具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

郝立超; 陈洪雷; 李辉; 陈义强; 赖灿雄; 黄爱波; 丁瑞军

具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

1.
工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东广州 510610;
2.
中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083

基金项目:

重点实验室基金(9140C1030302150C03011);广州市珠江科技新星专项(2014J2200086);国家自然科学基金(61290302)

详细信息

作者简介:
郝立超(1986-),男,工程师,主要从事读出集成电路设计及其焦平面可靠性方面的研究。Email:hao_li_chao@163.com

中图分类号: TN215

Shared readout integrated circuit with memory-function background suppression

1.
Laboratory of Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component,The Fifth Research Institute of MIIT,Guangzhou 510610,China;
2.
Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors,Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China

摘要: 甚长波红外(VLWIR)波段富含大气湿度、CO2含量及云层结构和温度轮廓等大量信息,是大气遥感的重要组成部分。为了满足现阶段甚长波红外探测器对读出电路高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、长积分时间等需求,设计了一种具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路。该电路采用22四个相邻的探测器像元共用一个读出电路单元的共享缓冲直接注入级(SBDI)结构,增大了单元电路的面积,在单元内实现了具有记忆功能背景抑制结构的设计,其总积分电容达到8.8 pF,有效延长了积分时间和红外焦平面的信噪比(SNR),并改善了动态范围和对比度。基于HHNEC CZ6H 0.35 m 1P4M标准CMOS工艺,完成了电路的流片制造。仿真及测试结果表明:在50 K温度下电路功能正常,其动态范围大于90 dB,线性度优于99.9%,积分时间可达74 s,达到了设计要求。该读出电路适用于甚长波红外探测器。
- 背景抑制 /
- SBDI /
- 甚长波红外 /
- 读出电路 /
- 共享套筒式运放
Abstract: Very long wave infrared(VLWIR) band widely used in remote atmosphere sounding applications is particularly rich in information about humidity, CO2 levels and provides additional information about cloud structure and the temperature distribution. In order to meet the requirements of VLWIR detectors at present stage, a shared readout integrated circuit with memory-function background suppression was designed for its high injection efficiency, large dynamic range, stable detector bias, long integration time and some other advantages. In this design, the share buffered direct injection(SBDI) input circuit was used to minimize pixel area limitation and to maximize the efficiency of memory-function background suppression by 22 four neighboring pixels united. The total integration capacitor could reach up to 8.8 pF that has larger capacity, extended integration time, and increased the signal-to-noise ratio (SNR) of infrared focal plane array(IRFPA). At the same time, better contrast and dynamic range were also achieved. The final chip was fabricated with HHNEC CZ6H 0.35 m 1P4M process technology. The simulation and test results show that the dynamic range is over 90 dB, the linearity is more than 99.9%, the integration time could be extended to 74 s when the ROIC operates at the temperature of 50 K.
- background suppression /
- SBDI /
- VLWIR /
- ROIC /
- share telescope op amplifier

[1]	Patricia Pidancier, Nicolas Jamin, Bruno Fique, et al. A review of the latest developments of MCT infrared technology from visible to VLWIR for space applications at Sofradir[C]//SPIE, 2013, 8704: 87040M.
[2]	Xie Xiaohui, Liao Qingjun, Yang Yongbin, et al. Electro-optical characteristics of HgCdTe very long wavelength infrared photovoltaic detector[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(5): 1141-1145. (in Chinese) 解晓辉, 廖清君, 杨勇斌, 等. HgCdTe 甚长波红外光伏器件的光电性能[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1141-1145.
[3]	Wenisch J, Eich D, Hanna S, et al. Two-dimensional long-wavelength and very long-wavelength focal-plane arrays at AIM[J]. Journal of Electronic Materials, 2010, 39(7): 846-851.
[4]	Fan Jinxiang, Yang Jianyu. Development trends of infrared imaging detecting technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(12): 3145-3153. (in Chinese) 范晋祥,杨建宇. 红外成像探测技术发展趋势分析[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(12): 3145-3153.
[5]	Delaunay P Y, Nguyen Binh-Minh, Hoffman D, et al. Background limited performance of long wavelength infrared focal plane arrays fabricated from M-structure InAs-GaSb superlattices[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2009, 45(2): 157-162.
[6]	Hao Lichao, Chen Honglei, Li Hui, et al. Improved readout circuit with BDI structure for VLWIR FPAs[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(6): 1782-1787. (in Chinese) 郝立超, 陈洪雷, 李辉等. BDI型甚长波IRFPA读出电路研究与设计[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1782-1787.
[7]	Guang Yang, Chao Sun, Timothy Shaw, et al. A high dynamic-range, low-noise focal plane readout for VLWIR applications implemented with current mode background subtraction[C]//SPIE, 1998, 3360: 42-51.
[8]	Jiang Junwei, Zhao Yiqiang, Meng Fanzhong, et al. High performance readout integrated circuit for IR detectors[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(5): 787-791. (in Chinese) 姜俊伟, 赵毅强, 孟范忠, 等. 红外探测器高性能读出电路的研究[J]. 红外与激光工程, 2009, 38(5): 787-791.
[9]	Behazd Razavi. Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. Translated by Chen Guican, Cheng Jun, Zhang Ruizhi et al. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2008: 243-252. (in Chinese) Bechazd Razavi. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 陈贵灿, 程军, 张瑞智, 等译. 西安: 西安交通大学出版社, 2008: 243-252.
[10]	Zhou Yangfan, Xie Liang, Xia Xiaojuan, et al. Design of pixel readout circuit with time-sharing background suppression[J]. Laser and Infrared, 2009, 39(11): 1219-1222. (in Chinese) 周扬帆, 谢亮, 夏晓娟, 等. 具有分时背景抑制功能的单元电路设计[J]. 激光与红外, 2009, 39(11): 1219-1222.
[11]	Phillips J D, Edwall D D, Lee D L. Control of very-long-wavelength infrared HgCdTe detector-cutoff wavelength[J]. Journal of Electronic Materials, 2002, 31(7): 664-668.
[12]	Angelo Scotty Gilmore, James Bangs, Amanda Gerrish. VLWIR HgCdTe detector current-voltage analysis[J]. Journal of Electronic Materials, 2006, 35(6): 1403-1410.
[13]	Doo Hyung, Sang Gu Kang, Hee Chul Lee. Novel current-mode background suppression for 2- D LWIR applications [J]. IEEE Transactions on Circuits and systems-II: Express Briefs, 2005, 52(9): 606-610.

