摘要：介紹了紅外焦平面陣列信號處理電路的發(fā)展概況。重點描述了CCD多路傳輸器（CCD-MUX）、時間延遲積分CCD（TDI-CCD）、MOSFET、CMOS多路傳輸器（CMOS-MUX）的基本結(jié)構(gòu)、工作方式及應(yīng)用領(lǐng)域。最后給出了多路傳輸器件的兩種應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞：多路傳輸器 紅外探測器 紅外焦平面陣列 信號處理電路

未來紅外系統(tǒng)（如熱成像系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)）中的信號探測幾乎都將建立在紅外探測器焦平面陣列的基礎(chǔ)上。利用紅外焦平面陣列（IRFPA）可簡化或取消光機掃描以改善系統(tǒng)性能。紅外焦平面陣列器件是把包含大量敏感元且需恒低溫操作的器件封裝起來的新型結(jié)構(gòu)。在這種新式結(jié)構(gòu)中,由紅外探測器（IRD）輸出的電信號的處理是在焦平面上完成的。人們通常把信號處理在探測器的同一塊襯底上進行的方式稱為單片式IRFPA紅外處理方式,而把紅外探測器（IRD）分別制備在不同襯底上,然后進行錮柱倒裝互連而成方式稱為混合式IRFPA。紅外探測器（IRD）有各種不同的類型,如光伏型（PV）銻化銦IRD、光導(dǎo)型（PC）、HgCdTe、PbS、PbSe、PhSnTeIRD、金屬硅化物（Pd2Si、PtSi、IrSi）二肖特基勢壘紅外探測器（SBIRD）、異質(zhì)結(jié)勢壘（SiGe/Si）內(nèi)光電發(fā)射IRD、超晶格量子阱（AlGaAs/GaAs、SiGe/Si）IRD等。同時,它們也有各種不同的信號處理電路,如SCCD、BCCD、MCCD、SCD、TDI-CCD、MOSFET開關(guān)、CMOS靜態(tài)（或準(zhǔn)靜態(tài)）移位寄存器多路傳輸器（CMOS-MUX）等。這種信號處理電路是目前單片式（CMOS-MUX）等。這些信號處理電路是目前單片式（或混合式）紅外焦平面陣列常用的紅外信號處理器件。到目前為止,作為紅外焦平面陣列用的信號處理電路都是用硅材料制作的。因為采用硅以外的材料制造高性能信號處理電路在技術(shù)上尚有很大的困難。

為了研制性能優(yōu)良的紅外系統(tǒng),在紅外焦平面陣列（IRFPA）的研制中,除了成熟的紅外探測器（IRD）制備工藝外,設(shè)計和研制信號處理電路是改善IRFPA性能的最關(guān)鍵因素。信號處理電路主要的設(shè)計要求是電荷存貯容量高,轉(zhuǎn)移效率高、噪聲低、功耗低,具有背景抑制和多路傳輸?shù)裙δ�。而且在IRFPA內(nèi)紅外探測器將入射光子轉(zhuǎn)換為電荷后,產(chǎn)生的信號電荷必須能夠注入到信號處理電路以便多路輸出。

下面簡要介紹幾種信號處理電路的基本結(jié)構(gòu)、工作方式以及應(yīng)用領(lǐng)域。

1 紅外焦平面陣列用信號處理電路

1.1 硅CCD多路傳輸器

硅CCD多路傳輸器（SiCCD-MUX）的電路原理如圖1所示,圖中T1、T2……,TN為輸入信號的N個抽頭。SiCCD-MUX的主要功能是在紅外熱成像系統(tǒng)中將一行若干個（16、32、64、128、256、…等）紅外探測器并行輸出信號轉(zhuǎn)換為串行輸出信號。其主要優(yōu)點是噪聲低、靈敏度高和工作頻率高。由于所有輸入信號都經(jīng)過一個低噪聲,高靈敏度的電荷檢測器輸出,因此輸出信號的不均勻性比較容易解決。

SiCCD-MUX不僅可以與光導(dǎo)型HgCdTe長波紅外探測器相匹配,而且也可以在先進的第二代紅外探測系統(tǒng)中與光伏型HgCdTe紅外探測器（PVHgCdTe-IRD）相匹配[1],由于這種匹配是采用直接注入方式,因而免去了光導(dǎo)型HgCdTe長波紅外探測系統(tǒng)對低溫前置放大器的需要。使得整個系統(tǒng)顯得更加小巧,功耗更低,同時大大減輕了致冷器的負擔(dān),從而使長波紅外信號處理開始進入焦平面信號處理時代。

直接注入式SiCCD-MUX可用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)跟蹤系統(tǒng)等需要很強抑制背景信號能力的高背景場合。因此直接注入式SiCCD-MUX的設(shè)計比光導(dǎo)系統(tǒng)中交流百合式SiCCD-MUX的設(shè)計更加復(fù)雜。其輸入結(jié)構(gòu)應(yīng)具有對注入電荷暈、分割、撇取和消除背景等功能。直接注入式SiCCD-MUX結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.2 時間延遲積分CCD

時間延遲積分CCD（TDI-CCD）的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它的主要功能是對各個抽頭的輸入信號（例如HgCdTe紅外探測器輸出的信號）施加不同的時間（4Tc,8Tc,…,32Tc）延遲,并在輸出端進行同步疊加（積分）以達到提高信噪比的目的。因為與TDI-CCD相匹配的HgCdTe紅外探測器的輸出信號代表著同一目標(biāo)的紅外輻射的強弱。因此其輸出端信號在線性疊加后將按因子M增長（M代表輸入抽頭數(shù)）。而HgCdTe紅外探測器的噪聲和TDI-CCD對應(yīng)的各通道的噪聲是相關(guān)的,因此,它的輸出端將按因子M 1/2增長。這樣,輸出信噪比的增長應(yīng)為M/（M）1/2=M 1/2倍。

TDI-CCD除可在紅外熱成像系統(tǒng)中檢測微弱的紅外信號外,還可在擴頻系統(tǒng)中作CCD相關(guān)器,以檢測信噪比小于1的信號。

TDI-CCD是一種功能電路,除可單獨使用外,還可作為混合式紅外焦平面陣列的信號處理器件。1.3 時間延遲積分CCD單元

該電路將時間延遲積分CCD（TDI-CCD）和硅CCD多路傳輸器（SiCCD-MUX）集成在一個芯片上,因此,其結(jié)構(gòu)和功能將更為復(fù)雜。在用作混合式HgCdTe紅外焦平面陣列的信號處理電路[2,3]時,可通過銦柱與4N系列光伏型HgCdTe紅外探測器直接焊接,以構(gòu)成所謂的紅外焦平面陣列信號處理電路。

4N系列HgCdTe紅外探測器陣列的排列情況如圖4所示,Y方向為時間延遲積分方向,X方面為CCD多種傳輸器輸出方向。與之相匹配的TDI-CCD芯片的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1給出了各公司帶TDI-CCD讀出模式的混合式HgCdTe紅外焦平面陣列的像元數(shù)和工作波長。

表1 4N系列混合式HgCdTe-IRFPA[3]