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基于0.35umCMOS的非制冷红外焦平面微测辐射热计读出电路设计以及片上自热补偿

Daniel Sva uml;rd bull; Christer Jansson bull; Atila Alvandpour

摘 要

本文主要描述了应用于可联网红外摄影机救援领域的焦平面阵列的读出电路结构。焦平面阵列主要由352ⅹ288的非制冷薄膜微测辐射热计探测器单元组成，它的大小为25um，可以再环境温度下运行。本电路的主要特点是读出通道低噪声，探测器电阻失配较正，探测器电路偏置采用斜坡式电流脉冲方案以减缓读出通道中运算放大器和ADC的动态范围需求，动态范围变化是由于在读出期间探测器的工艺和自热产生的。本设计采用0.35um标准CMOS工艺实现，并且已经有2个版本作为评估板的32ⅹ32像素测试芯片已经完成焊接和测试了。最新测试芯片实现了97dB的动态范围，在NETD为26mK的情况下测试输入参考均方根噪声电压是6.4uV。芯片3.4V供电，60FPS帧频下，它的消耗功率是170mW。

关键词：读出电路 非制冷微测辐射热计 红外图像 高分辨率数据转换 自热补偿 偏置发热补偿

1 简 介

近年来，红外热成像受到广泛关注。他广泛应用在各种工业，特别是军事，自动化，流程和安全/监控行业等领域。虽然红外成像已经可用了很长时间，但是它是大型，庞大的光子检测器系统的形式，需要进行制冷才能正常工作。这就使得大多成像系统变得昂贵并且难以广泛应用。随着薄膜微测辐射热计探测器的到来^[1-3]，高性能的制冷探测器的需求逐渐减少，它也开启了去研发拥有优秀性能并且可以应用在各种领域的低价微小型可操作非制冷系统的大门^[4]。

在本文中，主要介绍了一种基于25um像元的352ⅹ288像素的非制冷焦平面整列的读出电路结构。这个设计主要是针对应用在视觉监控领域的可联网红外摄像机，红外成像可以应用在限制正常成像的地方，例如，光线昏暗，无光，雾天或者其中物体被视觉地掩蔽，但不被另一物体热照射。本系统可以在环境温度为-10~70℃中正常应用，这对微测辐射热计探测器的电气偏置施加了非常严格的要求。

本文主旨是通过探测器上的偏置来减小由工艺和自热带来的ROIC输入动态范围变化；以及在低噪读出通道中把探测器输出信号数字化。有一个好的微测辐射热计偏置电流的方案对于去除由探测器自热和工艺带来的不需要信号部分是非常重要的。虽然参考文献中提到了各种偏置电路^[5-9]，但是他们主要是针对非线性较正，而不是自热补偿。

一个常见的偏置电路将桥式结构中的微热辐射计与参考测辐射热谱仪连接，该测辐射热计被制造为对入射的红外辐射无效并且热连接到衬底。通过用电容式跨导放大器^[5-7]对信号电流积分，并且保持电压超过测辐射热计上的恒定值来读出信号。在大多数情况下，该参考检测器对于一个整列（或行）的像素是常见的，并且将与其它检测器失配。当选择整行时，这种静态失配会通过改变在探测器 上的电压等级来正常补偿，但是自热产生的电流并没有消失，而是直接被CTIA积分，增加了 后级读出电路的动态输入范围。因此，它将限制探测器有用的偏置等级，从而减小其性能。

一些人使用了一个读出差分结构^[8,9]，它里面的参考和正常探测器分别用恒定电流偏置，并且用CTIA积分和差分读出以消除共模信号。这里的参考探测器是一整行（或列）共用的，也将承受失配。这个通常通过改变探测器的偏置电流进行补偿。由于脉冲偏置期间的适配，这将减小平均补偿，但不匹配导致两个自热响应不再完全消除。这将留下一个动态不匹配部分，这将在读出电路上产生更高的动态范围要求。由于连续电流偏置，自热反应将使得电压超过探测器造成响应率下降。而且，当温度漂移时，残余自热也导致固定的图案噪声。

本文提到的ROIC采用斜坡式电流源给每个探测器供电，使得他经历每一个连续点压。这个原理对由工艺和自热造成的静态以及动态失配进行补偿，以减小读出电路的动态范围需求。

本文主要由以下及部分组成：第二段中，介绍了非制冷电阻式微测辐射热计，并描述了关于动态范围和噪声的设计考虑；第三段中，介绍了系统的整体结构，着重说明了测辐射热计偏置原理和读出通道；第四段中，介绍了测量结果；第五段是全文的总结。

2.非制冷电阻式微测辐射热计

微测辐射热计是非制冷IRFPA成像系统的核心。它是在微机电系统(MEMS）工艺中制造的，后来可以连接到标准CMOS工艺晶片，以便在单个芯片上完成与检测器和电子器件的集成解决方案。

