第三代红外焦平面探测器读出电路

第３７卷第２期　２０１５年２月　红外技术　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　、，０１．３７　ＮＯ．２　Ｆｅｂ．２０ｌ５　＜综述与评论＞　第三代红外焦平面探测器读出电路　白丕绩，姚立斌　（昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）　摘要：对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测　器的概念，像素达到百万级，热灵敏度ＮＥＴＤ达到１　ｍＫ量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器　的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到１０００　Ｍｅ一以上的电荷处理能力和１００　ｄＢ左右的动态范围　（ＤｖｎａｍｉｃＲａｎｇｅ）才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术，以期　突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制，使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的　第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。　关键词：第三代红外焦平面探测器；高温度分辨率；高动态范围；数字积分技术；像素级ＡＤＣ数字读　出电路　中图分类号：ＴＮ２１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１．８８９１（２０１５）０２—００８９－０８　Ｒｅａｄ　Ｏｕｔ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　Ｔｈｉｒｄ—Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｆｏｃａｌ　Ｐｌａｎｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ＢＡＩ　Ｐｉ＿ｊｉ，ＹＡＯ　Ｌｉ－ｂｉｎ　（Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５０２２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｖｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｌｌｓ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ（ＩＲＦＰＡ）．Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｏｌｅｄ　ＩＲＦＰＡ　ｉｓ　ｍｉｌｌｉｏｎ—ｐｉｘｅｌ　ａｒｒａｙ　ａｎｄ　ａｒｏｕｎｄ　ｌｍＫ　ＮＥＴＤ．Ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ＩＲＦＰＡ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅａｄｏｕｔ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ（ＲＯＩＣ）．Ｉｆ　ｔｈｅ　ＲＯＩＣ　ｃａｎ’ｔ　ｈａｎｄｌｅ　１　０００　Ｍｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ａｂｏｕｔ　１　００　ｄＢ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ，ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ＩＲＦＰＡ．