低溫紅外面陣讀出電路中的高性能緩沖器設(shè)計*

閆 廣，趙毅強

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

在低溫紅外讀出電路系統(tǒng)中，由于制冷的需要，將芯片封在杜瓦里，由于向外部引線過長和輸出后接AD的需要，輸出級要驅(qū)動一個等效為25 pF左右的負載。因此，需要一個大驅(qū)動能力的緩沖器。同時由于制冷能力的限制，驅(qū)動級緩沖器的功耗不能太大。常用的緩沖器分以下幾類:1）源跟隨器結(jié)構(gòu):源跟隨器結(jié)構(gòu)簡單，占用面積小，但靜態(tài)功耗大，輸出幅度會有一個柵壓的上升或者下降，且存在嚴重的非線性問題。2）電流鏡負載單級運放電路結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)簡單，但輸出幅度受到限制，不是軌到軌的輸出，影響輸出擺幅，增益不能做的太高。3）AB類推挽輸出結(jié)構(gòu):AB類推挽輸出結(jié)構(gòu)效率較高，靜態(tài)功耗較小?？梢则?qū)動大的負載電容，滿足設(shè)計的要求。本文采用chrt 0．35 μm 3．3 V CMOS工藝設(shè)計了用于低溫77K紅外面陣讀出電路的一種高性能AB類推挽輸出緩沖器。為了模擬低溫77 K下的電路的性能，根據(jù)文獻［1～5］和77K 低溫條件下 chrt0．35 μm NMOS管和PMOS管的測試結(jié)果，修改chrt 0．35μm仿真模型庫中的NMOS管和PMOS管的模型，通過在MOS管源漏端分別增加?xùn)趴仉妷涸春吐┛刎撾妼?dǎo)的方式［1］來分別模擬溝道凍析效應(yīng)和源漏寄生電阻凍析效應(yīng)，以改進器件模型仿真精度。使用修改后的模型進行仿真，并給出了流片后的芯片測試結(jié)果。

1 紅外面陣讀出電路結(jié)構(gòu)介紹

將512×256的紅外讀出電路陣列分成8個64×256的模塊，每個模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。8個模塊時序相同，8路并行輸出，每個模塊的輸出速度為5 M/s。讀出電路通過銦柱與紅外探測器連接，紅外光信號經(jīng)過帶有相關(guān)雙采樣功能的電容跨導(dǎo)式互阻放大器（CTIA）單元和電荷放大器后，轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，消除了系統(tǒng)的固定模式噪聲和一些低頻噪聲，然后經(jīng)過列緩沖器和多路開關(guān)，將并行信號轉(zhuǎn)換為串行的信號，最后經(jīng)緩沖器輸出［6～9］。由于讀出電路幀頻的要求，每個模塊的速度要達到5M/s的讀出速度。要求最后的輸出級緩沖器要在200 ns輸出一個直流電壓信號，驅(qū)動25 pF的負載，信號最大幅度為2 V，并且由于制冷條件的限制，緩沖器的功耗要盡量小。

圖1 64×512紅外讀出電路結(jié)構(gòu)Fig 1 64×512 infrared ROIC structure

2 輸出級緩沖器的設(shè)計

根據(jù)電路的設(shè)計指標，最后輸出級緩沖器的輸入信號的范圍為0．6～2．6V。考慮到設(shè)計余量，為保證電路輸入和輸出范圍，電路采用軌到軌的輸入級。采用NMOS輸入對管M3，M4和PMOS輸入對管M1，M2并聯(lián)的方式，如圖2。輸入級的跨導(dǎo)隨輸入電壓的變化如圖3中的虛線所示。

圖2 輸出緩沖器電路圖Fig 2 Output buffer circuit

圖3 gm隨輸入電壓的變化曲線Fig 3 Curve of gmwith change of Vin

放大器的頻率補償，與只用一個米勒電容的結(jié)構(gòu)不同，在該放大器的結(jié)構(gòu)里，將共柵管與米勒補償電容串聯(lián)，見文獻［10，11］，補償電路。這種方法將輸出極點轉(zhuǎn)移到

3 仿真和測試結(jié)果

基于 chrt 0．35 μm 工藝庫，3．3 V 電源電壓，在 Cadence軟件環(huán)境下，使用修改后的庫模型，在77K的條件下對放大器進行了交流增益、相位、瞬態(tài)響應(yīng)和直流掃描的仿真，如圖4～圖6所示。

圖4 放大器的開環(huán)增益和相位曲線Fig 4 Open-loop gain and phase curve of amplifier

芯片的仿真結(jié)果顯示芯片的直流低頻增益為67 dB，單位增益帶寬為57M。瞬態(tài)的仿真結(jié)果表明，負載25pF的電容，2 V的輸出信號的建立時間為30 ns。直流仿真結(jié)果表明:在0～3 V的輸入范圍內(nèi)，直流誤差不超過0．4 mV。

在芯片使用 chrt 0．35 μm 3．3 V CMOS 工藝流片，輸出緩沖器在紅外讀出電路中的版圖如圖7所示。測試結(jié)果見圖 8、圖 9。

圖5 輸出緩沖器的瞬態(tài)響應(yīng)（驅(qū)動25 pF負載）Fig 5 Transient response of output buffer（driving 25 pF load）

圖6 VOUT－VIN隨VIN的變化曲線Fig 6 Variation curve of VOUT－VINvs VIN

圖7 輸出緩沖器版圖Fig 7 Layout of output buffer

圖8 輸出緩沖器的VOUT與VIN的曲線Fig 8 VOUTand VINcurve of output buffer

圖9 直流測試VOUT－VIN隨VIN變化的曲線Fig 9 DC test of VOUT－VINwith the change of VIN

測試結(jié)果表明:輸出緩沖器存在5 mV左右的直流失調(diào)，在整個輸入范圍內(nèi)除了跨導(dǎo)的過渡位置外，放大器的直流增益基本維持恒定，線性度較好。驅(qū)動25 pF負載，輸出2 V的信號，建立時間50 ns，達到了電路的指標。表1為與同樣指標的相關(guān)產(chǎn)品在25 pF的負載的條件下的性能比較。

表1 輸出緩沖器性能比較Tab 1 Performance comparison of output buffer

4 結(jié)束語

在低溫77 K的條件下，放大器使用軌到軌輸入和恒定跨導(dǎo)的技術(shù)，實現(xiàn)了輸出信號0．6～2．6 V的高線性度高精度輸出。使用AB類的輸出級，在驅(qū)動25 pF負載的條件下，降低了輸出級的功耗，滿足低功耗的要求，實現(xiàn)了紅外電路的設(shè)計指標。

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