无TEC非制冷红外探测器读出电路的研究

发布时间：2017-09-02 08:36

  本文关键词：无TEC非制冷红外探测器读出电路的研究

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【摘要】：红外探测技术发展至今已有近半个世纪的历史了,红外探测技术已经广泛应用于军用和民用领域。非制冷红外探测技术的出现则是红外探测技术领域的一次质的飞跃,如今非制冷红外焦平面热成像技术已经在很多国家得到了应用,具有广泛的发展前景。然而,国内对非制冷红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)探测器的研究起步较晚,少数公司在非制冷红外探测器的研发上取得了一定进展。因此,研究自主知识产权的非制冷红外焦平面探测器及其相关应用技术已经成为一个重点研究课题。然而半导体制冷器(TEC)作为非制冷红外探测器的重要部分,约占用整个探测器80%的功率消耗。因此,对于无TEC非制冷红外探测器的相关研究和去除TEC产生非均匀性影响及其校正方法成为红外探测领域未来重要的发展方向。本论文首先对红外探测理论相关理论进行分析,针对去除TEC后产生的非均匀性问题进行简单的理论分析及公式推导,对这种非均匀性给出一种基于环境温度变量的非均匀性校正方法。并设计出基于像元尺寸25 μm×25μm像元阵列尺寸400×300的带有片上非均匀校正功能的无TEC非制冷红外焦平面读出电路结构,并对本设计各模块进行仿真分析。本论文主要研究内容如下：1、介绍了红外探测器的基本工作原理,分析了红外焦平面探测像元对红外辐射的吸收关系及相关数学计算公式,并给出了红外探测过程中热-电转换的热平衡关系。2、分析了红外探测器系统非均匀性产生的原因,并给出了相关计算公式。分析了由于去除TEC产生的非均匀性影响,并给出了相应的非均匀性校正方法。3、采用GlobalFoundry 0.35μm工艺,基于Cadence平台对无TEC非制冷IRFPA的读出电路中各个模块进行了设计、仿真和分析。
【关键词】：红外焦平面阵列 无TEC 非均匀性校正 读出电路
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN215
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 引言8-9
• 1.2 非制冷红外探测器的发展现状和趋势9-13
• 1.2.1 国内外发展现状9-12
• 1.2.2 非制冷红外探测器的发展趋势12-13
• 1.3 非制冷红外探测器读出电路简介13
• 1.4 论文的研究背景、目的和研究内容13-14
• 1.5 论文整体安排14-16
• 第二章 红外探测基本原理16-22
• 2.1 红外辐射特性16-17
• 2.2 非制冷红外焦平面阵列探测理论17-19
• 2.3 非制冷红外焦平面阵列探测热-电转换关系19-20
• 2.4 本章小结20-22
• 第三章 非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正分析22-30
• 3.1 非均匀性的来源22
• 3.2 传统非均匀性校正技术22-25
• 3.2.1 一点定标校正法23
• 3.2.2 二点定标校正法23-24
• 3.2.3 多点定标校正法24-25
• 3.3 偏置非均匀性校正分析25-27
• 3.4 去除TEC的偏置非均匀性校正27-28
• 3.5 本章小结28-30
• 第四章 无TEC非制冷红外探测器ROIC的设计与仿真30-54
• 4.1 无TEC非制冷红外探测器ROIC的总体结构30-31
• 4.2 像元读出电路31-36
• 4.2.1 常用像元读出电路结构31-34
• 4.2.2 像元读出电路结构设计34
• 4.2.3 像元读出电路仿真结果34-36
• 4.3 积分电路36-41
• 4.3.1 积分电路的运算放大器结构设计及仿真36-38
• 4.3.2 积分电路结构设计38-39
• 4.3.3 积分电路参数分析39-40
• 4.3.4 积分电路仿真结果40-41
• 4.4 输出缓冲器41-46
• 4.4.1 输出缓冲器结构设计41-42
• 4.4.2 共源共栅级结构设计42-43
• 4.4.3 推挽电路结构设计43-45
• 4.4.4 偏置电路结构设计45
• 4.4.5 输出缓冲器仿真结果45-46
• 4.5 温度探测器46-49
• 4.5.1 温度探测器结构设计47-48
• 4.5.2 温度探测器仿真结果48-49
• 4.6 带隙基准源49-51
• 4.6.1 带隙基准源结构设计49-50
• 4.6.2 带隙基准源仿真结果50-51
• 4.7 本章小结51-54
• 第五章 ROIC版图设计54-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 总结58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-64
• 发表论文和参加科研情况说明64-66
• 致谢66

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