紅外焦平面陣列用信號處理電路

摘要：介紹了紅外焦平面陣列信號處理電路的發(fā)展概況。重點(diǎn)描述了CCD多路傳輸器（CCD-MUX）、時(shí)間延遲積分CCD（TDI-CCD）、MOSFET、CMOS多路傳輸器（CMOS-MUX）的基本結(jié)構(gòu)、工作方式及應(yīng)用領(lǐng)域。最后給出了多路傳輸器件的兩種應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：多路傳輸器 紅外探測器 紅外焦平面陣列 信號處理電路

未來紅外系統(tǒng)（如熱成像系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)）中的信號探測幾乎都將建立在紅外探測器焦平面陣列的基礎(chǔ)上。利用紅外焦平面陣列（IRFPA）可簡化或取消光機(jī)掃描以改善系統(tǒng)性能。紅外焦平面陣列器件是把包含大量敏感元且需恒低溫操作的器件封裝起來的新型結(jié)構(gòu)。在這種新式結(jié)構(gòu)中，由紅外探測器（IRD）輸出的電信號的處理是在焦平面上完成的。人們通常把信號處理在探測器的同一塊襯底上進(jìn)行的方式稱為單片式IRFPA紅外處理方式，而把紅外探測器（IRD）分別制備在不同襯底上，然后進(jìn)行錮柱倒裝互連而成方式稱為混合式IRFPA。紅外探測器（IRD）有各種不同的類型，如光伏型（PV）銻化銦IRD、光導(dǎo)型（PC）、HgCdTe、PbS、PbSe、PhSnTeIRD、金屬硅化物（Pd2Si、PtSi、IrSi）二肖特基勢壘紅外探測器（SBIRD）、異質(zhì)結(jié)勢壘（SiGe/Si）內(nèi)光電發(fā)射IRD、超晶格量子阱（AlGaAs/GaAs、SiGe/Si）IRD等。同時(shí)，它們也有各種不同的信號處理電路，如SCCD、BCCD、MCCD、SCD、TDI-CCD、MOSFET開關(guān)、CMOS靜態(tài)（或準(zhǔn)靜態(tài)）移位寄存器多路傳輸器（CMOS-MUX）等。這種信號處理電路是目前單片式（CMOS-MUX）等。這些信號處理電路是目前單片式（或混合式）紅外焦平面陣列常用的紅外信號處理器件。到目前為止，作為紅外焦平面陣列用的信號處理電路都是用硅材料制作的。因?yàn)椴捎霉枰酝獾牟牧现圃旄咝阅苄盘柼幚黼娐吩诩夹g(shù)上尚有很大的困難。

為了研制性能優(yōu)良的紅外系統(tǒng)，在紅外焦平面陣列（IRFPA）的研制中，除了成熟的紅外探測器（IRD）制備工藝外，設(shè)計(jì)和研制信號處理電路是改善IRFPA性能的最關(guān)鍵因素。信號處理電路主要的設(shè)計(jì)要求是電荷存貯容量高，轉(zhuǎn)移效率高、噪聲低、功耗低，具有背景抑制和多路傳輸?shù)裙δ堋６以贗RFPA內(nèi)紅外探測器將入射光子轉(zhuǎn)換為電荷后，產(chǎn)生的信號電荷必須能夠注入到信號處理電路以便多路輸出。

下面簡要介紹幾種信號處理電路的基本結(jié)構(gòu)、工作方式以及應(yīng)用領(lǐng)域。

1 紅外焦平面陣列用信號處理電路

1.1 硅CCD多路傳輸器

硅CCD多路傳輸器（SiCCD-MUX）的電路原理如圖1所示，圖中T1、T2……，TN為輸入信號的N個(gè)抽頭。SiCCD-MUX的主要功能是在紅外熱成像系統(tǒng)中將一行若干個(gè)（16、32、64、128、256、…等）紅外探測器并行輸出信號轉(zhuǎn)換為串行輸出信號。其主要優(yōu)點(diǎn)是噪聲低、靈敏度高和工作頻率高。由于所有輸入信號都經(jīng)過一個(gè)低噪聲，高靈敏度的電荷檢測器輸出，因此輸出信號的不均勻性比較容易解決。

