CTIA线列型读出电路输出异常问题研究

王 静,刘兴新,李冬冰,袁 媛

(中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在读出电路设计中,常用的输入级结构主要有直接注入(DI)、缓冲直接注入(BDI)、以及电容跨阻放大器(CTIA)等。其中CTIA输入级结构由于引入高性能运算放大器,其注入效率、线性度等性能卓越。理想情况下可以实现100 %的注入效率。同时,由于能够提供稳定的探测器偏置,以其作为读出电路的探测器芯片输出均匀性和噪声都优于其他结构。因此,在小信号、高信噪比的探测应用中,优先考虑CTIA作为输入级[1-2]。

近年来,随着探测需求的进一步提高,CTIA结构的应用也越来越广泛。但是,也因为探测性能高,导致CTIA输入级敏感,对于信号传输和互连匹配性要求较高,容易受到信号变化的干扰,出现异常输出。阵列规模越来越大、像元间距越来越小,对该结构应用也是一种挑战。本文针对采用CTIA作为输入级结构的线列型读出电路出现的大信号输出异常问题,通过仿真验证结合理论分析,提出措施并进行实验验证,有效的解决了同一类型电路出现的相同问题。

2 CTIA输入级原理

应用于读出电路的典型的CTIA输入级结构如图1所示。其核心工作部件为运算放大器(amplifier)。其中,bias提供其正常工作的偏置电压。Vref和SUB为光电二极管提供反偏工作电压,Vref同时也是积分起始电平。Cint为积分电容,在积分信号INT的控制下,对光生载流子进行积分,最终输出积分电压out。图2给出了CTIA输入级的信号变化示意图,其中INT为高电平时开关断开,积分电容开始积分,积分起始电平为Vref,INT为低电平时,开关闭合,积分电容复位至Vref,等待下次积分[3-4]。

图1 典型的CTIA输入级结构

图2 CTIA输入级积分信号示意图

图1中A点为光电二级管和CTIA输入级互连节点,同时也是电荷敏感节点,无驱动力且连接积分电容Cint和二极管的结电容,容易受到扰动,使积分信号发生变化。该节点在电路设计中一定要加以保护[5]。

3 输出异常分析

在使用中发现,采用图1中的CTIA作为输入级的TDI线列型读出电路,在处理大信号(半阱以上,与积分电容有关)时,输出出现异常,如图3所示。

图3(a)中,当面对同一探测温度时,正常输出下,帧间复位后每帧输出同样的电平,当输出异常时,帧与帧之间的输出电平出现高低差异,并且交替出现。图3(b)给出了异常输出电平的成像图,在图像上表现为明暗条纹交替出现,通过测试,输出异常与积分电容大小直接相关,积分电容越小引发异常输出所需的信号能量越小,帧间电平差异越大。并且通过改善供电、调节偏置电压和参考电压等措施对该现象均无明显改善。延长INT的复位时间能够轻微改善该现象,但继续增强积分信号,现象会再次出现。

(a)电平输出异常表现

(b)异常输出成像图

根据测试结果,分析认为电路输出异常与输入级的工作状态直接相关。光电二极管工作时,两端弱反偏电压由CTIA输入级提供。光电二极管弱反偏下特性曲线如图4所示,光电二极管工作在坐标的左半平面。当光电二极管偏压变化时,产生的光电流相应发生变化,即CTIA积分电流发生变化[6]。

图4 光电二极管电流-电压特性曲线

图5给出了光电二极管模型,结合图1可以发现,SUB电压通过探测器与积分电容相连,积分电容上发生瞬时信号变化通过探测器直接可反馈至SUB端。

当积分电容复位时,电容信号发生突变,在复位过程中会产生瞬时放电电流其过程遵循以下公式[6]:

Q=CV=it

(1)

其中,Q为积分电荷量;C为积分电容应用量级一般约为10-15;V为积分电压值；i为放电电流;t是放电时间,由电路RC时间常数决定,其中,C为积分电容;R为运放和开关的等效电阻,量级在105左右(仿真得出)。当电容复位时,产生的瞬时电流量级约为10-5,对应图1中A点产生一个电流过冲,这个过冲通过探测器会影响SUB(电容两端发生信号变化时,电容导通)。实际应用中所有光电二极管共用一个SUB端,因此,对于10000元的阵列来说,在SUB端接收到的瞬时冲击电流可达几十毫安甚至几百mA。

图5 光电二极管模型示意图

实际使用中,SUB供电能力有限同时供电线上存在阻抗特性等非理想因素,在受到大电流倒灌时,需要较长时间恢复甚至难以恢复。图6给出了SUB端冲击及影响示意图。对于CTIA结构,SUB端电压受到冲击抬升,那么,在下一次积分时,光电二极管反向偏压变小,引起响应光电流变小,下一次积分信号降低,复位产生的过冲也随之减小,再下一帧时SUB端可以恢复初始值,继而探测器光电流变大,如此反复,产生帧间异常输出。

图6 SUB端冲击及影响

根据上述理论分析,用8000个CTIA输入级(图1结构)仿真SUB端所受冲击情况如图7。

在积分信号为半阱的情况下,积分电容复位时,SUB端收到的冲击电流达到540 mA,该脉冲持续时间小于1.7 ns。与理论分析基本一致。

图7 8000像元复位时过冲电流仿真

4 验证实验

结合仿真和分析结果,上述现象最直接的改善方法是降低积分信号强度、延长复位时间,使SUB端电压充分恢复。实际项目应用中,以上措施往往难以实现,那么,根据公式(1),还可以通过修改链路时间t的办法,限制放电电流i,降低阵列同时复位对SUB端产生的冲击。结合上述计算,在SUB管脚串联1 kΩ电阻,即可将电流冲击量控制在μA量级。仿真结果如图8所示。

图8 SUB管脚串联1 kΩ电阻后放电电流仿真

串联限流电阻后,放电电流的尖峰降至650 μA。显著降低了对外围电路的冲击。

最后,验证实验中,在SUB端串联1 kΩ限流电阻,测试结果统计如图9所示。其中,纵坐标为输出信号幅值,横坐标为采样帧,图中取同一像元在第1～15帧的输出进行统计。

图9 SUB端限流后读出电路测试结果

从图9统计结果来看,串联电阻后,帧与帧之间输出表现为正常的噪声影响,没有明显的电平差异。因此,理论和实验结果相匹配,可以在不改变系统设置和应用条件的情况下,解决输出异常问题。

5 结 论

CTIA结构因其噪声低、注入效率高的特点,在弱信号处理时具有显著的优势。然而,也因为这些优点导致其结构比较敏感,抗干扰能力弱。采用CTIA结构作为输入级的线列型读出电路在处理大信号时发生输出异常。该现象是由于积分电容放电时对探测器衬底一端产生瞬时冲击造成的。上述现象与探测器的信号强度、积分电容、积分时间、复位时间等工作参数的匹配直接相关。根据现象机理分析,可以不改变系统设置和应用条件,通过给受冲击管脚增加限流电阻的方法,降低冲击电流强度,以助其在复位时间内顺利恢复正常值,该方法已通过实验验证,切实有效,可以消除帧与帧之间输出电平差异的现象。