紅外成像信號檢測技術(shù)

1、紅外成像信號檢測技術(shù)(Signal Detection Technology of Infrared Imaging王歡 王志功 馮軍(Wanghuan Wang Zhigong Fengjun(東南大學射頻與光電集成電路研究所 南京四牌樓 2號 210096摘 要 :介紹了紅外成像技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀,二維混合紅外焦平面陣列(IR FPAs的基本概念和單元結(jié) 構(gòu),并結(jié)合 BDI 和 CTIA 兩種讀取電路對紅外成像信號檢測技術(shù)的工作原理進行了闡述。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:紅外焦平面陣列,檢測器,讀取電路Abstract This paper introduces the development and p

2、rensent situation of infrared imaging technology.The conception and cell structure of hybrid infrared facal-plane arrays of two dimentions are presented too.This paper also discusses the characteristic of signal detection technology based on the BDI and CTIA.Key Wordsfacal-plane arrays, detector, re

3、adout circuit紅外成像系統(tǒng)大體可分為三代:第一代裝置是把單個傳感元件和對空間目標進行二維 掃描的掃描鏡組合在一起,獲得紅外圖像。 3 5µm 的紅外傳感器有 HgCdTe 光電導(dǎo)型(PC 型:photoconductive 和 InSb 光電型(PV 型:photovoltaic 。 8 14µm 的是 HgCdTe 光 電導(dǎo)型。 第二代裝置把一維傳感器陣列和一維掃描鏡組合在一起,多采用 PC 型 HgCdTe 傳 感器陣列。 現(xiàn)在 PC 型 HgCdTe 元件的靈敏度已大體接近 BLIP(background limited infrared photo co

4、nductor狀態(tài),要提高系統(tǒng)的分辨率,可采用 TDI(time delay and integration:時間延遲積分 技術(shù) , 提高信噪比。傳統(tǒng)的電荷耦合器件 (CCD可用來實現(xiàn) TDI 功能。但隨著 CMOS 工藝的提高,現(xiàn)在可用 CMOS 來實現(xiàn) TDI 。第三代裝置用的傳感器都是二維陣列。有兩 種類型,一種在功能方面與 TDI 方式的一維陣列等價,一種是不用掃描鏡也能得到圖像的 所謂“監(jiān)視傳感器” (staring sensor 。目前 , 在紅外成像信號檢測領(lǐng)域 , 世界各國都熱衷于二維混合紅外焦平面陣列 IR FPAs(Infrared Focal-Plane Arrays,

5、陣列尺寸已向 1024×1024邁進 , 如圖 1所示。 IR FPAs 可以工作在監(jiān)視模式和掃描模式。隨著 IR 檢測器技術(shù)的不斷成熟,現(xiàn)在可以生產(chǎn)很大規(guī)模 的檢測器陣列,監(jiān)視模式的 IR FPAs 應(yīng)用日益廣泛。圖 1. 混合型 IR FPAs從圖 1中可以看出 , 混合型 IR FPAs由檢測器陣列和讀取電路陣列通過倒裝焊技術(shù)構(gòu) 成。檢測器陣列由 HgCdTe 感光二極管構(gòu)成 , 讀取電路包含前置放大器積分電路采樣保 持或相關(guān)雙采樣電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)復(fù)接器等。 HgCdTe感光二極管和信號讀取單 元電路是一一對應(yīng)的。通常 , 混合型 IR FPAs的單元結(jié)構(gòu)如圖 2所示 .

6、其中 , 復(fù)接器和輸出 電路是共用的 , 可以做在單元以外。通常 , 復(fù)接器實現(xiàn)前級采樣信號的并 /串轉(zhuǎn)換 , 然后由一 個共用的輸出電路輸出。模 /數(shù)轉(zhuǎn)換一般放在片外 , 以減小芯片面積。對于幀積分,信號讀 取電路包含前置放大積分電路和采樣電路。但幀積分應(yīng)用于長波器件時,由于光電流較 大,需要較大的積分電容,這將導(dǎo)致芯片面積成倍增長,對于大的陣列,這是不經(jīng)濟的。 因此,當檢測器是長波器件時,可采用行積分,將讀取電路中的積分電容和采樣電路放在 單元電路以外共用,如圖 2虛線所示。信號讀取電路 混合型 IR FPAs單元電路圖 2. 混合型 IR FPAs的單元結(jié)構(gòu)檢測器等效模型由 I det

