常温太赫兹检测器CMOS读出电路设计

发布时间：2020-11-01 01:33

　　 近年来,太赫兹检测和成像技术在物理、天文、生物和信息等多个领域都具有广阔的应用前景。而读出电路作为太赫兹检测器的核心部件,对整个检测与成像系统的性能至关重要,因此其设计研究一直是当前热点。本文以Nb_5N_6微测辐射热计为太赫兹检测器,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,对4×4阵列读出电路进行系统设计,以便为后续大规模阵列读出电路的工作开展作参考。本文设计的阵列读出电路主要由电容反馈跨阻放大器、带隙基准、相关双采样电路、开关电容放大器和时序电路构成。为实现微弱太赫兹信号的检测,本文采用电容反馈跨阻放大器作为前端读出电路,通过调节积分电容的大小可获得较高的跨阻增益,同时该结构还具有较低的噪声和较高的动态范围等优点,其核心运放则采用两级级联结构以实现较高的增益和较大的输出摆幅;为提高系统的完整性,部分偏置电压由内部带隙基准电路产生;为提高电路的信噪比,采用相关双采样技术减小直流失调、低频噪声和KTC噪声等;为抑制列KTC噪声和列固定图形噪声,采用开关电容放大器作为输出级,并为后级ADC转换提供稳定的直流电平;为满足成像需求,设计4×4阵列读出电路的系统架构和时序控制电路,并采用复接器将低速数字信号复接为一路高速数字信号输出,从而减少引出焊盘的数量。整个电路的芯片面积为1.9mm×1.2mm,后仿真结果表明:当电源电压为1.8V,输入主时钟为1MHz时,在tt工艺角下,读出电路能够检测信号的动态范围约为50dB,并且输出具有较好的线性度;读出帧率为49Hz,单个像素功耗约为0.94mW,适用于大规模阵列读出电路的实现。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386.1
【部分图文】：

2-4 不同尺寸的 Nb5N6微测辐射热计及低噪声放大器的噪声功率谱析可知，虽然增大电阻能够提高器件的电压响应率，但同时也会引入盲目采用大电阻器件，需要折衷考虑。的主要性能参数路阵列时，主要关注以下几个性能：读出阵列中一个像元单元的面积，其大小会限制读出阵列的集成度赫兹波段，像元尺寸较大，则设计大规模阵列时，对微加工技术的采用 2n×2n格式或 VGA（Video Graphic Array）格式，如 64×

图 3-14 带隙基准电压输出随电源电压变化仿真曲线是衡量输出的基准电压随温度变化的性能指标，通常用 10-6数量级来表电压精度越高。在 ff、tt 和 ss 工艺角下，分别对基准电路进行温度扫描，下依次是 ff、tt 和 ss 工艺角下的仿真结果。从图中可知，在不同工艺角

不同工艺角下的带隙基准电压温度特性仿真波形
【参考文献】

相关期刊论文 前8条

1 杨洋;王力;耿小丕;;返波管振荡器与热释电探测器在太赫兹领域中的应用[J];中国仪器仪表;2014年05期

2 金伟其;田莉;王宏臣;蔡毅;王鹏;;THz焦平面探测器及其成像技术发展综述[J];红外技术;2013年04期

3 涂学凑;康琳;刘新华;毛庆凯;万超;陈健;金飚兵;吉争鸣;许伟伟;吴培亨;;Nb_5 N_6 microbolometer arrays for terahertz detection[J];Chinese Physics B;2013年04期

4 杨光鲲;袁斌;谢东彦;申小丹;;太赫兹技术在军事领域的应用[J];激光与红外;2011年04期

5 姚建铨;;太赫兹技术及其应用[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2010年06期

6 曾强;吕坚;蒋亚东;;一种红外CMOS读出电路相关双采样结构[J];微处理机;2009年06期

7 牧凯军;张振伟;张存林;;太赫兹科学与技术[J];中国电子科学研究院学报;2009年03期

8 房骏,李言谨,陈新禹,方家熊;线列红外焦平面中几种相关采样法分析[J];红外与毫米波学报;1999年01期

本文编号：2864819