非制冷红外焦平面阵列电路设计

对于SOI二极管，其产生的噪声电压主要受偏置电流的影响[7]，当偏置电流增大时，由于受到散粒噪声的影响，噪声电压会上升;当偏置电流减小时，二极管动态电阻的增加也会引起噪声电压的增大。研究发现，当二极管导通电流为10-5~10-4A时，可以获得较好的信噪比[8]。本设计中，二极管偏置电流源选用10μA。因为探测器阵列规模为384×288，当每个像素单元偏置电流为10μA时，探测器阵列供电导线有10μA-2.88mA不等的电流流过，受寄生电阻的影响，导线会产生线上压降(IR drop)，造成探测器输出信号的非均匀性。为减小此效应的影响，在输入管Mi源极设计虚拟电流源结构。虚拟电流源与探测器偏置电流源结构完全相同，在相同偏置条件下，探测器电流源和虚拟电流源电流相等，而Mi源极偏置电压VBS走线宽度与方向均与探测器供电导线相同，保证了输入管Mi的栅、源电压偏差相同，保证了积分放大器增益稳定。

在该积分电路中，由于需要周期性的通过MOS管对积分电容进行复位或导通，MOS管沟道电阻会引入KTC噪声，KTC噪声电压的平均平方值为：

由式(5)可知，KTC噪声电压与采样电容的大小成反比，可以通过增大积分电容来降低噪声。设计中积分电容为150fF。

对单个栅调制积分电路进行仿真，模拟探测器受红外辐射，输出信号范围2.000~2.005V，帧频为40Hz，选取积分时间为60μs，调制积分电路瞬时仿真结果如图5所示：

仿真结果显示，输入信号为2.000~2.005V时，输出信号范围1.409~1.910V，分析得到积分电压拟合曲线为y=-100.78*x+203.47，最大非线性点为0.32%。

由于受到积分电路增益的限制，积分电路输出电压动态范围只有501mV，不满足2V动态输出范围的要求，因此，设计中增加一级电荷转移放大电路实现对输出电压信号进一步放大。

　　4 仿真结果与分析

电路采用CHRT 0.35μm CMOS工艺设计，版图结构如图6所示。提取版图参数，利用Hspice仿真软件对读出电路进行仿真，仿真结果如图7所示。其中，图7(a)是读出电路单元输出波形，图7(b)是读出电路阵列输出波形。从图中可以看出，输出信号幅值3.441~1.437V，动态输出范围超过2V，数据输出频率5MHz，信号建立时间小于20ns，符合红外成像系统设计要求。

　　5 结论

针对SOI二极管红外探测器阵列，本文提出了一种新型读出电路，仿真结果显示：该读出电路能够实现对384×288非制冷红外焦平面探测器微弱信号的读取，动态输出范围超过2V，线性度99.68%，功耗116mW。该读出电路具有结构简单，输出动态范围大，线性度高，功耗小等特点，具有较高的实用价值。

　　参考文献：

[1]王玮冰,陈大鹏,明安杰,等.二极管原理非制冷红外焦平面阵列的集成设计[J].红外与激光工程,2011,40(6):997-1000

[2]李超波,焦斌斌,石莎莉,等.基于MEMS技术的红外成像焦平面阵列[J].半导体学报，2006,27(1):150-155

[3]何伟，陈大鹏，明安杰，等.基于SOI Si片的二极管红外探测器[J].纳米器件与技术，2009,46(9):525-529

[4]Kosasayama Y,Sugino T,Nakaki Y,et al.Pixel Scaling for SOI Diode Uncooled Infrared Focal Plane Arrays[C].Infrared Technology and Applications XXX,Bellingham WA:SPIE,2004:504-511

[5]施敏.半导体器件物理[M].西安:西安交通大学出版社,2008:61-65

[6]Wegmann G,Vittoz E A. Charge injection in analog MOS switches[J].IEEE Solid-State Circuits,1987,22(12):1097~1097

[7]Ueno M,Kosasayama Y,Sugino T, et al. 640x480 pixel uncooled infrared FPA with SOI diode detectors [C].Infrared Technology and Applications XXXI，Bellingham WA: SPIE, 2005:566-577

[8]Ishikawa T,Ueno M,Endo K,et al.Low-cost 320x240 uncooled IRFPA using conventional silicon IC process[C].Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, Orlando, Florida: SPIE,1999:556-564

[9]Hsieh C C,Wu C Y,Sun T P. High-Performance CMOS Buffered Gate Modulation Input (BGMI) Readout Circuits for IR FPA [J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,1998,33(8):1188-1198