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摘要： 以上华0.35 μm 5 V工艺设计了一款640×512-25 μm多功能红外读出电路。 该红外读出电路工作在80 K温度条件下适合多种红外探测器， 如InSb， HgCdTe 和InGaAs。 此设计在分析各模块实现的基础上， 重点设计了像素单元以及阵列的读出方式。 同时， 利用相关双采样技术， 降低了信道里产生的噪声。 最后， 对该设计的电路进行单路、 双路和四路仿真。 其中工作频率为5 MHz， 系统默认工作帧频为60 Hz， 最大功耗为180 mW， 输出摆幅大于3 V， 线性度也在99%以上。
关键词： 多功能; 红外焦平面阵列; 像素单元; 相关双采样
中图分类号： TJ765; TN215 文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2019）02-0090-06
0引言
红外技术由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展， 红外成像仪可装备各类战略和战术武器， 常用于红外侦察、 预警、 跟踪和精确制导， 是电子战、 信息战中获取信息的主要技术之一[1-4]。 红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array， IRFPA）技术是红外探测技术的发展方向之一， 是集红外材料、 光学技术和微电子技术于一体的高科技综合技术。 其工作性能既与探测器的量子效率、 光谱响应、 噪声谱、 一致性有关， 还与电路输入级的电荷存储能力、 均匀性、 注入效率， 电路输出级的电荷转移效率、 线性度、 动态范围有关[5-8]。 现在对于成熟的红外焦平面探测技术来说， 成为其发展瓶颈的不是探测器本身， 而是红外读出电路， 典型的红外读出电路框图如图1所示。
目前， 绝大多数IRFPA均是带硅基的读出电路的混合式阵列， 读出电路规模也从较小的64×64发展到1 024×1 024元甚至更高， 同时像素的密度也在不断提高， 单元面积从100 μm2发展到15 μm2甚至更小， 但随着像素密度的增加， 版图的布局和走线也变得更加困难。 随着阵列规模不断的扩大，对数据的传输要求也提出了较高的要求， 从以前的单路发展到双路输出， 又到现在的四路输出。 因此， 多路输出功能成了当今大规模阵列红外读出电路的标配。
据提出了较高的要求， 对功耗的控制问题也摆在了电路设计者们的面前。 因此在红外读出电路不需要满阵列工作的情况下， 实现小规模的开窗也成为了大规模阵列读出电路的必要功能[9-10]。
就目前来讲， 国内的红外焦平面阵列技术还停留在阵列规模普遍不是很大， 功能比较单一的阶段。 针对上述问题， 本文设计了一款640×512多功能红外读出电路， 该设计的芯片采用先积分后读出以及边积分边读出方式， 同时具有任意开窗以及多路输出功能。
1关键结构与技术原理
1.1像素单元
模拟信号通路由探测器光电信号产生模块、 像素单元采样模块、 列信号处理模块和输出缓冲模块组成， 通过数字电路的控制信号， 探测器感应的红外信号可以一级一级地传输。 单个像素信号的大致流程如图2所示， 像素单元将光电流采样为积分电容上的电压信号， 经过行选信号选通， 电压被采样到列信号处理单元， 最后列选信号有效， 信号经过输出驱动器输出。
像素单元设计是红外读出电路最重要的设计之一。 本文像素单元采用直接注入（DI）结构[11-13]， 具有占用面积小、 电路结构简单等特点， 大规模红外焦平面阵列大多都采用此结构。 在该电路中， 探测器电流通过注入管向积分电容充电， 实现电流到电压的转换， 电压增益的大小与积分电容的大小有关， 当然也受到电源电压的限制。 图3为像素单元的电路结构。
其中， Cin为积分电容， Csh为采样电容。 M1， M2分别为注入管和测试注入管， M2和M5分别为积分电容和采样电容的复位管， M4为采样管， M6和M7为后级电路源跟随器的一部分。 本文芯片设计有边积分边读出和先积分后读出两种主要读出方式。 图4为像素单元时序框图。
1.2相关双采样模块
列信号处理单元最需要解决的是信道噪声问题[14]。 因此， 列信号处理单元通过相关双采样来降低信道里的噪声[15-17]。 图5為相关双采样模块电路。
在T1时刻， 复位开关闭合， VOS端的电压为VOS， Vin端的电位为V1。 在T2时刻， 复位开关打开， 同时Vin端电压变为V2。 此时根据B点在T1和T2时刻电荷守恒， 可以得到
