In this study, the readout circuits for a time delay and integration (TDI) array were discussed. Firstly, the readout circuit which improves signal-to-noise ratio (SNR) at low temperature is proposed for a satellite application. Next, a charge transfer readout circuit for an X-ray detector is proposed. Because some demerits of the TDI scheme can be solved by the proposed circuits, it is expected that the applications of the TDI scheme can be widen.
The TDI array is adopted for a polar orbit satellite because a linear array instead of a staring array is used and the TDI scheme increases the SNR of the linear array. IR images acquired from the polar orbit satellites can be used in night-vision and weather forecasting. The IR radiation cannot penetrate a cloud, thus the cloud top temperature can be obtained by the IR images captured by the polar orbit satellites. Although the cloud top temperature is important in forecasting weather, it varies widely depending on the altitude of the cloud. Thus, a novel readout circuit which shows good performance over wide input range is required for environmental satellites. This dissertation proposes a novel CMOS readout circuit for satellite IR TDI arrays. In the proposed circuit, an adaptive charge capacity control method is used to improve the SNR at low temperature. Typical readout circuits show poor performance at low temperature target because the readout noise instead of the shot noise which is dominant at room temperature is dominant at low temperature. To solve the problem, the proposed circuit has a radiation prediction circuit which classifies the incident radiation into three regions. The circuit allocates proper capacitor proportional to the incident radiation. Thus, the readout noise can be reduced by the reduced capacitor size. The readout circuit was fabricated with a 0.35 μm CMOS process. By using the circuit, the SNR is increased as large as 15dB at 200K and 10dB at 220K. In addition, a simple dead pixel elimination circuit is integrated on-chip. Thus, the effect of dead pixels can be removed.
The noise of an X-ray sensor is proportional to the number of X-ray quanta absorbed at an X-ray sensor. To minimize the exposed dose to patients, the absorbed X-ray quanta should be minimized. Thus, the TDI scheme is used for a panoramic X-ray imaging system because a linear array is used for a panoramic imaging system. The SNR of X-ray sensor is so poor, so a TDI array with large depth is generally used in X-ray imaging system. This dissertation proposes a novel CMOS charge transfer readout circuit for an X-ray time delay and integration (TDI) array with a depth of 64. The charge coupled device (CCD) technology is mainly selected to the TDI array with a large depth because CMOS TDI readout circuits have difficulties in enlarging the TDI depth, although the CMOS circuits have numbers of advantages over the CCD. In this study, a charge transfer readout scheme based on CMOS technology is proposed to sum 64 stages of the TDI signal. In addition, a dead pixel elimination circuit is integrated within a chip, thus resolving the weakness of TDI arrays related to defective pixels. The proposed method is suitable for TDI arrays with large depth, and thus a high SNR can be acquired. The readout chip was fabricated with a 0.6 μm standard CMOS process for a 150 $\times$ 64 CdTe X-ray detector array. The readout circuit was found to effectively increase the charge storage capacity up to 1.6 $\times 10^8$ electrons, providing an improved SNR by a factor of approximately 8. The measured equivalent noise charge resulting from the readout circuit was 1.68 $\times 10^4$ electrons, a negligible value compared with the shot noise from the detector which is thought to be 1.11 $\times 10^6$ electrons.
본 논문에서는 시간지연적분 배열을 위한 신호취득회로에 관해 논의되었다. 먼저 낮은 온도에서 신호 대 잡음비를 개선시키는 위성용 어플리캐이션을 위한 신호취득회로가 제안되었다. 다음으로, X선 검출기를 위한 전하전달방식의 신호취득회로가 제안되었다. 시간지연적분방식의 몇 가지 단점들이 제안된 회로들을 통해 해결될 수 있으므로, 결과적으로 시간지연적분 방식의 응용이 늘어날 수 있을 것으로 기대된다.
