一种新型非制冷红外焦平面读出电路的设计

颜 超，高文钊，李 勇，夏渤函

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.台州国晶智芯科技有限公司，浙江 台州 318014）

0 引 言

非制冷红外成像技术开始于20世纪80年代，1978年美国德州仪器公司成功研制了世界上第一个非制冷红外热像仪系统。1983年，Honeywell公司成功研制出一种非制冷氧化钒微测辐射热计的红外焦平面阵列；1996年出现了320×240像元阵列的微测热辐射红外焦平面阵列的报道，其像元尺寸为50 μm×50 μm，噪声等效温差在100 mK左右。目前，还有研究者利用一种特殊的双重结构生产出了25 μm像元的320×240和640×512两种红外焦平面阵列，并且当前的研究方向为20 μm像元的640×512规格红外焦平面阵列，使系统性能得到大幅度提升。

我国在20世纪80年代末逐渐开展对红外芯片的研究，但在该方面的技术上与西方国家仍有一定的差距。我国在非制冷红外热成像方面的研究集中在部分高等院校，包括清华大学、北京大学、西安电子科技大学以及电子科技大学等，它们均致力于研究非制冷红外焦平面，其阵列规模从起初的160×120逐步扩展到320×240、384×288；到目前为止，阵列大小已达到了640×512。本文基于TSMC 0.18 μm工艺，设计了一种384×288像元阵列非制冷红外焦平面读出电路，并对电路进行了仿真，结果显示积分电压具有较好的线性和放大效果。

1 研究目的及意义

随着我国经济的发展，在很多场合对无光照条件下超远距成像的需求和红外探测器的需求量将会越来越大。比如在军事领域，士兵可以通过红外成像观察隐蔽物后的敌人，也可以在夜间能见度较低的情况下观察敌人的移动方向，达到侦查的目的；指挥官可以通过用无人机携带红外探测器的方式来最大程度地显示战场的形势，也更有利于其对战场的把控。在日常生活领域，可以通过红外芯片的红外热成像功能测量人体不同部位的温度差异来分析病情；同时在疫情防控期间，在人流量密集的公共场所，红外体温检测仪被广泛应用，它可以实现大范围地查看人们的体温，如果存在异常就会报警并对体温异常人员进行抓拍，有效地遏制疫情传播。因此，关于红外芯片的研究在军事、交通、个人健康等领域都有着极其重要的意义。

红外探测器已成为各国研究的重要方向。尽管我国对红外探测器的发展已经提供了大力支持，但技术水平与其他国家仍有一定的差距，并且国外对于此项技术严格保密，所以我们需要投入更多的精力进行创新，不断缩小与国外的技术差距。

2 电路结构设计

本文基于TSMC 0.18 μm工艺，研究并设计了一种384×288像元阵列非制冷红外焦平面读出电路，总体结构包括非均匀性消除结构、像元结构和CTIA结构三个部分。

2.1 非均匀性消除模块

在MEMS制造过程中，尽管给定相同的辐射功率，但在有效像元的制造过程中会与标准值有较大误差，使得在像元阵列中每个像元产生不同的输出；而且即使辐射功率相同，每个像元在像元阵列中的输出也不一定是均匀值，这就是非均匀性。

在理想状态中，红外焦平面阵列中所设计的各个明像元响应图像关系均相同。非均匀性是指红外探测器自身的材料、工艺上的缺陷等均有可能使各个明像元具有不同的响应曲线，此时同等条件的红外辐射下各探测元的响应输出曲线不同。而本文依据非均匀特性所设计的校正电路结构可以降低制造工艺上的复杂度，从而引入探测器电阻的非均匀性对输出的动态范围进行优化，进而降低对输出信号的干扰。

产生非均匀性有以下两个原因：（1）阵列里的不同探测元均对应不同的响应曲线，这种差异性是由多种因素造成的，如感应面积的大小、不同区域的掺杂浓度等；（2）无效探测元对输出电路存在影响，由于制造工艺的原因，部分无效像元对红外辐射不会产生响应，但会对电路产生非均匀性的影响。

非均匀性模块中每列由D0～D2信号控制，芯片内共有3×640=1 920个信号。依据MEMS的性能可以控制在相应温度范围内，电阻的相对差为3 kΩ（1%），其电压的可控动态范围为0.5～4 V，考虑到其他因素的非均匀性，敏感像元在不同温度下的变化情况如下：-830.114 Ω（-10 ℃），-1 888.659 Ω（20 ℃），-3 395.861 Ω（50 ℃）。据此可知电阻的非均匀性小于3 %（8 kΩ），即所造成的最大积分电流值可超过200 nA，在电路结构中可通过调节使得允许最大电流值大于200 nA。在偏压、和数字信号D0、D1、D2的作用下输出调整电流。

用于调节调整电流，D0输出支路的调整电流为：

此时V的值为：

而D1、D2支路的计算原理同上。

由于在无红外辐射的情况下该电路中的电阻和敏感像元的阻值相等，D0、D1、D2三条支路中的电流比应为它们的电阻之比，即1：2：4。设D0支路上的电流为，先假设MOS管的电阻对于像元电阻来说可以忽略不计，得到的表达式为：

同理可得，2和4的表达式分别为：

而输出电流为：

2.2 像元结构

像元的电流性质是外界温度的改变导致像元阻值的变化，此支路的电流也会产生小幅度的变动，这个微小的电流通过M8 MOS管流出，再经由CTIA电路积分放大，进而变为电压传送给下一级。

设计盲像元电路是为了代替真实像元，可以在晶圆的电路功能检测阶段代替有效像元生成电流，从而检测读出电路的有效性。其中，是盲像元，是有效像元。若外界没有红外光被有效像元吸收，就不会产生电流，则像元电路中的和支路电流的差值为0。当外界有红外光时，根据像元的电流性质，则有效像元的阻值会发生微小变动，就会与盲像元电路生成漏电流，接着通过传输到下一个CTIA支路，再被积分成电压传输到下一级。

