[논문]초점면 배열 원적외선 검출기의 동작범위 향상을 위한 리셋 조정 회로

우두형

초점면 배열 원적외선 검출기의 동작범위 향상을 위한 리셋 조정 회로
Design of Readout Circuit With Smart Reset Control for Improving Dynamic Range of LWIR FPAs 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.47 no.1=no.391, 2010년, pp.38 - 45

초록
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초점면 배열 원적외선 검출기를 위한 새로운 신호취득 회로를 연구하였다. 각 픽셀 감지소자에 흐르는 전류에 따라, 각 픽셀 회로의 적분시간이 능동적으로 최적화될 수 있도록 리셋 신호를 조정하는 방식이다. 따라서, 제안하는 신호취득 회로는 넓은 동작 범위와 뛰어난 신호 대 잡음 비 특성을 동시에 가질 수 있다. 회로 제작에 사용한 공정은 $0.35{\mu}m$ 2-poly 4-metal CMOS 공정이다. 원적외선 감지소자로서 HgCdTe 다이오드를 사용했고, 배열의 크기는 $128{\times}128$이며, 단위 픽셀의 크기는 $50{\mu}m{\times}50{\mu}m$이다. 기존에 제안한 이 단계 암전류 억제 방식과 더불어 본 논문에서 제안하는 리셋 조정 회로를 함께 사용할 경우, 신호 대 잡음 비와 동작 범위를 각각 87dB와 95.8dB 까지 향상시킬 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new readout circuit involving a pixel-level reset control was studied for 2-D long wavelength infrared focal plane arrays. The integration time of each pixel can be optimized individually and automatically. Hence, the readout circuit has a wide dynamic range and good signal-to-noise ratio characteristics. The readout circuit was fabricated with a $0.35{\mu}m$ 2-poly 4-metal CMOS process for a $128{\times}128$ long wavelength infrared HgCdTe array with a pixel size of $50{\mu}m{\times}50{\mu}m$. The smart reset control with two-step background suppression improves the signal-to-noise ratio to 87dB and the dynamic range to 95.8dB.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구의 문제점을 해결하기 위해 능동형 리셋 조정 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 방법에서 적분 시간은 조건부 리셋 방법과 마찬가지로 리셋 시점을 조정함으로써 결정되지만, 적외선 감지기 응용에 보다 적합하고 효과적인 방법이라 할 수 있다.
필요하다. 본 논문에서는 능동형 리셋 조정 방식과 다른 논문을 통해 제안한 이 단계 암전류 억제 방식을 동시에 사용하여 최적의 신호취득 회로를 구현하고자 했다.図 인접한 네 개, 즉 2x2 배열의 적외선 감지 소자가 하나의 단위 신호취득 회로를 공유한다.
적분 시간이 끝난 후에 'Comparator/buffer 블록은 버퍼로 사용되며, 각 픽셀에 저장된 V(C_lnt) 값을 배열 외부의 출력 단에 순차적으로 전달한다. 이와 같이 비교기와 버퍼를 시간 적으로 분할하여 공유함으로써 픽셀 면적 제한 문제를 완화하고자 했다. 1 bit latch'는 각 비교 시점에서의 비교 결과를 저장하고 이에 대한 리셋 동작을 제어한다.
이차원 원적외선 HgCdTe 감지기를 위한 픽셀 단위의 리셋 조정 방식을 구현하기 위해, 새로운 개념의 신호취득 회로를 제안했다. 능동형 리셋 조정 방법을 사용하여 동작 범위와 신호 대 잡음 비 특성을 크게 개선할 수 있었다.

