卫星用高光谱红外焦平面读出电路设计

研制出一款高性能卫星用高光谱红外焦平面CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（readout integrated circuit）芯片。读出电路设计包括任意行选择功能以及行增益单独调制功能,满足高光谱应用对读出电路提出的新要求。读出电路7档增益可选,适用于中波与短波碲镉汞HgCdTe（MCT）芯片;其他功能包括边积分边读出IWR（integration while reading）,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0.35 m曝光缝合工艺,电源电压5 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频可达450 Hz,功耗可调且典型值为300 mW。本文介绍了在读出电路设计的基本架构,提出设计中遇到的问题以及相应的解决方法,在文末给出了电路的测试结果。     

具有TDMI功能的640×512双色碲镉汞焦平面读出电路

研制出一种应用于单铟柱结构的长/中波双色叠层碲镉汞640×512焦平面CMOS读出电路(ROIC)。根据单铟柱结构的双色叠层碲镉汞探测器实际应用需求,读出电路设计了单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号分时多路积分(TDMI)/读出等四种工作模式可选功能。输入级单元电路分别采用长/中波信号注入管、复位管、积分电容及累积电容,并分别采用读出开关缓冲输出。为提高读出电路的适应性,各色信号通路分别设计了抗晕管以提高探测器的抗晕能力;读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,单色积分时具有先积分后读出(ITR)/边积分边读出(IWR)可选功能;当读出电路工作在单色或双色信号顺序模式时,各色积分时间可调;此外读出电路具有多种规格及任意开窗模式。该读出电路采用0.35?m 2P4M标准CMOS工艺,工作电压3.3 V。读出电路具有全芯片电注入测试功能,测试结果表明,在77 K条件下,读出电路的四种积分/读出模式工作正常,单色信号输出摆幅达2.3 V,功耗典型值为65 m W。     

高性能弹用碲镉汞红外焦平面读出电路

研制出一种高性能弹用凝视型碲镉汞(MCT)中波红外焦平面CMOS读出电路(ROIC)芯片。读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,具有积分后读出(ITR)、积分同时读出(IWR)、长/短帧组合(COMBINED)积分和长/短帧插入(INTERLACED)积分4种模式可选功能,有效解决高灵敏度和大动态范围的矛盾;其他特征包括抗晕、多级增益可选、串口功能控制,以及全芯片电注入测试功能。该读出电路采用0.35?m DPTM标准CMOS工艺,工作电压5.0 V。测试结果体现了良好的性能:在77 K条件下,全帧频可到250 Hz(插入积分模式),功耗典型值为20 mW。     

具有像素累积功能的384×288焦平面读出电路

研制出一种长波凝视型384×288焦平面CMOS读出电路(ROIC).读出电路输入级单元电路采用像素累积(PA)功能以提高信噪比(SNR),并具有抗晕功能以提高探测器的适应性;读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,具有积分后读出(ITR)和积分同时读出(IWR)两种模式可选功能;其他特征包括积分时间可调、多级增...     

微光CMOS图像传感器读出电路研究

高性能的信号读出电路是微光CMOS图像传感器的重要组成部分,如何降低读出电路噪声,提高读出电路输出信号的信噪比成为读出电路设计的重点。本文设计了一种高增益低噪声的电容反馈跨阻放大器CTIA（Capacitive Trans impedanceAmplifier）与相关双采样电路CDS （Correlated Double Sampling）相结合的微光探测器读出电路。在CTIA电路中,采用T网络电容实现fF级的积分电容,并通过增益开关控制,来达到对微弱光信号的高增益低噪声读出。采用CSMC公司的0.5μm标准CMOS工艺库对电路进行流片,测试结果表明：在光电流信号为20~300 pA范围内,积分时间为20μs,该电路功能良好,信噪比（SNR）达到10,能应用于微光CMOS图像传感器。     

一种具有2×2像元合并功能的红外读出电路设计

介绍了一种具有2×2像元合并功能的红外读出电路(10■m中心间距)。该电路兼具高分辨率和高帧频的特点,可以满足远距离搜索和近距离跟踪识别两种应用模式下的需求。像元合并前,读出电路的阵列规格为1280×1024,像元中心距为10■m,空间分辨率高,可用于近距离跟踪识别模式。像元合并后,阵列规格变为640×512,像元中心距变为20■m,灵敏度高,可用于远距离搜索模式。此外,这种电路采用串口输入控制方式,具有积分后读出(Integrate Then Read, ITR)/积分同时读出(Integrate While Read, IWR)工作模式切换、4/8通道可选、翻转和功耗控制等功能。本电路采用GF 0.18■m工艺进行设计。仿真结果表明,在像元合并后,读出电路可达到的最大帧频变为原来的2倍。     

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.     

