新型紅外線偵測器陣列之互補式金氧半電流讀出積體電路設計與分析

Abstract

本論文提出並分析新型互補式金氧半(CMOS)電流讀出電路設計技巧製作運用在紅外線偵測器陣列光訊號讀出之積體電路晶片，並搭配由中華電信研究所所開發出的紅外線感應器陣列完成整個紅外線偵測系統的設計。讀出電路為紅外線影像偵測系統中偵測器陣列輸出訊號至後級訊號處理之間的重要介面電路。本論文提出了新型電流之讀出電路架構，並以互補式金氧半製程技術完成電路的設計與模擬。 根據傳統的架構『閘極調變輸入』(Gate Modulation Input-GMI)與『緩衝閘極調變輸入』(Buffered Gate Modulation Input-BGMI)讀出電路。我們使用共半電路的技巧，節省一半的電路面積與功率消耗，並且提供了一高穩定性偏壓、低雜訊、高注入效率(injection efficiency)的偏壓電路。在輸入級方面，本論文提出一新型互補式金氧半讀出電路技術稱為『改進式緩衝閘極調變輸入』(Improved Buffered Gate Modulation Input)亦完成設計。 在此設計終將積分電容移入輸入單元中，以提高讀出的速度。並且使用了高擺幅疊接式的電流放大器以消除爾利效應對電流增益的影響以得到穩定的電流增益同時提高線性度。此外輸出級使用了動態放電輸出級(dynamic discharge output stage)，此電路運用動態開關有效的增加讀出速度，並只消耗了動態功率(dynamic power dissipation)，完成一低功率消耗、高讀出效能的讀出電路。 在設計電路的過程中使用TSMC所提供的0.35 um 2P4M的製程進行設計與模擬。電路模擬結果完成的64 x 64 BGMI讀出晶片最快的讀出速度為10MHz、單元電路面積為30 x 30 □m2、功率消耗為 25 mW、最大的輸出擺幅為0.75V並且可以達到99.98%的線性度。 由模擬結果可以得到改進式緩衝閘極調變輸入可以得到很好的線性度、較低的雜訊同時只消耗較小的單元面積，由此可以看出改進式緩衝閘極調變輸入是很適合作為紅外線影像系統的讀出電路架構。 此設計好的晶片將會下線量測，根據量測的結果將會再進一步設計更高讀出速度以及更大的面積的紅外線影像系統讀出電路。