CN107314821B - 一种线列型红外焦平面读出电路及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线列型红外焦平面读出电路及其设计方法，其中读出电路包括：偏置电压产生模块、数字逻辑控制模块、信号接收及处理模块、及输入输出管脚；多个信号接收及处理模块集成在同一块芯片上，通过偏置电压产生模块和数字逻辑控制模块与多个输入输出管脚连接，多个输入输出管脚位于芯片的同一端；偏置电压产生模块和数字逻辑控制模块分别为多个信号接收及处理模块提供偏置电压和数字逻辑脉冲信号。本发明能够在同一块红外焦平面探测器同时完成多个谱段信号处理工作而相互没有影响，并且单边输入输出管脚的排布方式为红外焦平面探测器片外进行多片拼接提供了可行性。

Description

一种线列型红外焦平面读出电路及其设计方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器领域，特别涉及一种线列型红外焦平面读出电路及其设计方法。

背景技术

红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安全防控、气象、医学等各行业具有广泛应用。

随着各领域应用对高性能、低成本红外技术的需求，红外焦平面探测器需要向扩展波长范围、增加阵列规模、提高集成密度、高速信号处理能力、小型化以及智能化等方向发展。这不仅促进了红外焦平面探测器制造工艺的提升，更是对红外探测器的核心部分——读出电路提出了更高的要求。

目前，红外焦平面读出电路的设计方法多是采用输入输出PAD分别排列在芯片两侧的单谱段单芯片设计。这样一来，对于更多谱段的应用则需要多片读出电路，同时需要多个外围电路和设备来形成红外焦平面探测器系统，而且输入输出PAD排布在芯片两侧的双边输出结构想要实现片外拼接十分困难，这就大大降低了红外系统的集成度和可靠性。主流的读出电路设计方法无法满足探测器应用设备智能小型化、高集成度的应用要求，因此，有必要在现有的读出电路设计基础上采取优化和改进措施，以满足红外焦平面探测器的发展需求。这种优化和改进依托于红外材料设计的灵活性，红外材料生长和焦平面器件技术的成熟性。在红外材料和长线列大规模器件的均匀性和稳定性均有一定保证的前提下，不断进步日趋成熟的CMOS集成电路制造工艺及不断缩小的工艺特征尺寸也为读出电路的高速、高集成度提供了实现的可能。

发明内容

为了应对超大阵列规模、高集成度、低成本的红外焦平面成像系统的发展要求，解决现有红外焦平面读出阵列应用谱段单一、片外拼接困难的问题，本发明提出了一种线列型红外焦平面读出电路及其设计方法。

本发明提供的线列型红外焦平面读出电路，包括：偏置电压产生模块、数字逻辑控制模块、信号接收及处理模块、及输入输出管脚；多个所述信号接收及处理模块集成在同一块芯片上，通过所述偏置电压产生模块和所述数字逻辑控制模块与多个输入输出管脚连接，所述多个输入输出管脚位于所述芯片的同一端；所述多个信号接收及处理模块，用于接收和处理不同谱段的信号；所述多个输入输出管脚，用于为所述不同谱段的信号提供输入输出接口；所述偏置电压产生模块，用于为所述多个信号接收及处理模块提供偏置电压；所述数字逻辑控制模块，用于为所述多个信号接收及处理模块提供数字逻辑脉冲信号。

进一步的，本发明所述的线列型红外焦平面读出电路，还包括去耦电容阵列：所述去耦电容阵列的一端与所述输入输出管脚连接，另一端与所述偏置电压产生模块连接，用于提高供电电源及外接偏置电压的供电稳定性，同时降低元件耦合到电源端的噪声。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路中，具有相同线列规模的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述数字逻辑控制模块；和/或需要相同偏压电压的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述偏置电压产生模块。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路中，在每个信号接收及处理模块的周围设有隔离环，以抑制各个信号接收及处理模块的相互串扰。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路中，所述信号接收及处理模块的电源-地线采用网格式布线。

本发明提供的线列型红外焦平面读出电路的设计方法，包括以下步骤：根据芯片的性能要求设计每个信号接收及处理模块中像元的阵列规模；根据每个信号接收及处理模块中像元的阵列规模设计数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块，得到线列型红外焦平面读出电路的原理图；根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块的位置进行版图布局，并将输入输出管脚设置在所述芯片的同一端；根据所述原理图及所述版图布局，将所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块进行连接，完成版图设计。

进一步的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在将所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块进行连接，完成版图设计之后，还包括：

