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.     

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。     

天文应用红外焦平面读出电路研究

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时,研究非破坏性读出的数字功能,实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期,开启电路非破坏性读出功能,设置6 000 s的积分时间,当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel^-1·s^-1。读出噪声在两档增益下分别为50 e-(10 fF)和27 e-(5 fF),非线性度低于0.1%。     

基于门控多周期积分的背景抑制读出电路

在空间遥感领域,波长在3?m～5?m的中红外焦平面探测器大都工作在高背景环境下,信号电流远小于背景电流。为解决当前信号淹没于背景这一突出问题,设计了一种采用门控多周期积分结构实现的背景抑制功能的读出电路。该电路在抑制背景电流(包括暗电流)的同时能有效降低噪声,提高有效积分时间,增大输出信号动态范围。经Spectre仿真软件验证了电路设计的正确性。背景电流输入范围为0 nA～110 nA,能够有效读出2.5 nA～25 nA之间的信号电流,电路输出摆幅大于2 V。该电路的设计不仅能解决当前工程中的关键问题,还对今后高性能大面阵红外焦平面高背景弱信号探测具有重要的指导意义。     

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。     

基于逐元暗电流抑制的红外探测器读出电路研究

在航天应用领域,大部分中长波红外探测器都工作在高背景下.由于线列碲镉汞(HgCdTe)红外探测器本身的暗电流较大且各像元的暗电流具有很大的非均匀性,采用常规读出电路方案时的输出信号动态范围过小,甚至部分像元的信号电压也无法读出.采用将电压 电流转换和电流存储单元相结合的方法,设计了一种具有逐元背景抑制功能的中波红外探测器线列读出电路.该方法不仅可以抑制不同像元的暗电流,而且还可以有效提高电路的信噪比,并可增大输出信号的动态范围.电路测试结果表明,在90 K低温下,电路输出摆幅为2V,输出电压的非均匀性下降了70％,因此该研究对中长波红外探测器的工程化设计具有重要的指导意义.     

高光谱用长波红外焦平面探测器组件

介绍了高光谱用长波1024×256红外焦平面探测器组件的研究结果。长波红外焦平面探测器芯片基于液相外延碲隔汞薄膜材料制造,读出电路基于035μmCMOS 50 V工艺设计,采用非密封型与高光谱相机集成的探测器封装结构。经测试,长波1024×256红外焦平面探测器组件各项功能正常,性能良好。     

短波红外InGaAs焦平面噪声特性

为研究铟镓砷焦平面的噪声特性,设计了两种不同吸收层掺杂浓度的InGaAs外延材料,采用标准工艺制备了平面型160×128元光敏芯片,并与相同结构的读出电路倒焊耦合形成160×128元焦平面,采用改变积分时间和改变器件温度的方法,测试焦平面的信号与噪声.通过研究不同材料参数、器件性能与焦平面噪声的关系,定量分析了短波红外InGaAs焦平面的噪声特性.结果表明,焦平面噪声主要来源于焦平面耦合噪声和探测器噪声,降低InGaAs外延材料吸收层的掺杂浓度,可以有效降低探测器电容,从而降低焦平面的耦合噪声;而探测器噪声由探测器暗电流和工作温度影响,该噪声在长积分时间下决定了焦平面的总噪声水平.实现低暗电流、低电容特性的光敏芯片是降低焦平面噪声的有效途径.     

