摘要：為了提高紅外焦平面檢測(cè)目標(biāo)的靈敏度，目標(biāo)輻射產(chǎn)生的載流子應(yīng)盡可能長(zhǎng)時(shí)間保持，同時(shí)應(yīng)盡可能減少熱激發(fā)和背景輻射激發(fā)的比例。高背景條件下長(zhǎng)波紅外讀出電路的積分電容較快飽和，且長(zhǎng)波紅外探測(cè)器暗電流的非均勻性會(huì)影響焦平面的固定圖形噪聲。基于共模背景抑制結(jié)構(gòu)以及長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器暗電流分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有非均勻性矯正的背景抑制電路。傳統(tǒng)的背景抑制電路采用單一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模塊的高精度背景記憶一般在小范圍區(qū)間內(nèi)。本文背景抑制結(jié)構(gòu)采用共模背景抑制與差模背景抑制相結(jié)合，可以在較大的背景噪聲范圍內(nèi)有效地降低固定圖形噪聲以及增大動(dòng)態(tài)范圍。該背景抑制結(jié)構(gòu)***抑制采用電壓-電流轉(zhuǎn)換法，差模背景抑制采用電流存儲(chǔ)型背景抑制結(jié)構(gòu)。差模背景抑制通過(guò)背景記憶時(shí)信號(hào)放大，背景抑制時(shí)信號(hào)縮小來(lái)提高背景抑制精度。電路采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流片。測(cè)試結(jié)果表明：讀出電路的FPN值為2.08 mV。未開(kāi)啟背景抑制時(shí)，焦平面FPN值為48.25 mV。開(kāi)啟背景抑制后，焦平面FPN值降至5.8 mV?；谔綔y(cè)器的暗電流非均勻分布，計(jì)算其理論FPN值為40.9 mV。長(zhǎng)波紅外焦平面輸出信號(hào)的RMS噪聲在0.6 mV左右。

0引言

碲鎘汞（Hg1?xCdxTe，MCT）材料由于寬光譜內(nèi)連續(xù)帶隙可調(diào)、高吸收系數(shù)、高載流子遷移率以及長(zhǎng)的載流子壽命特性，在紅外探測(cè)器的發(fā)展中起到重要的作用。MCT紅外探測(cè)器的暗電流會(huì)增大器件噪聲（包含散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲和光子噪聲）以及降低焦平面的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于長(zhǎng)波探測(cè)器工作環(huán)境背景輻射高，其背景電流可能大于信號(hào)電流。高背景電流以及暗電流會(huì)使讀出電路中積分電容很快飽和，從而降低其信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）和動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）。通過(guò)降低探測(cè)器的暗電流可以減小讀出電路所需的積分電容，提高紅外焦平面中的探測(cè)器的靈敏度。對(duì)于大規(guī)模紅外焦平面，很難通過(guò)在有限的單元電路面積內(nèi)增大積分電容來(lái)延長(zhǎng)積分時(shí)間。在讀出電路中，可以通過(guò)加入背景抑制模塊來(lái)降低探測(cè)器的暗電流以及背景電流，從而起到延長(zhǎng)積分時(shí)間來(lái)提高焦平面的信噪比。背景抑制模塊可以通過(guò)減小注入電流來(lái)延長(zhǎng)積分時(shí)間，提高信噪比。

背景抑制結(jié)構(gòu)主要有電壓?電流轉(zhuǎn)換法、電流存儲(chǔ)型的背景抑制結(jié)構(gòu)以及基于DAC的自適應(yīng)背景抑制結(jié)構(gòu)。電壓?電流轉(zhuǎn)換法適用于共模背景信號(hào)抑制，背景抑制精度較低。電流存儲(chǔ)型的背景抑制結(jié)構(gòu)適用于差模背景抑制，對(duì)于大的背景電流記憶精度高。DAC的自適應(yīng)背景抑制精度高，通過(guò)降低讀出電路幀率來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)差模背景抑制，且記憶效率低。

