320×256阵列红外焦平面读出电路的设计

    夏晓娟+刘琦+关钰+张杰+孙伟锋

    

    

    

    摘要：提出一种320×256阵列红外焦平面读出电路，采用直接注入模式，具有多路输出、读出顺序可选等功能。具体设计了各个模块电路，并采用chartered 0.35μm工艺进行流片设计。实测结果表明所设计芯片输出摆幅为3.24 V，输出电压线性度为97.15%，功耗为32 mW，具有丰富的读出功能。

    关键词：红外焦平面阵列；读出电路；直接注入；低功耗

    中图分类号：TJ765.1；TN402 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）03-0065-04

    0引言

    近年来，红外探测技术得到迅猛发展。在军事应用上，红外成像制导是利用红外探测器探测目标的红外辐射，以捕获目标红外图像的制导技术，其图像质量与电视相近，但可在电视制导系统难以工作的夜间和低能见度下作战。红外成像制导技术已成为制导技术的一个主要发展方向。在民用领域里，如医疗卫生、消防安全、资源探测、工业监控、天气预报等公共生活领域，红外探测技术也扮演着极其重要的角色。红外读出电路是红外焦平面阵列的关键技术之一，红外焦平面技术的每一次提升都催动着红外读出电路技术的发展，红外读出电路性能的优劣直接影响红外成像系统的成像质量。

    1电路结构

    读出电路的组成结构按信号通路一般可分为像素单元级、列处理级、输出驱动器以及数字控制电路，其结构如图1所示。

    图1中，像素单元级接收来自探测器的微弱电流信号，并将微弱电流信号转化为电压信号。由于要和探测器连接，读出电路像素单元的尺寸必须和探测器的像元尺寸一致；因此，作为读出电路的核心单元电路之一，像素单元电路设计要求在一定面积限制内选择适合不同探测器的最优电路结构并完成电路设计。读出电路中像素单元电路的性能好坏直接关系到整个焦平面成像的性能优劣。列处理级是对来自像素单元的信号进行暂时存储，并进行进一步的处理。输出驱动器是信号与外界的接口，其功能是将内部信号输出，并隔离外界信号对内部信号的影响。数字控制电路完成对电路功能的控制，例如工作模式、读出顺序等。本文所设计的读出电路采用直接注入模式，具有1，2和4路输出以及读出顺序可选等功能，像素单元为320×256，工作频率为5 MHz，输出摆幅为3.24 V，积分模式为先积分后读出或边积分边读出。

    2具体电路设计

    2.1像素单元的设计

    像素单元电路如图2所示。该像素单元采用直接注入（DI）型，其中PAD接探测器，M1为注入管，INT为积分信号。Ci和Cs分别为积分电容和采样电容，IRST为积分电容复位信号，SRST为采样电容复位信号，SH为采样信号。M6和M7组成一个源级跟随器，LSEL为行选择信號，OUT为像素单元的输出。PMOS管M2的作用是抗饱和，当积分电容上的电压达到一个值时，M2开启，光电流经过M2流走，积分电容上的电压不再上升。饱和电压由M2的栅极电压ANTI-BLOOM控制。

    2.2列信号处理模块

    列信号处理模块主要由电平提升电路、电荷放大器和列采样缓冲器三部分组成，信号通过数字控制逐级传输，结构图如图3所示。

    2.2.1电平移位电路

    电平移位电路相当于一级缓冲器，主要功能是将像素内的电压值采样到列级电路。它的输入为像素结构中源级跟随器的输出，它的输出接到电荷放大电路的输入。具体电路结构如图4所示，左边部分是像素内的源级跟随器，右边部分是电平移位电路。电平移位电路的原理是电压电流转化法。M2管在行选信号无效时提供放电通路。行选信号有效时，M2管会截止，电流流入源级跟随器。IN的电压摆幅为0～3V。当电路处于默认状态下时，也就是主电流为100μA，M1管的电流为3.5μA，M7管的电流为600μA，整个电平移位电路消耗的静态电流大约为4μA。

    2.2.2电荷放大电路

    电荷放大电路如图5所示，OE为全局偏移开关，COL_RST为复位开关，GN0和GN1为增益可调开关。

    2.2.3列级采样缓冲器电路

    列级采样缓冲器电路又叫列级驱动器，其作用是采样电荷放大器的输出并驱动串行总线。和后面的缓冲输出放大器不一样，列级驱动器的功耗要求非常苛刻，由于电路有256列，每个列级驱动器功耗增加一点就会极大地增大整体电路的功耗。因此，本电路采用了低功耗技术，在保证驱动性能的情况下，尽可能地减少静态功耗。列级驱动器的电路结构如图6所示。

    2.3输出驱动器

    输出驱动器的功能是将模拟电压信号输出到芯片，由于需要在极短的时间内输出大量信号，因此输出驱动器对速度和线性度要求较高。电路输出驱动器的原理图如图7所示。电路采用NMOS差分管和PMOS差分管双输入，M1，M8，M17，M18管是电流控制开关管，当单路输出时，只有一个端口的输出驱动器工作，其余三个输出端口的输出驱动器都处于零电流状态，这样，整体电路就不消耗额外的无用功耗。

    3版图设计

    所设计芯片采用chartered 0.35μm工艺，整体电路版图的设计如图8所示。芯片中间为320×256红外像素阵列，阵列下方为列信号处理模块，包括电平移位电路、电荷放大电路和列采样缓冲器电路。最下方为输出驱动器电路。芯片的像素阵列周围分别放置由其他模拟和数字电路组成的模块，并由模拟和数字电源线、地线形成的环形结构为电路供电。

    4测试结果

    在常温对流片芯片进行测试，工作频率为5 MHz，电源电压为5V，图9分别显示了单路输出和双路输出波形。从图9（a）可以看出，每行的输出波形脉宽为128×0.2μs=25.6μs；图9（b）为双路输出，每路输出脉宽为原来的一半，即12.8μs。读出电路的输出摆幅为3.24V，输出电压线性度为97.15%，功耗为32 mW，满足设计要求。具体的测试指标见表1。

    5结论

    设计了一款320×256阵列多功能红外读出电路，并使用Cadence工具完成了红外读出电路各个模块的逻辑设计和仿真验证。该电路具有丰富的数字功能，功耗低，可读出速率快。流片测试结果表明，读出电路具有良好的工作性能。