一款天文應(yīng)用的640×512 HgCdTe焦平面讀出電路設(shè)計(jì)

紅外載荷中的核心部件是紅外焦平面探測(cè)器。由于天文觀測(cè)具有背景輻射極低、光子通量極低的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的高信噪比，需要降低器件的暗電流和讀出電路的噪聲。一些低通量的觀測(cè)要求在超長(zhǎng)積分時(shí)間內(nèi)觀測(cè)幾個(gè)光電子，因此讀出電路需要實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的積分時(shí)間，以完成對(duì)微小目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)。同時(shí)，讀出電路還需要保證低背景下弱信號(hào)的高線(xiàn)性度。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外探測(cè)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“天文應(yīng)用紅外焦平面讀出電路研究”為主題的文章。該文章第一作者為梁清華副研究員，主要從事大規(guī)模紅外焦平面讀出電路方面的研究工作；通訊作者為梁清華副研究員和丁瑞軍研究員，主要從事集成電路設(shè)計(jì)、紅外光電器件及物理、分析和評(píng)價(jià)技術(shù)等方面的研究工作。

本文設(shè)計(jì)了一款天文應(yīng)用的640×512 HgCdTe焦平面讀出電路，輸入級(jí)采用電容反饋跨阻放大器（CTIA）結(jié)構(gòu)以保證低背景下弱信號(hào)的注入效率和高線(xiàn)性度。電路采用了有效的功耗管理策略，在保證電路正常工作點(diǎn)下盡可能地降低電路功耗以減小電路輝光對(duì)器件暗電流的影響。同時(shí)，研究了非破壞性讀出的數(shù)字功能，以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)的積分時(shí)間和信號(hào)的多幀累積，同時(shí)也降低電路噪聲。

天文應(yīng)用紅外焦平面的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上報(bào)道的天文應(yīng)用的碲鎘汞紅外探測(cè)器的公司主要有美國(guó)的Teledyne、Raytheon以及法國(guó)的Sofradir等。三家公司的典型產(chǎn)品，型號(hào)分別為Hawii-2 RG、VIRGO、ALFA（Astronomical Large Focal plane Array）。Hawii-2RG是已經(jīng)應(yīng)用在歐空局（ESA）的歐幾里得探測(cè)器和NASA的JWST等項(xiàng)目，VIRGO是應(yīng)用在可見(jiàn)和紅外巡天望遠(yuǎn)鏡VISTA項(xiàng)目，VISTA中的紅外相機(jī)是由16個(gè)VIRGO探測(cè)器拼接而成，ALFA主要是服務(wù)于ESA的近紅外大面陣探測(cè)器的項(xiàng)目，三款產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 國(guó)際天文應(yīng)用紅外探測(cè)器性能指標(biāo)

從表1中可以看出，目前主流的天文應(yīng)用探測(cè)器均具有大面陣、暗電流低、讀出噪聲低、功耗低的特點(diǎn)，且主要工作在短波波段。三款探測(cè)器的讀出電路輸入級(jí)均采用的是PMOS源隨結(jié)構(gòu)SFD，如圖1所示，單元結(jié)構(gòu)只采用了三個(gè)MOS管，即積分復(fù)位開(kāi)關(guān)、源隨器的輸入管和輸出選擇開(kāi)關(guān)，利用的是探測(cè)器自身的結(jié)電容作為積分電容，盡量減少電路節(jié)點(diǎn)的電容，降低對(duì)總積分電容的影響。因此與直接注入結(jié)構(gòu)相比，SFD結(jié)構(gòu)注入效率高，功耗低、噪聲低，是目前天文應(yīng)用主流的讀出電路的輸入級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，由于SFD結(jié)構(gòu)積分過(guò)程中二極管的偏置是在變化的，因此輸出通常是有一定非線(xiàn)性的。SFD結(jié)構(gòu)讀出電路整體性能指標(biāo)與探測(cè)器的結(jié)電容和動(dòng)態(tài)阻抗密切相關(guān)，要求探測(cè)器有較小的結(jié)電容和較大的動(dòng)態(tài)阻抗，對(duì)器件要求很高。

圖1 SFD電路結(jié)構(gòu)

