新型GaAsInGaAs量子效应光电探测器读出设计教学内容.docx
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1、此文档收集于网络,如有侵权请联系网站删除摘要针对新型GaAsInGaAs量子效应光电探测器具有的高灵敏度、大动态范围 等优点,设计了CTIA源极跟随CDS读出结构,针对传统CDS的不足,还设计 了可削弱像素串扰的源极跟随CDS电路,应用TSMC0359rn2P4M n阱CMOS工 艺对读出电路进行设计、仿真、版图布局及验证,实现了流片。比较了O359m工艺的CTIA读出电路和059m工艺的SI读出电路对接28 探测器阵列测试结果,获得了积分时间、探测器偏压及光照功率等工作条件与响 应电压、噪声等关键参数的关系。测试结果表明CTIA读出条件的探测器偏压稳 定,输出信号线性度998,输出信号摆幅超
2、过2V;而SI读出结构的信噪比较 高、芯片面积及功耗更小。通过对读出电路改进方案进行了设计与仿真,证明改 进设计可以降低读出噪声,提高动态范围和灵敏度。通过对微弱交流信号模拟前端接收放大器的测试结果分析,模拟仿真了加入 带隙基准源,为放大器提供基准电压及偏置电压,减少外部环境的影响,用仪表 放大器消除共模噪声,用带通滤波器进一步削弱噪声。关键字:GaAsInGaAs量子效应光电探测器,读出电路,噪声,动态范围,灵敏度此文档仅供学习和交流AbstractBased on novel GaAsInGaAs quantum photodetectors have high sensitivity,
3、large dynamic range,etcfeatures,the CTIACDS readout structure has been designed, the source follower CDS circuit has designed further,which could avoid the pixel crosstalk111ey are processed by the TSMC0359m2P4M n well CMOS technologyThe integration time,detector bias voltage,light power and respons
4、e voltage, noise and SO on have contrasted between test results of 059mCMOS process SI and 03 5pm CMOS process CTIA readout circuit which are docking with 28 detector arrayThe CTIA readout structure is able to stabilize bias of the detector,shown 998linearity and over 2V output signal swingThe SI re
5、adout structure has higher output signal to noise ratio,smaller chip area and power consumptionFinally,the improved CTIA has design and simulated for improving the dynamic range andsensitivityBased on test results of the weak signal analog frontend receiver amplifier,the bandgap reference to provide
6、 reference voltage and bias voltage,the instrumentation amplifier and bandpass filter were added to weaken noise furtherKey words:Photoelectric detector;quantum effect;readout circuit;noise;dynamicrange;sensitivityII王丞鍪硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称单位备注 罗乐研究员中科院上海微系统与主席信息技术研究所茅惠兵教授华东师范大学沈建华副教授华东师范大学课题来源:本课题来源于