测辐射热计是使用热敏材料制造的，比如非晶硅，硅锗或氧化钒^[10]，他们的电阻值会随着红外照射变化。该材料在顶部涂覆有吸收层，并且在底部涂覆有反射层以使吸收的能量最大化。测辐射热计通过两只金属腿电接触到CMOS芯片的表面，测辐射热计的两边各有一个金属脚，如图1所示。金属脚支撑这个微测辐射热计在芯片表面上面，并且提供来自芯片的热隔绝，由于这两只金属腿制造的又细又长，减少了热制造。为了最佳隔热，微测辐射热计必须在真空中操作，因此在大多数红外成像检测器中使用真空包装。

微测辐射热计最重要的一个属性就是它的阻值会随着温度变化，这是有探测器材料的热阻值(TRC）决定的。入射光单独照射到一个探测器上面引起的温度变化仅仅只有几毫K，所以在场景温差只有几十毫K的情况下，使用一个具有高TRC的探测器是很有必要的。当前研究表明，红外微测辐射热计的TRC在-2%~-4%之间。

在设计非制冷红外探测器读出电路和性能时，都会受到来自探测器热噪声的影响，读出电路的动态范围需求就变成了一个巨大的挑战。限制读出电路动态范围的主要因素是探测器在制造过程中阻值延伸，探测器读出过程中发生自热，实际需要信号以及探测器噪声。

图 1 红外微测辐射热计的结构图

2.1 测辐射热计静态失配

就像任何工艺制造的电阻一样，测辐射热电阻将受到工艺的影响。在测辐射热计发展初期，估计可能出现高达plusmn;10％的电阻差。这个数字预计会随着工艺的成熟而下降，但ROIC必须能够处理20％的失配才能在发展过程中使用。

2.2 自热

通过给微测辐射热计偏置一个电流，然后测量它两端的电压来测试微测辐射热计的阻值。这个偏置电流会使测辐射热计升温，由于测辐射热计的高负TRC，它的阻值 会下降。为了实现敏感的成像传感器，对于低热噪声需要低的测辐射热电阻，而对于高响应性需要高的偏置电压。这导致了高偏置功率，因此在读出期间产生大的自热。

由于自热产生的温度变化取决于使用的偏置电压以及测辐射热计膜的热容。对于小的变化，可以通过线性公式(1)^[13]进行估计。

V_bias 代表偏置电压，R_bol代表偏置过程中测辐射热计的平均阻值，C_th,bol是测辐射热计的热容。

设置高达10K的自热处理规格，以实现良好的性能。一个正常的测辐射热计的TRC在-2.6 %/K范围，这就导致了阻值的变化多达∆R=∆T∙|TRC|=26%。

2.3 测辐射热计标称阻值

当选择新行时，测辐射热计的最高辐射热计电阻由测辐射热计的建立时间常数与列总线的寄生电容(asymp; 17 pF）并联设置。在352个正常行下，如果理想的帧频是60FPS，那么行读出时间就是47.3uS。允许13％(6.1us）的这个时间来解决和约束测辐射热计选择的时间常数，给定的上限阻值为360KOmega;。持续增加电阻将导致性能不断降低，这是由于缓慢的积分限制了信号的积聚，并导致了较低的信噪比。而且，由于微测辐射热计不断增加的热噪声，使得高阻值不理想。

在光谱的另一端，最低的测辐射热电阻主要由自加热决定。本文中的偏置方案基于试图将辐射热计上的电压保持在恒定水平，除了入射辐射之外的所有影响，这就意味着随着测辐射热计温度上升阻值下降，更多的电流注入到了前馈回路中。它由最低偏置电压限制。在本设计中，这个偏置电压最低可以调到1.2V，此时仍然可以做出响应，最高可以调节到2.14V。从(1）可以得出大约为 14 kOmega;的平均电阻的下限; 假定热容量为4.3times; 10^-10J/ K（参照表1）。

对于温度的大变化，测辐射表电阻与其温度之间的关系是^[13]：

R0是标准温度T₀下的阻值。规格中说明这个读出电路应该使用的环境温度低于70℃。包含平均值为5K的自加热温度增长和-10%的失配。由(2)可知，标称值为80KOmega;的电阻在TRC为-3%处会变成20KOmega;。这给了最小电阻的余量，允许在-10至70℃的指定环境温度范围内工作，TCR大至-3%/K。

2.4 热噪声值

最小可检测信号取决于系统噪声。在这里，我们仅仅考虑测辐射热计本身的热造成，忽略掉闪烁噪声和热辐射噪声。总输入参考系统电噪声功率可以建模为测辐射热电阻的噪声功率，偏置电路以及读出通道和参考发生器的输入参考噪声功率之和：

