CN102818639A

CN102818639A - 一种短波红外探测器弱信号读出的模拟信号链结构

Info

Publication number: CN102818639A
Application number: CN2012102758486A
Authority: CN
Inventors: 王攀; 丁瑞军; 陈洪雷; 叶振华; 张君玲; 黄爱波
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种用于采集与处理短波红外探测器阵列弱信号的高帧频读出集成电路系统模拟信号链路，属于集成电路设计技术领域。其特征在于：读出电路采用了一种模拟信号链路结构。具体为：在单元结构中采用了电流源负载的共源共栅结构的CTIA结构输入级，在列公用结构中配置了相关双采样CDS模块、电荷放大模块，公共输出级采用了互补型输出级。模拟信号链中集成了CDS相关双采样结构，滤去红外探测器读出电路比较严重的低频噪声，为短波红外探测器器件在高分辨率等应用提供技术支持。

Description

一种短波红外探测器弱信号读出的模拟信号链结构

技术领域

本发明涉及混合信号集成电路技术领域，具体涉及一种短波红外探测器弱信号读出的模拟信号链结构，它用于短波红外探测器阵列（Infrared Focus PlaneArray-IRFPA）系统中的具有光电弱信号功能的高帧频读出集成电路，可实现短波红外探测器的弱光响应信号的积分、采样、放大和输出。

背景技术

红外探测器阵列是红外成像系统中的核心器件。红外探测器阵列一般由两部分组成：红外探测器阵列和读出电路。红外探测器在接收到入射的红外辐射后，产生一个与入射红外辐射性能相关的光电流，传输给对应的读出电路单元。传统读出电路将对这些电信号进行积分、放大、采样和保持，再通过输出缓冲和多路传输系统最终以模拟信号形式读出，由后端电子学系统形成图像。

高性能的短波红外探测器有像元面阵大、单元面积小、光电流信号微弱、输出帧频高等特点。大面阵对信号在公共线上传输的损失敏感；单元面积较小限制了单元结构的复杂度；探测器光电流信号较小（0.1-1pA量级），本身的积分采集困难；高帧频应用积分时间受限使采样电容上的饱和电荷量偏小；由于信号小，噪声引入的非线性度会很大；在高帧频工作状态下，小信号得到的数据在传输过程中损失会相对很大。

常规的红外探测器读出电路一般分为单元、列公用、公共输出级三个部分。单元结构中有CTIA、BDI、DI等常用输入级结构可供选择。列公用一般是一级采样电路由一列单元结构公用，公共输出级一般采用源级跟随器作为输出的驱动为一行列公用结构共用。常规的CTIA结构输入级在注入效率、噪声的性能都很好，但现有的结构复杂，在有限面积内很难实现。一般的列公用结构很难达到在动态范围、噪声抑制方面的要求。普通的源级跟随器的输出级也不能满足帧频。

发明内容

本发明提供一种用于采集与处理短波红外探测器阵列弱信号的高帧频读出集成电路系统模拟信号链路，它是一种短波红外探测器阵列系统中的具有采集弱信号功能的高帧频读出集成电路，它对短波红外探测器的弱光电信号积分、采样、放大后输出，进一步增强短波红外探测器读出电路的信号处理能力，以推动其在大面阵、高分辨率、多光谱方向的发展。本发明解决的问题主要是：弱信号的高效率采集；低频噪声的抑制；输出动态范围扩大；读出电路工作帧频的提高。

本发明的目的是通过下述技术途径实现的：

本发明采用标准CSMC-6S05DPTM0.5um CMOS集成电路工艺，在EDA（Electronic Design Automation电子设计自动化）设计平台中搭建电路，主要实现对探测器光电信号的积分，相关双采样，电荷摆幅放大和输出。模拟结构的每级节点都考虑到公共导线的寄生电容，做了足够的缓冲级保证驱动。在列公用模块中采用CDS相关双采样消除读出电路中比较严重的低频噪声。在列公用模块中采用电荷放大器，可以将积分后的信号线性放大后给最终输出。采用合适的缓冲buffer结构减小传输中的损失。输出级采用互补型的对称运放结构提高输出时上推和下拉能力。

