隨著紅外技術(shù)和探測(cè)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。讀出電路作為連接探測(cè)器陣列與后級(jí)圖像處理電路的關(guān)鍵模塊，其性能對(duì)中短波紅外相機(jī)系統(tǒng)性能具有重要影響，決定了最終的成像質(zhì)量。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，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(tuán)隊(duì)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。該文章第一作者為陳繼明；通訊作者為陳鋮穎副教授，主要從事混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)范圍、幀頻等問(wèn)題，重點(diǎn)探討了針對(duì)以上問(wèn)題的解決方案。最后對(duì)讀出電路未來(lái)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向進(jìn)行了討論。

研究現(xiàn)狀

目前，針對(duì)讀出電路的研究主要集中在積分器和列信號(hào)處理電路上，高性能的讀出電路需要積分器具有較強(qiáng)的電荷處理能力、較低的噪聲以及積分過(guò)程中的偏置穩(wěn)定性。讀出電路輸入級(jí)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(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是光電探測(cè)器無(wú)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(jiǎn)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(duì)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(diǎn)是此結(jié)構(gòu)應(yīng)用了運(yùn)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)用最廣泛的結(jié)構(gòu)，利用密勒補(bǔ)償?shù)脑恚诜e分電容較小的時(shí)候也能保證較大的放大倍數(shù)，可以檢測(cè)很小的光電流，此結(jié)構(gòu)多用于短波紅外讀出電路，缺點(diǎn)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(wèn)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(jī)構(gòu)對(duì)輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的噪聲、線性度、動(dòng)態(tài)范圍等特性進(jìn)行了探索。

目前，所有報(bào)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(jì)。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(kuò)大，工藝制造偏差引起的固定圖形噪聲以及傳感器噪聲會(huì)對(duì)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(hào)甚至比入射的光信號(hào)大得多，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的讀出電路，需要對(duì)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(dòng)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Γ嚵性龃笠鸬姆蔷鶆蛐栽龃?、功耗增加、幀頻/噪聲/動(dòng)態(tài)范圍受限等都是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

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(guò)一個(gè)周期的積分、讀出以及后級(jí)電路處理過(guò)程所使用時(shí)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(yùn)放帶寬的限制也提高了大陣列高幀頻的設(shè)計(jì)難度。因此設(shè)計(jì)中考慮到電路的功耗和速度，需要折中一部分讀出速率。

噪聲

紅外成像系統(tǒng)中的噪聲源包括探測(cè)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(lái)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(hào)模型如圖1所示。在實(shí)際設(shè)計(jì)中積分電容、負(fù)載電容的大小和噪聲性能需要折中考慮。

圖1 CTIA小信號(hào)模型

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是評(píng)價(jià)讀出電路性能的重要指標(biāo)之一，定義為最大積分電平與讀出電路噪聲均方根值的比值?？梢詮膬蓚€(gè)角度來(lái)提高動(dòng)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(shí)等效噪聲電子數(shù)也越大。對(duì)于固定積分電容的常規(guī)電路來(lái)說(shuō)，很難同時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍。

解決方案

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

幀頻的提升

幀頻是紅外讀出電路每秒對(duì)紅外光的檢測(cè)次數(shù)。讀出速率為單位時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)的數(shù)量，一般由陣列規(guī)模、積分時(shí)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(guò)多通道并行輸出即多個(gè)輸出緩沖器同時(shí)工作以及設(shè)置合理的時(shí)序等方式可以提高系統(tǒng)的幀頻。

噪聲以及動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)化

噪聲性能與動(dòng)態(tài)范圍有著密切聯(lián)系，因此為了提高讀出電路動(dòng)態(tài)范圍就必須進(jìn)行相應(yīng)的低噪聲設(shè)計(jì)，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(dòng)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(diǎn)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(lái)源于運(yùn)放，因此可以優(yōu)化運(yùn)放結(jié)構(gòu)，減小噪聲，進(jìn)而提高動(dòng)態(tài)范圍。T.Ngo等人設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)M3、M4的電流較大，而流過(guò)M5、M6、M7的電流較小，在增加M1的跨導(dǎo)的同時(shí)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(yùn)放，其噪聲性能更好，在100 kHz時(shí)鐘頻率、10 pF積分電容下，輸出噪聲均方根值僅有188.7 μV。

圖2 改進(jìn)的單端運(yùn)放電路圖

Y. Jo等人為了達(dá)到高動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)積分電路，陣列大小為640×512，輸入級(jí)為CTIA型，如圖3所示。在主積分前有一個(gè)預(yù)積分的過(guò)程，預(yù)積分最終值和斜坡電壓Vramp進(jìn)行比較，通過(guò)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(dòng)態(tài)范圍。電路中還包含簡(jiǎn)單CDS，以及12位的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器由可變時(shí)鐘和12位的計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了140 dB。

圖3 自適應(yīng)積分電容讀出電路框圖

為了解決采用了額外的運(yùn)算放大器作為比較器功耗較高的問(wèn)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(diǎn)，如圖4所示。先是時(shí)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。

圖4 改進(jìn)后的CTIA自適應(yīng)積分電路

除了對(duì)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(chǎng)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(shí)先用小電容100 fF進(jìn)行積分，此時(shí)為高增益模式。如果積分結(jié)束時(shí)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(shí)間超過(guò)Vref，則后續(xù)時(shí)序電路將SW打開，切換成大電容400 fF，此時(shí)為低增益模式。如果電流繼續(xù)增大，則切換成HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）模式。

圖5 DI型結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)積分電路

未來(lái)改進(jìn)方向

隨著相關(guān)研究人員對(duì)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(jià)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(dòng)態(tài)范圍、噪聲、功耗等方面還有一些改進(jìn)之處。

在動(dòng)態(tài)范圍方面，自適應(yīng)積分電容電路存在的問(wèn)題是，D觸發(fā)器如果在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前輸出結(jié)果，那么開關(guān)狀態(tài)將會(huì)延遲一個(gè)時(shí)鐘周期變化，這會(huì)帶來(lái)延遲噪聲，限制了動(dòng)態(tài)范圍。在這個(gè)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(shí)鐘門控技術(shù)，從而減小延遲噪聲，進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)范圍。

在噪聲方面，從前文分析可知，讀出電路中的運(yùn)放熱噪聲和閃爍噪聲占主要部分，即使可以通過(guò)相關(guān)雙采樣消除部分低頻熱噪聲和閃爍噪聲，但是同時(shí)會(huì)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(yùn)放的輸入級(jí)結(jié)構(gòu)中，可以使用單端運(yùn)放，大幅減小閃爍噪聲以及熱噪聲。同時(shí)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(jí)級(jí)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(wú)運(yùn)放的簡(jiǎn)單輸入級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)為CTIA型。除了使用單端運(yùn)放之外，也可以將運(yùn)放晶體管偏置在亞閾值區(qū)以減小功耗。在信號(hào)處理鏈路方面，當(dāng)一列像素被選中時(shí)，關(guān)閉其它列像素的尾電流源以減小整個(gè)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(diǎn)探測(cè)器，并結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的CTIA來(lái)達(dá)到高分辨率。此外，Q. LIU等人提出了一種與0.5 μm 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(shí)，提高輸出動(dòng)態(tài)范圍。

總結(jié)與展望

本文針對(duì)中短波紅外讀出電路中噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、幀頻等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，綜述了近年來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案，對(duì)各成果設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述，并展望了讀出電路未來(lái)的改進(jìn)趨勢(shì)。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(cè)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(shì)來(lái)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(jì)中亟待發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

審核編輯：劉清