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。     

红外探测器读出电路

焦平面列阵是由许多个探测器元件组成的。目前,焦平面线列或面阵中的像元的数量还在增加。信号多路传输器是一种高度复杂的探测器专用集成电路,它是以并行方式读出所有通道的信号的。最常用的探测器电路有直接注入级和电容反馈跨阻抗放大器两种。     

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.     

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 mK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 dB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。     

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...     

数字化红外探测器的读出电路晶圆测试系统研究

数字化红外探测器的读出电路晶圆测试是评价晶圆的重要环节。在现有探针台测试设备的基础上,研制了一块电路板装置。它既可驱动晶圆工作,也可将不同形式的数字化输出信号转换为统一的数字图像传输格式,而且测试过程中可对电路板参数进行设置。首先对红外探测器读出晶圆测试系统进行了介绍,然后对研制的测试电路板装置进行了原理分析。最后将此电路板进行硬件实现,并编写了内部测试程序,完成了功能验证。对差分输出和单路输出两种形式的晶圆进行了测试,其结果与晶圆低温下的测试结果一致,数据准确可靠。此外电路装置有100个输入接口,可重复编程,支持24bit及以下输出位宽数字化晶圆的测试,使测试系统具有更高的兼容性和灵活性。     

红外探测器向高灵敏度发展

当半导体探测器趋于成熟时,热探测器,尤其是微测辐射热计,其敏感红外辐射的灵敏度也正在不断提高。     

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.     

BBD结构红外焦平面CMOS_TDI读出电路

BBD(戽链器件)因能与标准CMOS工艺兼容而受到了人们的重视.许多人开始研究基于BBD结构的红外焦平面读出电路,即以BBD结构实现时间延迟和积分功能(CMOS_TDI).基于CMOS的读出电路驱动时钟简单,采用标准逻辑电源电压工作,与外界电路之间的接口方便;并且工作电压较低,使读出电路可以实现微功耗;可以将信号读取和处理电路、驱动与控制电路甚至A/D转换器、数字信号处理电路以及全数字接口电路等完全集成在一起,实现所谓的"智能型"红外焦平面;另外,由于采用标准的CMOS工艺,因而又具有低成本的特点.     

基于电容读出的非制冷红外探测器

介绍了一种基于标准硅工艺的电容读出式微悬臂梁非制冷红外探测器的设计、制作以及集成读出电路的设计。该探测器用于探测室温下物体的红外辐射,其响应波长为8～12 μm 。由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下会发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲,从而可以探测红外辐射的情况。采用和探测器集成的CMOS读出电路对探测器信号进行读取,微悬臂梁的电容灵敏度可达2.5 fF/K,温度分辨率为0.1 K。     

高性能TDI扫描式红外传感器读出电路研究

扫描式红外成像传感器在遥测遥感、卫星成像等远距离成像领域具有广泛的应用。为了缓解信噪比相对较低而影响图像质量的问题,提出了一种时间延时积分(TDI)型读出电路。该读出电路由电容跨阻放大器(CTIA)像素电路阵列、并行TDI电路、多路开关选择电路和输出缓冲器等组成。为实现对宽动态范围光电流的处理,CTIA电路设计有多档可选增益,且非线性度小于0.3%。该读出电路采用0.35 μm CMOS工艺设计与制造,芯片面积约为1.3 mm×20 mm,采用5 V电源时功耗小于60 mW。为了评估1024×3 TDI读出电路的功能,采用了对TDI输入端注入不同电压激励的方式进行测试,测试结果验证了所提出的设计方案。     

红外焦平面读出电路片上驱动电路设计

线列红外焦平面读出电路在正常工作时需要提供多路数字脉冲和多路直流偏置电压。本文基于0.5 μm CMOS工艺设计了一款驱动电路芯片,为电容负反馈放大型（CTIA）读出电路（ROIC）提供驱动信号。电路芯片采用带隙基准电路产生低噪声低温漂的直流偏置电压,采用数字逻辑电路生成CLK1,CLK2,RESET等八路数字脉冲。仿真及测试结果表明：驱动电路芯片输出的数字脉冲及偏置电压符合设计值,可驱动CTIA型线列红外焦平面读出电路稳定工作。     

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.     

一种具有衬底温度补偿功能的非制冷红外读出电路

针对非制冷红外探测器系统,设计了一种无需衬底温度稳定器——热电制冷器(TEC)的读出电路(ROIC)结构.首先分析了衬底温度对微测辐射热计的特性的影响,利用ROIC对衬底温度变化引起的微测辐射热计的特性的变化进行补偿,实现ROIC的输出信号与衬底无关.该ROIC已在0.5 μm CMOS工艺下成功流片,并应用了到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上.测试结果表明:在衬底温度变化20 K时,ROIC输出信号仅变化2 mV,实现了去除TEC后衬底温度补偿的功能,有效地降低了系统功耗.该ROIC在低功耗,小体积的非制冷红外探测器上有着广泛的应用.     

二极管非制冷红外探测器及其读出电路设计

针对非制冷红外技术的低成本高性能应用,提出了基于SOI的二极管红外探测器及其读出电路的集成设计方案。阐述了二极管非制冷红外探测器的基本原理和工艺实现。对探测器的电学特性进行理论推导,得出读出电路的设计指标。采用连续时间自稳零电路结构实现探测器输出信号的低噪声低失调放大,采用级联滤波器以减弱开关非理想因素的影响,并采用片内电容采样保持,使得I/O引脚数较少,从而减小版图面积。采用spectre工具进行仿真,在CSMC 0.5 m 2P3M CMOS工艺下实现。结果表明:读出电路性能良好,闭环增益为65.8 dB,等效输入噪声谱密度为450 nV/Hz,等效输入失调电压100 V以内,功耗为5 mW,能实现探测器信号的准确读出。     

多谱段线列红外探测器读出电路设计优化

集成电路制造技术的发展使单芯片集成多谱段红外探测器成为可能,其中长线列红外探测器读出电路设计遇到的挑战之一就是寄生效应。针对一款多谱段长线列用读出电路在最小积分电容时行间输出电平差异显著,导致成像出现明暗条纹的现象进行了测试分析,得出复杂的电路版图寄生效应是主要原因。通过优化设计及流片验证,解决了寄生效应导致的成像明暗条纹问题。     

新型无TEC的非制冷IRFPA读出电路研究

为了降低非制冷红外焦平面阵列的功耗,研究了去除热电制冷器（TEC）等温度稳定装置的读出电路。通过对微测辐射热计的电阻温度特性的分析,设计了一种新型无需温度稳定装置的读出电路,该电路的Flash存储器存储不同温度下的校正系数,温度传感器实时检测探测器的环境温度,从Flash中取出相应的温度校正系数送入数模转换器(DAC),通过DAC的电压输出来控制探测器偏流以进行环境温度补偿。HSPICE模拟结果表明,电路输出与探测器工作的环境温度无关,系统的总功耗下降了80%,同时电路噪声保持在一个较低的水平。