双色红外焦平面阵列读出电路设计*

王锦春 ，关 钰，彭震宇，2，吕衍秋，2，马德军，2，刘镇硕

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009;2.红外探测器技术航空科技重点实验室，河南 洛阳471009;3.东南大学国家专用集成电路工程技术研究中心，南京210096)

红外成像技术由于在红外搜索与跟踪、医学、天文学、前视红外系统、导弹制导以及其它战略上的多重应用需求而得到迅速发展［1］。红外焦平面阵列(IRFPA)是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件，经过几十年的技术进步，目前已经发展到以大面阵高分辨率、高性能、双色和多色以及智能化为特征的第3 代红外焦平面探测器［2-3］。

双色技术作为第3 代红外探测器的一种技术方法，可以响应同一辐射目标的两个不同波段的信息，可以对复杂背景进行有效抑制，提高目标的探测与识别能力。近年来，双色红外焦平面探测器及其读出电路成为热点研究领域［4-6］。针对不同的应用需求，双色红外焦平面阵列的器件结构与波段组合包括 SWIR/MWIR、MWIR/MWIR、MWIR/LWIR 与LWIR/VLWIR 等［7］。

读出电路(ROIC)完成红外焦平面探测器转换后电信号的放大、采样保持以及多路传输，其功能与性能直接决定了红外焦平面探测器组件应用范围及性能，是红外焦平面阵列的重要组成部分。国内读出电路设计技术起步较晚，功能丰富、性能优异的读出电路设计技术已成为目前红外焦平面阵列研究中快速发展的技术之一［8-10］。

1 双色红外焦平面读出电路设计

1.1 P-N-N-P 叠层双色红外探测器结构

128×128 叠层双色红外焦平面探测器采用MWIR/SWIR 组合的P-N-N-P 结构。探测器单元结构如图1(a)所示，两个探测器垂直叠加形成叠层双色结构，背入射的红外信号透过衬底后，短波红外信号被禁带宽度较大的短波二极管吸收，光生载流子被短波P-N 结分开，电流信号从短波(SW)与公共电极(COMMON)输出;中波红外穿过宽禁带势垒阻挡层后，被禁带宽度较低的中波二极管吸收，光生载流子被中波P-N 结分开，电流信号从中波(MW)与公共电极(COMMON)输出。该探测器有3 个独立电极，可以同时得到中波与短波红外信号，简化读出电路的设计难度，同时又可以使中波与短波同时积分同时读出，缩短帧周期。探测器等效电路如图1(b)所示，中波与短波信号分别从独立的电极MW与SW 引出，共用一个公共电极COMMON。

图1 P-N-N-P 双色红外探测器单元结构及其等效电路

1.2 读出电路总体结构

探测器单元输出的中波与短波电信号分别通过相对应的铟柱连接到对应的读出电路单元上，读出电路完成电信号的放大、采样保持以及多路传输。根据探测器的具体要求及应用需求，128×128 双色红外焦平面读出电路总体结构如图2 所示，时序产生电路在主时钟(CLK)、中波积分控制信号(MWINT)与短波积分控制信号(MWINT)的控制下产生行选择电路与列选择电路，直接注入(DI)型单元电路读出的红外信号在行选与列选信号的控制下分别经过各自的列运算放大器并缓冲输出到各自的输出端口。

图2 128×128 双色红外焦平面读出电路总体结构图

1.3 读出电路单元电路及信号通路

单元电路是红外焦平面读出电路重要的组成模块，直接决定了读出电路乃至焦平面探测器组件的最终性能。根据红外系统以及探测器的不同应用需求，单元电路的主要结构有直接注入(DI)、源跟随(SF)、缓冲直接注入(BDI)、电容跨导积分放大器(CTIA)、开关电流积分(SCI)以及栅调制输入(GMI)等［11］。双色红外焦平面读出电路需要在一个探测器单元面积内同时设计中波与短波两套独立的单元电路，本文设计的电路中每个波段有电容选择开关，从而在每个波段都需要4 个独立的积分电容，对面积的要求非常严格，因此本文选取结构简单的直接注入结构作为电路的输入级，可以在同样的单元面积内获得更大容量的电容。

图3 128×128 双色红外焦平面读出电路单元电路及信号通路

单元电路、列运算放大器和输出缓冲器组成的完整信号通路如图3 所示，中、短波信号同时从探测器进入读出电路单元内部，由于中、短波采用的电路结构完全相同，只是积分电容大小以及部分MOS 管的具体尺寸有所不同，仅以中波部分为例介绍一下单元电路的具体工作原理。