C0（VREF-V1）=C0（VREF-V2）+C2（VREF-VOS）+C1（VREF-VO）
VO=C0C1（VT1-VT2）+C2C1（VREF-VOS）+VREF
这样就可以在输出结果加上或者减去一个固定电平， 达到一个全局偏移的目的。
2主要数字功能设计
2.1格雷码计数器模块
在大规模的焦平面阵列中， 如果只对一部分区域的图像感兴趣， 就可以通过该功能对感兴趣的区域进行读出， 有效提高了焦平面探测器的帧频。 这种读出方式既允许高分辨率、 全窗口、 宽视场模式读出， 同时又可以在窄视场范围内以高速的数据率读出。 当二进制数0111计数加1为1000时， 四位电平都需要转换， 由于制造工艺、 门的种类甚至制造时微小的工艺偏差会导致四位电平转换出现先后延迟， 从而出现一段窄脉冲， 即毛刺。 尤其在高速数字电路里面毛刺的维持时间较长会导致后续逻辑电平的错乱， 从而增加误码率。 其优点为计数器每计数一次， 地址只变化一位。 按上面例子0111转化成格雷码为0100， 计一次数为1100， 只有一位产生变化， 因此避免了竞争导致的冒险。 行列格雷码计数器工作总框图如图6所示。 系统通过行同步信号启动行格雷码计数器， 同时行初始地址（二进制码）由寄存器地址传输到地址转码器转化成格雷码后加载到行格雷码计数器。 行窗口地址决定了开窗的行数， 即当行窗口地址减到0时会产生一信号WSY来结束行格雷码计数器计数， 从而决定了开窗的行数。 每当行格雷码计数一次就会启动列格雷码计数器， 列格雷码计数器工作时序与行格雷码计数器基本相同， 从而使阵列的每一像素单元的信号得到输出。
2.2多路输出模块
为实现更大面阵的焦平面， 其读出电路的输出速度需要不斷提高， 才能满足大面阵数据量的吞吐， 目前国际上所采用的解决方法是多通道输出技术。 本次设计采用1， 2， 4路可选模式。
电路加载时钟频率为5 MHz， 每一个时钟周期列格雷码计数器计数两次， 因此单路输出时， 读出速率为10 MHz， 双路为20 MHz， 四路为40 MHz。 图7为多路输出模块示意图。
单路输出时， 译码器每次只选BufferA列， BufferB、 C、 D开关无效， 列1～8依次从BufferA的outA1～8输出， 以此循环; 双路输出时， 译码器每次选BufferA， B两列， BufferC， D无效， 列1～2同时由BufferA的outA1和BufferB的outB2输出， 列3～4同时由outA3， outB4输出， ……， 列7～8同时由outA7， outB8输出， 以此循环; 四路输出时， 译码器每次选四列， 列1～4同时由BufferA，B， C， D的outA1， outB2， outC3， outD4， 列5～8同时由outA5， outB6， outC7， outD8输出， 以此循环。
3整体电路仿真
该仿真开的窗口为32×8阵列， 分别进行了1， 2， 4路和线性度的仿真， 且采用边积分边读出模式。
3.1输出仿真结果
对所设计电路的输出进行仿真， 分别在单路、 双路、 四路模式下仿真， 具体如图8～10所示。
由仿真结果可以看出， 在单路输出时， 图8（b）中一行下共32列， 一行所有列完全由outA输出。 双路输出时， 在图9（b）中一行下共16列， 一行所有列分别由outA和outB输出。 四路输出时， 在图10（b）中一行下共8列， 一行所有列分别由outA， outB， outC和outD输出。 由此1， 2， 4路仿真符合预期结果。
3.2线性度仿真
线性度由测试行进行仿真。 输入每增加0.1 V， 记录一组数据， 共记录了31组数据， 如表1所示。
对在0～3.1 V输入区间的数据用MATLAB进行线性拟合， 如图11所示。
横坐标X3为采样电压（测试行采样电容Csh从积分电容Cin采样得到的电压）占0～3.1 V的百分比， 纵坐标Y3为采样电压经过列级通路处理后再经过Buffer输出的电压。 经计算非线性误差为0.312%， 故线性度约为99.69%。
4总结
本文所设计的640×512多功能红外读出电路可以在边积分边读出和先积分后读出两种读出模式下工作， 同时还具备任意开窗和多路输出功能。 最后1， 2， 4路仿真也验证了设计的正确性。 表2为此次设计红外读出电路的主要性能参数。
表2读出电路主要性能参数
Table 2The main performance parameters of the ROIC性能参数像元大小25 μm×25 μm帧频单路60 Hz双路120 Hz四路240 Hz功耗单路90 mW双路135 mW四路180 mW输出摆幅大于3 V线性度99.69%电荷处理能力11 M eV读出速率单路10 MHz双路20 MHz四路40 MHz