对设计完成的版图进行版图寄生参数提取，并把提取后的版图寄生参数带到电路中进行版图后仿真；

若后仿真结果与原理图设计仿真结果不一致，则重新进行版图设计，直到后仿真结果与原理图设计仿真结果一致。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块的位置进行版图布局时，将具有相同线列规模的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述数字逻辑控制模块；和/或需要相同偏压电压的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述偏置电压产生模块。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块的位置进行版图布局时，还包括在偏置电压产生模块与输入输出管脚之间设置去耦电容阵列，以提高供电电源及外接偏置电压的供电稳定性，同时降低元件耦合到电源端的噪声。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图及所述版图布局，将每个信号接收及处理模块、数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块进行连接时，对每个信号接收及处理模块的电源-地线采用网格式布线。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图及所述版图布局，将每个信号接收及处理模块、数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块进行连接时，在每个信号接收及处理模块的周围设置隔离环，以抑制各个信号接收及处理模块的相互串扰。

本发明提供的线列型红外焦平面读出电路及其设计方法，实现了同一块红外焦平面探测器同时完成多个谱段信号处理工作而相互没有影响，并且单边PAD的排布方式为红外焦平面探测器片外进行多片拼接提供了可行性，红外焦平面探测器的优良性能也得到了保证。这样的高集成度设计，迎合了红外焦平面探测器超大阵列规模、高集成度、小型化的发展趋势，从本质上降低了设计成本。

附图说明

图1为本发明装置实施例中线列型红外焦平面读出电路的结构示意图；

图2为本发明实例1的单边输出四谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路版图的版图布局示意图；

图3为本发明实例1中后仿真的原理图；

图4为本发明方法实施例中线列型红外焦平面读出电路的设计方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了应对超大阵列规模、高集成度、低成本的红外焦平面成像系统的发展要求，解决现有红外焦平面读出阵列应用谱段单一、片外拼接困难的问题，本发明提出了一种线列型红外焦平面读出电路及其设计方法，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

图1为本发明装置实施例中线列型红外焦平面读出电路的结构示意图，如图1所示，本发明装置实施例的线列型红外焦平面读出电路包括：偏置电压产生模块12、数字逻辑控制模块14、信号接收及处理模块10、及输入输出管脚16；多个所述信号接收及处理模块10集成在同一块芯片上，通过所述偏置电压产生模块12和所述数字逻辑控制模块14与多个输入输出管脚16连接，所述多个输入输出管脚16位于所述芯片的同一端；所述多个信号接收及处理模块10，用于接收和处理不同谱段的信号；所述多个输入输出管脚16，用于为所述不同谱段的信号提供输入输出接口；所述偏置电压产生模块12，用于为所述多个信号接收及处理模块提供偏置电压；所述数字逻辑控制模块14，用于为所述多个信号接收及处理模块提供数字逻辑脉冲信号。

进一步的，本发明所述的线列型红外焦平面读出电路，还包括去耦电容阵列：所述去耦电容阵列的一端与所述输入输出管脚16连接，另一端与所述偏置电压产生模块12连接，用于提高供电电源及外接偏置电压的供电稳定性，同时降低元件耦合到电源端的噪声。其中，所述元件为芯片外部处理电路的引线及感性、容性等电学元器件。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路中，具有相同线列规模的信号接收及处理模块10紧邻放置，以共用所述数字逻辑控制模块；和/或需要相同偏压电压的信号接收及处理模块10紧邻放置，以共用所述偏置电压产生模块。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路中，在每个信号接收及处理模块10的周围设有隔离环，以抑制各个信号接收及处理模块10的相互串扰。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路中，所述信号接收及处理模块10的电源-地线采用网格式布线。

为了更加详细的说明本发明的装置实施例，给出实例1。图2为本发明实例1的单边输出四谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路版图的版图布局示意图，如图2所示，为实现红外焦平面探测器组件进行多只片外拼接的应用，以及提高红外焦平面读出电路性能，版图设计中采取以下具体措施：

首先，在版图布局时需要将各谱段芯片的输入输出管脚(图2中的PAD)均排列在芯片一侧，受芯片面积限制，输入输出管脚个数有限，因此，在设计时需要考虑将四谱段可共用的由外界提供的偏置电压进行共用以减小输入输出管脚的个数。

其次，为节省芯片面积，电路的数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块实现四谱段共用，为使电路内部数字信号及偏置电压信号流经的路径最优，将具有相同线列规模、相同控制偏压的谱段紧邻放置，以减小共用信号在实际走线中发生的信号损失。

