背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计

张露漩,袁 媛,李敬国

(中电科光电科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

1.1 红外探测器系统介绍

广泛应用于军事、工业和民用等领域的红外探测系统,是通过对目标红外辐射进行接收来完成识别任务的。它的核心部件是红外焦平面阵列,由红外探测器和读出电路两部分组成。红外探测器的作用是将红外辐射转换成电信号。读出电路则是对探测器感应生成的电信号积分放大、采样保持、输出缓冲、多路传输,完成信号读出的功能[1]。如图1所示,为红外焦平面系统信号处理框图。

图1 红外焦平面系统信号处理框图

1.2 红外焦平面读出电路

读出电路的性能好坏直接影响红外焦平面阵列的性能。当前读出电路的典型结构主要有以下几种:自积分型(SI),源跟随器型(SFD),直接注入型(DI),缓冲直接注入型(BDI),电容反馈互导放大器型(CTIA),电阻反馈互导放大器型(RTIA),电流镜栅调制型(CM),电阻负载栅极调制型(RL)[2]。

CT IA型读出电路具有噪声低、探测器偏压控制稳定、积分线性度、均匀度和灵敏度好、动态范围大等多种优点。适合短波红外探测器的信号读出工作[3-4]。

本文根据传统的CTIA型读出电路输入级结构,设计了一种带有背景暗电流抑制功能的CTIA型读出电路输入级结构。经过仿真验证,其性能优良,可实现红外探测器读出电路对短波信号长积分时间下的背景暗电流抑制,未来可广泛用于红外焦平面线列、面阵以及其他阵列传感器中。

2 带有背景暗电流抑制功能的CTIA型读出电路输入级设计

2.1 电路结构设计

传统的CTIA型读出电路输入级,如图2所示,是由一个反向运放和反馈积分电容Cint构成的一种复位积分器。探测器等效模型detector由并联的理想电流源、电阻和电容组成。

图2 传统的CTIA型读出电路输入级结构

反向运放具有较高的开环增益,反向输入端电压由于运放的虚地特性,被固定在参考电压Vcom,从而实现为探测器提供稳定的偏压。同时,探测器电流在反馈电容上积分,由于放大器的输入阻抗非常大,可以实现较高的注入效率。积分增益大小由积分电容决定,可以设计增加积分增益选控单元,灵活选取积分增益[5]。

传统的CTIA输入级电路主要工作于复位和积分两种工作状态。积分复位时,复位开关Reset闭合,积分电容Cint两端短接,积分电容完成放电复位工作,此时输出电压VOUT等于运放反向输入端,由于运放的虚短特性,其电压值等于参考电压Vcom。积分工作时,探测器对目标红外辐射进行采集,产生电流Idet,积分电容进行电荷积分工作,积分时间为t,放大器开环增益为A,输出电压如公式(1)所示:

(1)

根据Q=CV电荷守恒理论,对于短波红外信号,总电荷量相对中长波较小,使用小积分电容可以快速实现积分电压建立,缩短积分时间,进而加快读出电路工作频率。但小积分电容对背景暗电流敏感,当积分时间过长或背景暗电流较大时,会造成积分电容饱和,导致读出电路动态范围减小,灵敏度降低,信号传输失真[6]。

如图3所示,为带有背景暗电流抑制功能的CTIA型读出电路输入级结构。

图3 带有背景暗电流抑制功能的CTIA型读出电路输入级结构

为了改善背景暗电流对读出电路积分电容的影响,本文设计采用skimming方式进行暗电流抑制。工作原理如图3所示,增加背景电流抑制模块Background current skimming,在积分开始前和积分结束后,M2管断开,有效隔离探测器和积分放大单元,避免暗电流对放大器的影响,同时保证积分电容上的电荷不会外泄,保证积分电压的稳定[7-8]。

当探测器没有接收目标的光辐射信号时,探测器只接收背景辐射,产生背景暗电流,通过调节M1管的栅极偏压VC,使从M1管上通过的电流大小等于红外探测器中所产生的暗电流Idark大小。探测器开始接收目标光辐射信号后,积分电容开始积分,M2管导通,此时探测器产生的总电流Idet为放大器的输入端Isig和M1管漏极电流Idark的和,如公式(2)所示:

Idet=Idark+Isig

(2)

在整个输入级单元电路的工作过程中,M1起到对暗电流分流的作用,使暗电流不会流入后面的积分电路部分,从而有效地抑制了暗电流,同时也可以使积分电容减小,改善了探测器的灵敏度,增大动态范围。

2.2 版图设计分析

设计CTIA型读出电路输入级的版图时,输入和输出节点上的元器件和金属走线必须分开,以避免寄生反馈效应。输入管和负载管的排列应遵循尽量紧密和对称的布局规则,以减小运放的输入失调电压。

2.3 工艺分析

本设计要求电路可以工作在低温77 K,使用SMIC 0.35 μm工艺,考虑特殊环境下MOS器件的阈值电压、跨导等特性具有工艺波动性,在参数设计时需要考虑一定的变化范围,仿真时使用蒙特卡洛仿真法。

