A $64\times64$ IRFPA CMOS Readout IC for Uncooled Thermal Imaging

비냉각 열상장비용 $64\times64$ IRFPA CMOS Readout IC

A CMOS ReadOut Integrated Circuit (ROlC) for InfraRed Focal Plane Array (IRFPA) detector is presented, which is a key component in uncooled thermal imaging systems. The ROIC reads out signals from $64\times64$ Barium Strontium Titanate (BST) infrared detector array, then outputs pixel signals sequentially after amplifying and noise filtering. Various design requirements and constraints have been considered including impedance matching, low noise, low power dissipation and small detector pitch. For impedance matching between detector and pre~amplifier, a new circuit based on MOS diode structure is devised, which can be easily implemented using standard CMOS process. Also, tunable low pass filter with single~pole is used to suppress high frequency noise. In additions, a clamping circuit is adopted to enhance the signal~to-noise ratio of the readout output signals. The $64\times64$ IRFPA ROIC is designed using $0.65-\mu\textrm{m}$ 2P3M (double poly, tripple metal) N~Well CMOS process. The core part of the chip contains 62,000 devices including transistors, capacitors and resistors on an area of about $6.3-mm\times6.7-mm$.

비냉각 열상장비의 핵심 부품으로 사용되는 InfraRed Focal Plane Array(IRFPA)용 CMOS ReadOut IC (ROIC)를 설계하였다. 설계된 ROIC는 64×64 배열의 Barium Strontium Titanate(BST) 적외선 검출기에서 검출되는 신호를 받아 이를 적절히 증폭하고 잡음제거 필터링을 거쳐 pixel 단위로 순차적으로 출력하는 기능을 수행하며, 검출기 소자와의 임피던스 매칭, 저잡음 및 저전력 소모, 검출기 소자의 pitch 등의 사양을 만족하도록 설계되었다. 검출기 소자와 전치 증폭기 사이의 임피던스 매칭을 위해 MOS 다이오드 구조를 기본으로 하는 새로운 회로를 고안하여 적용함으로써 표준 CMOS 공정으로 구현이 가능하도록 하였다. 또한, tunable 저역통과 필터를 채용하여 신호대역 이상의 고주파 잡음이 제거되도록 하였으며, 단위 셀 내부에 클램프 회로를 삽입하여 출력신호의 신호 대 잡음비가 개선되도록 하였다. 64×64 IREPA ROIC는 0.65-㎛ 2P3M (double poly, tripple metal) N-Well CMOS 공정으로 설계되었으며, 트랜지스터, 커패시터 및 저항을 포함하여 약 62,000여개의 소자로 구성되는 코어 부분의 면적은 약 6.3-{{{{ { mm}_{ } }}}}×6.7-{{{{ { mm}_{ } }}}}이다.