本发明有两点创新：1.改良了常用的CTIA结构，设计了电流源负载的共源共栅结构运放替代了常用的面积过大的套筒式运放。既可以保证单元结构中输入级的注入效率等关键性能又能克服原有结构面积过大的缺点。2.对读出电路的信号链路进行了设计，在单元结构中采用1中所述的CTIA结构输入级，在列公用模块中配置了相关双采样结构和列电荷放大结构分别解决噪声和动态范围问题，公共输出级结构采用互补型输出结构以提高输出帧频。

技术方案：

1）读出电路前置放大电路采用电容跨阻抗放大器（CTIA），该电路模块负责将探测器光电流信号读入电路并积分放大为电压信号。然后缓冲、放大，配合片内的逻辑电路将像元积分得到的电压信号按一定的次序通过复用的模拟总线读出以提供给模数转换电路。CTIA结构有很高的注入效率，积分电容由密勒效应等效为输入端一个很大的电容，从而可以分流得到绝大多数的信号电流，注入效率高于90%。由于面积的限制，该设计中的CTIA结构不能采用套筒式或者折叠式这么复杂的多管结构，电流源负载的共源共栅结构运放既能提供足够的增益又比较节省面积。很好的满足了设计要求。

附图3中有CTIA结构的示意图和单元结构图，其中图（a）中M1、M2、M3三个MOS管构成了CTIA结构的运放，Vin和Vout之间放置积分电容。三个管子为电流源负载的共源共栅结构，M1管为电流源负载，M2、M3为共源共栅结构。该运放即为图（b）中的CTIA结构的FAMP模块。M4~M9管为该运放提供工作的偏置电压。M4、M7，M8、M9分别构成电流镜，M5、M6为二级管连接结构，参考电流由IBIA端流入，经电流镜将偏置电压赋予M1、M2。M4、M7与M1有相同的宽长比，M5与M2有相同的宽长比，M6、M8、M9与M3有相同的宽长比。为节省面积，M4~M9被放在列公用模块中。右图中TG为传输管，SF为源级跟随器，均是常用结构。

2）读出电路有很严重的低频噪声影响，如KTC噪声、1/f噪声和阵列噪声。附图4中为本发明中的相关双采样CDS，能很好的降低低频噪声的影响，这里的CDS选择了比较合理的结构，以满足高帧频的要求，同时基本不影响工作时序。在一次信号传输过程中就能完成两次采样相减直接输出。而且可以调节参考电压Vcds改变输出的信号范围。采样电容上信号有效时S1、S2闭合，S3断开，A、B两点分别被钳位到Vin1和Vcds。钳位完成后S2断开，B点C1右极板的电荷没有通路可以转移，被固定在B点，也就保持了C1电容的电压差△V＝V_B1-V_A1＝V_CDs-V_in1。之后S3闭合，复位C2电容，A点被拉低到采样电容上的初始Vin0,此时B点电压会跟随下降为V_B2＝V_A2+△V＝V_CDs+(V_in0-V_in1)，该信号即为两次信号相减后的值。

3）电荷放大器的主要功能是提高动态范围，将前级的信号线性的放大后提供给输出级。该级主要考虑线性度、对后级的驱动能力以及功耗。具体结构在附图5中，前级信号有效时S1、S3闭合，S2断开，C1采样，C2复位。采样完成后S1、S3断开，S2闭合，C1上的电荷转移到C2上，信号放大在Vout端输出。摆幅以V_bla3为中心上下限各损耗一个阈值电压，门限值1.1V～4V，输入门限也是1.1V～4V。设计好C1、C2的比例来控制信号幅值放大的比例。其工作电压范围也是可以通过调节参考电压Vbias控制的。

4）公共输出级是多路公用的驱动最后Pad的缓冲级。其工作性能直接影响到电路的输出帧频。考虑到NMOS管组成的单位增益运放下拉能力比较弱、上拉能力比较强，PMOS管反之，结合两者的优势而组成了互补型的输出级结构。在高信号是NMOS运放工作，低信号时PMOS运放工作，这样就能提供很好的驱动能力。

