碲镉汞双色红外焦平面读出电路研究进展

介绍了碲镉汞(MCT)双色红外焦平面探测器的研制背景,及美、英、法等西方发达国家的发展现状。从读出电路(ROIC)设计角度出发,重点阐述了上述3个发达国家的碲镉汞双色焦平面器件结构类型和相应读出电路设计特点。最后介绍了国内昆明物理研究所在碲镉汞双色焦平面读出电路研究方面取得的进展。昆明物理研究所研制出两种碲镉汞双色焦平面读出电路,一种是适用于双铟柱半平面器件结构的128×128双色信号同步积分读出电路,另外一种是适用于单铟柱叠层器件结构的640×512双色信号TDMI(时分多路积分)读出电路。两种读出电路芯片在77 K条件下正常工作,主要功能及性能指标与国外同类产品相当。     

双色红外焦平面读出电路信号输入级初探

文章通过对双色红外焦平面结构、工作模式、各种信号输入级电路的研究,提出了顺序和同步工作的两种焦平面读出电路结构,输入级都是直接注入方式。短波( SW)和中波(MW)二个波段的光电流分别在各自的电容上积分,然后输出到后级电路,初步获得了电路的仿真结果。     

短波红外焦平面弱信号读出的高帧频模拟链路设计

针对短波红外焦平面阵列探测器弱信号耦合、高帧频输出和噪声抑制的要求, 文中设计了512256面阵探测器读出电路（ROIC）的高帧频模拟信号链路结构。完整的模拟信号链包含运放积分型（CTIA）单元输入级、相关双采样、电荷放大器和互补型输出级。在低温模型基础上,进行了前仿真和提取版图寄生参数的后仿真。仿真得到输出动态范围为2.8V,8路输出的工作帧频高于250Hz。基于CSMC-6S05DPTM0.5m 工艺完成流片,读出电路ROIC芯片的测试结果与仿真结果基本一致,为短波红外焦平面探测器弱信号读出提供了有效的设计选择。     

一种高性能红外焦平面阵列读出电路

提出了一种快闪式红外焦平面阵列读出电路。采用改进的直接注入型单元电路,积分电容大小可选,能适应大范围的光背景条件,并且增加了图像变换(倒置/反转)功能。一款128×128阵列的读出电路已经基于标准0.5μmCMOS工艺实现,整体芯片的面积为8.0mm×8.5mm。实测结果表明,此读出电路具有良好的光电转换能力,同时具有功耗低、输出摆幅大、动态范围大等优点。     

微测辐射热计阵列读出电路的单片集成设计

微测辐射热计阵列读出电路的单芯片集成,有利于红外焦平面阵列的智能化和红外成像系统的便携化发展.提出了一种非致冷红外焦平面阵列读出电路,基于SMIC 0.18 μmCMOS工艺,采用CTIA型单元读出电路结构,实现了偏置模块、驱动信号源模块、电流积分模块、相关双采样模块(CDS)和缓冲输出模块的单芯片集成,成功制造了1×8读出电路原型.仿真结果表明,设计的读出电路的线性度大于99％,功耗小于5 mW,适合于大面阵移植.     

红外焦平面阵列读出电路非线性的研究

在红外焦平面阵列读出电路中,非均匀性是限制其发展的主要瓶颈之一.优化读出电路的非线性可以改善焦平面阵列的非均匀性,提高红外系统的成像质量.文章主要对电容跨阻抗放大器(CTIA)型读出电路的非线性进行研究,包括该结构的积分放大器、复位管以及采样保持电路的非线性,并在理论分析的基础上提出了优化单元电路非线性的方法,设计了一个高线性的CTIA型单元电路.具体电路采用0.5μm DPTM CMOS工艺设计,仿真结果表明该单元电路功耗低,动态范围大,线性度高达99.87%.     