在長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的暗電流分析的基礎(chǔ)上，文中基于電壓?電流轉(zhuǎn)換法以及電流存儲(chǔ)型的背景抑制結(jié)構(gòu)，通過(guò)背景信號(hào)放大?縮小原理設(shè)計(jì)了16元的具有背景抑制功能的長(zhǎng)波讀出電路。背景抑制結(jié)構(gòu)采用共模背景抑制與差模背景抑制相結(jié)合，提高對(duì)暗電流以及背景電流抑制的精度。在80 K的低溫下對(duì)該背景抑制模塊進(jìn)行測(cè)試分析。

1長(zhǎng)波MCT紅外探測(cè)器暗電流測(cè)試分析

文中首先對(duì)8~12 μm的MCT長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的暗電流在80 K溫度下進(jìn)行測(cè)試分析，以確定讀出電路中背景抑制的范圍。圖1 (a)為I-V測(cè)試系統(tǒng)，其中源表采用Keithley6430，其電流測(cè)試精度可以達(dá)到fA量級(jí)。在測(cè)試時(shí)，需將器件封裝于高真空的杜瓦瓶?jī)?nèi)，通過(guò)液氮實(shí)現(xiàn)80 K低溫I-V測(cè)試。圖1 (b)為長(zhǎng)波探測(cè)器暗電流的I-V以及R-V曲線，在偏壓為?50mV時(shí)其暗電流為在61 nA左右，電阻大于100 MΩ。圖1 (c)為長(zhǎng)波探測(cè)器在室溫時(shí)光電流的I-V以及R-V曲線，未加冷屏，在偏壓為?50 mV時(shí)其電流在150 nA左右，電阻在100 MΩ，在焦平面測(cè)試其值可以作為參考。

由于暗電流的非均勻性會(huì)帶來(lái)較大FPN值，文中對(duì)4種MCT長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的暗電流在?50mV偏壓下分別取10個(gè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示。在偏壓為?50 mV附近，4種探測(cè)器的暗電流方差在1.22~25 nA范圍波動(dòng)，非均勻性在2%~16%范圍內(nèi)，非均勻性平均值在8%左右。探測(cè)器的暗電流在70~500 nA范圍?；贛CT長(zhǎng)波探測(cè)器的暗電流水平以及背景電流的考慮，背景抑制水平設(shè)定在0~1 μA范圍內(nèi)。

圖1 長(zhǎng)波MCT紅外探測(cè)器暗電流測(cè)試

圖2 長(zhǎng)波探測(cè)器暗電流非均勻性分析

探測(cè)器暗電流的非均勻性可以通過(guò)差模背景抑制來(lái)降低對(duì)焦平面性能的影響?；谔綔y(cè)器暗電流的非均勻性，結(jié)合讀出電路特性分析暗電流非均勻性對(duì)64×64長(zhǎng)波紅外焦平面的影響，如圖3所示。當(dāng)器件的暗電流為100 nA時(shí)，暗電流的均方差為8 nA。讀出電路的積分電容為2 pF，積分時(shí)間為10 μs。在暗背景下只有暗電流進(jìn)行積分，其積分電壓分布如圖3(a)所示，電壓在0.35~0.65 V范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)信號(hào)電流為500 nA時(shí)，從圖3(b)可知：由于信號(hào)電流和暗電流相差不大，這時(shí)暗電流的非均勻性會(huì)導(dǎo)致焦平面的FPN值較大，同時(shí)積分電壓較大容易達(dá)到飽和值，積分電壓為2.85~3.1 V。通過(guò)前面暗電流的測(cè)試分析，文中擬設(shè)計(jì)背景抑制范圍為0~1 μA，且能夠?qū)崿F(xiàn)差模背景抑制從而降低暗電流的非均勻性。

