王錦春 ，關(guān) 鈺，彭震宇，2，呂衍秋，2，馬德軍，2，劉鎮(zhèn)碩

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009;2.紅外探測器技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471009;3.東南大學(xué)國家專用集成電路工程技術(shù)研究中心，南京210096)

紅外成像技術(shù)由于在紅外搜索與跟蹤、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、前視紅外系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及其它戰(zhàn)略上的多重應(yīng)用需求而得到迅速發(fā)展［1］。紅外焦平面陣列(IRFPA)是紅外成像技術(shù)中獲取紅外圖像信號的核心光電器件，經(jīng)過幾十年的技術(shù)進(jìn)步，目前已經(jīng)發(fā)展到以大面陣高分辨率、高性能、雙色和多色以及智能化為特征的第3 代紅外焦平面探測器［2-3］。

雙色技術(shù)作為第3 代紅外探測器的一種技術(shù)方法，可以響應(yīng)同一輻射目標(biāo)的兩個不同波段的信息，可以對復(fù)雜背景進(jìn)行有效抑制，提高目標(biāo)的探測與識別能力。近年來，雙色紅外焦平面探測器及其讀出電路成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域［4-6］。針對不同的應(yīng)用需求，雙色紅外焦平面陣列的器件結(jié)構(gòu)與波段組合包括 SWIR/MWIR、MWIR/MWIR、MWIR/LWIR 與LWIR/VLWIR 等［7］。

讀出電路(ROIC)完成紅外焦平面探測器轉(zhuǎn)換后電信號的放大、采樣保持以及多路傳輸，其功能與性能直接決定了紅外焦平面探測器組件應(yīng)用范圍及性能，是紅外焦平面陣列的重要組成部分。國內(nèi)讀出電路設(shè)計(jì)技術(shù)起步較晚，功能豐富、性能優(yōu)異的讀出電路設(shè)計(jì)技術(shù)已成為目前紅外焦平面陣列研究中快速發(fā)展的技術(shù)之一［8-10］。

1 雙色紅外焦平面讀出電路設(shè)計(jì)

1.1 P-N-N-P 疊層雙色紅外探測器結(jié)構(gòu)

128×128 疊層雙色紅外焦平面探測器采用MWIR/SWIR 組合的P-N-N-P 結(jié)構(gòu)。探測器單元結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，兩個探測器垂直疊加形成疊層雙色結(jié)構(gòu)，背入射的紅外信號透過襯底后，短波紅外信號被禁帶寬度較大的短波二極管吸收，光生載流子被短波P-N 結(jié)分開，電流信號從短波(SW)與公共電極(COMMON)輸出;中波紅外穿過寬禁帶勢壘阻擋層后，被禁帶寬度較低的中波二極管吸收，光生載流子被中波P-N 結(jié)分開，電流信號從中波(MW)與公共電極(COMMON)輸出。該探測器有3 個獨(dú)立電極，可以同時得到中波與短波紅外信號，簡化讀出電路的設(shè)計(jì)難度，同時又可以使中波與短波同時積分同時讀出，縮短幀周期。探測器等效電路如圖1(b)所示，中波與短波信號分別從獨(dú)立的電極MW與SW 引出，共用一個公共電極COMMON。

圖1 P-N-N-P 雙色紅外探測器單元結(jié)構(gòu)及其等效電路

1.2 讀出電路總體結(jié)構(gòu)

探測器單元輸出的中波與短波電信號分別通過相對應(yīng)的銦柱連接到對應(yīng)的讀出電路單元上，讀出電路完成電信號的放大、采樣保持以及多路傳輸。根據(jù)探測器的具體要求及應(yīng)用需求，128×128 雙色紅外焦平面讀出電路總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，時序產(chǎn)生電路在主時鐘(CLK)、中波積分控制信號(MWINT)與短波積分控制信號(MWINT)的控制下產(chǎn)生行選擇電路與列選擇電路，直接注入(DI)型單元電路讀出的紅外信號在行選與列選信號的控制下分別經(jīng)過各自的列運(yùn)算放大器并緩沖輸出到各自的輸出端口。

圖2 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路總體結(jié)構(gòu)圖

1.3 讀出電路單元電路及信號通路

單元電路是紅外焦平面讀出電路重要的組成模塊，直接決定了讀出電路乃至焦平面探測器組件的最終性能。根據(jù)紅外系統(tǒng)以及探測器的不同應(yīng)用需求，單元電路的主要結(jié)構(gòu)有直接注入(DI)、源跟隨(SF)、緩沖直接注入(BDI)、電容跨導(dǎo)積分放大器(CTIA)、開關(guān)電流積分(SCI)以及柵調(diào)制輸入(GMI)等［11］。雙色紅外焦平面讀出電路需要在一個探測器單元面積內(nèi)同時設(shè)計(jì)中波與短波兩套獨(dú)立的單元電路，本文設(shè)計(jì)的電路中每個波段有電容選擇開關(guān)，從而在每個波段都需要4 個獨(dú)立的積分電容，對面積的要求非常嚴(yán)格，因此本文選取結(jié)構(gòu)簡單的直接注入結(jié)構(gòu)作為電路的輸入級，可以在同樣的單元面積內(nèi)獲得更大容量的電容。

