一種具有片上補償功能的紅外讀出電路

闕隆成，呂 堅，魏林海，周 云，蔣亞東

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一種具有片上補償功能的紅外讀出電路

闕隆成，呂 堅，魏林海，周 云，蔣亞東

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054）

針對非制冷紅外探測器系統(tǒng)，提出了一種恒流偏置的紅外讀出電路（ROIC），該電路具有襯底溫度補償功能，且可實現(xiàn)片上偏移非均勻性補償?；谖y輻射熱計等效電阻受目標溫度、襯底溫度等影響的等效模型，每個讀出通道采用兩個盲電阻以消除襯底溫度的影響，同時使用DAC逐點調(diào)節(jié)參考電壓，以完成片上偏移非均勻性補償。該ROIC應(yīng)用到陣列大小為320×240的非制冷微測輻射熱計焦平面上，已在CSMC 05MIXDDST02的0.5mm CMOS標準工藝下成功流試驗片。電路測試結(jié)果表明：對于常溫目標，當襯底溫度變化60K時，輸出電壓變化小于500mV；經(jīng)偏移非均勻性補償后，陣列的固定圖像噪聲為11.8mV。該ROIC適用于應(yīng)用于復雜溫度環(huán)境的高均勻性非制冷紅外探測器。

微測輻射熱計；讀出電路；襯底溫度補償；非均勻性補償

0 引言

非制冷紅外探測器在軍事、工業(yè)、醫(yī)藥、科研等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中最具代表性的是微測輻射熱計[1]。微測輻射熱計是一種光-熱-電型的紅外探測器，探測器陣列接收紅外輻射引起微測輻射熱計的溫度變化，從而導致其等效電阻的變化。紅外微測輻射熱計讀出電路是讀取微測輻射熱計等效電阻的變化值，獲取相應(yīng)目標紅外輻射信息的專用電路。

微測輻射熱計的等效電阻由Arrhenius關(guān)系可知[2]：

()＝0exp(a/B) (1)

式中：0是與工藝有關(guān)的常數(shù)，可由實驗推算；a是激活能；B是Boltzmann常數(shù)；是絕對溫度。

用于探測目標溫度的微測輻射熱計，可稱為探測像元。由于目標溫度引起的溫升常常是一個相對微小的變量，因此可以將式(1)等效為：

s()＝s,0(sub)(1＋Ds) (2)

式中：s,0(sub)是在襯底溫度為sub時的等效電阻值；是電阻溫度系數(shù)（TCR），它是隨襯底溫度微小變化的負值；Ds是紅外輻射引起的溫升。

由式(2)可知，微測輻射熱計不僅會探測目標溫度，同時還會受到襯底溫度的影響，然而使用中希望探測結(jié)果僅反映目標輻射的變化。

另一方面，在制作過程中，由于工藝偏差，微測輻射熱計還會存在一定的非均勻性。同時，讀出電路本身也存在非均勻性。這些非均勻性會導致探測器的輸出表現(xiàn)出非均勻性，尤其是采用列級讀出通道的探測器芯片會出現(xiàn)明顯的列條紋。雖然一般的非均勻性可以由外部電路校正，但是會減小探測器的動態(tài)范圍。

綜上所述，具有襯底溫度補償以及非均勻性補償?shù)淖x出電路成為當前研究的熱點[3-4]。

1 新型恒流偏置的讀出電路設(shè)計

由式(2)反解Ds可以為讀出電路設(shè)計提供啟示：

若能引入兩個對紅外信號不敏感的微測輻射熱計，可稱為盲像元，則相等于在讀出電路中引入兩個與s,0(sub)等值且隨襯底溫度變化一致的電阻，可稱為盲電阻，由此獲得僅與目標溫度有關(guān)的輸出。盲像元的制作在探測像元的基礎(chǔ)上增加遮光層使之對紅外信號不敏感，其它制作步驟與探測像元相同。在忽略工藝偏差時，等效阻值如式(4)所示：

b()＝b,0(sub)＝s,0(sub) (4)

