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。     

320×256中/长波双色IRFPAs读出电路设计

中波与长波探测器的光电流及动态输出阻抗存在数量级的差别。为满足积分时间及读出信号信噪比的要求,采用像元间多电容共享的方案,设计了一种高集成度的320256双色红外焦平面读出电路。该电路选用直接注入(DI)结构作为中波输入级,而长波输入级则选用了缓冲注入(BDI)结构。其缓冲放大器采用单边结构,具有高增益、低功耗、低噪声的特点,降低了输入阻抗,提高了注入效率。基于HHNEC 0.35 m 2P4M标准CMOS工艺,完成了芯片的设计与制造。经测试,引入电容共享方案后其有效电荷容量达到70 Me-/像元,电路各项功能正常,在光照条件下,芯片呈现出高的灵敏性。在2.5 MHz读出速率下,中波及长波输出电压范围均大于2 V,非线性小于1%。在100 f/s帧频下,整体功耗小于170 mW。     

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。     

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。     

超高增益低噪声红外焦平面读出电路研究

高增益探测对InGaAs焦平面探测器在微光夜视条件下成像有重要意义。设计了一款InGaAs焦平面用的高增益低噪声64×64元读出电路。读出电路输入级采用CTIA模式(电容负反馈放大),通过计算发现输入级运算放大器热噪声是主要噪声源,采用单端替代差分运放将输入级噪声降低26%。同时,研究积分电容和增益、满阱容量、噪声的关系,将积分电容降低到1 fF,实现了超高增益和低噪声探测。读出电路采用0.18mm工艺设计,像元中心距为30mm。经过PEX(寄生参数提取)参数提取,实际积分电容为0.94 fF,经过测试芯片整体功耗低至24.1 m W,电路噪声电子数为4.37e。     

小像元10μm中心距红外焦平面读出电路设计

研制出一款小像元10μm中心距红外焦平面探测器CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（read out integrated circuit）。读出电路设计包括积分后读出（integration then reading,ITR）和积分同时读出（integration while reading,IWR）模式,ITR模式下有2档增益,电荷满阱容量分别为4.3 Me-和1.6 Me-,其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18μm工艺,电源电压3.3 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频100 Hz,读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构,分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中,发现了盲元拖尾现象,分析了拖尾现象产生的原因,为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路,最后给出了整个电路的测试结果。     

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。     

一种新型红外焦平面片上模数转换电路

基于串行单斜率积分的原理,提出了一种新型的像素级红外焦平面片上8位模数转换电路.设计了一个8×8像素阵列组成的完整读出电路芯片,并进行了版图设计和电路仿真.每个单元像素电路采用直接注入方式输入,输出与输入电流成正比的数字脉冲信号,经每列单元共享的计数器计数输出.采用独特的数字电路列共享结构,电荷注入补偿等技术,具有结构简单、面积小等特点.仿真及测试结果表明,该芯片能较好地完成红外焦平面信号读出及模数转换功能,单元面积80 μm×80 μm,单元功耗50 μW,量化等级达到8位,芯片实测量化误差小于4 LSB,帧速可达460 f/s.     

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%。     

红外焦平面阵列读出电路非线性的研究

在红外焦平面阵列读出电路中,非均匀性是限制其发展的主要瓶颈之一.优化读出电路的非线性可以改善焦平面阵列的非均匀性,提高红外系统的成像质量.文章主要对电容跨阻抗放大器(CTIA)型读出电路的非线性进行研究,包括该结构的积分放大器、复位管以及采样保持电路的非线性,并在理论分析的基础上提出了优化单元电路非线性的方法,设计了一个高线性的CTIA型单元电路.具体电路采用0.5μm DPTM CMOS工艺设计,仿真结果表明该单元电路功耗低,动态范围大,线性度高达99.87%.     

一种用于非制冷红外焦平面阵列的低噪声高均匀性读出电路

提出了一种高均匀性低噪声的读出电路,该电路通过抑制非制冷红外焦平面阵列固定模式噪声,从而可实现高质量的红外图像.该电路前端采用了行共享的增益可控NMOS管抑制像元固定模式噪声,同时采用了新型的相关双采样电路抑制列固定模式噪声.在仿真基础上,采用了AMS 0.35μm CMOS工艺完成了16×16像元芯片的制备.对芯片的大量测试结果表明提出的读出电路可以有效地降低非制冷红外焦平面阵列的固定模式噪声,同时具有高均匀性的特点,适用于高性能非制冷红外探测器.     

