In this dissertation the improved readout circuit for infrared focal plane arrays has been studied. For the improvements of the readout circuit, several ideas have been suggested. The first one is about a new input circuit of current mirroring direct injection and the second and third ones are about signal processing techniques.
Readout integrated circuits are composed of several functional blocks. Among these functional devices, the input circuit is the most significant block for the performance of the total circuits. As a new input circuit, we have proposed current mirroring direct injection (CMDI) circuit. The CMDI input circuit can control detector bias automatically and almost 100 % injection efficiency can be obtained even for low $R_DA$ values because we can achieve nearly zero input impedance with this new input circuit. Compared with previous other input circuits, it is expected to have also many advantages such as small area, low power consumption and detector bias stability. The function and performance of the proposed CMDI readout structure has been verified by HSPICE simulation and the measurements on a readout circuit designed and fabricated for MWIR 1×128 staggered linear HgCdTe infrared detector arrays using 1.2 ㎛ single-poly-double-metal N-well CMOS technology.
we have also proposed new techniques for on-chip signal processing circuitry. First one is about the new concept of background suppression method, and second one is about time delay integration circuit implementation using CMOS switches and MOS capacitors.
When 2-D scanning array are used for IR imaging systems, the technique of time delay integration (TDI) can improve the performance. The TDI circuit is most commonly implemented utilizing a CCD, however it requires special fabrication process and high voltage driving clock inputs. A CMOS circuit for TDI operation is suggested and fabricated. It has really simple structure, and from the experimental results, we were able to verifym its successful operation.
The conventional concept of background current skimming is to remove a constant amount of background charge or current from each detector element. However it is difficult to make a set of exactly same current sources for every unit cells. We propose a new background current skimming method. This method is based on subtracting and just integrating the difference current between adjacent detectors. It can be easily implemented using CMDI input circuit. The function and performance of the proposed 'difference-signal' readout structure has been verified by HSPICE simulation and the measurements on a designed and fabricated 64×64 2-D readout circuit using 0.65 ㎛ single-poly-triple-metal CMOS technology.
본 논문에서는 적외선 감지소자의 신호취득을 위한 silicon CMOS 회로의 설계 및 구현에 관하여 연구하였다. 신호 취득 회로는 감지소자로부터 발생된 광신호를 영상신호에 적합한 신호로 바꾸어 주는 기능을 하는 회로이며, 일반적으로 적외선 감지소자와는 서로 다른 기판에 제작된 뒤, 전기ㆍ기계적인 연결을 통하여 하나의 적외선 센서 칩을 구현하게 된다. 이러한 센서 칩의 제작에 있어서 현재 감지소자의 제작 기술은 초기에 비하여 상당한 발전을 보이고 있으며, 정작 센서 칩의 특성을 제한하는 요소가 신호 취득 회로에 있다 할 정도로 뛰어난 성능의 신호 취득 회로 설계가 요구되고 있다. 본 논문에서는 기존에 발표된 회로에 비하여 더욱 향상된 성능을 갖는 새로운 구조의 신호 취득회로를 제안하여 직접 구현하고 그 특성을 평가하였다.
적외선 감지소자의 신호 취득 회로 설계에 있어서 가장 중요하게 고려되어야 하는 부분은 감지소자와 직접적으로 연결되는 입력회로의 구성과 설계이다. 신호 취득 회로의 입력회로는 적외선 감지소자와 1대1로 대응되어 감지소자의 수만큼 회로 내에 반복 구현되기 때문에 전체 회로의 거의 대부분의 면적을 차지하게 되고, 또한 거의 모든 광신호의 일차적인 처리가 이루어지는 곳이기 때문에 전체 회로의 성능을 좌우하는 곳이기도 하다. 본 논문에서는 전류 거울 (current mirror) 회로를 이용한 새로운 구조의 입력회로를 제안하여 향상된 성능의 신호 취득 회로를 구현하였다. 많은 응용분야에서 적외선 센서 칩의 고밀도화가 요구되면서 어레이의 화소 수는 많아지고 단위 화소의 면적은 작아지게 되었고, 이에 따라 적은 수의 회로소자를 이용하여 고성능의 신호 취득 회로를 구현하는 일이 중요하여 졌다. 또한, 여러 개의 입력 회로들이 반복적으로 구현되어질 때 모두 균일한 특성을 가질 수 있도록 설계되어야 하는데, 기존의 입력 회로들은 전체 회로에서 보이는 MOS 트랜지스터들의 문턱 전압의 차이로 인하여 균일한 특성의 회로를 구현하기가 어려웠다. 본 논문에서 제안한 새로운 입력회로는 이러한 문제점을 개선하여 기존의 입력 회로에 비하여 3배 정도 향상된 균일성을 보장하며, 작은 면적에도 구현이 가능하고, 또한 아주 작은 입력저항을 갖게 되어 감지소자에서 흘러나오는 광전류를 손실 없이 읽어 들일 수 있어서 높은 주입 효율을 얻을 수 있음이 확인되었다. 또한 본 회로는 아주 작은 전류로 구동하게 되므로 전력소모 면에서도 큰 장점을 갖게 된다.
본 논문에서는 또한, 새로운 방법으로 적외선 신호의 배경 신호를 억제하는 기능의 신호 취득 회로를 제안한다. 이 새로운 배경 신호 억제 방법은 기존의 각 셀 마다 일정량의 전류를 일괄적으로 제거하는 방법이 아닌, 각각의 인접 셀 간의 전류 차를 구하여 그것을 적분 캐패시터에 저장하였다가 출력하는 방법으로, 기존의 방법에서 각 셀 마다 똑같은 일정량의 전류를 만들어 주기가 어려워 발생했던 문제를 해결할 수 있게 된다. 이처럼 인접 셀 간의 전류 차만을 적분하는 회로는 앞서 제안한 새로운 입력 회로를 이용하여 쉽게 구현 될 수 있으며 또한 새로운 입력 회로의 많은 장점을 갖게 되어 좋은 특성의 신호 취득 회로를 구현할 수 있게 된다. 제안 된 방식의 배경 신호 억제 방법을 이용하여 45㎛×45㎛ 화소 면적의 64×64 적외선 감지 소자 어레이를 위한 신호 취득 회로를 설계, 제작하였으며, 그 동작을 확인하였다.
신호 대 잡음비의 향상을 위하여 사용되는 ‘시간 지연 적분’ 방식의 신호취득 회로는 일반적으로 지금까지 CCD를 이용하여 구현되어졌다. 하지만 CCD는 일반적인 실리콘 CMOS 공정과는 다른 별도의 공정을 필요로 하며, 또한 단위 면적당 처리할 수 있는 전하의 양이 한정되어 있고, 높은 게이트 구동 전압으로 인한 신호 간섭등의 단점이 있다. 본 논문에서는 CMOS switch와 MOS 케패시터를 이용한 간단한 구조의 신호취득 회로를 제안하여 설계, 제작하여 성공적인 동작을 확인하였다.
