第三代红外焦平面探测器读出电路

白丕绩，姚立斌



第三代红外焦平面探测器读出电路

白丕绩，姚立斌

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测器的概念，像素达到百万级，热灵敏度NETD达到1mK量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到1000Me－以上的电荷处理能力和100dB左右的动态范围（Dynamic Range）才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术，以期突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制，使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。

第三代红外焦平面探测器；高温度分辨率；高动态范围；数字积分技术；像素级ADC数字读出电路

0 引言

红外探测器用于对目标的红外热辐射信息进行探测和传输。第一代红外探测器采用多元器件和室温条件下的前置放大器（简称前放），因此每一个像元都有一根独立的信号传输线穿过制冷的真空杜瓦壁，到达由分立电子元件构成的前放，进行红外光敏信号的预处理。在给定光学视场中，由于前放和信号传输线数量的限制，第一代红外探测器的像元数量是非常有限的，一般不超过200元，因此第一代红外探测器必须搭配复杂的光机扫描装置才能实现对目标辐射的红外成像。在有限的帧周期内，要用有限的像元完成一幅目标图像的扫描，导致每个目标图像像素在探测器像元上的驻留时间非常有限，因此探测器像元接收的目标辐射能量受限，使得红外探测器输出信号的信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）和红外成像系统的作用距离都十分有限，这也使得第一代红外探测器主要作为战术性运用。因为室温附近目标的峰值波长在10.6mm左右，且8～14mm有大气辐射窗口，因此第一代红外热成像仪使用“多元长波红外探测器＋光机扫描”技术研制长波红外热成像仪[1]。

随着微电子技术和集成电路加工工艺的进步，出现了采用电子扫描的红外焦平面探测器，即第二代红外焦平面探测器。

为了获得最大的光学增益，将感光阵列芯片放置在成像透镜的焦平面上，因此将此类感光阵列芯片称为焦平面探测器芯片[2]。如图1所示，红外焦平面探测器芯片组由红外探测器阵列（Focal Plane Array，FPA）芯片和CMOS集成电路信号处理芯片通过铟球倒装互连而成。CMOS集成电路芯片的基本功能是对红外探测器阵列的光敏信号进行积分放大，然后将探测器阵列芯片上的几十万甚至上百万像素的积分信号逐行（Row by Row）转移到列处理器进行采样/保持，再经过一个或几个输出缓冲器（亦称多路传输器，Multiplexer）串行读出，读出电路（Read Out Integrated Circuit，ROIC）概念因此提出。

红外焦平面探测器芯片包括几十万甚至上百万像素，读出电路采取电荷存贮（积分）工作方式。所谓积分工作方式，是指在帧周期内，由探测器阵列对目标场中各像素的红外辐射进行光-电信号转换，然后读出电路对光敏电荷（电流）进行积分并保持，最后通过一路或多路输出缓冲器完成串行输出。因为采用积分方式，使读出电路芯片在电路架构和信号传输通路上有别于一般的连续时间电路，读出电路既有模拟电路部分又有数字电路部分，是一种典型的数/模混合集成电路。图2为典型的凝视型焦平面读出电路结构框图，读出电路由×像素级输入单元电路阵列、列级采样/保持电路、行和列级移位寄存器及输出放大级等几部分组成。

第二代红外焦平面探测器具有二维阵列结构。一种是带有TDI功能的线列结构，用于扫描成像系统；另一种是矩形阵列结构，用于凝视成像系统。目前的第二代红外焦平面探测器已经趋于成熟，正处在从第二代红外焦平面探测器向第三代红外焦平面探测器进行重大转变的时期。

图1 红外焦平面探测器芯片组结构

图2 红外焦平面读出电路构成

1 第三代红外焦平面探测器

1999年，Donald Reago等人提出以红外探测器及后续信号处理为技术特征的第三代红外探测器的概念[3]，包含以下内容：

1）高性能、多波段的制冷型红外焦平面探测器；

2）大规模非制冷红外焦平面探测器；

3）高性价比的微型非制冷红外焦平面探测器。

其中，对高性能制冷型焦平面探测器，提出要进一步提高探测距离和识别能力，具体技术指标如下：

1）工作波段：≥2；

2）阵列规模：≥1k×1k；

3）NETD（噪声等效温差）：≤1mK；

4）电荷存储能力：≥109e－；

5）帧频：≥480Hz；

6）读出电路：具备片上模数转换器及片上非均匀性校正功能。

2000年，Paul Norton和Donald Reago等人分析了发展第三代红外焦平面探测器将面临的挑战[4]，认为高性能制冷型红外焦平面探测器的发展目标是具有更高的探测灵敏度，提到了动态范围等具体技术指标：

