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。     

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。     

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。     

BDI 型甚长波IRFPA 读出电路研究与设计

针对甚长波红外（VLWIR）探测器动态结阻抗过低、暗电流较大,且工作在高背景环境下等特点,设计了一种具有记忆功能背景抑制的3232甚长波红外焦平面（IRFPA）读出电路。该电路采用基于高增益负反馈运放的缓冲直接注入级（BDI）结构作为输入级,大幅降低了输入阻抗,提高了注入效率,并使探测器处于稳定偏压状态。同时,该电路采用具有记忆功能的背景抑制电路,有效提高了积分时间和红外焦平面的信噪比（SNR）,改善了动态范围和对比度。基于HHNECCZ6H0.35m1P4M标准CMOS工艺,完成了电路的流片制造。实测结果表明:50K低温下电路功能正常,输出范围大于2V,读出速率达到2.5MHz,RMS噪声小于0.3mV,线性度优于99%,功耗小于100mW。     

红外探测器背景抑制读出结构设计研究

长波红外焦平面探测器一般工作在高背景下,信号电流小于背景电流,器件本身暗电流也较大,信号读出时积分电容极易饱和,这都不利于获得理想的信噪比.通过在读出电路输入级中增加电流抑制结构,可有效提高积分时间,改善动态范围和对比度.本文介绍了红外焦平面读出电路中几种典型的背景电流及暗电流抑制技术,依次叙述不同结构背景及暗电流抑制的实现原理,并比较各个结构的优缺点,针对不同电路结构的特点,通过典型电路仿真分析,确定了它们在各种红外焦平面读出电路输入级中的应用范围.     

红外探测器背景抑制读出结构设计研究

长波红外焦平面探测器一般工作在高背景下，信号电流小于背景电流，器件本身暗电流也较大，信号读出时积分电容极易饱和，这都不利于获得理想的信噪比。通过在读出电路输入级中增加电流抑制结构，可有效提高积分时间，改善动态范围和对比度。本文介绍了红外焦平面读出电路中几种典型的背景电流及暗电流抑制技术，依次叙述不同结构背景及暗电流抑制的实现原理，并比较各个结构的优缺点，针对不同电路结构的特点，通过典型电路仿真分析，确定了它们在各种红外焦平面读出电路输入级中的应用范围。     

红外探测器背景抑制读出结构设计研究

长波红外焦平面探测器一般工作在高背景下，信号电流小于背景电流，器件本身暗电流也较大，信号读出时积分电容极易饱和，这都不利于获得理想的信噪比。通过在读出电路输入级中增加电流抑制结构，可有效提高积分时间，改善动态范围和对比度。本文介绍了红外焦平面读出电路中几种典型的背景电流及暗电流抑制技术，依次叙述不同结构背景及暗电流抑制的实现原理，并比较各个结构的优缺点，针对不同电路结构的特点，通过典型电路仿真分析，确定了它们在各种红外焦平面读出电路输入级中的应用范围。     

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。     

一种新型红外焦平面片上模数转换电路

基于串行单斜率积分的原理,提出了一种新型的像素级红外焦平面片上8位模数转换电路.设计了一个8×8像素阵列组成的完整读出电路芯片,并进行了版图设计和电路仿真.每个单元像素电路采用直接注入方式输入,输出与输入电流成正比的数字脉冲信号,经每列单元共享的计数器计数输出.采用独特的数字电路列共享结构,电荷注入补偿等技术,具有结构简单、面积小等特点.仿真及测试结果表明,该芯片能较好地完成红外焦平面信号读出及模数转换功能,单元面积80 μm×80 μm,单元功耗50 μW,量化等级达到8位,芯片实测量化误差小于4 LSB,帧速可达460 f/s.     

超高增益低噪声红外焦平面读出电路研究

高增益探测对InGaAs焦平面探测器在微光夜视条件下成像有重要意义。设计了一款InGaAs焦平面用的高增益低噪声64×64元读出电路。读出电路输入级采用CTIA模式(电容负反馈放大),通过计算发现输入级运算放大器热噪声是主要噪声源,采用单端替代差分运放将输入级噪声降低26%。同时,研究积分电容和增益、满阱容量、噪声的关系,将积分电容降低到1 fF,实现了超高增益和低噪声探测。读出电路采用0.18mm工艺设计,像元中心距为30mm。经过PEX(寄生参数提取)参数提取,实际积分电容为0.94 fF,经过测试芯片整体功耗低至24.1 m W,电路噪声电子数为4.37e。     

新型电流镜积分红外量子阱探测器读出电路的设计分析

设计了一种偏压可调电流镜积分(Current Mirroring Integration,CMI)红外量子阱探测器焦平面CMOS读出电路。该电路适应根据偏压调节响应波段的量子阱探测器,其中探测器偏压从0.61 V到1.55V范围内可调。由于CMI的电流反馈结构,使得输入阻抗接近0,注入效率达0.99;且积分电容可放在单元电路外,从而可以在一定的单元面积下,增大积分电容,提高了电荷处理能力和动态范围;为提高读出电路的性能,电路加入撇除(Skimming)方式的暗电流抑制电路。采用特许半导体(Chartered)0.35 m标准CMOS工艺对所设计的电路(16×1阵列)进行流片,测试结果表明:在电源电压为3.3V,积分电容为1.25pF时,电荷处理能力达到1.3×107个电子;输出摆幅达到1.76V;功耗为25mW;动态范围为75dB;测试结果显示CMI可应用于高性能FPA。     