随着应用更加广泛， 要求也越来越高， 研究更大阵列规模和更多功能的红外读出电路越发迫切， 但随之功耗、 像素单元面积以及数据读出速率问题也越来越严重。 因此， 由本次设计的640×512多功能红外读出电路作为技术铺垫， 1 K规模阵列将成为下阶段研究重点。
参考文献：
[1] 夏晓娟， 刘琦， 关钰， 等.320×256阵列红外焦平面读出电路的设计[J].航空兵器， 2017（3）： 65-68.
Xia Xiaojuan， Liu Qi， Guan Yu， et al. Design of 320×256 IRFPA Readout Circuit[J]. Aero Weaponry， 2017（3）： 65-68. （in Chinese）
[2] Xia Xiaojuan， Ji Xincun， Guo Yufeng， et al. A TemperatureCompensated CMOS Ring Oscillator for DCDC Converters[J]. IEICE Electronics， 2013.
[3] 夏晓娟， 吴逸凡， 祝靖， 等. 600 V VDMOS器件的反向恢复热失效机理[J]. 东南大学学报：自然科学版， 2013， 43（6）： 1243-1247.
Xia Xiaojuan， Wu Yifan， Zhu Jing， et al. Thermal Failure Mechanism of 600 V VDMOS during Reverse Recovery[J]. Journal of Southeast University： Natural Science Edition， 2013， 43（6）： 1243-1247.（in Chinese） [4] Xia Xiaojuan， Xie Liang. A TemperatureStable CMOS Voltage Reference Using Depletion NMOS Transistors[C]∥2012 International Conference on Electronic Information and Electrical Engineering， Changsha， 2012.
[5] Xia Xiaojuan， Xie Liang， Sun Weifeng， et al. Integrated Current Sensing Technique Suitable for StepDown SwitchMode Power Converters[J]. IEICE Transactions on Electronics， 2009， E92-C（10）： 1299-1303.
[6] Jerris F J.Direct Injection Readout Circuit Mode[J].SPIE Infrared Readout Electronics Ⅱ， 1994， 2226： 120-130.
[7] Hwang S J， Aram S， Ho H S， et al.A CMOS Readout IC Design for Uncooled Infrared Bolometer Image Sensor Application[C]∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics， Montreal， 2006.
[8] Tanaka A， Chiba K， Endoh T， et al.LowNoise Readout Circuit for Uncooled Infrared FPA[C]∥ Proceedings of SPIE， Infrared Technology and Applications XXVI， 2000， 4130： 160-167.
[9] Gao Jun， Lu Wengao， Liu Jing， et al.High Performance Linear 288×4 CMOS Readout Integrated Circuit with TimeDelayIntegration[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis， 2004， 40（3）： 402-406.
[10] 劉莉萍.红外焦平面读出电路技术及发展趋势[J].激光与红外， 2007， 37（7）： 598-600.
