정전용량 방식의 이차원 마이크로볼로미터 FPA를 위한 저잡음 신호취득 회로 설계

김종은; 우두형

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김종은 (SK 하이닉스)
우두형 (가톨릭대학교)

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본 연구를 통해서 정전용량 방식의 이차원 마이크로볼로미터를 위한 저잡음 신호취득 회로를 연구하였다. 잡음 대역폭이 매우 낮고 픽셀 면적이 작기 때문에 비 적분형 방식의 간단하고 효과적인 픽셀 단위의 회로를 사용했다. 또한, 가장 문제가 되는 kT/C 잡음을 줄이고 전력소모를 낮추기 위해 새로운 CDS 방식을 열 단위의 회로에 사용했다. 제안하는 회로는 0.35-μm 2-poly 4-metal CMOS 공정을 이용하여 설계했고, 마이크로볼로미터의 픽셀 크기는 50 μm × 50 μm이다. 제안하는 신호취득 회로는 볼로미터의 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 효과적으로 제거하며, 제작된 칩에 대한 잡음 측정을 통하여 이를 검증하였다. 제안하는 회로는 간단한 신호취득 회로에 비해 그 잡음을 30 %에서 55 % 이하까지 개선할 수 있으며, 전체 감지 시스템의 잡음등가온도차(NETD)를 21.5 mK 정도로 낮출 수 있다.

A low-noise readout circuit is studied for 2-D capacitive microbolometer focal plane arrays (FPAs). In spite of the merits of the integration method, a simple and effective pixelwise readout circuit without integration is used for input circuit because of a small pixel size and narrow noise bandwidth. To reduce the power consumption and the kT/C noise, which is the dominant noise of the capacitive microbolometer FPAs with small capacitance, a new correlated double sampling (CDS) is used for columnwise circuit. The proposed circuit has been designed using a 0.35-μm 2-poly 4-metal CMOS process for a microbolometer array with a pixel size of 50 μm × 50 μm. The proposed circuit effectively reduces the kT/C noise and the other low-frequency noise of microbolometer, and the noise characteristics of the fabricated chip have been verified by measurements. The rms noise voltage of the proposed circuit is reduced from 30 % to 55 % compared to that of the simple readout input circuit, and the noise equivalent temperature difference (NETD) of the proposed circuit is very low value of 21.5 mK.

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