1）NETD（噪声等效温差）：≤1mK；

2）动态范围：≥95dB。

要提高探测器的探测距离和识别能力，从探测器技术上，必须从提高焦平面器件规模（即提高空间分辨率）和提高焦平面器件的热灵敏度（即降低NETD）两方面发展。提高探测灵敏度的关键在于选择红外辐射较强的波段，以及提高读出电路的电荷存储量和动态范围[5]。论文将围绕上述几点展开讨论，然后提出在像素内进行数字积分技术，以及集成了像素级模数转换器（ADC）的数字读出电路芯片来解决上述电荷存储量和动态范围限制问题。

2 红外辐射波段选择

2.1 红外大气窗口

图3展示了红外辐射在大气中的典型传输[6]，当只考虑大气的H2O和CO2分子吸收时，大气在近红外（0.78～1.0mm）、短波红外（1.0～2.5mm）、中波红外（3～5mm）、长波红外（8～14mm）和甚长波红外（15～20mm）有5个红外“透射窗口”。一般说来，波长越长，透射能力越好，因此工作在长波波段可获得室温附近目标最多的辐射能量。

2.2 红外辐射波段选择

辐射能是指以电磁波形式发射、传输或接收的能量（单位为J）。根据普朗克辐射公式，当黑体温度从220～1200K变化时，黑体辐射出射度与波长关系如图4所示[7]。随温度升高，黑体辐射的峰值波长从长波向短波方向移动，符合维恩位移定律；而且各个波长的光谱辐射出射度也随之增加，辐射中包含的短波成分也随之增加。

表1比较了220Κ（－53℃）、300Κ（27℃）、622Κ（349℃）、929Κ（656℃）、1286Κ（1013℃）黑体在长波（8～14mm）、中波（3～5mm）、短波（1～2.5mm）等波段的红外热辐射光子数。一般来说，波长越长，透射能力越好；而且长波红外的透射波段范围最宽（D＝6mm）。因此长波波段的目标辐射信号较强，当电荷存储量足够时，可有效降低探测器温度分辨限，有利于远距离、高速目标探测的应用需求。

因此，对于军用高性能制冷型红外热成像探测器的发展趋势，将红外探测波段扩展到充满整个长波大气窗口，即8～14mm波段的红外热成像探测是第三代红外探测器发展的一个重要方向。

图3 红外辐射在大气中的传输

图4 黑体辐射出射度与波长的关系

表1 各典型温度下的黑体在长波、中波和短波红外的辐射光子数对比

3 电荷存储量限制

假定频率为的单色光均匀地照在探测像元上，探测器像元接收的辐射功率为[8-9]：

式中：为探测元的面积；#为冷屏的数；为频率；为黑体温度；为普朗克常数；B为玻耳兹曼常数；为光速。

探测器的NETD可表示为：

式中：S为探测器产生的信号电子数；photo为光电导增益。

降低探测器的噪声等效温差NETD，是提高温度分辨率的另一个重要途径。限制NETD的关键因素是器件噪声即电流噪声和光子噪声极限（背景限）。根据资料显示，目前80K工作的高性能HgCdTe探测器暗电流基本能够达到扩散电流限，已经没有多大的提高余地，进一步提高探测器性能需要突破电荷存储量的限制[5]。

表2为一个典型的第二代红外焦平面探测器——320×240凝视型焦平面探测器的主要性能参数。当探测器工作在snapshot（快照）积分模式、ITR（先积分后读出）工作模式，而读出电路以一个输出通道工作时，320×240凝视型焦平面探测器的最大可用积分时间为12.32ms，对于300K的室温目标，在3～5mm、8～10mm、8～12mm、8～14mm等4个波段的最大可探测信号电子数s,max如表3所示（其中假设光电导增益photo等于1，忽略暗电流电荷）。

如表3所示，在忽略暗电流电荷的前提下，中波波段的实际电荷利用率稍高，达88.0%；而长波波段（8～10mm）的实际电荷利用率极低，只有3.50%；尤其是波长往甚长波方向（15～20mm）拓展时，实际电荷利用率更低，只达到约1.11%。

