边积分边读出低噪声红外焦平面读出电路研究

设计了一款低噪声InGaAs焦平面读出电路.提出一种新型相关双采样电路结构,可在边积分边读出模式下有效抑制积分电容(0.15 pF)的KTC噪声.电路经0.5 μn5 V Nwell CMOS工艺流片,测试结果符合设计目标,在高帧频边积分边读出模式下工作状态良好,电路噪声约1.7×10-4V,动态范围大于80 dB.     

干涉式大气垂直探测仪读出电路研究

干涉式大气垂直探测仪是风云4号气象卫星的重要有效载荷,用于获取大气的多种三维信息。成功设计了一款适用于干涉式大气垂直探测仪的红外焦平面读出电路。电路采用CTIA注入级结构,积分电容4档可选。并且工作方式灵活,同时采用相关双采样结构有效地降低了电路输出噪声。电路使用CSMC 0.5 m 2P3M 5 V工艺流片,电路测试结果符合理论设计预期,噪声小于0.14 mV,动态范围达到85.6 dB。耦合中波HgCdTe探测器测试正常,噪声小于0.43 mV,动态范围达到75.6 dB,符合干涉式大气垂直探测仪红外焦平面要求。     

一种用于天文望远镜的低噪声CCD读出电路

设计了一种用于天文望远镜的低噪声电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,CCD)读出电路.该读出电路主要包括电容增益电路、单端转差分电路、双斜率积分电路以及缓冲器电路.CCD读出电路采用SMIC 0.18μm1P6M CMOS工艺实现.后仿真结果表明,在电源电压3.3V,输入信号67kHz,输出信号80mV峰值时,输出信号动态范围86dB,等效输入噪声2.523nV/Hz1/2,整体功耗1.25mW.     

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。     

128×128 IRFPA CMOS读出电路

研制出一种直接注入 (DirectInjection)方式的 12 8× 12 8元红外焦平面CMOS读出电路。其中 ,采用了相关双采样电路 ,使信噪比明显提高。对电路方案进行了计算机仿真。实验结果表明 ,读出电路的动态范围≥ 74dB ,功耗≤ 5mW。     

一种Doppler/FMCW双模式雷达模拟基带设计

基于55 nm CMOS工艺,设计了一种应用于24 GHz Doppler/ FMCW双模式雷达系统的模拟基带电路(ABB)。低通滤波器由两个改进型Tow-Thomas二阶节级联而成,实现了增益和带宽独立调节。采用一种基于7 bit可编程电流型数模转换器(IDAC)的两步逐次逼近型直流失调消除电路(SAR DCOC),可在Doppler模式10~600 Hz极低中频条件下,对混频器输出和基带自身直流失调进行消除。在IDAC和两级运放中混合使用BJT管,减小闪烁噪声,获得良好的低频噪声性能。后仿真结果表明,在2.5 V电源电压、模拟基带消耗电流4.9 mA下,两种模式增益范围均为6~62 dB,最大线性输入幅度(IP 1 dB)为10 dBm;62 dB增益时,Doppler模式、FMCW模式下的噪声系数分别小于42 dB、27 dB。蒙特卡罗仿真结果表明,当输入存在400 mV、200 mV直流失调时,基带输出直流失调仅为21.3 mV和16.4 mV。     

一种大动态范围近红外光功率测量电路设计

基于铟镓砷(InGaAs)光电二极管设计了一种大动态范围近红外光功率测量电路。在不使用外置光衰减片的条件下,它可以测量-95~10 dBm范围内的近红外光功率。该光功率测量电路采用了自动偏压控制、多档放大量程、差分采样电路等技术,并通过电磁屏蔽设计抑制了杂散光噪声和电路暗噪声,从而提高了测量动态范围。测试结果表明,这种近红外光功率测量电路的动态范围达到105 dB,在-60~10 dBm范围内的线性度优于±0.02 dB。     

红外探测器高性能读出电路的研究

设计了一种高性能电容反馈跨阻放大器(CTIA)与相关双采样电路(CDS)相结合的红外探测器读出电路。该电路采用CTIA电路实现对微弱电流信号的高精度读出,并通过CDS电路抑制CTIA引入的固定模式噪声(FPN),最后采用失调校正技术减小CDS引入的失调,从而减小了噪声对电路的影响,提高了读出电路的精度。采用特许半导体(Chartered)0.35μm标准CMOS工艺对电路进行流片,测试结果表明:在20pA～10nA范围内该电路功能良好,读出精度可达10bit以上,线性度达97%,达到了设计要求。该读出电路可用于长线列及面阵结构红外探测系统。     