7、R det 和 C det 組成,如圖 3所示。檢測器工作于反偏狀態(tài)。電流 源 I det 隨背景光強度的變化而變化。隨著檢測器截止波長的增加, R det 逐漸減小。 R det 影響 檢測器的暗電流。暗電流隨光電流一起積分,減小了讀取電路的動態(tài)范圍。同時, R det 為 光電流提供了寄生通路,影響讀取電路的注入效率。另外,對于 IR FPAs,檢測器的均勻 性是一個很重要的性能指標。 C det 圖 3. 檢測器等效模型對于很多成熟的 IR FPAs技術(shù),現(xiàn)在主要是讀取電路而不是檢測器本身限制其性能。 現(xiàn)在,微電子的特征尺寸不斷下降,使我們可以設(shè)計更加復(fù)雜的單元電路。但諸如源級跟 隨器檢

8、測電路等簡單電路,由于其較小的像素面積,較低的功耗,依然應(yīng)用廣泛。利用高 增益放大器實現(xiàn)的更加復(fù)雜的單元電路也越來越被人們所接受,因為這種電路能夠提供較 好的偏置控制,線性特性和噪聲性能。目前,世界上應(yīng)用比較廣泛的幾種讀取電路包括源 極跟隨器檢測(SFD 直接注入(DI 緩沖直接注入(BDI 柵調(diào)制輸入(GMI 級 聯(lián)放大器檢測(CAD 容性跨阻放大器(CTIA 。電路的選取與應(yīng)用環(huán)境器件特性以及 系統(tǒng)性能要求有關(guān)。在此,我們僅以 BDI 和 CTIA 為例對電路基本結(jié)構(gòu)和工作原理進行描 述。緩沖直接注入(BDI 是由直接注入(DI 改進而來的,只是在檢測器和注入晶體管 M i 的柵級之間增加

9、了一個反相放大器,電路形式如圖 4所示。此反相放大器提供的反饋可 以改變讀取電路的輸入阻抗, 使檢測器偏置保持相對穩(wěn)定。 光電流通過注入晶體管 M i 在 C int 上積分,實際上是一個放電過程。積分結(jié)束后, C int 上的電壓通過傳輸門送到復(fù)接器,最 后由輸出電路輸出。在此過程中,積分電容 C int 與總線電容 C bus 之間存在電荷共享,將壓 縮信號梯度, 所以在 BDI 中, C int 不能太小。 由于檢測器電阻為光電流提供了寄生通路, BDI 注入效率如下式所示:ovo mi ovo mi R A g R A g +=111其中 A v0是反相放大器的低頻增益, g mi 是

10、注入晶體管 M i 的跨導(dǎo), R 0是檢測器的小信 號電阻。 圖 4.BDIdetBDI的飽和頻率為 f sat =1/(2 R0C int A vm A v0 ,相對來說小于 DI 和 SFD 的飽和頻率,從而允許更長的積分時間。其中 A vm =g mi /gdsi , g dsi 是注入晶體管 M i 的輸出電導(dǎo)。(飽和頻率 定義為使單元電路變得易受泄漏效應(yīng)影響的下限頻率 。在 BDI 中,與 DI 相比,注入效率 的增加,飽和頻率的下降,穩(wěn)定的檢測器偏置,都是以增加功耗和增加電路的復(fù)雜程度為 代價的。但是,反相放大器的功耗可以設(shè)計得盡量小,因為它只需要驅(qū)動很小的電容(注 入晶體管的柵極

11、電容 。西屋電器已制造出一種在亮背景環(huán)境下應(yīng)用的 MWIR IR FPA,采用 了額外的一大塊控制電路將寬帶 BDI 單元電路耦合到寬動態(tài)范圍的電荷耦合器件 (CCD上。 單元電路尺寸為 50µm, 整個陣列包含了 92列和 30級 TDI 。在 312.5usec 的積分時間中, 單元電路的讀取噪聲低于 80個電子電荷。每個單元電路的最大電荷存儲能力低于 1*105個 電子電荷。使用注入類型的讀取電路的一個問題是當其工作在暗背景時其性能會變差。注入晶體 管的跨導(dǎo)隨著背景光電流的下降而下降,引起注入效率的下降,使注入晶體管的噪聲增加, 故 BDI 不能在極暗背景環(huán)境中工作?，F(xiàn)在, C