圖3 64×64長(zhǎng)波紅外焦平面非均勻性擬合

2讀出電路結(jié)構(gòu)仿真分析

文中所設(shè)計(jì)的讀出電路單元以及背景抑制模塊如圖4所示。讀出電路單元包含輸入級(jí)CMI結(jié)構(gòu)、電壓?電流轉(zhuǎn)換法背景抑制模塊VIBDS以及電流存儲(chǔ)型背景抑制模塊CMBDS，如圖4(a)所示。電流存儲(chǔ)型背景抑制結(jié)構(gòu)具有對(duì)大的背景電流記憶精度高的特點(diǎn)。背景抑制先通過(guò)VIBDS模塊實(shí)現(xiàn)共模背景抑制，然后將差模背景電流通過(guò)輸入級(jí)CMI結(jié)構(gòu)放大5倍，通過(guò)CMBDS模塊進(jìn)行差模背景電流記憶。在信號(hào)積分階段，將CMBDS記憶的差模背景電流通過(guò)電流鏡縮小5倍再進(jìn)行差模背景抑制。圖4(a)中CM_x0.2為實(shí)現(xiàn)電流縮小5倍的電流鏡模塊，采用共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)。圖4(a)中積分電容C1為3 pF，采樣電容C2為300 fF。

圖4(b)為輸入級(jí)自偏置CMI結(jié)構(gòu)，M1以及M2構(gòu)成電壓?電流轉(zhuǎn)換法背景抑制電路即補(bǔ)償電流源，實(shí)現(xiàn)共模背景信號(hào)抑制。補(bǔ)償電流源采用自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其輸出阻抗的表達(dá)式為：

式中：Isub為補(bǔ)償電流；K1、K2為MOS管M1、M2的尺寸系數(shù)；Nch為溝道摻雜系數(shù)。從該公式可知大的溝道長(zhǎng)度，可以提高其輸出阻抗來(lái)增大輸出的線性度。自級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)采用大的寬長(zhǎng)比PMOS管可以降低1/f噪聲對(duì)補(bǔ)償電流的影響。該補(bǔ)償電流源結(jié)構(gòu)位于CMI的輸入端，通過(guò)CMI反饋結(jié)構(gòu)可以提高M(jìn)2漏極電壓的穩(wěn)定性，從而減小補(bǔ)償電流的抖動(dòng)，提高背景抑制的穩(wěn)定性。VIBDS可以基于探測(cè)器暗電流水平，通過(guò)其輸出特性進(jìn)行手動(dòng)粗調(diào)。該模塊背景抑制后存在欠補(bǔ)償，再通過(guò)CMBDS背景抑制模塊進(jìn)行修正。CMI結(jié)構(gòu)中Output1為電流放大五倍輸出端，用于差模背景信號(hào)記憶。Output2為電流不做縮放的輸出端，用于信號(hào)積分。CMI結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖4(c)所示，其中e2n_eq為單元噪聲的等效輸入功率。MOS管的噪聲主要為熱噪聲以及閃爍噪聲，其等效電壓源可以表示為：

式中：γ、N為工藝相關(guān)常數(shù)；RD是MOS管的等效負(fù)載電阻。因此CMI的等效輸入噪聲可以表示為：

式中：e2n_n1~e2n_n2、e2n_p1~e2n_p4分別為圖4(c)中相應(yīng)MOS管的等效噪聲電壓源；gMn1、gMp1為Mn1以及Mp1的跨導(dǎo)。在單元面積的允許條件下，采用大尺寸的MOS管可以減小噪聲的影響。

圖4 讀出電路單元及輸入級(jí)結(jié)構(gòu)

