顏 超，高文釗，李 勇，夏渤函

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.臺(tái)州國(guó)晶智芯科技有限公司，浙江 臺(tái)州 318014）

0 引 言

非制冷紅外成像技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代，1978年美國(guó)德州儀器公司成功研制了世界上第一個(gè)非制冷紅外熱像儀系統(tǒng)。1983年，Honeywell公司成功研制出一種非制冷氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)的紅外焦平面陣列；1996年出現(xiàn)了320×240像元陣列的微測(cè)熱輻射紅外焦平面陣列的報(bào)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(jié)構(gòu)生產(chǎn)出了25 μm像元的320×240和640×512兩種紅外焦平面陣列，并且當(dāng)前的研究方向?yàn)?0 μm像元的640×512規(guī)格紅外焦平面陣列，使系統(tǒng)性能得到大幅度提升。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代末逐漸開展對(duì)紅外芯片的研究，但在該方面的技術(shù)上與西方國(guó)家仍有一定的差距。我國(guó)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(xué)、北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)以及電子科技大學(xué)等，它們均致力于研究非制冷紅外焦平面，其陣列規(guī)模從起初的160×120逐步擴(kuò)展到320×240、384×288；到目前為止，陣列大小已達(dá)到了640×512。本文基于TSMC 0.18 μm工藝，設(shè)計(jì)了一種384×288像元陣列非制冷紅外焦平面讀出電路，并對(duì)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在很多場(chǎng)合對(duì)無光照條件下超遠(yuǎn)距成像的需求和紅外探測(cè)器的需求量將會(huì)越來越大。比如在軍事領(lǐng)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(dòng)方向，達(dá)到偵查的目的；指揮官可以通過用無人機(jī)攜帶紅外探測(cè)器的方式來最大程度地顯示戰(zhàn)場(chǎng)的形勢(shì)，也更有利于其對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的把控。在日常生活領(lǐng)域，可以通過紅外芯片的紅外熱成像功能測(cè)量人體不同部位的溫度差異來分析病情；同時(shí)在疫情防控期間，在人流量密集的公共場(chǎng)所，紅外體溫檢測(cè)儀被廣泛應(yīng)用，它可以實(shí)現(xiàn)大范圍地查看人們的體溫，如果存在異常就會(huì)報(bào)警并對(duì)體溫異常人員進(jìn)行抓拍，有效地遏制疫情傳播。因此，關(guān)于紅外芯片的研究在軍事、交通、個(gè)人健康等領(lǐng)域都有著極其重要的意義。

紅外探測(cè)器已成為各國(guó)研究的重要方向。盡管我國(guó)對(duì)紅外探測(cè)器的發(fā)展已經(jīng)提供了大力支持，但技術(shù)水平與其他國(guó)家仍有一定的差距，并且國(guó)外對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)嚴(yán)格保密，所以我們需要投入更多的精力進(jìn)行創(chuàng)新，不斷縮小與國(guó)外的技術(shù)差距。

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于TSMC 0.18 μm工藝，研究并設(shè)計(jì)了一種384×288像元陣列非制冷紅外焦平面讀出電路，總體結(jié)構(gòu)包括非均勻性消除結(jié)構(gòu)、像元結(jié)構(gòu)和CTIA結(jié)構(gòu)三個(gè)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(huì)與標(biāo)準(zhǔn)值有較大誤差，使得在像元陣列中每個(gè)像元產(chǎn)生不同的輸出；而且即使輻射功率相同，每個(gè)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(tài)中，紅外焦平面陣列中所設(shè)計(jì)的各個(gè)明像元響應(yīng)圖像關(guān)系均相同。非均勻性是指紅外探測(cè)器自身的材料、工藝上的缺陷等均有可能使各個(gè)明像元具有不同的響應(yīng)曲線，此時(shí)同等條件的紅外輻射下各探測(cè)元的響應(yīng)輸出曲線不同。而本文依據(jù)非均勻特性所設(shè)計(jì)的校正電路結(jié)構(gòu)可以降低制造工藝上的復(fù)雜度，從而引入探測(cè)器電阻的非均勻性對(duì)輸出的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而降低對(duì)輸出信號(hào)的干擾。

