基于SAR ADC的短波红外焦平面数字化读出电路研究

片上集成数字化是红外焦平面的主要发展方向之一,其关键技术是在读出电路内部集成模数转换(ADC)模块。针对线列InGaAs焦平面的数字化需求,采用了一种基于非二进制的冗余位 SAR ADC设计方案。整个读出电路包括读出电路单元和模数转换单元。读出电路单元采用的是电容跨阻放大器(CTIA)结构,其结构线性度好,注入效率高;模数转换单元采用的是SAR ADC,其结构简单,功耗低。文章采用非二进制校准的方法对CDAC模块进行设计,通过在电容阵列中插入冗余位来提高ADC的转换速度和精度,并使用下极板采样技术来提高采样精度。在0.18μm CMOS工艺模型下,完成了14bit的SAR ADC的设计。仿真结果表明:在采样率为1MS/s条件下,SAR ADC的信噪比(SNR)为74dB,有效位数为13.4bits。     

像素级数字化紫外焦平面读出电路的研究

为提高紫外焦平面组件成像质量,提出了可用于紫外焦平面的像素级数字化读出电路结构。针对紫外信号微弱及焦平面探测器像素面积小的特点,设计了基于电容反馈跨阻放大器(Capacitive Trans-Impedance Amplifier,CTIA)结构、模数转换器和锁存器的紫外焦平面像素级模数转换读出电路,并给出了实现像素内模数转换的工作原理。详细讨论了像素内模数转换的实现方法,各模块的设计要求及其具体实现,并基于0.35μm DP4M CMOS工艺设计制造了面阵规模128×128、像素单元面积50μm×50μm的读出电路芯片。电路性能测试与成像实验表明:电路的精度达到1mV以下,有效位数达到11位,实现了紫外焦平面读出电路的低噪声数字化输出。     

阵列型图像传感器模数转换技术

阵列型图像传感器的信号读出方式对整个传感器的性能有较大的影响。在新型的数字化图像传感器中,光电信号的多路传输在数字域实现,实现了信号的无损传输,提高了图像传感器的通道隔离度及抗干扰能力。模拟数字转换器(ADC)是数字化图像传感器的重要组成部分,其性能对整个成像系统的性能有重大影响。以阵列型图像传感器对ADC的要求入手,分析了ADC各性能参数对阵列型图像传感器性能的影响,介绍了数字化图像传感器的各类结构及适用于阵列型图像传感器的不同ADC及其实现方式。CMOS工艺技术的发展使得像素级ADC技术进入实用化阶段,像素级ADC技术可以利用数字积分技术有效提高图像传感器的动态范围,使得光电信号积分及多路传输都在数字域进行,极大地提高了图像传感器的性能。     

12位逐次逼近模数转换器关键设计技术研究

采用逐次逼近方式设计了一个12位的超低功耗模数转换电路。为减小整个ADC的芯片面积、功耗和误差,提高有效位数,对整个ADC的采样保持电路结构进行了精确的设计,重点考虑了其中的高精度比较器电路结构;对以上两个模块的版图设计进行了精细的布局。采用0.18μmCMOS工艺,该ADC的信噪比（SNR）为72dB,有效位数（ENOB）为11.7位,该ADC的芯片面积只有0.36mm2,典型的功耗仅为40μW,微分非线性误差DNL小到0.6LSB、积分非线性误差INL只有0.63LSB。整个ADC性能达到设计要求。     

超低功耗逐次逼近寄存器型模数转换器的设计

采用逐次逼近方式设计了一个12 bit的超低功耗模数转换器(ADC).为减小整个ADC的芯片面积、功耗和误差,提高有效位数(ENOB),在整个ADC的设计过程中采用了一种改进的分段电容数模转换器(DAC)阵列结构.重点考虑了同步时序产生电路结构,对以上两个模块的版图设计进行了精细的布局.采用0.18 μm CMOS工艺,该ADC的信噪比(SNR)为72 dB,有效位数(ENOB)为11.7 bit,该ADC的芯片面积只有0.36 mm2,典型的功耗仅为40 μW,微分非线性误差小到0.6 LSB、积分非线性误差只有0.63 LSB.整个ADC性能达到设计要求.     

一种用于时延积分CMOS图像传感器的10 bit全差分双斜坡模数转换器

为了满足时间延时积分(TDI)CMOS图像传感器转换全差分信号的需要,同时符合列并行电路列宽的限制,该文提出并实现了一种10 bit全差分双斜坡模数转换器(ADC)。在列并行单斜坡ADC的基础上,采用2个电容的上极板对差分输入进行采样,电容下极板接2个斜坡输出完成量化。基于电流舵结构的斜坡发生器同时产生上升和下降斜坡,2个斜坡的台阶电压大小相等。该电路使用SMIC 0.18 μm CMOS工艺设计实现,ADC以19.49 kS/s的采样频率对1.32 kHz的输入进行采样,仿真得到无杂散动态范围和有效位数分别为87.92 dB和9.84 bit。测试显示该ADC的微分非线性误差和积分非线性误差分别为–0.7/+0.6 LSB和–2.6/+2.1 LSB。     

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。     

用于传感器信号获取的模数转换器研究进展

物联网和人工智能等应用的快速发展需要各种类型高灵敏度传感器的支撑,而传感器获取信号的质量和获取效率在很大程度上取决于读出电路中模数转换器(ADC)的性能。文章在简要介绍2种典型全集成传感器的特点和工作原理的基础上,详细讨论用于传感器信号获取的ADC研究进展,主要包括目前被广泛研究和应用的4类ADC(Σ-ΔADC、逐次逼近型ADC、双积分型ADC以及混合型ADC)的工作原理、优缺点、应用范围和发展动态。     