Liu Liping. Status and Trend of the Readout Circuit Technology for IRFPA[J]. Leser & Infrared， 2007， 37（7）： 598-600.（in Chinese）
[11] Caulfield H J， Jack M D， Pettijohn K L， et al.ThirdGeneration Intelligent IR Focal Plane Arrays[C]∥ Proceedings of SPIE， 26th AIPR Workshop： Exploiting New Image Sources and Sensors， 1998， 3240： 2-7.
[12] Kosonocky W F. Review of Infrared Image Sensors with SchottkyBarrier Detectors[J].Optoelectronices and Technologies， 1991， 6（2）： 173-203.
[13] Bluzer N， Stehlik R. Buffered Direct Injection of Photocurrents into ChargeCoupled Devices[J].IEEE Journal of SolidState Circuits， 1978， 13（1）： 86-92.
[14] Longo J T， Cheung D T， Andres A M， et al. Infrared Focal Plane in Intrinsic Semiconductors[J]. IEEE Journal of SolidState Circuits， 1978， 13（1）： 86-92.
[15] Fowler A M， Gatley I.Noise Reduction Strategy for Hybrid IR Focal Plane Arrays[C]∥ Proceedings of SPIE， Infrared Sensors： Detectors， Electronics， and Signal Processing， 1991， 1541： 127-133.
[16] Qiu C Q， Wang X D， Chin K K.Correlated Readout： A New Readout Method of Focal Plane Array[C]∥Proceedings of SPIE， Infrared Readout Electronics IV， 1998， 3360： 52-59.
[17] Pimbley J M， Michon G J.The output Power Spectrum Produced by Correlated Double Sampling[J].IEEE Transactions on Circuits and System， 1991， 38（9）： 1087-1090.
关键词： 多功能; 红外焦平面阵列; 像素单元; 相关双采样
中图分类号： TJ765; TN215 文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2019）02-0090-06
0引言
红外技术由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展， 红外成像仪可装备各类战略和战术武器， 常用于红外侦察、 预警、 跟踪和精确制导， 是电子战、 信息战中获取信息的主要技术之一[1-4]。 红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array， IRFPA）技术是红外探测技术的发展方向之一， 是集红外材料、 光学技术和微电子技术于一体的高科技综合技术。 其工作性能既与探测器的量子效率、 光谱响应、 噪声谱、 一致性有关， 还与电路输入级的电荷存储能力、 均匀性、 注入效率， 电路输出级的电荷转移效率、 线性度、 动态范围有关[5-8]。 现在对于成熟的红外焦平面探测技术来说， 成为其发展瓶颈的不是探测器本身， 而是红外读出电路， 典型的红外读出电路框图如图1所示。
目前， 绝大多数IRFPA均是带硅基的读出电路的混合式阵列， 读出电路规模也从较小的64×64发展到1 024×1 024元甚至更高， 同时像素的密度也在不断提高， 单元面积从100 μm2发展到15 μm2甚至更小， 但随着像素密度的增加， 版图的布局和走线也变得更加困难。 随着阵列规模不断的扩大，对数据的传输要求也提出了较高的要求， 从以前的单路发展到双路输出， 又到现在的四路输出。 因此， 多路输出功能成了当今大规模阵列红外读出电路的标配。
据提出了较高的要求， 对功耗的控制问题也摆在了电路设计者们的面前。 因此在红外读出电路不需要满阵列工作的情况下， 实现小规模的开窗也成为了大规模阵列读出电路的必要功能[9-10]。
