In this study, pixelwise readout integrated circuit for uncooled infrared focal plane arrays was discussed. To reduce the noise of bolometers, two types of readout circuits have been suggested as follows: the current mirror gate modulation input circuit for bolometers and new pixelwise readout circuit which integrates the signal current pixelwisely and performs pixel level analog-to-digital conversion. Proposed input circuit is suitable to the pixelwise readout architecture due to its simple structure and low power consumption and a proposed pixel level A/D converter can reduce the noise and the power consumption. Using these methods, we can obtain the high performance IR images. Summaries of this work are as follows.
Noise performance is one of the most important factors in the design of readout circuits. The magnitude of the noise voltage depends on the noise bandwidth. An integrator is employed which limits the noise bandwidth to the frequency interval from 0 Hz to the reciprocal of the integration time, which is chosen to be equal to the pulse duration when using pulsed bias. The total noise decreases as the integration time increases. A high-performance pixelwise readout integrated circuit for a microbolometer was investigated. Responsivity was increased 1.5 times through the use of a current mirror gate modulation, and noise of the microbolometer was decreased through an increase in the integration time with a pixelwise readout architecture. Consequently, using an identical infrared detector, performance will be improved about 3 times by adopting the proposed readout circuit over a conventional readout circuit.
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 cables and IC chip counts 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. Although pixel-level ADCs have many advantages, conventional ADC architectures cannot be directly used for the pixel level ADC implementaion due to the limited chip area. We have introduced pixelwise readout integrated circuits with pixel-level ADC for microbolometers. An amplifier operates both as an integrator with a negative feedback capacitor and as a comparator. We could increase the integration time to 1ms using the pixelwise integration. It is sixteen times longer than that of the conventional one. The noise performance of the microbolometer is improved by the pixelwise readout structure because the Johnson noise, one of the largest noise sources, is in inverse proportion to the square root of the integration time. A single slope ADC is embodied in the pixel level using a comparator and an 8-bit DRAM. A two step integration method to reduce the integration capacitance could be realized using the pixel-level ADC. This readout circuit is designed and fabricated to achieve $35\times35\mum^2$ pixel size in0.35μm 2-poly 4-metal CMOS technology. The measured performance of the 8b A/D converter exhibited 0.4 LSB differential non-linearity (DNL) and 1.5 LSB integral non-linearity (INL). It showed the good performance that can apply for cooled type high density infrared detector array.
이 논문는, 비냉각형 초점면 배열 적외선 검출기를 위한 병렬 신호취득 회로에 관하여 연구하였습니다. 볼로미터의 소음을 줄이기 위하여, 2가지 타입의 병렬 신호취득 회로를 다음과 같이 제안되었습니다. 우선, 전류거울을 이용한 병렬 신호취득 회로 용 볼로미터 입력 회로를 제안하고 다음으로 필셀 안에서 신호 적분과 아날로그-디지털 변환을 하는 회로를 제안하였습니다. 제안한 입력 회로들을 이용하면 볼로미터의 잡음을 줄일 수 있고 소모 전력을 줄일 수 있기 때문에, 고성능 적외선 영상 시스템에 폭넓게 이용될 것으로 기대됩니다.
신호취득 회로를 디자인하는데 있어 잡음 특성은 가장 중요한 요소 중의 하나입니다. 잡음 전압의 크기는 잡음 대역폭에 비례하는데 잡음 대역폭은 적분시간에 반비례 하는 특성이 있습니다. 그러므로 대역폭을 줄이기 위해서 일반적으로 적분기를 이용하여 볼로미터의 전류를 적분한 후 신호를 읽어 들입니다. 일반적인 볼로미터는 열 별로 신호취득회로를 공유하는데 한 프레임 동안 여러 개의 픽셀을 읽어야 하기 때문에 픽셀당 적분시간이 비교적 짧습니다. 본 연구에서는 전류거울을 이용한 볼로미터 입력 회로를 제안하고 이를 이용해서 픽셀 안에서 신호 적분을 한 후 읽어내는 병렬 신호취득 회로를 설계하였습니다. 전류거울을 이용한 구조이기 때문에 높은 바이어스를 가할 수 있어서 응답도를 1.5배 향상 시킬 수 있었고 병렬 신호취득 회로 구조이기 때문에 일반적인 열 별로 공유하는 방식에 비해 적분시간을 16배 긴 1ms까지 증가시켜 잡음을 줄일 수 있었습니다. 따라서, 같은 볼로미터 감지 소자를 사용한 경우에 일반적인 구조의 신호취득 회로에 비해 3배정도 성능이 향상된 신호취득 회로를 구현하였으며 이렇게 구현한 칩은 저전력, 저잡음, 고속 동작을 하는 볼로미터를 이용한 적외선 영상 시스템에 사용 될 수 있을 것으로 기대됩니다.
적외선 검출기와 외부 신호처리 회로 사이에 아날로그 형태의 신호 전달은 외부 잡음 간섭에 매우 취약합니다. 그러나 아날로그-디지털 변환기를 신호취득 회로와 같이 집적할 경우, 신호취득 회로의 출력이 디지털이기 때문에 외부 잡음 간섭을 제거 할 수 있고 신호처리까지 한 칩에서 수행 할 수 있는 장점이 있습니다. 그러므로 시스템의 구조가 간단해 지고 신호라인과 IC 칩의 개수를 줄일 수 있습니다. 특히 픽셀레벨 A/D 변화기의 경우에 저잡음, 저전력, 높은 확장성 등의 장점이 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 픽셀 면적의 제약으로 인하여 일반적인 A/D 변환기 구조를 사용할 수는 없습니다. 그래서 본 논문에서는 적분기와 비교기 두 가지 모드로 동작하는 증폭기를 이용하여 픽셀 안에서 신호를 적분하고 A/D 변환을 같이 하는 신호취득 회로를 설계하였습니다. 병렬 신호취득 회로 구조를 사용하여 1ms의 긴 적분시간을 갖도록 설계할 수 있었기 때문에 전체 잡음을 일반적인 방법의 절반 수준인 2.8pA로 줄일 수 있었습니다. 픽셀 안에 집적된 비교기와 8-bit DRAM을 이용하여 단일 기울기 A/D 변환기를 픽셀 안에서 구현하였습니다. 이렇게 제작한 픽셀레벨 A/D 변환기는 0.4LSB DNL과 1.5LSB INL의 비선형성 특성을 보였습니다. 이렇게 설계한 신호취득 회로의 픽셀 크기는 $35\times35\mu m^2$ 이고 0.35μm 표준 CMOS 공정을 통해 신호취득 회로가 제작되었습니다.