中波单元电路由MOS 器件M1～M5、电容MWC1以及MWC2组成，红外探测器工作在反向偏置状态，探测器公共端COMMON 加正电源电压5 V，光电流通过注入管M2向积分电容充电，完成电流到电压的转换。单元电路积分过程结束后，行选择信号LSEL(i)(i=1 ～128)控制的NMOS 管M5打开，将积分电容上的电荷传输到列运算放大器并保持，在列选择信号CSEL(i)(i=1 ～128)的控制下，列运算放大器上的电压被依次缓冲输出到输出端MWOUT。单元电路中的M1是测试管，通过栅电压VMWTest的调节，模拟探测器的光电流信号，可以完成读出电路的单独测试。在探测器与读出电路互连后，将探测器栅电压VMWTest短接到VDD 即可关断M1。复位管M3复位完成后读出电路积分前单元电路内积分电容上电荷为零，保证单元电路积分开始时输出电平的一致性。每列单元电路的输出共用一个列运算放大器的负反馈端，列放大器的正反馈端接基准电压VVMWREF，通过行选择信号依次选通各行的单元积分电容上的电荷。列放大器包含一个行复位信号AMPRST，在每行单元电路内的电荷信号经过输出缓冲器输出后，列放大器都要进行一次复位操作，以保证下一行数据可以有效进入列运算放大器并缓冲输出。电容选择端MWADDC 可以根据系统应用的需求选择单元电路内不同大小的积分电容，增加系统应用的灵活性。

假定积分电容MWC1与MWC2均参与工作，列运算放大器反馈电容MWC3与MWC4的电容值分别与单元电路对应的积分电容相等，即CMWC1=CMWC3且CMWC2=CMWC4，探测器单元转换后的光电流为Iint(i，j)(i=1 ～128，j=1 ～128)，积分时间为Tint，注入效率为η，经过积分过程已经列运算放大器的电荷再分配过程，最终的中波输出端电压为［10］:

输出电压VMWOUT的最大电压与基准电压VVMWREF有关，当积分电流为0 时，最大输出电压为2VVMWREF。因此可以通过调节VVMWREF的大小获得较大的输出摆幅，从而获得更大的探测器动态范围，当然，VVMWREF的大小仍然受电路中其他MOS 管的工作状态制约而选取合适的值，从而最大范围地获得输出摆幅的提升。

1.4 读出电路时序设计

128×128 双色红外焦平面读出电路工作于同时积分、同时读出模式，中波与短波积分控制信号通过INTMW 与INTSW 两个信号端口同时送入时序产生电路中，当中波积分与短波积分都完成后开始同时读出中、短波信号，读出电路一帧与一行的具体时序图如图4 所示。在图4(a)中，主时钟CLK、中波积分控制信号INTMW 与短波积分控制信号INTSW 产生内部需要的各个时钟信号，积分控制信号周期即为帧周期。中波与短波积分积分控制信号同时送入时序产生电路后产生50 个CLK 周期的复位信号RST，对像素单元电路进行复位，然后开始积分时间INTm 与INTs，当积分过程都完成后同时读出128行像元信号，每行读出时间为TL。图4(b)为一行的读出时序图，每行的读出周期内包含有列运算放大器复位时间与128 个像素单元的读出时间，每个像素单元读出时间为TC，即一个CLK 周期。

图4 128×128 双色红外焦平面读出电路时序图

2 双色红外焦平面读出电路的仿真

2.1 读出电路仿真结果分析

对128×128 双色红外焦平面读出电路进行整体电路仿真，输出波形如图5 所示，读出电路整体时序正常工作，满足设计要求。选取一行内的8 个像素单元，给定不同的积分电流，中、短波积分电流经过积分、列运算放大器以及输出缓冲器后的最终输出结果分别如图6(a)与图6(b)所示，验证了读出电路单元电路及整个信号通路正常工作，满足设计要求。

读出电路输出电压与积分电流的线性度是表征读出电路性能的重要参数之一［12］，为验证读出电路积分电流与输出电压的线性度，对读出电路一个单元内注入不同积分电流仿真其输出电压，中、短波输出电压的结果分别如图7(a)与图7(b)所示，输出电压随着积分电流的变化呈线性变化。

图8(a)、图8(b)分别是图7 所示的中、短波输出电压与对应中、短波积分电流的线性拟合曲线，采用最小二乘法进行线性回归，可以看出中、短波的输出线性度良好。中波线性相关系数为99.998%，标准偏差为0.005 72 V;短波线性相关系数为99.413%，标准偏差为0.108 01 V。

图5 128×128 双色红外焦平面读出电路输出波形图

图6 128×128 双色红外焦平面读出电路八个像素单元不同积分电流的输出波形

图7 128×128 双色红外焦平面读出电路单元不同积分电流输出电压仿真结果

图8 128×128 双色红外焦平面读出电路输出电压与积分电流的线性度拟合

2.2 读出电路版图设计

双色红外焦平面读出电路版图如图9 所示，采用0.5μm 双层多晶三层金属(DPTM)N 阱CMOS 工艺线设计，中间的重复单元式单元电路，外围是数字时序控制部分版图设计，最外围的是焊盘，整体芯片的面积为9.2 mm×8.0 mm。

图9 128×128 双色红外焦平面读出电路整体版图

3 结论

本文根据一种三电极叠层双色结构探测器的具体应用需求，详细研究了一种采用直接注入结构的128×128 双色红外焦平面读出电路，对其像素单元、时序设计进行了详细分析。该电路在标准的0. 5 μm DPTM 工艺库进行了仿真与版图设计及验证，结果表明电路工作正常，各项指标满足设计要求。

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