中國(guó)目前也在積極規(guī)劃天文望遠(yuǎn)鏡，擬在2024年發(fā)射“巡天”空間望遠(yuǎn)鏡，由于器件性能與國(guó)外先進(jìn)水平尚存在較大差距，中國(guó)紅外天文應(yīng)用的進(jìn)展相對(duì)緩慢，國(guó)內(nèi)關(guān)于天文應(yīng)用探測(cè)器的報(bào)道也較少。

天文應(yīng)用紅外讀出電路設(shè)計(jì)

電路規(guī)模為640×512、中心距為15 μm，適配截止波長(zhǎng)為1.7 μm的短波探測(cè)器，工作溫度80 K，多模塊拼接。根據(jù)國(guó)內(nèi)焦平面器件的實(shí)際情況，主要實(shí)現(xiàn)器件暗電流不高于5 e?·s?1，讀出噪聲不高于50 e?。因此，除了要求制備低暗電流、高均勻性的碲鎘汞短波探測(cè)器、在多模塊的拼接上注意保證共面性及柔性帶線(xiàn)的連接以及抑制杜瓦的雜散光，讀出電路需要實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲、超長(zhǎng)積分時(shí)間，以及需要抑制電路輝光對(duì)暗電流的影響和關(guān)注低背景應(yīng)用下小信號(hào)的非線(xiàn)性。

天文應(yīng)用640×512讀出電路的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括以下功能模塊：像元面陣、列信號(hào)處理電路、輸出級(jí)、模擬偏置產(chǎn)生電路、行/列譯碼器、數(shù)字控制模塊和多路選擇模塊。像元面陣電路、列信號(hào)處理電路、輸出級(jí)組成的模擬信號(hào)鏈路完成探測(cè)器信號(hào)的積分、采樣和緩沖讀出，模擬偏置產(chǎn)生電路為信號(hào)鏈路中的運(yùn)放提供合適的電壓和電流信號(hào)，確保電路工作的最佳工作點(diǎn)，設(shè)計(jì)輸出1、2、4通道可選。行/列譯碼器實(shí)現(xiàn)面陣像元信號(hào)的選通，數(shù)字控制模塊主要產(chǎn)生電路內(nèi)部所需的控制信號(hào)，該電路可實(shí)現(xiàn)窗口選擇、增益可選、工作模式可選等功能。

圖2 電路整體框圖

由于探測(cè)器的性能限制以及應(yīng)用于低背景環(huán)境下，選取了探測(cè)器偏置穩(wěn)定、低背景弱信號(hào)下線(xiàn)性度和注入效率較高的CTIA結(jié)構(gòu)作為注入級(jí)結(jié)構(gòu)。CTIA接口電路適合用在成像或者光譜應(yīng)用，典型的積分時(shí)間在10 μs~100 ms范圍，而且CTIA結(jié)構(gòu)有可調(diào)的靈敏度，獨(dú)立于探測(cè)器的結(jié)電容。像元電路如圖3所示，由于天文應(yīng)用信號(hào)積分時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)CTIA的運(yùn)放的帶寬要求不高，這里選擇了簡(jiǎn)單的五管運(yùn)放，如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)高增益，設(shè)計(jì)了5 fF和10 fF兩檔積分電容可選。

圖3 像元電路結(jié)構(gòu)

圖4 像元電路結(jié)構(gòu)

像元電路的噪聲來(lái)源主要是CTIA運(yùn)放噪聲、KTC噪聲以及源隨器噪聲。讀出電路工作在低溫下，運(yùn)放噪聲和源隨器噪聲主要來(lái)源于MOS晶體管的1/f噪聲。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到有限的像元面積，適當(dāng)提高輸入管的跨導(dǎo)以及合理使用PMOS器件以降低1/f噪聲，同時(shí)適當(dāng)提高采樣電容以降低KTC噪聲的影響。為了降低溝道電荷注入效應(yīng)對(duì)電路的影響，采用了在積分復(fù)位管旁邊串聯(lián)補(bǔ)償管和CMOS傳輸門(mén)開(kāi)關(guān)等方法以減小該效應(yīng)引起的電壓誤差。

區(qū)別于常規(guī)的短波焦平面讀出電路，天文應(yīng)用讀出電路還需要重點(diǎn)關(guān)注抑制電路輝光對(duì)器件暗電流的影響以及實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)的積分時(shí)間。

