Realization of readout integrated circuit (ROIC) for an array of 72×4, P-on-N type HgCdTe long wave infrared detectors

Abstract

Kızılötesi görüntüleme sistemleri medikal görüntüleme, güdümlü füze ve gözetleme sistemlerigibi stratejik uygulamalarda kullanılan önemli, yüksek teknoloji içeren sistemlerdir. Busistemlerin iki en önemli bileseni dedektör ve okuma devresidir (ROIC). Her iki bilesen desistemin en yüksek performansla çalısabilmesi için dikkatli tasarım ve uygulama gerektirir.Dedektör kızılötesi ısımayı foton akımına dönüstürerek okuma devresine gönderir. Dedektöraynı zamanda sistemin hangi dalga boyunda çalısacagını ve gürültü performansını belirler.Okuma devresi (ROIC) ise dedektör ile görüntü sinyalini isleyecek olan mikrodenetleyiciarasında bir arayüzdür, ve dogrusallık, salınım aralıgı, foton akımının yüksek oranda alınması,gürültü performansı, güç tüketimi gibi sistem performansını belirleyen önemli parametreleribelirler. Bu sebeple istenilen özelliklere uygun ve uygulamaya en iyi sekilde cevap verebilecekokuma devresini (ROIC) tasarlamak ve uygulamak önem teskil eder.Bu tezde N katmanı üzerine P katmanıyla olusturulmus, 72×4 HgCdTe kızılötesi dedektör dizisiiçin, 0.35 ?m'lik AMS üretim sistemiyle bir CMOS okuma devresi (ROIC) tasarlanmıs vefiziksel serimi yapılmıstır. Okuma devresinin giris hücresi olarak akım aynalamalı entegrasyon(CMI) kullanılmıstır. Daha iyi sinyal-gürültü oranı (SNR) için sinyal isleme algoritması olarak 4piksel üzerinde 3 örnekleme ile uygulanan zaman geciktirmeli entegrasyon (TDI) teknigikullanılmıstır. Tasarlanan okuma devresinin çift yönlü tarama yapabilme, hatalı piksel belirleme,belirlenen hatalı piksellere göre piksellerin seçilip seçilmemesinin tayin edilebilmesi, hatalıpiksellere göre otomotik kazanç ayarı yapılabilmesi, degisken kazanç seviyeleri seçebilme,degisken zamanlarda entegrasyon yapabilme ve seri/paralel olarak programlanabilme özelliklerimevcuttur. Kazanç seviyesi, tarama yönü, hatalı piksel bilgisi, okuma devresinin operasyonmodu seri/paralel arayüz tarafından programlanabilir. Okuma devresinin çalısma frekansı 5MHz, çıkıs salınım aralıgı ise 2.8 V'tur.

Infrared Focal Plane Arrays (IRFPAs) are important and high-tech systems, which are used inmany strategic applications, such as medical imaging, missile guidance, and surveillancesystems. The most important building blocks of IRFPAs are detectors and Readout IntegratedCircuit (ROIC). Both of them need careful design and implementation for the overall system tobe succesful. Detector part produces the photon induced current and sent to the input of ROIC.Detector design and fabrication determines the operating wavelength and main noiseperformance of the imaging system. On the other hand, ROIC is the interface element betweenthe detector and microcomputer of the IRFPA system, and determines important performanceparameters of the overall system; such as linearity, dynamic range, injection efficiency, noiseperformance (less effective than detector), and power consumption. Therefore it is important todesign and implement a ROIC, that fits best to the desired application.In this thesis, a CMOS ROIC is designed and implemented for scanning type of 72×4 P-on-NHgCdTe detector array in 0.35 ?m, 4 metal 2 poly AMS CMOS process. Current MirrorIntegration (CMI) is used as the unit cell of the ROIC. For the signal processing, Time DelayIntegration (TDI) over 4 elements with an optical supersampling rate of 3 is used for improvedSignal-to-Noise Ration (SNR). The designed and implemented ROIC has the properties ofbidirectional scanning, variable integration time, adjustable gain settings, bypass functionality,automatic gain adjustment, and pixel selection/deselection functionality. ROIC is programmablethrough a serial and a parallel interface. Gain settings, TDI scanning direction, information ofmulfunctioning pixels, ROIC operation mode (test or TDI) can be programmed by using theseinterfaces. Operating frequency of the ROIC is up to 5 MHz, while the dynamic range is 2.8 V.