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。     

A NEW CMOS READOUT CIRCUIT FOR VO2-BASED UNCOOLED FOCAL PLANE ARRAYS

A new CMOS readout circuit for VO₂-based uncooled FPAs is presented in this paper. The on-chip readout circuit consists of three major parts: An input circuit of BCDI structure, a column-shared integration circuit of CTIA structure, and a common CDS output circuit. The simple configuration of the input circuit makes it possible to operate more circuits in parallel, and increases the integration time and number of pixels, the column-shared integration circuit which is suitable for small pixel size provides low noise, high gain, a highly stable detector bias, and high photon current injection efficiency, and the common CDS output circuit is utilized to reduce or eliminate low-frequency noise of the readout circuit. An experimental readout chip for 50-μm-pitch 32×32 element VO₂-based uncooled FPAs has been fabricated. The measurement results of the fabricated readout chip have successfully verified its readout function and excellent performance.     

高性能TDI扫描式红外传感器读出电路研究

扫描式红外成像传感器在遥测遥感、卫星成像等远距离成像领域具有广泛的应用。为了缓解信噪比相对较低而影响图像质量的问题,提出了一种时间延时积分(TDI)型读出电路。该读出电路由电容跨阻放大器(CTIA)像素电路阵列、并行TDI电路、多路开关选择电路和输出缓冲器等组成。为实现对宽动态范围光电流的处理,CTIA电路设计有多档可选增益,且非线性度小于0.3%。该读出电路采用0.35 μm CMOS工艺设计与制造,芯片面积约为1.3 mm×20 mm,采用5 V电源时功耗小于60 mW。为了评估1024×3 TDI读出电路的功能,采用了对TDI输入端注入不同电压激励的方式进行测试,测试结果验证了所提出的设计方案。     

红外焦平面读出电路集成数字输出

为了实现红外焦平面数字化输出,设计了一种集成片上模数转换的焦平面读出电路,包括一个512512的读出电路单元阵列和列共享的逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)。单元读出电路采用了直接注入(DI)结构作为输入级,输出的信号通过多路传输送到模数转换器。设计的逐次逼近型的模数转换器中的比较器采用的是由前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高速比较器,数模转换器(DAC)采用的是三段式的电荷按比例缩放和电压按比例缩放相结合的结构。在Cadence和Synopsys设计平台下对模拟和数字部分电路分别进行设计、仿真与版图设计。电路工艺采用GLOBALFOUNDRIES公司0.35 m CMOS 3.3 V工艺加工流片。测试结果显示SAR ADC有效位数为8.2位,转换频率超过150 k Samples/s,功耗低于300 W,满足焦平面100帧频以及低功耗的需求。     

A snap-shot mode cryogenic readout circuit for QWIP IR FPAs

The design and measurement of a snap-shot mode cryogenic readout circuit (ROIC) for GaAs/AlGaAs QWIP FPAs was reported. CTIA input circuits with pixel level built-in electronic injection transistors were proposed to test the chip before assembly with a detector array. Design optimization techniques for cryogenic and low power are analyzed. An experimental ROIC chip of a 128 × 128 array was fabricated in 0.35μm CMOS technology. Measure-ments showed that the ROIC could operate at 77 K with low power dissipation of 35 mW. The chip has a pixel charge capacity of 2.57 × 10~6 electrons and transimpedance of 1.4 × 10~7 Ω. Measurements showed that the transimpedance non-uniformity was less than 5% with a 10 MHz readout speed and a 3.3 V supply voltage.     

基于电流镜的同步积分模式双色读出结构设计

文章对N+PPN结构的MW／LW双色红外焦平面信号电流同步积分的工作模式，提出了一种双色读出电路输入级的新结构，即在栅调制注入输入级的基础上加以设计改进，采用电流镜对一个独立波段(LW)的信号电流进行两路精确复制，分别用于此波段的信号电流积分、与混合波段信号电流的相减，解决了探测器输出端混合波段信号电流的分离问题，达到了两个波段信号电流同步独立积分的目的。本文就双色电路的输入级结构和工作原理进行了详细的阐述，电路模拟验证的结果表明该电路适用于信号电流大于10nA的双色器件(MW／LW,MW1／MW2，LW1／LW2双色器件)，有较高的精确度(误差<2％)和良好的性能。     

用于IRFPA ROIC的高性能缓冲器模块的设计

红外焦平面读出电路(IRFPA ROIC)主要用于焦平面阵列与后续信号处理之间的通信.文章提出了一种用于红外焦平面读出电路的缓冲器模块,包括列缓冲器、高性能的输出缓冲器以及相应的偏置电路.缓冲器均采用单位增益放大器结构,通过放大器的优化设计可实现对不同负载的有效驱动且静态功耗较低.该缓冲器模块用于一款640×512面阵、30μm中心距的中波红外焦平面读出电路,采用CSMC 0.5μm DPTM工艺进行流片加工.仿真结果表明,列缓冲器的开环增益为40.00 dB,单位增益带宽为48.17 MHz(10 pF).输出缓冲器可实现轨到轨的输入,开环增益为39.68 dB,单位增益带宽为46.08 MHz,读出速率高达20 MHz,功耗为16.02 mW(25 pF//5.1 kΩ).该模块输入端拉出的测试管脚可在焦平面读出电路的晶圆测试中帮助验证芯片功能.通过调节测试端口,测试结果与仿真结果大体一致,验证了该缓冲器模块的设计可行.