圖3 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路單元電路及信號通路

單元電路、列運(yùn)算放大器和輸出緩沖器組成的完整信號通路如圖3 所示，中、短波信號同時從探測器進(jìn)入讀出電路單元內(nèi)部，由于中、短波采用的電路結(jié)構(gòu)完全相同，只是積分電容大小以及部分MOS 管的具體尺寸有所不同，僅以中波部分為例介紹一下單元電路的具體工作原理。

中波單元電路由MOS 器件M1～M5、電容MWC1以及MWC2組成，紅外探測器工作在反向偏置狀態(tài)，探測器公共端COMMON 加正電源電壓5 V，光電流通過注入管M2向積分電容充電，完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換。單元電路積分過程結(jié)束后，行選擇信號LSEL(i)(i=1 ～128)控制的NMOS 管M5打開，將積分電容上的電荷傳輸?shù)搅羞\(yùn)算放大器并保持，在列選擇信號CSEL(i)(i=1 ～128)的控制下，列運(yùn)算放大器上的電壓被依次緩沖輸出到輸出端MWOUT。單元電路中的M1是測試管，通過柵電壓VMWTest的調(diào)節(jié)，模擬探測器的光電流信號，可以完成讀出電路的單獨(dú)測試。在探測器與讀出電路互連后，將探測器柵電壓VMWTest短接到VDD 即可關(guān)斷M1。復(fù)位管M3復(fù)位完成后讀出電路積分前單元電路內(nèi)積分電容上電荷為零，保證單元電路積分開始時輸出電平的一致性。每列單元電路的輸出共用一個列運(yùn)算放大器的負(fù)反饋端，列放大器的正反饋端接基準(zhǔn)電壓VVMWREF，通過行選擇信號依次選通各行的單元積分電容上的電荷。列放大器包含一個行復(fù)位信號AMPRST，在每行單元電路內(nèi)的電荷信號經(jīng)過輸出緩沖器輸出后，列放大器都要進(jìn)行一次復(fù)位操作，以保證下一行數(shù)據(jù)可以有效進(jìn)入列運(yùn)算放大器并緩沖輸出。電容選擇端MWADDC 可以根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需求選擇單元電路內(nèi)不同大小的積分電容，增加系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。

假定積分電容MWC1與MWC2均參與工作，列運(yùn)算放大器反饋電容MWC3與MWC4的電容值分別與單元電路對應(yīng)的積分電容相等，即CMWC1=CMWC3且CMWC2=CMWC4，探測器單元轉(zhuǎn)換后的光電流為Iint(i，j)(i=1 ～128，j=1 ～128)，積分時間為Tint，注入效率為η，經(jīng)過積分過程已經(jīng)列運(yùn)算放大器的電荷再分配過程，最終的中波輸出端電壓為［10］:

輸出電壓VMWOUT的最大電壓與基準(zhǔn)電壓VVMWREF有關(guān)，當(dāng)積分電流為0 時，最大輸出電壓為2VVMWREF。因此可以通過調(diào)節(jié)VVMWREF的大小獲得較大的輸出擺幅，從而獲得更大的探測器動態(tài)范圍，當(dāng)然，VVMWREF的大小仍然受電路中其他MOS 管的工作狀態(tài)制約而選取合適的值，從而最大范圍地獲得輸出擺幅的提升。

1.4 讀出電路時序設(shè)計(jì)

128×128 雙色紅外焦平面讀出電路工作于同時積分、同時讀出模式，中波與短波積分控制信號通過INTMW 與INTSW 兩個信號端口同時送入時序產(chǎn)生電路中，當(dāng)中波積分與短波積分都完成后開始同時讀出中、短波信號，讀出電路一幀與一行的具體時序圖如圖4 所示。在圖4(a)中，主時鐘CLK、中波積分控制信號INTMW 與短波積分控制信號INTSW 產(chǎn)生內(nèi)部需要的各個時鐘信號，積分控制信號周期即為幀周期。中波與短波積分積分控制信號同時送入時序產(chǎn)生電路后產(chǎn)生50 個CLK 周期的復(fù)位信號RST，對像素單元電路進(jìn)行復(fù)位，然后開始積分時間INTm 與INTs，當(dāng)積分過程都完成后同時讀出128行像元信號，每行讀出時間為TL。圖4(b)為一行的讀出時序圖，每行的讀出周期內(nèi)包含有列運(yùn)算放大器復(fù)位時間與128 個像素單元的讀出時間，每個像素單元讀出時間為TC，即一個CLK 周期。

