等效像元電路設計論文范文

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1電路結構設計

加入等效像元的單元讀出電路如圖1所示，該電路結構主要由以下三個本部分組成:等效像元(TheEquivalentBolometer)、MEMS像元(MEMSBo-lometer)、電容反饋互導放大器(capacitorfeedbacktrans-impedanceamplifier，CTIA)。

1.1MEMS像元和積分電路(CTIA)本論文中采用的氧化釩(VOx薄膜)制成的微機械系統(MEMS)，其電特性如下。由表1可知，MEMS的電特性主要是溫度的變化引起電阻值的變化，從而導致電流值發生變化，最后引起信號電壓的變化。當外界溫度發生改變時，MEMS像元中的有效像元的電阻值發生變化，導致其支路電流發生微弱的變化，其微弱的電流值(nA級別)由M4開關管流出。這一微弱的電流值通過積分電路轉換為一個電壓值。如圖1所示，該積分電路為一種傳統的CTIA型讀出電路結構。在偏壓VSK、VGSK、VGFID、VDET(VSS)和數字信號row_sel、integrate_en、rst_en的作用下(其中row_sel為行選通信號，integrate_en為積分使能信號，rst_en為復位信號)，有效像元Rab上產生的支路電流與盲像元Rbb上產生的支路電流之差得到的電流信號輸入到積分器上進行積分。微弱的電流信號就轉化成電壓信號。其中M1可調節有效像元支路電流值，M2為行選擇開關，M3可調節盲像元支路電流值，M4是積分使能開關，Rt-rim用于調節盲像元支路上的電阻，rst_en為數字信號控制的復位開關。

1.2等效像元電路等效像元電路的作用就是在晶元測試時替代MEMS像元產生一微弱的電流值，給積分電路一個測試信號。如圖1所示，用于替代盲像元功能的等效像元為“等效盲像元”，其結構包括由外部Pad直接控制的MOS管Mbeqv(MOSBlindEquivalent)和行選擇開關M2，pad提供的偏置電壓為VBEQV，row_sel_test1(數字信號提供)控制開關M2的選通;用于替代有效像元功能的等效像元為“等效有效像元”，其結構包括由外部Pad直接控制的MOS管Maeqv(MOSActiveEquivalent)和行選擇開關M2，pad提供的偏置電壓為VAEQV，row_sel_test2(數字信號提供)控制開關M2的選通。在等效像元工作過程中，row_sel_test1和row_sel_test2同時開啟，其時序和ROW_SEL一樣，VSK給等效盲像元提供偏置電壓。工作在飽和區的MOS管Mbeqv和MOS管Maeqv其D與S之間的電阻值與W/L，VGS、VTH的關系如。

2仿真結果分析

在盲像元電阻不變，VSK、VGSK、VGFID等偏壓值確定的情況下，積分電流隨有效像元電阻的變化如圖3所示。圖3中的橫坐標為有效像元的電阻值，縱坐標為積分電流值。由圖3可知積分電流的值隨有效像元阻值的減小而增大，其阻值(150～160kΩ)與積分電流(0～200nA)呈線性變化，變化率約為51.86nA/kΩ。由MEMS電特性和表1可知，R=160kΩ，當溫度從－20℃變化到80℃，其對應的電阻值降低了544Ω和2530Ω，對應的積分電流(信號電流)為47nA和217nA。說明溫差越大，電阻值變化也越大，對應的積分電流的值也越大。而圖3的仿真結果也說明了Rab與Rbb之間的值相差越大，對應的積分電流的值也越大。所以可以通過調節圖3中的Rab的電阻，來對應MEMS電阻的變化。在等效像元電路結構中，當偏置電壓VSK、VG-FID的值確定，積分電流隨VAEQV、VBEQV的變化如圖4、5所示。圖4、5中的橫坐標為等效像元柵壓VAEQV、VBEQV的值，縱坐標為積分電流的值。由圖4、5可知積分電流的值隨等效像元柵壓VAEQV、VBEQV的增大而增大，VAEQV平均每調節9mV變化10nA的電流，變化率約為10nA/9mV，其偏壓值與積分電流(0～200nA)也是呈線性變化。所示可以通過調節圖4和圖5中的VAEQV、VBEQV的值，模擬外界溫度的變化。仿真結果表明等效像元的電特性正好與MEMS像元的電特性一致，所以可用等效像元電路替代MEMS物理結構。

3測試結果分析

基于GlobalFoundry0.35μm工藝，對陣列大小為300×400的紅外面陣探測器讀出電路進行流片，圖6為ROIC陣列整體芯片照片，芯片面積為14mm×16mm。芯片中間的重復單元電路部分是單元電路，單元尺寸為25μm×25μm，重復單元的外圍是數字電路部分，即時序控制部分，最外圍是焊盤。圖7為圖6局部放大的照片即等效像元(等效盲像元和等效有效像元)的芯片照片，圖8為測試芯片的PCB板。因為積分電流為nA級別的電流，很難用儀器測量出來，但可以通過電容反饋互導放大器將電流轉換為電壓信號測量出來。對VBEQV=2.4V，VSK=5.3V，VGFID=3.933V，Vbus=2.65V等偏置電壓進行設定后，通過調節等效有效像元柵壓VAE-QV的值，產生0～200nA之間的積分電流，其對應的積分電壓值為2.65～3.38V，積分電壓與VAEQV值的測試結果如表2所示。圖9為積分電流Id=50nA對應的積分電壓值2.82V，滿足公式(2)。此測試結果表明:在ROIC表面尚未構成MEMS物理結構前，可以通過等效像元電路初步探測ROIC的電性能，篩除不良品。在CP之后和MEMS結構完成之后，等效像元不再啟用，等效像元行選擇信號始終關閉。

4結論

在充分分析MEMS物理結構(VOx薄膜)的工作原理及電特性后，設計了一種用于300×400紅外面陣探測器讀出電路的等效像元電路結構。該等效電路能夠模擬MEMS像元改變時支路電流的變化。測試結果表明，積分電流為0～200nA時，等效像元的電特性與MEMS像元的電特性一致，該等效象元電路結構可用于讀出電路的電性能測試，從而剔除不良品，減少封裝成本。

作者：戴山彪陳力穎邢海英王健楊曉龍單位：天津工業大學電子與信息工程學院