SiCCD-MUX不僅可以與光導(dǎo)型HgCdTe長波紅外探測器相匹配，而且也可以在先進(jìn)的第二代紅外探測系統(tǒng)中與光伏型HgCdTe紅外探測器（PVHgCdTe-IRD）相匹配[1]，由于這種匹配是采用直接注入方式，因而免去了光導(dǎo)型HgCdTe長波紅外探測系統(tǒng)對低溫前置放大器的需要。使得整個(gè)系統(tǒng)顯得更加小巧，功耗更低，同時(shí)大大減輕了致冷器的負(fù)擔(dān)，從而使長波紅外信號處理開始進(jìn)入焦平面信號處理時(shí)代。

直接注入式SiCCD-MUX可用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)跟蹤系統(tǒng)等需要很強(qiáng)抑制背景信號能力的高背景場合。因此直接注入式SiCCD-MUX的設(shè)計(jì)比光導(dǎo)系統(tǒng)中交流百合式SiCCD-MUX的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。其輸入結(jié)構(gòu)應(yīng)具有對注入電荷暈、分割、撇取和消除背景等功能。直接注入式SiCCD-MUX結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.2 時(shí)間延遲積分CCD

時(shí)間延遲積分CCD（TDI-CCD）的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它的主要功能是對各個(gè)抽頭的輸入信號（例如HgCdTe紅外探測器輸出的信號）施加不同的時(shí)間（4Tc,8Tc,…，32Tc）延遲，并在輸出端進(jìn)行同步疊加（積分）以達(dá)到提高信噪比的目的。因?yàn)榕cTDI-CCD相匹配的HgCdTe紅外探測器的輸出信號代表著同一目標(biāo)的紅外輻射的強(qiáng)弱。因此其輸出端信號在線性疊加后將按因子M增長（M代表輸入抽頭數(shù)）。而HgCdTe紅外探測器的噪聲和TDI-CCD對應(yīng)的各通道的噪聲是相關(guān)的，因此，它的輸出端將按因子M 1/2增長。這樣，輸出信噪比的增長應(yīng)為M/（M）1/2=M 1/2倍。

TDI-CCD除可在紅外熱成像系統(tǒng)中檢測微弱的紅外信號外，還可在擴(kuò)頻系統(tǒng)中作CCD相關(guān)器，以檢測信噪比小于1的信號。

TDI-CCD是一種功能電路，除可單獨(dú)使用外，還可作為混合式紅外焦平面陣列的信號處理器件。1.3 時(shí)間延遲積分CCD單元

該電路將時(shí)間延遲積分CCD（TDI-CCD）和硅CCD多路傳輸器（SiCCD-MUX）集成在一個(gè)芯片上，因此，其結(jié)構(gòu)和功能將更為復(fù)雜。在用作混合式HgCdTe紅外焦平面陣列的信號處理電路[2,3]時(shí)，可通過銦柱與4N系列光伏型HgCdTe紅外探測器直接焊接，以構(gòu)成所謂的紅外焦平面陣列信號處理電路。

4N系列HgCdTe紅外探測器陣列的排列情況如圖4所示，Y方向?yàn)闀r(shí)間延遲積分方向，X方面為CCD多種傳輸器輸出方向。與之相匹配的TDI-CCD芯片的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1給出了各公司帶TDI-CCD讀出模式的混合式HgCdTe紅外焦平面陣列的像元數(shù)和工作波長。

表1 4N系列混合式HgCdTe-IRFPA[3]

1.4 MOSFET開關(guān)多路傳輸器

MOSFET開關(guān)多路傳輸器的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中每個(gè)光電二極管均與單元中的存貯電路器相關(guān)聯(lián)。數(shù)字水平掃描移位寄存器（通常制造在芯片上）位于圖中的掃描移位寄存器（通常制造在芯片上）位于圖中的上部而多路傳輸器位于圖的左邊。掃描移位寄存器一次選擇一列二極和存貯電容器。同時(shí)，垂直掃描移位寄存器選擇一行總線。利用這種方式可以順序地單獨(dú)錄址每一個(gè)像素，并將像素信號電荷傳輸?shù)蕉嗦穫鬏斊饕员阕x出。