再次，由于线列规模较大，采用传统的从线列两端对各列电路模块进行供电的方法，会使得位于线列中央的模块的供电电压低于供电电源电压，因此为了提高单模块供电能力，对各模块的电源-地线采取网格式布线，并进行多层金属堆叠，必要时对重点模块的电源-地线进行加宽，但是加宽电源-地线会带来芯片面积的增加。

然后，为配合探测器的设计工艺，同时减小或消除各谱段间的串扰，谱段间应当留出一定的宽度。同时，每个谱段的焦平面阵列都应当充分使用隔离环圈起来，以此抑制两个谱段间的相互串扰。

最后，在芯片输入输出管脚端，加入去耦电容阵列(图2中的cap)，提高供电电源及外接偏置电压的供电稳定性，同时降低元件耦合到电源端的噪声。

为了降低版图寄生给电路性能带来的不良影响，需要进行后仿真，图3为本发明实例1中后仿真的原理图。由于整个版图规模庞大，若要对整个版图进行寄生参数提取及后仿真，就会对仿真软件及硬件条件提出非常高的要求，并且提取寄生参数时间和仿真时间会非常的长，这样就会大大的增加设计的经济成本和时间成本。因为在一个谱段中，各列电路模块的版图设计是完全一样的，因此在图3给出的后仿真原理图中，仅对单一谱段提取阵列中间6列电路模块进行寄生参数提取与后仿真，并将中间4列电路模块的仿真结果与原理图仿真结果进行对比(位于两边的2列电路模块为中间4列电路模块模拟应用时的等效环境)，进而提供版图进一步的优化方向。采用图3这种寄生参数提取和后仿真的方式，大大缩短了电路设计周期，同时市场通用的仿真软件与普通的硬件条件即可满足设计需求。

本发明装置实施例的线列型红外焦平面读出电路将四个甚至多个谱段的线列型读出电路通过一定的方式集成在同一块芯片上，并且为了实现片外拼接采用单端输出，通过一些版图设计技巧，保证不影响红外焦平面读出电路的性能，对现有的线列型读出电路原理图的设计改动小，版图设计优化措施简单，实现起来非常容易。

本发明还提供了一种线列型红外焦平面读出电路的设计方法，图4为本发明方法实施例中线列型红外焦平面读出电路的设计方法流程图，如图4所示，本发明方法实施例的线列型红外焦平面读出电路的设计方法包括：

S401：根据芯片的性能要求设计每个信号接收及处理模块中像元的阵列规模。

S402：根据每个信号接收及处理模块中像元的阵列规模设计数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块，得到线列型红外焦平面读出电路的原理图。

S403：根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块的位置进行版图布局，并将输入输出管脚设置在所述芯片的同一端。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块的位置进行版图布局时，将具有相同线列规模的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述数字逻辑控制模块；和/或需要相同偏压电压的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述偏置电压产生模块。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块的位置进行版图布局时，还包括在偏置电压产生模块与输入输出管脚之间设置去耦电容阵列，以提高供电电源及外接偏置电压的供电稳定性，同时降低元件耦合到电源端的噪声。

S404：根据所述原理图及所述版图布局，将所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块进行连接，完成版图设计。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图及所述版图布局，将每个信号接收及处理模块、数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块进行连接时，对每个信号接收及处理模块的电源-地线采用网格式布线。

具体的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在根据所述原理图及所述版图布局，将每个信号接收及处理模块、数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块进行连接时，在每个信号接收及处理模块的周围设置隔离环，以抑制各个信号接收及处理模块的相互串扰。

进一步的，在本发明所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法中，在将所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块进行连接，完成版图设计之后，还包括：

对设计完成的版图进行版图寄生参数提取，并把提取后的版图寄生参数带到电路中进行版图后仿真；

若后仿真结果与原理图设计仿真结果不一致，则重新进行版图设计，直到后仿真结果与原理图设计仿真结果一致。

为了详细的说明本发明的装置实施例，给出实例2。本发明实例2的单边输出四谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路设计方法，包括以下五个步骤：

步骤A：根据探测器要实现的功能及想要达到的性能指标进行线列型红外焦平面读出电路原理图设计。

步骤B：根据原理图并结合探测器各谱段像元数目、像元间距及片外拼接要求对单边输出四谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路的版图进行布局。

步骤C：根据整体版图布局进行单边输出四谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路版图设计。

步骤D：对初步设计完成的版图进行版图寄生参数提取及后仿真，降低版图寄生对读出电路性能的影响。

步骤E：完成版图设计，并进行流片。

其中，在所述步骤A中，根据探测器的应用条件按照传统的线列型读出电路设计方法设计各个谱段的原理图。在设计中重点考虑对相同阵列规模的不同谱段的共性模块进行共用，通常对数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块进行优化设计，同时考虑增加共用信号的驱动能力。