总之，长波电荷利用率极低，是限制长波、甚长波探测器温度灵敏度提高的关键制约因素之一。

表2 320×240凝视型焦平面探测器主要技术指标

假设光电导增益photo等于1，忽略暗电流电荷，对应于300K温度的目标，以表2主要技术指标为例，根据前述公式(2)的NETD与存储电荷的关系，当采用3～5mm的中波波段和采用8～14mm的长波波段探测时，探测器的存储电荷与NETD的关系如图5所示。

如图5所示，对应300K的温度目标，假设光学效率为70%，探测器量子效率为80%；读出电路采用积分后读出（ITR）方式，积分时间为12.32ms。如果采用3～5mm的中波波段探测时，要实现NETD为1mK的温度分辨率，探测器存储电荷需要达到1.38×109e－电子数（1380Me－）；如果采用8～14mm的长波波段探测时，要达到NETD为1mK的温度分辨率，探测器存储电荷需要达到1.01×1010e－电子数（10100Me－）。随着探测波段向长波、甚长波方向拓展，达到NETD为1mK的温度分辨率所需的电荷存储量要远高于中波波段。

目前的ROIC加工工艺一般采用0.35mm（3.3V/5V）标准CMOS工艺，在30mm×30mm像素面积内，采用结构简单的直接注入（DI）结构，用CMOS电容实现的积分电容约为2.1pF，实现的最大积分电荷量约为36 Me－（5V电源电压/满阱）；即使采用独特的“多层CMOS电容叠加技术”作为积分电容的方式，实现的积分电容约为4.0pF，最大积分电荷量约为60Me－（3.3V电源电压/满阱），只是NETD为1mK的中波探测器所需积分电荷量（～103Me－）的约1/20、长波探测器所需积分电荷量（～104Me－）的约1/200。

表3 300K目标红外辐射信息在不同波段的实际利用率

图5 目标温度为300K时不同探测波段的探测器存储电荷与NETD的关系

即使采用更先进的加工工艺，可以得到更大的单位面积积分电容，但电源电压随之下降，无法显著地提高积分电荷存储量；S. Horn等人提出采用多层读出电路垂直叠加的加工工艺方案[10]，也只能实现积分电容2～3倍的增长，无法实现积分电容1～2个数量级的增长，亦不能满足NETD为1mK的红外焦平面探测器所需积分电荷量要求。

4 动态范围限制

对应于NETD为1mK的温度分辨率，另一个限制探测器灵敏度提高的关键制约因素是动态范围。探测器的NETD与信噪比（SNR）的关系如式(3)所示[8-9]：

式中：S为探测器产生的信号电子数，S＝Btint/；N为探测器产生的噪声电子数，N＝iint/。

以表2主要技术指标为例，根据公式(3)的NETD与动态范围的关系，假设光学效率为80%，探测器量子效率为80%，对应于300K的目标，当积分时间为12.32ms时，采用3～5mm的中波波段和采用8～14mm的长波波段对目标进行探测，探测器的动态范围与NETD的关系如图6所示。

从图6可见，无论探测器采用3～5mm的中波波段，还是采用8～14mm的长波波段。要达到NETD为1mK的温度分辨率，必须保证100dB左右的动态范围。目前的ROIC的工作电压为3.3V或5V，如果按照探测器组件系统噪声为0.3mV或0.5mV左右估计，即使最大输出电压摆幅（SR）达到3V，动态范围也只能达到80dB，无法满足NETD为1mK的第三代中波红外焦平面探测器所需动态范围（96dB）要求，更无法满足NETD为1mK的第三代长波红外焦平面探测器所需动态范围（102dB）要求。

5 数字积分技术

面对上述的高电荷存储量和高动态范围要求，传统读出电路的“模拟积分技术”已经根本无法满足，更为现实的途径是采用“数字积分技术”的方法完成积分信号在数字域的累加[11-12]。

如图7所示，一个由脉冲频率调制器（PFM）和计数器构成的数字积分器。光伏探测器像素通过铟柱与读出电路输入级相连接，由探测器像素通过直接注入（DI）管（MOS场效应管M1）将积分电容int上存储的电荷泄放。根据探测器光电流大小，一个帧积分周期可由（1≤≤，为计数器位数）个子帧周期sub组成。在一个sub内，一旦积分电容上的电压达到比较器的参考电压ref，触发比较器翻转，输出一个脉冲给复位管（MOS管M2），将积分电容int的电平复位到r，同时计数器进行一次计数，完成一次sub积分；然后开始下一次sub积分。每次sub泄放的电荷量0是恒定的，通过次sub积分，帧积分周期结束，计数器记录的电荷泄放次数“”就代表探测器像素的光敏输出信号值，因此称此类积分技术为数字积分技术[13-15]。