제안 방법

35pm 2~poly 4-metal CMOS 공정을 사용했다. 신호취득 회로의 속도, 전력소모, 전압 스윙 및 캐패시턴스 등을 고려하여 공정을 선택하고 회로 설계를 진행했다. 제작된 신호취득 회로의 주요 파라미터와 특성을 표 1에 요약했다.
신호취득회로의 동작 범위를 향상시키기 위히], 감지 소자의 각 픽셀에서 발생하는 전류에 따라 각 픽셀 마다 적분 시간을 능동적으로 조정하는 방식이 제안되었다. 즉, 광량이 큰 픽셀은 적분 시간을 짧게 하여 전류 -전압 변환 이득을 낮추고 포화를 방지한다.
제작된 신호취득 회로의 주요 파라미터와 특성을 표 1에 요약했다. 제안하는 신호취득 회로는 다양한 응용에 적합하기 때문에 다양한 프레임 속도에서 동작이 가능하지만, 우선 프레임 속도를 a)Hz로 고정하고 측정 평가를 진행했다. 적분구간 동안 비교 회수(N₂)는 다섯 번이고, 이때 최대 인식 가능한 신호 전류의 크기는 112nA로서, 이는 이 단계 암전류 억제 방식만 적용한 경우에 비해 32 배 만큼 큰 값이다.

대상 데이터

적외선 감지기 배열의 왼쪽 회로들은 이 단계 암전류 억제 방식을 위한 것으로, 본 논문에서 자세한 언급을 하지는 않겠다. 적외선 감지기 배열로부터 얻어지는 적외선 영상 신호를 디지털신호로 변환하기 위해, 14 bit ADC를 사용했다. 연속적인 데이터를 고속으로 처리하는데 적합하도록 Pipe-lined algorithmic ADC 방식을 사용하여 설계했다.

이론/모형

적외선 감지기 배열로부터 얻어지는 적외선 영상 신호를 디지털신호로 변환하기 위해, 14 bit ADC를 사용했다. 연속적인 데이터를 고속으로 처리하는데 적합하도록 Pipe-lined algorithmic ADC 방식을 사용하여 설계했다.

