红外焦平面探测器数字读出电路研究

读出电路是红外焦平面探测器组件的重要组成部分,其性能对探测器乃至整个红外成像系统的性能有重大影响。随着硅CMOS工艺的发展,数字化读出电路以及读出电路片上数字信号处理等功能得以实现,能够大幅度提高红外焦平面探测器的性能。以红外焦平面探测器对读出电路的要求入手,分析了读出电路各性能参数对红外焦平面探测器性能的影响,介绍了读出电路的数字化技术及各种实现方式以及数字积分技术。CMOS技术的发展使得数字积分技术在红外焦平面探测器读出电路中得以实现,有效解决了读出电路的电荷存储容量不足的问题,极大地提高了探测器性能。     

数字化红外焦平面技术

数字化红外焦平面技术是从探测器起所有信号处理都在数字域完成的红外热成像技术,是目前国际上最先进的新一代红外焦平面技术。通过将模拟-数字转换器(ADC)集成到读出电路中实现数字读出,配合数字传输和数字图像处理形成数字化红外焦平面技术。通过中波640×512数字化红外焦平面探测器读出电路、成像组件以及数字化红外焦平面热像仪的设计和测试,表明数字化红外焦平面技术具有接口简单、高抗干扰、高通道隔离度、低读出噪声、高传输带宽、高线性度、高稳定性等特点,是红外热成像系统的技术发展趋势。     

红外焦平面片上ADC的设计分析

ADC是红外焦平面读出电路数字化中非常关键的器件,对于红外焦平面数字化后的最终性能起着决定性的影响。ADC的种类和架构比较多,使得读出电路的设计过程中往往遇到多种选择。因此本文通过对常见的应用于红外焦平面的ADC的种类和架构进行分析,总结出各种ADC的特点,以便于在不同的应用中选择不同的ADC架构和类型。     

红外焦平面列级ADC数字读出电路测试技术研究

数字化红外焦平面器件是焦平面发展的重要方向,其核心是读出电路集成高性能模数转换器(ADC)。分析了读出电路数字化输出后焦平面性能参数的评价方法,阐述了红外焦平面列级ADC的静态测试和动态测试方法,提出了基于斜坡电压输入的过采样原理测试ADC静态性能,提升无误码分辨率测试正确性。针对ADC静态测试和动态测试要求,结合Labview软件和数字采集卡搭建了软硬件测试平台,并通过一款数字焦平面芯片的测试,验证了测试方法和平台适用于行列级ADC数字化读出电路的测试评价。     

甚高灵敏度红外探测器读出电路实现方法研究

随着红外焦平面技术的不断发展,红外焦平面探测器应用领域越来越广泛,这对红外焦平面探测器灵敏度提出更高的要求。本文首先分析了传统TDI型读出电路的降噪原理,通过仿真、测试及理论分析论述了传统TDI型读出电路提高红外探测器灵敏度的局限性,并计算出传统TDI型红外探测器所能实现的最优NETD值为4.19 mK。随后分析了像素级数字化TDI型读出电路的噪声来源及如何降低各类噪声,通过仿真结果结合理论计算得出像素级数字化TDI型红外探测器在应用32级TDI时NETD可达到亚毫K级,能够实现甚高灵敏度红外探测器的需求。     

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0.18μm CMOS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5.04 Ge-,动态范围最高达到101.5...     

红外焦平面读出电路技术及发展趋势

从红外焦平面技术的发展背景出发,论述了读出电路在红外焦平面信号传输中的作用并介绍其基本框图,讨论了CCD读出电路和CMOS读出电路各自的特点,并分析了国内外红外焦平面读出电路的现状,最后提出了红外焦平面阵列读出电路今后的研究方向.     

像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展

介绍了美国、法国等西方红外强国在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。基于像素级ADC(模数转换)数字读出电路(ROIC)的不同实现架构,阐述了美国MIT实验室、法国Sofradir及CEA-Leti公司开发的像素级ADC数字读出电路原理及像素级数字化长波制冷红外焦平面探测器的最新研究成果。最后介绍了昆明物理研究所在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破像素级ADC设计等关键技术后,研制出320×256(30?m中心距)像素级数字读出电路,并与相同规格的长波制冷红外焦平面探测器互连,主要性能参数与国外同类像素级数字化长波焦平面探测器相当。     

红外焦平面阵列读出电路技术分析

从红外焦平面技术的发展背景出发,论述了读出电路在红外焦平面信号传输中的作用;讨论了用于实现红外焦平面阵列读出电路的一些实施技术;并对各种实现技术进行了分析比较;最后提出了红外焦平面阵列读出电路今后的研究方向。     