5）信号在CTIA结构模块中完成积分和采样后传输给后级公共结构。列公用模块中采用CDS相关双采样结构，消除读出电路中比较严重的低频噪声。之后信号进入列公用模块中的电荷放大器，可以将积分后的信号幅值线性放大后转移给最终输出级。公共输出级采用互补型的对称运放结构提供足够的上推和下拉能力，以满足高帧频工作的要求。

整个信号链的工作流程是这样的，短波红外探测器的探测器阵列把短波红外信号转化为微弱的电流信号后开始在读出电路上积分。CTIA结构将光电流信号积分，积分完成后采样到采样电容中，之后传递给列公用结构中的相关双采样结构。相关双采样结构对信号做两次采样相减的结果传给同样在列公用结构中的电荷放大器。电荷放大器将前级信号电压线性放大后输出到后级。公共输出级中的互补型输出级将电荷放大器过来的信号依次输出到最后的总线上。

本发明的优点在于：

1）单元的CTIA结构很好的实现了面积、性能、功耗的折衷，为大面阵、小像元、弱信号的短波红外探测器器件提供了一种读出电路的解决途径。面积20um×20um～200um×200um，功耗0.5uW～2uW，注入效率95%以上。

2）模拟信号链中集成了CDS相关双采样结构，滤去红外探测器读出电路比较严重的低频噪声。为短波红外探测器器件在高分辨率等应用提供技术支持。

3）在提高输出摆幅方面做了很好的设计，电荷放大器对信号摆幅的线性放大以及各级信号工作范围的协调，能明显的提高短波红外探测器器件的动态范围（2V～4V）。

附图说明

图1为整个电路功能模块工作流程图。UGA为单位增益运放，TG为传输门，SF是源随结构。

图2为链路中通用的5管单位增益运放结构（UGA）。在相关双采样、电荷放大器和信号通路中都有用到。

图3为采用电流源负载的共源共栅结构（M1、M2、M3）运放的CTIA结构前置放大电路图。M4~M9为运放提供偏压，放在列公用结构中。图a为CTIA结构的运放和辅助偏压结构,图b为单元中的CTIA结构整体示意图。

图4为相关双采样结构，CDS结构能够有效抑制低频噪声，特别是单元结构的噪声较大所以放在列公共级。

图5为电荷放大器结构。

具体实施方式

1）读出电路前置放大电路采用CTIA结构，内部包含M1、M2、M3和积分电容,采样电容。尺寸根据需要自行确定，推荐宽长比为1/10、1/5、1/10。

2）单位增益运放的包含M1~M5，推荐尺寸为10/1、10/1、20/1、20/1、20/1。

3）相关双采样结构中钳位电压V_CDS取4～5V，C1取1～2p。

4）电荷放大器的结构中C1为1pF，C2按放大比例可以取0.4～2pF。

5）互补输出级结构P-UGA\N-UGA均采用图2中单位增益放大器的结构，推荐宽长比为200/1、200/1、400/1、400/1、400/1。

该发明中的模拟信号链路和电流源负载的共源共栅结构的运放CTIA结构在红外短波探测器读出电路中的应用设计方案是合理的、可行的。

Claims

1.一种短波红外探测器弱信号读出的模拟信号链结构，它包括电容反馈运放积分CTIA结构输入级电路、相关双采样结构和电荷放大器结构和互补型输出级电路，其特征在于：所述的模拟信号链结构采用了CTIA结构输入级对微弱短波红外光电流信号积分采样，配置了相关双采样结构来降低读出电路常见的低频噪声，采用电荷放大器结构线性放大信号电压以提高动态范围；CTIA结构将光电流信号积分，积分完成后采样到采样电容中，之后传递给列公用结构中的相关双采样结构，相关双采样结构对信号做两次采样相减的结果传给同样在列公用结构中的电荷放大器，电荷放大器将前级信号电压线性放大后输出到后级，公共输出级中的互补型输出级将电荷放大器过来的信号依次输出到最后的总线上。