綜述：中短波紅外圖像傳感器讀出電路研究進展

編輯：感知芯視界 萬仞

隨著紅外技術和探測器性能的進步，中波和短波紅外技術在惡劣天氣中具有更優秀的成像性能，在民用、軍事和航空航天等領域中得到了越來越廣泛的應用。讀出電路作為連接探測器陣列與后級圖像處理電路的關鍵模塊，其性能對中短波紅外相機系統性能具有重要影響，決定了最終的成像質量。

據麥姆斯咨詢報道，近期，廈門理工學院光電與通信工程學院和北京大學電子學院碳基電子學研究中心的科研團隊在《微電子學》期刊上發表了以“中短波紅外圖像傳感器讀出電路研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為陳繼明；通訊作者為陳鋮穎副教授，主要從事混合信號集成電路設計方面的研究工作。

本文綜述了中短波紅外圖像傳感器讀出電路的發展現狀，分析了讀出電路中噪聲、動態范圍、幀頻等問題，重點探討了針對以上問題的解決方案。最后對讀出電路未來設計的改進方向進行了討論。

目前，針對讀出電路的研究主要集中在積分器和列信號處理電路上，高性能的讀出電路需要積分器具有較強的電荷處理能力、較低的噪聲以及積分過程中的偏置穩定性。讀出電路輸入級主要分為三種拓撲結構。

一是自積分型（SI），這種結構優勢是結構簡單，缺點是光電探測器無法保證有穩定的偏置電壓，導致線性度較差，此結構已逐漸被淘汰。二是直接注入型（DI），與SI型不同的是直接注入型積分器有穩定偏置并且結構也較為簡單，功耗也較小，但是在光電流較小的情況下，注入效率較低，因此直接注入型多用于中波紅外讀出電路中。三是緩沖注入型（BDI），是對DI型改進的一種結構，利用負反饋的原理減小電路的輸入阻抗，提高了光電流注入效率，缺點是此結構應用了運算放大器，導致靜態功耗較高。電容反饋跨阻放大器型（CTIA）是應用最廣泛的結構，利用密勒補償的原理，在積分電容較小的時候也能保證較大的放大倍數，可以檢測很小的光電流，此結構多用于短波紅外讀出電路，缺點是單元電路面積較大。

除了以上三種結構之外還存在柵調制型（GMOD）、電流鏡積分型（CMI）等，但是由于這些結構存在帶寬和制造工藝缺陷問題，并沒有得到廣泛應用。為了優化讀出電路的性能，各研究機構對輸入級結構的噪聲、線性度、動態范圍等特性進行了探索。

目前，所有報道的中短波讀出電路都是基于以上結構進行設計。傳統讀出電路的性能主要受到陣列大小和各類噪聲的限制。隨著陣列規模逐漸擴大，工藝制造偏差引起的固定圖形噪聲以及傳感器噪聲會對讀出電路性能產生巨大影響。尤其在某些電路中工藝中，失配較為嚴重。噪聲信號甚至比入射的光信號大得多，嚴重影響成像質量。為了實現高質量的讀出電路，需要對傳統結構進行改良，提高抑制噪聲性能以及增加滿阱容量，在噪聲、動態范圍、幀頻等特性之間取得良好的平衡。

中短波紅外圖像傳感器在軍事和航空航天領域有著巨大的發展潛力，陣列增大引起的非均勻性增大、功耗增加、幀頻/噪聲/動態范圍受限等都是亟待解決的關鍵技術。

幀頻

在紅外圖像傳感器中，幀頻是讀出速率的表現形式。讀出電路經過一個周期的積分、讀出以及后級電路處理過程所使用時間的倒數為一幀。大輸出電流有助于提高讀出速率，但是模擬電路本身的工作速度以及運放帶寬的限制也提高了大陣列高幀頻的設計難度。因此設計中考慮到電路的功耗和速度，需要折中一部分讀出速率。

噪聲

紅外成像系統中的噪聲源包括探測器熱噪聲、閃爍噪聲。另一部分是讀出電路部分的噪聲。以CTIA型為例，噪聲來源主要包含放大器熱噪聲、閃爍噪聲、積分電容復位開關管的KTC噪聲。CTIA積分器的小信號模型如圖1所示。在實際設計中積分電容、負載電容的大小和噪聲性能需要折中考慮。

圖1 CTIA小信號模型

動態范圍

動態范圍是評價讀出電路性能的重要指標之一，定義為最大積分電平與讀出電路噪聲均方根值的比值?？梢詮膬蓚€角度來提高動態范圍，一是提高滿阱電荷，二是降低輸出等效噪聲電子數。這兩者都與積分電容有著密切關系。積分電容越大，滿阱容量就越大，但是同時等效噪聲電子數也越大。對于固定積分電容的常規電路來說，很難同時滿足大的滿阱容量和小的噪聲電子數，所以很難達到高動態范圍。因此可以設置不同檔位的積分電容值，從而提高讀出電路的動態范圍。

在前文對讀出電路的原理及現存相關問題的分析基礎上，針對幀頻、噪聲、動態范圍等問題總結目前研究成果中的解決方案。

幀頻的提升

幀頻是紅外讀出電路每秒對紅外光的檢測次數。讀出速率為單位時間內輸出信號的數量，一般由陣列規模、積分時間、模數轉換器的速率等因素決定。目前，像元陣列規模逐漸增加，提高幀頻就需要具有更高讀出速率的電路，通過多通道并行輸出即多個輸出緩沖器同時工作以及設置合理的時序等方式可以提高系統的幀頻。