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。     

大电荷处理能力红外探测器读出电路像素设计

读出电路将红外探测器二极管激发产生的光电子收集、积分成为电压信号并按序读出,使其变成后端系统可读的电信号,是红外焦平面探测器的重要组成部分。电荷处理能力作为衡量读出电路的一项重要指标,探测器的性能以及某些应用条件下要求读出电路具有大的电荷处理能力,本文介绍一种具备大电荷处理能力的模拟读出电路像素级设计,在15μm像元间距内最大积分电容达到832 fF,最大电荷处理能达到10.92 Me-,且具备良好的线性度。     

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。     

一种用于超大像元长波红外读出电路设计北大核心CSCD

长波红外探测器具有暗电流大、暗电流波动难以控制的特点,且像元面积越大暗电流难控制。本文针对超大像元面积长波探测器设计了一款读出电路,通过将超大像元拆分为子像元、利用子像元等效积分的光电信号处理方式,有效的解决了长波探测器超大像元暗电流大、暗电流难以控制的难题。本文设计的电路将96μm×96μm超大像元面积拆分为3×3个子像元,子像元积分后信号累加输出。电路同时兼具多档积分电容切换、对各子像元进行旁路测试、盲元替换等功能。文中还给出了电路的功能、性能仿真结果及测试结果。     

高动态范围多功能快照式红外读出电路设计

设计并验证了一款高动态范围、多种可选功能的32×32红外读出电路。电路在30μm×30μm像元面积内集成了CTIA积分器、采保电路、缓冲器、反饱和功能等,实现了快照式读出。通过积分电容可选,积分时间可从1μs调至33ms(以30Hz帧频计算)的工作方式,有效地扩大系统动态范围,使其具备高低背景工作能力。基于格雷码原理设计的控制电路,实现了动态窗口读出,图像翻转,1、2、4路输出等可选功能。所设计的读出电路采用华虹NEC0.35μmCMOS工艺成功流片,验证了设计的正确性。测试结果表明,电路采用4路输出时,帧频能达到16kFrames/sec,可应用于红外制导领域。     

基于HgCdTe-APD的32×32主被动成像读出电路

设计了一款基于线性模式下HgCdTe-APD的主被动双模式读出电路。被动模式下通过积分电容进行光信号的强度测量,主动模式下利用两段式TDC进行光子飞行时间(ToF)的标记。TDC采用面阵共享的数字计数器进行粗计数,像元内置时间幅度转换电路(TAC)进行精细测量,同时利用积分电容的切换修正时刻鉴别误差。焦平面阵列规模为32×32,工作温度为77 K,采用标准SMIC 0.18μm CMOS工艺进行电路设计及版图绘制。仿真验证结果显示,电路满阱容量约为7.5 Me^(-),在3.2μs的动态范围ToF分辨率小于0.5 ns,DNL和INL分别在-0.15 LSB~0.15 LSB和-0.2 LSB~0.2 LSB范围内。读出电路帧频为4.5 kHz,功耗小于180 mW。     

1024×1024元帧转移纵向抗晕CCD图像传感器

帧转移电荷耦合器件(FTCCD)主要应用于可见光信号探测,其在强光应用场合容易出现光晕现象。针对该问题,研制了帧转移纵向抗晕CCD图像传感器,该器件阵列规模为1 024×1 024元,像素尺寸为12μm×12μm。为了实现纵向抗晕功能,采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构,纵向抗晕倍数为200倍,器件满阱电子数为大于等于200 ke^-,读出噪声小于等于80 e^-,动态范围大于等于2 000∶1。     

