專利名稱：一種短波紅外探測器弱信號讀出的模擬信號鏈結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合信號集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種短波紅外探測器弱信號讀出的模擬信號鏈結(jié)構(gòu)，它用于短波紅外探測器陣列(Infrared Focus Plane Array-1RFPA)系統(tǒng)中的具有光電弱信號功能的高幀頻讀出集成電路，可實現(xiàn)短波紅外探測器的弱光響應(yīng)信號的積分、采樣、放大和輸出。
背景技術(shù)：
紅外探測器陣列是紅外成像系統(tǒng)中的核心 器件。紅外探測器陣列一般由兩部分組成紅外探測器陣列和讀出電路。紅外探測器在接收到入射的紅外輻射后，產(chǎn)生一個與入射紅外輻射性能相關(guān)的光電流，傳輸給對應(yīng)的讀出電路單元。傳統(tǒng)讀出電路將對這些電信號進行積分、放大、采樣和保持，再通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)最終以模擬信號形式讀出，由后端電子學(xué)系統(tǒng)形成圖像。高性能的短波紅外探測器有像元面陣大、單元面積小、光電流信號微弱、輸出幀頻高等特點。大面陣對信號在公共線上傳輸?shù)膿p失敏感；單元面積較小限制了單元結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；探測器光電流信號較小(O. I-IpA量級)，本身的積分采集困難；高幀頻應(yīng)用積分時間受限使采樣電容上的飽和電荷量偏??；由于信號小，噪聲引入的非線性度會很大；在高幀頻工作狀態(tài)下，小信號得到的數(shù)據(jù)在傳輸過程中損失會相對很大。常規(guī)的紅外探測器讀出電路一般分為單元、列公用、公共輸出級三個部分。單元結(jié)構(gòu)中有CTIA、BDI、DI等常用輸入級結(jié)構(gòu)可供選擇。列公用一般是一級米樣電路由一列單兀結(jié)構(gòu)公用，公共輸出級一般采用源級跟隨器作為輸出的驅(qū)動為一行列公用結(jié)構(gòu)共用。常規(guī)的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級在注入效率、噪聲的性能都很好，但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有限面積內(nèi)很難實現(xiàn)。一般的列公用結(jié)構(gòu)很難達(dá)到在動態(tài)范圍、噪聲抑制方面的要求。普通的源級跟隨器的輸出級也不能滿足幀頻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于采集與處理短波紅外探測器陣列弱信號的高幀頻讀出集成電路系統(tǒng)模擬信號鏈路，它是一種短波紅外探測器陣列系統(tǒng)中的具有采集弱信號功能的高幀頻讀出集成電路，它對短波紅外探測器的弱光電信號積分、采樣、放大后輸出，進一步增強短波紅外探測器讀出電路的信號處理能力，以推動其在大面陣、高分辨率、多光譜方向的發(fā)展。本發(fā)明解決的問題主要是弱信號的高效率采集；低頻噪聲的抑制；輸出動態(tài)范圍擴大；讀出電路工作幀頻的提高。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)途徑實現(xiàn)的本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)CSMC-6S05DPTM0. 5um CMOS 集成電路工藝，在 EDA (ElectronicDesign Automation電子設(shè)計自動化)設(shè)計平臺中搭建電路,主要實現(xiàn)對探測器光電信號的積分，相關(guān)雙采樣，電荷擺幅放大和輸出。模擬結(jié)構(gòu)的每級節(jié)點都考慮到公共導(dǎo)線的寄生電容，做了足夠的緩沖級保證驅(qū)動。在列公用模塊中采用CDS相關(guān)雙采樣消除讀出電路中比較嚴(yán)重的低頻噪聲。在列公用模塊中采用電荷放大器，可以將積分后的信號線性放大后給最終輸出。采用合適的緩沖buffer結(jié)構(gòu)減小傳輸中的損失。輸出級采用互補型的對稱運放結(jié)構(gòu)提高輸出時上推和下拉能力。本發(fā)明有兩點創(chuàng)新1.改良了常用的CTIA結(jié)構(gòu)，設(shè)計了電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)運放替代了常用的面積過大的套筒式運放。既可以保證單元結(jié)構(gòu)中輸入級的注入效率等關(guān)鍵性能又能克服原有結(jié)構(gòu)面積過大的缺點。2.對讀出電路的信號鏈路進行了設(shè)計，在單元結(jié)構(gòu)中采用I中所述的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級，在列公用 模塊中配置了相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)和列電荷放大結(jié)構(gòu)分別解決噪聲和動態(tài)范圍問題，公共輸出級結(jié)構(gòu)采用互補型輸出結(jié)構(gòu)以提高輸出幀頻。技術(shù)方案I)讀出電路前置放大電路采用電容跨阻抗放大器(CTIA)，該電路模塊負(fù)責(zé)將探測器光電流信號讀入電路并積分放大為電壓信號。