基于电流镜积分的红外探测器读出电路设计

详细分析了电流镜积分(CMI)读出电路的工作原理、设计过程和CMI结构的噪声,并用CSMC 0.5μm CMOS工艺对所设计的电路进行仿真和版图设计,仿真结果表明CMI结构在电源电压为5 V,积分电容为2 pF时能提供一个较大的电荷存储能力(6.25x107个电子);在光生电流为50 pA时,探测器偏压稳定在3.615...     

高灵敏度的量子效应探测器的建模和微光探测

针对新型量子点-量子阱光电探测器在不同的辐照功率和器件偏压下的电特性测试,采用曲线拟合的方法,得到不同辐照光功率下的I-V、C-V之间的函数关系,应用Verilog-A语言建立等效电路模型,然后利用电路模拟软件进行验证,为读出电路的设计提供准确的便于和读出电路一起模拟仿真的探测器模型。针对这种探测器低温下具有的暗电流小、灵敏度高、光电转换效率高等优点,设计了电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)结构的读出电路。芯片集成后和2×8阵列的量子效应探测器封装在陶瓷基板上,低温下(77 K)采用633 nm He-Ne激光聚焦照射探测器,测试得到探测器的微光响应电压。实验结果表明,当器件在50 pW光功率、29.3μs的积分时间、偏压约-3.1 V时,读出电路与探测器对接后12个像元有响应电压;增大光功率至500 pW时,16个像元都有响应;读出电路与探测器对接后平均响应电压为18 mV,平均电压响应率达到3.6×107 V/W。     

提高读出电路输入电流动态范围的新方法

设计了一个由CMOS差分放大器构成的电容反馈跨阻型紫外焦平面单元读出电路。该电路在传统的读出电路基础上进行改进,大幅度的提高了输入电流的动态范围。该单元读出电路可应用于工作在快照模式下的128×128FPA读出电路,像素输出速率达10MHz,为探测器提供0．3V～2V的稳定偏置电压,输入电流的动态范围达52dB。     

新原理光电探测阵列的微光响应测试研究

针对暗电流低、灵敏度高等优点的新原理量子效应光电探测器,设计和加工了增益可调CTIA读出电路,以获得宽动态范围读出。读出电路芯片与164元量子效应光电探测器集成封装,在室温（300 K）条件下进行读出测试研究。光源采用633 nmHe-Ne激光器,直径50 m光斑聚焦照射。测试结果表明:器件偏压为-0.1 V,激光功率150 pW,积分时间78 s,响应电压55 mV,电压响应率达到3.67 E+08 V/W。根据测试结果,提出了进一步降低暗电流影响的改进测试方案。     

基于自偏置电流镜的CMOS红外焦平面读出电路

针对高精度红外焦平面阵列应用设计了一种具有高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、小面积和低功耗的自偏置电流镜注入CMOS读出电路.所设计的电路结构包括一种由自偏置的宽摆幅PMOS共源共栅电流镜和NMOS电流镜构成的反馈结构读出单元电路和相关双采样电路.对所设计电路采用Chartered 0.35 μm CMOS工艺进行了流片.测试结果显示:电路线性度达到了99%,探测器两端偏压小于1mV.电路输入阻抗近似为0,单元电路面积为10μm×15μm,功耗小于0.4μW.电量存储能力3108电子.测试结果表明:电路功能和性能都达到了设计要求.     

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。     

一种用于X射线工业检测的多通道电荷读出IC

介绍了一种用于X射线工业检测的多通道电荷读出IC。该电荷读出IC可提供64个通道,将探测器电荷转换成模拟电压。电路由电荷放大器增益控制、增益电容阵列、时序发生器、移位寄存器链、电荷放大器阵列和采样保持放大器等组成,具有低噪声、14位动态范围等特性。电路芯片采用0.8μm标准CMOS工艺制造,芯片尺寸为3.1mm×10.9mm。电路在3.3MHz频率、5V电源电压和3.5V参考电压下工作,电路功耗为45mW。测试结果表明,在电荷放大器增益电容为0.5pF和光电二极管结电容为33pF下,电路的输出噪声达到600μV(Vrms)。     

具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

甚长波红外(VLWIR)波段富含大气湿度、CO2含量及云层结构和温度轮廓等大量信息,是大气遥感的重要组成部分。为了满足现阶段甚长波红外探测器对读出电路高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、长积分时间等需求,设计了一种具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路。该电路采用22四个相邻的探测器像元共用一个读出电路单元的共享缓冲直接注入级(SBDI)结构,增大了单元电路的面积,在单元内实现了具有记忆功能背景抑制结构的设计,其总积分电容达到8.8 pF,有效延长了积分时间和红外焦平面的信噪比(SNR),并改善了动态范围和对比度。基于HHNEC CZ6H 0.35 m 1P4M标准CMOS工艺,完成了电路的流片制造。仿真及测试结果表明:在50 K温度下电路功能正常,其动态范围大于90 dB,线性度优于99.9%,积分时间可达74 s,达到了设计要求。该读出电路适用于甚长波红外探测器。     

GaAs/InGaAs量子点探测器件微光读出研究

GaAs/InGaAs量子点光电探测器,在633 nm激光辐射3.5 nW条件下,器件偏压-1.4 V时,测得响应电流8.9×10-9A,电流响应率达到2.54 A/W,量子注入效率超过90%。基于GaAs/InGaAs量子点光电探测器的高量子注入效率、高灵敏度等特点,采用具有稳定的电压偏置,高注入效率和低噪声特点的CTIA(电容互阻跨导放大器)作为列放大器读出结构,输出部分采用相关双采样(CDS)结构去除系统和背景噪声。实验结果表明,在3.5 nW的微光辐射下,器件偏压为-2.5 V时,50μm×50μm像素探测器与读出电路互联后有7.14×107V/W的电压响应率。     

2×8低噪声InGaAs/InP APD读出电路设计

对In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管(APD)探测器进行了特性分析.以大阵列研究为基础,结合器件特性设计了一个2×8低噪声读出电路(ROIC),电路主要由电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)电路单元构成,并对读出电路的时序、积分电容等进行了设计.电路采用0.6 μm CMOS工艺流片,芯片面积为2 mm×2 mm,电荷存储能力为5×107个,功耗小,噪声低,设计达到预期要求.     