Ｔｈｅ　ｉｎ—ｐｉｘｅｌ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｂｒｅａｋ　ｔｈｅ　ｂａｒｒｉｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｎａｌｏｇ　ＲＯＩＣ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｏｌｅｄ　ＩＲＦＰＡ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｓｐａｔｉａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｆｌａｍｅ　ｒａｔｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｒｄ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ，ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ，　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｄｉｇｉｔａｌ　ＲＯＩＣ　ｗｉｔｈ　ｐｉｘｅｌ—ｌｅｖｅｌ　ＡＤＣ　Ｏ　引言　红外探测器用于对目标的红外热辐射信息进行　探测和传输。第一代红外探测器采用多元器件和室　数量是非常有限的，一般不超过２００元，因此第一　代红外探测器必须搭配复杂的光机扫描装置才能实　现对目标辐射的红外成像。在有限的帧周期内，要　用有限的像元完成一幅目标图像的扫描，导致每个　目标图像像素在探测器像元上的驻留时间非常有限，　因此探测器像元接收的目标辐射能量受限，使得红　温条件下的前置放大器（简称前放），因此每一个像　元都有一根独立的信号传输线穿过制冷的真空杜瓦　壁，到达由分立电子元件构成的前放，进行红外光　外探测器输出信号的信噪比（Ｓｉｇｎａｌ　Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ，　ＳＮＲ）和红外成像系统的作用距离都十分有限，这　也使得第一代红外探测器主要作为战术性运用。因　敏信号的预处理。在给定光学视场中，由于前放和　信号传输线数量的限制，第一代红外探测器的像元　收稿日期：２０１５－０１．０６：修订日期：２０１５－０１．１０　作者简介：白丕绩（１９７６一），男，云南祥云人，高工，博士生，主要研究方向为红外探测及信号读出，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｉｂａｉ＠１２６．ｃｏｍ。　通讯作者：姚立斌（１９６８一），男，云南石屏人，研究员，博士，博士生导师，主要研究方向为混合信号集成电路设计，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｂｉｎ．ｙａｏ＠ｉｅｅｅ．ｏｒｇ。　基金项目：国防预研基金。　８９　第３７卷第２期　２０１５年２月　Ｖｌｏ１．３７　ＮＯ．２　白丕绩等：第三代红外焦平面探测器读出电路　Ｆｅｂ．２０１５　１　第三代红外焦平面探测器　１９９９年，Ｄｏｎａｌｄ　Ｒｅａｇｏ等人提出以红外探测器　芯片来解决上述电荷存储量和动态范围限制问题。　２红外辐射波段选择　２．１红外大气窗口　图３展示了红外辐射在大气中的典型传输＿６Ｊ，　当只考虑大气的Ｈ２０和ＣＯ２分子吸收时，大气在近　红外（０．７８～１．０　ｒｔｍ）、短波红外（１．０～２．５　ｒｔｍ）、　及后续信号处理为技术特征的第三代红外探测器的　概念　Ｊ，包含以下内容：　１）高性能、多波段的制冷型红外焦平面探测器；　２）大规模非制冷红外焦平面探测器；　３）高性价比的微型非制冷红外焦平面探测器。　其中，对高性能制冷型焦平面探测器，提出要进　一中波红外（３～５　ｕｍ）、长波红外（８～１４　ｒｔｍ）和甚　长波红外（１５￣２０　ｌａｍ）有５个红外“透射窗口”。　一步提高探测距离和识别能力，具体技术指标如下：　１）工作波段：≥２；　般说来，波长越长，透射能力越好，因此工作在　长波波段可获得室温附近目标最多的辐射能量。　２．２红外辐射波段选择　辐射能是指以电磁波形式发射、传输或接收的　能量（单位为Ｊ）。根据普朗克辐射公式，当黑体温　度从２２０　１２００　Ｋ变化时，黑体辐射出射度与波长　关系如图４所示　Ｊ。随温度升高，黑体辐射的峰值　２）阵列规模：≥ｌｋ￣ｌｋ：　３）ＮＥＴＤ（噪声等效温差）：≤ｌ　ｍＫ；　４）电荷存储能力：≥１０　ｅ一；　５）帧频：＞￣４８０　Ｈｚ；　６）读出电路：具备片上模数转换器及片上非均　匀性校正功能。　波长从长波向短波方向移动，符合维恩位移定律；　２０００年，Ｐａｕｌ　Ｎｏｒｔｏｎ和Ｄｏｎａｌｄ　Ｒｅａｇｏ等人分　析了发展第三代红外焦平面探测器将面临的挑战ｌ４Ｊ，　认为高性能制冷型红外焦平面探测器的发展目标是　具有更高的探测灵敏度，提到了动态范围等具体技　术指标：　而且各个波长的光谱辐射出射度也随之增加，辐射　中包含的短波成分也随之增加。　表Ｉ比较了２２０　Ｋ（一５３℃）、３００　Ｋ（２７℃）、　６２２Ｋ（３４９℃）、９２９Ｋ（６５６℃）、１２８６Ｋ（１０１３℃）　黑体在长波（８～１４　ｒｔｍ）、中波（３～５　ｒｔｍ）、短波　（１～２．