其中，在所述步骤B中，根据原理图设计的各个谱段的像元数目、像元间距及片外拼接等特殊要求，对四谱段电路版图进行版图布局，布局时重点考虑如何实现片外拼接，同时考虑如何使信号以最有效的路径流经各个模块，以及提高电源及外接偏置电压的供电稳定性。

另外，在所述步骤C中根据整体版图布局与原理图连接关系完成读出电路版图设计，版图设计按照工艺厂商提供的工艺文件规则进行设计，同时兼顾单边输出四谱段单片集成电路的特殊性，对版图进行相应优化，重点考虑如何提高单模块供电能力，以及如何降低或消除谱段间的互扰。

另外，在所述步骤D中，为了降低版图寄生给电路性能带来的不良影响，需对步骤C中完成的读出电路版图进行版图寄生参数提取，并把提取后的寄生参数带到电路中进行版图后仿真，对比后仿真结果与原理图设计仿真结果，若后仿结果与原理图仿真结果不一致，需重新进行步骤C进一步对电路版图进行优化设计，然后重复步骤D，直至后仿真结果与原理图仿真结果一直，完成整个版图设计。

本发明提供了单边输出四谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路的设计方法，并且通过优化的版图设计、流片以及后续测试等步骤，很好的验证了该设计方法的可行性和先进性。由于该设计不同于传统的单谱段单芯片及多谱段单芯片的双边输出的设计方法，而是在单个芯片上同时集成四个谱段并实现单边输出的红外探测器读出电路，从本质上减小了芯片的面积，为片外拼接提供了可能性。同时，电路中部分模块可以实现多谱段共用，进一步减小芯片面积，大大降低设计成本。该方法对传统的线列型红外焦平面读出电路设计改动小，易操作，可以大大缩短设计周期。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种线列型红外焦平面读出电路，其特征在于，包括：偏置电压产生模块、数字逻辑控制模块、信号接收及处理模块、及输入输出管脚；

多个所述信号接收及处理模块集成在同一块芯片上，通过所述偏置电压产生模块和所述数字逻辑控制模块与多个输入输出管脚连接，所述多个输入输出管脚位于所述芯片的同一端；

所述多个信号接收及处理模块，用于接收和处理不同谱段的信号；

所述多个输入输出管脚，用于为所述不同谱段的信号提供输入输出接口；

所述偏置电压产生模块，用于为所述多个信号接收及处理模块提供偏置电压；

所述数字逻辑控制模块，用于为所述多个信号接收及处理模块提供数字逻辑脉冲信号；

具有相同线列规模的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述数字逻辑控制模块；

和/或需要相同偏置电压的信号接收及处理模块紧邻放置，以共用所述偏置电压产生模块；

对各模块的电源-地线采取网格式布线，并进行多层金属堆叠；

在对所述读出电路的版图进行仿真时，仅对单一谱段提取阵列中间部分电路模块进行寄生参数提取与后仿真。

2.如权利要求1所述的线列型红外焦平面读出电路，其特征在于，还包括去耦电容阵列：

所述去耦电容阵列的一端与所述输入输出管脚连接，另一端与所述偏置电压产生模块连接，用于提高供电电源及外接偏置电压的供电稳定性，同时降低元件耦合到电源端的噪声。

3.如权利要求1所述的线列型红外焦平面读出电路，其特征在于，在每个信号接收及处理模块的周围设有隔离环，以抑制各个信号接收及处理模块的相互串扰。

4.权利要求1～3任一项所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法，其特征在于，包括：

根据芯片的性能要求设计每个信号接收及处理模块中像元的阵列规模；

根据每个信号接收及处理模块中像元的阵列规模设计数字逻辑控制模块和偏置电压产生模块，得到线列型红外焦平面读出电路的原理图；

根据所述原理图对所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块的位置进行版图布局，并将输入输出管脚设置在所述芯片的同一端；

根据所述原理图及所述版图布局，将所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块进行连接，完成版图设计。

5.如权利要求4所述的线列型红外焦平面读出电路的设计方法，其特征在于，在将所述每个信号接收及处理模块、所述数字逻辑控制模块和所述偏置电压产生模块进行连接，完成版图设计之后，还包括：

对设计完成的版图进行版图寄生参数提取，并将提取后的版图寄生参数带到电路中进行版图后仿真；

若后仿真结果与原理图设计仿真结果不一致，则重新进行版图设计，直到后仿真结果与原理图设计仿真结果一致。

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