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.     

一种应用于非制冷焦平面读出电路的?非线性辐射补偿型ADC设计

针对非制冷红外探测器系统,设计了一种具有辐射非线性补偿功能的ADC结构。首先分析了辐射非线性对微测辐射热计的特性的影响,利用非线性单斜率ADC(Nonlinear Single-Slope ADC)对非线性辐射引起的微测辐射热计的特性的变化进行补偿,实现ROIC的输出信号的线性化。使用双非线性斜波发生器的模数转换较普通单斜率模数转换节省了近一半的时间,提高了探测器帧频。该ROIC已在0.5??m 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:目标温度变化640K时,输出信号呈线性(NL=0.94%),数字码有效利用率大于96%。该ROIC在大阵列、小体积的非制冷红外探测器上有着广泛的应用。     

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0.5?m 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。     

一种用于红外焦平面读出电路的输出缓冲器

设计了一种应用于红外焦平面读出电路的输出缓冲器,其建立时间短、静态功耗低、线性度高,在77 K和300 K温度下均能正常工作.该输出缓冲器采用0.5 μm CMOS工艺,5.5 V单电源供电,负载为一个25 pF电容并联一个500 kΩ电阻.模拟结果表明,该输出缓冲器在室温(300 K)时,开环增益为54.2 dB,单位增益带宽20 MHz,建立精度为0.1%时,建立时间为45 ns,静态功耗仅为3.3 mW;77 K时,开环增益为63 dB,单位增益带宽123 MHz,建立精度为0.1%时,建立时间为20 ns,静态功耗仅为3.72 mW.     

用于IRFPA ROIC的高性能缓冲器模块的设计

红外焦平面读出电路(IRFPA ROIC)主要用于焦平面阵列与后续信号处理之间的通信.文章提出了一种用于红外焦平面读出电路的缓冲器模块,包括列缓冲器、高性能的输出缓冲器以及相应的偏置电路.缓冲器均采用单位增益放大器结构,通过放大器的优化设计可实现对不同负载的有效驱动且静态功耗较低.该缓冲器模块用于一款640×512面阵、30μm中心距的中波红外焦平面读出电路,采用CSMC 0.5μm DPTM工艺进行流片加工.仿真结果表明,列缓冲器的开环增益为40.00 dB,单位增益带宽为48.17 MHz(10 pF).输出缓冲器可实现轨到轨的输入,开环增益为39.68 dB,单位增益带宽为46.08 MHz,读出速率高达20 MHz,功耗为16.02 mW(25 pF//5.1 kΩ).该模块输入端拉出的测试管脚可在焦平面读出电路的晶圆测试中帮助验证芯片功能.通过调节测试端口,测试结果与仿真结果大体一致,验证了该缓冲器模块的设计可行.     

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.     

阵列式日盲紫外成像CMOS读出集成电路及凸点连接的制作

可以广泛应用于军事和工农业生产上的CMOS紫外焦平面阵列(UVFPA)是近年来比较热门的研究课题.它可以比较容易地实现日盲式紫外探测和可见光盲式紫外探测.但在CMOS UVFPA的研制中,读出集成电路(ROIC)成了制约其发展的很重要的一环.ROIC芯片是实现探测器的信号输出的重要部件.混成式CMOS UVFPA要借助于先进的微电子封装工艺将ROIC与探测器阵列集成在一起.其中则需要制备用于高密度、高精确度互连的阵列凸点.我们通过蒸发结合光刻法和电镀法分别制备了线度为30μm×30μm的16×16凸点阵列.并对两种制备方法做了比较,在分析了制作的凸点的质量后,认为经过改进的蒸发结合光刻法可以制作高质量的阵列凸点.     

适用于像素CZT辐射探测器ROIC的高精度S/H电路

为了提高像素CZT辐射探测器读出电路的精度,用Cadence 的Spectre工具基于GSMC0.18 μm工艺模型模拟仿真,设计了一种适用于像素CZT辐射探测器读出电路的高精度双相采样保持电路.首先,用两个电流脉冲信号源建立了前置放大器的输出信号模型,它包括高频噪声和幅度为0.28 mV有用信号.然后,设计了一个用于高精度采样保持电路的高性能运算放大器.经过模拟仿真得到其共模输入范围为0.6～1.4 V,直流增益为74～80 dB,相位裕度大于60°.最后完成了高精度双相采样保持电路的设计,仿真结果显示它能很好的跟随输入信号的形状并且能在信号幅度达到相对误差为0.35%的采样保持精度.     

一种高灵敏度大动态范围的红外焦平面异形读出电路的设计

针对短波红外焦平面探测器高灵敏度、大动态范围的发展需求,设计了一款新型的红外焦平面异形读出电路。传统的像元只使用一种输入级,难以兼顾高灵敏度和大动态范围,而在该设计中包含的组合像元使用了CTIA和大动态范围两种输入级,兼顾了其优点。具体布局为每2×2个CTIA输入级模块阵列中间,含有1个直接注入模式/对数模式可切换的大动态范围输入级模块。工作模式有两种,第一种为CTIA输入级模块和直接注入模式的大动态范围输入级模块同时工作;第二种为CTIA输入级模块和对数模式的大动态范围输入级模块同时工作。基于0.18μm 3.3V标准CMOS工艺,绘制了CTIA输入级阵列规模为320×256,像元中心距为15μm的异形电路像元阵列版图。仿真结果表明,异形电路像元通过小积分电容实现了高灵敏度,通过对数光响应输出实现了大动态范围。     

基于门控多周期积分的背景抑制读出电路

在空间遥感领域,波长在3μm～5μm的中红外焦平面探测器大都工作在高背景环境下,信号电流远小于背景电流.为解决当前信号淹没于背景这一突出问题,设计了一种采用门控多周期积分结构实现的背景抑制功能的读出电路.该电路在抑制背景电流(包括暗电流)的同时能有效降低噪声,提高有效积分时间,增大输出信号动态范围.经Spectre仿真软件验证了电路设计的正确性.背景电流输入范围为0 nA～110 nA,能够有效读出2.5 nA～25 nA之间的信号电流,电路输出摆幅大于2V.该电路的设计不仅能解决当前工程中的关键问题,还对今后高性能大面阵红外焦平面高背景弱信号探测具有重要的指导意义.