MOSFET開關(guān)多路傳輸器作為紅外焦平面陣列的信號處理器件有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，電路密度可以做得很高，以便有更多的空間用于存貯電茶，而且噪聲性能良好，因而動態(tài)范圍非常高。其次，用于MOSFET設(shè)計(jì)的硅處理技術(shù)已高度標(biāo)準(zhǔn)化，因而可以批量生產(chǎn)以降低成本。第三點(diǎn)是用于紅外焦平面陣列的信號讀出器件對接口的要求很簡單，因?yàn)橐恍r(shí)鐘和開關(guān)電路可安置在芯片的旁邊，這就減少了需經(jīng)過杜瓦壁提供的時(shí)鐘波形數(shù)。在致冷型紅外焦平面陣列的研制中，目前已研制出具有MOSFET開關(guān)多路傳輸器讀出結(jié)構(gòu)的銻化銦線陣64元、128元和面陣128×128元、256×256元紅外焦平面陣列。在非致冷型紅外焦平面陣列的研制中，英國的Plessey Research caswell公司已研制出具有MOSFET開關(guān)多路傳輸器讀出結(jié)構(gòu)的熱釋電線陣16元、40元和64元非致冷型紅外焦平面陣列。為了進(jìn)一步改善紅外焦平面陣列的性能，現(xiàn)在又在MOSFET開關(guān)多路傳輸器研制的基礎(chǔ)上研制出了MOS結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管（MOSJFET）開關(guān)多路傳輸器。

1.5 CMOS多路傳輸器

在紅外焦平面陣列（IRFPA）的研制中，人們總是希望研制出成本更低、可生產(chǎn)性更好、動態(tài)范圍更大的紅外信號處理器件，這使得人們轉(zhuǎn)向CMOS多路傳輸紅外信號處理器件的研究?，F(xiàn)在，先進(jìn)的CMOS工藝的出現(xiàn)，使得高密度、多功能CMOS多路傳輸器的設(shè)計(jì)成為可能。這種多路傳輸器能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列[4]（單片式或混合式）的信號部分、傳輸、處理和掃描。因此使用CMOS-MUX讀出裝置的紅外焦平面陣列（IRFPA）能夠設(shè)計(jì)出體積更小、質(zhì)量更輕、功耗更低、性能更優(yōu)良的紅外整機(jī)系統(tǒng)。

CMOS-MUX通?？勺鳛楣杌K肖特其勢壘紅外探測器陣列的信號處理器件，在HgCdTe、InSb、AlGaAs/GaAs、InAsP/InP、PbS、PbTe、InGaAs等紅外探測器陣列的研制中，設(shè)計(jì)者往往都希望采用CMOS-MUX作為紅外信號處理器件。CMOS多路傳輸器的功能圖如圖7所示。

2 應(yīng)用電路

2.1 多路傳輸器的信號讀出電路

紅外探測器陣列，尤其是不用硅材料制成的紅外探測器一般都需要專門設(shè)計(jì)和制備多路傳輸器（MUX）來作為紅外探測器陣列的紅外信號處理器件。目前在多路傳輸器的設(shè)計(jì)和研制中，采用成熟的硅材料已研制出各種不同類型結(jié)構(gòu)的硅多路傳輸器（如Si-CCD、Si-MOSFET、Si-CMSO、Si-JFET等），而在單片式（或混合式）IRFPA的研制中，除了成熟的紅外探測器制備技術(shù)外，提高IRFPA性能的關(guān)鍵因素是研制低拉耗、低噪聲、高電荷存貯容量和易于與紅外探測器集成或耦合的硅多路傳輸器。表2給出了硅多路傳輸器的電荷存貯容量。

表1 硅多路傳輸器的電荷存貯容量

用兩個(gè)多路傳輸器執(zhí)行線陣列交錯(cuò)讀出的應(yīng)用電路如圖8所示。圖中，在交錯(cuò)讀出的標(biāo)準(zhǔn)和反射鏡圖像中，多路傳輸器位于探測器陣列的兩側(cè)，這樣可使兩個(gè)多路傳輸器相互之間互為鏡像。探測器陣列的偶數(shù)像元連接到陣列一側(cè)的焊腳上，而將奇數(shù)像元連接到列陣的另一側(cè)，然后，把列陣的這些焊腳連接到相應(yīng)的多路傳輸器上，并從兩個(gè)多路傳輸器讀出。最后在芯片外重新復(fù)合在一起，以使視頻信號返回到一個(gè)單一的數(shù)據(jù)串流中。這一方案可使被應(yīng)用的成像列陣的長度加倍，并使得探測器像元至像元之間的間距更小，而同時(shí)仍可使用現(xiàn)成的元件。

