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隨著紅外技術(shù)和探測器性能的進(jìn)步，中波和短波紅外技術(shù)在惡劣天氣中具有更優(yōu)秀的成像性能，在民用、軍事和航空航天等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。讀出電路作為連接探測器陣列與后級圖像處理電路的關(guān)鍵模塊，其性能對中短波紅外相機系統(tǒng)性能具有重要影響，決定了最終的成像質(zhì)量。

近期，廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院和北京大學(xué)電子學(xué)院碳基電子學(xué)研究中心的科研團隊在《微電子學(xué)》期刊上發(fā)表了以“中短波紅外圖像傳感器讀出電路研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章作者為陳繼明；通訊作者為陳鋮穎副教授，主要從事混合信號集成電路設(shè)計方面的研究工作。

本文綜述了中短波紅外圖像傳感器讀出電路的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了讀出電路中噪聲、動態(tài)范圍、幀頻等問題，重點探討了針對以上問題的解決方案。最后對讀出電路未來設(shè)計的改進(jìn)方向進(jìn)行了討論。

研究現(xiàn)狀

目前，針對讀出電路的研究主要集中在積分器和列信號處理電路上，高性能的讀出電路需要積分器具有較強的電荷處理能力、較低的噪聲以及積分過程中的偏置穩(wěn)定性。讀出電路輸入級主要分為三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

一是自積分型（SI），這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是光電探測器無法保證有穩(wěn)定的偏置電壓，導(dǎo)致線性度較差，此結(jié)構(gòu)已逐漸被淘汰。二是直接注入型（DI），與SI型不同的是直接注入型積分器有穩(wěn)定偏置并且結(jié)構(gòu)也較為簡單，功耗也較小，但是在光電流較小的情況下，注入效率較低，因此直接注入型多用于中波紅外讀出電路中。三是緩沖注入型（BDI），是對DI型改進(jìn)的一種結(jié)構(gòu)，利用負(fù)反饋的原理減小電路的輸入阻抗，提高了光電流注入效率，缺點是此結(jié)構(gòu)應(yīng)用了運算放大器，導(dǎo)致靜態(tài)功耗較高。電容反饋跨阻放大器型（CTIA）是應(yīng)用泛的結(jié)構(gòu)，利用密勒補償?shù)脑?，在積分電容較小的時候也能保證較大的放大倍數(shù)，可以檢測很小的光電流，此結(jié)構(gòu)多用于短波紅外讀出電路，缺點是單元電路面積較大。

除了以上三種結(jié)構(gòu)之外還存在柵調(diào)制型（GMOD）、電流鏡積分型（CMI）等，但是由于這些結(jié)構(gòu)存在帶寬和制造工藝缺陷問題，并沒有得到廣泛應(yīng)用。為了優(yōu)化讀出電路的性能，各研究機構(gòu)對輸入級結(jié)構(gòu)的噪聲、線性度、動態(tài)范圍等特性進(jìn)行了探索。

目前，所有報道的中短波讀出電路都是基于以上結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。傳統(tǒng)讀出電路的性能主要受到陣列大小和各類噪聲的限制。隨著陣列規(guī)模逐漸擴大，工藝制造偏差引起的固定圖形噪聲以及傳感器噪聲會對讀出電路性能產(chǎn)生巨大影響。尤其在某些電路中工藝中，失配較為嚴(yán)重。噪聲信號甚至比入射的光信號大得多，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。為了實現(xiàn)高質(zhì)量的讀出電路，需要對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，提高抑制噪聲性能以及增加滿阱容量，在噪聲、動態(tài)范圍、幀頻等特性之間取得良好的平衡。

中短波讀出電路面臨的挑戰(zhàn)

中短波紅外圖像傳感器在軍事和航空航天領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，陣列增大引起的非均勻性增大、功耗增加、幀頻/噪聲/動態(tài)范圍受限等都是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1.幀頻

在紅外圖像傳感器中，幀頻是讀出速率的表現(xiàn)形式。讀出電路經(jīng)過一個周期的積分、讀出以及后級電路處理過程所使用時間的倒數(shù)為一幀。大輸出電流有助于提高讀出速率，但是模擬電路本身的工作速度以及運放帶寬的限制也提高了大陣列高幀頻的設(shè)計難度。因此設(shè)計中考慮到電路的功耗和速度，需要折中一部分讀出速率。