一种用于非制冷红外焦平面阵列的低噪声高均匀性读出电路（英文）

提出了一种高均匀性低噪声的读出电路,该电路通过抑制非制冷红外焦平面阵列固定模式噪声,从而可实现高质量的红外图像.该电路前端采用了行共享的增益可控NMOS管抑制像元固定模式噪声,同时采用了新型的相关双采样电路抑制列固定模式噪声.在仿真基础上,采用了AMS 0.35μm CMOS工艺完成了16×16像元芯片的制备.对芯片的大量测试结果表明提出的读出电路可以有效地降低非制冷红外焦平面阵列的固定模式噪声,同时具有高均匀性的特点,适用于高性能非制冷红外探测器.     

一种高灵敏度数字化TDI型红外焦平面读出电路

数字化红外焦平面探测技术作为第三代红外焦平面技术成为近年来被研究的热点。本文提出了一种将像素级数字化技术与TDI技术相结合的红外焦平面读出电路,使得电路实现大动态范围的同时满足低功耗设计。文中在0.18μmCMOS工艺模型下,对电路进行设计仿真,该读出电路电荷处理能力可达到5.04Ge-,动态范围最高达到101.5dB,在典型长波积分电流应用下电路功耗仅95.8mW。     

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。     

一种红外焦平面的数字化输出设计方案

为了实现红外焦平面数字化输出,设计了一种带片上模数转换的焦平面读出电路,包括一个8×1的读出电路单元阵列和一个基于逐次逼近算法的10位模数转换器.单元读出电路采用了电容反馈负阻抗放大器结构作为输入级,输出的信号经采样保持后通过多路传输送到模数转换器.设计的逐次逼近型的模数转换器中的比较器采用的是两级开环结构,数模转换器采用的是高位电荷缩放低位电压缩放型的结构.在Cadence全定制设计平台下,采用0.6μm双多晶硅、双金属层的CMOS工艺模型对电路进行了仿真和版图设计.整个读出电路采用5V电压供电,20kHz的采样输出时仿真平均功耗约为5mW.     

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。     

一种红外焦平面的数字化输出设计方案

为了实现红外焦平面数字化输出，设计了一种带片上模数转换的焦平面读出电路，包括一个8×1的读出电路单元阵列和一个基于逐次逼近算法的10位模数转换器。单元读出电路采用了电容反馈负阻抗放大器结构作为输入级，输出的信号经采样保持后通过多路传输送到模数转换器。设计的逐次逼近型的模数转换器中的比较器采用的是两级开环结构，数模转换器采用的是高位电荷缩放低位电压缩放型的结构。在Cadence全定制设计平台下，采用0．6μm双多晶硅、双金属层的CMOS工艺模型对电路进行了仿真和版图设计。整个读出电路采用5V电压供电，20kHz的采样输出时仿真平均功耗约为5mW。     

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。     

多功能红外焦平面读出电路设计

主/被动成像系统具备多种成像模式,集成度高、成本低、系统运行效率高,应用前景良好。设计了一种64×64规模的多功能红外焦平面阵列读出电路,在30 μm像元中心距的限制下实现了日光标准成像、微光成像、异步激光脉冲检测和二维激光测距四种成像功能。基于TSMC 0.35 μm工艺,完成了多功能读出电路的芯片设计与流片验证。电路复用设计和像素共享架构显著降低了版图面积。CTIA的T型开关有效减小漏电流,改善了红外被动成像电路的动态范围,高增益模式下动态范围达60 dB,低增益模式下动态范围达68 dB。并且满阱电荷容量分别为203 ke?和1.63 Me?。三级push-pull运放和MOS反馈电阻使RTIA兼具高增益和小尺寸。芯片测试结果表明,电路具备主/被动成像功能,性能良好,可应用于红外焦平面激光雷达成像系统。