A snap-shot mode cryogenic readout circuit for QWIP IR FPAs

The design and measurement of a snap-shot mode cryogenic readout circuit (ROIC) for GaAs/AlGaAs QWIP FPAs was reported. CTIA input circuits with pixel level built-in electronic injection transistors were proposed to test the chip before assembly with a detector array. Design optimization techniques for cryogenic and low power are analyzed. An experimental ROIC chip of a 128 × 128 array was fabricated in 0.35μm CMOS technology. Measure-ments showed that the ROIC could operate at 77 K with low power dissipation of 35 mW. The chip has a pixel charge capacity of 2.57 × 10~6 electrons and transimpedance of 1.4 × 10~7 Ω. Measurements showed that the transimpedance non-uniformity was less than 5% with a 10 MHz readout speed and a 3.3 V supply voltage.     

High-performance CMOS buffered gate modulation input (BGMI) readoutcircuits for IR FPA

A new CMOS current readout structure for the infrared (IR) focal-plane-array (FPA), called the buffered gate modulation input (BGMI) circuit, is proposed in this paper. Using the technique of unbalanced current mirror, the new BGMI circuit can achieve high charge sensitivity with adaptive current gain control and good immunity from threshold-voltage variations. Moreover, the readout dynamic range can be significantly increased by using the threshold-voltage-independent current-mode background suppression technique. To further improve the readout performance, switch current integration techniques, shared-buffer biasing technique, and dynamic charging output stage with the correlated double sampling circuit are also incorporated into the BGMI circuit. An experimental 128×128 BGMI readout chip has been designed and fabricated in 0.8 μm double-poly-double-metal (DPDM) n-well CMOS technology. The measurement results of the fabricated readout chip under 77 K and 5 V supply voltage have successfully verified both readout function and performance improvement. The fabricated chip has the maximum charge capacity of 9.5×10⁷ electrons, the transimpedance of 2.5×10⁹ Ω at 10 nA background current, and the arrive power dissipation of 40 mW. The uniformity of background suppression currents can be as high as 99%. Thus, high injection efficiency, high charge sensitivity, large dynamic range, large storage capacity, and low noise can be achieved In the BGMI circuit with the pixel size of 50×50 μm². These advantageous characteristics make the BCMI circuit suitable for various IR FPA readout applications with a wide range of background currents     

基于分时共享方案的640×512红外读出电路设计

大规模、高集成度的红外焦平面器件是实现高空间分辨率红外成像的核心。针对高集成度的红外焦平面技术发展,文中设计了一款15 m中心距640512的红外焦平面读出电路。为提升器件信噪比和积分时间,提出了一种22四个像元分时复用积分电容共享技术方案,单元采用直接注入（DI）结构作为输入级,使得读出电路最大电荷容量可达20 Me-/像元。电路有两档电荷容量可选,可满足不同光电流信号的读出要求。为了减小噪声的注入及提高缓冲器偏置电流的精度,为信号传输链路设计了相应的偏置电路。电路仿真结果表明,电路帧频108 Hz,功耗低于110 mW,线性度可高达99.99%。电路采用了CSMC 0.18 m 1P4M 3.3 V工艺加工流片,常温测试结果显示电路工作电流正常,偏置开关可控,功能正常。     

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。     

非制冷微悬臂梁式红外焦平面探测器读出电路设计

针对非制冷微悬臂梁电容式红外探测器,设计了一款焦平面读出电路.根据电路噪声建模与分析,对电路进行了优化设计以抑制噪声.采用0.35μm的CMOS工艺设计,制造了16×16读出电路原型.测试结果表明,5V电源电压、50Hz帧频下电路总功耗为16.5mW,典型工作模式下线性度为99.2%,通道一致性大于97%,等效输入噪声电荷小于150e.     

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.     

小像元10μm中心距红外焦平面读出电路设计

研制出一款小像元10μm中心距红外焦平面探测器CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（read out integrated circuit）。读出电路设计包括积分后读出（integration then reading,ITR）和积分同时读出（integration while reading,IWR）模式,ITR模式下有2档增益,电荷满阱容量分别为4.3 Me-和1.6 Me-,其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18μm工艺,电源电压3.3 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频100 Hz,读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构,分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中,发现了盲元拖尾现象,分析了拖尾现象产生的原因,为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路,最后给出了整个电路的测试结果。     

大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术（特邀）

长波红外探测器一直以来受到读出电路电荷存储容量的限制,导致信噪比、动态范围和灵敏度都难以提升,制约了长波红外成像系统的发展和应用。文中对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术,介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288（25 μm）和256×256 （30 μm）两款数字像元读出电路,其中比较器设计提高了功耗效率和强壮性,并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试,结果与国内外相关工作进行比较分析,峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK,动态范围达到96 dB。测试结果表明,数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围,是提高红外探测器性能的有效途径。