Realization of low power, highly linear roic with current mode TDI for long wave infrared detectors

Abstract

Kızılötesi görüntüleme sistemleri biomedikal görüntüleme, gözetleme sistemleri, gece görüşü ve astronomi gibi çok çeşitli sivil ve askeri alanlarda uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Kızılötesi görüntüleme sistemleri 4 ana bölümden meydana gelmektedir bunlar optik dedektör okuma devresi ve sayısal sinyal işlemedir. Dedektör bölümü sistemin çalışır dalga boyunu ve çalışma sıcaklığını belirler. Okuma devresi ise dedektörle sinyal işleme kısmını birleştircen en kilit bölümdür. Okuma devresinin dizaynı çok kritiktir, çünkü dedektörden gelen bilgi sinyal işleme bölümüne yüksek hassasiyette ulaştırılmalıdır. Okuma devresinin sistem performansını belirleyen parametreler şu şekilde sıralanabilir; gürültü işaret oranı (SNR), doğrusallık, girişe yansıtılmış gürültü seviyesi ve dinamik aralık.Bu tezde, 6x7 lik merkür kadmiyum tellür uzun dalga boylu kızılötesi dedektör dizini için CMOS entegre okuma devresi (ROIC) tasarımı sunulmuştur. Dizayn edilen 6x7 ROIC 576x7 lik tüm sistemin temel parçasıdır. ROIC dizaynında AMS 0.35µm, 4-metal 2-poli CMOS teknolojisi kullanılmıştır. Dizaynda önyükselteç olarak direk enjeksiyon topolojisi gürültü performansı açısından tercih edilmiştir. SNR seviyesini arttırmak için yedi dedektör üzerinde üçlü örnekleme ile zaman geciktirmeli toplama (TDI) kullanılmıştır. TDI bölümü kapasitör kullanan topolojilerin aksine toplanan akımları saklamada akım bazlı hafızalar kullanmaktadır. Bu özel tasarım diğer topolojilere göre yüksek doğrusallık, düşük alan ve düşük güç tüketimi sağlanmaktadır. Diğer topolojilerle karşılaştırıldığı zaman, %99.9 doğrulsallık 2.5 kat daha küçük alan ve kanal başına 28 µW'lık çok düşük güç tüketimine sahiptir. ROIC bunun dışında TDI'da iki yönlü tarama, programlanabilir kazanç ayarları ve programlanabilir entegrasyon süresi gibi özellikleri seri ve paralel arayüz üzerinden sunmaktadır. ROIC 1 MHz'de 3.75 V'luk dinamik aralıkta ve 1000 rms elektron girişe yansıtılmış gürültü seviyesi ile çalışmaktadır.

Infrared (IR) imaging systems can be used for variety of civil and military applications such as medical imaging, surveillance, night vision and astronomy applications. An IR imaging system composed of four main elements; optics, detector, readout electronics and digital signal processing unit. Detector part determines operation wavelength and temperature. Readout electronic is a key element between detector and signal processing units. Thus, design of readout electronic is very critical; detector information should be transferred with highest accuracy. System performance parameters of readout electronic can be enumerated as follows: signal-to-noise ratio (SNR), linearity, input referred noise level and dynamic range.In this thesis, design of a CMOS readout integrated circuit (ROIC) for an array of 6x7, p-on-n type mercury cadmium telluride (HgCdTe) long wave infrared (LWIR) detectors is presented. Designed 6x7 ROIC is a fundamental part of 576x7 full ROIC system. AMS 0.35µm, 4-metal 2-poly CMOS process is used in the design of ROIC. Preamplifier of ROIC is direct injection (DI) type due to noise performance. In order to increase SNR, time delay integration (TDI) on 7 detectors is applied with a supersampling rate of three. TDI stage implemented as current mode with current memories rather than capacitances to store integrated charges. This particular novel current mode TDI design in this thesis brings superior features over other topologies like high linearity, low area and very low power consumption in comparison with capacitor based topologies. 99.9% linearity is achieved with 2.5 times smaller area with very low power consumption (28µW per channel) compared to other topologies. ROIC has additional features of bidirectional TDI scanning, programmable five gain settings, and programmable integration time by serial/parallel interface. ROIC operated at 1 MHz with an output dynamic range of 3.75V and input referred noise of 1000 rms electrons.