降低電路輝光對(duì)器件暗電流的影響

研究表明，電路輝光glow的產(chǎn)生影響了器件暗電流的準(zhǔn)確測(cè)量，也影響了電路的噪聲。輝光是由半導(dǎo)體材料的電子和空穴的合并導(dǎo)致的，發(fā)生在半導(dǎo)體材料的電流變化或者強(qiáng)電場(chǎng)下的影響。文獻(xiàn)說(shuō)明了采用SFD結(jié)構(gòu)的H2RG探測(cè)器，輝光的大小受源隨器的電流、像元時(shí)鐘頻率、并行的輸出端口個(gè)數(shù)影響。增加源隨器的電流時(shí)，明顯發(fā)現(xiàn)表面暗電流增加。輝光的大小直接與像元選通時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系，像元選通時(shí)間越長(zhǎng)即時(shí)鐘頻率低則輝光電子數(shù)越大，H2RG電路典型的時(shí)鐘頻率是100 kHz。而且當(dāng)積分時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，溫度低于60 K時(shí)，暗電流接近于0，但是輝光還是會(huì)增加。即使運(yùn)放的電流降低到nA級(jí)別，讀出電路也會(huì)發(fā)射輝光，主要產(chǎn)生與MOS管的截止區(qū)。讀出電路的多金屬層可以部分地解決這個(gè)問(wèn)題，但是產(chǎn)生的光傳播到讀出電路的邊緣，會(huì)引起焦平面暗信號(hào)的不一致性。

因此，降低電路輝光對(duì)器件暗電流的影響，一是要降低工作電流即降低電路功耗，降低運(yùn)放電流會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的模擬信號(hào)的建立時(shí)間，需要折中考慮；二是要電流存在的時(shí)間或者強(qiáng)電場(chǎng)存在的時(shí)間要短，即選通時(shí)間不能太長(zhǎng)、適當(dāng)提高電路時(shí)鐘頻率；三是優(yōu)化電路版圖，從物理上屏蔽電路輝光的影響。

在電路功耗方面，該電路針對(duì)圖5所示的模擬信號(hào)鏈路設(shè)計(jì)了粗細(xì)多檔可調(diào)的電流鏡偏置模塊，見(jiàn)圖6。首先通過(guò)外置IMSTR_ADJ電壓，確定電路的基準(zhǔn)電流Iref，設(shè)計(jì)了×1、×2、×4的電流復(fù)制倍數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)寄存器IM(1-0)、UP(2-0)、AP(1-0)、DP(1-0)來(lái)控制主偏電路、單元CTIA運(yùn)放、列級(jí)處理電路以及輸出級(jí)運(yùn)放的電流選擇開(kāi)關(guān)，以確定最佳工作點(diǎn)。同時(shí)，在模擬信號(hào)鏈路上增加了一些全局的、列的控制開(kāi)關(guān)，在不需要的時(shí)間段可以將電路關(guān)斷，減小漏電流，節(jié)約電路功耗。電路設(shè)計(jì)了1、2、4路輸出可選，實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于積分時(shí)間長(zhǎng)，幀頻要求不高，采用邊積分邊讀出的工作模式，選擇1路輸出，關(guān)掉其他通道，進(jìn)一步降低電路功耗。

圖5 模擬信號(hào)鏈路及電流偏置框圖

圖6 電流偏置電路

在電路版圖方面，采用了0.18 μm CMOS工藝，考慮到15×15的像元，采用大面積的頂層金屬覆蓋，進(jìn)一步阻止電路放大器輝光對(duì)探測(cè)器的影響，單元版圖如圖7所示。

圖7 單元電路版圖

讀出電路非破壞性讀出功能的實(shí)現(xiàn)