中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制

报道了中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制。通过特殊设计的器件和读出电路结构,获得了可对中波波段和长波波段选择的切换架构。突破了双色量子阱材料、器件以及读出电路等关键技术,研制出384288规模、25 m中心距双色量子阱红外焦平面探测器。在70 K条件下器件性能优良,噪声等效温差为28 mK(中波)和30 mK(长波),响应峰值波长分别为5.1 m(中波)和8.5 m(长波)。室温目标红外成像演示了探测器的双色探测功能。     

高性能低噪声数字读出电路

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向,其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构,重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响,并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论,设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路,读出噪声测试结果为150 μV,互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路,互连长波探测器测试NETD小于4 mK,动态范围超过90 dB,帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能,表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。     

IR FPA读出电路电注入测试系统

利用电流注入方式可以方便地模拟光电流注入,从而对红外焦平面阵列读出电路进行参数测试.采用NI公司的MIO-16E-1数据采集卡,通过软件编程,低成本、高效率地实现了读出电路的参数测试系统.使用多帧统计计算的方法对读出电路阵列的均方根噪声、动态范围和非均匀性等参数进行了测试.测试结果表明成品率达到64%以上,该批合格管芯已成功用于成像实验.     

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。     

红外焦平面阵列读出电路非均匀性研究

读出电路对红外焦平面阵列成像系统的非均匀性有重要影响,采用动态非线性系统函数的泰勒级数建立功能电路单元的通用非均匀性模型,按照模拟型读出电路的一般结构建立读出电路的非均匀性模型,利用高斯噪声和柏林噪声模拟读出电路参数的空间随机分布,采用三维噪声的空间分量量化评估非均匀性,采用等长的矩阵模型简化阵列信号串行读出的时空转换过程,分析了噪声模型、多通道缓冲和响应非线性的非均匀特性,并指导某320×256阵列读出电路进行了非均匀特性仿真和优化。该方法能够对读出电路的非均匀性进行系统级仿真评估,并为其工程优化提供指导。     

New dark current suppression CMOS readout circuit with novel CDS structure for large format QWIP FPA

A new Dark Current Suppression (DCS) CMOS readout circuits for large format Quantum-Well-Infrared Photo-detector (QWIP) Focal-Plane-Array (FPA) with novel CorrelatedDouble-Sampling (CDS) structure based on dynamic source-follower are proposed, which can overcome the drawbacks of the present techniques, such as sensitive to the non-uniformity of the QWIP materials, poor readout noise features, low frame frequency, limited injection efficiency and dynamic range, etc. The dummy is adopted to realize dark current suppression, while the cascode current mirror (with current ratio of 1:10) can increase charge sensitivity and reduce integration time. Through the novel CDS structure, the output waveform is boxcar, and the frame frequency is increased. Simulation results demonstrate that, in high background sense, the proposed DCS circuit can suppress the dark current, achieve good readout performance, such as low power consumption, high charge sensitivity, high resolution, large dynamic range, and insensitive to the non-uniformity of the QWIP materials.     

CMOS Readout Circuit with New Background Suppression Technique for Room-Temperature Infrared FPA Applications

A high-performance CMOS readout integrated circuit (ROIC) with a new temperature and power supply independent background current and dark current suppression technique for room-temperature infrared focal plane array applications is proposed. The structure is composed of an improved switched current integration stage, a new current-mode background suppression circuit, and a high linearity, high voltage swing output stage. An experimental readout chip has been designed and fabricated using the Chartered 0.35 μm CMOS process. Both the function and performance of the proposed readout circuit have been verified by experimental results. The test results show that the detector bias error in this structure is less than 0.1 mV. The input resistance is close to an ideal value of zero, and the injection efficiency is almost 100%. The output voltage linearity of the designed circuit is more than 99%. The background suppression level is tunable between 8 nA–1.5 μA, and the background suppression uniformity is as high as 100%. A unit-cell occupies a 10 μm × 15 μm area and consumes less than 0.07 mW power.     

一种新颖的带背景抑制红外读出单元电路

设计了一种带新型背景抑制技术的红外读出电路,该电路通过控制开关管的导通与关断,使背景抑制电流源在积分过程中间断性地产生背景抑制电流.同时,背景抑制电流产生管工作在强反型区,减小了由工艺失配和噪声所引起的单元电路间背景抑制电流的变化,降低了电路的背景抑制非均匀性.所提出的读出电路基于CSMC DPTM(双晶三铝)0.5 ...