7、科技部重大项H(2006CB932802,201 1CB932903)和上海市配套项目(078014194)。III第一章绪论弟一早珀T匕11论文研究背景量子效应光电探测器广泛应用于航空遥感,机载探测、跟踪,微光夜视侦察、 预警,光雷达跟踪和光电武器制导等领域【l。5】。随着探测器材料和集成电路技术 的快速发展,光电探测技术朝着像素更小,分辨率更高、感应的光谱更丰富,功 能更智能方向快速发展。成像系统中焦平面阵列(FPA)是核心部件,它决定成 像波段、灵敏度及动态范围等关键参数16,7】。焦平面阵列由探测器阵列和读出电路组成。探测器将接受到光信号转换为电 信号并传输到读出电路进行积分放大、采样
8、保持。通过输出缓冲和多路传输系统, 最终送达监视系统形成图像。堂IRDetec(a)自积分(SI)(b)电容互阻跨导放大器(CTIA) 图11不同的读出电路结构读出电路是探测器阵列和后续信号处理电路间的接口电路,它将探测到的电 流、电压或电阻变化转换成后续信号处理电路可以处理的电信号。合适的积分电 容设置的读出电路影响探测器的偏置工作点,焦平面的读出噪声、速度、分辨率、 灵敏度和动态范围。CMOS标准工艺已成为读出电路设计主流。不同结构的读出 电路特点不同,可满足不同类型探测器的读出要求。图11(a)的SI读出结构 简单,面积小,但不能稳定探测器偏压,积分非线性,如源跟随管阈值电压不一 致还会
9、引入了固定图像噪声。图11(b)的CTIA读出结构可以稳定控制探测器 偏压,注入效率提高,线性度好,结构复杂,但面积和功耗相对较大,输入阻抗 与探测器电流无关8-161。本文依据新型OaAsInGaAs量子效应光电探测器的性能特点,设计TSMC0359m2P4M rl阱CMOS工艺CTIA型读出电路,经过对比 测试和分析,提出修改方案。12研究内容与方法首先分析CTIA读出结构的性能参数,考虑CDS抑制噪声原理,提出可削 弱像素串扰的源极跟随CDS电路。用TSMC0351tm2P4M n阱CMOS工艺对读 出电路进行设计、仿真、版图布局及验证,成功实现了流片。读出电路与光电探测器对接后封装入杜
10、瓦瓶,杜瓦瓶固定于光学平台,氦氖 激光器发射的激光经过衰减聚焦后辐照到单个探测器表面,用Agilent 6052A混 合信号示波器观察电路的工作时序,采集输出响应电压。改变光照强度、积分时 间、探测器偏压等条件,研究响应电压、噪声、动态范围、灵敏度等参数与工作 条件的关系,寻找探测器和电路匹配工作点。分析SI及CTIA读出结构的测试结果,针对传统CTIA结构难以兼顾灵敏度 和动态范围的缺陷,提出增益自动可调放大器结构,应用TSMC0359m2P4M n 阱CMOS工艺对改进的读出结构进行spectre仿真验证,获得可增强读出灵敏度, 拓展了读出动态范围的效果。13论文创新点(1)研究分析读出电
11、路的动态范围、灵敏度、噪声、输出摆幅及像素串扰 等性能参数,用TSMC0359m2P4M n阱CMOS工艺设计了CTIA_源极跟随CDS 读出电路,对设计方案进行仿真和版图设计,实现了流片。(2)对探测器与读出电路进行对接测试,依据测试结果分析动态范围、灵 敏度、输出摆幅及匹配工作点设置等,通过对SI及CTIA读出结构的测试结果 比较分析,提出改进方案。(3)依据微弱信号模拟前端接收放大器的测试结果,仿真设计了能够减少 外界影响的带隙基准源,能削弱共模噪声、增大差模增益的仪表放大器和带通滤 波器,结果表明电路输出信号包含的谐波分量及噪声得到削弱。2第二章量子效应光电探测器读出设计与实现21CT
12、 I A读出结构设计与分析光电探测器读出电路应考虑探测器的偏压控制、噪声、动态范围、灵敏度等 性能参数。1动态范围和灵敏度 动态范围定义为最大不饱和电流和最小可探测电流之比,其中最小电流定义为无光照条件下的噪声变化。假设探测器的响应电流可表示为im瓤=瓯积t劬和fmi。=qnoisetint,则动态范围【1刀:DR:201。g霉:201。g坠(2-1)lm证qmol9E可以看出,减小噪声电子数,增大最大电荷容量,可改进读出电路动态范围。 灵敏度定义为单位曝光量作用下器件的响应电压f1刀:舾:旦:垒型刍(2-2)HvHv式中,V。是读出电路输出的响应电压,Hv是探测器单元接受到的曝光量, 绋=i
