低功耗64×64CMOS快照模式焦平面读出电路新结构

介绍了一个工作于快照模式的 CMOS焦平面读出电路的低功耗新结构— OESCA (Odd- Even SnapshotCharge Am plifier)结构 .该结构像素电路非常简单 ,仅用三个 NMOS管 ;采用两个低功耗设计的电荷放大器做列读出电路 ,分别用于奇偶行的读出 ,不但可有效消除列线寄生电容的影响 ,而且列读出电路的功耗可降低 15 % ,因此 OESCA新结构特别适于要求低功耗设计的大规模、小像素阵列焦平面读出电路 .采用 OESCA结构和 1.2μm双硅双铝标准 CMOS工艺设计了一个 6 4× 6 4规模焦平面读出电路实验芯片 ,其像素尺寸为 5 0μm× 5 0μm ,读出电路的电荷处理能力达 10 .3     

一个128×128CMOS快照模式焦平面读出电路设计

本文介绍了一个工作于快照模式的CMOS焦平面读出电路新结构——DCA(Direct-injection Charge Amplifier)结构.该结构像素电路仅用4个MOS管,采用特殊的版图设计并用PMOS管做复位管,既可保证像素内存储电容足够大,又可避免复位电压的阈值损失,从而提高了读出电路的电荷处理能力.由于像素电路非常简单,且该结构能有效消除列线寄生电容C_bus的影响,因此该结构非常适用于小像素、大规模的焦平面读出电路.采用DCA结构和1.2μm双硅双铝(DPDM-Double-Poly Double-Metal)标准CMOS工艺设计了一个128×128规模焦平面读出电路试验芯片,其像素尺寸为50×50μm²,电荷处理能力达11.2pC.本文详细介绍了该读出电路的体系结构、像素电路、探测器模型和工作时序,并给出了精确的HSPICE仿真结果和试验芯片测试结果.     

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.     

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。     

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...     

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.     

一种降低寄生电容影响的64×4红外焦平面读出电路

本文提出了一种64×4扫描型红外焦平面读出电路。电路采用0.5μm标准CMOS工艺。工作电压为5V。本设计在列读出级采用了降低寄生电容影响的设计,以降低电路输出相对无寄生电容设计输出值的偏差,提高各通道的一致性。在对具有4级TDI、微扫描步长为探测器中心间距1/3的读出电路列暂存级进行的仿真中,相对于改进前的普通电路结构,本文提出的新型电路结构与设计理想值之间的偏差降为原来的10%。     

1 024×1 024 AlGaN紫外焦平面读出电路的超低功耗设计

提出了一种新型的超低功耗读出电路用于18 μm中心距1 024×1 024面阵规模的AlGaN紫外焦平面。为了实现低功耗设计紫外焦平面读出电路,采用了三种设计方法,包括:电容反馈跨阻放大器CTIA结构采用工作在亚阈值区的单端输入运算放大器,列像素源随缓冲器和电平移位电路共用同一个电流源负载以及列级缓冲器的分时尾电流源设计。由于像素单元内CTIA采用了单端输入运算放大器,在3.3 V供电电压下,每个像素单元最小工作电流仅8.5 nA。该读出电路设计了可调偏置电流电路使读出电路能得到更好的性能并基于SMIC 0.18 μm 1P6M混合信号工艺平台进行了设计制造。测试结果表明:由于采用了上述设计方法,整个芯片的功耗在2 MHz时钟8路输出模式下仅67.3 mW。     

面向384×288面阵型红外读出电路的低功耗设计

介绍了一种面向384×288 CMOS面阵性红外读出电路的低功耗设计.针对探测器的特点(输出阻抗约100kΩ,积分电流约100nA),新提出并实现了一种四像素共用BDI的QSBDI(Quad-share BDI)像素结构.在QSBDI结构中,4个相邻的像素共用一个反馈放大器,从而实现了高注入效率、稳定的偏置、较好的FPN特性和低功耗.另外该384×288读出电路还支持积分然后读出、积分同时读出功能,还有两个可选择的增益以及4种窗口读出模式.128×128的测试读出电路已完成设计、加工和测试.电路使用CSMC0.5μm DPTM工艺流片,测试结果表明在每个子阵列输出的峰峰差异仅为10mV.在4MHz的工作频率下,像素级引入的功耗仅为1mW,芯片的整体功耗也只有37mW,实现了低功耗设计.     

面向384×288面阵型红外读出电路的低功耗设计

介绍了一种面向384×288 CMOS面阵性红外读出电路的低功耗设计.针对探测器的特点(输出阻抗约100kΩ,积分电流约100nA),新提出并实现了一种四像素共用BDI的QSBDI(Quad-share BDI)像素结构.在QSBDI结构中,4个相邻的像素共用一个反馈放大器,从而实现了高注入效率、稳定的偏置、较好的FPN特性和低功耗.另外该384×288读出电路还支持积分然后读出、积分同时读出功能,还有两个可选择的增益以及4种窗口读出模式.128×128的测试读出电路已完成设计、加工和测试.电路使用CSMC0.5μm DPTM工艺流片,测试结果表明在每个子阵列输出的峰峰差异仅为10mV.在4MHz的工作频率下,像素级引入的功耗仅为1mW,芯片的整体功耗也只有37mW,实现了低功耗设计.     

