高线性、高注入效率CTIA单元电路的设计.pdf

高线性、高注入效率CTIA 单元电路的设计 文 勇，夏晓娟 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京 (210096) 摘 要：本文分析了传统的CTIA 单元电路放大器的优缺点，提出了一种改进型的CTIA 单 元结构，它由共源共栅电流镜做负载的单级放大器组成。该结构能很好的控制探测器偏压， 线性度和注入效率有所提高，采用倒宽长比设计该放大器，可以得到低功耗。具体电路采用 0.5μm DPTM CMOS 工艺设计，仿真结果表明改进型电路的探测器偏压稳定性好，输出线性 度和注入效率高。另外，该单元电路结构简单，性能受工艺偏差的影响小，适应于大阵列红 外焦平面读出电路中。 关键词：CTIA；探测器偏压；注入效率；线性度 中图分类号：TN215 1. 引言 读出电路（ROIC ）是红外焦平面阵列（IRFPA ）的关键部分之一，其功能是对探测器 感应的微弱红外辐射进行前置处理（如积分、采样/保持、放大等）及信号的串并行转换。 读出电路与探测器一样，它的性能好坏直接影响焦平面的性能。常用的读出电路有源级跟随 [1][2][3][4] 。这几种结构 结构（SFD）、直接注入结构（DI ）和电容跨阻抗放大器结构（CTIA ） 相比，除了面积和功耗相对大的缺点外，CTIA 型读出电路在低噪声、恒定的探测器偏压控 制、积分电容可根据应用情况灵活设计、动态范围大、均匀性和线性度好等方面具有优势。 对于一个高线性的 CTIA 型读出电路，探测器偏压的稳定性是非常重要的。探测器偏压的稳 定性有两层含义，一是指在积分期间探测器的偏置不随积分电压的改变而变化；二是指尽管 焦平面阵列中不同探测器对应着不同强弱的目标辐射，但应该有相同的偏置，否则会因探测 器的漏电流不同而引入噪声。探测器偏压不仅能够影响暗电流、注入效率、探测器 1/f 噪声， 还影响着读出电路的灵敏度和线性度。本文分析了传统的 CTIA 单元电路结构 [5][6][7] ，在传 统结构上进行了改进，设计了一个具有高线性、高注入效率的 CTIA 单元电路。 2. 传统CTIA单元电路结构 随着红外焦平面的发展，阵列不断的增大（1k×1k、4k×4k ），探测器的分辨率得到提高， 同时芯片面积的增大增加了制造成本。考虑到性能和成本，为了提高产品性价比，一般采用 简单的电路结构来实现性能指标。对于 CTIA 型单元电路核心结构是放大器，常用的两种放 大器结构为共源共栅（cascode ）放大器（图 1）和电流镜负载的差分放大器（图2 ）。 - 1 - Vdd C1 A M1 Iint Cint Vcom Mrst M2 SH Vdet B I CL gnd 图 1 共源共栅放大器型 CTIA 单元电路 图2 差分放大器型 CTIA 单元电路 Fig1 cascode amplifier of CTIA unit circuit Fig2 diff