然后緩沖、放大，配合片內(nèi)的邏輯電路將像元積分得到的電壓信號按一定的次序通過復(fù)用的模擬總線讀出以提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。CTIA結(jié)構(gòu)有很高的注入效率，積分電容由密勒效應(yīng)等效為輸入端一個很大的電容，從而可以分流得到絕大多數(shù)的信號電流，注入效率高于90%。由于面積的限制，該設(shè)計中的CTIA結(jié)構(gòu)不能采用套筒式或者折疊式這么復(fù)雜的多管結(jié)構(gòu)，電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)運放既能提供足夠的增益又比較節(jié)省面積。很好的滿足了設(shè)計要求。附圖3中有CTIA結(jié)構(gòu)的示意圖和單元結(jié)構(gòu)圖，其中圖(a)中Ml、M2、M3三個MOS管構(gòu)成了 CTIA結(jié)構(gòu)的運放，Vin和Vout之間放置積分電容。三個管子為電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)，Ml管為電流源負(fù)載，M2、M3為共源共柵結(jié)構(gòu)。該運放即為圖(b)中的CTIA結(jié)構(gòu)的FAMP模塊。M4 M9管為該運放提供工作的偏置電壓。M4、M7，M8、M9分別構(gòu)成電流鏡，M5、M6為二級管連接結(jié)構(gòu)，參考電流由IBIA端流入，經(jīng)電流鏡將偏置電壓賦予M1、M2。M4、M7與Ml有相同的寬長比，M5與M2有相同的寬長比，M6、M8、M9與M3有相同的寬長比。為節(jié)省面積，ΜΓΜ9被放在列公用模塊中。右圖中TG為傳輸管，SF為源級跟隨器，均是常用結(jié)構(gòu)。2)讀出電路有很嚴(yán)重的低頻噪聲影響，如KTC噪聲、Ι/f噪聲和陣列噪聲。附圖4中為本發(fā)明中的相關(guān)雙采樣CDS，能很好的降低低頻噪聲的影響，這里的CDS選擇了比較合理的結(jié)構(gòu)，以滿足高幀頻的要求，同時基本不影響工作時序。在一次信號傳輸過程中就能完成兩次采樣相減直接輸出。而且可以調(diào)節(jié)參考電壓Vcds改變輸出的信號范圍。采樣電容上信號有效時SI、S2閉合，S3斷開，A、B兩點分別被鉗位到Vinl和Vcds。鉗位完成后S2斷開，B點Cl右極板的電荷沒有通路可以轉(zhuǎn)移，被固定在B點，也就保持了 Cl電容的電壓差Λ V = Vbi-Vai = Vms-Vinl。之后S3閉合，復(fù)位C2電容，A點被拉低到采樣電容上的初始VinO,此時B點電壓會跟隨下降為VB2 = VA2+ AV = Vcds+(Vin0-Vinl)，該信號即為兩次信號相減后的值。3)電荷放大器的主要功能是提高動態(tài)范圍，將前級的信號線性的放大后提供給輸出級。該級主要考慮線性度、對后級的驅(qū)動能力以及功耗。具體結(jié)構(gòu)在附圖5中，前級信號有效時SI、S3閉合，S2斷開，Cl采樣，C2復(fù)位。采樣完成后SI、S3斷開，S2閉合，Cl上的電荷轉(zhuǎn)移到C2上,信號放大在Vout端輸出。擺幅以Vbla3為中心上下限各損耗一個閾值電壓，門限值I. IV 4V，輸入門限也是I. IV 4V。設(shè)計好Cl、C2的比例來控制信號幅值放大的比例。其工作電壓范圍也是可以通過調(diào)節(jié)參考電壓Vbias控制的。4)公共輸出級是多路公用的驅(qū)動最后Pad的緩沖級。其工作性能直接影響到電路的輸出幀頻?？紤]到NMOS管組成的單位增益運放下拉能力比較弱、上拉能力比較強，PMOS管反之，結(jié)合兩者的優(yōu)勢而組成了互補型的輸出級結(jié)構(gòu)。在高信號是NMOS運放工作，低信號時PMOS運放工作，這樣就能提供很好的驅(qū)動能力。5)信號在CTIA結(jié)構(gòu)模塊中完成積分和采樣后傳輸給后級公共結(jié)構(gòu)。列公用模塊中采用CDS相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)，消除讀出電路中比較嚴(yán)重的低頻噪聲。之后信號進入列公用模塊中的電荷放大器，可以將積分后的信號幅值線性 放大后轉(zhuǎn)移給最終輸出級。公共輸出級采用互補型的對稱運放結(jié)構(gòu)提供足夠的上推和下拉能力，以滿足高幀頻工作的要求。整個信號鏈的工作流程是這樣的，短波紅外探測器的探測器陣列把短波紅外信號轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號后開始在讀出電路上積分。CTIA結(jié)構(gòu)將光電流信號積分，積分完成后采樣到采樣電容中，之后傳遞給列公用結(jié)構(gòu)中的相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)。相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)對信號做兩次采樣相減的結(jié)果傳給同樣在列公用結(jié)構(gòu)中的電荷放大器。電荷放大器將前級信號電壓線性放大后輸出到后級。公共輸出級中的互補型輸出級將電荷放大器過來的信號依次輸出到最后的總線上。本發(fā)明的優(yōu)點在于I)單元的CTIA結(jié)構(gòu)很好的實現(xiàn)了面積、性能、功耗的折衷，為大面陣、小像元、弱信號的短波紅外探測器器件提供了一種讀出電路的解決途徑。面積20UmX20Um 200umX200um，功耗O. 5uff 2uW，注入效率95%以上。2)模擬信號鏈中集成了⑶S相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)，濾去紅外探測器讀出電路比較嚴(yán)重的低頻噪聲。為短波紅外探測器器件在高分辨率等應(yīng)用提供技術(shù)支持。3)在提高輸出擺幅方面做了很好的設(shè)計，電荷放大器對信號擺幅的線性放大以及各級信號工作范圍的協(xié)調(diào)，能明顯的提高短波紅外探測器器件的動態(tài)范圍(2V 4V)。


