一种弱光成像用AlGaN APD阵列的读出电路设计

设计了64×64 AlGaN雪崩光电二极管(APD)阵列的读出电路,该读出电路采用了具有稳定探测器偏压能力的电容跨阻抗放大器(CTIA)结构。利用APD的等效电路模型,推导了电荷-电压转换因子(CVF)与积分电容、放大器增益的关系。为增加最大探测光电流、降低响应的非均匀性,利用上述关系得到积分电容为70fF,放大器增益为300。读出电路的地址选择采用移位寄存器来实现,并采用电压缓冲器实现信号的输出。     

GaN基APD日盲紫外探测器读出电路设计

基于GaN基APD（雪崩二极管）日盲紫外探测器工作原理,我们设计了GaN-APD日盲紫外探测器的读出电路(ROIC)。考虑到GaN-APD日盲紫外探测器的特性,我们重点研究了80V高压击穿保护电路、暗电流消除电路以及为CTIA运放电路的电流偏置电路和带隙基准电路。在此基础上,我们设计了1×8的电路并进行了仿真验证,读出电路耐高压不小于80V,当积分电容为4pF,积分时间为25us,时钟频率为100KHz的时候,电路的电荷存储能力为5.6×107个,输出电压摆幅在0～2.25V,读出电路的输出电压线性度不低于99%。     

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。     

77 K下碲镉汞APD探测器的高精度时间数字转换电路

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)是目前红外焦平面技术前沿研究之一,低温下高精度时间标记读出电路是APD焦平面的基础,直接影响到APD红外焦平面性能。时间数字转换电路(TDC)是实现高精度时间标记的方法之一。基于对低温下金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)器件的分析,设计了一款游标型TDC电路,该方法利用同步计数器量化整数倍周期,实现粗计数6 bits的输出;通过片上锁相环倍频的高频时钟来量化不足一个时钟周期的部分,以实现精计数6 bits的输出。电路采用标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺流片,工作在120 MHz的主频与77 K下测试得到,能够分辨最小精度为236.28 ps,其中微分非线性为-0.54~0.71 LSB,积分非线性为-1.32~1.21 LSB。     

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.     

具有时间延迟积分(TDI)功能的288×4红外焦平面读出电路

提出了一种具有TDI功能的288×4扫描型红外焦平面读出电路.分析了TDI的工作原理及电路实现,给出了本类电路TDI功能的测试方法.实现了支持积分同时读出(IWR)的相关双采样(CDS)及其可测性设计.提出了一种大规模扫描型焦平面读出电路的低功耗设计方案.本文的设计结果经过了流片验证.     

大面阵CMOS快照模式焦平面读出电路设计分析

针对一款大面阵(640×512元)快照模式制冷型红外焦平面用的读出电路进行了初步分析验证.该读出电路采用改进DI结构,先积分后读出的积分控制模式,像素尺寸为25μm×25μm,芯片已在0.5μm双硅双铝(DPDM)标准CMOS工艺下试制.首先对该电路结构及工作原理进行分析,并对输入级等电路的传输特性进行仿真验证,最后给出探测器阵列与读出电路芯片互连后的测试结果.结果表明该读出电路适用于小像素、大规模的红外焦平面阵列.     

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.     

红外读出电路噪声优化分析

为了优化不同波段红外读出电路的噪声性能,给出了系统的CTIA结构读出电路噪声模型,分析了积分电容与积分时间对不同成分噪声的影响,得出了在不同红外波段探测下,噪声随积分参数取值的变化曲线。该优化研究将红外传感器件的物理特性光电流大小与读出电路的噪声特性联系在了一起,阐明了对于不同红外波段的探测,在一定的制造工艺范围内,积分电容都有最优的取值,且取值与探测器的并联电容有直接的关系;输出噪声与电路结构相互的影响也是不同的,CDS结构对长波读出电路噪声性能的改善优于中波读出电路。     

红外焦平面探测器数字读出电路研究

读出电路是红外焦平面探测器组件的重要组成部分,其性能对探测器乃至整个红外成像系统的性能有重大影响。随着硅CMOS工艺的发展,数字化读出电路以及读出电路片上数字信号处理等功能得以实现,能够大幅度提高红外焦平面探测器的性能。以红外焦平面探测器对读出电路的要求入手,分析了读出电路各性能参数对红外焦平面探测器性能的影响,介绍了读出电路的数字化技术及各种实现方式以及数字积分技术。CMOS技术的发展使得数字积分技术在红外焦平面探测器读出电路中得以实现,有效解决了读出电路的电荷存储容量不足的问题,极大地提高了探测器性能。     

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。     

小像元10 μm中心距红外焦平面读出电路设计

研制出一款小像元10μm中心距红外焦平面探测器CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（read out integrated circuit）。读出电路设计包括积分后读出（integration then reading,ITR）和积分同时读出（integration while reading,IWR）模式,ITR模式下有2档增益,电荷满阱容量分别为4.3 Me-和1.6 Me-,其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18μm工艺,电源电压3.3 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频100 Hz,读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构,分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中,发现了盲元拖尾现象,分析了拖尾现象产生的原因,为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路,最后给出了整个电路的测试结果。     