兩步減背景抑制結(jié)構(gòu)在共模背景抑制的基礎(chǔ)上再進(jìn)行差模背景信號(hào)抑制，減小由于探測(cè)器暗電流非均勻所引起的空間噪聲。電流存儲(chǔ)型背景抑制結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由記憶管Mb，三個(gè)記憶電容以及相應(yīng)的開(kāi)關(guān)構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)的工作原理即在背景電流記憶階段Ф、Ф1、Ф2、Vb為高電平，其對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。三個(gè)環(huán)狀記憶電容是用于穩(wěn)定記憶管Mn6的柵壓。當(dāng)其中一個(gè)記憶電容受到噪聲干擾時(shí)其存儲(chǔ)的電荷數(shù)發(fā)生變化，另外兩個(gè)記憶電容可以起到鉗位作用。同時(shí)3 個(gè)環(huán)狀記憶管可以降低由于開(kāi)關(guān)信號(hào)Ф1以及Ф2引起的時(shí)鐘饋通效應(yīng)所產(chǎn)生的干擾電壓。該干擾電壓ΔV1會(huì)改變記憶電容中的電荷數(shù)量，導(dǎo)致存儲(chǔ)的記憶電流產(chǎn)生誤差：

圖5 電流存儲(chǔ)型背景抑制結(jié)構(gòu)

通過(guò)3個(gè)環(huán)狀記憶電容可以使得ΔV1降低到原來(lái)的CM2/(CM1+CM2)，其中CM0=CM1且CM2

式中：WN、WP以及Cov,N、Cov,P為NMOS以及PMOS的溝道寬度以及單位交疊電容；Cs為記憶電容。對(duì)于CMOS開(kāi)關(guān)，溝道電荷注入所引入的誤差可以表示為：

通過(guò)調(diào)整CMOS開(kāi)關(guān)的寬長(zhǎng)比可以降低時(shí)鐘饋通效應(yīng)以及溝道電荷注入效應(yīng)對(duì)記憶管柵壓的影響。

讀出電路使用TSMC 0.18 μm 1P6M 5 V工藝。圖6為兩種背景抑制結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。圖6(a)為補(bǔ)償電流源的輸出曲線，其輸出范圍為0~1 μA。在0~2.5 V，其輸出具有良好的線性度，精度可以達(dá)到3.35 nA/10 mV。16元具有背景抑制功能的長(zhǎng)波讀出電路中共用一個(gè)補(bǔ)償電流源的偏置，實(shí)現(xiàn)共模背景信號(hào)抑制。圖6(b)為電流存儲(chǔ)型背景抑制精度。當(dāng)記憶的電流大于0.7 μA時(shí)，背景記憶的絕對(duì)誤差在1%范圍內(nèi)。由于MOS管的輸出特性，小偏壓下電壓穩(wěn)定性對(duì)電流影響較大。CMBDS對(duì)于背景電流記憶精度與其記憶電壓的穩(wěn)定性以及記憶電容的漏電流有關(guān)，小偏壓下記憶電壓波動(dòng)對(duì)記憶的電流影響較大。因此通過(guò)將差模背景信號(hào)放大5倍存儲(chǔ)于電流存儲(chǔ)型背景抑制電路，然后在讀出模式時(shí)再將記憶的差模背景電流縮小5倍，可以提高小背景電流的記憶精度從而增大背景抑制精度。

圖6 背景抑制仿真結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的16元線列的讀出電路，單個(gè)像元面積為100 μm×100 μm，其中差模背景抑制的面積為50 μm×65 μm，共模背景抑制的面積為5 μm×10 μm。由于該讀出電路所采用的工藝其電容率較低，因此，單個(gè)像元面積較大。通過(guò)采用較大的電容率電容工藝可以降低該讀出電路的像元尺寸。對(duì)于小像元的面陣讀出電路，可以通過(guò)共享的方式實(shí)現(xiàn)該方案。讀出電路的整體仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)為仿真的控制時(shí)序，圖7(b)為各級(jí)輸出線性圖。仿真中主頻時(shí)鐘為1 MHz，電源電壓為5 V，探測(cè)器暗電流以及背景電流設(shè)置為100 nA，有效光電流選取0.02~1.8 μA。探測(cè)器模型選取長(zhǎng)波探測(cè)器，其結(jié)電阻為1 MΩ，結(jié)電容為1 pF。Vint為積分電壓，Vsamp為采樣電壓，Vsf為源隨輸出，Vout為最后buff單位增益緩沖器的輸出電壓。各級(jí)的輸出線性度均大于99.9%，輸出擺幅為2.1 V。模擬模塊的電流約為2.282 mA，數(shù)字電流約為2.612 5 nA。因此，全電路的功耗約為13.41 mW。