（3)中的第一项在选择测辐射热计电阻的大小时设定。测辐射热计偏置电路将增加噪声等于测辐射热电阻噪声功率的一半，这将在3.1节说明。噪声的其余部分是由于读出通道和参考产生的。 归一化到辐照热仪噪声，这给出了系统总噪声电压的以下关系：

（4)中的关系显示了ROIC噪声在总噪声中所占的比重是非线性的，在某种程度上，由于总功耗的增加，总噪声的减少并不会使ROIC噪声减少。选择测辐射热计1.6倍热噪声点呀为总噪声电压，以使电路具有低噪声和合理的功耗，但没有尝试找到绝对最佳的功率 - 噪声平衡。在总噪声是测辐射热计热噪声的1.6倍的情况下，由（4)式可知，ROIC噪声输出将被限制到1.03倍的测辐射热计噪声电压。

在标准温度25℃下，标称电阻为80K的测辐射热计电阻，积分时间t_int为42.2uS可以计算得到，在这里，等效噪声带宽为1/(2t_int)主要取决于斜波脉冲时间t_int，87%的积分时间被用作行时间，剩下的13%的时间作为行选和行设置时间。整个系统的电噪声为，ROIC允许噪声为。

2.5 噪声等效温差

红外成像系统性能的一个重要指标就是噪声等效温差 (NETD)。它量化场景中的最小可检测温度变化，并可以使用以下公式计算。^{[14, 15]}:

公式中，其中F是红外光学器件的f数，是系统总噪声电压；beta;是辐射热计的填充因子；A_b是微测辐射热计表征面积（通常是像素间距的平方)；R_V是探测器响应率；Phi;_∆lambda;是红外光学器件在波长间隔为∆lambda;时的投射率；(∆P/∆T)_∆lambda;是 相对于温度为300K的波长区间∆lambda;中的黑体辐射的温度变化，单位面积的功率变化；TRC是测辐射热计材料的电阻温度系数；ε_∆lambda;是测辐射热计膜在波长间隔∆lambda;中的吸收率；Vb是探测器偏置电压；G是测辐射热计与其周围环境之间的总热传导；omega;红外调制频率；C_th是测辐射热计热电容。

由公式(5)(6)可以看出，NETD高度取决于测辐射热计的材料和光学器件的工艺。在撰写本文时，这些参数的值尚未定稿到目标的测辐射热计。相反，[15]中给出的这些参数的典型值已被使用，并列在表1中供参考。在第2.4节中估算出系统电噪声6.4 uV的NETD，重要的是还要考虑测辐射热计的热波动噪声造成的均方根噪声电压，它由下式得到 ^[14]

表 1 NETD性能估计参数

k是玻尔兹曼常数，T_bol是测辐射热计温度。在25℃下，由于热辐射噪声产生的噪声电压是2.2uV,使得总的噪声电压为6.8uV。在低频时，得到的NETD可以在1.6 V的偏置电平和f / 1光学器件估计为26 mK。对于像素间距小于50um范围的最先进的NETD数值实在30mK~100mK之间^[10,6]，这个值也显示它的可竞争性。

2.6 动态范围

ROIC的动态范围要求是通过将需要检测的最小相对电阻变化所发生的测辐射热电阻的最大相对变化。由于场景温度变化(T)引起了测辐射热计相对电阻()改变可以用公式(5)和(6)化简来的如下公式估计：

对于100K场景中所需的相对温度动态范围，可以从(8)估计由信号引起的最大相对电阻变化~1.6％，参数值从表1得到。 电阻的这种变化比自加热和最初所述的测辐射热计静态失配低一个数量级。 这些都加起来相对阻力变化~47.6％。

类似地，可以估计对应于26mK的NETD的系统噪声电平，以产生~4.2ppm的相对电阻变化。将该值与信号的47.6％相关，自发和失配产生~113,000或101 dB的动态范围。 虽然理想的无噪声17位ADC将产生所需的动态范围，但实际上需要额外的分辨率来抑制量化噪声，足以使大部分噪声来自放大器和偏置源。 18位或更高的这种高动态范围非常困难在具有足够高吞吐量的ADC中实现，同时保持对并行读出所需的信号源进行时间复用的能力。

2.7 闪烁噪声

由于红外信号缓慢变化和眼睛对空间噪声的敏感性，在设计ROIC时，必须考虑和最小化低频闪烁噪声，无论是在测辐射热计的偏置和模拟读出通道本身。ROIC中的过大的闪烁噪声将作为垂直或水平线显示在图像中，具体取决于其起始位置，并会降低图像的视觉质量。 仿真表明，与热噪声相比，需要闪烁噪声拐角频率为~40 Hz，使闪烁噪声的

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