低噪声红外焦平面阵列读出电路的研究

发布时间：2020-03-22 04:01

【摘要】：红外成像探测技术自发明以来,被重点应用于军事的各个方面,而且在卫生医疗、设备检测等领域也备受关注。随着红外成像技术的不断发展,红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)也逐渐为国内外研究者所重视。IRFPA成像系统主要包括两个部分:探测器单元阵列和读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)。随着集成电路产业技术的不断进步,像元阵列规模不断扩大,像元尺寸不断缩小,ROIC的性能成为制约IRFPA成像系统发展的关键因素,因此对具有高性能的ROIC的研究具有重大意义。本论文首先对IRFPA技术的研究进展做了简要分析,根据ROIC的电路类型和工作原理,比较不同的电路类型,选择电容跨阻放大器(Capacitance Transimpedance Amplifier,CTIA)作为本文设计的像元电路类型。其次,对CTIA型的像元电路进行理论分析及设计仿真,考虑像元电路的各个性能参数,尤其是对其噪声的处理进行了详细的介绍及分析。为降低输入参考噪声,本文在设计过程中,将相关双采样CDS电路加入到像元内部,虽然增加了单个像元的功耗和面积,但是简化了列级信号的处理过程,消除了两条列总线传输过程中的干扰问题,有利于整体芯片的布局布线。再次,本文IRFPA ROIC的其他模块都进行了理论分析和设计仿真,重点介绍了数字控制模块的设计。数字控制模块的功能是实现32x32像元阵列的行列选择以及各种输出模式、积分模式的控制,包括全阵列读出、开窗读出和亚采样读出等。本文采用先行选再列选的逐行逐列的扫描方式,并且提出了一种预建立机制,不仅提高了电路的读出速率,而且降低了系统的整体功耗。最后,本文采用的是0.18μm CMOS工艺,ROIC的像元阵列规模为32×32,帧频可达100Hz,支持1路、2路和4路输出模式,读出速率为20Mbps,芯片的整体面积为2.2mm×1.6mm。本文设计过程中利用的是全定制的方法,对整体芯片的版图和布局布线都进行了优化,并且通过了DRC、LVS验证,,最终成功流片。
【图文】：

结构图,成像系统,结构图

在红外成像系统中，探测器接收红外光信号产生感应电信号，然后电信号经过读出电路的一系列处理之后，才最终被恢复成终端的图像。红外焦平面阵列（Infrared FocalPlane Array，IRFPA）具有的功能有：一是实现光-电信号的转换；二是电信号的积分、放大和传输；三是后期的信号处理。与传统的红外成像技术相比，这种成像技术可以在焦平面上直接实现像元阵列的扫描过程，系统结构简单，体积大大减小，制造成本低，可靠性好[4]。根据 IRFPA 的使用环境，可以将其分为制冷型和非制冷型两种[5]。制冷型的探测灵敏度和响应线性度性能较好，但是系统体积大，需要额外的制冷系统，制作成本高，在航天探测等领域应用较为广泛。非制冷型并不需要制冷系统，在室温下就可以工作，系统功耗比较低，使用较为方便，适合应用于其他领域[7]。图 1.1 为 IRFPA 成像系统的结构图，它主要包括光学系统、IRFPA、模数转换器、信号处理、数据储存和信息显示等部分。作为该系统的核心部件，IRFPA 通常包括两部分：红外探测器阵列和读出电路。

无人机系统,红外热成像

图 1.2 红外热成像无人机系统是系统中至关重要的部分，位于焦平面上的探测器阵列，将接收到的光级模块可识别的电信号。因此，对于响应线性度好、电路噪声低、读A ROIC 的研究设计十分重要。ROIC 的功能是对产生的光电信号进行，限制着整个系统的信号处理功能以及图像还原的清晰度等。随着 CM步，读出电路也在朝着低功耗、低噪声、高动态范围、高读出速率的国外都在花费大量的精力对此方面进行研究与开发，尤其是美、英、外不少专家都在致力于提高读出电路的性能，提出了许多新的电路架且都获得了突破性的进展，但是国内在这方面的研究还处于学习探索差距还是非常大。因此，研究高性能的红外焦平面读出电路，，加快我研究进展，不仅可以改变大量依赖进口的现状，还能拥有我国自主的
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN215

【参考文献】