圖7 讀出電路仿真

圖8 芯片測(cè)試系統(tǒng)圖

3讀出電路測(cè)試分析

芯片采用QFP64封裝，如圖8(a)所示。將芯片和探測(cè)器放置杜瓦內(nèi)，在低溫液氮環(huán)境下測(cè)試。探測(cè)器通過(guò)鍵壓的方式與芯片間接互連。探測(cè)器的暗電流如圖1 (b)所示。電路測(cè)試系統(tǒng)如圖8(b)所示。采集系統(tǒng)采用NI PXIe-1062Q，其中NI PXI-6552板卡提供時(shí)鐘信號(hào)，NI PXIe-5122板卡采集所需的信號(hào)數(shù)據(jù)。

首先對(duì)背景抑制結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，采用源表Keithley 6430來(lái)測(cè)試在不同偏壓下的電壓?電流背景抑制結(jié)構(gòu)的輸出特性，如圖9(a)、(b)所示。圖9(a)為常溫下補(bǔ)償電流的輸出曲線，圖9(b)為80 K時(shí)的補(bǔ)償電流的輸出曲線。常溫下補(bǔ)償電流的輸出范圍為0~1.1 μA范圍內(nèi)，與仿真結(jié)果一致。在0~2 V范圍內(nèi)具有良好線性度，通過(guò)擬合其線性度為99.7%。測(cè)試溫度為80 K時(shí)，補(bǔ)償電流的輸出范圍為0~2.3 μA。在0~2 V范圍內(nèi)擬合度為99.91%。當(dāng)背景電流較小即不在補(bǔ)償電流的線性范圍內(nèi)，通過(guò)往小的電流范圍進(jìn)行粗調(diào)整，再通過(guò)CMBDS模塊對(duì)其殘差的背景電流進(jìn)行自適應(yīng)的記憶和抑制。低溫下電路的噪聲較低且載流子遷移率相對(duì)增大，使得其輸出范圍以及線性度相對(duì)于常溫下有著較大的提高。

圖9(c)、(d)為電流存儲(chǔ)型背景抑制的記憶精度測(cè)試圖，測(cè)試溫度為80 K。圖9(c)為通過(guò)Keithley6430輸入電流的方式進(jìn)行記憶精度的誤差分析，以有效信號(hào)電流20 nA的積分電壓作為參考。記憶20 nA時(shí)的背景電流，對(duì)40 nA的信號(hào)電流進(jìn)行積分即通過(guò)背景抑制有效積分電流為20 nA。當(dāng)信號(hào)電流為60 nA時(shí)，其背景電流設(shè)置為40 nA，以此類推進(jìn)行精度測(cè)試。從圖9(c)可以看出隨著記憶的電流增大，背景記憶的精度逐漸提高，與仿真結(jié)果一致。差模背景抑制通過(guò)背景記憶時(shí)信號(hào)放大，背景抑制時(shí)信號(hào)縮小來(lái)提高背景抑制精度。當(dāng)記憶電流大于130 nA時(shí)，其記憶的誤差小于1%。圖9(d)為讀出電路與探測(cè)器耦合后以溫差為15 ℃的響應(yīng)電壓作為參考。記憶溫度為20 ℃時(shí)的背景電流，對(duì)黑體為35 ℃的信號(hào)電流進(jìn)行積分，以此類推。從圖9(d)可以看出隨著黑體輻射的溫度越高，信號(hào)電流越大，背景記憶的精度逐漸提高。

