具有TDMI功能的640×512双色碲镉汞焦平面读出电路

白丕绩，李 敏，王 博，陈 虓，梁 艳，洪建堂，李立华



具有TDMI功能的640×512双色碲镉汞焦平面读出电路

白丕绩，李 敏，王 博，陈 虓，梁 艳，洪建堂，李立华

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

研制出一种应用于单铟柱结构的长/中波双色叠层碲镉汞640×512焦平面CMOS读出电路（ROIC）。根据单铟柱结构的双色叠层碲镉汞探测器实际应用需求，读出电路设计了单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号分时多路积分（TDMI）/读出等四种工作模式可选功能。输入级单元电路分别采用长/中波信号注入管、复位管、积分电容及累积电容，并分别采用读出开关缓冲输出。为提高读出电路的适应性，各色信号通路分别设计了抗晕管以提高探测器的抗晕能力；读出电路采用快照（Snapshot）积分模式，单色积分时具有先积分后读出（ITR）/边积分边读出（IWR）可选功能；当读出电路工作在单色或双色信号顺序模式时，各色积分时间可调；此外读出电路具有多种规格及任意开窗模式。该读出电路采用0.35mm 2P4M标准CMOS工艺，工作电压3.3V。读出电路具有全芯片电注入测试功能，测试结果表明，在77K条件下，读出电路的四种积分/读出模式工作正常，单色信号输出摆幅达2.3V，功耗典型值为65mW。

长/中波双色焦平面；单铟柱双色叠层结构；双色读出电路；时分多路积分

0 引言

双色红外焦平面能够同时获取同一目标的2个红外波段的辐射信息，可以从复杂背景条件下，将原来对目标的单一探测（detection）功能扩展到对目标的认识（identification），最终实现对目标的可快速识别（discrimination），在侦查、预警、反导弹拦截等领域有非常重要的作用，因此双色焦平面探测器一直是红外探测领域中研究的热点。

美国、法国、英国在双色碲镉汞焦平面探测器研究方面起步早、技术成熟、一直处于领先地位[1-2]。从引出电极个数来区分，双色碲镉汞焦平面探测器的结构主要有单铟柱结构和双铟柱结构，相应的读出电路工作模式有顺序积分读出和同时积分读出2种形式。单铟柱结构的主要优点是芯片结构简单，每个光敏元只需一个独立的电极，主要缺点是2个波段的探测器信号不能同时读取，对焦平面的帧速有较大的影响；双铟柱结构则完全采用单色芯片的工艺技术，在一个区域分出2个光敏元，其优点是利用二代焦平面的成熟技术，而缺点是减少了光敏元的有效面积。

为充分利用光敏元的有效面积，又能达到同时积分的效果，美国RVS（Raytheon Vision Systems）研制了适用于单铟柱叠层结构的长/中波双色碲镉汞读出电路（ROIC)，采用时分多路积分（time division multiplexed integration, TDMI）和子帧平均（Sub-frame Average, SFA）技术，先后研制成功640×480、1280×720等一系列规格的长/中波双色碲镉汞焦平面探测器，达到准同时（quasi-simultaneously）积分读出的效果[3-4]。

TDMI工作模式的焦平面读出电路，长波/中波（LW/MW）两个波段的信号分时多路积分，同时读出；探测器的工作状态分时多路控制，达到最佳状态。在这个读出电路设计时，TDMI控制电路很重要。由于要在一帧积分时间内，实现两个波段的信号分时多路积分、分别累加；且两个波段的信号有数量级的差异，输入级单元电路设计十分关键，否则会导致长波信号积分饱和而中波信号积分不够的现象。

1 640×512双色焦平面读出电路设计

1.1 640×512双色焦平面读出电路系统结构

图1给出了640×512双色焦平面读出电路的结构框图，此ROIC主要由以下几部分组成：640×512×2输入级单元电路阵列、偏置电路产生模块、列级信号处理电路模块、工作模式控制模块、窗口控制模块、内部时钟产生电路模块，以及行/列译码器等；该ROIC一共使用8个输出缓冲放大器，分别用于缓冲输出长波和中波信号，以提高读出速率和帧频。

图1 640×512双色焦平面读出电路结构框图

1.2 工作模式

读出电路设计针对LW/MW双色凝视型焦平面探测器单铟柱结构，以及准同时（quasi-simultaneous）积分、读出的快照操作要求[5]，用户可以选择不同的工作模式：单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号时分多路积分（TDMI）/读出等4种工作模式可选功能；积分时间可编程；其它的特征包括：抗光晕、积分时间可编程、同一读出电路上可适用640×512、640×480、512×512等3种规格的焦平面阵列，以及开窗模式工作，随机的窗口方式可用作小于一帧的成像。