產(chǎn)生非均勻性有以下兩個(gè)原因：（1）陣列里的不同探測(cè)元均對(duì)應(yīng)不同的響應(yīng)曲線，這種差異性是由多種因素造成的，如感應(yīng)面積的大小、不同區(qū)域的摻雜濃度等；（2）無效探測(cè)元對(duì)輸出電路存在影響，由于制造工藝的原因，部分無效像元對(duì)紅外輻射不會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，但會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生非均勻性的影響。

非均勻性模塊中每列由D0～D2信號(hào)控制，芯片內(nèi)共有3×640=1 920個(gè)信號(hào)。依據(jù)MEMS的性能可以控制在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)差為3 kΩ（1%），其電壓的可控動(dòng)態(tài)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(jù)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(jié)構(gòu)中可通過調(diào)節(jié)使得允許最大電流值大于200 nA。在偏壓、和數(shù)字信號(hào)D0、D1、D2的作用下輸出調(diào)整電流。

用于調(diào)節(jié)調(diào)整電流，D0輸出支路的調(diào)整電流為：

此時(shí)V的值為：

而D1、D2支路的計(jì)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(yīng)為它們的電阻之比，即1：2：4。設(shè)D0支路上的電流為，先假設(shè)MOS管的電阻對(duì)于像元電阻來說可以忽略不計(jì)，得到的表達(dá)式為：

同理可得，2和4的表達(dá)式分別為：

而輸出電流為：

2.2 像元結(jié)構(gòu)

像元的電流性質(zhì)是外界溫度的改變導(dǎo)致像元阻值的變化，此支路的電流也會(huì)產(chǎn)生小幅度的變動(dòng)，這個(gè)微小的電流通過M8 MOS管流出，再經(jīng)由CTIA電路積分放大，進(jìn)而變?yōu)殡妷簜魉徒o下一級(jí)。

設(shè)計(jì)盲像元電路是為了代替真實(shí)像元，可以在晶圓的電路功能檢測(cè)階段代替有效像元生成電流，從而檢測(cè)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(huì)產(chǎn)生電流，則像元電路中的和支路電流的差值為0。當(dāng)外界有紅外光時(shí)，根據(jù)像元的電流性質(zhì)，則有效像元的阻值會(huì)發(fā)生微小變動(dòng)，就會(huì)與盲像元電路生成漏電流，接著通過傳輸?shù)较乱粋€(gè)CTIA支路，再被積分成電壓傳輸?shù)较乱患?jí)。

在像元結(jié)構(gòu)電路中，電壓的模擬信號(hào)包括、、三個(gè)信號(hào)，可以為電路的輸入提供不同的信號(hào)值。而Testp信號(hào)則為數(shù)字信號(hào)，決定著M11、M10、M7、M8這四個(gè)管的開通與關(guān)斷，進(jìn)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(diào)整這些數(shù)值進(jìn)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(shù)字信號(hào)同時(shí)開啟，并且時(shí)序全部相同，負(fù)責(zé)向盲像元供給偏置電壓。

工作在飽和區(qū)的MOS管，其D與S之間的電阻值與、V的關(guān)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(fā)生變化，電流差也會(huì)發(fā)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(xué)性質(zhì)。

讀出電路的特性可以通過像元電路來初步檢測(cè)，但是通過有效像元電路的檢測(cè)只能在封裝過后才可以進(jìn)行，并且封裝的成本很高。因此可以通過盲像元電路來實(shí)現(xiàn)在晶圓測(cè)試時(shí)和封裝之前初步檢查讀出電路的電學(xué)性質(zhì)，提前判斷讀出電路是否正常，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)成本；而且在晶圓測(cè)試后、芯片封裝之前，盲像元電路在選擇信號(hào)的控制下保持關(guān)斷狀態(tài)，進(jìn)而消除對(duì)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(jié)果曲線和有效像元電路的曲線均為線性關(guān)系，電學(xué)性質(zhì)相同，可以很好地實(shí)現(xiàn)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(shì)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(jié)構(gòu)