성능/효과

그러나 제안하는 방법을 사용하면, 각 픽셀의 아날로그 전압을 한 프레임 마다 한 번 씩만 샘플링하여 픽셀 배열 외부로 전달하는 것이 가능하다. 따라서, 제안하는 방법은 적외선 감지 배열의 크기가 크고 프레임 속도가 빠른 응용에 매우 적합하다.
능동형 리셋 조정 방법을 사용하여 동작 범위와 신호 대 잡음 비 특성을 크게 개선할 수 있었다. 기존에 제안한 이 단계 암전류 억제 회로와 능동형 리셋 조정 방법을 결합하여, 매우 간단하면서도 우수한 특성을 보이며 적외선 영상 시스템 응용에 적합한 회로를 구현하였다.
따라서, 제안하는 방법은 적외선 감지 배열의 크기가 크고 프레임 속도가 빠른 응용에 매우 적합하다. 기존의 조건부 리셋 방법과 비교하면, 제안하는 방법에서는 그림 3과 같은 문제가 발생하지 않으므로 SNR 관점에서 보다 유리하고, 동일한 비교 회수 N₂에 대해서 향상되는 신호 용량이 보다 뛰어나다.
회로를 제안했다. 능동형 리셋 조정 방법을 사용하여 동작 범위와 신호 대 잡음 비 특성을 크게 개선할 수 있었다. 기존에 제안한 이 단계 암전류 억제 회로와 능동형 리셋 조정 방법을 결합하여, 매우 간단하면서도 우수한 특성을 보이며 적외선 영상 시스템 응용에 적합한 회로를 구현하였다.
각 서브 프레임은 그림과 같이 다시 두 개의 영역으로 나뉘는데, 첫 번째 영역에서는 감지소자의 전류를 적분하고, 두 번째 영역에서는 적분된 아날로그 전압을 배열 외부로 전달하면서 동시에 이 단계 암전류 억제 방식을 위한 보정작업을 진행한다. 두 번째 영역의 아날로그 전압 전달과 보정 작업은 상호 독립적인 동작이므로, 시간을 최대한 효율적으로 운영할 수 있다. 적분 구간에서 비교회수는 다섯 번으로 정하고, 이에 따라 최대 적분 시간은 32T로 결정했으며 비교 시점은 그림 6에 나타낸 것과 같다.
따라서 기존에 제안한 이 단계 암전류 억제 방식은 원적외선 감지기의 SNM을 항상하는데 매우 적합하다고 할 수 있다(2) 그러니; 주변 온도가 낮거나 변화가 심한 경우에는 효율적 이 지 못한 단점이 있다. _n 또한, 프 레임 속도가 매우 낮거나 물체의 온도 범위가 매우 큰 경우, 충분한 적 분 시간을 활용하고자 할 때 적 분 캐 패시터 가 쉽게 포화를 이 루게 된다.
그러나 제안하는 방법을 사용하면, 각 픽셀의 아날로그 전압을 한 프레임 마다 한 번 씩만 샘플링하여 픽셀 배열 외부로 전달하는 것이 가능하다. 따라서, 제안하는 방법은 적외선 감지 배열의 크기가 크고 프레임 속도가 빠른 응용에 매우 적합하다. 기존의 조건부 리셋 방법과 비교하면, 제안하는 방법에서는 그림 3과 같은 문제가 발생하지 않으므로 SNR 관점에서 보다 유리하고, 동일한 비교 회수 N₂에 대해서 향상되는 신호 용량이 보다 뛰어나다.
즉, 제안하는 신호취득 회로는 작은 신호에 대한 SN应을 크게 향상시키면서, 큰 신호에 대해서는 충분한 처리 능력을 보여준다. 비록 제안하는 신호취득 회로의 SNR 특성이 일부 큰 신호 영역에서는 일반적인 적분 방법에 비해 낮게 나타나지만, 적외선 영상의 경우에는 일반적으로 큰 신호보다 작은 신호의 비중이 더 크게 나타나기 때문에, 제안하는 회로가 보다 효율적이라 할 수 있다. 암 전류가 40nA인 경우에 대해서, 서로 다른 세 가지 방법에 대한 동작 범위 특성을 표 2에 나타냈다, 표 2에 나타낸 바와 같이 제안하는 신호취득 회로는 매우 우수한 동작 범위 특성을 갖는다.
비록 제안하는 신호취득 회로의 SNR 특성이 일부 큰 신호 영역에서는 일반적인 적분 방법에 비해 낮게 나타나지만, 적외선 영상의 경우에는 일반적으로 큰 신호보다 작은 신호의 비중이 더 크게 나타나기 때문에, 제안하는 회로가 보다 효율적이라 할 수 있다. 암 전류가 40nA인 경우에 대해서, 서로 다른 세 가지 방법에 대한 동작 범위 특성을 표 2에 나타냈다, 표 2에 나타낸 바와 같이 제안하는 신호취득 회로는 매우 우수한 동작 범위 특성을 갖는다.
일반적인 적분 방법과 비교하면, 제안하는 방법은 멀티 샘플링 방법과 마찬가지로 보다 큰 신호 용량을 가지면서 작은 신호에 대해서 동일한 SNR 특성을 보인다. 그러나 제안하는 방법을 사용하면, 각 픽셀의 아날로그 전압을 한 프레임 마다 한 번 씩만 샘플링하여 픽셀 배열 외부로 전달하는 것이 가능하다.
방법을 제안하고자 한다. 제안하는 방법에서 적분 시간은 조건부 리셋 방법과 마찬가지로 리셋 시점을 조정함으로써 결정되지만, 적외선 감지기 응용에 보다 적합하고 효과적인 방법이라 할 수 있다. 그림 4에 제안하는 능동형 리셋 조정 방법에 대한 설명을 나타냈다.
여기에 능동형 리셋 조정 방식을 함께 사용할 경우, SNR 향상 효과는 그대로 유지하면서, 입력 신호의 범위를 크게 증가시킬 수 있다. 즉, 제안하는 신호취득 회로는 작은 신호에 대한 SN应을 크게 향상시키면서, 큰 신호에 대해서는 충분한 처리 능력을 보여준다. 비록 제안하는 신호취득 회로의 SNR 특성이 일부 큰 신호 영역에서는 일반적인 적분 방법에 비해 낮게 나타나지만, 적외선 영상의 경우에는 일반적으로 큰 신호보다 작은 신호의 비중이 더 크게 나타나기 때문에, 제안하는 회로가 보다 효율적이라 할 수 있다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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