13、啦。所以减小积分电容或延长积分时间可以提高灵敏度,但是减小积 分电容会减小读出电路的电荷容量,减小读出电路的动态范围。2噪声 CMOS电路主要包括MOS管和电容两种元件。MOS晶体管的热噪声产生于沟道中存在的热载流子。MOS晶体管工作频率小于100 KHz,其噪声主要是 1f噪声,即闪烁噪声:吃ll,:K一1(2-3)CV石ll,一oxWL一f式中,K是工艺常数,相同工艺下,PMOS管K值比NMOS管K值小30-60倍。 固定图形噪声称为空间噪声,是因为半导体材料和制造工艺的原因,读出阵 列每个像元电路的性能不一致而出现偏差,产生了阵列电路特有的空间噪声。由于读出结构和电路工作方式引入的积分和
14、采样电容都要通过MOS开关周期复 位或接通,MOS管开关等效的导通沟道电阻所产生的热噪声就加到电容上,从 而形成复位和读出噪声(KTC)is,19】。KTC噪声与探测器电容,读出电路总线电容和外部电容有关,均方根噪声值为丽。MOS管的热噪声计算公式:站I晴=等(24)在CMOS电路中,这些噪声会传输到后级,所以读出电路设计需考虑噪声处理。3CTIA积分精度 CTIA工作先复位开关导通,并把CTIA输出电压复位到Vc删硝:一阿2南+(25)式中A是运放的开环增益,Vos是运放的失调电压。当复位开关关断,通过电流 积分输出电压从基准电压开始减小或者增大至删肼。WcTIA_ref=南(+等p6,式中
15、,T是积分时间,I为积分电流,由于放大器的有限增益及失调电压的存在, 影响CTIA输出电压的精确性201。使输出摆幅和积分线性度变差,带来更大的固 定图形噪声(FPN)。CTIA读出结构是由运算放大器和负反馈网络构成的电压串联负反馈放大电 路,具有高增益,宽输出摆l幅,低等效输入噪声等性能的运算放大器才能使CTIA 很好地读出探测器信号。运算放大器具有足够开环增益,加负反馈时,闭环传输 函数与运算放大器的增益几乎无关,而且具备负反馈网络的运算放大器,一定程 度减少非线性失真,抑制反馈环内噪声,扩展带宽,改变运算放大器输入和输出 电阻等21,22。图2。1即是采用由差分跨导高增益级、补偿电路及共
16、源输出器等组 成的双端输入单端输出的两级运算放大器结构。CMOS电路中的噪声主要是MOS管的1f噪声及热噪声,表示如下:如百8kTg,+丽KF,Af(2-7)4其中,k为波尔兹曼常数,NMOS管的KF-lxlO。23FA,PMOS管的KF=5x10圳FAKN-半(28)KP:掣(2-9)矿因此,图21的两级运放结构总输出电压噪声谱密度e三:P三=g。,R;k二+P:,+尺?G:。P。2,+g:P。2:+g三,P。2,+g三。P二)】(210)电压噪声谱密度P,02除运放增益g卅。R。,R:,得等效输入电压噪声谱密度:如2晶1+(黔p运放主要工作在低频模式,故主要关注MOS管1f噪声:B2=。B
17、。V2Hz)(2-12)其中肚景代入上式儡铲2 2蠕2 x(舞p图21CTIA中运放的原理图为使运算放大器噪声尽量低,第一级差分放大器的增益要大,PMOS管为输入源 极耦合晶体管,第一级差分放大器的负载晶体管栅长应比输入晶体管更长,输入5源极耦合晶体管的宽长比尽量大。综合增益、带宽以及输入输出摆幅等参数,通 过计算确定各个MOS管宽长比【23】。图22运放的直流输出特性AC Rtsponse一。:一。 ;!7:一、j4bZ”Vl jn l!?:一一一,rreqlHz】图23运放的交流输出特性采用TSMC0359m2P4M n阱CMOS工艺对运放进行spectre直流输入扫描 仿真。从图22的直
18、流输出特性可以看出,运放输入电压22,34】区间,输出曲 线呈线性,说明运放的共模输入电压在该区间时,所有MOS管均工作在饱和区, 运放保持较高的开环增益。图22还表明,运放的共模输出摆幅为O349V,使 得CTIA具备较大的输出摆I幅。图23为运放的交流输出特性,可以看出,运放的开环增益超过90dB,单位增益带宽118M。可使CTIA结构稳定探测器的上电 极电压,有效读出一定带宽信号,确保CTIA读出的积分精度。两级运算放大器 间采用RC相位补偿,电阻采用MOS电阻,仿真结果表明运放的相位裕度接近 60度,可使其稳定工作在开环、带反馈的闭环等工作状态。图24为运放的等效 输入噪声仿真,可以看
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