在像元结构电路中，电压的模拟信号包括、、三个信号，可以为电路的输入提供不同的信号值。而Testp信号则为数字信号，决定着M11、M10、M7、M8这四个管的开通与关断，进而决定盲像元电路和有效像元电路是否工作。M6的作用是改变有效像元电路的电流，M7和M8是用来选择像元电路的行与列，M9的作用是改变盲像元电路的电流，通过调整这些数值进而满足在外界温度不变的情况下盲像元电路的电流与有效像元电路的电流相等，即=0。

在等效像元工作过程中，所有的数字信号同时开启，并且时序全部相同，负责向盲像元供给偏置电压。

工作在饱和区的MOS管，其D与S之间的电阻值与、V的关系如下：

电流差为：

其中：是有效像元阻值；是盲像元阻值。由式（7）和（8）可以看出，如果栅源电压发生变化，电流差也会发生改变。盲像元电路能够作为有效像元电路的替换就是凭借了这一电学性质。

读出电路的特性可以通过像元电路来初步检测，但是通过有效像元电路的检测只能在封装过后才可以进行，并且封装的成本很高。因此可以通过盲像元电路来实现在晶圆测试时和封装之前初步检查读出电路的电学性质，提前判断读出电路是否正常，实现封装前剔除损坏的芯片，从而大大降低非制冷红外芯片的生产成本；而且在晶圆测试后、芯片封装之前，盲像元电路在选择信号的控制下保持关断状态，进而消除对有效像元电路的影响。通过Cadence软件的仿真可以看出，盲像元电路的电流输出结果曲线和有效像元电路的曲线均为线性关系，电学性质相同，可以很好地实现代替作用。

图1和图2分别是仿真的电流差随和的变化趋势图。从图中可看出，等效像元电路可以替代电路中的模拟有效像元。

图1 积分电流随栅压GFID的变化情况

图2 积分电流随栅压GSK1的变化情况

2.3 CTIA结构

对于红外焦平面的读出电路，目前已出现以下多类输入级结构：（1）自积分型（SI）：动态范围小，无探测器偏压控制，固定图像的噪声高、线性度低，但优点是面积小、功耗低；（2）源跟随器型（SFD）：相比于SI来说，该类型的线性度要好；（3）直接注入型（DI）：相比于SFD来说，动态范围得到了提高，并且通过有效的手段降低了固体图像的噪声；（4）缓冲直接注入型（BDI）：相比于DI型，动态范围不断提高，探测器偏压的稳定性得到进一步控制，但面积与功耗方面却略有增大。对于电容反馈互导放大器型（CTIA）结构来说，虽然其所需的面积以及功耗高，但是优点还是比较明显的，主要表现在动态范围高、具有探测器偏置电压控制稳定性、优良的线性度以及低噪声等方面。

综上所述，本文采用的CTIA读出电路结构，可以实现对积分之后的电流进行放大，动态调节功耗，从而达到降低系统总功耗的目的。

如图3所示的CTIA电路结构中，是还原的输入；为所需积分电容；为有效像元电路和盲像元电路形成的电流差，流入CTIA电路之中；integrate_en是电路的控制信号输入端；为电路的参考电压值；为积分后最终输出电压。

图3 CTIA电路结构

假设为低电平、integrate_en为高电平时，M1为截止状态，M2为导通状态，在的作用下进行积分。若是integral_time，所得的表达式为：

假设为高电平时，则积分电路进行复位，此时会使=。由式（1）可得，积分电路中得到的输出电压值与运放的增益的大小有关。在理想情况下，运放的开环增益可以达到无穷大，就可以忽略偏差所带来的影响；但实际过程中的运放增益是有局限性的，所以会造成偏差，影响最终的输出效果。此外，对于输入信号，则会存在失调电压的影响，同样也会造成偏差。但以上两种偏差通常在实际应用中是不可避免的。

在设计过程中，采用控制变量法，只改变积分电流的值，其他参数的状态不变。由式（1）可知，输出特性会发生不同的改变。如图4所示为值不同的情况下其对应电压随的变化趋势。理想条件下，即>，所对应的积分电压输出特性曲线斜率较大；在相等积分时间内，积分电压也较大。因此可以得出结论：在相同的输出电压下，积分电流越大，所需要的积分时间就会越短。

图4 不同积分电流下积分电压的理想输出曲线

除此之外，在条件允许的情况下可以通过适当增大的值，增大放大器的增益，进而提高系统的响应率以及探测器的灵敏度。

通过上述分析，可以得到关键参数、、、与之间的关系。若为低电平时，那么电路处于积分状态，仿真前参数、的数值分别为3.5 V、5 pF。

由图5、图6中可以看出，若令=50 nA，=50 µs，则＝4 V ；若令=100 nA，=25 µs，则＝4 V。由图可知，仿真数据与本文设计的读出电路所预期的目标相符合。

图5 积分电流为50 nA时的积分电路瞬态仿真结果

图6 积分电流为100 nA时的积分电路瞬态仿真结果

3 结 语

传统的红外芯片存在有效像元成本高、制造工艺复杂、均匀性差等问题，因此本文研究了一种由非均匀消除模块、对照像元电路模块和电容反馈互导放大器（CTIA）组成的384×288非制冷红外焦平面新型读出电路，该电路结构通过Cadence软件进行仿真。由结果可以看出，积分电压吻合表达式表现出良好线性度和放大性能，同时也减弱了环境与数据采集的绝对差对输出结果的影响，最终与预期设想相符合。