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。     

数字化中波红外焦平面探测器组件研究进展

介绍了美国、以色列、法国等西方发达国家在数字化中波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。从数字读出电路（ROIC）角度出发,阐述了上述三个发达国家开发的列级ADC数字化中波红外焦平面探测器的最新研究成果。在SWaP概念牵引下,以色列、法国都推出了小像元（中心距为10 m及以下）、高温工作、数字化输出的百万像素中波红外焦平面探测器组件。最后介绍了昆明物理研究所在数字化红外焦平面探测器组件研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破列级ADC数字读出电路关键技术后,研制出一系列中心距（15 m、20 m、25 m）的640512列级ADC数字化中波红外焦平面探测器组件,主要技术指标与国外同类数字化中波红外焦平面探测器组件相当。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

第三代红外焦平面探测器读出电路

对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测器的概念,像素达到百万级,热灵敏度NETD达到1 m K量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到1000 Me-以上的电荷处理能力和100 d B左右的动态范围(Dynamic Range)才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术,以期突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制,使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。     

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。     

二次量化技术在像素级数字积分探测系统中的应用研究

像素级数字积分探测是一种新型的红外探测技术,其具备电荷处理能力高、动态范围大等特点,能够有效提升红外系统探测灵敏度,在各类红外弱信号探测领域具有巨大的应用潜力。像素级数字积分技术中的二次量化技术,可对在总噪声中占比较大的量化噪声进行有效抑制。对像素级数字积分探测系统中的量化步长进行优化设计以及对二次量化技术进行研究,分析量化步长的改变对像素级数字积分红外探测系统性能的影响;分析二次量化的原理及特点,研究其在应用中的关键参数设计,从而推动二次量化技术的发展,实现像素级数字积分探测系统更高灵敏度探测应用。     

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。     

甚高灵敏度红外探测器读出电路研究进展

在读出电路有限的像元面积内获得尽可能大的电荷存储量是实现甚高灵敏度红外探测器的关键。基于脉冲频率调制的像元级模数转换（ADC）是实现甚高灵敏度红外探测器读出电路的主要方法,阐述了像元级脉冲频率调制ADC的原理,介绍了美国麻省理工学院林肯实验室、法国CEA-LETI在像元级数字读出电路的研究进展。作为从立体空间拓展电路密度的新技术,介绍了三维读出电路的研究进展。最后介绍了昆明物理研究所甚高灵敏度红外探测器读出电路的研究进展。利用像元级ADC技术和数字域时间延迟积分（TDI）技术,昆明物理研究所研制的长波512×8数字化TDI红外探测器组件,峰值灵敏度达到1.5 mK。     

欠奈奎斯特采样在数字接收机中的应用

从理论上讲，为提高侦察接收机的截获概率，接收机的瞬时带宽必须足够宽。接收机的瞬时带宽决定于接收机的ADC采样速率。因此数字接收机必须具备高速的ADC采样速率。这样对接收机的ADC采样器件性能提出了更高的要求。将采样的方法应用于数字接收机中，可以在一定条件下降低采样速率，同时增加接收机的瞬时带宽。提出了一种基于延时和FFT技术的时域欠采样方法，并在阐述简单原理的基础上找出存在的问题及提出改进方案。重点分析了利用延时和非延时2路通道的相位差与入射信号频率之间的关系，进行信号频率的无模糊估计。基于目前硬件实现水平，数字接收机中采用这种欠采样方法是经济可行的方案。     

一款结合数字校正技术的流水线ADC设计

基于65 nm CMOS工艺、1.2 V供电电压,设计了一款结合偏移双通道技术的流水线模数转换器(analog-to-digital convertor,ADC)。芯片的测试结果表明,该校正方法有效地消除和补偿了电容失配、级间增益误差和放大器谐波失真对流水线ADC综合性能的制约。流水线ADC在125 MS/s采样率、3 MHz正弦波输入信号的情况下,信噪失真比(signal-and-noise distortionratio,SNDR)从校正前的28 dB提高到61 dB,无杂散动态范围(spurious-free dynamic range,SFDR)从校正前的37 dB提高到62 dB。ADC芯片的功耗为72 mW,面积为1.56 mm2。偏移双通道数字校正技术在计算机软件上实现,数字电路在65 nm CMOS工艺、125 MHz时钟下估计得出的功耗为12 mW,面积为0.21 mm2。     

ADC性能及其对接收机性能的影响

对模-数变换器(ADC)的性能及其对数字接收机性能的影响进行了讨论,其中详细论述了如何根据输入带宽决定ADC的最高采样频率、如何根据数字接收机的动态范围选取ADC的位数以及ADC的虚假响应和噪声对数字接收机的动态和灵敏度的影响,从而指出数字接收机的性能不可能超过所采用的ADC的性能。因此,要提高数字接收机的性能首先要保证ADC的性能。     

基于Matlab和串口通信的ADC动态性能FFT测试法

高速ADC是数字电路系统中不可或缺的组成部分,其动态性能直接决定了系统性能的好坏.ADC的动态性能常用测试方法很多,但都较为复杂.提出了一种新的ADC动态性能FFT测试方法,该方法结合Matlab软件和串口通信两者优势,可以方便快捷地对ADC动态性能进行测试.最后给出了采用该方法对一包含ADC的数字电路系统的ADC动态性能实测结果.     

1280 × 1024，10 μm数字红外焦平面读出电路设计（特邀）

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,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诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。