對(duì)于紅外焦平面的讀出電路，目前已出現(xiàn)以下多類輸入級(jí)結(jié)構(gòu)：（1）自積分型（SI）：動(dòng)態(tài)范圍小，無探測(cè)器偏壓控制，固定圖像的噪聲高、線性度低，但優(yōu)點(diǎn)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(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)范圍不斷提高，探測(cè)器偏壓的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步控制，但面積與功耗方面卻略有增大。對(duì)于電容反饋互導(dǎo)放大器型（CTIA）結(jié)構(gòu)來說，雖然其所需的面積以及功耗高，但是優(yōu)點(diǎn)還是比較明顯的，主要表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)范圍高、具有探測(cè)器偏置電壓控制穩(wěn)定性、優(yōu)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(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)積分之后的電流進(jìn)行放大，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功耗，從而達(dá)到降低系統(tǒng)總功耗的目的。

如圖3所示的CTIA電路結(jié)構(gòu)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(hào)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(jié)構(gòu)

假設(shè)為低電平、integrate_en為高電平時(shí)，M1為截止?fàn)顟B(tài)，M2為導(dǎo)通狀態(tài)，在的作用下進(jìn)行積分。若是integral_time，所得的表達(dá)式為：

假設(shè)為高電平時(shí)，則積分電路進(jìn)行復(fù)位，此時(shí)會(huì)使=。由式（1）可得，積分電路中得到的輸出電壓值與運(yùn)放的增益的大小有關(guān)。在理想情況下，運(yùn)放的開環(huán)增益可以達(dá)到無窮大，就可以忽略偏差所帶來的影響；但實(shí)際過程中的運(yùn)放增益是有局限性的，所以會(huì)造成偏差，影響最終的輸出效果。此外，對(duì)于輸入信號(hào)，則會(huì)存在失調(diào)電壓的影響，同樣也會(huì)造成偏差。但以上兩種偏差通常在實(shí)際應(yīng)用中是不可避免的。

在設(shè)計(jì)過程中，采用控制變量法，只改變積分電流的值，其他參數(shù)的狀態(tài)不變。由式（1）可知，輸出特性會(huì)發(fā)生不同的改變。如圖4所示為值不同的情況下其對(duì)應(yīng)電壓隨的變化趨勢(shì)。理想條件下，即>，所對(duì)應(yīng)的積分電壓輸出特性曲線斜率較大；在相等積分時(shí)間內(nèi)，積分電壓也較大。因此可以得出結(jié)論：在相同的輸出電壓下，積分電流越大，所需要的積分時(shí)間就會(huì)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(dāng)增大的值，增大放大器的增益，進(jìn)而提高系統(tǒng)的響應(yīng)率以及探測(cè)器的靈敏度。

通過上述分析，可以得到關(guān)鍵參數(shù)、、、與之間的關(guān)系。若為低電平時(shí)，那么電路處于積分狀態(tài)，仿真前參數(shù)、的數(shù)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(shù)據(jù)與本文設(shè)計(jì)的讀出電路所預(yù)期的目標(biāo)相符合。

圖5 積分電流為50 nA時(shí)的積分電路瞬態(tài)仿真結(jié)果

圖6 積分電流為100 nA時(shí)的積分電路瞬態(tài)仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)的紅外芯片存在有效像元成本高、制造工藝復(fù)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(duì)照像元電路模塊和電容反饋互導(dǎo)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(jié)構(gòu)通過Cadence軟件進(jìn)行仿真。由結(jié)果可以看出，積分電壓吻合表達(dá)式表現(xiàn)出良好線性度和放大性能，同時(shí)也減弱了環(huán)境與數(shù)據(jù)采集的絕對(duì)差對(duì)輸出結(jié)果的影響，最終與預(yù)期設(shè)想相符合。