在天文應(yīng)用領(lǐng)域，處理微弱信號(hào)時(shí)為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果長(zhǎng)的積分時(shí)間是有必要的。常規(guī)的短波探測(cè)器積分時(shí)間一般約幾十毫秒，而天文用的探測(cè)器積分時(shí)間需要幾百分鐘。考慮到幀頻要求，電路一般采用邊積分邊讀出的工作模式，即當(dāng)前幀信號(hào)在積分時(shí)上一幀的信號(hào)在讀出，如果積分時(shí)間達(dá)到幾百分鐘，則幀頻將會(huì)很低。因此電路引入非破壞性讀出的功能，可實(shí)現(xiàn)在不破壞當(dāng)前的信號(hào)讀出的基礎(chǔ)上，讓電路不復(fù)位一直積分，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多幀累積，不影響電路的幀頻。該功能可以在每次觀測(cè)中動(dòng)態(tài)地選擇最優(yōu)的積分時(shí)間，提高強(qiáng)弱信號(hào)的對(duì)比度，同時(shí)作為一種斜坡采樣的策略降低讀出噪聲。

INT為幀頻信號(hào)，標(biāo)志著一幀圖像的開(kāi)始。LINE為行頻信號(hào)，標(biāo)志著512行每一行讀出的開(kāi)始。RST_P為芯片的全局復(fù)位信號(hào)，CLK為時(shí)鐘，DATA為寄存器配置控制字。讀出電路芯片通過(guò)INT、LINE、RST_P、CLK以及DATA的外部端口輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部所需的時(shí)序控制。為了實(shí)現(xiàn)非破壞性讀出功能，在功能寄存器DATA中增加了一位控制字NDR，當(dāng)NDR為1時(shí)啟用該功能。

由圖3可知，INTRST及SH信號(hào)分別為積分復(fù)位和采樣信號(hào)，由于讀出電路為快照模式工作，因此均為全局控制信號(hào)。設(shè)計(jì)了積分控制模塊，通過(guò)外部輸入的INT、 LINE、RST_P、CLK信號(hào)時(shí)序以及NDR控制字來(lái)生成相關(guān)的INTRST及SH信號(hào)，INTRST及SH信號(hào)為高電平使能。

在未開(kāi)啟非破壞性讀出的數(shù)字功能前，即NDR=0時(shí)，電路常規(guī)工作的時(shí)序如圖8所示，INT的下降沿后0.5 clk，INTRST控制的復(fù)位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，這一幀的光電流信號(hào)開(kāi)始積分，在INT的上升沿T2時(shí)段后SH控制的采樣結(jié)束，這一段是信號(hào)的積分時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用通過(guò)調(diào)節(jié)INT信號(hào)的低電平時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)積分時(shí)間。電路采用的是邊積分邊讀出的工作模式，在當(dāng)前幀信號(hào)積分時(shí)，讀出的是上一幀的輸出信號(hào)。

圖8 仿真控制時(shí)序（NDR=0）

在開(kāi)啟非破壞性讀出的數(shù)字功能后，即NDR=1時(shí)，電路工作的時(shí)序如圖9所示。在下一個(gè)INT的上升沿之后就開(kāi)始工作，此時(shí)NDR開(kāi)啟后的第一幀的INTRST復(fù)位開(kāi)關(guān)閉合，電路復(fù)位，此后幀INTRST將一直維持在低電平（復(fù)位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)），采樣信號(hào)SH與普通模式相同，即在第一幀正常復(fù)位清零后，陣列持續(xù)對(duì)探測(cè)器信號(hào)積分。當(dāng)修改NDR為0時(shí)，下一個(gè)INT上升沿后會(huì)產(chǎn)生INTRST復(fù)位信號(hào)。

圖9 仿真控制時(shí)序（NDR=1）

積分控制模塊的電路實(shí)現(xiàn)如下：

圖10所示為SR鎖存器（Set-Reset Latch），由兩個(gè)或非門(mén)組成，SD為置位端或置1輸入端，RD為復(fù)位端或置0輸入端，輸出端為Q。鎖存器置1端輸入時(shí)序起始信號(hào)BEGIN，置0端輸入時(shí)序清零信號(hào)CLR和結(jié)束信號(hào)END，根據(jù)鎖存器的工作原理，輸出端在BEGIN和END信號(hào)之間維持高電平，從而得到相應(yīng)的時(shí)序信號(hào)。

圖10 SR鎖存器結(jié)構(gòu)

如圖11所示，SR鎖存器的BEGIN接模塊A的NET1，NET1是一個(gè)四輸入的或非門(mén)的輸出。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖11 NDR電路結(jié)構(gòu)1