圖I為整個電路功能模塊工作流程圖。UGA為單位增益運放，TG為傳輸門，SF是源隨結(jié)構(gòu)。圖2為鏈路中通用的5管單位增益運放結(jié)構(gòu)(UGA)。在相關(guān)雙采樣、電荷放大器和信號通路中都有用到。圖3為采用電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)(M1、M2、M3)運放的CTIA結(jié)構(gòu)前置放大電路圖。Μ4 Μ9為運放提供偏壓，放在列公用結(jié)構(gòu)中。圖a為CTIA結(jié)構(gòu)的運放和輔助偏壓結(jié)構(gòu)，圖b為單元中的CTIA結(jié)構(gòu)整體示意圖。圖4為相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)，CDS結(jié)構(gòu)能夠有效抑制低頻噪聲，特別是單元結(jié)構(gòu)的噪聲較大所以放在列公共級。圖5為電荷放大器結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式I)讀出電路前置放大電路采用CTIA結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含M1、M2、M3和積分電容，采樣電容。尺寸根據(jù)需要自行確定，推薦寬長比為1/10、1/5、1/10。
2)單位增益運放的包含Ml M5，推薦尺寸為10/1、10/1、20/1、20/1、20/1。3)相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)中鉗位電壓Vms取4 5V，Cl取I 2p。4)電荷放大器的結(jié)構(gòu)中Cl為lpF，C2按放大比例可以取O. 4 2pF。5)互補輸出級結(jié)構(gòu)P-UGA\N_UGA均采用圖2中 單位增益放大器的結(jié)構(gòu)，推薦寬長比為 200/1、200/1、400/1、400/1、400/1。該發(fā)明中的模擬信號鏈路和電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)的運放CTIA結(jié)構(gòu)在紅外短波探測器讀出電路中的應(yīng)用設(shè)計方案是合理的、可行的。
權(quán)利要求
1.一種短波紅外探測器弱信號讀出的模擬信號鏈結(jié)構(gòu)，它包括電容反饋運放積分CTIA結(jié)構(gòu)輸入級電路、相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)和電荷放大器結(jié)構(gòu)和互補型輸出級電路，其特征在于所述的模擬信號鏈結(jié)構(gòu)采用了 CTIA結(jié)構(gòu)輸入級對微弱短波紅外光電流信號積分采樣，配置了相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)來降低讀出電路常見的低頻噪聲，采用電荷放大器結(jié)構(gòu)線性放大信號電壓以提高動態(tài)范圍；CTIA結(jié)構(gòu)將光電流信號積分，積分完成后采樣到采樣電容中，之后傳遞給列公用結(jié)構(gòu)中的相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)，相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)對信號做兩次采樣相減的結(jié)果傳給同樣在列公用結(jié)構(gòu)中的電荷放大器，電荷放大器將前級信號電壓線性放大后輸出到后級，公共輸出級中的互補型輸出級將電荷放大器過來的信號依次輸出到最后的總線上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于采集與處理短波紅外探測器陣列弱信號的高幀頻讀出集成電路系統(tǒng)模擬信號鏈路，屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于讀出電路采用了一種模擬信號鏈路結(jié)構(gòu)。具體為在單元結(jié)構(gòu)中采用了電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級，在列公用結(jié)構(gòu)中配置了相關(guān)雙采樣CDS模塊、電荷放大模塊，公共輸出級采用了互補型輸出級。模擬信號鏈中集成了CDS相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)，濾去紅外探測器讀出電路比較嚴(yán)重的低頻噪聲，為短波紅外探測器器件在高分辨率等應(yīng)用提供技術(shù)支持。
文檔編號G01J5/24GK102818639SQ201210275848
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者王攀, 丁瑞軍, 陳洪雷, 葉振華, 張君玲, 黃愛波 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所