低温红外面阵读出电路中的高性能缓冲器设计*

闫 广，赵毅强

（天津大学电子信息工程学院，天津 300072）

0 引言

在低温红外读出电路系统中，由于制冷的需要，将芯片封在杜瓦里，由于向外部引线过长和输出后接AD的需要，输出级要驱动一个等效为25 pF左右的负载。因此，需要一个大驱动能力的缓冲器。同时由于制冷能力的限制，驱动级缓冲器的功耗不能太大。常用的缓冲器分以下几类:1）源跟随器结构:源跟随器结构简单，占用面积小，但静态功耗大，输出幅度会有一个栅压的上升或者下降，且存在严重的非线性问题。2）电流镜负载单级运放电路结构:结构简单，但输出幅度受到限制，不是轨到轨的输出，影响输出摆幅，增益不能做的太高。3）AB类推挽输出结构:AB类推挽输出结构效率较高，静态功耗较小。可以驱动大的负载电容，满足设计的要求。本文采用chrt 0．35 μm 3．3 V CMOS工艺设计了用于低温77K红外面阵读出电路的一种高性能AB类推挽输出缓冲器。为了模拟低温77 K下的电路的性能，根据文献［1～5］和77K 低温条件下 chrt0．35 μm NMOS管和PMOS管的测试结果，修改chrt 0．35μm仿真模型库中的NMOS管和PMOS管的模型，通过在MOS管源漏端分别增加栅控电压源和漏控负电导的方式［1］来分别模拟沟道冻析效应和源漏寄生电阻冻析效应，以改进器件模型仿真精度。使用修改后的模型进行仿真，并给出了流片后的芯片测试结果。

1 红外面阵读出电路结构介绍

将512×256的红外读出电路阵列分成8个64×256的模块，每个模块的结构如图1所示。8个模块时序相同，8路并行输出，每个模块的输出速度为5 M/s。读出电路通过铟柱与红外探测器连接，红外光信号经过带有相关双采样功能的电容跨导式互阻放大器（CTIA）单元和电荷放大器后，转换为直流电压信号，消除了系统的固定模式噪声和一些低频噪声，然后经过列缓冲器和多路开关，将并行信号转换为串行的信号，最后经缓冲器输出［6～9］。由于读出电路帧频的要求，每个模块的速度要达到5M/s的读出速度。要求最后的输出级缓冲器要在200 ns输出一个直流电压信号，驱动25 pF的负载，信号最大幅度为2 V，并且由于制冷条件的限制，缓冲器的功耗要尽量小。

图1 64×512红外读出电路结构Fig 1 64×512 infrared ROIC structure

2 输出级缓冲器的设计

根据电路的设计指标，最后输出级缓冲器的输入信号的范围为0．6～2．6V。考虑到设计余量，为保证电路输入和输出范围，电路采用轨到轨的输入级。采用NMOS输入对管M3，M4和PMOS输入对管M1，M2并联的方式，如图2。输入级的跨导随输入电压的变化如图3中的虚线所示。

图2 输出缓冲器电路图Fig 2 Output buffer circuit

图3 gm随输入电压的变化曲线Fig 3 Curve of gmwith change of Vin

放大器的频率补偿，与只用一个米勒电容的结构不同，在该放大器的结构里，将共栅管与米勒补偿电容串联，见文献［10，11］，补偿电路。这种方法将输出极点转移到

3 仿真和测试结果

基于 chrt 0．35 μm 工艺库，3．3 V 电源电压，在 Cadence软件环境下，使用修改后的库模型，在77K的条件下对放大器进行了交流增益、相位、瞬态响应和直流扫描的仿真，如图4～图6所示。

图4 放大器的开环增益和相位曲线Fig 4 Open-loop gain and phase curve of amplifier

芯片的仿真结果显示芯片的直流低频增益为67 dB，单位增益带宽为57M。瞬态的仿真结果表明，负载25pF的电容，2 V的输出信号的建立时间为30 ns。直流仿真结果表明:在0～3 V的输入范围内，直流误差不超过0．4 mV。

在芯片使用 chrt 0．35 μm 3．3 V CMOS 工艺流片，输出缓冲器在红外读出电路中的版图如图7所示。测试结果见图 8、图 9。

图5 输出缓冲器的瞬态响应（驱动25 pF负载）Fig 5 Transient response of output buffer（driving 25 pF load）

图6 VOUT－VIN随VIN的变化曲线Fig 6 Variation curve of VOUT－VINvs VIN

图7 输出缓冲器版图Fig 7 Layout of output buffer

图8 输出缓冲器的VOUT与VIN的曲线Fig 8 VOUTand VINcurve of output buffer

图9 直流测试VOUT－VIN随VIN变化的曲线Fig 9 DC test of VOUT－VINwith the change of VIN

测试结果表明:输出缓冲器存在5 mV左右的直流失调，在整个输入范围内除了跨导的过渡位置外，放大器的直流增益基本维持恒定，线性度较好。驱动25 pF负载，输出2 V的信号，建立时间50 ns，达到了电路的指标。表1为与同样指标的相关产品在25 pF的负载的条件下的性能比较。

表1 输出缓冲器性能比较Tab 1 Performance comparison of output buffer

4 结束语

在低温77 K的条件下，放大器使用轨到轨输入和恒定跨导的技术，实现了输出信号0．6～2．6 V的高线性度高精度输出。使用AB类的输出级，在驱动25 pF负载的条件下，降低了输出级的功耗，满足低功耗的要求，实现了红外电路的设计指标。

［1］ 赵宏亮．基于红外成像系统的低温读出电路设计技术研究［D］．天津:天津大学，2012:13－58．

［2］ Martin P，Guellec F．MOSFET modeling for simulation，design and optimization of infrared CMOS image sensors working at cryogenic temperature［C］∥Proceedings of the 18th International Conference on mixed design of integrated circuits and systems（MIXDES），2011:103 －106．

［3］ Fjeldly T A，Dhur M．Threshold voltage modeling and subthreshold regime of operation of short channel MOSFETs［J］．IEEE Trans on Electron Devices，1993，40:137 －145．

［4］ Cheng Yuhua，Chen Kai，Imai K．A unified MOSFET channel charge model for device modeling in circuit simulation［J］．IEEE Trans on Computer-aiderd Design of Integrated Circuits and Systems，1998，17:641 －644．

［5］ Lewyn L，Masetti G．An IGFET inversion charge model for VLSI system［J］．IEEE Trans on Electron Devices，1985，23:434 －440．

［6］ Liu Chang，Lu Wengao，Chen Zhongjian，et al．A low power ROIC design for 1024 x 1024 IRFPA［C］∥The 9th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology，2008:1769－1772．

［7］ Liu Chang，Lu Wengao，Chen Zhongjian，et al．A low power high speed ROIC design for 1024×1024 IRFPA with novel readout stage［C］∥IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits，2008:1 － 4．

［8］ Liu Dan，Tan Ju，Lu Wengao，et al．Low power design of column readout stage for 320x288 snapshot Infrared ROIC［C］∥IEEE Int’l Conf on Electron Devices and Solid-State Circuits，2005:585－588．

［9］ Hogervorst R，Tero J P，Eschauzier R G H，et al．A compact power-Efficient 3V CMOS rail-to-rail input/output operational amplifier for VLSI cell libraries［J］．IEEE Journal of Solid-State Circuits，1994，29:1505 －1513．

［10］Sansen W M C．模拟集成电路设计精粹［M］．北京:清华大学出版社，2012:231 －250．

［11］Razavi B．模拟CMOS集成电路设计［M］．西安:西安交通大学出版社，2002:284－306．