基于國(guó)標(biāo)紅外焦平面陣列參數(shù)測(cè)試方法，對(duì)長(zhǎng)波紅外焦平面進(jìn)行測(cè)試。圖10為焦平面的測(cè)試結(jié)果，首先測(cè)試了黑體溫度為20 ℃時(shí)電路輸出信號(hào)與積分時(shí)間的關(guān)系，如圖10(a)所示。在輸出線性范圍內(nèi)線性度大于99.9%。長(zhǎng)波紅外焦平面功耗為27.36 mW。開(kāi)啟背景抑制后其功耗約為28 mW，基于其功耗的差值可以計(jì)算出單元背景抑制功耗約為40 μW。對(duì)于長(zhǎng)波紅外探測(cè)器其暗電流水平在幾百納安范圍內(nèi)，因此，共模背景抑制模塊的補(bǔ)償電流可以設(shè)置為1 μA范圍內(nèi)。差模背景抑制功耗較大，主要是由于電流鏡放大以及縮小模塊導(dǎo)致。在大面陣應(yīng)用中，通過(guò)降低對(duì)CMBDS的電流鏡放大倍數(shù)、采用CMBDS共享模式以及限制VIBDS的輸出范圍來(lái)降低其背景抑制模塊的總功耗。圖10(b)為焦平面所有像元的響應(yīng)圖，像元平均響應(yīng)率為1.48×107 V/W，積分間為100 μs。未開(kāi)啟背景抑制時(shí)，焦平面FPN值為48.25 mV，RMS噪聲為0.597 mV。開(kāi)啟背景抑制后，其FPN值下降為5.8 mV，RMS噪聲上升為0.681mV。讀出電路未耦合探測(cè)器時(shí)，其FPN值為2.08 mV，RMS噪聲為0.235 mV。圖2(d)為所用長(zhǎng)波探測(cè)器的暗電流非均勻分布，其均方差為1.227 nA。當(dāng)積分時(shí)間為100 μs時(shí)，通過(guò)該值計(jì)算由暗電流非均勻性所產(chǎn)生的FPN理論值約為40.9 mV。該值與未開(kāi)啟背景抑制時(shí)的FPN噪聲差7 mV左右。電路具體參數(shù)指標(biāo)如表1所示。通過(guò)該表可以看出：開(kāi)啟背景抑制功能后，焦平面的FPN值下降，其RMS噪聲以及功耗稍微增大。

表1 測(cè)試性能參數(shù)

4結(jié)論

文中基于長(zhǎng)波碲鎘汞紅外探測(cè)器暗電流分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種16元的兩步背景抑制結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波讀出電路，通過(guò)共模背景抑制以及差模背景抑制有效的降低FPN噪聲。背景抑制可以去除信號(hào)電流中的背景電流與探測(cè)器的暗電流，從而用降低注入電流的方式來(lái)延長(zhǎng)積分時(shí)間，提高紅外焦平面的有效動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)將差模背景信號(hào)放大5倍存儲(chǔ)于電流存儲(chǔ)型背景抑制電路，然后在讀出模式時(shí)再將記憶的差模背景電流縮小5倍，提高背景抑制精度。通過(guò)測(cè)試，共模背景抑制范圍0~2 μA。當(dāng)背景電流小于130 nA差模背景記憶精度小于1%。未開(kāi)啟背景抑制時(shí)，焦平面FPN值為48.25mV。開(kāi)啟背景抑制后，其FPN值下降為5.8 mV。基于探測(cè)器的暗電流非均勻分布，計(jì)算其理論FPN值為40.9 mV。該值與未開(kāi)啟背景抑制時(shí)的FPN值差7 mV左右。開(kāi)啟背景抑制功能后，焦平面的FPN值下降，其RMS噪聲以及功耗稍微增大。

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