图6 目标温度为300K时不同探测波段的探测器动态范围与NETD的关系

图7 由脉冲频率调制器和计数器构成的数字积分器

如式(4)所示，数字积分技术理论上扩大了积分电容的电荷存储容量，保留了整个积分过程中总电荷的信息（即输入光电流的信息）。

Q＝×0＋res(4)

式中：res为积分电容上的残余电压；为计数器的位数。通过上述数字积分技术将读出电路的电荷存储容量提高了倍，读出电路的动态范围亦增加了倍。所以，通过数字积分方法可将传统模拟读出电路的电荷存储量限制问题及动态范围不足问题，转移到用数字读出电路对长波光敏信号进行低噪声预处理，以及对积分数字信号的高速传输问题上。

6 像素级ADC数字读出电路

将积分电容上的残余电压res输出至像素外进行模-数转换，此量化值与计数器记录的电荷泄放次数结合，一起构成探测器像素的光敏输出信号值，从而实现全数字的光电流读出，即像素级ADC数字读出电路[16-18]。

图8为像素级ADC数字读出电路示意图。来自光电二极管的光敏电流经简单的模拟信号低噪声预处理后，送入像素级ADC，经模拟-数字转换后形成bit数字信号，保存在像素下的存储器中，当接到输出指令后，将bit数字信号并行送入数字多路器，然后由数字多路器高速串行输出<0:－1>bit数据，供外部数字成像电路使用。

像素级ADC数字读出电路可以实现高帧频，而且很容易扩展到大面阵也不会损失高帧频特性。最大的挑战是如何在一个很小的像素面积内摆放ADC，并且实现微功耗工作。尽管面积严格受限，已开发几种架构的ADC，例如å-D型、增量å-D型、计数器型等ADC应用在像素级ADC数字传输读出电路芯片上[19-21]。囿于篇幅限制，不在此讨论具体的像素级ADC设计技术。

7 结语

第三代红外高性能制冷焦平面探测器采用数字积分技术，可从根本上解决传统模拟读出电路电荷容量限制与红外焦平面探测器动态范围限制的问题，而且可显著提高红外焦平面探测器的工作频率。将数字积分技术的概念推广，可以得到这一类型的像素级ADC，即电流或电压控制振荡器和相应的数字积分器构成的像素级ADC数字读出电路。采用像素级ADC数字读出电路也是针对超大规模、多色多谱段探测所带来的数据传输率瓶颈问题的解决方案。而且只有基于像素级ADC高速数字读出技术，通过SoC（System on Chip）读出电路芯片开发，才能实现片上非均匀性校正、片上数字图像处理等功能，才能真正实现“智能化”红外焦平面探测器组件。

图8 像素级ADC数字读出电路示意图

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Read Out Integrated Circuit for Third-Generation Infrared Focal Plane Detector

BAI Pi-ji，YAO Li-bin

（,650223,）

The ever increasing demand of thermal imaging system calls the third generation infrared focal plane array（IRFPA）. The basic parameters of the third generation high-performance cooled IRFPA is million-pixel array and around 1mK NETD. The third-generation IRFPA requires high performance readout integrated circuit（ROIC）. If the ROIC can’t handle 1000Me－charge capacity and about 100dB dynamic range，it will not meet the demand of the third generation IRFPA. The in-pixel digital integration technology is introduced to break the barriers of the charge storage capacity and dynamic range of traditional analog ROIC. With the digital integration technique, the third-generation cooled IRFPA can be implemented with high spatial resolution, high temperature definition and high frame rate.

third-generation infrared focal plane array，high temperature definition，high dynamic range，digital integration technique，digital ROIC with pixel-level ADC

TN215

A

1001-8891(2015)02-0089-08

2015-01-06；

2015-01-10.

白丕绩（1976-），男，云南祥云人，高工，博士生，主要研究方向为红外探测及信号读出，E-mail：hibai@126.com。

姚立斌（1968-），男，云南石屏人，研究员，博士，博士生导师，主要研究方向为混合信号集成电路设计，E-mail：libin.yao@ieee.org。

国防预研基金。