Ausleseschaltung

Das Fraunhofer IMS hat eine innovative Ausleseschaltung (ROIC = read out integrated circuit) für ungekühlte Infrarotsensoren entwickelt, die den Widerstand des Mikrobolometers direkt in ein 16-Bit-Signal konvertiert. Kommerzielle Lösungen von Ausleseschaltungen erreichen hier nur eine digitale Auflösung von ca. 8- bis 12-Bit oder nutzen eine analoge Auslese der Mikrobolometer, so dass die Analog-/Digital-Konvertierung mit externen Komponenten durchgeführt werden muss. Die hohe digitale Auflösung der IMS-Lösung resultiert u. a. in einer deutlich erhöhten Szenendynamik, die ohne Sättigungseffekte und ohne Verschlechterung der Temperaturauflösung erreicht wird. So erreichen ungekühlte Infrarotsensoren des Fraunhofer IMS Szenendynamikbereiche von ΔT = 300 K, während typisch in kommerzielle Lösungen der Szenendynamikbereich auf nur ΔT = 100 K spezifiziert ist und es so eher zu Über- oder Untersteuerungen kommt.

Weitere Vorteile der IMS-Lösung für Ausleseschaltungen von Mikrobolometer-Arrays sind die integrierte Referenzspannungserzeugen als »Easy-to-Use«-Konzept und schaltungstechnische Maßnahmen zur Rauschreduktion.

Das Mikrobolometer-Array wird durch parallele ∑Δ-ADCs, die homogen  unter dem Array platziert sind, ausgelesen. Dabei wird der szenenabhängige Widerstandswert einer gewissen Anzahl an Mikrobolometern durch einen ∑Δ-ADC im Multiplexprinzip direkt in ein 16-Bit-Signal konvertiert. Sogenannte »blinde Mikrobolometer«, bei denen die Temperaturempfindlichkeit durch technologische Maßnahmen reduziert wird, befinden sich um das aktive Mikrobolometer-Array. Diese können zur Kompensation der Umgebungstemperaturabhängigkeit von ungekühlten Infrarotsensoren verwendet werden. Die 16-Bit-Bildsignale werden über einen Multiplexer in die digitale Video-Schnittstelle geführt. Ein programmierbarer Sequenzer steuert den Auslesevorgang, in dem jeder ∑Δ-ADC unter Verwendung eines Zeilen- und Spaltensteuerblocks ausgewählt wird. Die Auslese des Mikrobolometer-Arrays erfolgt dabei nach dem „Rolling-Shutter“-Prinzip, bei der die Mikrobolometer zeilenweise von oben nach unten über das Bildfeld ausgelesen werden. Die Konfiguration des Sequenzers wird mit einer SPI-Schnittstelle (SCK, SI, SO) und einem Chip-Select-Signal (CS) durchgeführt. Die digitale Video-Schnittstelle bietet zusätzlich zu den 16-Bit Bildsignalen vier Synchronisationssignale zur Nutzung in einer Kameraelektronik an. Die Breite des Videointerfaces wird durch das Aufteilen der 16-Bit-Videodaten in zwei 8-Bit-Leitungen reduziert. Ein digitaler sowie ein analoger Temperatursensor messen die Temperatur des ungekühlten Infrarotsensors und können für den TEC-less Betrieb verwendet werden. Die Ausleseschaltung des ungekühlten Infrarotsensors benötigt eine analoge Versorgungsspannung (Vdda = 3,3 V) und zwei digitale Versorgungsspannungen (Vddd = 3,3 V und Vdd2 = 1,8 V). Für die Einstellung des  ∑Δ-ADC sind sechs Referenzspannungen erforderlich. Neben der Verwendung von externen Referenzspannungen können alle sechs Referenzspannungen auch intern mit Hilfe von Digital-Analog-Wandlern erzeugt werden um so den Schaltungsaufwand einer Kameraelektronik zu reduzieren. Neben einem Reset-Signal und den SPI-Konfigurationssignalen benötigt die Ausleseschaltung des ungekühlten Infrarotsensors nur ein digitales Taktsignal, aus dem die Bildwiederholrate abgeleitet wird.

Die Ausleseschaltungen werden im haus-internen Reinraum mittels der automotive-zertifizierten 0,35 μm CMOS-Technologie auf 200 mm Wafern gefertigt.