圖1給出了基于上述思想的一種具有補償功能的新型恒流偏置型紅外讀出電路。其中，s為微測輻射熱計等效電阻；b1、b2為盲電阻，它們除了不探測紅外輻射外，其余特性與s相同；1～4為半導體電阻。它們具有相同的阻值。ref1由5bits片上DAC逐點調(diào)節(jié)產(chǎn)生。

第一盲電阻b1和微測輻射熱計的等效電阻s被相同電流ref偏置，經(jīng)單位增益運放采樣后，獲得點電壓V和點電壓V：

V＝refb1(5)

V＝refs(6)

經(jīng)過加、減法器電路后，輸出V為：

V＝V－V＋ref1(7)

V由積分器在積分電容int上進行積分，其積分電阻b2為第二盲電阻，經(jīng)過積分時間int后其積分輸出為：

若忽略工藝偏差，即認為電路不存在非均勻性問題，此時調(diào)節(jié)片上DAC使得ref1＝ref2，則式(8)可簡化為：

由式(9)易知，在忽略電阻溫度系數(shù)隨襯底溫度變化的情況下，所提出的新型恒流偏置讀出電路僅與紅外目標輻射有關(guān)，實現(xiàn)了襯底溫度補償。

若讀出電路存在偏移非均勻性，則由式(7)、式(8)可知，調(diào)節(jié)ref1可以對其進行補償，從而減小固定圖像噪聲（FPN）。5bits片上DAC的設(shè)計正是為了實現(xiàn)ref1逐點調(diào)節(jié)。片上DAC包括3部分：共享芯片級分壓電阻串、列級集成的解碼電路（decoder）以及逐點調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸電路。前二者是比較成熟的技術(shù)，不再累述，而逐點調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸電路是完成片上偏移非均勻性補償?shù)年P(guān)鍵，該電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DAC逐點調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸電路

圖2中，數(shù)據(jù)傳輸電路包含5個基本傳輸單元，每個基本傳輸單元負責傳輸1bit校正數(shù)據(jù)。第一開關(guān)S1/S1B受電路所在列的列選信號Mux控制；第二開關(guān)S2/S2B受行啟動信號RStart控制（MuxB和RStartB是Mux和RStart各自的反相信號）。第列數(shù)據(jù)傳輸電路工作時序如圖3所示。圖3中，Cor,m為第行第列所需校正數(shù)據(jù)。當?shù)谛蟹e分開始時行啟動信號RStart有效，將上一行（第－1行）積分時傳輸電路Hold所保持的Cor,m讀入作為輸出Out，并控制decoder解碼，產(chǎn)生第行列所需ref1。列選信號開始前RStart變回無效狀態(tài)，使得輸出保持當前值，而不隨輸入改變。即，當本列列選信號Mux<>有效時傳輸電路將In所接收到的下一行校正數(shù)據(jù)（Cor＋1, m）讀入，但是Cor＋1, m僅傳到Hold由NM2和PM2的寄生電容保持，而不改變當前輸出Cor,m。由此實現(xiàn)了逐點設(shè)置ref1，從而能夠?qū)崿F(xiàn)片上偏移非均勻性補償。

圖3 傳輸電路工作時序

2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述分析，本文對提出的恒流偏置電路進行了仿真。仿真時，設(shè)置ref1和ref2為2V，ref為12.5mA，積分時間int為20ms，積分電容為4pF。當襯底溫度（sub）為273K、293K、313K以及333K時，目標溫度（t）為233～333K的電路仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 新型讀出電路仿真結(jié)果

由圖4可以看出，目標溫度為303K時，襯底溫度變化60K而輸出變化小于400mV。襯底溫度從273K升高到333K時，響應(yīng)率從8.73mV/K降為6.99mV/K，變化率小于20%。該仿真結(jié)果證明了式(9)的結(jié)論，即所設(shè)計的新型恒流偏置電路實現(xiàn)了襯底溫度補償。

