[发明专利]短波红外探测器阵列读出电路适用的CTIA结构输入级

说明书

技术领域

本发明涉及混合信号集成电路技术，具体涉及一种短波红外探测器阵列读出电路适用的CTIA结构输入级，它用于短波红外探测器阵列（Infrared Focus Plane Array-IRFPA）系统中的具有光电弱信号功能的高帧频读出集成电路，可实现短波红外探测器的弱光响应信号的积分、采样、放大和输出。

背景技术

红外探测器阵列是红外成像系统中的核心器件。红外探测器阵列一般由两部分组成：红外探测器阵列和读出电路。红外探测器在接收到入射的红外辐射后，产生一个与入射红外辐射性能相关的光电流，传输给对应的读出电路单元。传统读出电路将对这些电信号进行积分、放大、采样和保持，再通过输出缓冲和多路传输系统最终以模拟信号形式读出，由后端电子学系统形成图像。

高性能的短波红外探测器有像元面阵大、单元面积小、光电流信号微弱、输出帧频高等特点。大面阵对信号在公共线上传输的损失敏感；单元面积较小限制了单元结构的复杂度；探测器光电流信号较小（0.1-1pA量级），本身的积分采集困难；高帧频应用积分时间受限使采样电容上的饱和电荷量偏小；由于信号小，噪声引入的非线性度会很大；在高帧频工作状态下，小信号得到的数据在传输过程中损失会相对很大。

常规的红外探测器读出电路一般分为单元、列公用、公共输出级三个部分。单元结构中有CTIA、BDI、DI等常用输入级结构可供选择。列公用一般是一级采样电路由一列单元结构公用，公共输出级一般采用源级跟随器作为输出的驱动为一行列公用结构共用。常规的CTIA结构输入级在注入效率、噪声的性能都很好，但现有的结构复杂，在有限面积内很难实现。一般的列公用结构很难达到在动态范围、噪声抑制方面的要求。普通的源级跟随器的输出级也不能满足帧频。

发明内容

本发明提供一种短波红外探测器阵列读出电路适用的CTIA结构输入级，它是一种短波红外探测器阵列系统中的具有采集弱信号功能的高帧频读出集成电路，它对短波红外探测器的弱光电信号积分、采样、放大后输出，进一步增强短波红外探测器读出电路的信号处理能力，以推动其在大面阵、高分辨率、多光谱方向的发展。本发明解决的问题主要是：弱信号的高效率采集；低频噪声的抑制；输出动态范围扩大；读出电路工作帧频的提高。

本发明的目的是通过下述技术途径实现的：

本发明采用标准CSMC-6S05DPTM0.5um CMOS集成电路工艺，在EDA（Electronic Design Automation电子设计自动化）设计平台中搭建电路，主要实现对探测器光电信号的积分，相关双采样，电荷摆幅放大和输出。模拟结构的每级节点都考虑到公共导线的寄生电容，做了足够的缓冲级保证驱动。在列公用模块中采用CDS相关双采样消除读出电路中比较严重的低频噪声。在列公用模块中采用电荷放大器，可以将积分后的信号线性放大后给最终输出。采用合适的缓冲buffer结构减小传输中的损失。输出级采用互补型的对称运放结构提高输出时上推和下拉能力。

本发明有两点创新：1.改良了常用的CTIA结构，设计了电流源负载的共源共栅结构运放替代了常用的面积过大的套筒式运放。既可以保证单元结构中输入级的注入效率等关键性能又能克服原有结构面积过大的缺点。2.对读出电路的信号链路进行了设计，在单元结构中采用1中所述的CTIA结构输入级，在列公用模块中配置了相关双采样结构和列电荷放大结构分别解决噪声和动态范围问题，公共输出级结构采用互补型输出结构以提高输出帧频。

技术方案：

1）读出电路前置放大电路采用电容跨阻抗放大器（CTIA），该电路模块负责将探测器光电流信号读入电路并积分放大为电压信号。然后缓冲、放大，配合片内的逻辑电路将像元积分得到的电压信号按一定的次序通过复用的模拟总线读出以提供给模数转换电路。CTIA结构有很高的注入效率，积分电容由密勒效应等效为输入端一个很大的电容，从而可以分流得到绝大多数的信号电流，注入效率高于90%。由于面积的限制，该设计中的CTIA结构不能采用套筒式或者折叠式这么复杂的多管结构，电流源负载的共源共栅结构运放既能提供足够的增益又比较节省面积。很好的满足了设计要求。