就目前来讲， 国内的红外焦平面阵列技术还停留在阵列规模普遍不是很大， 功能比较单一的阶段。 针对上述问题， 本文设计了一款640×512多功能红外读出电路， 该设计的芯片采用先积分后读出以及边积分边读出方式， 同时具有任意开窗以及多路输出功能。
1关键结构与技术原理
1.1像素单元
模拟信号通路由探测器光电信号产生模块、 像素单元采样模块、 列信号处理模块和输出缓冲模块组成， 通过数字电路的控制信号， 探测器感应的红外信号可以一级一级地传输。 单个像素信号的大致流程如图2所示， 像素单元将光电流采样为积分电容上的电压信号， 经过行选信号选通， 电压被采样到列信号处理单元， 最后列选信号有效， 信号经过输出驱动器输出。
像素单元设计是红外读出电路最重要的设计之一。 本文像素单元采用直接注入（DI）结构[11-13]， 具有占用面积小、 电路结构简单等特点， 大规模红外焦平面阵列大多都采用此结构。 在该电路中， 探测器电流通过注入管向积分电容充电， 实现电流到电压的转换， 电压增益的大小与积分电容的大小有关， 当然也受到电源电压的限制。 图3为像素单元的电路结构。
其中， Cin为积分电容， Csh为采样电容。 M1， M2分别为注入管和测试注入管， M2和M5分别为积分电容和采样电容的复位管， M4为采样管， M6和M7为后级电路源跟随器的一部分。 本文芯片设计有边积分边读出和先积分后读出两种主要读出方式。 图4为像素单元时序框图。
1.2相关双采样模块
列信号处理单元最需要解决的是信道噪声问题[14]。 因此， 列信号处理单元通过相关双采样来降低信道里的噪声[15-17]。 图5為相关双采样模块电路。
在T1时刻， 复位开关闭合， VOS端的电压为VOS， Vin端的电位为V1。 在T2时刻， 复位开关打开， 同时Vin端电压变为V2。 此时根据B点在T1和T2时刻电荷守恒， 可以得到
C0（VREF-V1）=C0（VREF-V2）+C2（VREF-VOS）+C1（VREF-VO）
VO=C0C1（VT1-VT2）+C2C1（VREF-VOS）+VREF
这样就可以在输出结果加上或者减去一个固定电平， 达到一个全局偏移的目的。
2主要数字功能设计
2.1格雷码计数器模块
在大规模的焦平面阵列中， 如果只对一部分区域的图像感兴趣， 就可以通过该功能对感兴趣的区域进行读出， 有效提高了焦平面探测器的帧频。 这种读出方式既允许高分辨率、 全窗口、 宽视场模式读出， 同时又可以在窄视场范围内以高速的数据率读出。 当二进制数0111计数加1为1000时， 四位电平都需要转换， 由于制造工艺、 门的种类甚至制造时微小的工艺偏差会导致四位电平转换出现先后延迟， 从而出现一段窄脉冲， 即毛刺。 尤其在高速数字电路里面毛刺的维持时间较长会导致后续逻辑电平的错乱， 从而增加误码率。 其优点为计数器每计数一次， 地址只变化一位。 按上面例子0111转化成格雷码为0100， 计一次数为1100， 只有一位产生变化， 因此避免了竞争导致的冒险。 行列格雷码计数器工作总框图如图6所示。 系统通过行同步信号启动行格雷码计数器， 同时行初始地址（二进制码）由寄存器地址传输到地址转码器转化成格雷码后加载到行格雷码计数器。 行窗口地址决定了开窗的行数， 即当行窗口地址减到0时会产生一信号WSY来结束行格雷码计数器计数， 从而决定了开窗的行数。 每当行格雷码计数一次就会启动列格雷码计数器， 列格雷码计数器工作时序与行格雷码计数器基本相同， 从而使阵列的每一像素单元的信号得到输出。
2.2多路输出模块
为实现更大面阵的焦平面， 其读出电路的输出速度需要不斷提高， 才能满足大面阵数据量的吞吐， 目前国际上所采用的解决方法是多通道输出技术。 本次设计采用1， 2， 4路可选模式。
电路加载时钟频率为5 MHz， 每一个时钟周期列格雷码计数器计数两次， 因此单路输出时， 读出速率为10 MHz， 双路为20 MHz， 四路为40 MHz。 图7为多路输出模块示意图。
单路输出时， 译码器每次只选BufferA列， BufferB、 C、 D开关无效， 列1～8依次从BufferA的outA1～8输出， 以此循环; 双路输出时， 译码器每次选BufferA， B两列， BufferC， D无效， 列1～2同时由BufferA的outA1和BufferB的outB2输出， 列3～4同时由outA3， outB4输出， ……， 列7～8同时由outA7， outB8输出， 以此循环; 四路输出时， 译码器每次选四列， 列1～4同时由BufferA，B， C， D的outA1， outB2， outC3， outD4， 列5～8同时由outA5， outB6， outC7， outD8输出， 以此循环。
3整体电路仿真
该仿真开的窗口为32×8阵列， 分别进行了1， 2， 4路和线性度的仿真， 且采用边积分边读出模式。
3.1输出仿真结果
