In this dissertation, the two readout integrated circuits (ROICs) which can reduce a noise and power dissipation of the infrared image system are proposed. The first circuit is a low-noise ROIC with ‘self-selected capacitor technic’, and the second circuit is a low-power ROIC with ‘multi phases-gray code counter’.
The first circuit was proposed for the short wavelength infrared(SWIR) especially. The SWIR sensor can make user-friendly image similar to visible light. However, the gap of the signal level between day and night is very large because the SWIR sensor is strongly affected by the ambient light. For this reason, the ROIC which can satisfy not only low noise at the night, but also wide dynamic range at the day was designed. The proposed circuit with self-selected capacitor technique can operate independently in each pixel, and it has low noise of 43 electrons with 101dB wide dynamic range.
The second circuit was designed for a low power ROIC that reduce the power dissipation of the analog-to-digital converter (ADC) to improve the portability of the infrared image system. The conventional column-level single slope ADC was suitable for low power ROIC because its simplicity, however it needs a high frequency clock which constitute the LSB(Least Significant Bit) for the latest performance requirement. The high frequency clock increases the power dissipation, and heavily influenced by a jitter and RC delay which cause a conversion error. Therefore, the high performance single-slope ADC with ‘multi phases-gray code counter’, ‘CTIA ramp generator’, ‘multi-stage comparator’ was proposed to reduce the clock frequency for LSB. The proposed circuit has 14-bit resolution with power dissipation of the 160uW/column.
본 논문에서는 적외선 영상 시스템을 위한 신호취득회로(Readout Integrated Circuit, ROIC)의 잡음 및 전력 소모 감소를 위한 두 가지 회로를 제안하였다. 첫 번째 회로는 ‘self-selected capacitor technic’을 적용한 저잡음 ROIC에 관한 것이며, 두 번째 회로는 ‘multi phases-gray code counter’를 통한 저전력 ROIC에 관한 연구이다.
첫 번째 회로는 적외선 영역 중에서도 특히 short wavelength infrared(SWIR)를 위해 제안되었다. SWIR 센서는 가시광선과 유사한 높은 분별력의 영상을 만들어 낼 수 있지만, 주변 광량에 민감하게 반응하여 밤과 낮일 때 생성되는 신호 크기의 차이가 매우 크다는 문제점이 있다. 따라서 밤에 발생하는 작은 신호를 읽어 들이기 위한 저잡음 특성과 낮에 발생하는 큰 신호를 읽기 위한 wide dynamic 특성 모두를 만족하는 ROIC를 제안하였다. 제안한 회로는 ‘self-selected capacitor technic’을 통하여 각 pixel 별로 신호 크기에 따라 독립적으로 동작할 수 있으며, 43 electrons의 낮은 잡음과 101dB의 넓은 dynamic range를 갖는 것을 확인하였다.
두 번째 회로는 적외선 영상 시스템의 휴대성 향상을 위한 저전력 ROIC에 관한 것으로, Analog-to-digital converter(ADC)의 전력 소모를 낮추고자 제안되었다. 기존의 column-level single slope ADC는 구조가 단순하여 저전력 ROIC에 적합하지만, 적외선 영상의 요구성능이 높아지면서 LSB(Least Significant Bit)를 구성하기 위해 매우 높은 주파수 클럭이 필요하게 된다. 높아진 주파수 클럭은 전력 소모를 증가시키며, jitter 및 RC delay에 영향을 받아 변환 에러를 발생시킨다. 따라서, 고성능 single slope ADC의 LSB를 위한 주파수 클럭을 낮추기 위하여 ‘multi phases-gray code counter’와 ‘CTIA ramp 신호 생성기, Multi-stage 비교기’를 제안 및 적용하였다. 제안한 회로는 14-bit 해상도의 160 uW/column의 낮은 전력 소모를 갖는 것을 확인하였다.