12、TIA 單元電路已同時被監(jiān)視型和掃描型 IR FPAs采用,在各種場合廣泛應(yīng)用。 CTIA 的電路結(jié)構(gòu)如圖 5所示。 CTIA 電路包含一個增益為 A 的反相放大器,加在反饋環(huán)路中 的積分電容 C int ,與積分電容并聯(lián)的復(fù)位晶體管 M rst ,一個或多個選擇開關(guān)。反相放大器通 常由單端或差動輸入的放大器級聯(lián)構(gòu)成。單端 CMOS 反相放大器的芯片占用面積較小,而差 動的放大器在降低電源噪聲和帶寬控制方面有較好的表現(xiàn)。 圖 5. CTIAdet作為早期成果, Rockwell 和 Amber 采用 CTIA 單元電路工作于 92K , 而讀取噪聲僅有 10個電子電荷。 Honeywell 采

13、用 CTIA 單元電路應(yīng)用于 SWIR ,雖然積分時間高達 100s ,但讀 取噪聲也只有 70個電子電荷.隨著近來 IR 檢測器技術(shù)的進步,通過運用 CTIA 讀取單元電 路,已獲得了更低的噪聲性能,尤其是同時采用 CDS 單元電路(相關(guān)雙采樣 CDS 可以降低 復(fù)位噪聲,即 kTC 噪聲 。 Rockwell 已研制成功一種規(guī)格為 128×128 的應(yīng)用于暗背景環(huán)境 的 SWIR IR FPA, 其中就采用了噪聲極低的 CTIA CDS 單元電路。對于混合 IR FPAs,人們總是希望更大的陣列尺寸,更小的像素,以獲得更好的分辨 率。但在實際應(yīng)用中,由于混合 IR FPAs技術(shù)的

14、限制,像素尺寸大約為 30µm ,陣列大約為 512×512,且已證明更小尺寸的像素會使圖像質(zhì)量受限。隨著波長的增加,衍射增強,要 限制這種衍射,也需要采用較大的像素尺寸。為了減小檢測器的暗電流, IR FPAs需低溫工作,工作溫度隨著檢測器截止波長的增 加而降低。但實際讀取電路的工作存在下限溫度,低于此溫度時,器件性能出現(xiàn)畸變,電 路噪聲大幅增加。 對于 CMOS 電路, 下限溫度一般為 50K 。 但很多 LWIR 檢測器需要工作在 10K 以下,這給低噪聲讀取電路的設(shè)計和實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。參考文獻:1 Eric R.Fossum and Bedabrata.Pain,“

15、 Infrared Readout Electronics for Space Sensors: State of the Art and Future Directors ” , SPIE VOL.2020 Infrared Technology XIX(19932 C.P.Arthurs, I.M.Baker, G.J.Crimes, S.Bains, D.C.Murray,“ CMOS/CdHgTe Hybrid Technology for Long Linear Arrays with Time Delay and Integration ang Element deselectio

16、n, SPIE VOL.3061, 1997 3 Jerris F.Johnson, “ Hybrid Infrared Focal Plane Signal and Noise Model ” ,IEEE Transactions on Electrron Devices,VOL.46, No.1,January 1999作者簡介:王歡 男 1976年出生于重慶市;1999年本科畢業(yè)于南京東南大學無線電工程系通信專業(yè);同年進入東南 大學射頻與光電集成電路研究所擔任助研工作,從事射頻與光電集成電路的研究與設(shè)計工作。王志功 男 1954年出生于河南省滎陽市;1981年研究生畢業(yè)于東南大學無線電工程系,獲工學碩士學位; 1982年赴同濟大學任教; 1984年底赴德國波鴻魯爾大學電子系進修并攻讀博士學位,1990年博士畢業(yè); 1990年 10月起赴德國弗朗霍夫協(xié)會所屬的應(yīng)用固體物理研究所做博士后,兩年后在該研究所任客座研究 員,從事以砷化鎵工藝為主的超高速,微波和毫米波集成電路,光電集成電路設(shè)計;設(shè)計出上百種集成電路;創(chuàng)造并保持多項世界紀錄;迄今為止已在國際和國家級重要會議和核心期刊上發(fā)表了八十多篇論文。 已獲得七項德國發(fā)明專利和三項國際發(fā)明專利。1997年 10月歸國定居工作,受聘為東南大學無線電系教 授,博士生導(dǎo)師,電路與系統(tǒng)學科