In this dissertation, the performance enhancement of Silicon CMOS readout circuit for infrared focal plane arrays has been studied. The readout circuit converts photocurrent induced in infrared detector array into raw video signal and recently, it has often limited the performance of IRFPA. For the improvements of the low noise readout circuit, a noise bandwidth suppression circuit and a smart TDI readout circuit are suggested in this study.
Noise property is the prime consideration in designing readout circuit. As results of noise analysis, it was noted that the output stage was a dominant noise source in readout circuit and its noise should be reduced. Thus, the noise bandwidth suppression (NBS) circuit is proposed and it can reduce output stage noise effectively. From experimental results, it was found that the NBS circuit reduced the output stage noise from 267 $\mu V$ to 168 $\mu V$ at 300 K. Using the NBS circuit, it is expected that the output stage noise will be about 86 $\mu V$ at the operation temperature of 77K and the readout circuit can satisfy near 95% BLIP condition.
TDI (time delay and integration) configuration is a method to effectively increase the integration time that an element is looking at a specific point in a scene. However, the integration capacitor in TDI should be larger because of the increased integration time, and thus it occupies almost whole area of a unit cell. Besides, TDI increased the number of dead pixels. Thus, in order to settle these problems, we proposed a smart TDI readout circuit performing background suppression, non-uniformity compensation, and dead pixel correction. In the proposed readout circuit, the integration capacitor size was reduced to 1/5 and trans-impedance gain increased by five times. The skimming current error was measured to less than 1.25 nA and the non-uniformity was reduced to 1.02 nA. Moreover, the dead pixel correction is expected to largely improve production yield and operability of IR detector chips
본 논문에서는 적외선 감지소자의 신호취득을 위한 실리콘 CMOS 회로의 성능 향상을 위한 설계 및 구현에 관하여 연구하였다. 신호 취득 회로는 적외선 감지소자 어레이로부터 발생된 광신호를 영상신호에 적합한 형태로 변환하는 기능을 수행하는 회로이며, 일반적으로 적외선 감지소자와는 서로 다른 기판에 제작된 후, 전기˙기계적인 연결을 통하여 하나의 적외선 센서 칩으로 구현된다. 이러한 센서 칩의 제작에 있어서 감지소자의 제작 기술은 초기에 비하여 상당한 발전을 보이고 있으므로 현재 신호취득 회로의 성능이 적외선 센서 칩의 성능을 결정하는 요소가 되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 기존의 발표된 회로에 비하여 더욱 향상된 성능을 갖는 새로운 구조의 신호취득 회로를 제안하여 구현하고 그 특성을 살펴보았다.
최근 연구되는 신호취득 회로는 크게 두 가지 방향을 갖고 있다. 하나는 작은 단위셀 면적에 저잡음 저전력 신호취득 회로를 구현하는 것이며, 또 하나는 신호취득 회로 내에 다양한 기능을 삽입하여 적외선 검출기의 특성을 향상시키는 것이다. 본 논문에서는 저잡음 신호취득 회로를 위한 잡음대역 억압 회로를 제안하며, 적외선 검출기의 성능을 개선하기 위해 신호처리 기능을 내장하는 스마트 신호취득 회로를 제안하였다.
중파장 대역의 적외선을 감지하기 위한 128 ×128 신호취득 회로를 설계하고 그 잡음을 분석한 결과, 출력단에서 발생하는 잡음이 지배적인 것을 확인할 수 있었다. 이에 출력단의 동작 속도는 유지한 채 잡음대역만을 억압하는 회로를 제안하고 제작하여 그 동작 특성을 측정한 결과, 300K 동작 온도에서 잡음대역 억압 회로를 사용할 때 출력단 잡음이 267 $\mu$Vrms에서 168 $\mu$Vrms로 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 적외선 검출기의 동작 온도인 77K에서는 출력 잡음이 84 $\mu$Vrms 정도로 감소하여 95% BLIP을 만족하리라 생각된다.
일반적으로 적외선 검출기의 잡음 특성을 개선하고자 TDI (time delay and integration) 회로가 사용된다. 그러나, TDI 회로는 잡음 특성이 개선되는 반면, 적분 커패시터의 크기가 커지고 불량 화소의 발생 확률이 증가하는 문제점을 가진다. 이를 해결하고자 본 논문에서는 배경전류 제거, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 신호처리 기능을 내장하는 스마트 신호취득 회로를 제안하였다. 이러한 신호취득 회로를 사용할 때, 적분 커패시터의 크기를 1/5로 감소시킬 수 있었으며, 전류대전압 이득 또한 5배 증가시킬 수 있었다. 제안된 신호취득 회로를 설계,제작하여 그 동작을 살펴본 결과, 배경 전류 제거, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 기능을 성공적으로 수행하였으며, 배경 전류 제거 오차가 ADC의 LSB/2인 1.25 nA 이하가 되고 배경 전류가 100 nA 이상으로 변화하더라도 배경 전류에 의한 불균일이 1.02 nA 이하가 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 불량 화소 복원은 적외선 센서 칩의 제작 수율을 매우 향상시킬 수 있을 것이다.
