红外焦平面读出电路成像重影问题的分析

随着红外焦平面探测器广泛的应用,在实际成像中会出现一些新的问题。本文针对某款256×256规格的探测器成像出现重影问题,制定了相应的读出电路成像测试分析方案。从读出电路通道、主时钟频率、目标信号强度等方面全面分析该问题与读出电路的关系,并定位了重影问题的原因。     

红外焦平面读出电路集成数字输出

为了实现红外焦平面数字化输出,设计了一种集成片上模数转换的焦平面读出电路,包括一个512512的读出电路单元阵列和列共享的逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)。单元读出电路采用了直接注入(DI)结构作为输入级,输出的信号通过多路传输送到模数转换器。设计的逐次逼近型的模数转换器中的比较器采用的是由前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高速比较器,数模转换器(DAC)采用的是三段式的电荷按比例缩放和电压按比例缩放相结合的结构。在Cadence和Synopsys设计平台下对模拟和数字部分电路分别进行设计、仿真与版图设计。电路工艺采用GLOBALFOUNDRIES公司0.35 m CMOS 3.3 V工艺加工流片。测试结果显示SAR ADC有效位数为8.2位,转换频率超过150 k Samples/s,功耗低于300 W,满足焦平面100帧频以及低功耗的需求。     

非制冷红外焦平面探测器及其技术发展动态

非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。介绍了非制冷红外焦平面探测器的工作原理及微测辐射热计、读出电路、真空封装三大技术模块,分析了影响其性能的关键参数。与微测辐射热计设计相关的重要参数包括低的热导、高的红外吸收率、合适的热敏材料等;读出电路的传统功能是实现信号的转换读出,近年来也逐渐加入了信号补偿的功能;真空封装技术包括了金属管壳封装、陶瓷管壳封装、晶圆级封装和像元级封装。列举了国内外主要厂商的非制冷红外焦平面探测器的技术指标及近年来的最新技术进展,总结了非制冷红外焦平面探测器的技术发展趋势。     

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

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0.35 μm 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15 μm。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.     

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。     

应用于红外焦平面读出电路的片上LDO设计

低压差线性稳压器(low-dropout voltage regulator,LDO)由于具有响应速度快、芯片面积小、低输出噪声的优点,很适合作为电源模块集成到红外焦平面读出电路的系统中。设计了一款低噪声、带buffer和密勒补偿的LDO结构的线性电源,芯片采用CSMC 0.6 μm CMOS工艺设计,在Hspice上对电路模块进行了仿真验证。仿真结果表明,该LDO在50 kHz、3.3~5 V的电源电压下,线性调整率最大为10 mV/V,电源抑制比(PSRR)为50 dB,负载电流可达到100 mA。     

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.     

红外焦平面读出电路的输出摆幅优化研究

基于典型红外焦平面读出电路的结构,分析了影响其输出摆幅的因素,并针对电路中各个环节的非理想因素,提出了有效优化读出电路输出摆幅的途径,同时给出了相应的仿真结果和测试数据。     

非致冷红外焦平面阵列读出电路的设计和SPICE模拟

读出电路是非致冷红外焦平面阵列的核心部件之一,对电路进行SPICE模拟是验证电路的重要手段.针对近年来得到迅猛发展的微测辐射热计(VOx)非致冷红外焦平面阵列的特点,提出了相应CMOS读出电路的设计方案,并用PSpice 9.2给出了4×4 CMOS读出电路的实现和精确的模拟结果.模拟结果表明,该方案是适合微测辐射热计非致冷红外焦平面阵列读出电路一种较为理想的形式,同样也适合于大阵列(如160×120和320×240)的CMOS读出电路.