本站小編為你精心準(zhǔn)備了等效像元電路設(shè)計論文參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

加入等效像元的單元讀出電路如圖1所示，該電路結(jié)構(gòu)主要由以下三個本部分組成:等效像元(TheEquivalentBolometer)、MEMS像元(MEMSBo-lometer)、電容反饋互導(dǎo)放大器(capacitorfeedbacktrans-impedanceamplifier，CTIA)。

1.1MEMS像元和積分電路(CTIA)本論文中采用的氧化釩(VOx薄膜)制成的微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，其電特性如下。由表1可知，MEMS的電特性主要是溫度的變化引起電阻值的變化，從而導(dǎo)致電流值發(fā)生變化，最后引起信號電壓的變化。當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時，MEMS像元中的有效像元的電阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致其支路電流發(fā)生微弱的變化，其微弱的電流值(nA級別)由M4開關(guān)管流出。這一微弱的電流值通過積分電路轉(zhuǎn)換為一個電壓值。如圖1所示，該積分電路為一種傳統(tǒng)的CTIA型讀出電路結(jié)構(gòu)。在偏壓VSK、VGSK、VGFID、VDET(VSS)和數(shù)字信號row_sel、integrate_en、rst_en的作用下(其中row_sel為行選通信號，integrate_en為積分使能信號，rst_en為復(fù)位信號)，有效像元Rab上產(chǎn)生的支路電流與盲像元Rbb上產(chǎn)生的支路電流之差得到的電流信號輸入到積分器上進(jìn)行積分。微弱的電流信號就轉(zhuǎn)化成電壓信號。其中M1可調(diào)節(jié)有效像元支路電流值，M2為行選擇開關(guān)，M3可調(diào)節(jié)盲像元支路電流值，M4是積分使能開關(guān)，Rt-rim用于調(diào)節(jié)盲像元支路上的電阻，rst_en為數(shù)字信號控制的復(fù)位開關(guān)。

1.2等效像元電路等效像元電路的作用就是在晶元測試時替代MEMS像元產(chǎn)生一微弱的電流值，給積分電路一個測試信號。如圖1所示，用于替代盲像元功能的等效像元為“等效盲像元”，其結(jié)構(gòu)包括由外部Pad直接控制的MOS管Mbeqv(MOSBlindEquivalent)和行選擇開關(guān)M2，pad提供的偏置電壓為VBEQV，row_sel_test1(數(shù)字信號提供)控制開關(guān)M2的選通;用于替代有效像元功能的等效像元為“等效有效像元”，其結(jié)構(gòu)包括由外部Pad直接控制的MOS管Maeqv(MOSActiveEquivalent)和行選擇開關(guān)M2，pad提供的偏置電壓為VAEQV，row_sel_test2(數(shù)字信號提供)控制開關(guān)M2的選通。在等效像元工作過程中，row_sel_test1和row_sel_test2同時開啟，其時序和ROW_SEL一樣，VSK給等效盲像元提供偏置電壓。工作在飽和區(qū)的MOS管Mbeqv和MOS管Maeqv其D與S之間的電阻值與W/L，VGS、VTH的關(guān)系如。

2仿真結(jié)果分析

在盲像元電阻不變，VSK、VGSK、VGFID等偏壓值確定的情況下，積分電流隨有效像元電阻的變化如圖3所示。圖3中的橫坐標(biāo)為有效像元的電阻值，縱坐標(biāo)為積分電流值。由圖3可知積分電流的值隨有效像元阻值的減小而增大，其阻值(150～160kΩ)與積分電流(0～200nA)呈線性變化，變化率約為51.86nA/kΩ。由MEMS電特性和表1可知，R=160kΩ，當(dāng)溫度從－20℃變化到80℃，其對應(yīng)的電阻值降低了544Ω和2530Ω，對應(yīng)的積分電流(信號電流)為47nA和217nA。說明溫差越大，電阻值變化也越大，對應(yīng)的積分電流的值也越大。而圖3的仿真結(jié)果也說明了Rab與Rbb之間的值相差越大，對應(yīng)的積分電流的值也越大。所以可以通過調(diào)節(jié)圖3中的Rab的電阻，來對應(yīng)MEMS電阻的變化。在等效像元電路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏置電壓VSK、VG-FID的值確定，積分電流隨VAEQV、VBEQV的變化如圖4、5所示。圖4、5中的橫坐標(biāo)為等效像元柵壓VAEQV、VBEQV的值，縱坐標(biāo)為積分電流的值。由圖4、5可知積分電流的值隨等效像元柵壓VAEQV、VBEQV的增大而增大，VAEQV平均每調(diào)節(jié)9mV變化10nA的電流，變化率約為10nA/9mV，其偏壓值與積分電流(0～200nA)也是呈線性變化。所示可以通過調(diào)節(jié)圖4和圖5中的VAEQV、VBEQV的值，模擬外界溫度的變化。仿真結(jié)果表明等效像元的電特性正好與MEMS像元的電特性一致，所以可用等效像元電路替代MEMS物理結(jié)構(gòu)。

3測試結(jié)果分析

基于GlobalFoundry0.35μm工藝，對陣列大小為300×400的紅外面陣探測器讀出電路進(jìn)行流片，圖6為ROIC陣列整體芯片照片，芯片面積為14mm×16mm。芯片中間的重復(fù)單元電路部分是單元電路，單元尺寸為25μm×25μm，重復(fù)單元的外圍是數(shù)字電路部分，即時序控制部分，最外圍是焊盤。圖7為圖6局部放大的照片即等效像元(等效盲像元和等效有效像元)的芯片照片，圖8為測試芯片的PCB板。因為積分電流為nA級別的電流，很難用儀器測量出來，但可以通過電容反饋互導(dǎo)放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號測量出來。對VBEQV=2.4V，VSK=5.3V，VGFID=3.933V，Vbus=2.65V等偏置電壓進(jìn)行設(shè)定后，通過調(diào)節(jié)等效有效像元柵壓VAE-QV的值，產(chǎn)生0～200nA之間的積分電流，其對應(yīng)的積分電壓值為2.65～3.38V，積分電壓與VAEQV值的測試結(jié)果如表2所示。圖9為積分電流Id=50nA對應(yīng)的積分電壓值2.82V，滿足公式(2)。此測試結(jié)果表明:在ROIC表面尚未構(gòu)成MEMS物理結(jié)構(gòu)前，可以通過等效像元電路初步探測ROIC的電性能，篩除不良品。在CP之后和MEMS結(jié)構(gòu)完成之后，等效像元不再啟用，等效像元行選擇信號始終關(guān)閉。

4結(jié)論

在充分分析MEMS物理結(jié)構(gòu)(VOx薄膜)的工作原理及電特性后，設(shè)計了一種用于300×400紅外面陣探測器讀出電路的等效像元電路結(jié)構(gòu)。該等效電路能夠模擬MEMS像元改變時支路電流的變化。測試結(jié)果表明，積分電流為0～200nA時，等效像元的電特性與MEMS像元的電特性一致，該等效象元電路結(jié)構(gòu)可用于讀出電路的電性能測試，從而剔除不良品，減少封裝成本。

作者：戴山彪陳力穎邢海英王健楊曉龍單位：天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院