320×240元非制冷红外焦平面阵列读出电路

采用1.2 μm DPDM n阱CMOS工艺设计并研制成功320×240热释电非制冷红外焦平面探测器读出电路.该读出电路中心距为50 μm,功耗小于50 mW,主要由X、Y移位寄存器、列放大器、相关双采样电路等构成,采用帧积分工作方式.经测试,研制的读出电路性能指标达到设计要求.给出了单元读出电路的电路结构、工作过程和参数测试结果.采用该读出电路和热释电红外探测阵列互联后,获得了良好的红外热像.     

CMOS 64×64焦平面高帧频摄像机的研制

给出了CMOS 64×64焦平面高帧频摄像机的电路框图,叙述了摄像机的工作原理.详细地叙述了焦平面、探测器响应度、信号读出电路的设计以及摄像机的可靠性设计,并给出了焦平面的工作时序图.     

InGaAs近红外线列焦面阵的研制进展

研制出光谱响应为0.9～1.7μm的256×1、512×1元InGaAs线列焦平面组件,和光谱响应延展至2.4μm的256×1元InGaAs线列焦平面组件.焦平面组件包括光敏芯片、读出电路、热电制冷器以及管壳封装.光敏芯片在Inp/InGaAs/InP(p-i-n)双异质结外延材料上采用台面结构实现,并与128×1或512×1元CTIA结构的读出电路耦合.焦平面器件置于双列直插金属管壳中,采用平行缝焊的方式进行封装.介绍了高均匀性长线列InGaAs焦平面组件的关键技术和主要性能结果,为更长线列焦平面组件的研制提供了坚实的基础.     

基于可编程开窗IP核的低功耗读出电路研究EI北大核心CSCD

红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景,需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计,并通过采用列级分时选通技术,实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出,折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式,可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性,并且可以借助后端软件综合优化版图布局,从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18μm标准CMOS工艺完成了中心距15μm的640×512读出电路设计及流片验证,并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试,结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗,电路读出总功耗小于80 mW,列级功耗仅为15 mW,读出速率达到15 MHz,可编程开窗IP核功能正常,可以实现指定区域的开窗功能。     

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%。     

一种像素级源跟随管共享的双列线信号传输的红外焦平面读出电路新结构（英文）

提出一种像素级源跟随管共享、双列线信号传输的红外焦平面读出电路新结构。像素的电压信号通过两条列线传递到列级,消除了列线寄生电阻带来的非均匀性和非线性。同一列的相邻四行像素共享源跟随管,增大了源跟随管的尺寸和面积,从而降低了热噪声、闪烁噪声以及工艺偏差带来的非均匀性。采用该结构并基于0.35μm 2P3M CMOS工艺设计和制造了一款640×512规格读出电路,像素中心距为15μm。测试结果表明:功耗仅30 mW,动态范围81 dB,非线性度0.11%,非均匀性小于1%。与中波红外探测器阵列互连后进行了组件测试和成像实验,组件非均匀性小于5%,NETD为18 mK,获得了高质量红外图像。     

一种降低寄生电容影响的64×4红外焦平面读出电路

本文提出了一种64×4扫描型红外焦平面读出电路。电路采用0．5μm标准CMOS工艺。工作电压为5V。本设计在列读出级采用了降低寄生电容影响的设计,以降低电路输出相对无寄生电容设计输出值的偏差,提高各通道的一致性。在对具有4级TDI、微扫描步长为探测器中心间距1/3的读出电路列暂存级进行的仿真中,相对于改进前的普通电路结构,本文提出的新型电路结构与设计理想值之间的偏差降为原来的10%。     

新型低功耗128×128红外读出电路设计

文中介绍了一种新型的128×128红外读出电路中的低功耗设计,包括像素级和列读出级两部分.在像素级设计中,提出了一种新型四像素共用反馈放大器(Quad-Share Buffered Injection,QSBDI)的结构:每个像素的平均功耗为500nW,放大器引入的功耗降低了30%,同时使像素FPN只来源于局部失配.列读出级采用新型主从两级放大列读出结构,其中主放大器完成电荷到电压的转换,从放大器驱动输出总线来满足一定的读出速度.通过SPICE仿真发现,与传统列电荷放大器结构相比,新型结构可节省60%的功耗.     

一种红外焦平面读出电路数字模块的设计

介绍了一种红外焦平面读出电路数字模块的设计与实现。该模块可以提供系统正常工作所需的时序,包括行选列选、采样保持等。此外,该模块还可以进行输出模式的切换,实现多路输出,提高输出帧频。介绍了多路输出的Verilog算法、电路的整体结构和时序,并给出了整个系统的仿真结果。设计的模块采用华润上华CSMC 0.5μm DPTM单阱CMOS工艺流片成功,验证了设计的正确性。测试结果表明,对64×64的阵列,四路输出时,输出帧频可以达到240fps,可应用于车辆夜视领域。     

CMOS图像传感器内置电源模块的研究与设计

电源模块是CMOS图像传感器芯片的一个重要组成部分,其性能直接影响着芯片的功耗以及所拍摄画面的质量.文中从CMOS图像传感器的像素结构和列读出电路原理出发,提出了一种低功耗、可编程控制的电源模块设计思想,并采用0.18μm CMOS工艺完成了电路设计.Hspice仿真结果表明,电源模块在启动70ms后能够生成稳定、正确的电压,其平均功耗小于1mW.