短波IRFPAs读出电路CTIA输入级的优化设计

针对凝视短波红外焦平面阵列探测器弱信号耦合读出的难题,设计了一种高注入效率、低噪声、精简结构的运放积分型（CTIA）输入级。该CTIA单元输入级采用电流源负载的共源共栅结构,不仅具有传统CTIA结构的优点,还能克服常规的CTIA结构复杂、功耗过高的缺点。在低温模型的仿真环境下,进行了前仿真和提取版图寄生参数的后仿真。基于CSMC-6S05DPTM 0.5 μm工艺流片, CTIA读出电路芯片的测试结果与仿真结果基本一致,输出信号电压范围达到2.5 V,单元功耗小于1.0 μW。Abstract：     

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。     

双色红外焦平面阵列读出电路设计

根据P-N-N-P型叠层双色红外焦平面阵列探测器结构及其等效电路,提出了一种128×128同时积分、同时读出型双色红外焦平面读出电路原理及实现方式。单元电路采用直接注入结构作为输入级,在给定的单元面积内获得了较大的积分电容,满足了单元电路内中、短波两个独立的积分信号通道的需求。仿真结果表明该电路满足预定的设计要求,积分时间可调,读出速率大于等于5MHz,中、短波输出电压的线性度均达到99%以上,功耗约68mW。     

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。     

GaN基紫外探测器读出电路注入效率

读出电路的注入效率是决定紫外焦平面探测器性能的重要因素。基于GaN基p-i-n结构日盲紫外探测器以及CTIA结构读出电路的等效模型,对探测器信号读出的电荷注入效率进行了分析,得到了注入效率的表达式。分析了注入效率与积分时间、探测器等效电阻、探测器等效结电容、CTIA电路中运算放大器增益的依赖关系,并指出了放大器增益是有效影响注入效率的重要可控因素之一,可以用提高增益的方法获得更大的注入效率。设计了几种不同增益的运算放大器电路,并分别构成CTIA结构读出电路。采用GF 0.35 m 2P4M标准CMOS工艺设计电路版图并进行流片。将紫外探测器分别连接至具有不同放大器增益的CTIA读出电路并进行测试,通过对比注入效率的理论分析结果与实际测试结果,可以得知,注入效率的理论分析与实验结果吻合较好。     

一种单一增益下实现红外探测器大动态范围读出方法研究

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB, 为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。     

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。     

一种大间距短波线列红外探测器用读出电路的设计

介绍了一款大间距双波段短波线列红外探测器用读出电路的设计详情,电路采用CTIA输入方式,模拟通道采用11级TDI进行信号的时间延迟累加平均。文章主要介绍了电路输入级、列级信号处理电路的设计及仿真分析,给出了全电路的整体仿真结果,并在文章最后介绍了电路实际测试结果。     

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.     

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.     

CTIA线列型读出电路输出异常问题研究北大核心CSCD

CTIA电路结构由于其高注入效率和线性度在小信号探测器读出电路设计中广泛应用。然而,采用该结构作为输入级的TDI线列型读出电路,在使用中处理信号足够大时,帧与帧之间输出电平出现高低差异,最大可达2 V。表现在图像则为明暗条纹交替出现,无法正常探测。积分电容越小,该现象越容易出现。并且,通过改善供电、调节偏置电压和参考电压等措施对该现象均无明显改善。本文针对这一现象,通过深入仿真和理论分析,最终实现问题定位,同时提出解决措施,有效地消除该现象。     

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.     

焦平面输入电路研究

在混合式焦平面阵列中，探测器和读出电路的耦合通过输入级电路实现。为分析输入电路对探测器-放大器系统性能的影响，用分立元件设计制作了一个三级的前置放大器并进行了模拟实验，实验表明放大器输入级噪声是造成探测器信噪比下降的主要因素，应用中应该选用具有特定噪声性能的放大器与探测器匹配。研究了焦平面中常用的直接注入(DI)和电容反馈放大电路(CTIA)与探测器耦合时在噪声、输入阻抗、工作点匹配等方面应具备的条件。提出了临界输入阻抗的概念，实验表明，当电路的输入阻抗低于此临界值时(对于GaN p?蛳i?蛳n 光伏探测器来说约为106 Ω)，焦平面才能获得较高的注入效率。     

High-performance CMOS buffered gate modulation input (BGMI) readoutcircuits for IR FPA

A new CMOS current readout structure for the infrared (IR) focal-plane-array (FPA), called the buffered gate modulation input (BGMI) circuit, is proposed in this paper. Using the technique of unbalanced current mirror, the new BGMI circuit can achieve high charge sensitivity with adaptive current gain control and good immunity from threshold-voltage variations. Moreover, the readout dynamic range can be significantly increased by using the threshold-voltage-independent current-mode background suppression technique. To further improve the readout performance, switch current integration techniques, shared-buffer biasing technique, and dynamic charging output stage with the correlated double sampling circuit are also incorporated into the BGMI circuit. An experimental 128×128 BGMI readout chip has been designed and fabricated in 0.8 μm double-poly-double-metal (DPDM) n-well CMOS technology. The measurement results of the fabricated readout chip under 77 K and 5 V supply voltage have successfully verified both readout function and performance improvement. The fabricated chip has the maximum charge capacity of 9.5×10⁷ electrons, the transimpedance of 2.5×10⁹ Ω at 10 nA background current, and the arrive power dissipation of 40 mW. The uniformity of background suppression currents can be as high as 99%. Thus, high injection efficiency, high charge sensitivity, large dynamic range, large storage capacity, and low noise can be achieved In the BGMI circuit with the pixel size of 50×50 μm². These advantageous characteristics make the BCMI circuit suitable for various IR FPA readout applications with a wide range of background currents