一种程控实现任意行选的红外焦平面读出电路

设计了一种可应用于多光谱红外光谱仪的红外焦平面读出集成电路。电路可以选择任意连续或非连续行的积分信号进行读出而无须逐行读出,从而大大增加了系统的灵活性和帧频。同时,电路采用滚动式IWR工作模式,为此根据读出单元是否有积分开关设计了两种复位积分控制模块;单元内部可采用DI,CTIA等读出结构。此电路具有明确的工程应用价值。     

具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

甚长波红外(VLWIR)波段富含大气湿度、CO2含量及云层结构和温度轮廓等大量信息,是大气遥感的重要组成部分。为了满足现阶段甚长波红外探测器对读出电路高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、长积分时间等需求,设计了一种具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路。该电路采用22四个相邻的探测器像元共用一个读出电路单元的共享缓冲直接注入级(SBDI)结构,增大了单元电路的面积,在单元内实现了具有记忆功能背景抑制结构的设计,其总积分电容达到8.8 pF,有效延长了积分时间和红外焦平面的信噪比(SNR),并改善了动态范围和对比度。基于HHNEC CZ6H 0.35 m 1P4M标准CMOS工艺,完成了电路的流片制造。仿真及测试结果表明:在50 K温度下电路功能正常,其动态范围大于90 dB,线性度优于99.9%,积分时间可达74 s,达到了设计要求。该读出电路适用于甚长波红外探测器。     

具有TDMI功能的640×512双色碲镉汞焦平面读出电路

研制出一种应用于单铟柱结构的长/中波双色叠层碲镉汞640×512焦平面CMOS读出电路(ROIC)。根据单铟柱结构的双色叠层碲镉汞探测器实际应用需求,读出电路设计了单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号分时多路积分(TDMI)/读出等四种工作模式可选功能。输入级单元电路分别采用长/中波信号注入管、复位管、积分电容及累积电容,并分别采用读出开关缓冲输出。为提高读出电路的适应性,各色信号通路分别设计了抗晕管以提高探测器的抗晕能力;读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,单色积分时具有先积分后读出(ITR)/边积分边读出(IWR)可选功能;当读出电路工作在单色或双色信号顺序模式时,各色积分时间可调;此外读出电路具有多种规格及任意开窗模式。该读出电路采用0.35?m 2P4M标准CMOS工艺,工作电压3.3 V。读出电路具有全芯片电注入测试功能,测试结果表明,在77 K条件下,读出电路的四种积分/读出模式工作正常,单色信号输出摆幅达2.3 V,功耗典型值为65 m W。     

基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计

大规模、高集成度的红外焦平面器件是实现高空间分辨率红外成像的核心。针对高集成度的红外焦平面技术发展,文中设计了一款15 m中心距640512的红外焦平面读出电路。为提升器件信噪比和积分时间,提出了一种22四个像元分时复用积分电容共享技术方案,单元采用直接注入（DI）结构作为输入级,使得读出电路最大电荷容量可达20 Me-/像元。电路有两档电荷容量可选,可满足不同光电流信号的读出要求。为了减小噪声的注入及提高缓冲器偏置电流的精度,为信号传输链路设计了相应的偏置电路。电路仿真结果表明,电路帧频108 Hz,功耗低于110 mW,线性度可高达99.99%。电路采用了CSMC 0.18 m 1P4M 3.3 V工艺加工流片,常温测试结果显示电路工作电流正常,偏置开关可控,功能正常。     

320×256大电荷容量的长波红外读出电路结构设计

长波红外探测器存在暗电流大、背景高的特点,需要设计大电荷容量的读出电路。采用分时共享积分电容的电路结构,在面阵焦平面的有限单元面积中设计了一种高读出效率、大电荷容量的320256长波红外焦平面读出电路。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器（CTIA）结构,具有注入效率高、噪声低、线性度好的特点。基于CSMC 0.35 m标准CMOS工艺模型进行了模拟仿真以及版图设计完成后的后端仿真,电路输出电压范围大于2 V,非线性小于1%,帧频为100 f/s,采用分时共享积分电容电路结构后,像元有效电荷容量达到57.5 Me-/像元。     

32×32双色红外探测器同步读出电路设计

双色（中短波）同步工作模式的红外探测器,其输出光电流信号为中波信号和中短波混合信号。文中提出了一种电压信号相减的电路结构,可在中波和中短波信号同步积分后,将两个波段的积分电压信号进行相减,得到单独的短波信号,实现信号分离的过程,并对32×32规模的电路进行了仿真验证,电路在仿真中有良好的性能。     

