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。     

具有背景抑制功能的长波红外读出电路

为了提高红外焦平面检测目标的灵敏度，目标辐射产生的载流子应尽可能长时间保持，同时应尽可能减少热激发和背景辐射激发的比例。高背景条件下长波红外读出电路的积分电容较快饱和，且长波红外探测器暗电流的非均匀性会影响焦平面的固定图形噪声。基于共模背景抑制结构以及长波碲镉汞探测器暗电流分析的基础上，设计了具有非均匀性矫正的背景抑制电路。传统的背景抑制电路采用单一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模块的高精度背景记忆一般在小范围区间内。本文背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合，可以在较大的背景噪声范围内有效地降低固定图形噪声以及增大动态范围。该背景抑制结构中共模背景抑制采用电压-电流转换法，差模背景抑制采用电流存储型背景抑制结构。差模背景抑制通过背景记忆时信号放大，背景抑制时信号缩小来提高背景抑制精度。电路采用标准CMOS工艺流片。测试结果表明:读出电路的FPN值为2.08 mV。未开启背景抑制时，焦平面FPN值为48.25 mV。开启背景抑制后，焦平面FPN值降至5.8 mV。基于探测器的暗电流非均匀分布，计算其理论FPN值为40.9 mV。长波红外焦平面输出信号的RMS噪声在0.6 mV左右。     

背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计

主要研究红外探测器读出电路的输入级设计,针对短波红外信号,电容反馈互导放大器型(CTIA)读出电路具有高注入效率的特点。本文设计了一种带有背景暗电流抑制的CTIA型读出电路输入级结构,该结构在77 K低温环境,大于300μs的长积分时间工作。探测器接收短波小信号,注入电流0~800 pA,与传统的CTIA型读出电路输入级相比,有效实现对背景暗电流的抑制作用,提供探测器偏压的稳定度提高93.2%,同时,积分线性度达到99.97%,具有良好的积分均匀性、灵敏度和动态范围。     

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。     

大周长面积比延伸波长InGaAs红外焦平面噪声

在理论上分析了红外焦平面组件中光敏元、读出电路以及两者耦合的总噪声特性,对大周长面积比(38×500μm2)延伸波长InGaAs组件的噪声与温度、积分时间的关系进行了实验和分析.实验结果指出,在一定条件下组件噪声与积分时间的根号并不成正比.测量了不同温度下的组件暗信号、噪声,得到组件噪声与暗电流的关系,分析表明,该种组件噪声主要来自于1/f噪声及读出电路输入级电流噪声.     

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。     

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。     

Current-mode background suppression for 2-D LWIR applications

A new readout circuit involving two-step current-mode background suppression is studied for two-dimensional long wavelength infrared (2D LWIR) focal plane arrays. The simple pixel circuit has a very small skimming error of less than 0.3%, low noise characteristics for an adequate calibration range, and a long integration time of 2 ms.     

Time-based pixel-level ADC with wide dynamic range for 2-D LWIR applications

A readout circuit involving a time-based pixel-level ADC is studied for two-dimensional long wavelength infrared focal plane arrays (2-D LWIR FPAs). The integration time of each pixel can be optimised individually and automatically. Using a time-based pixel-level ADC with two-step background suppression, the signal-to-noise ratio and dynamic range can be improved to 88.8 and 95.1 dB, respectively.     

Novel current-mode background suppression for 2-D LWIR applications

A new readout circuit involving two-step current-mode background suppression is studied for two-dimensional long-wavelength infrared focal plane arrays (2-D LWIR FPAs). Buffered direct injection (BDI) and a feedback amplifier are used for the input circuit and background suppression circuit, respectively. The readout circuit has been fabricated using a 0.6-/spl mu/m 2-poly 3-metal CMOS process for a 64/spl times/64 LWIR HgCdTe IR array with a pixel size of 50 /spl mu/m/spl times/50 /spl mu/m. The simple pixel circuit has a very small skimming error of less than 0.3% and low noise characteristics for an adequate calibration range and integration time.     

具有分时背景抑制功能的单元电路设计

介绍了一种具有分时背景抑制功能的单元电路,该单元电路适合于大规模2D红外焦平面阵列.在减电流电路设计中,自级联管采用长沟道设计,工作在强反型区,各单元电路的减去电流不易受到工艺偏差的影响,有效地降低了具有分时背景抑制功能的单元电路间的背景抑制非均匀性(BSUN).在背景电流为100 nA,积分时间为2.7 ms,减去电流为3.28 μA,构成自级联管的两个晶体管阈值电压的最大失配均为10 mV时,具有分时背景抑制功能的单元电路间的BSNU为3.310%.     

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.     

抑制背景电流的红外焦平面单元读出电路

随着非制冷红外焦平面阵列技术的发展,红外读出电路的设计变得越来越重要。设计了一种带有背景电流抑制功能的红外焦平面单元读出电路,该读出电路在改进后的第一代开关电流电路的基础上实现背景电流抑制功能。详细阐述了该系统电路的整体架构和工作原理,并用Spectre仿真软件实现了电路的仿真。结果表明该方案可以抑制背景电流,实现红外读出功能。     

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。     

高工作温度p-on-n中波碲镉汞红外焦平面器件研究

As注入掺杂的p-on-n结构碲镉汞红外探测器件具有少子寿命长、暗电流低、R₀A值高等优点,是高温器件研究的重要技术路线之一。针对阵列规模640×512、像元中心距15 μm 的As掺杂工艺制备的p-on-n中波碲镉汞焦平面器件,测试了不同工作温度下的性能和暗电流。研究结果表明,在80 K工作温度下,器件响应表现出高响应均匀性,有效像元率达99.98%;随着工作温度升高,器件盲元增多,当工作温度为150 K和180 K时,有效像元率降低至99.92%和99.32%。由于对器件扩散电流更好的抑制,器件在160~200 K温度范围内的暗电流低于Rule-07。并且当工作温度在150~180 K时（300 K的背景下）,器件具有较好的信噪比,极大程度地体现了高温工作的可行性。