線列多路傳輸器可以同面陣成像列陣一道使用?？梢杂靡粋€(gè)多路傳輸器控制開關(guān)把每一行像元與每一列相應(yīng)的視頻線連接起來，再用另一個(gè)多路傳輸器讀出每一列上相應(yīng)的視頻線。如果一行上的所有開關(guān)把所有的像元連接到這一列的視頻上，那么，也就讀出了所有的列。

定時(shí)機(jī)構(gòu)會對與列陣上開關(guān)相連接的多路傳輸器的焊腳之一進(jìn)行計(jì)時(shí)，然后對與視頻相連接的多路傳輸器全部計(jì)時(shí)，這一過程將連續(xù)進(jìn)行直至所有的行讀出完畢為止。

2.2 緩沖多路傳輸器應(yīng)用電路

EG G Reticon公司提供的64、128或256個(gè)通道長度的緩沖多路傳輸器的焊腳位于一行的一，間距為100μm。器件的輸入偏置的電流低至100fA。前置放大器的轉(zhuǎn)換增益為每100個(gè)電子1μV。圖9是包括兩個(gè)取樣保持柵的啟動與阻止探測器陣列的信息目標(biāo)顯示示意圖。為了把多路傳輸器與探測器陣列集成在一起，該器件把光敏器連接到了焊腳上，并使每一個(gè)焊腳與一個(gè)通道相聯(lián)系，該通道利用一個(gè)15pF反饋積分電容把輸入電荷換成輸出電壓。緊接電容器的開關(guān)取樣電路可提供降低噪聲和偏移的相關(guān)雙取樣功能。

該應(yīng)用電路有兩個(gè)取樣保持柵，在光學(xué)能量積分開始時(shí)啟動一個(gè)取保持開關(guān)；在積分結(jié)束時(shí)，再啟動另一個(gè)取樣保持開關(guān)。在這兩組取樣輸出數(shù)據(jù)脈沖中有一列包含已經(jīng)出現(xiàn)的雜散噪聲，而另一個(gè)輸出脈沖則包含信號以及積分和轉(zhuǎn)換光學(xué)脈沖的噪聲。因此，應(yīng)把兩組輸出差分合成，以減去在讀出散間出現(xiàn)的噪聲。

3 結(jié)論

任何一種IRFPA，不論是單片式或混合式，都是由紅外光電轉(zhuǎn)換和信號處理兩部分組成。而幾乎所有的紅外焦平面陣列（IRFPA）的信號處理部分都是用硅材料制和硅信號處理電路來實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)槿缃窆璨牧献畛墒?，用硅制成的信號處理電路的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)已經(jīng)能夠滿足IRFPA的需要。

IRFPA中的硅信號處理電路具有信號讀出、積分、背景抑制、前置放大、采樣保持、多路傳輸?shù)裙δ?。原則上講，當(dāng)前的微電子技術(shù)完全可以把這些功能集成在一個(gè)硅芯片上。但是，對于IRFPA來說，特別是面陣，能夠安置這些電路的面積往往非常有限，因此，必須考慮采用非常簡單有效的輸入級電路，通常采用硅CCD多路傳輸器（表溝CCD、埋溝CCD、曲溝CCD、埋溝型曲溝CCD）、時(shí)間延遲積分CCD、MOSFET、電荷掃描器件（CSD）和CMOS多路傳輸器等電路來實(shí)現(xiàn)IRFPA的信號處理。但是由于硅CCD多路傳輸器的勢阱電荷存儲容量小，要求紅外探測器的阻抗高，并具有轉(zhuǎn)移損失及工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此，近幾年來，在IRFPA的研制中，無論是致冷型和非致冷型IRFPA的信號處理電路都越來越多地采用高度發(fā)展的CMOS多路傳輸器。