극궤도 위성에서는 이차원 배열 대신에 선형배열이 사용되고, 시간지연적분 방식은 선형배열의 신호 대 잡음비를 증가시키므로 극궤도 위성에서는 시간지연적분 방식이 사용된다. 극궤도 위성들로부터 얻어지는 적외선 영상들은 야시정보나 기상예보에 사용될 수 있다. 적외선 복사는 구름을 통과할 수 없으므로, 극궤도 위성에서 얻어지는 적외선 영상으로부터 구름고점온도가 얻어질 수 있다. 구름고점 온도는 기상예보에 있어서 중요함에도 불구하고, 구름의 고도에 따라 넓게 변한다. 따라서 기상위성을 위해서는 넒은 입력범위에 있어 좋은 성능을 보여주는 새로운 신호취득회로가 필요하다.
이 논문은 위성용 적외선 시간지연적분 배열을 위한 새로운 CMOS 신호취득회로를 제안한다. 제안된 회로에서는 낮은 온도에서 신호 대 잡음비를 개선하기 위하여 적응 전하용량 조절 방식이 사용되었다. 일반적인 신호취득회로들은 낮은 온도의 물체에 있어서 성능이 좋지 못하다. 왜냐하면, 검출기로부터 발생하는 샷 노이즈 대신에 회로 노이즈가 저온대역에서 크게 작용하기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 제안된 회로는 입사 복사량을 세가지 영역으로 나누는 복사량 예상회로를 가지고 있다. 제안된 회로는 입사된 복사량에 비례하는 적절한 커패시터를 할당하므로 감소된 커패시터의 크기 때문에 신호잡음도 같이 감소될 수 있다. 0.35 μm CMOS공정을 통해 신호취득회로가 제작되었다. 제안된 회로를 사용함에 따라 신호 대 잡음비가 200K 온도에서는 15dB만큼, 220K 온도에서는 10dB만큼 증가하였다. 게다가, 간단한 데드 픽셀 제거회로가 칩 안에 집적되었다. 따라서, 데드 픽셀에 의한 영향은 제거할 수 있게 되었다.
X선 센서의 잡음은 X선 센서에서 흡수된 X선 광자의 수에 비례한다. 환자에게 노출되는 X선량을 최소화하기 위해서 흡수되는 X선 광자는 최소화되어야 한다. 따라서, 파노라믹 영상시스템에서는 선형배열이 사용되므로 시간지연적분 방식이 파노라믹 X선 영상 시스템에 사용된다. X선 센서의 신호 대 잡음비는 나쁘므로 X선 영상시스템에서는 큰 깊이의 시간지연적분 배열이 일반적으로 사용된다. 본 논문은 64의 깊이를 갖는 X선 시간지연적분 배열을 위한 새로운 CMOS 전하전달 신호취득회로를 제안한다. CMOS회로가 CCD보다 많은 장점이 있음에도 불구하고, CMOS 시간지연적분 신호취득회로들은 TDI배열의 깊이를 늘이는데 어려움을 갖고 있으므로, CCD 기술이 큰 깊이를 갖는 시간지연적분 배열에 일반적으로 선택되었다. 본 연구에서는 CMOS기술에 근간을 둔 전하전달 방식이 64개 스테이지를 갖는 시간지연적분 신호를 처리하기 위해서 제안되었다. 추가로 데드 픽셀 제거회로가 칩 내에 집적되어서 데드 픽셀들과 관계된 시간지연적분 배열의 단점을 해결한다. 제안된 방법은 큰 깊이를 갖는 시간지연적분 배열에 적합하므로 높은 신호대 잡음비를 얻을 수 있다. 0.6 μm 표준 CMOS 공정을 통해 150 $\times$ 64 크기의 CdTe X선 검출기 배열을 위한 신호취득회로가 제작되었다. 신호취득회로는 전하용량을 1.6 $\times 10^8$ 개 전자만큼 증가시킬 수 있고 즉 대략 신호 대 잡음비를 8배 정도 개선시켰다. 측정된 신호취득회로로부터의 등가 잡음 전하량은 1.68 $\times 10^4$ 개 전자만큼이었고 이 값은 1.11 $\times 10^6$ 개 전자인 검출기로부터 발생하는 등가잡음전하량과 비교해서 무시할만한 수준이었다.