根据控制字Mode1/0的不同取值，输入级有4种可选工作模式，其中“10”为默认（Default）模式，如表1所示。

表1 4种工作模式及电荷处理能力

1.3 输入级单元电路设计

基于直接注入积分原理，在输入级电路里设计了2套单元电路，分别实现长波信号和中波信号的积分和读出[5]。如图2所示，M1和M2分别为中波信号和长波信号的注入管，int_M和int_L分别为中波信号和长波信号的积分电容；M3和M4分别为中波信号和长波信号的积分电荷转移开关，PA_M和PA_L分别为中波信号和长波信号的累积电容；M9和M10分别为中波信号和长波信号的行读出开关，用于控制中波和长波输入级信号读出；M5、M6、M7、M8等4个场效应管分别用于对int_M、int_L、PA_M、PA_L等4个电容进行复位。

1.3.1 单色及双色信号顺序积分工作模式

当读出电路工作在单色长波积分/读出、单色中波积分/读出模式时，SUBPV分别固定为低电平或高电平。为提高单色信号的积分电荷量，M3和M4的控制电压PA_L和PA_M自动置为高，使得int_M和PA_M成为中波信号积分电容，int_L和PA_L成为长波信号积分电容。在一帧周期内，长波/中波信号分别在各自的积分电容上积分，然后缓冲输出。

当读出电路工作在长/中波双色信号顺序积分/读出模式时，采用ITR积分模式。随着长波积分信号INT_LW和中波积分信号INT_MW的上升沿，SUBPV依次为低电平和高电平的周期性脉冲，电平值根据长/中波探测器反向偏置要求，由外部输入。

图2 输入级单元电路原理图

1.3.2 双色信号TDMI工作模式

如图3所示，在TDMI工作模式下，一个帧周期包含多个子帧周期，长波信号和中波信号分别用各自的输入级单元电路在各个子帧周期内对像素的长波和中波光敏信号进行积分，然后分别进行转移并各自完成累加；当所有的子帧积分结束后，所读出的积分信号就是分别进行了“像素累加（PA）”处理后的长波和中波输出信号，然后分别同时传输到列处理级。

图3 时分多路积分（TDMI）工作原理图

根据热像总体系统的指标分解，综合考虑探测器的响应特性及读出电路现有设计水平，TDMI工作模式下的一个帧周期包含24个子帧周期，长波信号和中波信号分别用12个子帧周期交替进行信号积分及信号累加、读出。

电容PA的信噪比（SNR）遵循递归滤波器原理[6-7]，当长波或中波信号进行12次像素累加，信噪比提高效果与电容比例系数有关，电容比例系数如式(1)所示，信噪比增强效果如式(2)所示，其中S为积累的信号电荷、N为积累的噪声电荷。

＝PA/(PA＋int) (1)

SNR增强与的关系如图4所示。可以看到，当累加次数一定时，系数越大时，SNR增强效果也越显著。在输入级电路设计时要注意，要在有限的像素面积内实现双色信号分别积分/读出，既要保证电容比例系数取值合理，又要保证电容PA上的噪声在ROIC中是最大的。通过折衷考虑，当累积次数为12次时，取值0.8。采样次数与信噪比提高的关系如图4所示。

曲线1：＝0.3125；曲线2：＝0.5；曲线3：＝0.8；曲线4：＝0.833；曲线5：＝0.99

图4 采样次数与信噪比提高的关系

Fig.4 Numbers of pixel sample and accumulation

1.3.3 像素累计模式仿真结果

利用Cadence spectre程序对输入单元电路（如图2所示）进行了室温条件下的电路仿真，以长波/中波探测器以TDMI工作模式进行了瞬态扫描，仿真结果如图5所示。其中图5(a)为对不同中波电流信号进行瞬态扫描的结果，图5(b)为对不同长波电流信号进行瞬态扫描的结果。可以看到，在室温条件下，通过12次信号累加，中波信号的输出摆幅达2.1V左右，长波信号的输出摆幅也达到2.1V左右。在低温条件下，中波、长波信号的输出摆幅会有一定变化，设计时充分考虑了冗余度。

图5 TDMI模式下不同输入电流作瞬态扫描(a) Vavg_M节点波形，(b) Vavg_L节点波形

1.3.4 双色信号TDMI工作原理

当选择双色信号TDMI工作模式，须同步输入长波与中波的帧积分信号（INT_LW和INT_MW）。积分过程在的INT_LW和INT_MW的上升沿开始。首先晶体管M2被闭合（信号DI_L为高），光电二极管D_L转换的电荷在积分电容int_L上积分；长波信号积分结束后，晶体管M2被打开（信号DI_L为低），晶体管M6被闭合（信号Rst1_L为高）；然后晶体管M1被闭合（信号DI_M为低），光电二极管D_M转换的电荷在积分电容int_M上积分；中波信号积分结束后，晶体管M1被打开（信号DI_M为高），晶体管M5被闭合（信号Rst1_M为高）。晶体管M2、M1闭合的持续时间称为子帧周期。研制的ROIC一个帧周期包含24个子帧周期，长波、中波的子帧周期分别为12个。如图4所示，当每个子帧周期交替结束后，晶体管M1或M2被交替打开（信号DI_L为低、DI_M为高），积分电容int_L、int_M上的电荷被交替转移到累积电容PA_L、PA_M上。一旦完成上述转移，复位开关晶体管M6、M5被交替闭合（信号Rst1_M、Rst1_L为高），使积分电容int_L、int_M交替被复位，然后分别开始第二个子帧周期的积分[1,2,4]。

