Operating Conditions Proposal of Bandgap Circuit at Cryogenic Temperature for Signal Processing of Infrared Detector and a Performance Analysis of a Manufactured Chip

A stable reference voltage generator is necessary to the infrared image signal readout circuit(ROIC) to improve noise characteristics of signal originated from infrared devices, that is, to gain good images. In this paper, bandgap circuit operating at cryogenic temperature of 77K for Infrared image ROIC(readout integrated circuit) was first made. It demonstrates practical use possibility through taking measurements and estimations. Bandgap circuit is a representative voltage reference circuit. Most of bandgap reference circuits which are presented so far operate at room temperature, and their characteristic are not suitable for infrared image ROIC operating at liquid nitrogen temperature, 77K. To design bandgap circuit operating at cryogenic temperature, suitable circuit is selected and the parameter characteristics of used devices as temperature change are seen by a theoretical study and fitted at liquid temperature with considering such characteristics. This circuit has been fabricated in the Hynix 0.6um standard CMOS process, and the output voltage measured shows that the stability is 1.042±0.0015V over the temperature range of 60K to 110K and is better than bandgap circuits operated at room temperature.

적외선 탐색기 신호처리를 위한 극저온 밴드갭 회로 동작 조건 제안 및 제작된 칩의 성능 분석

적외선 소자로부터 생성되는 신호의 잡음 특성의 향상, 즉 좋은 영상을 얻기 위해서 적외선 영상신호 취득회로(ROIC)에서는 안정적인 기준 전압원이 필요하다. 본 논문은 극저온인 77K에서 동작하는 적외선 영상신호 취득회로(readout integrated circuit)를 위한 밴드갭 회로를 처음으로 제작한 후 측정, 평가하여 그 실용 가능성을 입증하고 있다. 밴드갭 회로는 대표적인 전압 기준회로로서 기존에 발표된 대부분의 밴드갭 회로는 실온에서 동작하는 것이며, 액체질소 온도 77K에서는 그 특성이 적합하지 않다. 본 논문에서는 극저온에서 동작하는 밴드갭 회로 설계를 위하여, 그에 맞는 회로를 선택하여 온도변화에 따른 사용되는 소자들의 파라미터에 대한 이론정립을 통한 그것의 특성을 살펴보고, 이러한 특성들을 고려하여 저온동작에 적합도록 하였다. 이 회로는 Hynix 0.6um standard CMOS 공정을 통해서 제작되었으며, 측정된 출력전압($V_{out}$)은 60K에서 110K까지 1.0396$\pm$0.0015V로서 기존의 실온에 동작하던 밴드갭 회로보다 더 높은 안정도를 보여주었다.