噪聲以及動態范圍的優化

噪聲性能與動態范圍有著密切聯系，因此為了提高讀出電路動態范圍就必須進行相應的低噪聲設計，以優化輸出性能。目前廣泛使用的技術有增加柵極面積技術、斬波技術、自動調零技術、添加電容并聯到輸入電容技術、添加反饋MOS、電容交叉耦合技術、零極點技術、并聯諧振技術等。

由于讀出電路的噪聲大部分來源于運放，因此可以優化運放結構，減小噪聲，進而提高動態范圍。T.Ngo等人設計了一個陣列大小256×1的讀出電路，輸出擺幅為2.3 V，兩檔積分電容分別為10 pF、0.5 pF。如圖2所示，保持流過M3、M4的電流較大，而流過M5、M6、M7的電流較小，在增加M1的跨導的同時增加輸出阻抗，從而提高了增益。使用單端結構可以大幅減小熱噪聲以及閃爍噪聲，這種結構相比差分結構的運放，其噪聲性能更好，在100 kHz時鐘頻率、10 pF積分電容下，輸出噪聲均方根值僅有188.7 μV。

圖2 改進的單端運放電路圖

Y. Jo等人為了達到高動態范圍設計了一個自適應積分電路，陣列大小為640×512，輸入級為CTIA型，如圖3所示。在主積分前有一個預積分的過程，預積分最終值和斜坡電壓Vramp進行比較，通過一位的鎖存器選擇大積分電容或者小積分電容，大大提高了動態范圍。電路中還包含簡單CDS，以及12位的存儲器，存儲器由可變時鐘和12位的計數器進行控制，動態范圍達到了140 dB。

圖3 自適應積分電容讀出電路框圖

為了解決采用了額外的運算放大器作為比較器功耗較高的問題，Y.S. Kim等人提出的電路同樣有自適應切換積分電容的優點，如圖4所示。先是時間較短的預積分，預積分最終值與Vref2比較，比較器輸出結果由鎖存器保持住，直到主積分結束。

圖4 改進后的CTIA自適應積分電路

除了對基于CTIA型積分器的讀出電路進行改進，Y. S. Kim等人還提出了一種用于MWIR場景的讀出電路，使用DI型積分器，其單元電路如圖5所示。該結構采用兩檔積分電容，積分時先用小電容100 fF進行積分，此時為高增益模式。如果積分結束時最終電壓值小于Vref，則不改變積分電容大小。若電流增大，積分電壓在短時間超過Vref，則后續時序電路將SW打開，切換成大電容400 fF，此時為低增益模式。如果電流繼續增大，則切換成HDR（高動態范圍）模式。

圖5 DI型結構的自適應積分電路

隨著相關研究人員對于紅外圖像傳感器探索的不斷深入，讀出電路的研究潛力和商業價值將逐步顯現。因此，中短波圖像傳感器讀出電路也成為紅外成像系統發展的重要環節，其動態范圍、噪聲、功耗等方面還有一些改進之處。

在動態范圍方面，自適應積分電容電路存在的問題是，D觸發器如果在時鐘上升沿到來之前輸出結果，那么開關狀態將會延遲一個時鐘周期變化，這會帶來延遲噪聲，限制了動態范圍。在這個基礎上，可以使用雙邊沿型D觸發器，在多檔積分電容模式中采用一種異步時鐘門控技術，從而減小延遲噪聲，進一步提高動態范圍。

在噪聲方面，從前文分析可知，讀出電路中的運放熱噪聲和閃爍噪聲占主要部分，即使可以通過相關雙采樣消除部分低頻熱噪聲和閃爍噪聲，但是同時會提高高頻的熱噪聲，并且也增加了電路復雜度。在CTIA和BDI等需要運放的輸入級結構中，可以使用單端運放，大幅減小閃爍噪聲以及熱噪聲。同時建立更精確的噪聲模型，根據焦平面陣列的積分原理，從晶體管的噪聲系數、電路噪聲等效功率譜密度、噪聲傳遞函數導出焦平面陣列噪聲，從而更精確地優化噪聲性能。

在功耗方面，隨著陣列的不斷增加，功耗也隨之提高。為了降低功耗，Z. LU等人提出了一種在輸出緩沖電路中使用兩級級聯源極跟隨器結構，以降低讀出電路的功耗，并確保輸出電壓具有高線性度。在中波紅外讀出電路中可以使用無運放的簡單輸入級結構，如DI，以達到低功耗需求。而在短波紅外讀出電路中，大部分輸入級結構為CTIA型。除了使用單端運放之外，也可以將運放晶體管偏置在亞閾值區以減小功耗。在信號處理鏈路方面，當一列像素被選中時，關閉其它列像素的尾電流源以減小整個陣列的功耗。

在減小單元電路面積方面，可以使用具有準一維結構的膠體量子點探測器，并結合結構優化的CTIA來達到高分辨率。此外，Q. LIU等人提出了一種與0.5 μm CMOS工藝兼容的四層電容器，具有較大單位面積電容，可以在減小電路面積的同時，提高輸出動態范圍。

本文針對中短波紅外讀出電路中噪聲、動態范圍、幀頻等設計挑戰，綜述了近年來發展的關鍵技術以及解決方案，對各成果設計細節進行了闡述，并展望了讀出電路未來的改進趨勢。隨著軍事、航空航天等領域對中短波紅外圖像傳感器的需求日益增大，探測器系統要求讀出電路向著多功能化、高度集成、多波段工作的方向發展。從讀出電路發展趨勢來看，自積分電容技術、陣列分塊、數字校正等技術將成為中短波紅外讀出電路設計中亟待發展的關鍵技術。

論文鏈接：

DOI: 10.13911/j.enki.1004-3365.220488