2.噪聲

紅外成像系統(tǒng)中的噪聲源包括探測器熱噪聲、閃爍噪聲。另一部分是讀出電路部分的噪聲。以CTIA型為例，噪聲來源主要包含放大器熱噪聲、閃爍噪聲、積分電容復(fù)位開關(guān)管的KTC噪聲。CTIA積分器的小信號模型如圖1所示。在實際設(shè)計中積分電容、負(fù)載電容的大小和噪聲性能需要折中考慮。

3.動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是評價讀出電路性能的重要指標(biāo)之一，定義為積分電平與讀出電路噪聲均方根值的比值?？梢詮膬蓚€角度來提高動態(tài)范圍，一是提高滿阱電荷，二是降低輸出等效噪聲電子數(shù)。這兩者都與積分電容有著密切關(guān)系。積分電容越大，滿阱容量就越大，但是同時等效噪聲電子數(shù)也越大。對于固定積分電容的常規(guī)電路來說，很難同時滿足大的滿阱容量和小的噪聲電子數(shù)，所以很難達(dá)到高動態(tài)范圍。因此可以設(shè)置不同檔位的積分電容值，從而提高讀出電路的動態(tài)范圍。

解決方案

在前文對讀出電路的原理及現(xiàn)存相關(guān)問題的分析基礎(chǔ)上，針對幀頻、噪聲、動態(tài)范圍等問題總結(jié)目前研究成果中的解決方案。

1.幀頻的提升

幀頻是紅外讀出電路每秒對紅外光的檢測次數(shù)。讀出速率為單位時間內(nèi)輸出信號的數(shù)量，一般由陣列規(guī)模、積分時間、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率等因素決定。目前，像元陣列規(guī)模逐漸增加，提高幀頻就需要具有更高讀出速率的電路，通過多通道并行輸出即多個輸出緩沖器同時工作以及設(shè)置合理的時序等方式可以提高系統(tǒng)的幀頻。

2.噪聲以及動態(tài)范圍的優(yōu)化

噪聲性能與動態(tài)范圍有著密切聯(lián)系，因此為了提高讀出電路動態(tài)范圍就必須進(jìn)行相應(yīng)的低噪聲設(shè)計，以優(yōu)化輸出性能。目前廣泛使用的技術(shù)有增加?xùn)艠O面積技術(shù)、斬波技術(shù)、自動調(diào)零技術(shù)、添加電容并聯(lián)到輸入電容技術(shù)、添加反饋MOS、電容交叉耦合技術(shù)、零極點技術(shù)、并聯(lián)諧振技術(shù)等。

由于讀出電路的噪聲大部分來源于運放，因此可以優(yōu)化運放結(jié)構(gòu)，減小噪聲，進(jìn)而提高動態(tài)范圍。T.Ngo等人設(shè)計了一個陣列大小256×1的讀出電路，輸出擺幅為2.3 V，兩檔積分電容分別為10 pF、0.5 pF。如圖2所示，保持流過M3、M4的電流較大，而流過M5、M6、M7的電流較小，在增加M1的跨導(dǎo)的同時增加輸出阻抗，從而提高了增益。使用單端結(jié)構(gòu)可以大幅減小熱噪聲以及閃爍噪聲，這種結(jié)構(gòu)相比差分結(jié)構(gòu)的運放，其噪聲性能更好，在100 kHz時鐘頻率、10 pF積分電容下，輸出噪聲均方根值僅有188.7μV。

Y.Jo等人為了達(dá)到高動態(tài)范圍設(shè)計了一個自適應(yīng)積分電路，陣列大小為640×512，輸入級為CTIA型，如圖3所示。在主積分前有一個預(yù)積分的過程，預(yù)積分最終值和斜坡電壓Vramp進(jìn)行比較，通過一位的鎖存器選擇大積分電容或者小積分電容，大大提高了動態(tài)范圍。電路中還包含簡單CDS，以及12位的存儲器，存儲器由可變時鐘和12位的計數(shù)器進(jìn)行控制，動態(tài)范圍達(dá)到了140 dB。

為了解決采用了額外的運算放大器作為比較器功耗較高的問題，Y.S.Kim等人提出的電路同樣有自適應(yīng)切換積分電容的優(yōu)點，如圖4所示。先是時間較短的預(yù)積分，預(yù)積分最終值與Vref2比較，比較器輸出結(jié)果由鎖存器保持住，直到主積分結(jié)束。

