In this study, the readout circuit which improves signal to noise ratio and dynamic range was discussed for 2-D LWIR applications. Firstly, the two-step background suppression method was proposed to improve the signal to noise ratio for normal applications of LWIR FPAs. Secondly, the smart reset control method was introduced to improve the dynamic range for various applications of LWIR FPAs. Finally, new pixel level ADC was proposed to improve both the signal to noise ratio and dynamic range, and it realize the optimum solution of on-chip ADC for LWIR FPAs. Using these methods, we can obtain the high performance IR image. Though these methods are optimized for LWIR applications, they can be used for MWIR or visible ray.
In the readout circuit design for an infrared focal plane array, noise performance is a very important concern. Especially in LWIR applications, the improvement in SNR is proportional to the square root of the integration time. Therefore, it is necessary to use a large integration capacitor for long integration time. However, in a 2-D application, it is hard to locate a large integration capacitor in the pixel because of area limitation. To make matters worse, a LWIR HgCdTe detector has a large background current compared to its signal current in normal applications. To effectively overcome these problems, a current mode background suppression technique can be used. However, the previous designs are not available for 2-D LWIR applications because of large skimming error and refresh noise. To overcome these drawbacks, we proposed a novel readout circuit involving a two step current mode background suppression method. This method can effectively increase the SNR of image data because of its low noise characteristics. The readout circuit is expected to offer very small skimming error (<0.3 %) and long integration time (>2 ms) for an adequate calibration range.
In the normal applications where the target is far from detector and the target temperature is in medium range, the background suppression method is very good solution for improving SNR. However, wide dynamic range characteristic is also indispensable for more various situation and good image quality. The pixel level integration time control is excellent choice for wide dynamic range. In this method, on one hand, the readout circuit has low trans-impedance gain and enough handling capacity for high photon flux, on the other hand, it has high trans-impedance gain and large SNR for low photon flux. The smart reset control has been introduced to realize the pixel level integration time control and to overcome the drawbacks of the previous designs such as multiple sampling and conditional reset method. The readout circuit involving the smart reset control and two step background suppression is efficient solution for 2-D LWIR FPAs, and it has good characteristic in signal to noise ratio and wide dynamic range of about 95.4 dB.
Using on-chip A/D converter, the information can be transported as a more power efficient way in the digital domain, and on-chip signal processing for system-on-chip (SoC) can be available. Thus, the system design can be simplified, and the number of the cables and IC chips can be reduced. Pixel level ADC has many advantages over chip and column level ADCs. These include low noise, low power dissipation, scalability, and the ability to continuously observe the pixel outputs. To implement the on-chip ADC for 2-D LWIR FPAs and to overcome the drawbacks of the previous designs, we introduced the readout circuits involving semi-parallel type design or pixel level ADC, which are based on the current input extended counting ADC. Though the background current suppression and smart reset control is not used, we can improve the charge handling capacity, dynamic range, and signal to noise ratio by using the current input incremental ADC for conversion of MSBs.
이차원 배열 원적외선 검출기를 위한 신호취득 회로의 신호 대 잡음 비와 동작범위 특성을 향상시키고자 연구를 진행하였다. 먼저, 이 단계 암 전류 억제회로를 제안하여 제한적인 적용에 대해 신호 대 잡음 비를 개선하고자 하였다. 다음으로, 스마트 리셋 조정 방식을 제안하여 보다 다양한 적용에 대해 신호 대 잡음 비와 동작범위 특성을 개선하고자 하였다. 마지막으로, 새로운 픽셀 단위의 A/D 변환기를 제안함으로써, 신호 대 잡음 비와 동작범위 특성을 개선함과 동시에 원적외선 검출기에 적합한 on-chip A/D 변환기를 구현하고자 하였다. 이러한 연구 결과들을 통하여 보다 나은 적외선 영상을 얻을 수 있을 것이다. 제안한 연구 결과들이 원적외선 검출기에 최적화되어 있지만, 중적외선 및 가시광선 영역에도 충분히 효과적으로 적용할 수 있을 것이다.
적외선 영상을 위한 신호취득 회로를 설계할 경우, 잡음에 대한 고려가 무엇 보다 더 중요하다. 특히 원적외선 검출기의 경우, 신호 대 잡음 비는 적분시간의 제곱근에 비례하므로, 충분히 큰 적분 capacitor를 확보하는 것이 중요하다. 하지만, 이차원 배열 검출기의 경우, 제한된 픽셀 면적 때문에 큰 적분 capacitor를 사용하기가 쉽지 않다. 더구나 원적외선 HgCdTe 검출기의 경우, 보통의 적용에 있어서 암 전류가 신호 전류에 비해 매우 큰 값을 갖는다. 이러한 문제를 효과적으로 해결하기 위해 전류 방식의 암 전류 억제회로를 사용할 수 있다. 그러나 기존에 발표된 방식을 사용할 경우, 큰 오차와 잡음 때문에 효과적인 결과를 얻을 수 없으므로, 새로운 이 단계 암 전류 억제 방식을 제안하여 신호 대 잡음 비를 효과적으로 개선할 수 있었다.
다음으로, 보다 다양한 상황과 보다 나은 영상을 위해, 동작범위 특성을 고려해야 한다. 픽셀 단위로 적분시간을 조절하는 방식을 사용하면 넓은 동작범위를 가질 수 있다. 즉, 큰 입력 신호에 대해서는 짧은 적분시간을, 작은 입력 신호에 대해서는 긴 적분시간을 갖게 함으로써, 신호의 입력 범위를 넓히면서 동시에 신호 대 잡음 비를 개선하고자 하는 것이다. 이러한 원리를 구현하면서 기존에 발표된 방식의 문제점을 해결하기 위해 스마트 리셋 조정 방식을 제안하였다. 이 방식과 더불어 앞에서 말한 이 단계 암 전류 억제 방식을 함께 사용함으로써, 이차원 배열 원적외선 검출기에 매우 적합한 신호취득 회로를 구현하게 되었다.
On-chip A/D 변환기를 사용하여 신호를 전달할 경우, 시스템 구성이 간단해지면서 전력소모가 줄고 우수한 잡음 특성을 갖게 된다. 뿐만 아니라, on-chip 신호 처리가 가능해지면서 system on chip (SoC)을 구현하는 것이 가능하게 된다. 이러한 on-chip A/D 변환기는 픽셀 단위, 행 단위, 또는 chip 단위의 설계가 가능하다. 이 중에서 픽셀 단위의 A/D 변환기는 보다 우수한 잡음 특성을 갖고 전력 소비가 적으며 스케일링이 용이하다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라, 검출기의 출력을 지속적으로 관찰함으로써, 동작범위 특성을 개선하는 것에 도움을 줄 수 있다. 이차원 배열 원적외선 검출기를 위한 효율적인 on-chip A/D 변환기를 위해, 새로운 픽셀 단위의 A/D 변환기를 제안하였다. 기본적으로 전류 입력 extended counting A/D 변환기를 모델로 하여, charge handling capacity를 크게 향상함으로써 신호 대 잡음 비와 동작범위 특성을 크게 개선하고자 하였다.