多功能红外焦平面读出电路设计

主/被动成像系统具备多种成像模式,集成度高、成本低、系统运行效率高,应用前景良好。设计了一种64×64规模的多功能红外焦平面阵列读出电路,在30 μm像元中心距的限制下实现了日光标准成像、微光成像、异步激光脉冲检测和二维激光测距四种成像功能。基于TSMC 0.35 μm工艺,完成了多功能读出电路的芯片设计与流片验证。电路复用设计和像素共享架构显著降低了版图面积。CTIA的T型开关有效减小漏电流,改善了红外被动成像电路的动态范围,高增益模式下动态范围达60 dB,低增益模式下动态范围达68 dB。并且满阱电荷容量分别为203 ke?和1.63 Me?。三级push-pull运放和MOS反馈电阻使RTIA兼具高增益和小尺寸。芯片测试结果表明,电路具备主/被动成像功能,性能良好,可应用于红外焦平面激光雷达成像系统。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

提高读出电路输入电流动态范围的新方法

设计了一个由CMOS差分放大器构成的电容反馈跨阻型紫外焦平面单元读出电路。该电路在传统的读出电路基础上进行改进,大幅度的提高了输入电流的动态范围。该单元读出电路可应用于工作在快照模式下的128×128FPA读出电路,像素输出速率达10MHz,为探测器提供0．3V～2V的稳定偏置电压,输入电流的动态范围达52dB。     

An experimental 1.5-V 64-Mb DRAM

Low-voltage circuit technologies for higher-density dynamic RAMs (DRAMs) and their application to an experimental 64-Mb DRAM with a 1.5-V internal operating voltage are presented. A complementary current sensing scheme is proposed to reduce data transmission delay. A speed improvement of 20 ns was achieved when utilizing a 1.5-V power supply. An accurate and speed-enhanced half-V_CC voltage generator with a current-mirror amplifier and tri-state buffer is proposed. With it, a response time reduction of about 1.5 decades was realized. A word-line driver with a charge-pump circuit was developed to achieve a high boost ratio. A ratio of about 1.8 was obtained from a power supply voltage as low as 1.0 V. A 1.28 μm² crown-shaped stacked-capacitor (CROWN) cell was also made to ensure a sufficient storage charge and to minimize data-line interference noise. An experimental 1.5 V 64 Mb DRAM was designed and fabricated with these technologies and 0.3 μm electron-beam lithography. A typical access time of 70 ns was obtained, and a further reduction of 50 ns is expected based on simulation results. Thus, a high-speed performance, comparable to that of 16-Mb DRAMs, can be achieved with a typical power dissipation of 44 mW, one tenth that of 16-Mb DRAMs. This indicates that a low-voltage battery operation is a promising target for future DRAMs     

红外焦平面读出电路片上驱动电路设计

线列红外焦平面读出电路在正常工作时需要提供多路数字脉冲和多路直流偏置电压。本文基于0.5 μm CMOS工艺设计了一款驱动电路芯片,为电容负反馈放大型（CTIA）读出电路（ROIC）提供驱动信号。电路芯片采用带隙基准电路产生低噪声低温漂的直流偏置电压,采用数字逻辑电路生成CLK1,CLK2,RESET等八路数字脉冲。仿真及测试结果表明：驱动电路芯片输出的数字脉冲及偏置电压符合设计值,可驱动CTIA型线列红外焦平面读出电路稳定工作。     

An ultra low noise readout integrated circuit for uncooled microbolometers

A low noise readout architecture for uncooled microbolometer focal plane arrays is described. The on-chip readout circuit contains an integration circuit in which the bolometer current is directed injected into a capacitor, and exhibits extremely low noise with no decrease in signal by using an ultra low noise capacitive transimpedance amplifier (CTIA). The simple configuration of the integration circuit makes it possible to operate more circuits in parallel, and increases the integration time and number of pixels. A 40 × 30 uncooled microbolometer focal plane array based on the low noise ROIC was implemented on silicon using a 0.5 μm CMOS technology. The total output noise voltage is 260 μV RMS. A noise at this level is so low that can loosen required TCR in the bolometer material. Experimental values of voltage responsivities of 3.98 × 10⁵ V/W on average at 1 Hz modulation frequency have been achieved.     

新型量子光电探测器读出与显示

对一种响应近红外的新型量子光电探测器特性进行测试和分析,给出了2×8探测器阵列和读出电路的对接测试结果,设计初步的成像系统采集显示焦平面输出。探测器有一个-0.8V的阈值电压,偏压大于阈值电压后器件响应率远大于1A/W,且响应率随光照功率增大减小。2×8探测器阵列与设计的读出电路通过Si基板对接后在77K条件测试,读出电路的线性度好于99.5%,信噪比达到67dB,探测器偏压为-1.5V,积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。设计了数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性。