双色红外焦平面研究进展

介绍了叠层双色红外焦平面的发展背景和适用的材料体系,及其在国际上的发展现状,重点论述了叠层双色探测器结构类型及其探测特点,最后介绍了国内碲镉汞叠层双色焦平面的研究进展。报道了基于n⁺_-p-P-P-N多层异质结Hg_1-xCd_xTe材料的叠层中波/短波（256×1）×2红外双色焦平面器件研制及性能。在77 K液氮温度下,红外焦平面探测器的两个波段的截止波长λ_c分别为2.8 μm和3.9 μm,中波/短波焦平面的平均单色探测率D*_λp分别为1.8×10¹¹ cmHz^1/2/W和9.6×10¹⁰ cmHz^1/2/W。     

320×256中/长波双色IRFPAs读出电路设计

中波与长波探测器的光电流及动态输出阻抗存在数量级的差别。为满足积分时间及读出信号信噪比的要求,采用像元间多电容共享的方案,设计了一种高集成度的320256双色红外焦平面读出电路。该电路选用直接注入(DI)结构作为中波输入级,而长波输入级则选用了缓冲注入(BDI)结构。其缓冲放大器采用单边结构,具有高增益、低功耗、低噪声的特点,降低了输入阻抗,提高了注入效率。基于HHNEC 0.35 m 2P4M标准CMOS工艺,完成了芯片的设计与制造。经测试,引入电容共享方案后其有效电荷容量达到70 Me-/像元,电路各项功能正常,在光照条件下,芯片呈现出高的灵敏性。在2.5 MHz读出速率下,中波及长波输出电压范围均大于2 V,非线性小于1%。在100 f/s帧频下,整体功耗小于170 mW。     

Design of Diode Type Un-Cooled Infrared Focal Plane Array Readout Circuit

The diode infrared focal plane array uses the silicon diodes as a sensitive device for infrared signal measurement. By the infrared radiation, the infrared focal plane can produces small voltage signals. For the traditional readout circuit structures are designed to process current signals, they cannot be applied to it. In this paper,a new readout circuit for the diode un-cooled infrared focal plane array is developed. The principle of detector array signal readout and small signal amplification is given in detail. The readout circuit is designed and simulated by using the Central Semiconductor Manufacturing Corporation (CSMC) 0.5 μm complementary metal-oxide-semiconductor transistor (CMOS) technology library. Cadence Spectre simulation results show that the scheme can be applied to the CMOS readout integrated circuit (ROIC) with a larger array, such as 320×240 size array.     

数字化红外焦平面噪声分析研究

基于自行设计的TDI线列红外焦平面数字化读出电路,设计一款带有驱动IRFPA器件和数字化数据采集功能的红外焦平面测试系统,分别进行数字化线列读出电路电注入方式、中波红外焦平面和长波红外焦平面的噪声分析以及红外探测器比较关心的NETD的分析,并对积分时间、焦平面阵列注入区和偏置电压对红外探测性能的影响做了区分论证。     

128×128-element IrSi Schottky-barrier focal plane arrays forlong-wavelength infrared imaging

The fabrication and initial laboratory test of 128×128-element focal plane arrays integrating IrSi detectors with a cutoff wavelength of ~9.4 μm and surface-channel CCD readout circuitry are presented. This extends thermal imaging with silicide Schottky-barrier detector arrays into the long-wavelength infrared (LWIR) spectral band (8 to 14 μm) for the first time. High-quality imagery with a minimum resolvable temperature of ~0.3 K is obtained     

AlGaAs/GaAs quantum well infrared photodetector focal plane array based on MOCVD technology

128 × 128, 128 × 160 and 256 × 256 AlGaAs/ GaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane arrays (FPA) as well as a large area test device are designed and fabricated. The device with n-doped back-illuminated AIGaAs/GaAs quantum structure is achieved by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) epitaxial growth and GaAs integrated circuit processing technology. The test device is valued by its dark current performance and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra at 77 K. Cut off wavelengths of 9 and 10.9 μm are realized by using different epitaxial structures. The blackbody detectivity DB* is as high as 2.6 × 109 cm· Hz1/2·W-1. The 128 × 128 FPA is flip-chip bonded on a CMOS readout integrated circuit with indium (In) bumps. The infrared thermal images of some targets under room temperature background have been successfully demonstrated at 80 K operating temperature. In addition, the methods to further improve the image quality are discussed.