５　ｒｔｍ）等波段的红外热辐射光子数。一般来　说，波长越长，透射能力越好；而且长波红外的透　射波段范围最宽（△　＝６　ｒｔｍ）。因此长波波段的目　标辐射信号较强，当电荷存储量足够时，可有效降　１）ＮＥＴＤ（噪声等效温差）：≤１　ｍＫ；　２）动态范围：≥９５ｄＢ。　要提高探测器的探测距离和识别能力，从探测　器技术上，必须从提高焦平面器件规模（即提高空　间分辨率）和提高焦平面器件的热灵敏度（即降低　ＮＥＴＤ）两方面发展。提高探测灵敏度的关键在于　选择红外辐射较强的波段，以及提高读出电路的电　荷存储量和动态范　引。论文将围绕上述几点展开　讨论，然后提出在像素内进行数字积分技术，以及　集成了像素级模数转换器（ＡＤＣ）的数字读出电路　低探测器温度分辨限，有利于远距离、高速目标探　测的应用需求。　因此，对于军用高性能制冷型红外热成像探测　器的发展趋势，将红外探测波段扩展到充满整个长　波大气窗口，即８～１４　ｕｍ波段的红外热成像探测　是第三代红外探测器发展的一个重要方向。　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｇｍ　图３　红外辐射在大气中的传输　Ｆｉｇ＿３　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　９１　第３７卷第２期　２０１５年２月　红外技术　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｌ０ｌ－３７　Ｎ０．２　Ｆｅｂ．　２０１５　量（～１０　Ｍｅ）的约１／２００。　从图６可见，无论探测器采用３～５ｇｍ的中波　即使采用更先进的加工工艺，可以得到更大的　单位面积积分电容，但电源电压随之下降，无法显　著地提高积分电荷存储量；Ｓ．Ｈｏｒｎ等人提出采用多　层读出电路垂直叠加的加工工艺方案＿Ｉ…，也只能实　现积分电容２～３倍的增长，无法实现积分电容１～　２个数量级的增长，亦不能满足ＮＥＴＤ为１　ｍＫ的　波段，还是采用８～１４　ｇｍ的长波波段。要达到　ＮＥＴＤ为１　ｍＫ的温度分辨率，必须保证１００ｄＢ左　右的动态范围。目前的ＲＯＩＣ的工作电压为３＿３　Ｖ　或５　Ｖ，如果按照探测器组件系统噪声为０＿３　ｍＶ或　０．５　ｍＶ左右估计，即使最大输出电压摆幅（ｓＲ）达　到３　ｖ，动态范围也只能达到８０　ｄＢ，无法满足ＮＥＴＤ　红外焦平面探测器所需积分电荷量要求。　为１　ｍＫ的第三代中波红外焦平面探测器所需动态　范围（９６　ｄＢ）要求，更无法满足ＮＥＴＤ为１　ｍＫ的　第三代长波红外焦平面探测器所需动态范围（１０２　ｄＢ）要求。　４动态范围限制　对应于ＮＥＴＤ为１　ｍＫ的温度分辨率，另一个　限制探测器灵敏度提高的关键制约因素是动态范围。　探测器的ＮＥＴＤ与信噪比（ＳＮＲ）的关系如式（３）　所示『８．９］：　ＢＴ２Ｎ　ＮＥＴＤ：—Ｋ－Ｎ　５数字积分技术　面对上述的高电荷存储量和高动态范围要求，　传统读出电路的“模拟积分技术”已经根本无法满　足，更为现实的途径是采用“数字积分技术”的方　法完成积分信号在数字域的累加【１１－１２］。　１，Ｍ　（３）　式中：ⅣＳ为探测器产生的信号电子数，Ｎｓ—ＰＢ９ｉ＇ｚｉ　ｔ／ｅ；　为探测器产生的噪声电子数，ⅣｌＮ＝ｉｎｒｉｎｔ／ｅ。　如图７所示，一个由脉冲频率调制器（ＰＦＭ）　和计数器构成的数字积分器。光伏探测器像素通过　铟柱与读出电路输入级相连接，由探测器像素通过　以表２主要技术指标为例，根据公式（３）的　ＮＥＴＤ与动态范围的关系，假设光学效率为８０％，　探测器量子效率为８０％，对应于３００Ｋ的目标，当　积分时间为１２．３２ｍｓ时，采用３～５　ｇｍ的中波波段　直接注入（ＤＩ）管（ＭＯＳ场效应管Ｍ　）将积分电　容ｃｉ　上存储的电荷泄放。根据探测器光电流大小，　一个帧积分周期　可由　（１≤船≤Ｎ，Ｎ为计数器位　和采用８～１４　ｇｍ的长波波段对目标进行探测，探　测器的动态范围与ＮＥＴＤ的关系如图６所示。　数）个子帧周期　ｕｂ组成。在一个　ｂ内，一旦积　分电容上的电压达到比较器的参考电压　。ｆ，触发　不同探测波段的动态范围与ＮＥＴＤ的关系　图６　目标温度为３００Ｋ时不同探测波段的探测器动态范围与ＮＥＴＤ的关系　Ｆｉｇ．６　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ　ａｎｄ　ＮＥＴＤ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｂａｎｄｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３００　Ｋ　ｔａｒｇｅｔ