非制冷红外焦平面阵列读出电路设计

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摘要：针对SOI二极管型非制冷红外探测器，设计了一种新型读出电路（ROIC）。该电路采用栅调制积分（GMI）结构，将探

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关键词：非制冷红外焦平面阵列；读出电路；栅调制积分

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.007

引言

红外焦平面阵列（IRFPA）可以获取目标红外辐射信息，利用光电信息转换、信号处理等手段，实现对目标成像。传统制冷型红外探测系统，需要较低温度的工作环境，然而由于制冷设备复杂，携带不方便，且价格比较昂贵，难以实现大范围推广。非制冷红外焦平面阵列（UIRFPA）能够工作在室温条件下，降低了对工作环境的要求，被广泛应用在军事及民用领域[1]。非制冷红外焦平面阵列根据探测器元件的不同物理机理，可以分为：热释电型、热敏电阻型、双材料悬臂梁型[2]、热电堆型、二极管型[3]。二极管型非制冷红外探测器，是根据PN结二极管在恒定偏置电流下的导通电压―温度特性[4]制成的。它可采用标准的CMOS工艺完成探测器制作，大大降低生产成本，减小设备复杂程度，有利于红外成像技术的规模化应用。

读出电路（ROIC）是非制冷红外焦平面阵列的重要组成部分，其性能直接影响红外探测系统整体表现。目前关于SOI二极管型UIRFPA读出电路的研究文献比较少。本文提出一种针对SOI二极管原理非制冷红外探测器的读出电路。探测器阵列规模为384×288，帧频为40Hz，输出信号变化范围0～5mV。读出电路使用CHRT 0.35μm CMOS 工艺完成设计，仿真结果显示该设计读出电路输出动态范围达到2V，数据输出频率5MHz。

1 SOI二极管探测器工作原理

由肖克莱方程式[5]可知，理想二极管中，电流If与正向导通电压Vf之间的关系如下：

2 读出电路架构

非制冷红外焦平面阵列读出电路，主要由探测器阵列、列积分放大电路、采样保持电路、输出缓冲器、多路选择开关以及时序控制电路组成，读出电路的系统框图如图1所示。

电路采用行读出方式，在时序电路控制下，某一行的探测器被选通，该行探测器全部工作，各列读出电路单元同时对选通行的探测器信号进行读取及积分放大，采保电路将已被放大的信号进行采样保持，等待列选通开关依次选通，并通过输出缓冲器输出。这种电路结构比较简单，每列只需要一个读出电路，有益于实现低功耗、低噪声设计。读出电路结构图及工作时序如图2和图3所示：

3 栅调制积分（GMI）电路设计

传统非制冷红外探测器的基本原理是红外辐射引起探测器阻值改变，在恒定偏置电压条件下，探测器的电流发生变化，对电流积分得到相应的电压信号。而SOI二极管红外探测器偏置电流为恒定值，在红外照射下，正向导通电压改变。因此，传统的非制冷红外阵列读出电路不适合用作对SOI二极管探测器信号的读取。

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：

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