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.     

一种新型的高均匀性非制冷红外读出电路研究

针对非制冷红外探测器系统,设计了一种高均匀性的读出电路(ROIC)结构。由于非制冷红外焦平面阵列中微测辐射热计的制作工艺存在偏差导致探测器输出存在非均匀性,其中列条纹尤为明显。所提出的读出电路能有效地消除列条纹、提高均匀性。该ROIC已在0.5?m CMOS工艺下成功流片,并应用到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上。测试结果表明:固定图像噪声(FPN)仅为0.088V,无明显列条纹。该ROIC在高均匀性的非制冷红外探测器上有着广泛的应用。     

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%。     

非制冷红外焦平面非均匀性测试技术研究

非制冷焦平面的非均匀性和噪声是限制非制冷红外热成像系统性能的主要因素.研制了非制冷红外焦平面的非均匀性测试系统,系统由黑体、红外光学系统、焦平面驱动电路、热电温控电路、信号处理系统、计算机和测试软件等构成,利用该系统可以将微测辐射热计非制冷红外焦平面各像元的输出信号数字化后传输给计算机,实现对焦平面的非均匀性测试和盲元统计,并给出了实验结果.     

一种新型低噪声高均匀性红外焦平面读出电路

针对非制冷微测辐射热计焦平面阵列,设计了一种低噪声、高均匀性的读出电路。该读出电路结合相关双采样技术和自归零技术,对固定图像噪声以及l/f噪声都能起到很好的抑制作用。目前,该电路已应用到160×120阵列的非制冷微测辐射热计焦平面上,并在0.5μm CMOS工艺下成功流片。测试结果表明,固定图像噪声仅为0.087 V,均方根噪声为256μV。     

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.     

一种具有片上补偿功能的红外读出电路

针对非制冷红外探测器系统,提出了一种恒流偏置的红外读出电路(ROIC),该电路具有衬底温度补偿功能,且可实现片上偏移非均匀性补偿。基于微测辐射热计等效电阻受目标温度、衬底温度等影响的等效模型,每个读出通道采用两个盲电阻以消除衬底温度的影响,同时使用DAC逐点调节参考电压,以完成片上偏移非均匀性补偿。该ROIC应用到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上,已在CSMC 05MIXDDST02的0.5μm CMOS标准工艺下成功流试验片。电路测试结果表明:对于常温目标,当衬底温度变化60 K时,输出电压变化小于500 mV;经偏移非均匀性补偿后,阵列的固定图像噪声为11.8 mV。该ROIC适用于应用于复杂温度环境的高均匀性非制冷红外探测器。     

非致冷红外焦平面阵列读出电路的噪声抑制

读出电路(ROIC)是非致冷红外焦平面阵列器件(UIRFPA)的关键组成部分之一。RO-IC性能的好坏直接影响到UIRFPA的性能,非致冷红外焦平面阵列读出电路的噪声抑制也是一个研究的热点。文章探讨了非致冷红外焦平面阵列读出电路的噪声及抑制方法。仿真实验结果表明,该方法具有一定的先进性。     

红外焦平面阵列读出电路非均匀性研究

读出电路对红外焦平面阵列成像系统的非均匀性有重要影响,采用动态非线性系统函数的泰勒级数建立功能电路单元的通用非均匀性模型,按照模拟型读出电路的一般结构建立读出电路的非均匀性模型,利用高斯噪声和柏林噪声模拟读出电路参数的空间随机分布,采用三维噪声的空间分量量化评估非均匀性,采用等长的矩阵模型简化阵列信号串行读出的时空转换过程,分析了噪声模型、多通道缓冲和响应非线性的非均匀特性,并指导某320×256阵列读出电路进行了非均匀特性仿真和优化。该方法能够对读出电路的非均匀性进行系统级仿真评估,并为其工程优化提供指导。     

低噪声非制冷红外焦平面阵列驱动电路的设计

针对非制冷红外焦平面驱动电路在噪声和可靠性方面的高要求,分析了降低直流偏置电压噪声以降低红外焦平面阵列噪声的可行性,提出了一种新型低噪声的非制冷红外焦平面驱动电路.该驱动电路采用ADI公司的AD8606系列高精度低噪声运算放大器构成一个直流缓冲器,其具有强大的直流驱动能力和低噪声性能,实现了直流偏置电路.采用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列可编程逻辑器件,设计红外焦平面的时序驱动电路.测试结果表明:焦平面探测器均方根噪声降低至397.83μV,为后续非制冷红外热像仪的研制奠定了基础.     

非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正及其实现

针对基于氧化钒(VOx)的非制冷红外焦平面阵列,介绍了非制冷红外成像系统的构成及其原理,并根据焦平面阵列及其读出电路的特点,给出了相应的非均匀性校正及其FPGA设计的实现。     

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.     