面向384×288面阵型红外读出电路的低功耗设计

介绍了一种面向384×288 CMOS面阵性红外读出电路的低功耗设计.针对探测器的特点(输出阻抗约100kΩ,积分电流约100nA),新提出并实现了一种四像素共用BDI的QSBDI(Quad-share BDI)像素结构.在QSBDI结构中,4个相邻的像素共用一个反馈放大器,从而实现了高注入效率、稳定的偏置、较好的FPN特性和低功耗.另外该384×288读出电路还支持积分然后读出、积分同时读出功能,还有两个可选择的增益以及4种窗口读出模式.128×128的测试读出电路已完成设计、加工和测试.电路使用CSMC0.5μm DPTM工艺流片,测试结果表明在每个子阵列输出的峰峰差异仅为10mV.在4MHz的工作频率下,像素级引入的功耗仅为1mW,芯片的整体功耗也只有37mW,实现了低功耗设计.     

AlGaN紫外探测器读出电路研究

设计了一款AlGaN 320×256规模紫外探测器专用读出电路.该款读出电路属于数模混合电路,其中模拟信号处理电路包含积分放大电路、采样保持电路、缓冲器及输出驱动电路,数字逻辑控制电路实现了多种用户可配置的功能.给出了理论分析和电路模拟仿真的结果数据及波形.采用标准0.35μm 2P3M CMOS工艺设计了电路版图,最终版图面积为ll.8mm×11.1mm,并对流片后的读出电路进行了主要参数的测试和数据分析,验证了该读出电路的功能.     

面向384×288面阵型红外读出电路的低功耗设计

介绍了一种面向384×288 CMOS面阵性红外读出电路的低功耗设计.针对探测器的特点(输出阻抗约100kΩ,积分电流约100nA),新提出并实现了一种四像素共用BDI的QSBDI(Quad-share BDI)像素结构.在QSBDI结构中,4个相邻的像素共用一个反馈放大器,从而实现了高注入效率、稳定的偏置、较好的FPN特性和低功耗.另外该384×288读出电路还支持积分然后读出、积分同时读出功能,还有两个可选择的增益以及4种窗口读出模式.128×128的测试读出电路已完成设计、加工和测试.电路使用CSMC0.5μm DPTM工艺流片,测试结果表明在每个子阵列输出的峰峰差异仅为10mV.在4MHz的工作频率下,像素级引入的功耗仅为1mW,芯片的整体功耗也只有37mW,实现了低功耗设计.     

高性能17μm非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制

研制出一款640×512高性能17μm非制冷氧化钒红外焦平面探测器。读出电路输入级采用镜像电路获得盲像元(Rd)和感光像元(Rs)电流差的积分电流(Iint),并能够有效抑制输入偏压噪声;同时采用逐行积分、逐列读出模式。氧化钒采用单层微桥工艺;像元桥臂间距缩至0.8mm,以尽可能增大桥面及VO_x面积,有效提高像元响应率。器件采用高可靠性的金属真空封装。测试结果表明,器件的噪声等效温差(NETD)小于45 m K,响应率大于15 m V/K,热响应时间小于10 ms。     

光谱成像用红外焦平面读出电路研究

红外焦平面是光谱成像系统的核心器件。讨论了多光谱用红外焦平面读出电路的特点,设计了用于多光谱成像的64×16元红外焦平面读出电路。读出电路采用CTIA输入级,快照式曝光方式,边积分边读出工作。电路芯片与InGaAs光敏芯片阵列通过铟柱倒焊的方法,组成混成互连焦平面器件,像元间距50μm,响应波段0.9～1.7μm,盲元率0.2%,半阱时的响应不均匀性4.7%。     

小像元红外探测器读出电路设计研究

介绍了基于SMIC 0.18 μm 3.3 V工艺设计研究的第一款小像元红外探测器读出电路,间距10 μm,规模1024×1024。文章详细介绍了像素输入级以及列级、输出级运放的设计,为提高线性摆伏,设计选用了低阈值NMOS管nmvt 33,仿真分析证明低阈值管nmvt 33的噪声性能优于普通管n 33；版图设计对关键信号线和敏感点采取隔离处理措施,对像元间串扰进行了仿真分析,有效控制了信号串扰。电路经测试使用各项功能正常,最大电荷处理能力达到4.3 Me-,动态范围≥65 dB,读出速率达到10 MHz,性能指标满足设计要求。