7位80MS/s电流模式折叠分级式模数转换器

提出了一种基于电流模式的折叠分级式A/D转换器(ADC),分析了电路原理和结构,阐述了如何提高ADC的性能。测试表明,电路已达到相关性能指标。转换速率为80MS/s,在3.0MHz输入信号下的信噪失真比(SINAD)为44.4dB,有效位数(ENOB)为7.1位。给出了已实现ADC电路的结构、测试波形和动态性能测试结果。     

一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤05mV,动态范围≥70dB,电功耗≤600mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。     

多光谱TDI-CMOS图像传感器读出电路设计

针对3D集成式多光谱TDI-CMOS图像传感器的数字化处理和高速读出需求,为了解决与TDICCD探测器的整体布局、物理尺寸和接口的匹配性和一致性问题,研制了适用于五谱段TDICCD的CMOS读出电路芯片。该读出电路芯片创新地设计了一种使用多相位ADC时钟、支持相关多次采样的新型列级单斜ADC电路结构,实现了TDICCD信号的数字化和高速输出,有效提升了探测器的动态范围和噪声指标。流片测试结果表明：读出电路芯片的功能正常,集成式TDICCD的成像效果良好,新型列级ADC工作正常,读出电路以最小9.5μs的行周期输出14 bit数据,相关多次采样具备降低输出信号噪声的作用,实现了TDICCD信号的高精度数字化处理和高速输出,满足3D集成式TDI-CMOS图像传感器的研制要求。     

改善开关电容型⊿-∑模数转换器采样精度的方法

以ADS1158为例,提出保证开关电容型⊿-∑模数转换器有效位数的方法.这些方法包括差分采样、输入滤波、减小驱动电路输出阻抗、采用差分输入差分输出放大电路、将ADC的地布在模拟地上、由同一基准源为传感器和ADC提供参考电压以及使用缓冲器.当ADS1158工作在15KSPS/Channel、多通道循环模式下,常规的方法只能达到13位有效位数,而采用该设计方法实现了15位有效位数.有效改善了ADC的采样精度,能够在工业测量中应用.     

红外焦平面读出电路集成数字输出

为了实现红外焦平面数字化输出,设计了一种集成片上模数转换的焦平面读出电路,包括一个512512的读出电路单元阵列和列共享的逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)。单元读出电路采用了直接注入(DI)结构作为输入级,输出的信号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由前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高速比较器,数模转换器(DAC)采用的是三段式的电荷按比例缩放和电压按比例缩放相结合的结构。在Cadence和Synopsys设计平台下对模拟和数字部分电路分别进行设计、仿真与版图设计。电路工艺采用GLOBALFOUNDRIES公司0.35 m CMOS 3.3 V工艺加工流片。测试结果显示SAR ADC有效位数为8.2位,转换频率超过150 k Samples/s,功耗低于300 W,满足焦平面100帧频以及低功耗的需求。     

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.     

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.     

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。     

红外读出电路噪声优化分析

为了优化不同波段红外读出电路的噪声性能,给出了系统的CTIA结构读出电路噪声模型,分析了积分电容与积分时间对不同成分噪声的影响,得出了在不同红外波段探测下,噪声随积分参数取值的变化曲线。该优化研究将红外传感器件的物理特性光电流大小与读出电路的噪声特性联系在了一起,阐明了对于不同红外波段的探测,在一定的制造工艺范围内,积分电容都有最优的取值,且取值与探测器的并联电容有直接的关系;输出噪声与电路结构相互的影响也是不同的,CDS结构对长波读出电路噪声性能的改善优于中波读出电路。     

一种基于斩波技术的热电堆读出电路设计

设计了一款基于斩波技术的热电堆读出电路。读出电路包括前端放大器和2阶1bit量化Sigma-Delta调制器,其中前端放大器采用闭环结构,保证了不同温度下的增益稳定性;此外,在前端放大器和2阶1bit Sigma-Delta调制器中同时引入斩波技术,降低低频噪声和失调电压的影响,实现了较高的检测精度。读出电路采用SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工艺实现,测试表明,在电源电压3.3V、1Hz输入信号和3kHz时钟频率下,信噪失真比(SNDR)55.4dB,有效位数(ENOB)达到8.92bit,在-20～85°C温度范围内,可检测约0.2°C的温度变化。     

基于CMI及差分电流的紫外读出集成电路的研究

本文提出了一种基于电流镜镜像积分(CMI)及差分电流结构的GaN紫外探测器读出电路结构,分析了该读出电路结构的工作原理及特点.通过SPICE对电路结构进行了仿真验证,结果显示该读出电路结构可以对探测器的光响应电流信号进行有效的读取.     

改善开关电容型△-∑模数转换器采样精度的方法

以ADS1158为例,提出保证开关电容型△-∑模数转换器有效位数的方法。这些方法包括差分采样、输入滤波、减小驱动电路输出阻抗、采用差分输入差分输出放大电路、将ADC的地布在模拟地上、由同一基准源为传感器和ADC提供参考电压以及使用缓冲器。当ADS1158工作在15KSPS／Channel、多通道循环模式下,常规的方法只能达到13位有效位数,而采用该设计方法实现了15位有效位数。有效改善了ADC的采样精度,能够在工业测量中应用。