圖4 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路時序圖

2 雙色紅外焦平面讀出電路的仿真

2.1 讀出電路仿真結(jié)果分析

對128×128 雙色紅外焦平面讀出電路進(jìn)行整體電路仿真，輸出波形如圖5 所示，讀出電路整體時序正常工作，滿足設(shè)計(jì)要求。選取一行內(nèi)的8 個像素單元，給定不同的積分電流，中、短波積分電流經(jīng)過積分、列運(yùn)算放大器以及輸出緩沖器后的最終輸出結(jié)果分別如圖6(a)與圖6(b)所示，驗(yàn)證了讀出電路單元電路及整個信號通路正常工作，滿足設(shè)計(jì)要求。

讀出電路輸出電壓與積分電流的線性度是表征讀出電路性能的重要參數(shù)之一［12］，為驗(yàn)證讀出電路積分電流與輸出電壓的線性度，對讀出電路一個單元內(nèi)注入不同積分電流仿真其輸出電壓，中、短波輸出電壓的結(jié)果分別如圖7(a)與圖7(b)所示，輸出電壓隨著積分電流的變化呈線性變化。

圖8(a)、圖8(b)分別是圖7 所示的中、短波輸出電壓與對應(yīng)中、短波積分電流的線性擬合曲線，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，可以看出中、短波的輸出線性度良好。中波線性相關(guān)系數(shù)為99.998%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005 72 V;短波線性相關(guān)系數(shù)為99.413%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.108 01 V。

圖5 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路輸出波形圖

圖6 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路八個像素單元不同積分電流的輸出波形

圖7 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路單元不同積分電流輸出電壓仿真結(jié)果

圖8 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路輸出電壓與積分電流的線性度擬合

2.2 讀出電路版圖設(shè)計(jì)

雙色紅外焦平面讀出電路版圖如圖9 所示，采用0.5μm 雙層多晶三層金屬(DPTM)N 阱CMOS 工藝線設(shè)計(jì)，中間的重復(fù)單元式單元電路，外圍是數(shù)字時序控制部分版圖設(shè)計(jì)，最外圍的是焊盤，整體芯片的面積為9.2 mm×8.0 mm。

圖9 128×128 雙色紅外焦平面讀出電路整體版圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)一種三電極疊層雙色結(jié)構(gòu)探測器的具體應(yīng)用需求，詳細(xì)研究了一種采用直接注入結(jié)構(gòu)的128×128 雙色紅外焦平面讀出電路，對其像素單元、時序設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。該電路在標(biāo)準(zhǔn)的0. 5 μm DPTM 工藝庫進(jìn)行了仿真與版圖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，結(jié)果表明電路工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］ Donald A Reago，Stuart Horn，James Campbell，et al.Third Generation Imaging Sensor System Concepts［C］//Proc of SPIE，1999，3701:108-117.

［2］ Radford W A，Patten E A，King D F，et al. Third Generation FPA Development Status at Raytheon Vision Systems［C］//Proc of SPIE，2005，5783:331-339.

［3］ Philippe Tribolet，Gérard Destefanis. Third Generation and Multi-Color IRFPA Developments:A Unique Approach Based on DEFIR［C］//Proc of SPIE，2005，5783:350-365.

［4］ Martin Walther，Robert Rehm，Joachim Flei?ner，et al. InAs/GaSb Type-ⅡShort-Period Superlattices for Advanced Single and Dual-Color Focal Plane Arrays［C］//Proc of SPIE，2007，6542:61-68.

［5］ Brian Simolon，Naseem Aziz a，Scott Cogan，et al. High Performance Two-Color One Megapixel CMOS ROIC for QWIP Detectors［J］.Infrared Physics ＆ Technology，2009，52:391-394.

［6］ Brian Simolon，Naseem Aziz，Randy Hansen，et al.Standard Format Two-Color CMOS ROIC for SLS Detectors［J］. Infrared Physics ＆Technology，2011，54:306-309.

［7］ 丁瑞軍，葉振華，周文洪，等.雙色紅外焦平面研究進(jìn)展［J］.紅外與激光工程，2008，37(1):14-29.

［8］ 李牧，楊淼，宋文星，等.一種新穎的帶背景抑制紅外讀出單元電路［J］.電子器件，2011，34(6):653-658.

［9］ 康冰心，李煜，白丕績，等.新型電流鏡積分紅外量子阱探測器讀出電路的設(shè)計(jì)分析［J］.紅外技術(shù)，2012，34(2):95-98.

［10］ 夏曉娟，張洪俞.320×256 紅外焦平面陣列讀出電路的設(shè)計(jì)［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，32(2):103-108.

［11］ Chih-Cheng Hsieh，Chung-Yu Wu，F(xiàn)ar-Wen Jih，et al. Focal-Plane-Arrays and CMOS Readout Techniques of Infrared Imaging Systems［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，1997，7(4):594-605.

［12］ 孫偉鋒，宋文星，謝亮，等. CTIA 型單元讀出電路非線性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.航空兵器，2010，6:48-52.