[1]	郑丽霞, 吴金, 孙伟锋, 万成功, 刘高龙, 王佳琦, 顾冰清. SPAD阵列读出电路关键技术与发展趋势（特邀） . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220903-1-20220903-9. doi: 10.3788/IRLA20220903
[2]	汪鸿祎, 陶文刚, 陆逸凡, 张永刚, 黄松垒, 方家熊. 基于可编程开窗IP核的低功耗读出电路研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(12): 20230241-1-20230241-9. doi: 10.3788/IRLA20230241
[3]	崔长坤, 陈楠, 钟昇佑, 张娟, 姚立斌. 读出电路开窗技术研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(11): 20220100-1-20220100-11. doi: 10.3788/IRLA20220100
[4]	陈楠, 张济清, 毛文彪, 李雄军, 宋林伟, 高玲, 姚立斌. 大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210821-1-20210821-11. doi: 10.3788/IRLA20210821
[5]	郑丽霞, 刘高龙, 吴金, 孙伟锋. 多功能红外焦平面读出电路设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(12): 20220139-1-20220139-7. doi: 10.3788/IRLA20220139
[6]	张武康, 陈洪雷, 丁瑞军. 具有背景抑制功能的长波红外读出电路 . 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200266-1-20200266-10. doi: 10.3788/IRLA20200266
[7]	白涛, 陈远金, 戴放, 徐春叶, 刘小淮, 吕江萍, 刘成玉, 李秋利, 沈吉. 大面阵InGaAs基线性APD单片激光雷达读出电路 . 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190529-1-20190529-6. doi: 10.3788/IRLA20190529
[8]	尚超, 王锦春, 张晓兵. 红外焦平面阵列读出电路非均匀性研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190581-1-20190581-8. doi: 10.3788/IRLA20190581
[9]	褚培松, 陈洪雷, 李辉, 丁瑞军. 干涉式大气垂直探测仪读出电路研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(7): 704006-0704006(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0704006
[10]	钟燕平, 袁红辉, 鞠国豪. 非均匀性校正的长波光导探测器读出电路设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 104001-0104001(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0104001
[11]	赵佳姮, 赵毅强, 叶茂, 夏显召, 周国清. GM-APD阵列高精度像素读出电路设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 106007-0106007(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0106007
[12]	梁清华, 蒋大钊, 陈洪雷, 丁瑞军. 基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1004001-1004001(8). doi: 10.3788/IRLA201780.1004001
[13]	郝立超, 黄爱波, 解晓辉, 李辉, 赖灿雄, 陈洪雷, 魏彦锋, 丁瑞军. 32×32甚长波红外HgCdTe焦平面器件 . 红外与激光工程, 2017, 46(5): 504001-0504001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0504001
[14]	翟永成, 丁瑞军. 320×256大电荷容量的长波红外读出电路结构设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 904003-0904003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0904003
[15]	周杰, 丁瑞军, 翟永成, 梁清华, 蒋大钊. 320×256中/长波双色IRFPAs读出电路设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2880-2885.
[16]	高磊, 翟永成, 梁清华, 蒋大钊, 丁瑞军. 红外焦平面读出电路集成数字输出 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1686-1691.
[17]	陈国强, 张君玲, 王攀, 周杰, 高磊, 丁瑞军. 碲镉汞e-APD 焦平面数字化读出电路设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2798-2804.
[18]	郝立超, 陈洪雷, 李辉, 黄爱波, 丁瑞军. BDI 型甚长波IRFPA 读出电路研究与设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1782-1787.
[19]	祖秋艳, 王玮冰, 黄卓磊, 何鑫, 陈大鹏. 二极管非制冷红外探测器及其读出电路设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1680-1684.
[20]	胡滨, 李威, 李平, 阙滨城. 有源电阻RTIA红外焦平面读出电路 . 红外与激光工程, 2012, 41(8): 2008-2011.

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具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

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郝立超(1986-),男,工程师,主要从事读出集成电路设计及其焦平面可靠性方面的研究。Email:hao_li_chao@163.com

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具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

1. 工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东广州 510610;

2. 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083

作者简介:
郝立超(1986-),男,工程师,主要从事读出集成电路设计及其焦平面可靠性方面的研究。Email:hao_li_chao@163.com

English Abstract

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具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

1. 工业和信息化部电子第五研究所 电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东 广州 510610; 2. 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083

作者简介: 郝立超(1986-),男,工程师,主要从事读出集成电路设计及其焦平面可靠性方面的研究。Email:hao_li_chao@163.com

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郝立超(1986-),男,工程师,主要从事读出集成电路设计及其焦平面可靠性方面的研究。Email:hao_li_chao@163.com

1. 工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东广州 510610;

2. 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083

作者简介:
郝立超(1986-),男,工程师,主要从事读出集成电路设计及其焦平面可靠性方面的研究。Email:hao_li_chao@163.com