸是輸出電壓，定義半阱電壓為0。

圖7 四種增益的線性擬合Fig.7 Linear fitting of four types of gain patterns

混成芯片成像效果如圖8所示。成像效果良好。

圖8 未校準(zhǔn)成像情況Fig.8 Thermal image formation without calibration

4 結(jié) 論

本文介紹了一種應(yīng)用于短波微弱信號(hào)高光譜探測(cè)的1024×256紅外焦平面讀出電路設(shè)計(jì)，對(duì)弱信號(hào)積分過(guò)程中的像元電路漏電消除結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)的闡述，并對(duì)列級(jí)輸出級(jí)噪聲優(yōu)化進(jìn)行了分析。并基于0.35μm CMOS5V工藝，對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了流片驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，電路可以滿足4檔高低不同增益工作模式，功耗小于250 mW。在450 ms超長(zhǎng)積分時(shí)間下有效的消除了漏電流帶來(lái)的非線性因素，使芯片在3.4 V的擺幅內(nèi)滿足99%的線性度。同時(shí)輸出建立能夠滿足4～6 MHz的輸出速率。對(duì)于短波高光譜紅外焦平面讀出電路設(shè)計(jì)具有非常高的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。