3 新型讀出電路測試結(jié)果

目前該讀出電路結(jié)構(gòu)已應(yīng)用到陣列大小為320×240的非制冷微測輻射熱計焦平面讀出電路上，并在CSMC 05MIXDDST02的0.5mm CMOS標準工藝下成功流了試驗片。

利用既有的測試平臺[5]，得到了該電路的探測器芯片輸出電壓測試、FPN測試結(jié)果以及成像效果圖。分別對設(shè)置為5℃、25℃和45℃的目標黑體，在襯底溫度0℃、20℃、40℃以及60℃下進行了測試，圖5為輸出電壓測試結(jié)果，輸出隨襯底溫度變化較小，與仿真結(jié)果一致。

圖6(a)為未采用片上DAC進行ref1逐點偏置的測試結(jié)果，其FPN為296.7mV。圖6(b)為采用片上DAC逐點偏置ref1后的測試結(jié)果，其FPN為降低為11.8mV。對比圖6(a)、(b)可知采用逐點偏置DAC的讀出電路較好地實現(xiàn)了偏移非均勻性補償。

圖7是搭載了新型恒流偏置讀出電路的探測器成像效果圖，成像效果較好。

圖5 不同目標溫度、襯底溫度下的測試結(jié)果

4 總結(jié)

本文提出了一種新型的恒流偏置讀出電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效地消除襯底溫度效應(yīng)，當襯底溫度變化60K時，輸出變化小于500mV。同時，該電路還可以完成偏移非均勻性校正，其FPN僅為11.8mV，提高了讀出電路的性能。該讀出電路非常適合在較惡劣的溫度環(huán)境下使用的高均勻性紅外探測器中應(yīng)用，具有很好的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖6 FPN測試結(jié)果(a)未使用DAC；(b)使用DAC

(a)Tsub＝20℃，未使用DAC； (b) Tsub＝20℃，使用DAC；(c) Tsub＝0℃，使用DAC；(d) Tsub＝40℃，使用DAC

[1] 闕隆成, 杜一穎, 周云, 等. 一種應(yīng)用于非制冷焦平面讀出電路的非線性輻射補償型ADC設(shè)計[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(1): 26-30, 36.

[2] Wood R A.[M]., 1997, 47.

[3] Lyu Jian, Que Longcheng, Wei Linhai, et al. Uncooled Microbolometer Infrared Focal Plane Array without Substrate Temperature Stabilization[J]., 2014, 14(5): 1533-1544.

[4] 周云, 張麗, 呂堅, 等. 一種新型的高均勻性非制冷紅外讀出電路研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(1): 22-25.

[5] 吳和然, 周云, 張寧, 等. 非制冷紅外探測器低噪聲驅(qū)動和處理電路的設(shè)計研究[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(9): 505-508.

An Infrared Readout Circuit with On-chip Compensation

QUE Long-cheng，LYU Jian，WEI Lin-hai，ZHOU Yun，JIANG Ya-dong

((),610054,)

This paper describes a constant current-biased readout circuit with substrate temperature compensation and non-uniformity compensation for the uncooled micro-bolometer detector. The influence of temperature for the equivalent resistance of micro-bolometer is evaluated. Then an effective way for substrate temperature compensation is proposed, which utilizes two blind micro-bolometers in each readout circuit channel. On the other hand, the non-uniformity compensation is also achieved by a 5bits on-chip DAC. A 320×240 uncooled micro-bolometer focal plane array（FPA）based on the proposed circuit was implemented on silicon by 0.5mm CMOS technology. The measurement data show that the maximum difference of a normal temperature object over 60K substrate of which temperature change is only 500mV and the fixed pattern noise（FPN）is less than 11.8mV. Thus it is ideally suited for high performance production applications.

micro-bolometer，ROIC，substrate temperature compensation，non-uniformity compensation

TN432

A

1001-8891(2015)02-0101-04

2014-07-11；

2014-09-03.

闕隆成（1987-），男，四川成都人，博士生，主要研究領(lǐng)域為非制冷紅外探測器讀出電路的研究，E-mail：quelongcheng@qq.com。

國家自然科學基金，編號：61421002。