对所设计电路的输出进行仿真， 分别在单路、 双路、 四路模式下仿真， 具体如图8～10所示。
由仿真结果可以看出， 在单路输出时， 图8（b）中一行下共32列， 一行所有列完全由outA输出。 双路输出时， 在图9（b）中一行下共16列， 一行所有列分别由outA和outB输出。 四路输出时， 在图10（b）中一行下共8列， 一行所有列分别由outA， outB， outC和outD输出。 由此1， 2， 4路仿真符合预期结果。
3.2线性度仿真
线性度由测试行进行仿真。 输入每增加0.1 V， 记录一组数据， 共记录了31组数据， 如表1所示。
对在0～3.1 V输入区间的数据用MATLAB进行线性拟合， 如图11所示。
横坐标X3为采样电压（测试行采样电容Csh从积分电容Cin采样得到的电压）占0～3.1 V的百分比， 纵坐标Y3为采样电压经过列级通路处理后再经过Buffer输出的电压。 经计算非线性误差为0.312%， 故线性度约为99.69%。
4总结
本文所设计的640×512多功能红外读出电路可以在边积分边读出和先积分后读出两种读出模式下工作， 同时还具备任意开窗和多路输出功能。 最后1， 2， 4路仿真也验证了设计的正确性。 表2为此次设计红外读出电路的主要性能参数。
表2读出电路主要性能参数
Table 2The main performance parameters of the ROIC性能参数像元大小25 μm×25 μm帧频单路60 Hz双路120 Hz四路240 Hz功耗单路90 mW双路135 mW四路180 mW输出摆幅大于3 V线性度99.69%电荷处理能力11 M eV读出速率单路10 MHz双路20 MHz四路40 MHz
随着应用更加广泛， 要求也越来越高， 研究更大阵列规模和更多功能的红外读出电路越发迫切， 但随之功耗、 像素单元面积以及数据读出速率问题也越来越严重。 因此， 由本次设计的640×512多功能红外读出电路作为技术铺垫， 1 K规模阵列将成为下阶段研究重点。
参考文献：
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[3] 夏晓娟， 吴逸凡， 祝靖， 等. 600 V VDMOS器件的反向恢复热失效机理[J]. 东南大学学报：自然科学版， 2013， 43（6）： 1243-1247.
Xia Xiaojuan， Wu Yifan， Zhu Jing， et al. Thermal Failure Mechanism of 600 V VDMOS during Reverse Recovery[J]. Journal of Southeast University： Natural Science Edition， 2013， 43（6）： 1243-1247.（in Chinese） [4] Xia Xiaojuan， Xie Liang. A TemperatureStable CMOS Voltage Reference Using Depletion NMOS Transistors[C]∥2012 International Conference on Electronic Information and Electrical Engineering， Changsha， 2012.
[5] Xia Xiaojuan， Xie Liang， Sun Weifeng， et al. Integrated Current Sensing Technique Suitable for StepDown SwitchMode Power Converters[J]. IEICE Transactions on Electronics， 2009， E92-C（10）： 1299-1303.
[6] Jerris F J.Direct Injection Readout Circuit Mode[J].SPIE Infrared Readout Electronics Ⅱ， 1994， 2226： 120-130.
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[16] Qiu C Q， Wang X D， Chin K K.Correlated Readout： A New Readout Method of Focal Plane Array[C]∥Proceedings of SPIE， Infrared Readout Electronics IV， 1998， 3360： 52-59.
[17] Pimbley J M， Michon G J.The output Power Spectrum Produced by Correlated Double Sampling[J].IEEE Transactions on Circuits and System， 1991， 38（9）： 1087-1090.