In this thesis, the readout circuit for capacitive infrared detector is proposed. The most important requirements of readout circuit are low noise characteristic and high signal to noise ratio(SNR) not to restrict the performance of detectors. The integration method is used to conventional readout circuits for infrared detectors, storing the charges into the integration capacitor for a time to increase the SNR. However, in spite of the merits, integration method is not acceptable due to very large integration capacitance and narrow noise bandwidth hence integration is meaningless.
To solve the problems, non integration method like source follower is proposed for the readout circuit of capacitive infrared detector. Because no current flows from the capacitive detector for dc bias, the method which the voltage variation of sensor is directly transferred to the next stage is used.
The most dominant noise is the low frequency noise component such as kT/C noise due to the small capacitance, 16~6fF. To reduce the low frequency noise, CDS(Correlated Double Sampling) technique is adopted.
By CDS circuit, the rms noise voltage of proposed circuit is reduced from 30% to 55%. The NETD(Noise Equivalent Temperature Difference) of fabricated capacitive detector is 20.9mk and when CDS circuit is added the NETD of proposed circuit for 16fF is 5.2mK then the NETD of the overall system is 21.5mK. The difference of NETD between detector and total system is only 0.6mK. This result is satisfied with the condition that the readout circuit should not limit the performance of detector.
Designed circuit is fabricated by Hynix/Magnachip 0.35㎛, 2 poly, 4 metal standard CMOS process.
커패시티브 적외선 감지소자의 신호 취득 회로를 설계하였다. 기존의 저항 형태의 감지소자에 적용되었던 적분 방식은 신호 대 잡음비를 증가시키는 좋은 점이 있으나, 커패시티브 형태의 감지소자로서는 적용이 불가능하였다. 매우 큰 적분 커패시턴스로 인해 레이아웃 사이즈가 매우 커지게 되었고, 전류의 비 선형성도 문제로 제기되었다. 또한 좁은 노이즈 대역폭 때문에 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해 적분 시간을 길게 하는 것도 의미가 없게 되었다.
이런 문제점들을 해결하기 위해 Source follower와 같은 비적분 방식을 적용하였다. 감지소자의 작은 커패시턴스로 인해 주된 잡음 성분은 kT/C 잡음과 같은 저주파 성분의 잡음이다. 이러한 저주파 성분의 잡음을 줄이기 위해 CDS 를 적용하였다. CDS는 ON 상태의 전압과 OFF 상태의 전압을 샘플링 한 후, 두 값의 차이를 출력값으로 함으로써 ON, OFF 상태 모두에 포함되어 있는 옵셋과 같은 DC 성분을 제거하는 방법이다. CDS를 적용한 결과 RMS 잡음 전압이 30%~55%까지 줄어드는 것을 확인하였다. 이 신호 취득 회로는 하이닉스/마그나칩 0.35㎛ 2 Poly, 4 Metal의 표준 CMOS 공정을 통해 제작되었고, 커패시터는 2 Poly 로 제작되었다.
감지소자의 NETD가 20.9mK인데, CDS를 적용하였을 경우 신호 취득 회로의 NETD 는 5.2mK이었고, 이로부터 감지소자와 신호 취득 회로가 결합되었다고 가정하고 전체 시스템의 NETD를 구해본 결과 21.5mK으로 이는 감지소자의 NETD와 비교했을 때, 0.6mK 밖에 차이가 나지 않았다. 신호 취득 회로를 설계할 때 가장 고려해야 할 사항은 신호 대 잡음비를 증가시키는 것과 이 신호 취득 회로가 감지소자의 성능을 제한하지 않는 것이다. 아무리 우수한 성능의 감지소자라 할지라도 신호 취득 회로의 성능이 우수하지 못하면, 오히려 감지소자의 특성을 제한하게 된다.
위의 결과로부터 제작된 신호 취득 회로는 감지소자의 성능을 거의 제한하지 않는다고 말할 수 있다.