对于每一个子帧周期，上述转移过程都会重复一次。值得注意的是，在所有的子帧周期过程中，累计电容PA_L、PA_M都不会被复位。于是，在累计电容PA_L、PA_M上分别产生累积电荷PA_L、PA_M并且被保持。

当第24个子帧周期积分结束，读出信号Read_L、Read_M同时到来，该像素的长波与中波电荷累积信号分别被同时读出，然后复位开关M8和M7同时被闭合（信号Rst2_L和Rst2_M为高），分别对电容CPA_L、CPA_M进行一次复位，标志着一个积分周期INT_LW、INT_MW的结束。

1.4 双色信号TDMI控制电路模块设计

考虑到中、长波探测器转换时间需求，设计了内部产生TDMI控制模块[8-9]；考虑到器件制作也属于探索阶段，增加了外部输入TDMI控制模式，使得长波和中波器件的积分时间、采样次数分别可调，提高了电路的适应性。

1.4.1 双色信号TDMI控制电路（默认模式）

从积分的上升沿开始后的3076.5 MC开始，通过SUBPV端口依次输入12个从0V到5V的周期性脉冲信号，周期＝4MC/MC_TDM（TDMI时钟通过MC_SEL选择：MC_SEL＝0（default），TDMI＝MC；MC_SEL＝1，TDMI＝MC_TDM），因此真正的积分时间是3076.5MC＋51MC/MC_TDM。积分时间可编程，且可通过改变MC/MC_TDM来不断地改变。INT的下降沿，对应MC的上升沿，它使输入MOS晶体管截止结束积分。电路图如图6所示，控制信号脉冲波型如图7所示。

1.4.2 双色信号TDMI外部控制模式

从积分的上升沿开始后的3076.5MC开始（TEST_ENA＝0），以Rst_1的下降沿触发，通过SUBPV端口依次输入（建议值：＝12）个从0～3.3V的周期性脉冲信号；并从外部端口依此输入GPOL_LW_SW、GPOL_MW_SW、PA_LW、PA_MW、RST1_LW、RST1_MW输入TDMI控制信号。上述7个脉冲信号可参考图7所示TDMI工作时序，它们的周期、占空比等可根据探测器实际应用进行修改。

2 610×512双色读出电路测试结果

640×512双色读出电路采用0.35mm DPFM（2 Poly 4 Metal）标准CMOS工艺制程，加工出来的是8英寸Wafer，其中一个读出电路芯片如图8所示。

在输入单元电路里，各波段处理电路都预置了测试管。当处于测试模式时，测试管模拟光电流进行全芯片电注入测试。改变测试管的栅电压，读出电路的输出相应改变。读出电路具备单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号时分多路积分（TDMI）/读出等4种工作模式可选功能。采用采用单色信号工作模式时，读出电路的典型功耗是55mW；采用双色信号TDMI工作模式时，读出电路的典型功耗是65mW。读出电路具备的积分时间可调、多种规格及开窗模式等功能测试正常。表2列出了读出电路的主要特征参数。

图6 双色信号TDMI控制电路（默认模式）

Fig.6 Dual band signal TDMI control circuit(default)

图7 双色信号TDMI控制信号脉冲（默认模式）

Fig.7 Dual band signal TDMI control signal pulse (default)

图8 640×512双色焦平面读出电路芯片

3 结论

采用0.35mm DPFM标准CMOS工艺，设计的640×512长/中波双色焦平面读出电路具有单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号时分多路积分（TDMI）/读出等4种工作模式可选功能，SNR较高等优点。理论分析及测试结果表明，采用TDMI技术可以达到准同时积分/读出效果。

表2 610×512 双色读出电路芯片77K条件下特征参数

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The ROIC for 640×512 Dual Band MCT Focal Plane Arrays with TDMI Operation

BAI Pi-ji，LI Ming，WANG Bo，CHEN Xiao，LIANG Yan，HONG Jian-tang，LI Li-hua

(,650223,)

The 640×512 ROIC used for one-indium-bump dual band MCT stacked focal plane array was developed. Four kinds of operation, LWIR only integration, MWIR only operation, DWIR Sequential integration and DWIR time-division multiplexed integration, were designed for one-indium-bump dual band MCT stacked focal plane array. The pixel input cell circuit was designed with LW integration DI circuit and MW integration DI circuit, the LW signal and MW signal were transported separately. To improve adaptability of the dual band detector assembly, the anti-booming operation had been achieved. The ROIC supports dual band signal Snapshot module，integration then readout (ITR) or integration while readout (IWR) operation separately, and selectable window readout modes. The 640×512 dual band focal plane ROIC was fabricated in 0.35mm DPFM CMOS process. The test result shows that the ROIC has good performance. The dynamic range of the ROIC is 2.3V, the time-division multiplexed integration operated well, and the total power dissipation is about 65mW.

long/middle wave dual band focal plane array，dual band read out integrated circuit，time-division multiplexed integration，one-indium-bump dual band MCT stacked

TN386.5

A

1001-8891(2015)12-1016-06

2015-01-22；

2015-06-11.

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

国防预研基金。