高速硅微条探测器中流水线ADC的设计与实现

基于0.13μm CMOS工艺,设计了一种应用于硅微条探测器读出电路的12-bit 80MS/s流水线模数转换器。该模数转换器采用双输入运放共享倍乘数模转换器(MDAC)结构,使运放的输入端交替连接至VCM进行复位,不需要额外时钟消除级间记忆效应。比较器的比较时刻选择在下一级底极板采样开关断开之后而运放还保持在本级输出的相位,使比较器的回踢噪声不会对下级采样信号产生影响。当输入信号在1 MHz时,电路仿真结果得到:信号噪声失真比(SNDR)为71.6 dB,无杂波动态范围(SFDR)为85.6 dB,总谐波失真(THD)为-81.8 dB,有效位数(ENOB)为11.61 bit。     

640×512焦平面读出电路设计

介绍了640×512电容反馈跨阻放大器(CTIA)型焦平面读出电路的设计,包含模拟电路与数字模块设计。分析了CTIA采样单元的设计,折中优化了采样单元的面积、噪声、增益等因素,同时优化了采样单元控制电路,最大限度地提高了对采样单元阵列的驱动能力;数字控制部分着重分析了对行选、列选、翻转读出、随机开窗、隔行扫描、多路选择输出等功能的实现方式。设计基于0.5μm DPTM工艺进行仿真验证,采样单元面积为25μm×25μm,工作频率为5MHz,芯片面积为18.1mm×17.4mm,输出摆幅大于2.5V,动态范围大于70dB。     

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。     

一种基于0.35 μm CMOS工艺的单片集成微机械陀螺仪接口电路

本文介绍了一种用于读取角速度信号的单片集成微机械陀螺仪接口电路,该接口电路采用了相关双采样技术以抑制1/f噪声和运算跨导放大器的失调.为了方便系统仿真和测试,本文设计了一种微机械陀螺仪的等效电路.该接口电路采用0.35 μm CMOS工艺设计并制造,芯片总面积为1.09mm×0.87mm.后仿真结果表明,该接口电路能达到0.58aF的电容分辨精度,动态范围达99.7dB.测试结果表明,接口电路系统增益为26.6mV/fF,在3.5V电源电压下系统总功耗为20.4mW.     

大幅度CCD输出信号降噪的相关双取样电路

电荷耦合器件(CCD)的输出信号构成复杂,包含有典型的KTC、1/f等类型的噪声,需要进行专门处理后才能获得与入射光信号相对应的高信噪比信号。文章针对具有较大幅度的CCD输出信号,采用宽电压工作的独立运放满足幅度较大的信号处理要求;通过在同一个运算放大器上实现噪声保持及信号采样的形式,消除了不同通道增益差异对信号的影响,获得了较高线性度的信号处理效果;同时结合CCD驱动器的设计,获取相关双取样技术所需的采样及保持脉冲信号,增强了采样与CCD输出信号间的关联程度,从而进一步提高了相关双取样技术消除CCD噪声的效果。采用这种信号处理电路后,将原来噪声处理的水平从约22 mV提高到了约1 mV,并且在一种精密的位移测量系统中得到应用,最后就具体电路设计的难点及注意事项进行了阐述。     

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。     

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     

基于自偏置电流镜的CMOS红外焦平面读出电路

针对高精度红外焦平面阵列应用设计了一种具有高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、小面积和低功耗的自偏置电流镜注入CMOS读出电路.所设计的电路结构包括一种由自偏置的宽摆幅PMOS共源共栅电流镜和NMOS电流镜构成的反馈结构读出单元电路和相关双采样电路.对所设计电路采用Chartered 0.35 μm CMOS工艺进行了流片.测试结果显示:电路线性度达到了99%,探测器两端偏压小于1mV.电路输入阻抗近似为0,单元电路面积为10μm×15μm,功耗小于0.4μW.电量存储能力3108电子.测试结果表明:电路功能和性能都达到了设计要求.     

New CMOS readout circuit with background suppression and CDS for infrared focal plane array applications

A high injection, large dynamic range, stable detector bias, small area and low power consumption CMOS readout circuit with background current suppression and correlated double sampling (CDS) for a high-resolution infrared focal plane array applications is proposed. The detector bias error in this structure is less than 0.1 mV. The input resistance is ideally zero, which is important to obtain high injection efficiency. Unit-cell occupies 10 μm× 15 μm area and consumes less than 0.4 mW power. Charge storage...     

Design and evaluation of current-mode image sensors in CMOS-technology

Three different current-mode-output CMOS image sensor structures comprising of a pixel cell and an appropriate readout circuit have been analyzed and compared with regard to their noise behavior, fixed-pattern noise (FPN), and the dynamic range. First, a standard integrating pixel cell with a readout circuit containing a voltage-to-current converter is proposed. Second, a pixel cell based on a switched current cell is analyzed. The third sensor cell uses a feedback loop to control the reverse bias voltage of the photodiode to reduce the settling time of the pixel cell and the influence of the photodiodes's dark current. The necessary amplifier is partly located in the pixel cell and partly in the readout circuit. In all sensors, correlated double sampling is used to suppress the FPN.