除了對基于CTIA型積分器的讀出電路進(jìn)行改進(jìn)，Y.S.Kim等人還提出了一種用于MWIR場景的讀出電路，使用DI型積分器，其單元電路如圖5所示。該結(jié)構(gòu)采用兩檔積分電容，積分時先用小電容100 fF進(jìn)行積分，此時為高增益模式。如果積分結(jié)束時最終電壓值小于Vref，則不改變積分電容大小。若電流增大，積分電壓在短時間超過Vref，則后續(xù)時序電路將SW打開，切換成大電容400 fF，此時為低增益模式。如果電流繼續(xù)增大，則切換成HDR（高動態(tài)范圍）模式。

未來改進(jìn)方向

隨著相關(guān)研究人員對于紅外圖像傳感器探索的不斷深入，讀出電路的研究潛力和商業(yè)價值將逐步顯現(xiàn)。因此，中短波圖像傳感器讀出電路也成為紅外成像系統(tǒng)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，其動態(tài)范圍、噪聲、功耗等方面還有一些改進(jìn)之處。

在動態(tài)范圍方面，自適應(yīng)積分電容電路存在的問題是，D觸發(fā)器如果在時鐘上升沿到來之前輸出結(jié)果，那么開關(guān)狀態(tài)將會延遲一個時鐘周期變化，這會帶來延遲噪聲，限制了動態(tài)范圍。在這個基礎(chǔ)上，可以使用雙邊沿型D觸發(fā)器，在多檔積分電容模式中采用一種異步時鐘門控技術(shù)，從而減小延遲噪聲，進(jìn)一步提高動態(tài)范圍。

在噪聲方面，從前文分析可知，讀出電路中的運放熱噪聲和閃爍噪聲占主要部分，即使可以通過相關(guān)雙采樣消除部分低頻熱噪聲和閃爍噪聲，但是同時會提高高頻的熱噪聲，并且也增加了電路復(fù)雜度。在CTIA和BDI等需要運放的輸入級結(jié)構(gòu)中，可以使用單端運放，大幅減小閃爍噪聲以及熱噪聲。同時建立更精確的噪聲模型，根據(jù)焦平面陣列的積分原理，從晶體管的噪聲系數(shù)、電路噪聲等效功率譜密度、噪聲傳遞函數(shù)導(dǎo)出焦平面陣列噪聲，從而更精確地優(yōu)化噪聲性能。

在功耗方面，隨著陣列的不斷增加，功耗也隨之提高。為了降低功耗，Z.LU等人提出了一種在輸出緩沖電路中使用兩級級聯(lián)源極跟隨器結(jié)構(gòu)，以降低讀出電路的功耗，并確保輸出電壓具有高線性度。在中波紅外讀出電路中可以使用無運放的簡單輸入級結(jié)構(gòu)，如DI，以達(dá)到低功耗需求。而在短波紅外讀出電路中，大部分輸入級結(jié)構(gòu)為CTIA型。除了使用單端運放之外，也可以將運放晶體管偏置在亞閾值區(qū)以減小功耗。在信號處理鏈路方面，當(dāng)一列像素被選中時，關(guān)閉其它列像素的尾電流源以減小整個陣列的功耗。

在減小單元電路面積方面，可以使用具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的膠體量子點探測器，并結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的CTIA來達(dá)到高分辨率。此外，Q.LIU等人提出了一種與0.5μm CMOS工藝兼容的四層電容器，具有較大單位面積電容，可以在減小電路面積的同時，提高輸出動態(tài)范圍。

總結(jié)與展望

本文針對中短波紅外讀出電路中噪聲、動態(tài)范圍、幀頻等設(shè)計挑戰(zhàn)，綜述了近年來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案，對各成果設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述，并展望了讀出電路未來的改進(jìn)趨勢。隨著軍事、航空航天等領(lǐng)域?qū)χ卸滩t外圖像傳感器的需求日益增大，探測器系統(tǒng)要求讀出電路向著多功能化、高度集成、多波段工作的方向發(fā)展。從讀出電路發(fā)展趨勢來看，自積分電容技術(shù)、陣列分塊、數(shù)字校正等技術(shù)將成為中短波紅外讀出電路設(shè)計中亟待發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

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