数字红外焦平面探测器（特邀）

相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有很多技术优势,是红外焦平面探测器技术的重要发展方向。首先,介绍了数字红外焦平面探测器国内外的研发现状,从信号处理以及应用的角度分析了模拟红外焦平面探测器与数字红外焦平面探测器的区别与特点;然后,又详细介绍了列级ADC数字读出集成电路以及数字像元读出集成电路的架构及具体电路模块,分析了数字读出集成电路的各模块电路及与性能的关系,并展望了数字读出集成电路的技术发展趋势。随着红外焦平面探测器向大面阵、小像元及高性能发展,对数字读出集成电路也提出更高的技术要求。通过读出集成电路架构以及模块电路的技术提升,列级ADC数字读出集成电路将普遍应用于大面阵、小像元红外焦平面探测器,而数字像元读出集成电路将普遍应用于长波红外焦平面探测器。     

红外焦平面列级数字化技术北大核心CSCD

红外焦平面列级数字化技术是一种将模拟信号通过列级数字化技术最终实现读出电路数字信号输出的技术,不仅对外部的噪声具有很好的抗干扰能力,同时可以有效避免外部电子电路的非线性。由于不受像元面积限制及其优异的性能,列级数字化技术正在成为红外焦平面数字化技术一个重要的发展方向。本文主要介绍了主流的列级数字化技术。     

高光谱用长波红外焦平面探测器组件

介绍了高光谱用长波1024×256红外焦平面探测器组件的研究结果。长波红外焦平面探测器芯片基于液相外延碲隔汞薄膜材料制造,读出电路基于035μmCMOS 50 V工艺设计,采用非密封型与高光谱相机集成的探测器封装结构。经测试,长波1024×256红外焦平面探测器组件各项功能正常,性能良好。     

Design of Diode Type Un-Cooled Infrared Focal Plane Array Readout Circuit

The diode infrared focal plane array uses the silicon diodes as a sensitive device for infrared signal measurement. By the infrared radiation, the infrared focal plane can produces small voltage signals. For the traditional readout circuit structures are designed to process current signals, they cannot be applied to it. In this paper,a new readout circuit for the diode un-cooled infrared focal plane array is developed. The principle of detector array signal readout and small signal amplification is given in detail. The readout circuit is designed and simulated by using the Central Semiconductor Manufacturing Corporation (CSMC) 0.5 μm complementary metal-oxide-semiconductor transistor (CMOS) technology library. Cadence Spectre simulation results show that the scheme can be applied to the CMOS readout integrated circuit (ROIC) with a larger array, such as 320×240 size array.     

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。     

直接注入型IRFPA读出电路像素单元的研究

像素单元电路是读出电路的核心单元电路,其性能直接关系到整个焦平面成像的性能。文章从电路结构设计、注入效率的分析、电荷存储能力的分析、非线性的优化设计对直接注入型像素单元电路进行了研究。通过仿真,主要分析了像素单元电路中器件参数对注入效率的影响,以及积分电容对读出电路的电荷存储能力及非线性的影响。基于研究结果设计的读出电路采用了CSMC 0.5μm工艺进行流片验证,实测结果表明,电路具有较好的特性,芯片已成功应用于国内某研究所致冷型探测器组件中。     

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。     

Multiple integration method for a high signal-to-noise ratio readout integrated circuit

A multiple integration method is reported that greatly improves the signal-to-noise ratio (SNR) for applications with a high-resolution infrared (IR) focal plane array. The signal from each pixel is repeatedly sampled into an integration capacitor and then output and summed into an outside memory that continues for n read cycles during each period of a frame. This method increases the effective capacity of the charge integration and improves sensitivity. Because a low-noise function block and high-speed operation of the readout circuit is required, a new concept is proposed that enables the readout circuit to perform digitization by a voltage skimming method. The readout circuit was fabricated using a 0.6-/spl mu/m CMOS process for a 64/spl times/64 midwavelength IR HgCdTe detector array. The readout circuit effectively increases the charge storage capacity to 2.4/spl times/10/sup 8/ electrons and then provides a greatly improved SNR by a factor of approximately 3.     

一种高性能红外焦平面阵列读出电路

提出了一种快闪式红外焦平面阵列读出电路。采用改进的直接注入型单元电路,积分电容大小可选,能适应大范围的光背景条件,并且增加了图像变换(倒置/反转)功能。一款128×128阵列的读出电路已经基于标准0.5μmCMOS工艺实现,整体芯片的面积为8.0mm×8.5mm。实测结果表明,此读出电路具有良好的光电转换能力,同时具有功耗低、输出摆幅大、动态范围大等优点。     

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。