3 仿真结果分析

针对传统的CTIA输入级结构和带有背景暗电流抑制的CTIA输入级结构,分别进行仿真,设定工作温度为低温77 K,大于300 μs的长积分时间和0～800 pA的小注入电流,积分电容大小相同。得到仿真结果如下,得出结论,本文设计的带有暗电流抑制的CTIA读出电路对背景暗电流起到了有效抑制作用,可以提供更稳定的探测器偏压,同时,具有良好的积分线性度、均匀性、灵敏度和动态范围。

3.1 暗电流抑制仿真

探测器接收短波小信号,对传统CTIA输入级和本文带有背景暗电流抑制的CTIA输入级分别注入信号电流0～800 pA,步进200 pA。

如图4所示,传统CTIA输入级的探测器电流Idet明显大于放大器注入电流Isig,说明其中产生的背景暗电流会在积分电容上积分累积,进而影响运放反向输入端电压,使其不能恒定在参考电压Vcom,影响探测器偏压。

图4 传统CTIA型读出电路输入级电流分布

如图5所示,为本文设计的带有背景暗电流抑制的CTIA输入级电流分布。通过调整起背景暗电流抑制作用的M1管的栅极电压VC,使流经M1管的电流等于背景暗电流Idark,探测器产生的总电流Idet是放大器注入信号电流Isig和背景暗电流Idark的和。实现背景暗电流的抑制作用。

图5 带有背景暗电流抑制的CTIA输入级电流分布

统CTIA型读出电路输入级和本文设计带有背景暗电流的读出电路输入级注入相同电流0～800 pA,步进100 pA。积分电容大小相同。如图6所示,传统CTIA读出电路输入级零注入电流时,积分饱和时间约52.8 μs,注入电流800 pA时,积分饱和时间约92.7 μs。如图7所示,带有背景暗电流抑制的CTIA型读出电路输入级对电荷的积分速度更慢,零注入电流时,积分饱和时间约99.7 μs,注入电流800 pA时,积分饱和时间约601 μs。是传统CTIA型输入级积分电容饱和时间的2倍,表明电路很好的抑制了暗电流的影响。

图6 传统CTIA型读出电路输入级积分电容饱和时间

3.2 探测器偏压稳定性仿真

受暗电流影响,传统CTIA输入级的运放反向输入端在长积分时间时会造成不稳定输出,反向输入端电压下拉。并且下拉电压幅度与注入电流大小成正比,注入电流越大,反向输入端电压下拉幅度越大。增加暗电流抑制电路,可以有效改善这种情况。

图7 带有暗电流抑制的CTIA型读出

如图8所示,注入800 pA电流时,传统CTIA输入级运放反向输入端电压1.423 V,下拉177 mV。

图8 传统CTIA输入级放大器反向输入端电压下拉

如图9所示,经过暗电流抑制,运放反向输入端电压下拉幅度显著改善。注入800 pA电流时,反向输入端电压1.588 V,下拉12 mV。与传统的CTIA输入级相比,改善93.2 %。可以对探测器提供更稳定的偏压。

图9 带有背景暗电流抑制的CTIA输入级放大器反向输入端电压下拉

3.3 线性度仿真

增加暗电流抑制模块的CTIA输入级,探测器接收短波小信号,注入电流0～80 pA,步进2 pA,大于300 μs的长积分时间。将注入电流和输出电压绘制成线性度曲线,如图10所示,将仿真数据拟合可知,电路的积分线性度可达到99.97 %。

3.4 积分均匀性和灵敏度仿真

探测器接收短波小信号,注入信号电流0～80 pA,步进4 pA。如图11所示,随着探测器电流的线性等差增大,积分电容对电荷进行积分,输出的积分电压也是线性等差增大的,饱和电压也随之等差增大,积分过程平缓,表明本文带有背景暗电流抑制的CTIA型读出电路输入级具有很好的积分均匀性和积分灵敏度。

图10 读出电路对注入电流积分并输出积分电压

图11 积分电压随注入电流线性增大而线性输出

通过以上仿真结果可以得出结论,本文设计的带有背景暗电流抑制的CTIA型红外探测器读出电路,可以有效实现背景暗电流抑制,提供更稳定的探测器偏压,同时,具有良好的积分线性度、均匀性、灵敏度和动态范围。

4 结 论

本文设计提出的带有背景暗电流抑制的CTIA型红外探测器读出电路输入级。可实现在77K低温环境下,大于300 μs的长积分时间,探测器接收短波小信号,注入电流0～800 pA,与传统的CTIA读出电路输入级相比,本文设计的带有背景暗电流抑制的CTIA型红外探测器读出电路输入级,有效实现对背景暗电流的抑制作用,提供探测器偏压稳定度提高93.2 %,同时,积分线性度达到99.97 %,具有良好的积分均匀性、灵敏度和动态范围。

本设计在未来可用于线阵读出电路和元数不是太多的面阵FPA的读出电路。其性能优良。对于像元更多的面阵。考虑到功耗、成品率等问题,可采用单元电路内晶体管数目比较少的其他ROIC方案。