圖12 NET1信號(hào)仿真示意圖

SR鎖存器的END連接的是模塊C，如圖13所示，NET3是一個(gè)兩輸入的或非門(mén)的輸出，這兩輸入分別是INT在JK觸發(fā)器的時(shí)鐘CLK作用下經(jīng)過(guò)觸發(fā)器的輸出信號(hào)，仿真結(jié)果如圖14所示，NET3信號(hào)距離INT下降沿0.5 clk。

圖13 NDR電路結(jié)構(gòu)2

圖14 NET3信號(hào)仿真示意圖

采樣SH信號(hào)的實(shí)現(xiàn)電路圖同INTRST信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方式，SR鎖存器的BEGIN信號(hào)連接的是前一幀面陣的最后一元信號(hào)的讀出，END信號(hào)是距離INT上升沿26 clk的脈沖，產(chǎn)生的SH信號(hào)為這兩個(gè)信號(hào)的上升沿之間的高電平。即設(shè)計(jì)圖8中的T1為33.5 clk，T2為26 clk。

總結(jié)上述積分采樣過(guò)程，即NDR=1時(shí)，下一幀復(fù)位后，將持續(xù)積分，信號(hào)多幀N次累積，采樣仍然每幀產(chǎn)生，采樣次數(shù)是N-1，如圖15所示。這種非破壞性讀出功能的核心其實(shí)也是一種電路降噪的方案。

圖15 非破壞性讀出功能示意圖

電路仿真與測(cè)試結(jié)果

圖16的仿真結(jié)果顯示，電路?40 ℃低溫下讀出電路的輸出擺幅約1.3 V，線(xiàn)性度高于99.9%。圖17展示了讀出電路與短波HgCdTe探測(cè)器倒焊后的樣品，對(duì)所研制的天文應(yīng)用紅外焦平面探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試，主要依據(jù)的是GB/T 17444—2013《紅外焦平面陣列參數(shù)測(cè)試方法》，主要測(cè)試設(shè)備是高溫面源黑體輻射源和直流電源。

圖16 輸出電壓與光電流的關(guān)系

圖17 天文焦平面器件樣品圖

天文應(yīng)用紅外焦平面的測(cè)試區(qū)別于常規(guī)的短波焦平面測(cè)試，測(cè)試環(huán)境及條件更為苛刻。常規(guī)的焦平面測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最長(zhǎng)積分時(shí)間僅為2 s，因此利用讀出電路設(shè)計(jì)的非破壞性讀出的數(shù)字功能，首先需要搭建超長(zhǎng)積分時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)，如圖18所示，結(jié)合該工作模式的時(shí)序，更改系統(tǒng)輸入的data控制字NDR位，在下一個(gè)INT的上升沿復(fù)位后開(kāi)始積分，設(shè)置一幀為10 s，幀數(shù)N可以根據(jù)需要設(shè)置，將每一幀的數(shù)據(jù)采集后處理。

圖18 超長(zhǎng)積分時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)

結(jié)論

通過(guò)天文應(yīng)用640×512紅外焦平面讀出電路的設(shè)計(jì)以及和截止波長(zhǎng)為1.7 μm的短波探測(cè)器倒焊后的焦平面測(cè)試結(jié)果表明，降低讀出電路功耗和優(yōu)化電路頂層金屬覆蓋的版圖有利于降低電路輝光對(duì)器件暗電流的影響，開(kāi)啟讀出電路的非破壞性讀出的功能實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)積分時(shí)間探測(cè)，有利于提高器件的信噪比。6000 s的積分時(shí)間下，當(dāng)電路功耗調(diào)低至14.04 mW時(shí)暗電流僅為0.9 e?·pixel·s?1。讀出噪聲實(shí)測(cè)為27 e?（5 fF增益檔）和50 e?（10 fF增益檔），若采樣次數(shù)為16次，斜坡采樣后噪聲電子數(shù)將降低至24 e? (5 fF)和44 e? (10 fF)。電路以及焦平面性能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期指標(biāo)，滿(mǎn)足天文應(yīng)用對(duì)紅外焦平面的使用需求，并且為今后更大規(guī)模的天文應(yīng)用的紅外焦平面工程化應(yīng)用研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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DOI: 10.3788/IRLA20230364

審核編輯：劉清