A new readout integrated circuit is developed for application in an amorphous silicon-based microbolometer array with a pixel pitch of 35 μm. The proposed circuit lowers the power dissipation for a pixel-level analog-to-digital converter (ADC), which uses a comparator and a counter for its data conversion. The infrared current of a microbolometer is proportional to the resistivity changes of the microbolometer. Thus, the required number of counter operations for the pixel ADC can be determined according to the microbolometer current variation. The counting number precisely determines how much infrared flux is absorbed. A 14 bit counter should normally be used for the pixel ADC for this kind of operation. However, when the proposed current skimming scheme is adopted, the total bits for the counter in the pixel ADC can be reduced to 12 bits. Due to the proposed mechanism, the required operational speed of the comparator can lower than that of a conventional circuit. Consequently, the overall power dissipation in the comparator and counter is less than that of a conventional structure. This low power approach is very suitable in the pixel-level ADCs of microbolometers.
전류 스키밍을 통하여 전력을 적게 소모하며, 픽셀단위에서 데이터변환을 하는 비냉각형 적외선 영상센서인 마이크로 볼로미터용 신호취득회로가 제안되었다. 이 구조에서는 픽셀단위에서 신호취득 및 데이터변환을 하기 때문에 높은 신호 대 잡음 비율을 기대할 수 있다. 또한, 전류 스키밍으로 인해서 데이터변환을 위하여 픽셀 내부에서 사용되어야 하는 비교기와 카운터에 요구되는 동작 횟수가 줄어들어 저전력의 회로동작이 가능하게 된다.
0.18 μm CMOS 공정을 통하여 칩을 제작하였으며 여러 가지의 측정과정을 통해 성능을 검증하였다. 먼저, 설계된 신호취득회로의 노이즈 값을 확인하였으며, 그 값이 이 신호취득회로가 적용되어야 하는 마이크로 볼로미터의 노이즈 보다 적어서 사용에 문제가 없음을 확인하였다. 제안되는 회로의 가장 큰 장점인 전력 소모 면에서는 픽셀당 소모전력이 약 1.008 μW로서 기존에 비하여 약 2.6배 이상의 개선효과가 있었음을 확인하였다. 이와 같이 소모전력을 적게 하면서도 신뢰성 있는 신호취득 및 데이터 변환이 이루어지고 있는지를 살펴보게 되었는데, DNL의 값이 -0.4 LSB에서 0.35 LSB로 분포되어 데이터 변환 이후에 디지털 코드의 손실이 없는 것을 확인하였으며 변환범위 전 영역에서 단조증가가 보장되는 것 또한 확인하였다.
이로서 기존의 구조에 비하여 전력을 적게 소모하면서도 신뢰성 있는 데이터변환을 하는 마이크로 볼로미터용 신호취득회로를 설계하게 되었다.