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。     

硅基线性模式APD焦平面研制

针对三维激光雷达的应用场景对雪崩光电二极管(APD)焦平面的性能要求,研究并制备了一种2×128硅基线性模式APD焦平面组件,它由硅基APD焦平面阵列、读出电路和制冷封装管壳组成。APD像元采用拉通型结构,通过大尺寸微透镜实现了高填充因子,通过隔离环掺杂实现了串扰抑制。通过离子注入工艺实现了击穿电压和响应电流的均匀性。设计大带宽低噪声跨阻放大电路、高精度计时电路,实现了窄脉宽、高灵敏度探测。采用气密性封装,实现了APD焦平面制冷一体化封装,制冷温差在40 K以上。测试结果表明,焦平面的探测阈值光功率可达3.24 nW,响应非均匀性为3.8%,串扰为0.14%,最小时间分辨率可达0.25 ns,实现了强度信息与时间信息同时输出的功能。     

非制冷红外热成像系统图像算法评估技术

非制冷焦平面的非均匀性和噪声是限制非制冷红外热成像系统性能的主要因素,图像处理是非制冷红外热成像系统的关键技术之一.研制了非制冷红外热成像系统的图像算法评估系统,系统由高温黑体、低温黑体、红外光学系统、焦平面驱动电路、热电温控电路、信号处理系统、计算机和评估软件等构成,利用该系统可以将微测辐射热计非制冷红外焦平面各像元的输出信号数字化后传输给计算机,实现对焦平面的非均匀测试,同时可以通过软件对各种图像处理算法的效果进行分析和评估,为非制冷红外热成像的图像处理算法的选择提供依据,文中给出了实验结果.     

IR FPA读出电路电注入测试系统

利用电流注入方式可以方便地模拟光电流注入,从而对红外焦平面阵列读出电路进行参数测试.采用NI公司的MIO-16E-1数据采集卡,通过软件编程,低成本、高效率地实现了读出电路的参数测试系统.使用多帧统计计算的方法对读出电路阵列的均方根噪声、动态范围和非均匀性等参数进行了测试.测试结果表明成品率达到64%以上,该批合格管芯已成功用于成像实验.     

红外焦平面阵列读出电路非线性的研究

在红外焦平面阵列读出电路中,非均匀性是限制其发展的主要瓶颈之一.优化读出电路的非线性可以改善焦平面阵列的非均匀性,提高红外系统的成像质量.文章主要对电容跨阻抗放大器(CTIA)型读出电路的非线性进行研究,包括该结构的积分放大器、复位管以及采样保持电路的非线性,并在理论分析的基础上提出了优化单元电路非线性的方法,设计了一个高线性的CTIA型单元电路.具体电路采用0.5μm DPTM CMOS工艺设计,仿真结果表明该单元电路功耗低,动态范围大,线性度高达99.87%.     

基于三维噪声模型的非制冷红外焦平面读出电路的分析

基于3D噪声模型对非制冷红外读出电路噪声产生的原因进行分析,重点阐述了三维噪声的理论框架与分析方法,分析各噪声因子的含义以及产生原因,并给出计算方法,对读出电路各种噪声分量的产生进行了深入的分析。并基于此模型对阵列大小为320×240非制冷红外焦平面阵列进行分析,计算出各噪声因子的大小,得出了噪声产生的主要原因,为焦平面阵列性能的提高与评估提供了理论依据。     

具有背景抑制功能的长波红外读出电路

为了提高红外焦平面检测目标的灵敏度，目标辐射产生的载流子应尽可能长时间保持，同时应尽可能减少热激发和背景辐射激发的比例。高背景条件下长波红外读出电路的积分电容较快饱和，且长波红外探测器暗电流的非均匀性会影响焦平面的固定图形噪声。基于共模背景抑制结构以及长波碲镉汞探测器暗电流分析的基础上，设计了具有非均匀性矫正的背景抑制电路。传统的背景抑制电路采用单一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模块的高精度背景记忆一般在小范围区间内。本文背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合，可以在较大的背景噪声范围内有效地降低固定图形噪声以及增大动态范围。该背景抑制结构中共模背景抑制采用电压-电流转换法，差模背景抑制采用电流存储型背景抑制结构。差模背景抑制通过背景记忆时信号放大，背景抑制时信号缩小来提高背景抑制精度。电路采用标准CMOS工艺流片。测试结果表明:读出电路的FPN值为2.08 mV。未开启背景抑制时，焦平面FPN值为48.25 mV。开启背景抑制后，焦平面FPN值降至5.8 mV。基于探测器的暗电流非均匀分布，计算其理论FPN值为40.9 mV。长波红外焦平面输出信号的RMS噪声在0.6 mV左右。     

一种新的红外焦平面阵列调整电路设计

提出了一种新的红外焦平面阵列调整电路(skimming)设计。新的调整电路包括MEMS像元模块和非均匀性校正模块。该电路能够减少阈值电压对传统调整电路的影响,以及对探测器制造工艺引入的非均匀性进行补偿。MEMS像元模块通过控制明像元电路和盲像元电路中的电压值用于调节电路本身的非均匀性,同时非均匀性校正电路用以弥补探测器制造过程引入的像元电阻非均匀性。该电路应用于阵列为640×480的红外焦平面阵列上,采用TSMC 0.18 μm工艺进行设计、仿真。仿真结果表明:MEMS像元模块能够使明像元电路和盲像元电路具有一致性;明像元电阻的非均匀性小于3 %,最大积分电流失调为200 nA,非均匀性校正模块的补偿电流大于200 nA,符合设计要求,使得调整模块输出电流变大,积分电压变大,达到显示效果变亮的目的。